Luận án tiến sĩ nhận dạng hệ thống điều khiển lò hơi trong vòng kín

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Trịnh Thị Khánh Ly NHẬN DẠNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LÒ HƠI TRONG VÒNG KÍN LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA HÀ NỘI – 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Trịnh Thị Khánh Ly NHẬN DẠNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LÒ HƠI TRONG VÒNG KÍN Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 62520216 LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS. HOÀNG MINH SƠN  LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hà Nội, tháng 8 năm 2016. Người hướng dẫn khoa học Tác giả luận án PGS.TS Hoàng Minh Sơn Trịnh Thị Khánh Ly i MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT.

vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ. ix MỞ ĐẦU. Tính cấp thiết của luận án. Mục tiêu và các kết quả mong đợi của luận án.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án. Phương pháp nghiên cứu. Bố cục của luận án.

4 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH LÒ HƠI.1 Giới thiệu các phương pháp xây dựng mô hình lò hơi .2 Một số kết quả nghiên cứu xây dựng mô hình lò hơi .1 Các kết quả nghiên cứu xây dựng mô hình lý thuyết .2 Các kết quả nghiên cứu xây dựng mô hình thực nghiệm .3 Các kết quả nghiên cứu xây dựng mô hình hộp xám.3 Xác định vấn đề cần nghiên cứu của luận án.1 Đánh giá các mô hình động học lò hơi hiện có .2 Nội dung nghiên cứu của luận án .3 Bài toán xây dựng mô hình hộp xám của lò hơi. 14 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1. 14 CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH LÝ THUYẾT CỦA LÒ HƠI .1 Giới thiệu chung về lò hơi trong nhà máy nhiệt điện.1 Hệ thống buồng lửa–không khí-khói thải .2 Hệ thống hơi-nước .2 Mô hình lý thuyết của lò hơi.1 Các phương trình cân bằng .2 Quá trình cháy và truyền nhiệt trong lò hơi .3 Mô hình lý thuyết cho bao hơi trong lò hơi .4 Mô hình của bộ quá nhiệt .3 Mô hình tuyến tính cho lò hơi .1 Tuyến tính hóa mô hình bao hơi và bộ quá nhiệt .2 Mô hình trạng thái tuyến tính của lò hơi. 32 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2.

34 CHƯƠNG 3: NHẬN DẠNG MÔ HÌNH LTI CỤC BỘ .1 Nhận dạng mô hình của lò hơi trong vòng kín: khó khăn và thách thức .2 Giới thiệu chung về nhận dạng hệ thống trong vòng kín .1 Phương pháp sai số dự báo .2 Lựa chọn phương pháp nhận dạng lò hơi trong vòng kín .3 Phương pháp sai số dự báo nhận dạng trực tiếp trong vòng kín .4 Tính thông tin của dữ liệu và điều kiện kích thích trong hệ kín .3 Thuật toán ước lượng tham số mô hình .1 Mô hình nhận dạng trong vòng kín .2 Thuật toán sai số dự báo lặp .3 Thuật toán sai số dự báo đệ qui .4 Thực nghiệm nhận dạng lò hơi trong vòng kín .1 Qui trình nhận dạng sử dụng phương pháp PEM .2 Lựa chọn tín hiệu kích thích.5 Nhận dạng lò hơi nhà máy nhiệt điện Quảng Ninh.1 Thu thập dữ liệu lò hơi .2 Ước lượng các tham số mô hình sử dụng thuật toán lặp .3 Ước lượng các tham số mô hình sử dụng thuật toán đệ quy .4 Đánh giá và kiểm chứng mô hình .6 Nhận dạng lò hơi nhà máy nhiệt điện Phả lại.1 Thu thập dữ liệu lò hơi .2 Ước lượng các tham số mô hình sử dụng thuật toán lặp .3 Ước lượng các tham số mô hình sử dụng thuật toán đệ qui .4 Đánh giá và kiểm chứng mô hình. 66 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3. 70 CHƯƠNG 4: NHẬN DẠNG MÔ HÌNH PHI TUYẾN GIẢ LPV .1 Nhận dạng mô hình phi tuyến giả LPV .1 Lựa chọn biến làm việc và các điểm làm việc .2 Nhận dạng các mô hình cục bộ LTI trong vòng kín .3 Ước lượng mô hình toàn cục dựa trên phương pháp nội suy .2 Xây dựng mô hình giả LPV nội suy tín hiệu .1 Nội suy đầu ra sử dụng hàm trọng số tuyến tính .2 Nội suy đầu ra sử dụng hàm trọng số spline .3 Xây dựng mô hình giả LPV nội suy tham số .1 Mô hình toàn cục phi tuyến giả LPV .2 Ước lượng các hàm trọng số .3 Áp dụng cho mô hình lò hơi Nhà máy Nhiệt điện Phả Lại .4 Đánh giá và kiểm chứng mô hình. 89 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4.

91 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. 93 Những kết quả đạt được. 93 Những đóng góp chính của luận án. 95 TÀI LIỆU THAM KHẢO.

97 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN. 103 iii Phụ lục: Một số đoạn mã code chính trong chương trình phần mềm Matlab. 104 iv  DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT Danh mục ký hiệu các biến quá trình Ký hiệu Nội dung, ý nghĩa Đơn vị Ad Diện tích mặt bốc hơi trong bao hơi (m2) Cms, Cmr Nhiệt dung riêng ống kim loại của bộ quá nhiệt và (J/kg °C) của dàn ống sinh hơi Cps1, Cps2 Nhiệt dung riêng của hơi quá nhiệt cấp 1, cấp 2 (J/kg °C) Df, Dds, Dfw Lưu lượng nhiên liệu, lưu lượng nước làm mát, lưu (kg/s) lượng nước cấp Ds, DT Lưu lượng hơi bão hòa và hơi quá nhiệt (kg/s) hfw, hs, hT enthapy của nước, hơi bão hòa và hơi quá nhiệt (J/kg) ks, kr Các hệ số truyền nhiệt (J/kg °C) mms, mmr Khối lượng kim loại bộ quá nhiệt và của dàn ống (kg) sinh hơi msh1, msh2 Khối lượng hơi quá nhiệt trong cấp 1 và cấp 2 (kg) PD, PT Áp suất bao hơi, áp suất hơi quá nhiệt (bar, psig) QEV, QSH Lượng nhiệt cấp cho dàn ống sinh hơi, bộ quá nhiệt (kJ/s) Tms, Tmr Nhiệt độ kim loại bộ quá nhiệt và dàn ống sinh hơi (0C) Ts1, TSH Nhiệt độ hơi quá nhiệt cấp 1 và cấp 2 (0C) Vs, Vw,Vt Thể tích hơi, nước và môi chất trong bao hơi (m3) Vr Thể tích môi chất trong ống lên (m3) r Hàm lượng hơi trong hỗn hợp trong ống lên (%) us, uw Nội năng của hơi và nước trong lò (J/kq) LD Mức nước bao hơi (m) s, w Khối lượng riêng của hơi và nước trong bao hơi (kg/m3) sh1, sh2 Khối lượng riêng của hơi quá nhiệt cấp 1, cấp 2 (kg/m3) Danh mục các ký hiệu dùng trong mô hình Ký hiệu Nội dung, ý nghĩa A Ma trận hệ thống B Ma trận đầu vào C Ma trận đầu ra C(q) Mô hình của bộ điều khiển G(q) Mô hình của quá trình H(q) Mô hình của của nhiễu K Hệ số lọc Kalman S M S là tập con của M u ,y Giá trị của u và y tại điểm làm việc n Bậc của mô hình vi argmin f(x) Giá trị của x sao cho f(x) là nhỏ nhất q, q−1 Toán tử tiến và lùi N Số mẫu dữ liệu x (t )   xT (t )x (t ) t 0 x (t ) N N  xT (t )x (t ) t 0 E(X) Kỳ vọng toán học của X Rw Hàm tự tương quan của tín hiệu u Ryu(τ) Hàm tương quan chéo của tín hiệu y và u Φu(ejω) Phổ công suất của tín hiệu u Φyu(ejω) Phổ công suất chéo của tín hiệu y và u  , 0 ,  * , ̂ Vector tham số, tham số thực, tham số tối ưu, tham số ước lượng ̂i , ̂(k ) Tham số ước lượng cho thuật toán lặp và đệ qui r(k) Tín hiệu chủ đạo tại thời điểm k u(k) Tín hiệu vào tại thời điểm k x(k) Vector biến trạng thái tại thời điểm k v(k) Nhiễu đo tại thời điểm k y(k) Tín hiệu ra tại thời điểm k w(k) Nhiễu quá trình tại thời điểm k Z Tập dữ liệu đo ε(k) Sai số dự báo tại thời điểm k φ Vector hồi qui VN Hàm mục tiêu tính từ N mẫu dữ liệu RN Ma trận hồi quy tính từ N mẫu dữ liệu M* Lớp mô hình M() Mô hình cụ thể theo tham số  S Hệ thống thực t Thời gian [sec] ts Thời gian lấy mẫu [sec] grad(V) Vector gradient của hàm V Hess(V) Ma trận Hessian của hàm V Danh mục các từ viết tắt ARX AutoRegressive with eXternal input ARMAX AutoRegressive Moving Average with eXternal input BFT Best Fit BJ Box-Jenkins model BMCR Boiler Maximum Continuous Rating CLSI Closed-Loop System Identification vii dc Downcomer eco Economizer eva Evaporator f Fuel FIR Finite Impulse Response FPE Final Prediction Error fw Feedwater LPV Linear Parameter-Varying (system) LS Least square LTI Linear Time-Invariant (system) LTV Linear Time-Varying (system) MIMO Multiple-Input Multiple-Output NARX Nonlinear AutoRegressive (system) NARMAX Nonlinear AutoRegressive (system) with eXternal input NFIR Nonlinear Finite Impulse Response NOE Nonlinear Output Error OE Output Error PEM Prediction error method PRBS Pseudo-random binary sequence RPEM Recursive prediction error method SISO Single Input Single Output SH Super Heater St Steam in drum Steam-Water System SWS VAF Variance Accounted for wt Water in drum w.1 với xác suất là 1 viii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ Nội dung Trang Bảng 3.1 Các điểm làm việc của lò hơi Quảng Ninh 54 Bảng 3.2 Các thông số của lò hơi ở giá trị phụ tải cực đại và định mức 63 Bảng 3.3 Các điểm làm việc của lò hơi Phả Lại 63 Bảng 4.1 So sánh tiêu chí chất lượng các mô hình LPV của lò hơi 92 Hình 1.1 Các phương pháp tiếp cận xây dựng mô hình 6 Hình 2.1 Cấu tạo sơ lược lò hơi trong các nhà máy nhiệt điện 17 Hình 2.2 Thành phần chính của lò hơi 19 Hình 2.3 Cấu trúc vào ra của quá trình nhiệt trong lò hơi 21 Hình 2.4 Hệ thống bao hơi - ống xuống - ống lên 23 Hình 2.5 Sơ đồ khối của bộ quá nhiệt 27 Hình 3.1 Hệ thống trong vòng kín 36 Hình 3.2 Nhận dạng hệ thống trong vòng kín 39 Hình 3.3 Tín hiệu kích thích nhận dạng hệ thống trong vòng kín 42 Hình 3.4 Sự thay đổi của tải lò hơi Quảng Ninh 53 Hình 3.5 Các tín hiệu vào của lò hơi Quảng Ninh 53 Hình 3.6 Các tín hiệu ra của lò hơi Quảng Ninh 54 Hình 3.7 Một số phần tử của ma trận A (mô hình lò hơi Quảng Ninh) 57 Hình 3.8 Một số phần tử của ma trận B (mô hình lò hơi Quảng Ninh) 57 Hình 3.9 Nhiệt độ hơi quá nhiệt đo được và dự báo (lò hơi Quảng Ninh) 58 Hình 3.10 Áp suất hơi quá nhiệt đo được và dự báo (lò hơi Quảng Ninh) 58 Hình 3.11 Áp suất bao hơi đo được và dự báo (lò hơi Quảng Ninh) 59 Hình 3.