Luận văn Nghiên cứu điều khiển thích nghi cho đối tượng có đặc tính cực trị

Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐHKT CƠNG NGHIỆP CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc -----------***----------- THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI CHO ĐỐI TƯỢNG CĨ ĐẶC TÍNH CỰC TRỊ Học viên: Nguyễn Tiến Dũng Lớp: CH K10 Chuyên ngành: Tự động hố Người HD Khoa học: PGS.TS Nguyễn Hữu Cơng Ngày giao đề tài: 01/02/2009 Ngày hồn thành: 31/07/2009 KHOA ĐT SAU ĐH CB HƯỚNG DẪN PGS.TS Nguyễn Hữu Cơng HỌC VIÊN Nguyễn Tiến Dũng Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CƠNG NGHIỆP ----------------***---------------- LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI CHO ĐỐI TƯỢNG CĨ ĐẶC TÍNH CỰC TRỊ THÁI NGUYÊN 2009 Ngành: TỰ ĐỘNG HĨA Mã số: Học viên: NGUYỄN VĂN HUỲNH Người HD Khoa học: PGS.TS LẠI KHẮC LÃI Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CƠNG NGHIỆP ----------------***---------------- LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HỐ NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI CHO ĐỐI TƯỢNG CĨ ĐẶC TÍNH CỰC TRỊ NGUYỄN TIẾN DŨNG THÁI NGUYÊN 2009 Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên MỤC LỤC MỞ ĐẦU ………………………………………………………………………………1  ....................................................................................................................... C HƢƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI VÀ HỆ CỰC TRỊ ........................................................................................................... 3  ....................................................................................................................... 1 .1. Định nghĩa, phân loại sơ đồ khối của hệ điều khiển thích nghi ...................... 3  1.1.1.Định nghĩa ............................................................................................. 3  ....................................................................................................................... 1 .1.2.Phân loại ..................................................................................................... 3  ....................................................................................................................... 1 .1.3.Sơ đồ tổng quát của một hệ thích nghi ........................................................ 4  ....................................................................................................................... 1 .2. Hệ cực trị ...................................................................................................... 5  ....................................................................................................................... 1 .2.1. Đối tƣợng cĩ đặc tính cực trị ...................................................................... 5  ....................................................................................................................... 1 .2.2. Hệ cực trị xây dựng theo phƣơng pháp tách sĩng đồng bộ.......................... 6  ....................................................................................................................... 1 .2.3. Các phƣơng pháp xác định Gradient và chuyển động cực trị .................... 10  ....................................................................................................................... 1 .2.3.1. Các phƣơng pháp xác định Gradient của hàm mục tiêu ......................... 10  ....................................................................................................................... 1 .2.3.2.Các phƣơng pháp chuyển động đến cực trị ............................................. 12  ....................................................................................................................... 1 .2.4. Các phƣơng pháp thực hiện đồng thời cả hai quá trình ............................. 13 Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên  ....................................................................................................................... 1 .2.4.1. Phƣơng pháp ghi nhớ cực trị. ................................................................ 13  ....................................................................................................................... 1 .2.4.2. Phƣơng pháp bƣớc. ............................................................................... 14  ....................................................................................................................... 1 .2.4.3. Phƣơng pháp đơn hình. ......................................................................... 16  ....................................................................................................................... 1 .2.5. Phƣơng pháp tìm khi cĩ nhiều điểm cực trị .............................................. 17  ....................................................................................................................... 1 .2.6. Động học hệ cực trị .................................................................................. 17  ....................................................................................................................... 1 .3. Kết luận chƣơng một ................................................................................... 19  1.3.1.Hệ điều khiển thích nghi ...................................................................... 19  ....................................................................................................................... 1 .3.2.Hệ cực trị. ................................................................................................. 20  ....................................................................................................................... C HƢƠNG 2: PHÂN TÍCH ĐỐI TƢỢNG LÕ NUNG TRONG CƠNG NGHỆ LUYỆN CÁN THÉP ....................................................................................... 21  2.1 ...................................................................................................... Đặt vấn đề ........................................................................................................................ 21  2.2 ................................................. Vai trị của lị nung trong cơng nghệ cán thép ........................................................................................................................ 22  2.3 ............................................................... Đặc điểm lị nung và cơng nghệ cán ........................................................................................................................ 23  2.4 Cấu tạo lị nung và chế độ vận hành ......................................................... 24 Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên  ....................................................................................................................... 2 .4.1. Cấu tạo lị nung ........................................................................................ 24  ....................................................................................................................... 2 .4.2. Bộ phận dịch phơi .................................................................................... 24  ....................................................................................................................... 2 .4.3. Vị trí các mỏ đốt ..................................................................................... 25  ....................................................................................................................... 2 .4.4. Bộ phận giữ nhiệt ..................................................................................... 25  ....................................................................................................................... 2 .4.5. Chế độ vận hành và yêu cầu tự động hĩa.................................................. 26  ....................................................................................................................... 2 .4.5.1.Vùng sấy ................................................................................................ 26  ....................................................................................................................... 2 .4.5.2.Vùng nung ............................................................................................. 26  ....................................................................................................................... 2 .4.5.3.Vùng đồng nhiệt ..................................................................................... 26  2.5 ......................................................... Các đặc tính tĩnh và động của đối tƣợng ........................................................................................................................ 27  2.5.1 .................................................................................. Các đặc tính tĩnh 27  2.5.2 ....................................................................................... Đặc tính động 28  2.5.2.1 ............................ Xác định cấu trúc hàm truyền từ đặc tính quá độ 28  2.5.2.2 .................................................. Xác định tham số cho hàm truyền 29 Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên  2.6 ............... Tỷ lệ nhiên liệu, khơng khí, xác định đặc tính cực trị của đối tƣợng ........................................................................................................................ 31  ....................................................................................................................... 2 .7 Kết luận chƣơng 2 ....................................................................................... 34  ....................................................................................................................... C HƢƠNG III: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ...................................... 35  ....................................................................................................................... 3 .1. Giới thiệu một số phƣơng pháp thiết kế bộ điều khiển................................. 35  3.1.1. ................................................................. Hệ thống điều khiển vị trí: 35  ....................................................................................................................... 3 .1.1.1 Quy luật điều chỉnh 2 vị trí ..................................................................... 35  3.1.1.2 ............................................................ Quy luật điều chỉnh 3 vị trí: 36  ....................................................................................................................... 3 .1.1.3. Quy luật điều chỉnh với cơ cấu chấp hành cĩ tốc độ khơng đổi : ........... 37  ....................................................................................................................... 3 .1.2 Phƣơng pháp đa thức đặc trƣng thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống tuyến tính .................................................................................................................. 40  ....................................................................................................................... 3 .1.2.1 Xét hệ bậc hai ...................................................................................... 40  ....................................................................................................................... 3 .1.2.2 Phƣơng pháp đa thức đặc trƣng cĩ hệ số suy giảm thay đổi đƣợc cho hệ cao ................................................................................................................... 40 3.1.2.3 Xét ảnh hƣởng của tử số hàm truyền ....................................................... 42 3.2. Sơ đồ khối hệ thống ............................................................................................ 42 Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 3.3. Mạch vịng ổn định lƣu luợng dầu ....................................................................... 42 3.4. Thiết kế bộ điều khiển lƣu lƣợng khí theo phƣơng pháp bƣớc .............................. 45 3.4.1. Sơ đồ khối của bộ điều khiển tự động tìm cực trị kiểu bƣớc .......................... 45 3.4.2. Nguyên tắc làm việc của sơ đồ ..................................................................... 47 3.4.3. Thiết lập sơ đồ nguyên lý ............................................................................. 48 3.4.3.1. Bộ phát lệnh........................................................................................... 48 3.4.3.2. Bộ ghi nhớ ............................................................................................. 52 3.4.3.3. Mạch so sánh ......................................................................................... 53 3.4.3.4. Động cơ chấp hành ................................................................................. 54 3.4.3.5. Mạch logic ............................................................................................. 56 3.4.3.6. Mạch điều khiển tốc độ động cơ chấp hành ............................................ 58 3.4.3.7 Sensor .................................................................................................... 65 3.4.3.8. Nguồn .................................................................................................... 66 3.4.4 Máy điều chỉnh .............................................................................................. 66 3.4.4.1. Xây dựng hàm truyền động cơ chấp hành …………………………… 66 3.4.4.2. Xây dựng hàm truyền bộ biến đổi …………………………………… 68 3.4.4.3. Hàm truyền máy phát tốc ……………………………………………. 69 3.4.4.4. Thiết kế mạch hiệu chỉnh ……………………………………………. 70 3.5. Thuyết minh sơ đồ nguyên lý ............................................................................... 71 3.6. Kết luận chƣơng 3 .............................................................................................. 72 CHƢƠNG IV: MƠ PHỎNG HỆ THỐNG ................................................................. 74 4.1 Các thơng số chất lƣợng ................................................................................... 74 4.2 Mơ phỏng động cơ mở van .............................................................................. 74 4.3 Xây dựng mơ hình và mơ phỏng hệ thống ........................................................ 75 4.4. Kết quả mơ phỏng trên phần mềm Matlab - Simulink ………………………….. 78 4.4.1. Kết quả với thuật tốn bƣớc đều ………………………………………. ... 78 4.4.2. Kết quả với thuật tốn bƣớc hai cấp …………………………………….. 81 Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 4.4.3. Nhận xét ………………………………………………………………... 83 4.5. Kết luận chƣơng 4 ……………………………………………………………… 84 CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................... 85 5.1. Kết luận …………………………………………………………………………. 85 5.2. Kiến nghị ……………………………………………………………………….. 86 TĨM TẮT …………………………………………………………………………… 87 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 88 DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ STT Ký hiệu Diễn giải tên hình vẽ 1 Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ điều khiển thích nghi 2 Hình 1.2 Sơ đồ tổng thể hệ điều khiển thích nghi Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 3 Hình 1.3 Đặc tính cực đại của lị đốt 4 Hình 1.4 Đặc tính cực đại của mũi khoan 5 Hình 1.5 Đặc tính cực trị cực tiểu 6 Hình 1.6 Sơ đồ khối hệ cực trị theo phƣơng pháp tách sĩng đồng bộ 7 Hình 1.7 Đồ thị tín hiệu thr và tín hiệu tìm 8 Hình 1.8a Đồ thị của bộ lọc lý tƣởng 9 Hình 1.8b Sơ đồ khối bộ lọc 10 Hình 1.9 Sơ đồ khối Phƣơng pháp đạo hàm theo thời gian 11 Hình 1.10 Đồ thị tín hiệu vào theo từng kênh 12 Hình 1.11 Quỹ đạo chuyển động đến cực trị tỷ lệ với građien 13 Hình 1.12a Sơ đồ bộ ghi nhớ cực trị 14 Hình 1.12b Đồ thị tín hiệu ghi nhớ cực trị 15 Hình 1.13a Đồ thị bƣớc cho trƣớc tiến đến cực trị 16 Hình 1.13b Đồ thị bƣớc phụ thuộc vào độ dốc tiến đến cực trị 17 Hình 1.13c Sơ đồ khối bộ điều khiển kiểu bƣớc 18 Hình 1.14a Quỹ đạo chuyển động đến cực trị theo phƣơng pháp đơn hình 19 Hình 1.14b Quỹ đạo chuyển động đến cực trị theo phƣơng pháp đơn hình 20 Hình 1.15a Sơ đồ đối tƣợng cực trị 21 Hình 1.15b Sơ đồ đối tƣợng cực trị tƣơng đƣơng 22 Hình 1.16 Hai dao động cùng chiều 23 Hình 2.1 Nhiệt độ lị nung phụ thuộc vào năng suất nung 24 Hình 2.2 Phản ứng của đối tƣợng với hàm 1(t) 25 Hình 2.3 Xác định các tham số của hàm truyền trên đồ thị 26 Hình 2.4 Đặc tính cực đại của lị đốt 28 Hình 3.1 Quy luật điều chỉnh hai vị 29 Hình 3.2 Quy luật điều chỉnh ba vị trí Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 30 Hình 3.3 Điều chỉnh 2 vị trí với cơ cấu chấp hành cĩ tốc độ khơng đổi 31 Hình 3.4 Quy luật điều chỉnh ba vị trí cĩ vùng khơng nhạy 32 Hình 3.5 Sơ đồ khối tổng quát bộ điều chỉnh nhiệt độ lị 33 Hình 3.6 Sơ đồ khối của mạch vịng ổn định lƣu lƣợng dầu 34 Hình 3.7 Sơ đồ khối của bộ điều khiển tự động tìm cực trị kiểu bƣớc 35 Hình 3.8 Sơ đồ mạch điện tạo thời gian trễ 36 Hình 3.9 Kết quả mơ phỏng xung ra mạch tạo thời gian trễ 37 Hình 3.10 Sơ đồ nguyên lý bộ phân phối 4 bƣớc 38 Hình 3.11 Đồ thị dạng sĩng đầu vào xung nhịp và đầu ra 39 Hình 3.12 Mạch điện bộ phát lệnh 40 Hình 3.13 SW dùng IC 4066 41 Hình 3.14 Sơ đồ nguyên lý mạch so sánh 42 Hình 3.15 Sơ đồ mạch điện ghép bộ ghi nhớ và khâu so sánh 43 Hình 3.16 Mạch điện điều khiển tốc độ động cơ 44 Hình 3.17 Phƣơng pháp đảo chiều quay động cơ 45 Hình 3.18 Sơ đồ mạch logic tạo mức ngƣỡng 46 Hình 3.19 Sơ đồ cung cấp điện cho rơle 47 Hình 3.20 Giản đồ điện áp đầu vào động cơ 48 Hình 3.21 Sơ đồ các chân TCA785 49 Hình 3.22 Các khối chức năng của TCA785 50 Hình 3.23 Giản đồ điện áp của các chân TCA785 51 Hình 3.24 Mạch điện điều khiển sử dụng TCA785 52 Hình 3.25 Mạch khuyếch đại xung 53 Hình 3.26 Sơ đồ chân của IC AN6884 54 Hình 3.27 Mạch tạo 5 ngƣỡng Uđk sử dụng AN6884 và cách ly quang 55 Hình 3.28 Mạch điều khiển sử dụng TCA785 kết hợp với AN6884 Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 56 Hình 3.29 Bộ nguồn 57 Hình 3.30 Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hĩa quanh điểm làm việc cảu động cơ 58 Hình 3.31 Sơ đồ thay thế đơn giản của bộ biến đổi 59 Hình 3.32a Hàm truyền của BBĐ Tiristo 60 Hình 3.32b Hàm truyền của BBĐ Tiristo trong trƣờng hợp gần đúng 61 Hình 3.33 Sơ đồ khối hệ thống khi chƣa cĩ máy điều chỉnh 62 Hình 3.34 Mạch điện máy điều chỉnh 63 Hình 4.1 Sơ đồ mơ phỏng và hiệu chỉnh động cơ mở van 64 Hình 4.2 Đặc tính mở máy của động cơ mở van khí 65 Hình 4.3 Sơ đồ mơ hình hố lị nung 66 Hình 4.4 Sơ đồ mơ hình hố bộ điều khiển dịch bƣớc 67 Hình 4.5 Sơ đồ mơ phỏng hệ thống với thuật tốn bƣớc đều 68 Hình 4.6 Sơ đồ mơ phỏng động cơ mở van 2 cấp tốc độ 69 Hình 4.7 Đặc tính tĩnh nhiệt độ lị nung 70 Hình 4.8 Gĩc dịch mở van bƣớc nhảy đều 71 Hình 4.9 Nhiệt độ ra của lị với bƣớc nhảy đều 72 Hình 4.10 Nhiệt độ ghi nhớ ở các bƣớc 73 Hình 4.11 Tín hiệu ra của khối Triggered 74 Hình 4.12 Gĩc mở van ứng với bƣớc nhảy 2 cấp 75 Hình 4.13 Đặc tính động nhiệt độ lị với bƣớc nhảy 2 cấp 76 Hình 4.14 Tín hiệu ra của khối Triggered Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 0 LỜI CAM ĐOAN Tên tơi là: Nguyễn Tiến Dũng Sinh ngày 11 tháng 8 năm 1982 Học viên lớp cao học khố 10 - Tự động hố - Trƣờng đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp, Đại học Thái Nguyên. Hiện đang cơng tác tại khoa Điện - Trƣờng đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp, Đại học Thái Nguyên. Xin cam đoan: Đề tài “Nghiên cứu điều khiển thích nghi cho đối tượng cĩ đặc tính cực trị” do thầy giáo, PGS.TS Nguyễn Hữu Cơng hƣớng dẫn là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi. Tất cả các tài liệu tham khảo đều cĩ nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng. Tác giả xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng nhƣ nội dung trong đề cƣơng và yêu cầu của thầy giáo hƣớng dẫn. Nếu sai tơi hồn tồn chịu trách nhiệm trƣớc Hội đồng khoa học và trƣớc pháp luật. Thái Nguyên, ngày 31 tháng 7 năm 2009 Tác giả luận văn Nguyễn Tiến Dũng Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 1 LỜI NĨI ĐẦU Cùng với sự phát triển nhanh chĩng của khoa học kỹ thuật, cộng nghiệp hĩa hiện đại hĩa ngày càng chiếm vị trí quan trọng trong đời sống xã hội. Tự động hĩa cao song song với việc sử dụng một cách triệt để nguồn năng lƣợng, tăng năng suất lao động, nâng cao chất lƣợng sản phẩm, cải tiến mơi trƣờng làm việc, cải thiện nhu cầu sống của con ngƣời… Với ý nghĩa và lợi ích to lớn của hệ cực trị, sự cấp bách cần nghiên cứu, ứng dụng hệ cực trị vào sản xuất thực tiễn sản xuất, đƣợc sự đồng ý của cán bộ hƣớng dẫn khoa học, tác giả đã lựa trọn đề tài “Nghiên cứu điều khiển thích nghi cho đối tượng cĩ đặc tính cực trị”. Sau một thời gian làm nghiên cứu liên tục, nghiêm túc, đƣợc sự hƣớng dẫn tận tình của thầy giáo hƣớng dẫn và các thầy cơ trong khoa, sự đồn kết giúp đỡ của các học viên trong lớp. đến nay bản thuyết minh đề tài đã hồn thành. Bao gồm các nội dung nhƣ sau: Chƣơng 1. Điều khiển thích nghi cho hệ cực trị Chƣơng 2. Phân tích đối tƣợng lị nung trong cơng nghệ luyện cán thép Chƣơng 3. Thiết kế hệ thống điều khiển Chƣơng 4. Mơ phỏng hệ thống Chƣơng 5. Kết luận và kiến nghị Qua đây tác giả xin gửi lời cám ơn tới các thầy cơ trong khoa Điện, trƣờng ĐH KTCN – ĐHTN và trƣờng ĐHBK Hà Nội, đã nhiệt tình giúp đỡ hƣớng dẫn và cung cấp tài liệu để tác giả hồn thành bản thuyết minh này. Đồng thời tác giả muốn gửi lời cám ơn sâu sắc tới thầy giáo PGS.TS. Nguyễn Hữu Cơng, ngƣời đã trực tiếp ra đề tài và hƣớng dẫn tác giả trong suốt thời gian qua, tác giả xin cám ơn gia đình, bè bạn đã hết sức ủng hộ cả về vật chất lẫn tinh thần để tác giả hồn thành tốt cơng trình nghiên cứu này. Mặc dù đƣợc sự hƣớng dẫn tận tình của cán bộ hƣớng dẫn, sự nỗ lực cố gắng của bản thân. Song vì kiến thức cịn hạn chế, điều kiện tiếp xúc thực tế chƣa nhiều, nên bản thuyết minh khơng tránh khỏi những thiếu sĩt nhất định. Vậy tác giả mong tiếp tục đƣợc sự giúp đỡ của các thầy cơ, sự gĩp ý trân thành của bạn bè, đồng nghiệp. Mọi sự gĩp ý xin gửi về: email: dungnguyentien@tnut.edu.vn Xin chân thành cảm ơn ! Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 2 MỤC LỤC MỞ ĐẦU ………………………………………………………………………………1 CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI VÀ HỆ CỰC TRỊ ............................................................................................................................. 11 1.1. Định nghĩa, phân loại sơ đồ khối của hệ điều khiển thích nghi ............................. 11 1.1.1.Định nghĩa ..................................................................................................... 11 1.1.2.Phân loại ........................................................................................................ 11 1.1.3.Sơ đồ tổng quát của một hệ thích nghi ............................................................ 13 1.2. Hệ cực trị ............................................................................................................. 13 1.2.1. Đối tƣợng cĩ đặc tính cực trị ......................................................................... 13 1.2.2. Hệ cực trị xây dựng theo phƣơng pháp tách sĩng đồng bộ ............................. 16 1.2.3. Các phƣơng pháp xác định Gradient và chuyển động cực trị ......................... 19 1.2.3.1. Các phƣơng pháp xác định Gradient của hàm mục tiêu ........................... 19 1.2.3.2.Các phƣơng pháp chuyển động đến cực trị............................................... 20 1.2.4. Các phƣơng pháp thực hiện đồng thời cả hai quá trình .................................. 22 1.2.4.1. Phƣơng pháp ghi nhớ cực trị. .................................................................. 22 1.2.4.2. Phƣơng pháp bƣớc. ................................................................................. 22 1.2.4.3. Phƣơng pháp đơn hình. ........................................................................... 24 1.2.5. Phƣơng pháp tìm khi cĩ nhiều điểm cực trị ................................................... 25 1.2.6. Động học hệ cực trị ....................................................................................... 26 1.3. Kết luận chƣơng một ........................................................................................... 28 1.3.1.Hệ điều khiển thích nghi ................................................................................ 28 1.3.2.Hệ cực trị. ...................................................................................................... 28 CHƢƠNG 2: PHÂN TÍCH ĐỐI TƢỢNG LÕ NUNG TRONG CƠNG NGHỆ LUYỆN CÁN THÉP ................................................................................................................ 30 2.1 Đặt vấn đề ....................................................................................................... 30 Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 3 2.2 Vai trị của lị nung trong cơng nghệ cán thép .................................................. 31 2.3 Đặc điểm lị nung và cơng nghệ cán ................................................................. 32 2.4 Cấu tạo lị nung và chế độ vận hành .................................................................... 33 2.4.1. Cấu tạo lị nung ............................................................................................. 33 2.4.2. Bộ phận dịch phơi ......................................................................................... 33 2.4.3. Vị trí các mỏ đốt........................................................................................... 34 2.4.4. Bộ phận giữ nhiệt .......................................................................................... 34 2.4.5. Chế độ vận hành và yêu cầu tự động hĩa ....................................................... 35 2.4.5.1.Vùng sấy ................................................................................................. 35 2.4.5.2.Vùng nung ............................................................................................... 35 2.4.5.3.Vùng đồng nhiệt ...................................................................................... 35 2.5 Các đặc tính tĩnh và động của đối tƣợng .......................................................... 36 2.5.1 Các đặc tính tĩnh ....................................................................................... 36 2.5.2 Đặc tính động ........................................................................................... 37 2.5.2.1 Xác định cấu trúc hàm truyền từ đặc tính quá độ ................................... 37 2.5.2.2 Xác định tham số cho hàm truyền ......................................................... 38 2.6 Tỷ lệ nhiên liệu, khơng khí, xác định đặc tính cực trị của đối tƣợng ................. 40 2.7 Kết luận chƣơng 2 ............................................................................................... 43 CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ................................................ 45 3.1. Giới thiệu một số phƣơng pháp thiết kế bộ điều khiển ......................................... 45 3.1.1. Hệ thống điều khiển vị trí: ...................................................................... 45 3.1.1.1 Quy luật điều chỉnh 2 vị trí ...................................................................... 45 3.1.1.2 Quy luật điều chỉnh 3 vị trí:................................................................... 46 3.1.1.3. Quy luật điều chỉnh với cơ cấu chấp hành cĩ tốc độ khơng đổi : ............. 47 3.1.2 Phƣơng pháp đa thức đặc trƣng thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống tuyến tính ............................................................................................................................... 50 3.1.2.1 Xét hệ bậc hai ........................................................................................ 50 Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 4 3.1.2.2 Phƣơng pháp đa thức đặc trƣng cĩ hệ số suy giảm thay đổi đƣợc cho hệ cao ...................................................................................................................... 50 3.1.2.3 Xét ảnh hƣởng của tử số hàm truyền ....................................................... 52 3.2. Sơ đồ khối hệ thống ............................................................................................ 53 3.3. Mạch vịng ổn định lƣu luợng dầu ....................................................................... 54 3.4. Thiết kế bộ điều khiển lƣu lƣợng khí theo phƣơng pháp bƣớc .............................. 55 3.4.1. Sơ đồ khối của bộ điều khiển tự động tìm cực trị kiểu bƣớc .......................... 55 3.4.2. Nguyên tắc làm việc của sơ đồ ..................................................................... 57 3.4.3. Thiết lập sơ đồ nguyên lý ............................................................................. 59 3.4.3.1. Bộ phát lệnh........................................................................................... 59 3.4.3.2. Bộ ghi nhớ ............................................................................................. 62 3.4.3.3. Mạch so sánh ......................................................................................... 63 3.4.3.4. Động cơ chấp hành ................................................................................. 64 3.4.3.5. Mạch logic ............................................................................................. 66 3.4.3.6. Mạch điều khiển tốc độ động cơ chấp hành ............................................ 68 3.4.3.7 Sensor .................................................................................................... 76 3.4.3.8. Nguồn .................................................................................................... 76 3.4.4 Máy điều chỉnh .............................................................................................. 77 3.4.4.1. Xây dựng hàm truyền động cơ chấp hành …………………………… 77 3.4.4.2. Xây dựng hàm truyền bộ biến đổi …………………………………… 79 3.4.4.3. Hàm truyền máy phát tốc ……………………………………………. 80 3.4.4.4. Thiết kế mạch hiệu chỉnh ……………………………………………. 80 3.5. Thuyết minh sơ đồ nguyên lý ............................................................................... 82 3.6. Kết luận chƣơng 3 .............................................................................................. 83 CHƢƠNG 4: MƠ PHỎNG HỆ THỐNG ................................................................... 85 4.1 Các thơng số chất lƣợng ................................................................................... 85 4.2 Mơ phỏng động cơ mở van .............................................................................. 85 Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 5 4.3 Xây dựng mơ hình và mơ phỏng hệ thống ........................................................ 86 4.4. Kết quả mơ phỏng trên phần mềm Matlab - Simulink ………………………….. 89 4.4.1. Kết quả với thuật tốn bƣớc đều ………………………………………. ......89 4.4.2. Kết quả với thuật tốn bƣớc hai cấp …………………………………….....92 4.4.3. Nhận xét ………………………………………………………………... ….94 4.5. Kết luận chƣơng 4 ……………………………………………………………… 95 CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................... 96 5.1. Kết luận …………………………………………………………………………. 96 5.2. Kiến nghị ……………………………………………………………………….. .97 TĨM TẮT …………………………………………………………………………… 98 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 99 Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 6 DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ STT Ký hiệu Diễn giải tên hình vẽ 1 Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ điều khiển thích nghi 2 Hình 1.2 Sơ đồ tổng thể hệ điều khiển thích nghi 3 Hình 1.3 Đặc tính cực đại của lị đốt 4 Hình 1.4 Đặc tính cực đại của mũi khoan 5 Hình 1.5 Đặc tính cực trị cực tiểu của phơi thép qua trục cán 6 Hình 1.6 Đặc tính cực đại 2 biến của ra đa bám mục tiêu di động 7 Hình 1.7 Sơ đồ khối hệ cực trị theo phƣơng pháp tách sĩng đồng bộ 8 Hình 1.8 Đồ thị tín hiệu thử và tín hiệu tìm 9 Hình 1.9a Đồ thị của bộ lọc lý tƣởng 10 Hình 1.9b Sơ đồ khối bộ lọc 11 Hình 1.10 Sơ đồ khối Phƣơng pháp đạo hàm theo thời gian 12 Hình 1.11 Đồ thị tín hiệu vào theo từng kênh 13 Hình 1.12 Quỹ đạo chuyển động đến cực trị tỷ lệ với građien 14 Hình 1.13a Sơ đồ bộ ghi nhớ cực trị 15 Hình 1.13b Đồ thị tín hiệu ghi nhớ cực trị 16 Hình 1.14a Đồ thị bƣớc cho trƣớc tiến đến cực trị 17 Hình 1.14b Đồ thị bƣớc phụ thuộc vào độ dốc tiến đến cực trị 18 Hình 1.14c Sơ đồ khối bộ điều khiển kiểu bƣớc 19 Hình 1.15a Quỹ đạo chuyển động đến cực trị theo phƣơng pháp đơn hình 20 Hình 1.15b Quỹ đạo chuyển động đến cực trị theo phƣơng pháp đơn hình 21 Hình 1.16a Sơ đồ đối tƣợng cực trị 22 Hình 1.16b Sơ đồ đối tƣợng cực trị tƣơng đƣơng 23 Hình 1.17 Hai dao động cùng chiều 24 Hình 2.1 Nhiệt độ lị nung phụ thuộc vào năng suất nung 25 Hình 2.2 Phản ứng của đối tƣợng với hàm 1(t) Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 7 26 Hình 2.3 Xác định các tham số của hàm truyền trên đồ thị 27 Hình 2.4 Đặc tính cực đại của lị đốt 28 Hình 2.5 Họ đặc tính cực đại của lị đốt 29 Hình 3.1 Quy luật điều chỉnh hai vị 30 Hình 3.2 Quy luật điều chỉnh ba vị trí 31 Hình 3.3 Điều chỉnh 2 vị trí với cơ cấu chấp hành cĩ tốc độ khơng đổi 32 Hình 3.4 Quy luật điều chỉnh ba vị trí cĩ vùng khơng nhạy 33 Hình 3.5 Sơ đồ khối tổng quát bộ điều chỉnh nhiệt độ lị 34 Hình 3.6a Sơ đồ khối của mạch vịng ổn định lƣu lƣợng dầu 35 Hình 3.6.b Sơ đồ khối của bộ điều khiển tự động tìm cực trị kiểu bƣớc 36 Hình 3.7 Sai lệch ky ở các vùng khác nhau trên đặc tính cực đại 37 Hình 3.8 Sơ đồ mạch điện tạo thời gian trễ 38 Hình 3.9 Kết quả mơ phỏng xung ra mạch tạo thời gian trễ 39 Hình 3.10 Sơ đồ nguyên lý bộ phân phối 4 bƣớc 40 Hình 3.11 Đồ thị dạng sĩng đầu vào xung nhịp và đầu ra 41 Hình 3.12 Mạch điện bộ phát lệnh 42 Hình 3.13 SW dùng IC 4066 43 Hình 3.14 Sơ đồ nguyên lý mạch so sánh 44 Hình 3.15 Sơ đồ mạch điện ghép bộ ghi nhớ và khâu so sánh 45 Hình 3.16 Mạch điện điều khiển tốc độ động cơ 46 Hình 3.17 Phƣơng pháp đảo chiều quay động cơ 47 Hình 3.18 Sơ đồ mạch logic tạo mức ngƣỡng 48 Hình 3.19 Sơ đồ cung cấp điện cho rơle 49 Hình 3.20 Giản đồ điện áp đầu vào động cơ 50 Hình 3.21 Sơ đồ các chân TCA785 51 Hình 3.22 Các khối chức năng của TCA785 Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 8 52 Hình 3.23 Giản đồ điện áp của các chân TCA785 53 Hình 3.24 Mạch điện điều khiển sử dụng TCA785 54 Hình 3.25 Mạch khuyếch đại xung 55 Hình 3.26 Sơ đồ chân của IC AN6884 56 Hình 3.27 Mạch tạo 5 ngƣỡng Uđk sử dụng AN6884 và cách ly quang 57 Hình 3.28 Mạch điều khiển sử dụng TCA785 kết hợp với AN6884 58 Hình 3.29 Bộ nguồn 59 Hình 3.30 Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hĩa quanh điểm làm việc của động cơ 60 Hình 3.31 Sơ đồ thay thế đơn giản của bộ biến đổi 61 Hình 3.32a Hàm truyền của BBĐ Tiristo 62 Hình 3.32b Hàm truyền của BBĐ Tiristo trong trƣờng hợp gần đúng 63 Hình 3.33 Sơ đồ khối hệ thống khi cĩ máy điều chỉnh 64 Hình 3.34 Mạch điện máy điều chỉnh 65 Hình 4.1 Sơ đồ mơ phỏng và hiệu chỉnh động cơ mở van 66 Hình 4.2 Đặc tính khởi động của động cơ mở van giĩ 67 Hình 4.3 Sơ đồ mơ hình hố lị nung 68 Hình 4.4 Sơ đồ mơ hình hố bộ điều khiển dịch bƣớc 69 Hình 4.5 Sơ đồ mơ phỏng hệ thống với thuật tốn bƣớc đều 70 Hình 4.6 Sơ đồ mơ phỏng động cơ mở van 2 cấp tốc độ 71 Hình 4.7 Đặc tính tĩnh nhiệt độ lị nung 72 Hình 4.8 Gĩc dịch mở van bƣớc nhảy đều 73 Hình 4.9 Nhiệt độ ra của lị với bƣớc nhảy đều 74 Hình 4.10 Nhiệt độ ghi nhớ ở các bƣớc 75 Hình 4.11 Tín hiệu ra của khối Triggered 76 Hình 4.12 Gĩc mở van ứng với bƣớc nhảy 2 cấp 77 Hình 4.13 Đặc tính động nhiệt độ lị với bƣớc nhảy 2 cấp 78 Hình 4.14 Tín hiệu ra của khối Triggered Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 9 MỞ ĐẦU Tên đề tài: Nghiên cứu điều khiển thích nghi cho đối tượng cĩ đặc tính cực trị 1. Tổng quan. Hệ điều khiển thích nghi, tuỳ thuộc vào đối tƣợng là tuyến tính hay phi tuyến, nhất là khi đặc tính tĩnh của hệ cĩ cực trị (cực đại hay cực tiểu), mà ta cĩ hệ cực trị và hệ giải tích. Hệ giải tích đã đƣợc nhiều nhà khoa học nghiên cứu nhƣ xây dựng hệ giải tích theo phƣơng pháp tốn tử phụ; xây dựng hệ giải tích theo phƣơng pháp Lyapunov… Tuy nhiên việc nghiên cứu hệ cực trị trong điều khiển thích nghi chƣa đƣợc quan tâm nhiều, đề tài này sẽ tiếp tục nghiên nghiên cứu và hồn thiện hệ thống điều khiển thích nghi theo nguyên tắc cực trị, ứng dụng cho một số đối tƣợng cĩ đặc tính cực trị. Trong thực tế cĩ nhiều đối tƣợng cĩ đặc tính cực trị, nhƣ cơng nghệ cán thép, cơng nghệ nung kính, gạch men, cơng nghệ ơ tơ, xe máy… Ví dụ, trong cơng nghệ cán thép, việc nung phơi trƣớc khi đƣa vào máy cán sử dụng dầu nặng FO. Hệ thống điều khiển tự động phối hợp giữa lƣợng dầu và khơng khí sao cho hiệu quả nhất hiện nay chính là hệ cực trị. Với những nhà máy theo cơng nghệ cũ, suất tiêu hao nhiên liệu khoảng 52kg dầu/1 tấn sản phẩm (hệ thống cũ của nhà máy nán cán Gia sàng); Với những nhà máy theo cơng nghệ mới, suất tiêu hao nhiên liệu khoảng 30 - 35kg dầu/1 tấn sản phẩm (Thép Việt Ưc). Với sản lƣợng thép của Việt nam hiện nay khoảng 6 triệu tấn/ năm, vì vậy việc nghiên cứu khai thác hệ thống tự động này là cấp bách và cĩ ý nghĩa thực tế. Hệ thống tự động này cịn đƣợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. 2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài. a. Ý nghĩa khoa học. Các hệ thống tự chỉnh cĩ thể xây dựng bằng nhiều cách khác nhau. Các hệ đơn giản nhất, đồng thời phổ biến nhất là hệ cực trị. Hệ thống điều khiển tìm cực trị cĩ nhiệm vụ tìm kiếm và duy trì trị số cực đại hay cực tiểu của một hay nhiều tham số của Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 10 đối tƣợng đƣợc điều khiển, trong khi đặc tính và điều kiện làm việc của đối tƣợng cĩ thể biến đổi một cách ngẫu nhiên. Hệ cực trị đƣợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau nhƣ trong quân sự, luyện kim, trong ngành hố chất, ngành năng lƣợng ( các nhà máy nhiệt điện), ngành sản xuất ơ tơ … Đề tài này nhằm bổ xung thêm những lý luận về việc ứng dụng hệ cự trị trong thực tế. b. Ý nghĩa thực tiễn. Khi đề tài hồn thành sẽ là một tài liệu quan trọng giúp các cán bộ kỹ thuật nắm rõ và làm chủ đƣợc cơng nghệ trong quá trình vận hành, giám sát và khắc phục sửa chữa… Hiện nay các hệ thống điều khiển chủ yếu vẫn nhập từ các nƣớc Tƣ Bản với giá thành rất cao, đề tài này sẽ tạo cơ sở khoa học để sản xuất các hệ thống điều khiển với giá thành thấp hơn. Hệ cực trị này hồn tồn cĩ thể áp dụng cho những cơng nghệ tƣơng đƣơng khác, ví dụ nhƣ sản xuất gạch men, sản xuất kính, các cơng nghệ cĩ sử dụng dầu đốt… 3. Mục đích nghiên cứu. Tiếp tục nghiên cứu và hồn thiện hệ thống điều khiển thích nghi theo nguyên tắc cực trị, ứng dụng trong các cơng nghệ cĩ sử dụng dầu đốt. Phát triển thuật tốn điều khiển tìm cực trị kiểu bƣớc. Với động cơ chấp hành, nghiên cứu thay thế động cơ một chiều bằng động cơ xoay chiều một pha khơng đồng bộ rotor lồng sĩc, cho phù hợp với các hệ thống thực tế. Tạo cơ sở khoa học để các cán bộ kỹ thuật trong các nhà máy nghiên cứu làm chủ cơng nghệ và cĩ thể sản xuất các hệ thống tƣơng đơng với giá thành thấp. 4. Đối tượng nghiên cứu. Lý thuyết điều khiển thích nghi theo nguyên tắc cực trị. Các hệ thống điều khiển cho đối tƣợng cĩ đặc tính cực trị (cực đại hoặc cực tiểu), cụ thể là cơng nghệ luyện cán thép tại một số nhà máy cán thép tại Thái Nguyên. Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 11 CHƢƠNG 1 ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI CHO HỆ CỰC TRỊ 1.1. Định nghĩa, phân loại sơ đồ khối của hệ điều khiển thích nghi .1. 1. Định nghĩa Thích nghi là quá trình thay đổi thơng số, cấu trúc của bộ điều khiển hay tác động điều khiển trên cơ sở lượng thơng tin cĩ được trong quá trình làm việc với mục đích đạt được một trạng thái nhất định, thường là tối ưu khi thiếu lượng thơng tin ban đầu cũng như khi điều kiện làm việc thay đổi. Điều khiển thích nghi là tổng hợp các kỹ thuật nhằm tự động chỉnh định các bộ điều chỉnh trong mạch điều khiển nhằm hiện thực hay duy trì ở một mức độ nhất định chất lượng của hệ khi thơng số của quá trình khơng biết trước hay thay đổi theo thời gian. Trong khoảng 50 năm gần đây, lý thuyết điều khiển thích nghi đã được được hình thành như một mơn khoa học, từ tư duy đã trở thành hiện thực nghiêm túc, từ cách giải quyết những vấn đề cơ bản trở thành bài tốn tổng quát, từ những vấn đề về sự tồn tại và khả năng cĩ thể giải quyết đến những ứng dụng cĩ tính bền vững và chất lượng. 1.1.2. Phân loại Cĩ thể phân loại các hệ thích nghi theo các tiêu chuẩn sau: * Tuỳ vào đối tượng là phi tuyến hay khơng phi tuyến, nhất là khi đối tượng cĩ đặc tính cực trị (cực đại hay cực tiểu). - Hệ cực trị: Ở hệ cực trị, bản thân đối tượng cĩ cực tính cực đại hay cực tiểu đĩ là lượng thơng tin ban đầu cĩ them được và trên cơ sở ấy hệ thống được tổng hợp giản đơn hơn. - Hệ giải tích: Ở hệ giải tích “cực trị của chất lượng” được hình thành gián tiếp cho nên gặp khĩ khăn trong quá trình tối ưu hố vì mặt cực trị nhiều khi khơng như giả định. Do đĩ cĩ những phương pháp kết hợp để tận dụng đặc điểm của chúng. Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 12 * Tuỳ theo sự tồn tại hay khơng tồn tại tín hiệu phụ trong hệ, mà người ta đưa vào hệ để “tìm” được chế độ làm việc tối ưu mà ta cĩ. - Hệ cĩ tín hiệu tìm. - Hệ khơng cĩ tín hiệu tìm. * Trong điều kiện thơng tin về đối tượng cịn hạn chế, nên trường hợp cần nhận dạng hay khơng cần nhận dạng ta cĩ: - Điều khiển gián tiếp. - Điều khiển trực tiếp. Kết hợp nhận dạng và điều khiển cĩ khả năng tăng độ chính xác của hệ thống, nên điều khiển gián tiếp cịn được xem như là điều khiển thích nghi tối ưu. * Tuỳ theo sự tồn tại hay khơng tồn tại trong điều khiển thích nghi cĩ mơ hình mẫu hay khơng cĩ mơ hình mẫu mà ta cĩ. - Hệ cĩ mơ hình mẫu. - Hệ khơng cĩ mơ hình mẫu. * Hệ thích nghi tiến tới trạng thái tối ưu một cách tuần tự, bước sau được thực hiện trên cơ sở đánh giá bước trước theo một chỉ dẫn nhất định. - Hệ học. - Hệ tự học. * Tuỳ dạng của mạch thích nghi mà phân biệt. - Mạch thích nghi kín. - Mạch thích nghi hở. * Tuỳ thuộc vào độ phức tạp của mạch chỉnh định (thay đổi thơng số hay cấu trúc). -Hệ tự chỉnh. -Hệ tự tổ chức. * Ngồi ra tuỳ theo phương pháp tổng hợp là tiền định hay thống kê mà ta cĩ hệ tiền định hay ngẫu nhiên, liên tục hay gián đoạn. Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 13 1.1.3. Sơ đồ tổng quát của một hệ thích nghi…. Hệ điều khiển thích nghi, ngồi cơ cấu điều khiển và đối tượng điều khiển của một hệ thơng thường cịn cĩ cơ cấu nhận dạng và cơ cấu thích nghi. Hình 1.1. Sơ đồ khối hệ điều khiển thích nghi Hình 1.2. Sơ đồ tổng thể điều khiển thích nghi 1.2. Hệ cực trị 1.2.1. Đối tượng cĩ đặc tính cực trị Cơ cấu thích nghi Cơ cấu nhận dạng Đối tượng điều khiển Cơ cấu điều khiển ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI HỆ CỰC TRỊ HỆ GIẢI TÍCH Các PP xác định gradien và chuyển động đến cực trị Hệ giải tích xác định theo PP tốn tử phụ Hệ giải tích xác định theo PP Lyapunov Hệ xác định theo PP tách sĩng đồng bộ Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 14 Trong lĩnh vực điều khiển tự động, thường gặp một số đối tượng cĩ đặc tính cực trị (cực đại hay cực tiểu) sau đây là một số ví dụ. Ví dụ 1: Trong các lị khí đốt, nhiệt độ với lưu lượng nhiên liệu đốt q nhất định phụ thuộc lưu lượng khơng khí theo đặc tính cực trị, hình 1.3 Nhiệt độ cực đại và hình dạng đặc tính t0(x) phụ thuộc chất lượng khí đốt, nhiệt độ khơng khí và vật cần nung. Ở đối tượng này quá trình trộn lẫn khơng khí và nhiên liệu là cĩ quán tính, vật cần nung cũng như dụng cụ đo cũng cĩ quán tính. Ví dụ 2: Quá trình khoan thăm dị vào lịng đất cĩ đặc tính cực trị, áp lực mũi khoan P  x và tốc độ tịnh tiến l  y (xác định năng suất của quá trình khoan) cĩ cực đại vì tăng áp lực mũi khoan lớn hơn trị số tối ưu x* thì mũi khoan bị nghẽn và tốc độ bị chậm lại, hình dạng và vị trí cực đại phụ thuộc vào tính chất của đất, hình 1.4. Ví dụ 3: Trong thực tế thường gặp những bài tốn mà đại lượng được điều khiển là chỉ tiêu chất lượng của hệ, cịn lượng điều khiển là thơng số chỉnh định, như trường hợp cán thép lá, độ dầy H của phơi trước trục cán được đo bằng cảm biến c1. Độ dầy h ở đầu ra của trục cán được đo bằng cảm biến c2. yl xP x * 0 P l  a) b) Hình 1.4. Đặc tính cực đại của mũi khoan V t 0 Nhiên liệu Giĩ a) b) 0 x yt0 x x * Hình 1.3. Đặc tính cực đại của lị đốt Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 15 Kết quả đo được máy tính (MT) gia cơng để đầu ra là bình phương của sai lệch so với trị số mong muốn: y =  h 2 . Đại lượng y qua cơ cấu điều khiển (CCĐK) và mạch hiệu chỉnh (HC) để động cơ thay đổi vị trí trục cán, đặc tính cực trị này cĩ dạng cực tiểu hình 1.5. Trị số tối ưu x* tuỳ thuộc tác động của nhiễu (đặc tính cơ học, nhiệt độ, độ tản ban đầu của phơi) và cĩ thể thay đổi trong quá trình cán. Trong hệ này ngồi quán tính của động cơ cần tính đến độ trễ phụ thuộc của phơi. Ví dụ 4: Ra đa bám mục tiêu di động như ở hình 1.6a. Tín hiệu điều khiển gĩc tà và gĩc phương vị u1,u2 và cường độ thu y của ra đa cĩ đặc tính như hình 1.6b. Đối với mục tiêu di động, đặc tính cực trị luơn thay đổi. Hình dạng của y(u1,u2) thay đổi theo khoảng cách đến mục tiêu. Hơn nữa y cịn thay đổi ngẫu nhiên do tác động của nhiễu tự nhiên hay nhiễu tích cực. Nhƣ vậy: Đối với những đối tượng cĩ đặc tính cực trị cần thiết kế một hệ thống điều khiển nhằm tìm và duy trì điểm cực trị trong suốt quá trình hoạt động của hệ - Hệ cực trị. y u2x2 u1x1 u2 u1 0 a) b) Hình 1.6 HC CCĐC MT y xu x * 0 H h C2 C1 2 hy  ĐC u a) b) Hình 1.5. Đặc tính cực tiểu của phơi thép qua trục cán Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 16 1.2.2. Hệ cực trị xây dựng theo phương pháp tách sĩng đồng bộ Hình 1.7 là sơ đồ khối của hệ cực trị xây dựng theo phương pháp tách sĩng đồng bộ. Đối tượng là một khâu phi tuyến cĩ cực đại chẳng hạn và khơng cĩ quán tính, trong trường hợp giản đơn, cơ cấu tách sĩng đồng bộ (TSĐB) gồm cĩ cơ cấu nhân và bộ lọc (L), cơ cấu chấp hành (CH) được mơ phỏng bằng khâu tích phân: Hình 1.7. Sơ đồ khối hệ cực trị theo phương pháp tách sĩng đồng bộ Trên hình 1.8: vth là tín hiệu thử (tín hiệu tìm), vt là tín hiệu tựa, trong trường hợp khơng cĩ quán tính ở ĐTĐK vth , vt là như nhau: Ví dụ dùng sĩng điều hồ : sinth t mV V X t  Hình 1.8. Đồ thị tín hiệu thử và tín hiệu tìm CH L TSĐB Z Y Vt ĐTĐK Vthh V K P Y(x) Y(t) VA VC VB A C B x Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 17 Nguyên tắc hoạt động được giải thích như sau: Ở điểm làm việc A tín hiệu y(t) cùng pha với tín hiệu thử, ở điểm làm việc B tín hiệu ngược pha, điểm C (điểm cực đại) tín hiệu y(t) cĩ tần số gấp đơi, 2  0. Đĩ là thơng tin quan trọng để làm cơ sở xây dựng hệ cực trị. Theo chuỗi Taylo, tại thời điểm làm việc y = v, với biên độ Xm bé ta cĩ:   2 2 0 0 02 1 ( sin ) ( ) sin sin 2 m m m x v x v y y Y v X t Y v X t X t x x             (1.1) Và biên độ của sĩng bậc một ở đầu ra của đối tượng tỷ lệ với đạo hàm dy/dx ở điểm làm việc, bộ lọc cĩ chức năng dập tắt các sĩng bậc cao chỉ cịn lại sĩng bậc một, sĩng bậc một tỷ lệ với Grady. Nếu đặc tính y(x) là hàm bậc hai: y(x) = a0 + a1x + a2x 2 (1.2) Thì biên độ sĩng bậc một ở đầu ra của đối tượng điều khiển 0 0 1 0 1 2 2 ( ) ( 2 ) t m m m m x v t y y y v X Sin t X a a y X x              (1.3) Tỷ lệ với x y do đĩ phương pháp này gọi là phương pháp tách sĩng đồng bộ. Cơ cấu tách sĩng đồng bộ là một bộ nhân để thực hiện nhân y(t) với tín hiệu tựa vt(t) và bộ lọc để lấy trị số trung bình. Hình 1.9a. Đồ thị của bộ lọc lý tưởng Hình 1.9b. Sơ đồ khối bộ lọc Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 18 Bộ lọc lý tưởng cĩ hàm trọng lượng như đường nét đậm trên hình 1.9a, thực hiện theo sơ đồ khối hìmh 1.9b, độ trễ đơn thuần chỉ được thực hiện bằng kỹ thuật số, đường nét đứt trên hình 1.9a. Nguyên tắc hoạt động của hệ cực trị được giải thích như sau: Ở điểm làm việc A tín hiệu yA cùng pha với tín hiệu tựa V(t), ở đầu ra của bộ nhân là hai nửa chu kỳ dương Z(t), bộ lọc lý tưởng sẽ cho tín hiệu p là trị số dương và khi đĩng cơng tắc K thì V(t) sẽ trừ trị số VA chuyển động theo hướng tìm đến cực trị điểm C. Quá trình ngược lại nếu như điểm làm việc ở B. Ở điểm làm việc C ở đầu ra của bộ nhân tín hiệu Z(t) sẽ tạo thành cùng với trục thời gian những diện tích bằng nhau và khác dấu từng đơi một (vùng gạch sọc ), do đĩ trị số trung bình p bằng khơng, và vị trí làm việc khơng thay đổi khi đĩng K vì đĩ là chế độ tối ưu của hệ cực trị. Ở hệ cực trị cĩ hai quá trình xảy ra: quá trình cơ bản là quá trình tiến đến cực trị và quá trình tìm là quá trình xác định hướng phát triển của quá trình cơ bản. Ở đây quá trình xác định hướng phát triển được thực hiện theo phương pháp tách sĩng đồng bộ, cịn quá trình tiến tới cực trị (khi đĩng khố K) được thực hiện theo phương pháp Gradient. Khi đối tượng điều khiển ngồi đặc tính cực trị cịn cĩ thành phần quán tính, tín hiệu đầu ra của đối tượng y(t) sẽ dịch pha so với tín hiệu thử một gĩc 0( )  do đĩ ở đầu ra của bộ lọc của bộ tách sĩng: 0( ) os ( )m y P t X c x    (1.4) Nếu gĩc dịch pha ấy lớn hơn 450 thì chuyển động theo hướng ngược lại so với hướng đến cực trị và hệ sẽ khơng làm việc được do vậy khi cĩ quán tính, trước khi đưa vào bộ tách sĩng đồng bộ, tín hiệu từ máy phát sĩng tìm sẽ qua cơ cấu dịch pha để tín hiệu tựa cĩ gĩc dịch pha như tín hiệu y(t) tốt nhất là bằng 0( )  trong trường hợp gĩc dịch pha khơng thể xác định được, người ta dùng một hệ thích nghi khác xây dựng Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 19 theo phương pháp giải tích chẳng hạn để nhận dạng và tự động chỉnh định gĩc dịch pha. Phương pháp tách sĩng đồng bộ cĩ khả năng chống nhiễu tốt nên thơng dụng, phương pháp này cĩ thể dùng để chỉnh định thơng số tối ưu cho hệ nhiều thơng số đầu vào. Mỗi kênh sẽ làm việc với tần số riêng với máy phát sĩng tương ứng và bộ dịch pha tương ứng, cũng cĩ thể dùng tín hiệu lệch nhau theo thời gian hay kết hợp cả hai phương pháp nhằm giảm số lượng nguồn phát sĩng, do đĩ nếu sử dụng được nhiễu ngẫu nhiên thì hệ sẽ đơn giản nhiều nhưng tốc độ tìm đến cực trị sẽ chậm. 1.2.3. Các phương pháp xác định Gradient và chuyển động cực trị 1.2.3.1. Các phương pháp xác định Gradient của hàm mục tiêu a) Phương pháp đạo hàm theo thời gian Gradient của hàm mục tiêu cĩ thể xác định theo: / / dy y t y Grad y dx x t x          ( 1.5 ) Bằng cách dùng các bộ vi phân ở đầu vào x và đầu ra y của đối tượng, Phần tử logíc (Lg) (hình 1.10) xác định dấu của đạo hàm, từ khuếch đại KĐ và cơ cấu chuyển đổi sẽ đưa tín hiệu  u0 vào cơ cấu chấp hành Nếu cĩ nhiều đầu vào cĩ thể dùng các hàm tuyến tính lần lượt đưa vào từng kênh như hình 1.11. s s Lg KĐ +u0 -u0 x y s 1 dx dy Hình 1.10. Sơ đồ khối phương pháp đạo hàm theo thời gian Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 20 Đạo hàm tồn phần cĩ dạng: 1 1 n n dxdxdy y y dx x dt x dt         (1.6) Ở mỗi điểm chỉ cĩ một kênh cĩ giá trị ví dụ: 1 2t t t  cĩ 31 0 dxdx dt dt   ; 2 2 dx b dt  (1.7) Thay thế (1.7) vào (1.6): 2 2 dy dy b dt dx        (1.8) Như vậy bằng cách đo đạo hàm theo thời gian của hàm mục tiêu cĩ thể xác định đạo hàm riêng tương ứng: Phương pháp này giản đơn nhưng tốn nhiều thời gian tìm và rất nhạy cảm đối với nhiễu do dùng các khâu vi phân. b) Phương pháp tách sĩng đồng bộ (Đã khảo sát) Hình 1.11. Đồ thị tín hiệu vào theo từng kênh 1.2.3.2. Các phương pháp chuyển động đến cực trị Sau khi xác định đạo hàm riêng biết hướng và đại lượng gradient, hệ thực hiện quá trình cơ sở quá trình chuyển động đến cực trị. Dưới đây là một số phương pháp chuyển động đến cực trị riêng biệt với quá trình xác định gradient. a) Phương pháp gradient Phương pháp này bước chuyển động tỷ lệ với gradient: . ( )x a Grad y x  Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 21 Trong đĩ, a - hệ số. Ở mỗi kênh bước chuyển động tỷ lệ với đạo hàm riêng tương ứng. Trên mặt phẳng hai thơng số điều khiển ở hình 1.12 cĩ các đường đồng mức (đường cong cùng trị số y), nếu cực trị là cực đại thì đường trong cĩ trị số hàm mục tiêu lớn hơn đường ngồi nĩ, ở hình 1.12 cịn cĩ quỹ đạo tìm cực trị của phương pháp gradient. Quỹ đạo 1-2-3-4, ở mỗi điểm đầu tiên xác định gradient rồi sau đĩ bước chuyển động 1-2; 2-3; 3-4. Hướng chuyển động theo gradient là hướng vuơng gĩc với tiếp tuyến của đường đồng mức tại điểm xuất phát và bước chuyển động tỷ lệ với trị tuyệt đối của gradient đã được xác định. Ở ví dụ của hệ tách sĩng đồng bộ trong mục 1.2.2. chuyển động đến cực trị thực hiện theo phương pháp gradient. Hình 1.12. Quỹ đạo chuyển động đến cực trị tỷ lệ với gradient b) Phương pháp nâng (hạ) nhanh Theo phương pháp này, chuyển động được thực hiện theo hướng gradient nhưng độ dài của bước chuyển động khơng phụ thuộc modul của gradient mà phụ thuộc vào điều kiện đạt cực trị theo hướng gradient, nghĩa là đến khi bắt đầu tiếp xúc với một đường đồng mức nào đĩ (trên hình 1.12) chuyển động theo phương pháp nâng (hạ) nhanh là chuyển động theo quỹ đạo 5-6-7-8. c) Phương pháp tối ưu hố theo toạ độ (Gauss-Seidel). Phương pháp này thường dùng ở hệ tối ưu nhiều thơng số đầu vào với bộ điều chỉnh cực trị một biến. Trường hợp này chỉ cĩ một thơng số thay đổi cho đến khi đạt cực trị theo thơng số ấy, trong khi các thơng số khác cố định, sau đĩ thay đổi thơng số thứ hai ... Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 22 So sánh cả 3 phương pháp trên, ta thấy phương pháp nâng (hạ) nhanh cĩ số bước chuyển động ít nhất trong cùng một điều kiện. Phương pháp tối ưu hố theo toạ độ địi hỏi nhiều thời gian hơn để đến cực trị khi số lượng thơng số lớn. 1.2.4. Các phương pháp thực hiện đồng thời cả hai quá trình 1.2.4.1 Phương pháp ghi nhớ cực trị Cơ cấu ghi nhớ cực trị cĩ thể được thực hiện bằng các linh kiện điện tử đơn giản ở như hình 1.13a. Khi cĩ lệnh tăng x, qua điot D tụ C được nạp. Khi y(t) vượt khỏi trị số cực đại, y(t) bắt đầu giảm. Lượng chênh lệch tương ứng với vùng gạch sọc trên hình 1.13b, do đĩ cĩ tên là phương pháp ghi nhớ cực trị. Khi đạt đến trị số ngưỡng của đèn K (ngưỡng S là trị số tối đa để đèn ngắn mạch điot D). Đại lượng y(t) lại tăng, tụ lại nạp, khi y(t) vượt quá trị số cực đại lượng chênh lệch so với cực trị tăng dần và so sánh với ngưỡng S của đèn, cứ thế hệ sẽ luơn ghi nhớ và bám theo cực trị. Hình 1.13b. Đồ thị tín hiệu ghi nhớ cực trị. 1.2.4.2. Phương pháp bước y(x) t x y t 0 Hình 1.13a. Sơ đồ bộ ghi nhớ cực trị Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 23 Sau khi thực hiện một bước kx , hệ sẽ đo thơng số ở đầu bước yk-1 và cuối bước yk sau đĩ so sánh, tuỳ thuộc vào dấu của y = yk – yk-1 mà bước tiếp theo, )1(  kx sẽ được thực hiện theo hướng cần thiết, nếu cực trị là cực đại thì:  1 .kx C sign yk   (1.9) Mà C là giá trị của bước. Trên hình 1.14a là các biểu đồ của trường hợp bước cho trước, khơng phụ thuộc tính chất của đối tượng. Ở hình 1.14b, tần số bước được xác định bởi độ dốc của đặc tính cực trị. Càng gần cực trị, độ dốc càng bé hơn và tần số bước cũng giảm, sơ đồ khối của hệ trên hình 1.15c, Đại lượng y = yk – yk-1 được thực hiện nhờ cơ cấu so sánh và phần tử trễ T. Khâu tích phân nối nối tiếp với phần tử logic LG điều khiển động cơ bước thực hiện chuyển động theo quy luật sau. kx = + C nếu 1 . Tk Tk yk dt     - C nếu 1 . Tk Tk yk dt      (1.10)  - là ngưỡng tác động của phần tử logic. Càng xa cực trị ky càng lớn và (tk – tk-1) càng bé, bước càng dầy hơn. Khi gần cực trị ky càng bé, ảnh hưởng của nhiễu càng lớn, nhưng thời gian lấy tích phân cũng càng lớn, và khả năng chống nhiễu càng tốt. Hình 1.14a. Đồ thị bước cho trước tiến đến cực trị y(x) y(t ) t x Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 24 Hình 1.14b. Đồ thị bước phụ thuộc vào độ dốc tiến đến cực trị Hình 1.14c. Sơ đồ khối bộ điều khiển kiểu bước 1.2.4.3. Phương pháp đơn hình Trên mặt phẳng hai thơng số, đơn hình được thể hiện bằng tam giác đều cạnh (trong trường hợp một thơng số - những đoạn thẳng, 3 thơng số biến đổi đơn hình là những hình tháp 4 đỉnh, mỗi mặt là tam giác đều). Trên hình 1.15a, toạ độ của điểm 1,2,3, được xác định sao cho các cạnh bằng nhau và ứng với chúng các toạ độ y1(x11 , x21), y2(x12, x22) và y3(x13 , x23), được đo và so sánh với nhau. Nếu cực trị là cực đại thì đại lượng bé nhất sẽ bị loại trừ và trạng thái mới sẽ được tạo nên bằng cánh lấy tam giác 1,2,3 quanh trục 2-3 để loại trừ điểm 1, cứ thế hệ tiến đến cực trị. Ở vị trí 9,10, như hình 1.15a. Để tăng độ chính xác khi cĩ dao động lớn quanh cực trị, cĩ thể giảm nửa các cạnh của tam giác trong quá trình tiến đến cực trị như ở hình 1.15b. B t 0 0 A x y(x) y(t) ĐTĐK ĐC LG  T x y yk-1 yk yk (-) Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 25 Hình 1.15. Quỹ đạo chuyển động đến cực trị theo phương pháp đơn hình 1.2.5. Phương pháp tìm khi cĩ nhiều điểm cực trị Trong nhiều trường hợp đặc tính đối tượng y (x1 , ... , xn), cĩ nhiều cực trị cần xác định cực trị tồn bộ thì người ta dùng phương pháp “tìm mù” hay quét. Nội dung là tuần tự xem xét các vùng G cĩ thể với thời gian và tốc độ sao cho phát hiện được cực trị cần tìm. Nếu kích thước (thể tích) của tất cả các vùng cần quét là G = L n , kích thước vùng cực trị tồn bộ là Gm = I n thì tổng thời gian quét là: n q L T T I         Trong đĩ T là thời gian một lần đo, n là số chiều của véc tơ thơng số. Thời gian ấy quá lớn nên người ta kết hợp cả hai phương pháp. Phương pháp quét kết hợp với phương pháp gradient, phương pháp quét chỉ thực hiện tìm vùng và trong mỗi vùng phương pháp gradient nhanh chĩng tìm cực trị, thời gian quét là: 1 1 0 1 n q qT T l         Trong đĩ l0 là vùng cực trị tồn bộ. Khi vùng cực trị là những đỉnh nhọn thì thời gian tìm sẽ giảm nhiều, chú ý phương pháp gradient liên tục cĩ khả năng tìm cực trị, 1 2 3 5 6 8 7 9 4 10(14) 12 13(15) 11 x2 0 a) x2 x1 0 13(15) 10(14) 19 17 12 20 22 18 21 11 16 b) Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 26 trong trường hợp mặt cực trị cĩ hình máng, hình yên ngựa mà phương pháp bước khơng khắc phục được. Các hệ cực trị dùng tín hiệu phụ để tìm chế độ tối ưu nĩi chung là đơn giản trong thực hiện, nhưng thời gian tìm cực trị là tương đối lâu, hơn nữa khi bản thân đặc tính cực trị “trơi” nhanh (như hệ khoan thăm dị, khi sự thay đổi độ rắn của đất quá nhanh) hơn là tốc độ tìm sẽ khơng tìm được chế độ tối ưu. Người ta thường kết hợp phương pháp giải tích để nâng cao chất lượng của hệ thích nghi loại này. 1.2.6. Động học hệ cực trị Ở hệ cực trị dùng tín hiệu phụ, trong quá trình làm việc luơn cĩ dao động quanh cực trị, đơi khi cĩ dạng phức tạp. Dao động ấy cĩ thể là tự dao động hay dao động cưỡng bức, dao động cung cấp cho hệ thống tin tức và vị trí làm việc của nĩ đối với cực trị, chênh lệch so với cực trị do dao động gây nên ở chế độ xác lập gọi là tổn thất tìm. Hệ cực trị là phi tuyến. Đối với những hệ này, cĩ thể dùng phương pháp khảo sát động học nĩi chung, như phương pháp mặt phẳng pha, hay phương pháp tuyến tính hố điều hồ. Trong một số trường hợp, khâu phi tuyến của đối tượng cùng với cơ cấu xác định gradient nối tiếp nhau, bù trừ nhau và hệ cực trị tương đương với một hệ tuyến tính. Ví dụ: Khi đặc tính tĩnh y(x) của đối tượng cĩ dạng: 2y bx Cơ cấu xác định gradient cĩ chức năng xác định: 2 dy bx dx  Như vậy tương đương với hai khâu này là một khâu tuyến tính cĩ hệ số khuếch đại bằng 2b như hình 1.16a và b. Trong thực tế, ở trạng thái xác lập, hệ làm việc ở cùng cực trị nên cĩ thể xấp sỉ đặc tính tĩnh y(x) vùng gần cực trị bằng hàm bậc hai, nên giả thiết trên là cĩ cơ sở. Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 27 Đặc điểm quan trọng nữa là trong vùng cực trị, tần số của tín hiệu ra y(t) gấp đơi tần số của tín hiệu tìm ở đầu vào. Do đĩ khi dùng phương pháp tuyến tính hố điều hồ để khảo sát, cần quy đổi gĩc lệch pha theo quy tắc: ( ) 2 2           Vì rằng, như ở hình 1.16 gĩc lệch pha của dao động cĩ tần số 2  đối với dao động cĩ tần số  là 2 )(    , ngược lại khi tính gĩc của  so với 2  ta dùng biểu thức: 2 4          . Gĩc lệch pha của các dao động cĩ tần số là bội số của nhau, được xác định bằng khoảng cách gần nhất của hai dao động cùng chiều như hình 1.17. Hình 1.17. Hai dao động cùng chiều Như đã nêu ở phần đầu của chương này, do tác động của nhiễu ngẫu nhiên mà đặc tính cực trị của đối tượng cĩ thể thay đổi, vì vậy cần khảo sát hệ thống khi cĩ tác động dx dy dx dy dx d x x y 2b Hình 1.16a Hình 1.16b Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 28 ngẫu nhiên, xác định thơng số và cấu trúc của thiết bị điều khiển để hệ thống luơn làm việc ở chế độ tối ưu. Nhiễu cĩ thể tác động ở đầu vào hay ở đầu ra của đối tượng. Nhiễu đầu vào làm trơi đặc tính cực trị, nhiễu đầu ra làm cho chuyển động cĩ thể lạc hướng hay giảm độ chính xác điều khiển. 1.3. Kết luận chƣơng một 1.3.1. Hệ điều khiển thích nghi Điều khiển thích nghi là tổng hợp các kỹ thuật nhằm tự chỉnh định các bộ chỉnh định trong mạch điều khiển, nhằm thực hiện hay duy trì ở một mức độ nhất định chất lượng của hệ, khi thơng số của quá trình được điều khiển khơng biết trước hay thay đổi theo thời gian. Cĩ nhiều phương pháp nghiên cứu hệ, tuỳ theo đối tượng hay điều kiện cụ thể mà ta lựa chọn phương pháp nghiên cứu phù hợp. 1.3.2. Hệ cực trị Các hệ thống tự chỉnh cĩ thể xây dựng bằng nhiều cách khác nhau. Các hệ đơn giản nhất, đồng thời phổ biến nhất là hệ cực trị. Hệ thống điều khiển tìm cực trị cĩ nhiệm vụ tìm kiếm và duy trì trị số cực đại hay cực tiểu của một hay nhiều tham số của đối tượng được điều khiển, trong khi đặc tính và điều kiện làm việc của đối tượng cĩ thể biến đổi một cách ngẫu nhiên. Hệ cực trị được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như trong luyện kim, trong ngành hố chất, ngành năng lượng ( các nhà máy nhiệt điện), ngành sản xuất ơ tơ … Đặc biệt được phát triển và ứng dụng rất sớm trong lĩnh vực quân sự. Hệ cực trị khác với các hệ thống điều khiển tự động thơng thường khác ở chỗ, hệ khơng duy trì ổn định một đại lượng hay một chỉ tiêu chất lượng nào. Hệ cực trị luơn tìm và duy trì điểm cực trị của một đại lượng cơng nghệ (nhiệt độ, áp lực, hiệu suất…) trong suốt quá trình làm việc của hệ thống. Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 29 Ở hệ cực trị cĩ hai quá trình xảy ra: quá trình cơ bản, là quá trình tiến đến cực trị và quá trình tìm là quá trình xác định hướng phát triển của quá trình cơ bản nhằm duy trì điểm cực trị. Tuỳ theo điều kiện cụ thể mà ta lựa chọn quá trình xác định hướng phát triển theo các phương pháp hợp lý, cịn quá trình tiến tới cực trị được thực hiện theo phương pháp Gradient hoặc phương pháp bước, phương pháp đơn hình ... Trong đề tài này sẽ nghiên cứu, phát triển quá trình tìm và duy trì điểm cực trị theo phương pháp bước. Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 30 CHƢƠNG 2 PHÂN TÍCH ĐỐI TƢỢNG LỊ NUNG TRONG CƠNG NGHỆ LUYỆN CÁN THÉP 2.1 . Đặt vấn đề Trong thực tế thường gặp một số đối tượng cĩ đặc tính cực trị, ví dụ như trong việc khoan thăm dị vào lịng đất, áp lực mũi khoan và tốc độ tịnh tiến của mũi khoan cĩ đặc tính cực trị cực đại. Vì nếu tăng áp lực mũi khoan lớn hơn trị số tối ưu thì mũi khoan bị nghẽn và tốc độ chậm lại, hình dạng và vị trí cực đại phụ thuộc vào tính chất của đất. Trong trường hợp cán thép lá, độ dầy H của phơi trước trục cán và đội dầy h của thép ở đầu ra của trục cán được đo bằng các cảm biến, kết quả đo được máy tính gia cơng để đầu ra là bình phương của sai lệch so với trị số mong muốn. Đại lượng này qua cơ cấu điều khiển và mạch hiệu chỉnh để thay đổi vị trí trục cán, đặc tính này cĩ đặc tính cực tiểu. Trong động cơ xăng của xe máy nhiệt lượng toả ra với lưu lượng xăng nhất định phụ thuộc vào lưu lượng giĩ qua chế hồ khí cĩ đặc tính cực trị cực đại, khi điều chỉnh lượng giĩ ít sẽ gây lên hiện tượng thừa xăng, khi lượng khơng khí quá lớn nhiệt lượng trong buồng đốt thấp. Chế hồ khí làm nhiệm vụ điều chỉnh lượng giĩ ở trị số tối ưu. Trong các lị nung của sản xuất gạch men hay lị nấu kính cĩ sử dụng dầu đốt, nhiệt độ của lị với lưu lượng dầu nhất định phụ thuộc vào lưu lượng giĩ đưa vào lị cũng cĩ đặc tính cực trị cực đại. Lị nung phơi thép trước khi cán cũng là một trong các đối tượng cĩ đặc tính cực trị cực đại, nhiệt độ của lị với lưu lượng dầu nhất định phụ thuộc vào lưu lượng khơng khí theo đặc tính cực trị, ở đối tượng này người ta trộn lẫn dầu và khơng khí phun vào trong lị dưới dạng sương mù, tỷ lệ khơng khí là lượng dầu nhất định cĩ trị số tối ưu, nếu lượng khơng khí nhỏ hoặc lớn hơn trị số tối ưu thì nhiệt độ giảm, nhiệt độ cực đại Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 31 và hình dạng đặc tính nhiệt độ phụ thuộc vào chất lượng dầu, nhiệt độ khơng khí và vật cần nung. 2.2 . Vai trị của lị nung trong cơng nghệ cán thép Quá trình sản xuất kim loại trong cơng nghiệp luyện kim cĩ thể chia làm hai thời kỳ: Thời kỳ thứ nhất: Quá trình tạo ra kim loại cĩ thành phần hố học cho trước, từ các nguyên liệu ban đầu (quặng và các trợ dung khác) qua xưởng gang, xưởng thép. Thời kỳ thứ hai: Quá trình gia cơng dẻo kim loại trong đĩ phương pháp ra cơng bằng áp lực đĩng vai trị quan trọng nhất, cán thép là một trong những dạng của gia cơng kim loại bằng áp lực. Cán thép là quá trình tác động ngoại lực lên kim loại làm cho nĩ thay đổi hình dạng và kích thước theo yêu cầu, do đĩ kim loại qua trục cán phải cĩ khả năng biến dạng dẻo. Yêu cầu cần quan trọng trong quá trình cán là sức căng biến dạng của kim loại khơng được lớn, đồng thời kim loại vẫn giữ được độ bền cao. Tính mềm dẻo của từng kim loại phụ thuộc rất nhiều vào thành phần hố học của nĩ, đặc biệt phụ thuộc vào nhiệt độ nung kim loại trước khi cán và phương pháp gia cơng áp lực. Nhiệt độ cán càng cao thì sức căng biến dạng càng giảm, đồng thời cũng giảm được năng lượng tiêu hao trong quá trình cán. Ví dụ: Khi cán ở nhiệt độ 0 01150 1200 thì sức căng biến dạng của thép giảm 10 lần so với cán nguội, do vậy trong thực tế người ta hay dùng phương pháp cán nĩng. Thực tế cho thấy rằng trong quá trình cán nguội kim loại trở nên cứng và sức căng biến dạng tăng lên rất nhiều, tức là kim loại mất tính mềm dẻo và được gọi là sự biến dạng cứng, đồng thời năng lượng tiêu hao khi cán lớn. Cán ở nhiệt độ cao là quá trình gia cơng khơng cĩ sự biến cứng, đồng thời cũng sẽ giảm áp lực của kim loại vào trục cán, giảm hao phí năng lượng, cho phép thúc đẩy nhanh quá trình gia cơng và trong nhiều trường hợp tính dẻo nâng cao là khả năng duy nhất thực sự biến dạng dẻo. Vì vậy nhiệm vụ của lị nung liên tục trong cơng nghệ cán là: Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 32 Nung thép đến nhiệt độ nhất định và đạt được mức độ đồng đều nhiệt độ trong phạm vi cho phép, đối với các loại phơi nung (kích thước và mác thép khác nhau). Quá trình làm việc liên tục, đồng thời chế độ tương đối ổn định trong từng vùng, vì vậy cĩ thể thực hiện tự động điều chỉnh đối với từng vùng riêng biệt mà ảnh hưởng giữa các vùng với nhau khơng nhiều. Quán tính nhiệt độ của lị tương đối lớn, tính chất này chứng tỏ là một đối tượng nhiều dung lượng. Dung lượng nĩi chung là khả năng tích luỹ vật chất hoặc năng lượng của đối tượng, với đối tượng của ta, dung lượng là nhiệt dung của tồn bộ đối tượng bao gồm. Nhiệt dung của lị, phơi nung, như vậy phương trình vi phân mơ tả tính chất động học của đối tượng sẽ cĩ bậc lớn hơn 1. Năng suất của lị thay đổi trong phạm vi tương đối lớn, sự thay đổi này do năng xuất máy cán quyết định. Khi đĩ với sơ đồ điều khiển tự động hiện nay giá trị cho trước của nhiệt độ thay đổi ít hoặc khơng thay đổi. Chế độ nhiệt của lị cần được thay đổi cho phù hợp với từng loại phơi nung. 2.3 . Đặc điểm lị nung và cơng nghệ cán - Phơi được đưa vào lị trên dầm trượt qua 3 vùng là: vùng sấy, vùng nung và vùng đồng nhiệt, với 3 chế độ nhiệt khác nhau, phương pháp nạp vào đầu vào ra ở cuối lị. - Nhiên liệu của lị: Để đốt lị người ta dùng dầu nặng bơm với áp suất cao tới mỏ đốt ở đây khơng khí và dầu trộn lẫn thành bụi, phun vào khơng gian của lị. Nhiệt trị của dầu là 9500 Kcal/kg hay 39700 Kj/kg, lưu lượng tiêu hao cực đại cho mỗi vùng là 1500 Kg/h, và tiêu hao nhiên liệu cho một tấn thép nung là 50 Kg/tấn (thực tế đang sử dụng là 600 Kg/h và tiêu hao 34,5 Kg/1tấn sản phẩm). Nhiệt độ dư nhiệt khơng khí là 0 0350 400 , áp lực khơng khí trước mỏ đốt là 500Pa, tiêu hao hơi nước 130Kg/h, áp lực hơi nước trước mỏ đốt là 500Pa, áp lực nước làm nguội 0,3 MPa và tiêu hao nước làm nguội 150m3/h áp lực giĩ do quạt tro cháy là 11776Pa. Thép nung: Các loại thép thỏi, phơi kích thước sau Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 33 + Thép thỏi cĩ 3 loại: 275.275 235.235 .1560 - Thép lắng. 210.210 275.275 .1560 - Thép sơi. 5.30.305 245.245 . 120 - Thép lắng. + Các loại phơi vuơng kích thước: 105.105 đến 200.200 dài khoảng 1400  3500 (mm). 2.4 . Cấu tạo lị nung và chế độ vận hành 2.4.1. Cấu tạo lị nung Lị kiểu đẩy thép nung liên tục và nung hai mặt. Lị được chia làm 3 vùng, tên từng vùng lần lượt từ cửa vào phơi đến cửa ra phơi là: Vùng sấy, vùng nung & vùng đồng nhiệt. Các thơng số của lị như sau: - Cơng suất lị: 40 tấn/h. - Chiều cao lị: 1.610 m. - Chiều dài lị: 23.902 m. - Chiều rộng lị: 4.06 m. Chiều dài các vùng: Sấy - 8.851m; Nung - 10,15m; Đồng nhiệt - 4,901m. Cửa vào phơi luơn mở, phơi cần nung được vận chuyển bằng cần trục và băng truyền con lăn từ gian để phơi đến cửa lị, tồn bộ phơi nung được xếp thành một hàng ngang và dịch chuyển dọc theo lị lần lượt qua các vùng, cửa ra phơi dùng động cơ đẩy phơi qua cần tống. 2.4.2. Bộ phận dịch phơi Trong lị người ta dùng dầm trượt bằng gạch chịu nhiệt để dịch chuyển phơi, phơi được đưa tới cửa lị và nhờ máy đẩy chúng dịch chuyển thay thế vị trí cho nhau trong lị, phơi được nung hai mặt từ đầu vào đến hết vùng nung đến vùng đồng nhiệt thì thép Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 34 nung chuyển vị đưa ra cán, nhờ cần tống đẩy ra băng truyền con lăn, sau khi đi qua vùng này yêu cầu nhiệt độ của thép phải đồng đều trên mặt và bên trong tâm phơi, để giảm sức căng biến dạng. 2.4.3. Vị trí các mỏ đốt Để cung cấp nhiệt độ cho lị người ta dùng dầu FO được hố mù bằng khí nén phun trộn với khơng khí qua các mỏ đốt, tồn bộ lị được dùng 12 mỏ đốt. Vùng sấy dùng 4 mỏ, mỗi bên 2 mỏ. Vùng nung dùng 4 mỏ, mỗi bên 2 mỏ. Vùng đồng nhiệt 4 mỏ, đặt ngang cuối lị. Vịi phun mã hiệu 32 HF dài 600 mm, đầu phun cĩ đường kính 20mm. 2.4.4. Bộ phận giữ nhiệt Mục đích đặt bộ giữ nhiệt khơng khí trong đường ống khĩi là để thu hồi nhiệt dư của khĩi, giảm tiêu hao nhiệt. Sau khi trợ cháy qua bộ giữ nhiệt, nhiệt độ khơng khí tăng lên từ 300oc  400 oc được đưa đến mỏ đốt, bộ phận giữ nhiệt được chia làm hai phần: - Bộ phận gần lị gọi là cụm ống bảo vệ bộ giữ nhiệt. - Bộ phận giữ nhiệt phân thành hai cụm phải trái làm hai hành trình để nâng cao hiệu quả trao đổi nhiệt. Để bảo vệ bộ giữ nhiệt, trên đường ống khĩi cĩ lắp van tham gia làm nguội 300 . Khi nhiệt độ khĩi quá cao các van này mở làm cho khơng khí lan tràn vào đường ống khĩi làm giảm nhiệt độ khĩi trên đường ống, trên đường ống chung của giĩ nĩng cĩ lắp van xả tự động. Khi nhiệt độ vượt quá 450oc van này tự động mở, xả một phần giĩ nĩng để bảo vệ bộ giữ nhiệt. Các thơng số của bộ giữ nhiệt:  Diện tích truyền nhiệt 146 m2.  Nhiệt độ dư nhiệt khơng khí 350 - 4000c.  Nhiệt độ khĩi vào bộ giữ nhiệt 800oc. Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 35  Nhiệt độ khĩi ra bộ giữ nhiệt 457oc  Lượng khĩi lớn nhất 16000 m3/h.  Lưu lượng khơng khí trong bộ phận giữ nhiệt 12,6 m3/s.  Lưu lượng khĩi trong bộ phận giữ nhiệt 1,79 m3/s.  Tổng số truyền nhiệt 38,6 W/m2 0c.  Tổn thất lực cản khơng khí 156mm H2O. 2.4.5. Chế độ vận hành và yêu cầu tự động hĩa Căn cứ vào biểu đồ nhiệt độ nung H ta cĩ thể xác định chế độ vận hành và đề ra yêu cầu tự động hố cho lị như sau. 2.4.5.1.Vùng sấy Khi chọn chế độ nhiệt độ cho vùng sấy cần chú ý đến tính dẫn nhiệt của kim loại và lý hố tính của nĩ. Hiện nay lị của nhà máy cán Lưu Xá chuyên dùng để nung các loại thép các bon thường, hệ số dẫn nhiệt lớn nên khả năng truyền nhiệt từ mặt phơi đến tâm phơi nhanh, ứng suất nhiệt sinh ra giữa mặt phơi và tâm phơi lớn, vì vậy tốc độ nung cĩ thể cho phép tuỳ ý tức là nhiệt độ vùng sấy cĩ thể tuỳ ý. Tuy nhiên nếu tốc độ nung cĩ thể cho phép quá thấp thì thời gian nung sẽ kéo dài, ảnh hưởng tới năng suất lị, yêu cầu điều chỉnh nhiệt độ ở đây chỉ cần đo lượng nhiệt độ mà thơi. 2.4.5.2. Vùng nung Là vùng chủ yếu tăng nhiệt độ của phơi nung nên nhiệt độ vùng này phải cao, từ 1300 0  1350 0 C và nhiệt độ lị lớn hơn nhiệt độ bề mặt phơi khoảng 1000c, sai số nhiệt độ của phơi chủ yếu do. - Mác thép nung, kích thước phơi nung thay đổi. - Sản lượng cán thay đổi. Việc tự động hố lị nung là tự động duy trì nhiệt độ lị ở khoảng 13000  1350 0 c thơng qua việc điều chỉnh lưu lượng dầu và khơng khí vào vùng nung. 2.4.5.3. Vùng đồng nhiệt Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 36 Nhiệm vụ khống chế nhiệt độ vùng này là, làm cho phơi nung trước khi ra lị cĩ độ chênh nhiệt độ giữa bề mặt và tâm phơi nằm trong giới hạn cho phép, khoảng 300c/dm chiều dầy. Tại vùng này nhiệt độ lị được hạ thấp xuống so với vùng nung (1250 0  1270 0c) và cao hơn nhiệt độ bề mặt phơi một chút. Với nhiệt độ lị như vậy nhiệt độ bề mặt phơi khơng tăng được nữa trong khi đĩ nhiệt độ tâm phơi tiếp tục tăng lên cho đồng đều với bề mặt phơi. Để đáp ứng đúng yêu cầu cơng nghệ cán, việc tự động hố duy trì nhiệt độ vùng đồng nhiệt là cần thiết bởi vì phơi trước khi ra lị cần cĩ nhiệt độ nhất định để đáp ứng nhu cầu về độ biến dạng dẻo của thép nhằm giảm gây biến dạng, giảm tiêu hao năng lượng khi gia cơng và tăng tuổi thọ của thiết bị. Khơng đảm bảo được nhiệt độ đồng đều theo tiết diện phơi sẽ làm xoắn phơi tạo ra vết nứt bên trong và làm hư hỏng các chi tiết khác của máy cán trong lúc làm việc. 2.5 . Các đặc tính tĩnh và động của đối tƣợng 2.5.1. Các đặc tính tĩnh Đặc tính tĩnh của đối tượng là quan hệ giữa đại lượng ra và đại lượng vào của nĩ ở chế độ nhất định. Đối tượng của ta là, lượng vào là lưu lượng nhiên liệu lượng ra là nhiệt độ lị. Các đặc tính tĩnh cĩ thể tìm được bằng con đường tính tốn giải tích hoặc thực nghiệm. Đối tượng ta xét thuộc loại đối tượng định vị, quan hệ lượng ra và lượng vào ở trạng thái ổn định biểu hiện bằng phương trình. Xr = F(xv) (2.1) - Hàm tuyến tính Ứng với mỗi giá trị ổn định của lượng vào (lưu lượng dầu) ta cĩ một giá trị ổn định xác lập của lượng ra (nhiệt độ), ở chế độ khác nhau quan hệ Xr và Xv cũng khác nhau. Cụ thể là ứng với từng năng suất khác nhau của lị ta cĩ một họ đặc tính tĩnh. Một thơng số quan trọng đặc trưng cho tính chất tĩnh của đối tượng là hệ số truyền hay hệ số khuyếch đại được biểu diễn bằng quan hệ. Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 37 limdt Xr dXr K Xv dXv     (2.2) Hình 2.1 là họ đặc tính tĩnh của lị nung liên tục biểu diễn quan hệ của nhiệt độ theo lưu lượng dầu. a, Hình 2.1 b, a. Nhiệt độ vùng nung; 1. Năng suất 100% b. Nhiệt độ vùng đồng nhiệt; 2. Năng suất 70% 2.5.2. Đặc tính động Đặc tính động của đối tượng là sự thay đổi lượng ra theo thời gian khi xuất hiện nhiễu, các đặc trưng động cho phép ta đánh giá các tính chất động của đối tượng ở trạng thái quá độ. Đặc trưng động cĩ thể biểu diễn dưới nhiều dạng khác nhau: - Dạng phương trình vi phân. - Dạng các đặc tính thời gian - Dạng đặc tính tần. 2.5.3. Xác định cấu trúc hàm truyền từ đặc tính quá độ Ta kích thích vào đối tượng một hàm 1(t) ta thu được đặc tính h(t) tại đầu ra như hình vẽ hình 2.2. Dựa vào những kết luận ta cĩ Hình 2.2 Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 38 * Ta thấy h(+0)= 0 và 0 dh dt  Nên m > n * ( )h k  Hàm truyền của đối tượng tồn tại khâu khuyếch đại * Ta thấy h(t) khơng lượn sĩng khơng cĩ độ quá điều chỉnh nên các hằng số thời gian của đối tượng là các số thực và thỏa mãn điều kiện n mT T  , 1 1n mT T   ,……. 1 1m nT T   Vậy hàm truyền của đối tượng là một khâu quán tính bậc nhất cĩ trễ và cĩ dạng: k w(s)= Ts+1 se  (2.3) 2.5.4. Xác định tham số cho hàm truyền Xấp xỉ thành phần trễ ta cĩ hàm truyền của đối tượng cĩ dạng: 1 2 k w(s)= (Ts+1)(T s+1) (2.4)  Xác định các tham số: k, T=T1, 2T   Ta cĩ: 0 ( ) lim ( ) lim w(s)=k t s h h t       Ta thấy trong khoảng thời gian 0 ut T  h(t) cĩ tốc độ tăng dần sau đĩ giảm dần về 0 khi t  h(t) cĩ tốc độ biến thiên đạt cực đại tại điểm uốn t ( )h k  h(t) 0  a b Tu A h(Tu) Hình 2.3 Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 39 * max ( ) lim ut T dh t v v dt   Gọi A là điểm uốn kẻ tiếp tuyến tại A (htt(t)) sau đĩ xác định được hai tham số, một là hồnh độ giao điểm của đường tiếp tuyến với trục thời gian gọi bằng a, hai là hồnh độ giao điểm của tiếp tuyến htt(t) với đường ( )h k  trừ đi a gọi bằng b, Ta cĩ: ( ) ( ) ( ) utt u h Tk h t tg t a b T a      ( )u u h T a T tg   Ta cĩ: 1 21 1 1 2 1 2 1 2 1 2 w(s) k ( ) 1 s s(1+Ts)(1+T s) t t T TT Th t L L k e e T T T T                         Khi t=Tu thay vào phương trình trên và giải phương trình 2 2 ( ) 0 dh t dt  Ta thu được 1 2 1 1 2 2 lnu TT T T T T T   2 1 22 2 1 ( ) T T TTdh t ktg e dt T T    Vậy: 1 2 ( )u u u h T a T T b T T tg      Gọi 2 1 T x T  Xác định tỷ số 1 2 1 21 1u u T T tgT T T Ta tg b b b k k         2 1 ln 1 1 1 x x a x x x x b x        Kiểm tra tỷ số a b nếu 0 0.103648 a b   thì là khâu quán tính bậc hai. Giải phương trình trên bằng passcal, c++… ta tìm được x. Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 40 Ta xác định được T1, T2 bằng cơng thức 1 1 x x b T x   và 2 1T xT (2.5) Trong quá trình tìm hiểu và tính tốn ta thấy lị nung của nhà máy cĩ dạng là một khâu phi tuyến, ta cĩ thể coi lị là một khâu quán tính bậc nhất cĩ trễ cùng với đặc tính tĩnh của lị. Hàm truyền của khâu quán tính bậc nhất cĩ trễ là W(s)= 1 sK e Ts   (2.6) Với K = 72; T = 1200; 60  2.6 . Tỷ lệ nhiên liệu/khơng khí, xác định đặc tính cực trị của đối tƣợng * Tính tốn hợp thức nhu cầu khơng khí cho quá trình đốt cháy dầu đốt Quá trình đốt cháy cần khơng khí. Khối lượng khơng khí cần thiết được tính theo phương pháp dưới đây. Bước đầu tiên là xác định thành phần của dầu đốt. Các thơng số dầu đốt điển hình rút ra từ các phân tích trong phịng thí nghiệm cho trong bảng dưới đây: Bảng 2.1: Số liệu phân tích thành phần dầu [8] Thành phần % khối lƣợng Cacbon 85,9 Hydro 12 Oxy 0,7 Nitơ 0,5 Lưu huỳnh 0,5 Nước (H2O) 0,35 Tro xỉ 0,05 GCV nhiên liệu 10880 kcal/kg Nếu chúng ta sử dụng những số liệu phân tích này và xem xét 100 kg dầu đốt, sẽ cĩ các phản ứng hố học như sau: Yếu tố Khối lượng phân tử (kg / kg mole) C 12 O2 32 H2 2 Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 41 S 32 N2 28 CO2 44 SO2 64 H2O 18 C + O2 → CO2 H2 + 1/2O2 → H2O S + O2 → SO2 Thành phần nhiên liệu C + O2 → CO2 12 + 32 → 44 12 kg C cần 32 kg O2 để tạo ra 44 kg CO2, vì vậy 1 kg C cần 32/12 kg, tương đương 2,67 kg O2. (85,9) C + (85,9 x 2,67) O2 → 315,25 CO2 2H2 + O2 → 2H2O 4 + 32 → 36 4 kg H2 cần 32 kg O2 để tạo ra 36 kg nước, do đĩ, 1 kg H2 cần 32/4 kg tương đương 8 kg O2 (12) H2 + (12 x 8) O2 → (12 x 9 ) H2O S + O2 → SO2 32 + 32 → 64 32 kg S cần 32 kg O2 để tạo ra 64 kg SO2, vì vậy, 1kg S cần 32/32 kg, tức là 1kg O2 (0,5) S + (0,5 x 1) O2 → 1,0 SO2 Tổng cộng lượng O2 cần = (229,07+96+0,5) = 325,57 kg O2 cĩ trong 100 kg nhiên liệu (đưa ra) = 0,7 kg Lượng O2 cần thêm = 325,57 – 0,7 = 324,87 kg Từ đĩ, lượng khơng khí khơ cần = (324,87) / 0,23 (khơng khí chưa 23% O2, theo trọng lượng ) = 1412,45 kg khơng khí Lượng khơng khí cần trên lý thuyết = (1412,45) / 100 = 14,12 kg khơng khí / kg nhiên liệu Trong ví dụ này, mỗi kg dầu đốt cần 14,12 kg khơng khí. Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 42 Như vậy, giữa nhiên liệu cháy (dầu) và khơng khí dùng để đốt cháy cĩ một quan hệ nhất định. Khi lưu lượng nhiên liệu vì một lý do nào đĩ thay đổi thì lưu lượng khơng khí cũng phải thay đổi cho phù hợp (lưu lượng nhiên liệu là chủ đạo, lưu lượng khơng khí là phụ thuộc). Nếu trong quá trình làm việc lượng khơng khí khơng phù hợp (thừa hoặc thiếu) đều dẫn đến các phản ứng cháy khơng hồn tồn, hiệu suất thấp và gây tổn thất dầu. Việc điều khiển tối ưu sự cháy của nhiên liệu là thực hiện tìm một hệ số tỷ lệ giữa nhiên liệu và khơng khí như thế nào đĩ để nhiệt độ ngọn lửa là cực đại, hình 2.4. Theo ví dụ phân tích ở trên ta cĩ thể điều khiển lưu lượng giĩ theo tín hiệu điều khiển lưu lượng dầu hoăc điều khiển độc lập nhau. Thơng thường lưu lượng dầu và giĩ được bộ điều khiển tính tốn theo nhiệt độ đặt và tín hiệu phản hồi. Tỷ lệ dầu và giĩ được tính tốn dựa trên cơ sở phân tích quá trình cháy. Thậm chí đối với những hệ thống cũ các thợ lị thường đốt lị theo kinh nghiệm và điều chỉnh lưu lượng dầu và giĩ bằng tay. Ví dụ ở Nhà máy kính Đáp Cầu (Bắc Ninh); hệ thống cũ của nhà máy cán 3 vạn Thái Nguyên... Trên thực tế do nhiều yếu tố tác động như: Nhiệt độ giĩ (nhiệt độ mơi trường), chất lượng khơng khí (khơng phải lúc nào tỷ lệ O2 cĩ trong khơng khí là 23%), nhiệt độ và chất lượng dầu ... do vậy tỷ lệ giĩ và dầu khơng phải lúc nào cũng theo đúng tỷ lệ tính tốn. Thường thì lưu lượng giĩ cần nhiều hơn tính tốn, điều đĩ thể hiện qua hệ số dư thừa 'm m  , với m’ là khối lượng khơng khí tính tốn, m là khối lượng khơng khí cần thực tế (thường 1.1 1.25   ). Trong quá trình làm việc, nếu điều kiện làm việc đúng như giả thiết ban đầu (= hằng số), khi đĩ nếu thay đổi lưu lượng dầu vào lị ta cĩ họ đặc tính cực trị như hình 2.5a. Cịn nếu cĩ tác động nhiễu vào lị, làm hệ số  thay đổi thì ta cĩ họ đặc tính cực trị như hình 2.5b. Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 43 Để khắc phục những khĩ khăn trong quá trình phân tích các phản ứng cháy và các yếu tố liên quan, các hệ thống điều khiển mới hiện nay hầu hết là thực hiện theo nguyên tắc điều khiển thích nghi giữa lưu lượng giĩ theo lưu lượng dầu. Bộ điều khiển thích nghi tìm cực trị cĩ nhiệm vụ dị tìm lưu lượng giĩ phù hợp nhất với mỗi lưu lượng dầu, đồng thời luơn duy trì điểm làm việc tối ưu.Tức là tìm hệ số  bằng bao nhiêu đĩ để cĩ nhiệt độ ngọn lửa là cực đại. 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 anfa N hi et d o DAC TINH CUC TRI KHI LL DAU THAY DOI 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 anfa N hi et d o O DAC T NH CUC TRI K I CO NHIEU TAC DONG Hình 2.5. Họ đặc tính cực đại của lị đốt 2.7. Kết luận chƣơng 2 Qua nghiên cứu cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của lị nung ta nhận thấy rằng, lị nung là một đối tượng phi tuyến cĩ đặc tính cực trị cực đại, yêu cầu tự động hố và ổn định nhiệt độ ở các vùng là rất cần thiết vì nĩ quyết định đến năng suất và chất lượng sản phẩm. Để nung thép người ta dùng dầu FO làm nhiên liệu đốt, vì vậy làm sao để đốt cháy hết nhiên liệu, nhiệt năng toả ra là lớn nhất, tiêu hao nhiên liệu là ít nhất trong một đơn vị sản phẩm, đây là bài tốn kinh tế cần giải quyết. Việc thiết kế hệ thống điều chỉnh *  0 T Tmax Hình 2.4. Đặc tính cực đại của lị đốt Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 44 nhiệt độ lị cần giải quyết hai vấn đề, một là điều chỉnh tỷ lệ lưu lượng dầu và giĩ hợp lý phù hợp với năng suất lị, hai là với một lượng dầu nhất định cần phải cấp một lượng khơng khí là bao nhiêu để nhiệt độ ngọn lửa là cực đại và luơn duy trì ổn định tại vị trí đĩ. Đối với các hệ thống cũ tỷ lệ giĩ/dầu thường được tính tốn trên một số giả thiết nhất định, từ đĩ tỷ lệ này được giữ “cứng” trong quá trình điều khiển. Như vậy khi cĩ sự sai khác giữa điều kiện thực tế với giả thiết ban đầu (ví dụ khi chất lượng dầu thay đổi, tỷ lệ O2 trong khơng khí khơng giống giả thiết, chế độ làm việc thay đổi, nhiệt độ mơi trường thay đổi…) sẽ dẫn tới thừa hoặc thiếu giĩ, hiệu suất cháy giảm gây tổn hao dầu. Đề tài này sẽ tiếp tục nghiên cứu, phát triển bộ điều khiển thích nghi, điều khiển lưu lượng giĩ theo lưu lượng dầu, đồng thời “tìm” và duy trì tỷ lệ giĩ/dầu phù hợp nhất khi cĩ sự thay đổi của điều kiện làm việc và các yếu tố mơi trường. Nhằm nâng cao hiệu suất và tiết kiệm dầu đốt. Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 45 CHƢƠNG 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 3.1. Giới thiệu một số phƣơng pháp thiết kế bộ điều khiển Cĩ rất nhiều cách thiết kế bộ điều chỉnh khác nhau. Sau đây là một số cách thiết kế điển hình. 3.1.1. Hệ thống điều khiển vị trí 3.1.1.1. Quy luật điều chỉnh 2 vị trí Với quy luật này tín hiệu ra của máy điều chỉnh xác định ở một trong hai trạng thái là Umax và Umin. Phương trình mơ tả tốn học được viết: u = B. Sign(e) Trong đĩ : B là tác động điều khiển ,Sign(e) là lấy mẫu của sai lệch  Khi e > 0 Sign(e) = 1, u = B = Umax  Khi e < 0 Sign(e) = -1, u = -B = Umin Máy điều chỉnh 2 vị trí thực chất là một rơle 2 vị trí lý tưởng cĩ tín hiệu vào là e, quá trình quá độ điều chỉnh hệ thống được thể hiện như sau: Lúc bắt đầu điều chỉnh (0 T1), y 0 ta cĩ tác động điều chỉnh u = Umax Khi t = T1 thì y  x, e = x - y  0 tác động điều chỉnh u = Umin. Nhưng do quán tính y tiếp tục tăng sau đĩ mới giảm cho tới thời điểm T2, e = 0 và tác động điều chỉnh u = Umax. Nhưng y vẫn tiếp tục giảm xuống theo quán tính rồi sau đĩ mới tăng lên đến T3 thì y > x tác động điều chỉnh u = Umim quá trình cứ lặp đi lặp lại như vậy. Do tác động cĩ 2 vị trí là Umin và Umax nên quá trình điều chỉnh mang tính tự dao động xung quanh giá trị chủ đạo x. Chất lượng của quá trình điều chỉnh được đánh giá bằng hai tham số: Biên độ dao động : 2 minmax yy   (3.1) Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 46 Sai lệch dư : 2 minmax· yy x   (3.2) Hình 3.1. Quy luật điều chỉnh 2 vị trí 3.1.1.2 Quy luật điều chỉnh 3 vị trí Quy luật điều chỉnh 3 vị trí cĩ mức độ tác động khác nhau là Umax, Umin và Utb. Umax sẽ tác động khi sai lệch e lớn, nĩ nhằm mục đích nhanh chĩng đưa hệ về trạng thái cân bằng. Tác động của Utb và Umin quy định chất lượng của quá trình điều chỉnh ở trạng thái xác lập, Phương trình như sau: U = B Sign(e) Trong đĩ: B là tác động điều khiển, Sign(e) là lấy mẫu của sai lệch  Khi e > a, y < x - a Sign(e) = 1 u = B = Umax  Khi ae 0 , 0  x- y  a Sign(e) = 0 u = Utb  Khi e x Sign(e) = -1 u = -B = Umin Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 47 Khi bắt đầu làm việc sai lệch tĩnh rất lớn lúc đĩ e>a, đối tượng sẽ được nhận tác động là Umax vì vậy hàm y tăng rất nhanh, tới thời điểm t1, 0 < e < a đối tượng được điều chỉnh nhận được u = Utb, hệ thống chuyển trạng thái từ Utb sang Umin, từ thời điểm này trở đi quá trình điều khiển sẽ tạo ra một giá trị xác lập giống như điều chỉnh 2 vị trí với mức tác động giữa Utb và Umin. Ta xét tại mỗi thời điểm thực chất quy luật điều chỉnh 3 vị trí giống như 2 vị trí, nhưng cĩ mức tác động Umax, Utb và Umin chất lượng điều chỉnh 3 vị trí tốt hơn 2 vị trí (thể hiện ở thời gian quá độ, biên độ dao động ở trạng thái xác lập). 0 x, y x x-a 0 U max U min U tb t 2 t 1 t 3 t 4 t 5 u Hình 3.2. Quy luật điều chỉnh 3 vị trí 3.1 .1.3. Quy luật điều chỉnh với cơ cấu chấp hành cĩ tốc độ khơng đổi : Nếu chúng ta nối tiếp thiết bị điều chỉnh với cơ cấu chấp hành cĩ tốc độ khơng đổi sẽ được một hệ thiết bị điều chỉnh vị trí với cơ cấu chấp hành khơng đổi. Cơ cấu chấp hành thường là động cơ một chiều và thường được coi là một khâu tích phân cĩ hàm truyền là: 1 cT s với Tc là hằng số thời gian chuyển dịch của cơ cấu chấp hành từ vị trí giới hạn đầu đến vị trí giới hạn cuối Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 48 Quy luật điều chỉnh vị trí cơ cấu chấp hành cĩ tốc độ khơng đổi được mơ tả bằng phương trình:  esign Tdt du c 1  Giả thiết hệ thống sử dụng bộ điều chỉnh 2 vị trí thì quá trình được diễn dải như sau: Hình 3.3. Quy luật điều chỉnh hai vị trí với cơ cấu chấp hành cĩ tốc độ khơng đổi  e > 0 sign(e) = 1 cTdt du 1   e < 0 sign(e) = -1 cTdt du 1  Nếu ta chọn được Tc thích hợp (phù hợp với quy luật điều chỉnh) chất lượng quá trình điều chỉnh sẽ tốt hơn so với điều chỉnh 2 vị trí, giá trị đầu ra sẽ được điều chỉnh phù hợp hơn, khi ở trạng thái cân bằng quá trình dao động sẽ nhỏ hơn. Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 49 Nhìn chung quá trình điều chỉnh vị trí theo phương án trên đều xẩy ra tự dao động, như vậy cơ cấu chấp hành sẽ làm việc liên tục. Để khắc phục nhược điểm này người ta cĩ thể sử dụng thiết bị điều chỉnh 3 vị trí cĩ vùng khơng nhạy (vùng chết) và được mơ tả bằng phương trình sau:  Khi e > a, y < x – a, Sign(e) = 1, u = B = Umax  Khi e > 0, e < a, 0  x- y  a Sign(e) = 0, u = Utb  Khi e x Sign(e) = -1 u = -B = Umin Hình 3.4. Quy luật điều chỉnh ba vị trí cĩ vùng khơng nhạy Rơle 3 vị trí tương ứng với 3 trạng thái của cơ cấu chấp hành, quay thuận, dừng và quay ngược. Nếu sai lệch lớn hơn a thì rơle tác động điều chỉnh quay thuận tăng tín hiệu vào của đối tượng điều khiển và y tăng lên cho tới khi sai lệch -a  e  a , máy điều chỉnh đưa ra tín hiệu bằng 0 động cơ dừng làm việc, từ thời điểm t1 tác động điều chỉnh được giữa cố định bằng u1 từ đĩ cĩ thể xẩy ra hai trường hợp: Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 50  Giá trị u1 đã đảm bảo cho y chỉ dao động trong khoảng từ x-a đến x+a thì lúc đĩ quá trình điều chỉnh được xem như kết thúc tại t1  Giá trị lượng ra y vẫn lớn hơn giá trị x+a động cơ đảo lại chiều quay để thay đổi u từ u1 đến u2 sao cho tín hiệu ra nằm trong khoảng từ x-a đến x+a như từ thời điểm t3 trên hình 3.4 3.1.2. Phƣơng pháp đa thức đặc trƣng thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống tuyến tính Phương pháp hệ số suy giảm (Phương pháp đa thức đặc trưng cĩ hệ số suy giảm thay đổi được) dựa vào đa thức chuẩn bậc 2 được nghiên cứu đầy đủ để tổng quát cho bậc cao hơn. 3.1.2.1 Xét hệ bậc hai Giả sử hệ bậc 2 cĩ hàm truyền   2 0 2 2 02 W s s s       (3.3)  : hệ số suy giảm 0 : tần số riêng Khi hệ số suy giảm thay đổi, làm chất lượng của hệ thay đổi, khảo sát chất lượng của hệ khi  thay đổi bằng Simulink ta cĩ kết luận:  càng nhỏ độ qúa điều chỉnh càng tăng lên. Ta cĩ : 20 2 14 aa a  (3.5) 3.1.2.2 Phương pháp đa thức đặc trưng cĩ hệ số suy giảm thay đổi được cho hệ cao Giả sử hàm truyền của hệ cĩ dạng:   0 1 1 0 ... asasa a sW n n n n     (3.6) Ta dùng hệ số tập trung như sau: Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 51 111 2 21 20 2 1 20 11 0 1 1 1 2 1 1 1 0 0 2 2 1 1 31 2 2 2 20 2 1 1 .......; ;........;.........; ;........,          n n n n n nn n n aa a aa aa an a a a a a aa a aa a aa a           (3.7) Cho một số đặc trưng 0 và hệ số suy giảm  lấy cố định. Vậy ta tính được các thơng số khác như sau: 1 2 0 210 0 2 1 20 2 1 0 1 1 1 0 0 2 ,       aaa aa aa a a a a a (3.8) Thơng thường ta chọn a0 = 1 và a1=1 3 0 3 3 2 0 1 2 1 0 0 0 11 1           a a a aa (3.9) Vậy ta cĩ:   kkk k k k a   0 2/1 0   (3.10) Chú ý: Khi cho cùng 1 số hệ số  cho các giá trị n khác thì chất lượng của hệ thống thay đổi, n càng lớn thì thời gian hàm quá độ lần đầu tiên đạt xác lập càng nhỏ. Hệ số  cĩ tính chất của hệ số suy giảm, khi  càng bé hệ dao động càng mạnh,  < 1,5 hệ trở lên mất ổn định,  nhỏ độ quá điều chỉnh % lớn. Lượng quá điều chỉnh quan hệ với  theo cơng thức kinh nghiệm Lg(%)=4,8 – 2 (3.11) Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 52 Thời gian quá độ đạt cực đại 0 1 0 % 2,2 2,2 a a t   (3.12) Bảng 3.1: Bảng tính sẵn một số giá trị % theo   1,6 1,75 2 2,4 % 40 20 6 1 Người ta thường chọn  > 1,6 3.1.2.3 Xét ảnh hưởng của tử số hàm truyền Giả sử hàm truyền kín của hệ cĩ dạng:   0 1 1 0 1 1 ... '...'' asasa asasa sW n n n n m m m m        (3.13a) Khi m tăng thì % tăng và t giảm, để cĩ chất lượng  % cho trước người ta dùng hệ số hiệu chỉnh như sau: Xét khi tử số hàm truyền cĩ dạng bậc 1   0 1 1 01 ... '' asasa asa sW n n n n      (3.14)   1 0 0 0 0 ' ' ' 5,1 ' 45,1' a a        (3.15) Khi thiết kế ’ được xác định theo mẫu số của (3.14) sau đĩ dùng cơng thức (3.15) để xác định lại  rồi xác định lượng quá điều chỉnh theo cơng thức (3.11) Thời gian quá độ được tính:        00 '4 11 2,2  t (3.16) Khi tử số hàm truyền cĩ dạng bậc 2:   0 1 1 01 2 2 ... ''' asasa asasa sW n n n n      (3.13b) Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 53 Ta cĩ :            00 20 12 1 0 0 2 0 2 03 ' 11 2,2 '' ' 4, ' ' ' 5,1 ' 6,15,1'       t aa a a a (3.17) 3.2. Sơ đồ khối hệ thống Sơ đồ khối tổng quát mạch điện điều khiển nhiệt độ lị nung như hình 3.5. Hình 3.5. Sơ đồ khối tổng quát bộ điều chỉnh nhiệt độ lị Trên sơ đồ khối ta thấy cĩ 2 mạch vịng điều khiển, bộ điều khiển lưu lượng dầu sẽ tính tốn điều khiển lưu lượng dầu theo tín hiệu đặt và tín hiệu phản hồi. Mạch vịng điều khiển lưu lượng giĩ cĩ nhiệm vụ tổng hợp tín hiệu nhiệt độ từ các sensor nhiệt, so sánh và đưa ra tín hiệu điều khiển lưu lượng giĩ với tỷ lệ sao cho nhiệt độ trong lị đạt cao nhất với cùng một lượng dầu. Ngồi hai mạch vịng chính cịn cĩ màn hình để hiển thị giá trị nhiệt độ đặt, nhiệt độ đo, tín hiệu báo động khi nhiệt độ tăng quá hoặc thấp quá giá trị đặt, và điều chỉnh giá trị đặt lưu lượng khi thay đổi năng suất. Lị nung được coi như một khâu cĩ đặc tính cực trị. BĐK LL dầu t0 (-) BĐK ổn định nhiệt BĐK tìm cực trị CH dầu BĐK LL giĩ CH giĩ Sensor nhiệt Lị đốt t0đ Sensor LL Sensor vị trí (-) (-) Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 54 3.3. Mạch vịng ổn định lƣu luợng dầu Hình 3.6a Sơ đồ khối của mạch vịng ổn định lưu lượng dầu như hình 3.6a. Để đưa nhiệt độ lị đến nhiệt độ mong muốn cho từng vùng của lị, ta đặt giá trị lưu lượng dầu ổn định ở giá trị điện áp U1 (được nhập vào qua bàn phím), giá trị này so sánh với tín hiệu phản hồi Uy1k được lấy từ sensor đo lưu lượng dầu qua bộ khuếch đại đưa về, ta nhận được sai lệch y1k y1k = U1 – Uy1k (3.18) Sai lệch này được máy điều chỉnh (MĐC) xử lý điều khiển động cơ chuyển dịch đĩng mở van dầu. Nguyên lý làm việc của mạch được lý giải như sau: + Khi :  1 0 1 T kY .dt > c. (trong đĩ c là ngưỡng tác động của máy điều chỉnh, T1 là khoảng thời gian để lưu lượng dầu đạt tới giá trị mà sai lệch so với giá trị đặt làm cho máy điều chỉnh khơng tác động, c được chọn sao cho sai lệch của lưu lượng dầu trong khoảng cho phép (  1%) khi đĩ máy điều chỉnh tác động điều khiển động cơ quay theo chiều thuận mở van dầu. Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 55 + Khi: -c <  T kY 0 1 dt < c, máy điều chỉnh khơng tác động, động cơ khơng quay, lưu lượng dầu được giữ cố định. + Khi:  T kY 0 1 .dt < -c, máy điều chỉnh ra lệnh đảo chiều động cơ quay theo chiều ngược lại làm giảm lưu lượng dầu. Như vậy bằng cách tính chọn ngưỡng tác động của máy điều chỉnh ta được vùng khơng nhậy, lưu lượng dầu được giữ cố định và khơng dao động. Khi nhiệt độ do một nguyên nhân nào đĩ vượt hoặc giảm quá nhiệt độ đặt (cĩ thể do nhiễu phụ tải tăng hoặc giảm), bộ vi xử lý sẽ cho tín hiệu điều chỉnh giá trị đặt U1 để ổn định nhiệt độ của lị, đồng thời phát tín hiệu báo động để cho người vận hành biết. Do thời gian khơng cho phép ta khơng đi sâu nghiên cứu mạch vịng và mạch điều chỉnh này, mà đi sâu nghiên cứu mạch vịng thứ 2, mạch vịng điếu chỉnh lưu lượng giĩ tìm cực trị kiểu bước. Khi lưu lượng dầu cố định mạch vịng thứ hai cĩ nhiệm vụ tự động điều chỉnh lượng giĩ để nhiệt độ của lị đạt cực đại. 3.4. Thiết kế bộ điều khiển lƣu lƣợng khí theo phƣơng pháp bƣớc 3.4.1. Sơ đồ khối của bộ điều khiển tự động tìm cực trị kiểu bước Với giả định là ở một nhiệt độ đặt nhất định (ứng với năng suất và yêu cầu nhiệt độ từng vùng của lị), mạch vịng ổn định lưu lượng dầu giữ lượng dầu phun vào lị ở một đại lượng cố định, nhiệm vụ của bộ điều khiển tự động tìm cực trị kiểu bước là tự động điều chỉnh lượng khí đưa vào để đốt với lượng dầu trên sao cho nhiệt độ của lị đạt cực đại. Qua phân tích, nghiên cứu ta chọn sơ đồ khối bộ điều chỉnh kiểu bước điều chỉnh lưu lượng khí tự động tìm cực trị như hình 3.6b. Số hĩa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 56 Trong đĩ: Đầu ra của đối tượng điều khiển là tọa độ x