ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP TRẦN QUANG ĐẠT NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỜNG NHIỆT ĐỘ TRONG PHÔI Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 60 52 02 16 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Thái Nguyên, 2014 Công trình được hoàn thành tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Hữu Công. Phản biện 1: PGS.TS. Lại Khắc Lãi Phản biện 2: PGS.TS. Nguyễn Như Hiển Luận văn này được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn Họp tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN Vào hồi 14 h30, ngày 24 tháng 8 năm 2014. Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm học liệu Đại học Thái Nguyên - Thư viện trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp 1 MỞ ĐẦU Tự động hoá góp phần đẩy mạnh sự phát triển của nền kinh tế quốc dân không còn là một khái niệm mới mẻ nữa mà thực sự đã đem lại những bước chuyển biến rõ rệt. Sự cạnh tranh về chất lượng cũng như giá cả của bất cứ sản phẩm nào đều thúc đẩy nhà sản suất coi việc nâng cao chất lượng sản phẩm và năng suất lao động như là một nhiệm vụ quyết định sự sống còn của tổ chức. Muốn làm được điều đó có một cách bền vững nhất là áp dụng điều khiển tự động trong quá trình sản xuất nhằm đáp ứng được những yêu cầu tiêu chuẩn chất lượng của sản phẩm cũng như hạ giá thành của nó. Theo nguyên lý chung, để điều khiển đối tượng ta phải nhận dạng đối tượng trước, lựa chọn bộ điều chỉnh và sau đó tiến hành chỉnh định các thông số của bộ điều chỉnh đó. Với thiết bị gia nhiệt như lò nung, lò ủ được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực công nghiệp, nhưng người ta mới chủ yếu xây dựng các hệ thống điều khiển nhiệt độ lò mà chưa điều chỉnh trực tiếp chất lượng gia nhiệt của vật liệu, nghĩa là chưa lấy nhiệt độ của vật nung làm chỉ tiêu điều khiển trực tiếp. Tuỳ theo yêu cầu công nghệ, các chỉ tiêu khi gia nhiệt có thể là: - Đạt yêu cầu nhiệt độ cho trước - Đạt độ đồng đều nhiệt yêu cầu theo toàn bộ vật nung. - Thời gian nung trong phạm vi cho phép. - Lượng xỉ nung (ôxit kim loại) trong phạm vi cho phép. Trong luận văn này chúng tôi đã xây dựng một hệ thống điều khiển lò nung tĩnh để thực hiện được hai chỉ tiêu đầu tiên đó là đạt nhiệt độ theo yêu cầu và đồng nhiệt đối với phôi kim loại. 2 CHƯƠNG I GIỚI THIỆU BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ TRONG LÒ GIA NHIỆT 1.1. Khái quát chung về điều khiển nhiệt độ 1.1.1. Khái quát chung Gia nhiệt là một vấn đề kỹ thuật được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Ví dụ: trong luyện kim, cán thép, trong công nghiệp chế tạo vật liệu bán dẫn, ủ thủy tinh quang học Thông thường ta chỉ đo nhiệt độ của lò mà chưa quan tâm tới giản đồ nung, chưa biết được nhiệt độ thực của vật nung. Vì vậy, đối tượng chính liên quan đến chất lượng của sản phẩm là nhiệt độ của vật nung thì ta chưa điều khiển được. 1.1.2 Các yêu cầu công nghệ Xét về mặt công nghệ, trong quá trình gia nhiệt, ta cần quan tâm tới 3 đặc trưng cơ bản, đó là: * Nhiệt độ bề mặt phôi nung * Độ đồng đều nhiệt trong quá trình nung * Thời gian nung 1.1.3. Các dạng bài toán nung 1.1.3.1. Bài toán nung nhanh nhất Với dạng bài toán này ta phải điều khiển quá trình nung kim loại đạt yêu cầu nhiệt độ trong thời gian ngắn nhất và sự đồng đều nhiệt độ trong phôi nung trong phạm vi cho phép. 1.1.3.2. Bài toán nung ít ôxi hoá nhất Đây là một yêu cầu công nghệ đặt ra rất thực tế, đặc biệt trong việc nung kim loại. 1.1.3.3. Bài toán nung chính xác nhất Đây là bài toán ta phải điều khiển sao cho nhiệt độ thực của sản phẩm sát với yêu cầu nhất. 3 Với nội dung của đề tài “Nghiên cứu xây dựng mô hình và thiết kế bộ điều khiển trường nhiệt độ trong phôi”. Ta phải nghiên cứu những nội dung sau: + Xây dựng mô hình tính toán sao cho từ nhiệt độ lò biết được nhiệt độ vật. + Thiết kế bộ điều khiển PID (PI), hiệu chỉnh các tham số của bộ điều khiển sao cho thoả mãn yêu cầu đặt ra + Tiến hành thí nghiệm, so sánh lý thuyết và kết quả thực nghiệm. 4 CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC ĐỂ XÁC ĐỊNH TRƯỜNG NHIỆT ĐỘ TRONG PHÔI 2.1. Đặt vấn đề Yêu cầu cần thiết đặt ra trong kỹ thuật là phải điều khiển được nhiệt độ của lò theo yêu cầu nhiệt độ của phôi nung. 2.2. Thành lập phương trình truyền nhiệt 2.3 Điều kiện đầu và điều kiện biên 2.4 Khảo sát sự truyền nhiệt trong quá trình gia nhiệt bằng phương pháp giải tích 2.5 Giới thiệu phương pháp sai phân giải bài toán truyền nhiệt một chiều 2.5.1. Mô hình bài toán 2.5.2. Lưới sai phân và hàm lưới a. Lưới sai phân b. Hàm lưới 2.5.3. Xấp xỉ các đạo hàm 2.6. Mô hình phân bố nhiệt độ 2.6.1. Mô hình tính sự phân bố nhiệt độ trong thỏi. Sự truyền nhiệt ở đây sẽ gồm có hai bước: Bước 1: Bài toán truyền nhiệt bên ngoài, từ nhiệt độ lò ta tính được nhiệt độ bề mặt của vật. Bước 2: Bài toán truyền nhiệt trong thỏi. nghĩa là sự truyền nhiệt từ mặt ngoài vào trong thỏi nung. 2.6.2. Hệ số truyền nhiệt tổng cộng bên ngoài α 1 và α 2 . 2.6.3. Cơ sở toán học lập mô hình tính. Trên cơ sở này, ta có thể lập sơ đồ khối để tính các nhiệt độ T 1  T 7 của tấm kim loại theo nhiệt độ lò 5 CHƯƠNG III THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ CHO QUÁ TRÌNH GIA NHIỆT TRONG PHÔI 3.1 Nhận dạng đối tượng điều khiển 3.1.1. Kết nối Card NIDAQ USB-6008 với máy tính để nhận dạng đối tượng Đầu ra nhiệt độ lò qua cảm biến đo là cặp nhiệt, tín hiệu từ đầu ra cặp nhiệt được khuếch đại điện áp lên đến giá trị 0-10V qua Card NIDAQ USB-6008 đưa vào đầu Analog input và nhiệt độ đặt là 600 0 C được xuất qua khối Analog output. 3.1.2 Xác định tham số mô hình từ đặc tính động học của đối tượng. Các bước tiến hành nhận dạng: Bước 1: Thu thập, khai thác thông tin ban đầu về đối tượng. Bước 2: Lựa chọn phương pháp nhận dạng (phân tích đáp ứng quá độ). Bước 3: Lấy số liệu thực nghiệm cho từng cặp biến vào/ra, xử lý thô. Bước 4: Quyết định về dạng mô hình và giả thiết ban đầu về cấu trúc mô hình. Bước 5: Xác định các tham số mô hình theo phương pháp/thuật toán đã chọn. 3.1.2.1 Nhận dạng tham số mô hình lò điện trở. 6 Hình 3.1 Sơ đồ khối Simulink nhận dạng đối tượng Bước 1: Thu thập, khai thác thông tin ban đầu về đối tượng. 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Hình 3.2. Đặc tính các giá trị lấy mẫu của lò khi chưa loại bỏ nhiễu. Bước 2: Lựa chọn phương pháp nhận dạng (phân tích đáp ứng quá độ). Bước 3: Lấy số liệu thực nghiệm cho từng cặp biến vào/ra, xử lý thô các số liệu nhằm loại bỏ những giá trị đo kém tin cậy. 7 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Hình 3.3. Đặc tính các giá trị lấy mẫu của lò được loại bỏ nhiễu. 8 Hình 3.5. Kết quả quá trình nhận dạng lò nhiệt . Hằng số thời gian T xác định bằng cách kẻ tiếp tuyến với đường tiếp tuyến tại điểm uốn. r r v y ( ) y (0) K 1 x 53; T=640.5        Hình 3.6 Sơ đồ nhiệt độ nhận dạng đối tượng Hàm truyền của đối tượng có mô hình xấp xỉ bậc nhất có trễ: s 53s dk K.e e W (s) Ts 1 640.5s 1        (3.1) [...]... nhiệt độ, đảm bảo công suất lò + Chậm già hoá để tăng tuổi thọ 3.3 Thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ cho lò điện trở 3.3.1 Tổng quan bộ điều khiển PID Phương trình thời gian mô tả bộ điều khiển PID:  1 t de(t)  u(t)  K P e(t)   e(t)dt  TD  0 T1 dt   Hình 3.11: Điều khiển với bộ điều khiển PID (3.3) 11 3.3.2 Thiết kế bộ điều khiển theo tiêu chuẩn phẳng Tiêu chuẩn “phẳng” đòi hỏi đặc tính tần...     Tdi i 1 i 1 3.4 Tính toán các bộ điều khiển PID điều khiển nhiệt độ lò-vật 3.4.1 Sơ đồ điều khiển nhiệt độ hệ thống lò vật hai mạch vòng: Hình 3.13 Sơ đồ điều khiển nhiệt độ hệ thống lò vật hai mạch vòng 3.4.2 Sơ đồ điều khiển vòng trong: Mục đích của vòng điều khiển trong này là điều khiển nhiệt độ lò điện trở Hàm truyền của BBĐ Bộ biến đổi sử dụng bộ biến đổi xoay chiều - xoay chiều 1 pha... 2*k*Tb = 2*20 = 40 Sử dụng bộ điều khiển PID: Wđk (PID)   Tn s  1  sTV Ti s  1   640.54s+1 53s  1 40s Hình 3.15 Sơ đồ mô phỏng  17  848s  1 40s 14 Chạy mô phỏng ta được: Hình 3.16 Đáp ứng của bộ điều khiển Hình 3.17 Sai lệch tĩnh của hệ thống 15 Hình 3.18 Tác động của nhiễu → Bộ điều khiển thiết kế có tác động điều khiển tốt, độ quá điều chỉnh 2% b Thiết kế theo phương pháp tổng hằng... sau: Nhiệt độ của lò điện trở được biến thiên từ nhiệt độ môi trường đến nhiệt độ khoảng 6000C Để đo nhiệt độ ta dùng cặp nhiệt điện có đặc tính E(t) tương đối tuyến tính Hình 4.3: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển hệ thống lò gia nhiệt 21 4.2 Mô tả thiết bị 4.2.1 Cặp nhiệt Để đo nhiệt độ ta sử dụng cặp nhiệt loại K (Type K) Chromel/Alumel dùng phổ biến trong công nghiệp 4.2.2 Bộ khuyếch đại cặp nhiệt. .. sử dụng các phương pháp để thiết kế bộ điều khiển như sau: a Thiết kế theo tiêu chuẩn phẳng: Thiết kế bộ điều khiển theo tiêu chuẩn phẳng Wdt1 (s)  20 (640.54s  1)(53s  1)  s  1 (3.14) Tổng hằng số thời gian bé là: T b = 1 Các hằng số thời gian trội của đối tượng là T1 = 640.54, T2 = 53 Vì đối tượng có hai hằng số thời gian trội cho nên ta chọn cấu trúc của bộ điều khiển là PID Các tham số được... đầu ra của bộ điều khiển PI 19 CHƯƠNG 4 MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ TRONG LÒ ĐIỆN TRỞ Mô hình thí nghiệm sử dụng lò tĩnh được xây dựng tại phòng thí nghiệm TN-211 - Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên, sử dụng Card điều khiển NIDAQ USB-6008 và Toolbox Data Acquistion của Matlab 4.1 Sơ đồ khối hệ thống Hình 4.1 Sơ đồ khối hệ thống thí nghiệm 20 Hình 4.2 Hình ảnh mô hình thí nghiệm... Chạy mô phỏng : 16 Hình 3.19 Kết quả mô phỏng trước và sau khi có bộ điều khiển 17 Hình 3.20 Sai lệch tĩnh của hệ thống Hệ thống khi có nhiễu tác động: Hình 3.21 Kết quả mô phỏng hệ thống khi có nhiễu tác động 18 3.4.3 Sơ đồ điều khiển vòng ngoài Hình 3.22: Xác định hằng số khuyếch đại tới hạn Chạy mô phỏng ta được với hàm bước nhẩy ta được: Kết quả thu được như sau: Hình 3.24 Đáp ứng đầu ra của bộ điều. .. dùng trong luận văn này là Thyristor CT200 do Trung Quốc sản xuất 4.2.3.2 Tính toán bảo vệ van bán dẫn 4.2.3.3 Phương pháp điều khiển Thyristor: 4.2.4 Card NIDAQ USB- 6008 Hình 4.11: Hình ảnh bộ Card NIDAQ USB-6008 23 Sơ đồ chạy thực nghiệm : Hình 4.12 Sơ đồ điều khiển nhiệt độ lò với bộ PI đã tính chọn Hình 4.13 Kết quả ghi lại trên máy tính bằng Matlab-Toolbox 24 KẾT LUẬN – ĐÁNH GIÁ Luận văn đã thực... xác của điều khiển ta có thể quan sát được nhiệt độ các lớp phôi nung từ lúc bắt đầu nung đến lúc kết thúc nung, qua đó muốn điều chỉnh nhiệt độ của phôi nung ta chỉ việc điều chỉnh giá trị đặt nhiệt độ vào lò  Nghiên cứu bài toán điều khiển quá trình gia nhiệt theo mục tiêu nung khác nhau trong lò tĩnh với các hình dạng phôi khác nhau như: Phôi hình trụ, hình xuyến vv vv ... gia nhiệt khác nhau như: Tôi, ram, nhiệt luyện các chi tiết cơ khí, ủ vật liệu sắt từ, v v Đặc biệt đề tài có thể dùng để giải quyết bài toán nung trong các lò nung liên tục phục vụ cho công nghệ cán thép Những kiến nghị nghiên cứu tiếp theo  Xây dựng bộ quan sát trạng thái để lấy tín hiệu phản hồi nhiệt độ các lớp phôi nung mục đích nâng cao độ chính xác của điều khiển ta có thể quan sát được nhiệt