nghiên cứu ứng dụng hệ điều khiển dự báo để điều khiển nhiệt độ lò nung cán thép liên tục

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên h tt p : // ww w . l r c - t nu . e du . v n ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG HỆ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO ĐỂ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ NUNG CÁN THÉP LIÊN TỤC ĐỖ THỊ H ƢƠ NG THÁI NGUYÊN 2009 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên h tt p : // ww w . l r c - t nu . e du . v n ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG HỆ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO ĐỂ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ NUNG CÁN THÉP LIÊN TỤC Học viên: Đỗ Thị Hương Người HD Khoa Học: PGS.TS Lại Khắc Lãi THÁI NGUYÊN 2009 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên h tt p : // ww w . l r c - t nu . e du . v n ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP *** CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc o0o ĐỀ TÀI: THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG HỆ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO ĐỂ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ NUNG CÁN THÉP LIÊN TỤC Học viên: Đỗ Thị Hương Lớp: CHK10 Chuyên ngành: Tự động hoá Ng ƣ ời HD Khoa học: PGS.TS Lại Khắc Lãi Ngày giao đề tài: 05/02/2009 Ngày hoàn thành: 30/07/2009 KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN PGS.TS Lại Khắc Lãi HỌC VIÊN Đỗ Thị H ƣơ ng LuËn v¶n t h ¹ c s Ü 6 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1-1: Hê thông điêu khiên qua trinh Hình 1-2: Quá trình và phân loại biến quá trình Hình 1-3: Bình chứa chất lỏng và các biến quá trình Hình 1.4: Ví dụ thiết bị khuấy trộn đơn giản Hình 1.5. Phân cấp chức năng điều khiển quá trình Hình 1.6: Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình Hình 2.1. Sơ đồ cung cấp khí nén vào lò Hình 1.7: Các thành phần trong hệ thống điều khiển nhiệt độ Hình 1.8. Các nhiệm vụ phát triển hệ thống Hình 1. 9: Diễn dải ý nghĩa nhãn thiết bị và ký hiệu chức năng Hình 1.10: Lưu đồ P&ID cho điều khiển mức bình chứa Hình 1.11: Lưu đồ P&ID cho hệ thống trao đổi nhiệt Hình 1.12: (a) Sơ đồ khối hệ thống điều khiển dự báo (b) Chiến lược điều khiển dự báo Hình 1.13. Thuật toán Hình 1.14. Cấu trúc cơ bản của MPC Hình 1.15: Mô hình tổng quát bộ điều khiển dự báo Hình 1.16: Chiến lược điều khiển RHC Hình 1.17: Mô hình vào ra (IO) Hình 1.19: Mô hình đa thức Hình 1.18: Mô hình IO sử dụng biến trạng thái Hình 1.20.a Hình 1.20.b Hình 1.21: Bộ ước lượng không lệch trong mô hình có nhiễu Hình 1.22. Điều khiển nhiệt độ của bình Hình 1.23. Mô hình dự báo Smith dựa trên cấu trúc bộ điều khiển Hình 1.24. Phạm vi dự báo Hình 2.2. Sơ đồ cấp dầu FO vào lò LuËn v¶n t h ¹ c s Ü 7 Hình 2.3. Cấu tạo thiết bị trao đổi nhiệt Hình 3.1. Sơ đồ khối điều khiển nhiệt độ lò nung cán thép Hình 3.2. Sơ đồ điều khiển nhiệt độ Hình 3.3. Sơ đồ cấu trúc hệ thống khi chưa có tín hiệu Hình 3.4. Sơ đồ mô phỏng điều khiển nhiệt độ lò nung cán thép liên tục dùng bộ điều khiển dự báo Hình 3.5. Dữ liệu đầu vào và đầu ra của đối tượng khi nhận dạng Hình 3.6. Dữ liệu huấn luyện vào / ra của đối tượng, dữ liệu huấn luyện đầu ra của mạng và sai số Hình 3.7. Tập dữ liệu kiểm tra Hình 3.8. Tập dữ liệu chấp nhận Hình 3.9. Tín hiệu ra của hệ thống khi chưa có nhiễu và điện áp đặt đầu vào là 2v Hình 3.10. Tín hiệu ra của hệ thống khi chưa có nhiễu và điện áp đặt đầu vào là 4v Hình 3.11. Tín hiệu ra của hệ thống khi có 1 nhiễu đầu vào và điện áp đặt đầu vào là 2v Hình 3.12. Tín hiệu ra của hệ thống khi có 1 nhiễu đầu vào và điện áp đặt đầu vào là 4v LuËn v¶n t h ¹ c s Ü 4 −1 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT I. Danh mục các ký hiệu - e(k) là nhiễu trắng có trung bình bằng zero - F i là lưu lượng vào - F o là lưu lượng ra - G o (q): mô hình hệ thống. - h là mức chất lỏng - H p là tầm dự báo - H c là tầm điều khiển - r(k) là tín hiệu tham chiếu của mô hình tại thời điểm k và chính là trạng thái ngõ ra mong muốn của đối tượng điều khiển - x ss là trạng thái xác lập của hệ thống - x (k) là trạng thái của hệ thống - P ( q ) = 1 + p 1 q + + p np q − np là một đa thức với các cực vòng kín mong muốn. - q: toán tử dịch chuyển, q -1 y(k) = y(k-1) - y(k) là tín hiệu ngõ ra của hệ thống thực - y M (k) là ngõ ra của mô hình - u(k) là tín hiệu điều khiển đối tượng tại thời điểm k - x ˆ là trạng thái dự báo - u ˆ , y ˆ là tín hiệu điều khiển dự báo và ngõ ra dự báo tương lai tương ứng của hệ thống dựa trên cơ sở mô hình. - ω ( k ) là các thông tin biết trước về hệ thống trong đó bao gồm phân bố nhiễu - v(k) là các tín hiệu ngõ vào hệ thống - J ( ν , k ) Hàm mục tiêu - z ˆ ( k ) : vector các tín hiệu có thể xác định trong hệ thống - Γ ( j ) : ma trận lựa chọn chéo (diagonal selection matrix) với các giá tri zero và 1 LuËn v¶n t h ¹ c s Ü 5 trên đường chéo. - λ là trọng số trên tín hiệu điều khiển - F o (q): mô hình phân bố nhiễu (disturbance). - H o (q): mô hình nhiễu (noise). - u(k): tín hiệu vào. - d o (k): tín hiệu phân bố nhiễu đã biết. II. Danh mục các chữ viết tắt 1. DCS: hệ thống điều khiển phân tán 2. PCS: ( Process Control System) 3. Model Prediction Control (MPC) 4. Thuật toán MPC (MPC stragegy) 5. Receding horizon control (RHC) 6. Input Output Models (IOM) 7. Direct Input Output models (IO) 8. Increment Input Output models (IIO) 9. Dynamical Matrix Control (DMC) 10. Generalized Predictive Control (GPC) 11. Neural Network (NN) 12. Điều khiển dự báo (ĐKDB) 13. Tagaki-Sugeno (TS) 14. Quadratic Programing (QP) 15. Long-Range Predictive Control (LRPC) 16. Linear programming (LP) 17. Branch and Bound (BB) 18. MIMO 19. SISO 20. Universal Dynamic Approximator_UDA LuËn v¶n t h ¹ c s Ü LỜI NÓI ĐẦU Điều khiển dự báo đã ra đời cách đây vài thập niên nhưng trong những năm gần đây phát triển mạnh mẽ và có nhiều thành công trong công nghiệp. Điều khiển dự báo theo mô hình (Model Predictive Control MPC) là một trong những kỹ thuật điều khiển tiên tiến được nhiều người ưa chuộng nhất trong công nghiệp, có được điều này là do khả năng triển khai các điều kiện ràng buộc vào thuật toán điều khiển một cách dễ dàng mà ở các phương pháp điều khiển kinh điển khác không có được. Điều khiển dự báo là chiến lược điều khiển được sử dụng phổ biến nhất trong điều khiển quá trình vì công thức MPC bao gồm cả điều khiển tối ưu, điều khiển các quá trình ngẫu nhiên, điều khiển các quá trình có thời gian trễ, điều khiển khi biết trước quỹ đạo đặt. Một ưu điểm khác của MPC là có thể điều khiển các quá trình có tín hiệu điều khiển bị chặn, có các điều kiện ràng buộc, nói chung là các quá trình phi tuyến mà ta thường gặp trong công nghiệp, đặc biệt là quá trình phi tuyến phức tạp. Việc nghiên cứu và ứng dụng điều khiển dự báo trong công nghiệp luyện kim là một giải pháp quan trọng, có ý nghĩa thực tiễn, kỹ thuật và kinh tế. Cùng với sự phát triển của các lĩnh vực khoa học kỹ thuật như điện tử, công nghệ tin học, công nghệ vật liệu cho phép tạo ra các thiết bị điều khiển có độ chính xác cao, đáp ứng được các luật điều khiển yêu cầu. Tuy nhiên ngoài thiết bị điều khiển thì luật điều khiển là một phần rất quan trọng để hệ thống đáp ứng các chỉ tiêu chất lượng đề ra. Vì thế việc nghiên cứu và ứng dụng lý thuyết điều khiển thông minh vào thực tế với mục đích giải phóng sức lao động, tăng năng suất và hạ giá thành sản phẩm là việc làm cần thiết của mỗi quốc gia trên thế giới. Một trong những lý thuyết mà các nhà khoa học trên thế giới đang quan tâm nghiên cứu và ứng dụng vào trong thực tế đó là mạng nơron. Đây là vấn đề khoa học đã có từ vài thập niên nhưng việc ứng dụng nó vào các ngành khoa học khác nhau vẫn đang là lĩnh vực khoa học cần quan tâm và nghiên cứu trên thế giới cũng như ở nước ta. Với những ý nghĩa trên đây và được sự định hướng của thầy giáo PGS.TS Lại Khắc Lãi em đã lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng hệ điều khiển dự báo để [...]... và đang xây dựng nhiều nhà máy cán thép dây truyền công nghệ hiện đại.Tuy nhiên các bộ điều khiển nhiệt độ trong các lò nung cán liên tục vẫn sử dụng các bộ điều khiển kinh điển nên chưa kể hết được các yếu tố tác động từ bên ngoài Xuất phát từ thực tiễn đó, việc áp dụng bộ điều khiển dự báo để điều khiển nhiệt độ lò nung liên tục sẽ tiết kiệm được nhiên liệu, nâng cao chất lượng điều khiển từ đó... trong điều khiển dự báo 48 1.2.3 Giải bài toán điều khiển dự báo 72 1.2.4 Kết luận 78 Chương 2 Tìm hiểu công nghệ nung phôi trong dây truyền cán 82 thép liên tục 2.1 Giới thiệu chung về nhà máy cán thép Lưu Xá 82 2 2 Công nghệ lò nung cán thép liên tục 83 2.2.1 Sơ lược về lò nung 83 2.2.2 Cấu tạo của lò nung 88 2.2.3 Thiết bị của lò nung 90 2.2.4 Nguyên lý hoạt động của lò nung 97 2.2.5 Hệ thống cung... nghiên cứu + Nghiên cứu lý thuyết để đưa ra các thuật toán điều khiển + Mô hình hoá và mô phỏng để kiệm nghiệm kết quả nghiên cứu 4 Cấu trúc của luận văn Ngoài phần mở đầu và phần kết luận, luận văn gồm 3 chương: Chương 1: Tổng quan lý thuyết điều khiển quá trình và điều khiển dự báo Chương 2: Tìm hiểu công nghệ nung phôi trong dây chuyền cán thép liên tục Chương 3: Xây dựng hệ điều khiển dự báo để. .. điều khiển dự báo 10 1.1 Điều khiển quá trình 10 1.1.1 Khái niệm điều khiển quá trình 11 1.1.2 Mục đích và chức năng điều khiển quá trình 16 1.1.3 Phân cấp chức năng điều khiển quá trình 21 1.1.4 Các thành phần cơ bản của hệ thống 25 1.1.5 Các nhiệm vụ phát triển hệ thống 28 1.1.6 Mô tả chức năng hệ thống 32 1.2 Điều khiển dự báo 36 1.2.1 Tổng quan về điều khiển dự báo 38 1.2.2 Mô hình trong điều khiển. .. đo lường điều khiển 98 Chương 3 Xây dựng hệ điều khiển dự báo điều khiển nhiệt độ lò nung 104 3.1 Hệ thống điều khiển nhiệt độ cho lò nung 104 3.1.1 Hàm truyền đạt của thiết bị đo nhiệt độ 105 3.1.2 Hàm truyền đạt của bộ chuyển đổi điện áp / dòng điện 106 3.1.3 Hàm truyền đạt của bộ chuyển đổi dòng điện / khí nén 106 3.1.4 Hàm truyền đạt của van dầu 106 3.1.5 Hàm truyền đạt của đối tượng điều chỉnh... 3.1.5 Hàm truyền đạt của đối tượng điều chỉnh 107 3.2 Xây dựng hệ thống điều khiển dự báo để điều khiển nhiệt độ lò 108 nung cán thép liên tục 3.3 Mạng nơ ron trong bài toán nhận dạng 108 3.4 Kết quả mô phỏng 109 3.5 Kết luận 115 Tóm tắt luận văn 116 Tài liệu tham khảo 117 LuËn v¶n th¹c sÜ 8 MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết của đề tài Điều khiển dự báo đã ra đời cách đây vài thập niên nhưng trong những năm... chuyên ngành Tự động hóa tại trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên, được sự tạo điều kiện giúp đỡ của nhà trường, Khoa Sau Đại học và Phó Giáo Sư - Tiến sĩ Lại Khắc Lãi, tác giả đã lựa chọn đề tài tốt nghiệp của mình là Nghiên cứu ứng dụng hệ điều khiển dự báo để điều khiển nhiệt độ lò nung cán thép liên tục 2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: Đề tài có ý nghĩa quan trọng cả về khoa... khởi động hoặc dừng một nhóm thiết bị hoặc dừng cả hệ thống cũng như trong các bài toán điều khiển theo mẻ là các ứng dụng tiêu biểu khác của điều khiển trình tự 1.1.3.3 Điều khiển vận hành và giám sát Một hệ thống điều khiển hiện đại không chỉ dừng lại ở mức độ điều khiển tự động mà còn phải chứa các thành phần vận hành và giám sát Ví dụ người vận hành phải có khả năng khởi động hệ thống, dừng hệ thống,... năng điều khiển, là thành phần cốt lõi của một hệ thống điều khiển công nghiệp Mặc dù các thuật ngữ „thiết bị điều khiển và „bộ điều khiển trong thực tế được sử dụng với ý nghĩa tương đồng, ở đây ta cũng cần làm rõ sự khác biệt nhỏ Tuỳ theo ngữ cảnh, một bộ điều khiển có thể được hiểu là một thiết bị điều khiển đơn lẻ (ví dụ bộ điều khiển nhiệt độ) , một khối phần mềm cài đặt trong thiết bị điều khiển. .. vì thế khái niệm điều khiển lôgic cũng hay được sử dụng (ví dụ điều khiển hai trạng thái, điều khiển mờ), vì thế ta không nên coi điều khiển logic là một bài toán điều khiển, mà là một dạng thuật toán điều khiển Điều khiển trình tự được định nghĩa là một lớp chức năng điều khiển quá trình công nghiệp với mục đích đưa quá trình kỹ thuật qua một trình tự các trạng thái riêng biệt Điều khiển trình tự có . thuyết điều khiển quá trình và điều khiển dự báo Chương 2: Tìm hiểu công nghệ nung phôi trong dây chuyền cán thép liên tục . Chương 3: Xây dựng hệ điều khiển dự báo để điều khiển nhiệt độ lò nung. CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG HỆ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO ĐỂ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ NUNG CÁN THÉP LIÊN TỤC Học viên: Đỗ Thị Hương Người HD Khoa Học: PGS.TS. NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc o0o ĐỀ TÀI: THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG HỆ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO ĐỂ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ NUNG CÁN THÉP LIÊN TỤC Học viên: