thiết kế bộ điều khiển phi tuyến bền vững, tối ưu bền vững cho hệ thống cán thép tấm

-1- Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH : TỰ ĐỘNG HÓA THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN BỀN VỮNG, TỐI ƢU BỀN VỮNG CHO HỆ THỐNG CÁN THÉP TẤM BAN GIÁM HIỆU KHOA SAU ĐẠI HỌC NGƢỜI HD KHOA HỌC T.S BÙI CHÍNH MINH HỌC VIÊN VŨ HOÀI THU Thái Nguyên, 2010 -2- Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu và tổng hợp các tài liệu của riêng tôi, các số liệu, kết quả nêu trong luận văn này là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Học viên Vũ Hoài Thu -3- Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CẢM ƠN Nước ta đang phấn đấu đến năm 2020 cơ bản trở thành một nước công nghiệp có trình độ phát triển khá. Chiến lược trong những năm tới là phải đưa đất nước phát triển nhanh và bền vững, xây dựng nền kinh tế tự chủ, chủ động hội nhập có hiệu quả với kinh tế quốc tế và tiếp tục đổi mới sâu rộng hơn nữa. Ngành thép là một ngành công nghiệp then chốt trong nền kinh tế quốc dân, là đầu vào cho rất nhiều các ngành công nghiệp khác. Thép được đánh giá là vật tư chiến lược và có vai trò hết sức quan trọng trong sự nghiệp CNH-HĐH đất nước. Sản phẩm thép rất đa dạng trong đó phải kể đến thép tấm (lá) là một trong những dạng sản phẩm cán kinh tế nhất. Từ thép tấm và thép băng người ta sản xuất thép ống, thép hình uốn, các loại kết cấu hàn và các sản phẩm dập rất đa dạng. Ở nước ta, trong định hướng phát triển của nghành luyện kim đã dự kiến tổng nhu cầu thép vào năm 2010 là 6.400.000 tấn, trong đó có 3.500.000 tấn thép lá và 2.900.000 tấn thép hình và dây. Như vậy khối lượng thép tấm, lá chiếm gần 55% tổng sản phẩm thép cán. Hiện tại ở nước ta chỉ có duy nhất nhà máy cán thép tấm là công ty TNHH một thành viên Thép Cái Lân đang hoạt động. Hệ thống cán thép tấm được nghiên cứu và sử dụng rộng rãi tại các cơ sở nghiên cứu và thực nghiệm nhưng hầu hết các công trình này đều không xét đến ảnh hưởng phi tuyến của hệ thống thủy lực do vậy các mô hình này tương đối đơn giản và phạm vi ứng dụng hẹp. Một vấn đề quan trọng trong điều khiển quá trình cán là cần cải thiện thời kỳ quá độ. Xuất phát từ lý do trên, tác giả đã lựa chọn đề tài “ Thiết kế bộ điều khiển phi tuyến bền vững, tối ưu bền vững cho hệ thống cán thép tấm”. Do mộ t phầ n khố i kiế n thứ c dù ng để nghiên cứ u , giải quyết những vấn đề lớ n trong đề tà i thuộ c lĩ nh vự c Công nghệ cán thép tấm , tác giả phải tự học trong mộ t thờ i gian ngắ n, tài liệu tham khảo để phục vụ cho luận văn gặp nhiều khó khăn , thời gian nghiên cứu luận văn và khả năng tự nghiên cứ u củ a tá c giả cò n hạ n chế , nên không thể tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong sự quan tâm, góp ý của các Thầy, Cô và đồng nghiệp để tá c giả lnh hội bổ sung cho chương trình nghiên cứu , nâng cao trình độ củ a bả n thân ngà y mộ t tố t hơn. -4- Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Để luận văn hoàn thành đúng thời hạn, cùng với sự nỗ lực của bản thân, tác giả đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ; trước tiên tác giả xin chân thành cảm ơn T.S Bùi Chính Minh, người thầy hướng dẫn khoa học chính giúp tác giả hoàn thành luận văn này. Ngoài ra, tác giả cũng xin chân thành cảm ơn Khoa Luyện kim và Công nghệ vật liệu- Đại học Bách Khoa Hà Nội cùng các bạn bè, đồng nghiệp đã giúp đỡ, chia sẻ kinh nghiệm giúp tác giả hoàn thành luận văn này ./. Thái Nguyên, tháng 9 năm 2010 Học viên Vũ Hoài Thu -5- Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỤC LỤC Trang phụ bìa Trang 1 Lời cam đoan 2 Lời cảm ơn 3 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH VẼ LỜI NÓI ĐẦU Phần I. MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài 2. Ý ngha khoa học và ý ngha thực tiễn của đề tài 3. Mục đích nghiên cứu 4. Đối tượng nghiên cứu 5. Phương pháp nghiên cứu 6. Cấu trúc của luận văn Phần II. NỘI DUNG Chương 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CÁN THÉP TẤM 1.1. Phôi cho sản xuất thép tấm và thép băng cán nóng 1.2. Đặc điểm, thành phần và cách bố trí thiết bị ở các nhà máy cán tấm 1.3. Kỹ thuật cán thép ở các nhà máy cán tấm 1.3.1. Cán phôi slab trong giá trục đứng 1.3.2. Cán trong giá thô 1.3.3. Cán trong giá cán tinh 1.4. Đặc điểm biến dạng của thép khi cán ở các nhà máy cán tấm 1.5. Các thông số năng lượng của quá trình cán tấm 1.6. Tính toán chế độ ép cho máy cán tấm 1.6.1. Điều kiện ăn thép 1.6.2. Độ bền của trục cán 1.6.3. Công suất của động cơ truyền động -6- Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1.6.4. Nhiệt độ kim loại 1.7. Nhiệt luyện và tinh chỉnh thép tấm 1.8. Kết luận chương 1 Chương 2. Điều khiển hệ thống cán thép tấm bằng các bộ điều khiển cơ bản 2.1. Bộ điều khiển tuyến tính PI 2.1.1. Mô hình toán học 2.1.2. Cấu trúc bộ điều khiển 2.1.3. Kết quả 2.2. Bộ điều khiển đa biến 2.2.1. Mô hình toán học 2.2.1.1. Hệ thống thủy lực 2.2.1.2. Giá cán 2.2.2. Thiết kế bộ điều khiển 2.2.2.1. Tuyến tính hóa phản hồi 2.2.2.2. Thiết kế không gian riêng 2.2.2.3. Cấu trúc bộ điều khiển 2.2.3. Kết quả 2.3. Bộ điều khiển H  2.3.1. Ký hiệu 2.3.2. Phương pháp tiêu chuẩn cho bài toán thiết kế H  2.3.3. Thiết kế bộ điều khiển 2.3.3.1. Mẫu máy cán 2.3.3.2. Quá trình thiết kế 2.3.4. Kết quả 2.4. Kết luận chương 2 Chương 3. Thiết kế bộ điều khiển phi tuyến bền vững, tối ưu cho hệ thống cán thép tấm 3. 1. Mô hình toán học của hệ thống cán 3.1.1 Hệ thống thuỷ lực -7- Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3.1.2. Lực F 3.2. Một số công cụ toán học sử dụng trong quá trình thiết kế 3.2.1. Tính ổn định 3.2.1.1. Ổn định Luapunov 3.2.1.2. Ổn định đầu vào- trạng thái 3.2.1.3. Phương pháp lặp lùi dần 3. 3. Thiết kế các bộ điều khiển 3.3.1. Thiết kế bộ điều khiển phi tuyến bền vững 3.3.1.1. Phương pháp thiết kế chung 3.3.1.2. Thiết kế bộ điều khiển bền vững cho hệ thống cán thép tấm 3.3.2. Thiết kế bộ điều khiển phi tuyến tối ưu gián tiếp 3.3.2.1. Phương pháp thiết kế chung 3.3.2.2. Thiết kế bộ điều khiển tối ưu gián tiếp cho hệ thống cán thép tấm 3.4. Mô phỏng 3.4.1. Mô phỏng bộ điều khiển bền vững cho hệ thống cán thép tấm 3.4.2. Mô phỏng bộ điều khiển tối ưu bền vững cho hệ thống cán thép tấm 3.4.3. Kết quả 3.5. Kết luận chương 3 Phần III. KẾT LUẬN CHUNG TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC Phụ lục A Phụ lục B Phụ lục C Phụ lục D -8- Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT CN: Cán ngang ISS: Ổn định đầu vào- trạng thái CLF: Hàm ổn định Luapunov HJI: Hamilton- Jacobi- Isaacs HJB: Hamilton- Jacobi- Belman DANH MỤC HÌNH VẼ Hình vẽ Tên hình vẽ Trang 1.1 Sơ đồ bố trí thiết bị của máy cán tấm 1 giá đảo chiều kvarto 4300 1.2 Sơ đồ bố trí thiết bị của máy cán tấm 2 giá 2800 1.3 Đặc điểm quá trình cán trong các giá trục 1.4. Sơ đồ biến dạng của phôi slab trong giá cán trục đứng 1.5 Các sơ đồ cán tấm từ Slab 1.6 Sơ đồ cán góc 1.7 Sự phân bố và kích thước ô rãnh trên bề mặt trục cán 1.8 Trục cán có ô gờ 1.9 Sơ đồ bố trí hệ thống đánh gỉ thủy lực 1.10 Sơ biến dạng của đầu trước phôi thép khi cán trong trục đứng 1.11 Sơ đồ cán trong giá trục đứng và trục ngang 1.12 Sơ đồ nắn phẳng thép tấm với hai giàn con lăn bố trí song song 2.1 Mô hình hệ thống cán tấm 2.2 Cấu trúc của hệ thống cán với bộ điều khiển PI 2.3 Phản hồi trạng thái vòng kín của hệ điều khiển PI 2.4 Quá trình cán nhìn từ hướng vuông góc với hướng chuyển động của phôi -9- Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2.5 Máy cán nhìn từ góc song song với chuyển động của phôi 2.6 Sơ đồ khối cho hệ thống cán 2.7 Cấu trúc của hệ thống cán với bộ điều khiển đa biến 2.8 Phản hồi với thay đổi đầu vào tại một cạnh 2.9 Sơ đồ khối hệ thống 2.10 Giá cán 4 tầng 2.11 Mô hình máy cán nguội một giá 2.12 Máy cán nguội biểu diễn trên biểu đồ khối tiêu chuẩn 2.13 Đáp tuyến tần số của máy cán và nhiễu 2.14 Đáp tuyến tần số của bộ điều khiển vòng trong K i 2.15 Đáp tuyến tần số chức năng vòng của vòng trong L i 2.16 Độ nhạy vòng trong S i 2.17 Các đáp tuyến tần số 3.1 Sơ đồ hệ thống cán 3.2 Sơ đồ khối của hệ thống cán 3.3 Hệ tương đương 3.4 Phân bổ áp suất 3.5 Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển bền vững cho hệ thống cán tấm 3.6 Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển tối ưu bền vững cho hệ thống cán tấm 3.7 Mô phỏng các tín hiệu của hệ cán với bộ điều khiển phi tuyến bền vững 3.8 Mô phỏng các tín hiệu của hệ cán với bộ điều khiển phi tuyến tối ưu bền vững -10- Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Phần I- MỞ ĐẦU 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Công nghệ cán thép tấm còn khá mới mẻ ở Việt Nam. Sản phẩm thép tấm đều đƣợc nhập khẩu 100%. Trên thế giới, hệ thống cán thép tấm đƣợc nghiên cứu và sử dụng rộng rãi từ rất lâu nhƣng đều đƣợc đơn giản hóa, hệ là hệ tuyến tính một đầu vào - một đầu ra hoặc hai đầu vào- hai đầu ra. Tuy nhiên, các phƣơng pháp trên có nhƣợc điểm là: vùng ổn định của hệ thống bị thu nhỏ, có sai số do lệch tâm của các trục cán, khe hở của dầu bôi trơn dẫn đến làm giảm chất lƣợng của sản phẩm. Do đó các phƣơng pháp trên không đƣợc ứng dụng khi hệ điều khiển yêu cầu độ chính xác cao, độ ổn định lớn. Vì vậy, thiết kế bộ điều khiển phi tuyến bền vững, tối ƣu và thích nghi bền vững để ổn định hệ thống cán thép tấm là vấn đề cần thiết, cải thiện chất lƣợng sản phẩm thép tấm trong thời kỳ quá độ. Việc thiết kế này sẽ đem lại lợi ích kinh tế to lớn, góp phần cải thiện chất lƣợng thép tấm và mở rộng phạm vi ứng dụng 7lý thuyết điều khiển vào thực tế. 2. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 2.1. Ý nghĩa khoa học Công nghệ cán thép tấm đƣợc điều khiển bằng nhiều phƣơng pháp khác nhau. Tuy nhiên phƣơng pháp điều khiển phi tuyến sẽ khắc phục đƣợc các hạn chế của các phƣơng pháp truyền thống. Bộ điều khiển này xét đến các phần tử phi tuyến của hệ thống thủy lực, hệ thống giá cán, trục cán và nhiễu. 2 2. Ý nghĩa thực tiễn - Công nghệ cán thép tấm còn khá mới mẻ ở nƣớc ta, sản phẩm chủ yếu nhập khẩu với giá thành cao. Kết quả của đề tài sẽ tạo cơ sở khoa học để ứng dụng cho hệ thống cán thép tấm chất lƣợng cao sẽ có ở Việt Nam với hệ thống điều khiển có phạm vi sử dụng rộng hơn, ổn định hơn và mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn. - Đề tài hoàn thành sẽ là tài liệu quan trọng giúp cán bộ khoa học kỹ thuật thiết kế và hoàn thiện hơn hệ thống điều khiển trục cán thép tấm và mở ra những ứng dụng thiết thực khác [...]... nghệ cán thép tấm có chất lƣợng cao bằng bộ điều khiển phi tuyến - Tạo cơ sở khoa học để các cán bộ khoa học thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống trục cán thép tấm và những đối tƣợng tƣơng đƣơng khác 4 ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU - Lý thuyết điều khiển phi tuyến - Các hệ thống cán thép tấm - Thiết kế điều khiển cho hệ thống cán thép tấm bằng bộ điều khiển phi tuyến - Mô phỏng hệ thống trục cán thép tấm với bộ. .. biến, bộ điều khiển H…từ đó phân tích những tồn tại của các bộ điều khiển đó và chỉ ra tính cấp bách của đề tài Chƣơng 3: Thiết kế bộ điều khiển phi tuyến bền vững, tối ƣu cho hệ thống cán thép tấm Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -12Chƣơng này phát triển mô hình toán học và thiết kế hai bộ điều khiển phi tuyến bền vững và tối ƣu bền vững cho hệ thống cán thép. .. công nghệ cán thép tấm Chƣơng này giới thiệu tổng quan về công nghệ cán thép tấm nhƣ: đặc điểm của phôi cán, các thiết bị của nhà máy cán tấm, kỹ thuật cán và các thông số năng lƣợng của quá trình cán Chƣơng 2: Điều khiển hệ thống cán thép tấm bằng các bộ điều khiển cơ bản Chƣơng 2 giới thiệu một số bộ điều khiển cơ bản đã đƣợc ứng dụng cho hệ thống cán thép tấm nhƣ: bộ điều khiển tuyến tính, bộ đa... tấm hiện nay đều đƣợc trang bị các hệ thống tự động điều khiển, cho phép cán sản phẩm có độ chính xác và độ phẳng cao Nhiều nhà máy cán tấm đƣợc tự động hóa hoàn toàn từ khâu nung phôi cho đến khi ra thép thành phẩm 1.3 KỸ THUẬT CÁN THÉP Ở CÁC NHÀ MÁY CÁN TẤM Hình 1.3 trình bày sơ đồ quá trình công nghệ sản xuất thép tấm từ các mác thép cacbon (a), thép không gỉ (b)và thép hợp kim (c) Sau khi kiểm tra... đứng để cán bằng cạnh biên và căn chiều rộng Tiếp theo giá cán thô, thép đƣợc cán trong giá cán tinh cho đến khi đạt độ dày cần thiết sau (59) lần cán Ở các máy cán tấm hai giá, ngƣời ta thƣờng cán đồng thời 2 phôi- một ở giá cán thô và một ở giá cán tinh Để đảm bảo sự đồng bộ trong quá trình làm việc, chu trình cán ở giá cán thô và giá cán tinh phải xấp xỉ bằng nhau Đặc điểm của quá trình cán trong... tật này, ngƣời ta áp dụng một lần cán với khe cán không đổi hoặc lớn hơn một chút so với khe cán trong lần cán cuối cùng Nhiệt độ của thép khi vào giá cán tinh không đƣợc thấp hơn (950 1000)0C và nhiệt độ kết thúc cán không thấp hơn 7200C để tránh cho thép bị hóa bền đáng kể Để tẩy gỉ tạo ra trong quá trình cán trên bề mặt thép (gỉ cán) , giá cán tinh đƣợc trang bị hệ thống đánh gỉ thủy lực (hình 1.8)... dạng Chế tạo các dạng ống và thép hình nhẹ từ thép tấm và thép băng (có độ dày nhỏ hơn so với sản phẩm ống và thép hình cán) cho phép tiết kiệm đƣợc 10 - 15% kim loại Ở một số nƣớc công nghiệp phát triển, tỷ trọng thép tấm và thép băng trong tổng khối lƣợng sản phẩm cán chiếm tới 50 - 70% Cùng với sự gia tăng nhu cầu về thép băng và thép tấm nói chung, khối lƣợng sản phẩm thép lá cũng không ngừng tăng... ƣu bền vững cho hệ thống cán thép tấm, cải thiện thời kỳ quá độ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -13Phần II- NỘI DUNG CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CÁN THÉP TẤM Thép tấm hay còn gọi là thép lá là một trong những dạng sản phẩm cán kinh tế nhất Từ thép tấm và thép băng ngƣời ta sản xuất thép ống, thép hình uốn, các loại kết cấu hàn và các sản phẩm dập rất... 1150- 1250C, khi đạt nhiệt độ cần thiết, từng phôi cán đƣợc đƣa đến máy cán theo đƣờng băng lăn Phụ thuộc vào thành phần thiết bị của máy, ngƣời ta cán phôi thành tấm trong một hay vài giá cán Vì các giá cán làm việc đảo chiều nên số lần cán bao giờ cũng là số lẻ, ở các giá cán một giá số lần cán thô và cán tinh đều tiến hành trong một giá Ở các máy cán hai giá, quá trình cán đƣợc tiến hành theo thứ tự... giá cán khác (ít trục hơn), các giá cá kavarto có độ cứng cao hơn, do đó đảm bảo đƣợc độ chính xác của chiều dày thép thành phẩm Để cán thép tấm có mặt biên đƣợc gia công, ngƣời ta sử dụng các giá cán kvarto vạn năng Các giá này thƣờng đƣợc dùng làm các giá cán tinh ở các nhà máy cán tấm, băng dày và hẹp Tuy nhiên hiệu suất sử dụng các giá cán vạn năng ở các máy cán tấm dày không cao, bởi vì khi cán tấm . điều khiển phi tuyến - Các hệ thống cán thép tấm - Thiết kế điều khiển cho hệ thống cán thép tấm bằng bộ điều khiển phi tuyến. - Mô phỏng hệ thống trục cán thép tấm với bộ điều khiển phi. Thiết kế bộ điều khiển phi tuyến bền vững 3.3.1.1. Phương pháp thiết kế chung 3.3.1.2. Thiết kế bộ điều khiển bền vững cho hệ thống cán thép tấm 3.3.2. Thiết kế bộ điều khiển phi tuyến tối. khiển tối ưu bền vững cho hệ thống cán tấm 3.7 Mô phỏng các tín hiệu của hệ cán với bộ điều khiển phi tuyến bền vững 3.8 Mô phỏng các tín hiệu của hệ cán với bộ điều khiển phi tuyến tối