nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển hệ thống cán thép tấm bằng bộ điều khiển thích nghi bền vững

 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 NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG CÁN THÉP TẤM BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI BỀN VỮNG BAN GIÁM HIỆU KHOA SAU ĐẠI HỌC NGƢỜI HD KHOA HỌC T.S BÙI CHÍNH MINH HỌC VIÊN HỒ THỊ NGỌC HUYỀN 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 Hồ Thị Ngọc Huyền  3  Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CẢM ƠN 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 đƣợc đánh giá là vật tƣ chiến lƣợc và có vai trò hết sức quan trọng trong sự nghiệp CNH-HĐH đất nƣớc. 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 ngƣời ta sản xuất thép ống, thép hình uốn, các loại kết cấu hàn và các sản phẩm dập rất đa dạng. Ở nƣớc ta, trong định hƣớng 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. Nhƣ vậy khối lƣợng thép tấm, lá chiếm gần 55% tổng sản phẩm thép cán. Hệ thống cán thép tấm đƣợc nghiên cứu và sử dụng rộng rãi tại các cơ sở nghiên cứu và thực nghiệm nhƣng hầu hết các công trình này đều không xét đến ảnh hƣởng phi tuyến của hệ thống thủy lực do vậy các mô hình này tƣơng 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 “ Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển hệ thống cán thép tấm bằng bộ điều khiển thích nghi bền vững” Luận văn gồm các chƣơng sau: Chƣơng 1: Tổng quan về công nghệ cán thép tấm Chƣơng 2: Điều khiển hệ thống trục cán thép tấm bằng các bộ điều khiển cơ bản. Chƣơng 3: Thiết kế bộ điều khiển nâng cao chất lƣợng điều khiển hệ thống cán thép tấm Trong quá trình làm luận văn, dƣới sự hƣớng dẫn nhiệt tình của cán bộ hƣớng dẫn cùng sự nỗ lực của bản thân trong việc tìm hiểu, nghiên cứu tài liệu và  4  Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn tìm hiểu thực tế nhƣng do thời gian và kinh nghiệm còn hạn chế nên luận văn không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp, những lời nhận xét quí báu của các thầy cô và các bạn đồng nghiệp để luận văn đƣợc hoàn thiện hơn. Xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, tháng 9 năm 2010 HỌC VIÊN Hồ Thị Ngọc Huyền  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 HÌNH VẼ 8 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CÁN THÉP TẤM 10 1.1. Phôi cho sản xuất thép tấm và thép băng cán nóng 11 1.2. Đặc điểm, thành phần và cách bố trí thiết bị ở các nhà máy cán tấm 12 1.3. Kỹ thuật cán thép ở các nhà máy cán tấm 17 1.3.1. Cán phôi slab trong giá trục đứng 21 1.3.2. Cán trong giá thô 22 1.3.3. Cán trong giá cán tinh 28 1.4. Đặc điểm biến dạng của thép khi cán ở các nhà máy cán tấm 29 1.5. Các thông số năng lƣợng của quá trình cán tấm 31 1.6. Tính toán chế độ ép cho máy cán tấm 33 1.6.1. Điều kiện ăn thép 33 1.6.2. Độ bền của trục cán 34 1.6.3. Công suất của động cơ truyền động 34 1.6.4. Nhiệt độ kim loại 35 1.7. Nhiệt luyện và tinh chỉnh thép tấm 36 1.8. Kết luận 38 Chương 2. ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG CÁN THÉP TẤM BẰNG CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN CƠ BẢN 39 2.1. Bộ điều khiển tuyến tính PI 40 2.1.1. Mô hình toán học 40 2.1.2. Cấu trúc bộ điều khiển 42 2.1.3. Kết quả 43  6  Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2.2. Bộ điều khiển đa biến 44 2.2.1. Mô hình toán học 44 2.2.1.1. Hệ thống thủy lực 46 2.2.1.2. Giá cán 47 2.2.2. Thiết kế bộ điều khiển 49 2.2.2.1. Tuyến tính hóa phản hồi 49 2.2.2.2. Thiết kế không gian riêng 50 2.2.2.3. Cấu trúc bộ điều khiển 52 2.2.3. Kết quả 53 2.3. Bộ điều khiển H  54 2.3.1. Ký hiệu 54 2.3.2. Phƣơng pháp tiêu chuẩn cho bài toán thiết kế H 54 2.3.3. Thiết kế bộ điều khiển 56 2.3.3.1. Mẫu máy cán 57 2.3.3.2. Quá trình thiết kế 58 2.3.4. Kết quả 59 2.4. Kết luận 63 Chương 3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI BỀN VỮNG CHO HỆ THỐNG CÁN THÉP TẤM 64 3.1 Giới thiệu chung 64 3. 2. Mô hình toán học của hệ thống cán 65 3.2.1 Hệ thống thuỷ lực 67 3.2.2. Lực F 68 3. 3. Thiết kế các bộ điều khiển 72 3.3.1 Phƣơng pháp thiết kế 72 3.3.1.1 Mục tiêu điều khiển 73 3.3.1.2 Trình tự thiết kế 74 3.3.2 Các bƣớc thiết kế bộ điều khiển thích nghi bền vững cho hệ thống cán thép tấm 79 3.4. Mô phỏng và đánh giá kết quả 81  7  Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3.4.1. Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển thích nghi bền vững cho hệ thống cán thép tấm 82 3.4.2.Kết quả và nhận xét 82 3.5. Kết luận 83 KẾT LUẬN CHUNG VÀ MỘT SỐ ĐỀ XUẤT 84 TÀI LIỆU THAM KHẢO 85 PHỤ LỤC 87 Phụ lục A 87 Phụ lục B 93  8  Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC HÌNH VẼ Số hiệu hình vẽ Tên hình vẽ Trang 1.1 Sơ đồ bố trí thiết bị của máy cán tấm 1 giá đảo chiều kvarto 4300 14 1.2 Sơ đồ bố trí thiết bị của máy cán tấm 2 giá 2800 16 1.3 Đặc điểm quá trình cán trong các giá trục 19 1.4. Sơ đồ biến dạng của phôi slab trong giá cán trục đứng 21 1.5 Các sơ đồ cán tấm từ Slab 23 1.6 Sơ đồ cán góc 25 1.7 Sự phân bố và kích thước ô rãnh trên bề mặt trục cán 27 1.8 Trục cán có ô gờ 27 1.9 Sơ đồ bố trí hệ thống đánh gỉ thủy lực 28 1.10 Sơ biến dạng của đầu trước phôi thép khi cán trong trục đứng 29 1.11 Sơ đồ cán trong giá trục đứng và trục ngang 30 1.12 Sơ đồ nắn phẳng thép tấm với hai giàn con lăn bố trí song song 37 2.1 Mô hình hệ thống cán tấm 40 2.2 Cấu trúc của hệ thống cán với bộ điều khiển PI 42 2.3 Phản hồi trạng thái vòng kín của hệ điều khiển PI 43 2.4 Quá trình cán nhìn từ hướng vuông góc với hướng chuyển động của phôi 44 2.5 Máy cán nhìn từ góc song song với chuyển động của phôi 45 2.6 Sơ đồ khối cho hệ thống cán 45  9  Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2.7 Cấu trúc của hệ thống cán với bộ điều khiển đa biến 49 2.8 Phản hồi với thay đổi đầu vào tại một cạnh 53 2.9 Sơ đồ khối hệ thống 55 2.10 Giá cán 4 tầng 56 2.11 Mô hình máy cán nguội một giá 57 2.12 Máy cán nguội biểu diễn trên biểu đồ khối tiêu chuẩn 59 2.13 Đáp tuyến tần số của máy cán và nhiễu 60 2.14 Đáp tuyến tần số của bộ điều khiển vòng trong K i 60 2.15 Đáp tuyến tần số chức năng vòng của vòng trong L i 61 2.16 Độ nhạy vòng trong S i 61 2.17 Các đáp tuyến tần số 62 3.1 Sơ đồ khối của hệ thống cán 65 3.2 Hệ tương đương 66 3.3 Phân bổ áp suất 67 3.4 Sơ đồ mô phỏng bô điều khiển thích nghi bền vững 68 3.5 Kết quả mô phỏng trạng thái x 1 của bộ điều khiển thích nghi bền vững 82 3.6 Kết quả mô phỏng trạng thái x 2 của bộ điều khiển thích nghi bền vững 82 3.7 Kết quả mô phỏng trạng thái x 3 của bộ điều khiển thích nghi bền vững 83  10  Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 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 đa 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 nhanh, chiếm tỷ trọng trên 40% tổng sản phẩm và thép băng. Ở nƣớc ta, trong định hƣớng phát triển của ngành 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. Nhƣ vậy khối lƣợng thép tấm, lá chiếm gần 55% tổng sản phẩm thép cán. Để đảm bảo nhu cầu nêu trên, dự kiến xây dựng, phân bổ và phát triển năng lực thiết bị nhằm cân đối nhu cầu sản phẩm cũng đƣợc đề xuất cho từng giai đoạn đến 2005 và 2010, bao gồm các nhà máy cán nóng, cán nguội thép băng liên tục với tổng sản lƣợng dự kiến đến 2010 tới hơn 4 triệu tấn/ năm [1]. [...]... lớn) Các hệ thống cán 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... ở giá cán thô, thép một lần nữa đƣợc đƣa trở lại trục 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... ngang (cán thô và cán tinh) bố trí nối tiếp nhau Các máy cán hai giá có ƣu điểm là chất lƣợng bề mặt sản phẩm cao (do thép đƣợc đánh sạch gỉ ở giá trục đứng và giá cán thô trƣớc khi cán trong giá cán tinh), thời gian làm việc của trục cán dài (giảm số lần thay trục), năng suất cao Các máy cán tấm hai giá hiện đại có sự phối hợp giữa các giá cán nhƣ sau: - Giá cán thô duo và giá cán tinh kvarto; - Giá cán. .. của chiều dày thép cán Đối với các giá cán trio lauta, còn cần phải có bàn nâng hạ bố trí hai bên giá cán, hệ thống này thƣờng rất nặng nề, một mặt làm hạn chế khối lƣợng và kích thƣớc thép cán, mặt khác vì tốc độ quay của trục cán không đổi suốt trong quá trình cán một sản phẩm, nên tải trọng động khi trục cán ăn thép rất lớn Ngoài ra ở các giá cán trio lauta lƣợng thép trong một lần cán thƣờng bị... 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) 1 4 Nƣớc dƣới áp suất 120at 3 2 4 Hình 1.9 Sơ đồ bố trí hệ thống đánh gỉ thủy lực 1- Thép cán; 2- Vòi phun nước áp suất cao; 3- Ống dẫn nước; 4- Trục cán Ở các máy cán tấm một giá, chế độ nhiệt và chế độ ép cho những lần cán tinh hoàn toàn giống... cán do đó cũng bị giảm đi Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn  27 Trong quá trình cán thô ở các máy cán tấm một hoặc giá, việc sử dụng trục đứng và hệ thống đánh gỉ thủy lực không phải lúc nào cũng đảm bảo đƣợc hiệu quả đánh gỉ cao Để nâng cao chất lƣợng gỉ, ở giá cán thô của các máy cán tấm hai giá, ngƣời ta sử dụng các trục cán có ô rành hoặc ô gờ Khi cán. .. giá kvarto và một bộ 2 trục cán (duo), có chiều dài thân trục nhỏ hơn chiều dài thân trục giá cán kvarto, đƣợc gá đặt nhờ một hệ thống dầm ngang đặc biệt Do đó, máy liên hợp có thể thay thế phần nào vai trò của hai giá cán: slabing và giá cán tấm kvarto, cho phép sản xuất thép tấm có chất lƣợng cao từ thỏi Một trong các máy cán liên hợp lớn nhất thế giới đƣợc xây dựng ở Nhật Bản, bộ duo ( kích thƣớc... độ bền cao Ngoài ra khi cán trong trục ô rãnh, các mô gờ tạo ra trên bề mặt thép nguội đi nhanh, còn khi cán trong trục ô gờ, các đƣờng lõm in trên mặt thép nguội không nhanh hơn so với toàn bộ bề mặt tấm, do đó khuyết tật bề mặt của sản phẩm cán trong trục ô gờ ít hơn 2÷3 mm 10 ÷18mm 45°÷60° 30÷50mm Hình 1.8 Trục cán có ô gờ Quá trình cán trong giá cán thô tiến hành ở nhiệt độ cao Nhiệt độ của thép. .. khi vào giá cán thô khoảng (11601200), nhiệt độ kết thúc cán trong giá cán thô (1020  1050)0C Phụ thuộc vào kích thƣớc sản phẩm, chiều dày của thép khi chuyển sang giá cán tinh nằm trong khoảng (1580)mm 1.3.3 Cán trong giá cán tinh Sau khi cán ở giá cán thô, thép đƣợc chuyển đến giá cán tinh và đƣợc cán ở đây theo một chiều cho đến khi đạt đƣợc độ dày cần thiết Quá trình cán trong giá cán tinh phải... 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 rộng và tƣơng đối mỏng, không thể áp dụng lƣợng ép biên để tránh cho thép bị uốn cong theo chiều ngang . THUẬT CÔNG NGHI P LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH : TỰ ĐỘNG HÓA NGHI N CỨU NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG CÁN THÉP TẤM BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI BỀN VỮNG BAN. 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 “ Nghi n cứu nâng cao chất lượng điều khiển hệ thống cán thép tấm bằng bộ điều. bằng bộ điều khiển thích nghi bền vững Luận văn gồm các chƣơng sau: Chƣơng 1: Tổng quan về công nghệ cán thép tấm Chƣơng 2: Điều khiển hệ thống trục cán thép tấm bằng các bộ điều khiển cơ bản.