nghiên cứu xây dựng hệ thống truyền động điện tháo quấn băng vật liệu sử dụng động cơ điện một chiều kích từ độc lập

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 NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN THÁO QUẤN BĂNG VẬT LIỆU SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP Ngành: TỰ ĐỘNG HOÁ Mã: Học viên: TÔN THẤT ĐỒNG Ngƣời HD Khoa học: TS. TRẦN XUÂN MINH THÁI NGUYÊN - 2010 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP ***** CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA TÊN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN THÁO QUẤN BĂNG VẬT LIỆU SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP Học viên : TÔN THẤT ĐỒNG Lớp : Cao học K11-TĐH Cán bộ HDKH : TS. TRẦN XUÂN MINH CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC TS. Trần Xuân Minh HỌC VIÊN Tôn Thất Đồng BAN GIÁM HIỆU KHOA SAU ĐẠI HỌC - i - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay ở Việt Nam, rất nhiều các nhà máy sản xuất thép cán, giấy, vải, dây điện, bao bì… đƣợc xây dựng rất nhiều, sản phẩm cuối cùng của các nhà máy này đó là các băng cuộn thép, cuộn vải, cuộn giấy, cuộn nilon tổng hợp Trong các dây chuyền sản xuất của các nhà máy đó luôn có khâu thực hiện tháo-quấn lại vật liệu. Máy tháo-quấn băng vật liệu có chức năng sau: từ cuộn băng vật liệu ban đầu có kích thƣớc lớn đƣợc tháo quấn để đƣa qua dao cắt (để chia nhỏ) hoặc qua các lô in để in hình, sau đó lại quấn lại thành các cuộn. Với yêu cầu cao về năng suất làm việc nên hệ thống đặt ra rất nhiều vấn đề phức tạp do sự biến đổi các thông số trong quá trình làm việc; hiên tại ở trong nƣớc cũng nhƣ trên thế giới đã có nhiều công trình khoa học nghiên cứu về hệ thống này tuy nhiên vẫn còn tồn tại một số vấn đề cần nghiên cứu làm rõ. Để làm sáng tỏ hơn những vấn đề phức tạp của hệ thống cũng nhƣ nghiên cứu đóng góp thêm những sáng kiến mới để làm phong phú thêm các thành quả nghiên cứu các phƣơng pháp điều khiển cho hệ thống này, góp phần cho vào công cuộc hiện đại hóa ngành công nghiệp sản xuất băng vật liệu. Đƣợc sự đồng ý và dẫn dắt của cán bộ hƣớng dẫn khoa học, tác giả đã lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu xây dựng hệ truyền động điện tháo quấn băng vật liệu sử dụng động cơ điện một chiều kích từ độc lập”. Sau một thời gian làm nghiên cứu liên tục, nghiêm túc; cùng với sự hƣớng dẫn tận tình của cán bộ hƣớng dẫn khoa học, các thầy cô trong khoa, sự giúp đỡ của các học viên trong lớp và các bạn đồng nghiệp. Đến nay luận văn đã hoàn thành. Qua đây tác giả xin gửi lời cám ơn tới quý thầy cô trong khoa Điện trƣờng ĐH Kỹ Thuật Công nghiêp - ĐH Thái Nguyên; Ban Giám Hiệu cùng toàn thể giáo viên khoa Điện trƣờng Cao đẳng Công nghiệp Huế đã nhiệt tình giúp đỡ hƣớng dẫn, cung cấp tài liệu và tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành đƣợc luận văn này. Đồng thời tác giả muốn gửi lời cám ơn sâu sắc tới thầy giáo TS. Trần Xuân Minh, ngƣời đã trực tiếp 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 trong thời gian nghiên cứu để hoàn thành tốt công trình nghiên cứu này. - ii - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Mặc dù đƣợc sự hƣớng dẫn tận tình của cán bộ hƣớng dẫn cùng với sự nỗ lực cố gắng của bản thân; song vì kiến thức còn hạn chế, điều kiện tiếp xúc thực tế chƣa nhiều, nên bản thuyết minh không tránh khỏi những thiếu sót nhất định. Vì thế, tác giả rất mong tiếp tục đƣợc sự giúp đỡ, góp ý nhiệt tình của quý thầy cô, bạn bè và đồng nghiệp. Xin chân thành cảm ơn ! Tác giả luận văn Tôn Thất Đồng - iii - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Tôn Thất Đồng Sinh ngày 08 tháng 02 năm 1983 Học viên lớp cao học khoá 11 - Tự động hoá - Trƣờng đại học kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nghuyên. Hiện đang công tác tại khoa Điện trƣờng Cao đẳng Công nghiệp Huế. Xin cam đoan: Đề tài “Nghiên cứu xây dựng hệ truyền động điện tháo quấn băng vật liệu sử dụng động cơ điện một chiều kích từ độc lập” do TS. Trần Xuân Minh hƣớng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng. Nếu sai phạm tôi chịu hoàn toàn trách nhiệm trƣớc Hội đồng khoa học và trƣớc pháp luật. Thái Nguyên, ngày 28 tháng 9 năm 2010 Tác giả Tôn Thất Đồng - iv - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỤC LỤC Trang bìa LỜI NÓI ĐẦU i LỜI CAM ĐOAN iii MỤC LỤC iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vii DANH MỤC CÁC BẢNG ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ix MỞ ĐẦU 1 CHƢƠNG 1: 4 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG THÁO-QUẤN BĂNG VẬT LIỆU 4 1.1. Giới thiệu chung 4 1.2. Hệ thống truyền động tháo-quấn băng vật liệu 5 1.2.1. Cấu tạo tổng quát hệ thống tháo-quấn băng vật liệu (giấy) 5 1.2.2. Đặc điểm cấu tạo và chức năng của các thành phần: 5 1.2.3. Yêu cầu công nghệ hệ thống tháo-quấn băng vật liệu 8 1.2.4. Giới thiệu một số mô hình điều khiển hệ thống tháo-quấn băng vật liệu 11 1.3. Lý thuyết sức căng trong hệ thống tháo-quấn băng vật liệu 14 1.3.1. Khái niệm sức căng của băng vật liệu 14 1.3.2. Lý thuyết điều chỉnh lực căng của băng vật liệu 15 1.3.3. Giới thiệu các bộ đo lực căng băng vật liệu 17 1.4. Mô hình phi tuyến của hệ thống tháo và quấn băng vật liệu: 22 CHƢƠNG 2: 30 NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN THÁO-QUẤN BĂNG VẬT LIỆU DÙNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP 30 - v - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2.1. Tổng quan về truyền động điện một chiều 30 2.2. Nghiên cứu khảo sát hệ thống Thyristor – Động cơ 30 2.2.1 Sơ đồ cấu trúc trạng thái ổn định và đƣờng đặc tính tĩnh. 32 2.2.1.1. Bộ điều chỉnh tốc độ quay không bão hòa. 33 2.2.1.2. Bộ điều chỉnh tốc độ quay bão hòa 34 2.2.2 Chất lƣợng của hệ truyền động điều chỉnh tốc độ hai mạch vòng kín 35 2.2.2.1. Mô hình toán học trạng thái động 35 2.2.2.2. Phân tích quá trình khởi động 35 2.2.2.3. Tác dụng của hai bộ điều chỉnh. 38 2.3. Tổng hợp hệ thống truyền động hệ thống điều chỉnh tốc độ hệ thống tháo- quấn băng vật liệu 38 2.3.1 Xây dựng hàm truyền của các khâu trong hệ thống điều khiển 40 2.3.1.1 Hàm truyền của động cơ điện 40 2.3.1.2 Bộ chỉnh lƣu bán dẫn Thyristor 45 2.3.1.3 Hàm truyền của máy phát tốc 47 2.3.1.4 Hàm truyền của thiết bị đo điện 48 2.3.1.5 Tổng hợp hệ điều khiển R I , R  48 a. Tổng hợp bộ điều khiển dòng điện RI 48 b.Tổng hợp bộ điều khiển tôc độ R  50 2.3.2. Thiết kế và mô phỏng bộ điều khiển tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập truyền động cho tang tháo-quấn băng vật liệu sử dụng bộ điều khiển PI kinh điển 54 2.3.2.1. Đặc điểm và tính toán thông số hệ thống truyền động 54 2.3.2.3. Mô phỏng Simulink – Matlab bộ điều khiển PI 56 CHƢƠNG 3: 62 - vi - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI PI ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP TRUYỀN ĐỘNG CHO HỆ THỐNG THÁO-QUẤN BĂNG VẬT LIỆU 62 3.1. Nghiên cứu lý thuyết điều khiển mờ lai PID mờ 62 3.1.1. Tổng quan về lý thuyết điều khiển mờ 62 3.1.2. Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ 63 3.1.3. Nguyên lý điều khiển mờ 65 3.1.4 Những nguyên tắc tổng hợp bộ điều khiển mờ 65 3.1.5. Các bộ điều khiển mờ 69 3.1.5.1. Bộ điều khiển mờ tĩnh 69 3.1.5.2. Bộ điều khiển mờ động 69 3.1.6. Hệ điều khiển mờ lai 71 3.2. Bộ điều khiển mờ lai PI điều khiển tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập truyền động cho tang tháo-quấn băng vật liệu 72 3.2.1. Cơ sở thiết kế bộ điều khiển mờ lai PI 72 3.2.2. Thiết kế bộ điều khiển mờ lai PI 73 3.2.3. Mô phỏng bộ điều khiển mờ lai PI 77 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 82 TÀI LIỆU THAM KHẢO 83 - vii - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT L (m) Độ dài đoạn băng vật liệu W (m) Độ rộng của đoạn băng vật liệu P (N) Lực kéo căng h (m) Độ dày của băng vật liệu  (N/m) Độ giãn theo chiều dài của băng vật liệu  L (N/m) Độ giãn theo chiều ngang (cạnh) của băng vật liệu  (N/m 2 ) Độ bền kéo A (m 2 ) Tiết diện ngang của băng vật liệu E Hằng số co giản của vật liệu 0 ε (N/m 2 ) Ứng suất căng ban đầu của phía tang tháo T 0 (N) Lực căng siết chặc ban đầu của cuộn tháo T (N) Lực căng băng vật liệu K Hệ số đàn hồi của dải băng R 0 (m) Bán kính của lõi tang quay J 0 (Kg.m 2 ) Mô men quán tính của lõi tang quay u0 R , r0 R (m) Bán kính của lõi tang quay tháo quấn và tang quấn lại u0 J , r0 J (Kg.m 2 ) Momen quan tính của lõi tang quay tháo quấn và tang quấn lại u R , r R (m) Bán kính của tang quay tháo quấn và tang quấn lại u J , r J (Kg.m 2 ) Mô men quan tính tang quay tháo quấn và tang quấn lại M u , M r (N.m) Mô men truyền động tang quay tháo quấn và tang quấn lại u V , r V (m/s) Vận tốc dài tang tháo quấn và tang quấn lại u  , r  (rad/s) Vận tốc quay trục tang tháo quấn và trục tang quấn lại R ω Bộ điều chỉnh tốc độ R i Bộ điều chỉnh dòng điện n (vòng/phút) Vận tốc quay Mc (N.m) Mô men cản VF, VR Hai bộ chỉnh lƣu có điều khiển mắc song song ngƣợc - viii - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn GVR, GVF Thiết bị phát xung cho hai bộ chỉnh lƣu điều khiển VR, VF HCD Phần tử hạn chế dòng điện trong quá trình quá độ [...]... điện một chiều kích từ độc lập truyền động cho hệ thống tháo- quấn băng vật liệu 4 Đối tƣợng nghiên cứu: Nghiên cứu khảo sát về hệ truyền động điện cuộn băng vật liệu sử dụng động cơ điện một chiều kích từ độc lập; Nghiên cứu lý thuyết điều khiển truyền động điện hiện đại động cơ điện một chiều kích từ độc lập Từ đó xây dựng bộ điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập có mô men cản và mô... Nhiệm vụ nghiên cứu: - Nghiên cứu hệ truyền động điện cuộn băng vật liệu sử dụng động cơ điện một chiều kích từ độc lập - Nghiên cứu xây dựng bộ điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập sao cho tốc độ chuyển động và lực căng của dải băng vật liệu giữ ổn định - Mô hình hoá mô phỏng và đánh giá hệ thống trên phần mềm Matlab 6 Phƣơng pháp nghiên cứu: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại... nghệ của hệ truyền động điện của các hệ máy tháo- quấn băng vật liệu, từ đó làm chủ đƣợc công nghệ trong quá trình vận hành, giám sát và khắc phục sửa chữa Đề tài sẽ là cơ sở khoa học để thiết kế các hệ thống truyền động điện cho động cơ một chiều kích từ độc lập áp dụng có tải phi tuyến 3 Mục tiêu nghiên cứu: Mục tiêu nghiên cứu của đề tài: Nghiên cứu bộ điều khiển động cơ điện một chiều kích từ độc. .. học: Đề tài này sẽ đề cập tới việc nghiên cứu ứng dụng trong lĩnh vực truyền động điện tự động Đề tài nghiên cứu các hệ thống truyền động điện động cơ một chiều kích từ độc lập với tải phi tuyến từ đó xây dựng hệ truyền động điện cho truyền động điện tháo- quấn băng vật liệu có chất lƣợng cao hơn các hệ thống hiện có 2.2 Ý nghĩa thực tiễn: Khi đề tài hoàn thành sẽ là tài liệu quan trọng giúp các cán bộ... thống truyền động điện tháo- quấn băng vật liệu dùng động cơ điện một chiều kích từ độc lập Chƣơng 3: Bộ điều khiển mờ lai PI điều khiển động cơ điện một chiều kích từ độc lập truyền động cho hệ thống tháo- quấn băng vật liệu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -4- CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG THÁO-QUẤN BĂNG VẬT LIỆU 1.1 Giới thiệu chung Ngày nay,... a Nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu sách, bài báo khoa học, luận văn và các tài liệu có liên quan Từ đó xây dựng hệ thống truyền động và luật điều khiển cho hệ thống tháo quấn băng vật liệu b Tiến hành khảo sát bằng mô phỏng và hiệu chỉnh, đánh giá và kết luận 7 Nội dung nghiên cứu: Chƣơng 1: Tổng quan về truyền động tháo- quấn băng vật liệu Chƣơng 2: Nghiên cứu hệ thống truyền động điện tháo- quấn băng. .. tự động truyền động điện nhƣ điều khiển tối ƣu, thích nghi, bền vững và mờ… Trên những cơ sở đó, đề tài đặt vấn đề: nghiên cứu xây dựng hệ truyền động điện tháo quấn băng vật liệu sử dụng động cơ điện một chiều kích từ độc lập , trong đó áp dụng các phƣơng pháp điều khiển hiện đại để nâng cao chất lƣợng điều khiển hệ 2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học... để hệ thống làm việc ổn định và hiệu quả Chính vì lẽ đó, luận văn này nghiên cứu khảo sát các phƣơng pháp truyền động và điều khiển của hệ thống trên thế giới, từ đó đề xuất giải pháp phù hợp để giải quyết vấn đề cho các hệ máy ứng dụng thực tiễn 1.2.3 Yêu cầu công nghệ hệ thống tháo- quấn băng vật liệu Khảo sát một hệ thống máy tháo- quấn băng vật liệu điển hình có một số đặc điểm sau: loại vật liệu. .. nghiên cứu có hạn cho nên nội dung luận văn chủ yếu tập trung nghiên cứu khảo sát hai khâu cơ bản của hệ máy đó là khâu tháo quấn và khâu quấn lại trong hệ thống 1.3 Lý thuyết sức căng trong hệ thống tháo- quấn băng vật liệu 1.3.1 Khái niệm sức căng của băng vật liệu Trong các hệ máy quấn băng vật liệu, lực căng đặt lên một dải băng có thể đƣợc định nghĩa nhƣ sau: là tình trạng bị kéo căng của dải băng. .. sự biến thiên về tốc độ, mômen của các động cơ truyền động cho các con lăn và sự biến thiên bán kính của các tang quay trong hệ thống tháo- quấn băng vật liệu: Mnip(t) (c) t nip(t) (a) Động cơ truyền động tháo quấn (a) Động cơ truyền động quấn lại (b) Động cơ truyền động con lăn kẹp (nip roll) t - Điều khiển trên cơ sở phản hồi trực tiếp lực căng của dải băng từ các cảm biến lực căng (load cell) - . các hệ thống truyền động điện động cơ một chiều kích từ độc lập với tải phi tuyến từ đó xây dựng hệ truyền động điện cho truyền động điện tháo- quấn băng vật liệu có chất lƣợng cao hơn các hệ thống. điện cuộn băng vật liệu sử dụng động cơ điện một chiều kích từ độc lập; Nghiên cứu lý thuyết điều khiển truyền động điện hiện đại động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Từ đó xây dựng bộ điều. dung nghiên cứu: Chƣơng 1: Tổng quan về truyền động tháo- quấn băng vật liệu. Chƣơng 2: Nghiên cứu hệ thống truyền động điện tháo- quấn băng vật liệu dùng động cơ điện một chiều kích từ độc lập.