Nghiên cứu xây dựng mô hình và thiết kế bộ điều khiển trường nhiệt độ trong phôi

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP TRẦN QUANG ĐẠT NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƢỜNG NHIỆT ĐỘ TRONG PHÔI LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Thái Nguyên - 2014 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP TRẦN QUANG ĐẠT NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƢỜNG NHIỆT ĐỘ TRONG PHÔI Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 60 52 02 16 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Hữu Công Thái Nguyên - 2014 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ i LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Trần Quang Đạt Sinh ngày 25 tháng 06 năm 1980. Học viên cao học khóa 14, chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa, Trường đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên. Hiện đang công tác tại Trường Trung cấp nghề cơ khí I Hà nội. Tôi xin cam đoan: Đề tài “Nghiên cứu xây dựng mô hình và thiết kế bộ điều khiển trường nhiệt độ trong phôi ” do thầy giáo, PGS.TS. Nguyễn Hữu Công hướng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các tài liệu đều có xuất xứ rõ ràng. Tác giả xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng như nội dung trong đề cương và yêu cầu của thầy giáo hướng dẫn. Nếu có nội dung gì trong nội dung của luận văn thì tác giả xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình. Thái Nguyên, ngày 20 tháng 5 năm 2014 Tác giả Trần Quang Đạt Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành, lời cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo, PGS – TS Nguyễn Hữu Công, người đã trực tiếp chỉ bảo, hướng dẫn em trong suốt thời gian qua. Em xin chân thành cảm ơn các nhà khoa học, các bạn học viên cùng nhóm, các tổ chức Khoa, Trung tâm thí nghiệm, Phòng ban của Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên đã có những ý kiến đóng góp quý báu và tạo điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình thực hiện đề tài luận văn. Mặc dù được sự chỉ bảo sát sao của thầy giáo hướng dẫn, sự nỗ lực cố gắng của bản thân, song vì kiến thức còn hạn chế nên chắc chắn luận văn này không tránh khỏi những thiếu xót nhất định. Em rất mong được sự chỉ bảo của các thầy cô giáo và đóng góp chân thành của các bạn để nội dung nghiên cứu của em được hoàn thiện hơn Em xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày 20 tháng 5 năm 2014 Tác giả Trần Quang Đạt Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iii MỤC LỤC Lời cam đoan……………………………………………………………… i Lời cảm ơn .ii Mục lục… iii Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt vi Danh mục các hình vẽ viii MỞ ĐẦU 1 Tổng quan về điều khiển nhiệt độ Mục tiêu nghiên cứu 2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài 3 Phương pháp nghiên cứu 3 CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ TRONG LÕ GIA NHIỆT .5 1.1. Khái quát chung về điều khiển nhiệt độ trong lò gia nhiệt 5 1.2. Các yêu cầu công nghệ 8 1.3. Các dạng bài toán nung 9 CHƢƠNG 2: NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC ĐỂ XÁC ĐỊNH TRƢỜNG NHIỆT ĐỘ TRONG PHÔI 11 2.1. Đặt vấn đề 11 2.2. Thành lập phương trình truyền nhiệt 12 2.3. Điều kiện đầu và điều kiện biên 14 2.4. Khảo sát sự truyền nhiệt trong quá trình gia nhiệt bằng phương pháp giải tích 15 2.5. Giới thiệu phương pháp sai phân giải bài toán truyền nhiệt một chiều 18 2.5.1. Mô hình bài toán 18 2.5.2. Lưới sai phân và hàm lưới 18 2.5.3. Xấp xỉ các đạo hàm 20 2.6. Mô hình phân bố nhiệt độ 21 2.6.1. Mô hình tính toán sự phân bố nhiệt độ trong phôi 21 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iv 2.6.2. Hệ số truyền nhiệt tổng cộng bên ngoài α 1 và α 2 25 2.6.3. Cơ sở toán học lập mô hình 26 CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ CHO QUÁ TRÌNH GIA NHIỆT TRONG PHÔI 32 3.1. Nhận dạng đối tượng điều khiển 32 3.1.1. Kết nối Card -6008 với máy tính để nhận dạng đối tượng .32 3.1.2. Xác định tham số mô hình từ đặc tính động học của đối tượng 33 3.2. Giới thiệu lò điện trở (lò gia nhiệt) 38 3.3. Thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ cho lò điện trở 42 3.3.1. Tổng quan bộ điều khiển PID .42 3.3.2. Thiết kế bộ điều khiển theo tiêu chuẩn phẳng 44 3.3.3. Phương pháp tổng hằng số thời gian (Kuln) .46 3.3.4. Phương pháp hiệu chỉnh mạch vòng kín Ziegler-Nichols. 46 3.4. Tính toán bộ điều khiển PID để điều khiển nhiệt độ lò-vật 47 3.4.1. Sơ đồ điều khiển nhiệt độ hệ thống lò-vật hai mạch vòng 47 3.4.2. Sơ đồ điều khiển vòng trong 47 3.4.3. Sơ đồ điều khiển vòng ngoài 54 CHƢƠNG 4: MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ TRONG LÕ ĐIỆN TRỞ 57 4.1. Sơ đồ khối hệ thống 57 4.2. Mô tả thiết bị 59 4.2.1. Cặp nhiệt 59 4.2.2. Bộ khuếch đại cặp nhiệt 60 4.2.3. Mạch động lực 62 4.2.3.1. Thyristor dùng trong mạch lực 62 4.2.3.2. Tính toán bảo vệ van dẫn 63 4.2.3.3. Phương pháp điều khiển Thyristor 64 4.2.4. Card NIDAQ USB -6008 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT PID Proportional Integral Derivative ĐK Điều khiển / t Đạo hàm riêng theo thời gian / , ,x y z Đạo hàm riêng theo không gian x, y, z Q Nhiệt lượng Q Dòng nhiệt v I Đối lưu J Truyền dẫn. D Hệ số khuếch tán [m 2 /s]. C Mật độ [kg/m 3 ]. e J Dòng năng lượng [W/m 2 ] 0 J Mô men quán tính Tốc độ góc Thế năng. u Nội năng Hệ số dẫn nhiệt. [Wm -1o C -1 ]. a Hệ số dẫn nhiệt độ. [m 2 s -1 ] Hệ số nhớt động học [Ns/m 2 ]. P Áp suất [N/m 2 ] Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vi x v Lượng vào. x R Lượng ra. t Nhiệt độ thực của vật [ 0 C] t* Nhiệt độ yêu cầu của vật nung [ 0 C] Thời gian nung [s]. l Chiều dầy của thỏi [m]. T Nhiệt độ kim loại [ 0 C] C 1 , C 2 Hệ số bức xạ [ W(m 2 ) -1 K -4 ]. k1 , k2 , Hệ số truyền nhiệt đối lưu [ W(m 2 ) -1 C -1 ]. T p1 , T p2 Nhiệt độ khí trong lò [ 0 C] β sp , β m Các hệ số ghi ảnh hưởng hấp thụ s Bức xạ k Đối lưu h Chiều dầy của mối lớp 1 , 2 Hệ số truyền nhiệt tổng cộng bên ngoài C n Hệ số bức xạ quy dẫn F m , F s Diện tích mặt bức xạ của vật liệu tường lò [m 2 ] ε m , ε p Độ đen của vật liệu và của khí T 1 T 7 Nhiệt độ các lớp [ 0 C ] W PID (P) Hàm truyền bộ điều khiển PID m K Hệ số khuếch đại T i Hằng số thời gian tích phân Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vii T D Hằng số thời gian vi phân Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình vẽ Trang Hình 2.1. Lưới sai phân. 19 Hình 2.2. Chia lớp vật nung. 24 Hình 2.3. Mô hình chia lớp để tính nhiệt độ trong vật 27 Hình 2.4. Sơ đồ tính hệ số 28 Hình 2.5. Sơ đồ tính tính hệ số 29 Hình 2.6. Mô hình tính phân bố nhiệt các lớp 30 Hình 2.7 Đặc tính các lớp nhiệt độ phôi theo nhiệt độ lò nung 31 Hình 3.1. Sơ đồ khối Simulink nhận dạng đối tượng 33 Hình 3.2. Đặc tính các giá trị lấy mẫu lò khi chưa loại bỏ nhiễu 33 Hình 3.3. Đặc tính các giá trị lấy mẫu của lò được loại bỏ nhiễu 34 Hình 3.4. Cửa sổ nhận dạng. 35 Hình 3.5. Kết quả quá trình nhận dạng lò nhiệt 36 Hình 3.6. Sơ đồ nhiệt độ nhận dạng đối tượng 37 Hình 3.7. Đặc tính các giá trị lấy mẫu vật khi chưa loại bỏ nhiễu. 38 Hình 3.8. Đặc tính các giá trị lẫy mẫu vật sau khi loại bỏ nhiễu. 38 Hình 3.9. Cửa sổ nhận dạng vật nung 38 Hình 3.10. Kết quả nhận dạng vật nung. 39 Hình 3.11. Điều khiển với bộ điều khiển PID. 42 Hình 3.12. Đặc tính tần biên pha. 45 Hình 3.13. Sơ đồ điều khiển nhiệt độ hai mạch vòng. 47 Hình 3.14. Sơ đồ điều khiển mạch vòng trong 48 [...]... 1 và 2 , mô hình chia lớp để tính nhiệt độ trong vật, cơ sở toán học lập mô hình tính, ứng dụng mô hình khảo sát quá trình nung kim loại trong lò tĩnh Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ cho quá trình gia nhiệt trong phôi Chương này xây dựng mô hình toán toán học cho đối tượng điều khiển, các phương pháp xác định đặc tính động học của đối tượng, nhận dạng đối tượng, các phương pháp thiết kế và. .. Nghiên cứu xây dựng mô hình và thiết kế bộ điều khiển trường nhiệt độ trong phôi Ta sẽ chọn nghiên cứu điều khiển nhiệt độ theo giản đồ định sẵn Đó là khi cho trước một giản đồ về yêu cầu công nghệ của nhiệt độ vật nung * Kết luận chƣơng 1: Chương này đã trình bày được vai trò quan trọng của việc gia nhiệt cho các vật liệu, giới thiệu bài toán điều khiển nhiệt độ trong các lò gia nhiệt cũng như các... như các yêu cầu công nghệ và các dạng bài toán nung trong thực tế Chương 2 sẽ tiếp tục nghiên xây dựng mô hình tính toán sao cho từ nhiệt độ lò biết được nhiệt độ vật CHƢƠNG 2 NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC ĐỂ XÁC ĐỊNH TRƢỜNG 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, có như vậy mới đảm... nung và cho bản thân vật nung Nếu mô hình phản ánh được đúng nhiệt độ vật nung trong quá trình gia nhiệt thì các giá trị nhiệt độ tính toán có thể được sử dụng làm tín hiệu điều khiển thay cho tín hiệu từ các bộ cảm biến nhiệt độ vật Mục tiêu nghiên cứu - Đề tài nghiên cứu xây dựng mô hình và thiết kế bộ điều khiển trường nhiệt độ trong phôi Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 3 -...ix Hình 3.15 Sơ đồ mô phỏng 49 Hình 3.16 Đáp ứng của bộ điều khiển 50 Hình 3.17 Sai lệch tĩnh của hệ thống 50 Hình 3.18 Tác động của nhiễu 51 Hình 3.19 Kết quả mô phỏng trước và sau khi có bộ điều khiển 52 Hình 3.20 Sai lệch tĩnh của hệ thống 53 Hình 3.21 Kết quả mô phỏng hệ thống khi có nhiễu tác động 53 Hình 3.22 Xác định hằng số khuếch đại tới hạn 54 Hình 3.23 Dạng dao động hình sin 55 Hình 3.24... các lò gia nhiệt cũng như các yêu cầu công nghệ và các dạng bài toán nung trong thực tế Chương 2: Nghiên cứu xây dựng mô hình toán học để xác định trường nhiệt độ trong phôi Chương này khảo sát sự truyền nhiệt trong quá trình gia nhiệt bằng phương pháp giải tích, giới thiệu phương pháp sai phân giải bài toán truyền nhiệt một chiều Khảo sát mô hình phân bố nhiệt độ trong vật, các hệ số truyền nhiệt tổng... nhiệt độ thực của vật nung trong quá trình gia nhiệt bám theo đường nhiệt độ cho trước theo yêu cầu công nghệ Muốn vậy cần biết nhiệt độ vật nung Nhưng trong vận hành thực tế không thể đặt cho mỗi phôi nung một bộ cảm biến nhiệt độ, cho nên cần thiết có một mô hình tính toán nhiệt độ của phôi nung theo điều kiện truyền nhiệt từ lò đến vật nung và cho bản thân vật nung Nếu mô hình phản ánh được đúng nhiệt. .. 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 và thời gian nung * Nhiệt độ bề mặt phôi nung: Để thấy sự cần thiết phải quan tới nhiệt độ bề mặt phôi nung, ta hãy xét quá trình nung Khi nâng nhiệt độ bề mặt phôi nung thì cũng tăng tốc độ hình thành xỉ nung trên bề mặt Quá một giới hạn nhiệt độ nào đó,... của bộ điều khiển PI 55 Hình 4.1 Sơ đồ khối hệ thống thí nghiệm 57 Hình 4.2 Hình ảnh mô hình thí nghiệm tại PTN-211 58 Hình 4.3 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển hệ thống lò gia nhiệt 59 Hình 4.4 Đặc tính của các loại cặp nhiệt điện 60 Hình 4.5 IC khuếch đại đo lường IN128 60 Hình 4.6 Hình ảnh mạch khuếch đại đo lường 61 Hình 4.7 Hình ảnh mạch động lực 62 Hình 4.8 Bảo vệ quá dòng cho bộ biến đổi 63 Hình. .. toán nhiệt độ sản phẩm theo các phương trình truyền nhiệt, và lấy đó làm căn cứ điều khiển Từ nhiệt độ lò nhờ có mô hình tính toán ta suy ra nhiệt độ của bề mặt vật và sự phân bố nhiệt độ các lớp bên trong vật Phương án này phải sử dụng các phương trình truyền nhiệt khá phức tạp, phụ thuộc vào kích thước, hình dạng của vật cần gia nhiệt và phải thí nghiệm để xác định các thông số thực của mô hình Tuy . khiển thay cho tín hiệu từ các bộ cảm biến nhiệt độ vật. Mục tiêu nghiên cứu - Đề tài nghiên cứu xây dựng mô hình và thiết kế bộ điều khiển trường nhiệt độ trong phôi. Số hóa bởi Trung tâm. TRẦN QUANG ĐẠT NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƢỜNG NHIỆT ĐỘ TRONG PHÔI Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 60 52 02 16 . QUANG ĐẠT NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƢỜNG NHIỆT ĐỘ TRONG PHÔI LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA