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

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP TRẦN QUANG ĐẠT NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MƠ HÌNH VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỜNG 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 Trung tâm Học liệu tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP TRẦN QUANG ĐẠT NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MƠ HÌNH VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỜNG NHIỆT ĐỘ TRONG PHÔI Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 60 52 02 16 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Hữu Cơng Thái Ngun - 2014 Số hóa Trung tâm Học liệu tnu.edu.vn/ i LỜI CAM ĐOAN Tên là: Trần Quang Đạt Sinh ngày 25 tháng 06 năm 1980 Học viên cao học khóa 14, chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển tự động hóa, Trường đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên Hiện công tác Trường Trung cấp nghề khí I Hà nội Tơi xin cam đoan: Đề tài “Nghiên cứu xây dựng mô hình thiết kế điều khiển trường nhiệt độ phôi ” thầy giáo, PGS.TS Nguyễn Hữu Công hướng dẫn cơng trình nghiên cứu riêng tơi Tất tài liệu có xuất xứ rõ ràng Tác giả xin cam đoan tất nội dung luận văn nội dung đề cương yêu cầu thầy giáo hướng dẫn Nếu có nội dung nội dung luận văn tác giả xin hồn tồn chịu trách nhiệm với lời cam đoan Thái Nguyên, ngày 20 tháng năm 2014 Tác giả Trần Quang Đạt Số hóa Trung tâm Học liệu tnu.edu.vn/ ii LỜI CẢM ƠN Lời em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành, lời cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo, PGS – TS Nguyễn Hữu Công, người trực tiếp bảo, hướng dẫn em suốt thời gian qua Em xin chân thành cảm ơn nhà khoa học, bạn học viên nhóm, tổ chức Khoa, Trung tâm thí nghiệm, Phòng ban Trường Đại học Kỹ thuật cơng nghiệp Thái Ngun có ý kiến đóng góp quý báu tạo điều kiện thuận lợi cho em suốt trình thực đề tài luận văn Mặc dù bảo sát thầy giáo hướng dẫn, nỗ lực cố gắng thân, song kiến thức hạn chế nên chắn luận văn không tránh khỏi thiếu xót định Em mong bảo thầy giáo đóng góp chân thành bạn để nội dung nghiên cứu em hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày 20 tháng năm 2014 Tác giả Trần Quang Đạt Số hóa Trung tâm Học liệu tnu.edu.vn/ MỤC LỤC Lời cam đoan……………………………………………………………… .i Lời cảm ơn ii Mục lục… iii Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt .vi Danh mục hình vẽ viii MỞ ĐẦU Tổng quan điều khiển nhiệt độ Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Phương pháp nghiên cứu CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ TRONG LÕ GIA NHIỆT 1.1 Khái quát chung điều khiển nhiệt độ lò gia nhiệt 1.2 Các yêu cầu công nghệ 1.3 Các dạng toán nung CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN HỌC ĐỂ XÁC ĐỊNH TRƯỜNG 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 điều kiện biên 14 2.4 Khảo sát truyền nhiệt trình gia nhiệt phương pháp giải tích 15 2.5 Giới thiệu phương pháp sai phân giải toán truyền nhiệt chiều 18 2.5.1 Mơ hình tốn 18 2.5.2 Lưới sai phân hàm lưới 18 2.5.3 Xấp xỉ đạo hàm 20 2.6 Mơ hình phân bố nhiệt độ 21 2.6.1 Mô hình tính tốn phân bố nhiệt độ phơi 21 Số hóa Trung tâm Học liệu tnu.edu.vn/ 2.6.2 Hệ số truyền nhiệt tổng cộng bên α1 α2 25 2.6.3 Cơ sở tốn học lập mơ hình 26 CHƯƠNG 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 mơ hình từ đặc tính động học đối tượng 33 3.2 Giới thiệu lò điện trở (lò gia nhiệt) 38 3.3 Thiết kế điều khiển nhiệt độ cho lò điện trở 42 3.3.1 Tổng quan điều khiển PID 42 3.3.2 Thiết kế điều khiển theo tiêu chuẩn phẳng 44 3.3.3 Phương pháp tổng số thời gian (Kuln) .46 3.3.4 Phương pháp hiệu chỉnh mạch vòng kín Ziegler-Nichols 46 3.4 Tính tốn 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 47 3.4.3 Sơ đồ điều khiển vòng ngồi 54 CHƯƠNG 4: MƠ 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 mạch lực 62 4.2.3.2 Tính tốn 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 Trung tâm Học liệu tnu.edu.vn/ DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT PID Proportional Integral Derivative ĐK Điều khiển / t Đạo hàm riêng theo thời gian Đạo hàm riêng theo khơng gian x, y, z Q Nhiệt lượng Q Dòng nhiệt Iv Đối lưu Truyền dẫn D Hệ số khuếch tán [m /s] C Mật độ [kg/m ] Je Dòng lượng [W/m ] J0 Mơ men qn tính Tốc độ góc Thế u Nội -1o -1 Hệ số dẫn nhiệt [Wm C ] a -1 Hệ số dẫn nhiệt độ [m s ] Hệ số nhớt động học [Ns/m ] P Áp suất [N/m ] Số hóa Trung tâm Học liệu tnu.edu.vn/ xv Lượng vào xR Lượng t Nhiệt độ thực vật [ C] t* Nhiệt độ yêu cầu vật nung [ C] 0 Thời gian nung [s] l Chiều dầy thỏi [m] T Nhiệt độ kim loại [ C] -1 -4 Hệ số xạ [ W(m ) K ] C1 , C2 k1, k2, -1 -1 Hệ số truyền nhiệt đối lưu [ W(m ) C ] Tp1, Tp2 Nhiệt độ khí lò [ C] βsp, βm Các hệ số ghi ảnh hưởng hấp thụ Bức xạ Đối lưu h Chiều dầy mối lớp Hệ số truyền nhiệt tổng cộng bên , Cn Hệ số xạ quy dẫn Fm, Fs Diện tích mặt xạ vật liệu tường lò [m ] ε m, ε p Độ đen vật liệu khí T1 Nhiệt độ lớp [ C ] T7 WPID(P) Hàm truyền điều khiển PID Km Hệ số khuếch đại Ti Hằng số thời gian tích phân Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vii TD Hằng số thời gian vi phân Số hóa Trung tâm Học liệu tnu.edu.vn/ 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 Mơ hình chia lớp để tính nhiệt độ vật 27 Hình 2.4 Sơ đồ tính hệ số 28 Hình 2.5 Sơ đồ tính tính hệ số 29 Hình 2.6 Mơ hình tính phân bố nhiệt lớp 30 Hình 2.7 Đặc tính lớp nhiệt độ phơi theo nhiệt độ lò nung 31 Hình 3.1 Sơ đồ khối Simulink nhận dạng đối tượng 33 Hình 3.2 Đặc tính giá trị lấy mẫu lò chưa loại bỏ nhiễu 33 Hình 3.3 Đặc tính giá trị lấy mẫu lò loại bỏ nhiễu 34 Hình 3.4 Cửa sổ nhận dạng 35 Hình 3.5 Kết trình nhận dạng lò nhiệt 36 Hình 3.6 Sơ đồ nhiệt độ nhận dạng đối tượng 37 Hình 3.7 Đặc tính giá trị lấy mẫu vật chưa loại bỏ nhiễu 38 Hình 3.8 Đặc tính giá trị lẫy mẫu vật sau loại bỏ nhiễu 38 Hình 3.9 Cửa sổ nhận dạng vật nung 38 Hình 3.10 Kết nhận dạng vật nung 39 Hình 3.11 Điều khiển với 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 48 Số hóa Trung tâm Học liệu tnu.edu.vn/ Hình 4.5: IC khuyếch đại đo lường IN128 Hình 4.6 Hình ảnh mạch khuếch đại đo lường Bảng 4.1 Bảng tham chiếu nhiệt độ điện áp khuyếch đại (hệ số khuyếch đại K=250 lần) Nhiệt độ cặp nhiệt C Ura cặp nhiệt (v) Ura khuyếch đại(v) 1250 0.0506 12.65 1100 0.044528 11.132 1000 0.04048 10.12 900 0.036432 9.108 800 0.032384 8.096 700 0.028336 7.084 600 0.024288 6.072 500 0.02024 5.06 400 0.016192 4.048 300 0.012144 3.036 200 0.008096 2.024 100 0.004048 1.012 50 0.002024 0.506 4.2.3 Mạch động lực Hình 4.7 Hình ảnh mạch động lực 4.2.3.1 Thyristor dùng mạch Loại Thyristor dùng luận văn Thyristor CT200 Trung Quốc sản xuất có thơng số kỹ thuật sau : - Điện áp làm việc: 800-1600 (V) - Dòng điện cực đại cho phép: 200 (A) - Điện áp điều khiển: 2.5 (V) - Dòng điện dò (ngược): 150mA - Thời gian mở ton: 125 s - Thời gian khoá toff : 100 s Thyristor mở thoả mãn hai điều kiện :UAK > 0; IG > Khi thyristor chuyển sang trạng thái dẫn cực điều khiển khơng tác dụng Thyristor trở trạng thái khoá dòng điện IA < IH 4.2.3.2 Tính tốn bảo vệ van bán dẫn 66 Trong trình van hoạt động van phải làm mát để van khơng bị phá hỏng nhiệt Tuy nhiên, van bị hỏng van phải chịu tốc độ tăng dòng, tăng áp lớn Để tránh tượng dòng, áp van dẫn đến hỏng van ta phải có biện pháp thích hợp để bảo vệ van Biện pháp bảp vệ van thường dùng mắc mạch R, C song song van để bảo vệ áp mắc nối tiếp cuộn kháng để hạn chế tốc độ tăng dòng Do tải lò điện tải trở nên van có tín hiệu điều khiển mở dòng qua van tăng đột ngột với tốc độ tăng dòng lớn gây hỏng van Vì vậy, người ta cần phải mắc vào trước van cuộn dây để hạn chế tốc độ tăng dòng Cuộn dây dùng cuộn kháng bão hồ có đặc tính là: dòng qua cuộn kháng ổn định điện cảm cuộn kháng không lúc cuộn dây dẫn điện dây dẫn bình thường Hình 4.8 Bảo vệ dòng cho biến đổi Sau tính tốn bảo vệ chống tốc độ tăng dòng ta tính tốn bảo vệ áp cho van Người ta chia hai loại nguyên nhân gây nên áp: - Thứ (Nguyên nhân nội tại): tích tụ điện tích lớp bán dẫn Khi khố van thyristor điện áp ngược, điện tích nói đổi ngược lại hành trình, tạo dòng điện ngược thời gian ngắn Sự biến thiên nhanh chóng dòng điện ngược gây nên sức điện động cảm ứng lớn điện cảm, vốn ln ln có đường dây nguồn dẫn đến thyristor Vì vậy, anốt catốt thyristor xuất điện áp óa Trung tâm Học liệu Số h edu.vn/ http://www.lrctnu 67 - Thứ hai (Nguyên nhân bên ngoài) : Những nguyên nhân thường xảy ngẫu nhiên đóng cắt khơng tải máy biến áp đường dây, cầu chì bảo vệ nhẩy, có sấm sét Để bảo vệ điện áp tích tụ điện tích chuyển mạch gây nên người ta dùng mạch RC đấu song song với thyristor hình 4.10 Hình 4.10 Bảo vệ áp cho biến đổi 4.2.3.3 Phương pháp điều khiển Thyristor: Lò cung cấp nguồn xoay chiều 220V mắc nối tiếp với hai thyristor mắc song song ngược nên nửa chu kỳ có hai thyristor có khả mở có điện áp kích thích đặt vào cổng G Khi nhận tín hiệu điện áp điều khiển mà máy tính đưa thơng qua Card NIDAQ USB-6008, tạo xung tạo xung điện áp kích mở Thyristo Thời điểm đóng mở hai Thyristo T1 ,T2 định giá trị điện áp (công suất) cung cấp cho lò điều dẫn đến thay đổi nhiệt độ hệ thống lò gia nhiệt Số hóa Trung tâm Học liệu tnu.edu.vn/ 68 4.2.4 Card NIDAQ USB- 6008 Hình 4.11: Hình ảnh Card NIDAQ USB-6008 Đọc kênh analog vào card (độ phân giải 14-bit, 48 kS/s) Xuất analog (12-bit, 150 S/s); 12 kênh xuất/nhập tín hiệu số (digital I/O); Bộ đếm 32-bit Kết nối với USB máy tính để bàn (destop) máy sách tay Sử dụng phần mềm LabVIEW Matlab Tóm tắt thơng số kỹ thuật Card NI USB6008: Thông số chung Chuẩn kết nối USB Hỗ trợ hệ điều hành Windows, Linux, Mac OS, Pocket PC Kiểu đo Điện áp, xung Họ DAQ B Series Đọc tín hiệu Analog Số kênh Số hóa Trung tâm Học liệu SE/4 DI tnu.edu.vn/ 69 Tốc độ lấy mẫu 48 kS/s Độ phân giải 14 bits Trích mẫu đồng thời Không Ngưỡng điện áp giới hạn lớn -10 tới 10 V Độ xác 138 mV Ngưỡng điện áp nhỏ -1 V Độ xác 37.5 mV Số giới hạn Bộ nhớ tích hợp On-Board 512 B Xuất tín hiệu Analog Số kênh Tốc độ cập nhật 150 S/s Độ phân giải 12 bits Ngưỡng điện áp giới hạn lớn V Độ xác mV Ngưỡng điện áp giới hạn nhỏ V Độ xác mV Số hóa Trung tâm Học liệu tnu.edu.vn/ 70 Tín hiệu điều khiển dòng mA/10 mA điện (Kênh/Tổng) Các chân xuất/nhập tín hiệu số Số kênh 12 DIO Timing Software Logic Levels TTL Ngưỡng điện áp giới vào hạn lớn V Ngưỡng điện áp giới hạn lớn Số hóa Trung tâm Học liệu V tnu.edu.vn/ Dòng điện vào Sinking, Sourcing Bộ lọc vào lập trình No Output Current Flow Sinking, Sourcing Dòng điện (Kênh/Tổng) 8.5 mA/102 mA Bộ đếm hẹn (định) Số đếm/hẹn Độ phân giải 32 bits Tần số nguồn lớn MHz Độ rộng xung vào nhỏ 100 ns Mức logic TTL Ngưỡng cực đại V Độ ổn định 50 ppm Cho phép thực nhớ tạm (đêm) Yes Tác động (Triggering) Digital Kích thước card NI 6008 Dài 8.51 cm Rộng 8.18 cm Cao 2.31 cm Đầu nối vào Sử dụng tua vít để mở dễ dàng Sơ đồ chạy thực nghiệm : Hình 4.12 Sơ đồ điều khiển nhiệt độ lò với PI tính chọn Hình 4.13 Kết ghi lại máy tính Matlab-Toolbox Nhận xét kết thí nghiệm: Hình 4.13 (kết ghi lại máy tính Matlab-Toolbox), cho thấy nhận dạng lò điện trở-đối tượng có hàm truyền khâu qn tính bậc có trễ ; thiết kế điều khiển PID hiệu chỉnh tham số điều khiển PID để đạt yêu cầu mong muốn ⃰ ết luận chương 4: K Chương giải số vấn đề sau: Giới thiệu thiết bị dùng thí nghiệm, sơ đồ cấu trúc, sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển, mô hệ thống Matlab-Simulink Tiến hành thí nghiệm thực đánh giá kết thí nghiệm Cuối phần kết luận chung luận văn KẾT LUẬN – ĐÁNH GIÁ Luận văn thực công việc sau: - Đã tìm hiểu đối tượng nhiệt (đối tượng biến thiên chậm) - Nhận dạng lò điện trở-đối tượng có hàm truyền khâu qn tính bậc có trễ - Thiết kế điều khiển PID - Tiến hành thí nghiệm thực mơ hình lò điện trở, mơ đặc tính đường nhiệt độ qua phần mềm Matlab - Hiệu chỉnh tham số điều khiển PID để đạt yêu cầu mong muốn Đánh giá nội dung đề tài: Đề tài hoàn thành nội dung yêu cầu, ứng dụng nhiều lĩnh vực gia nhiệt khác như: tôi, ram, nhiệt luyện chi tiết khí, ủ vật liệu sắt từ, v v Đặc biệt đề tài dùng để giải tốn nung lò nung liên tục phục vụ cho công nghệ cán thép Những kiến nghị nghiên cứu Xây dựng quan sát trạng thái để lấy tín hiệu phản hồi nhiệt độ lớp phơi nung mục đích nâng cao độ xác điều khiển ta quan sát nhiệt độ lớp phôi nung từ lúc bắt đầu nung đến lúc kết thúc nung, qua muốn điều chỉnh nhiệt độ phôi nung ta việc điều chỉnh giá trị đặt nhiệt độ vào lò Nghiên cứu tốn điều khiển q trình gia nhiệt theo mục tiêu nung khác lò tĩnh với hình dạng phơi khác như: Phơi hình trụ, hình xuyến vv vv TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Nguyễn Hữu Công, Điều khiển tối ưu cho đối tượng có tham số phân bố, biến đổi chậm, Luận án tiến sỹ kỹ thuật 2003 [2] Nguyễn Hữu Công (1997), “Điều khiển tối ưu trình gia nhiệt” Luận văn thạc sỹ kỹ thuật, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội [3] Nguyễn Hoài Nam (2002), “ Xây dựng hệ thống Điều khiển lò nung liên tục” Đồ Án tốt nghiệp Đại học, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội [4] Nguyễn Hữu Công, Nguyễn Mạnh Tường(2000), Một nghiên cứu điều khiển tối ưu hệ thống có tham số biến đổi chậm, (VICA4 - 2000) [5] Nguyễn Mạnh Tường, Nguyễn Hữu Công(2002), Điều khiển tối ưu trình gia nhiệt- đối tượng có tham số phân bố, Tạp chí khoa học cơng nghệ số 36+37/2002 [6] Nguyễn Hữu Công(2007), Điều khiển tối ưu cho hệ với tham số phân bố có trễ, Tạp chí khoa học công nghệ trường đại học Kỹ thuật số 60 – 2007 [7].Nguyễn Hữu Công, Điều khiển tối ưu trình gia nhiệt, Đề tài NCKH cấp Bộ, mã số B98 - 01 – 27 Tiếng Anh [8] Cong N Huu; Nam N Hoai, Optimal control for a distributed parameter and delayed – time system based on the numerical method, Teth international conference on Control, Automotion, Robotics and vision( ICARCV’2008) [9] N.H.Cong, N.V.Minh; Continuous parallel-iterated RKN-type PC methods for non-stiff IVPs; Appled Numerical Mathematics 2007 [10] Moshfegh, Allen; Optimal Distributed Control System for a Linear Distributed Parameter System Patent, Filed 29 Aug 91, patented 12 Jul 94 [11] Q wang and Y.zu(PRC); optimal control of distributed – parameter [12] P.K.C.Wang (1963) "Optimum control of distributed parameter systems", Presented at the Joint Automatic Control Coference, Minneapolis, Minn.June, [13] Xunjing Li; Jiongmin Yong (1990), "Optimal control for a class of distributed parameter systems", Decision and control, Proceeding of the 29 th IEEE conference, Vol 4, pp 2319-2320 [14] Callier, F.M, Winkin J (1997) "Spectral factorization for distributed parameter systems in Decision and control", Proceeding of the 36 th IEEE conference , Vol 5, pp 4406- 4408 ... tnu.edu.vn/ * t : nhiệt độ yêu cầu vật nung : thời gian nung Với nội dung đề tài Nghiên cứu xây dựng mơ hình thiết kế điều khiển trường nhiệt độ phôi Ta chọn nghiên cứu điều khiển nhiệt độ theo giản... THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP TRẦN QUANG ĐẠT NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MƠ HÌNH VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỜNG NHIỆT ĐỘ TRONG PHÔI Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã... tiếp tục nghiên xây dựng mơ hình tính tốn cho từ nhiệt độ lò biết nhiệt độ vật CHƯƠNG NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH TỐN HỌC ĐỂ XÁC ĐỊNH TRƯỜNG NHIỆT ĐỘ TRONG PHÔI 2.1 Đặt vấn đề Yêu cầu cần thiết