ứng dụng bộ điều khiển kinh điển và bộ điều khiển mờ cho đối tượng công nghiệp lò nung cán thép

Trong các lò nung liên tục hiện nay các đại lượng cần điều chỉnh cơ bản là: Nhiệt độ lò, tỷ lệ nhiên liệu và không khí để đốt cháy, áp suất lò. Tuỳ theo độ phức tạp, và đặc điểm của các thiết bị lò, dạng nhiên liệuvà hệ thống cung cấpnhiên liệu, các hệ thống đo và điều chỉnh có thể khác nhau và có thêm những phần chức năng khác như điều chỉnh áp suất khí đốt, dầu madút, điều chỉnh nhiệt độ nung không khí. Sơ đồ đo và điều chỉnh lò nung liên tục 3 vùng phổ biến hiện nay được trình bày ở hình vẽ trang sau:

 Mục lục Trang Chương I : Tổng quan chung thiết bị điều chỉnh tự động 1.1 Chất lượng hệ thống điều khiển tự động…………………………… .4 1.1.1 Nguyên tắc điều khiển phân loại hệ thống diều khiển… ……… 1.1.1.1 Các nguyên tắc điều khiển …………………………………… ………5 1.1.1.2 Phân loại hệ thống điều khiển tự động…………………… ………5 1.1.1.3 Đặc tính độ hệ thống ĐKTĐ 1.1.2 Các tiêu chất lượng hệ thống ĐKTĐ………… …………………6 1.1.2.1 Chất lượng tĩnh……………………………………………………… 1.1.2.2 Chất lượng trình độ……………………… …………………7 1.1.2.3 Chất lượng hỗn hợp…………………………………………………… 1.2 Các quy luật điều chỉnh lý tưởng………………………………………… 10 1.2.1 Các quy luật điều chỉnh vị trí……………………………………… 10 1.2.1.1 Khái niệm điều chỉnh vị trí……………………………… 10 1.2.1.2 Quy luật điều chỉnh vi trí ………………………………………… 10 1.2.1.3 Quy luât điều chỉnh vi trí ………………………………………… 11 1.2.1.4 Quy luật điều chỉnh với cấu chấp hành có tốc độ khơng đổi……….11 1.2.2 Các quy luật điều chỉnh liên tục…………………………………………13 1.2.2.1 Quy luật điều chỉnh tỉ lệ (p) 13 1.2.2.2 Quy luật điều chỉnh tích phân (I) 16 1.2.2.3 Quy luật điều chỉnh tỉ lệ tích phân (PI) 18 1.2.2.4 Quy luật điều chỉnh vi phân (PD) 20 1.2.2.5 Quy luật điều chỉnh tỉ lệ vi tích phân (PID) 21 Chương II Bộ điều khiển PID 24 2.1 Thiết bị điều khiển PID 24 2.1.1 Cấu trúc PID 24 2.1.1.1 Cấu trúc PID khơng có phản hổi vị trí 24 2.1.1.2 Cấu trúc PID có phản hồi vị trí .28 2.1.1.3 Cấu trúc nối tiếp PI-PD 30 2.1.1.4 Cấu trúc nối tiếp PID-D 31 2.1.1.5 Giới thiệu số thiết bị điều chỉnh PID công nghiệp .32  a Thiết bị điều chỉnh PID khí nén 32 b Thiết bị điều chỉnh PID điện tử 32 c Thiết bị điều chỉnh PID dựa PLC 33 2.1.2 Tác động thành phần P, I, D 34 2.2 Chọn thông số tối ưu cho điều khiển tuyến tính 37 2.2.1 phương pháp đa thức đặc trưng có hệ số suy giảm thay đổi 37 2.2.1.1 phương pháp đa thức đặc trưng có hệ số suy giảm thay đổi cho hệ bậc 37 2.2.1.2 phương pháp đa thức đặc trưng có hệ số suy giản thay đổi cho hệ bậc cao .38 2.2.1.3 Xét ảnh hưởng tử số hàm truyền 39 2.2.2 phương pháp bù số thời gian trội 40 2.2.2.1 Khái niệm chung 40 2.2.2.2 Thiết kế điều chỉnh theo tiêu chuẩn phẳng .41 2.2.2.3 Thiết kế điều chỉnh cho hệ có hành vi tích phân 44 2.2.2.4 Thiết kế điều chỉnh theo tiêu chuẩn đối xứng 45 2.2.3 Phương phán thiết kế bù .48 Chương III Bộ điều khiển mờ 50 3.1 Khái niệm chung 50 3.1.1 Bộ điều khiển mờ 50 3.1.2 Ưu nhược điểm điều khiển mờ 51 3.1.3 Yêu cầu thiết kế điều khiển mờ 51 3.2 Mờ hoá  52 3.3 Quy luật suy diễn chế suy diễn mờ 52 3.3.1 Mệnh đề hợp thành 52 3.3.2 Quy tắc hợp thành 53 3.3.3 Luật hợp thành 55 3.3.3.1 Luật hợp thành điều kiện 56 3.3.3.2 Luật hợp thành nhiều điều kiện 59 3.3.3.3 Luật nhiều mệnh đề hợp thành 59 3.4 Giải mờ .63 3.4.1 Giải mờ theo phương pháp cực đại 64 3.4.1.1 Nguyên lý trung bình 64 3.4.1.2 Nguyên lý cận phải 65 3.4.1.3 Nguyên lý cận trái 65 3.4.2 Phương pháp điểm trọng tâm 66 3.4.2.1 Phương pháp cho luật hợp thành SUM-MIN .67 3.4.2.2 Phương pháp độ cao .68  3.5 Thiết kế điều khiển mờ 68 3.5.1 Thiết kế điều khiển mờ tĩnh 68 3.5.2 Thiết kế điều khiển mờ động 73 3.5.2.1 Thiết kế điều khiển mờ theo luật PID 74 3.5.2.2 Thiết kế điều khiển mờ theo luật I 74 3.5.2.3 Thiết kế điều khiển mờ theo luật PI 75 3.5.2.4 Thiết kế điều khiển mờ theo luật PD .76 Chương IV ứng dụng điều khiển kinh điển điều khiển mờ cho đối tượng công nghiệp 77 4.1 Tổng quan lò nung lên tục 77 4.1.1 KháI niệm lò nung liên tục 77 4.1.2 Các thông số kỹ thuật, kinh tế 78 4.1.2.1 Nhiệt độ kim loại 78 4.1.2.2 Lượng kim loại bị oxy hoá 79 4.1.2.3 Năng suất lò nung 79 4.1.3.4 Xuất tiêu hao nhiệt 80 4.1.3 Hệ thống đo điều chỉnh lò nung liên tục .80 4.1.4 Xây dựng hệ thống tự động khâu lò nung – máy cán .83 4.2 Thiết kế điều khiển cho đối tượng lò nung 85 4.2.1 Mơ hình tốn học đối tượng cơng nghiệp 85 4.2.1.1 Hàm truyền đối tượng 85 4.2.1.2 Chọn thiết bị đo 85 4.2.2 Thiết kế điều khiển PID 86 4.2.2.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống 86  4.2.2.2 Thiết kế điều khiển tương tự (PI) 87 4.2.3 Thiết kế điều khiển mờ .88 4.2.3.1 Thiết kế điều khiển mờ tĩnh .88 4.2.3.2 Thiết kế điều khiển mờ động 92 4.2.4 Kết mô với nhiễu đầu vào đầu 97 4.2.5 So sánh tín hiệu điều khiển mờ điều khiển thiết kế theo phương pháp kinh điển 98 CHƯƠNG I TỔNG QUAN CHUNG VỀ THIẾT BỊ ĐIỀU CHỈNH TỰ ĐỘNG 1.1 Chất lượng hệ thống điều khiển tự động Khoa học kỹ thuật ngày phát triển mạnh mẽ, hệ thống điều khiển tự động có vai trò vị trí quan trọng việc phát triển khoa học kỹ thuật công nghệ Thực tế lĩnhvự sống hàng ngày bị chi phối vài hệ thống điều khiển tự động như: hệ thống điều chỉnh máy điều hoà, máy giặt… Trong công nghiệp như: HTTĐ điều khiển máy công cụ, THĐK máy tính hệ thống kiểm sốt chất lượng sản phẩm, hệ thống điều khiển giao thông, lượng, robot… Một hệ thống điều e(t) y(t) r(t) U(t) khiển tự động có cấu trúc chung hình 1.1: Hệ thống điều khiển tự động bao gồm: Z(t) C (controller ) : thiết bị điều khiển O (object ) : Đối tng Hình 1.1 Cấu trúc chungcủa hệthốngđiều khiển tự động điều khiển M (Measuring Device): thiết bị đo lường R(t) : tín hiệu vào Y(y): tín hiệu U(t) : tín hiệu điều khiển tác động lên đối tượng O C O M  e(t) : tín hiệu sai lệch điều khiển z(t) : tín hiệu phản hồi f(t) : tín hiệu nhiễu tác động lên đối tượng O Thiết bị điều khiển phận quan trọng, tạo tín hiệu điều khiển u(t) để tác động vào đối tượng nhằm đảm bảo tín hiệu y(t) hệ thống thoả mãn tiêu chất lượng định trước Ở hình 1.1 Ta thấy đầu vào điều khiển sai lệch e(t) = r(t) – z(t) đầu điều khiển tín hiệu điều khiển u(t) Đối với điều khiển đơn giản có đầu vào đầu (SISO), điều khiển phức tạp điều khiển có nhiều đầu vào nhiều đầu (MIMO), Bộ điều khiển có nhiệm vụ trì ổn định hệ thống nghĩa điều chỉnh q trình hệ thống tiến tới giá trị xác lập 1.1.1 Nguyên tác điều khiển phân loại hệ thống điều khiển 1.1.1.1 Các nguyên tắc điều khiển Các hệ thống điều khiển tự động có nguyên tắc điều khiển bản: - Nguyên tắc điều khiển theo sai lệch - Nguyên tắc điều khiển theo phương pháp bù nhiễu - Nguyên tắc điều khiển hỗn hợp theo sail lệch bù nhiều 1.1.1.2 Phân loại hệ thống điều khiển tự động Hệ thống điều khiển tự động phân loại theo nhiều phương pháp khác là: - Hệ thống điều khiển tuyến tính, hệ thống điều khiển theo phi tuyến - Hệ thống liên tục, hệ thống rời rạc ( hệ xung - số) - Hệ tiền định, hệ thống ngẫu nhiên Hệ thống tối ưu: hệ thống điều khiển phức tạp, thiết bị điều khiển có chức tổng hợp tín hiệu u(t) tác động lên đối tượng nhằm chuyển trạng thái điều khiển tự động từ trạng thái đầu đến trạng thái cuối với khoảng thời gian nhắn làm cho hệ đạt độ xác điều khiển cao  Hệ thống điều khiển thích nghi (hay gọi hệ thống tự chỉnh) hệ thống có khả thích ứng tự động biến đổi điều kiện môi trường đặc tính đối tượng Hiện hệ thống thích nghi sử dụng rộng rãi như: thiết bị tĩnh, kỹ thuật số, hệ thống có ghép nối với vi xử lý máy tính 1.1.1.3 Đặc tính độ hệ thống ĐKTĐ Một hệ thống ĐKTĐ gọi ổn định tín hiệu hệ thống tắt dần theo thời gian để mơ tả q trình động hay q trình tắt dần hệ thống theo thời gian , người ta dùng đặc tính độ Như đặc tính q độ để mơ tả trình độ hệ thống y(t) ymax  y() t tm tqd Hì nh 1.2 Đ ặ c tính độ hệthống ổ n định theo thêi gian 1.1.2 Các tiêu chất lượng hệ thống ĐKTĐ Chất lượng động đánh giá phương pháp tính tốn hay phương pháp dùng đồ thị gần tính tốn nhiều thời gian Nếu biết trước cấu trúc thông số hệ, phương pháp mơ hình hố máy tính vừa nhanh, vừa đảm bảo độ xác tin cậy y(t) ymax   y() t tm tqd Hình 1.3 Hàm độ y(t) vớ i tín hiệu vµo x(t)=1(t)  Với hình 1.3 hàm q độ y(t) với đáp ứng hệ tín hiệu vào nấc bậc thang đơn vị x(t) = 1(t) có tiêu chất lượng động sau:  Lượng điều chỉnh % = y max  y   y   % : lượng điều chỉnh Y() : giá trị xác lập đại lượng Y(max): giá trị cực đại  Thời gian độ (tqd ) thời gian tính từ lúc hàm độ xem không lớn miền sai số  5% y()  Độ tác động nhanh : Độ tác động nhanh hệ thống đấnh giá thời gian tm thời điểm mà hàm độ có giá trị cực đại ymax  Số lần dao động (n) : Là số lần dao động quanh trị số xác lập y() trước kết thúc trình độ 1.1.2.1 Chất lượng tĩnh: Ở hệ điều chỉnh, chất lượng đánh giá theo sai lệch tĩnh e = lim e t  e  t  trường hợp chung, cấu điều khiển đối tượng điều khiển có hàm truyền tương ứng với: W  s  Wdk  t .Wdt  s  Wdk(s) : hàm truyền điều khiển Wdt(s) : hàm truyền đối tượng Theo định nghĩa giới hạn, sai lệch tĩnh xác định bởi: e lim e t  lim sE  s  t  s Như ta thấy sai lệch tĩnh phụ thuộc vào cấu trúc thông số hệ thống tín hiệu vào hệ điều khiển tín hiệu vào có dạng bậc thang đơn vị (đại lượng tương đối) x(t) = 1(t), X(s) = 1/s : s  W  s  e lim Khi hệ thống khâu qn tính đơn giản :  e lim Ts  1  s  Ts  k  1 k lim k Ts  Sai lệch tĩnh tỉ lệ nghịch với hệ số khuếch đại k., muốn giảm sai lệch tĩnh cần tăng kệ số khuếch đại k hệ thống s 1 1.1.2.2 Chất lượng trình độ: Chất lượng trình độ đánh giá qua tiểu lượng điều chỉnh %, thời gian độ tqd, thời gian đáp ứng tm , thời gian có điều chỉnh t Có hai phương pháp đánh giá chất lượng phương pháp trực tiếp phương pháp gián tiếp Phương pháp trực tiếp sở việc đo xác nhận chất lượng hệ theo tín hiệu đầu hàm độ phương pháp gián tiếp xác định ảnh hưởng điều chỉnh … trình độ  Phương pháp trực tiếp Nội dung phương pháp xây dựng đặc tính q trình nên phương pháp giải phương trình vi phân tuyến tính, phương pháp toán tử đơn giản hoá phần việc tính tốn, thời gian dài, phương pháp tần số sở mối liên hệ làm độ đặc tính tần biên pha cho phép xây dựng đồ thị hàm độ h(t) hệ thống theo đặc tính tần số mẫu Với phát triển máy tính, máy chun dùng tương tự cho phép mơ hình hố hệ tự động theo thương trình vi phân hay theo hàm truyền đạt để nghiên cứu, khảo sát đánh giá chất lượng hệ Ngày máy tính số phát triển mạnh mẽ nhanh chóng với dung lượng nhớ lớn không ngừng thay máy tính tương tự mà cho phép khảo sát đánh giá hệ tự động với tốc độ độ xác ngày cang cao Trong lĩnh vực nghiên cứu hệ tự động phần mền chuyên dùng TUTSIN, MATLAB… dùng để mô nghiên cứu, khảo sát mà điều khiển trực tiếp hệ tự động, khơng phải lập trình phức tạp, thao tác đơn giản dễ sử dụng  Phương pháp gián tiếp Với hệ bậc hai, mối quan hệ giứa số dao động Mp  W p  Mp  k Wk o  p tần số biên độ cực đại với % tqd, tm , c , o Cũng mối liên hệ k, T với số chất lượng nói đânh giá xác theo định lượng Những mối quan hệ áp dụng cho đặc tính tần Trong kỹ thuật tự động thơng dụng tốn đồ Nichols (hình 5.4 trang 143, sách Lý thuyết điều khiển tự động thông thường đại PGS-TS: Nguyễn Thương Ngơ) Trục tung có trị số L() hay W  j  hệ hở Trục hoành độ dịch pha hệ hở  Những đường đồng mức biên tần hệ kín theo đặc tính hệ hở Thơng thường q trình q độ chất lượng chấp nhận với: % =(1030)% c =(3050)%, Mp =1,11,5 Với hệ pha cực tiểu, đặc tính tần số logarit L() có độ nghiêng -20 db/dec phía tần số L   db/dec cắt c (như hình 1.2 ) đoạn  db/dec thẳng dài, độ dự trữ ổn định pha lớn số dao động Mp bé hình 1.4 có đặc tính L() mẫu sử dụng    db/dec c H× nh 1.    db/dec toán đồ để thể mối liên hệ thơng số đặc tính tần hệ hở với số đặc tính tần hệ kín hàm độ 1.1.2.3 Chất lượng hỗn hợp: Ở mức độ đó, chất lượng động chất lượng tĩnh đánh giá theo tiêu chuẩn hỗn hợp, phương pháp đánh giá thuận tiện cơng việc tính tốn & thưc nghiệm để phân tích tổng hợp hệ tối ưu Nếu tín hiệu y(t) với sai lệch e(t) không dao động quanh trị số xác lập y() dùng tiêu chuẩn phân dạng  4.2.2.2 Thiết kế điều khiển tương tự (PI) Vì đối tượng khâu qn tính bậc có trễ nên em chọn điều khiển cho đối tượng khâu PI, thực thiết kế theo tiêu chuẩn phẳng Các bước thiết kế điều khiển trình bày sau: Hàm truyền điều khiển PI có dạng: Wdc(p) = n.  i. Trong ta có: Tn = T1 = 225 Ti = 2.K.Tb = 2.0.96154.60 = 115,3846 225.  Vậy điều khiển có dạng: Wdc(p) = 115,3846. Ta thu kết mô sau: Sơ đồ cấu trúc với điều khiển PI tương tự Với tín hiệu vào x(t) = 10 (v) thu kết sau:  4.2.3 Thiết kế điều khiển mờ 4.2.3.1 Thiết kế điều khiển mờ tĩnh Sơ đồ cấu trúc sau: Miền giá trị vật lý biến ngôn ngữ sau: Sai lệch E chọn miền giá trị từ -3 đến 10 Sai lệch Udk chọn miền giá trị từ -5 đến 25 a Số lượng tập mờ E  E1,E2,E3,E4,E5 Udk  Udk1,Udk2, Udk3,Edk4, Udk5 b Hàm liên thuộc đầu vào E có dạng  c Hàm liên thuộc Udk có dạng: d Xây dựng luật điều khiển  Cụ thể sau: 1: E = mf1 Udk = mr1 2: E = mf2 Udk = mr2 3: E = mf3 Udk = mr3 4: E = mf4 Udk = mr4 5: E = mf5 Udk = mr5 6: E = mf5 Udk = mr4 7: E = mf4 Udk = mr5 8: E = mf3 Udk = mr2 9: E = mf2 Udk = mr3 10: E = mf1 Udk = mr e Ta có quan hệ tín hiệu vào hình vẽ:  Chọn luật hợp thành max- Chọn phương pháp giải mờ centroid Cụ thể sau: Ta có kết mô sau:   4.2.3.2 Thiết kế điều khiển mờ động a Sơ đồ cấu rúc có dạng sau: Miền giá trị vật lý biến ngôn ngữ đầu vào Sai lệch E chọn miền giá trị từ -0.1 đến 10 Sai lệch D chọn miền giá trị từ -0.08 đến 0,003 Sai lệch Udk chọn miền giá trị từ -0.1 đến 0.07 b Số lượng tập mờ E  E1,E2,E3,E4,E5 E D1,D2,D3,D4,D5 Udk  Udk1,Udk2, Udk3,Edk4, Udk5 c Hàm liên thuộc đầu vào E có dạng:  d Hàm liên thuộc D có dạng: e.Hàm liên thuộc Udk có dạng:   Cụ thể sau: 1: E = mf1 D = mg Udk = mr1 2: E = mf D = mg Udk = mr 3: E = mf D = mg Udk = mr 4: E = mf D = mg Udk = mr 5: E = mf D = mg Udk = mr 6: E = mf D = mg Udk = mr 7: E = mf D = mg Udk = mr 8: E = mf D = mg Udk = mr 9: E = mf D = mg Udk = mr 10: E = mf D = mg Udk = mr 11: E = mf D = mg Udk = mr 12: E = mf D = mg Udk = mr 13: E = mf D = mg Udk = mr 14: E = mf D = mg Udk = mr 15: E = mf D = mg Udk = mr 16: E = mf D = mg Udk = mr Chọn luật hợp thành max- Chọn phương pháp giải mờ centroid  Ta có quan hệ tín hiệu vào hình vẽ: Ta có kết mơ kết sau:  Sơ đồ cấu trúc tổng thể sau: Tín hiệu đầu lò ứng với ĐK khác (giá trị đặt x(t)= 10 (v)  4.2.4 Các kết mô với nhiễu đầu vào đầu Sơ đồ cấu trúc kể đến nhiễu đầu vào đầu ra: Sơ đồ mô tìn hiệu chịu tác động nhiễu:  4.2.5 So sánh tín hiệu điều khiển mờ điều khiển thiết kế theo phương pháp kinh điển: So sánh đặc tính hai điều khiển ta thấy: Bộ điều khiển thiết kế theo phương pháp kinh điển tác động nhanh điều khiển mờ, khơng có sai lệch tĩnh Với điều khiển mờ tĩnh ổn định lân cận tín hiệu đặt, tồn sai lệch tĩnh Với điều khiển mờ động (PI) thi triệt tiêu sai lệch tĩnh, triệt tiêu nhiễu tác động chậm điều khiển tương tự Với điều khiển mờ (mờ động) tham số đối tượng thay đổi sử dụng điều khiển trước  ... luật PD .76 Chương IV ứng dụng điều khiển kinh điển điều khiển mờ cho đối tượng công nghiệp 77 4.1 Tổng quan lò nung lên tục 77 4.1.1 KháI niệm lò nung liên tục 77... điều chỉnh lò nung liên tục .80 4.1.4 Xây dựng hệ thống tự động khâu lò nung – máy cán .83 4.2 Thiết kế điều khiển cho đối tượng lò nung 85 4.2.1 Mơ hình tốn học đối tượng. .. khiển u(t) Đối với điều khiển đơn giản có đầu vào đầu (SISO), điều khiển phức tạp điều khiển có nhiều đầu vào nhiều đầu (MIMO), Bộ điều khiển có nhiệm vụ trì ổn định hệ thống nghĩa điều chỉnh