Điều khiển và giám sát hệ thống nung

Điều khiển và giám sát hệ thống nung Điều khiển và giám sát hệ thống nung Điều khiển và giám sát hệ thống nung luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

BÙI ĐÌNH NAM BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - BÙI ĐÌNH NAM ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT HỆ THỐNG NUNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH : ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA KHỐ: 2010 Hà Nội – 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - BÙI ĐÌNH NAM ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT HỆ THỐNG NUNG NGÀNH : ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS NGUYỄN VĂN HÒA Hà Nội – 2013 Điều khiển giám sát hệ thống nung Bùi Đình Nam LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan luận văn thạc sĩ với đề tài: “Điều khiển giám sát hệ thống nung” tự thực hướng dẫn thầy giáo TS Nguyễn Văn Hòa Các số liệu kết hoàn toàn trung thực Ngoài tài liệu tham khảo dẫn cuối luận văn, đảm bảo khơng chép cơng trình kết người khác Nếu phát có sai phạm với điều cam đoan trên, tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm Học viên Bùi Đình Nam i Điều khiển giám sát hệ thống nung Bùi Đình Nam MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i MỤC LỤC ii DANH MỤC CÁC BẢNG .iv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .v LỜI MỞ ĐẦU .1 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH NUNG I.1 Các đặc trưng trình nung I.1.1 Định nghĩa I.1.2 Quá trình truyền nhiệt I.1.3.Quá trình nung .5 I.1.3.1 Phân loại trình nung: I.1.3.2 Đặc trưng cơng nghệ q trình nung I.1.3.3 Điều khiển trình nung I.2 Lò nung .7 I.2.1 Định nghĩa I.2.2 Phân loại I.2.2.1 Phân loại theo nguồn nhiệt sử dụng I.2.2.2 Phân loại theo đặc điểm công nghệ I.2.2.3 Phân loại theo chế độ công tác nhiệt 10 I.3.Mơ hình tính tốn phân bố nhiệt độ vật nung 11 I.3.1.Bài toán truyền nhiệt bên vật: 13 I.3.2.Mơ mơ hình tốn học vật Matlab 19 CHƯƠNG II: XÂY DỰNG HỆ THỐNG KHẢO SÁT QUÁ TRÌNH NUNG 22 II.1.Lò điện trở 23 II.2.Mạch khuếch đại thiết bị cảm biến đo .27 II.3.Mạch giao tiếp với máy tính 31 II.4.Máy tính 34 II.5 Thyristor 37 ii Điều khiển giám sát hệ thống nung Bùi Đình Nam II.6.Mạch điều khiển cơng suất 40 CHƯƠNG III: KHẢO SÁT QUÁ TRÌNH NUNG .47 III.1.Xác định mơ hình tốn học lị điện trở 47 III.2.Khảo sát chỉnh định mơ hình vật nung 52 III.3.Khảo sát mơ hình lý thuyết sở mô Matlab .57 III.3.1 Điều khiển lò với SPlò= 5000C 57 III.3.2 Điều khiển lò với SPlị hàm tăng tuyến tính lên 5000C .59 III.3.3 Xây dựng điều khiển PID lớp ổn định nhiệt độ cho lò vật 62 III.3.4.Khảo sát điều khiển PID lớp với SPlò chỉnh định theo thời gian 64 III.4.Khảo sát hệ thống thực 67 III.4.1 Khảo sát điều khiển hệ thống lò nung thực với SPlò=5000C 67 III.4.2 Khảo sát điều khiển hệ thống lò nung thực với SPlị tăng tuyến tính đến 5000C 68 III.4.3.Khảo sát hệ thống lò nung thực với điều khiển PID lớp, SPlò tăng tuyến tính lên 5000C 70 III.4.4.Khảo sát hệ thống lò nung thực với điều khiển PID lớp, SPlò chỉnh định theo thời gian 72 KẾT LUẬN 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 iii Điều khiển giám sát hệ thống nung Bùi Đình Nam DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng II.1: Các thông số hoạt động TCA785 40 Bảng II.2: Kí hiệu chức chân TCA 785 41 iv Điều khiển giám sát hệ thống nung Bùi Đình Nam DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình I.1: Mơ hình chia lớp vật nung 18 Hình I.2: Sơ đồ mô vật nung 19 Hình I.3: Sơ đồ tính tốn α1 20 Hình I.4: Sơ đồ tính tốn γ .20 Hình I.5: Đáp ứng nhiệt độ mơ hình vật lý thuyết 20 Hình II.1: Sơ đồ hệ thống thiết bị 22 Hình II.2: Cấu tạo lò điện trở 24 Hình II.3: Hình ảnh thực tế lò điện trở .25 Hình II.4: Hình ảnh thực tế nung 26 Hình II.5: Mạch điện trở nung 26 Hình II.6: Hình ảnh thực tế phôi nung 27 Hình II.7: Biểu đồ sức điện động cặp nhiệt điện theo nhiệt độ .28 Hình II.8: Sơ đồ mắc cặp nhiệt điện 29 Hình II.9: Sơ đồ mạch khuếch đại 29 Hình II.10: Sơ đồ chân µA741 .30 Hình II.11: Sơ đồ chân TL082 .31 Hình II.12: Sơ đồ chân PIC18F887 32 Hình II.13: Sơ đồ mạch khuếch đại kết nối RS232 34 Hình II.14: Sơ đồ mạch khối điều khiển Thyristor 37 Hình II.15: Thyristor 37 Hình II.16: Đặc tính Volt-ampe Thyristor 39 Hình II.17: Sơ đồ mạch cấu tạo bên TCA785 42 Hình II.18: Sơ đồ tín hiệu chân TCA785 .43 Hình II.19: Sơ đồ mạch điều khiển công suất 44 Hình II.20: Mạch đấu dây PIC Max 232 45 Hình II.21: Mạch đấu dây TCA 785 biến áp xung .45 Hình II.22: Mạch khuyếch đại 46 Hình III.1: Đường đặc tính đối tượng qn tính bậc có trễ .48 v Điều khiển giám sát hệ thống nung Bùi Đình Nam Hình III.2: Sơ đồ nhận dạng đối tượng SIMULINK 49 Hình III.3: Kết nhận dạng 49 Hình III.4: Mơ hình đối tượng có trễ 50 Hình III.5: Mơ hình điều khiển đối tượng có trễ .51 Hình III.6: Đáp ứng lò với điều khiển PI .52 Hình III.7: Mơ hình Simulink 53 Hình III.8: Mơ hình nhiệt độ thực vật nung .53 Hình III.9: Mơ hình lý thuyết vật nung 54 Hình III.10: Mơ hình lý thuyết vật nung sau chỉnh định 54 Hình III.11: Sơ đồ mơ điều khiển lị với SPlị=5000C 55 Hình III.12: Nhiệt độ vật mơ với SPlị= 5000C .55 Hình III.13: Điều khiển lị nung với SPlò số 57 Hình III.14: Mơ hình simulink với SPlị số 57 Hình III.15: Phân bố nhiệt độ theo lớp vật nung 58 Hình III.16: Sai lệch nhiệt độ mặt mặt 58 Hình III.17: Đường đặc tính giá trị đặt lò nung 59 Hình III.18: Khảo sát với vật nung lý thuyết 60 Hình III.19: Phân bố nhiệt độ lớp vật nung 60 Hình III.20: Hiệu nhiệt độ mặt mặt 61 Hình III.21: Sơ đồ điều khiển PID lớp 62 Hình III.22: Mơ hình simulink điều khiển lớp PID .63 Hình III.23: Đáp ứng nhiệt độ lớp vật nung .63 Hình III.24: Chênh lệch nhiệt độ mặt mặt 64 Hình III.25: Mơ hình điều khiển lớp PID với tín hiệu điều khiển thay đổi 65 Hình III.26: Đáp ứng nhiệt độ lớp tín hiệu điều khiển thay đổi 65 Hình III.27: Hiệu nhiệt độ lớp tín hiệu điều khiển thay đổi 66 Hình III.28: Mơ hình khảo sát với đối tượng thật .67 Hình III.29: Đáp ứng nhiệt độ với đối tượng thật .67 vi Điều khiển giám sát hệ thống nung Bùi Đình Nam Hình III.30: Mơ hình điều khiển hệ thống lị nung thực với SPlị tăng tuyến tính đến 500oC 68 Hình III.31: Đáp ứng nhiệt độ lò vật thực tế 69 Hình III.32: Hiệu nhiệt độ lớp lớp với vật thực tế 69 Hình III.33: Mơ hình điều khiển lớp PID với với vật thực tế 70 Hình III.34: Đáp ứng nhiệt độ với lớp điều khiển PID 71 Hình III.35: Hiệu nhiệt độ với điều khiển PID 71 Hình III.36: Mơ hình điều khiển lớp PID với Splị chỉnh định theo thời gian 72 Hình III.37: Đáp ứng với điều khiển lớp PID, Splò chỉnh định theo thời gian 73 Hình III.38: Hiệu nhiệt độ với điều khiển lớp PID, Splò chỉnh định theo thời gian 73 vii Điều khiển giám sát hệ thống nung Bùi Đình Nam LỜI MỞ ĐẦU Đối tượng nhiệt đối tượng đóng vai trị quan trong ngành cơng nghiệp đặc tính đối tượng nhiệt có tham số thay đổi khó xác định, có qn tính lớn Chính vậy, việc điều khiển đối tượng vấn đề tương đối phức tạp Trong đó, lị cơng nghiệp thiết bị sử dụng rộng rãi nhiều ngành công nghiệp ngành luyện kim để nấu quặng, luyện gang thép, nấu luyện kim loại hợp kim màu, nung kim loại ngành vật liệu xây dựng để nung vôi, nung gạch, nung clinke sản xuất xi măng, nấu chảy men, nấu thuỷ tinh Hiện kỹ thuật nung, người ta thường giải toán điều khiển nhiệt độ lò nung cho thoả mãn tiêu chất lượng nhiệt độ khơng gian lị Tuy nhiên chất lượng sản phẩm trình nung khơng phụ thuộc vào nhiệt độ lị mà phụ thuộc vào trường nhiệt độ vật, độ đồng nhiệt độ lớp vật nung Vì vậy, tơi chọn luận văn “Điều khiển giám sát hệ thống nung” hướng dẫn thầy giáo TS Nguyễn Văn Hịa Mục đích luận văn điều khiển phân bố nhiệt độ vật nung thoả mãn số tiêu kỹ thuật đề như: đạt yêu cầu nhiệt độ cho trước, thời gian nung phạm vi cho phép đạt độ đồng theo yêu cầu toàn vật nung Phạm vi nghiên cứu luận văn bao gồm tìm hiểu q trình nung, xây dựng mơ hình tốn học chia lớp vật nung, xây dựng hệ thống điều khiển giám sát lò nung, nhận dạng lò nung vật nung thực tế, khảo sát trình nung với điều khiển PID lớp lớp Phương pháp nghiên cứu: Phân tích, đánh giá chỉnh định mơ hình tốn học vật nung cho phù hợp với thực tế, tiến hành mô Matlab sau khảo sát mơ hình thực Trang / 76 Điều khiển giám sát hệ thống nung Bùi Đình Nam III.3.3 Xây dựng điều khiển PID lớp ổn định nhiệt độ cho lò vật • Sơ đồ hệ thống: Hình III.21: Sơ đồ điều khiển PID lớp Phân tích tốn : Ta có điều khiển Wđk1 dùng để điều khiển nhiệt độ lò nhiệt độ đặt Điểm đặt SPlị 5000C, nhiệt độ đặt tăng tuyến tính lên 5000C Wlò hàm truyền lò điều khiển nguồn điện xoay chiều 220V Ta có điều khiển Wđk2 dùng để điều khiển nhiệt độ khối lò vật để hiệu lớp lớp vật số cho trước SP vật (đo nhiệt độ lớp lớp nhờ cảm biến đo nhiệt độ) Dễ thấy điều khiển Wđk1 dùng để ổn định nhiệt độ lị khơng đổi 5000C vòng điều khiển Wđk2 điều khiển vịng ngồi • Q trình vận hành điều khiển: Như ta biết yêu cầu tốn điều khiển khơng làm cho nhiệt độ lị khơng đổi, mà cịn làm cho hiệu nhiệt độ mặt mặt vật đạt giá trị mong muốn, để dảm bảo chất lượng vật nung Vì điều khiển nhiệt độ lị Wđk1 chưa đáp ứng yêu cầu thứ hai Đưa thêm điều khiển Wđk2 có nhiệm vụ chỉnh định cho đạt yêu cầu Đến nhiệt độ đạt thiết lập 5000C điều khiển Wđk2 tự ngắt ra, hoàn thành tiêu chất lượng vật nung Trang 62 / 76 Điều khiển giám sát hệ thống nung Bùi Đình Nam • Xây dựng điều khiển Wđk2: Theo kinh nghiệm ta xác định điều khiển Wđk2 khâu khuếch đại với Kd=1,5 Yêu cầu toán ta hiệu nhiệt độ mặt khơng vượt q 2000C • Tiến hành mơ phỏng: Sơ đồ Simulink: Hình III.22: Mơ hình simulink điều khiển lớp PID Mơ hình nhiệt độ lị, vật với điều khiển PID lớp: Hình III.23: Đáp ứng nhiệt độ lớp vật nung Trang 63 / 76 Điều khiển giám sát hệ thống nung Bùi Đình Nam Hiệu nhiệt độ mặt mặt dưới: 250 200 150 100 50 0 x 10 Hình III.24: Chênh lệch nhiệt độ mặt mặt Nhận xét: Nhiệt độ vật nung giữ mức ổn định 2000C Sau 40000s, nhiệt độ lò ổn định mức 5000C III.3.4.Khảo sát điều khiển PID lớp với SPlò chỉnh định theo thời gian Ta sử dụng tín hiệu điều khiển Wđk2 để chỉnh định SPlị Với thơng số Wđk2 Wđk1 giữ nguyên Sơ đồ Simulink: Trang 64 / 76 Điều khiển giám sát hệ thống nung Bùi Đình Nam Hình III.25: Mơ hình điều khiển lớp PID với tín hiệu điều khiển thay đổi Đường nhiệt độ lò vật lúc là: Hình III.26: Đáp ứng nhiệt độ lớp tín hiệu điều khiển thay đổi Trang 65 / 76 Điều khiển giám sát hệ thống nung Bùi Đình Nam Hiệu nhiệt độ mặt mặt dưới: 250 200 150 100 50 0 x 10 Hình III.27: Hiệu nhiệt độ lớp tín hiệu điều khiển thay đổi Nhận xét: Với SPlò hiệu chỉnh theo thời gian, nhiệt độ vật nung ổn định tốt Trang 66 / 76 Điều khiển giám sát hệ thống nung Bùi Đình Nam III.4.Khảo sát hệ thống thực III.4.1 Khảo sát điều khiển hệ thống lò nung thực với SPlò=500oC Sau tiến hành khảo sát hệ thống điều khiển lị nung với mơ hình lý thuyết, ta áp dụng thơng số điều khiển vừa thu để tiến hành khảo sát với hệ thống thực Sơ đồ điều khiển hệ thống sau: Hình III.28: Mơ hình khảo sát với đối tượng thật Khi ta có đáp ứng nhiệt độ lò vật: 600 500 400 300 200 100 0 0.5 1.5 2.5 3.5 4.5 x 10 Hình III.29: Đáp ứng nhiệt độ với đối tượng thật Trang 67 / 76 Điều khiển giám sát hệ thống nung Bùi Đình Nam Nhận xét: Với điều khiển PI ta thiết kế cho chất lượng điều khiển tốt Thời gian đáp ứng 50000s Tuy nhiên độ chênh nhiệt độ lớp lớn, chưa đáp ứng yêu cầu đề III.4.2 Khảo sát điều khiển hệ thống lò nung thực với SPlị tăng tuyến tính đến 5000C Với giá trị đặt cố định mà ta tiến hành đáp ứng lị tốt, nhiên độ chênh nhiệt độ chưa đáp ứng yêu cầu nên ta cần tiến hành khảo sát với giá trị đặt thay đổi tuyến tính khoảng thời gian 40000s Ta có sơ đồ điểu khiển simulink hình dưới: Hình III.30: Mơ hình điều khiển hệ thống lò nung thực với SPlò tăng tuyến tính đến 500oC Trang 68 / 76 Điều khiển giám sát hệ thống nung Bùi Đình Nam Nhiệt độ lò vật: 600 500 400 300 200 100 0 0.5 1.5 2.5 3.5 4.5 x 10 Hình III.31: Đáp ứng nhiệt độ lị vật thực tế Hiệu nhiệt độ mặt mặt dưới: Hình III.32: Hiệu nhiệt độ lớp lớp với vật thực tế Trang 69 / 76 Điều khiển giám sát hệ thống nung Bùi Đình Nam Nhận xét: thời điểm 40000s hiệu nhiệt độ mặt mặt đạt max 2400C Vậy tín hiệu đặt SPlị phù hợp với tốn điều khiển thực III.4.3.Khảo sát hệ thống lị nung thực với điều khiển PID lớp, SPlò tăng tuyến tính lên 5000C Với mục tiêu giảm độ chênh lệch nhiệt độ lớp nữa, ta tiến hành khảo sát lò nung sử dụng điều khiển với sơ đồ Simulink sau: Hình III.33: Mơ hình điều khiển lớp PID với với vật thực tế Trang 70 / 76 Điều khiển giám sát hệ thống nung Bùi Đình Nam Nhiệt độ vật lị: Hình III.34: Đáp ứng nhiệt độ với lớp điều khiển PID Hiệu nhiệt độ mặt mặt dưới: Hình III.35: Hiệu nhiệt độ với điều khiển PID Trang 71 / 76 Điều khiển giám sát hệ thống nung Bùi Đình Nam Nhận xét: Dựa vào đồ thị ta nhận thấy khoảng thời gian đầu hiệu nhiệt độ lớp chênh lệch cao, sau giữ mức cân khoảng 2000C đến 2200C III.4.4.Khảo sát hệ thống lò nung thực với điều khiển PID lớp, SPlò chỉnh định theo thời gian Sơ đồ Simulink điều khiển: Hình III.36: Mơ hình điều khiển lớp PID với Splò chỉnh định theo thời gian Trang 72 / 76 Điều khiển giám sát hệ thống nung Bùi Đình Nam Nhiệt độ vật lị: 600 500 400 300 200 100 0 0.5 1.5 2.5 3.5 4.5 x 10 Hình III.37: Đáp ứng với điều khiển lớp PID, Splò chỉnh định theo thời gian Hiệu nhiệt độ mặt mặt dưới: 300 250 200 150 100 50 -50 0.5 1.5 2.5 3.5 4.5 x 10 Hình III.38: Hiệu nhiệt độ với điều khiển lớp PID, Splò chỉnh định theo thời gian Trang 73 / 76 Điều khiển giám sát hệ thống nung Bùi Đình Nam Nhận xét: So với phương pháp chọn SPlò tăng tuyến tính lên 5000C, phương pháp chọn SPlị hiệu chỉnh theo thời gian cho kết tốt hơn, hiệu nhiệt độ hai lớp ổn định hơn, nhiệt độ lò ổn định giá trị đặt 5000C Như vậy, với phương án thiết kế điều khiển PID lớp cho hệ lò vật, với tham số điều khiển nêu ta thực thành cơng việc ổn định nhiệt đồ lò nhiệt độ vật nung Tuy nhiên có số điểm cần phải khắc phục: • Trong khoảng thời gian đầu hiệu nhiệt độ mặt mặt tăng nhanh, đạt mức 2700C • Trong khoảng thời gian từ 20.000s đến 40.000s, hiệu nhiệ độ mặt mặt lên tới 2100C, cao so với giá trị đặt 2000C Đối với nhược điểm nêu trên, em xin đề xuất phương pháp khắc phục sau: • Hiệu chỉnh mơ hình lý thuyết cho đường độ mặt đặt độ xác cao • Tăng hệ số khuếch đại Wđk2 Trang 74 / 76 Điều khiển giám sát hệ thống nung Bùi Đình Nam KẾT LUẬN Những kết đạt được: • Xây dựng mơ hình tốn học vật nung với phương pháp đạo hàm số phương pháp xấp xỉ Chỉnh định mô hình vật nung theo với đáp ứng vật nung thực tế • Kế thừa phát triển mạch giao tiếp PIC 16f887 đọc điểm nhiệt độ, xây dựng hệ thống khảo sát lị nung hồn chỉnh • Thiết kế điều khiển khảo sát trình nung mô thực nghiệm Hướng phát triển đề tài: • Xây dựng thuật tốn nhận dạng đối tượng khác sử dụng fuzzy, mạng neural … • Sử dụng card giao tiếp để xuất/nhập tín hiệu điều khiển, tín hiệu đo để điều khiển giám sát lị nung Tăng độ xác độ ổn định cho hệ thống Trang 75 / 76 Điều khiển giám sát hệ thống nung Bùi Đình Nam TÀI LIỆU THAM KHẢO Sách thao khảo: [1] Hoàng Kim Cơ, Đỗ Ngân Thanh, Dương Đức Hồng (2006), Tính tốn kỹ thuật nhiệt luyện kim, Nhà xuất giáo dục [2] Nguyễn Văn Hòa (2007), Cơ sở tự động điều khiển trình, Nhà xuất giáo dục [3] Nguyễn Văn Hòa (2006), Cơ sở lý thuyết điều khiển tự động, Nhà xuất khoa học kỹ thuật [4] Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh (2005), Nhận dạng hệ thống điều khiển, Nhà xuất khoa học kỹ thuật [5] Nguyễn Phùng Quang (2004) Matlab&Simulink dành cho kỹ sư ĐKTĐ, Nhà xuất khoa học kỹ thuật [6] Hoàng Minh Sơn (2006), Cơ sở hệ thống điều khiển trình, Nhà xuất bách khoa Hà Nội Trang 76 / 76 ... Khảo sát điều khiển hệ thống lò nung thực với SPlò=5000C 67 III.4.2 Khảo sát điều khiển hệ thống lò nung thực với SPlị tăng tuyến tính đến 5000C 68 III.4.3.Khảo sát hệ thống lò nung. .. tìm hiểu trình nung, xây dựng mơ hình tốn học chia lớp vật nung, xây dựng hệ thống điều khiển giám sát lò nung, nhận dạng lò nung vật nung thực tế, khảo sát trình nung với điều khiển PID lớp lớp... PIC hệ thống giám sát qua Matlab/Simulink cảm biến đo nhiệt độ Sơ đồ tổng quan hệ thống thể qua mơ hình đây: Hình II.1: Sơ đồ hệ thống thiết bị Trang 22 / 76 Điều khiển giám sát hệ thống nung