Thiết kế bộ quan sát và điều khiển nhiệt độ trong phôi tấm

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ NG HểA thiết kế quan sát điều khiển nhiệt độ phôi NGễ MINH C THI NGUYấN 2009 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ NG HO thiết kế quan sát điều khiển nhiệt độ phôi Hc viờn: Ngụ Minh c Người HD Khoa Học: PGS.TS Nguyễn Hữu Công THÁI NGUYÊN 2009 LỜI CAM ĐOAN Tên là: Ngô Minh Đức Sinh ngày 19 tháng 08 năm 1982 Học viên lớp cao học khoá – Ngành Tự động hoá - Trường đại học kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Hiện công tác khoa Điện - Trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Xin cam đoan: Đề tài “Thiết kế quan sát điều khiển nhiệt độ phôi tấm” thầy giáo, PGS.TS Nguyễn Hữu Cơng hướng dẫn cơng trình nghiên cứu riêng tơi Tất tài liệu tham khảo có nguồn gốc, 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 vấn đề nội dung luận văn tác giả xin hồn tồn chịu trách nhiệm với lời cam đoan Thái Nguyên, ngày 04 tháng năm 2009 Luận văn thạc sỹ kĩ thuật 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 bày ỏt lịng cảm ơn thầy giáo Khoa , môn đông đảo bạn bè, đồng nghiệp cổ vũ nhiều cho việc thực luận văn Mặc dù bảo sát thầy hướng dẫn, nỗ lực cố gắng thân Song kiến thức cịn hạn chế, nên chắn luận văn không tránh khỏi thiếu sót định Em mong bảo thầy giáo góp ý chân thành bạn Em xin chân thành cảm ơn! Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sỹ kĩ thuật LỜI NÓI ĐẦU Hiện đất nước ta thời kì đổi mới, thời kì cơng nghiệp hố, đại hóa với phát triển công nghệ thông tin, ngành kĩ thuật điện tử phát triển kỹ thuật điều khiển tự động hó a Trong lĩnh vực gia cơng nhiệt ta thường giải toán điều khiển nhiệt độ lị nung theo tiêu đó, nhiên chất l ượng sản phẩm q trình gia cơng nhiệt lại phụ thuộc vào trường nhiệt độ phơi Như đặt tốn phải điều khiển nhiệt độ phôi nung theo tiêu chất lượng đặt ra, tức phải điều khiển thông số mà dùng sensor đo Từ đặt tốn “Biết vỏ tìm lõi” Trong khuôn khổ luận văn em vào nghiên cứu tìm hiểu số phương pháp tính tốn trường nhiệt độ phôi Nghiên cứu xây dựng mơ hình quan sát nhiệt độ dạng mơ hình hàm truyền Sau có mơ hình hàm truyền trường nhiệt độ tấm, thiết kế điều khiển phương pháp kinh điển điều khiển mờ Như điều khiển trường nhiệt độ phôi thoả mãn yêu cầu công nghệ đặt (Trước ta điều khiển nhiệt độ không gian lị) Sau thời gian tìm hiểu nghiên cứu đặc biệt hướng dẫn Thầy PGS.TS Nguyễn Hữu Cơng luận văn hồn thành Trong q trình thực luận văn, chắn khơng tránh khỏi thiếu sót Em mong bảo thầy giáo góp ý chân thành bạn Em xin chân thành cảm ơn! Thái nguyên, ngày 4/4/2009 Học viên Ngô Minh Đức Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sỹ kĩ thuật MỤC LỤC Nội dung Trang Lời cảm ơn Lời nói đầu Mục lục CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN TRƯỜNG NHIỆT ĐỘ TRONG PHÔI TẤM .5 1.1 Thành lập phương trình truyền nhiệt 1.2 Điều kiện ban đầu điều kiện biên 1.3 Tính tốn trường nhiệt độ phơi phương pháp giải tích 1.4 Tính tốn trường nhiệt độ phơi phương pháp số 10 1.4.1 Phương pháp sai phân giải tốn có trị ban đầu 11 1.4.1.1 Mơ hình tốn .11 1.4.1.2 Lưới sai phân 11 1.4.1.3 Hàm lưới 11 1.4.1.4 Đạo hàm lưới 11 1.4.1.5 Liên hệ đạo hàm đạo hàm lưới .12 1.4.1.6 Phương pháp Euler 13 1.4.1.7 Phương pháp Euler ẩn 13 1.4.1.8 Phương pháp Crank – Nicolson 14 1.4.2 Phương pháp sai phân giải toán truyền nhiệt chiều 14 1.4.2.1 Mơ hình toán .14 1.4.2.2 Lưới sai phân hàm lưới 15 1.4.2.3 Xấp xỉ đạo hàm 17 1.4.2.4 Phương pháp sai phân (cổ điển) 18 1.4.2.5 Phương pháp ẩn (cổ điển) 19 1.4.2.6 Phương pháp Crank - Nicolson (6 điểm đối xứng) 20 1.5 Kết luận chương 22 CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MƠ HÌNH HÀM TRUYỀN ĐỂ XÁC ĐỊNH NHIỆT ĐỘ TRONG PHÔI TẤM .23 2.1 Đặt vấn đề .23 2.2 Nghiên cứu đối tượng điều khiển 23 2.3 Xây dựng mơ hình hàm truyền vật mỏng 24 2.4 Xây dựng mơ hình hàm truyền phơi chia làm lớp (n=2) 25 2.5 Xây dựng mơ hình hàm truyền phôi chia làm lớp (n=3) 26 2.6 Xây dựng mơ hình hàm truyền phơi chia làm lớp (n=4) 28 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sỹ kĩ thuật 2.7 Xây dựng mơ hình hàm truyền phơi đựơc chia thành n lớp 31 2.8 Ví dụ tính tốn hàm truyền lớp chia phôi thành lớp lớp .33 2.9 Kết mô cho quan sát nhiệt độ 35 2.10 Kết luận 38 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ TRONG PHÔI TẤM 39 3.1 Giới thiệu số phương pháp thiết kế 39 3.1.1 Phương pháp đa thức đặc trưng có hệ số suy giảm thay đổi 39 3.1.2 Phương pháp bù số thời gian trội 42 3.1.3 Thiết kế điều chỉnh cho hệ có hành vi tích phân 46 3.1.4 Phương pháp thiết kế bù 50 3.1.5 Bộ điều khiển mờ 51 3.1.6 Thiết kế điều khiển mờ 67 3.2 Thiết kế 75 3.2.1 Thiết kế điều khiển PID điều khiển nhiệt độ cho lớp chia phôi làm lớp 75 3.2.2 Thiết kế điều khiển mờ điều khiển nhiệt độ cho lớp chia phôi làm lớp 77 CHƯƠNG 4: CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 83 4.1 Kết mô thiết kế điều khiển PID để điều khiển nhiệt độ cho lớp lớp phôi chia thành lớp 83 4.2 Kết mô thiết kế điều khiển mờ để điều khiển nhiệt độ cho lớp lớp phôi chia thành lớp 84 4.3 Kết luận kiến nghị nghiên cứu 85 4.3.1 Kết luận .85 4.3.2 Những kiến nghị nghiên cứu 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO .86 PHỤ LỤC 87 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sỹ kĩ thuật CHƯƠNG GIỚI THIỆU MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN TRƯỜNG NHIỆT ĐỘ TRONG PHƠI TẤM 1.1 Thành lập phương trình truyền nhiệt Xét vật rắn truyền nhiệt đẳng hướng, u ( x, y, z , t ) nhiệt độ c điểm ( x, y, z ) thời điểm t Nếu điểm khác vật nhiệt độ khác nhiệt truyền từ điểm nóng tới điểm nguội Sự truyền nhiệt tuân theo định luật sau: Nhiệt lượng ∆Q qua mảnh mặt bé ∆S chứa điểm ( x, y, z ) khoảng thời gian ∆t tỷ lệ với ∆S , ∆t đạo hàm pháp tuyến ∆Q = − k ( x, y, z )∆t∆S ∂u Tức ∂n ∂u ∂n (1.1) Trong k ( x, y, z ) > hệ số truyền nhiệt ( k ( x, y, z ) không phụ thuộc vào hướng  pháp tuyến với ∆S truyền nhiệt đẳng hướng), n vectơ pháp ∆S hướng theo chiều giảm nhiệt độ Gọi q dòng nhiệt, tức nhiệt lượng qua đơn vị diện tích đơn vị thời gian Từ (1.1) ta suy q = −k ∂u ∂n Bây ta lấy vật thể tích tuỳ ý V giới hạn mặt kín trơn S xét biến thiên nhiệt lượng thể tích khoảng thời gian từ t1 đến t Từ (1.1) ta suy nhiệt lượng qua mặt S vào từ thời điểm t1 đến thời điểm t2 t Q1 = − ∫ dt ∫∫ k ( x, y, z ) t1 S ∂u ds ∂n  ớng vào mặt Trong n vecvtơ pháp hư ụng cơng thức S Áp d Ostrogradsky để đổi từ tích phân mặt S sang tích phân ba lớp ta t2 Q1 = ∫ dt ∫∫∫ div(kgradu )dxdydz t1 V Giả sử vật có nguồn nhiệt, gọi F ( x, y, z , t ) mật độ chúng tức nhiệt lượng sinh hay đơn vị thể tích vật đơn vị thời gian Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sỹ kĩ thuật Nhiệt lượng sinh hay thể tích V từ thời điểm t1 đến thời điểm t t2 Q2 = ∫ dt ∫∫∫ F ( x, y, z )dxdydz t1 V Mặt khác ta lại biết nhiệt lượng cần cho thể tích V vật thay đổi nhiệt độ từ u ( x, y, z , t1 ) đến u ( x, y, z , t ) Q3 = ∫∫∫ [u ( x, y, z , t ) − u ( x, y, z , t1 )]C ( x, y, z ) ρ ( x, y, z )dxdydz V Trong C ( x, y, z ) nhiệt dung, ρ ( x, y, z ) mật độ vật ∂u ∂u u ( x, y, z , t ) − u ( x, y, z , t1 ) = ∫ dt nên viết Q3 = ∫ dt ∫∫∫ Cρ dxdydz ∂t ∂t t1 t1 V t2 Vì t Mặt khác Q3 = Q1 + Q2 nên ta có t2  ∂u  ∫ dt ∫∫∫ Cρ ∂t − div(kgradu ) − F ( x, y, z, t ) dxdydz = t1 V Vì khoảng thời gian (t1 , t ) thể tích V chọn tuỳ ý, nên điểm ( x, y, z ) vật thời điểm t biểu thức dấu tích phân khơng Cρ ∂u = div(kgradu ) + F ( x, y, z , t ) ∂t Hay Cρ ∂u ∂  ∂u  ∂  ∂u  ∂  ∂u  =  k  +  k  +  k  + F ( x, y , z , t ) ∂t ∂x  ∂x  ∂y  ∂y  ∂z  ∂z  (1.2) Phương trình gọi phương trình truyền nhiệt vật đẳng hướng khơng đồng chất Nếu vật đồng chất C , ρ , k số phương trình có dạng  ∂ 2u ∂ 2u ∂ 2u  ∂u = a  + +  + f ( x, y, z , t ) ∂t ∂y ∂z   ∂x Trong a = (1.3) k F ( x, y , z , t ) , f ( x, y , z , t ) = Đó phương trình truyền nhiệt khơng Cρ Cρ Nếu vật khơng có nguồn nhiệt F ( x, y, z, t ) ≡ ta phương trình truyền nhiệt nhất:  ∂ 2u ∂ 2u ∂ 2u  ∂u = a  + +  ∂t ∂y ∂z   ∂x (1.4) Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sỹ kĩ thuật Nếu ta xét truyền nhiệt một vật đồng chất mỏng (chỉ khảo sát truyền nhiệt theo hai phương) đặt mặt phẳng Oxy nhiệt độ u ( x, y, t ) điểm ( x, y ) thời điểm t thoả mãn phương trình truyền nhiệt: ∂u ∂ 2u  2 ∂ u  = a  +  + f ( x, y, t ) ∂t ∂y   ∂x (1.5) Cịn phương trình truyền nhiệt vật đồng chất mỏng đặt dọc theo trục x là: ∂u ∂ 2u = a 2 + f ( x, t ) ∂t ∂x (1.6) 1.2 Điều kiện ban đầu điều kiện biên Trong vật lý ta biết muốn xác định nhiệt độ điểm vật thời điểm, ngồi phương trình (1.3) ta cịn cần phải biết phân bố nhiệt độ vật thời điểm đầu chế độ nhiệt độ biên S vật Điều kiện biên cho nhiều cách * Cho biết nhiệt độ điểm P biên S u | S = ψ ( P, t ) * Tại điểm biên S cho biết dòng nhiệt q = −k ∂u ∂n (1.7) ∂u ta có điều kiện biên ∂n = ψ ( P, t ) (1.8) S Trong ψ ( P, t ) = − q ( P, t ) hàm cho trước k * Trên biên S vật có trao đổi nhiệt với mơi trường xung quanh, mà nhiệt độ u ta có điều kiện biên sau:  ∂u   ∂n + h(u − u ) = S Nếu biên S cách nhiệt h = suy (1.9) trở thành (1.9) ∂u ∂n =0 S Như toán truyền nhiệt vật rắn, đồng chất truyền nhiệt đẳng hướng đặt sau: Tìm nghiệm phương trình (1.3) thoả mãn điều kiện đầu u t =0 = ϕ ( x, y, z ) điều kiện biên (1.7)(1.8)(1.9) Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ... 83 4.1 Kết mô thiết kế điều khiển PID để điều khiển nhiệt độ cho lớp lớp phôi chia thành lớp 83 4.2 Kết mô thiết kế điều khiển mờ để điều khiển nhiệt độ cho lớp lớp phôi chia thành... 3.2.1 Thiết kế điều khiển PID điều khiển nhiệt độ cho lớp chia phôi làm lớp 75 3.2.2 Thiết kế điều khiển mờ điều khiển nhiệt độ cho lớp chia phôi làm lớp 77 CHƯƠNG 4: CÁC KẾT... phôi thành lớp lớp .33 2.9 Kết mô cho quan sát nhiệt độ 35 2.10 Kết luận 38 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ TRONG PHÔI TẤM 39 3.1 Giới thiệu số phương pháp thiết kế