Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển hệ thống cán thép tấm bằng bộ điều khiển thích nghi bền vững

 1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP - LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH : TỰ ĐỘNG HÓA NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG CÁN THÉP TẤM BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI BỀN VỮNG BAN GIÁM HIỆU KHOA SAU ĐẠI HỌC NGƢỜI HD KHOA HỌC HỌC VIÊN T.S BÙI CHÍNH MINH HỒ THỊ NGỌC HUYỀN Thái Nguyên, 2010 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn  2 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu tổng hợp tài liệu riêng tôi, số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Học viên Hồ Thị Ngọc Huyền Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn  3 LỜI CẢM ƠN Ngành thép ngành công nghiệp then chốt kinh tế quốc dân, đầu vào cho nhiều ngành công nghiệp khác Thép đƣợc đánh giá vật tƣ chiến lƣợc có vai trị quan trọng nghiệp CNH-HĐH đất nƣớc Sản phẩm thép đa dạng phải kể đến thép (lá) dạng sản phẩm cán kinh tế Từ thép thép băng ngƣời ta sản xuất thép ống, thép hình uốn, loại kết cấu hàn sản phẩm dập đa dạng Ở nƣớc ta, định hƣớng phát triển nghành luyện kim dự kiến tổng nhu cầu thép vào năm 2010 6.400.000 tấn, có 3.500.000 thép 2.900.000 thép hình dây Nhƣ khối lƣợng thép tấm, chiếm gần 55% tổng sản phẩm thép cán Hệ thống cán thép đƣợc nghiên cứu sử dụng rộng rãi sở nghiên cứu thực nghiệm nhƣng hầu hết công trình khơng xét đến ảnh hƣởng phi tuyến hệ thống thủy lực mơ hình tƣơng đối đơn giản phạm vi ứng dụng hẹp Một vấn đề quan trọng điều khiển trình cán cần cải thiện thời kỳ độ Xuất phát từ lý trên, tác giả lựa chọn đề tài “ Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển hệ thống cán thép điều khiển thích nghi bền vững” Luận văn gồm chƣơng sau: Chƣơng 1: Tổng quan công nghệ cán thép Chƣơng 2: Điều khiển hệ thống trục cán thép điều khiển Chƣơng 3: Thiết kế điều khiển nâng cao chất lƣợng điều khiển hệ thống cán thép Trong trình làm luận văn, dƣới hƣớng dẫn nhiệt tình cán hƣớng dẫn nỗ lực thân việc tìm hiểu, nghiên cứu tài liệu Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn  4 tìm hiểu thực tế nhƣng thời gian kinh nghiệm hạn chế nên luận văn khơng tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận đƣợc ý kiến đóng góp, lời nhận xét q báu thầy bạn đồng nghiệp để luận văn đƣợc hoàn thiện Xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, tháng năm 2010 HỌC VIÊN Hồ Thị Ngọc Huyền Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn  5 MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Lời cam đoan Lời cảm ơn DANH MỤC HÌNH VẼ Chương TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CÁN THÉP TẤM 10 1.1 Phôi cho sản xuất thép thép băng cán nóng 11 1.2 Đặc điểm, thành phần cách bố trí thiết bị nhà máy cán 12 1.3 Kỹ thuật cán thép nhà máy cán 17 1.3.1 Cán phôi slab giá trục đứng 21 1.3.2 Cán giá thô 22 1.3.3 Cán giá cán tinh 28 1.4 Đặc điểm biến dạng thép cán nhà máy cán 29 1.5 Các thông số lƣợng q trình cán 31 1.6 Tính tốn chế độ ép cho máy cán 33 1.6.1 Điều kiện ăn thép 33 1.6.2 Độ bền trục cán 34 1.6.3 Công suất động truyền động 34 1.6.4 Nhiệt độ kim loại 35 1.7 Nhiệt luyện tinh chỉnh thép 36 1.8 Kết luận 38 Chương ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG CÁN THÉP TẤM BẰNG 39 CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN CƠ BẢN 2.1 Bộ điều khiển tuyến tính PI 40 2.1.1 Mơ hình tốn học 40 2.1.2 Cấu trúc điều khiển 42 2.1.3 Kết 43 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn  6 2.2 Bộ điều khiển đa biến 44 2.2.1 Mơ hình tốn học 44 2.2.1.1 Hệ thống thủy lực 46 2.2.1.2 Giá cán 47 2.2.2 Thiết kế điều khiển 49 2.2.2.1 Tuyến tính hóa phản hồi 49 2.2.2.2 Thiết kế không gian riêng 50 2.2.2.3 Cấu trúc điều khiển 52 2.2.3 Kết 53 2.3 Bộ điều khiển H 54 2.3.1 Ký hiệu 54 2.3.2 Phƣơng pháp tiêu chuẩn cho toán thiết kế H 54 2.3.3 Thiết kế điều khiển 56 2.3.3.1 Mẫu máy cán 57 2.3.3.2 Quá trình thiết kế 58 2.3.4 Kết 59 2.4 Kết luận 63 Chương THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI BỀN 64 VỮNG CHO HỆ THỐNG CÁN THÉP TẤM 3.1 Giới thiệu chung 64 Mơ hình tốn học hệ thống cán 65 3.2.1 Hệ thống thuỷ lực 67 3.2.2 Lực F 68 3 Thiết kế điều khiển 72 3.3.1 Phƣơng pháp thiết kế 72 3.3.1.1 Mục tiêu điều khiển 73 3.3.1.2 Trình tự thiết kế 74 3.3.2 Các bƣớc thiết kế điều khiển thích nghi bền vững cho hệ 79 thống cán thép 3.4 Mô đánh giá kết Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 81 http://www.lrc-tnu.edu.vn  7 3.4.1 Sơ đồ mơ điều khiển thích nghi bền vững cho hệ 82 thống cán thép 3.4.2.Kết nhận xét 3.5 Kết luận 82 83 KẾT LUẬN CHUNG VÀ MỘT SỐ ĐỀ XUẤT 84 TÀI LIỆU THAM KHẢO 85 PHỤ LỤC 87 Phụ lục A 87 Phụ lục B 93 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn  8 DANH MỤC HÌNH VẼ Số hiệu Tên hình vẽ hình vẽ 1.1 Trang Sơ đồ bố trí thiết bị máy cán giá đảo chiều kvarto 4300 14 1.2 Sơ đồ bố trí thiết bị máy cán giá 2800 16 1.3 Đặc điểm trình cán giá trục 19 1.4 Sơ đồ biến dạng phôi slab giá cán trục đứng 21 1.5 Các sơ đồ cán từ Slab 23 1.6 Sơ đồ cán góc 25 1.7 Sự phân bố kích thước rãnh bề mặt trục cán 27 1.8 Trục cán có gờ 27 1.9 Sơ đồ bố trí hệ thống đánh gỉ thủy lực 28 1.10 Sơ biến dạng đầu trước phôi thép cán trục đứng 1.11 Sơ đồ cán giá trục đứng trục ngang 1.12 Sơ đồ nắn phẳng thép với hai giàn lăn bố trí 29 30 song song 37 2.1 Mơ hình hệ thống cán 40 2.2 Cấu trúc hệ thống cán với điều khiển PI 42 2.3 Phản hồi trạng thái vòng kín hệ điều khiển PI 43 2.4 Q trình cán nhìn từ hướng vng góc với hướng chuyển động phơi 2.5 Máy cán nhìn từ góc song song với chuyển động phôi 2.6 Sơ đồ khối cho hệ thống cán Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 44 45 45 http://www.lrc-tnu.edu.vn  9 2.7 Cấu trúc hệ thống cán với điều khiển đa biến 49 2.8 Phản hồi với thay đổi đầu vào cạnh 53 2.9 Sơ đồ khối hệ thống 55 2.10 Giá cán tầng 56 2.11 Mơ hình máy cán nguội giá 57 2.12 Máy cán nguội biểu diễn biểu đồ khối tiêu chuẩn 59 2.13 Đáp tuyến tần số máy cán nhiễu 60 2.14 Đáp tuyến tần số điều khiển vòng Ki 60 2.15 Đáp tuyến tần số chức vòng vòng Li 61 2.16 Độ nhạy vòng Si 61 2.17 Các đáp tuyến tần số 62 3.1 Sơ đồ khối hệ thống cán 65 3.2 Hệ tương đương 66 3.3 Phân bổ áp suất 67 3.4 Sơ đồ mô bô điều khiển thích nghi bền vững 68 3.5 Kết mơ trạng thái x1 điều khiển thích nghi bền vững 3.6 Kết mô trạng thái x2 điều khiển thích nghi bền vững 3.7 Kết mô trạng thái x3 điều khiển thích nghi bền vững Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 82 82 83 http://www.lrc-tnu.edu.vn  10 CHƢƠNG - TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CÁN THÉP TẤM Thép hay gọi thép dạng sản phẩm cán kinh tế Từ thép thép băng ngƣời ta sản xuất thép ống, thép hình uốn, loại kết cấu hàn sản phẩm dập đa dạng Chế tạo dạng ống thép hình nhẹ từ thép thép băng (có độ dày nhỏ so với sản phẩm ống thép hình cán) cho phép tiết kiệm đƣợc 10- 15% kim loại Ở số nƣớc công nghiệp phát triển, tỷ trọng thép thép băng tổng khối lƣợng sản phẩm cán chiếm tới 50 - 70% Cùng vớ i gia tăng nhu cầu thép băng thép nói chung, khối lƣợng sản phẩm thép không ngừng tăng nhanh, chiếm tỷ trọng 40% tổng sản phẩm thép băng Ở nƣớc ta, định hƣớng phát triển ng ành luyện kim dự kiến tổng nhu cầu thép vào năm 2010 6.400.000 tấn, có 3.500.000 thép 2.900.000 th ép hình dây Nhƣ khối lƣợng thép tấm, chiếm gần 55% tổng sản phẩm thép cán Để đảm bảo nhu cầu nêu trên, dự kiến xây dựng, phân bổ phát triển lực thiết bị nhằm cân đối nhu cầu sản phẩm đƣợc đề xuất cho giai đoạn đến 2005 201 0, bao gồm nhà máy cán nóng, cán nguội thép băng liên tục với tổng sản lƣợng dự kiến đến 2010 tới triệu tấn/ năm [1] Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn  80 Thật vậy:  n   n i 1 T  n T z v Pr oj z w ,   z v w  z i2  v Tj wi       i i i i i  i j i 2 i 2  i 1  i  j 1 n i 1 n 1   z i2  v Tj wi  (n  1) z12  2 (n  i ) z i2 i 3 j 2 i 2  n     1/ (3.66)  Từ ta nhận đƣợc n _ ~T V   c i z i2   i 1 ~T   n z w   Pr oj z w ,     i i  i i i 1  i 1 n (3.67) hay n _ V   c i z i2 (3.68) i 1 Lấy tích phân (3.67) theo thời gian, ta có t n _ lim   c i z i2 ( )d  V (0)  V ()   t  (3.69) t1 i 1 Từ (3.69) khái niệm tính ổn định bám hệ đƣợc điều khiển, ta có z i (t ) ,  i  n giới hạn Sử dụng Định lý Barbabat, ta có lim z i (t )  0,  i  n , có t  nghĩa lim[ y(t )  y r (t )]  t  3.2.2 Các bƣớc thiết kế điều khiển cho hệ thống cán thép Ta nhận thấy hệ thống cán (3.30) dạng đơn giản hệ (3.34), ta áp dụng trực tiếp kết qủa để thiết kế điều khiển thích nghi bền vững cho hệ thống cán Các bƣớc cụ thể cho Bảng 3.3 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn  81 z1  x1 , w1  0, 1  0, v1  0,   c1 z1   z  x   , w2   ,    , v  0,   0.25kz2 w2T w2   2T   z1  z T   c z   w2  c1 x      z  x3   , w3     ,     , v3  2 x x      0.25kz3 w3T w3   3T    z  0.25 z v3T w2   z  v3T w3   z v 2T w3  2 Luật nhận dạng         Pr oj  z i wi ,   i 1 (3.70)  Luật điều khiển u 3 (3.71)      T   1 f ( x)   x3   3.3 SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ Để minh hoạ tính chất điều khiển thiết kế phần trƣớc, sử dụng tham số hệ thống cán Hille Rolling Mill -H100: Tên Giá trị Đơn vị Tên Giá trị Đơn vị M 1000 Kg he (s) (5.5) Mm  1700 MPa A1  10-4 m2 B 500 N.s/m A2  10-4 m2 C 100000 N/m Vh 16  10-6 m3 Kf 6.7  10-4 m /(s Pa ) l 0.04 M K 0.2 KN/mm ps 24 Mpa iu 0.5 mA pe 0.1 Mpa Ta chọn số thiết kế: c1  c2  c3  9, k  k  3, p2  10 sin(t ) ~ T d (t )  0,5 sin(50t ) 0,5 sin(50t ) 0,5 sin(50t ) 0,5 sin(50t ) 0,5 sin(50t ) , Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn  82 điều kiện đầu: x1 (0)  0.5, x (0)  x3 (0)  Sự hội tụ trạng thái tín hiệu điều khiển hệ thống cán ứng với điều khiển thích nghi bền vững cho Hình 3.1 3.3.1 Sơ đồ mô Các khối Doituong Controller đƣợc viết S-Function In1 X1 In1 x1 [mm] X2 x2 [mm/s] Doituong x3 [N/kg] Nhieu Scope2 He can thep In1 X3 Controller u [mmA] Bo dieu khien thich nghi ben vung t -C- Clock To Workspace iu 3.3.2 Kết mô 0.8 x1dat x1 0.7 0.6 0.5 x1 0.4 0.3 0.2 0.1 -0.1 0.5 1.5 2.5 thoi gian 3.5 4.5 Hình 3.6 Kết mô trạng thái x1 điều khiển thích nghi bền vững cho hệ thống cán thép Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn  83 x2dat x2 x2 -1 -2 -3 -4 -5 -6 0.5 1.5 2.5 thoi gian 3.5 4.5 Hình 3.7 Kết mơ trạng thái x2 điều khiển thích nghi bền vững cho hệ thống cán thép 20 x3dat x3 x2dat x2 15 10 -1 x2 x3 -2 -3 -5 -10 -4 -5 0.5 -6 0.5 1.5 1.5 2.5 3.5 4.5 thoi gian 2.5 3.5 4.5 thoi gianx3 điều khiển thích trạng thái Hình 3.8 Kết mơ nghi cho hệ thống cán thép Số hóa Trung tâm Học liệu bền – Đạivững học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn  84 Nhận xét: Từ Hình 3.6 , 3.7 3.8, ta nhận thấy điều khiển thích nghi bền vững thể ổn định đƣợc hệ thống cán có ảnh hƣởng nhiễu phần tử phi tuyến khơng thể khó bỏ qua qúa trình thiết lập mơ hình tốn học thiết kế điều khiển Bơ điều khiển thích nghi bền vững có ƣu điểm so với điều khiển phi tuyến bền vững thời kỳ độ nhƣng q trình thiết kế điều khiển thích nghi bền vững phức tạp khó khăn Thời kỳ độ điều khiển cải thiện cách tăng giá trị ci, ki nhƣng tín hiệu lớn thời kỳ q độ 3.4 Kết luận: Trong chƣơng này, mơ hình toán học hệ thống cán thép việc thiết kế điều khiển thích nghi bền vững đƣợc trình bày Mơ hình tốn học bao gồm động lực học trình cán hệ thống thủy lực Mơ hình đƣợc phát triển dạng phù hợp cho việc thiết kế điều khiển Tất điều khiển có khả ổn định hệ thống cán cải thiện thời kỳ độ Các số liệu hệ thống cán H100 đƣợc dùng để mơ tính chất điều khiển Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn  85 KẾT LUẬN CHUNG Luận văn đề cập đến việc phát triển mơ hình tốn học thiết kế điều khiển phi tuyến thích nghi bền vững cho hệ thống cán thép dùng hệ thuỷ lực Mục tiêu việc thiết kế điều khiển ổn định hệ thống cải thiện thời kỳ độ để giảm phần thép phế phẩm bắt đầu cán trình cán Phƣơng pháp đƣợc nghiên cứu trình bày luận văn để thiết kế điều khiển phi tuyến thích nghi bền vững nhằm ổn định hệ thống cán rút ngắn thời gian độ Bộ điều khiển đƣợc thiết kế cho hệ phi tuyến “tổng quát” có chứa tham số khơng biết thay đổi theo thời gian nhiễu Các điều khiển có tính chất khả cải thiện thời kỳ độ hệ thống cán cách hệ thống Đó sở để phát triển ứng dụng vào thực tế Đây hƣớng nghiên cứu tƣơng lai quan trọng mục đích cuối lý thuyết điều khiển ứng dụng chúng  Đề xuất - Bằng lý thuyết điều khiển đại, tiếp tục thiết kế đƣợc điều khiển tối ƣu thích nghi, thích nghi tối ƣu bền vững cho hệ thống cán thép - Có điều kiện tiến hành thí nghiệm để đánh gía hiệu chỉnh kết nghiên cứu Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn  86 TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Trọng Giảng, (2004), Sản xuất thép thép băng , NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Nguyễn Doãn Phƣớc, Phan Xuân Minh, Hán Thành Trung, (2003), Lý thuyết điều khiển phi tuyến, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội Nguyễn Thƣơng Ngô, (1999), Lý thuyết điều khiển tự động đại, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội Nguyễn Doãn Phƣớc, (2005), Lý thuyết điều khiển nâng cao, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội D Sbarbaro-Hofer, K.Hunt, (1993), “Neural Control of a Steel Rolling Mill”, Proceedings of the IEEE International Symposium on Intelligent Control, pp 69- 75 Lar Malcolm Pedersen, B.Wittenmark, (1998), “Multivariable Controller Design for a Hot Rolling Mill”, IEEE transactionson Control systems technology, pp 304-312 J.W.Perng, K.C.Han, S.J.Tsai, K.W.Han, (1998), “State-space solution of the standard H control problem for strip mill gauge control”, IEE Proc.-Control Theory Appl, pp 291-298 L.M.Pedersen, (1994),“Identificatio of hydraulic system on rolling mill,”in Proc.10th IFAC Symp Syst Identification, pp.337–342 F.W.Paul, (1975), “A mathematical model for evaluation of hydraulic-Trolled cold rolling mills,”in Proc.5th IFAC World Congr 10 R.-M.Gou, (1991), “Evaluation of dynamic characteristics of hagc system”,IronandSteelEng 11 V.B.Ginzburg, (1984), “Dynamic characteristics of automatic control systemWith hydraulic actuators,” IronandSteelEng 12  ,(1995), “Modeling and identification of hot rollin g mill,”in Proc.Amer.Contr.Conf ,pp.3674–3678 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn  87 13.,(1995), “Multivariable thickness control of a hot rolling mill,”Licentiate Thesis,Dept.Automat.Contr.,Lund Inst.Technol 14 L.Meirovitch, (1980), Computational Methodsin Structural Dynamics, Alp-nen an den Rijn,Germany:Sijthoff and Noordhoff 15.C.A.HarveyandG Stein, (1978), “Quadratic weights for asymptotic regulator properties”, IEEE Trans.Automat.Contr , pp.378–387 16 Ferguson, I.J., and Tina, R.F.D, (1986), “Modern hot-strip mill thickness control”, IEEE Trans, pp 934- 940 17 Grimble M.J., and Johnson, M.A, (1988) “Optimal multivariable control and estimation theory”, IEEE Trans 18 Grimble, M.J, (1995) “Polynomial solution of the standard H control problem for strip mill gauge control”, IEE Pvoc Control The- ory Appl.,pp 515525 19 Enns, D., (1984) “Model reduction for control systems design” PhD dissertation, Dep Aeronaut, Astronaut., Stanford University, Stanford, CA 20 Anderson, B.D.O., and Liu, Y., ( 1989) “Controller reduction: Con- cepts and approaches”, IEEE Trans., Aug , AC-34, pp 802- 812 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn  88 PHỤ LỤC Phụ lục A Chƣơng trình viết dƣới dạng S-Function Mơ hình đối tượng viết với tên file Doituong.m sau: function [sys,x0,str,ts] = Controller(t,x,u,flag) switch flag, case 0, [sys,x0,str,ts]=mdlInitializeSizes(t,x,u); case 1, sys=mdlDerivatives(t,x,u); case 2, sys=mdlUpdate(t,x,u); case 3, sys=mdlOutputs(t,x,u); case 4, sys=mdlGetTimeOfNextVarHit(t,x,u); case 9, sys=mdlTerminate(t,x,u); otherwise error(['Unhandled flag = ',num2str(flag)]); end function [sys,x0,str,ts]=mdlInitializeSizes(t,x,u); sizes = simsizes; sizes.NumContStates = 3; sizes.NumDiscStates = 0; sizes.NumOutputs = 3; sizes.NumInputs = 3; sizes.DirFeedthrough = 1; sizes.NumSampleTimes = 1; sys = simsizes(sizes); %Dieu kien dau cua he Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn  89 x0 = [0.5 0.0 0.1]'; % Chu y chon x10 cho 6-0.5 - x1>=0 x1