Thiết kế hệ thống điều khiển theo nguyên tắc cực trị

bộ giáo dục và đào tạo TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP Khoa điện ---------    --------- ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: Thiết kế hệ thống điều khiển theo nguyên tắc cực trị Giáo viên hướng dẫn: Th.s- Nguyễn Hữu Công Người thiết kế: HOÀNG VĂN SƠN Thái Nguyên - 2000 Bộ giáo dục đào tạo CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN Độc lập - Tự do - Hạnh phúc trường đại học ktcn ------o0o----- Khoa: Điện Bộ môn: Đo lường điều khiển THUYẾT MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: Thiết kế hệ thống điều khiển theo nguyên tắc cực trị Người thiết kế: Hoàng Văn Sơn Lớp: K 31 IĐ Ngành : Đo lường điều khiển Giáo viên hướng dẫn: Th.S - Nguyễn Hữu Công Ngày giao đề: Ngày hoàn thành: 8 - 3 - 2000 NỘI DUNG 1) Số trang : trang 2) Số bản vẽ và đồ thị (ghi rõ loại, kích thước). Nội dung các phần thuyết minh và tính toán. - Phần I : Giới thiệu chung về hệ thống điều khiển theo nguyên tắc cực trị. - Phần II: Tìm hiểu quá trình công nghệ. - Phần III: Xây dựng sơ đồ nguyên lý. - Phần IV: Tính chọn thiết bị. - Phần V : Đánh giá chất lượng hệ thống. - Phần VI: Thuyết minh sơ đồ nguyên lý. - Phần VII: Thiết kế hệ thống hiển thị nhiệt độ. Bản thuyết minh thiết kế tốt nghiệp đã được thông qua. Ngày tháng năm 2000 TỔ TRƯỞNG BỘ MÔN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN TL/HIỆU TRƯỞNG (Ký tên) (Ký tên) Chủ nhiệm khoa (Ký tên đóng dấu) Lời cảm ơn Qua thời gian học tập và rèn luyện tại trường Đại học KTCN Thái Nguyên, dưới sự chỉ bảo nhiệt tình của các thầy cô giáo, đến nay bản đồ án của em đã hoàn thành. Quyển đồ án tốt nghiệp này là kết quả của quá trình học tập và rèn luyện ở trường của em, nó không thể hoàn thành được nếu như không có swj chỉ bảo tận tình của các thầy cô giáo. Qua đây em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành với toàn thể các thầy, cô giáo và các bạn đồng nghiệp đã tận tình giúp đỡ em hoàn thành bản đồ án này. Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn tới thầy giáo thạc sĩ - nghiên cứu sinh tiến sỹ Nguyễn Hữu Công đã trực tiếp chỉ bảo tận tình cho em trong suốt quá trình làm đồ án. Các thầy, cô giáo trong bộ môn ĐL- ĐK và khoa điện đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành bản đồ án này. Thái nguyên, ngày 6 tháng 3 năm 2000 Sinh viên Hoàng Văn Sơn Lời nói đầu gày nay sự phát triển mạnh mẽ vượt bậc của KHKT, đặc biệt là công nghệ vi điện tử - vi xử lý, đã kéo theo sự ra đời của các hệ thống điều chỉnh tự động ngày càng được tối ưu hoá về mọi mặt. Chúng gọn nhẹ hơn nhưng lại tinh vi hơn, có thể đảm nhiệm được các công việc khó khăn hơn rất nhiều so với hệ thống cũ. Trước kia trong các hệ thống điều chỉnh, vì các lý do kỹ thuật, công nghệ và yêu cầu lúc đó, người ta chỉ điều chỉnh một giá trị đặt trước nào đó của một đại lượng điều chỉnh, hệ thống như vậy gọi là hệ thống có một đại lượng điều chỉnh. Ngày nay yêu cầu về một hệ thống điều chỉnh trở nên phức tạp hơn rất nhiều, nó đòi hỏi phải điều chỉnh một lúc nhiều thông số. Trong đó các thông số do các quá trình vật lý bên trong hệ thống có ảnh hưởng qua lại lẫn nhau. Như vậy muốn xây dựng được một hệ thống điều chỉnh bắt buộc phải tìm hiểu các quá trình xảy ra bên trong, các tính chất và thành phần cấu tạo của hệ thống. Các tiến bộ KHKT được đặc trưng bởi sự phát triển không ngừng của việc tự động hoá sản xuất trong tất cả các lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân. Tự động hoá nhằm tăng năng xuất lao động, giảm giá thành sản phẩm và nâng cao trình độ sản xuất. Chính vì vậy mà một trong các yếu tố để đánh giá nền sản xuất hiện đại là trình độ áp dụng tự động hoá có khả năng tự thích nghi với sự thay đổi của các tham số bên trong và bên ngoài hệ thống được quan tâm hàng đầu. + Hệ thống tự điều chỉnh là một hệ thống tự động mới, nó hoàn thiện hơn cả trong các hệ thống tự động. Các ứng dụng của nó trong cuộc sống, trong công nghiệp đã mang lại giá trị kinh tế rất lớn. + Hệ thống tự chỉnh xuất hiện vào những năm 50 của thập kỷ này, sự ra đời của nó cho phép mở rộng vùng ổn định, giữ nguyên độ tác động nhanh N cho trước, làm cho hệ thống trở thành bất biến hay hầu như bất biến nâng cao độ tin cậy. Các hệ thống tự chỉnh có thể xây dựng bằng nhiều cách khác nhau, các hệ đơn giản nhất đồng thời phổ biến nhất là hệ cực trị. Hệ thống điều khiển tìm cực trị có nhiệm vụ tìm kiếm và duy trì đại số cực đại trong cực tiểu cuả một hay nhiều tham số của đối tượng được điều khiển, trong khi đặc tính và điều kiện làm việc của đối tượng có thể biến đổi một cách ngẫu nhiên. Bản đồ án này sẽ đề cập tới một số ứng dụng của hệ cực trị trong công nghiệp và thiết kế bộ điều chỉnh tìm cực trị dùng cho lò cán thép. Trong khuôn khổ một bản đồ án tốt nghiệp, chúng em chỉ giới hạn ở việc nghiên cứu một hệ thống không quá phức tạp. Đó là hệ thống điều chỉnh mà đại lượng được điều chỉnh là nhiệt độ trong lò cán thép và lượng dầu ma zút đưa vào lò để đốt. Các thiết bị bán dẫn được sử dụng để điều khiển đối tượng này cho phép tạo ra thuật toán linh hoạt và chính xác. Nội dung của bản đồ án đề cập tới các vấn đề sau: + Hệ thống tìm cực đại được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như trong công nghiệp hoá chất, năng lượng, nhiệt luyện, . xác định cực tính cực trị khi đối tượng điều khiển là lò cán thép. + Tính toán, thiết kế hệ điều chỉnh tìm cực trị kiểu bước dùng các phần tử bán dẫn. + Khảo sát qúa trình điều khiển, xác định chất lượng của hệ thống bằng phương pháp đồ thị giải tích trong trường hợp đối tượng có quán tính. Trong khi trình bày chúng em đã thể hiện sát nội dung và các yêu cầu trên. Qua việc tính toán và khảo sát đã rút ra được nhiều kết luận cần thiết để đánh giá chất lượng và chọn các tham số của hệ thống. Tuy nhiên do thời gian và trình độ có hạn, nên chúng em chỉ mới đề cập tới các vấn đề trên trong một số trường hợp điều chỉnh, cần thiết và tối thiểu. Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của thầy Nguyễn Hữu Công, các thầy cô trong khoa và bộ môn ĐL-ĐK đã giúp đỡ chúng em hoàn thành bản đồ án này. Thái Nguyên, ngày 6 tháng 3 năm 2000 Phần I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THEO NGUYÊN TẮC CỰC TRỊ I. ĐỐI TƯỢNG CÓ ĐẶCTÍNH CỰC TRỊ. Trong lĩnh vực điều khiển tự động, thường gặp một số đối tượng, có đặc tính cực trị (cực đại hay cực tiểu). Ví dụ 1: Trong các lò khí đốt, nhiệt độ t o với lưu lượng khí đốt nhất định phụ thuộc lưu lượng không khí theo đặc tính cực trị sau: Nhiệt độ cực đại và hình dạng đặc tính t o (u) phụ thuộc chất lượng khí đốt nhiệt độ không khí và vật cần nung  ở đối tượng này quá trình chộn lẫn không khí và khí đốt là có quán tính, vật cần nung cũng như dụng cụ đo cũng có quán tính. Ví dụ 2: Quá trình khoan, như khoan thăm dò vào lòng đất có đặc tính cực trị như: Áp lực mũi khoan P  X và tốc độ tịnh tiến L  Y (xác định năng xuất của quá trình khoan) có cực đại, vì khi tăng áp lực lớn hơn trị số tối ưu X * thì mũi khoan bị nghẽn và tốc độ bị chậm lại. Hình dạng và vị trí cực đại phụ thuộc vào tính chất của đất. Ví dụ 3: Trong thực tế thường gặp những bài toán mà đại lượng được Y = t o X X * Y = t X  P X * Y = t X X * điều khiển là chỉ tiêu chất lượng của hệ, còn lượng điều khiển là thông số chỉnh định. Như trong trường hợp cán thép là: II. HỆ CỰC ĐẠI XÂY DỰNG THEO PHƯƠNG PHÁP TÁCH SÓNG ĐỒNG BỘ Hình 1-1: Sơ đồ khối hệ cực trị xây dựng theo phương pháp tách sóng đồng bộ Đối tượng là một khâu phi tuyến tính có cực đại chẳng hạn và không có quán tính trong trường hợp giản đơn. Cơ cấu tách sóng đồng bộ (TSĐB) gồm có cơ cấu nhận và bộ lọc (L) cơ cấu chất hành (CH) được mô phỏng bằng khâu tích phân. V th : là tín hiệu thử (tín hiệu tìm). V t : là tín hiệu tựa. Trong trường hợp không có quán tính ở ĐTĐK, V th và V t là như nhau. Ví dụ dùng sóng điều hoà V th = V t = X m Sin w o t Nguyên tắc hoạt động như sau: TSĐB ĐTĐK V L V th V t K V P Z Y CH V A y(t) 2  o Y C y(x) A C B V C V B X t Y A Y B Ở điểm làm việc A, tín hiệu y(t) cùng pha với tín hiệu thử, ở điểm làm việc B ngược pha và điểm làm việc C (điểm cực đại) tín hiệu y(t) có tần số gấp đôi 2  o . Đó là những thông tin quan trọng làm cơ sở để xây dựng hệ cực đại. Theo chuỗi taylo, tại điểm làm việc X = V với tiến độ X m bé ta có Y(V + X m sin o t) = y(v) +   y x X m Sin o t + + 1 2   2 2 y x (X m Sin o t) 2 + . . . . . và biên độ của sóng bậc một ở đầu ra của đối tượng tỷ lệ với đạo hàm dy/dx ở điểm làm việc. Bộ lọc có chức năng dập tắt các sóng bậc cao chỉ còn lại các sóng bậc 1, sóng bậc 1 tỷ lệ với Grady. Nếu đặc tính y(x) là hàm bậc 2: y(x) =  o +  1 X +  1 X 2 thì biên độ sóng bậc 1 ở đầu ra của đối tượng điều khiển: Y 1m =      o m o o t y v X Sin t(    2 = X m ( 1 + 2a 2 V 2 ) = X m   y x . Tỷ lệ với  x Y - do dó phương pháp này gọi là phương pháp tách sóng đồng bộ. Cơ cấu tách sóng đồng bộ là một bộ nhận để thực hiện nhận y(t) với tín hiệu tựa V t (t) và bộ lọc để lấy trị số trung bình. Bộ lọc lý tưởng có hàm trọng lượng như ở đường đậm nét, thực hiện như sơ đồ khối sau: X = v X = v X = v e P o  2  Y(p) 1 P   o  t 2  o P(p) . tất cả các lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân. Tự động hoá nhằm tăng năng xuất lao động, giảm giá thành sản phẩm và nâng cao trình độ sản xuất. Chính vì vậy.  2 ta dùng biểu thức:  (  2 ) =  4 Góc lệch pha của dao động có tần số la bội số của nhau được xác định bằng khoảng cách gần nhất của hai dao động