(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu điều khiển nhiệt độ trong quá trình nhiệt luyện chi tiết dạng tấm phẳng

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP TÔ THỊ HƯƠNG QUY NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ TRONG QUÁ TRÌNH NHIỆT LUYỆN CHI TIẾT DẠNG TẤM PHẲNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT THÁI NGUYÊN, 2017 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP TÔ THỊ HƯƠNG QUY NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ TRONG QUÁ TRÌNH NHIỆT LUYỆN CHI TIẾT DẠNG TẤM PHẲNG Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 60.52.02.16 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KHOA CHUYÊN MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TRƯỞNG KHOA PGS.TS NGUYỄN HỮU CƠNG PHỊNG ĐÀO TẠO THÁI NGUN, 2017 Luận văn thạc sỹ kĩ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Nguyễn Hữu Công 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 thầy giáo - TS Vũ Ngọc Kiên hướng dẫn em suốt thời gian qua Em xin bày tỏ lòng cảm ơn thầy cô 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 khơng tránh khỏi thiếu sót định Em mong bảo thầy giáo góp ý chân thành bạn Em xin chân thành cảm ơn! Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Luận văn thạc sỹ kĩ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Nguyễn Hữu Công MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .1 MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .4 LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG 9U CẦU CƠNG NGHỆ CỦA Q TRÌNH ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ TRONG NHIỆT LUYỆN .9 1.1 Khái quát chung điều khiển nhiệt độ .9 1.2 Yêu cầu công nghệ trình điều khiển nhiệt độ nhiệt luyện 10 1.2.1 Các khái niệm nhiệt luyện 10 1.2.2 Các tác dụng chủ yếu nhiệt luyện 11 1.2.3 Một số phương pháp nhiệt luyện 12 1.2.4 Một ví dụ nhiệt luyện – nhiệt luyện thép cắt gọt 17 1.3 Thành lập phương trình truyền nhiệt 19 1.4 Điều kiện ban đầu điều kiện biên 21 1.5 Tính tốn trường nhiệt độ phơi phương pháp giải tích 22 1.6 Tính tốn trường nhiệt độ phôi phương pháp số 24 1.6.1 Phương pháp sai phân giải toán có trị ban đầu 25 1.6.2 Phương pháp sai phân giải toán truyền nhiệt chiều 29 1.7 Kết luận chương 35 CHƯƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH TÍNH TỐN CỦA BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ 36 2.1 Xây dựng mơ hình tốn học đối tượng điều khiển 36 2.1.1 Các phương pháp xác định đặc tính động học đổi tượng điều khiển 36 2.1.2 Mơ hình lị điện trở quan điểm điều khiển 37 2.2 Xây dựng mơ hình tính tốn nhiệt độ thép .39 2.2.1 Đặt vấn đề 39 2.2.2 Xây dựng mơ hình tính tốn nhiệt độ thép theo mơ hình hàm truyền 40 2.3 Ví dụ tính tốn hàm truyền lớp chia phôi thành lớp lớp .51 2.4 Kết mô cho quan sát nhiệt độ 52 Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Luận văn thạc sỹ kĩ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Nguyễn Hữu Công 2.5 Kết luận 54 CHƯƠNG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ TRONG THÉP TẤM 55 3.1 Giới thiệu điều khiển mờ 55 3.2 Thiết kế điều khiển mờ 70 3.3 Thiết kế điều khiển mờ cho hệ thống điều khiển nhiệt độ thép 77 CHƯƠNG CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 83 4.1 Kết mô thiết kế điều khiển mờ để điều khiển nhiệt độ thép lớp 83 4.2 Kết mô thiết kế điều khiển mờ để điều khiển nhiệt độ thép thông số thép thay đổi .84 4.2.1 Khi thơng số thép khơng đổi, mơ hình thép thay đổi 84 4.2.2 Khi thông số thép thay đổi, mơ hình thép lớp 86 4.3 Kết luận chương 88 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 89 TÀI LIỆU THAM KHẢO 90 Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Luận văn thạc sỹ kĩ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Nguyễn Hữu Cơng DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Sơ đồ quy trình sản xuất khí 13 Hình 1.2 Hình dạng dao phay 18 Hình 1.3 Chu trình nhiệt luyện dao phay [] 19 Hình 1.4 Lưới sai phân 25 Hình 1.5 Lưới sai phân hàm lưới 30 Hình 1.6 Sơ đồ bốn điểm 32 Hình 1.7 Sơ đồ ẩn bốn điểm 33 Hình 1.8 Sơ đồ Crank - Nicolson 34 Hình 2.1 Mơ hình thép lớp 41 Hình 2.2 Mơ hình thép lớp 42 Hình 2.3 Mơ hình thép lớp 45 Hình 2.4 Mơ hình thép lớp 47 Hình 2.5 Mơ hình thép n lớp 49 Hình 2.6 Bộ quan sát thép lớp 52 Hình 2.7 Đáp ứng đầu mơ hình thép lớp 53 Hình 2.8 Bộ quan sát thép hai lớp 53 Hình 2.9 Đáp ứng đầu mơ hình thép hai lớp 53 Hình 2.10 Bộ quan sát thép ba lớp .54 Hình 2.11 Đáp ứng đầu mơ hình thép ba lớp 54 Hình 3.1 Bộ điều khiển mờ 55 Hình 3.2 Bộ điều khiển mờ động .55 Hình 3.3: Hàm liên thuộc luật hợp thành AB(x,y) 59 Hình 3.4: Xác định độ thỏa mãn H(x0) .60 Hình 3.5: Cách kết hợp mệnh đề 64 Hình 3.6 Xác định miền chứa giá trị rõ .66 Hình 3.7 Nguyên lý trung bình 66 Hình 3.8: a, Nguyên lý cận phải b, Nguyên lý cận trái .67 Hình 3.9: Hàm liên thuộc B’ có G khơng liên thơng 67 Hình 3.10 Phương pháp điểm trọng tâm 68 Hình 3.11 Miền khơng liên thơng y’ = 68 Hình 3.12 Tập mờ có hàm liên thuộc hình thang 69 Hình 3.13: Xác định giá trị rõ cho ĐK 69 Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Luận văn thạc sỹ kĩ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Nguyễn Hữu Cơng Hình 3.14 Tính y' phương pháp độ cao 70 Hình 3.15 Bộ điều khiển mờ tĩnh 71 Hình 3.16 Hàm liên thuộc 71 Hình 3.17 Tập hàm liên thuộc tập mờ đầu vào (i = 1;2) 72 Hình 3.18 Bộ điều khiển mờ động với đầu vào đầu 74 Hình 3.19 Mơ hình điều khiển mờ theo luật I 76 Hình 3.20 Bộ điều khiển mờ PD .76 Hình 3.21 Bộ điều khiển mờ PI .77 Hình 3.22 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển lò điện trở 77 Hình 3.23 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển thép sử dụng điều khiển mờ PD 78 Hình 3.24 Sơ đồ khối mờ 78 Hình 3.25 Biến Out 79 Hình 3.26 Xây dựng hàm liên thuộc tín hiệu vào ET 80 Hình 3.27 Xây dựng hàm liên thuộc tín hiệu vào DET 80 Hình 3.28 Xây dựng hàm liên thuộc tín hiệu 81 Hình 3.29 Kết chọn luật hợp thành dạng hình học .82 Hình 3.30 Bề mặt luật hợp thành 82 Hình 4.1 Sơ đồ Simulik hệ thống điều khiển nhiệt độ thép sử dụng điều khiển mờ động PD 83 Hình 4.2 Kết mô hệ thống điều khiển thép sử dụng điều khiển mờ động PD .83 Hình 4.3 Sơ đồ mơ hệ thống điều khiển thép lớp 84 kết mô 84 Hình 4.4 Sơ đồ mô hệ thống điều khiển thép hai lớp kết mô 85 Hình 4.5 Sơ đồ mơ hệ thống điều khiển thép hai lớp kết mô 86 Hình 4.6 Kết mơ nhiệt độ lớp thép giảm bề dày thép 87 Hình 4.7 Kết mơ nhiệt độ lớp thép tăng chiều dài – rộng thép 87 Hình 4.8 Kết mô nhiệt độ lớp thép tăng chiều dày, giữ nguyên chiều dài – rộng thép .88 Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Luận văn thạc sỹ kĩ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Nguyễn Hữu Cơng LỜI NĨI ĐẦU Tự động hóa nhằn thúc đẩy phát triển kinh tế quốc dân khơng cịn khái niệm mẻ mà thực đem lại bước chuyển biến rõ rệt Trong sống đời thường hàng ngày, nhà máy xí nghiệp, giao thơng, thủy lợi… áp dụng tự động hóa Bất kỳ sản phẩm cơng nghiệp muốn có canh tranh chất lượng sản phẩm giá cần phải nâng cao chất lượng sản phẩm suất lao động, mà để đạt điều cách bền vững áp dụng điều khiển tự động trình sản xuất Tuy nhiên, thực tế sản xuất, để tiến hành xây dựng hệ thống điều khiển tự động để điều khiển đối tượng đạt tiêu công nghệ yêu cầu việc dễ dàng, ta ln gặp hàng loạt vấn đề cần giải liên quan đến việc đối điều khiển bất định mơ hình đối tượng theo thời gian làm việc dẫn tới thay đổi thơng số đổi tượng hay tính phi tuyến đối tượng điều khiển, Điều nhận thấy rõ đối tượng nhiệt, thiết bị nhiệt thường bị già hóa theo thời gian sử dụng nên thông số bị thay đổi Trong công nghiệp có nhiều cơng nghệ liên quan tới tốn gia nhiệt như: ủ vật liệu từ chế tạo máy điện, nung gạch men, gốm sứ, nhiệt luyện chi tiết máy, chế tạo cáp quang, ủ thuỷ tinh quang học Ví dụ ngành khí, việc nâng cao chất lượng sản phẩm : trục, bánh răng, bạc,…phụ thuộc nhiều vào vật liệu trình nhiệt luyện Nhiệt luyện có ảnh hưởng định tới tuổi thọ sản phẩm khí Máy móc xác, u cầu tính cao số lượng chi tiết cần nhiệt luyện nhiều Đối với nước công nghiệp phát triển, để đánh giá trình độ ngành chế tạo khí phải vào trình độ nhiệt luyện, dù gia cơng khí xác khơng qua nhiệt luyện chất lượng nhiệt luyện khơng đảm bảo tuổi thọ chi tiết không cao mức độ xác máy móc khơng cịn giữ theo yêu cầu Nhiệt luyện nâng cao chất lượng sản phẩm khơng có ý nghĩa kinh tế lớn (để kéo dài thời gian làm việc; nâng cao độ bền lâu cơng trình, máy móc thiết bị…) mà cịn thước đo để đánh giá trình độ phát triển khoa học, kĩ thuật quốc gia Với mong muốn tìm hiểu trình nhiệt luyện điều khiển tự động trình nhiệt luyện chi tiết khí mà cụ thể chi tiết máy dạng phẳng, đề tài em tập trung vào tìm hiểu phương pháp nhiệt luyện, trình truyền nhiệt nhiệt luyện, phương trình mơ tả q trình nhiệt nhiệt luyện, mơ Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Luận văn thạc sỹ kĩ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Nguyễn Hữu Cơng hình thép Từ việc tìm hiểu q trình nhiệt luyện em thấy rằng: Việc điều khiển tối ưu q trình gia nhiệt thường dẫn đến tốn sau : - Bài toán nung nhanh nhất; - Bài tốn nung xác nhất; - Bài tốn nung bị xy hố nhất; - Bài tốn nung tổn hao lượng Trong nội dung đề tài em tập trung nghiên cứu tốn nung xác trình điều khiển nhiệt độ phơi, tức tìm tín hiệu điều khiển tối ưu cho sau khoảng thời gian T cho trước phân bố trường nhiệt độ thực vật nung sai số nhỏ so với phân bố nhiệt độ u cầu Từ em tiến hành mơ hình hóa thép theo dạng mơ hình hàm truyền thiết kế điều khiển mờ để điều khiển nhiệt độ thép đạt nhiệt độ mong muốn – từ ta điều khiển nhiệt độ thép theo yêu cầu chất lượng cụ thể theo chu trình nhiệt trình gia nhiệt Các kết nghiên cứu kiểm chứng mô mở khả ứng dụng vào thực tế Mục tiêu nghiên cứu - Đề tài nghiên cứu giải tốn điều khiển nhiệt độ phơi, thực chất toán điều khiển cho hệ thống có tham số phân bố - Ứng dụng cho trình gia cơng nhiệt luyện số dạng chi tiết khí, cụ thể thép Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu mơ hình số dạng phôi cụ thể: chi tiết máy dạng phôi - Phạm vi nghiên cứu:Các chi tiết máy kim loại Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu cơng trình khoa học cơng bố, nhằm xác định chắn mục tiêu nhiệm vụ đề - Nghiên cứu lý thuyết để xây dựng thuật tốn; - Tiến hành mơ Matlab để kiểm chứng lý thuyết; Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài - Hiện nay, kĩ thuật ta thường giải toán điều khiển nhiệt độ lò nung cho thoả mãn tiêu chất lượng Tuy nhiên chất lượng sản phẩm q trình gia cơng nhiệt lại phụ thuộc vào nhiệt độ thân sản phẩm lị; chí cịn phụ thuộc vào phân bố nhiệt lớp hay nói xác phụ thuộc vào trường nhiệt độ vật (mà khơng có khả đo được) Với việc mơ hình hóa thép theo dạng hàm truyền thiết kế Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Luận văn thạc sỹ kĩ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Nguyễn Hữu Công điều khiển mờ để điều khiển nhiệt độ thép giúp nhiệt độ thép đạt nhiệt độ mong muốn thỏa mãn chu trình gia nhiệt trình nhiệt luyện cụ thể Điều giúp nâng cao chất lượng trình gia nhiệt – nâng cao chất lượng sản phẩm gia nhiệt Nội dung luận văn gồm chương sau: Chương 1: Yêu cầu công nghệ trình điều khiển nhiệt độ nhiệt luyện Chương 2: Xây dựng mơ hình tính tốn tốn điều khiển nhiệt độ Chương 3: Thiết kế điều khiển nhiệt độ thép Chương : Các kết mô Em xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày 10/8/2017 Học Viên TÔ THỊ HƯƠNG QUY Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên ... TÔ THỊ HƯƠNG QUY NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ TRONG QUÁ TRÌNH NHIỆT LUYỆN CHI TIẾT DẠNG TẤM PHẲNG Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 60.52.02.16 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT... hiểu trình nhiệt luyện điều khiển tự động trình nhiệt luyện chi tiết khí mà cụ thể chi tiết máy dạng phẳng, đề tài em tập trung vào tìm hiểu phương pháp nhiệt luyện, trình truyền nhiệt nhiệt luyện, ... CƠNG NGHỆ CỦA Q TRÌNH ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ TRONG NHIỆT LUYỆN .9 1.1 Khái quát chung điều khiển nhiệt độ .9 1.2 Yêu cầu công nghệ trình điều khiển nhiệt độ nhiệt luyện 10 1.2.1