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 77 Luận văn thạc sỹ kĩ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Nguyễn Hữu Công - Bộ điều khiển mờ PI DET ET x - Bộ điều khiển mờ I y Đối tượng Thiết bị đo Hình 3.21 Bộ điều khiển mờ PI Bộ điều khiển mờ PI thiết kế từ điều khiển mờ PD cách mắc nối tiếp với điều khiển mờ PD khâu tích phân kinh điển vào trước sau khối mờ Do tính phi tuyến hệ mờ, nên việc mắc khâu tích phân trước hay sau hệ mờ hồn tồn khác Sơ đồ hình 3.21 dùng khâu tích phân mắc đầu hệ mờ Với điều khiển mờ hình 3.21 đầu vào điều khiển mờ sai lệch ET DET đầu điều khiển tín hiệu điều khiển đối tượng 3.3 Thiết kế điều khiển mờ cho hệ thống điều khiển nhiệt độ thép Xét sơ đồ cấu trúc lò điện trở sau: Ucđ BĐK WBBĐ(s) WLò(s) WBộ quan sát(s) y (-) Wtỷlệ(s) Hình 3.22 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển lò điện trở Với BBĐ Tiristor có hàm truyền sau: 22 WBBD (s)  0.0033 s 1 [3], [9], [13] Hàm truyền lò điện trở : 5* e30 s WLo (s)  [3], [9], [13] 500s  BBĐ tỷ lệ mô tả hàm truyền : Wtyle ( s )  0.01 [3], [9], [13] Trong luận văn này, tác giả lựa chọn thiết kế điều khiển mờ để điều khiển thép trường hợp thép chia làm lớp với hàm truyền lớp là: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên 78 Luận văn thạc sỹ kĩ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Nguyễn Hữu Công 25,7 s  25.7 s  W2 ( s )  660.49s  77.1s  660.49s  77.1s  W1 ( s )  141622.26s  22106.76s  720.2s  W3 ( s )  Để điều khiển thép đạt nhiệt độ mong muốn theo chu trình gia nhiệt, tác giả lựa chọn điều khiển nhiệt độ lớp thứ thép sử dụng điều khiển mờ PD, từ ta có sơ đồ điều khiển cụ thể sau: Ucđ (-) BĐKM WBBĐ(s) WLị(s) W1(s) W2(s) Wtyle(s) Hình 3.23 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển thép sử dụng điều khiển mờ PD Để xác định điều khiển mờ, tác giả thực theo bước sau: Bước1 Xác định tất biến ngôn ngữ vào Theo yêu cầu điều khiển kinh nghiệm thực tế mà việc chọn biến vào vừa có tính khách quan vừa có tính chủ quan người thiết kế Sơ đồ khối mờ sau: Hình 3.24 Sơ đồ khối mờ Trong : ET: Sai lệch nhiệt độ (biến vào) DET: Tốc độ tăng giảm nhiệt độ (biến vào) OUT : Biến Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên y 79 Luận văn thạc sỹ kĩ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Nguyễn Hữu Công Bước Xác định tập giá trị cho biến vào  Sai lệch nhiệt độ : Được định nghĩa độ sai khác nhiệt độ đặt nhiệt độ đo được, ký hiệu ET ET = nhiệt độ đặt – nhiệt độ đo [C] Mong muốn điều khiển đến 1000C nên miền xác định biến khoảng [-4C,+1000C] Trong miền xác định đó, ta định nghĩa tập mờ : ET = {âm nhiều, âm vừa, âm ít, khơng, dương ít, dương vừa, dương nhiều} hay ET = {NB, NM, NS, ZE, PS, PM, PB} Tuy nhiên, để tập trung khoảng sai lệch nhỏ, ta không phân bố tập mờ khoảng [-4C,+1000C] mà phân bố khoảng [-4C, +4C]  Tốc độ tăng giảm nhiệt độ : Là giá trị tăng hay giảm nhiệt độ so với nhiệt độ trước khoảng thời gian lấy mẫu, ký hiêu DET DET=(nhiệt độ – nhiệt độ trước)/thời gian lấy mẫu[C/s] Đối tượng điều khiển lị nung có độ quán tính tương đối lớn, ta định nghĩa DET với miền xác định [-2,+2] Cũng định nghĩa cho biến DET có tập mờ với tên gọi trên, định nghĩa khoảng [-2;+2] DET = {NB, NM, NS, ZE, PS, PM, PB}  Đại lượng ra: Đại lượng điều khiển mờ phần trăm cơng suất kích cho lị nhiệt ( %P ) Biến OUT với tập mờ dạng singleton  V1 V2 V3 V4 V5 V6 V7 10 40 60 80 100 20 Hình 3.25 Biến Out - Biến OUT với tập mờ dạng tam giác %P = {V1, V2, V3, V4, V5, V6, V7} Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên %P Luận văn thạc sỹ kĩ thuật 80 Hướng dẫn KH: PGS.TS Nguyễn Hữu Công Bước Xác định dạng hàm liên thuộc Đây vấn đề quan trọng trình làm việc điều khiển mờ phụ thuộc vào dạng kiểu hàm liên thuộc ta chọn hàm liên thuộc dạng hình thang hình tam giác, dạng hàm liên thuộc có mức độ chuyển đổi tuyến tính đơn giản Ta xây dựng hàm liên thuộc sau:  Phân bố giá trị mờ biến đầu vào ET: Hình 3.26 Xây dựng hàm liên thuộc tín hiệu vào ET  Phân bố giá trị mờ biến đầu vào DET: Hình 3.27 Xây dựng hàm liên thuộc tín hiệu vào DET Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên 81 Luận văn thạc sỹ kĩ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Nguyễn Hữu Công  Phân bố giá trị mờ biến đầu OUT Hình 3.28 Xây dựng hàm liên thuộc tín hiệu Bước Xây dựng luật điều khiển “ …thì…“ Gồm 7x7=49 luật sơ khởi ban đầu sở nhận định ban đầu đối tượng Bảng 3.1 Phối hợp tập mờ cho biến vào/ra OUT ET DET NB NM NS ZE PS PM PB NB V1 V1 V1 V1 V1 V1 V1 NM V1 V1 V1 V1 V1 V1 V1 NS V1 V1 V1 V1 V1 V1 V1 ZE V1 V1 V1 V1 V1 V1 V1 PS V2 V2 V2 V3 V3 V4 V4 PM V3 V4 V4 V5 V5 V6 V7 PB V6 V6 V7 V7 V7 V7 V7 Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Luận văn thạc sỹ kĩ thuật 82 Hướng dẫn KH: PGS.TS Nguyễn Hữu Công Ở ta chọn luật hợp thành max-min ta có kết hợp thành: Hình 3.29 Kết chọn luật hợp thành dạng hình học Hình 3.30 Bề mặt luật hợp thành Bước Giải mờ Dùng phương pháp phân vùng (Bisector) Bước Thiết kế mô Matlab Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên 83 Luận văn thạc sỹ kĩ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Nguyễn Hữu Cơng CHƯƠNG CÁC KẾT QUẢ MƠ PHỎNG 4.1 Kết mô thiết kế điều khiển mờ để điều khiển nhiệt độ thép lớp Hình 4.1 Sơ đồ Simulik hệ thống điều khiển nhiệt độ thép sử dụng điều khiển mờ động PD Kết mô sau Nhiet cac lop cua Thep tam lop 1200 1000 Nhiet Lop Nhiet Lop Nhiet Lop Nhiet Lo Tempture (oC) 800 600 400 200 0 500 1000 1500 2000 Time (s) 2500 3000 3500 4000 Hình 4.2 Kết mơ hệ thống điều khiển thép sử dụng điều khiển mờ động PD Nhận xét: Dựa vào kết mô hệ thống điều khiển thép sử dụng điều khiển mở động PD ta thấy: + Thời gian độ 1770s; Lượng điều chỉnh 2,2%; Số lần dao động lần; Sai lệch tĩnh St% = 0% Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên 84 Luận văn thạc sỹ kĩ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Nguyễn Hữu Công + Sau thời gian 2200s nhiệt độ ba lớp thép đạt gần Sau thời gian 3500s nhiệt độ lớp thép gần trùng khớp với nhiệt độ lò Như vậy, sử dụng điều khiển mờ động PD ta điều khiển nhiệt độ thép đạt nhiệt độ mong muốn (nhiệt độ đặt) với sai lệc tĩnh không, lượng điều chỉnh nhỏ (2,2% so với mức cho phép từ 10-30%) 4.2 Kết mô thiết kế điều khiển mờ để điều khiển nhiệt độ thép thông số thép thay đổi Để đánh giá chất lượng điều khiển mờ động PD việc điều khiển nhiệt độ thép tấm, ta xét thép trường hợp sau 4.2.1 Khi thông số thép khơng đổi, mơ hình thép thay đổi Ta xét thông số thép không thay đổi, cụ thể là: Chiều dài a=60 cm=0.6 m; Chiều rộng b =30 cm =0.3 m; Chiều dày d =6 cm =0.06 m Xét mơ hình thép thay đổi Trường hợp 1: Mơ hình thép lớp: W ( s )  643.25s  Nhiet Thep tam 1200 Nhiet Thep tam Nhiet Lo 1000 Tempture (oC) 800 600 400 200 0 500 1000 1500 2000 Time (s) 2500 3000 Hình 4.3 Sơ đồ mô hệ thống điều khiển thép lớp kết mô Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên 3500 4000 85 Luận văn thạc sỹ kĩ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Nguyễn Hữu Công Thời gian độ 1745s, lượng điều chỉnh 2,18%, số lần dao động lần, sai lệch tĩnh St% = 0% Sau thời gian 3500s nhiệt độ thép gần trùng khớp với nhiệt độ lò Trường hợp 2: Mơ hình thép hai lớp Nhiet cac Lop cua Thep tam 1200 Nhiet Lop Nhiet Lop Nhiet Lop 1000 Tempture (oC) 800 600 400 200 0 500 1000 1500 2000 Time (s) 2500 3000 3500 4000 Hình 4.4 Sơ đồ mô hệ thống điều khiển thép hai lớp kết mô Thời gian độ 1780s, lượng điều chỉnh 2,55%, số lần dao động lần, sai lệch tĩnh St% = 0% Sau thời gian 3300s nhiệt độ thép gần trùng khớp với nhiệt độ lò Trường hợp 3: Mơ hình thép bốn lớp (a) Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên 86 Luận văn thạc sỹ kĩ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Nguyễn Hữu Công Nhiet cac Lop cua Thep tam 1200 1000 Nhiet Lop Nhiet Lop Nhiet Lop Nhiet Lop Nhiet Lo Tempture(oC) 800 600 400 200 0 500 1000 1500 2000 Time (s) 2500 3000 3500 4000 (b) Hình 4.5 Sơ đồ mô hệ thống điều khiển thép hai lớp kết mô Thời gian độ 1610s, lượng điều chỉnh 2,46%, số lần dao động lần, sai lệch tĩnh St% = 0% Sau thời gian 3300s nhiệt độ thép gần trùng khớp với nhiệt độ lị 4.2.2 Khi thơng số thép thay đổi, mơ hình thép lớp Xét thông số thép ba lớp trường hợp sau: Bảng 4.1 Các thông số thép Các trường hợp Chiều dài a Chiều rộng b Chiều dày d Trường hợp 0.6 m 0.3 m 0.03 m Trường hợp 0.9 m 0.7 m 0.06 m Trường hợp 0.6 m 0.3 m 0.08 m Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên 87 Luận văn thạc sỹ kĩ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Nguyễn Hữu Công Trường hợp 1: Giảm chiều dày thép tấm; giữ nguyên chiều dài – rộng thép Nhiet cac Lop cua Thep tam 1200 1000 Nhiet Lop Nhiet Lop Nhiet Lop Nhiet Lo Tempture (oC) 800 600 400 200 0 500 1000 1500 Time (s) 2000 2500 3000 Hình 4.6 Kết mơ nhiệt độ lớp thép giảm bề dày thép Thời gian độ 1275s, lượng điều chỉnh 2,11%, số lần dao động lần, sai lệch tĩnh St% = 0% Sau thời gian 2500s nhiệt độ thép gần trùng khớp với nhiệt độ lò Trường hợp 2: Tăng chiều dài – rộng tấm; giữ nguyên chiều dày thép Nhiet cac Lop cua Thep tam 1200 1000 Tempture (oC) 800 600 400 200 0 500 1000 1500 2000 Time (s) 2500 3000 3500 4000 Hình 4.7 Kết mơ nhiệt độ lớp thép tăng chiều dài – rộng thép Thời gian độ 1850s, lượng điều chỉnh 2,15%, số lần dao động lần, sai lệch tĩnh St% = 0% Sau thời gian 3500s nhiệt độ thép gần trùng khớp với nhiệt độ lò Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên 88 Luận văn thạc sỹ kĩ thuật Hướng dẫn KH: PGS.TS Nguyễn Hữu Công Trường hợp 3: Tăng chiều dày tấm; giữ nguyên chiều dài – rộng thép Nhiet cac Lop cua Thep tam 1200 1000 Nhiet Lop Nhiet Lop Nhiet Lop Nhiet Lo Tempture (oC) 800 600 400 200 0 500 1000 1500 2000 2500 Time (s) 3000 3500 4000 4500 Hình 4.8 Kết mô nhiệt độ lớp thép tăng chiều dày, giữ nguyên chiều dài – rộng thép Thời gian độ 2270s, lượng điều chỉnh 1,5%, số lần dao động lần, sai lệch tĩnh St% = 0% Sau thời gian 4000s nhiệt độ thép gần trùng khớp với nhiệt độ lò 4.3 Kết luận chương Qua kết mô hệ thống điều khiển nhiệt độ phôi sử dụng điều khiển mờ cho thấy: Bộ điều khiển mờ có khả điều khiển nhiệt độ phôi đạt nhiệt độ đặt đồng thời tham số mơ hình phơi thay đổi – từ thay đổi mơ hình phơi tới thay đổi tham số phôi – điều khiển mờ có khả điều khiển nhiệt độ phơi đạt nhiệt độ đặt thỏa mãn yêu cầu công nghệ đặt Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Luận văn thạc sỹ kĩ thuật 89 Hướng dẫn KH: PGS.TS Nguyễn Hữu Công KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Luận văn giải nội dung sau: Đã tìm hiểu số phương pháp tính tốn trường nhiệt độ phơi Đã đưa cách tiếp cận việc tính tốn trường nhiệt độ phơi theo mơ hình hàm truyền Từ mơ hình hàm truyền trường nhiệt độ thép tấm, thiết kế điều khiển mờ để điều khiển nhiệt độ thép Bộ điều khiển mờ điều khiển trường nhiệt độ thép thoả mãn yêu cầu công nghệ đặt Các kết mô thể đắn thuật toán đề xuất mở khả ứng dụng vào thực tế Những kiến nghị nghiên cứu 1.Tiến hành thí nghiệm thực để kiểm tra lại kết mô định hướng ứng dụng thực tế cho công nghệ gia công nhiệt như: ủ vật liệu từ, ram nhiệt luyện, ủ thuỷ tinh quang học, Nghiên cứu mơ hình quan sát nhiệt độ cho dạng thép khác: ví dụ thép hình trụ, Nghiên cứu tốn quan sát nhiệt độ theo mơ hình khơng gian trạng thái Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Luận văn thạc sỹ kĩ thuật 90 Hướng dẫn KH: PGS.TS Nguyễn Hữu Công TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Bùi Hải Trần Thế Sơn, Kỹ Thuật Nhiệt, NXB Khoa học kỹ thuật Hà Nội [2] Đặng Quốc Phú, Trần Thế Sơn, Trần Văn Phú, Truyền Nhiệt, NXB Giáo Dục [3] Ngô Minh Đức (2009), Thiết kế quan sát điều khiển nhiệt độ phôi Luận văn thạc sỹ kỹ thuật- Đại học Thái Nguyên [4] Nguyễn Hữu Công, Điều khiển tối ưu cho đối tượng có tham số phân bố, biến đổi chậm, Luận án tiến sỹ kỹ thuật 2003 [5] Nguyễn Hữu Công (1997), “Điều khiển tối ưu trình gia nhiệt” Luận văn thạc sỹ kỹ thuật, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội [6] Nguyễn Hữu Công, Nguyễn Mạnh Tường(2000), Một nghiên cứu điều khiển tối ưu hệ thống có tham số biến đổi chậm, (VICA4 - 2000) [7] Nguyễn Hữu Công, Điều khiển tối ưu trình gia nhiệt, Đề tài NCKH cấp Bộ, mã số B98 - 01 – 27 [8] Nguyễn Hữu Công(2007), Điều khiển tối ưu cho hệ với tham số phân bố có trễ, Tạp chí khoa học cơng nghệ trường đại học Kỹ thuật số 60 – 2007 [9] Nguyễn Hữu Công, Ngô Minh Đức, Chu Minh Hà, Đinh Việt Cường, Nghiên cứu quan sát nhiệt độ phơi mơ hình hàm truyền, Tạp chí khoa học công nghệ trường đại học kỹ thuật số 72/2009 [10] Nguyễn Đình Huy, Cơng nghệ chế tạo máy biến áp , Luận Văn Thạc sỹ đại học Sư Phạm TP Hồ Chí Minh [11] Nguyễn Hồi Nam (2002), “ Xây dựng hệ thống Điều khiển lò nung liên tục” Đồ Án tốt nghiệp Đại học, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội [12] Nguyễn Mạnh Tường, Nguyễn Hữu Cơng(2002), Điều khiển tối ưu q trình gia nhiệt- đối tượng có tham số phân bố, Tạp chí khoa học cơng nghệ số 36+37/2002 [13] Nguyễn Văn Hịa, Cơ sở tự động hóa Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội [14] Phan công Ngô, Lý thuyết điều khiển tự động, NXB Khoa học kỹ thuật Hà Nội [15] Tạ Văn Đĩnh, “Phương pháp sai phân phương pháp phần tử hữu hạn”, NXB Khoa học Kỹ thuật Hà Nội Tiếng Anh [16] Cong N Huu; Nam N Hoai, Optimal control for a distributed parameter and delayed – time system based on the numerical method, Teth international conference on Control, Automotion, Robotics and vision(ICARCV’2008) Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Luận văn thạc sỹ kĩ thuật 91 Hướng dẫn KH: PGS.TS Nguyễn Hữu Công [17] Callier, F.M, Winkin J (1997) "Spectral factorization for distributed parameter systems in Decision and control", Proceeding of the 36 th IEEE conference , Vol 5, pp 4406- 4408 [18] Dexter, A.C Jesson, S (1996) "Distributed parameter control of billet heating in electromagnetics and induction heating", IEEE Colloquium on 15/5 (Digest No:1996/264) [19] N.H.Cong, N.V.Minh; Continuous parallel-iterated RKN-type PC methods for non-stiff IVPs; Appled Numerical Mathematics 2007 [20] Moshfegh, Allen; Optimal Distributed Control System for a Linear Distributed Parameter System Patent, Filed 29 Aug 91, patented 12 Jul 94 [21] P.K.C.Wang (1963) "Optimum control of distributed parameter systems", Presented at the Joint Automatic Control Coference, Minneapolis, Minn.June, [22] Xunjing Li; Jiongmin Yong (1990), "Optimal control for a class of distributed parameter systems", Decision and control, Proceeding of the 29 th IEEE conference, Vol 4, pp 2319-2320 Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên ... 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... 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