2.2.1.1. Vùng sấy
Vùng sấy có nhiệt độ khoảng 700 – 8000C, vùng này có nhiệm vụ làm tăng dần nhiệt độ phôi lên tránh tình trạng phôi bị nóng lên một cách đột ngột ở nhiệt độ vùng nung gây nứt tế vi phôi làm ảnh hƣởng tới chất lƣợng của sản phẩm. Khi chọn chế độ nhiệt độ cho vùng sấy cần chú ý đến tính dẫn nhiệt của kim loại và lý hoá tính của nó.
Đào Đăng Hải Nghiên cứu khảo sát và tích hợp dây chuyền sản xuất dâu điện từ CTCP Ngô Han
2.2.1.2. Vùng nung:
Là vùng chủ yếu tăng nhiệt độ của phôi nung nên nhiệt độ vùng này phải cao, từ 12000
÷12500C và nhiệt độ lò lớn hơn nhiệt độ bề mặt phôi khoảng 1000C, sai số nhiệt độ của phôi chủ yếu do kích thƣớc phôi nung thay đổi và sản lƣợng cán thay đổi.
Việc tự động hoá lò nung là tự động duy trì nhiệt độ lò ở khoảng 12000C ÷12500C thông qua việc điều chỉnh lƣu lƣợng dầu và không khí vào vùng nung.
2.2.1.3. Vùng đồng nhiệt
Nhiệm vụ khống chế nhiệt độ vùng này là làm cho phôi nung trƣớc khi ra lò có độ chênh nhiệt độ giữa bề mặt và tâm phôi nằm trong giới hạn cho phép, khoảng 300C/dm chiều dầy.
Tại vùng này nhiệt độ lò đƣợc hạ thấp xuống so với vùng nung (11500÷11700C) và cao hơn nhiệt độ bề mặt phôi một chút. Với nhiệt độ lò nhƣ vậy nhiệt độ bề mặt phôi không tăng đƣợc nữa trong khi đó nhiệt độ tâm phôi tiếp tục tăng lên cho đồng đều với bề mặt phôi.
Để đáp ứng đúng yêu cầu công nghệ cán, việc tự động hoá duy trì nhiệt độ vùng đồng nhiệt là cần thiết bởi vì phôi trƣớc khi ra lò cần có nhiệt độ nhất định để đáp ứng nhu cầu về độ biến dạng dẻo của phôi giảm gây biến dạng, giảm tiêu hao năng lƣợng khi gia công và tăng tuổi thọ của thiết bị. Không đảm bảo đƣợc nhiệt độ đồng đều theo tiết diện phôi sẽ làm xoắn phôi tạo ra vết nứt bên trong và làm hƣ hỏng các chi tiết khác của máy cán trong lúc làm việc.
2.2.2. Bài toán điều khiển nhiệt độ lò nung
Với yêu cầu nhiệt độ từng vùng nhƣ trên nên mỗi vùng đều đƣợc bố trí các mỏ đốt (đốt bằng dầu với không khí). Tại mỗi mỏ đốt đều có các van điều khiển bằng tay để điều chỉnh lƣu lƣợng dầu, khí nén hóa mù dầu và điều chỉnh lƣu lƣợng không khí. Riêng với từng cụm mỏ đốt cho các vùng chỉ có 1 van điều khiển lƣu lƣợng dầu và 1 van điều khiển lƣu lƣợng không khí. Bài toán điều
Đào Đăng Hải Nghiên cứu khảo sát và tích hợp dây chuyền sản xuất dâu điện từ CTCP Ngô Han
khiển nhiệt độ lò nung chính là điều chỉnh tự động các van này sao cho nhiệt độ từng vùng ổn định và duy trì theo yêu cầu đặt ra.
Để điều khiển nhiệt độ cho lò nung ta điều khiển cho nhiệt độ từng vùng với trị số đặt trƣớc. Khi điều khiển nhiệt độ cho từng vùng ta phải điều chỉnh lƣu lƣợng dầu, khí nén (để hóa mù dầu) và khí đốt (hay không khí) và tỉ lệ giữa chúng theo một tỉ lệ nhất định tùy thuộc vào giá trị nhiệt độ cần đặt.
Khi đặt nhiệt độ thì tƣơng ứng phải có lƣu lƣợng dầu nhất định để nhiệt độ lò đạt đến nhiệt độ đã đặt. Với lƣu lƣợng dầu đó cần điều khiển để cơ cấu chấp hành van mở đến đúng lƣu lƣợng dầu yêu cầu. Vậy điều khiển lƣu lƣợng dầu ở đây cần phải có một vòng điều khiển nữa.
Bài toán điều khiển tỷ lệ lƣu lƣợng dầu/khí là một bài toán điều khiển cực trị (hay cực trị trôi) và đã có nhiều công trình nghiên cứu về vấn đề này. Trong luận văn này, ta xem dầu đã đƣợc kết hợp với khí nén có đủ áp lực để mù hóa dầu và vì lƣợng khí đốt đƣợc đặt theo lƣợng dầu nên khi đó ta có thể coi việc điều khiển nhiệt độ lò nung có một tín hiệu vào là lƣu lƣợng dầu và một tín hiệu ra là nhiệt độ. Và đồng thời ta coi cơ cấu chấp hành van điều khiển lƣu lƣợng dầu là lý tƣởng, nghĩa là ta bỏ qua vòng điều khiển lƣu lƣợng dầu.
Việc đo lƣờng và điều khiển nhiệt độ cho bốn vùng nung là hoàn toàn tƣơng tự nhau. Cho nên nghiên cứu tập trung chủ yếu vào vùng 1 (vùng sấy), các vùng còn lại là hoàn toàn tƣơng tự.
Bài toán điều khiển đặt ra là: Với các vùng lò nung là vùng sấy, vùng nung và 2 vùng đồng nhiệt thì với giá trị nhiệt độ đặt trƣớc (theo yêu cầu công nghệ) ở mỗi vùng cần điều khiển van cấp dầu (và từ đó điều khiển van không khí theo tỷ lệ tối ƣu nhất) sao cho nhiệt độ vùng ổn định tại nhiệt độ đặt trƣớc đó. Nhiệt độ của mỗi vùng đƣợc đo bằng hai cặp nhiệt loại “S” ở hai bên lò. Sở dĩ đo bằng hai cặp nhiệt là để dự phòng, nếu trƣờng hợp cặp nhiệt này lỗi thì chuyển sang sử dụng cặp nhiệt còn lại. Ở chế độ tự động thì tự động chọn 1 cặp nhiệt có giá trị nhiệt độ đo cao hơn cặp nhiệt còn lại, trong trƣờng hợp hƣ 1 cặp nhiệt thì hệ thống tự động chuyển sang chọn cặp nhiệt còn lại. Giá trị nhiệt độ đo đƣợc so sánh
Đào Đăng Hải Nghiên cứu khảo sát và tích hợp dây chuyền sản xuất dâu điện từ CTCP Ngô Han
với giá trị nhiệt độ đặt trƣớc (đƣợc ngƣời vận hành cài đặt trên giao diện giám sát). Sai lệch giữa hai giá trị nhiệt độ này đƣợc đƣa vào bộ điều khiển để có tín hiệu điều khiển van cấp dầu và từ đó điều khiển nhiệt độ của vùng.
Vậy với bài toán điều khiển đặt ra và phƣơng pháp điều khiển nhiệt độ các vùng lò nung là độc lập với nhau, do đó muốn thiết kế đƣợc bộ điều khiển cho các vùng ta cần xác định mô hình toán học của từng vùng nung.
2.3. Mô hình toán học của từng vùng nung
Vì hệ thống điều khiển nhiệt độ các vùng tƣơng tự nhƣ nhau, do đó nghiên cứu tập trung vào việc xây dựng mô hình toán học vùng 1, các vùng còn lại đƣợc xác định theo cách tƣơng tự.
2.3.1.Mô hình toán học vùng 1
Để xác định mô hình toán học của một đối tƣợng nào đó, trƣớc tiên cần xác định cấu trúc của đối tƣợng đó thế nào. Đối tƣợng điều khiển cần xét là vùng 1 cũng giống nhƣ các đối tƣợng điều khiển khác, tức là có 3 thành phần nhƣ sau:
Đối tƣợng điều khiển vùng 1
Hình 2.4. Đối tượng điều khiển vùng 1
Tiếp theo ta đi xác định hàm chuyền của thiết bị đo, thiết bị chấp hành và của vùng 1 để từ đó xây dựng hàm chuyền của đối tƣợng điều khiển vùng 1.
2.3.1.1. Hàm chuyền thiết bị đo
Trong hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung thì thiết bị đo gồm: can nhiệt (loại S) và bộ chuyển đổi đo chuẩn. Nhƣ vậy, tín hiệu vào can nhiệt là nhiệt độ và tín hiệu ra là điện áp, khi nhiệt độ thay đổi từ 0÷14000C thì điện áp thay đổi từ 0÷18.6mV (đối với can nhiệt loại S). Tín hiệu điện áp đƣợc đƣa qua bộ chuyển
Đào Đăng Hải Nghiên cứu khảo sát và tích hợp dây chuyền sản xuất dâu điện từ CTCP Ngô Han
đổi điện áp - dòng điện thành tín hiệu chuẩn 4÷20mA.
Đặc tính động học của hầu hết các thiết bị đo có thể mô tả bằng phƣơng trình vi phân cấp một hoặc cấp hai. Coi đặc tính của thiết bị đo là tuyến tính, động học của nó có thể đƣợc biểu diễn với khâu quán tính bậc nhất:
(hoặc một khâu bậc hai ổn định)
Nói chung đặc tính động học của thiết bị đo có ảnh hƣởng ít nhiều tới chất lƣợng điều khiển. Vì hằng số thời gian τ (khoảng 0.005s) rất nhỏ so với hằng số thời gian của vùng nhiệt (100s), tức là phép đo có động học nhanh hơn nhiều so với động học quá trình, do đó ta có thể bỏ qua quán tính của thiết bị đo và coi đặc tính của thiết bị đo nhƣ một khâu khuyếch đại thuần túy
Vậy:Gm (s) = km . Vì khi nhiệt độ thay đổi từ 0÷1400 C thì tƣơng ứng với đầu ra thay đổi từ 4÷20mA.
(2.1) Tƣơng tự xác định hàm chuyền các thiết bị đo vùng 2, 3 và 4:
(2.2)
2.3.1.2. Hàm chuyền thiết bị chấp hành
Thiết bị chấp hành đƣợc sử dụng là van bƣớm đƣợc điều chỉnh bằng thiết bị thủy lực khí nén. Mô hình động học của van điều khiển có thể đƣa về một khâu quán tính bậc nhất
Việc xác định hệ số khuếch đại kv và hằng số thời gian τv của van có thể tiến hành từ thực nghiệm. Hằng số thời gian τv của van phụ thuộc chủ yếu vào cơ cấu chấp hành.
Đào Đăng Hải Nghiên cứu khảo sát và tích hợp dây chuyền sản xuất dâu điện từ CTCP Ngô Han
Thông thƣờng τv có giá trị khoảng một vài giây, ta chọn τv = 1s
Khi tín hiệu điều khiển thay đổi từ 4÷20mA thì qua bộ chuyển đổi điện-khí nén I/P ta đƣợc đầu ra là tín hiệu khí nén thay đổi từ 0.2÷1 bar. Khi tín hiệu khí nén thay đổi thì tín hiệu độ mở van thay đổi từ 0÷100%. Và khi độ mở van thay đổi thì lƣu lƣợng dầu qua van thay đổi từ 0÷550lit/h. Vậy hệ số khuếch đại van điều khiển vùng 1 là:
(2.3)
Tƣơng tự xác định hàm chuyền van điều khiển cấp dầu vùng 2, 3 và vùng 4:
(2.4)
2.3.1.3. Hàm chuyền vùng 1
Lò nung là đối tƣợng có dung lƣợng lớn, có thời gian trễ và quan hệ không tuyến tính của các tham số, bằng giải tích ta rất khó tìm đƣợc đặc trƣng tĩnh học và động lực học của chúng. Với những lý do trên nên hiện nay ta sử dụng chủ yếu dựa trên phƣơng pháp thực nghiệm xác định hàm chuyền của từng vùng nung trong lò. Bằng phƣơng pháp thực nghiệm ta thấy, khi cấp nhiệt tối đa (công suất P=100%) cho vùng lò thì nhiệt độ của vùng lò tăng dần với đƣờng đặc tính quá độ của các vùng lò có dạng hình chữ S. Do đó có thể xấp xỉ mô hình toán học các vùng lò nung về dạng mô hình toán học bậc nhất có trễ.
Vì mỗi vùng có đặc điểm khác nhau nên các tham số K, T, τ của mỗi vùng khác nhau. Bây giờ ta đi xác định các tham số K, T, τ của các vùng lò nung.
Đào Đăng Hải Nghiên cứu khảo sát và tích hợp dây chuyền sản xuất dâu điện từ CTCP Ngô Han
Hàm chuyền vùng 1:
Vì lƣu lƣợng dầu cấp tối đa của vùng 1 là 550 lit/h. Do đó, khi lƣu lƣợng dầu thay đổi từ 0÷550 lít/h thì nhiệt độ vùng 1 thay đổi từ 0÷14000
C.
Các thông số đƣợc chọn theo kinh nghiệm của các chuyên gia làm việc tại nhà máy
(2.5)
Tƣơng tự xác định hàm chuyền của vùng 2, vùng 3 và vùng 4, ta đƣợc kết quả: Hàm chuyền của vùng 2:
(2.6)
Các thông số cũng đƣợc chọn theo kinh nghiệm của các chuyên gia Hai vùng đồng nhiệt 3 và 4 đều có hàm chuyền là:
(2.7) Các thông số cũng đƣợc chọn theo kinh nghiệm các chuyên gia
Tổng hợp kết quả ta có thể xác định hàm chuyền của đối tượng điều khiển vùng 1:
Đào Đăng Hải Nghiên cứu khảo sát và tích hợp dây chuyền sản xuất dâu điện từ CTCP Ngô Han
Theo (2.1), (2.3), (2.5) ta suy ra hàm chuyền của đối tƣợng điều khiển vùng 1 là:
(2.8)
2.3.2. Mô hình toán học các vùng khác
Tƣơng tự ta dễ dàng xác định đƣợc hàm chuyền của vùng 2 (vùng nung):
(2.9) Và hàm chuyền của vùng 3, 4 (vùng đồng nhiệt là)
(2.10)
Vậy ta có bảng tổng hợp mô hình toán học của các vùng lò nung:
Bảng 2.1. Bảng tổng hợp mô hình toán học các vùng nung
Sau khi xây dựng mô hình toán học các vùng lò nung, bây giờ ta đi vào việc thiết kế bộ điều khiển cho từng vùng.
Đào Đăng Hải Nghiên cứu khảo sát và tích hợp dây chuyền sản xuất dâu điện từ CTCP Ngô Han
2.4. Thiết kế bộ điều khiển cho từng vùng
Vì lò nung là một đối tƣợng có tham số biến đổi chậm, đặc tính động học của quá trình và của cảm biến nhiệt độ thƣờng chậm hơn của thiết bị chấp hành. Phép đo nhiệt độ chậm nhƣng thƣờng ít chịu ảnh hƣởng của nhiễu. Vì thế ta sẽ sử dụng luật PID để cải thiện tốc độ đáp ứng, đồng thời giúp ổn định hệ thống dễ dàng hơn.
Hình 2.6. Sơ đồ tổng quát điều khiển nhiệt độ vùng nung
2.4.1. Thiết kế bộ điều khiển PID cho vùng 1.
Hiện nay có rất nhiều phƣơng pháp tổng hợp bộ điều khiển PID nhƣ phƣơng pháp Reinisch dựa trên cơ sở mô hình toán học của đối tƣợng đã đƣợc xác định một cách tƣờng minh. Trong trƣờng hợp không thể xây dựng đƣợc mô hình cho đối tƣợng thì phƣơng pháp thiết kế thích hợp là phƣơng pháp thực nghiệm. Đối với phƣơng pháp thực nghiệm có rất nhiều phƣơng pháp tổng hợp bộ điều khiển nhƣ: Ziegler và Nichols, Jassen và Offerein, phƣơng pháp tối ƣu đối xứng… Trong luận văn này tôi sử dụng Toolbox trong Matlab/Simulink đó là PID tune.
2.4.1.1. Bộ điều khiển PID
Bộ điều khiển PID đƣợc gọi là bộ điều khiển vi tích phân tỷ lệ (Proportional Integral Derivative) là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển (bộ điều khiển) tổng quát đƣợc sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp. Bộ điều khiển PID có dạng hàm chuyền là:
Đào Đăng Hải Nghiên cứu khảo sát và tích hợp dây chuyền sản xuất dâu điện từ CTCP Ngô Han
Trong đó:
KP đƣợc gọi là độ lợi tỷ lệ: Giá trị càng lớn thì đáp ứng càng nhanh, do đó sai số càng lớn, bù khâu tỷ lệ càng lớn. Một giá trị độ lợi tỷ lệ quá lớn sẽ dẫn đến quá trình mất ổn định và dao động.
KI đƣợc gọi là độ lợi tích phân: Giá trị càng lớn kéo theo sai số ổn định bị khử càng nhanh. Đổi lại, độ vọt lố càng lớn: bất cứ sai số âm nào đƣợc tích phân trong suốt đáp ứng quá độ phải đƣợc triệt tiêu tích phân bằng sai số dƣơng trƣớc khi tiến tới trạng thái ổn định.
KD đƣợc gọi là độ lợi vi phân: Giá trị càng lớn càng giảm độ vọt lố, nhƣng lại làm chậm đáp ứng quá độ và có thể dẫn đến mất ổn định do khuếch đại nhiễu tín hiệu trong phép vi phân sai số.
2.4.1.2. Ứng dụng PID tune để thiết kế bộ điều khiển
Trong phần mềm Matlab/Simulink có Toolbox PID tune để xác định các thông số của bộ điều khiển. Nhiệm vụ đặt ra là cần xác định các tham số của bộ điều khiển KP, KI, KD sao cho nhiệt độ vùng 1 tiến tới và ổn định tại giá trị đặt theo yêu cầu công nghệ. Vậy sơ đồ khối hệ thống điều khiển nhiệt độ vùng 1 nhƣ sau:
Hình 2.7. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển nhiệt độ vùng sấy
Đào Đăng Hải Nghiên cứu khảo sát và tích hợp dây chuyền sản xuất dâu điện từ CTCP Ngô Han
Trong đó KPID(s) là hàm chuyền của bộ điều khiển PID Mô phỏng trên phần mềm MATLAB ta có
Hình 2.8. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển nhiệt độ vùng sấy trên Simulink
Để tìm tham số bộ điều khiển ta sử dụng phƣơng pháp tổng hợp PID tune. Ta làm nhƣ sau:
Đào Đăng Hải Nghiên cứu khảo sát và tích hợp dây chuyền sản xuất dâu điện từ CTCP Ngô Han
Hình 2.9. Bảng thiết lập thông số bộ điều khiển PID trên Simulink
Đào Đăng Hải Nghiên cứu khảo sát và tích hợp dây chuyền sản xuất dâu điện từ CTCP Ngô Han
Hình 2.10. PID tuner của Matlab/Simulink
Kết quả này cho ta các tham số P, I, D và N (khâu lọc) của bộ điều khiển trong bảng controller parameters (hình 2.10). Bảng dƣới là Performance and robustnetss cho các thông số để đánh giá chất lƣợng của bộ điều khiển nhƣ: thời gian quá độ, độ quá điều chỉnh,…
Có thể đánh dấu các điểm đặc biệt trên đồ thị bằng cách kích chuột phải vào màn hình của đồ thị rồi chọn characteristic nhƣ hình dƣới: