Từ sơ đồ nguyên lý đã xét ở phần trước ta xây dựng sơ đồ mô hình hoá hệ thống, việc xây dựng này dựa trên nguyên tắc. Thay thế các khí cụ tác động thực tế trong sơ đồ nguyên lý bằng các khâu động học điển hình có mô tả toán học tương đương với trạng thái tác động của các khí cụ đó, sự tương đương về nguyên tắc tác động ở sơ đồ nguyên lý và mô tả toán học ở sơ đồ cấu trúc như sau:
- Bộ phát lệnh ở sơ đồ nguyên lý được mô hình hoá bằng khối Phulse Generator, khối Phulse Generator 3 tác động ở bước thứ 1, tương ứng với trạng thái ghi nhớ tín hiệu Uyk , khối Phulse Generator 2 tác động ở bước thứ 3 tương ứng với ghi nhớ tín hiêu Uyk+1, khối Phulse Generator1 tác động ở bước thứ 4 để so sánh hai tín hiệu Uyk+1 và Uyk.
- Bộ ghi nhớ được mô hình hoá bằng khối Transport Delay và Transport Delay1, vì các khối này lưu giữ tín hiệu để so sánh ở bước thứ 4 nên khối Transport Delay đặt thời gian trễ là 6(s), khối Transport Delay1 đặt thời gian trễ là 2(s).
- Bộ so sánh được thay thế bằng khối Sum
- Khối logic được mô hình hoá bằng các khối Dead Zone, Constant4, Relational Operator (tạo mức ngưỡng ± 0.05v ), Triggered Subsytem.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Khi hệ đạt cực trị đầu ra của khối Relational Operator có một xung dương kích mở lật trạng tháicủa Switch 3.
Giả sử sau mỗi một bước nhịp thì van mở được một lượng diện tích là s.Việc van mở được nhiều hay ít sau một bước van phụ thuộc vận tốc quay của động cơ chấp hành.
Lò nung được mô hình hoá là một khâu quán tính bậc nhất có trễ cùng với đặc tính tĩnh (có dạng parabol )
Khâu quán tính bậc nhất có trễ có hàm truyền đạt là
( ) 1 s K W s e Ts (4.16a) K = 72, T = 1200(s), 60( )s Xấp xỉ khâu trễ ta được: 2 72 72 w(s) (1200s 1)(60s 1) 72000s 1260s 1 (4.16b)
Các khối, Clock, Math Function, Constant, Gain tạo mô hình đặc tính tĩnh dạng parabol.
Sensor nhiệt độ và bộ khuếch đại mô hình hoá bằng khối Gain3 với hệ số K=0.025
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 4.4. Sơ đồ mô hình hoá bộ điều khiển dịch bước
Từ việc thay thế như trên nếu thực hiện thuật toán bước đều, ta có mô hình mô phỏng hệ thống như hình vẽ 4.5.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Để thực hiện thuật toán bước theo tỷ lệ sai lệch y, ta phải thiết kế thêm một khâu khuếch đại với hệ số chính là tín hiệu sai lệch. Tuy nhiên trên thực tế, việc thiết kế phần cứng sẽ gặp nhiều khó khăn mà công nghệ cũng không yêu cầu chất lượng điều khiển cao như vậy. Để đơn giản ta thực hiện thuật toán bước theo từng cấp (mục 3.4.3).
Sơ đồ mô phỏng hệ thống với bước nhảy 2 cấp như hình 4.6.
Hình 4.6. Sơ đồ mô phỏng động cơ mở van 2 cấp tốc độ
4.4. Kết quả mô phỏng trên phần mền Matlab Simulink
4.4.1. Kết quả với thuật toán bước đều
Lò nung là một khâu phi tuyến, ta có thể coi lò là một khâu quán tính bậc nhất có trễ cùng với đặc tính tĩnh của lò, giá trị cực đại và độ dốc của đặc tính tĩnh là thông số xác định bằng thực nghiệm hay tính toán giải tích, Ở đây giả thiết cực đại ymax = 12000C, ứng với góc mở van khoảng 110% (=1,1), hình 4.7. Trong quá trình tìm cực trị, sau một chu kỳ của bộ phát lệnh, bộ so sánh so sánh hai giá trị đầu và cuối bước điều khiển khối logic phát tín hiệu điều khiển máy điều chỉnh cho động cơ dịch bước, kết quả mô phỏng góc dịch mở van như hình 4.12 :
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 4.7. Đặc tính tĩnh nhiệt độ lò nung
Hình 4.8. Góc dịch mở van bước nhảy đều
Nhiệt độ lò nung như hình 4.9
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 anfa N h ie t d o
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 4.9. Nhiệt độ ra của lò với bước nhảy đều
Từ kết quả mô phỏng ta nhận thấy sau 15 bước mở van (120s) nhiệt độ lò đạt cực đại và được duy trì, ổn định tại nhiệt độ đó.
Hình 4.10. Nhiệt độ ghi nhớ ở các bước
0 20 40 60 80 100 120 140 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 Thoi gian (s) N h ie t d o
DAC TINH DONG NHIET DO LO
0 20 40 60 80 100 120 140 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 Thoi gian (s) N h ie t d o
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 4.10 mô tả tín hiệu nhiệt độ được ghi nhớ tại các bước, từ kết quả mô phỏng ta nhận thấy nếu điều chỉnh chu kỳ dịch bước nhỏ thì hệ thống làm việc chính xác hơn, tuy nhiên không thể nhỏ quá vì còn phụ thuộc và thời gian quá độ của động cơ.
Hình 4.11 mô tả tín hiệu ra của khối logic, khi tín hiệu Uyk lớn hơn Uyk+1 khối logic phát tín hiệu ngắt dịch bước thuận và chuyển sang chế độ duy trì cực trị, trên sơ đồ mô phỏng điểm thay đổi trạng thái tại thời điểm t = 120s
Hình 4.11. Tín hiệu ra của khối Triggered
4.4.2. Kết quả mô phỏng với bước nhảy hai cấp
Với cùng một đặc tính tĩnh, hình 4.7, ta tiến hành mô phỏng với thuật toán động cơ mở van với 2 cấp tốc độ. Từ nhiệt độ ghi nhớ ở hình 4.10, ta nhận thấy càng ở xa điểm cực trị sai lệch nhiệt độ (y) càng lớn. Do đó ta đưa thêm một khâu so sánh ngưỡng C2 lớn hơn C1, khi y C2 thì tín hiệu mở van được tăng gấp đôi 2x. Sơ đồ mô phỏng hình 4.6, kết quả mô phỏng như các hình 4.12, 4.13, 4.14.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 4.12: Góc mở van ứng với bước nhảy 2 cấp
Hình 4.13: Đặc tính động nhiệt độ lò với bước nhảy 2 cấp
0 20 40 60 80 100 120 140 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 Thoi gian (s) N h ie t d o
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 4.14. Tín hiệu ra của khối Triggered
4.4.3. Nhận xét
Qua nhiều lần mô phỏng, ta thấy:
+ Đặc tính khởi động của động cơ chấp hành có lượng quá điều chỉnh nhỏ, số lần dao động ít, thời gian quá độ tqđ=0,03s nhỏ hơn nhiều so với chu kỳ lấy mẫu của hệ thống (T=8s). Do vậy trong nhiều trường hợp có thể bỏ qua động học của động cơ mở van, coi động cơ là một khâu khuếch đại.
+ Quá trình mở van hoàn toàn phù hợp với ý tưởng thiết kế, hệ tự động tìm được cực trị ở bước thứ 15 sau 120s ứng với góc mở 11% như hình 4.8.
+ Khi thay đổi “bước nhảy” theo độ dốc đặc tính thì quá trình tìm đến điểm cực trị nhanh hơn, chất lượng hệ thống cao hơn. Hình 4.12, mô phỏng 2 cấp tốc độ của động cơ mở van, hệ tìm được cực trị ở bước 13 sau 104s, ứng với góc mở 11%.
+ So sánh hình 4.9 và 4.13, ta nhận thấy khi thực hiện bước nhảy 2 cấp nhiệt độ lò tăng nhanh hơn và đạt ổn định sớm hơn.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
+ Nếu chọn mức ngưỡng của phần tử logic lớn, hệ sẽ tiến đến cực đại nhanh hơn nhưng lại khó tìm được đúng điểm cực đại. Do vậy nếu lựa chọn hợp lý thì hệ ít bị dao động hơn.
4.5. Kết luận chƣơng 4
Từ việc mô hình hóa đối tượng và các khí cụ thao tác đề tài đã xây dựng mô hình mô phỏng trên nền Matlab – Simulink, một trong những phần mềm thông dụng và có tính ứng dụng rất cao hiện nay.
Kết quả mô phỏng đã chứng minh tính đúng đắn của thuật toán tìm điểm cực trị theo phương pháp bước. Khi thực hiện “bước nhảy” phụ thuộc vào độ dốc đặc tính của đối tượng thì quá trình tìm điểm cực trị nhanh hơn, chất lượng của hệ thống tốt hơn.
Kết quả mô phỏng chứng tỏ tính đúng đắn của thuật toán và tạo cơ sở khoa học để áp dụng vào các hệ thống thực.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1. Kết luận
Nội dung nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu điều khiển thích nghi cho đối tượng có đặc tính cực trị. Từ việc nghiên cứu các cơ sở lý luận chung và đi sâu nghiên cứu ứng dụng cho một đối tượng cụ thể đó là điều khiển ổn định nhiệt độ của lò nung trong công nghệ luyện cán thép, với hiệu suất cháy cao nhất .
Qua quá trình tìm hiểu thực tế cho thấy, nhiều dây truyền cán thép thiết bị điều khiển lò không được tự động hoặc nếu tự động thì tỷ lệ gió/dầu thường được giữ “cứng” trong quá trình điều khiển. Như vậy việc vận hành lò hoàn toàn phụ thuộc vào kinh nghiệm của thợ lò hoặc điều khiển tự động dựa trên một số giả thiết ban đầu. Khi có sự thay đổi của các tác động bên ngoài sẽ dẫn đến hiệu suất cháy giảm, gây tổn thất dầu, giá thành sản phẩm cao.
Đề tài này đã nghiên cứu, phát triển bộ điều khiển thích nghi, điều khiển lưu lượng gió theo lưu lượng dầu, đồng thời “tìm” và duy trì tỷ lệ gió/dầu phù hợp nhất khi có sự thay đổi của điều kiện làm việc và các yếu tố môi trường. Nhằm nâng cao hiệu suất và tiết kiệm dầu đốt.
Đề tài đã trình bày các thuật toán điều khiển, thiết kế mạch phần cứng và mô phỏng thành công. Đặc biệt là thuật toán tìm cực trị kiểu bước với “bước nhảy” phụ thuộc vào độ dốc của đặc tính.
Thiết kế mạch phần cứng và mô phỏng thành công động cơ chấp hành là động cơ xoay chiều một pha không đồng bộ rotor lồng sóc. Với chất lượng điều khiển rất tốt.
Hiện nay trên thị trường có nhiều thiết bị điều khiển lưu lượng dầu và khí vào các lò nung liên tục (ví dụ như DB1130 của hãng CHINO Nhật Bản ...) tuy nhiên giá thành còn khá đắt, mặt khác hồ sơ thiết bị chỉ có hướng dẫn sử dụng nên người quản lý kỹ thuật khó có thể nắm được bản chất của quá trình điều khiển nên không thể chủ động
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
trong vận hành. Bản thuyết minh này là cơ sở khoa học để cán bộ vận hành khai thác và sử dụng hiệu quả hệ thống sẵn có và cải tiến, thay thế các hệ thống đã cũ, lạc hậu.
5.2. Kiến nghị
Do thời gian và điều kiện nghiên cứu còn hạn chế, nên kết quả nghiên cứu mới dừng lại ở mô phỏng trên các phần mềm chuyên dụng. Nếu được kiểm chứng qua các mạch phần cứng và các thí nghiệm thực, hệ thống hoàn toàn có thể áp dụng vào thực tế, thay thế các thiết bị nhập ngoại với giá thành thấp hơn, mở ra hướng ứng dụng nhằm tiết kiệm nhiên liệu cho các công nghệ lò đốt nói chung.
Thuật toán điều khiển cần phải được nghiên cứu ứng dụng cho một số công nghệ khác để có được những kết quả chính xác hơn và khắc phục những hạn chế do một số giả thiết chỉ phù hợp với công nghệ luyện cán thép.
Tiếp tục nghiên cứu giải quyết bài toán điều khiển thích nghi nhiều biến nhằm bổ xung thêm cơ sở lý luận về điều khiển nói chung và điều khiển thích nghi nói riêng.
Về thiết kế phần cứng, nên chuyển sang điều khiển số, sử dụng vi điều khiển thay thế các mạch điều khiển tương tự. Nhằm nâng cao tốc độ xử lý, độ chính xác, đặc biệt nâng cao tính linh hoạt của các thuật toán điều khiển.
Trên đây là toàn bộ bản thuyết minh luận văn thạc sỹ kỹ thuật của tác giả. Trong quá trình phân tích, thiết kế không tránh khỏi những thiếu sót, tác giả rất mong tiếp tục nhận được sự cảm thông, giúp đỡ, đóng góp ý kiến của quý thầy cô và bạn bè, đồng nghiệp.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
TÓM TẮT
Bản thuyết minh bao gồm 5 chương, mỗi chương nghiên cứu và giải quyết một số vấn đề cơ bản sau:
Chƣơng 1: Điều khiên thích nghi cho hệ cực trị
Giới thiệu tổng quan về điều khiển thích nghi: Định nghĩa, phân loại, sơ đồ tổng quát. Phân tích một số đối tượng có đặc tính cực trị, các phương pháp xây dựng bộ điều khiển cho các đối tượng cực trị, các phương pháp “tìm” và duy trì điểm cực trị.
Nội dung của chương này chủ yếu được tham khảo chương 3, 4 của tài liệu [1].
Chƣơng 2: Phân tích đối tƣợng lò nung trong công nghệ luyện cán thép
Từ những tài liệu kỹ thuật của một số nhà máy, bằng việc nghiên cứu tìm hiểu đối tượng thực, chương 2 tập trung phân tích vai trò và yêu cầu của lò nung trong công nghệ luyện cán thép.
Phân tích và xác định đặc tính tĩnh, đặc tính động của đối tượng lò nung, phân tích quá trình cháy và chứng minh nhiệt độ của lò nung phụ thuộc vào tỷ lệ gió/dầu theo đặc tính cực đại.
Chƣơng 3: Thiết kế hệ thống điều khiển
Phân tích lựa chọn phương pháp bước để thiết kế bộ điều khiển.
Đưa ra sơ đồ khối mạch điều khiển nhiệt độ lò nung, phân tích và thiết kế phần cứng mạch điều khiển lưu lượng gió với giả thiết lưu lượng dầu không đổi.
Với động cơ mở van gió, đã nghiên cứu, sử dụng động cơ xoay chiều không đồng bộ một pha. Thiết kế mạch điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp stator. Xây dựng hàm truyền gần đúng, thiết kế mạch hiệu chỉnh theo phương pháp modul tối ưu.
Chƣơng 4: Mô phỏng hệ thống
Nghiên cứu, ứng dụng phần mềm mô phỏng Matlab – Simulink, thết kế và mô phỏng toàn hệ thống. Quan sát và nhận xét kết quả.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Chƣơng 5: Kết luận và kiến nghị
Tóm tắt các kết quả chính đạt được của đề tài, đồng thời đưa ra những hạn chế và kiến nghị hướng phát triển tiếp theo.
Từ khoá: Điều khiển thích nghi, hệ cực trị, đối tượng có đặc tính cực trị, tiết kiệm
năng lượng.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Nguyễn Thương Ngô, 2005, Lý thuyết điều khiển tự động thông thường và hiện đại, quyển 4, NXB Khoa học Kỹ thuật.
[2]. Phạm kì Anh (2001); Phương pháp số trong lí thuyết điều khiển tối ưu, Nhà xuất bản quốc gia Hà Nội.
[3]. Nguyễn Hữu Công, Nguyễn Mạnh Tường (2000); Một nghiên cứu về điều khiển tối ưu hệ thống có tham số biến đổi chậm, VICA4 - 2000.
[4]. Nguyễn Doãn Phước (2004) Lý thuyết điều khiển tuyến tính, Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật.
[5]. Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi, 2008;
Điều chỉnh tự động truyền động điện; NXB Khoa học và kỹ thuật.
[6]. Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh (2000) Điều khiển tối ưu và bền vững, Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật.
[7]. Tổng công ti thép Việt nam (2000), Báo cáo khả thi Dự án cải tạo và mở rộng sản xuất Công ty gang thép Thái Nguyên.
[8]. Nguyễn Mạnh Tường, Nguyễn Hữu Công (2002) "Điều khiển tối ưu quá trình gia nhiệt- một đối tượng có tham số phân bố", Tạp chí khoa học công nghệ số 36+37/2002.
[9].http://www.energyefficiencyasia.org/docs/ee_modules/vietnamese/Chapter%20- %20Fuels%20and%20combustion%20(Vietnamese).pdf#17
[10].Cong N Huu; Nam N Hoai, Optimal control for a distributed parameter and delayed – time system based on the numerical method, Teth international