CHƢƠNG IV : MÔ PHỎNG HỆ THỐNG
4.2 Mô phỏng động cơ mở van
Từ các hàm truyển xây dựng ở mục 3.4.3 ta tiến hành mô phỏng trên simulink như sau:
To
c d
o (
v/p
)
DAC TINH MO MAY DONG CO CHAP HANH 35 30 25 20 15 10 5 0 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 Thoi gian (s)
Hình 4.2. Đặc tính khởi động của động cơ mở van gió
4.3. Xây dựng mơ hình và mơ phỏng hệ thống
Từ sơ đồ nguyên lý đã xét ở phần trước ta xây dựng sơ đồ mơ hình hố 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 mơ tả tốn học tương đương với trạng thái tác động của các khí cụ đó, sự tương đương về nguyên tắc tác động ở sơ đồ ngun lý và mơ tả tốn học ở sơ đồ cấu trúc như sau:
- Bộ phát lệnh ở sơ đồ nguyên lý được mơ hình hố 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 mơ hình hố 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 mơ hình hố bằng các khối Dead Zone, Constant4, Relational Operator (tạo mức ngưỡng ± 0.05v ), Triggered Subsytem.
Khi hệ đạt cực trị đầu ra của khối Relational Operator có một xung dương kích mở lật trạng thái của 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.
Lị nung được mơ hình hố là một khâu qn tính bậc nhất có trễ cùng với đặc tính tĩnh (có dạng parabol ) Khâu qn tính bậc nhất có trễ có hàm truyền đạt là W (s) = K Ts +1e−τ s (4.16a) K = 72, T = 1200(s), Xấp xỉ khâu trễ ta được: τ = 60(s) w(s) ≈ 72 = 72 (4.16b) (1200s +1)(60s +1) 72000s2 +1260s +1
Các khối, Clock, Math Function, Constant, Gain tạo mơ hình đặc tính tĩnh dạng parabol.
Sensor nhiệt độ và bộ khuếch đại mơ hình hố bằng khối Gain3 với hệ số K=0.025
Hình 4.4. Sơ đồ mơ hình hố bộ điều khiển dịch bước
Từ việc thay thế như trên nếu thực hiện thuật toán bước đều, ta có mơ hình mơ phỏng hệ thống như hình vẽ 4.5.
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 cơng 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 mơ 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 tốn bước đều
Lị nung là một khâu phi tuyến, ta có thể coi lị là một khâu qn tính bậc nhất có trễ cùng với đặc tính tĩnh của lị, giá trị cực đại và độ dốc của đặc tính tĩnh là thơng số xác định bằng thực nghiệm hay tính tốn giải tích, Ở đây giả thiết cực đại ymax = 12000C, ứng với góc mở van khoảng 110% (α=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 :
N hi e t d o
1400 DAC TINH CUC TRI LO NUNG
1200 1000 800 600 400 200 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 anfa Hình 4.7. Đặc tính tĩnh nhiệt độ lị nung
Hình 4.8. Góc dịch mở van bước nhảy đều
N hi et d o N hi et d o
1400 DAC TINH DONG NHIET DO LO 1200 1000 800 600 400 200 0 0 20 40 60 80 100 120 140 Thoi gian (s)
Hình 4.9. Nhiệt độ ra của lị với bước nhảy đều
Từ kết quả mô phỏng ta nhận thấy sau 15 bước mở van (120s) nhiệt độ lị đạt cực đại và được duy trì, ổn định tại nhiệt độ đó.
1400 NHIET DO GHI NHO
1200 1000 800 600 400 200 0 0 20 40 60 80 100 120 140 Thoi gian (s)
Hình 4.10 mơ 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 khơng thể nhỏ q vì cịn phụ thuộc và thời gian quá độ của động cơ.
Hình 4.11 mơ 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 mơ 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 đơi 2∆x. Sơ đồ mơ phỏng hình 4.6, kết quả mơ phỏng như các hình 4.12, 4.13, 4.14.
N
hi
et
d
o
Hình 4.12: Góc mở van ứng với bước nhảy 2 cấp
1400 NHIET DO LO KHI MO VAN 2 CAP 1200 1000 800 600 400 200 0 0 20 40 60 80 100 120 140 Thoi gian (s)
4.4.3. Nhận xét
Hình 4.14. Tín hiệu ra của khối Triggered
Qua nhiều lần mơ 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.
+ Q trình mở van hồn 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 α ≈ 11% như hình 4.8.
+ Khi thay đổi “bước nhảy” theo độ dốc đặc tính thì q trình tìm đến điểm cực trị nhanh hơn, chất lượng hệ thống cao hơn. Hình 4.12, mơ phỏng 2 cấp tốc độ của động cơ mở van, hệ tìm được cực trị ở bước 13 sau 104s, ứng với góc mở α ≈ 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.
+ Nếu chọn mức ngưỡng ε 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 ε hợp lý thì hệ ít bị dao động hơn.
4.5. Kết luận chƣơng 4
Từ việc mơ hình hóa đối tượng và các khí cụ thao tác đề tài đã xây dựng mơ hình mơ phỏng trên nền Matlab – Simulink, một trong những phần mềm thơng dụng và có tính ứng dụng rất cao hiện nay.
Kết quả mô phỏng đã chứng minh tính đúng đắn của thuật tốn 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 mơ phỏng chứng tỏ tính đúng đắn của thuật tốn và tạo cơ sở khoa học để áp dụng vào các hệ thống thực.
5.1. Kết luận
CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
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 lị nung trong cơng 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 lị khơng 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 lị hồn tồn 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 tốn điều khiển, thiết kế mạch phần cứng và mơ phỏng thành công. Đặc biệt là thuật tốn 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 khơng 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 lị 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 q trình điều khiển nên khơng thể chủ động
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 hồn tồn 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 cơng nghệ lị đốt nói chung.
Thuật tốn điều khiển cần phải được nghiên cứu ứng dụng cho một số cơng 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 tốn 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 tốn điều khiển.
Trên đây là toàn bộ bản thuyết minh luận văn thạc sỹ kỹ thuật của tác giả. Trong q trình phân tích, thiết kế khơng tránh khỏi những thiếu sót, tác giả rất mong tiếp tục nhận được sự cảm thơng, giúp đỡ, đóng góp ý kiến của q thầy cơ và bạn bè, đồng nghiệp.
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 lị nung trong cơng 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 trị và u cầu của lị nung trong cơng nghệ luyện cán thép.
Phân tích và xác định đặc tính tĩnh, đặc tính động của đối tượng lị nung, phân tích q 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 khơng 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 mơ phỏng tồn hệ thống. Quan sát và nhận xét kết quả.
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 Cơng (2002) "Điều khiển tối ưu q trình gia nhiệt- một đối tượng có tham số phân bố", Tạp chí khoa học cơng nghệ số 36+37/2002.
[9].http://www . ener g yeffi c iencyasia . o r g /docs / ee_ m o d ules / v ietn a m ese / Chapter%2 0 -
%20Fuels%20and%20c o mbustion%20 ( Vietn a m ese) . 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 conference on Control, Automotion, Robotics and vision( ICARCV’2008).
[11].Miroslav Krstic, Hsin-Hsiung Wang, “Stability of extremum seeking feedback for
general nonlinear dynamic systems”, Received 4 March 1997; revised 16