tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG điều KHIỂN hệ THỐNG cán THÉP tấm

ĐẶC ĐIỂM, THÀNH PHẦN VÀ CÁCH BỐ TRÍ THIẾT BỊ Ở CÁC NHÀ MÁY CÁN TẤM Chiều dài thân trục cán của các máy cán tấm được xácđịnh theo chiều rộng của thép thành phẩm.. ĐẶC ĐIỂM BIẾN DẠNG CỦA

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA

NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN HỆ

CHƯƠNG I:

GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ CÁN THÉP TẤM

Thép tấm hay còn gọi là thép lá là một trong những dạngsản phẩm cán kinh tế nhất Từ thép tấm và thép băng người tasản xuất thép ống, thép hình uốn, các loại kết cấu hàn và các sảnphẩm dập rất đa dạng Chế tạo các dạng ống và thép hình nhẹ từthép tấm và thép băng (có độ dày nhỏ hơn so với sản phẩm ống

và thép hình cán) cho phép tiết kiệm được 10- 15% kim loại

Ở một số nước công nghiệp phát triển, tỷ trọng thép tấm

và thép băng trong tổng khối lượng sản phẩm cán chiếm tới 70% Cùng với sự gia tăng nhu cầu về thép băng và thép tấm nóichung, khối lượng sản phẩm thép lá cũng không ngừng tăngnhanh, chiếm tỷ trọng trên 40% tổng sản phẩm và thép băng

50-Ở nước ta, trong định hướng phát triển của ngành luyệnkim đã dự kiến tổng nhu cầu thép vào năm 2010 là 6.400.000tấn, trong đó có 3.500.000 tấn thép lá và 2.900.000 tấn thép hình

và dây Như vậy khối lượng thép tấm, lá chiếm gần 55% tổngsản phẩm thép cán

Để đảm bảo nhu cầu nêu trên, dự kiến xây dựng, phân bổ vàphát triển năng lực thiết bị nhằm cân đối nhu cầu sản phẩm cũngđược đề xuất cho từng giai đoạn đến 2005 và 2010, bao gồm cácnhà máy cán nóng, cán nguội thép băng liên tục với tổng sảnlượng dự kiến đến 2010 tới hơn 4 triệu tấn/ năm [1]

1.1 PHÔI CHO SẢN XUẤT THÉP TẤM VÀ THÉP BĂNG CÁN NÓNG

Để sản xuất thép tấm người ta sử dụng phôi là slab vàthép thỏi Slab là phôi có tỷ lệ giữa chiều rộng và chiều dàykhoảng 312 Kich thước phổ biến của slab, dùng cho các máycán hiện đại là: HBL = (100 300) mm  (600  320)mm

 (1500  14000 mm, khối lượng đạt (35  45) T

1.2 ĐẶC ĐIỂM, THÀNH PHẦN VÀ CÁCH BỐ TRÍ THIẾT BỊ Ở CÁC NHÀ MÁY CÁN TẤM

Chiều dài thân trục cán của các máy cán tấm được xácđịnh theo chiều rộng của thép thành phẩm Chiều rộng lớn nhấtcủa tấm sau khi cán phải nhỏ hơn chiều dài thân trục từ 200 mmđến 400mm

Các máy cán tấm gồm một hoặc hai giá phân bố nối tiếpnhau Số lượng giá cán được xác định căn cứ vào năng suất cầnthiết và yêu cầu về chất lượng của thép thành phẩm Với năngsuất (300.000  500.000) T/năm, người ta thường đặt máy cánmột giá Máy hai giá cán cần trong trường hợp yêu cầu năngsuất cao hơn

Các giá cán của máy cán tấm thường là kiểu 2 trục (duo)đảo chiều, 4 trục (kvarto) hoặc 4 trục vạn năng ( 4 trục ngangkết hợp với 2 trục đứng) Kiểu giá 3 trục, với trục giữa nhỏ hơnkhông truyền động (trio Lau ta)

1.3 KỸ THUẬT CÁN THÉP Ở CÁC NHÀ MÁY CÁN TẤM

Sau khi kiểm tra và làm sạch khuyết tật bề mặt (thổi bằngngọn lửa áp suất cao) phôi slab và thỏi được nung trong các lòliên tục hoặc lò giếng đến nhiệt độ 1150- 1250C, khi đạt nhiệt

độ cần thiết, từng phôi cán được đưa đến máy cán theo đườngbăng lăn.

1.4 ĐẶC ĐIỂM BIẾN DẠNG CỦA THÉP KHI CÁN Ở CÁC MÁY CÁN TẤM

Khi cán trong các giá trục ngang, chiều rộng của tấm théplớn hơn rất nhiều so với chiều dày Tỷ lệ giữa chiều rộng banđầu b0 và chiều dày trung bình htb của tấm thép thường lớn hơn

10 Trong trường hợp này, lượng giãn rộng của thép không đáng

kể Khi tính lực cán, yếu tố giãn rộng có thể bỏ qua, có nghĩa làbiến dạng của thép có thể coi như phẳng và đồng đều

1.5 CÁC THÔNG SỐ NĂNG LƯỢNG CỦA QUÁ TRÌNH CÁN TẤM

- Lực cán (áp lực toàn phần của kim loại lên trục cán),trong trường hợp cán trong trục ngang, tính theo công thức: P=ptb.Lt.b0i, (MN) (1.13)

Trong đó: ptb- áp lực riêng trung bình của kim loại lêntrục cán, MN/m2;

lt chiều dài cung tiếp xúc (m)

b0i- chiều rộng của thép trước lần cán (m)

Để tính áp lực riêng trung bình, trong trường hợp cánnóng thép tấm (không có lực kéo căng), ta có thể dùng các côngthức của Korolev và Broman

Công thức Korolev, áp dụng khi lt/htb >1, viết như sau:

T - giới hạn chảy của thép cán trong điều kiện nhiệt độ, mức độ

htb- chiều dày trung bình của thép cán, htb = (ho+ht)/2,m

Hệ số  được xác định theo công thức sau:

h tl y f y

- góc tiếp xúc của thép với trục cán;

h- lượng ép tuyệt đối, h=h0-h1

1.6 TÍNH TOÁN CHẾ ĐỘ ÉP CHO MÁY CÁN TẤM

Chế độ ép trong quá trình cán tấm quyết định mức độchất tải của các thiết bị cơ điện, năng suất của máy, chất lượng

và độ chính xác của sản phẩm Do vậy, chế độ ép phải được tínhtoán cho mỗi chủng loại sản phẩm, có tính tới tính năng kỹ thuậtcủa thiết bị, các yêu cầu về chất lượng bề mặt và độ chính xáccủa sản phẩm, mác thép, nhiệt độ bắt đầu và kết thúc cán, khốilượng và chủng loại phôi

1.7 NHIỆT LUYỆN VÀ TINH CHỈNH THÉP TẤM

Quá trình tinh chỉnh thép tấm tiến hành sau khi cán, baogồm các nguyên công sau: nắn phẳng, làm nguội, cắt, nhiệtluyện, tẩy khuyết tật bề mặt và các nguyên công khác Như vậy,

để tinh chỉnh thép tấm cần nhiều loại thiết bị khác nhau Đặcđiểm, tính năng kỹ thuật của các thiết bị cũng như thành phần và

phân bố thiết bị ở bộ phận tinh chỉnh phụ thuộc vào kiểu máy

và chủng loại sản phẩm cán

Ở các máy cán tấm, cơ cấu và sự phân bố thiết bị tinhchỉnh cho phép tổ chức dây chuyền làm việc một cách liên tục.Đối với các chủng loại chiều dày khác nhau, do thời gian làmnguội và thiết bị tinh chỉnh không giống nhau, nên dây chuyềnlàm việc được tổ chức riêng biệt cho mỗi loại chiều dày

1.8 GIỚI THIỆU QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CỦA NHÀ MÁY CÁN THÉP CÁI LÂN

Miura et al (1993), K.Hunt (1993), Large et al (1994), vàHwang et al (1996) đã mô hình quá trình cán thép dùng trongđiều khiển chiều dày Các mô hình toán học này dựa vào sự thayđổi của chiều dày phụ thuộc vào lực cán Các tác giả này khôngxét đến ảnh hưởng phi tuyến của hệ thống thuỷ lực và do vậycác mô hình này tương đối đơn giản Các phần tử phi tuyếnđược tuyến tính hoá và hệ là hệ một đầu vào-một đầu ra tuyếntính Trong các ứng dụng không yêu cầu cao về độ chính xác vàvùng ổn định, các phương pháp trên có thể sử dụng được

Pedersen et al (1998), Lar Malcolm Pedersen vàB.Wittenmark (1998) đã phát triển bộ điều khiển hai đầu vào-hai đầu ra để điều khiển quá trình cán Trong phương pháp điềukhiển này, đơn giản hoá mô hình toán học được sử dụng Hạnchế của các phương pháp trên là vùng ổn định của hệ thống điềukhiển bị thu nhỏ Hơn nữa các bộ điều khiển này không kể đếnảnh hưởng của nhiễu nội và ngoại, sai số do lệch tâm của cáctrục cán, khe hở của dầu bôi trơn, và các phần tử phi tuyếnkhông mô hình hoá được

Ngoài ra, các tác giả, xem J.W.Perng, K.W.Han (1998)đưa ra một số giải pháp để thiết kế các bộ điều khiển phi tuyếntối ưu H cho hệ thống cán thép tấm…

Trong chương này giới thiệu một số bộ điều khiểncho hệ thống cán thép tấm đã được các tác giả công bố

2.1 Bộ điều khiển tuyến tính PI [5]

Các đại lượng vật lý cơ bản của quá trình và các biến cóliên quan tham gia vào vấn đề điều khiển được đưa ra tronghình 2.1

- h e độ dày của phôi đầu vào ;

- h a là độ dày của phôi tại đầu ra ;

- l e và l a là những vị trí của sensor độ dày;

- s0 là khoảng cách con lăn với lực cán bằng

dưới sẽ rộng hơn tùy thuộc váo chiều dày của dải đầu vào h e và

độ co dãn theo chiều đứng Mục tiêu điều khiển là giữ h a càng

gần với giá trị mong muốn h aref càng tốt.

2.1.1 Mô hình toán học

CTrong thực tế, xem xét

a e S

h v v h

Các cảm biến đo chiều dày đầu ra được đặt cách máy

cán l a (m) Theo cách này, thời gian chết liên quan đến sự đo

đạc của h a là T a = l a / v W Mặt khác, he có liên quan đến một trễquan hệ với vi cho bởi T e = l e /v i Các hiệu ứng nhiễu khôngchứa trong các mô phỏng Mọi hiệu ứng động học từ các thiết bịtruyền động và bộ cảm biến đã được bỏ qua

Mục tiêu điều khiển cơ bản là giữ cho độ dày của vật liệu

đầu ra h a càng gần với giá trị mong muốn h aerf càng tốt, đó là

max  2

0

t aerf a t t



   (2.5)Trong

đó:

2.1.2 Cấu trúc bộ điều khiển

Cấu trúc của bộ điều khiển PI truyền thống cho hệ thốngcán tấm gồm hai thành phần: bộ điều khiển phản hồi và bộ điềuchỉnh nhiễu tác động ở đầu vào như hình 2.2

U

V PI

I V

PI thiết lập sai số bằng không ở trạng thái ổn định Thời gian trễ

T e phụ thuộc vào vận tốc của phôi

Ở đây giới thiệu bộ điều khiển tín hiệu trước để bù trướccho giá trị nhiễu h e Bộ phản hồi PI có dung sai bằng không ởtrạng thái bền vững

Thời gian trễ T e phụ thuộc vào vận tốc của phôi

Hằng số thời gian của PI là T i sẽ được chuẩn hóa T a bằng

cách thêm biến T ’ để đạt được hệ thống kín bất biến theo thờigian

Hình 2.3 Phản hồi trạng thái vòng kín của hệ điều khiển PI

Rõ ràng sai số của quá trình chạy mô phỏng lần đầu tiên

và cuối cùng sẽ lần lượt tương ứng với quá trình tăng tốc vàgiảm tốc của phôi

* Hạn chế : Bộ điều khiển này sẽ không đạt được sai số

bằng không khi máy cán thay đổi theo thời gian Những tín hiệunhiễu phụ thuộc vào độ dày đầu vào phôi và khoảng cách lấymẫu Các đỉnh là do sự thay đổi của chiều dày đầu vào dải và

khoảng thời gian lấy mẫu Trong trường hợp xấu nhất bộ điều

khiển điều chỉnh nhiễu tác động đầu vào phản ứng với chu trìnhlấy mẫu quá chậm

2.2 Bộ điều khiển đa biến [6]

Chức năng của máy cán thép nóng là tạo ra một sản phẩmthép dạng tấm từ một khối thép đã được làm nóng, tức là cánmỏng và kéo dài tấm thép Độ dày của tấm thép sẽ giảm bằngcách kéo tấm giữa 2 con lăn được đặt song song như

hình 2.4 Độ dày của tấm thép được kiểm soát bằng con lăn trên.Bài toán đặt ra là làm sao kiểm soát được độ dày tấm thép Ởđây người ta thiết kế bộ điều khiển có thể kiểm soát riêng rẽ độdày ở 2 cạnh bên của máy cán Đầu tiên người ta tuyến tính hóa

hệ thống định vị bằng tuyến tính hóa phản hồi sau đó dùng thiết

kế không gian riêng bậc hai cho hệ thống đa biến đã được tuyếntính hóa Để có thể đạt được sai số độ dày tĩnh bằng khôngngười ta dùng thêm bộ điều khiển tích phân

Hình 2.4 Quá trình cán nhìn từ hướng vuông góc với

hướng chuyển động của phôi

Hướng chuyển động quay, con lăn trên

Vị trí con lăn trên

Hướng cán Vùng lạnh

Hướng chuyển động quay, con lăn dưới

Hình 2.5 Máy cán nhìn từ góc song song với chuyển

động của phôi

Độ rộng của phôi được kiểm soát bằng cách điều

chỉnh vị trí của hệ thống thủy lực Có 2 hệ thống thủy lực

giống nhau, đặt tại mỗi đầu con lăn một hệ thống Ta có thể

kiểm soát vị trí của cả 2 đầu con lăn trên – điều này làm cho

quá trình đa biến vì một thay đổi tại một đầu con lăn cũng

ảnh hưởng đến độ dày của đầu kia

Vỏ máy cán

Vỏ máy

cán

Pittong Van trợ động Pittong bôi trơn

Hệ thống thủy lực nam

Con lăn trên

Con lăn dự phòng Con lăn làm việc

Con lăn dự phòng Con lăn làm việc phôi

Hệ thống thủy lực

bắc

Hình 2.6 Sơ đồ khối cho hệ thống cán

Hệ thống phía bắc có tham chiếu cho vị trí trượt van

phía bắc x rn , lực trượt f n và đạo hàm cn

d f

dt là đầu vào và vị

trí z n của con lăn phía bắc là đầu ra Hệ thống cho con lăn

phía nam có cùng các tín hiệu đầu vào và đầu ra Kí hiệu n

và s chỉ các biến lần lượt là của hệ phía bắc và phía nam của

con lăn

Trong hình x rn và x rs chỉ ra vị trí của trượt van của van

trợ động, v cn và v cs là độ dày ở cạnh

Người ta xây dựng 2 khối cho giá cán:

+ 1 khối sử dụng thiết kế bộ điều khiển+ 1 bộ quan sát để ước đoán độ dày

Khối thiết kế bộ điều khiển có z n và z c làm các đầu vào và

độ dày phôi phía bắc v cn độ dày phía nam v cs làm đầu ra Ta cũng

f cn và cn

d f dt

fcs và

dt d

fcs

\

có được những ước đoán cho lực cán f cn và f cs và đạo hàm dt d f cn

và dt d f cs làm đầu ra cho khối

2.2.2 Thiết kế bộ điều khiển

Nhìn vào cấu trúc bộ điều khiển (hình 2.7), ta có

f

y e

Hình 2.7 Cấu trúc của hệ thống cán với bộ điều khiển đa

biến

2.2.3 Kết quả

Từ hình 2.8 ta thấy việc tách ly độ dày ở hai cạnh

được tiến hành rất tốt Tham số thiết kế của tuyến tính hóa

phản hồi k được sử dụng để cho hệ thống thủy lực được

tuyến tính hóa một hằng số thời gian thích hợp vì vậy tránh

được khuếch đại quá lớn của ma trận phản hồi trạng thái L

* Hạn chế : Đối với bộ điều khiển đa biến, ở đây đã đơn

giản hóa mô hình toán học và tuyến tính hóa hệ thống thủy lựcnên hạn chế của phương pháp là vùng ổn định bị thu nhỏ Hơn

Hình 2.8 Phản hồi với thay đổi đầu vào tại 1 cạnh

nữa bộ điều khiển này không kể đến nhiễu nội và nhiễu ngoại,sai số do lệch tâm của các trục.

2.3 Bộ điều khiển H [7]

Mục đích chính là thiết kế bộ điều khiển H cho một hệthống cán mỏng Phương pháp không gian – trạng thái hai –Riccati được sử dụng để thiết kế bộ điều khiển H cho cả vòngtrong (vòng phản hồi lực cán) và vòng ngoài (vòng đo độ dàyphôi cán) Để tránh việc truyền lệnh của bộ điều khiển vòngngoài, một phương pháp giảm mẫu được sử dụng sau khi thiết

kế vòng trong được hoàn thành

2.3.2 Phương pháp tiêu chuẩn cho bài toán thiết kế H

Hệ thống được mô tả theo như hình 2.9

Bài toán điều khiển tối ưu H là phải tìm K chỉ số làm

ổn định vĩnh viễn máy cán G, sao cho T zw  nhỏ nhất, trong đó

 , 

zw l

T F G K chỉ ma trận hàm truyền từ w tới z Tuy nhiên, một

vấn đề điều khiển kém tối ưu hơn H là phải tìm một K sao cho

2.3.3 Thiết kế bộ điều khiển H

Điều khiển độ dày của phôi đạt được tại giá của máy cán Mỗigiá cán bao gồm một vỏ máy chứa bên trong là hai con lăn hìnhtrụ, một cặp con lăn lớn hơn dự phòng (BUR)[16,17] Hình 2.10

mô tả một giá cán 4 tầng điển hình

Con lăn dự phòng

Con lăn dự phòng Cảm biến tải trọng

Trục thủy lực

Con lăn động lực

Đầu ra

Vỏ máy cán

Cảm biến

đo tia X Đầu vào

Phôi cán

Hình 2.10 Giá cán 4 tầng

2.3.3.1 Mô hình hệ thống cán

Nhiễu lệch tâm P e

Điều khiển

định vị thủy

lực P r

Thước đo độ cứng đầu vào

P h

M m Lực cán

Nhiễu đo Khuyêch đại

Lò xo máy

Thước

n u

M s -1

2.3.3.2 Quá trình thiết kế

0.0007 0.00012 1000

Hình 2.12 Máy cán nguội biểu diễn trên sơ đồ khối tiêu chuẩn

2.4 Bộ điều khiển phi tuyến bền vững, tối ưu bền vững cho

hệ thống cán thép tấm

2.4.1 Mô hình toán học của hệ thống cán

Mô hình toán học của hệ thống cán thép tấm có đầu vào là cường độ dòng điện đặt vào van thuỷ lực và đầu ra là chiều dày của thép cán Mô hình bao gồm cả các phần tử phi tuyến của hệ thống thuỷ lực, hệ thống giá cán, trục cán và nhiễu Hệ phương trình vi phân phi tuyến của hệ thống được phát triển dưới dạng thích hợp để thiết kế các bộ điều khiển

Hệ thống cán có thể chia mô hình làm hai hệ thống nhỏ: hệthủy lực và hệ cán Hệ cán gồm khung, vít me, trục cán và phôithép (hình 2.18):

Hai hệ thủy lực được bố trí đối xứng Do sự thay đổi chiềudày của đầu này ảnh hưởng đến chiều dày của đầu kia, để điềukhiển chiều dày của thép (đầu ra), quá trình cán cần được môhình là hệ có hai đầu vào và hai đầu ra

Sơ đồ khối của hệ thống cán trong hình 2.19

Hệ phía bắc

Hệ phía nam

Hệ thống phía bắc có cường độ dòng điện i n (đầu vào) để

điều khiển vị trí piston của hệ thủy lực x n (đầu ra) Hệ thống

phía nam có các đầu vào và đầu ra tương tự Các chỉ số n và s

chỉ các biến thuộc hệ phía bắc và hệ phía nam tương ứng

Do hệ phía bắc và hệ phía nam có cấu trúc giống nhau, môhình toán học của chúng giống nhau Trong phần xây dựng mô

hình toán học, ta bỏ các chỉ số n và s để đơn giản trong quá trình

tính toán Mục đích của phần này là xây dựng các phương trình

vi phân mô tả mối quan hệ giữa đầu vào của van thủy lực và vịtrí của các trục cán (đầu ra) của hệ thống cán

Hình 2.20 Sơ đồ tương đương

ta nhận được mô hình toán học sau