Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI GIẢI BÀI TOÁN CÂN BẰNG TẢI CHO HAI ĐỘNG CƠ NỐI CỨNG TRỤC

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ------ĐỖ ĐỨC THÀNH ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI GIẢI BÀI TOÁN CÂN BẰNG TẢI CHO HAI ĐỘNG CƠ NỐI CỨNG TRỤC Nghành: TỰ ĐỘNG HÓA

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

- -LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI GIẢI BÀI TOÁN CÂN BẰNG TẢI CHO HAI ĐỘNG CƠ NỐI CỨNG TRỤC

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

- -LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI GIẢI BÀI TOÁN CÂN BẰNG TẢI CHO HAI ĐỘNG CƠ NỐI CỨNG TRỤC

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

- -ĐỖ ĐỨC THÀNH

ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI

GIẢI BÀI TOÁN CÂN BẰNG TẢI CHO HAI ĐỘNG CƠ NỐI CỨNG TRỤC

Nghành: TỰ ĐỘNG HÓA

Mã số:

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Nội dung của luận văn được chia thành 3 chương:

Chương 1: Giới thiệu dây chuyền công nghệ nhà máy Cán Thép Lưu Xá Thái Nguyên.

Chương 2: Tìm hiểu lý thuyết điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu

MRAC.

Chương 3: Xây dựng mô hình toán, thiết kế bộ ĐKTN giải bài toán cân bằng tải cho hai động cơ nối cứng trục (Cán Block) Lập mô hình, chạy mô phỏng, hiệu chỉnh và đánh giá chất lượng

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ NHÀ MÁY

CÁN THÉP LƯU XÁ – CÔNG TY GANG THÉP THÁI NGUYÊN

1.1 Quá trình hình thành và phát triển của Nhà máy cán thép Lưu Xá

1.2 Cơ cấu tổ chức bộ máy quản lý của Nhà máy Cán thép Lưu Xá

1.3 Công nghệ sản xuất thép của Nhà máy.

Với quy trình công nghệ một lần nung được áp dụng để sản xuất ra thép dây 6,

8 theo sơ đồ sau

Hình 1.2 Quy trình công nghệ cán thép Bước 1: Chuẩn bị phôi.

Nguyên liệu chủ yếu để sản xuất là thép thỏi và thép phôi nhập khẩu từ Nga,Trung Quốc và nhập từ các đơn vị thành viên

Bước 2: Nung phôi.

Khi phôi đã được chuẩn bị kiểm tra được đưa vào lò nung Nung theo chế độnung kim loại đối với từng loại mác thép, định ra chế độ nung phù hợp như: chế độnung, tốc độ nung và nhiệt độ nung

Bước 3: cán thép thô, trung.

Cán thép thô dùng động cơ 2000Kw cho thép ra 50 và cán trung dùng 9 giá cánliên tiếp liên hệ về tốc độ K10 – K19 ra đường kính D32-D12, tiếp sau giá cán K20 làđầu vào Cán thành phẩm Block

trục, nguồn điện áp vào lấy từ hai đầu ra đấu sao và đấu tam giác của máy biến áp10B Thông thường, nhiệt độ cán kết thúc hợp lý nhất là 750 0C đến 800 0C Thép cánsau khi kiểm tra, đạt chất lượng được đưa lên sàn làm nguội.

1.4 Cán Block hiện nay - động cơ một chiều và vấn đề còn tồn tại.

Trong dây chuyền Nhà Máy Cán Thép Lưu Xá thì máy cán Block là khâu quantrọng đảm bảo chất lượng sản phẩm, dùng hai động cơ một chiều 600kw cùng thông sốgiống nhau, nối cứng trục và chung một tải cán thép qua hệ truyền động bánh răng,hộp truyền lực Hai tủ động lực lấy nguồn điện áp từ hai đầu ra đấu sao và đấu tamgiác của máy biến áp 10B

Hai động cơ được điều khiển bởi hai bộ điều khiển một chiều phối hợp theo kiểuMaster_ Slave Bộ điều khiển động cơ chính số 1 xử lý các tín hiệu: phản hồi từloopscan phát hiện sức căng trùng của thép; phản hồi tốc độ từ máy phát tốc Sau đó,truyền tín hiệu điều khiển tới hai bộ điều chỉnh dòng điện (tạo mô men quay cho hai

động cơ) theo hệ số cố định.

Ưu điểm : Việc sử dụng 02 động cơ có cùng công suất và thông số chế tạo thay

vì dùng 01 động cơ công suất lớn tạo điều kiện thuận lợi hơn trong việc chế tạo cũngnhư việc sử dụng các thiết bị phụ trợ đi kèm, đồng thời giảm chi phí vận chuyển, lắpđặt, bảo dưỡng

Nhược điểm : Các động cơ được chế tạo có công suất cùng các thông số kỹ thuật

tương ứng giống nhau, tuy nhiên luôn có sự sai lệch đặc biệt trong quá trình làm việc

Bộ điều khiển hiện tại dưới dạng phối hợp theo kiểu Master - Slaver với hệ số hiệuchỉnh cân bằng cố định Sau một thời gian sử dụng, do ảnh hưởng ngoại cảnh, thông sốcủa các động cơ cũng như thông số của các bộ điều khiển tương ứng bị trôi dẫn đến sựsai lệch về dòng điện của 02 động cơ trong tất cả các chế độ làm việc đặc biệt khi tảiđịnh mức

Hình 1.3: Sơ đồ điều khiển cán Block

BLOCK

1 i

HOP_SO

Thực tế bây giờ khi có tải dòng của động cơ 2 dao động rất lớn (dòng động cơ 1

là khoảng 480 (A), còn dòng động cơ 2 dao động quanh giá trị 830 (A)) và không cùngtăng hay không cùng giảm dòng với động cơ số 1, làm hai động cơ ghì nhau (trở thànhtải của nhau) Dẫn đến trong quá trình vận hành bảo vệ dòng thường tác động dừngmáy sự cố, về lâu dài gây nóng máy, phá hỏng phần cơ khí, năng suất kém

Việc chế tạo ra bộ điều khiển mới nhằm khắc phục các nhược điểm như đã nêu làcần thiết và mang tính cấp bách Thiết kế mới bộ điều khiển cho cán Block là nội dungchính của bản luận văn và được trình bày ở các chương tiếp sau

CHƯƠNG 2 TÌM HIỂU LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI

THEO MÔ HÌNH MẪU MRAC2.1 Lịch sử phát triển của hệ điều khiển thích nghi

2.2 Khái quát về hệ điều khiển thích nghi

2.3 Cơ chế thích nghi – thiết kế bộ điều khiển thích nghi dựa vào luật MIT:

Mô hình mẫu

Bộ DK

+ -

+

-Hình 2.1b: Hệ thích nghi tín hiệu

Hình 2.6: Kết quả việc thích nghi của K a và K b

bp

Alpha Beta

Ka Kb

s + 2 s +  

k  2 2

2.5 Phương pháp ổn định của liapunov.

1 Xác định phương trình vi phân cho e: e A e Ax m  pBu

Hình 2.10.c: Hệ thống thích nghi được thiết kế theo phương

pháp ổn định Liapunov có bổ xung khâu tỷ lệ.

Ka Kb

s + 2 s +  

k  2 2



+

-Bộ điều khiển

Mô hình chỉnh định

Hình 2.12: MRAS áp dụng để nhận dạng

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN, THIẾT KẾ BỘ ĐKTN GIẢI BÀI TOÁN CÂN BẰNG TẢI CHO HAI ĐỘNG CƠ NỐI CỨNG TRỤC (CÁN BLOCK), LẬP MÔ HÌNH, CHẠY MÔ PHỎNG, HIỆU

CHỈNH VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG

Cán Block là khối quan trọng đảm bảo chất lượng sản phẩm, yêu cầu chính củacác bộ điều khiển cho khối này là ổn định tốc độ và chia đều tải cho 02 động cơ khi tảicán thép thay đổi Tuy nhiên bộ điều khiển đang sử dụng với các thông số cố địnhkhông đáp ứng được khi thông số thay đổi gây ra dòng hai động cơ có sự sai lệch lớn Nên nội dung chương này là đề xuất và thiết kế bộ điều khiển thích nghi gồm haimạch vòng: mạch vòng tốc độ sử dụng bộ chỉnh PID với các thông số cố định để ổnđịnh tốc độ và mạch vòng dòng điện với với bộ điều khiển thích nghi để cân bằngdòng điện (bám sát nhau) hai động cơ trong phạm vi cho phép Nội dung Chương 3 sẽgồm:

-Mô hình hóa động cơ điện một chiều, tính toán các tham số liên quan

-Xây dựng bộ điều chỉnh dòng điện của động cơ 1 và đây được xem là mô hìnhmẫu để xây dựng bộ điều chỉnh cho mạch vòng dòng điện động cơ 2

-Xây dựng bộ điều chỉnh thích nghi cho mạch vòng dòng điện của động cơ thứ 2sao cho dòng điện hai động cơ 2 luôn bám sát dòng điện của động cơ 1

-Xây dựng bộ điều khiển mạch vòng tốc độ, tính toán bộ thông số PID Hiệuchỉnh lại bộ thông số PID sao cho độ quá điều chỉnh và thời gian quá độ theo yêu cầu

Hình 3.1: Đề xuất bộ điều khiển mới

3.1 Mô tả toán học động cơ điện một chiều.

Hình 3.3: Cấu trúc động cơ một chiều từ thông không đổi

3.2 Tổng hợp mạch vòng dòng điện thích nghi theo mô hình mẫu MRAC

Hình 3.4: Mô hình điều chỉnh dòng cho hai động cơ

3.2.1 Xây dựng bộ điều chỉnh dòng điện 1 theo phương pháp tối ưu độ lớn

Dong_dien_dat

9.3 0.045 s + 1

Chinh_luu_1

1 0.13 s + 1

Phan_ung_1

0.13 s + 1 0.837 s

Hình 3.7: Mạch vòng dòng điện 1 có bộ điều chỉnh tối ưu độ lớn

Dap ung buoc nhay cua dong dien mau

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

time

0 0.5 1

Steady State = 1 overshoot = 4.321%

rise time = 0.136799 settling time = 0.186508

3.2.2 Bộ điều chỉnh dòng điện DC2 dùng điều khiển thích nghi

Bộ điều chỉnh dòng điện 2 dùng bộ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫuMRAC (bộ điều chỉnh tối ưu độ lớn của bộ điều chỉnh dòng điện 1) Xây dựng bộ điềukhiển thích nghi thực tế theo 4 bước như sau:

,( )

246 9

Ta định nghĩa : u _ tín hiệu vào, x1 = xp : tín hiệu ra, x 2x.1

T

TN TN

Ta lựa chọn một ma trận Q bất kỳ xác định dương, thì hệ thích nghi cho kết quả

được bảo đảm ổn định Chọn giá trị Q như sau: Q500 200200 400

K d

B TN

Chinh_luu_1

1 0.13 s + 1

Phan_ung_1

0.13 s + 1 0.837 s

R_I

9.3 0.045 s + 1

Chinh_luu_2

1 0.13 s + 1

Phan_ung_2 sailech_e

Hình 3.10: Sơ đồ điều khiển cán Block có bộ điều chỉnh dòng điện 2

dùng bộ điều chỉnh thích nghi theo mô hình mẫu MRAC

Sơ đồ điều khiển có bộ điều chỉnh dòng điện 2 cấu trúc có dạng : PD

-Khâu tỷ lệ P lấy tín hiệu từ sai lệch đầu vào 

-Khâu vi phân D lấy tín hiệu từ đầu ra x1

-Khâu bù thích nghi BTN lấy tín hiệu qua phản hồi đầu ra x1.

-Biến trạng thái x 2:đạo hàm từ đầu ra x1.

-Liapunov: block giải phương trình (3.31) bằng phần mềm 20.sim

-P21, P22: được giải từ phương trình Liapunov (3.31)

Hình 3.12 : hệ số thích nghi –ổn định sau 25(s)

Nhận xét: sau một khoảng thời gian ngắn sự sai lệch giữa hai dòng điện tiến về một

giá trị rất nhỏ, dòng điện 2 bám theo dòng điện 1 Các hệ số thích nghi sau khoảng tờigian 25(s) tiến tới giá trị ổn định Mạch vòng dòng điện thích nghi theo mô hình mẫu

MRAC làm việc rất ổn định khi thông số mạch phần ứng thay đổi lớn

thay đổi tại thời điểm t =30(s), t =70(s)

)

Sau khi thay đổi thông số mạch phần ứng k, Tu tại các thời điểm t =30(s), t =70(s) Theo kết quả mô phỏng sai lệch giữa hai dòng điện sai lệch rất nhỏ gần về giá trị 0, hệ

số thích nghi tiến về giá trị ổn định

He so thich nghi - on dinh khi co nhieu o 30 va 70 (s)

thay đổi tại thời điểm t =30(s), t =70(s)

như sau:

Dùng phương pháp Ziegler – Nichols thứ hai : (trang 176 tài liệu [2] ) ta cho

bộ điều chỉnh Rw là bộ khuếch đại Kp Hình (3.16), sau đó tăng hệ số khuếch đại Kp

tới giá trị Kth để hệ kín ở chế độ biên giới ổn định (dao động điều hòa) Xác định chu

Dùng phần mềm 20.sim lấy hiệu tọa độ hai đỉnh dao động max liên tiếp trên

P21

K d

Chinh_luu_1

1 0.13 s + 1

Phan_ung_1

0.13 s + 1 0.837 s

R_I

9.3 0.045 s + 1

1 0.13 s + 1

sailech_e

Mc

Hình 3.20 : mạch vòng tốc độ sử dụng bộ điều khiển PID

Sử dụng bộ điều chỉnh PID theo công thức trong tài liệu [2] trang 177

Phần thứ nhất: Giới thiệu tổng quan nhà máy Cán Thép Lưu Xá, cán Block và

những vấn đề cần giải quyết

Trong phần thứ hai: Tác giả đã khái quát lại và kiểm chứng bằng mô phỏng

một số phương pháp thiết kế bộ điều khiển thích nghi dựa theo mô hình mẫu, áp dụng

lý thuyết ổn định Liapunov cho việc thiết kế, đây là một nền lý thuyết thường được cácnhà điều khiển khai thác và vận dụng khi thiết kế bộ ĐKTN Đã có nhiều đề tài nghiêncứu ĐKTN theo mô hình mẫu dựa trên lý thuyết ổn định Liapunov Những đề tài trướcđây khi tính toán để xây dựng cơ cấu ĐKTN mới chỉ đưa ra phương pháp thiết kế nóichung Khi thiết kế bộ ĐKTN, để thỏa mãn điều kiện ổn định có nhiều cách lựa chọnhàm Liapunov Do đó, cơ cấu điều khiển thiết kế ra cũng có nhiều kết quả khác nhau

Công thức do Job van Amerongen đưa ra là một trong số những kết quả nhận

được Ưu điểm của công thức là thực sự chính xác, rõ ràng, dễ hiểu, dễ áp dụng vàothực tế khi điều khiển đối tượng cụ thể Khi nghiên cứu ĐKTN theo mô hình mẫu,công thức này đã được tác giả giới thiệu trong luận văn Công thức được tác giả ápdụng để xây dựng bộ ĐKTN trực tiếp và bộ ĐKTN gián tiếp, tham số và trạng tháinhận dạng của đối tượng hoàn toàn không còn nhiễu Vì vậy, tham số và trạng tháiđược nhận dạng khi đưa vào bộ điều khiển sẽ cho tín hiệu điều khiển tốt Tín hiệu racủa đối tượng bám chính xác tín hiệu vào, sai lệch điều khiển rất nhỏ và tiến tới bằngkhông trong một thời gian rất ngắn Các thông số bộ điều khiển được thiết kế sẽ tiếnđến giá trị xác lập ổn định Tính khả thi đã được kiểm chứng tính bằng mô phỏng dựatrên phần mềm 20-SIM

Phần thứ ba: Đây là phần nội dung chính của bản luận văn đồng thời tác giả hy

vọng đây là sự đóng góp nhỏ bé của mình trong lĩnh vực điều khiển, tác giả áp dụng lýthuyết ĐKTN theo mô hình mẫu MRAC để cân bằng tải cho hai động cơ một chiều nốicứng trục với nhau theo yêu cầu tải cán thép biến thiên mà vẫn ổn định tốc độ Cáccông việc đã thực hiện bao gồm:

- Mô hình hóa động cơ điện một chiều, tính toán các tham số liên quan

- Tổng hợp mạch vòng dòng điện 1 theo phương pháp tối ưu độ lớn cho bộ điềuchỉnh dòng điện của động cơ 1, sau đó được chọn làm hàm mẫu

- Xây dựng bộ điều chỉnh thích nghi mạch vòng dòng điện 2 với hàm mẫu làmạch vòng dòng điện 1, tính toán các thông số (theo nguyên lý ổn định Liapunov), lập

sơ đồ cấu trúc mạch thích nghi cho bộ điều chỉnh dòng điện 2

- Xây dựng bộ điều khiển mạch vòng tốc độ, tính toán bộ thông số PID theophương pháp Ziegler – Nichols thứ hai Hiệu chỉnh lại thông số PID sao cho độ quáđiều chỉnh và thời gian quá độ theo yêu cầu.

- Trong các bước trên có mô phỏng và đánh giá bằng các đồ thị, hình vẽ

Kết quả mô phỏng đã chỉ ra rằng hệ thống làm việc ổn định, đáp ứng được côngnghệ cán thép, bộ điều khiển thích nghi trong mạch vòng dòng điện làm việc ổn định,tác động nhanh, đáp ứng chính xác, dòng của 02 động cơ được phân đều khi thông sốcủa hệ thống thay đổi

Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp

Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Duy Cương

Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Hữu Công

Phản biện 2: TS Nguyễn Văn vỵ

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn họp tại: Trường Đại học

Kỹ thuật Công nghiệp Vào hồi 7h ngày 07 tháng 10 năm 2010

Có thể tìm hiểu luận văn tại trung tâm Học liệu Đại học Thái Nguyên và Thư viện:Trường Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp