Nghiên cứu, thiết kế và xây dựng bộ điều khiển lò tôi dao cắt giấy

Sau thời gian thực hiện, kết quả đạt được là tìm được hàm truyền mô tả hệ thống lò nhiệt và điều khiển được nhiệt độ của lò bằng phương pháp dùng bộ điều khiển PID, từ đó đạt được mục ti

TẠ NGUYỄN MINH ĐỨC

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG

BỘ ĐIỀU KHIỂN LÒ TÔI DAO CẮT GIẤY

CHUYÊN NGÀNH : TỰ ĐỘNG HÓA

MÃ SỐ :

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Giao thông vận tải Tp.HCM

vào ngày 31 tháng 12 năm 2015

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa.

Chương 1: Tổng quanI

PGS TS Đặng Thiện Ngôn

TS Ngô Mạnh Dũng

TS Phạm Công Thành

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nghiên cứu nêu trong luận văn là trung thực

và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về lời cam đoan này.

Tác giả luận văn

Tạ Nguyễn Minh Đức

Chương 1: Tổng quanI

MỤC LỤC

Trang Lời cam đoan II Mục lục III Danh mục hình vẽ V Danh mục bảng biểu VIII Lời cảm ơn IX Lời nói đầu X

Chương 1: Tổng quan 3

1 Đặt vấn đề 3

2 Mục tiêu nghiên cứu 7

3 Nội dung nghiên cứu 8

4 Đối tượng và phương pháp nghiên cứu 13

Chương 2: Cơ sở lý thuyết 20

1 Quy trình công nghệ chế tạo dao cắt giây 20

2 Quy trình công nghệ tôi dao cắt giấy 22

3 Điều khiển PID cho quá trình tôi dao cắt giấy 24

Chương 3: Nhận dạng hệ thống và bộ điều khiển PID 31

1 Các giải pháp nhận dạng hệ thống 31

2 Bộ điều khiển PID 34

3 Lập trình mô phỏng hệ thống 39

Chương 4: Thiết kế bộ điều khiển và mô phỏng hệ thống 43

1 Phương pháp thiết kế bộ điều khiển lò tôi dao 43

2 Phương pháp nhận hệ thống lò tôi dao 48

3 Mô phỏng hệ thống điều khiển PID 71

Chương 5: Thi công hệ thống và xây dựng phần mềm giám sát 75

1 Sơ đồ hệ thống 75

2 Giải thuật điều khiển 78

3 Lập trình điều khiển 79 4 Giao diện vận hành tủ điện điều khiển 84

5 Thiết bị tủ điện điều khiển 86

6 Tủ điện thực tế 91

Chương 6: Kết luận và đề nghị 92

1 Các kết quả đạt được 92

2 Kiến nghị hướng phát triển 92

Tài liệu tham khảo 94

Phụ lục 95

DANH MỤC HÌNH VẼ

Trang

Hình 1.1 Lò nhiệt công nghiệp 4

Hình 1.2 Lưu đồ thuật giải phương pháp điều khiển ON/OFF 5

Hình 1.3 Sơ đồ điều khiển PID mờ 7

Hình 1.4 Công ty TNHH Quốc tế Z.C Việt Nam 9

Hình 1.5 Cấu tạo lưỡi dao cắt giấy 10

Hình 1.6 Bề mặt cắt lưỡi dao cắt giấy 11

Hình 1.7 Hình dạng cắt lưỡi dao cắt giấy 11

Hình 1.8 Sơ đồ cấu tạo lò tôi của công ty Z.C Việt Nam 12

Hình 1.9 Lò tôi dao cắt giấy thực tế tại công ty Z.C Việt Nam 13

Hình 1.10 Lò nhiệt trong công nghiệp 14

Hình 1.11 Thí nghiệm xác định hàm truyền lò nhiệt 14

Hình 1.12 Đặc tính trạng thái của lò nhiệt 15

Hình 1.13 Mô hình lò nhiệt 16

Hình 1.14 Sơ đồ khối cấu trúc lò nhiệt 17

Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển 25

Hình 2.2 Cấu trúc bộ điều khiển PID 26

Hình 2.3 Đồ thị PV theo thời gian, ba giá trị KP (KI, KD = hằng số) 27

Hình 2.4 Đồ thị PV theo thời gian, ba giá trị KI (KP, KD = hằng số) 29

Hình 2.5 Đồ thị PV theo thời gian, ba giá trị KD (KI, KP = hằng số) 30

Hình 2.6 Sơ đồ PID kết hợp với bộ Anti – Windup 30

Hình 3.1 Tín hiệu vào – ra hàm truyền khâu quán tính bậc một 31

Hình 3.2 Tín hiệu vào – ra hàm truyền khâu quán tính bậc một có trễ 32

Hình 3.3 Đáp ứng của hệ thống với phương pháp Ziegler – Nichols 35 Hình 3.4 Đáp ứng của hệ thống khi hiệu chỉnh Cohen – Coon 36

Hình 3.5 Đáp ứng của hệ thống đối với phương pháp Wang – Juang – Chan 37

Hình 3.6 Mô hình điều khiển lò nhiệt bằng phần mềm 38

Hình 3.7 Sơ đồ khối Real–time Workshop 40

Hình 3.8 Card NI 6052E 42

Hình 4.1 Lò nhiệt của công ty Z.C Việt Nam 43

Hình 4.2 Mô hình hệ thống lò tôi dao vòng hở 46

Hình 4.3 Đáp ứng vòng hở của hệ thống lò tôi dao 46

Hình 4.4 Chương trình khảo sát đặc tính vòng hở của hệ thống 48

Hình 4.5 Đồ thị biểu diễn đáp ứng vòng hở của hệ thống 49

Hình 4.6 Chương trình thu thập dữ liệu 51

Hình 4.7 Cửa sổ Indent Tool 51

Hình 4.8 Cửa sổ Import Data 52

Hình 4.9 Đồ thị biểu diễn tín hiệu input và output của các mẫu dữ liệu 53

Hình 4.10 Polynomial Models 54

Hình 4.11 Nhận dạng mô hình miền rời rạc 54

Hình 4.12 So sánh ngõ ra các mô hình ARX với ngõ ra hệ thống 56

Hình 4.13 Sai số của các mô hình ARX 56

Hình 4.14 Giản đồ cực – zero của các mô hình ARX 57

Hình 4.15 So sánh ngõ ra mô hình ARMAX với ngõ ra hệ thống 58

Hình 4.16 So sánh ngõ ra các mô hình OE với ngõ ra hệ thống 59

Hình 4.17 Giản đồ cực – zero của các mô hình OE 59

Hình 4.18 So sánh ngõ ra các mô hình BJ với ngõ ra hệ thống 60

Hình 4.19 Giản đồ cực – zero của các mô hình BJ 61 Hình 4.20 Cửa sổ Process Models 62

Hình 4.21 Đáp ứng quá độ của hệ thống trong khoảng thời gian đầu 64

Hình 4.22 So sánh ngõ ra mô hình P2DZ với ngõ ra hệ thống 65

Hình 4.23 Giản đồ cực – zero của mô hình P2DZ 65

Hình 4.24 Đáp ứng quá độ của mô hình P2DZ 66

Hình 4.25 Chương trình dự đoán thông số mô hình 67

Hình 4.26 So sánh đáp ứng quá độ của hàm truyền dự đoán và hệ thống 67

Hình 4.27 So sánh ngõ ra mô hình P3DZ với ngõ ra hệ thống 68

Hình 4.28 Giản đồ cực – zero của mô hình P3DZ 69

Hình 4.29 So sánh đáp ứng quá độ của mô hình P3DZ với hệ thống 69

Hình 4.30 Cấu trúc điều khiển 70

Hình 4.31 Cấu trúc bộ điều khiển PID 71

Hình 4.32 Đồ thị biểu diễn đáp ứng của hệ khi Kcrit = 0,92 71

Hình 4.33 Đáp ứng ngõ ra của mô hình khi có bộ điều khiển PID 72

Hình 5.1 Lưu đồ PID 74

Hình 5.2 Mô hình điều khiển nhiệt độ 75

Hình 5.3 Sơ đồ khối tủ điện điều khiển nhiệt độ 75

Hình 5.4 Lưu đồ giải thuật điều khiển nhiệt độ 77

Hình 5.5 Giao diện HMI chính 83

Hình 5.6 Giao diện Setup 84

Hình 5.7 Giao diện Auto 84

Hình 5.8 Giao diện Manual 85

Hình 5.9 Giao diện Help 85

Hình 5.10 PLC S7-200 86

Hình 5.11 Bộ điều khiển nguồn 87

Hình 5.12 Cảm biến Thermocouple loại K 90

Hình 5.13 Màn hình HMI TouchWin TP65 90

Hình 5.14 Tủ điện thực tế 91

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Trang

Bảng 2.1 Tác động của việc tăng các thông số xác lập 27

Bảng 3.1 Xác định thông số cho bộ điều khiển PID bằng phương pháp Ziegler – Nichols 35

Bảng 3.2 Lựa chọn bộ điều khiển theo phương pháp CHR 35

Bảng 3.3 Các tham số bộ PID theo phương pháp CHR 36

Bảng 3.4 Các tham số điều khiển của phương pháp Cohen – Coon 37

Bảng 3.5 Các thông số điều khiển của phương pháp Tyreus – Luyben 38

Bảng 5.1 Bảng địa chỉ đầu ra 79

Bảng 5.2 Bảng địa chỉ đầu vào 79

Bảng 5.3 Thông số kỹ thuật của PLC S7-200 86

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn, tác giả trân trọng cảm ơn các cơ quan

đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ: Khoa Cơ khí và Viện Đào tạo Sau đại học của Trường Đại học Giao thông vận tải Tp.HCM; Phòng thí nghiệm Cơ điện tử, phòng thí nghiệm Điều khiển tự động của Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Tp.HCM.

Tác giả vô cùng cảm ơn PGS.TS Đặng Thiện Ngôn đã định hướng và hướng dẫn thực hiện luận văn, và gửi lời cảm ơn chân thành đến TS Võ Công Phương đã giúp đỡ trong quá trình thực hiện luận văn Xin cảm ơn TS.Vũ Quang Huy đã cung cấp các tài liệu quý báu trong quá trình thực hiện luận văn Cảm ơn các thầy, cô giáo Bộ môn Tự động hóa, Khoa Điện, Trường đại học giao thông vận tải Tp.HCM.

Trong quá trình làm tác giả đã có trao đổi và gửi cảm ơn tới ThS Dương Thế Phong và nhiều người bạn nữa đã nhiệt tình cung cấp các tài liệu quý báu.

Thủ Đức, tháng 12 năm 2015

Tạ Nguyễn Minh Đức

LỜI NÓI ĐẦU

Điều khiển tự động là một lĩnh vực góp phần quan trọng vào sự phát triển của nền công nghiệp hiện đại ngày nay và để theo kịp tốc

độ phát triển ấy đòi hỏi chúng ta có nguồn nhân lực có trình độ để tiếp thu công nghệ ấy Làm thế nào để có thể theo kịp với nền công nghiệp hiện đại của thế giới hiện nay? Muốn đạt được điều đó, đòi hỏi nguồn nhân lực của chúng ta phải có chuyên môn, đủ trình độ để làm chủ kiến thức, vận dụng vào quy trình sản xuất một cách hợp lý

và hiệu quả.

Dựa trên sự phát triển của nền công nghiệp hiện nay và yêu cầu thực tế từ công ty Z.C Việt Nam, tác giả tiến hành thực hiện đề tài

“Nghiên cứu, thiết kế và xây dựng bộ điều khiển lò tôi dao cắt

giấy” nhằm mục đích điều khiển và giám sát hệ thống lò tôi dao của

công ty Z.C Việt Nam Nội dung bao gồm khâu thiết kế, chế tạo, nhận dạng hàm truyền mô hình và điều khiển nhiệt độ của mô hình

lò nhiệt để phục vụ quy trình công nghệ chế tạo dụng cụ cắt.

Sau thời gian thực hiện, kết quả đạt được là tìm được hàm truyền mô tả hệ thống lò nhiệt và điều khiển được nhiệt độ của lò bằng phương pháp dùng bộ điều khiển PID, từ đó đạt được mục tiêu kiểm chứng được các lý thuyết về điều khiển quá trình và ứng dụng vào trong thực tế sản xuất.

Tuy nhiên, do kiến thức còn nhiều hạn chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót, tác giả mong nhận được sự góp ý kiến tích cực của quý thầy cô và các bạn đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn.

Thủ Đức, tháng 12 năm 2015

Tạ Nguyễn Minh Đức

DESGIGN AND CONTROL HEATER FURNACE MODEL

In this project, we research on heating process of heater furnace including system design, model implementation, model identification and temperature control.

About system hardware, I design and implement a complete model I use heating resistors to heat the model, and use PCI 6052E card for data acquisition About software, I use System Identification Toolbox to identify the system and use PID controller

to control the system temperature.

The transfer function of model is identified and PID controller

is applied to control the temperature output of the furnace So, I achieve the target – verify the theory of process control by experimental model.

Thuduc, 12/2015

Ta Nguyen Minh Duc

Trong các lò nhiệt, máy điều hoà, máy lạnh hay cả trong lò viba, điều khiểnnhiệt độ là tính chất quyết định cho sản phẩm ấy Trong ngành luyện kim, cần phảiđạt đến một nhiệt độ nào đó để kim loại nóng chảy, và cũng cần đạt một nhiệt độnào đó để ủ kim loại nhằm đạt được tốt các đặc tính cơ học như độ bền, độ dẻo, độchống gỉ sét… Trong ngành thực phẩm, cần duy trì một nhiệt độ nào đó để nướngbánh, để nấu, để bảo quản.

1.1 Tổng quan về lò tôi dao

Lò tôi (lò nhiệt, lò nung) là khâu quan trọng để quyết định chất lượng sảnphẩm nhưng đó là vùng khó kiểm soát được nhiệt độ tôi nên sản phẩm làm ra chấtlượng chưa cao Hiện tại, quá trình điều khiển nhiệt độ dựa trên cơ sở người vậnhành so sánh nhiệt độ thực tế và nhiệt độ đặt để điều chỉnh van chắn nhằm thay đổilưu lượng gió để thay đổi nhiệt độ, giảm kích thước puli truyền động/động cơnhưng lượng tiêu thụ điện giảm vẫn không đáng kể

Với phương pháp điều khiển này vừa mang tính thủ công và chất lượng hệthống không ổn định phụ thuộc vào yếu tố con người Vậy, điều khiển nhiệt độ tựđộng và tiết kiệm điện là theo yêu cầu đặt ra là rất cấp thiết cần được quan tâmnghiên cứu

Hình 1.1 Lò nhiệt công nghiệp.

Để điều khiển nhiệt độ lò tôi với các phương pháp điều khiển kinh điển thìphải biết chính xác các thông số và kiểu của đối tượng cần điều khiển Để khắcphục nhược điểm trên thì điều khiển mờ là một giải pháp, logic mờ đóng vai tròquan trọng trong các hệ thống điều khiển hiện đại, vì nó đáp ứng tốt các chỉ tiêu kỹthuật, tính bền vững và ổn định cao, dễ thay đổi và lập trình

1.2 Các phương pháp điều khiển lò nhiệt

Ổn định các tham số của đối tượng điều khiển như nhiệt độ, tốc độ… là mốiquan tâm hàng đầu khi thiết kế hệ thống điều khiển Để thực hiện việc này thì côngviệc đầu tiên là xác định mô hình toán học của đối tượng điều khiển

Trong lý thuyết điều khiển tự động thì việc xác định mô hình của đối tượngđiều khiển là một bước rất quan trọng trước khi xác định thuật toán và các tham sốđiều khiển Để xác định mô hình toán học của đối tượng điều khiển đến nay có cácphương pháp:

 Dựa trên các phương trình toán học mô tả mối quan hệ giữa các đạilượng của đối tượng và các tham số của đối tượng

 Dựa trên đường cong thực nghiệm của đối tượng

1.2.1 Phương pháp ON/OFF

Phương pháp điều khiển ON/OFF là lặp lại trạng thái đóng ngắt nguồn cungcấp cho hệ thống điều khiển theo điểm đặt, khi nhiệt độ của lò dưới nhiệt độ đặt thìngõ ra đóng ngắt nguồn là ON và OFF khi nhiệt độ trong lò cao hơn nhiệt độ đặt.Đây là phương pháp điều khiển đơn giản, dễ thiết kế và giá thành rẻ, nhưngđiều khiển sẽ bị dao động xung quanh nhiệt độ được đặt chứ không ổn định.Phương pháp này thường được dùng trong những đối tượng cho phép khoảng nhiệtrộng Phương pháp này ứng dụng tốt nhất cho hệ thống điều khiển khi nhiệt độ tănglên chậm và sai phân G giữa cân bằng nhiệt ngõ ra là ON và khi ngõ ra là OFF nhỏ

Hình 1.2 Lưu đồ thuật giải phương pháp điều khiển ON/OFF.

1.2.2 Phương pháp PID

Hệ thống điều khiển vòng kín là hệ thống sẽ xác định sai khác giữa trạng tháimong muốn và trạng thái thực (sai số) và tạo ra lệnh điều khiển để loại bỏ sai số.Điều khiển PID thực hiện ba cách phát hiện và hiệu chỉnh sai số này

Hệ thống điều khiển có thể sử dụng P, PI, PD hoặc PID để hiệu chỉnh sai số.Nhìn chung, vấn đề đặt ra là “hiệu chỉnh” hệ thống bằng cách lựa chọn những giá trịthích hợp trong ba cách nêu trên

Phương trình trong miền thời gian:

Có thể nói trong lĩnh vực điều khiển, bộ PID được xem như một giải pháp đanăng cho các ứng dụng điều khiển analog cũng như digital Việc thiết kế bộ PIDkinh điển thường dựa trên phương pháp Ziegler – Nichols, Offerein, Reinish…Ngày nay, người ta thường sử dụng kỹ thuật hiệu chỉnh PID mềm (dựa trên phầnmềm) Đây cũng chính là cơ sở của thiết kế PID mờ hay PID thích nghi

Một bộ điều khiển mờ gồm 3 khâu cơ bản:

 Khâu mờ hóa

 Thực hiện luật hợp thành

 Khâu giải mờ

Hình 1.3 Sơ đồ điều khiển PID mờ.

Mô hình toán của bộ PID mờ:

2 Mục tiêu nghiên cứu

Hiện nay, khi sản xuất các dụng cụ cắt giấy, đa số các công ty còn sử dụngthiết bị ngoại nhập nhưng phụ tùng thay thế được sản xuất ở trong nước Điều nàyđem lại nhiều khó khăn trong quá trình sản xuất Hơn nữa, dao cắt giấy là chi tiếtquan trọng nhưng cũng thường hay hư hỏng và có tần suất thay thế lớn Các loạidao cắt được gia công, chế tạo trong nước tại các cơ sở có lò luyện (lò nung) Tuynhiên, công việc tôi còn khá thủ công, đa số các thiết bị phụ thuộc hoàn toàn vào bộđiều khiển và chương trình hệ thống nhập từ nước ngoài

Xuất phát từ yêu cầu cần cải thiện chất lượng của lò tôi dao, kiểm soát nănglượng, điều khiển nhiệt độ ổn định… mục tiêu của luận văn nhằm đưa ra giải pháp

điều khiển quá trình tôi và xây dựng phần mềm thu thập và giám sát chất lượng sảnphẩm thông qua biểu đồ nhiệt và thời gian.

 Tìm hiểu quá trình tôi dao cắt phục vụ ngành giấy tại nhà máy Quốc tế

ZC Việt Nam – Khu chế xuất Tân Thuận, Quận 7, Tp HCM

 Đề xuất phương án điều khiển kiểm soát quá trình tôi cho lò tôi của công

ty ZC Việt Nam

 Thiết kế và thi công hệ thống điều khiển hệ thống lò tôi

 Ứng dụng bộ điều khiển PID vào quá trình điều khiển nhiệt độ lò tôi

 Xây dựng phần mềm giao diện điều khiển và giám sát chất lượng sảnphẩm qua biểu đồ nhiệt

 Thực hiện quy trình lắp đặt hệ thống điều khiển và phần mềm giám sátthực tế tại nhà máy

3 Nội dung nghiên cứu

3.1 Giới thiệu công ty Z.C Việt Nam

Công ty TNHH Quốc tế Z.C (Việt Nam) là công ty trực thuộc công ty ZenithCutter Co., Mỹ Được thành lập năm 1923, và có 85 năm kinh nghiệm sản xuất daocông nghiệp phục vụ nhiều ngành công nghiệp, bao gồm giấy carton, giấy, nhựa,nông nghiệp, gỗ, gỗ băm và vải sợi…

Hình 1.4 Công ty TNHH Quốc tế Z.C Việt Nam.

Hồ sơ công ty:

 Tên công ty : Công ty TNHH Quốc tế Z.C Việt Nam.

3.2 Đặc điểm công nghệ của dao cắt giấy

3.2.1 Các thông số kỹ thuật cơ bản

Dao cắt giấy là một dạng chi tiết trong họ chi tiết dạng đĩa (B ≤ 0,25D), là

một loại chi tiết hình tròn có chiều dày nhỏ hơn nhiều so với đường kính chi tiếtdao Dao cắt giấy có chức năng xén, cắt giấy vì vậy nó không phải chịu lực lớnnhưng chịu mài mòn khá cao, lưỡi cắt phải rất sắc mới đảm bảo công việc xéncắt Do đặc thù của điều kiện làm việc nên dao không thể được mài sắc thườngxuyên, vì vậy dao sẽ được làm bằng thép hợp kim

Hình 1.5 Cấu tạo lưỡi dao cắt giấy.

Điều kiện làm việc của dao:

1) Trong quá trình làm việc lưỡi cắt luôn chịu ma sát và mài mòn

2) Lực cắt nhỏ, nhiệt độ làm việc không cao

3) Thời gian làm việc liên tục

Bề mặt làm việc chủ yếu của dao cắt giấy là bề mặt lưỡi cắt của dao Cụ thể

ta cần đảm bảo các điều kiện kỹ thuật sau đây:

 Độ không vuông góc giữa tâm lỗ và mặt đầu : 0,01mm

 Độ không song song giữa 2 mặt đầu : 0,1mm

Hình 1.6 Bề mặt cắt lưỡi dao cắt giấy.

3.2.2 Các yêu cầu về gia công dao cắt giấy

Hình 1.7 Hình dạng lưỡi dao cắt giấy công nghiệp.

Tính công nghệ trong kết cấu là những đặc điểm về kết cấu cũng như nhữngyêu cầu kỹ thuật ứng với chức năng làm việc của chi tiết gia công Nó có ý nghĩa

quan trọng trong việc nâng cao tính công nghệ, giảm khối lượng lao động, tăng

hệ số sử dụng vật liệu và hạ giá thành sản phẩm

Về tính công nghệ trong kết cấu khi gia công cơ, thì chi tiết có những điểmcần chú ý sau:

 Chi tiết có thành mỏng nên trong quá trình gia công, vấn đề biến

dạng hướng kính (cần được lưu ý).

 Kết cấu của dao phải được đảm bảo độ đảo mặt đầu

 Với dao, kích thước không lớn lắm phôi nên chọn là phôi dập và vì

để đảm bảo cơ tính của dao

 Chiều dày dao mỏng nên khi nhiệt luyện có hiện tượng cong vênh,phải đảm bảo độ cong vênh là 0,08 trên 25mm

 Trừ hai mặt của lưỡi cắt, các bề mặt còn lại không đòi hỏi phải yêucầu cao khi gia công

 Kết cấu của dao thuận lợi cho việc chọn chuẩn thô và chuẩn tinhthống nhất

 Các lỗ rất thuận lợi trong việc sản xuất loạt lớn

Hình 1.8 Sơ đồ cấu tạo lò tôi của công ty Z.C Việt Nam.

Hiểu được tầm quan trọng của việc điều khiển nhiệt độ lò tôi dao cắt giấy, cụthể là ở Công ty Z.C Việt Nam nên tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế và xây

dựng bộ điều khiển nhiệt độ lò tôi dao cắt giấy” Trên cơ sở nghiên cứu khả năngtriển khai ứng dụng lý thuyết điều khiển vào thực tế cho hệ thống điều khiển lò tôicủa Công ty Z.C Việt Nam.

Hình 1.9 Lò tôi dao cắt giấy thực tế tại công ty Z.C Việt Nam.

Bên cạnh đó vấn đề tiết kiệm điện năng trong quá trình sử dụng công nghệcũng là vấn đề cần quan tâm khi nước ta hiện nay đang thiếu điện và các nhà máy xínghiệp cần áp dụng đúng thiết bị, công nghệ vào quá trình điều khiển để giảm lượngtiêu thụ điện và giảm được chi phí khi sử dụng điện

4 Đối tượng và phương pháp nghiên cứu

4.1 Cơ sở nghiên cứu

Trong những thập niên gần đây nhiều phương pháp điều khiển đã được pháttriển và sử dụng để điều khiển các đối tượng khác nhau như điều khiển tối ưu, điềukhiển thích nghi, điều khiển mờ, mạng neuron nhân tạo, điều khiển trượt… Các đốitượng trong thực tế đa phần là hệ phi tuyến và việc xây dựng bộ điều khiển cho cácđối tượng phi tuyến gặp nhiều khó khăn do tính toán phức tạp

Hình 1.10 Lò nhiệt trong công nghiệp.

Tuy nhiên cùng với sự phát triển của máy tính có bộ nhớ lớn và sự phát triểncủa chip vi xử lý việc giải các phương trình phi tuyến là hoàn toàn khả thi Nhờ đó

ta có thể áp dụng các lý thuyết điều khiển hiện đại vào trong các hệ thống điềukhiển phi tuyến để mô tả hệ thống chính xác hơn các mô hình tuyến tính rất nhiều

4.2 Đối tượng nghiên cứu

Hàm truyền của lò nhiệt được xác định bằng phương pháp thực nghiệm Cấpnhiệt tối đa cho lò (công suất vào P = 100%), nhiệt độ lò tăng dần

Hình 1.11 Thí nghiệm xác định hàm truyền lò nhiệt.

Sau một thời gian, nhiệt độ lò đạt đến giá trị bão hoà Đặc tính nhiệt độ theo

thời gian có thể biểu diễn như Hình 1.12a Do đặc tính chính xác của lò nhiệt khá phức tạp nên có thể xấp xỉ bằng đáp ứng gần đúng như Hình 1.12b.

a Đặc tính chính xác b Đặc tính gần đúng.

Hình 1.12 Đặc tính trạng thái của lò nhiệt.

Theo định nghĩa, hàm truyền gần đúng của lò nhiệt:

Suy ra, hàm truyền nhiệt của lò:

G (s)= K e

−T1.s

4.3 Mục tiêu điều khiển

Phương trình trong miền thời gian:

4.4 Phương pháp điều khiển

Phương trình vi phân sau đây mô tả quan hệ tín hiệu vào và ra của bộ điềukhiển PID:

 e(t) : tín hiệu vào của bộ điều khiển

 U(t) : tín hiệu ra của bộ điều khiển

 Km = K1: hệ số khuếch đại

 Td = K3/K1 : hằng số thời gian vi phân

 Ti : hằng số thời gian tích phân

Hàm truyền đạt trong miền ảnh Laplace:

W ( p)= U ( p )

E ( p)=K m(1+ 1

Hình 1.14 Sơ đồ khối cấu trúc lò nhiệt.

Hàm truyền đạt trong miền tần số:

√T i T d thì bộ điều khiển làm việc theo quy luật tỉ lệ.

Nếu chọn được bộ tham số phù hợp cho bộ điều khiển PID thì hệ thống chođặc tính như mong muốn, đáp ứng cho các hệ thống trong công nghiệp Đặc biệt,nếu chọn bộ tham số tốt, bộ điều khiển sẽ đáp ứng được tính tác động nhanh, đây làđiểm nổi bật của bộ điều khiển Trong bộ điều khiển có thành phần tích phân nên hệthống sẽ triệt tiêu được sai lệch dư, xác định được các tham số Km, Ti, Td để bộ điềukhiển đáp ứng đặc tính hệ thống

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1 Quy trình công nghệ chế tạo dao cắt giấy

1.1 Xác định quy mô sản xuất

Sản lượng hàng năm tại công ty Z.C Việt Nam được xác định theo công thứcsau đây:

N=N1m(1+ β

Trong đó:

 N : số chi tiết thực tế được sản xuất trong một năm

 N1 : số sản phẩm được sản xuất trong một năm

 m : số chi tiết trong một sản phẩm

 β : số chi tiết được chế tạo thêm để dự trữ (5% đến 7%)

Như vậy, sản lượng sản phẩm cụ thể được xác định là:

1.2 Phương pháp chọn phôi dao

Bước 1: phôi ban đầu để rèn và dập nóng: trước khi rèn và dập nóng kim loại,cần phải làm sạch kim loại, cắt bỏ ra từng phần nhỏ phù hợp được thực hiện trênmáy cưa

Bước 2: rèn tự do

Bước 3: Dập lần 1.

Bước 4: Dập lần 2

Bước 5: Cắt bavia

Bước 6: Bản vẽ lồng phôi: từ phương pháp chế tạo phôi, có thể tra được lượng

dư (bảng Lượng dư phôi cho vật rèn khuôn – Sổ tay Công nghệ Chế tạo máy, bảng

3.9) Các kích thước của vật rèn khuôn được xác định đối với các bề mặt gia công

của chi tiết khi làm tròn sẽ tăng lượng dư lên với độ chính xác +0,5 mm Trị sốlượng dư cho trong bảng đối với bề mặt RZ = 80, nếu bề mặt gia công có RZ = 20 ÷

40 thì trị số lượng dư tăng 0,3 ÷ 0,5 mm, nếu bề mặt có độ nhấp nhô thấp hơn thì trị

số lượng dư tăng thêm 0,5 ÷ 0,8 mm

Trong trường hợp này, bề mặt gia công của chi tiết có RZ = 1,25 (cấp nhẵnbóng: cấp 7 có RZ = 6,3)

1.3 Lập thứ tự nguyên công

Nguyên công 1: Tiện mặt đầu đạt kích thước 290,03, gia công trên máy tiệnngang bằng dao tiện mặt đầu và tiện lỗ đạt kích thước 1090,035 bằng dao tiện lỗ.Nguyên công 2: Tiện mặt đầu còn lại đạt kích thước 26,50,0201, vát mép, tiệnbậc, tiện côn

Nguyên công 3: Tiện bậc đạt kích thước giữa hai mặt đầu bằng 15,80,02, vátmép, tiện côn trong

Nguyên công 4: Khoan 6 lỗ 8 trên máy khoan cân

Nguyên công 5: Xọc rãnh then 20x3 trên máy xọc

Nguyên công 6: Nhiệt luyện để ổn định tổ chức

Nguyên công 7: Mài mặt đầu nhỏ trên máy mài phẳng để đạt độ bóng bề mặt

Ra = 2,5

Nguyên công 8: Mài lỗ 110 trên máy mài tròn để đạt độ bóng bề mặt Ra = 2,5

Nguyên công 9: Mài mặt côn trong của lưỡi cắt trên máy mài tròn để đạt độbóng bề mặt Ra = 0,63.

Nguyên công 10: Mài mặt côn ngoài của lưỡi cắt trên máy mài tròn để đạt độbóng bề mặt Ra = 0,63

Nguyên công 11: Kiểm tra độ cong của hai mặt đầu dao không vượt quá 0,01

mm, cùng với độ vuông góc giữa lỗ tâm với mặt đầu của lưỡi cắt dao không vượtquá 0,05 mm

2 Quy trình công nghệ tôi dao cắt giấy

Phương pháp tôi bề mặt bằng dòng điện cao tần được dùng khá phổ biến trongcác xưởng nhiệt luyện Đây là một dạng nguồn nhiệt được sinh ra trong bản thân chitiết nhờ dòng điện cảm ứng tập trung ở bề mặt Vì vậy, trong một lớp mỏng ở bềmặt có lượng nhiệt tỏa ra rất lớn, tôi bề mặt chi tiết với một tốc độ rất cao

Trong quá trình tôi, chiều sâu xâm nhập của dòng cảm ứng bị thay đổi do giátrị điện trở suất ρ và độ thẩm từ μ thay đổi theo nhiệt độ Khi tôi từ nhiệt độ thườngđến nhiệt độ Quyri (7680C), điện trở suất tăng mạnh, còn độ thẩm từ gần như khôngthay đổi Sau nhiệt độ Quyri, điện trở suất tăng chậm lại, độ thẩm từ nhanh chónggiảm xuống tới bằng 1, cường độ tôi giảm mạnh Do đó, trên thực tế, khi tôi phảitính toán riêng cho hai giai đoạn tôi (dưới và trên điểm Quyri)

2.1 Xác định thời gian tôi giai đoạn một

Chiều sâu xâm nhập của dòng cảm ứng δ1 trong giai đoạn này thường nhỏ hơnchiều sâu lớp tôi bề mặt (δ2) nhiều lần nên có thể coi rằng nhiệt lượng sinh ra từ bềmặt được truyền vào trong bằng dẫn nhiệt

Vì vậy, sử dụng phương trình mô tả quá trình dẫn nhiệt với dòng nhiệt khôngđổi (từ bề mặt) để tính toán:

 ϑ =t−t d : nhiệt độ của chi tiết tính từ nhiệt độ ban đầu t d ( 0 C)

 λ : hệ số dẫn nhiệt của kim loại (W/mK)

 a : hệ số khuếch tán nhiệt (dẫn nhiệt độ) của kim loại (m2 /s)

 x : khoảng cách kể từ bề mặt tôi (m)

 τ : thời gian (s)

 q : công suất riêng (W/m 2 )

Khi đó, nhiệt độ trên bề mặt (x = 0) tính theo công thức sau:

2.2 Xác định thời gian tôi giai đoạn hai

Đây là giai đoạn tôi từ nhiệt độ Quyri đến nhiệt độ tôi Do độ thẩm từ giảmmạnh, chiều sâu xâm nhập dòng cảm ứng được tăng lên tương ứng với chiều sâulớp tôi Do đó, để tính toán cần sử dụng phương trình vi phân mô tả quá trình dẫnnhiệt với nguồn nhiệt phân bố đều trong toàn lớp tôi bề mặt

Công thức tính nhiệt độ tại điểm bất kỳ như sau (x ≤ δ2):

ϑ Q= q

4 λ δ2{ (δ2+x)2[F(δ2+x

2√aτ )−1]+(δ2−x)2[F(δ2−x

2√aτ )−1] } (2.7)Trong đó:

 ϑ Q=t−t Q : nhiệt độ tính từ nhiệt độ Quyri t Q ( 0 C)

 δ2 : chiều sâu xâm nhập dòng cảm ứng (m)

Hàm F(z) được tính như sau:

 irfz : hàm Krampa theo z

Khi đó, nhiệt độ tại bề mặt chi tiết (x = 0) trong giai đoạn hai tính như sau:

3 Điều khiển PID cho quá trình tôi dao

Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ PID (Proportional Integral Derivative) là bộđiều khiển hồi tiếp vòng kín được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển tựđộng Một bộ điều chỉnh PID sẽ cố gắng hiệu chỉnh sai lệch giữa tín hiệu ngõ ra vàngõ vào, sau đó đưa ra một tín hiệu điều khiển để điều chỉnh quá trình cho phù hợp.Qua đó giúp hệ thống có thể đạt tới giá trị đặt với thời gian xác lập nhỏ, triệt tiêu sai

thức cơ bản về quá trình, bộ điều khiển PID là bộ điều khiển tốt nhất Tuy nhiên, đểđạt được kết quả tốt nhất, các thông số PID sử dụng trong tính toán phải điều chỉnhtheo tính chất của hệ thống – trong khi kiểu điều khiển là giống nhau, các thông sốphải phụ thuộc vào đặc thù của hệ thống.

Giải thuật tính toán bộ điều khiển PID bao gồm 3 thông số riêng biệt, do đó

đôi khi nó còn được gọi là điều khiển ba khâu: các giá trị tỉ lệ, tích phân và đạo

hàm, viết tắt là P, I, và D Giá trị tỉ lệ xác định tác động của sai số hiện tại, giá trị

tích phân xác định tác động của tổng các sai số quá khứ, và giá trị vi phân xác định

tác động của tốc độ biến đổi sai số Tổng chập của ba tác động này dùng để điềuchỉnh quá trình thông qua một phần tử điều khiển như vị trí của van điều khiển hay

bộ nguồn của phần tử gia nhiệt

Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển.

Trong đó:

 SP : giá trị đặt

 e(t) : sai số (e = SP – PV ht )

 u(t) : tín hiệu điều khiển

 PV : giá trị hiện tại của hệ thống

 PVht : giá trị hồi tiếp

Cấu trúc của bộ điều khiển PID gồm 3 thành phần: khâu khuyếch đại (P); khâu

tích phân (I), khâu vi phân (D) được thể hiện trong Hình 2.2.

Hình 2.2 Cấu trúc bộ điều khiển PID.

Tín hiệu ra của bộ điều khiển:

 KP : độ lợi của khâu tỉ lệ (Proportional gain)

 KI : độ lợi của khâu tích phân (Integral gain)

 KD : độ lợi của khâu vi phân (Derivative gain)

Các thông số điều khiển KP, KI, KD ảnh hưởng đến đáp ứng của hệ thống được

trình bày trong Bảng 2.1.

Thông số Thời gian đáp ứng Độ vọt lố Thời gian xác lập Sai số xác lập

KP Giảm Tăng Ít thay đổi Giảm

Bảng 2.1 Tác động của việc tăng các thông số xác lập.

Sơ đồ điều khiển PID được đặt tên theo ba khâu hiệu chỉnh của nó, tổng của

ba khâu này tạo thành bởi các biến điều khiển (MV), được tính theo công thức:

Trong đó: POUT, IOUT và DOUT là các thành phần đầu ra từ ba khâu của bộ điềukhiển PID, được xác định như dưới đây

2.1 Khâu tỷ lệ P

Khâu tỉ lệ P (còn được gọi là độ lợi) làm thay đổi giá trị đầu ra, tỉ lệ với giá trịsai số hiện tại đáp ứng tỉ lệ có thể được điều chỉnh bằng cách nhân sai số đó vớimột hằng số KP

Hình 2.3 Đồ thị PV theo thời gian, ba giá trị KP (KI, KD = hằng số).

Khâu tỉ lệ được cho bởi:

P OUT=K P e (t ) (2.15)Trong đó:

 Pout : thừa số tỉ lệ của đầu ra

 Kp : độ lợi tỉ lệ, thông số điều chỉnh

 e : sai số (e = SP – PV ht )

 t : thời gian tức thời

Khâu tỉ lệ P giúp giảm thời gian đáp ứng, giảm sai lệch tĩnh nhưng không triệttiêu được sai lệch tĩnh KP càng lớn thì tốc độ đáp ứng càng nhanh, sai số xác lậpcàng nhỏ, hệ thống dao động càng nhiều, độ vọt lố càng cao Nếu KP tăng quá giá trịgiới hạn thì hệ thống sẽ dao động không tắt dần gây ra mất ổn định

2.2 Khâu tích phân I

Khâu tích phân tỉ lệ thuận với cả biên độ sai số lẫn quãng thời gian xảy ra sai

số Tổng sai số tức thời theo thời gian cho ta luỹ thừa bù đã được hiệu chỉnh trước

đó Tích luỹ sai số sau đó được nhân với độ lợi tích phân và cộng với tín hiệu đầu racủa bộ điều khiển

Thừa số tích phân được cho bởi:

 Iout : thừa số tích phân của đầu ra

 KI : độ lợi tích phân, thông số điều chỉnh

 e : sai số (e = SP – PV ht )

 t : thời gian tức thời

 τ : một biến tích phân trung gian

Hình 2.4 Đồ thị PV theo thời gian, ba giá trị KI (KP, KD = hằng số).

Bộ điều khiển tích phân I có khả năng triệt tiêu sai lệch tĩnh, nhưng nó có thểlàm cho đáp ứng quá độ tồi tệ hơn KI càng lớn thì sai số xác lập càng nhỏ nhưng độvọt lố càng cao

2.3 Khâu vi phân D

Tốc độ thay đổi của sai số quá trình được tính toán bằng cách xác định độ dốccủa sai số theo thời gian (tức là đạo hàm bậc 1 theo thời gian) và nhân tốc độ nàyvới độ lợi KD

Thừa số vi phân được cho bởi:

D OUT=K D de (t )

Trong đó:

 Dout : thừa số vi phân của đầu ra

 KD : độ lợi vi phân, thông số điều chỉnh

 e : sai số (e = SP – PV ht )

 t : thời gian tức thời

Bộ điều khiển vi phân D giúp giảm độ quá điều chỉnh, cải thiện đáp ứng quá

độ của hệ thống KD càng lớn thì độ vọt lố càng nhỏ Tuy nhiên đôi khi làm hệ mất

ổn định do khá nhạy cảm với nhiễu Khâu vi phân không thể sử dụng một mình màphải dùng kết hợp với cái khâu P hoặc I

Hình 2.5 Đồ thị PV theo thời gian, ba giá trị KD (KI, KP = hằng số).

Ngoài ra, cần cài đặt thêm bộ Anti – Windup nhằm giảm thiểu tác động củakhâu bão hoà lên tính ổn định của bộ điều khiển Hệ số khuyếch đại của bộ Anti –

Windup (K b) có thể được tính theo công thức sau:

K b= 1

Hình 2.6 Sơ đồ PID kết hợp với bộ Anti – Windup.

Lò tôi dao lý tưởng là một hệ thống có khâu quán tính bậc một (có thể có trễ).Tuy nhiên trong thực tế, lò tôi thường bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố làm thay đổihàm truyền, trong luận văn này là kích thước lò tôi, công suất lò tôi, lưu lượng khí

đi qua, sự thất thoát nhiệt ra môi trường… Chính vì lẽ đó, sẽ có nhiều phương phápnhận dạng tùy vào dạng hàm truyền muốn tạo ra

1.1 Khâu quán tính bậc một và bậc một có trễ

1.1.1 Hàm truyền của khâu quán tính bậc một

Hình 3.1 Tín hiệu vào – ra hàm truyền khâu quán tính bậc một.