Phương pháp mô hình hóa và điều khiển trường nhiệt độ vật nung dày tt

Hơn thế nữa, mô hình toán mô tả các quá trình chuyển pha của vật liệu xảy ra bên trong lò nung và vật nung, là một hệ phương trình vi phân đạo hàm riêng phi tuyến có tham số phân bố rải,

1

MỞ ĐẦU

Tính cấp thiết của đề tài

Vấn đề điều khiển quá trình nung trong công nghệ sản xuất kim loại và thép công nghiệp là một trong những vấn đề được quan tâm và nghiên cứu trong nhiều thập kỷ và giữ vai trò then chốt của một nền công nghiệp hiện đại Mục tiêu điều khiển quá trình nung là có được sản phẩm nung thỏa mãn các chỉ tiêu yêu cầu về mặt công nghệ, đồng thời tiết kiệm năng lượng và giảm ô nhiễm môi trường Để giải quyết được mục tiêu trên ta cần phải hiện đại hóa quá trình nung thông qua điều khiển tự động, tức là phải thiết kế xây dựng được bộ điều khiển quá trình nung để hệ thống làm việc hoàn toàn tự động và đáp ứng được những chỉ tiêu chất lượng đặt ra ban đầu

Tuy nhiên, để tự động hóa được quá trình nung như trên, ta luôn gặp phải một

số trở ngại thực tế mà nổi bật nhất là khả năng đo lường các đại lượng vật lý khó khăn, các thuộc tính của vật liệu nung và các tham số của hệ thống luôn thay đổi theo thời gian, theo nhiệt độ Hơn thế nữa, mô hình toán mô tả các quá trình chuyển pha của vật liệu xảy ra bên trong lò nung và vật nung, là một hệ phương trình vi phân đạo hàm riêng phi tuyến có tham số phân bố rải, phụ thuộc thời gian với nhiều đầu vào ra, trong khi các phương pháp điều khiển đảm bảo chất lượng

ổn định bền vững dưới những điều kiện ràng buộc bắt buộc phải thỏa mãn có thể

áp dựng được trực tiếp cho những dạng hệ với kiểu mô hình này lại rất hạn chế

Đã có rất nhiều các nghiên cứu khoa học đã được công bố về mô hình, điều khiển quá trình nung Về cơ bản, các dạng mô hình chủ yếu được sử dụng vẫn là

mô hình thực nghiệm, mô hình phương trình vi phân thường (ODE) và phương trình vi phân đạo hàm riêng (PDE) Các hệ thống điều khiển thường sử dụng là cấu trúc điều khiển tầng, và các vấn đề về điều khiển tối ưu đã được quan tâm Tuy nhiên, tất cả các nghiên cứu này đều tập trung giải quyết các bài toán về các quá trình nung riêng lẻ mà chưa tổng quát hóa lên thành phương pháp chung cho đối tượng này Đây cũng là lý do quan trọng đặt ra mà luận án cần giải quyết

Từ đó luận án hy vọng đề xuất một hướng mới về mặt tiếp cận mô hình quá trình nung có đặc điểm phi tuyến và phân bố rải, đồng thời cải thiện thuật toán điều khiển đã có

Mục tiêu của luận án

Trong một vài năm gần đây, xu hướng áp dụng các phương pháp điều khiển tiên tiến như điều khiển tối ưu, kỹ thuật điều khiển dự báo cho các quá trình phức tạp, mô hình nhiều bậc, các hệ động học phi tuyến là hiệu quả và cho các kết quả tốt Vì vậy, hệ lò-vật nung là một trường hợp cụ thể, phù hợp để có thể vận dụng

các kỹ thuật này

Trên cơ sở về các vấn đề đang được quan tâm trong lĩnh vực điều khiển lò nung-vật nung cả trong và ngoài nước, luận án đặt ra mục tiêu:

 Nghiên cứu khả năng sử dụng mô hình truyền nhiệt dạng PDE có tham số thay đổi theo nhiệt độ bên trong vật nung vào quan sát các trạng thái không đo được bên trong vật nung Đây phải là mô hình lý thuyết phù hợp với bản chất vật lý của quá trình truyền nhiệt trong lò-vật nung

 Nghiên cứu xây dựng bộ điều khiển có khả năng quan sát và thay đổi trường nhiệt độ trong lòng vật nung theo một quỹ đạo định trước Thuật toán đề xuất cần dễ triển khai, bền vững, có khả năng sử dụng thông tin từ mô hình toán học của đối tượng

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án

Đối tượng nghiên cứu của luận án là trường nhiệt độ của vật nung dày trong

lò nung Vật nung được cấp nhiệt ở hoặc một, hoặc cả hai bề mặt trên và dưới theo chiều dày Luận án giới hạn phạm vi giải quyết bài toán ở lượng nhiệt được cấp cho vật nung là được rải đều theo chiều dài và chiều rộng với giả thiết bài toán tạo

ra nguồn nhiệt cấp cho vật nung bên trong lò nung đã được giải quyết Nói cách khác, luận án sẽ xem lượng nhiệt trực tiếp cấp vào bề mặt vật nung, theo hướng chiều dày, là tín hiệu điều khiển

Luận án cũng giả thiết là nhiệt độ trong lòng vật nung là không đo được, mà chỉ có thể ước lượng được thông qua mô hình truyền nhiệt trong vật nung dưới dạng phương trình PDE Đề xuất của luận án là sử dụng phương pháp điều khiển theo mô hình nội, trong đó mô hình toán của vật nung sẽ được bộ điều khiển sử dụng để quan sát trường nhiệt độ bên trong vật nung

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Về mặt phương pháp luận, luận án hướng tới một mô hình mô tả trình truyền nhiệt trong vật nung dày phù hợp với bản chất vật lý của quá trình truyền nhiệt và phân bố nhiệt độ trong vật nung Mô hình này có thể sử dụng được để thiết kế bộ điều khiển (BĐK) trong không gian trạng thái Từ đó, có thể áp dụng những thuật toán điều khiển phù hợp cho dạng mô hình thu được

Về mặt thực tiễn, với mô hình và thuật toán điều khiển đề xuất, luận án hướng tới đánh giá chất lượng thông qua mô phỏng và thí nghiệm, cũng như để kiểm chứng độ tin cậy của hệ thống điều khiển đề xuất

Phương pháp nghiên cứu

Để đạt được các mục tiêu đề ra, phương pháp nghiên cứu của luận án là:

 Phân tích các công trình nghiên cứu mới nhất về mô hình, điều khiển quá trình nung, hệ lò-vật nung từ các phương pháp lý thuyết để có thể đề xuất cách tiếp cận thích hợp từ đó thu được mô hình phù hợp của đối tượng nghiên cứu là trường nhiệt độ trong vật nung dày

 Đề xuất phát triển, ứng dụng các thuật toán điều khiển đã có đảm bảo chất lượng của hệ thống điều khiển quá trình nung, giải quyết các vấn đề lý thuyết

và áp dụng kiểm chứng các kết quả qua mô phỏng trên phần mềm Matlab

Điểm mới của luận án

3

Luận án đã có các đóng góp mới như sau:

 Luận án đã xây dựng được khâu chỉnh định mờ hai tham số nhiệt dung riêng ( )

c T và hệ số truyền nhiệt ( )T phụ thuộc vào nhiệt độ của vật nung, thay vì phải xác định giá trị trung bình c,  của chúng trong không gian của vật nung bằng thực nghiệm Như vậy, khi sử dụng cùng với khâu chỉnh định mờ này, độ chính xác của mô hình Galerkin sẽ được nâng lên theo nghĩa nó phản ánh được

sự thay đổi của mô hình theo nhiệt độ bên trong vật nung chứ không còn là mô hình hằng số trung bình nhhư trước đây Mô hình này được luận án gọi là Galerkin-Mờ

 Luận án phát triển phương pháp điều khiển sử dụng bộ điều khiển LQR không dừng có tham số biến đổi từng đoạn trên trục thời gian đã được trình bày ở các tài liệu [3,4, ,54], để nó trở thành bộ điều khiển mô hình nội với khả năng áp dụng được vào điều khiển hệ song tuyến bất định, bị nhiễu tác động cả bên trong hệ thống lẫn bên ngoài ở đầu ra

 Đã cài đặt được thuật toán trên với mô hình Galerkin-Mờ để điều khiển lò nung theo nguyên lý mô hình nội và thực hiện mô phỏng kiểm chứng dưới những điều kiện sát với thực tế nhờ công cụ mô phỏng vật lý Simscape Từ đó khẳng định được bộ điều khiển đề xuất cùng với mô hình Galerkin-Mờ cho lò nung, là có khả năng áp dụng được vào thực tế

Bố cục luận án

Luận án được trình bày trong 3 chương chính và phần kết luận như sau:

 Chương 1: Giới thiệu về bài toán điều khiển quá trình nung

 Chương 2: Nghiên cứu xây dựng mô hình quá trình truyền nhiệt bên trong vật nung

 Chương 3: Điều khiển quá trình nung với bộ điều khiển LQR có ràng buộc trượt dọc trên trục thời gian

 Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1: BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH NUNG

Chương này trình bày tổng quan về các bài toán điều khiển quá trình nung, xuất phát từ yêu cầu công nghệ của quá trình nung vật dày trong lò nung, đặt bài toán, đối tượng và phạm vi nghiên cứu với thông tin từ tình hình các nghiên cứu ở trong và ngoài nước, cũng như những đề xuất của NCS về mục tiêu nghiên cứu và

ý nghĩa về mặt lý luận và thực tiễn của việc mô hình hóa và giải quyết bài toán điều khiển trường nhiệt độ của vật nung dày (phôi nung) trong lò nung

đôi so với trung bình trên thế giới [1,2] Do đó, cần đẩy mạnh ứng dụng công nghệ

để tăng chất lượng sản phẩm phôi nung

Trong quá trình nung, có ba chỉ tiêu đặc trưng cho công nghệ cần phải đạt được, đó là nhiệt độ của phôi nung kim loại, sự đồng đều nhiệt độ trong phôi nung

và thời gian nung Xét chỉ tiêu thứ nhất, khi nâng nhiệt độ bề mặt vật nung sẽ tăng tốc độ hình thành lớp xỉ nung trên bề mặt kim loại do sự oxi hóa, sự khử cácbon,

sự cháy hoặc quá nhiệt của kim loại Nếu nhiệt độ này quá cao, lớp xỉ nung sẽ chảy và làm kết dính mặt của kim loại với đáy lò nung Đây là nguyên nhân gây ra tổn thất về mặt vật liệu, năng lượng và làm ảnh hưởng tới các khâu gia công kế tiếp trong dây chuyền [5,9,64]

Với vật nung dày có sự chênh lệch nhiệt độ lớn giữa bề mặt và các lớp bên trong theo tiết diện của vật nung trong quá trình nung Vì vậy, phải quan tâm đến

sự chênh lệch nhiệt độ này khi xét đến chỉ tiêu đồng đều về nhiệt trong vật nung vì

nó có ảnh hưởng tới chất lượng phôi và mức độ tiêu thụ năng lượng ở các quá trình gia công đối với vật nung sau khi ra lò Theo [5] nhiệt độ bắt đầu biến dạng dẻo của kim loại (khoảng 500o C ) là vùng nhiệt độ đặc biệt quan trọng đối với vật

nung là phôi thép Ở giai đoạn này cần chọn tốc độ nung phù hợp để tránh làm phôi bị biến dạng, tức là cần đảm bảo hiệu nhiệt độ giữa bề mặt và tâm của vật nung nằm trong giới hạn cho phép Tùy theo mỗi công nghệ, chênh lệch nhiệt độ theo chiều dày vật nung ở cuối quá trình nung cũng bị giới hạn để phù hợp với công đoạn tiếp theo

Chỉ tiêu thứ ba là thời gian nung: Là khoảng thời gian cần thiết đảm bảo quá trình cung cấp vật nung khi ra khỏi lò để đi vào khâu gia công sau đó Nếu thời gian nung dài, sẽ dẫn đến tăng sự oxi hóa kim loại thành xỉ nung, hơn thế nữa sẽ làm tiêu tốn nhiều năng lượng của quá trình nung, làm giảm năng suất của dây chuyền Do đó, thời gian nung cũng cần tính toán sao cho phù hợp với quá trình công nghệ và vận hành của dây chuyền

Từ các yêu cầu về mặt công nghệ trên, luận án hướng đến giải quyết bài toán điều khiển trường nhiệt độ của vật nung dày trong lò nung sao cho đảm bảo các chỉ tiêu, như đảm bảo thời gian nung và một số điều kiện ràng buộc khác trong quá trình điều khiển hệ lò-vật nung như ràng buộc về tín hiệu điều khiển, ràng buộc về quỹ đạo bám nhiệt độ tâm của vật nung theo quỹ đạo cho trước

Trong hệ lò-vật nung, các thông số nhiệt vật lý của lò nung và vật nung thay đổi rất chậm theo thời gian và nhiệt độ tức là có quán tính lớn, ít có sự đột biến, nhảy vọt, điều này giúp kỹ sư thiết kế hệ thống điều khiển có lợi khi thu thập số liệu và khi tính toán Xét về mặt đối tượng điều khiển, hệ lò-vật nung có thông số phân bố rải, quán tính lớn với các tham số thay đổi khó xác định, từ trước đến nay hay được mô tả bằng phương trình PDE Tùy theo sự phân bố của tác động điều khiển như nguồn nhiệt đầu vào ta có trường nhiệt độ trong vật nung sẽ thay đổi theo cả chiều dày, chiều dài và chiều rộng của vật nung Do đó, khi điều khiển các đối tượng này vẫn là một vấn đề trong những vấn đề phức tạp hiện nay và còn nhiều khía cạnh cần phải nghiên cứu

5

2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Trên thế giới đã có rất nhiều các công bố về mô hình, điều khiển, hoạt động

và cả điều khiển tối ưu cho hệ thống lò-vật nung Trong đó các nghiên cứu về quá trình nung ở Việt Nam rất ít trong khoảng 15 năm trở lại đây, chỉ có một vài công trình về điều khiển tối ưu quá trình nung vật dày [9]

Trong đa số các công bố về mô hình truyền nhiệt trong lò và trong vật nung, dạng mô hình chủ yếu được sử dụng là mô hình thực nghiệm [10,23, ,48] Chúng được dựa trên cơ sở phân vùng và nhận dạng tham số mô hình đẳng nhiệt trong từng vùng lò nung hoặc lớp vật nung Đây là dạng mô hình ODE nên thuận tiện cho việc thiết kế bộ điều khiển [23,25, ,53] Tuy nhiên, nó không phải là loại mô hình phù hợp với bản chất vật lý của quá trình truyền nhiệt Vì lẽ đó mà trên thế giới cũng đã có xu hướng sử dụng loại mô hình truyền nhiệt PDE vào thiết kế điều khiển quá trình nung Đó là mô hình PDE được xấp xỉ thành ODE giới thiệu ở các tài liệu [14,15, ,20] với các tham số vật nung được giả thiết là hằng số hoặc lấy giá trị trung bình theo vị trí không gian trong lò nung

Về sách lược điều khiển, hệ thống điều khiển lò-vật nung chủ yếu được chia làm hai loại, điều khiển hở [9,16, ,34] và điều khiển vòng kín [15,18, ,78] Cả hai nhóm sách lược điều khiển này đều có chung nhiệm vụ là giữ được cho nhiệt độ trong lò (vùng lò) thay đổi theo một giá trị hoặc quỹ đạo định trước Ở các công

bố khác thì đề cập việc tính toán giá trị nhiệt độ đặt cho lò dựa trên thông tin về nhiệt độ bề mặt vật nung, hay qua một khâu quan sát, hoặc một khâu mô phỏng nhiệt độ bên trong vật nung [14,20, ,72]

3 Định hướng và nhiệm vụ nghiên cứu của luận án

Đối tượng nghiên cứu của luận án là vật nung dày

Trên cơ sở phân tích tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước luận án định hướng đối tượng, mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu là: Vật nung được cấp nhiệt ở

hoặc một, hoặc cả hai bề mặt trên và dưới theo chiều dày z trong không gian như

minh họa trong hình 1.1 Giới hạn bài toán ở lượng nhiệt được cấp cho vật nung là được rải đều theo trục x y, Giả thiết nhiệt độ trong lòng vật nung không đo được

mà chỉ có thể ước lượng thông qua mô hình truyền nhiệt trong vật nung dưới dạng phương trình PDE Giả thiết quan trọng thứ hai là coi như bài toán tạo ra nguồn nhiệt cấp cho bề mặt vật nung bên trong lò nung đã được giải quyết

Sơ đồ hệ thống điều khiển hệ lò-vật nung do luận án đề xuất

Hình 1.2 là cấu trúc hệ thống điều khiển mà luận án đề xuất để giải quyết nhiệm vụ đặt ra của đề tài là điều khiển trường nhiệt độ tại một vị trí bất kỳ trong vật nung dày theo quỹ đạo đặt mong muốn, trong đó V là vị trí bên trong vật nung, S là vị trí bề mặt vật nung Như vậy bộ điều khiển đề xuất có cấu trúc của một bộ điều khiển mô hình nội, mà ở đó mô hình đối tượng điều khiển có dạng hệ PDE được sử dụng bên trong là để quan sát các thành phần trạng thái không đo được của vật nung Luận án sẽ bao gồm các nhiệm vụ chính:

 Khẳng định được tính chất điều khiển được và quan sát được của mô hình truyền nhiệt trong vật nung, tức là kiểm tra tính well posed của hệ

 Từ phương trình PDE biểu diễn trường nhiệt độ trong vật nung, NCS sẽ hướng tới việc sử dụng công thức xấp xỉ Galerkin, được kết hợp thêm một khối suy luận mờ để có được mô hình Galerkin-Mờ có dạng một mô hình trạng thái (hệ

ODE) thay cho phương trình PDE, để quan sát được trạng thái x bên trong vật

nung (các trạng thái này là không đo được) Đây là điểm khác với những phương pháp đã được thực hiện trước đây, mà chủ yếu đó là chia lớp đẳng nhiệt bên trong vật nung

 Áp dụng nguyên lý điều khiển trượt dọc trên trục thời gian để điều khiển hệ song tuyến mô tả quá trình truyền nhiệt trong vật nung Bộ điều khiển này phải

có khả năng thỏa mãn các điều kiện ràng buộc về mặt tín hiệu điều khiển và xử

lý thêm được sai lệch (e Z t , ) giữa mô hình Galerkin-Mờ và đối tượng điều khiển là hệ lò-vật nung cũng như có tính bền vững cao với nhiễu đầu vào dạng xung và nhiễu đo egodic

Như vậy, khác với các bài toán điều khiển lò nung đã và đang được quan tâm,

là tạo ra nhiệt độ trong lò nung, hay cụ thể hơn là nhiệt độ bề mặt vật nung, đi theo quỹ đạo mong muốn, thì ở luận án này, nhiệm vụ chính sẽ là điều khiển trường

tế

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH QUÁ TRÌNH TRUYỀN

NHIỆT BÊN TRONG VẬT NUNG

Luận án xuất phát từ các nghiên cứu về mô hình truyền nhiệt trong vật nung bằng các phương pháp lý thuyết và thực nghiệm Qua đó, tác giả đề xuất xây dựng

mô hình truyền nhiệt trong vật nung từ phương trình PDE kết hợp với phương pháp tách biến Galerkin và quan hệ mờ để mờ hóa hai tham số ( ), ( )c T T của vật liệu phụ thuộc theo nhiệt độ Kết quả thu được một mô hình trạng thái song tuyến phù hợp với mục đích điều khiển trường nhiệt độ trong vật nung dày Tiếp theo, luận án sẽ tiến hành mô phỏng và so sánh mô hình đề xuất với một số mô hình thực nghiệm đã công bố

2.1 Tổng quan về mô hình truyền nhiệt trong vật nung

Từ các nghiên cứu về các phương pháp lý thuyết mô tả phương trình truyền nhiệt trong vật nung và các phương pháp số để tìm nghiệm gần đúng cho mô hình

lý thuyết PDE và các nghiên cứu về mô hình thực nghiệm chia lớp đẳng nhiệt vật nung, luận án đi đến nhận xét: Để có mô hình phù hợp mục tiêu điều khiển, thì cần phải giải phương trình PDE Tuy nhiên việc sử dụng các phương pháp số để giải gần đúng và mô hình thực nghiệm chưa đưa ra được mô hình trạng thái đủ đơn giản để mô tả trường nhiệt độ bên trong vật nung, nhất là chưa đủ thích hợp để có thể xây dựng được bộ điều khiển tối ưu thỏa mãn các điều kiện ràng buộc đặt ra

2.2 Xây dựng mô hình truyền nhiệt bên trong vật nung

Mục tiêu xây dựng mô hình truyền nhiệt bên trong vật nung tĩnh với chiều dày 2

z Z của luận án là: Kết hợp suy luận mờ và công thức tách biến Galerkin để

mô hình hóa quá trình truyền nhiệt trong vật nung dày được mô tả bởi phương trình PDE:

( )( )

trong đó  [kg m3]là khối lượng riêng của vật nung, c J kgK nhiệt dung riêng [ ]

của vật nung,  [W mK] là hệ số dẫn nhiệt của vật nung Sử dụng phương pháp tách biến Galerkin chuyển nghiệm T z t( , ) thành tổng tuyến tính của các các hàm một biến trên hệ trục tọa độ h z h z h z trong không gian ba chiều [14,16]: 1( ), 2( ), 3( )

c T T ban đầu Chính vì vậy, sau đây NCS sẽ đề xuất phương án sử dụng kỹ thuật mờ để xác định ( ), ( )c T T phụ thuộc vào nhiệt độ, vì T z t là hàm của ( , )

z , thay vì phải xác định i, , c i i 1, 2,3 giúp cho nó dễ ứng dụng vào điều khiển hơn và hợp lý theo quan điểm về mặt vật liệu học [5,14, ,59] Phương án đề xuất

mờ hóa đã được NCS tiến hành mô phỏng và đánh giá ở công trình khoa học số [1]

Mô hình Galerkin có thêm khâu quan hệ mờ như mô tả ở hình 2.5, được luận

án gọi là mô hình Galerkin-mờ, gồm hai thành phần:

1 Thành phần thứ nhất là một mô hình trạng thái cho bởi [14,15,16]:

nhờ thay phép tính xấp xỉ Galerkin (1.48) vào mô hình (1.47)

Hệ có hai tín hiệu vào u( ,u u1 2)T là các cường độ dòng nhiệt được đưa vào

mặt dưới và mặt trên của vật nung theo chiều z

2 Thành phần thứ hai là một khâu quan hệ mờ Mamdani để xác định ( ), ( )

c T T từ đầu ra T Khâu quan hệ mờ Mamdani này có các thành phần chi tiết như sau:

 Khối mờ hóa cho ở hình 2.6 của tín hiệu đầu vào T có tên gọi các tập mờ lần lượt là Tl j  j, 1, 2,  ,9 cho ( )T và Tc i  i, 1, 2,  ,12 cho ( )

c T , có các tập mờ đầu ra ld c tương ứng đều là hàm singleton: j, i[60 , 57.5 , 47.5 , 37.5 , 30 , 25 , 27 , 28 , 35]

đổi về cấu trúc vật liệu thép các bon từ trạng thái ferrit sang trạng thái austenit trong quá trình luyện thép [5,12, ,17]

2.3 Đánh giá chất lượng mô hình Galerkin-Mờ mô tả trường nhiệt độ trong vật nung dày

Luận án đánh giá chất lượng mô hình Galerkin-Mờ đề xuất được thực hiện trên cơ sở so sánh với những mô hình thực nghiệm đã được kiểm chứng qua thực

tế Đó là những mô hình đã được trình bày ở mục 2.1.3 và 2.3.4 trong quyển luận

án gồm: mô hình đẳng nhiệt dạng lưới sai phân, mô hình đẳng nhiệt cân bằng năng lượng và mô hình vật lý được xây dựng bởi Simscape của Matlab

Mô phỏng cho vật nung dày là thép tấm (0,1%C) có chiều dày 0,5 [m], khối lượng riêng 7000[kg m/ 3], hệ số bức xạ của phần tường lò bao quanh vật nung w 0, 7

 và w 0, 7

 Vật nung được gia nhiệt với nguồn nhiệt bức xạ có nhiệt độ T tw( ) 1600K

 và T tw( ) 300K

 Giả thiết nhiệt độ ban đầu trong toàn

bộ vật nung là 300K Các kết quả mô phỏng so sánh mô hình Galerkin-Mờ và

So sánh nhiệt độ tâm vật

nung khi sử dụng các mô hình khác

nhau

So sánh phân bố trường nhiệt độ của mô hình Galerkin-Mờ và

mô hình lưới sai phân

11

Khảo sát nhiệt độ vật nung của mô hình vật lý Simscape và mô hình Galerkin-Mờ đề xuất

Khối vật nung được xây

dựng với Toolbox Simscape

nhiệt độ giữa mặt trên và mặt dưới của vật nung giảm dần theo thời gian và có xu hướng ổn định khi giữ tác động đầu vào là cường độ dòng nhiệt không thay đổi Nhiệt độ tâm vật nung thể hiện rõ tính phi tuyến khi phụ thuộc vào các tham số nhiệt vật lý ( ), ( )T c T của vật liệu, mặc dù có sự sai khác như ở hình 2.15 do nguyên nhân trong mô hình Galerkin-Mờ thì các thông số nhiệt vật lý của vật nung như hệ số dẫn nhiệt và nhiệt dung riêng ( ), ( )T c T phụ thuộc vào nhiệt độ như ở hình 2.8, còn khi xây dựng mô hình vật lý từ Simscape thì các đại lượng trên là hằng số được tra từ tài liệu tham khảo [5]

Để khắc phục được sai số giữa mô hình lò nung xây dựng với Simscape và

mô hình Galerkin-Mờ đề xuất, ta cần xây dựng mô hình vật lý của vật nung có tham số phụ thuộc nhiệt độ hoặc phải hiệu chỉnh công cụ mờ trong việc xây dựng mối liên hệ phụ thuộc của ( ), ( )T c T vào nhiệt độ Nói cách khác, việc xác định các tham số nhiệt vật lý của vật liệu kim loại còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác, đây cũng là một lĩnh vực rất khó đang được các nhà nghiên cứu tập trung tìm hiểu trong thời gian gần đây [38,49,51] Do đó, luận án sẽ hướng tới giải pháp bổ sung thêm cho bộ điều khiển đã giới thiệu ở hình 1.2 có khả năng bù được sai lệch này thay vì chỉnh định thích nghi cơ cấu mờ

Cấu trúc khâu quan hệ mờ bổ sung vào mô hình tách biến Galerkin đã được thiết kế dựa trên đặc tính vật liệu nung lấy từ ở tài liệu [14,16,17] Đối với các vật liệu nung có chất liệu vật lý khác, một cách tương tự ta có thể thiết kế được

bộ quan hệ mờ tương ứng dựa vào tham số đặc tính vật lý truyền nhiệt của vật nung đó

2 Đã tiến hành mô phỏng đánh giá chất lượng mô hình Galerkin-Mờ trên cơ sở

so sánh với một số mô hình thực nghiệm và mô hình vật lý Simscape Các kết quả ở các hình 2.9, hình 2.11, hình 2.15 và hình 2.16, đều đi tới chung một khẳng định về ưu điểm của mô hình Galerkin-Mờ đề xuất này

CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH NUNG VỚI BỘ ĐIỀU KHIỂN LQR CÓ RÀNG BUỘC TRƯỢT DỌC TRÊN

3.1 Tổng quan về các phương pháp điều khiển

Các phương pháp điều khiển hiện nay đều tập trung vào điều khiển nhiệt độ

bề mặt vật nung theo một quỹ đạo cho trước, tức là cung cấp cho phương trình truyền nhiệt (1.47) giá trị biên ( , )T S t Các phương pháp này được chia thành hai

loại chính là điều khiển hở và điều khiển vòng kín Đặc điểm chung của nhóm phương pháp vòng kín, với ưu điểm hơn hẳn sơ đồ điều khiển hở, là khi được triển khai thực tế chúng đều có dạng nối tầng (cascade) và ứng dụng được khi các quỹ đạo đặt nhiệt độ vật nung biến đổi liên tục theo thời gian Nguyên lý làm việc của nhóm phương pháp này là căn cứ theo sai lệch tín hiệu nhiệt độ có thực của vật nung so với nhiệt độ đặt mong muốn để hiệu chỉnh lại năng lượng cung cấp cho vật nung Cấu trúc điều khiển lò nung là hở hay kín thì chúng cũng đều có điểm chung trên cơ sở phân lớp vật nung với quỹ đạo tham chiếu đặt trước của nhiệt độ các vật nung có thể được tính trực tuyến (online) hoặc định trước và lưu trữ như trong các công bố [27,28,39]

3.2 Đề xuất cấu trúc điều khiển

Luận án đề xuất về cấu trúc và phương pháp điều khiển có thể thích ứng được với mô hình truyền nhiệt trong vật nung dưới dạng phương trình PDE, nhằm điều khiển trường nhiệt độ bên trong vật nung T V t thay vì thay đổi nhiệt độ bề mặt ( , )vật nung ( , )T S t Cấu trúc hệ thống điều khiển đề xuất như hình 3.2