Thiết kế hệ thống điều khiển theo nguyên tắc cực trị

Chính vì vậy mà một trong các yếu tố để đánh giá nền sản xuất hiện đại là trình độ áp dụng tự động hoá có khả năng tự thích nghi với sự thay đổi của các tham số bên trong và bên ngoài hệ

bộ giáo dục và đào tạo

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

Khoa điện

-    -

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Đề tài:

Thiết kế hệ thống điều khiển theo nguyên tắc cực trị

Giáo viên hướng dẫn: Th.s- Nguyễn Hữu Công

Người thiết kế: HOÀNG VĂN SƠN

Thái Nguyên - 2000

Bộ giáo dục đào tạo CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

trường đại học ktcn -o0o -

Thiết kế hệ thống điều khiển theo nguyên tắc cực trị

Người thiết kế: Hoàng Văn Sơn

Lớp: K31IĐ

Ngành : Đo lường điều khiển

Giáo viên hướng dẫn: Th.S - Nguyễn Hữu Công

Ngày giao đề:

Ngày hoàn thành: 8 - 3 - 2000

- Phần I : Giới thiệu chung về hệ thống điều khiển theo

nguyên tắc cực trị

- Phần II: Tìm hiểu quá trình công nghệ

- Phần III: Xây dựng sơ đồ nguyên lý

- Phần IV: Tính chọn thiết bị

- Phần V : Đánh giá chất lượng hệ thống

- Phần VI: Thuyết minh sơ đồ nguyên lý

- Phần VII: Thiết kế hệ thống hiển thị nhiệt độ

Bản thuyết minh thiết kế tốt nghiệp đã được thông qua

Ngày tháng năm 2000

TỔ TRƯỞNG BỘ MÔN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN TL/HIỆU TRƯỞNG (Ký tên) (Ký tên) Chủ nhiệm khoa

(Ký tên đóng dấu)

Lời cảm ơn

Qua thời gian học tập và rèn luyện tại trường Đại học KTCN Thái Nguyên, dưới sự chỉ bảo nhiệt tình của các thầy cô giáo, đến nay bản đồ án của em

đã hoàn thành

Quyển đồ án tốt nghiệp này là kết quả của quá trình học tập và rèn luyện ở trường của em, nó không thể hoàn thành được nếu như không có swj chỉ bảo tận tình của các thầy cô giáo

Qua đây em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành với toàn thể các thầy, cô giáo và các bạn đồng nghiệp đã tận tình giúp đỡ em hoàn thành bản đồ án này

Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn tới thầy giáo thạc sĩ - nghiên cứu sinh tiến sỹ Nguyễn Hữu Công

đã trực tiếp chỉ bảo tận tình cho em trong suốt quá trình làm đồ án Các thầy, cô giáo trong bộ môn ĐL-

Lời nói đầu

gày nay sự phát triển mạnh mẽ vượt bậc của KHKT, đặc biệt là công nghệ vi điện tử - vi xử lý, đã kéo theo sự ra đời của các hệ thống điều chỉnh tự động ngày càng được tối ưu hoá về mọi mặt Chúng gọn nhẹ hơn nhưng lại tinh vi hơn, có thể đảm nhiệm được các công việc khó khăn hơn rất nhiều so với hệ thống cũ Trước kia trong các hệ thống điều chỉnh, vì các lý do kỹ thuật, công nghệ và yêu cầu lúc đó, người ta chỉ điều chỉnh một giá trị đặt trước nào đó của một đại lượng điều chỉnh, hệ thống như vậy gọi là hệ thống có một đại lượng điều chỉnh Ngày nay yêu cầu về một hệ thống điều chỉnh trở nên phức tạp hơn rất nhiều, nó đòi hỏi phải điều chỉnh một lúc nhiều thông số Trong đó các thông số do các quá trình vật lý bên trong hệ thống có ảnh hưởng qua lại lẫn nhau Như vậy muốn xây dựng được một hệ thống điều chỉnh bắt buộc phải tìm hiểu các quá trình xảy ra bên trong, các tính chất và thành phần cấu tạo của hệ thống

Các tiến bộ KHKT được đặc trưng bởi sự phát triển không ngừng của việc tự động hoá sản xuất trong tất cả các lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân

Tự động hoá nhằm tăng năng xuất lao động, giảm giá thành sản phẩm và nâng cao trình độ sản xuất Chính vì vậy mà một trong các yếu tố để đánh giá nền sản xuất hiện đại là trình độ áp dụng tự động hoá có khả năng tự thích nghi với sự thay đổi của các tham số bên trong và bên ngoài hệ thống được quan tâm hàng đầu

+ Hệ thống tự điều chỉnh là một hệ thống tự động mới, nó hoàn thiện hơn cả trong các hệ thống tự động Các ứng dụng của nó trong cuộc sống, trong công nghiệp đã mang lại giá trị kinh tế rất lớn

+ Hệ thống tự chỉnh xuất hiện vào những năm 50 của thập kỷ này, sự

ra đời của nó cho phép mở rộng vùng ổn định, giữ nguyên độ tác động nhanh

N

Nội dung của bản đồ án đề cập tới các vấn đề sau:

+ Hệ thống tìm cực đại được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như trong công nghiệp hoá chất, năng lượng, nhiệt luyện, xác định cực tính cực trị khi đối tượng điều khiển là lò cán thép

+ Tính toán, thiết kế hệ điều chỉnh tìm cực trị kiểu bước dùng các phần tử bán dẫn

+ Khảo sát qúa trình điều khiển, xác định chất lượng của hệ thống bằng phương pháp đồ thị giải tích trong trường hợp đối tượng có quán tính Trong khi trình bày chúng em đã thể hiện sát nội dung và các yêu cầu trên Qua việc tính toán và khảo sát đã rút ra được nhiều kết luận cần thiết để đánh giá chất lượng và chọn các tham số của hệ thống Tuy nhiên do thời gian và trình độ có hạn, nên chúng em chỉ mới đề cập tới các vấn đề trên trong một số trường hợp điều chỉnh, cần thiết và tối thiểu

Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của thầy Nguyễn Hữu Công, các thầy cô trong khoa và bộ môn ĐL-ĐK đã giúp đỡ chúng em hoàn thành bản đồ án này

Thái Nguyên, ngày 6 tháng 3 năm 2000

Phần I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

nhiệt độ to với lưu lượng khí đốt nhất

định phụ thuộc lưu lượng không khí

theo đặc tính cực trị sau:

Nhiệt độ cực đại và hình dạng đặc tính to (u) phụ thuộc chất lượng khí đốt nhiệt độ không khí và vật cần nung  ở đối tượng này quá trình chộn lẫn không khí và khí đốt là có quán tính, vật cần nung cũng như dụng

điều khiển là chỉ tiêu chất lượng của

hệ, còn lượng điều khiển là thông số

chỉnh định Như trong trường hợp cán

Đối tượng là một khâu phi tuyến tính có cực đại chẳng hạn và không

có quán tính trong trường hợp giản đơn Cơ cấu tách sóng đồng bộ (TSĐB) gồm có cơ cấu nhận và bộ lọc (L) cơ cấu chất hành (CH) được mô phỏng bằng khâu tích phân

TSĐB ĐTĐK

Ở điểm làm việc A, tín hiệu y(t) cùng pha với tín hiệu thử, ở điểm làm việc B ngược pha và điểm làm việc C (điểm cực đại) tín hiệu y(t) có tần số gấp đôi 2 o Đó là những thông tin quan trọng làm cơ sở để xây dựng hệ cực đại

Theo chuỗi taylo, tại điểm làm việc X = V với tiến độ Xm bé ta có

Y(V + Xmsinot) = y(v) + 

y

x (XmSinot)

2

+

và biên độ của sóng bậc một ở đầu ra của đối tượng tỷ lệ với đạo hàm dy/dx

ở điểm làm việc Bộ lọc có chức năng dập tắt các sóng bậc cao chỉ còn lại các sóng bậc 1, sóng bậc 1 tỷ lệ với Grady

Nếu đặc tính y(x) là hàm bậc 2: y(x) = o + 1X + 1X2 thì biên độ sóng bậc 1 ở đầu ra của đối tượng điều khiển:

2



Y(p)

1 P

Độ trễ đơn thuần chỉ được thực hiện bằng kỹ thuật số Đường nét đứt

là hàm trọng lượng của bộ lọc được thực hiện bằng một khâu quán tính bậc

2 Nguyên tắc hoạt động của hệ cực trị được giải thích như sau:

Ở điểm làm việc A tín hiệu YA cùng pha với tín hiệu tựa Vt, ở đầu ra của bộ nhân là hai nửa chu kỳ dương Z(t) bộ lọc lý tưởng sẽ cho tín hiệu P

là trị số hằng dương Do đó cơ cấu chấp hành một khâu tích phân sẽ có tín hiệu ra ở đầu ra

V(t) =

0

T

 Podt = Pot oTKhi đóng công tắc K thì Vt sẽ từ trị số VA chuyển động theo hướng tiến đến cực trị điểm C Quá trình sẽ ngược lại nếu hệ làm việc ở điểm B, ở điểm làm việc C đầu ra của bộ nhận tín hiệu Z(t) sẽ tạo thành với trục thời gian, những diện tích bằng nhau nhưng khác dấu từng đôi một (gạch sọc hình

vẽ sau) do đó trị số trung bình P bằng không và vị trí điểm làm việc vẫn không đổi khi đóng K vì đó là chế độ tối ưu của hệ cực trị

Ở hệ cực trị có hai quá trình xẩy ra: Quá trình cơ bản là quá trình tiến đến cực trị và quá trình tìm là quá trình xác định hướng phát triển của quá trình cơ bản, ở đây quá trình xác định hướng phát triển được thực hiện theo phương pháp tách sóng đồng bộ còn quá trình tiến đến cực trị (khi dòng công tắc K) được thực hiện bằng phương pháp Gradien Sau này, sẽ không

đi sâu vào việc khảo sát từng hệ mà chỉ đề cập đến các phương pháp khác nhau để xác định Grady và các phương pháp chuyển động đến cực trị Kết hợp từng đôi một, ta có những hệ cực trị khác nhau

Khi đối tượng điều khiển ngoài đặc tính cực trị còn có thành phần quán tính, tín hiệu đầu ra của đối tượng Y(t) sẽ dịch pha so với tín hiệu thử một góc (o) do đó ở đầu ra của bộ lọc của bộ tách sóng

P(t) = Xm 



y

x cos (o) Nếu góc lệch pha ấy lớn hơn 45o thì chuyển động sẽ hướng ngược lại

so với hướng đến cực tại và hệ sẽ không làm việc được Do vậy khi có quán tính được khi đưa vào bộ tách sóng đồng bộ, tín hiệu từ máy phát sóng tìm

sẽ qua cơ cấu dịch pha để tín hiệu tựa cũng có góc dịch pha như tín hiệu Y(t) tốt nhất là bằng (o)

Trong trường hợp góc dịch pha không thể xác định được, người ta một mạch thích nghi khác Xây dựng theo phương pháp giải tích chẳng hạn,

để nhận dạng và tự động chỉnh định góc dịch pha

III CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH GRADIEN VÀ CHUYỂN ĐỘNG ĐẾN CỰC TRỊ

1- Các phương pháp xác định Gradien của hàm mục tiêu

a) Phương pháp đạo hàm theo (t)

Gradien của hàm mục tiêu có thể xác định theo:

Grady =

dx

dy =

dt/dx

dt/dy

Hình 1-2

Bằng cách dùng các bộ vi phân ở đầu vào X và đầu ra Y của đối tượng phần tử logic LG xác định dấu của đạo hàm khuếch đại KĐ và cơ cấu chuyển đổi sẽ đưa tín hiệu  Uo vào cơ cấu chấp hành

Nếu có nhiều đầu vào có thể dùng các hàm tuyến tính lần lượt đưa vào từng kênh như hình trên

Đạo hàm toàn phần có dạng:

dt

dy = 



y

x dt

dx1 + + 

P

Y

dy dx

dx2 = b2

Thay vào biểu thức trên ta có:

Như vậy bằng cách đo đạo hàm

theo thời gian của hàm mục tiêu có thể

xác định đạo hàm riêng tương ứng

b) Phương pháp nâng hạ nhanh:

Theo phương pháp này, chuyển động được thực hiện theo hướng gradien nhưng độ dài của bước chuyển động không phụ thuộc vào môđuyn của gradien mà phụ thuộc vào diều kiện đặt cực trị theo hướng grady nghĩa

là đến khi bắt đầu tiếp xúc với một đường đồng mức nào đó

c) Phương pháp tối ưu hoá theo toạ độ (gaus- zuden)

Phương pháp này thường dùng ở các hệ tối ưu nhiều thông số đầu vào với các bộ điều chỉnh cực trị một biến Trường hợp này chỉ một thông số

thay đổi cho đến khi đạt cực trị theo thông số ấy trong khi các thống số khác

cố định Sau đó thay đổi thông số thứ hai

Sơ bộ so sánh cả ba phương pháp trên, ta thấy phương pháp nâng (hạ)

có số bước chuyển động ít nhất trong cùng một điều kiện Phương pháp tối

ưu hoá theo toạ độ đòi hỏi nhiều thời gian hơn để đến cực trị khi số lượng thông số lớn

3- Các phương pháp thực hiện đồng thời hai quá trình:

a) Phương pháp ghi nhớ cực trị:

Cơ cấu ghi nhớ cực trị có thể thực hiện bằng các linh kiện điện tử đơn giản (như hình dưới) Khi có kênh tăng X qua điốt Đ tụ C được nạp Khi y(t) vượt khỏi trị số cực đại, y(t) bắt đầu giảm Lượng chênh lệch ngày càng tăng

sẽ được đặt lên điốt Đ vì điện trở ngược lớn Lượng chênh lệch tương ứng với vùng gạch sọc

Do đó có tên là phương pháp

ghi nhớ cực trị Khi đạt đến trị số

ngưỡng của đèn K (ngưỡng S là trị số

tối đa để đèn ngắn mạch Đ) cơ cấu

chấp hành cho lệnh đảo chiều chuyển

động, đại lượng y(t) lại tăng

tụ lại nạp Khi y(t) vượt quá trị số cực đại., lượng chênh lệch so với cực trị tăng dần và so sánh với ngưỡng S của đèn cứ thế hệ sẽ luôn ghi nhớ và bám theo cực trị

b) Phương pháp bước:

Sau khi thực hiện một bước XK hệ sẽ đo thông số ở đầu ra yK và so sánh với trị số trước đó YK-1 đã được ghi vào bộ nhớ K là số thứ tự của bước được thực hiện

Tuỳ thuộc vào dấu của YK = yK - Yk-1 mà trước tiếp theo sẽ được thực hiện theo hướng cần thiết

Nếu cực trị là cực đại thì XK+1 = C sign (YK) mà C là giá trị của bước Trên biểu đồ hình (a) là các biểu đồ của trường hợp bước cho trước, không phụ thuộc tính chất của đối tượng Ở biểu đồ hình (b) tần số của bước được xác định bởi độ dốc của đặc tính cực trị Càng gần cực trị độ dốc càng

bé hơn và tần số của bước cũng giảm Sơ đồ khối của hệ hình (C) Đại lượng

YK = YK - YK-1 được thực hiện nhờ cơ cấu so sánh và phần tử trễ T Khâu tích phân nối tiếp với phân tử logic (Lg) điều kiện động cơ thực hiện chuyển động theo quy luật

 : là ngưỡng tác động của phần tử logic Càng xa cực trị YK càng lớn (T K - TK-1) càng bé, bước càng dầy hơn Khi gần cực trị YK càng bé

t x

t

Y(t) Y(x)

t

t

Hình c c) Phương pháp đơn hình (Simplex)

Trên mặt phẳng hai thông số, đơn hình được thể hiện bằng tam giác đều cạnh (trường hợp một thông số - những đoạn thẳng, ba thông số biến đổi đơn hình là những hình tháp bốn đỉnh, mỗi mặt là một tam giác đều) Hình dưới toạ độ của mỗi điểm 1, 2, 3 được xác định sao cho các cạnh bằng nhau

và ứng với chúng các toạ độ : Y1(X11 , X21) ; Y2(X12 , X22) ; Y3(X13

, X23) được đo và so sánh

với nhau Nếu cực trị là cực đại

thì đại lượng bé nhất sẽ bị loại

trừ và trạng thái mới sẽ được

lập tạo nên bằng cách lật tam

giác 1, 2, 3 quanh trục 2, 3 để

loại trừ điểm 1 Cứ thế hệ sẽ tiến

đến cực trị

4- Phương pháp tìm khi có nhiều cực trị

Trong nhiều trường hợp đặc tính đối tượng Y(x1 xn) có nhiều cực trị cần xác định cực trị toàn bộ thì người ta thường dùng phương pháp "(tìm mù" hay "quét" Nội dung tuần tự "xem xét" các vùng G có thể với thời gian

và tốc độ sao cho phát hiện được cực trị cần tìm Nếu kích thước (thể tích) của tất cả các vùng cần quét là: G ; Ln Kích thước vùng cực trị toàn bộ là gm

= en thì tổng thời gian quét là: Tq = T ( L

n

Trong đó: T - là thời gian một lần đo

n - là số chiều dài của vectơ thông số

Thời gian ấy quá lớn nên người ta kết hợp hai phương pháp:

+ Phương pháp quét kết hợp với phương pháp Gradien nhanh chóng

tìm cực trị thời gian quét sẽ là: Tq l = Tq ( L

vị trí làm việc của nó đối với cực trị Chênh lệch so với cực trị dao động gây nên ở chế độ xác lập gọi là tổn thất tín Hệ cực trị là hệ phi tuyến Đối với những hệ này có thể dùng phương pháp khảo sát động học các hệ phi tuyến nói chung, như phương pháp mặt phẳng pha hay tuyến tính hoá điều hoà

Trong một số trường hợp, khâu phi tuyến tính của đối tượng cùng với

cơ cấu xác định Gradien nối tiếp nhau, bù trừ nhau và hệ cực trị tương đương với một hệ tuyến tính

Ví dụ: Khi đặc tính tĩnh Y(x) của đối tượng có dạng: Y = bx2 cơ cấu

xác định Gradien có chức năng xác định:

dx

dy = 2bx

Như vậy tương đương

với hai khâu này là một khâu

Đặc điểm quan trọng nữa là trong vùng cực trị tần số của tín hiệu ra y(t) gấp đôi tần số của tín hiệu tìm ở đầu vào Do đó khi dùng phương pháp tuyến tính hoá điều hoà để khảo sát, cần quy đổi góc lệch pha theo quy tắc:

X

Vì rằng góc lệch pha của dao động có tần số 

2 đối với dao động có

độ tối ưu

Nhiễu có thể tác động ở đầu vào hay đầu ra của đối tượng Miền đầu vào làm nơi đặc tính cực trị Nhiễu đầu ra làm cho chuyển động có thể lạc hướng hay giảm độ chính xác điều khiển

phần II CÔNG NGHỆ NUNG CÁN TRONG LÒ LUYỆN KIM

I VAI TRÒ CỦA LÒ NUNG

Qúa trình sản xuất kim loại trong công nghiệp luyện kim có thể phân làm hai thời kỳ:

- Thời kỳ thứ nhất: Quá trình tạo ra kim loại có thành phần hoá học

cho trước, từ các nguyên liệu ban đầu (quặng và các trợ dung khác) qua xưởng gang xưởng thép



- Thời kỳ thứ hai: Quá trình gia công dẻo kim loại trong đó phương

pháp gia công bằng áp lực đóng vai trò quan trọng nhất Cán thép là một trong những dạng của gia công kim loai bằng áp lực

Cán thép là quá trình tác động ngoại lực lên kim loại làm cho nó thay đổi hình dạng và kích thước theo yêu cầu.Do đó kim loại qua trục cán phải

có khả năng biến dạng dẻo Yêu cầu quan trọng trong quá trình cán là sức căng biến dạng của kim loại không được lớn, đồng thời kim loại vẫn giữ được độ bền cao Tính mềm dẻo của từng kim loại phụ thuộc rất nhiều vào thành phần hoá học của nó, đặc biệt là phụ thuộc vào nhiệt độ nung kim loại trước khi cán và phương pháp gia công áp lực

Nhiệt độ cán càng cao thì sức căng biến dạng càng giảm, đồng thời cũng giảm được lực và năng lượng tiêu hao trong quá trình cán

Ví dụ: Khi cán ở nhiệt độ 1150  1200oC thì sức căng biến dạng của thép giảm 10 lần so với cán nguội Do vậy trong thực tế, người ta nay dùng hương pháp cán nóng

Thực tế cho thấy rằng trong quá trình cán nguội kim loại trở nên cứng

và sức căng biến dạng tăng lên rất nhiều tức là kim loại mất tính mềm dẻo và được gọi là sự biến dạng cứng, đồng thời năng lượng tiêu hao khi cán lớn Cán ở nhiệt độ cao là quá trình gia công không có sự biến cứng, đồng thời nung sẽ làm giảm áp lực của kim loại vào trục cán và giảm hao phí năng lượng, cho phép thúc đẩy nhanh quá trình gia công và trong nhiều trường hợp tính dẻo nâng cao là khả năng duy nhất thực sự biến dạng dẻo

Vì vậy nhiệm vụ của lò nung liên tục trong cán là:

- Nung thép đến nhiệt độ nhất định và đạt được mức đồng đều nhiệt

độ trong phạm vi cho phép ứng vơí mỗi loại phôi nung (kích thước và mác thép khác nhau)

- Quá trình làm việc liên tục, đồng thời chế độ nhiệt tương đối ổn định trong từng vùng, vì vậy có thể thực hiện tự động điều chỉnh đối với từng vùng riêng biệt mà ảnh hưởng giữa các vùng với nhau không nhiều

- Quán tính nhiệt của lò tương đối lớn tính chất này chứng tỏ lò là một đối tượng nhiều dung lượng Dung lượng nói chung là khả năng tích luỹ vật chất hoặc năng lượng của đối tượng

Với đối tượng của ta dung lượng là nhiệt dung của toàn bộ đối tượng bao gồm nhiệt dung của lò của phôi nung, như vậy phương trình vi phân mô

tả tính chất động của đối tượng sẽ có bậc lớn hơn 1

- Năng suất của lò thay đổi trong phạm vi tương đối lớn, sự thay đổi này do năng suất máy cán quyết định Khi đó với sơ đồ điều khiển tự động hiện nay giá trị cho trước của nhiệt độ thay đổi ít hoặc không thay đổi

- Chế độ nhiệt của lò cần được thay đổi cho phù hợp với từng loại phôi nung

II ĐẶC ĐIỂM LÒ NUNG VÀ CÔNG NGHỆ CÁN

- Phôi được đưa vào lò liên tục theo thời gian và di chuyển dọc theo chiều dài của lò trên dầm trượt qua 3 vùng là: vùng sấy, vùng nung và vùng đồng nhiệt với ba chế độ nhiệt khác nhau Phương pháp nạp vào đầu ra cạnh, lò nung kiểu này chỉ dùng cho các loại thép cácbon hoặc các loại thép hợp kim thấp

- Nhiên liệu của lò: Để đốt lò, người ta dùng dầu nặng bơm với áp suất cao tới mỏ đốt Ở đây không khí vào biến dầu thành bụi phun vào không gian làm việc của lò Nhiệt trị của dầu là 9500 Kcal/kg hay 39700 kJ/kg Lưu lượng khối tiêu hao cực đại là 1230kg/h và tiêu hao nhiên liệu cho một tấn thép nung là 45kg/tấn Lưu lượng khi yêu cầu là 15300m3/h và

độ nhớt của dầu nặng là 4  6oE

Nhiệt độ dư nhiệt không khí là 350  400oC, áp lực không khí trước

mỏ đốt là 500 Pa Tiêu hao hơi nước 130kg/h, áp lực hơi nước trước mỏ đốt

1560 thép lắng

210.210

275.275

1560 thép sôi

5.30.305

245.245

120 thép lắng + Các loại phôi vuông kích thước 105.105 đến 200.200 dài khoảng

1400  3500 (mm)

III CẤU TẠO LÒ NUNG, CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH

A Cấu tạo của lò:

Lò kiểu đẩy thép nung liên tục và nung hai mặt

1- Theo chiều dài lò:

Có thể chia làm 3 vùng, tên mỗi vùng gọi lần lượt từ cửa vào phôi đến cửa ra: vùng sấy, vùng nung, vùng đồng nhiệt

Các thông số cửa lò như sau:

- Vùng sấy dài 1,02m:

+ Vùng nung trên dài 6,66m, cao 1,44m + Vùng nung dưới dài 6,6m , cao 1,7m + Vùng đồng nhiệt dài 3,016m , cao 1,1m

Diện tích đáy lò 19,046m, 3,596m

Công suất lò 26 tấn/n ; max = 30 tấn/h

Cường độ đáy lò 500kg/m2h

Cửa vào phôi luôn mở, phôi cần nung được vận chuyển bằng cần trục

và văng truyền con lăn từ gian để phôi đến cửa phôi Toàn bộ phôi nung được xếp thành hai hàng dọc và dịch chuyển dọc theo lò lần lượt theo các vùng, cửa ra phôi dùng động cơ để mở

2- Bộ phận dịch chuyển phôi

Trong lò người ta dùng 4 dầm trượt dọc để dịch chuyển hai hàng phôi Phôi được đưa tới cửa lò và nhờ hai máy đẩy chúng dịch chuyển thay thế vị trí cho nhau trong lò, phôi được nung hai mặt Từ đầu vào phôi đến hết vùng nung phôi được đẩy trượt trên dầm trượt, dầm là đoạn ống có chứa nước làm nguội bên trong Khi phôi trượt trên đoạn này, chỗ tiếp xúc giữa phôi và dầm trượt bị làm nguội tạo nên vệt den trên bề mặt phôi

Đến vùng đồng nhiệt, vì thép nung chuyển vị đưa ra cán sau khi dùng

đi qua vùng này nên yêu cầu nhiệt độ của thép phải đồng đều nhau trên bề mặt và bên trong tâm phôi nên không dùng dầm trượt có nước làm nguội nữa

mà dùng thanh thép chịu nhiệt Việc sử dụng hai loại dầm trượt khác nhau là chú ý đến hiệu quả kinh tế và căn cứ vào chế độ nung của lò

3- Bố trí các mỏ đốt

Để cung cấp nhiệt cho lò người ta dùng dầu mazut mác 40, dầu được phun dưới dạng sử dụng trộn với không khí thổi qua các mỏ đốt, toàn bộ dùng 11 mỏ đốt phân bố như sau:

Mục đích đặt bộ giữ nhiệt không khí trong đường ống khói là để thu hồi nhiệt dư của khói giảm tiêu hao nhiệt Sau khi trợ cháy qua bộ giữ nhiệt lên từ 300  400oC được đưa đến mỏ đốt

Bộ phận giữ nhiệt được chia làm hai phần:

- Bộ phận gần lò gọi là cụm ống bảo vệ bộ giữ nhiệt

- Bộ phận ĩ nhiệt phân thành hai cụm phải trái làm hai hành trình để nâng cao hiệu quả trao đổi nhiệt

Để bảo vệ bộ giữ nhiệt, trên đường ống khói ta lắp van tham gia làm nguội 300 Khi nhiệt độ khói quá cao các van này mở làm cho không khí lan tràn vào đường ống khói làm giảm nhiệt độ khói.trên đường ống chung của gió nóng lắp van xả tự động Khi nhiệt độ khí vượt quá 450oC van này

tự động mở xả một phần gió nóng để bảo vệ bộ giữ nhiệt

- Các thông số của bộ giữ nhiệt:

Diện tích truyền nhiệt 73.2 = 146 m2;

Nhiệt độ dư nhiệt độ không khí 350  400oC

Nhiệt độ khói vào bộ giữ nhiệt 800 oC

Nhiệt độ khói ra bộ giữ nhiệt 457 oC

Lượng khói lớn nhất 16000m2/h

Lưu lượng không khí trong bộ giữ nhiệt 12,61 m3/s

Lưu lượng khói trong bộ giữ nhiệt 1,79 m3/s

3- Nhiệt độ tâm phôi

Căn cứ vào biểu đồ nhiệt độ nung H ta có thể xác định chế độ vận hành và đề ra yêu cầu tự động hoá cho lò như sau:

1- Vùng sấy:

Khi chọn chế độ nhiệt độ cho

vùng sấy cần chú ý đến tính dẫn

nhiệt của kim loại và lý, hoá tính

của nó Hiện nay lò của xưởng cán

Gia Sàng chuyên dùng để nung các

loại thép cacbon thường, hệ số dẫn

nhiệt lớn nên khả năng truyền

nhiệt từ mặt phôi đến tâm phôi nhanh ứng suất nhiệt sinh ra giữa mặt phôi và tâm phôi không lớn Vì vậy tốc độ nung có thể cho phép tuỳ ý tức là nhiệt độ vùng sấy có thể tuỳ ý Tuy nhiên nếu tốc độ nung quá thấp thì thời gian nung

sẽ kéo dài ảnh hưởng tới năng suất lò Yêu cầu điều chỉnh nhiệt độ ở đây chỉ cần đo lượng nhiệt độ mà thôi

2- Vùng nung:

Là vùng chủ yếu tăng nhiệt độ của phôi nung nên nhiệt độ vùng này phải cao (1300  1350oC) và nhiệt độ lò lớn hơn nhiệt độ bề mặt phôi khoảng 100 oC Sai số nhiệt độ của phôi chủ yếu do:

- Mác thép nung, kích thước phôi nung thay đổi

- Sản lượng cán thay đổi

Việc tự động hoá lò nung là tự động duy trì nhiệt độ lò ở khoảng 1300

t

T 0

Hình 2-1

1

3 2

xuống so với nhiệt độ vùng nung (1250  1270 oC) và cao hơn nhiệt độ bề mặt phôi một chút Với nhiệt độ lò như vậy nhiệt độ bề mặt phôi không tăng được nữa trong khi đó nhiệt độ tâm phôi vẫn tiếp tục tăng lên cho đồng đều với nhiệt độ bề mặt phôi

Để đáp ứng đúng yêu cầu công nghệ cán việc tự động hoá duy trì nhiệt độ vùng đồng nhiệt là cần thiết bởi vì phôi trước khi ra lò cần có nhiệt

độ nhất định đáp ứng yêu cầu về độ biến dạng dẻo của thép nhằm giảm lực gây biến dạng, giảm tiêu hao năng lượng khi gia công và tăng tuổi thọ các thiết bị Không đảm bảo được nhiệt độ đồng đều theo tiết diện phôi sẽ làm xoắn phôi, tạo ra những vết nứt bên trong dễ gây nguy hiểm như cong, gẫy trục cán và làm hư hỏng các chi tiết khác của máy cán trong lúc làm việc

IV CÁC ĐẶC TÍNH TĨNH VÀ ĐỘNG CỦA ĐỐI TƯỢNG

A Đặc tính tĩnh

Đặc tính tĩnh của đối tượng là quan hệ giữa đại lượng ra và đại lượng vào của nó ở một chế độ nhất định Đối tượng của ta là lượng vào là lưu lượng nhiên liêu, lượng ra là nhiệt độ lò

Các đặc tính tĩnh có thể tìm được bằng con đường tính toán giải tích hoặc thực nghiệm

Đối tượng ta xét thuộc loại đối tượng định vị, quan hệ giữa lượng ra

và lượng vào ở trạng thái ổn định biểu hiện bằng phương trình

Xn = f (Xv) - hàm tuyến tính Ứng với mỗi giá trị ổn định của lượng vào (lưu lượng dầu mazut) ta

có một giá trị ổn định xác lập ở lượng ra (nhiệt độ), ở các chế độ khác nhau quan hệ Xr và Xv cũng khác nhau Cụ thể là ứng với từng năng suất khác nhau của lò ta có một họ đặc tính tĩnh Một thông số rất quan trọng, đặc

r

dX

dXX

b) Nhiệt độ vùng đều nhiệt ; 2- Năng suất 70%

c) Nhiệt độ vùng nung dưới ; 3- Năng suất 0%

B Đặc tính động

Đặc tính động của đối tượng là sự thay đổi lượng ra theo thời gian khi xuất hiện nhiễu các đặc trưng động cho phép ta đánh giá các tính chất động của đối tượng ở trạng thái quá độ

Đặc trưng động có thể biểu diễn dưới nhiều dạng khác nhau:

a)

1300 1250 1200

- Dạng các đặc tính thời gian (hình 2-3)

- Dạng đặc tính tần

+ Các thông số động của đối tượng

a) Hệ số truyền (hệ số khuếch đại)

4 2

600

500

400

300 200

4 2

600

500

400

300 200

100

[S]

X r [oC]

6 8

4 2

Nhiệt độ vùng đồng nhiệt

T = 180 3 ; To = 45s ; K đt = 8 o C/%

hành trình chiều quay động cơ

Nhiệt độ vùng nung trên

T = 180 3 ; T o = 60s ; K đt =

4 o C/%

hành trình chi ề u quay độ ng c ơ

Đối tượng của ta là đối tượng định vị (có tính tự cân bằng) hệ số truyền được tính bằng độ thay đôỉ lượng ra (nhiệt độ) khi chuyển từ trạng thái bán đầu (bắt đầu đặt nhiễu) Đến trạng thái ổn định mới tính theo một đơn vị nhiễu đặt vào đối tượng nghĩa là:

%

CX

X

v

) o ( ) (

Trong đó:

XT () và XT(o) là giá trị lượng ra ứng với trạng thái mới và trạng thái ban đầu

XV : là giá trị nhiễu đặt ở cửa vào tính theo phần trăm độ dịch

chuyển của cơ quan điều chỉnh

Ở đây xét với vùng đông nhiệt có:

XT() = 1250oC ; XT(0) = 1170oC X = 10% hành trình cơ quan điều chỉnh

%

C8

10

1170

b) Độ chậm trễ :

Bao gồm thời gian trễ thuần tuý (do vận chuyển) và thời gian trễ dung lượng (chuyển biến quá trình nhiệt độ giữa các dung lượng) Để thuận lợi cho việc tính toán hệ thống coi gần đúng đối tượng bao gồm một khâu trễ 

do vận chuyển và một khâu bậc 2

c) Hằng số thời gian T:

Xác định hằng số thời gian bằng cách kẻ tiếp tuyến với đường quá độ tại điểm uốn (điểm có tốc độ thay đổi cực đại của đại lượng cần điều chỉnh) Chẩn đoán tiếp tuyến chắn bởi trục hoành và đường giá trị xác lập mới lên trục hoành ta nhận được giá trị T

V TỶ LỆ NHIÊN LIỆU - KHÔNG KHÍ - XÁC ĐỊNH ĐẶC TÍNH CỰC TRỊ CỦA ĐỐI TƯỢNG

Giữa nhiên liệu cháy và không khí dòng để đốt cháy một quan hệ nhất định, nó thể hiện qua hệ số dư thừa không khí  Khi lưu lượng nhiên liệu vì một lý do nào đó thay đổi thì lưu lượng không khí cũng phải thay đổi cho phù hợp (lưu lượng nhiên liệu là chủ đạo, lưu lượng không khí là phụ thuộc)

Để điều chỉnh tối ưu sự cháy của nhiên liệu là thực hiện tìm một hệ số tỷ lệ giữa nhiên liệu và không khí như thế nào đó để nhiệt độ ngọn lửa là cực đại (theo kinh nghiệm vận hành và tính toán với nhiên liệu là chất lỏng (dầu) thì

BN1

BN2

So sánh

2- Nguyên lý làm việc của sơ đồ

Giả sử lượng vào của đối tượng điều chỉnh thay đổi theo thời gian thiết bị tính cho ta gía trị Y1 tượng ứng với t1 , Y12 tượng ứng với t2 Các giá trị này lần lượt đưa vào trong BN1 và BN2 ( các bộ nhớ ) sau khi qua bộ so sánh tín hiệu ra Y = Y2 -Y1 tác động vào phần tử đảo chiều quyết định sự làm việc của cơ cấu chấp hành dẫn đến lượng vào đối tượng thay đổi Khi

Y  0 phần tử đảo chiều không tác động, vì thế cơ cấu chấp hành giữ nguyên trạng thái làm việc

Nếu Y < 0 (Y  0  Y2 - Y1 < 0 hay cụ thể hơn Y2 - Y1   trong

đó  là một số dương phản ứng ngưỡng nhạy của quá trình điều khiển ) thì phần tử đảo chiều tác động bắt buộc cơ cấu chấp hành đổi chiều làm việc

Để thực hiện công việc trên bộ phát lệnh đã làm nhiệm vụ chỉ huy các bước theo trình tự

Bước 1 : Ghi nhớ giá trị trước vào BN1

Bước 2 : Cho cơ cấu chấp hành làm việc theo chiều nào đó ( chạy thử) Bước 3 : Ghi nhớ giá trị sau khi chạy thử vào BN2

Bước 4 : So sánh 2 giả trị trong các bộ nhớ rồi xoá đi chuẩn bị cho c chấp hành làm việc

Ở đây đối tượng điều chỉnh có đặc tính cực trị như ở hình 2-4 và cơ cấu chấp hành là động cơ ĐCH Các phần tử như thiết bị tính toán, bộ ghi nhớ , so sánh được xây dựng chúng dựa trên các phần tử có tiếp điểm và không có tiếp điểm

W0K W0C

WW

13

_

Các xung tạo bởi máy phát được đưa vào cuộn dây điện từ của bộ phân phối (cuộn này không vẽ ở hình 3-2) nhờ đó mà các thanh quét dịch chuyển trong trường tiếp xúc I, II, III với tần số xác định bởi tần số xung máy phát Thiết bị nhờ sử dụng các tụ C1, C2 và mặch lặp katốt của đèn điệnt tử hai cực kép, điện áp tỷ lệ với các giá trị Y1, Y2 đặt lên lưới đèn phần tử tác động lôgic làm nhiệm vụ so sánh hiệu số điện áp Y1 và Y2 là rơ

le phân cực R1 Rơ le náy điều khiển phần tử đảo chiều của bộ điều chỉnh đảm bảo cung cấp điện áp cho cuộn kích từ của ĐCH tuỳ thuộc vào chuyển đổi trứơc đó của nó

2- Nguyên lý làm việc

- Bước thứ nhất : Thanh quét ở vị trí 1 giá trị Y1 được nhớ lại tỷ lệ với điện áp trên tụ C1

- Bước thứ 2 : Thanh quét ở vị trí 2 , ĐCH làm việc kéo biến trở rn sự dịch chuyển của con trượt mô hình hoá cho chuyển động của cơ quan điều chỉnh , còn điện áp trên biến trở tỷ lệ với hệ số điều chỉnh 

- Bước thứ 3 : Thanh quét ở vị trí 3 , giá trị Y2 được nhớ trên tụ C2

- Bước thứ 4 : Thanh quét ở vị trí 4 Thực hiện việc so sánh điện áp tỉ

lệ với Y1,Y2 tuỳ theo dấu của Y mà 1 R1 sẽ đóng điện cho một trong hai cuộn kích thích của cơ cấu chấp hành

Nếu Y2  Y1 nghĩa là chuyển động theo hướng tiến tới cực trị thì 1R1

giữ nguyên giá trị cũ , không có việc đảo chiều

Nếu Y2  Y1 nghĩa là khi qua khỏi điểm cực trị thì 1R1 sẽ đóng sang

- Đôi tượng điều khiển, toạ độ X là đại lượng chuyển dịch và toạ độ

Y là lưọng điện áp đưa vào các bộ ghi nhớ

- ĐCH : Động cơ điện để chuyển động cho đối tượng (thay đổi toạ độ X)

- KĐT : Khuếch đại từ dùng để điều khiển ĐCH quay thuận nghịch điều chỉnh tốc độ

- CS : Là bộ chậm sau để ghi nhớ tín hiệu làm việc cho nhập sau

sơ đồ làm việc theo nguyên tắc một nhịp ( bộ ghi dịch)

- FN1 : Là bộ phát xung nghẹt phát ra dạng biên độ lớn và độ rộng hẹp dùng để kích thích Ferit làm việc theo nhịp tín hiệu từ khâu nay sang khâu khác Nó được điều khiển đa hài FĐ

- FĐ : Là bộ đa hài đợi , khi có tín hiệu từ Ferit số hai đưa lên thì bộ

FĐ sẽ vào trạng thái không ổn định Đầu số 2 của FĐ sẽ có tín hiệu đưa vào

bộ V3 , V4 Đầu vào 1 của FĐ sẽ cắt FN1 ra khỏi trạng thái làm việc Sau khi FĐ quay về trạng thái ổn định thì FN1 sẽ bắt đầu làm việc lại

GN1 và GN2 là bộ ghi nhớ tín hiệu điện áp Uy1 và Uy2 của đối tượng điều khiển

- SS là bộ so sánh 2 giá trị điện áp của đối tượng

- KĐ là bộ KĐ tín hiệu so sánh

- VP là bộ vi phân tín hiệu so sánh để kích thích Trigơ T

- Trigơ dùng để xác định phương hướng cho ĐCH quay thuận nghịch

- K Khoá nạp và phóng điện

2- Nguyên tắc hoạt động

Khoá K đóng ở vị trí 1 để nguồn E nạp cho tụ C, sau khi K về vị trí 2

Tụ C phóng điện vào các cuộn dây xác định điều kiện ban đầu của bộ phân phối Trạng thái đầu tiên của các Ferit là 1000 cho nên V1 sẽ mở ra và đưa tín hiệu điện áp Uy2 từ đối tượng GN1 Quá trình trên thực hiện bước thứ nhất Bộ FN1 phát ra một xung đưa vào các cuộn dịch chuyển của bộ phân phối Tín hiệu từ Ferit thứ nhất chuyển sang Ferit thứ hai và trạng thái của Ferit la 0100 Đầu ra của Ferit thứ hai coá tín hiệu đưa vào FD làm cho thay đổi trạng thái Đầu 2 FĐ cho ta tín hiệu đưa vào V3 và V4 điều khiển ĐCH

quay một quãng x đồng thời tín hiệu từ đầu 1FĐ đưa về khoá FN1 Bộ FĐ chỉ có một trạng thái ổn định vì thế sau một thời gian t nào đó nó sẽ trở về trạng thái ổn định ban đầu

Lúc đó ĐCH không quay nữa và FN1 lại có thể phát xung đó là bước thứ hai

Bộ FN1 lại phát xung chuyển trạng thái bộ phân phối Đầu ra của Ferit

4 cho tín hiệu vào FN2 và phát xung đưa vào GN1 và GN2 Hai bộ ghi nhớ cho hai điện áp Uy1 và Uy2 đưa vào bộ so sánh Nếu Uy1 < Uy2 ( khi x2 > x1) thì bộ so sánh không có tín hiệu ra Nếu Uy1 > Uy2 thì bộ so sánh sẽ có tín hiệu ra đưa vào KĐ và VP để đưa xung vi phân vào Trigơ làm thay đổi trạng thái của nó Một trong hai trạng thái đó sẽ khống chế V3 hay V4 để

ĐCH có thể thay đổi chiều Chu kì điều khiển tiếp theo sẽ lặp lại quá trình làm việc của các bước trước Thiết bị của hệ thống không tiếp điểm có kích thước nhỏ, độ tin cậy cao

Bộ ghi nhớ và bộ so sánh dùng đèn 3 cực kép và rơ le phân cực như vậy sẽ làm tin cậy, ít bị ảnh hưởng nhiễu sóng, độ nhạy thấp, độ tác động nhanh kém Đứng về phía thiết bị mà nói sơ đồ trên khó thực hiện vì các

Thời gian và thiết bị không cho phép thực hiện sơ đồ nay tuy nó có nhiều ưu điểm về độ tin cậy

B- BỘ ĐIỀU CHỈNH CỰC TRỊ KIỂU BƯỚC

Qua 2 phương án trên để khắc phục các nhược điểm về các lượng thể tích, độ tin cậy và đơn giản dễ sửa chữa thay thế phù hợp với thiết bị coá sẵn

T

DT CH

ĐH

SS 1

ĐCK