Thạc Sĩ Nghiên cứu điều khiển thích nghi cho đối tượng có đặc tính cực trị

LỜI NÓI ĐẦU

Cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật, cộng nghiệp hóa hiện đại hóa ngày càng chiếm vị trí quan trọng trong đời sống xã hội. Tự động hóa cao song song với việc sử dụng một cách triệt để nguồn năng lợng, tăng năng suất lao động, nâng cao chất lợng sản phẩm, cải tiến môi trờng làm việc, cải thiện nhu cầu sống của con ngời
Với ý nghĩa và lợi ích to lớn của hệ cực trị, sự cấp bách cần nghiên cứu, ứng dụng hệ cực trị vào sản xuất thực tiễn sản xuất, đợc sự đồng ý của cán bộ hớng dẫn khoa học, tác giả đã lựa trọn đề tài “Nghiên cứu điều khiển thích nghi cho đối tượng có đặc tính cực trị”.
Sau một thời gian làm nghiên cứu liên tục, nghiêm túc, đợc sự hớng dẫn tận tình của thầy giáo hớng dẫn và các thầy cô trong khoa, sự đoàn kết giúp đỡ của các học viên trong lớp. đến nay bản thuyết minh đề tài đã hoàn thành. Bao gồm các nội dung nh sau:
Chơng 1. Điều khiển thích nghi cho hệ cực trị

Chơng 2. Phân tích đối tợng lò nung trong công nghệ luyện cán thép

Chơng 3. Thiết kế hệ thống điều khiển

Chơng 4. Mô phỏng hệ thống

Chơng 5. Kết luận và kiến nghị

Qua đây tác giả xin gửi lời cám ơn tới các thầy cô trong khoa Điện, trờng ĐH KTCN – ĐHTN và trờng ĐHBK Hà Nội, đã nhiệt tình giúp đỡ hớng dẫn và cung cấp tài liệu để tác giả hoàn thành bản thuyết minh này. Đồng thời tác giả muốn gửi lời cám ơn sâu sắc tới thầy giáo PGS.TS. Nguyễn Hữu Công, ngời đã trực tiếp ra đề tài và hớng dẫn tác giả trong suốt thời gian qua, tác giả xin cám ơn gia đình, bè bạn đã hết sức ủng hộ cả về vật chất lẫn tinh thần để tác giả hoàn thành tốt công trình nghiên cứu này.
Mặc dù đợc sự hớng dẫn tận tình của cán bộ hớng dẫn, sự nỗ lực cố gắng của bản thân. Song vì kiến thức còn hạn chế, điều kiện tiếp xúc thực tế cha nhiều, nên bản thuyết minh không tránh khỏi những thiếu sót nhất định. Vậy tác giả mong tiếp tục đợc sự giúp đỡ của các thầy cô, sự góp ý trân thành của bạn bè, đồng nghiệp.

Xin chân thành cảm ơn !



MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI VÀ HỆ CỰC

TRỊ 11

1.1. Định nghĩa, phân loại sơ đồ khối của hệ điều khiển thích nghi 11

1.1.1.Định nghĩa . 11

1.1.2.Phân loại 11

1.1.3.Sơ đồ tổng quát của một hệ thích nghi 13

1.2. Hệ cực trị 13

1.2.1. Đối tợng có đặc tính cực trị . 13

1.2.2. Hệ cực trị xây dựng theo phơng pháp tách sóng đồng bộ 16

1.2.3. Các phơng pháp xác định Gradient và chuyển động cực trị 19

1.2.3.1. Các phơng pháp xác định Gradient của hàm mục tiêu 19

1.2.3.2.Các phơng pháp chuyển động đến cực trị 20

1.2.4. Các phơng pháp thực hiện đồng thời cả hai quá trình 22

1.2.4.1. Phơng pháp ghi nhớ cực trị. . 22

1.2.4.2. Phơng pháp bớc. . 22

1.2.4.3. Phơng pháp đơn hình. 24

1.2.5. Phơng pháp tìm khi có nhiều điểm cực trị . 25

1.2.6. Động học hệ cực trị 26

1.3. Kết luận chơng một . 28

1.3.1.Hệ điều khiển thích nghi 28

1.3.2.Hệ cực trị. 28



CHƠNG 2: PHÂN TÍCH ĐỐI TỢNG LÕ NUNG TRONG CÔNG NGHỆ LUYỆN

CÁN THÉP 30

2.1 Đặt vấn đề . 30





3





2.2 Vai trò của lò nung trong công nghệ cán thép 31

2.3 Đặc điểm lò nung và công nghệ cán 32

2.4 Cấu tạo lò nung và chế độ vận hành . 33

2.4.1. Cấu tạo lò nung . 33

2.4.2. Bộ phận dịch phôi 33

2.4.3. Vị trí các mỏ đốt. 34

2.4.4. Bộ phận giữ nhiệt 34

2.4.5. Chế độ vận hành và yêu cầu tự động hóa 35

2.4.5.1.Vùng sấy 35

2.4.5.2.Vùng nung 35

2.4.5.3.Vùng đồng nhiệt . 35

2.5 Các đặc tính tĩnh và động của đối tợng . 36

2.5.1 Các đặc tính tĩnh 36

2.5.2 Đặc tính động . 37

2.5.2.1 Xác định cấu trúc hàm truyền từ đặc tính quá độ 37

2.5.2.2 Xác định tham số cho hàm truyền 38

2.6 Tỷ lệ nhiên liệu, không khí, xác định đặc tính cực trị của đối tợng 40

2.7 Kết luận chơng 2 43

CHƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN . 45

3.1. Giới thiệu một số phơng pháp thiết kế bộ điều khiển . 45

3.1.1. Hệ thống điều khiển vị trí: 45

3.1.1.1 Quy luật điều chỉnh 2 vị trí 45

3.1.1.2 Quy luật điều chỉnh 3 vị trí: 46

3.1.1.3. Quy luật điều chỉnh với cơ cấu chấp hành có tốc độ không đổi : . 47

3.1.2 Phơng pháp đa thức đặc trng thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống tuyến tính

50

3.1.2.1 Xét hệ bậc hai . 50

3.1.2.2 Phơng pháp đa thức đặc trng có hệ số suy giảm thay đổi đợc cho hệ

cao . 50

3.1.2.3 Xét ảnh hởng của tử số hàm truyền 52

3.2. Sơ đồ khối hệ thống 53

3.3. Mạch vòng ổn định lu luợng dầu . 54

3.4. Thiết kế bộ điều khiển lu lợng khí theo phơng pháp bớc 55

3.4.1. Sơ đồ khối của bộ điều khiển tự động tìm cực trị kiểu bớc . 55

3.4.2. Nguyên tắc làm việc của sơ đồ 57

3.4.3. Thiết lập sơ đồ nguyên lý 59

3.4.3.1. Bộ phát lệnh. 59

3.4.3.2. Bộ ghi nhớ . 62

3.4.3.3. Mạch so sánh 63

3.4.3.4. Động cơ chấp hành . 64

3.4.3.5. Mạch logic . 66

3.4.3.6. Mạch điều khiển tốc độ động cơ chấp hành 68

3.4.3.7 Sensor 76

3.4.3.8. Nguồn 76

3.4.4 Máy điều chỉnh 77

3.4.4.1. Xây dựng hàm truyền động cơ chấp hành 77

3.4.4.2. Xây dựng hàm truyền bộ biến đổi 79

3.4.4.3. Hàm truyền máy phát tốc . 80

3.4.4.4. Thiết kế mạch hiệu chỉnh . 80

3.5. Thuyết minh sơ đồ nguyên lý 82

3.6. Kết luận chơng 3 83

CHƠNG 4: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 85

4.1 Các thông số chất lợng . 85

4.2 Mô phỏng động cơ mở van . 85

4.3 Xây dựng mô hình và mô phỏng hệ thống. 86

4.4. Kết quả mô phỏng trên phần mềm Matlab - Simulink 89

4.4.1. Kết quả với thuật toán bớc đều . .89

4.4.2. Kết quả với thuật toán bớc hai cấp 92

4.4.3. Nhận xét . .94

4.5. Kết luận chơng 4 95

CHƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ . 96

5.1. Kết luận . 96

5.2. Kiến nghị .97

TÓM TẮT 98

TÀI LIỆU THAM KHẢO 99



MỞ ĐẦU
Tên đề tài: Nghiên cứu điều khiển thích nghi cho đối tượng có đặc tính cực trị

1. Tổng quan.

Hệ điều khiển thích nghi, tuỳ thuộc vào đối tợng là tuyến tính hay phi tuyến, nhất là khi đặc tính tĩnh của hệ có cực trị (cực đại hay cực tiểu), mà ta có hệ cực trị và hệ giải tích. Hệ giải tích đã đợc nhiều nhà khoa học nghiên cứu nh xây dựng hệ giải tích theo phơng pháp toán tử phụ; xây dựng hệ giải tích theo phơng pháp Lyapunov Tuy nhiên việc nghiên cứu hệ cực trị trong điều khiển thích nghi cha đợc quan tâm nhiều, đề tài này sẽ tiếp tục nghiên nghiên cứu và hoàn thiện hệ thống điều khiển thích nghi theo nguyên tắc cực trị, ứng dụng cho một số đối tợng có đặc tính cực trị.
Trong thực tế có nhiều đối tợng có đặc tính cực trị, nh công nghệ cán thép, công nghệ nung kính, gạch men, công nghệ ô tô, xe máy
Ví dụ, trong công nghệ cán thép, việc nung phôi trớc khi đa vào máy cán sử dụng dầu nặng FO. Hệ thống điều khiển tự động phối hợp giữa lợng dầu và không khí sao cho hiệu quả nhất hiện nay chính là hệ cực trị. Với những nhà máy theo công nghệ cũ, suất tiêu hao nhiên liệu khoảng 52kg dầu/1 tấn sản phẩm (hệ thống cũ của nhà máy nán cán Gia sàng); Với những nhà máy theo công nghệ mới, suất tiêu hao nhiên liệu khoảng 30 - 35kg dầu/1 tấn sản phẩm (Thép Việt Öc). Với sản lợng thép của Việt nam hiện nay khoảng 6 triệu tấn/ năm, vì vậy việc nghiên cứu khai thác hệ thống tự động này là cấp bách và có ý nghĩa thực tế.
Hệ thống tự động này còn đợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.

a. Ý nghĩa khoa học.

Các hệ thống tự chỉnh có thể xây dựng bằng nhiều cách khác nhau. Các hệ đơn giản nhất, đồng thời phổ biến nhất là hệ cực trị. Hệ thống điều khiển tìm cực trị cónhiệm vụ tìm kiếm và duy trì trị số cực đại hay cực tiểu của một hay nhiều tham số củađối tợng đợc điều khiển, trong khi đặc tính và điều kiện làm việc của đối tợng có thể biến đổi một cách ngẫu nhiên. Hệ cực trị đợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau nh trong quân sự, luyện kim, trong ngành hoá chất, ngành năng lợng ( các nhà máy nhiệt điện), ngành sản xuất ô tô
Đề tài này nhằm bổ xung thêm những lý luận về việc ứng dụng hệ cự trị trongthực tế.

b. Ý nghĩa thực tiễn.

Khi đề tài hoàn thành sẽ là một tài liệu quan trọng giúp các cán bộ kỹ thuật nắm rõ và làm chủ đợc công nghệ trong quá trình vận hành, giám sát và khắc phục sửa chữa
Hiện nay các hệ thống điều khiển chủ yếu vẫn nhập từ các nớc T Bản với giá thành rất cao, đề tài này sẽ tạo cơ sở khoa học để sản xuất các hệ thống điều khiển với giá thành thấp hơn.
Hệ cực trị này hoàn toàn có thể áp dụng cho những công nghệ tơng đơng

khác, ví dụ nh sản xuất gạch men, sản xuất kính, các công nghệ có sử dụng dầu đốt

3. Mục đích nghiên cứu.

Tiếp tục nghiên cứu và hoàn thiện hệ thống điều khiển thích nghi theo nguyên tắc cực trị, ứng dụng trong các công nghệ có sử dụng dầu đốt. Phát triển thuật toán điều khiển tìm cực trị kiểu bớc.
Với động cơ chấp hành, nghiên cứu thay thế động cơ một chiều bằng động cơ xoaychiều một pha không đồng bộ rotor lồng sóc, cho phù hợp với các hệ thống thực tế.

Tạo cơ sở khoa học để các cán bộ kỹ thuật trong các nhà máy nghiên cứu làm chủ công nghệ và có thể sản xuất các hệ thống tơng đơng với giá thành thấp.
4. Đối tượng nghiên cứu.

Lý thuyết điều khiển thích nghi theo nguyên tắc cực trị.

Các hệ thống điều khiển cho đối tợng có đặc tính cực trị (cực đại hoặc cực tiểu),cụ thể là công nghệ luyện cán thép tại một số nhà máy cán thép tại Thái Nguyên.