Luận văn: NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI CHO ĐỐI TƯỢNG CÓ ĐẶC TÍNH CỰC TRỊ pptx
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.01 MB, 113 trang )
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
***
THUYẾT MINH
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
ĐỀ TÀI
NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI
CHO ĐỐI TƯỢNG CÓ ĐẶC TÍNH CỰC TRỊ
Học viên: Nguyễn Tiến Dũng
Lớp: CH K10
Chuyên ngành: Tự động hoá
Người HD Khoa học: PGS.TS Nguyễn Hữu Công
Ngày giao đề tài: 01/02/2009
Ngày hoàn thành: 31/07/2009
KHOA ĐT SAU ĐH
CB HƯỚNG DẪN
PGS.TS Nguyễn Hữu Công
HỌC VIÊN
Nguyễn Tiến Dũng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
***
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI
CHO ĐỐI TƯỢNG CÓ ĐẶC TÍNH CỰC TRỊ
THÁI NGUYÊN 2009
Ngành: TỰ ĐỘNG HÓA
Mã số:
Học viên: NGUYỄN VĂN HUỲNH
Người HD Khoa học: PGS.TS LẠI KHẮC LÃI
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
***
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ
NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI
CHO ĐỐI TƯỢNG CÓ ĐẶC TÍNH CỰC TRỊ
NGUYỄN TIẾN DŨNG
THÁI NGUYÊN 2009
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ………………………………………………………………………………1
C
HƢƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI VÀ HỆ
CỰC TRỊ 3
1
.1. Định nghĩa, phân loại sơ đồ khối của hệ điều khiển thích nghi 3
1.1.1.Định nghĩa 3
1
.1.2.Phân loại 3
1
.1.3.Sơ đồ tổng quát của một hệ thích nghi 4
1
.2. Hệ cực trị 5
1
.2.1. Đối tƣợng có đặc tính cực trị 5
1
.2.2. Hệ cực trị xây dựng theo phƣơng pháp tách sóng đồng bộ 6
1
.2.3. Các phƣơng pháp xác định Gradient và chuyển động cực trị 10
1
.2.3.1. Các phƣơng pháp xác định Gradient của hàm mục tiêu 10
1
.2.3.2.Các phƣơng pháp chuyển động đến cực trị 12
1
.2.4. Các phƣơng pháp thực hiện đồng thời cả hai quá trình 13
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
1
.2.4.1. Phƣơng pháp ghi nhớ cực trị. 13
1
.2.4.2. Phƣơng pháp bƣớc. 14
1
.2.4.3. Phƣơng pháp đơn hình. 16
1
.2.5. Phƣơng pháp tìm khi có nhiều điểm cực trị 17
1
.2.6. Động học hệ cực trị 17
1
.3. Kết luận chƣơng một 19
1.3.1.Hệ điều khiển thích nghi 19
1
.3.2.Hệ cực trị. 20
C
HƢƠNG 2: PHÂN TÍCH ĐỐI TƢỢNG LÕ NUNG TRONG CÔNG NGHỆ
LUYỆN CÁN THÉP 21
2.1 Đặt vấn đề
21
2.2 Vai trò của lò nung trong công nghệ cán thép
22
2.3 Đặc điểm lò nung và công nghệ cán
23
2.4 Cấu tạo lò nung và chế độ vận hành 24
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
2
.4.1. Cấu tạo lò nung 24
2
.4.2. Bộ phận dịch phôi 24
2
.4.3. Vị trí các mỏ đốt 25
2
.4.4. Bộ phận giữ nhiệt 25
2
.4.5. Chế độ vận hành và yêu cầu tự động hóa 26
2
.4.5.1.Vùng sấy 26
2
.4.5.2.Vùng nung 26
2
.4.5.3.Vùng đồng nhiệt 26
2.5 Các đặc tính tĩnh và động của đối tƣợng
27
2.5.1 Các đặc tính tĩnh
27
2.5.2 Đặc tính động
28
2.5.2.1 Xác định cấu trúc hàm truyền từ đặc tính quá độ
28
2.5.2.2 Xác định tham số cho hàm truyền
29
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
2.6 Tỷ lệ nhiên liệu, không khí, xác định đặc tính cực trị của đối tƣợng
31
2
.7 Kết luận chƣơng 2 34
C
HƢƠNG III: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 35
3
.1. Giới thiệu một số phƣơng pháp thiết kế bộ điều khiển 35
3.1.1. Hệ thống điều khiển vị trí:
35
3
.1.1.1 Quy luật điều chỉnh 2 vị trí 35
3.1.1.2 Quy luật điều chỉnh 3 vị trí:
36
3
.1.1.3. Quy luật điều chỉnh với cơ cấu chấp hành có tốc độ không đổi : 37
3
.1.2 Phƣơng pháp đa thức đặc trƣng thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống tuyến
tính 40
3
.1.2.1 Xét hệ bậc hai 40
3
.1.2.2 Phƣơng pháp đa thức đặc trƣng có hệ số suy giảm thay đổi đƣợc cho hệ
cao 40
3.1.2.3 Xét ảnh hƣởng của tử số hàm truyền 42
3.2. Sơ đồ khối hệ thống 42
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
3.3. Mạch vòng ổn định lƣu luợng dầu 42
3.4. Thiết kế bộ điều khiển lƣu lƣợng khí theo phƣơng pháp bƣớc 45
3.4.1. Sơ đồ khối của bộ điều khiển tự động tìm cực trị kiểu bƣớc 45
3.4.2. Nguyên tắc làm việc của sơ đồ 47
3.4.3. Thiết lập sơ đồ nguyên lý 48
3.4.3.1. Bộ phát lệnh 48
3.4.3.2. Bộ ghi nhớ 52
3.4.3.3. Mạch so sánh 53
3.4.3.4. Động cơ chấp hành 54
3.4.3.5. Mạch logic 56
3.4.3.6. Mạch điều khiển tốc độ động cơ chấp hành 58
3.4.3.7 Sensor 65
3.4.3.8. Nguồn 66
3.4.4 Máy điều chỉnh 66
3.4.4.1. Xây dựng hàm truyền động cơ chấp hành …………………………… 66
3.4.4.2. Xây dựng hàm truyền bộ biến đổi …………………………………… 68
3.4.4.3. Hàm truyền máy phát tốc ……………………………………………. 69
3.4.4.4. Thiết kế mạch hiệu chỉnh ……………………………………………. 70
3.5. Thuyết minh sơ đồ nguyên lý 71
3.6. Kết luận chƣơng 3 72
CHƢƠNG IV: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 74
4.1 Các thông số chất lƣợng 74
4.2 Mô phỏng động cơ mở van 74
4.3 Xây dựng mô hình và mô phỏng hệ thống 75
4.4. Kết quả mô phỏng trên phần mềm Matlab - Simulink ………………………… 78
4.4.1. Kết quả với thuật toán bƣớc đều ………………………………………. 78
4.4.2. Kết quả với thuật toán bƣớc hai cấp …………………………………… 81
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
4.4.3. Nhận xét ……………………………………………………………… 83
4.5. Kết luận chƣơng 4 ……………………………………………………………… 84
CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 85
5.1. Kết luận …………………………………………………………………………. 85
5.2. Kiến nghị ……………………………………………………………………… 86
TÓM TẮT …………………………………………………………………………… 87
TÀI LIỆU THAM KHẢO 88
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
STT
Ký hiệu
Diễn giải tên hình vẽ
1
Hình 1.1
Sơ đồ khối hệ điều khiển thích nghi
2
Hình 1.2
Sơ đồ tổng thể hệ điều khiển thích nghi
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
3
Hình 1.3
Đặc tính cực đại của lò đốt
4
Hình 1.4
Đặc tính cực đại của mũi khoan
5
Hình 1.5
Đặc tính cực trị cực tiểu
6
Hình 1.6
Sơ đồ khối hệ cực trị theo phƣơng pháp tách sóng đồng bộ
7
Hình 1.7
Đồ thị tín hiệu thr và tín hiệu tìm
8
Hình 1.8a
Đồ thị của bộ lọc lý tƣởng
9
Hình 1.8b
Sơ đồ khối bộ lọc
10
Hình 1.9
Sơ đồ khối Phƣơng pháp đạo hàm theo thời gian
11
Hình 1.10
Đồ thị tín hiệu vào theo từng kênh
12
Hình 1.11
Quỹ đạo chuyển động đến cực trị tỷ lệ với građien
13
Hình 1.12a
Sơ đồ bộ ghi nhớ cực trị
14
Hình 1.12b
Đồ thị tín hiệu ghi nhớ cực trị
15
Hình 1.13a
Đồ thị bƣớc cho trƣớc tiến đến cực trị
16
Hình 1.13b
Đồ thị bƣớc phụ thuộc vào độ dốc tiến đến cực trị
17
Hình 1.13c
Sơ đồ khối bộ điều khiển kiểu bƣớc
18
Hình 1.14a
Quỹ đạo chuyển động đến cực trị theo phƣơng pháp đơn hình
19
Hình 1.14b
Quỹ đạo chuyển động đến cực trị theo phƣơng pháp đơn hình
20
Hình 1.15a
Sơ đồ đối tƣợng cực trị
21
Hình 1.15b
Sơ đồ đối tƣợng cực trị tƣơng đƣơng
22
Hình 1.16
Hai dao động cùng chiều
23
Hình 2.1
Nhiệt độ lò nung phụ thuộc vào năng suất nung
24
Hình 2.2
Phản ứng của đối tƣợng với hàm 1(t)
25
Hình 2.3
Xác định các tham số của hàm truyền trên đồ thị
26
Hình 2.4
Đặc tính cực đại của lò đốt
28
Hình 3.1
Quy luật điều chỉnh hai vị
29
Hình 3.2
Quy luật điều chỉnh ba vị trí
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
30
Hình 3.3
Điều chỉnh 2 vị trí với cơ cấu chấp hành có tốc độ không đổi
31
Hình 3.4
Quy luật điều chỉnh ba vị trí có vùng không nhạy
32
Hình 3.5
Sơ đồ khối tổng quát bộ điều chỉnh nhiệt độ lò
33
Hình 3.6
Sơ đồ khối của mạch vòng ổn định lƣu lƣợng dầu
34
Hình 3.7
Sơ đồ khối của bộ điều khiển tự động tìm cực trị kiểu bƣớc
35
Hình 3.8
Sơ đồ mạch điện tạo thời gian trễ
36
Hình 3.9
Kết quả mô phỏng xung ra mạch tạo thời gian trễ
37
Hình 3.10
Sơ đồ nguyên lý bộ phân phối 4 bƣớc
38
Hình 3.11
Đồ thị dạng sóng đầu vào xung nhịp và đầu ra
39
Hình 3.12
Mạch điện bộ phát lệnh
40
Hình 3.13
SW dùng IC 4066
41
Hình 3.14
Sơ đồ nguyên lý mạch so sánh
42
Hình 3.15
Sơ đồ mạch điện ghép bộ ghi nhớ và khâu so sánh
43
Hình 3.16
Mạch điện điều khiển tốc độ động cơ
44
Hình 3.17
Phƣơng pháp đảo chiều quay động cơ
45
Hình 3.18
Sơ đồ mạch logic tạo mức ngƣỡng
46
Hình 3.19
Sơ đồ cung cấp điện cho rơle
47
Hình 3.20
Giản đồ điện áp đầu vào động cơ
48
Hình 3.21
Sơ đồ các chân TCA785
49
Hình 3.22
Các khối chức năng của TCA785
50
Hình 3.23
Giản đồ điện áp của các chân TCA785
51
Hình 3.24
Mạch điện điều khiển sử dụng TCA785
52
Hình 3.25
Mạch khuyếch đại xung
53
Hình 3.26
Sơ đồ chân của IC AN6884
54
Hình 3.27
Mạch tạo 5 ngƣỡng U
đk
sử dụng AN6884 và cách ly quang
55
Hình 3.28
Mạch điều khiển sử dụng TCA785 kết hợp với AN6884
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
56
Hình 3.29
Bộ nguồn
57
Hình 3.30
Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hóa quanh điểm làm việc cảu động cơ
58
Hình 3.31
Sơ đồ thay thế đơn giản của bộ biến đổi
59
Hình 3.32a
Hàm truyền của BBĐ Tiristo
60
Hình 3.32b
Hàm truyền của BBĐ Tiristo trong trƣờng hợp gần đúng
61
Hình 3.33
Sơ đồ khối hệ thống khi chƣa có máy điều chỉnh
62
Hình 3.34
Mạch điện máy điều chỉnh
63
Hình 4.1
Sơ đồ mô phỏng và hiệu chỉnh động cơ mở van
64
Hình 4.2
Đặc tính mở máy của động cơ mở van khí
65
Hình 4.3
Sơ đồ mô hình hoá lò nung
66
Hình 4.4
Sơ đồ mô hình hoá bộ điều khiển dịch bƣớc
67
Hình 4.5
Sơ đồ mô phỏng hệ thống với thuật toán bƣớc đều
68
Hình 4.6
Sơ đồ mô phỏng động cơ mở van 2 cấp tốc độ
69
Hình 4.7
Đặc tính tĩnh nhiệt độ lò nung
70
Hình 4.8
Góc dịch mở van bƣớc nhảy đều
71
Hình 4.9
Nhiệt độ ra của lò với bƣớc nhảy đều
72
Hình 4.10
Nhiệt độ ghi nhớ ở các bƣớc
73
Hình 4.11
Tín hiệu ra của khối Triggered
74
Hình 4.12
Góc mở van ứng với bƣớc nhảy 2 cấp
75
Hình 4.13
Đặc tính động nhiệt độ lò với bƣớc nhảy 2 cấp
76
Hình 4.14
Tín hiệu ra của khối Triggered
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
0
LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Nguyễn Tiến Dũng
Sinh ngày 11 tháng 8 năm 1982
Học viên lớp cao học khoá 10 - Tự động hoá - Trƣờng đại học Kỹ thuật Công
nghiệp, Đại học Thái Nguyên.
Hiện đang công tác tại khoa Điện - Trƣờng đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại
học Thái Nguyên.
Xin cam đoan: Đề tài “Nghiên cứu điều khiển thích nghi cho đối tượng có
đặc tính cực trị” do thầy giáo, PGS.TS Nguyễn Hữu Công hƣớng dẫn là công trình
nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ
ràng.
Tác giả xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng nhƣ nội dung
trong đề cƣơng và yêu cầu của thầy giáo hƣớng dẫn. Nếu sai tôi hoàn toàn chịu trách
nhiệm trƣớc Hội đồng khoa học và trƣớc pháp luật.
Thái Nguyên, ngày 31 tháng 7 năm 2009
Tác giả luận văn
Nguyễn Tiến Dũng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
1
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 lƣợng, tăng năng suất lao động, nâng cao chất lƣợng sản
phẩm, cải tiến môi trƣờng làm việc, cải thiện nhu cầu sống của con ngƣời…
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, đƣợc sự đồng ý của cán bộ hƣớng 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, đƣợc sự hƣớng dẫn tận tình của
thầy giáo hƣớng 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 nhƣ sau:
Chƣơng 1. Điều khiển thích nghi cho hệ cực trị
Chƣơng 2. Phân tích đối tƣợng lò nung trong công nghệ luyện cán thép
Chƣơng 3. Thiết kế hệ thống điều khiển
Chƣơng 4. Mô phỏng hệ thống
Chƣơng 5. Kết luận và kiến nghị
Qua đây tác giả xin gửi lời cám ơn tới các thầy cô trong khoa Điện, trƣờng ĐH KTCN –
ĐHTN và trƣờng ĐHBK Hà Nội, đã nhiệt tình giúp đỡ hƣớng 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, ngƣời đã trực tiếp ra đề tài và hƣớng 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 đƣợc sự hƣớng dẫn tận tình của cán bộ hƣớng dẫn, sự nỗ lực cố gắng của bản
thân. Song vì kiến thức còn hạn chế, điều kiện tiếp xúc thực tế chƣa nhiều, nên bản thuyết minh
không tránh khỏi những thiếu sót nhất định. Vậy tác giả mong tiếp tục đƣợc sự giúp đỡ của các
thầy cô, sự góp ý trân thành của bạn bè, đồng nghiệp.
Mọi sự góp ý xin gửi về: email:
Xin chân thành cảm ơn !
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
2
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ………………………………………………………………………………1
CHƢƠNG 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 tƣợng có đặc tính cực trị 13
1.2.2. Hệ cực trị xây dựng theo phƣơng pháp tách sóng đồng bộ 16
1.2.3. Các phƣơng pháp xác định Gradient và chuyển động cực trị 19
1.2.3.1. Các phƣơng pháp xác định Gradient của hàm mục tiêu 19
1.2.3.2.Các phƣơng pháp chuyển động đến cực trị 20
1.2.4. Các phƣơng pháp thực hiện đồng thời cả hai quá trình 22
1.2.4.1. Phƣơng pháp ghi nhớ cực trị. 22
1.2.4.2. Phƣơng pháp bƣớc. 22
1.2.4.3. Phƣơng pháp đơn hình. 24
1.2.5. Phƣơng pháp tìm khi có nhiều điểm cực trị 25
1.2.6. Động học hệ cực trị 26
1.3. Kết luận chƣơng một 28
1.3.1.Hệ điều khiển thích nghi 28
1.3.2.Hệ cực trị. 28
CHƢƠNG 2: PHÂN TÍCH ĐỐI TƢỢNG LÕ NUNG TRONG CÔNG NGHỆ LUYỆN
CÁN THÉP 30
2.1 Đặt vấn đề 30
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
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 tƣợng 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 tƣợng 40
2.7 Kết luận chƣơng 2 43
CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 45
3.1. Giới thiệu một số phƣơng 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 Phƣơng pháp đa thức đặc trƣng thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống tuyến tính
50
3.1.2.1 Xét hệ bậc hai 50
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
4
3.1.2.2 Phƣơng pháp đa thức đặc trƣng có hệ số suy giảm thay đổi đƣợc cho hệ
cao 50
3.1.2.3 Xét ảnh hƣởng của tử số hàm truyền 52
3.2. Sơ đồ khối hệ thống 53
3.3. Mạch vòng ổn định lƣu luợng dầu 54
3.4. Thiết kế bộ điều khiển lƣu lƣợng khí theo phƣơng pháp bƣớc 55
3.4.1. Sơ đồ khối của bộ điều khiển tự động tìm cực trị kiểu bƣớc 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 chƣơng 3 83
CHƢƠNG 4: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 85
4.1 Các thông số chất lƣợng 85
4.2 Mô phỏng động cơ mở van 85
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
5
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 bƣớc đều ………………………………………. 89
4.4.2. Kết quả với thuật toán bƣớc hai cấp …………………………………… 92
4.4.3. Nhận xét ……………………………………………………………… ….94
4.5. Kết luận chƣơng 4 ……………………………………………………………… 95
CHƢƠNG 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
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
6
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
STT
Ký hiệu
Diễn giải tên hình vẽ
1
Hình 1.1
Sơ đồ khối hệ điều khiển thích nghi
2
Hình 1.2
Sơ đồ tổng thể hệ điều khiển thích nghi
3
Hình 1.3
Đặc tính cực đại của lò đốt
4
Hình 1.4
Đặc tính cực đại của mũi khoan
5
Hình 1.5
Đặc tính cực trị cực tiểu của phôi thép qua trục cán
6
Hình 1.6
Đặc tính cực đại 2 biến của ra đa bám mục tiêu di động
7
Hình 1.7
Sơ đồ khối hệ cực trị theo phƣơng pháp tách sóng đồng bộ
8
Hình 1.8
Đồ thị tín hiệu thử và tín hiệu tìm
9
Hình 1.9a
Đồ thị của bộ lọc lý tƣởng
10
Hình 1.9b
Sơ đồ khối bộ lọc
11
Hình 1.10
Sơ đồ khối Phƣơng pháp đạo hàm theo thời gian
12
Hình 1.11
Đồ thị tín hiệu vào theo từng kênh
13
Hình 1.12
Quỹ đạo chuyển động đến cực trị tỷ lệ với građien
14
Hình 1.13a
Sơ đồ bộ ghi nhớ cực trị
15
Hình 1.13b
Đồ thị tín hiệu ghi nhớ cực trị
16
Hình 1.14a
Đồ thị bƣớc cho trƣớc tiến đến cực trị
17
Hình 1.14b
Đồ thị bƣớc phụ thuộc vào độ dốc tiến đến cực trị
18
Hình 1.14c
Sơ đồ khối bộ điều khiển kiểu bƣớc
19
Hình 1.15a
Quỹ đạo chuyển động đến cực trị theo phƣơng pháp đơn hình
20
Hình 1.15b
Quỹ đạo chuyển động đến cực trị theo phƣơng pháp đơn hình
21
Hình 1.16a
Sơ đồ đối tƣợng cực trị
22
Hình 1.16b
Sơ đồ đối tƣợng cực trị tƣơng đƣơng
23
Hình 1.17
Hai dao động cùng chiều
24
Hình 2.1
Nhiệt độ lò nung phụ thuộc vào năng suất nung
25
Hình 2.2
Phản ứng của đối tƣợng với hàm 1(t)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
7
26
Hình 2.3
Xác định các tham số của hàm truyền trên đồ thị
27
Hình 2.4
Đặc tính cực đại của lò đốt
28
Hình 2.5
Họ đặc tính cực đại của lò đốt
29
Hình 3.1
Quy luật điều chỉnh hai vị
30
Hình 3.2
Quy luật điều chỉnh ba vị trí
31
Hình 3.3
Điều chỉnh 2 vị trí với cơ cấu chấp hành có tốc độ không đổi
32
Hình 3.4
Quy luật điều chỉnh ba vị trí có vùng không nhạy
33
Hình 3.5
Sơ đồ khối tổng quát bộ điều chỉnh nhiệt độ lò
34
Hình 3.6a
Sơ đồ khối của mạch vòng ổn định lƣu lƣợng dầu
35
Hình 3.6.b
Sơ đồ khối của bộ điều khiển tự động tìm cực trị kiểu bƣớc
36
Hình 3.7
Sai lệch
k
y
ở các vùng khác nhau trên đặc tính cực đại
37
Hình 3.8
Sơ đồ mạch điện tạo thời gian trễ
38
Hình 3.9
Kết quả mô phỏng xung ra mạch tạo thời gian trễ
39
Hình 3.10
Sơ đồ nguyên lý bộ phân phối 4 bƣớc
40
Hình 3.11
Đồ thị dạng sóng đầu vào xung nhịp và đầu ra
41
Hình 3.12
Mạch điện bộ phát lệnh
42
Hình 3.13
SW dùng IC 4066
43
Hình 3.14
Sơ đồ nguyên lý mạch so sánh
44
Hình 3.15
Sơ đồ mạch điện ghép bộ ghi nhớ và khâu so sánh
45
Hình 3.16
Mạch điện điều khiển tốc độ động cơ
46
Hình 3.17
Phƣơng pháp đảo chiều quay động cơ
47
Hình 3.18
Sơ đồ mạch logic tạo mức ngƣỡng
48
Hình 3.19
Sơ đồ cung cấp điện cho rơle
49
Hình 3.20
Giản đồ điện áp đầu vào động cơ
50
Hình 3.21
Sơ đồ các chân TCA785
51
Hình 3.22
Các khối chức năng của TCA785
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
8
52
Hình 3.23
Giản đồ điện áp của các chân TCA785
53
Hình 3.24
Mạch điện điều khiển sử dụng TCA785
54
Hình 3.25
Mạch khuyếch đại xung
55
Hình 3.26
Sơ đồ chân của IC AN6884
56
Hình 3.27
Mạch tạo 5 ngƣỡng U
đk
sử dụng AN6884 và cách ly quang
57
Hình 3.28
Mạch điều khiển sử dụng TCA785 kết hợp với AN6884
58
Hình 3.29
Bộ nguồn
59
Hình 3.30
Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hóa quanh điểm làm việc của động cơ
60
Hình 3.31
Sơ đồ thay thế đơn giản của bộ biến đổi
61
Hình 3.32a
Hàm truyền của BBĐ Tiristo
62
Hình 3.32b
Hàm truyền của BBĐ Tiristo trong trƣờng hợp gần đúng
63
Hình 3.33
Sơ đồ khối hệ thống khi có máy điều chỉnh
64
Hình 3.34
Mạch điện máy điều chỉnh
65
Hình 4.1
Sơ đồ mô phỏng và hiệu chỉnh động cơ mở van
66
Hình 4.2
Đặc tính khởi động của động cơ mở van gió
67
Hình 4.3
Sơ đồ mô hình hoá lò nung
68
Hình 4.4
Sơ đồ mô hình hoá bộ điều khiển dịch bƣớc
69
Hình 4.5
Sơ đồ mô phỏng hệ thống với thuật toán bƣớc đều
70
Hình 4.6
Sơ đồ mô phỏng động cơ mở van 2 cấp tốc độ
71
Hình 4.7
Đặc tính tĩnh nhiệt độ lò nung
72
Hình 4.8
Góc dịch mở van bƣớc nhảy đều
73
Hình 4.9
Nhiệt độ ra của lò với bƣớc nhảy đều
74
Hình 4.10
Nhiệt độ ghi nhớ ở các bƣớc
75
Hình 4.11
Tín hiệu ra của khối Triggered
76
Hình 4.12
Góc mở van ứng với bƣớc nhảy 2 cấp
77
Hình 4.13
Đặc tính động nhiệt độ lò với bƣớc nhảy 2 cấp
78
Hình 4.14
Tín hiệu ra của khối Triggered
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
9
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 tƣợng 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 đƣợc nhiều nhà khoa học nghiên cứu nhƣ xây dựng hệ giải
tích theo phƣơng pháp toán tử phụ; xây dựng hệ giải tích theo phƣơng pháp
Lyapunov… Tuy nhiên việc nghiên cứu hệ cực trị trong điều khiển thích nghi chƣa
đƣợc 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 tƣợng có đặc
tính cực trị.
Trong thực tế có nhiều đối tƣợng có đặc tính cực trị, nhƣ 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 trƣớc khi đƣa vào máy cán sử dụng
dầu nặng FO. Hệ thống điều khiển tự động phối hợp giữa lƣợng 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 lƣợng 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 đƣợc 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 có
nhiệm vụ tìm kiếm và duy trì trị số cực đại hay cực tiểu của một hay nhiều tham số của
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
10
đối tƣợng đƣợc điều khiển, trong khi đặc tính và điều kiện làm việc của đối tƣợng có
thể biến đổi một cách ngẫu nhiên. Hệ cực trị đƣợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác
nhau nhƣ trong quân sự, luyện kim, trong ngành hoá chất, ngành năng lƣợng ( 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 trong
thực 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 đƣợc 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 nƣớc Tƣ 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 tƣơng đƣơng
khác, ví dụ nhƣ 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 bƣớc.
Với động cơ chấp hành, nghiên cứu thay thế động cơ một chiều bằng động cơ xoay
chiều 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 tƣơng 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 tƣợng 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.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
11
CHƢƠNG 1
ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI CHO HỆ CỰC TRỊ
1.1. Định nghĩa, phân loại sơ đồ khối của hệ điều khiển thích nghi
.1. 1. Định nghĩa
Thích nghi là quá trình thay đổi thông số, cấu trúc của bộ điều khiển hay tác động
điều khiển trên cơ sở lượng thông tin có được trong quá trình làm việc với mục đích
đạt được một trạng thái nhất định, thường là tối ưu khi thiếu lượng thông tin ban đầu
cũng như khi điều kiện làm việc thay đổi.
Điều khiển thích nghi là tổng hợp các kỹ thuật nhằm tự động chỉnh định các bộ điều
chỉnh trong mạch điều khiển nhằm hiện thực hay duy trì ở một mức độ nhất định chất
lượng của hệ khi thông số của quá trình không biết trước hay thay đổi theo thời gian.
Trong khoảng 50 năm gần đây, lý thuyết điều khiển thích nghi đã được được hình
thành như một môn khoa học, từ tư duy đã trở thành hiện thực nghiêm túc, từ cách giải
quyết những vấn đề cơ bản trở thành bài toán tổng quát, từ những vấn đề về sự tồn tại
và khả năng có thể giải quyết đến những ứng dụng có tính bền vững và chất lượng.
1.1.2. Phân loại
Có thể phân loại các hệ thích nghi theo các tiêu chuẩn sau:
* Tuỳ vào đối tượng là phi tuyến hay không phi tuyến, nhất là khi đối tượng có đặc
tính cực trị (cực đại hay cực tiểu).
- Hệ cực trị: Ở hệ cực trị, bản thân đối tượng có cực tính cực đại hay cực tiểu đó
là lượng thông tin ban đầu có them được và trên cơ sở ấy hệ thống được tổng hợp giản
đơn hơn.
- Hệ giải tích: Ở hệ giải tích “cực trị của chất lượng” được hình thành gián tiếp
cho nên gặp khó khăn trong quá trình tối ưu hoá vì mặt cực trị nhiều khi không như giả
định. Do đó có những phương pháp kết hợp để tận dụng đặc điểm của chúng.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
12
* Tuỳ theo sự tồn tại hay không tồn tại tín hiệu phụ trong hệ, mà người ta đưa vào
hệ để “tìm” được chế độ làm việc tối ưu mà ta có.
- Hệ có tín hiệu tìm.
- Hệ không có tín hiệu tìm.
* Trong điều kiện thông tin về đối tượng còn hạn chế, nên trường hợp cần nhận
dạng hay không cần nhận dạng ta có:
- Điều khiển gián tiếp.
- Điều khiển trực tiếp.
Kết hợp nhận dạng và điều khiển có khả năng tăng độ chính xác của hệ thống, nên
điều khiển gián tiếp còn được xem như là điều khiển thích nghi tối ưu.
* Tuỳ theo sự tồn tại hay không tồn tại trong điều khiển thích nghi có mô hình mẫu
hay không có mô hình mẫu mà ta có.
- Hệ có mô hình mẫu.
- Hệ không có mô hình mẫu.
* Hệ thích nghi tiến tới trạng thái tối ưu một cách tuần tự, bước sau được thực hiện
trên cơ sở đánh giá bước trước theo một chỉ dẫn nhất định.
- Hệ học.
- Hệ tự học.
* Tuỳ dạng của mạch thích nghi mà phân biệt.
- Mạch thích nghi kín.
- Mạch thích nghi hở.
* Tuỳ thuộc vào độ phức tạp của mạch chỉnh định (thay đổi thông số hay cấu
trúc).
-Hệ tự chỉnh.
-Hệ tự tổ chức.
* Ngoài ra tuỳ theo phương pháp tổng hợp là tiền định hay thống kê mà ta có hệ
tiền định hay ngẫu nhiên, liên tục hay gián đoạn.
