ứng dụng điều khiển thích nghi giải bài toán cân bằng tải cho hai động cơ nối cứng trục

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP




LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA






ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI
GIẢI BÀI TOÁN CÂN BẰNG TẢI CHO HAI
ĐỘNG CƠ NỐI CỨNG TRỤC










ĐỖ ĐỨC THÀNH

THÁI NGUYÊN, NĂM 2010

2


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP





LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT







ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI
GIẢI BÀI TOÁN CÂN BẰNG TẢI CHO HAI
ĐỘNG CƠ NỐI CỨNG TRỤC

Ngành :
Mã số :
Học viên :
Người hướng dẫn khoa học :
TỰ ĐỘNG HÓA

ĐỖ ĐỨC THÀNH
TS. NGUYỄN DUY CƢƠNG








THÁI NGUYÊN, NĂM 2010

3

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƢỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

THUYẾT MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT




ĐỀ TÀI
ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI
GIẢI BÀI TOÁN CÂN BẰNG TẢI CHO HAI
ĐỘNG CƠ NỐI CỨNG TRỤC

Học viên: Đỗ Đức Thành
Lớp: TĐH- K11
Chuyên ngành: Tự động hóa
Người HD khoa học: TS. Nguyễn Duy Cƣơng
Ngày giao đề tài: 01/01/2010
Ngày hoàn thành: 30/7/2010

CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC HỌC VIÊN




TS. Nguyễn Duy Cƣơng Đỗ Đức Thành

BAN GIÁM HIỆU KHOA SAU ĐẠI HỌC

4



LỜI NÓI ĐẦU

Nhà máy Cán Thép Lưu Xá là dây chuyền công nghệ chuyên cán thép xây
dựng, sử dụng PLC điều khiển các quá trình xử lý nước làm mát, bơm dầu bôi trơn,
bơm thủy lực tốc độ cán được điều khiển bằng hệ thống động cơ một chiều và vấn
đề đồng tốc giữa các giá cán với nhau rất quan trọng.
Riêng máy cán block khâu quan trọng đảm bảo chất lượng sản phẩm, dùng hai
động cơ một chiều 600kw cùng thông số nối cứng trục chung một tải, với nguồn cung
cấp từ 1 máy biến áp có tổ đấu dây khác nhau, do hai bộ điều khiển một chiều phối
hợp theo dạng Master_ Slave. Bộ điều khiển 1 của động cơ chính số xử lý các tín
hiệu: tín hiệu phản hồi sức căng trùng của thép từ loopscan; tín hiệu phản hồi tốc độ
từ máy phát tốc. Đưa ra tín hiệu điều khiển tới hai bộ điều chỉnh dòng điện của hai
động cơ với hệ số hiệu chỉnh dòng cố định (dòng hai động cơ bám sát nhau).
Nhưng hiện nay hai bộ điều khiển động cơ phối hợp không chính xác và kém
ổn định gây ra dòng điện của của hai động cơ sai lệch nhau rất nhiều (tải không cân
bằng, riêng dòng của động cơ số 2 rất lớn), tác động mạch bảo vệ gây sự cố dừng
máy, thiệt hại rất nhiều cho nhà máy. Việc khắc phục sự cố (chưa rõ cấu trúc bộ điều
khiển) hay thay thế bộ điều khiển mới đảm bảo tải phân bố đều cho hai động cơ cán
Block gặp rất nhiều khó khăn. Do tải có công suất rất lớn, tải biến đổi rất nhanh và
phức tạp, phải điều khiển chính xác tốc độ trong phạm vi rộng nên tôi chọn đề tài:
“Ứng dụng điển khiển thích nghi giải bài toán cân bằng tải cho hai động cơ nối
cứng trục” để làm đề tài nghiên cứu.
Hệ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu MRAC (Model Reffrence Adaptive
Control) là hệ điều khiển tự động mà thông số (cấu trúc) của bộ điều khiển có thể thay
đổi theo sự biến thiên thông số của đối tượng đã được xây dựng và áp dụng rộng rãi
trong thực tế.

5

Nội dung của luận văn được chia thành 3 chương:

Chương 1: Giới thiệu dây chuyền công nghệ nhà máy Cán Thép Lưu Xá
Thái Nguyên.
Chương 2: Tìm hiểu lý thuyết điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu
MRAC.
Chương 3: Xây dựng mô hình toán, thiết kế bộ ĐKTN giải bài toán cân bằng
tải cho hai động cơ nối cứng trục (Cán Block). Lập mô hình, chạy mô phỏng, hiệu
chỉnh và đánh giá chất lượng.

Tôi xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo TS Nguyễn Duy
Cƣơng – người đã hướng dẫn tận tình và giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn thạc sĩ này.
Tôi xin chân thành cám ơn các thầy cô ở Khoa Điện, Điện Tử – Trường Đại học
Kỹ thuật Công nghiệp đã đóng góp nhiều ý kiến và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi
hoàn thành luận văn.
Tôi xin chân thành cám ơn Khoa sau Đại học, xin chân thành cám ơn Ban Giám
Hiệu Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp đã tạo những điều kiện thuận lợi nhất
về mọi mặt để tôi hoàn thành khóa học.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày 27 tháng 09 năm 2010
Học viên thực hiện


Đỗ Đức Thành

6

LỜI CAM ĐOAN


Tên tôi là: Đỗ Đức Thành
Sinh ngày 02 tháng 10 năm 1980
Học viên lớp cao học khoá 11 - Tự động hoá - Trường đại học kỹ thuật Công
nghiệp Thái Nguyên.
Hiện đang công tác tại Nhà Máy Cán Thép Lưu Xá.
Xin cam đoan: tất cả những nội dung trong luận văn “Ứng dụng điển khiển
thích nghi giải bài toán cân bằng tải cho hai động cơ nối cứng trục “ đúng như
nội dung trong đề cương và yêu cầu của thầy giáo TS Nguyễn Duy Cương hướng dẫn
là công trình nghiên cứu riêng cá nhân tôi, có tham khảo một số tài liệu và bài báo
của các tác giả trong và ngoài nước đã được xuất bản.
Nếu có vấn đề gì trong nội dung của luận văn thì tác giả xin hoàn toàn chịu
trách nhiệm với lời cam đoan của mình.

7
MỤC LỤC


Nội dung
Trang
Lời nói đầu
1
Lời cam đoan
3
Mục lục
4
Danh mục các hình vẽ, đồ thị, ký hiệu, chữ viết tắt
6

Chƣơng 1: Giới thiệu dây chuyền công nghệ nhà máy
Cán Thép Lưu Xá Thái Nguyên.
10
1.1. Quá trình hình thành và phát triển của Nhà máy cán thép Lưu Xá
10
1.2. Cơ cấu tổ chức bộ máy quản lý của Nhà máy Cán thép Lưu Xá.
12
1.3. Công nghệ sản xuất thép của Nhà máy.
12
1.4. Cán Block hiện nay - động cơ một chiều và vấn đề còn tồn tại.
14

Chƣơng 2: Tìm hiểu lý thuyết điều khiển thích nghi
Theo mô hình mẫu MRAC.
16
2.1. Lịch sử phát triển của hệ điều khiển thích nghi
16
2.2. Khái quát về hệ điều khiển thích nghi
18
2.3. Cơ chế thích nghi – thiết kế bộ điều khiển thích nghi dựa vào
luật MIT.
24
2.4. Phương pháp độ nhạy.
32
2.5. Phương pháp ổn định của liapunov.
34
2.6. Áp dụng nhận dạng và ước lượng trạng thái để thiết kế bộ điều
khiển thích nghi gián tiếp.
48

8

Nội dung
Trang
Chƣơng 3: Xây dựng mô hình toán, thiết kế bộ ĐKTN giải bài toán
cân bằng tải cho hai động cơ nối cứng trục (Cán Block). Lập mô
hình, chạy mô phỏng, hiệu chỉnh và đánh giá chất lượng.
57
3.1 Mô tả toán học động cơ điện một chiều .
58
3.2 Tổng hợp mạch vòng dòng điện thích nghi theo mô hình mẫu
MRAC.
61
3.2.1 Xây dựng bộ điều chỉnh dòng điện 1 theo phương pháp tối ưu
độ lớn.
62
3.2.2 Bộ điều chỉnh dòng điện DC2 dùng điều khiển thích nghi.

66
3.3. Tổng hợp mạch vòng tốc độ.

73
Kết luận
80
Phụ lục
80
Tài liệu tham khảo
85

9
DANH MỤC CÁC BẢNG, HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Số hiệu
hình vẽ, đồ
thị.
Nội dung
Trang
1.1
Bộ máy quản lý.
12
1.2
Quy trình công nghệ cán thép.
13
1.3
Sơ đồ điều khiển cán Block .
14
2.1a
Hệ thích nghi tham số.
21
2.1b
Hệ thích nghi tín hiệu.
22
2.2
Điều khiển ở cấp 1 và cấp 2.
23
2.3
Mô hình đối tượng và mô hình mẫu.

25
2.4a
Sự thay đổi tham số b
p
dẫn tới sự thay đổi đáp ứng đầu ra.
26
2.4b
Đáp ứng đầu ra của đối tượng (Y
p
), đáp ứng mô hình mẫu
(Y
p1
) và sai lệch hai đáp ứng đầu ra (e) khi thay đổi tham số b
p
.
26
2.5a
Bộ điều khiển thích nghi dựa vào luật MIT theo tham số K
b
.
27
2.5b
Kết quả việc thích nghi dựa vào luật MIT theo tham số K
b
.
27
2.6
Kết quả việc thích nghi theo tham số K
a
và K

b
.
29
2.7
Việc chỉnh định tham số K
a
, K
b
với tốc độ cao hơn của bộ
thích nghi.
30
2.8
Tính phi tuyến trong hệ thống điều khiển thích nghi.
31
2.9
Hệ thống điều khiển thích nghi dựa trên mô hình độ nhậy. K
a

được chỉnh định để bù lại cho sự thay đổi trong a
P
.
34
2.10a
Hệ thống thích nghi được thiết kế theo phương pháp ổn định
Liapunov.
41
2.10b
Đáp ứng đầu ra của mô hình mẫu (Y
m
), mô hình đối tượng

(Y
p
), sai lệch (e), và tham số chỉnh định (K
a
, K
b
).
43
2.10c
Hệ thống thích nghi được thiết kế theo phương pháp ổn định
Liapunov có bổ xung khâu tỷ lệ.
44

10

Số hiệu
hình vẽ và
đồ thị
Nội dung
Trang
2.10d
Các đáp ứng nhận được khi tham số K
a
, K
b
bổ xung khâu tỷ lệ.
45
2.11
Mô hình đối tượng và mô hình bộ điều khiển.
46

2.12
MRAS áp dụng để nhận dạng
48
2.13
Áp dụng MRAS thiết kế theo luật MIT để triệt tiêu nhiễu trong
hệ thống lái tàu tự động.
50
2.14
Đáp ứng đầu ra khi nhận dạng và ước lượng trạng thái đối
tượng với sự trợ giúp của MRAS được thiết kế theo luật MIT.
52
2.15
Áp dụng MRAS thiết kế theo lý thuyết ổn định của Liapunov
để triệt tiêu nhiễu trong hệ lái tàu tự động.
53
2.16.a
Đáp ứng đầu ra khi nhận dạng và ước lượng trạng thái đối
tượng với sự trợ giúp của MRAS được thiết kế theo lý thuyết
ổn định Liapunov.
54
2.16.b
Đáp ứng đầu ra khi nhận dạng và ước lượng trạng thái đối
tượng khi MRAS được thiết kế theo Liapunov (đối tượng bị
tác động bởi nhiễu hệ thống).
55
2.17
Điều khiển thích nghi gián tiếp, kết quả nhận dạng được sử
dụng để tính toán bộ điều khiển tối ưu.
55
2.18

Kết quả mô phỏng, kết quả tối ưu tham số bộ điều khiển theo
phương trình Ricatti (hệ chịu tác động bởi nhiễu hệ thống tại
t =100s).
56
3.1
Đề xuất bộ điều khiển mới.
58
3.2
Sơ đồ thay thế của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
58
3.3
Cấu trúc động cơ một chiều từ thông không đổi.
61
3.4
Mô hình điều chỉnh dòng cho hai động cơ.
62
3.5
Sơ đồ mạch vòng dòng điện.
63
3.6
Mạch vòng dòng điện chưa có bộ điều chỉnh.
64


11

Số hiệu
hình vẽ và
đồ thị
Nội dung

Trang
3.7
Mạch vòng dòng điện 1 có bộ điều khiển theo tối ưu độ lớn
565
3.8
Đáp ứng mạch vòng dòng điện 1 không và có bộ điều chỉnh
65
3.9
Đáp ứng bước nhảy của dòng điện mẫu.
66
3.10
Sơ đồ điều khiển cán Block có bộ điều chỉnh dòng điện 2 dùng
mạch thích nghi theo mô hình mẫu MRAC
69
3.11
Đáp ứng mạch vòng dòng điện thích nghi
70
3.12
Hệ số thích nghi - ổn định sau 25(s).
71
3.13
Đáp ứng mạch vòng dòng điện thích nghi (khi thông số k,T
u

thay đổi tại thời điểm t =30(s), t =70(s).
72
3.14
hệ số thích nghi - ổn định sau khi thông số k,T
u
thay đổi tại

thời điểm t =30(s), t =70(s).
73
3.15
Sơ đồ mạch vòng tốc độ - có mô men quán tính J biến thiên.
74
3.16
Sơ đồ mạch vòng tốc độ với hệ số khuếch đại K
p.
75
3.17
Với K
th
=20.
75
3.18
Với K
th
= 120.
76
3.19
Với K
th
=162.201559 hệ kín dao động điều hòa.
76
3.20
Mạch vòng tốc độ sử dụng bộ điều khiển PID.
77
3.21
Đáp ứng mạch vòng tốc độ PID - Độ quá điều chỉnh còn lớn.
78

3.22
Đáp ứng mạch vòng tốc độ -khi sử dụng bộ PID đã hiệu chỉnh.
78
3.23
Đáp ứng mạch vòng tốc độ - tốc độ ổn định khi tải M
C
và
tín hiệu vào tốc độ đặt thay đổi.
79


12

DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu,
chữ viết
tắt
Nội dung
PID
Bộ điều khiển kinh điển theo các tác động: P- proportional (tác động tỷ
lệ), I-integral (tác động tích phân), D-derivative (tác động vi phân).
MRAC
Model Reference Adaptive Control - Bộ điều khiển thích nghi theo mô
hình mẫu.
MRAS
Model Reference Adaptive Systems- Hệ thích nghi theo mô hình mẫu.
STR
Self-Tuning Regulator-Bộ điều khiển tự chỉnh.
MIT

Massachusetts Institude Technology -Bộ điều khiển thiết kế theo luật
MIT.
LQR
Linear Quadratic Regulator-Bộ điều chỉnh tuyến tính bậc hai.
ĐKTN
Điều khiển thích nghi.
BBD
Bộ biến đổi.




13
CHƢƠNG I
GIỚI THIỆU DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ NHÀ MÁY
CÁN THÉP LƢU XÁ – CÔNG TY GANG THÉP THÁI NGUYÊN

1.1. Quá trình hình thành và phát triển của Nhà máy cán thép Lƣu Xá
Nhà máy cán thép Lưu Xá là một doanh nghiệp hạch toán độc lập thuộc công ty
Gang Thép Thái Nguyên.
Nhà máy nằm trong trung tâm khu công nghiệp Gang Thép Thái Nguyên,
thuộc phường Cam Giá - Thành phố Thái Nguyên, tỉnh Thái Nguyên cách trung tâm
thành phố 8km về phía Đông Nam, trên đường Cách mạng tháng Tám. Với diện tích
31.019m2, chiều dài 445m, chiều rộng 132m được chia thành 04 gian nhà xưởng,
Nhà máy có kho nguyên liệu với diện tích 3.960m2 có sức chứa 14.000T phôi liệu.
Đây là điều kiện tốt, thuận lợi cho Nhà máy về mặt bằng kho bãi và nhà xưởng để
phục vụ sản xuất.
Trước đây Nhà máy là xưởng cán thép 650 thuộc Công ty Gang thép Thái
Nguyên. Nhà máy được thành lập vào tháng 5/1972 nhưng do chiến tranh nên đến
tháng 4/1978 mới xây dựng xong và bắt đầu đi vào sản xuất thép phôi, với công suất

thiết kế 7,2 vạn tấn/năm. Và đến ngày 29/11/1978 thanh sản phẩm thép hình đầu tiên
ra đời đã khép kín hệ thống sản xuất luyện kim liên hợp của Công ty Gang thép Thái
Nguyên: từ luyện gang – luyện thép – đến cán thép. Cũng từ đây ngày 29/11 đã trở
thành ngày truyền thống của Nhà máy cán thép Lưu Xá.
Thời kỳ đầu Nhà máy được xây dựng và lắp đặt hoàn chỉnh dây chuyền cán thép
cỡ trung thiết bị của Trung Quốc để sản xuất ra các loại sản phẩm như:
- Thép góc: L63  L130
- Thép chữ I: I100  I160
- Thép chữ C: U80  U160
- Thép tròn: 50 - 100

Hệ thống thiết bị công nghệ bao gồm:

14
+ Một lò nung liên tục 3 vùng công suất 40 tấn/giờ.
+ Ba cán trục 650 do hai động cơ 2000kw và 2500kw dẫn động, một máy cắt
250 tấn để cắt đầu đuôi, hai máy cưa thép nóng 1500 để cưa đoạn sản phẩm, hai sàn
nguội thép hình.
Năm 1995, Nhà máy đã đầu tư thêm thiết bị để sản xuất các mặt hàng thép cây
(vằn và trơn) từ D14  D40 thiết bị của Đài Loan với 5 cụm máy cán 10 giá 360,
một sàn làm nguội kiểu răng cưa, một máy cắt 300 tấn và các thiết bị phụ trợ khác.
Năm 1996, Nhà máy đã đầu tư một lò nung phôi liên tục mới thay thế cho lò
nung cũ hiện đại hơn, giảm tiêu hao nhiên liệu dầu FO và cải thiện vệ sinh môi
trường tốt hơn.
Năm 1998, Nhà máy đầu tư bổ sung thêm thiết bị để sản xuất thép dây 6, 8,
10. Thiết bị mua của Ấn Độ chế tạo đưa vào sản xuất với năng suất và chất lượng
đạt tiêu chuẩn, mẫu mã phù hợp với thị hiếu của khách hàng. Thiết bị này bao gồm: 2
máy cán 300, một cụm máy cán kiểu BLOOCK 6 giá, máy cắt, máy tạo vòng, ép bó
và thu thập sản phẩm.
Thiết bị điện phục vụ công nghệ gồm 640 động cơ lớn nhỏ, động cơ nhỏ nhất

1,5KW, lớn nhất 2.500KW. Tổng dung lượng điện sử dụng là 9.000 KWh. Nhà máy
có 15 cầu trục dùng để vận chuyển (cầu trục có tải trọng nâng lớn nhất 30T). Tổng số
lao động của Nhà máy tính đến thời điểm 31/07/2010 là 538 người. Đây là đội ngũ
cán bộ kỹ thuật, nghiệp vụ có trình độ, kinh nghiệm năng động và đội ngũ công nhân
lành nghề, luôn tiếp thu đổi mới thiết bị, công nghệ để sản xuất ra những sản phẩm
chất lượng tốt.
Nhà máy đã đưa vào áp dụng Hệ thống quản lý chất lượng sản phẩm theo tiêu
chuẩn ISO 9002-94 năm 2000. Năm 2003 đã chuyển sang tiêu chuẩn ISO 9001-2000.




15
1.2. Cơ cấu tổ chức bộ máy quản lý của Nhà máy Cán thép Lƣu Xá.

Ghi chú: Mối quan hệ hành chính.
Mối quan hệ HTQLCL.
Số cấp quản lý của Nhà máy cán thép Lưu Xá bao gồm có 3 cấp quản lý là:
+ Cấp Nhà máy.
+ Cấp phân xưởng.
+ Cấp tổ, ca.
1.3. Công nghệ sản xuất thép của Nhà máy
Hiện nay, nhà máy Cán thép Lưu Xá đang thực hiện sản xuất trên dây chuyền
công nghệ khép kín, tiên tiến và đồng bộ. Từ khâu chuẩn bị phôi liệu đến nung phôi
qua máy cán đều được thực hiện một cách nhịp nhàng, hợp lý, nhằm tận dụng được
hiệu suất cao nhất của máy móc.
Hình 1.1 Bộ máy quản lý

GIÁM ĐỐC
PHÓ GĐ
KỸ THUẬT
PHÓ GĐ
THIẾT BỊ
PHÒNG
K/T CÔNG NGHỆ
PHÒNG
K/T TÀI CHÍNH
PHÒNG
KT CƠ ĐIỆN

PHÒNG
HÀNH CHÍNH
PX
CƠ ĐIỆN
PX

CÁN THÉP

PHÒNG
KH- VT
PHÒNG
TC LĐTL

16
Với quy trình công nghệ một lần nung được áp dụng để sản xuất ra thép dây 6,
8 theo sơ đồ sau.


Bước 1: Chuẩn bị phôi.
Nguyên liệu chủ yếu để sản xuất là thép thỏi và thép phôi nhập khẩu từ Nga,
Trung Quốc và nhập từ các đơn vị thành viên.
Bước 2: Nung phôi.
Khi phôi đã được chuẩn bị kiểm tra được đưa vào lò nung. Nung theo chế độ
nung kim loại đối với từng loại mác thép, định ra chế độ nung phù hợp như: chế độ
nung, tốc độ nung và nhiệt độ nung.
Bước 3: cán thép thô, trung.
Cán thép thô dùng động cơ 2000Kw cho thép ra 50 và cán trung dùng 9 giá
cán liên tiếp liên hệ về tốc độ K10 – K19 ra đường kính D32-D12, tiếp sau giá cán
K20 là đầu vào Cán thành phẩm Block. Tuỳ theo yêu cầu của từng loại sản phẩm, tuỳ
theo từng loại phôi liệu để thực hiện điều chỉnh số lần cán trên các lỗ hình của máy
cán, (phải kiểm tra kích thước sản phẩm và điều chỉnh hợp lý để sản phẩm luôn đạt
tiêu chuẩn kỹ thuật).
Bước 4: Cán Thành phẩm _ Cán Block.
Cán Block là khâu rất quan trọng: một khối chi tiết máy gồm 6 bộ trục cán được
dẫn động qua các hộp bánh răng truyền lực do hai động cơ một chiều 600kw nối cứng
trục, nguồn điện áp vào lấy từ hai đầu ra đấu sao và đấu tam giác của máy biến áp

10B. Thông thường, nhiệt độ cán kết thúc hợp lý nhất là 750
0
C đến 800
0
C. Thép cán
sau khi kiểm tra, đạt chất lượng được đưa lên sàn làm nguội.
Bước 5: Làm nguội.
Hình 1.2 Quy trình công nghệ cán thép

Chuẩn
bị phôi
Cán
thép thô
và trung
Nung
phôi
Cán
Block
Làm
nguội
Đóng
bó, nhập
kho
Kiểm tra
Kiểm tra

17
Hình 1.3: Sơ đồ điều khiển cán Block

Thép sau khi cắt đoạn được làm nguội trên sàn nguội. Nhiệt độ kết thúc của việc

làm nguội từ 150
0
C đến 200
0
C.
Bước 6: Đóng bó và nhập kho sản phẩm.
Chất lượng sản phẩm sản xuất ra được kiểm tra kỹ, cho ra đóng bó, nhập kho và
đều đạt tiêu chuẩn quy định của TCVN.
1.4. Cán Block hiện nay - động cơ một chiều và vấn đề còn tồn tại.
Trong dây chuyền Nhà Máy Cán Thép Lưu Xá thì máy cán Block là khâu quan
trọng đảm bảo chất lượng sản phẩm, dùng hai động cơ một chiều 600kw cùng thông
số giống nhau, nối cứng trục và chung một tải cán thép qua hệ truyền động bánh răng,
hộp truyền lực. Hai tủ động lực lấy nguồn điện áp từ hai đầu ra đấu sao và đấu tam
giác của máy biến áp 10B.
Hai động cơ được điều khiển bởi hai bộ điều khiển một chiều phối hợp theo
kiểu Master_ Slave. Bộ điều khiển động cơ chính số 1 xử lý các tín hiệu: phản hồi từ
loopscan phát hiện sức căng trùng của thép; phản hồi tốc độ từ máy phát tốc. Sau đó,
truyền tín hiệu điều khiển tới hai bộ điều chỉnh dòng điện (tạo mô men quay cho hai
động cơ) theo hệ số cố định.
Phat Toc
DC1 DC2
CHINH LUU 1 CHINH LUU 2
I1 I2
MASTER SLAVE
Bo Dieu
Khien 1
Bo Dieu
Khien 2
BLOCK
1 i

HOP_SO
i i




18
Ƣu điểm : Việc sử dụng 02 động cơ có cùng công suất và thông số chế tạo thay
vì dùng 01 động cơ công suất lớn tạo điều kiện thuận lợi hơn trong việc chế tạo cũng
như việc sử dụng các thiết bị phụ trợ đi kèm, đồng thời giảm chi phí vận chuyển, lắp
đặt, bảo dưỡng
Nhƣợc điểm : Các động cơ được chế tạo có công suất cùng các thông số kỹ
thuật tương ứng giống nhau, tuy nhiên luôn có sự sai lệch đặc biệt trong quá trình làm
việc. Bộ điều khiển hiện tại dưới dạng phối hợp theo kiểu Master –Slaver với hệ số
hiệu chỉnh cân bằng cố định. Sau một thời gian sử dụng, do ảnh hưởng ngoại cảnh,
thông số của các động cơ cũng như thông số của các bộ điều khiển tương ứng bị trôi
dẫn đến sự sai lệch về dòng điện của 02 động cơ trong tất cả các chế độ làm việc đặc
biệt khi tải định mức.
Thực tế bây giờ khi có tải dòng của động cơ 2 dao động rất lớn (dòng động cơ 1
là khoảng 480 (A), còn dòng động cơ 2 dao động quanh giá trị 830 (A)) và không
cùng tăng hay không cùng giảm dòng với động cơ số 1, làm hai động cơ ghì nhau (trở
thành tải của nhau). Dẫn đến trong quá trình vận hành bảo vệ dòng thường tác động
dừng máy sự cố, về lâu dài gây nóng máy, phá hỏng phần cơ khí, năng suất kém.
Việc chế tạo ra bộ điều khiển mới nhằm khắc phục các nhược điểm như đã nêu
là cần thiết và mang tính cấp bách. Thiết kế mới bộ điều khiển cho cán Block là nội
dung chính của bản luận văn và được trình bày ở các chương tiếp sau.


19
CHƢƠNG 2

TÌM HIỂU LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI
THEO MÔ HÌNH MẪU MRAC
2.1 Lịch sử phát triển của hệ điều khiển thích nghi
Điều khiển thích nghi (ĐKTN) ra đời năm 1958 để đáp ứng yêu cầu của thực tế
mà các hệ điều khiển truyền thống không thoả mãn được. Trong các hệ điều khiển
truyền thống, các xử lý điều khiển thường dùng những mạch phản hồi là chính. Vì
vậy, chất lượng ra của hệ bị thay đổi khi có nhiễu tác động hoặc tham số của hệ thay
đổi. Trong hệ ĐKTN cấu trúc và tham số của bộ điều khiển có thể thay đổi được vì
vậy chất lượng ra của hệ được đảm bảo theo các chỉ tiêu đã định.
Điều khiển thích nghi khởi đầu là do nhu cầu về hoàn thiện các hệ thống điều
khiển máy bay. Do đặc điểm của quá trình điều khiển máy bay có nhiều tham số thay
đổi và có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình ổn định quỹ đạo bay, tốc độ bay.
Ngay từ năm 1958, trên cơ sở lý thuyết về chuyển động của Boócman, lý thuyết điều
khiển tối ưu… hệ thống điều khiển hiện đại đã ra đời. Ngay sau khi ra đời lý thuyết
này đã được hoàn thiện nhưng chưa được thực thi vì số lượng phép tính quá lớn mà
chưa có khả năng giải quyết được. Ngày nay, nhờ sự phát triển mạnh mẽ của công
nghệ thông tin, điện tử, máy tính… cho phép giải được những bài toán đó một cách
thuận lợi nên hệ thống ĐKTN được ứng dụng đáng kể vào thực tế.
Hệ ĐKTN có mô hình mẫu MRAC (Model Reference Adaptive Control) đã
được Whitaker đề xuất khi giải quyết vấn đề điều khiển lái tự động máy bay năm
1958. Phương pháp độ nhậy và luật MIT đã được dùng để thiết kế luật thích nghi với
mục đích đánh giá các thông số không biết trước trong sơ đồ MRAC
Thời gian đó việc điều khiển các chuyến bay do còn tồn tại nhiều hạn chế như:
thiếu phương tiện tính toán, xử lý tín hiệu và lý thuyết cũng chưa thật hoàn thiện.
Đồng thời những chuyến bay thí nghiệm bị tai nạn là cho việc nghiên cứu về lý
thuyết điều khiển thích nghi bị lắng xuống vào cuối thập kỷ 50 và đầu năm 1960.
Thập kỷ 60 là thời kỳ quan trọng nhất trong việc phát triển các lý thuyết tự

20
động, đặc biệt là lý thuyết ĐKTN. Kỹ thuật không gian trạng thái và lý thuyết ổn định

dựa theo luật Liapunov đã được phát triển. Một loạt các thuyết như: Điều khiển đối
ngẫu, điều khiển ngẫu nhiên, nhận dạng hệ thống, đánh giá thông số … ra đời cho
phép tiếp tục (nghiên cứu lại) phát triển và hoàn thiện lý thuyết ĐKTN. Vào năm
1966 Park và các đồng nghiệp đã tìm được phương pháp mới để tính toán lại luật
thích nghi sử dụng luật MIT ứng dụng vào các sơ đồ MRAC của những năm 50 bằng
cách ứng dụng lý thuyết của Liapunov.
Tiến bộ của các lý thuyết điều khiển những năm 50 cho phép nâng cao hiểu
biết về ĐKTN và đóng góp nhiều vào đổi mới lĩnh vực này. Những năm 70 nhờ sự
phát triển của kỹ thuật điện tử và máy tính đã tạo ra khả năng ứng dụng lý thuyết này
vào điều khiển các hệ thống phức tạp trong thức tế.
Tuy nhiên những thành công của thập kỷ 70 còn gây nhiều tranh luận trong ứng
dụng ĐKTN. Đầu năm 1979 người ta chỉ ra rằng những sơ đồ MRAC của thập kỷ 70
dễ mất ổn định do nhiễu tác động. Tính bền vững trong ĐKTN trở thành mục tiêu tập
trung nghiên cứu của các nhà khoa học vào năm 1980.
Những năm 80 nhiều thiết kế đã được cải tiến, dẫn đến ra đời lý thuyết ĐKTN
bền vững. Một hệ ĐKTN được gọi là bền vững nếu như nó đảm bảo chất lượng ra
cho một lớp đối tượng trong đó có đối tượng đang xét. Nội dung của bài toán bễn
vững trong ĐKTN là điều khiển những đối tượng có thông số không biết trước và
biến đổi theo thời gian. Cuối thập kỷ 80 có các công trình nghiên cứu về hệ thống
ĐKTN bền vững, đặc biệt là MRAC cho các đối tượng có thông số biến thiên theo
thời gian.
Các nghiên cứu của những năm 90 đến nay tập trung vào đánh giá kết quả của
nghiên cứu những năm 80 và nghiên cứu các lớp đối tượng phi tuyến có tham số bất
định. Những cố gắng này đã đưa ra một lớp sơ đồ MRAC xuất phát từ lý thuyết hệ
thống phi tuyến.
2.2. Khái quát về hệ điều khiển thích nghi

21
Trong luận văn này một vài dạng của hệ thống thích nghi mô hình tham chiếu
đã được bàn tới. Chúng ta bắt đầu với một phương pháp trực quan, phương pháp này

chỉ ra rằng ý tưởng phản hồi cơ bản giúp tìm ra các thuật toán cho việc chỉnh định
tham số. Ta thấy phát sinh hai câu hỏi : Đầu tiên là có cách nào để tìm ra những tín
hiệu phù hợp mà chỉnh định đúng tham số tại đúng thời điểm thích hợp ; Điều thứ hai
là làm cách nào đảm bảo ổn định cho hệ thống thích nghi mà bản thân nó vốn là phi
tuyến do sự đa dạng có mặt trong hệ thống. Cái nhìn rõ nét trong câu hỏi đầu tiên đạt
được bởi việc xem xét phương pháp mô hình độ nhậy. Trạng thái ổn định có thể được
đảm bảo bằng việc sử dụng lý thuyết ổn định của Liapunov cho việc thiết kế hệ thống
thích nghi.
* Mục đích của việc nghiên cứu
Sau khi hoàn tất những điều vừa lưu ý trên dự kiến ta sẽ biết được:
+ Những tín hiệu phù hợp nào đóng vai trò trong hệ thống thích nghi.
+ Bằng cách nào mà hệ thống thích nghi có thể được thiết kế dựa trên phương
pháp độ nhậy.
+ Bằng cách nào mà hệ thống thích nghi có thể được thiết kế dựa trên phương
pháp (trạng thái ổn định) Liapunov.
* Giới thiệu:
Có một vài cấu trúc mà có thể đưa ra một hệ thống điều khiển có khả năng phản
ứng với sự biến đổi những tham số của bản thân nó hoặc phản ứng với những biến
đổi đặc tính của nhiễu (hệ thống). Một hệ thống phản hồi thông thường mặc dù có
mục đích là giảm nhỏ sự nhạy cảm đối với những loại thay đổi này. Tuy nhiên, khi
những biến đổi thậm chí với cả một hệ thống có phản hồi mà hệ số khuếch đại tốt vẫn
không thỏa mãn. Lúc đó một cấu trúc điều khiển phức tạp hơn được cần đến và tính
chất thích nghi chắc chắn phải được đưa vào (giới thiệu). Một hệ thống thích nghi có
thể được định nghĩa như sau.
“Một hệ thống thích nghi là một hệ thống mà trong bản thân nó đã bổ sung vào
cấu trúc (phản hồi) cơ bản, kết quả đo chính xác được đưa vào để bù lại một cách tự

22
động đối với những thay đổi trong mọi điều kiện hoạt động, với những thay đổi trong
những quá trình động học, hoặc với những biến đổi do nhiễu hệ thống, nhằm để duy

trì một quá trình thực hiện tối ưu cho hệ thống”.
Nhiều định nghĩa khác đã được đưa ra trong lĩnh vực điều khiển. Hầu hết trong
số đó chỉ miêu tả một vài phân loại tiêu biểu của hệ thống thích nghi.
Định nghĩa đưa ra ở đây giả sử như là một chuẩn cấu trúc phản hồi thông
thường cho phản ứng cơ bản đối với những thay đổi của nhiễu (hệ thống) và tham số.
Cấp thứ hai là một cơ cấu thích nghi hiệu chỉnh hệ số khuyếch đại của bộ điều khiển
gốc, thay đổi cấu trúc bản thân cơ cấu thích nghi và tạo ra các tín hiệu bổ sung và
v.v Trong một hệ thống thích nghi, việc thiết lập như vậy được chỉnh định bởi
người sử dụng ở cấp thứ 2.
* Lịch trình hệ số, các dạng chuyển đổi.
Theo định nghĩa quá trình biến đổi tự động từ một chế độ làm việc này tới một
chế độ làm việc khác được xem xét như một tính chất (đặc điểm) thích nghi. Dùng
kiến thức về ảnh hưởng của biến ngoài tác động đến hành vi của hệ thống cũng được
hiểu là một đặc điểm thích nghi. Loại thích nghi này có thể được thực hiện theo hai
cách khác nhau: hoặc bằng cách đo từng nhiễu và tạo ra các tín hiệu để bù lại cho
chúng (điều khiển feedforward). Hoặc là hiệu chỉnh hệ số bộ điều khiển phản hồi theo
một lịch trình lập sẵn dựa trên sự hiểu biết về ảnh hưởng của những thay đổi tham số
của hệ thống (lịch trình hệ số). Khả năng khác là sử dụng một ngân hàng của bộ điều
khiển và chọn bộ điều khiển tốt nhất gần như tương tự với phương pháp lịch trình hệ
số. Cách làm này được gọi là mô hình chuyển mạch. Sự thay đổi có dựa trên ý tưởng
này là phương pháp mô hình đa chiều. Các kết quả đầu ra trong mô hình mẫu được so
sánh với đầu ra của đối tượng để đưa vào điều khiển. Bộ điều khiển có thể được thiết
kế và cài đặt dựa trên mô hình mẫu khi đầu ra của mô hình có sự giống nhất với đầu
ra của đối tượng.
Trong thực tế không thể áp dụng “lịch trình hệ số” hoặc áp dụng bộ điều khiển
feedforward cho nhiều thay đổi khác nhau. Một vài loại hệ thống thích nghi, theo một
nghĩa hẹp hơn, đã được phát triển. Nó cho phép một hệ thống được tối ưu hoá mà

23
không cần bất kỳ sự hiểu biết gì về nguyên nhân sinh ra những biến đổi quá trình

động học. Thông thường, khái niệm điều khiển thích nghi bị hạn chế bởi mỗi loại hệ
thống thích nghi. Không có sự phân biệt rõ giữa điều khiển thích nghi và điều khiển
học. Khái niệm điều khiển học thường được dùng cho nhiều hệ thống phức tạp hơn,
nơi nhiều sự nhớ là phức tạp và có cả những vấn đề không thể được giải quyết bằng
bộ điều khiển tiêu chuẩn, dựa trên hàm truyền, bởi vì chúng cần một dạng khác biểu
diễn sự hiểu biết. Ví dụ giống như cấu trúc hệ thống mạng nơron, những điều ghi chú
trong luận văn này nói về 1 loại điều khiển thích nghi đặc biệt, nó được biết đến là bộ
điều khiển thích nghi theo mô hình tham chiếu.
Hệ thống điều khiển thích nghi có thể được phân loại theo một vài cách khác
nhau. Một khả năng tạo ra sự phân biệt giữa chúng là:
Điều khiển thích nghi trực tiếp và điều khiển thích nghi gián tiếp
+ Hệ thống với sự chỉnh định trực tiếp các tham số điều khiển mà không nhận
dạng rõ các tham số của đối tượng (điều khiển thích nghi trực tiếp).
+ Hệ thống với sự điều chỉnh gián tiếp các tham số điều khiển với việc nhận
dạng rõ các tham số của đối tượng (điều khiển thích nghi gián tiếp).
Hệ thống điều khiển thích nghi mô hình tham chiếu, hầu hết được gọi là MRAC
hay MRAS, chủ yếu áp dụng điều khiển thích nghi trực tiếp. Tuy nhiên, việc áp dụng
MRAS để nhận dạng hệ thống cũng sẽ được minh hoạ ở nhiên cứu này.
Triết lý cơ bản đằng sau việc áp dụng MRAC đó là đặc trưng mong muốn của
hệ thống được đưa ra bởi một mô hình toán học, hay còn gọi là mô hình mẫu. Khi
hành vi của đối tượng khác với hành vi “lý tưởng” mà hành vi này được xác định bởi
mô hình mẫu, đối tượng sẽ được sửa đổi theo 2 cách, hoặc bằng cách chỉnh định các
thông số của bộ điều khiển (Hình 2.1a), hoặc bằng cách tạo ra tín hiệu bổ xung đầu
vào cho đối tượng này (Hình 2.1b). Điều này có thể được chuyển thành bài toán tối
ưu hoá, ví dụ tối thiểu hoá các tiêu chuẩn:

T
2
0
C = e dt


(2.1)

24
Tại đó: e = y
m
- y
P
(2.2)
Ngoài việc tối thiểu hoá sai lệch giữa những tín hiệu đầu ra của đối tượng và
mô hình mẫu, thì tất cả các biến trạng thái của đối tượng và mô hình mẫu còn được
đưa vào tính toán. Khi các biến trạng thái của đối tượng được ký hiệu là (x
P
) và các
biến trạng thái của mô hình mẫu ký hiệu là (x
m
), véc tơ sai lệch e được định nghĩa là:
e = x
m
– x
P
(2.3)
Trong trường hợp này, bài toán tối ưu hoá có thể được chuyển thành tối thiểu
hoá tiêu chuẩn:

T
T
0
C = e Pedt


(2.4)
Trong đó P là một ma trận xác định dương.














Đối tượng
Bộ điều khiển
Thích nghi
Mô hình mẫu
Bộ điều khiển
u
+
-
y
+
-
Hình 2.1a: Hệ thích nghi tham số
Đối tượng
Bộ điều khiển

Thích nghi
Mô hình mẫu
Bộ điều khiển
u
+
-
y
+
-
+
-
Hình 2.1b: Hệ thích nghi tín hiệu

25


Như chúng ta sẽ thấy sau đây, sự nhân trong bộ điều khiển thích nghi luôn luôn
dẫn đến một hệ thống phi tuyến. Điều này có thể được giải thích rằng việc điều khiển
thích nghi là phản hồi phi tuyến nhiều hơn.
Những xem xét sau đây đóng một vai trò nhất định trong việc lựa chọn giữa
thích nghi tham số và thích nghi tín hiệu. Một tính chất quan trọng của hệ thống với
việc thích nghi tham số đó là vì hệ thống có nhớ. Ngay khi các tham số của đối tượng
đã được điều chỉnh đúng với giá trị của chúng và những tham số này không thay đổi
nữa, vòng lặp thích nghi trong thực tế không còn cần thiết: đối tượng thực và mô hình
mẫu hiển thị các trạng thái như nhau. Sự nhớ nói chung là không được thể hiện trong
hệ thống cùng với thích nghi tín hiệu. Do đó, vòng lặp thích nghi vẫn còn cần thiết
trong mọi trường hợp, để nhằm liên tục tạo ra những tín hiệu phù hợp ở đầu vào. Do
vậy, các hệ thống thích nghi tín hiệu cần phải phản ứng nhanh hơn hẳn đối với những
thay đổi động học của đối tượng so với các hệ thống thích nghi tham số vì hệ thích
nghi tín hiệu không sử dụng thông tin từ quá khứ. Trong những hệ thống mà các

thông số liên tục thay đổi trong một phạm vi rộng, sự có mặt của tính chất nhớ là rất
có lợi. Tuy nhiên, trong một môi trường ngẫu nhiên, ví dụ như trong các hệ thống với
rất nhiều nhiễu, điều này lại là bất lợi. Hệ số cao trong vòng thích nghi có thể gây
nhiễu đưa tới đầu vào của đối tượng.
Khi các tham số của đối tượng thay đổi chậm hoặc chỉ thời gian ngắn ngay sau
đó và ngay lúc đó, những hệ thống với sự thích nghi tham số đưa ra một cách thực
hiện tốt hơn vì chúng có nhớ. Cũng có một vài thuật toán thích nghi mà kết hợp
những ưu điểm của cả hai phương pháp trên. Trong những lưu ý sau chủ yếu sẽ được
tập trung vào các hệ thống thích nghi tham số, mặc dù vậy việc kết hợp giữa thích
nghi tham số và thích nghi tín hiệu cũng sẽ được bàn đến.
Một cách khác để xem xét hệ thống như sau. Các vòng điều khiển phản hồi tiêu
chuẩn được xem như là một hệ thống điều khiển sơ cấp phản ứng nhanh, chính xác
mà nó buộc phải loại ra nhiễu “thông thường”. Những biến thiên lớn trong các tham