nghiên cứu xây dựng hệ thống truyền động điện tháo quấn băng vật liệu sử dụng động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.06 MB, 96 trang )
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
NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
THÁO QUẤN BĂNG VẬT LIỆU SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN
MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP
Ngành: TỰ ĐỘNG HOÁ
Mã:
Học viên: TÔN THẤT ĐỒNG
Ngƣời HD Khoa học: TS. TRẦN XUÂN MINH
THÁI NGUYÊN - 2010
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP
*****
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA
TÊN ĐỀ TÀI
NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
THÁO QUẤN BĂNG VẬT LIỆU SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN
MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP
Học viên : TÔN THẤT ĐỒNG
Lớp : Cao học K11-TĐH
Cán bộ HDKH : TS. TRẦN XUÂN MINH
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. Trần Xuân Minh
HỌC VIÊN
Tôn Thất Đồng
BAN GIÁM HIỆU
KHOA SAU ĐẠI HỌC
- i -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay ở Việt Nam, rất nhiều các nhà máy sản xuất thép cán, giấy, vải, dây
điện, bao bì… đƣợc xây dựng rất nhiều, sản phẩm cuối cùng của các nhà máy này
đó là các băng cuộn thép, cuộn vải, cuộn giấy, cuộn nilon tổng hợp Trong các dây
chuyền sản xuất của các nhà máy đó luôn có khâu thực hiện tháo-quấn lại vật liệu.
Máy tháo-quấn băng vật liệu có chức năng sau: từ cuộn băng vật liệu ban đầu có
kích thƣớc lớn đƣợc tháo quấn để đƣa qua dao cắt (để chia nhỏ) hoặc qua các lô in
để in hình, sau đó lại quấn lại thành các cuộn. Với yêu cầu cao về năng suất làm
việc nên hệ thống đặt ra rất nhiều vấn đề phức tạp do sự biến đổi các thông số trong
quá trình làm việc; hiên tại ở trong nƣớc cũng nhƣ trên thế giới đã có nhiều công
trình khoa học nghiên cứu về hệ thống này tuy nhiên vẫn còn tồn tại một số vấn đề
cần nghiên cứu làm rõ. Để làm sáng tỏ hơn những vấn đề phức tạp của hệ thống
cũng nhƣ nghiên cứu đóng góp thêm những sáng kiến mới để làm phong phú thêm
các thành quả nghiên cứu các phƣơng pháp điều khiển cho hệ thống này, góp phần
cho vào công cuộc hiện đại hóa ngành công nghiệp sản xuất băng vật liệu.
Đƣợc sự đồng ý và dẫn dắt của cán bộ hƣớng dẫn khoa học, tác giả đã lựa
chọn đề tài: “Nghiên cứu xây dựng hệ truyền động điện tháo quấn băng vật liệu
sử dụng động cơ điện một chiều kích từ độc lập”.
Sau một thời gian làm nghiên cứu liên tục, nghiêm túc; cùng với sự hƣớng dẫn
tận tình của cán bộ hƣớng dẫn khoa học, các thầy cô trong khoa, sự giúp đỡ của các
học viên trong lớp và các bạn đồng nghiệp. Đến nay luận văn đã hoàn thành.
Qua đây tác giả xin gửi lời cám ơn tới quý thầy cô trong khoa Điện trƣờng ĐH
Kỹ Thuật Công nghiêp - ĐH Thái Nguyên; Ban Giám Hiệu cùng toàn thể giáo viên
khoa Điện trƣờng Cao đẳng Công nghiệp Huế đã nhiệt tình giúp đỡ hƣớng dẫn,
cung cấp tài liệu và tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành đƣợc luận văn này.
Đồng thời tác giả muốn gửi lời cám ơn sâu sắc tới thầy giáo TS. Trần Xuân Minh,
ngƣời đã trực tiếp 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 trong thời gian nghiên cứu để hoàn thành tốt công trình nghiên cứu này.
- ii -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Mặc dù đƣợc sự hƣớng dẫn tận tình của cán bộ hƣớng dẫn cùng với 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. Vì thế, tác
giả rất mong tiếp tục đƣợc sự giúp đỡ, góp ý nhiệt tình của quý thầy cô, bạn bè và
đồng nghiệp.
Xin chân thành cảm ơn !
Tác giả luận văn
Tôn Thất Đồng
- iii -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Tôn Thất Đồng
Sinh ngày 08 tháng 02 năm 1983
Học viên lớp cao học khoá 11 - Tự động hoá - Trƣờng đại học kỹ thuật Công
nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nghuyên.
Hiện đang công tác tại khoa Điện trƣờng Cao đẳng Công nghiệp Huế.
Xin cam đoan: Đề tài “Nghiên cứu xây dựng hệ truyền động điện tháo quấn
băng vật liệu sử dụng động cơ điện một chiều kích từ độc lập” do TS. Trần
Xuân Minh 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.
Nếu sai phạm tôi chịu hoàn toàn trách nhiệm trƣớc Hội đồng khoa học và
trƣớc pháp luật.
Thái Nguyên, ngày 28 tháng 9 năm 2010
Tác giả
Tôn Thất Đồng
- iv -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
MỤC LỤC
Trang bìa
LỜI NÓI ĐẦU i
LỜI CAM ĐOAN iii
MỤC LỤC iv
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vii
DANH MỤC CÁC BẢNG ix
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ix
MỞ ĐẦU 1
CHƢƠNG 1: 4
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG THÁO-QUẤN BĂNG VẬT
LIỆU 4
1.1. Giới thiệu chung 4
1.2. Hệ thống truyền động tháo-quấn băng vật liệu 5
1.2.1. Cấu tạo tổng quát hệ thống tháo-quấn băng vật liệu (giấy) 5
1.2.2. Đặc điểm cấu tạo và chức năng của các thành phần: 5
1.2.3. Yêu cầu công nghệ hệ thống tháo-quấn băng vật liệu 8
1.2.4. Giới thiệu một số mô hình điều khiển hệ thống tháo-quấn băng vật liệu 11
1.3. Lý thuyết sức căng trong hệ thống tháo-quấn băng vật liệu 14
1.3.1. Khái niệm sức căng của băng vật liệu 14
1.3.2. Lý thuyết điều chỉnh lực căng của băng vật liệu 15
1.3.3. Giới thiệu các bộ đo lực căng băng vật liệu 17
1.4. Mô hình phi tuyến của hệ thống tháo và quấn băng vật liệu: 22
CHƢƠNG 2: 30
NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN THÁO-QUẤN BĂNG VẬT
LIỆU DÙNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP 30
- v -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
2.1. Tổng quan về truyền động điện một chiều 30
2.2. Nghiên cứu khảo sát hệ thống Thyristor – Động cơ 30
2.2.1 Sơ đồ cấu trúc trạng thái ổn định và đƣờng đặc tính tĩnh. 32
2.2.1.1. Bộ điều chỉnh tốc độ quay không bão hòa. 33
2.2.1.2. Bộ điều chỉnh tốc độ quay bão hòa 34
2.2.2 Chất lƣợng của hệ truyền động điều chỉnh tốc độ hai mạch vòng kín 35
2.2.2.1. Mô hình toán học trạng thái động 35
2.2.2.2. Phân tích quá trình khởi động 35
2.2.2.3. Tác dụng của hai bộ điều chỉnh. 38
2.3. Tổng hợp hệ thống truyền động hệ thống điều chỉnh tốc độ hệ thống tháo-
quấn băng vật liệu 38
2.3.1 Xây dựng hàm truyền của các khâu trong hệ thống điều khiển 40
2.3.1.1 Hàm truyền của động cơ điện 40
2.3.1.2 Bộ chỉnh lƣu bán dẫn Thyristor 45
2.3.1.3 Hàm truyền của máy phát tốc 47
2.3.1.4 Hàm truyền của thiết bị đo điện 48
2.3.1.5 Tổng hợp hệ điều khiển R
I
, R
48
a. Tổng hợp bộ điều khiển dòng điện RI 48
b.Tổng hợp bộ điều khiển tôc độ R
50
2.3.2. Thiết kế và mô phỏng bộ điều khiển tốc độ động cơ một chiều kích từ
độc lập truyền động cho tang tháo-quấn băng vật liệu sử dụng bộ điều khiển PI
kinh điển 54
2.3.2.1. Đặc điểm và tính toán thông số hệ thống truyền động 54
2.3.2.3. Mô phỏng Simulink – Matlab bộ điều khiển PI 56
CHƢƠNG 3: 62
- vi -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI PI ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
KÍCH TỪ ĐỘC LẬP TRUYỀN ĐỘNG CHO HỆ THỐNG THÁO-QUẤN BĂNG
VẬT LIỆU 62
3.1. Nghiên cứu lý thuyết điều khiển mờ lai PID mờ 62
3.1.1. Tổng quan về lý thuyết điều khiển mờ 62
3.1.2. Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ 63
3.1.3. Nguyên lý điều khiển mờ 65
3.1.4 Những nguyên tắc tổng hợp bộ điều khiển mờ 65
3.1.5. Các bộ điều khiển mờ 69
3.1.5.1. Bộ điều khiển mờ tĩnh 69
3.1.5.2. Bộ điều khiển mờ động 69
3.1.6. Hệ điều khiển mờ lai 71
3.2. Bộ điều khiển mờ lai PI điều khiển tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập
truyền động cho tang tháo-quấn băng vật liệu 72
3.2.1. Cơ sở thiết kế bộ điều khiển mờ lai PI 72
3.2.2. Thiết kế bộ điều khiển mờ lai PI 73
3.2.3. Mô phỏng bộ điều khiển mờ lai PI 77
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 82
TÀI LIỆU THAM KHẢO 83
- vii -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
L (m)
Độ dài đoạn băng vật liệu
W (m)
Độ rộng của đoạn băng vật liệu
P (N)
Lực kéo căng
h (m)
Độ dày của băng vật liệu
(N/m)
Độ giãn theo chiều dài của băng vật liệu
L
(N/m)
Độ giãn theo chiều ngang (cạnh) của băng vật liệu
(N/m
2
)
Độ bền kéo
A (m
2
)
Tiết diện ngang của băng vật liệu
E
Hằng số co giản của vật liệu
0
ε
(N/m
2
)
Ứng suất căng ban đầu của phía tang tháo
T
0
(N)
Lực căng siết chặc ban đầu của cuộn tháo
T (N)
Lực căng băng vật liệu
K
Hệ số đàn hồi của dải băng
R
0
(m)
Bán kính của lõi tang quay
J
0
(Kg.m
2
)
Mô men quán tính của lõi tang quay
u0
R
,
r0
R
(m)
Bán kính của lõi tang quay tháo quấn và tang quấn lại
u0
J
,
r0
J
(Kg.m
2
)
Momen quan tính của lõi tang quay tháo quấn và tang quấn lại
u
R
,
r
R
(m)
Bán kính của tang quay tháo quấn và tang quấn lại
u
J
,
r
J
(Kg.m
2
)
Mô men quan tính tang quay tháo quấn và tang quấn lại
M
u
, M
r
(N.m)
Mô men truyền động tang quay tháo quấn và tang quấn lại
u
V
,
r
V
(m/s)
Vận tốc dài tang tháo quấn và tang quấn lại
u
,
r
(rad/s)
Vận tốc quay trục tang tháo quấn và trục tang quấn lại
R
ω
Bộ điều chỉnh tốc độ
R
i
Bộ điều chỉnh dòng điện
n (vòng/phút)
Vận tốc quay
Mc (N.m)
Mô men cản
VF, VR
Hai bộ chỉnh lƣu có điều khiển mắc song song ngƣợc
- viii -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
GVR, GVF
Thiết bị phát xung cho hai bộ chỉnh lƣu điều khiển VR, VF
HCD
Phần tử hạn chế dòng điện trong quá trình quá độ
- ix -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1-1: Một số loại Loadcell điển hình dùng cho hệ thống đo lực căng băng vật liệu 21
Bảng 1.2: Tổng hợp phƣơng trình toán học mô tả hệ thống tháo-quấn băng vật liệu 27
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Mô tả hệ thống hệ thống xử lý băng vật liệu điển hình 4
Hình 1.2: Cấu trúc tổng quát của một hệ máy tháo-quấn băng giấy 6
Hình 1.3: Cấu trúc khâu tháo quấn băng giấy (Unwind) 6
Hình 1.4: Cấu trúc khâu xử lý băng giấy 7
Hình 1.5: Cấu trúc khâu quấn lại băng giấy (Rewind) 7
Hình 1.6: Quá trình hoạt động và điều khiển hệ thống tháo-quấn băng vật liệu 10
Hình 1.7: Mô hình điều khiển bằng tay 11
Hình 1.8: Mô hình điều khiển vòng hở dùng con nhảy (dancer) 11
Hình 1.9: Mô hình điều khiển vòng hở dùng cảm biến đo đƣờng kính 122
Hình 1.10: Mô hình điều khiển vòng kín dùng cảm biến lực căng (loadcell) 13
Hình 1.11: Mô hình điều khiển vòng kín dùng cảm biến vị trí và dancer 13
Hình 1.12: Phân tích sự biến dạng dải băng vật liệu do lực căng tác động 14
Hình 1.13: Sơ đồ biểu diễn sự biến thiên về tốc độ, mômen của các động cơ truyền động
cho các con lăn và sự biến thiên bán kính của các tang quay trong hệ thống tháo-quấn băng
vật liệu 16
Hình 1.14: Đo lực căng trực tiếp bằng loadcell 18
Hình 1.15: Đo lực căng gián tiếp bằng con lăn nhảy dancer 18
Hình 1.16: Mô hình sử dụng Loadcell đo lực căng băng vật liệu 19
Hình 1.17: Cấu tạo loadcell tƣơng tự 19
Hình 1.18: Cấu trúc loadcell số 20
Hình 1.19: Khảo sát hệ thống tháo-quấn băng vật liệu điển hình 23
Hình 2.1: Hệ thống điều chỉnh tốc độ có đảo chiều Thyristor - Động cơ 30
Hình 2.2: Sơ đồ cấu trúc trạng thái ổn định hệ thống điều chỉnh tốc độ hai vòng kín 32
Hình 2.3: Đƣờng đặc tính tĩnh của hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vòng kín 33
Hình 2.4: Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vòng kín . 34
Hình 2.5: Đồ thị dòng điện và tốc độ quay của quá trình khởi động hệ thống điều chỉnh quá
tốc độ. 35
Hình 2.6: Hệ thống điều chỉnh tốc độ Thyristor - Động cơ 38
Hình 2.7: Sơ đồ khối chức năng 39
Hình 2.8: Mạch điện thay thế của động cơ một chiều 40
Hình 2.9: Sơ đồ cấu trúc động cơ một chiều 42
Hình 2.10: Tuyến tính hoá đoạn đặc tính từ hoá và đặc tính tải 43
- x -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Hình 2.11: Sơ đồ cầu trúc tuyến tính hoá 44
Hình 2.12: Sơ đồ cấu trúc khi từ thông không đổi 44
Hình 2.13: Các sơ đồ cấu trúc thu gọn 45
Hình 2.14: Thời gian phát xung và thời gian mất điều khiển của bộ chỉnh lƣu 46
Hình 2.15: Sơ đồ cấu trúc của bộ chỉnh lƣu bán dẫn thyristor 47
Hình 2.16: Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện 49
Hình 2.17: Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng dòng điện 49
Hình 2.18: Sơ đồ khối hệ điều chỉnh tốc độ PI 51
Hình 2.19: Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng tốc độ 51
Hình 2.20: Sơ đồ mô phỏng điều khiển tốc độ động cơ dùng bộ điều khiển PI khâu quấn lại 57
Hình 2.21: Cấu trúc khối “ Bo DK PI ” 57
Hình 2.22: Cấu trúc khối “ Doi tuong “ 58
Hình 2.23: Kết quả mô phỏng tổng hợp kết quả tốc độ bám theo tốc độ đặt khi M
c
và J biến
thiên 59
Hình 2.24: Tốc độ đặt 59
Hình 2.25: Mô men tải Mc biến thiên 59
Hình 2.26: Mô men quán tính tải J biến thiên 60
Hình 3.1: Sơ đồ khối bộ điều khiển mờ 63
Hình 3.2: Mô hình chuyển đổi hiểu biết của con ngƣời và hệ mờ 66
Hình 3.3: Hệ điều khiển mờ lai cấu trúc 2 vòng 72
Hình 3.4: Sơ đồ khối hệ điều khiển mờ lai 72
Hình 3.5: Kết quả xây dựng bộ điều khiển mờ lai PI 76
Hình 3.6: Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển mờ lai PI cho khâu quấn lại vật liệu 78
Hình 3.7: Cấu trúc khối “Bo DK PI 1” 78
Hình 3.8: Cấu trúc khối “Bo dieu khien mo” 79
Hình 3.9: Sơ đồ mô phỏng so sánh khả năng bám của tốc độ đầu ra giữa hai bộ điều khiển
PI và PI_mờ 79
Hình 3.10: Thông số tốc độ đặt n_dat, mô men quán tính tải J và mô men tải Mc
theo hình 2.25 và 2.26 79
Hình 3.11: Kết quả mô phỏng so sánh kết quả tốc độ ra của bộ điều khiển PI với bộ điều
khiển PI_mờ 81
- 1 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài:
Trong các đặc điểm kỹ thuật khó trong hệ máy máy tháo-quấn băng vật liệu đó
là trong quá trình thực hiện tháo-quấn lại vật liệu yêu cầu tốc độ dải băng vật liệu
chuyển động phải ổn định, với sự phát triển nhanh công nghệ điều khiển ngày nay
hệ thống cong yêu cầu tốc độ chuyển động của dải vật liệu phải cao. Bên cạnh đó,
theo thời gian thì bán kính và khối lƣợng của tang quấn lại tăng lên còn tang tháo
quấn sẽ giảm đi, dẫn đến mô men cản và mômen quán tính của hệ biến đổi liên tục,
tốc độ biến đổi này có mối quan hệ với tốc độ quay. Để ổn định lực căng của băng
vật liệu thì mô men truyền động và tốc độ dịch chuyển của băng vật liệu cần đƣợc
giữ ổn định, dẫn đến tốc độ quay của hai tang quay sẽ phải tự điều chỉnh theo chiều
ngƣợc với bán kính theo thời gian đó là tang quấn sẽ giảm tốc còn tang tháo tăng
tốc. Do mối quan hệ chằng chịt đó mà việc điều khiển hệ hết sức phức tạp. Hiện
nay, đã có nhiều hệ thống truyền động đƣợc sản xuất ở trong và nƣớc ngoài đã giải
quyết đƣợc vấn đề trên, tuy nhiên giải pháp thực hiện luôn nằm trong hộp kín của
nhà chế tạo, do đó gây khó khăn cho các cán bộ kỹ thuật khi bảo trì sữa chữa máy.
Chính vì điều đó, việc làm chủ đƣợc công nghệ là mối quan tâm hàng đầu lúc này,
do đó đề tài này sẽ nghiên cứu tìm ra những bí mật công nghệ để tạo điều kiện
thuận lợi hơn khi chế tạo và sữa chữa.
Bên cạnh đó, truyền động điện một chiều với nhiều ƣu điểm vốn có của nó vẫn
giữ vai trò chủ yếu trong công nghiệp, đặc biệt là trong các lĩnh vực yêu cầu điều
chỉnh chính xác cao về mô men và tốc độ. Để có đƣợc chất lƣợng tốt nhất là nhờ sự
phát triển rất lớn của các phƣơng pháp điều khiển tự động truyền động điện nhƣ
điều khiển tối ƣu, thích nghi, bền vững và mờ…
Trên những cơ sở đó, đề tài đặt vấn đề: “nghiên cứu xây dựng hệ truyền động
điện tháo quấn băng vật liệu sử dụng động cơ điện một chiều kích từ độc lập”, trong
đó áp dụng các phƣơng pháp điều khiển hiện đại để nâng cao chất lƣợng điều khiển
hệ.
2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:
- 2 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
2.1. Ý nghĩa khoa học:
Đề tài này sẽ đề cập tới việc nghiên cứu ứng dụng trong lĩnh vực truyền động
điện tự động. Đề tài nghiên cứu các hệ thống truyền động điện động cơ một chiều
kích từ độc lập với tải phi tuyến từ đó xây dựng hệ truyền động điện cho truyền
động điện tháo-quấn băng vật liệu có chất lƣợng cao hơn các hệ thống hiện có.
2.2. Ý nghĩa thực tiễn:
Khi đề tài hoàn thành sẽ là tài liệu quan trọng giúp các cán bộ kỹ thuật xác
định rõ bản chất công nghệ của hệ truyền động điện của các hệ máy tháo-quấn băng
vật liệu, từ đó làm chủ đƣợc công nghệ trong quá trình vận hành, giám sát và khắc
phục sửa chữa
Đề tài sẽ là cơ sở khoa học để thiết kế các hệ thống truyền động điện cho động
cơ một chiều kích từ độc lập áp dụng có tải phi tuyến
3. Mục tiêu nghiên cứu:
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài: Nghiên cứu bộ điều khiển động cơ điện một
chiều kích từ độc lập truyền động cho hệ thống tháo-quấn băng vật liệu.
4. Đối tƣợng nghiên cứu:
Nghiên cứu khảo sát về hệ truyền động điện cuộn băng vật liệu sử dụng động
cơ điện một chiều kích từ độc lập; Nghiên cứu lý thuyết điều khiển truyền động
điện hiện đại động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Từ đó xây dựng bộ điều khiển
tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập có mô men cản và mô men quán tính
tải biến đổi phi tuyến.
5. Nhiệm vụ nghiên cứu:
- Nghiên cứu hệ truyền động điện cuộn băng vật liệu sử dụng động cơ điện
một chiều kích từ độc lập.
- Nghiên cứu xây dựng bộ điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều kích từ
độc lập sao cho tốc độ chuyển động và lực căng của dải băng vật liệu giữ ổn định.
- Mô hình hoá mô phỏng và đánh giá hệ thống trên phần mềm Matlab.
6. Phƣơng pháp nghiên cứu:
- 3 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
a. Nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu sách, bài báo khoa học, luận văn và các
tài liệu có liên quan. Từ đó xây dựng hệ thống truyền động và luật điều khiển cho
hệ thống tháo quấn băng vật liệu.
b. Tiến hành khảo sát bằng mô phỏng và hiệu chỉnh, đánh giá và kết luận.
7. Nội dung nghiên cứu:
Chƣơng 1: Tổng quan về truyền động tháo-quấn băng vật liệu.
Chƣơng 2: Nghiên cứu hệ thống truyền động điện tháo-quấn băng vật liệu
dùng động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
Chƣơng 3: Bộ điều khiển mờ lai PI điều khiển động cơ điện một chiều kích từ
độc lập truyền động cho hệ thống tháo-quấn băng vật liệu.
- 4 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
CHƢƠNG 1:
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG THÁO-QUẤN BĂNG VẬT
LIỆU
1.1. Giới thiệu chung
Ngày nay, trong các ngành công nghiệp chế biến nguyên vật liệu dạng hình
tấm hay dải dài linh hoạt thƣờng đƣợc mô tả là băng vật liệu (web) hay nói cách
khác là các dạng vật liệu có độ dài lớn hơn rất nhiều so với độ dày và bề rộng của
nó; nhƣ là: giấy cuộn, phim nhựa, vải cuộn, nilôn cuộn và thép cuộn… Từ những
nguyên liệu này để sản xuất thành một sản phẩm cuối cùng có kích thƣớc bé phù
hợp sử dụng thì các băng vật liệu này phải đƣợc xử lý, chia nhỏ và chuyển đổi; ví
dụ: từ giấy cuộn khổ lớn sản xuất ra các cuộn giấy vệ sinh nhỏ, hay từ cuộn nilon
lớn đƣợc dùng để sản xuất bao bì bánh kẹo… Để làm đƣợc các vấn đề đó thì nó
phải đƣợc thực hiện qua các máy xử lý băng vật liệu với quy trình xử lý đó là: từ
các cuộn vật liệu lớn đƣợc tháo cuộn qua các máy tháo quấn (Unwinder), sau đó
đƣợc đƣa qua các khâu xử lý dải băng vật liệu nhƣ in, sơn, dập, chia nhỏ, duỗi thẳng
… cuối cùng sẽ đƣợc cuộn lại bằng máy quấn lại (Rewinder) ở đầu cuối. Hình 1.1
mô tả một hệ thống xử lý băng vật liệu điển hình:
Hình 1.1: Mô tả hệ thống hệ thống xử lý băng vật liệu điển hình
Với sự phát triển không ngừng của khoa học và công nghệ hiện nay có nhiều
phát minh sáng chế để nhằm nâng cao năng suất và chất lƣợng hệ thống; bên cạnh
- 5 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
đó là khả năng đáp ứng nhanh để giữ cho hệ thống làm việc ổn định của bộ điều
khiển dƣới các thay đổi nhiễu loạn các thông số do tác động từ bên ngoài.
1.2. Hệ thống truyền động tháo-quấn băng vật liệu
Qua hình 1.1 thể hiện một hệ thống xử lý băng vật liệu trong sản xuất công
nghiệp là tổng hợp nhiều bộ phận, thực hiện việc vận chuyển và xử lý dải băng vật
liệu; cấu tạo trong hệ máy bao gồm sự phối hợp giữa các hệ cơ và điện; một cấu tạo
thông thƣờng của hệ máy này gồm có các thành phần nhƣ: tang tháo quấn
(unwinder), tang quấn lại (rewinder), con lăn dẫn hƣớng (guiding roller), các trục
lăn kẹp điều chỉnh lực căng (nip roller), bộ dao cắt hoặc bản in…, các cảm biến đo
lƣờng (load cell), động cơ truyền động và bộ điều khiển.
1.2.1. Cấu tạo tổng quát hệ thống tháo-quấn băng vật liệu (giấy)
Trên hình 1.2 thể hiện cấu trúc tổng quát của một hệ máy tháo-quấn băng giấy.
1.2.2. Đặc điểm cấu tạo và chức năng của các thành phần:
Trong hệ máy trên hình 1.2 chia thành ba khâu: khâu tháo quấn cuộn giấy,
khâu xử lý dải băng giấy, khâu quấn lại băng giấy.
Khâu tháo quấn cuộn giấy (Unwind): Thể hiện ở hình 1.3
Trong khâu này gồm có: một tang quay gắn cuộn giấy lớn (vật liệu đầu vào),
trục tang quay đƣợc truyền động bằng một động cơ M1. Nhiệm vụ của khâu này là
tháo quấn cuộn giấy để cung cấp băng giấy cho khâu xử lý, yêu cầu đặt ra cho khâu
này là làm sao cho dải băng giấy đảm bảo cung cấp đủ, kịp thời, không đƣợc thừa
dƣ nhiều vật liệu đầu vào trƣớc khi cấp cho khâu xử lý.
- 6 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Hình 1.2: Cấu trúc tổng quát của một hệ máy tháo-quấn băng giấy
Hình 1.3: Cấu trúc khâu tháo quấn băng giấy (Unwind)
- 7 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Khâu xử lý dải băng giấy (Process web): Thể hiện ở hình 1.4
Trong khâu này gồm có:
- Bộ phận điều chỉnh lực căng cho dải
băng để làm bề mặt của vật liệu phẳng và
thẳng không bị dao động và xoắn. Để xử lý
điều này, ở đây sử dụng cơ cấu các con lăn
kẹp đƣợc truyền động bởi nhiều động cơ Mi
có tốc độ quay khác nhau để kéo và điều
chỉnh lực căng cho dải băng. Sau đó qua
một loạt các con lăn dẫn hƣớng quay tự do
để vận chuyển dải băng đến các bộ phận
khác.
- Bộ phận cắt hoặc in (nếu có): Nếu là máy chia cuộn thì có thêm bộ phận dao
cắt chia cuộn. Nếu là máy in thì có bộ phận in lăn …
Khâu quấn lại băng giấy (Rewind): Thể hiện ở hình 1.5
Trong khâu này gồm có một tang
quấn đƣợc truyền động bởi động cơ M2.
Nhiệm vụ của khâu này là quấn lại băng
giấy sau khi đã xử lý. Yêu cầu đặt ra cho
bộ điều khiển động cơ M2 là phải phải
điều khiển tốc độ của động cơ này sao
cho lực căng của dải băng là không đổi.
Nếu lực căng dải băng quá cao sẽ làm
giấy bị đứt hoặc làm cho giấy bị quấn quá
chặt. Nếu lực căng quá nhỏ thì sẽ làm
cuộn giấy
sẽ lỏng lẻo và không định hình đƣợc cuộn
giấy sau khi quấn.
Hình 1.5: Cấu trúc khâu quấn lại
băng giấy (Rewind)
Hình 1.4: Cấu trúc khâu xử lý băng giấy
- 8 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Các loại cảm biến: Trong các khâu trên để điều khiển đƣợc thì luôn cần thiết
phải có mặt của các loại cảm biến; nó dùng để xác định lực căng (load cell), tốc độ
(encoder) và đƣờng kính tang cuộn (ultrasonic) của dải băng vật liệu trong quá trình
làm việc.
Qua đó có thể nhận thấy rằng, trong các công nghệ sản xuất và xử lý băng vật
liệu trong công nghiệp thƣờng không thể thiếu hai hệ máy đó là máy tháo quấn
(unwind machine) và máy quấn lại (rewind machine) băng vật liệu. Với công nghệ
sản xuất khắc khe và yêu cầu cao về năng suất và chất lƣợng nhƣ hiện nay thì việc
cải tiến để tăng tốc độ chuyển động của dải băng vật liệu cho các hệ máy trên là đều
rất cần thiết; tất yếu điều này sẽ kéo theo nhiều vấn đề phúc tạp cho bộ điều khiển
cho các máy này và phải chọn ra đƣợc những phƣơng án tối ƣu nhất để hệ thống
làm việc ổn định và hiệu quả.
Chính vì lẽ đó, luận văn này nghiên cứu khảo sát các phƣơng pháp truyền
động và điều khiển của hệ thống trên thế giới, từ đó đề xuất giải pháp phù hợp để
giải quyết vấn đề cho các hệ máy ứng dụng thực tiễn.
1.2.3. Yêu cầu công nghệ hệ thống tháo-quấn băng vật liệu
Khảo sát một hệ thống máy tháo-quấn băng vật liệu điển hình có một số đặc
điểm sau: loại vật liệu đƣợc sử dụng là loại có khả năng co giản với mức độ xác
định và khá đồng nhất về tính chất vật lý. Tùy theo dạng bố trí và các phƣơng pháp
xử lý khác nhau của các hệ thống con lăn xử lý dải băng thì nó sẽ là cho bề mặt
băng vật liệu bị biến dạng dƣới tác động chính của lực căng; do đó để vật liệu
không bị biến dạng nhiều khi làm máy viêc thì yêu cầu lực căng của dải băng phải
đƣợc giữ ổn định ở một giá trị thích hợp theo quy định cho từng loại vật liệu, ví dụ:
nếu xét một hệ tháo quấn giấy vệ sinh chẳng hạn, nếu lực căng không phù hợp thì
băng giấy sẽ bị hỏng; chẳng hạn ở tang quấn: nếu quấn quá nhanh hơn so với đầu
giấy chuyển ra tƣ khâu xử lý thì làm cho lực căng tăng, dẫn đến đứt băng giấy;
nhƣng nếu quấn quá chậm thì sẽ làm cho băng giấy lõng lực quấn thấp kết quả cuộn
giấy sau khi quấn sẽ rất lõng lẽo và không định hình đúng kỹ thuật. Còn là ở tang
tháo giấy cũng vậy nếu tháo quá chậm không kịp cung cấp cho đầu vào khâu xử lý
- 9 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
cũng sẽ tạo nên tình huống tƣơng tự là đứt giấy; hay nếu tháo quá nhanh thì làm cho
giấy không kịp chuyển đi sẽ tồn đọng lực căng rất bé gần nhƣ bằng 0, lúc đó khi cấp
vào qua các con lăn kẹp giấy, giấy có thể bị kéo nhăn hay bị nhau nát không định
dạng đúng nhƣ khuôn dạng đầu…
Trong toàn bộ hệ máy, lực căng ở các khâu khác nhau là khác nhau, giả sử lực
căng ở tang tháo quấn là 10N thì ở khâu xử lý là 20N và khâu quấn lại sẽ là 15N…
Những con số tỷ lệ lực căng này sẽ do tính chất công nghệ quyết định cho mỗi loại
vật liệu, nhƣng các chỉ số đó phải đƣợc giữ ổn định trong các khâu. Nếu nhƣ ở khâu
tháo quấn lực căng giảm xuống hay tăng lên đều ảnh hƣởng đến chỉ số lực căng của
các khâu còn lại, do đó có thể thấy khâu cần ổn định lực căng khắc khe nhất đó là
khâu tháo quấn vật liệu cần đƣợc chú ý trong điều khiển tự động cho hệ thống.
Bên cạnh đó, theo mô hình của một hệ thống tháo quấn vật liệu nêu trên, ta
thấy khi làm việc các tang tháo và quấn vật liệu sẽ thay đổi đƣờng kính (đối với
tang quấn sẽ tăng dần, còn tang tháo sẽ giảm dần), nếu tốc độ quay của các bộ
truyền động cho 2 khâu trên không thay đổi thì dẫn đến lực căng của băng vật liệu
sẽ biến đổi theo đƣờng kính (khâu quấn tăng lực căng còn khâu tháo giảm lực căng)
điều đó là không phù hợp nhƣ đã phân tích ở trên. Do đó cần tìm cách điều chỉnh
tốc độ của động cơ truyền động trục tang quấn để giữ tốc độ cho dải băng vật liệu;
đồng thời phải giữ ổn định tốc độ trong từng khâu trong quá trình làm việc. Tuy
nhiên, đối với khâu quấn lại vật liệu, yếu tố quan trọng nhất là lực quấn của từng
vòng phải đƣợc giữ ổn định, trong khi tốc độ của dải băng ở đầu ra của khâu xử lý
vật liệu gần nhƣ không đổi, cho nên chỉ cần giữ cho tốc độ của dải băng ở khâu
quấn lại không đổi thì dẫn đến lực căng sẽ luôn là hàng số. Qua đó, ta rút ra đƣợc
rằng khâu cần giữ ổn định tốc độ khắc khe nhất là khâu quấn lại vật liệu, cần đƣợc
chú ý trong điều khiển tự động cho hệ thống.
Tóm tắt quá trình hoạt động và điều khiển trong hệ thống tháo-quấn băng vật
liệu điển hình đƣợc biểu diễn qua sơ đồ nhƣ sau:
- 10 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
Chú thích hình vẽ:
- Unwinder: Tang tháo quấn
- Rewinder: Tang quấn lại
- Process web: Bộ xử lý băng vật liệu (dao cắt, bản in hoặc máy chải phẳng)
- Nip roller: Con lăn kẹp điều chỉnh lực căng
- Loadcell1, loadcell2: Cảm biến đo lực căng dải băng
- Mu: động cơ truyền động cho tang tháo quấn
- Mr: động cơ truyền động cho tang quấn lại
- Driver Mu: Bộ điều khiển truyền động động cơ Mu
- Driver Mr: Bộ điều khiển truyền động động cơ Mr
- Control Centre: bộ điều khiển trung tâm
- Tension controller: bộ điều khiển lực căng
M
M
u
u
D
D
r
r
i
i
v
v
e
e
r
r
M
M
u
u
L
L
o
o
a
a
d
d
c
c
e
e
l
l
l
l
E
E
n
n
c
c
o
o
d
d
e
e
r
r
M
M
u
u
E
E
n
n
c
c
o
o
d
d
e
e
r
r
M
M
r
r
T
T
e
e
n
n
s
s
i
i
o
o
n
n
C
C
o
o
n
n
t
t
r
r
o
o
l
l
l
l
e
e
r
r
C
C
o
o
n
n
t
t
r
r
o
o
l
l
c
c
e
e
n
n
t
t
r
r
e
e
V
V
e
e
l
l
o
o
c
c
i
i
t
t
y
y
C
C
o
o
n
n
t
t
r
r
o
o
l
l
l
l
e
e
r
r
D
D
r
r
i
i
v
v
e
e
r
r
M
M
r
r
M
M
r
r
P
P
r
r
o
o
c
c
e
e
s
s
s
s
w
w
e
e
b
b
U
U
n
n
w
w
i
i
n
n
d
d
e
e
r
r
R
R
e
e
w
w
i
i
n
n
d
d
e
e
r
r
Nip roller
L
L
o
o
a
a
d
d
c
c
e
e
l
l
l
l
1
1
L
L
o
o
a
a
d
d
c
c
e
e
l
l
l
l
2
2
Hình 1.6: Quá trình hoạt động và điều khiển hệ thống tháo-quấn băng vật liệu
- 11 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
- Velocity controller: bộ điều khiển tốc độ
- Encoder Mu: máy đo tốc độ động cơ Mu
- Encoder Mr: máy đo tốc độ động cơ Mr
1.2.4. Giới thiệu một số mô hình điều khiển hệ thống tháo-quấn băng vật
liệu
Giới thiệu các mô hình điều khiển hệ thống tháo-quấn băng vật liệu đã và đang
sử dụng hiện nay.
* Điều khiển bằng tay thông thƣờng:
Hình 1.7: Mô hình điều khiển bằng tay
* Điều khiển vòng hở: Điều khiển sức căng theo sự thay đổi của đƣờng kính
cuộn băng vật liệu. Hệ thống
không có tín hiệu phản hồi
về lực căng của dải vật liệu.
- Phƣơng pháp đo
đƣờng kính băng cuộn sử
dụng cảm biến vị trí con lăn
dẫn động (Follower arm
position sensor) (hình 1.8):
Hệ thống gồm một con
lăn tỳ lên bên ngoài cuộn
băng vật liệu, con lăn này
Hình 1.8: Mô hình điều khiển vòng hở dùng con
nhảy (dancer)
- 12 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
dẫn động thông qua một cần trục, cần trục này dẫn động để cấp tín hiệu cho một
cảm biến vị trí. Khi đƣờng kính cuộn thay đổi thì cảm biến sẽ thay đổi giá trị đầu ra,
tín hiệu này cấp vào bộ điều khiển hoạt động của động cơ điện, ứng với tín hiệu đo
đƣợc của đƣờng kính thì bộ điều khiển sẽ thay đổi tốc độ và momen (tăng hay
giảm) cho trục động cơ cho phù hợp để giữ cho lực căng dải băng đƣợc ổn định ở
giá trị quy định.
- Phƣơng pháp đo đƣờng kính bằng cảm biến siêu âm (Ultrasonic sensor) (hình
1.9): Tƣơng tự nhƣ trên nhƣng ở đây sử dụng cảm biến siêu âm để đo đƣờng kính.
* Điều khiển vòng kín: Hình 1.10
– Điều khiển trực tiếp lực căng dùng Loadcell: Hệ thống dùng cảm biến lực
căng (Load cell) để xác định lực căng của dải băng, sau đó cấp tín hiệu phản hồi về
bộ điều chỉnh để thay đổi tốc độ của động cơ truyền động.
Hình 1.9: Mô hình điều khiển vòng hở dùng cảm biến đo đường kính
- 13 -
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
– Điều khiển trực tiếp lực căng dùng hệ thống con lăn nhảy Dancer: Hệ thống
ngoài việc điều chỉnh
tốc độ quay và momen
theo sự thay đổi đƣờng
kính cuộn, bên cạnh đó
hệ thống còn kèm theo
bộ điều chỉnh trực tiếp
lực căng nhờ cơ cấu
dancer. Cơ cấu gồm
một trục lăn có thể điều
khiển thay đổi tịnh tiến,
sự dịch cuyển của con
lăn này làm cho lực
căng giảm hay tăng.
Truyền động cho con lăn này là một xi lanh khí. Bên cạnh đó là một cần gạt truyền
động đến một cảm biến vị trí, từ giá trị đo đƣợc của cám biến này có thể xác định
đƣợc lực căng hiện tại của dải băng là ổn định hoặc tăng hoặc giảm, rồi tín hiệu này
đƣợc cấp về cho bộ điều khiển. Bộ điều khiển sẽ cấp tín hiệu ra điều chỉnh tốc độ và
góc mở của nguồn khí nén cấp cho xi lanh.
Hình 1.10: Mô hình điều khiển vòng kín dùng cảm biến lực căng (loadcell)
Hình 1.11: Mô hình điều khiển vòng kín dùng cảm biến
vị trí và dancer
