tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG hệ điều KHIỂN NHIỆT độ lò NUNG PHÔI NHÀ máy cán THÉP

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

Họ tên tác giả luận văn :
Đỗ Đức Mạnh

Tên đề tài luận văn :
NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ
LỊ NUNG PHƠI NHÀ MÁY CÁN THÉP

Chun nghành : Tự động hố
Mã số :

TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ TỰ ĐỘNG HOÁ

THÁI NGUYÊN 2011

1


Cơng trình được hồn thành tại :
Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp - Đại học Thái Nguyên

Người hướng dẫn khoa học :
Tiến sỹ Trần Xuân Minh

Phản biện 1 : Tiến sỹ Nguyễn Văn Vỵ
Phản biện 2 : Tiến sỹ Nguyễn Duy Cương

Luận văn sẽ được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn họp tại :
Nhà A6, Trường đại học kỹ thuật công nghiệp

Đại học Thái Nguyên
Vào hồi 7 giờ 30 phút, ngày 17 tháng 11 năm 2011

Có thể tìm hiểu luận văn tại Trung tâm học liệu - Đại học Thái
Nguyên và Thư viện Trường đại học kỹ thuật công nghiệp - Đại
học Thái Nguyên

2


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Cơng nghiệp luyện kim - cán thép có vai trị hết sức quan
trọng trong công cuộc xây dựng phát triển nền kinh tế quốc dân, góp
phần rất lớn vào việc ổn định phát triển của xã hội, an ninh, quốc
phòng... Cùng với sự phát triển kinh tế của đất nước, hiện nay nước
ta đã và đang xây dựng nhiều nhà máy cán thép với dây truyền công
nghệ hiện đại để phục vụ cho nhu cầu xây dựng, phát triển của xã hội
và quá trình cơng nghiệp hố, hiện đại hố đất nước. Có rất nhiều
nhà máy cán thép đã và đang được xây dựng như Khu công nghiệp
gang thép Thái Nguyên, Nhà máy cán thép Thăng Long, Nhà máy
cán thép Thái Hưng, Nhà máy cán thép Việt - Ý...
Trong dây chuyền cán thép, trước khi đưa phôi ra cán, phôi
phải được nung trong lị nung. Q trình nung phơi có ý nghĩa rất
quan trọng đối với cơng nghệ cán thép. Nó quyết định phần lớn chất
lượng của thép và nếu có chế độ nung hợp lý sẽ tiết kiệm được nhiên
liệu và tăng năng suất sản xuất. Tuy nhiên hệ thống điều khiển trong
các lị nung phơi cho dây truyền cán hiện nay vẫn sử dụng các bộ
điều khiển kinh điển nên mức độ tự động hoá chưa cao và vẫn chịu
nhiều tác động từ các yếu tố bên ngoài.

Xuất phát từ thực tiễn đó, việc nghiên cứu nâng cao chất lượng
điều khiển hệ thống lò nung, điều khiển nhiệt độ lò nung trong dây
truyền cán thép sẽ tiết kiệm được nhiên liệu, nâng cao chất lượng
điều khiển từ đó góp phần nâng cao hiệu suất sản xuất và năng suất
thúc đẩy phát triển kinh tế.
2. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết và tài liệu từ thực tế thiết bị (lị nung
phơi trong Nhà máy cán thép Lưu Xá) để đưa ra hướng điều khiển
mới, nâng cao chất lượng điều khiển hệ thống lị nung.
Mơ phỏng kiểm nghiệm kết quả nghiên cứu.
3. Nội dung nghiên cứu
- Tổng quan về công nghệ cán thép.
- Giới thiệu, phân tích cơng nghệ điều khiển hệ thống lị nung,
điều khiển nhiệt độ trong lị nung phơi của dây truyền cán thép, Nhà
máy cán thép Lưu Xá.
- Thiết kế hệ điều khiển nhiệt độ nâng cao chất lượng điều
khiển nhiệt độ trong lị nung phơi.
- So sánh kết quả thu được với các phương pháp đang được
ứng dụng để rút ra kết luận và ý kiến đề xuất.

3


Bản luận văn gồm 89 trang với 3 chương, tác giả đã tìm hiểu lý
thuyết và thực tế, mơ phỏng, thu được kết quả như sau :
- Với tham số của đối tượng điều khiển thay đổi trong phạm vi
cho phép, ở phạm vi thay đổi nhất định của tham số, thì bộ điều
khiển PID kinh điển có khả năng điều chỉnh khá tốt.
- Tuy nhiên trong một số trường hợp, khi tham số của đối
tượng không phải là tham số tập trung, thay đổi trong quá trình làm

việc, thì bộ PID có thể khơng cho dạng đặc tuyến tốt như ban đầu
nữa, có thể kéo dài thời gian quá độ của hệ thống…
- Khi sử dụng bộ điều khiển PID mờ, mặc dù tham số đối
tượng điều khiển thay đổi nhưng chất lượng đặc tính đầu ra vẫn được
giữ khá tốt, thời gian ổn định được rút ngắn.
Như vậy luận văn đã đóng góp một phần nhỏ vào ứng dụng
thực tiễn để điều khiển nhiệt độ lị nung phơi trong công nghệ cán
thép, giúp tiết kiệm nhiên liệu, nâng cao hiệu suất của lị, từ đó nâng
cao năng suất cán của nhà máy cán thép.
4. Kết cấu luận văn
Ngoài phần Mục lục, Kết luận và kiến nghị, Luận văn cịn 12 tài liệu
tham khảo, 40 danh mục hình vẽ và đồ thị.
Chương I : Tổng quan về công nghệ cán thép
Chương II : Cơng nghệ lị nung phơi trong dây truyền can thép
liên tục
Chương III : Thiết kế bộ điều khiển nâng cao chất lượng điều
khiển nhiệt độ lò nung phôi, Nhà máy cán thép.

4


CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CÁN THÉP
Trong chương này bản luận văn giới thiệu chung khái quát về
phương pháp gia công kim loại (chủ yếu là cán), giới thiệu chung về
máy cán, các loại máy cán và trang bị điện trong máy cán.
Cán là một hình thức gia cơng bằng áp lực để làm thay đổi
hình dạng và kích thước của vật thể kim loại dựa vào biến dạng dẻo
của nó.
- u cầu quan trọng trong q trình cán là ứng suất nội biến

dạng dẻo không được lớn, đồng thời kim loại vẫn giữ được độ bền
cao.
- Căn cứ theo nhiệt độ trong quá trình tái kết tinh để phân chia
cán nguội và cán nóng.
Cán thép ở nhiệt độ dưới 4000C  4500C là cán nguội.
Cán thép ở nhiệt độ lớn hơn 6000C  6500C là cán nóng.
Các loại máy cán :
- Máy cán nóng quay thuận nghịch
- Máy cán nóng liên tục
- Máy cán nguội
- Máy cán dây

5


CHƯƠNG II
CƠNG NGHỆ LỊ NUNG PHƠI
TRONG DÂY TRUYỀN CÁN THÉP LIÊN TỤC
Trong chương này luận văn chủ yếu đi tìm hiểu về cơng nghệ
lị nung phơi trong dây truyền cán thép liên tục.
Nhiệm vụ của lò nung
Như chúng ta đã biết trong dây chuyền cán thép liên tục, phôi
trước khi đưa vào cán thì phơi phải đạt được nhiệt độ cần thiết (thông
thường nhiệt độ phôi trước khi vào cán khoảng 1200 0C). Mục đích là
tạo cho kim loại có độ dẻo đồng nhất, đồng thời vẫn giữ được cơ tính
trong suốt thời gian thực hiện q trình cán.
Trước khi đưa phơi ra cán, phơi phải được nung trong lị nung.
Q trình nung phơi có ý nghĩa rất quan trọng đối với cơng nghệ cán
thép. Nó quyết định phần lớn chất lượng của thép và nếu có chế độ
nung hợp lý sẽ tiết kiệm được nhiên liệu và tăng năng suất sản phẩm.

Cấu tạo của lò nung
- Khung vỏ lò
- Hệ thống treo đỉnh lò
- Dầm đỡ tường đầu nạp phơi
- Hệ thống cửa lị bằng kết cấu thép
- Gạch đường trượt
- Ray trượt thép
- Về đường khói
- Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu kênh đứng
- Hệ thống đường ống khơng khí
- Quạt gió
- Dùng 12 mỏ phun dầu
Thiết bị của lò nung
- Hệ thống khi nén :

6


Hình 2.1. Sơ đồ cung cấp khí nén vào lị
- Hệ thống các mỏ đốt của lò : Để việc đốt cháy nhiên liệu lỏng
có hiệu quả, người ta dùng các phương pháp biến bụi và sấy nóng.
Để biến bụi thường dùng khí nén hoặc hơi nước có áp suất cao để
phá vỡ sự liên kết giữa các hạt nhiên liệu lỏng, tạo cho các hạt bụi
lỏng có kích thước nhỏ gần như nhiên liệu khí d = (0,01 ÷ 1) mm.
Mục đích để làm tăng bề mặt phản ứng cháy, tạo điều kiện cho nhiên
liệu tiếp xúc với oxy. Do vậy mà giảm lượng khơng khí dư cần thiết
đồng thời rút ngắn thời gian cháy và nâng cao hiệu quả cháy.
- Hệ thống đường dầu :

7

Hình 2.2. Sơ đồ cấp dầu FO vào lị
- Nước làm nguội
- Thiết bị trao đổi nhiệt

Hình 2.3. Cấu tạo thiết bị trao đổi nhiệt
- Thiết bị sấy dầu
- Hệ thống cấp gió
- Hệ thống đường khói
- Hệ thống máy đẩy 5 tấn, 40 tấn, máy tống phôi

8


Ngun lý hoạt động của lị nung
Q trình đưa phơi vào lò được di chuyển bằng dàn con lăn
được điều khiển bằng các động cơ.
Khi phôi được chuyển tới trước cửa lị nung chờ có tín hiệu
điều khiển, bàn đẩy sẽ đẩy phơi vào lị bằng hệ thống máy đẩy 40
tấn. Phơi được di chuyển trong lị bằng hệ thống 4 đường trượt. Phôi
lần lượt được di chuyển liên tục và đều đặn qua 3 vùng nhiệt độ :
Vùng nung sơ bộ - sấy, vùng nung và vùng đồng nhiệt.
Nhiệt độ trong lị được duy trì nhờ 12 mỏ đốt được bố trí ở
tường sau của lị và 2 bên tường lò. Nhiên liệu đốt là dầu FO. Dầu
trước khi được đưa vào ống dẫn dầu của mỏ đốt đã được sấy nóng,
đủ lưu lượng, đủ áp lực. Khí nén đủ lưu lượng, đủ áp lực được đưa
vào ống dưới áp suất của dầu, van được mở và phun dầu ra dưới
dạng sương mù. Van điều khiển gió nóng được mở ra và được phun
vào đốt cháy dầu trong lị.

Gió nóng được phun ngược chiều với chiều chuyển động của
kim loại, sau khi qua các vùng làm nhiệm vụ nung kim loại... chúng
di chuyển theo đường kênh khói vào thiết bị trao đổi nhiệt, rồi theo
cống khói đi ra ngồi ống khói.
Gió nóng chỉ cấp ở các vùng nung và vùng đồng nhiệt, vùng
sấy chỉ sử dụng nhiệt thừa của khí lị đi qua trước khi thốt ra ống
khói.
Khi phơi được di chuyển đến phía cuối lị nung thì phơi sẽ
được tống ra lò từ bên sườn lò nung bằng máy tống phôi. Máy tống
phôi đẩy phôi vào đường con lăn phụ và phôi được đưa ra giá cán.
* Một số đặc điểm cần chú ý trong lò nung liên tục
+ Lò nung liên tục dùng để nung các loại thép cán có kích
thước lớn hoặc trung bình có năng suất cao và thường được cơ giới
hoá và tự động hố từng phần.
+ Thơng thường nạp liệu vào lị ở nhiệt độ thấp, nên dễ xảy ra
ứng suất nhiệt
khi môi trường vùng sấy có nhiệt độ cao quá mức quy định.
Một số trường hợp đặc biệt, để tránh gây ứng suất nhiệt, người
ta bố trí kênh khói phụ giáp vùng nung và vùng sấy để lấy bớt một
phần sản vật cháy, nhiệt độ vùng sấy sẽ hạ thấp hơn. Nghĩa là chủ
động điều chỉnh được nhiệt độ vùng sấy.
+ Vùng đồng nhiệt có tác dụng nâng nhiệt độ tâm vật nung để
làm giảm sự chênh lệch nhiệt độ giữa tâm và mặt vật nung đến giá trị
cho phép.

9


Nếu là lò nung 2 mặt, vùng đồng nhiệt còn có tác dụng khử các
vết đen do các đường trượt được làm nguội bằng nước gây ra.

+ Phân phối nhiệt : Vùng nung và đồng nhiệt chiếm ~70%
(trong đó vùng nung trên chiếm 3/5, vùng nung dưới chiếm 2/5).
Vùng sấy còn lại ~30% lượng nhiệt.
Hệ thống tự động điều khiển nhiệt độ 3 vùng nung
Nguyên lý hoạt động :
Tín hiệu điện áp từ đầu ra can nhiệt PV được đưa tới bộ điều
khiển, sau đó được so sánh với tín hiệu đặt SV (tùy theo yêu cầu của
từng vùng nhiệt độ).
- Khi nhiệt độ lò thấp (giá trị đo PV nhỏ hơn giá trị đặt SV) thì
ở đầu ra của bộ điều khiển sẽ xuất hiện tín hiệu điện áp tương ứng.
Tín hiệu điện áp này được đưa tới bộ điều chỉnh điện áp – dòng điện,
đầu ra của bộ điều chỉnh ta nhận được tín hiệu dịng điện từ (4 ÷
20)mA. Dịng điều khiển này sẽ được đưa tới cơ cấu đóng mở van
dầu theo chiều mở van dầu để tăng lượng dầu FO vào lò. Khi lượng
dầu FO tăng thì nhiệt độ trong lị cũng tăng đến giá trị đặt SV. Bộ
cảm ứng lưu lượng dầu cho tín hiệu đầu ra là dịng điện từ (4 ÷ 20)
mA tương ứng với lưu lượng dầu từ (0÷1000)L. Tín hiệu dòng điện
này được đưa tới bộ điều khiển để khống chế lưu lượng gió theo
chiều mở van gió nóng để tăng lượng khí đốt phù hợp với lưu lượng
dầu làm cho nhiệt độ tăng dần đến giá trị đặt.
- Khi nhiệt độ lò cao hơn giá trị đặt trước (giá trị đo được PV
lớn hơn giá trị đặt SV) thì ở đầu ra của bộ điều khiển sẽ xuất hiện tín
hiệu điện áp tương ứng. Tín hiệu điện áp này được đưa tới bộ điều
chỉnh điện áp/dòng điện, đầu ra của bộ điều chỉnh ta nhận được tín
hiệu dịng điện từ (4 ÷ 20)mA. Dịng điều khiển này sẽ được đưa tới
cơ cấu đóng mở van dầu theo chiều mở van dầu để giảm lượng dầu
FO vào lò. Khi lượng dầu FO giảm thì nhiệt độ trong lị cũng giảm
đến giá trị đặt SV. Bộ cảm ứng lưu lượng dầu cho tín hiệu đầu ra là
dịng điện từ (4 ÷ 20)mA tương ứng với lưu lượng dầu từ (0÷1000)L.
Tín hiệu dòng điện này được đưa tới bộ điều khiển để khống chế lưu

lượng gió theo chiều đóng bớt van gió nóng để giảm lượng khí đốt
phù hợp với lưu lượng dầu làm cho nhiệt độ giảm dần đến giá trị đặt.
Hệ thống đo và điều khiển áp lực dầu
Phạm vi đo lớn nhất : 10 kg/cm2.
Nguyên lý hoạt động :
Để tự động điều khiển áp lực dầu, thiết bị điều khiển thường
đặt giá trị 4kg/cm2.

10


Khi trên đường ống có áp lực dầu, bộ cảm biến cho ra tín hiệu
dịng diện một chiều từ (4 ÷ 20)mA tỷ lệ với áp lực dầu trong ống.
Khi giá trị đo lớn hơn giá trị đặt thì ở đầu ra của thiết bị điều
khiển sẽ cho ra dòng điện điều khiển cơ cấu đóng mở van theo chiều
mở van dầu hồi dẫn đến áp lực dầu trên đường ống sẽ giảm đến giá
trị đặt.
Khi giá trị đo nhỏ hơn giá trị đặt quá trình sẽ diễn ra ngược lại.
Hệ thống điều khiển nhiệt độ khí đốt
Phạm vi đo lớn nhất : 14000C
Nguyên lý làm việc :
Khi nhiệt độ khí đốt tăng (lúc đó giá trị đo lớn hơn giá trị đặt),
đầu ra bộ điều khiển cho ra tín hiệu điều khiển mở van gió lạnh đưa
vào đường gió nóng để làm giảm nhiệt độ của khí đốt.
Khi nhiệt độ khí đốt giảm (lúc đó giá trị đo nhỏ hơn giá trị
đặt), tín hiệu điều khiển đóng van gió lạnh lại.
* Nhận xét
Qua nghiên cứu cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của lò nung
ta nhận thấy rằng, lò nung là một đối tượng phi tuyến, yêu cầu tự
động hoá cao và ổn định nhiệt độ ở các vùng là rất cần thiết vì nó

quyết định đến năng suất và chất lượng sản phẩm.
Để nung thép người ta dùng dầu FO làm nhiên liệu đốt, vì vậy
làm sao để đốt cháy hết nhiên liệu, nhiệt năng toả ra là lớn nhất, tiêu
hao nhiên liệu là ít nhất trong một đơn vị sản phẩm, đây là bài toán
kinh tế cần giải quyết. Việc thiết kế hệ thống điều chỉnh nhiệt độ lò
cần giải quyết hai vấn đề. Một là điều chỉnh tỷ lệ lưu lượng dầu và
gió hợp lý phù hợp với năng suất lò. Hai là với một lượng dầu nhất
định cần phải cấp một lượng khơng khí là bao nhiêu để nhiệt độ ngọn
lửa là cực đại và ln duy trì ổn định tại vị trí đó.
Đề tài này sẽ nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển PID mờ ứng
dụng trong việc nâng cao chất lượng hệ điều khiển nhiệt độ lị nung
phơi dây truyền cán thép - Nhà máy cán thép Lưu Xá, điều khiển lưu
lượng gió theo lưu lượng dầu, duy trì tỷ lệ gió/dầu phù hợp nhất khi
có sự thay đổi của điều kiện làm việc và các yếu tố môi trường nhằm
nâng cao hiệu suất và tiết kiệm dầu.

11


CHƯƠNG III
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN
NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ
LỊ NUNG PHƠI NHÀ MÁY CÁN THÉP
Trong chương này, luận văn tổng hợp lý thuyết của bộ điều
khiển PID, bộ điều khiển mờ, bộ điều khiển PID mờ. Xuất phát từ sơ
đồ hệ thống điều khiển nhiệt độ, đặc tính kỹ thuật của các thiết bị
trong sơ đồ, xây dựng sơ đồ cấu trúc, hàm truyền toán học của các
thiết bị, tiến tới xây dựng bộ điều khiển PID mờ cho điều khiển nhiệt
độ. Kết quả thu được thông qua mô phỏng bằng phần mềm Matlab Simulink.
3.1. TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐIỀU KHIỂN PID

Cấu trúc chung của hệ điều khiển

Hình 3.1 : Cấu trúc hệ thống điều khiển
Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng hệ điều khiển
- Chỉ tiêu chất lượng tĩnh
- Chỉ tiêu chất lượng động
+ Lượng quá điều chỉnh.
+ Thời gian quá độ.
+ Số lần dao động.
Các quy luật điều khiển
- Quy luật điều chỉnh tỷ lệ (P), hàm truyền đạt của bộ điều
chỉnh tỷ lệ có dạng :
W(s) = K

12


- Quy luật điều chỉnh tỷ lệ tích phân, hàm truyền đạt :

W(s) = K m (1 +

1
)
TI s

+ Ưu điểm của quy luật tỷ lệ tích phân là tác động nhanh do
có thành phần tỷ lệ và có khả năng triệt tiêu sai lệch tĩnh do có thành
phần tích phân. Nếu ta chọn được tham số K m , TI thích hợp thì quy
luật điều chỉnh PI có thể áp dụng cho phần lớn các đối tượng trong
công nghiệp.

+ Nhược điểm của quy luật tích phân là tốc độ tác động nhỏ
hơn quy luật tỷ lệ. Vì vậy, nếu đối tượng yêu cầu tốc độ tác động
nhanh do nhiễu thay đổi liên tục thì quy luật tích phân khơng đáp
ứng được yêu cầu.
- Quy luật điều chỉnh tỷ lệ vi tích phân (PID), hàm truyền đạt
có dạng : W(s) = K m (1 +

1
+ TD s )
TI s

+ Nếu ta chọn được tham số tối ưu thì quy luật PID sẽ đáp ứng
được mọi yêu cầu về điều chỉnh chất lượng của các quy trình cơng
nghệ. Tuy nhiên, việc chọn được bộ ba thông số tối ưu là rất khó
khăn. Do đó trong cơng nghiệp, quy luật PID thường chỉ được sử
dụng khi đối tượng điều chỉnh có nhiều thay đổi liên tục và quy trình
cơng nghệ địi hỏi độ chính xác cao mà quy luật PI khơng đáp ứng
được.
Hiện có khá nhiều các phương pháp xác định các tham số K p,
TI, TD cho bộ điều khiển PID, song tiện ích hơn cả trong ứng dụng
vẫn là :
- Phương pháp Ziegler – Nichols.
- Phương pháp Chien – Hrones – Reswick.
- Phương pháp tổng T của Kuhn.
- Phương pháp tối ưu độ lớn và phương pháp tối ưu đối xứng.

13


3.2. TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN MỜ

Khái quát về điều khiển mờ
Điểm mạnh cơ bản của điều khiển mờ so với kỹ thuật điều
khiển kinh điển là nó áp dụng rất hiệu quả trong các quá trình chưa
được xác định rõ hay khơng thể đo đạc chính xác, các q trình được
điều khiển ở điều kiện thiếu thơng tin. Điều khiển mờ đã tích hợp
kinh nghiệm của các chuyên gia để điều khiển mà không cần hiểu
biết nhiều về các thông số của hệ thống.
Điều khiển mờ chiếm một vị trí quan trọng trong điều khiển học kỹ
thuật hiện đại, đến nay điều khiển mờ đã là một phương pháp điều
khiển nổi bật bởi tính linh hoạt và đã thu được những kết quả khả
quan trong nghiên cứu, ứng dụng lý thuyết tập mờ, logic mờ và suy
luận mờ.
So với các giải pháp kỹ thuật từ trước tới nay được áp dụng để
tổng hợp các hệ thống điều khiển bằng điều khiển mờ có những ưu
điểm rõ rệt sau :
- Khối lượng công việc thiết kế giảm di nhiều do khơng cần sử
dụng mơ hình đối tượng trong việc tổng hợp hệ thống.
- Bộ điều khiển mờ để dễ hiểu hơn so với các bộ điều khiển
khác (cả về kỹ thuật) và dễ dàng thay đổi. Đối với các bài tốn thiết
kế có độ phức tạp cao, giải pháp dùng bộ điều khiển mờ cho phép
giảm khối lượng tính tốn và giá thành sản phẩm.
- Trong nhiều trường hợp bộ điều khiển mờ làm việc ổn định
hơn, bền vững hơn khả năng chống nhiễu cao hơn và chất lượng điều
khiển cao hơn.
Ngày nay, với tốc độ phát triển vượt bậc của tin học và sự tương đối
hoàn thiện của lý thuyết điều khiển đã chắp cánh cho sự phát triển đa
dạng và phong phú của các hệ điều khiển mờ. Tuy nhiên vấn đề tổng
hợp được một bộ điều khiển mờ một cách chặt chẽ và ứng dụng cho
một đối tượng cụ thể nhằm nâng cao chất lượng điều khiển đang là
sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu.

14


Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ

Hình 3.10: Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ
Bộ điều khiển mờ tĩnh : Bộ điều khiển mờ tĩnh là bộ điều
khiển mờ có quan hệ vào/ra y(x) liên hệ nhau theo một phương trình
đại số (tuyến tính hoặc phi tuyến). Các bộ điều khiển tĩnh điển hình
là bộ khuyếch đại P, bộ điều khiển relay hai vị trí, ba vị trí v.v…
Bộ điều khiển mờ động : Các bộ điều khiển mờ động hay
được dùng hiện nay là bộ điều khiển mờ theo luật tỉ lệ tích phân, tỉ lệ
vi phân và tỉ lệ vi tích phân (PI, PD và PID).
Hệ điều khiển mờ lai F - PID : Hệ mờ lai viết tắt là F - PID là
hệ điều khiển trong đó thiết bị điều khiển gồm 2 thành phần : Thành
phần điều khiển kinh điển và thành phần điều khiển mờ.
* Kết luận : Đối với một hệ có cấu trúc luôn thay đổi hoặc một hệ
mà không thể biết rõ những thơng tin chính xác về hệ thì phương
pháp điều khiển mờ cho ta hiệu quả cao hơn cả. Bộ điều khiển mờ có
đặc điểm là có tính phi tuyến mạnh, khả năng chống nhiễu cao, nó rất
phù hợp với hệ có tính phi tuyến, phụ thuộc thời gian, có tham số rải
và thời gian trễ lớn.
Tuy nhiên trong thực tế ứng dụng của kỹ thuật điều khiển mờ
cho thấy rằng không phải cứ thay thế một bộ điều khiển kinh điển
bằng một bộ điều khiển mờ thì sẽ có một hệ thống tốt hơn. Trong
nhiều trường hợp, để hệ thống có đặc tính động học tốt và bền vững
cần phải thiết kế thiết bị điều khiển lai giữa bộ điều khiển mờ và bộ
điều khiển kinh điển. Từ đó dẫn đến khái niệm "hệ mờ lai" và lĩnh
vực thiết kế, ứng dụng bộ điều khiển mờ lai để nâng cao chất lượng

điều khiển của hệ thống. Hệ điều khiển mờ lai sẽ phát huy hết các ưu
điểm của bộ điều khiển mờ và bộ điều khiển kinh điển.
Xuất phát từ những phân tích trên tơi chọn phương pháp điều
khiển PID mờ để nghiên cứu và ứng dụng trong việc nâng cao chất
lượng hệ điều khiển nhiệt độ lị nung phơi - Nhà máy cán thép.

15


3.3. ỨNG DỤNG PID MỜ ĐỂ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LỊ
NUNG PHƠI
Để điều khiển nhiệt độ cho lị nung ta điều khiển cho từng
vùng với trị số đặt trước. Khi điều khiển nhiệt độ cho từng vùng ta
phải điều chỉnh tỷ lệ dầu, gió và khí nén theo tỉ lệ nhất định tùy thuộc
vào giá trị nhiệt độ cần đặt. Tuy nhiên khi ta xem dầu đã được kết
hợp với khí nén có đủ áp lực để mù hóa dầu và vì lượng gió được đặt
theo lượng dầu nên khi đó ta có thể coi việc điều khiển nhiệt độ lị
nung có một tín hiệu vào là lưu lương dầu và một tín hiệu ra là nhiệt
độ. Việc đo lường và điều khiển nhiệt độ cho ba vùng nung là hồn
tồn tương tự nhau vì vậy ta chỉ xét điều khiển nhiệt độ cho vùng
đồng nhiệt (1200  1250)0C.
Việc điều chỉnh nhiệt độ của lị thơng qua điều chỉnh lượng
dầu cung cấp cho lò, điều này tương đương với việc điều chỉnh góc
quay của van. Ở đây trong sơ đồ điều khiển nhiệt độ cho lò ta dùng 2
mạch vòng là mạch vòng vị trị cho van dầu và mạch vịng nhiệt độ.

Hình 3.16 : Sơ đồ điều khiển nhiệt độ lò
Hàm truyền của bộ biến đổi:
WBBD(s)=

K cl
57,2
=
1 + Tcl s 1 + 0,0036s

(3.18)

Hàm truyền động cơ:
WDC(s)=

1 / Ru
0,8333
=
1 + Tu s 1 + 0,0258s

(3.19)

- Hàm truyền van dầu :
WV(s)=

1000 − 0
= 62,5 (l/mA)
20 − 4

(3.20)

16


- Hàm truyền senso vi trí :

Wϕ ( s ) =

5 −1
= 0,637 (V/rad)
2Π − 0

(3.21)

- Hàm truyền senso nhiệt độ :

WT ( s ) =

5 −1
= 0,0028 (V/oC)
1400 − 0

(3.22)

Vậy hàm truyền của đối tượng điều chỉnh là :

WL ( s ) =

1,4
(1 + 60 s)(1 + 1200 s )

(3.23)

Tổng hợp bộ điều chỉnh vị trí

Hình 3.17 : Sơ đồ khối mạch vịng điều khiển vị trí

Whϕ ( s) = WBBD (s).WDC (s).WV ( s ) =
=

57,2
0,8333
.
.62,5
1 + 0,0036s 1 + 0,0258s

2979,0475
(1 + 0,0036s )(1 + 0,0258s )

Ta tiến hành tổng hợp theo phương pháp mođul tối ưu.

Whcϕ ( s) =

1
=
2τs (τs + 1).Whϕ ( s )

1
2979,0475
2τs (τs + 1)
(1 + 0,0036s )(1 + 0,0258s )

Chọn τ = 0,0258 ta được :

17

Whcϕ ( s) =

=

1
2.0,0258s (1 + 0,0258s ).

2979,0475
(1 + 0,0036s)(1 + 0,0258s ) =

(1 + 0,0036s )
153,71s

R(s)
=> R(s) khâu hiệu chỉnh vị trí là khâu tỷ lệ - tích phân (PI)

Wkϕ ( s) =

Rϕ ( s).Whϕ ( s)
1 + Rϕ ( s ).Whϕ ( s ).Wϕ ( s)

(1 + 0,0036s )
2979,0475
.
153,71s
(1 + 0,0036s)(1 + 0,0258s)
=
(1 + 0,0036s )

2979,0475
1+
.
.0,637
153,71s
(1 + 0,0036s)(1 + 0,0258s )
19,38
19,38
=
=
s(1 + 0,0258s ) + 12,34 0,0258s 2 + s + 12,34
19,38
1,57
≈
=
s + 12,34 1 + 0,081s
Tổng hợp bộ điều chỉnh nhiệt độ
Sơ đồ rút gọn của khâu điều chỉnh nhiệt độ :

Hình 3.18 : Sơ đồ rút gọn hệ thống điều khiển nhiệt độ lò

18


WhT ( s) = Wkϕ (s).WL ( s ) =

1,57
1,4
.
(1 + 0,081s ) (1 + 60 s)(1 + 1200s )

2,198
=
(1 + 0,081s)(1 + 60 s)(1 + 1200 s)

Áp

dụng phương pháp mođul tối ưu. Ta sử dụng bộ điều khiển PID :

1
RT(s) =

2τs(τs + 1)

2,198
(1 + 0,081s)(1 + 60 s )(1 + 1200 s)

Chọn τ = 1200, ta được :

1
RT(s) =

2.1200 s

2,198
(1 + 0,081s )(1 + 60 s)

=

(1 + 0,081s )(1 + 60 s )

5275,2 s

sử dụng khâu điều chỉnh nhiệt độ RT(s) là khâu PID.
Mô phỏng :
Ta tiến hành thay đổi tham số của lị để so sánh đặc tính tăng nhiệt
độ :

19


Hình 3.21 : Sơ đồ mơ phỏng hệ điều khiển nhiệt độ lò bằng bộ điều
khiển PID
(thay đổi tham số lò)

20


Hình 3.22 : Đặc tính q độ của lị khi thay đổi tham số
* Nhận xét : Trên đây là kết quả mơ phỏng q trình tăng nhiệt độ
của lị nhiệt trong các trạng thái khác nhau. Ta thấy trong hệ điều
chỉnh nhiệt độ làm việc khá ổn định. Tuy nhiên trong thực tế các
tham số của lò là các tham số rải, không tập trung, nên ta coi gần
đúng là tập trung để mô phỏng. Với một tham số của đối tượng là cụ
thể và khơng thay đổi thì bộ điều khiển PID kinh điển cho kết quả
mô phỏng đặc tính rất tốt. Nhưng khi tham số của đối tượng thay đổi
tức là đối tượng phi tuyến thì bộ điều khiển PID có thể làm tăng thời
gian quá độ hoặc phá vỡ tính ổn định của đặc tính. Vì vậy để hệ làm
việc tốt hơn nữa ta sẽ thiết bộ điều khiển PID kết hợp với bộ điều
khiển mờ để điều khiển nhiệt độ cho lò.
Xuất phát từ nhận xét ở trên, ta tiến hành xây dựng bộ điều

khiển PID mờ để điều khiển nhiệt độ lị nung phơi.

Hình 3.29 : Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển nhiệt độ lị bằng bộ điều
khiển PID mờ
* Kết quả mơ phỏng :

21


* Nhận xét :
- Ta thấy các đường đặc tính khá sát nhau, chứng tỏ khi thay
đỏi tham số thì bộ điều khiển có khả năng tự chỉnh định rất tốt để giữ
cho sự ổn định của hệ thống. Với những tham số bộ điều chỉnh PID
đơn thuần không tự điều chỉnh được thì với bộ điều khiển PID mờ
đặc tính (khi thay đổi tham số của lị) được điều chỉnh rất tốt.
- Khi sử dụng bộ điều khiển PID mờ ta thấy thời gian quá độ
của lò được rút ngắn và ổn định rất tốt mặc dù có sự thay đổi về tham
số trong quá trình làm việc.
- Khi chọn các tập giá trị mờ và luật điều khiển thich hợp thì
luật điều khiển mờ giúp cho hệ đạt được độ chính xác cao, giảm thời
gian q độ
Thuật tốn và chương trình đã được chuẩn hố nên việc thực
hiện khâu bù mờ tương đối đơn giản. Số lượng giá trị mờ và luật mờ
có thể chọn tuỳ ý nên ta có thể thực hiện bộ điều khiển mờ theo một
đặc tuyến phi tuyến mong muốn bất kỳ.
5. Kết luận
Từ việc nghiên cứu các cơ sở lý luận chung về điều khiển PID
và điều khiển mờ và đi sâu nghiên cứu ứng dụng cụ thể cho đôi

22

tượng là điều khiển nhiệt độ của lị nung phơi để nâng cao chất lượng
điều khiển nhiệt độ lò.
Với đối tượng có tham số khơng thay đổi hoặc thay đổi ít thì
bộ điều khiển PID cho đặc tính tốt. Nhưng với đối tượng có tham số
thay đổi trong phạm vi cho phép thì bộ điều khiển PID có thể khơng
chỉnh định được. Vì vậy bộ điều khiển PID kết hợp với bộ mờ có thể
giải quyết được vấn đề điều chỉnh và cho dạng đặc tính điều chỉnh
khá tốt.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
6.1. Ý nghĩa khoa học
Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ góp phần củng cố bổ sung
cho cơ sở lý thuyết về điều khiển nhiệt độ cho lị nung phơi trong các
nhà máy cán thép.
6.2. Ý nghĩa thực tiễn
Kết quả nghiên cứu của đề tài là cơ sở để nâng cao chất lượng
điều khiển hệ thống lò nung, điều khiển nhiệt độ trong lị nung phơi,
góp phần nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm thép đầu ra.

23