Phương pháp mô hình hóa và điều khiển trường nhiệt độ vật nung dày ( Luận án tiến sĩ)

Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn
của tập thể giáo viên hướng dẫn và các nhà khoa học. Các tài liệu tham khảo đã được trích
dẫn đầy đủ. Kết quả nghiên cứu là trung thực và chưa từng được ai công bố trên bất cứ một
công trình nào khác.
Hà Nội, ngày 08 tháng 06 năm 2018
Tập thể hướng dẫn

PGS.TS. Hoàng Minh Sơn

Tác giả

TS. Nguyễn Văn Hòa

1

Nguyễn Việt Dũng


Lời cảm ơn

Trong quá trình làm luận án với đề tài “Phương pháp mô hình hóa và điều khiển
trường nhiệt độ vật nung dày”, dưới sự hướng dẫn, tổ chức của tập thể cán bộ hướng dẫn
PGS.TS. Hoàng Minh Sơn và TS. Nguyễn Văn Hòa, tôi đã nhận được rất nhiều góp ý về
chuyên môn cũng như sự ủng hộ của các Thầy hướng dẫn, những người đã luôn gắn liền
với mọi hoạt động khoa học của tác giả. Tôi xin được gửi tới họ lời cảm ơn sâu sắc.
Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn đến các thầy cô, các đồng nghiệp, trong Bộ môn Điều
khiển Tự động, Đại học Bách khoa Hà Nội, nơi tôi luôn tự hào và vinh dự được là một
thành viên trong đó, đã tâm huyết, hướng dẫn tận tình, tin tưởng, quan tâm, giúp đỡ và tạo
mọi điều kiện cho tôi hoàn thành bản luận án trong suốt thời gian qua.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn Viện Điện, Viện đào tạo sau đại học và các Phòng

ban của Trường ĐHBK Hà Nội, đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình thực
hiện đề tài luận án.
Sau cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến những người thân yêu gia đình tôi,
bố mẹ, vợ, các con và họ hàng hai bên nội, ngoại đã luôn quan tâm, động viên, ủng hộ về
mọi mặt. Sự giúp đỡ của gia đình đã giúp tôi vượt qua khó khăn để hoàn thành luận án.
Tác giả luận án

2


Mục lục

Các ký hiệu được sử dụng

6

Bảng các ký hiệu viết tắt

12

Bảng danh mục các hình vẽ

13

MỞ ĐẦU

16

1.
2.

3.
4.
5.
6.

Tính cấp thiết của đề tài
Mục đích và nhiệm vụ của đề tài
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án
Phương pháp nghiên cứu
Ý nghĩa lý luận và thực tiễn
Bố cục của luận án

16
17
18
18
19
19

CHƯƠNG 1: BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH NUNG

21

1.1

Bài toán quá trình nung

21

1.2

Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

22

1.3

Vấn đề đặt ra trong luận án

24

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT TRONG VẬT
NUNG

28

2.1

Tổng quan về mô hình truyền nhiệt trong vật nung

28

2.1.1 Mô hình lý thuyết
2.1.1.1 Mô hình một chiều
2.1.1.2 Mô hình hai chiều
2.1.1.3 Mô hình ba chiều
2.1.2 Những phương pháp số để tìm nghiệm gần đúng cho mô hình lý thuyết
2.1.2.1 Phương pháp sai phân hữu hạn (FDM)
2.1.2.2 Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM)
2.1.2.3 Phương pháp thể tích hữu hạn (FVM)

2.1.3 Mô hình hóa bằng thực nghiệm
2.1.3.1 Chia vật nung thành các lớp đẳng nhiệt
2.1.3.2 Nhận dạng tham số lớp mô hình đẳng nhiệt

29
29
31
33
34
34
37
41
43
44
45

Xây dựng mô hình truyền nhiệt bên trong vật nung

47

2.2

3


2.3

2.2.1 Kết hợp suy luận mờ và công thức tách biến Galerkin để mô hình hóa
quá trình truyền nhiệt trong vật nung dày
2.2.1.1 Mô hình tách biến Galerkin của phương trình truyền nhiệt

2.2.1.2 Mô hình Galerkin-Mờ

47
48
50

Đánh giá chất lượng mô hình Galerkin-Mờ mô tả trường nhiệt độ trong vật
nung dày trên cơ sở so sánh với mô hình thực nghiệm bằng mô phỏng

52

2.3.1
2.3.2
2.3.3

Mô hình lớp đẳng nhiệt dạng lưới sai phân
Mô hình đẳng nhiệt cân bằng năng lượng
Đánh giá chất lượng mô hình Galerkin-Mờ trên cơ sở so
sánh với các mô hình thực nghiệm
2.3.4
Đánh giá chất lượng mô hình Galerkin-Mờ trên cơ sở so
sánh với các mô hình vật lý được xây dựng bởi công cụ
Simscape
2.3.4.1 Giới thiệu công cụ mô phỏng Simscape
2.3.4.2 Xây dựng mô hình vật lý của vật nung dày trong lò nung
2.3.4.3 So sánh mô hình vật lý Simscape với mô hình GalerkinMờ
2.4

Kết luận

53
53
54

57
57
58
60
62

CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH NUNG VỚI BỘ ĐIỀU KHIỂN LQR CÓ
RÀNG BUỘC TRƯỢT DỌC TRÊN TRỤC THỜI GIAN

64

3.1

Tổng quan về các phương pháp điều khiển

64

3.1.1 Phương pháp điều khiển hở
3.1.2 Các phương pháp điều khiển vòng kín

65
66

Đề xuất cấu trúc điều khiển

69

3.2.1 Điều khiển mô hình nội
3.2.2 Phân tích khả năng điều khiển phản hồi giá trị trạng thái quan sát được
của bộ điều khiển mô hình nội
3.2.2.1 Công cụ hỗ trợ: Không gian Sobolev
3.2.2.2 Tính well posed của phương trình truyền nhiệt
3.2.3 Các phương pháp giải tích tìm nghiệm của phương trình truyền nhiệt
3.2.3.1 Tìm nghiệm phương trình truyền nhiệt nhờ tách biến
3.2.3.2 Mô hình tách biến Galerkin và phương pháp Ritz-Galerkin
để tìm nghiệm phương trình PDE bậc hai

71

3.2

3.3

Đề xuất giải pháp sử dụng bộ điều khiển LQR có tham số biến đổi trượt
dọc trên trục thời gian

3.3.1 Xây dựng bộ điều khiển
3.3.1.1 Tư tưởng thiết kế
3.3.1.2 Xác định mô hình tuyến tính tiền định trượt dọc trên trục
thời gian
3.3.1.3 Ước lượng nhiễu và các thành phần bất định
3.3.1.4 Thiết kế bộ điều khiển LQR có tham số biến đổi theo thời
gian

4

72
73
75
76
77
78
80

81
81
83
84
86


3.3.1.5 Bổ sung khả năng đáp ứng điều kiện ràng buộc cho bộ
điều khiển
3.3.1.6 Thuật toán điều khiển
3.3.2 Đánh giá chất lượng bộ điều khiển
3.3.2.1 Kiểm tra tính ổn định tiệm cận của hệ sample data thu
được bằng lý thuyết
3.3.2.2 Kiểm tra chất lượng ổn định tiệm cận thông qua mô phỏng
3.4

3.5

88
88
92
92

95

Công cụ mô phỏng hệ “LÒ NUNG - VẬT NUNG”

101

3.4.1 Cài đặt thuật toán điều khiển LQR đề xuất
3.4.1.1 Khả năng xử lý sai lệch mô hình - đối tượng của bộ điều
khiển
3.4.2 Kết quả mô phỏng kiểm chứng, so sánh

101
101
102

Kết luận

110

Kết luận và kiến nghị

113

Những vấn đề đã được giải quyết
Những vấn đề còn tồn tại

113
113

Phụ lục chương trình

115

Mô hình Galerkin-Mờ đề xuất
Bảng thông số dùng mô phỏng tại mục 2.3.3 và 2.3.4
Bộ điều khiển theo thuật toán ở hình 3.7
Công cụ Simscape của MatLab

115
115
117
119

Các công trình đã công bố

124

Tài liệu tham khảo

125

5


Các ký hiệu được sử dụng
Ký hiệu

Ý nghĩa toán học/vật lý

Đơn vị

2

m s

a

Hệ số dẫn nhiệt độ

ai , j
aij

Các tham số hằng của mô hình đẳng nhiệt (-)
(2.43)
(-)
Hệ số của phương trình PDE parabolic (3.11)

a (u ,i )

Ánh xạ song tuyến (3.25)



Ma trận các thành phần vô hướng trong không (-)
gian Sobolev (3.24)
(-)
Ma trận của mô hình song tuyến (3.26)

A(x , y )

(-)

Ak

Ma trận trạng thái của mô hình LTI (3.27) tại (-)
thời điểm [tk , tk 1 )

b

Vetor biểu diễn tích vô hướng i ,  (V , t ) (-)
trong không gian Sobolev theo phương pháp
Galerkin (3.23).

c

Nhiệt dung riêng của vật nung

ci , i  1, 2,3

Các giá trị nhiệt dung riêng trung bình của vật
(kg  K ) 
nung theo không gian.
Các hệ số dùng biểu diễn trong tổ hợp tuyến (-)
tính nghiệm của phương trình PDE (3.11) theo
phương pháp Galerkin.
Vector biểu diễn theo các hệ số (-)
c j , j  1, 2,  , n của phương trình (3.23)

c j , j  1, 2,  , n
T

c  c1 ,c2 ,c3 ,...,cn 


D
d (t )

e (tk , i )
f

fi
Fk
g

Ma trận tích lũy toàn cục trong phương trình vi
phân đại số (2.35)
Đạo hàm bậc  trong không gian Sobolev.
Nhiễu đầu vào trong mô hình trạng thái (2.30)
Sai lệch mô hình đẳng nhiệt thứ i tại thời điểm
tk và giá trị đo được.
Véc tơ lượng nhiệt trong phương trình vi phân
đại số (2.35)
Hàm biểu diễn nhiệt độ lớp đẳng nhiệt thứ i
(2.42)
Ma trận biểu diễn qua các ma trận Ak , Bk , C k
ở trạng thái xác lập của mô hình LTI H k/ theo
(3.35).
Nguồn nhiệt bên trong vật nung

6

J
J

(kg  K ) 


g (Ti , hi )

Hàm biểu diễn tham số vật liệu nung theo (2.43)

h1 (y ), h2 (y ), h3 (y )

Hệ trục tọa độ biến thiên trong không gian ba
chiều theo phương pháp Galerkin (2.48).
Mô hình LTI xung quanh thời điểm tk của
(2.55).
Các vector đơn vị của các trục x , y , z trong
không gian ba chiều (hệ tọa độ Đề các)
Hàm cực tiểu hóa bình phương sai lệch mô hình
đẳng nhiệt và giá trị đo được (2.45).
Tiêu chuẩn tối ưu tích phân bình phương của
hai quỹ đạo  k (t ),  k (t ) của hệ (3.37) theo

Hk

 
i, j ,k

J i ( i )
Jk

ld j , ci

(3.38).
Ma trận dẫn nhiệt toàn cục (2.30).
Các tập mờ đầu ra dạng singleton của khâu mờ
hóa hai tham số  (T ), c (T ) của vật nung (2.52)

L

Chiều dày tấm vật nung

Lk

Nghiệm đối xứng xác định dương của phương
trình đại số Riccati (3.40).
Chuẩn của không gian vector của hàm nhiều
biến  trong không gian Sobolev.
Hàm nhiều biến trong phương pháp Galerkin
(3.18)

K

Lp
{.}
m

Khối lượng vật nung

n (t )

p

Nhiễu đo trong mô hình trạng thái (2.30)
Chỉ số vị trí các nút trong không gian theo các
phương pháp số.
Tỷ lệ bước thời gian và bước không gian (2.22)
theo các phương pháp số.
Số vùng sau khi chia lớp vật nung theo phương
pháp FVM
Chỉ số bước thời gian trong các phương pháp số

P (z , t )

Công suất truyền nhiệt theo chiều không gian z

P , E ,W

Ký hiệu các nút chia theo phương pháp FVM
Nội năng của vật nung theo chiều không gian z
và thời gian t .
Các ma trận xác định dương trong hàm mục tiêu
J k theo (3.38).

(m , n )
M
N

Q (z , t )

Qk , Rk



Trọng số thặng dư trong phương pháp Galerkin
(2.32)
Bộ điều khiển của hệ song tuyến (3.26).

7

m 

kg 

W / m 2 



J 


k

Bộ điều khiển của mô hình LTI H k (3.27) hoặc
(3.34) tại tk .

s

Bộ điều khiển cho hệ song tuyến bất định (3.30)
xác định theo (3.39).

Không gian vetor có n chiều.
Toán tử Laplace trong hàm truyền đạt.

S

Diện tích mặt nhận nhiệt của vật nung

m 2 
 

t

Thời gian

s 
K 

k

Rn

Tmp,n

T
Tl j , Tc j

Nhiệt độ của nút có chỉ số không gian m , n tại
thời điểm có chỉ số thời gian p theo các
phương pháp số.
Véc tơ nhiệt trong phương trình vi phân đại số

(2.35)
Các tập mờ tín hiệu đầu vào của khâu mờ hóa
hai tham số  (T ), c (T ) của vật nung.

T (0, t )

Nhiệt độ tại tâm vật nung trong mô hình
Galerkin-Mờ (2.51).

T (x , y , z , t )

Nhiệt độ của vật nung trong không gian

T (S , t )

Nhiệt độ bề mặt của vật nung.

T (V , t )

Nhiệt độ bên trong thể tích của vật nung.

T ( )

(-)
Hàm nhiều biến trong không gian Sobolev
Đạo hàm riêng bậc nhất và bậc hai của hàm
nhiều biến T (1 ,  2 ,  3 ,  4 )

Ti ,Ti j

Tw ,Tw
u j  u j (V , t )
U  W k ,p

u  u1 , u 2 
v (t )
v (z )

Nhiệt độ khí lò phía mặt trên và mặt dưới vật
nung.
Hệ tọa độ trục của không gian vetor con trong
phương pháp Galerkin.
Không gian vetor con của không gian Sobolev.
Vector các cường độ dòng nhiệt đi vào bề mặt
trên và mặt dưới của vật nung trong mô hình
Galerkin-Mờ (2.51).
Tín hiệu đầu vào của cơ cấu chấp hành của hệ
lò nung.
Hàm trơn tổng tuyến tính của các hàm hình
dạng (2.28).

i U

Các thành phần của tích vô hướng (3.22).

v (t )

Nhiễu trạng thái của mô hình song tuyến (3.30).
Quỹ đạo nhiệt độ đặt trước của hệ thống điều
khiển theo hình 2.1.

w (t )

8

K 
K 
K 

K 


wk

Giá trị đặt quỹ đạo bám cho hệ (3.27) tại thời
điểm tk .

W k ,p

 i (V , t )

Ký hiệu không gian Sobolev.
Hệ trục tọa độ vô hạn chiều trong không gian
Sobolev.

x  (x , y , z )T

Hệ tọa độ trong không gian.

(-)

X ,Y , Z

Tọa độ theo các trục x , y , z trong không gian.

 (z )

Hệ số dẫn nhiệt theo chiều z của vật nung.

m 
W (mK )



Khối lượng riêng của vật liệu nung.

kg m 3 




.

2

V  (x , y , z )

Ký hiệu phép tính lấy gradient của hàm số
Ký hiệu phép tính lấy divergence của vetor
Ký hiệu toán tử Laplace của hàm số.

Ký hiệu phần thể tích vật nung.
Thể tích vật nung trong không gian.

t

Khoảng thời gian.

x ,  y ,  z

Tọa độ nút chia trong không gian theo các
phương pháp số.
Hàm hình dạng toàn cục (2.27) của nút thứ i
theo FEM trong hướng z
Vetor các trạng thái của mô hình Galerkin-Mờ
(2.51).
Các vector trạng thái, vector đầu ra và vetor tín
hiệu điều khiển của mô hình song tuyến (3.26).
Vector trạng thái của mô hình (3.27) tại thời
điểm tk .

i (z )
x   x1 , x 2 , x 3 
x (t ), y (t ), u (t )

x (tk )

s 

x s [k ] , u s [k ]

Các trạng thái xác lập và tín hiệu điều khiển tại
trạng thái xác lập của hệ LTI H k/ theo (3.34).

x (tk )

Đạo hàm của vetor trạng thái của (3.31) tính
theo (3.32).

y

Vector đầu ra của mô hình song tuyến (3.26).

y (tk )

Vector đầu ra của mô hình (3.27) tại thời điểm
tk .

zi

Chỉ số nút thứ i khi chia lớp vật nung theo
chiều z theo phương pháp FVM.
Chỉ số theo vị trí các nút trong phương pháp
FVM.
Ràng buộc về tín hiệu điều khiển u (t ) U
trong hệ song tuyến bất định (3.30).

zW , z E



9

W m 2 




kk

Hệ số dẫn nhiệt của không khí.

1 ,  2 ,  , 

Các hệ số trong mô hình đẳng nhiệt (2.56).

 z E ,  zW

Khoảng cách các nút trong phương pháp FVM.

1 ,  2 ,  3 ,  4

Vetor các biến có n phần tử trong không gian
Sobolev.
Khoảng thời gian tính toán cần thiết của bộ điều
khiển cho một vòng lặp.
Các hệ số bức xạ tường lò mặt trên (+), mặt
dưới (-).
Ký hiệu thay thế cho các biến không gian và
thời gian (x , y , z , t ) của PDE bậc hai parabolic.



Hệ số dẫn nhiệt của vật nung.

i , i  1, 2,3

k ,  k

Các giá trị hệ số dẫn nhiệt trung bình của vật
nung theo không gian.
Ký hiệu của phép tính giá trị trung bình trong
không gian theo phương pháp Galerkin (2.50).
Các hệ số chọn trước để thay đổi hai ma trận
xác định dương Q , R trong thuật toán điều
khiển đề xuất.
Hằng số ngẫu nhiên trong phân bố Poisson
Trọng số của phương trình vi phân đại số (2.35)
Vector tham số từng lớp của mô hình đẳng nhiệt
(2.43)
Các giá trị xấp xỉ các thành phần bất định của
mô hình (3.30) theo (3.31).



Khối lượng riêng của vật nung

    Rn

k , 

w  , w 

 (, )
, 




i


 (V , t )

Hằng số thời gian của khâu đạo hàm-quán tính
bậc nhất (3.33).
Hàm nhiều biến phụ thuộc vào các biến không
gian và biến thời gian (x , y , z , t ) .

 *k (z k )

Các sai lệch trạng thái và sai lệch tín hiệu điều
khiển trong trạng thái xác lập của hệ (3.34).
Hàm khả vi vô hạn lần trong không gian
Sobolev.
Điều kiện đầu của phương trình Cauchy.
Nghiệm tối ưu của bài toán tối ưu tìm cực tiểu
tích phân bình phương (3.38).

A , B , C

Thành phần bất định tham số mô hình (3.30).




Biệt thức của phương trình PDE (3.11)
Không gian Sobolev.

 k (t ),  k (t )
 ( )
 (z )

10

W (m 2 .K ) 



W
W

(m.K )
(m.K )

kg m 3 




f (t )

Modul của vector f .

u , i

Chuẩn của các thành phần của tích vô hướng.

a , dv , Cdv , kk

Các hệ số trong mô hình đẳng nhiệt (2.57).

A(x , y ), B (x , y ),C (x )

Các ma trận của mô hình song tuyến (3.26).

Ak , Bk , C k

Các ma trận của mô hình LTI H k (3.27).

A* , B * , C *

Biểu diễn nghiệm của hệ (2.16) theo phương
pháp tách biến.
Các tham số khởi tạo cho thuật toán điều khiển
khi không có điều kiện ràng buộc (hình 3.7)

x 0 , u 0 , y 0 , A0 , B0 ,C 0

11

Bảng các ký hiệu viết tắt
FEM
FDM
FVM
MIMO
LQR
LTI
ODE
PDE

Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method)
Phương pháp sai phân hữu hạn (Finite Difference Method)
Phương pháp thể tích hữu hạn (Finite Volume Method)
Hệ nhiều đầu vào nhiều đầu ra (Multi Input-Multi Output)
Bộ điều khiển tuyến tính dạng toàn phương (Linear Quadratic Regulator)
Hệ tuyến tính dừng (Linear Time Invariant)
Phương trình vi phân thường (Ordinary Differential Equation)
Phương trình đạo hàm riêng (Partial Differential Equation)

12


Bảng danh mục các hình vẽ
Hình 1.1: Đối tượng nghiên cứu của luận án là vật nung dày.

25

Hình 1.2: Sơ đồ hệ thống điều khiển đề xuất của luận án.

26

Hình 2.1: Minh họa mô hình truyền nhiệt một chiều trong vật nung.

29

Hình 2.2: Minh họa mô hình truyền nhiệt hai chiều trong vật nung.

32

Hình 2.3: Biểu diễn các nút trên hệ hai chiều (a)-nút giữa, (b)-nút biên.

35

Hình 2.4: Sơ đồ các nút để giải bài toán truyền nhiệt không ổn định.

36

Hình 2.5: Cấu trúc mô hình Galerkin-Mờ.

51

Hình 2.6: Mờ hóa tín hiệu vào.

51

Hình 2.7: Mờ hóa tín hiệu ra.

51

Hình 2.8: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của  (T ), c (T ) vào nhiệt độ thể hiện
qua khâu quan hệ mờ.

51

Hình 2.9: So sánh nhiệt độ tâm vật nung khi sử dụng các mô hình khác nhau.

54

Hình 2.10: So sánh phân bố trường nhiệt độ của mô hình Galerkin-Mờ và mô
hình lưới sai phân.

55

Hình 2.11: Chênh lệch nhiệt độ giữa mặt trên và mặt dưới vật nung của mô hình
Galerkin-Mờ và của mô hình lưới sai phân.

56

Hình 2.12: Khối lò nung được xây dựng với Toolbox Simscape.

60

Hình 2.13: Khối vật nung được xây dựng với Toolbox Simscape.

60

Hình 2.14: Sơ đồ Simulink khảo sát nhiệt độ vật nung của khối lò nung được xây
dựng bởi Simscape và Mô hình Galerkin-Mờ.

61

Hình 2.15: Khảo sát nhiệt độ vật nung của mô hình vật lý được xây dựng với
phần mềm Simscape và mô hình Galerkin-Mờ đề xuất.

61

Hình 2.16: So sánh nhiệt độ tâm vật nung của mô hình vật lý Simscape và của
mô hình Galerkin-Mờ đề xuất.

62

Hình 3.1: Cấu trúc điều khiển vòng kín.

68

Hình 3.2: Đề xuất sử dụng cấu trúc điều khiển kiểu mô hình nội để điều khiển
quá trình truyền nhiệt trong vật nung dày.

69

Hình 3.3: Phương trình PDE mô tả quá trình truyền nhiệt trong vật nung là mô
hình toán của đối tượng.

73

13


Hình 3.4: Minh họa nguyên lý thiết kế bộ điều khiển LQR có tham số biến đổi

trượt dọc trên trục thời gian.

82

Hình 3.5: Tín hiệu đặt cho hệ LTI H k để thiết kế bộ điều khiển k .

84

Hình 3.6: Xấp xỉ giá trị đạo hàm bằng khâu causal đạo hàm quán tính bậc nhất.

85

Hình 3.7: Lưu đồ tính toán tín hiệu điều khiển khi có điều kiện ràng buộc.

91

Hình 3.8: Sơ đồ tính toán tín hiệu điều khiển theo thuật toán đề xuất

92

Hình 3.9: Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển nhiệt độ tâm vật.

96

Hình 3.10: Kết quả điều khiển nhiệt độ tâm vật nung.

97

Hình 3.11: Tín hiệu điều khiển và chuẩn của ma trận phản hồi trạng thái của bộ
điều khiển.

98

Hình 3.12: Quỹ đạo theo thời gian của các biến trạng thái “ảo” trong mô hình
Galerkin-Mờ.

99

Hình 3.13: Sơ đồ điều khiển nhiệt độ tâm vật có khả năng xử lý sai lệch giữa mô
hình và đối tượng điều khiển.

100

Hình 3.14: Sơ đồ mô phỏng dùng thuật toán đề xuất cho mô hình Simscape.

103

Hình 3.15: Kết quả mô phỏng thuật toán bám đề xuất cho mô hình Simscape và
mô hình Galerkin-Mờ.

103

Hình 3.16: Các nhiễu tác động trong sơ đồ điều khiển nhiệt độ tâm vật nung với
mô hình Simscape.

104

Hình 3.17: Kết quả mô phỏng bài toán bám nhiệt độ tâm vật dùng mô hình
Simscape khi có nhiễu đầu vào và nhiễu đo tác động.

105

Hình 3.18: Kết quả mô phỏng bài toán bám nhiệt độ tâm vật dùng mô hình
Simscape khi có nhiễu đo và nhiễu đầu vào cùng tác động.

105

Hình 3.19: Sai lệch nhiệt độ tâm vật khi có và không có nhiễu đo/ nhiễu đầu vào.

106

Hình 3.20: Sai lệch nhiệt độ giữa quỹ đạo đặt và nhiệt độ tâm vật khi có nhiễu
đo/ nhiễu đầu vào tác động.

106

Hình 3.21: Sơ đồ mô phỏng dùng thuật toán đề xuất điều khiển nhiệt độ mặt vật
nung mô hình Simscape

107

Hình 3.22: Kết quả mô phỏng thuật toán điều khiển bám nhiệt độ mặt vật nung
đề xuất cho mô hình Simscape và mô hình Galerkin-Mờ

108

Hình 3.23: Sai lệch nhiệt độ mặt vật nung của mô hình Galerkin-Mờ và
Simscape với quỹ đạo cho trước.

108

14


Hình 3.24: Kết quả mô phỏng thuật toán điều khiển bám nhiệt độ mặt vật nung
đề xuất cho mô hình Simscape và mô hình Galerkin-Mờ khi có cả nhiễu đo và
nhiễu đầu vào.

109

Hình 3.25: Sai lệch nhiệt độ mặt vật nung của mô hình Galerkin-Mờ và
Simscape với quỹ đạo cho trước khi có nhiễu đo và nhiễu đầu vào.

109

15


MỞ ĐẦU

1.

Tính cấp thiết của đề tài

Vấn đề điều khiển quá trình nung trong công nghệ sản xuất kim loại và thép công
nghiệp là một trong những vấn đề có nhiều nhà nghiên cứu và nhà đầu tư trong và ngoài
nước quan tâm trong suốt nhiều thập kỷ qua. Với mục tiêu cần phải có được những mô tả
cơ bản nhất về hệ thống để các kỹ sư, nhà nghiên cứu từ đó xây dựng nên những hệ thống
điều khiển đảm bảo các yêu cầu về mặt công nghệ nói chung và tiết kiệm năng lượng, giảm
ô nhiễm môi trường nói riêng. Đặc biệt với quá trình sản xuất trong lĩnh vực luyện kim, có

nhiều đặc điểm hiện nay vẫn là những trở ngại lớn đối với các kỹ sư điều khiển đó là:
 Khả năng đo lường các đại lượng vật lý khó khăn, không khả thi hoặc khả thi nhưng
điều kiện môi trường đo khắc nghiệt bởi nhiệt độ cao, trạng thái ẩm ướt, bụi bẩn,
nhiễu điện, rung lắc,…
 Các thuộc tính của vật liệu nung và các tham số của hệ thống thay đổi theo nhiệt độ,
do quá trình chuyển pha của vật liệu và các điều kiện hoạt động khác nhau của hệ
thống. Bản chất cả hệ thống là một hệ phi tuyến, tham số phân bố rải, phụ thuộc thời
gian, có nhiều đầu vào điều khiển và các trạng thái của hệ thống bị ràng buộc.
 Sự phụ thuộc lẫn nhau về mặt vật lý, hóa học hoặc cả hai khía cạnh trên một cách
không rõ ràng, nó làm cho mô hình mô tả về hệ thống thêm phức tạp, rắc rối khi xét
đến các khía cạnh khác nhau của hệ thống.
 Trong quá trình vận hành hệ thống sách lược điều khiển có thể phải thay đổi phù hợp
với nhiều mục đích khác nhau.
Quá trình nung các vật nung dày là một công đoạn quan trọng trong dây chuyền
luyện kim. Quá trình này tiêu tốn một nguồn năng lượng lớn, hiện nay trên thế giới đã và
đang có nhiều nghiên cứu tập trung để trả lời câu hỏi là: Cần bao nhiêu năng lượng cung
cấp cho lò - vật nung và làm thế nào để bố trí các mỏ đốt để lò hoạt động tối ưu? Làm thế
nào để nhiệt độ các vật nung đạt được giá trị mong muốn?... Để trả lời các câu hỏi trên tức
là ta sẽ cần phải tìm ra lời giải cho các bài toán trên bằng các thuật toán điều khiển phù hợp
cho hệ phi tuyến tham số phân bố rải lò-vật nung cũng như các trạng thái vận hành không
ổn định của hệ lò nung-vật nung.

16


Đã có rất nhiều các nghiên cứu khoa học công bố về mô hình, điều khiển, hoạt động
và cả tối ưu cho hệ thống lò nung - vật nung hay quá trình nung nói chung, chẳng hạn như
[9,14,15,16,17,18,19,20,23,25,26,29,32,42,46,47,53,57,60,68,69,70,71,72,73,75,77,78]. Về
cơ bản, các dạng mô hình chủ yếu được sử dụng vẫn là mô hình thực nghiệm, mô hình
phương trình vi phân thường (ODE) và phương trình vi phân đạo hàm riêng (PDE). Hiện

nay, đa số các hệ thống điều khiển quá trình nung thường sử dụng là cấu trúc điều khiển
vòng kín để đảm bảo nhiệt độ bề mặt vật nung đi theo được một quỹ đạo đặt trước. Đó là
cải tiến lớn so với hệ thống điều khiển hở trước đây. Bên cạnh đó các vấn đề về điều khiển
tối ưu quá trình nung cũng đã được quan tâm. Thực tế, không có những điểm chung cho tất
cả các quá trình nung, hay điểm chung trong bài toán điều khiển nung. Vì lý do hầu hết
trong các nghiên cứu đã công bố, các tác giả sử dụng các mô hình lò nung khác nhau, các
loại vật nung khác nhau, với yêu cầu và việc giải quyết bài toán điều khiển và các phương
pháp đề xuất là cũng khác nhau. Tức là, các nghiên cứu này đều tập trung giải quyết các
quá trình nung riêng lẻ mà chưa tổng quát hóa thành các phương pháp chung cho đối tượng
quá trình nung này.
Từ đó luận án hy vọng đề xuất một hướng đi mới về mặt tiếp cận mô hình quá trình
nung có đặc điểm phi tuyến và phân bố rải, đồng thời cải thiện thuật toán điều khiển đã có
theo xu hướng điều khiển nhiệt độ ở tâm vật nung đi theo quỹ đạo đặt trước, thay vì nhiệt
độ bề mặt của vật nung.

2.

Mục đích và nhiệm vụ của đề tài

Trong một vài năm gần đây, xu hướng áp dụng các phương pháp điều khiển tiên tiến
như điều khiển tối ưu, kỹ thuật điều khiển dự báo cho các quá trình phức tạp, mô hình
nhiều bậc, các hệ động học phi tuyến là hiệu quả và cho các kết quả tốt. Vì vậy, hệ lò-vật
nung là một trường hợp cụ thể, phù hợp để có thể vận dụng các kỹ thuật này.
Trên cơ sở về các vấn đề được quan tâm trong lĩnh vực điều khiển lò nung-vật nung
ở trong và ngoài nước vừa trình bày, luận án đặt ra mục tiêu:
 Nghiên cứu khả năng sử dụng mô hình truyền nhiệt dạng PDE có tham số thay đổi
theo nhiệt độ bên trong vật nung vào thiết kế bộ điều khiển, đây là mô hình lý thuyết
phù hợp với bản chất vật lý của quá trình truyền nhiệt trong lò-vật nung. Mô hình đề
xuất có thể triển khai từ hệ lò-vật nung thực tế, nó phải được biểu diễn ở dạng thông
dụng với đầy đủ các hiện tượng vật lý và tính liên kết về động học với lò nung. Mô

hình cũng có thể mang đặc điểm phi tuyến và không liên tục của quá trình nung và
có thể được sử dụng trong chế độ hoạt động không ổn định của lò nung.
 Nghiên cứu xây dựng bộ điều khiển có khả năng quan sát và thay đổi trường nhiệt độ
trong lòng vật nung theo một quỹ đạo định trước. Thuật toán đề xuất cần dễ triển
khai, bền vững và phù hợp cho hệ thống thực, có khả năng sử dụng thông tin từ mô
hình toán học của đối tượng. Hệ thống điều khiển khi đó là hoàn toàn tự động với các

17


giải pháp can thiệp dễ dàng cho người vận hành. Đảm bảo một hay nhiều chỉ tiêu
chất lượng của quá trình nung như thời gian, chất lượng phân bố trường nhiệt độ
trong lòng tấm vật nung, đồng thời đảm bảo một số điều kiện ràng buộc nhất định
trong quá trình vận hành của hệ lò-vật nung.
 Kiểm chứng tính khả thi của phương pháp điều khiển đề xuất thông qua mô phỏng
sát với những điều kiện trong thực tế. Viết chương trình thuật toán điều khiển đề
xuất, cài đặt và thử nghiệm trên công cụ mô phỏng vật lý tin cậy.
Như vậy, khác với các bài toán điều khiển lò nung hiện đang được quan tâm, là điều
khiển nhiệt độ bề mặt vật nung đi theo quỹ đạo mong muốn, thì ở luận án này, nhiệm vụ
chính sẽ là điều khiển trường nhiệt độ bên trong vật nung nằm trong lò nung. Rõ ràng, khi
kết hợp thêm với bộ điều khiển nhiệt độ lò nung phía bên ngoài vật nung, ta sẽ được một
hệ thống điều khiển hoàn chỉnh tính từ bước điều khiển vòng ngoài để cung cấp nhiệt
lượng cho lò, chẳng hạn như độ mở van cấp nhiên liệu đốt lò, cho tới việc điều khiển phân
bố trường nhiệt độ của bản thân vật nung nằm trong lò. Hệ thống đó sẽ giúp phần nâng cao
được chất lượng sản phẩm được nung. Do đó nó có ý nghĩa thiết thực trong thực tế.

3.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án

Đối tượng nghiên cứu của luận án là lò nung với vật nung dày trong lò nung. Vật
nung được cấp nhiệt ở hoặc một, hoặc cả hai bề mặt trên và dưới theo chiều dày z .
Luận án giới hạn bài toán ở lượng nhiệt được cấp cho vật nung là được rải đều theo
trục x , y và coi như bài toán tạo ra nguồn nhiệt cấp cho vật nung bên trong lò nung đã
được giải quyết. Nói cách khác, luận án sẽ coi trực tiếp lượng nhiệt cấp cho bề mặt vật
nung đó là tín hiệu điều khiển.
Luận án cũng giả thiết là nhiệt độ trong lòng vật nung là không đo được, mà chỉ có
thể ước lượng được thông qua mô hình truyền nhiệt trong vật nung dưới dạng phương trình
vi phân đạo hàm riêng. Đó chính là lý do đưa tới đề xuất của luận án là sử dụng phương
pháp điều khiển theo kiểu mô hình nội, được trình bày dưới đây.

4.

Phương pháp nghiên cứu
Để đạt được các mục tiêu đề ra, phương pháp nghiên cứu của luận án đó là:

 Phân tích các công trình nghiên cứu mới nhất về mô hình, điều khiển quá trình
nung, hệ lò-vật nung từ các phương pháp lý thuyết để có thể đề xuất cách tiếp cận thích
hợp từ đó thu được mô hình phù hợp của đối tượng nghiên cứu là trường nhiệt độ trong vật
nung dày.
 Đề xuất phát triển, ứng dụng các thuật toán điều khiển đã có cho mô hình phù hợp
với mô tả quá trình nung để đảm bảo chất lượng của hệ thống điều khiển quá trình nung,

18


giải quyết các vấn đề lý thuyết và áp dụng kiểm chứng các kết quả qua mô phỏng trên phần
mềm Matlab.

5.

Ý nghĩa lý luận và thực tiễn

Về mặt phương pháp luận, luận án hướng tới một mô hình mô tả quá trình truyền
nhiệt trong vật nung dày phù hợp hơn với bản chất truyền nhiệt trong vật nung mà vẫn có
thể sử dụng được để thiết kế bộ điều khiển trong không gian trạng thái. Tức là, thay vì phải
tiếp cận mô hình truyền nhiệt này ở dạng phương trình PDE, là trở ngại đối với bất kỳ kỹ
sư hay nhà thiết kế hệ thống nào, luận án đề xuất một số bước với công cụ để chuyển
phương trình PDE mô tả hệ có thông số phân rải trên về dạng mô hình trạng thái. Từ đó, có
thể áp dụng những thuật toán phù hợp cho dạng mô hình thu được.
Về mặt thực tiễn, với mô hình và thuật toán điều khiển đề xuất, luận án hướng tới
đánh giá chất lượng thông qua mô phỏng và thí nghiệm, cũng như để kiểm chứng độ tin
cậy của hệ thống điều khiển. Sau đó tiếp tục chuyển giao thuật toán điều khiển này vào
thực tế.

6.

Bố cục của luận án
Luận án được bố cục gồm các nội dung cụ thể như sau:

Chương 1: Giới thiệu về bài toán điều khiển quá trình nung. Trong đó, xuất phát từ
yêu cầu công nghệ của quá trình nung vật dày trong lò nung, những khó khăn khi tiếp cận
mô hình hóa, luận án đặt ra bài toán, đối tượng và phạm vi nghiên cứu với thông tin từ tình
hình các nghiên cứu ở trong và ngoài nước. Tác giả đề xuất phương pháp nghiên cứu, ý
nghĩa về mặt lý luận và thực tiễn của việc giải quyết bài toán điều khiển trường nhiệt độ
của vật nung dày trong lò nung và các đóng góp của luận án đã đạt được.
Chương 2: Nghiên cứu xây dựng mô hình quá trình truyền nhiệt bên trong vật nung.
Với xuất phát từ các nghiên cứu về mô hình truyền nhiệt trong vật nung bằng các phương
pháp lý thuyết và thực nghiệm. Qua đó, tác giả đề xuất xây dựng mô hình truyền nhiệt
trong vật nung từ phương trình PDE kết hợp với phương pháp tách biến Galerkin và quan

hệ mờ để mờ hóa hai tham số c (T ),  (T ) của vật liệu phụ thuộc theo nhiệt độ. Kết quả thu
được một mô hình trạng thái song tuyến phù hợp với mục đích điều khiển trường nhiệt độ
trong vật nung dày. Mô phỏng và so sánh mô hình đề xuất với một số mô hình thực
nghiệm đã công bố.
Chương 3: Điều khiển quá trình nung với bộ điều khiển LQR có ràng buộc trượt dọc
trên trục thời gian. Từ mô hình Galerkin-Mờ có dạng song tuyến đề xuất ở chương 2. Tác
giả đề xuất ứng dụng thuật toán mô hình nội với bộ điều khiển vòng ngoài theo nguyên lý
tối ưu trượt dọc trục thời gian (bộ điều khiển tối ưu không dừng) để điều khiển trường
nhiệt độ trong vật nung bám theo quỹ đạo đặt cho trước. Thuật toán đề xuất có xét đến ảnh

19


hưởng của nhiễu đo, nhiễu đầu vào của mô hình và có khả năng thỏa mãn điều kiện ràng
buộc của hệ thống. Mô phỏng kiểm chứng chất lượng hệ thống điều khiển với bộ điều
khiển đề xuất trên mô hình vật lý được xây dựng bởi Toolbox Simscape của Matlab.

20


CHƯƠNG 1: BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
NUNG

Để có thể hiểu rõ về quá trình nung nói chung và hệ thống lò-vật nung nói riêng sau
đây luận án sẽ chỉ ra những bài toán cần quan tâm hiện nay đối với quá trình nung trong
dây chuyền của các nhà máy luyện kim. Từ các nghiên cứu tổng quan về quá trình nung đã
được công bố trong và ngoài nước về mô hình quá trình nung, về hệ thống điều khiển, luận
án sẽ đặt ra bài toán quá trình nung trong phạm vi giới hạn của nghiên cứu và đề xuất các
phương phướng cần giải quyết cho bài toán đặt ra.

1.1

Bài toán quá trình nung

Quá trình nung vật dày là một công đoạn quan trọng trong dây chuyền luyện kim
nhưng rất tiêu tốn năng lượng. Trung tâm của quá trình nung chính là hệ lò nung với vật
nung nằm ở trong không gian lò. Đặc điểm dễ nhận thấy của hệ trên về mặt mô hình đó là
một hệ phi tuyến và phân bố rải, tức là các thông số nhiệt vật lý của lò nung và cả vật nung
không những thay đổi theo vị trí không gian và thời gian mà còn biến thiên theo nhiệt độ.
Trong quá trình nung vật liệu kim loại, có ba thông số đặc trưng cho công nghệ đó là
nhiệt độ của kim loại, sự phân bố nhiệt độ trong vật nung (sự đồng đều nhiệt độ trong phôi
nung) và thời gian nung [5,9,10,12,64,72]. Đối với chỉ tiêu nhiệt độ bề mặt vật nung trong
quá trình nung, khi nâng nhiệt độ bề mặt vật nung sẽ tăng tốc độ hình thành lớp xỉ nung
trên bề mặt kim loại. Nếu nhiệt độ bị quá một giới hạn nào đó, lớp xỉ nung sẽ chảy và làm
kết dính mặt của kim loại với đáy lò nung. Đó chính là nguyên nhân gây ra tổn thất về mặt
vật liệu do sự oxy hóa, do phản ứng khử các bon, sự cháy và cả do sự quá nhiệt của kim
loại thành xỉ nung và làm ảnh hưởng tới các khâu gia công tiếp theo trong dây chuyền. Nếu
nung nhanh kim loại từ trạng thái nhiệt độ xác lập ban đầu đến một nhiệt độ xác lập mới ta
sẽ cần tăng tốc nhiệt độ lò nung, theo đó nhiệt độ bề mặt vật nung cũng tăng theo. Ở điều
kiện nhất định, mỗi chế độ nung vật nung khác nhau sẽ có một giản đồ nâng nhiệt độ lò
nung, từ đó nâng nhiệt độ bề mặt của vật nung và giá trị nhiệt độ trung bình của vật nung
khi ra lò [12,33,64].
Với chỉ tiêu độ đồng đều nhiệt trong vật nung khi ra lò: Chỉ tiêu này xét với tiết diện
của vật nung, nó có ảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm nung và mức độ tiêu thụ năng

21


lượng ở các quá trình gia công đối với vật nung sau khi ra lò, (ví dụ ảnh hưởng tới cấu trúc
hình dạng của phôi nung khi ra lò, độ hao mòn trục máy cán, lượng phế liệu do công đoạn

sau bị ảnh hưởng và gây ra các tổn hao khác trong quá trình gia công). Theo quan điểm về
nhiệt động học, ở vật nung dày là vật nung có chỉ số Bi  0, 5 (Bi là tỷ số nhiệt trở trong
của vật nung và nhiệt trở môi trường ngoài), tức là có sự chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt
và các lớp bên trong của vật nung trong quá trình nung [5,10,12,36,59,78]. Vì vậy, ta phải
quan tâm đến sự chênh lệch nhiệt độ này khi xét đến chỉ tiêu đồng đều về nhiệt trong vật
nung. Cho nên, đối với vật nung dày, việc chọn chế độ nung bao gồm nhiệt độ ban đầu của
lò và nhiệt độ ban đầu của vật nung có ý nghĩa quan trọng, đặc biệt trong giai đoạn nhiệt
độ vật nung từ giá trị ban đầu đến nhiệt độ bắt đầu biến dạng dẻo của kim loại (khoảng

500oC ) là vùng nhiệt độ đặc biệt quan trọng đối với thép và các vật liệu kim loại. Trong
giai đoạn này, nếu giảm nhiệt độ trong lò dẫn đến nung chậm, ngược lại nếu tăng nhiệt độ
sẽ tạo ra sự chênh lệch nhiệt độ lớn theo chiều dầy của vật nung, đó là nguyên nhân gây
nên ứng suất nhiệt. Như vậy, ở giai đoạn này ta phải điều khiển nhiệt độ lò nung sao cho
tốc độ nung hợp lý để đồng thời đảm bảo hiệu nhiệt độ giữa bề mặt và tâm của vật nung
nằm trong giới hạn cho phép. Theo đặc điểm công nghệ, chênh lệch nhiệt độ theo chiều
dày vật nung ở cuối quá trình nung cũng bị giới hạn cho phù hợp với quá trình công nghệ
tiếp theo.
Chỉ tiêu thứ ba là thời gian nung: Đó là thời gian cần đảm bảo quá trình cung cấp vật
nung sau khi ra lò để đi vào khâu gia công tiếp theo. Nếu thời gian nung kéo dài, sẽ dẫn
đến tăng sự oxi hóa, sự khử các bon kim loại thành xỉ nung, hơn thế nữa sẽ làm tiêu tốn
nhiều năng lượng của quá trình nung (nhiệt năng) dẫn đến làm giảm năng suất của dây
chuyền. Do đó, thời gian nung cũng cần khống chế sao cho phù hợp với quá trình công
nghệ [9,23,33,59,78].
Từ các yêu cầu về mặt công nghệ đã chỉ ra ở trên, ta thấy rõ ràng các bài toán điều
khiển quá trình nung nói chung cần thỏa mãn một trong số các chỉ tiêu trên hoặc kết hợp
hai hay cả ba chỉ tiêu đã nêu.
Để có thể đặt nghiên cứu trong luận án với mục tiêu rõ ràng và cụ thể hơn, sau đây
NCS sẽ đi từ các nghiên cứu khoa học đã được công bố về lĩnh vực điều khiển và tự động
hóa quá trình nung ở trong và ngoài nước.

1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
Trong rất nhiều các công trình nghiên cứu được công bố về lĩnh vực điều khiển quá
trình nung và hệ lò nung-vật nung nói riêng, xét về mặt điều khiển và tự động hóa ta có thể
phân ra thành các nội dung nghiên cứu về xây dựng mô hình quá trình nung, với mô hình
có thể của riêng đối tượng lò nung, hoặc riêng đối tượng vật nung bên trong lò, hay có khi
kết hợp xây dựng mô hình cả hệ lò nung-vật nung. Nội dung nghiên cứu còn lại về điều
khiển quá trình nung với các công bố về cấu trúc hệ thống điều khiển, các luật điều khiển

22


được sử dụng để điều khiển nhiệt độ lò nung nói chung, hay các vùng lò nung nói riêng,
qua đó gián tiếp điều khiển nhiệt độ vật nung thỏa mãn một hoặc nhiều các chỉ tiêu của quá
trình nung như đã phân tích ở trên.
Trong các nghiên cứu được công bố về xây dựng mô hình quá trình nung, nội dung
chính là cần xây dựng được mô hình truyền nhiệt trong lò nung và bên trong vật nung.
Trên cơ sở các lý thuyết của nhiệt động học về hiện tượng vật lý xảy ra trong không gian lò
nung, trong vật nung mà các nhà nghiên cứu đưa ra mô hình truyền nhiệt phù hợp.
Về mô hình truyền nhiệt trong lò và trong vật nung, trong đa số các công bố, dạng
mô hình chủ yếu được sử dụng vẫn là mô hình thực nghiệm [10,23,25,27,29,34,35,44,48].
Chúng có được dựa trên cơ sở phân vùng và nhận dạng tham số mô hình đẳng nhiệt trong
từng vùng lò hoặc lớp vật nung. Đây là dạng mô hình phương trình ODE nên rất thuận tiện
cho việc thiết kế bộ điều khiển sau này [23,25,34,35,53]. Tuy nhiên, nó không phải là loại
mô hình lý thuyết phù hợp với bản chất vật lý của quá trình truyền nhiệt, vốn thường được
biểu diễn dưới dạng phương trình PDE. Vì lẽ đó mà trên thế giới cũng đã có xu hướng sử
dụng loại mô hình truyền nhiệt PDE này vào thiết kế điều khiển quá trình nung. Đó là loại
mô hình PDE được xấp xỉ thành ODE giới thiệu ở các tài liệu [14,15,16,17,18,19,20] với
các tham số vật nung được giả thiết là hằng số tại mọi vị trí trong lò. Nội dung chi tiết về
tổng quan mô hình truyền nhiệt trong vật nung sẽ được NCS trình bày trong chương tiếp
theo.

Theo quan điểm về mặt điều khiển và tự động hóa, các phương pháp điều khiển, hệ
thống điều khiển lò-vật nung đã được công bố trong các công trình nghiên cứu chủ yếu
được chia làm hai loại. Đó là điều khiển hở [9,16,18,23,25,34] và điều khiển vòng kín
[15,18,27,28,34,44,48,53,65,77,78]. Cả hai nhóm phương pháp điều khiển này đều có
chung nhiệm vụ là giữ được cho nhiệt độ trong lò (vùng lò) thay đổi theo một quỹ đạo định
trước, bên cạnh một số ít các công bố có điều khiển nhiệt độ ở bề mặt vật nung mà chủ yếu
sử dụng thông tin này để điều chỉnh nhiệt độ vùng lò nung cho phù hợp với chủng loại vật
nung. Trong một số các công bố khác thì tính toán giá trị nhiệt độ đặt cho lò dựa trên thông
tin về nhiệt độ bề mặt vật nung, hay qua một khâu quan sát, hoặc một khâu mô phỏng
trường nhiệt độ bên trong vật nung. Nội dung tổng quan về các phương pháp điều khiển hệ
lò nung-vật nung sẽ được NCS trình bày trong chương 3.
Ở nước ta hiện nay, tình trạng số lượng các nhà máy luyện kim, cán thép được xây
dựng từ những năm 1980 cho đến nay là gần 70 dự án có công suất mỗi năm từ 100.000
tấn trở lên [2]. Tuy nhiên, theo thống kê trong báo cáo Bộ Công Thương năm 2012 và của
Tổng công ty thép Việt Nam năm 2014, mặc dù các nhà máy thép mới sử dụng chưa tới
50% công suất thiết kế nhưng hàng năm tiêu thụ khoảng 3,5 tỷ KWh điện. Bên cạnh đó, do
công nghệ lạc hậu dẫn đến thời gian nung, chi phí luyện một mẻ phôi thép cao gần gấp đôi
so với trung bình trên thế giới (từ 90-180 phút, tiêu thụ từ 550-690 kWh/ tấn so với trung
bình thế giới vào khoảng 360-430 kWh) [1]. Vì vậy, nhiệm vụ thách thức trong lĩnh vực lò
nung ở Việt Nam hiện nay là cần phải sử dụng hiệu quả tối đa nguồn năng lượng của toàn
bộ dây chuyền trong nhà máy trên cơ sở áp dụng các thiết bị, phương pháp và công nghệ

23


điều khiển tiên tiến. Tuy nhiên trong thời gian khoảng 15 năm gần đây các nghiên cứu đã
công bố về lĩnh vực điều khiển quá trình nung khá khiêm tốn, chủ yếu là các nghiên cứu
công bố về điều khiển nhiệt độ lò nung bằng việc đề xuất sử dụng các thuật toán điều khiển
kinh điển như PI, PID, và kỹ thuật MPC, hay vấn đề điều khiển tối ưu quá trình nung vật
dày đã được công bố trong công trình [9]. Trong các công trình đã công bố trên, chủ yếu

giả thiết mô hình toán của lò nung có dạng hàm truyền đạt dạng khâu quán tính bậc nhất có
trễ, còn lại mô hình truyền nhiệt trong vật nung nếu được đề cập đến có dạng mô hình chia
lớp đẳng nhiệt dạng ODE với bậc thấp hoặc mô hình hàm truyền đạt. Các sơ đồ điều khiển
đề xuất nhằm mục tiêu điều khiển và giám sát nhiệt độ lò nung mà chưa đề cập đến việc
điều khiển trường nhiệt độ của vật nung.

1.3

Vấn đề đặt ra trong luận án

Từ các phân tích về mặt công nghệ và kết quả tổng quan các nghiên cứu đang được
quan tâm về vấn đề xây dựng mô hình và hệ thống điều khiển quá trình nung ở trên luận án
nhận thấy tính thời sự của việc cần thiết tiếp tục nghiên cứu lý thuyết về quá trình nung với
những đặc điểm của hệ lò-vật nung trên khía cạnh phù hợp với bản chất vật lý của quá
trình nung vật dày.
Cụ thể, trong hệ lò-vật nung, các thông số nhiệt vật lý của lò nung và vật nung thay
đổi rất chậm. Sự biến đổi chậm ở đây được hiểu là thông số thay đổi theo thời gian và
không gian với tốc độ chậm, quán tính lớn, không có sự đột biến, nhảy vọt, điều này giúp
ta có lợi thế khi thu thập số liệu và khi tính toán, khả năng thực hiện được các thuật toán.
Việc mô hình hóa hệ vật nung-lò nung trong quá trình nung được coi như một đối tượng có
thông số phân bố rải, quán tính lớn với các tham số thay đổi khó xác định trên cả phương
diện lý thuyết và thực tế. Xét về mặt đối tượng điều khiển, hệ lò-vật nung không chỉ được
mô tả bằng phương trình ODE mà còn được mô tả bằng phương trình PDE. Trong các đối
tượng đó, các đại lượng cần điều khiển thay đổi theo thời gian và cũng thay đổi theo cả
không gian. Đối với quá trình nung tấm kim loại (vật nung dày) ta có thể dễ dàng nhận
thấy phân bố nhiệt độ trong vật nung sẽ thay đổi theo chiều dày của vật nung. Tùy theo sự
phân bố của tác động điều khiển như nguồn nhiệt đầu vào ta có trường nhiệt độ trong vật
nung sẽ thay đổi theo cả chiều dài và chiều rộng của vật nung. Trong phần lớn các công bố
điều khiển và tối ưu quá trình nung với hệ lò-vật nung các tác giả thường tránh xây dựng
lại mô hình toán học của hệ do thiếu thông tin cần thiết.

Hơn thế nữa, trong thực tế hiện nay, các quá trình nung trong công nghiệp thay đổi
khá nhiều về mặt thiết kế, nguyên lý hoạt động và các thuộc tính của sản phẩm của quá
trình, đó là các trở ngại về cả hai mặt lý thuyết và thực tiễn đối với các kỹ sư thiết kế hệ
thống điều khiển. Trong tài liệu [5,12,64] chỉ ra rằng chỉ có rất ít các lò công nghiệp là
giống nhau hoàn toàn. Vì vậy, với giải pháp đề xuất trong nghiên cứu với quá trình nung
này đương nhiên là không thể áp dụng hoàn toàn cho các hệ thống lò-vật nung khác.

24


Điều đó cho thấy các nghiên cứu về điều khiển quá trình nung vẫn đang thiếu những
nội dung cơ bản ở cả mô hình toán học, hơn nữa khi điều khiển các đối tượng này tất nhiên
sẽ có thể nảy sinh các bài toán xây dựng các hệ thống điều khiển tối ưu theo một số chỉ
tiêu, tiêu chuẩn nào đó. Bên cạnh đó, với sự phát triển mạnh mẽ của các kỹ thuật điều
khiển và các phương pháp điều khiển tối ưu, điều khiển dự báo,…với ưu điểm đã được thể
hiện trong nhiều bài toán điều khiển các quá trình phức tạp, mô hình nhiều bậc, các hệ
động học phi tuyến. Vì vậy, hệ lò-vật nung là một trường hợp cụ thể, phù hợp để có thể
vận dụng các kỹ thuật này và xét về mặt thực tiễn hiện nay đây vẫn là một vấn đề trong
những vấn đề phức tạp hiện nay và còn nhiều khía cạnh cần phải nghiên cứu bổ sung.
Do đó, luận án mong muốn xây dựng mô hình mô tả quá trình nung với đặc điểm của
hệ phi tuyến và phân bố rải, đồng thời cải thiện, ứng dụng các thuật toán điều khiển đã có
để thỏa mãn một trong số các chỉ tiêu của quá trình nung. Cụ thể, NCS hướng đến giải
quyết bài toán điều khiển trường nhiệt độ của vật nung dày trong lò nung sao cho độ chênh
lệch nhiệt độ giữa bề mặt và tâm vật nung trong phạm vi cho phép. Để thực hiện nhiệm vụ
này luận án đưa ra hướng giải quyết như sau:
 Xác định một tín hiệu đặt nhiệt độ tại vị trí z bất kỳ theo chiều dày trong vật nung.
Tín hiệu đặt này phải đảm bảo được sự chênh lệch nhiệt độ giữa vị trí này với các điểm
khác trong vật nung nằm trong dải cho phép.
 Xây dựng một bộ điều khiển để nhiệt độ tại vị trí z đó trong vật nung bám sát
được theo tín hiệu đặt ở trên.

Đối tượng nghiên cứu của luận án là lò nung với vật nung dày như mô tả ở hình 1.1.
Vật nung được cấp nhiệt ở hoặc một, hoặc cả hai bề mặt trên và dưới theo chiều z trong
không gian như được minh họa trong hình.

Y 2

z

y
x

Z 2
Z 2

y

Y 2

z

0

Hình 1.1: Đối tượng nghiên cứu của luận án là vật nung dày
Từng bước luận án đi thực hiện hai nhiệm vụ cụ thể đó là: Xây dựng mô hình quá
trình nung phù hợp với việc sử dụng mô hình truyền nhiệt dạng PDE có tham số thay đổi
theo từng vị trí trong vật nung hoặc nhiệt độ, (chứ không được giả thiết là hằng số như

25