Nghiên cứu điều khiển thích nghi cho đối tượng có đặc tính cực trị

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

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
-----------***-----------



THUYẾT MINH
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

ĐỀ TÀI
NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI
CHO ĐỐI TƯỢNG CÓ ĐẶC TÍNH CỰC TRỊ


Học viên: Nguyễn Tiến Dũng
Lớp: CH K10
Chuyên ngành: Tự động hoá
Người HD Khoa học: PGS.TS Nguyễn Hữu Công
Ngày giao đề tài: 01/02/2009
Ngày hoàn thành: 31/07/2009

KHOA ĐT SAU ĐH CB HƯỚNG DẪN



PGS.TS Nguyễn Hữu Công
HỌC VIÊN

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



ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
----------------***----------------




LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT



NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI
CHO ĐỐI TƯỢNG CÓ ĐẶC TÍNH CỰC TRỊ

THÁI NGUYÊN 2009


Ngành: TỰ ĐỘNG HÓA
Mã số:
Học viên: NGUYỄN VĂN HUỲNH
Người HD Khoa học: PGS.TS LẠI KHẮC LÃI
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
----------------***----------------



LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ



NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI
CHO ĐỐI TƯỢNG CÓ ĐẶC TÍNH CỰC TRỊ




NGUYỄN TIẾN DŨNG

THÁI NGUYÊN 2009

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

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ………………………………………………………………………………1
 ....................................................................................................................... C
HƢƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI VÀ HỆ
CỰC TRỊ ........................................................................................................... 3
 ....................................................................................................................... 1
.1. Định nghĩa, phân loại sơ đồ khối của hệ điều khiển thích nghi ...................... 3
 1.1.1.Định nghĩa ............................................................................................. 3
 ....................................................................................................................... 1
.1.2.Phân loại ..................................................................................................... 3
 ....................................................................................................................... 1
.1.3.Sơ đồ tổng quát của một hệ thích nghi ........................................................ 4
 ....................................................................................................................... 1
.2. Hệ cực trị ...................................................................................................... 5
 ....................................................................................................................... 1
.2.1. Đối tƣợng có đặc tính cực trị ...................................................................... 5
 ....................................................................................................................... 1
.2.2. Hệ cực trị xây dựng theo phƣơng pháp tách sóng đồng bộ.......................... 6
 ....................................................................................................................... 1
.2.3. Các phƣơng pháp xác định Gradient và chuyển động cực trị .................... 10

 ....................................................................................................................... 1
.2.3.1. Các phƣơng pháp xác định Gradient của hàm mục tiêu ......................... 10
 ....................................................................................................................... 1
.2.3.2.Các phƣơng pháp chuyển động đến cực trị ............................................. 12
 ....................................................................................................................... 1
.2.4. Các phƣơng pháp thực hiện đồng thời cả hai quá trình ............................. 13
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

 ....................................................................................................................... 1
.2.4.1. Phƣơng pháp ghi nhớ cực trị. ................................................................ 13
 ....................................................................................................................... 1
.2.4.2. Phƣơng pháp bƣớc. ............................................................................... 14
 ....................................................................................................................... 1
.2.4.3. Phƣơng pháp đơn hình. ......................................................................... 16
 ....................................................................................................................... 1
.2.5. Phƣơng pháp tìm khi có nhiều điểm cực trị .............................................. 17
 ....................................................................................................................... 1
.2.6. Động học hệ cực trị .................................................................................. 17
 ....................................................................................................................... 1
.3. Kết luận chƣơng một ................................................................................... 19
 1.3.1.Hệ điều khiển thích nghi ...................................................................... 19
 ....................................................................................................................... 1
.3.2.Hệ cực trị. ................................................................................................. 20

 ....................................................................................................................... C
HƢƠNG 2: PHÂN TÍCH ĐỐI TƢỢNG LÕ NUNG TRONG CÔNG NGHỆ
LUYỆN CÁN THÉP ....................................................................................... 21
 2.1 ...................................................................................................... Đặt vấn đề
........................................................................................................................ 21
 2.2 ................................................. Vai trò của lò nung trong công nghệ cán thép

........................................................................................................................ 22
 2.3 ............................................................... Đặc điểm lò nung và công nghệ cán
........................................................................................................................ 23
 2.4 Cấu tạo lò nung và chế độ vận hành ......................................................... 24
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

 ....................................................................................................................... 2
.4.1. Cấu tạo lò nung ........................................................................................ 24
 ....................................................................................................................... 2
.4.2. Bộ phận dịch phôi .................................................................................... 24
 ....................................................................................................................... 2
.4.3. Vị trí các mỏ đốt ..................................................................................... 25
 ....................................................................................................................... 2
.4.4. Bộ phận giữ nhiệt ..................................................................................... 25
 ....................................................................................................................... 2
.4.5. Chế độ vận hành và yêu cầu tự động hóa.................................................. 26
 ....................................................................................................................... 2
.4.5.1.Vùng sấy ................................................................................................ 26
 ....................................................................................................................... 2
.4.5.2.Vùng nung ............................................................................................. 26
 ....................................................................................................................... 2
.4.5.3.Vùng đồng nhiệt ..................................................................................... 26
 2.5 ......................................................... Các đặc tính tĩnh và động của đối tƣợng
........................................................................................................................ 27
 2.5.1 .................................................................................. Các đặc tính tĩnh
27
 2.5.2 ....................................................................................... Đặc tính động
28
 2.5.2.1 ............................ Xác định cấu trúc hàm truyền từ đặc tính quá độ
28

 2.5.2.2 .................................................. Xác định tham số cho hàm truyền
29
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

 2.6 ............... Tỷ lệ nhiên liệu, không khí, xác định đặc tính cực trị của đối tƣợng
........................................................................................................................ 31
 ....................................................................................................................... 2
.7 Kết luận chƣơng 2 ....................................................................................... 34
 ....................................................................................................................... C
HƢƠNG III: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ...................................... 35
 ....................................................................................................................... 3
.1. Giới thiệu một số phƣơng pháp thiết kế bộ điều khiển................................. 35
 3.1.1. ................................................................. Hệ thống điều khiển vị trí:
35
 ....................................................................................................................... 3
.1.1.1 Quy luật điều chỉnh 2 vị trí ..................................................................... 35
 3.1.1.2 ............................................................ Quy luật điều chỉnh 3 vị trí:
36
 ....................................................................................................................... 3
.1.1.3. Quy luật điều chỉnh với cơ cấu chấp hành có tốc độ không đổi : ........... 37
 ....................................................................................................................... 3
.1.2 Phƣơng pháp đa thức đặc trƣng thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống tuyến
tính .................................................................................................................. 40
 ....................................................................................................................... 3
.1.2.1 Xét hệ bậc hai ...................................................................................... 40
 ....................................................................................................................... 3
.1.2.2 Phƣơng pháp đa thức đặc trƣng có hệ số suy giảm thay đổi đƣợc cho hệ
cao ................................................................................................................... 40
3.1.2.3 Xét ảnh hƣởng của tử số hàm truyền ....................................................... 42
3.2. Sơ đồ khối hệ thống ............................................................................................ 42

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

3.3. Mạch vòng ổn định lƣu luợng dầu ....................................................................... 42
3.4. Thiết kế bộ điều khiển lƣu lƣợng khí theo phƣơng pháp bƣớc .............................. 45
3.4.1. Sơ đồ khối của bộ điều khiển tự động tìm cực trị kiểu bƣớc .......................... 45
3.4.2. Nguyên tắc làm việc của sơ đồ ..................................................................... 47
3.4.3. Thiết lập sơ đồ nguyên lý ............................................................................. 48
3.4.3.1. Bộ phát lệnh........................................................................................... 48
3.4.3.2. Bộ ghi nhớ ............................................................................................. 52
3.4.3.3. Mạch so sánh ......................................................................................... 53
3.4.3.4. Động cơ chấp hành ................................................................................. 54
3.4.3.5. Mạch logic ............................................................................................. 56
3.4.3.6. Mạch điều khiển tốc độ động cơ chấp hành ............................................ 58
3.4.3.7 Sensor .................................................................................................... 65
3.4.3.8. Nguồn .................................................................................................... 66
3.4.4 Máy điều chỉnh .............................................................................................. 66
3.4.4.1. Xây dựng hàm truyền động cơ chấp hành …………………………… 66
3.4.4.2. Xây dựng hàm truyền bộ biến đổi …………………………………… 68
3.4.4.3. Hàm truyền máy phát tốc ……………………………………………. 69
3.4.4.4. Thiết kế mạch hiệu chỉnh ……………………………………………. 70
3.5. Thuyết minh sơ đồ nguyên lý ............................................................................... 71
3.6. Kết luận chƣơng 3 .............................................................................................. 72
CHƢƠNG IV: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ................................................................. 74
4.1 Các thông số chất lƣợng ................................................................................... 74
4.2 Mô phỏng động cơ mở van .............................................................................. 74
4.3 Xây dựng mô hình và mô phỏng hệ thống ........................................................ 75
4.4. Kết quả mô phỏng trên phần mềm Matlab - Simulink ………………………….. 78
4.4.1. Kết quả với thuật toán bƣớc đều ………………………………………. ... 78
4.4.2. Kết quả với thuật toán bƣớc hai cấp …………………………………….. 81
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

4.4.3. Nhận xét ………………………………………………………………... 83
4.5. Kết luận chƣơng 4 ……………………………………………………………… 84
CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................... 85
5.1. Kết luận …………………………………………………………………………. 85
5.2. Kiến nghị ……………………………………………………………………….. 86
TÓM TẮT …………………………………………………………………………… 87
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 88

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
STT Ký hiệu Diễn giải tên hình vẽ
1 Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ điều khiển thích nghi
2 Hình 1.2 Sơ đồ tổng thể hệ điều khiển thích nghi
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

3 Hình 1.3 Đặc tính cực đại của lò đốt
4 Hình 1.4 Đặc tính cực đại của mũi khoan
5 Hình 1.5 Đặc tính cực trị cực tiểu
6 Hình 1.6 Sơ đồ khối hệ cực trị theo phƣơng pháp tách sóng đồng bộ
7 Hình 1.7 Đồ thị tín hiệu thr và tín hiệu tìm
8 Hình 1.8a Đồ thị của bộ lọc lý tƣởng
9 Hình 1.8b Sơ đồ khối bộ lọc
10 Hình 1.9 Sơ đồ khối Phƣơng pháp đạo hàm theo thời gian
11 Hình 1.10 Đồ thị tín hiệu vào theo từng kênh
12 Hình 1.11 Quỹ đạo chuyển động đến cực trị tỷ lệ với građien
13 Hình 1.12a Sơ đồ bộ ghi nhớ cực trị
14 Hình 1.12b Đồ thị tín hiệu ghi nhớ cực trị
15 Hình 1.13a Đồ thị bƣớc cho trƣớc tiến đến cực trị
16 Hình 1.13b Đồ thị bƣớc phụ thuộc vào độ dốc tiến đến cực trị
17 Hình 1.13c Sơ đồ khối bộ điều khiển kiểu bƣớc
18 Hình 1.14a Quỹ đạo chuyển động đến cực trị theo phƣơng pháp đơn hình
19 Hình 1.14b Quỹ đạo chuyển động đến cực trị theo phƣơng pháp đơn hình
20 Hình 1.15a Sơ đồ đối tƣợng cực trị
21 Hình 1.15b Sơ đồ đối tƣợng cực trị tƣơng đƣơng
22 Hình 1.16 Hai dao động cùng chiều

23 Hình 2.1 Nhiệt độ lò nung phụ thuộc vào năng suất nung
24 Hình 2.2 Phản ứng của đối tƣợng với hàm 1(t)
25 Hình 2.3 Xác định các tham số của hàm truyền trên đồ thị
26 Hình 2.4 Đặc tính cực đại của lò đốt
28 Hình 3.1 Quy luật điều chỉnh hai vị
29 Hình 3.2 Quy luật điều chỉnh ba vị trí
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

30 Hình 3.3 Điều chỉnh 2 vị trí với cơ cấu chấp hành có tốc độ không đổi
31 Hình 3.4 Quy luật điều chỉnh ba vị trí có vùng không nhạy
32 Hình 3.5 Sơ đồ khối tổng quát bộ điều chỉnh nhiệt độ lò
33 Hình 3.6 Sơ đồ khối của mạch vòng ổn định lƣu lƣợng dầu
34 Hình 3.7 Sơ đồ khối của bộ điều khiển tự động tìm cực trị kiểu bƣớc
35 Hình 3.8 Sơ đồ mạch điện tạo thời gian trễ
36 Hình 3.9 Kết quả mô phỏng xung ra mạch tạo thời gian trễ
37 Hình 3.10 Sơ đồ nguyên lý bộ phân phối 4 bƣớc
38 Hình 3.11 Đồ thị dạng sóng đầu vào xung nhịp và đầu ra
39 Hình 3.12 Mạch điện bộ phát lệnh
40 Hình 3.13 SW dùng IC 4066
41 Hình 3.14 Sơ đồ nguyên lý mạch so sánh
42 Hình 3.15 Sơ đồ mạch điện ghép bộ ghi nhớ và khâu so sánh
43 Hình 3.16 Mạch điện điều khiển tốc độ động cơ
44 Hình 3.17 Phƣơng pháp đảo chiều quay động cơ
45 Hình 3.18 Sơ đồ mạch logic tạo mức ngƣỡng
46 Hình 3.19 Sơ đồ cung cấp điện cho rơle
47 Hình 3.20 Giản đồ điện áp đầu vào động cơ
48 Hình 3.21 Sơ đồ các chân TCA785
49 Hình 3.22 Các khối chức năng của TCA785
50 Hình 3.23 Giản đồ điện áp của các chân TCA785
51 Hình 3.24 Mạch điện điều khiển sử dụng TCA785

52 Hình 3.25 Mạch khuyếch đại xung
53 Hình 3.26 Sơ đồ chân của IC AN6884
54 Hình 3.27 Mạch tạo 5 ngƣỡng U
đk
sử dụng AN6884 và cách ly quang
55 Hình 3.28 Mạch điều khiển sử dụng TCA785 kết hợp với AN6884
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

56 Hình 3.29 Bộ nguồn
57 Hình 3.30 Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hóa quanh điểm làm việc cảu động cơ
58 Hình 3.31 Sơ đồ thay thế đơn giản của bộ biến đổi
59 Hình 3.32a Hàm truyền của BBĐ Tiristo
60 Hình 3.32b Hàm truyền của BBĐ Tiristo trong trƣờng hợp gần đúng
61 Hình 3.33 Sơ đồ khối hệ thống khi chƣa có máy điều chỉnh
62 Hình 3.34 Mạch điện máy điều chỉnh
63 Hình 4.1 Sơ đồ mô phỏng và hiệu chỉnh động cơ mở van
64 Hình 4.2 Đặc tính mở máy của động cơ mở van khí
65 Hình 4.3 Sơ đồ mô hình hoá lò nung
66 Hình 4.4 Sơ đồ mô hình hoá bộ điều khiển dịch bƣớc
67 Hình 4.5 Sơ đồ mô phỏng hệ thống với thuật toán bƣớc đều
68 Hình 4.6 Sơ đồ mô phỏng động cơ mở van 2 cấp tốc độ
69 Hình 4.7 Đặc tính tĩnh nhiệt độ lò nung
70 Hình 4.8 Góc dịch mở van bƣớc nhảy đều
71 Hình 4.9 Nhiệt độ ra của lò với bƣớc nhảy đều
72 Hình 4.10 Nhiệt độ ghi nhớ ở các bƣớc
73 Hình 4.11 Tín hiệu ra của khối Triggered
74 Hình 4.12 Góc mở van ứng với bƣớc nhảy 2 cấp
75 Hình 4.13 Đặc tính động nhiệt độ lò với bƣớc nhảy 2 cấp
76 Hình 4.14 Tín hiệu ra của khối Triggered

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

0
LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Nguyễn Tiến Dũng
Sinh ngày 11 tháng 8 năm 1982
Học viên lớp cao học khoá 10 - Tự động hoá - Trƣờng đại học Kỹ thuật Công
nghiệp, Đại học Thái Nguyên.
Hiện đang công tác tại khoa Điện - Trƣờng đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại
học Thái Nguyên.
Xin cam đoan: Đề tài “Nghiên cứu điều khiển thích nghi cho đối tượng có
đặc tính cực trị” do thầy giáo, PGS.TS Nguyễn Hữu Công hƣớng dẫn là công trình
nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ
ràng.
Tác giả xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng nhƣ nội dung
trong đề cƣơng và yêu cầu của thầy giáo hƣớng dẫn. Nếu sai tôi hoàn toàn chịu trách
nhiệm trƣớc Hội đồng khoa học và trƣớc pháp luật.


Thái Nguyên, ngày 31 tháng 7 năm 2009
Tác giả luận văn

Nguyễn Tiến Dũng



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

1
LỜI NÓI ĐẦU

Cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật, cộng nghiệp hóa hiện đại hóa
ngày càng chiếm vị trí quan trọng trong đời sống xã hội. Tự động hóa cao song song với việc sử
dụng một cách triệt để nguồn năng lƣợng, tăng năng suất lao động, nâng cao chất lƣợng sản
phẩm, cải tiến môi trƣờng làm việc, cải thiện nhu cầu sống của con ngƣời…
Với ý nghĩa và lợi ích to lớn của hệ cực trị, sự cấp bách cần nghiên cứu, ứng dụng hệ cực
trị vào sản xuất thực tiễn sản xuất, đƣợc sự đồng ý của cán bộ hƣớng dẫn khoa học, tác giả đã
lựa trọn đề tài “Nghiên cứu điều khiển thích nghi cho đối tượng có đặc tính cực trị”.
Sau một thời gian làm nghiên cứu liên tục, nghiêm túc, đƣợc sự hƣớng dẫn tận tình của
thầy giáo hƣớng dẫn và các thầy cô trong khoa, sự đoàn kết giúp đỡ của các học viên trong lớp.
đến nay bản thuyết minh đề tài đã hoàn thành. Bao gồm các nội dung nhƣ sau:
Chƣơng 1. Điều khiển thích nghi cho hệ cực trị
Chƣơng 2. Phân tích đối tƣợng lò nung trong công nghệ luyện cán thép
Chƣơng 3. Thiết kế hệ thống điều khiển
Chƣơng 4. Mô phỏng hệ thống
Chƣơng 5. Kết luận và kiến nghị
Qua đây tác giả xin gửi lời cám ơn tới các thầy cô trong khoa Điện, trƣờng ĐH KTCN –
ĐHTN và trƣờng ĐHBK Hà Nội, đã nhiệt tình giúp đỡ hƣớng dẫn và cung cấp tài liệu để tác giả
hoàn thành bản thuyết minh này. Đồng thời tác giả muốn gửi lời cám ơn sâu sắc tới thầy giáo
PGS.TS. Nguyễn Hữu Công, ngƣời đã trực tiếp ra đề tài và hƣớng dẫn tác giả trong suốt thời

gian qua, tác giả xin cám ơn gia đình, bè bạn đã hết sức ủng hộ cả về vật chất lẫn tinh thần để tác
giả hoàn thành tốt công trình nghiên cứu này.
Mặc dù đƣợc sự hƣớng dẫn tận tình của cán bộ hƣớng dẫn, sự nỗ lực cố gắng của bản
thân. Song vì kiến thức còn hạn chế, điều kiện tiếp xúc thực tế chƣa nhiều, nên bản thuyết minh
không tránh khỏi những thiếu sót nhất định. Vậy tác giả mong tiếp tục đƣợc sự giúp đỡ của các
thầy cô, sự góp ý trân thành của bạn bè, đồng nghiệp.
Mọi sự góp ý xin gửi về: email:
Xin chân thành cảm ơn !

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

2
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ………………………………………………………………………………1
CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI VÀ HỆ CỰC
TRỊ ............................................................................................................................. 11
1.1. Định nghĩa, phân loại sơ đồ khối của hệ điều khiển thích nghi ............................. 11
1.1.1.Định nghĩa ..................................................................................................... 11
1.1.2.Phân loại ........................................................................................................ 11
1.1.3.Sơ đồ tổng quát của một hệ thích nghi ............................................................ 13
1.2. Hệ cực trị ............................................................................................................. 13
1.2.1. Đối tƣợng có đặc tính cực trị ......................................................................... 13
1.2.2. Hệ cực trị xây dựng theo phƣơng pháp tách sóng đồng bộ ............................. 16
1.2.3. Các phƣơng pháp xác định Gradient và chuyển động cực trị ......................... 19
1.2.3.1. Các phƣơng pháp xác định Gradient của hàm mục tiêu ........................... 19
1.2.3.2.Các phƣơng pháp chuyển động đến cực trị............................................... 20
1.2.4. Các phƣơng pháp thực hiện đồng thời cả hai quá trình .................................. 22
1.2.4.1. Phƣơng pháp ghi nhớ cực trị. .................................................................. 22
1.2.4.2. Phƣơng pháp bƣớc. ................................................................................. 22
1.2.4.3. Phƣơng pháp đơn hình. ........................................................................... 24

1.2.5. Phƣơng pháp tìm khi có nhiều điểm cực trị ................................................... 25
1.2.6. Động học hệ cực trị ....................................................................................... 26
1.3. Kết luận chƣơng một ........................................................................................... 28
1.3.1.Hệ điều khiển thích nghi ................................................................................ 28
1.3.2.Hệ cực trị. ...................................................................................................... 28

CHƢƠNG 2: PHÂN TÍCH ĐỐI TƢỢNG LÕ NUNG TRONG CÔNG NGHỆ LUYỆN
CÁN THÉP ................................................................................................................ 30
2.1 Đặt vấn đề ....................................................................................................... 30

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

3
2.2 Vai trò của lò nung trong công nghệ cán thép .................................................. 31
2.3 Đặc điểm lò nung và công nghệ cán ................................................................. 32
2.4 Cấu tạo lò nung và chế độ vận hành .................................................................... 33
2.4.1. Cấu tạo lò nung ............................................................................................. 33
2.4.2. Bộ phận dịch phôi ......................................................................................... 33
2.4.3. Vị trí các mỏ đốt........................................................................................... 34
2.4.4. Bộ phận giữ nhiệt .......................................................................................... 34
2.4.5. Chế độ vận hành và yêu cầu tự động hóa ....................................................... 35
2.4.5.1.Vùng sấy ................................................................................................. 35
2.4.5.2.Vùng nung ............................................................................................... 35
2.4.5.3.Vùng đồng nhiệt ...................................................................................... 35
2.5 Các đặc tính tĩnh và động của đối tƣợng .......................................................... 36
2.5.1 Các đặc tính tĩnh ....................................................................................... 36
2.5.2 Đặc tính động ........................................................................................... 37
2.5.2.1 Xác định cấu trúc hàm truyền từ đặc tính quá độ ................................... 37
2.5.2.2 Xác định tham số cho hàm truyền ......................................................... 38
2.6 Tỷ lệ nhiên liệu, không khí, xác định đặc tính cực trị của đối tƣợng ................. 40

2.7 Kết luận chƣơng 2 ............................................................................................... 43
CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ................................................ 45
3.1. Giới thiệu một số phƣơng pháp thiết kế bộ điều khiển ......................................... 45
3.1.1. Hệ thống điều khiển vị trí: ...................................................................... 45
3.1.1.1 Quy luật điều chỉnh 2 vị trí ...................................................................... 45
3.1.1.2 Quy luật điều chỉnh 3 vị trí:................................................................... 46
3.1.1.3. Quy luật điều chỉnh với cơ cấu chấp hành có tốc độ không đổi : ............. 47
3.1.2 Phƣơng pháp đa thức đặc trƣng thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống tuyến tính
............................................................................................................................... 50
3.1.2.1 Xét hệ bậc hai ........................................................................................ 50

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

4
3.1.2.2 Phƣơng pháp đa thức đặc trƣng có hệ số suy giảm thay đổi đƣợc cho hệ
cao ...................................................................................................................... 50
3.1.2.3 Xét ảnh hƣởng của tử số hàm truyền ....................................................... 52
3.2. Sơ đồ khối hệ thống ............................................................................................ 53
3.3. Mạch vòng ổn định lƣu luợng dầu ....................................................................... 54
3.4. Thiết kế bộ điều khiển lƣu lƣợng khí theo phƣơng pháp bƣớc .............................. 55
3.4.1. Sơ đồ khối của bộ điều khiển tự động tìm cực trị kiểu bƣớc .......................... 55
3.4.2. Nguyên tắc làm việc của sơ đồ ..................................................................... 57
3.4.3. Thiết lập sơ đồ nguyên lý ............................................................................. 59
3.4.3.1. Bộ phát lệnh........................................................................................... 59
3.4.3.2. Bộ ghi nhớ ............................................................................................. 62
3.4.3.3. Mạch so sánh ......................................................................................... 63
3.4.3.4. Động cơ chấp hành ................................................................................. 64
3.4.3.5. Mạch logic ............................................................................................. 66
3.4.3.6. Mạch điều khiển tốc độ động cơ chấp hành ............................................ 68
3.4.3.7 Sensor .................................................................................................... 76

3.4.3.8. Nguồn .................................................................................................... 76
3.4.4 Máy điều chỉnh .............................................................................................. 77
3.4.4.1. Xây dựng hàm truyền động cơ chấp hành …………………………… 77
3.4.4.2. Xây dựng hàm truyền bộ biến đổi …………………………………… 79
3.4.4.3. Hàm truyền máy phát tốc ……………………………………………. 80
3.4.4.4. Thiết kế mạch hiệu chỉnh ……………………………………………. 80
3.5. Thuyết minh sơ đồ nguyên lý ............................................................................... 82
3.6. Kết luận chƣơng 3 .............................................................................................. 83
CHƢƠNG 4: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ................................................................... 85
4.1 Các thông số chất lƣợng ................................................................................... 85
4.2 Mô phỏng động cơ mở van .............................................................................. 85

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

5
4.3 Xây dựng mô hình và mô phỏng hệ thống ........................................................ 86
4.4. Kết quả mô phỏng trên phần mềm Matlab - Simulink ………………………….. 89
4.4.1. Kết quả với thuật toán bƣớc đều ………………………………………. ......89
4.4.2. Kết quả với thuật toán bƣớc hai cấp …………………………………….....92
4.4.3. Nhận xét ………………………………………………………………... ….94
4.5. Kết luận chƣơng 4 ……………………………………………………………… 95
CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................... 96
5.1. Kết luận …………………………………………………………………………. 96
5.2. Kiến nghị ……………………………………………………………………….. .97
TÓM TẮT …………………………………………………………………………… 98
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 99

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

6
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
STT Ký hiệu Diễn giải tên hình vẽ
1 Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ điều khiển thích nghi
2 Hình 1.2 Sơ đồ tổng thể hệ điều khiển thích nghi

3 Hình 1.3 Đặc tính cực đại của lò đốt
4 Hình 1.4 Đặc tính cực đại của mũi khoan
5 Hình 1.5 Đặc tính cực trị cực tiểu của phôi thép qua trục cán
6 Hình 1.6 Đặc tính cực đại 2 biến của ra đa bám mục tiêu di động
7 Hình 1.7 Sơ đồ khối hệ cực trị theo phƣơng pháp tách sóng đồng bộ
8 Hình 1.8 Đồ thị tín hiệu thử và tín hiệu tìm
9 Hình 1.9a Đồ thị của bộ lọc lý tƣởng
10 Hình 1.9b Sơ đồ khối bộ lọc
11 Hình 1.10 Sơ đồ khối Phƣơng pháp đạo hàm theo thời gian
12 Hình 1.11 Đồ thị tín hiệu vào theo từng kênh
13 Hình 1.12 Quỹ đạo chuyển động đến cực trị tỷ lệ với građien
14 Hình 1.13a Sơ đồ bộ ghi nhớ cực trị
15 Hình 1.13b Đồ thị tín hiệu ghi nhớ cực trị
16 Hình 1.14a Đồ thị bƣớc cho trƣớc tiến đến cực trị
17 Hình 1.14b Đồ thị bƣớc phụ thuộc vào độ dốc tiến đến cực trị
18 Hình 1.14c Sơ đồ khối bộ điều khiển kiểu bƣớc
19 Hình 1.15a Quỹ đạo chuyển động đến cực trị theo phƣơng pháp đơn hình
20 Hình 1.15b Quỹ đạo chuyển động đến cực trị theo phƣơng pháp đơn hình
21 Hình 1.16a Sơ đồ đối tƣợng cực trị
22 Hình 1.16b Sơ đồ đối tƣợng cực trị tƣơng đƣơng
23 Hình 1.17 Hai dao động cùng chiều
24 Hình 2.1 Nhiệt độ lò nung phụ thuộc vào năng suất nung
25 Hình 2.2 Phản ứng của đối tƣợng với hàm 1(t)

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

7
26 Hình 2.3 Xác định các tham số của hàm truyền trên đồ thị
27 Hình 2.4 Đặc tính cực đại của lò đốt
28 Hình 2.5 Họ đặc tính cực đại của lò đốt

29 Hình 3.1 Quy luật điều chỉnh hai vị
30 Hình 3.2 Quy luật điều chỉnh ba vị trí
31 Hình 3.3 Điều chỉnh 2 vị trí với cơ cấu chấp hành có tốc độ không đổi
32 Hình 3.4 Quy luật điều chỉnh ba vị trí có vùng không nhạy
33 Hình 3.5 Sơ đồ khối tổng quát bộ điều chỉnh nhiệt độ lò
34 Hình 3.6a Sơ đồ khối của mạch vòng ổn định lƣu lƣợng dầu
35 Hình 3.6.b Sơ đồ khối của bộ điều khiển tự động tìm cực trị kiểu bƣớc
36 Hình 3.7
Sai lệch
k
y
ở các vùng khác nhau trên đặc tính cực đại
37 Hình 3.8 Sơ đồ mạch điện tạo thời gian trễ
38 Hình 3.9 Kết quả mô phỏng xung ra mạch tạo thời gian trễ
39 Hình 3.10 Sơ đồ nguyên lý bộ phân phối 4 bƣớc
40 Hình 3.11 Đồ thị dạng sóng đầu vào xung nhịp và đầu ra
41 Hình 3.12 Mạch điện bộ phát lệnh
42 Hình 3.13 SW dùng IC 4066
43 Hình 3.14 Sơ đồ nguyên lý mạch so sánh
44 Hình 3.15 Sơ đồ mạch điện ghép bộ ghi nhớ và khâu so sánh
45 Hình 3.16 Mạch điện điều khiển tốc độ động cơ
46 Hình 3.17 Phƣơng pháp đảo chiều quay động cơ
47 Hình 3.18 Sơ đồ mạch logic tạo mức ngƣỡng
48 Hình 3.19 Sơ đồ cung cấp điện cho rơle
49 Hình 3.20 Giản đồ điện áp đầu vào động cơ
50 Hình 3.21 Sơ đồ các chân TCA785
51 Hình 3.22 Các khối chức năng của TCA785

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

8
52 Hình 3.23 Giản đồ điện áp của các chân TCA785
53 Hình 3.24 Mạch điện điều khiển sử dụng TCA785
54 Hình 3.25 Mạch khuyếch đại xung
55 Hình 3.26 Sơ đồ chân của IC AN6884
56 Hình 3.27 Mạch tạo 5 ngƣỡng U
đk
sử dụng AN6884 và cách ly quang
57 Hình 3.28 Mạch điều khiển sử dụng TCA785 kết hợp với AN6884
58 Hình 3.29 Bộ nguồn
59 Hình 3.30 Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hóa quanh điểm làm việc của động cơ
60 Hình 3.31 Sơ đồ thay thế đơn giản của bộ biến đổi
61 Hình 3.32a Hàm truyền của BBĐ Tiristo
62 Hình 3.32b Hàm truyền của BBĐ Tiristo trong trƣờng hợp gần đúng
63 Hình 3.33 Sơ đồ khối hệ thống khi có máy điều chỉnh
64 Hình 3.34 Mạch điện máy điều chỉnh
65 Hình 4.1 Sơ đồ mô phỏng và hiệu chỉnh động cơ mở van
66 Hình 4.2 Đặc tính khởi động của động cơ mở van gió
67 Hình 4.3 Sơ đồ mô hình hoá lò nung
68 Hình 4.4 Sơ đồ mô hình hoá bộ điều khiển dịch bƣớc
69 Hình 4.5 Sơ đồ mô phỏng hệ thống với thuật toán bƣớc đều
70 Hình 4.6 Sơ đồ mô phỏng động cơ mở van 2 cấp tốc độ
71 Hình 4.7 Đặc tính tĩnh nhiệt độ lò nung
72 Hình 4.8 Góc dịch mở van bƣớc nhảy đều
73 Hình 4.9 Nhiệt độ ra của lò với bƣớc nhảy đều
74 Hình 4.10 Nhiệt độ ghi nhớ ở các bƣớc
75 Hình 4.11 Tín hiệu ra của khối Triggered
76 Hình 4.12 Góc mở van ứng với bƣớc nhảy 2 cấp
77 Hình 4.13 Đặc tính động nhiệt độ lò với bƣớc nhảy 2 cấp
78 Hình 4.14 Tín hiệu ra của khối Triggered

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

9
MỞ ĐẦU
Tên đề tài: Nghiên cứu điều khiển thích nghi cho đối tượng có đặc tính cực trị
1. Tổng quan.
Hệ điều khiển thích nghi, tuỳ thuộc vào đối tƣợng là tuyến tính hay phi tuyến, nhất
là khi đặc tính tĩnh của hệ có cực trị (cực đại hay cực tiểu), mà ta có hệ cực trị và hệ
giải tích. Hệ giải tích đã đƣợc nhiều nhà khoa học nghiên cứu nhƣ xây dựng hệ giải
tích theo phƣơng pháp toán tử phụ; xây dựng hệ giải tích theo phƣơng pháp
Lyapunov… Tuy nhiên việc nghiên cứu hệ cực trị trong điều khiển thích nghi chƣa
đƣợc quan tâm nhiều, đề tài này sẽ tiếp tục nghiên nghiên cứu và hoàn thiện hệ thống
điều khiển thích nghi theo nguyên tắc cực trị, ứng dụng cho một số đối tƣợng có đặc
tính cực trị.
Trong thực tế có nhiều đối tƣợng có đặc tính cực trị, nhƣ công nghệ cán thép, công
nghệ nung kính, gạch men, công nghệ ô tô, xe máy…
Ví dụ, trong công nghệ cán thép, việc nung phôi trƣớc khi đƣa vào máy cán sử dụng
dầu nặng FO. Hệ thống điều khiển tự động phối hợp giữa lƣợng dầu và không khí sao
cho hiệu quả nhất hiện nay chính là hệ cực trị. Với những nhà máy theo công nghệ cũ,
suất tiêu hao nhiên liệu khoảng 52kg dầu/1 tấn sản phẩm (hệ thống cũ của nhà máy nán
cán Gia sàng); Với những nhà máy theo công nghệ mới, suất tiêu hao nhiên liệu
khoảng 30 - 35kg dầu/1 tấn sản phẩm (Thép Việt Öc). Với sản lƣợng thép của Việt
nam hiện nay khoảng 6 triệu tấn/ năm, vì vậy việc nghiên cứu khai thác hệ thống tự
động này là cấp bách và có ý nghĩa thực tế.
Hệ thống tự động này còn đƣợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.
a. Ý nghĩa khoa học.
Các hệ thống tự chỉnh có thể xây dựng bằng nhiều cách khác nhau. Các hệ đơn
giản nhất, đồng thời phổ biến nhất là hệ cực trị. Hệ thống điều khiển tìm cực trị có

nhiệm vụ tìm kiếm và duy trì trị số cực đại hay cực tiểu của một hay nhiều tham số của

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

10
đối tƣợng đƣợc điều khiển, trong khi đặc tính và điều kiện làm việc của đối tƣợng có
thể biến đổi một cách ngẫu nhiên. Hệ cực trị đƣợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác
nhau nhƣ trong quân sự, luyện kim, trong ngành hoá chất, ngành năng lƣợng ( các nhà
máy nhiệt điện), ngành sản xuất ô tô …
Đề tài này nhằm bổ xung thêm những lý luận về việc ứng dụng hệ cự trị trong
thực tế.
b. Ý nghĩa thực tiễn.
Khi đề tài hoàn thành sẽ là một tài liệu quan trọng giúp các cán bộ kỹ thuật nắm rõ
và làm chủ đƣợc công nghệ trong quá trình vận hành, giám sát và khắc phục sửa
chữa…
Hiện nay các hệ thống điều khiển chủ yếu vẫn nhập từ các nƣớc Tƣ Bản với giá
thành rất cao, đề tài này sẽ tạo cơ sở khoa học để sản xuất các hệ thống điều khiển với
giá thành thấp hơn.
Hệ cực trị này hoàn toàn có thể áp dụng cho những công nghệ tƣơng đƣơng
khác, ví dụ nhƣ sản xuất gạch men, sản xuất kính, các công nghệ có sử dụng dầu đốt…
3. Mục đích nghiên cứu.
Tiếp tục nghiên cứu và hoàn thiện hệ thống điều khiển thích nghi theo nguyên tắc
cực trị, ứng dụng trong các công nghệ có sử dụng dầu đốt. Phát triển thuật toán điều
khiển tìm cực trị kiểu bƣớc.
Với động cơ chấp hành, nghiên cứu thay thế động cơ một chiều bằng động cơ xoay
chiều một pha không đồng bộ rotor lồng sóc, cho phù hợp với các hệ thống thực tế.
Tạo cơ sở khoa học để các cán bộ kỹ thuật trong các nhà máy nghiên cứu làm chủ
công nghệ và có thể sản xuất các hệ thống tƣơng đơng với giá thành thấp.
4. Đối tượng nghiên cứu.
Lý thuyết điều khiển thích nghi theo nguyên tắc cực trị.

Các hệ thống điều khiển cho đối tƣợng có đặc tính cực trị (cực đại hoặc cực tiểu),
cụ thể là công nghệ luyện cán thép tại một số nhà máy cán thép tại Thái Nguyên.

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

11
CHƢƠNG 1
ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI CHO HỆ CỰC TRỊ

1.1. Định nghĩa, phân loại sơ đồ khối của hệ điều khiển thích nghi
.1. 1. Định nghĩa
Thích nghi là quá trình thay đổi thông số, cấu trúc của bộ điều khiển hay tác động
điều khiển trên cơ sở lượng thông tin có được trong quá trình làm việc với mục đích
đạt được một trạng thái nhất định, thường là tối ưu khi thiếu lượng thông tin ban đầu
cũng như khi điều kiện làm việc thay đổi.
Điều khiển thích nghi là tổng hợp các kỹ thuật nhằm tự động chỉnh định các bộ điều
chỉnh trong mạch điều khiển nhằm hiện thực hay duy trì ở một mức độ nhất định chất
lượng của hệ khi thông số của quá trình không biết trước hay thay đổi theo thời gian.
Trong khoảng 50 năm gần đây, lý thuyết điều khiển thích nghi đã được được hình
thành như một môn khoa học, từ tư duy đã trở thành hiện thực nghiêm túc, từ cách giải
quyết những vấn đề cơ bản trở thành bài toán tổng quát, từ những vấn đề về sự tồn tại
và khả năng có thể giải quyết đến những ứng dụng có tính bền vững và chất lượng.
1.1.2. Phân loại
Có thể phân loại các hệ thích nghi theo các tiêu chuẩn sau:
* Tuỳ vào đối tượng là phi tuyến hay không phi tuyến, nhất là khi đối tượng có đặc
tính cực trị (cực đại hay cực tiểu).
- Hệ cực trị: Ở hệ cực trị, bản thân đối tượng có cực tính cực đại hay cực tiểu đó
là lượng thông tin ban đầu có them được và trên cơ sở ấy hệ thống được tổng hợp giản
đơn hơn.
- Hệ giải tích: Ở hệ giải tích “cực trị của chất lượng” được hình thành gián tiếp

cho nên gặp khó khăn trong quá trình tối ưu hoá vì mặt cực trị nhiều khi không như giả
định. Do đó có những phương pháp kết hợp để tận dụng đặc điểm của chúng.

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

12
* Tuỳ theo sự tồn tại hay không tồn tại tín hiệu phụ trong hệ, mà người ta đưa vào
hệ để “tìm” được chế độ làm việc tối ưu mà ta có.
- Hệ có tín hiệu tìm.
- Hệ không có tín hiệu tìm.
* Trong điều kiện thông tin về đối tượng còn hạn chế, nên trường hợp cần nhận
dạng hay không cần nhận dạng ta có:
- Điều khiển gián tiếp.
- Điều khiển trực tiếp.
Kết hợp nhận dạng và điều khiển có khả năng tăng độ chính xác của hệ thống, nên
điều khiển gián tiếp còn được xem như là điều khiển thích nghi tối ưu.
* Tuỳ theo sự tồn tại hay không tồn tại trong điều khiển thích nghi có mô hình mẫu
hay không có mô hình mẫu mà ta có.
- Hệ có mô hình mẫu.
- Hệ không có mô hình mẫu.
* Hệ thích nghi tiến tới trạng thái tối ưu một cách tuần tự, bước sau được thực hiện
trên cơ sở đánh giá bước trước theo một chỉ dẫn nhất định.
- Hệ học.
- Hệ tự học.
* Tuỳ dạng của mạch thích nghi mà phân biệt.
- Mạch thích nghi kín.
- Mạch thích nghi hở.
* Tuỳ thuộc vào độ phức tạp của mạch chỉnh định (thay đổi thông số hay cấu
trúc).
-Hệ tự chỉnh.

-Hệ tự tổ chức.
* Ngoài ra tuỳ theo phương pháp tổng hợp là tiền định hay thống kê mà ta có hệ
tiền định hay ngẫu nhiên, liên tục hay gián đoạn.