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
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
.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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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 1.15a
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
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
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
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
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.
- 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.
Copyright: Tài liệu đại học ©