-1-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGÀNH : TỰ ĐỘNG HÓA THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN BỀN VỮNG,
TỐI ƢU BỀN VỮNG CHO HỆ THỐNG CÁN THÉP TẤM BAN GIÁM HIỆU KHOA SAU ĐẠI HỌC
NGƢỜI HD KHOA HỌC
-3-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CẢM ƠN
-4-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Để luận văn hoàn thành đúng thời hạn, cùng với sự nỗ lực của bản thân, tác
giả đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ; trước tiên tác giả xin chân thành cảm ơn
T.S Bùi Chính Minh, người thầy hướng dẫn khoa học chính giúp tác giả hoàn thành
luận văn này. Ngoài ra, tác giả cũng xin chân thành cảm ơn Khoa Luyện kim và
Công nghệ vật liệu- Đại học Bách Khoa Hà Nội cùng các bạn bè, đồng nghiệp đã
giúp đỡ, chia sẻ kinh nghiệm giúp tác giả hoàn thành luận văn này ./.
Thái Nguyên, tháng 9 năm 2010
Học viên Vũ Hoài Thu
2. Ý ngha khoa học và ý ngha thực tiễn của đề tài
3. Mục đích nghiên cứu
4. Đối tượng nghiên cứu
5. Phương pháp nghiên cứu
6. Cấu trúc của luận văn
Phần II. NỘI DUNG
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CÁN THÉP TẤM
1.1. Phôi cho sản xuất thép tấm và thép băng cán nóng
1.2. Đặc điểm, thành phần và cách bố trí thiết bị ở các nhà máy cán
tấm
1.3. Kỹ thuật cán thép ở các nhà máy cán tấm
1.3.1. Cán phôi slab trong giá trục đứng
1.3.2. Cán trong giá thô
1.3.3. Cán trong giá cán tinh
1.4. Đặc điểm biến dạng của thép khi cán ở các nhà máy cán tấm
1.5. Các thông số năng lượng của quá trình cán tấm
2.2. Bộ điều khiển đa biến
2.2.1. Mô hình toán học
2.2.1.1. Hệ thống thủy lực
2.2.1.2. Giá cán
2.2.2. Thiết kế bộ điều khiển
2.2.2.1. Tuyến tính hóa phản hồi
2.2.2.2. Thiết kế không gian riêng
2.2.2.3. Cấu trúc bộ điều khiển
2.2.3. Kết quả
2.3. Bộ điều khiển H
2.3.1. Ký hiệu
2.3.2. Phương pháp tiêu chuẩn cho bài toán thiết kế H
2.3.3. Thiết kế bộ điều khiển
3.2.1.3. Phương pháp lặp lùi dần3. 3. Thiết kế các bộ điều khiển
3.3.1. Thiết kế bộ điều khiển phi tuyến bền vững
3.3.1.1. Phương pháp thiết kế chung
3.3.1.2. Thiết kế bộ điều khiển bền vững cho hệ thống cán thép tấm
3.3.2. Thiết kế bộ điều khiển phi tuyến tối ưu gián tiếp
3.3.2.1. Phương pháp thiết kế chung
3.3.2.2. Thiết kế bộ điều khiển tối ưu gián tiếp cho hệ thống
cán thép tấm
3.4. Mô phỏng
3.4.1. Mô phỏng bộ điều khiển bền vững cho hệ thống cán thép
tấm
3.4.2. Mô phỏng bộ điều khiển tối ưu bền vững cho hệ thống cán
thép tấm
3.4.3. Kết quả
HJB: Hamilton- Jacobi- Belman
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình vẽ
Tên hình vẽ
Trang
1.1
Sơ đồ bố trí thiết bị của máy cán tấm 1 giá đảo chiều
kvarto 4300
1.2
Sơ đồ bố trí thiết bị của máy cán tấm 2 giá 2800
1.3
Đặc điểm quá trình cán trong các giá trục
1.4.
Sơ đồ biến dạng của phôi slab trong giá cán trục đứng
1.5
Các sơ đồ cán tấm từ Slab
1.6
Sơ đồ cán góc
1.7
Sự phân bố và kích thước ô rãnh trên bề mặt trục cán
1.8
-9-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2.5
Máy cán nhìn từ góc song song với chuyển động của
phôi
2.6
Sơ đồ khối cho hệ thống cán
2.7
Cấu trúc của hệ thống cán với bộ điều khiển đa biến
2.8
Phản hồi với thay đổi đầu vào tại một cạnh
2.9
Sơ đồ khối hệ thống
2.10
Giá cán 4 tầng
2.11
Mô hình máy cán nguội một giá
2.12
Máy cán nguội biểu diễn trên biểu đồ khối tiêu chuẩn
2.13
Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển bền vững cho hệ thống
cán tấm
3.6
Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển tối ưu bền vững cho hệ
thống cán tấm
3.7
Mô phỏng các tín hiệu của hệ cán với bộ điều khiển phi
tuyến bền vững
3.8
Mô phỏng các tín hiệu của hệ cán với bộ điều khiển phi
tuyến tối ưu bền vững
-10-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Phần I- MỞ ĐẦU
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Công nghệ cán thép tấm còn khá mới mẻ ở Việt Nam. Sản phẩm thép tấm
đều đƣợc nhập khẩu 100%. Trên thế giới, hệ thống cán thép tấm đƣợc nghiên cứu
3. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
- Tiếp tục hoàn thành công nghệ cán thép tấm có chất lƣợng cao bằng bộ
điều khiển phi tuyến.
- Tạo cơ sở khoa học để các cán bộ khoa học thiết kế bộ điều khiển cho hệ
thống trục cán thép tấm và những đối tƣợng tƣơng đƣơng khác.
4. ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU
- Lý thuyết điều khiển phi tuyến
- Các hệ thống cán thép tấm
- Thiết kế điều khiển cho hệ thống cán thép tấm bằng bộ điều khiển phi
tuyến.
- Mô phỏng hệ thống trục cán thép tấm với bộ điều khiển phi tuyến.
5. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
1. Nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu sách, giáo trình, bài báo, luận văn, các
nghiên cứu khoa học khác và các tài liệu liên quan.
2. Tiến hành khảo sát và thực nghiệm bằng mô phỏng và hiệu chỉnh
Từ đó đề xuất để có điều kiện tiến hành thí nghiệm thực, hiệu chỉnh, đánh giá
và kết luận.
6. CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN
Luận văn gồm ba chƣơng, có nội dung nhƣ sau:
Chƣơng 1: Tổng quan về công nghệ cán thép tấm
Chƣơng này giới thiệu tổng quan về công nghệ cán thép tấm nhƣ: đặc điểm
của phôi cán, các thiết bị của nhà máy cán tấm, kỹ thuật cán và các thông số năng
lƣợng của quá trình cán…
Chƣơng 2: Điều khiển hệ thống cán thép tấm bằng các bộ điều khiển cơ bản
Chƣơng 2 giới thiệu một số bộ điều khiển cơ bản đã đƣợc ứng dụng cho hệ
thống cán thép tấm nhƣ: bộ điều khiển tuyến tính, bộ đa biến, bộ điều khiển H…từ
đó phân tích những tồn tại của các bộ điều khiển đó và chỉ ra tính cấp bách của đề
tài.
-13-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Phần II- NỘI DUNG
CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CÁN THÉP TẤM
Thép tấm hay còn gọi là thép lá là một trong những dạng sản
phẩm cán kinh tế nhất. Từ thép tấm và thép băng ngƣời ta sản xuất
thép ống, thép hình uốn, các loại kết cấu hàn và các sản phẩm dập rất
đa dạng. Chế tạo các dạng ống và thép hình nhẹ từ thép tấm và thép
băng (có độ dày nhỏ hơn so với sản phẩm ống và thép hình cán) cho
phép tiết kiệm đƣợc 10- 15% kim loại.
Ở một số nƣớc công nghiệp phát triển, tỷ trọng thép tấm và thép
băng trong tổng khối lƣợng sản phẩm cán chiếm tới 50 - 70%. Cùng với
sự gia tăng nhu cầu về thép băng và thép tấm nói chung, khối lƣợng
sản phẩm thép lá cũng không ngừng tăng nhanh, chiếm tỷ trọng trên
40% tổng sản phẩm và thép băng.
Ở nƣớc ta, trong định hƣớng phát triển của ngành luyện kim đã
dự kiến tổng nhu cầu thép vào năm 2010 là 6.400.000 tấn, trong đó có
3.500.000 tấn thép lá và 2.900.000 tấn thép hình và dây. Nhƣ vậy khối
Slabing là loại máy cán chủ yếu dùng để sản xuất slab cán. Slab cán ở các
máy này đảm bảo đƣợc hình dạng, kích thƣớc và chất lƣợng gia công. Khoảng cách
giữa hai trục đứng và giữa hai trục lớn cho phép cán slab có bề rộng đến 2240 mm.
Quá trình cán ở các máy slabing đƣợc tiến hành với số lần đảo chiều và số lần cán ít
nhất. Cho nên năng suất của các máy cán slabing lớn hơn nhiều so với các máy cán
slab khác.
Sản xuất slab từ thỏi bằng phƣơng pháp cán có nhiều điểm hạn chế:
- Hệ số tiêu hao kim loại lớn.
- Qui trình công nghệ phức tạp, tốn thời gian và năng lƣợng.
- Slab có sự không đồng nhất về cơ tính do sự không đồng nhất về thành
phần hóa học và tổ chức của thỏi gây nên.
Sản xuất slab bằng phƣơng pháp đúc liên tục khắc phục đƣợc hầu hết những
nhƣợc điểm kể trên. Do có sự đồng nhất về thành phần hóa học và tổ chức nên chất
lƣợng của slab đúc cao hơn slab cán. Ngoài ra, phƣơng pháp đúc liên tục còn cho
phép giảm một cách đáng kể hiệu số tiêu hao kim loại, năng lƣợng và thời gian cho
qui trình công nghệ. Chính vì vậy mà giá thành của slab đúc thấp hơn nhiều so với
slab cán.
Do có những ƣu điểm kinh tế - kỹ thuật nêu trên, hiện nay phƣơng pháp đúc
liên tục slab đƣợc áp dụng một cách rộng rãi và trở thành phƣơng pháp sản xuất
phôi chủ yếu cho các máy cán thép tấm.
-15-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Cán thép tấm từ phôi slab là phƣơng pháp công nghệ hợp lí hơn cả. Bằng
phƣơng pháp này, ta có thể nâng cao cơ tính, chất lƣợng bề mặt của thép thành
phẩm, đồng thời giảm đáng kể hệ số tiêu hao kim loại, tăng năng suất và mở rộng
chủng loại sản phẩm của máy.
Kích thƣớc và khối lƣợng của slab đƣợc xác định căn cứ vào kích thƣớc của
Các giá cán duo và trio lauta có độ cứng thấp, thƣờng gây nên độ không
đồng đều ngang và dọc đáng kể của chiều dày thép cán. Đối với các giá cán trio
lauta, còn cần phải có bàn nâng hạ bố trí hai bên giá cán, hệ thống này thƣờng rất
nặng nề, một mặt làm hạn chế khối lƣợng và kích thƣớc thép cán, mặt khác vì tốc
độ quay của trục cán không đổi suốt trong quá trình cán một sản phẩm, nên tải trọng
động khi trục cán ăn thép rất lớn. Ngoài ra ở các giá cán trio lauta lƣợng thép trong
một lần cán thƣờng bị hạn chế và thời gian nghỉ giữa hai lần cán tƣơng đối dài.
Chính vì những nhƣợc điểm trên mà hiện nay, khi xây dựng các xƣởng cán tấm
mới, kiểu giá cán trio lauta không đƣợc dùng nữa, còn các giá cán duo chỉ đƣợc sử
dụng làm giá cán thô ở các máy cán tấm hai giá.
Kiểu giá kvarto đƣợc sử dụng rộng rãi hơn cả. So với các kiểu giá cán khác
(ít trục hơn), các giá cá kavarto có độ cứng cao hơn, do đó đảm bảo đƣợc độ chính
xác của chiều dày thép thành phẩm.
Để cán thép tấm có mặt biên đƣợc gia công, ngƣời ta sử dụng các giá cán
kvarto vạn năng. Các giá này thƣờng đƣợc dùng làm các giá cán tinh ở các nhà máy
cán tấm, băng dày và hẹp. Tuy nhiên hiệu suất sử dụng các giá cán vạn năng ở các
máy cán tấm dày không cao, bởi vì khi cán tấm rộng và tƣơng đối mỏng, không thể
áp dụng lƣợng ép biên để tránh cho thép bị uốn cong theo chiều ngang.
Một số ít nhà máy luyện kim cũ hiện nay trên thế giới vẫn còn sử dụng máy
cán tấm một giá triolauta. Các nhà máy này thƣờng có chiều dài thân trục 1800
3850 mm, đƣờng kính trục trên và dƣới 650 1000 mm, đƣờng kính trục giữa 450
780 mm. Hai trục trên và dƣới đƣợc truyền động từ động cơ điện xoay chiều, qua
hộp giảm tốc và bánh đà. Các máy này thƣờng cán tấm dày 4 32 mm với tốc độ
2,5 3,5 m/s.
Các máy cán tấm triolauta một giá hiện nay không đƣợc chế tạo nữa.
Ở các máy cán tấm một giá, ngoài giá kvarto, ngƣời ta thƣờng đặt thêm một
trục đứng, có nhiệm vụ đánh gỉ, gia công mặt biên và căn chiều rộng. Trên hình 1.1
trình bày sơ đồ bố trí thiết bị của máy cán tấm một gia kvardo 1050/2150 4300
(cộng hòa liên bang Đức). Máy cán tấm có chiều dày đến 40 mm, chiều rộng đến
4160 mm, từ phôi slab có khối lƣợng đến 40T. Phôi trƣớc khi cán đƣợc nung trong
Máy liên hợp có cấu tạo gồm một giá kvarto và một bộ 2 trục cán (duo), có
chiều dài thân trục nhỏ hơn chiều dài thân trục giá cán kvarto, đƣợc gá đặt nhờ một
hệ thống dầm ngang đặc biệt. Do đó, máy liên hợp có thể thay thế phần nào vai trò
-18-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn của hai giá cán: slabing và giá cán tấm kvarto, cho phép sản xuất thép tấm có chất
lƣợng cao từ thỏi.
Một trong các máy cán liên hợp lớn nhất thế giới đƣợc xây dựng ở Nhật Bản,
bộ duo ( kích thƣớc trục 1230 3000 mm) làm việc nhƣ một máy slabing, có thể cán
thỏi khối lƣợng đến 25T và slab kích thƣớc H B = (100 400) mm (1200
1800) mm. Bộ kvarto có kích thƣớc trục 1020/1800 4300 mm, cho phép cán tấm
sản phẩm có chiều dày 6 150 mm, chiều rộng 1200 4000 mm và chiều dài đến
20m. Giá cán liên hợp đƣợc truyền động từ hai động cơ với công suất mỗi chiếc
3680kW.
Ở các máy cán tấm đƣợc trang bị các giá cán có khung di động, quá trình
cán các chủng loại thép tấm hẹp và rộng đƣợc tiến hành với các trục có chiều dài
khác nhau. Điều đó cho phép cán các sản phẩm có dung sai chiều dày thấp (giảm
ảnh hƣởng của độ uốn trục do không phải cán thép tấm hẹp với trục cán quá dài).
Khi chủng loại chiều rộng thay đổi, một trong hai khung giá có thể dịch chuyển đến
hai vị trí khác nhau nhờ các xilanh thủy lực. Khung giá đƣợc bắt chặt vào đế máy
bằng các móc thủy lực.
Một trong những giá cán kvarto đảo chiều có khung di động lớn nhất đƣợc
xây dựng ở Mỹ. Chiều dài thân trục giá cán này có thể thay đổi trong khoảng 4065
5335 mm, đƣờng kính trục tựa 1800 mm, đƣờng kính trục làm việc 1000mm. Mỗi
trục làm việc đƣợc truyền động từ một động cơ riêng với công suất 4470kW. Máy
cho phép cán tấm từ các mác thép cacbon và thép hợp kim, kích thƣớc hbl = (4,7
380)mm (760 5080)mm (29000)mm.
động rộng; 15- bộ phận chứa thép tấm; 16- lò nung có sàn con lăn dùng nhiệt luyện
thép tấm; 17- xe vận chuyển thép; 18- đường băng lăn có máy đảo điện từ;
19- hố chứa vảy gỉ; 20- cầu trục.
Giá trục đứng có đƣờng kính trục 1500mm, chiều dài thân trục 600mm.
Công suất động cơ truyền động cho giá trục đứng 880 kW. Phía trƣớc giá này có
máy đảo phôi, phía sau là hệ thống đánh gỉ thủy lực gồm hai ống dẫn với các vòi
phun nƣớc áp suất cao (đến 100at), phân bố phía trên và phía dƣới tấm thép.
Trục của giá cán thô duo có kích thƣớc DL = 1150mm 2800mm. Mỗi
trục cán có động cơ truyền động riêng, công suất 2570kW, tốc độ 0 -3-60
-20-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn vòng/phút. Giá cán cũng đƣợc trang bị hệ thống đánh gỉ thủy lực. Phía trƣớc và sau
giá cán có giàn con lăn côn xoay thép một góc 90
0
trong mặt phẳng ngang và hai
máy căn dẫn thép vào trục.
Trục đứng của giá cán tinh vạn năng kvarto có kích thƣớc DL =
700400mm. Mỗi trục có động cơ truyền động riêng, công suất 200kW. Trục làm
việc và trục tựa có đƣờng kính tƣơng ứng 800mm và 1400mm, chiều dài thân trục
2800mm. Hai trục làm việc đƣợc truyền động từ động cơ điện một chiều, công suất
5500kW, tốc độ 0-60-120 vòng/phút. Phía trƣớc và phía sau giá cán có các máy căn
dẫn thép vào trục.
Những máy cán tấm đang làm việc và đƣợc thiết kế mới hiện nay thƣờng có
chiều dài thân trục không dƣới 3000 mm. Một số máy cán tấm lớn có chiều dài thân
trúc tới 5590mm hoặc hơn.
Phụ thuộc vào chiều dài thân trục, trục làm việc thƣờng có đƣờng kính (800
1130)mm, đƣờng kính trục tựa ( 1400 2300)mm.
trình cán ở giá cán thô và giá cán tinh phải xấp xỉ bằng nhau.
Đặc điểm của quá trình cán trong giá trục đứng, giá cán thô và giá cán tinh
đƣợc trình bày ở hình 1.3.
-22-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Thép các bon và thép hợp
kim thấp
Phôi slab hoặc thỏi
Làm sạch khuyết
tật bề mặt
Nung
Cán giữ nhiệt độ
đến nhiệt độ định
trƣớc
Cán
Nắn thẳng nóng
Cắt và lấy mẫu
kiểm tra
Đóng nhãn và dấu
Nhiệt luyện
Nắn thẳng nguội
Kiểm tra, làm sạch
Xuất xƣởng
Thép không gỉ
Phôi slab
Làm sạch khuyết
tật bề mặt
Nung
Nắn thẳng bimetal ở
nhiệt độ 300600
0
C
Cán
Đóng dấu
Nhiệt luyện
Thép hợp kim
Phôi thỏi (600- 900ºC)
Cán thành slab
Cắt và đóng dấu
Đóng dấu
Nhiệt luyện
Nắn thẳng ở trạng thái
nguội
Kiểm tra, tẩy sạch bề
mặt và phân loại tấm
Xuất xƣởng
Tôi ram
Làm nguội đến 200ºC
Làm nguội đến 200ºC
Nhiệt luyện
Slab
Hình 1.3 c)
-24-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
(1.1)
Trong đó: b
tb
= 0,5(b
0
+ b
1
) - chiều rộng trung bình của phôi;
v
bR
tv
l .
- chiều dài vùng biến dạng ( b
v
= b
0
-b
1
– lƣợng ép
trong giá trục đứng).
Biểu thức (1.1) cho thấy, nếu b
tb
> 4,5l
tv
+ 4h
0
, vùng giữa phôi sẽ không
biến dạng, hiệu suất đánh gỉ của giá trục đứng sẽ kém. Trị số của b
ph
1
b
0
l
tv
-25-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Đƣờng kính trục cho phép đạt hiệu suất đánh gỉ cao nhất :
R
hb
v
b
tb
2,20
2
)4(
0
(1.3)
Trong thực tế, chất lƣợng đánh gỉ chỉ đảm bảo khi lƣợng ép lớn hơn so với
lƣợng ép đƣợc tính theo (1.3). Đại đa số các trƣờng hợp, khi cán phôi có bề ngang
tƣơng đối hẹp, để đánh sạch gỉ lò, lƣợng ép riêng tuyệt đối trong giá trục đứng phải
đạt (5060)mm. Tuy nhiên, do công suất động cơ truyền động và đƣờng kính trục
tƣơng đối nhỏ nên việc tiến hành một lƣợng ép riêng lớn, nhƣ vậy ở nhiều máy
không thể thực hiện đƣợc.
Copyright: Tài liệu đại học ©