ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
Họ tên tác giả luận văn :
Đỗ Đức Mạnh
Tên đề tài luận văn :
NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ
LÒ NUNG PHÔI NHÀ MÁY CÁN THÉP
Chuyên nghành : Tự động hoá
Mã số :
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ TỰ ĐỘNG HOÁ
THÁI NGUYÊN 2011
1
Công trình được hoàn thành tại :
Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp - Đại học Thái Nguyên
Người hướng dẫn khoa học :
Tiến sỹ Trần Xuân Minh
Phản biện 1 : Tiến sỹ Nguyễn Văn Vỵ
Phản biện 2 : Tiến sỹ Nguyễn Duy Cương
Luận văn sẽ được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn họp tại :
Nhà A6, Trường đại học kỹ thuật công nghiệp
Đại học Thái Nguyên
Vào hồi 7 giờ 30 phút, ngày 17 tháng 11 năm 2011
Có thể tìm hiểu luận văn tại Trung tâm học liệu - Đại học Thái
Nguyên và Thư viện Trường đại học kỹ thuật công nghiệp - Đại
học Thái Nguyên
2
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Công nghiệp luyện kim - cán thép có vai trò hết sức quan
trọng trong công cuộc xây dựng phát triển nền kinh tế quốc dân, góp
phần rất lớn vào việc ổn định phát triển của xã hội, an ninh, quốc

- Thiết kế hệ điều khiển nhiệt độ nâng cao chất lượng điều
khiển nhiệt độ trong lò nung phôi.
- So sánh kết quả thu được với các phương pháp đang được
ứng dụng để rút ra kết luận và ý kiến đề xuất.
3
Bản luận văn gồm 89 trang với 3 chương, tác giả đã tìm hiểu lý
thuyết và thực tế, mô phỏng, thu được kết quả như sau :
- Với tham số của đối tượng điều khiển thay đổi trong phạm vi
cho phép, ở phạm vi thay đổi nhất định của tham số, thì bộ điều
khiển PID kinh điển có khả năng điều chỉnh khá tốt.
- Tuy nhiên trong một số trường hợp, khi tham số của đối
tượng không phải là tham số tập trung, thay đổi trong quá trình làm
việc, thì bộ PID có thể không cho dạng đặc tuyến tốt như ban đầu
nữa, có thể kéo dài thời gian quá độ của hệ thống…
- Khi sử dụng bộ điều khiển PID mờ, mặc dù tham số đối
tượng điều khiển thay đổi nhưng chất lượng đặc tính đầu ra vẫn được
giữ khá tốt, thời gian ổn định được rút ngắn.
Như vậy luận văn đã đóng góp một phần nhỏ vào ứng dụng
thực tiễn để điều khiển nhiệt độ lò nung phôi trong công nghệ cán
thép, giúp tiết kiệm nhiên liệu, nâng cao hiệu suất của lò, từ đó nâng
cao năng suất cán của nhà máy cán thép.
4. Kết cấu luận văn
Ngoài phần Mục lục, Kết luận và kiến nghị, Luận văn còn 12 tài liệu
tham khảo, 40 danh mục hình vẽ và đồ thị.
Chương I : Tổng quan về công nghệ cán thép
Chương II : Công nghệ lò nung phôi trong dây truyền can thép
liên tục
Chương III : Thiết kế bộ điều khiển nâng cao chất lượng điều
khiển nhiệt độ lò nung phôi, Nhà máy cán thép.
4

CÔNG NGHỆ LÒ NUNG PHÔI
TRONG DÂY TRUYỀN CÁN THÉP LIÊN TỤC
Trong chương này luận văn chủ yếu đi tìm hiểu về công nghệ
lò nung phôi trong dây truyền cán thép liên tục.
Nhiệm vụ của lò nung
Như chúng ta đã biết trong dây chuyền cán thép liên tục, phôi
trước khi đưa vào cán thì phôi phải đạt được nhiệt độ cần thiết (thông
thường nhiệt độ phôi trước khi vào cán khoảng 1200
0
C). Mục đích là
tạo cho kim loại có độ dẻo đồng nhất, đồng thời vẫn giữ được cơ tính
trong suốt thời gian thực hiện quá trình cán.
Trước khi đưa phôi ra cán, phôi phải được nung trong lò nung.
Quá trình nung phôi có ý nghĩa rất quan trọng đối với công nghệ cán
thép. Nó quyết định phần lớn chất lượng của thép và nếu có chế độ
nung hợp lý sẽ tiết kiệm được nhiên liệu và tăng năng suất sản phẩm.
Cấu tạo của lò nung
- Khung vỏ lò
- Hệ thống treo đỉnh lò
- Dầm đỡ tường đầu nạp phôi
- Hệ thống cửa lò bằng kết cấu thép
- Gạch đường trượt
- Ray trượt thép
- Về đường khói
- Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu kênh đứng
- Hệ thống đường ống không khí
- Quạt gió
- Dùng 12 mỏ phun dầu
Thiết bị của lò nung
- Hệ thống khi nén :

tường sau của lò và 2 bên tường lò. Nhiên liệu đốt là dầu FO. Dầu
trước khi được đưa vào ống dẫn dầu của mỏ đốt đã được sấy nóng,
đủ lưu lượng, đủ áp lực. Khí nén đủ lưu lượng, đủ áp lực được đưa
vào ống dưới áp suất của dầu, van được mở và phun dầu ra dưới
dạng sương mù. Van điều khiển gió nóng được mở ra và được phun
vào đốt cháy dầu trong lò.
Gió nóng được phun ngược chiều với chiều chuyển động của
kim loại, sau khi qua các vùng làm nhiệm vụ nung kim loại chúng
di chuyển theo đường kênh khói vào thiết bị trao đổi nhiệt, rồi theo
cống khói đi ra ngoài ống khói.
Gió nóng chỉ cấp ở các vùng nung và vùng đồng nhiệt, vùng
sấy chỉ sử dụng nhiệt thừa của khí lò đi qua trước khi thoát ra ống
khói.
Khi phôi được di chuyển đến phía cuối lò nung thì phôi sẽ
được tống ra lò từ bên sườn lò nung bằng máy tống phôi. Máy tống
phôi đẩy phôi vào đường con lăn phụ và phôi được đưa ra giá cán.
* Một số đặc điểm cần chú ý trong lò nung liên tục
+ Lò nung liên tục dùng để nung các loại thép cán có kích
thước lớn hoặc trung bình có năng suất cao và thường được cơ giới
hoá và tự động hoá từng phần.
+ Thông thường nạp liệu vào lò ở nhiệt độ thấp, nên dễ xảy ra
ứng suất nhiệt
khi môi trường vùng sấy có nhiệt độ cao quá mức quy định.
Một số trường hợp đặc biệt, để tránh gây ứng suất nhiệt, người
ta bố trí kênh khói phụ giáp vùng nung và vùng sấy để lấy bớt một
phần sản vật cháy, nhiệt độ vùng sấy sẽ hạ thấp hơn. Nghĩa là chủ
động điều chỉnh được nhiệt độ vùng sấy.
+ Vùng đồng nhiệt có tác dụng nâng nhiệt độ tâm vật nung để
làm giảm sự chênh lệch nhiệt độ giữa tâm và mặt vật nung đến giá trị
cho phép.

đến giá trị đặt SV. Bộ cảm ứng lưu lượng dầu cho tín hiệu đầu ra là
dòng điện từ (4 ÷ 20)mA tương ứng với lưu lượng dầu từ (0÷1000)L.
Tín hiệu dòng điện này được đưa tới bộ điều khiển để khống chế lưu
lượng gió theo chiều đóng bớt van gió nóng để giảm lượng khí đốt
phù hợp với lưu lượng dầu làm cho nhiệt độ giảm dần đến giá trị đặt.
Hệ thống đo và điều khiển áp lực dầu
Phạm vi đo lớn nhất : 10 kg/cm
2
.
Nguyên lý hoạt động :
Để tự động điều khiển áp lực dầu, thiết bị điều khiển thường
đặt giá trị 4kg/cm
2
.
10
Khi trên đường ống có áp lực dầu, bộ cảm biến cho ra tín hiệu
dòng diện một chiều từ (4 ÷ 20)mA tỷ lệ với áp lực dầu trong ống.
Khi giá trị đo lớn hơn giá trị đặt thì ở đầu ra của thiết bị điều
khiển sẽ cho ra dòng điện điều khiển cơ cấu đóng mở van theo chiều
mở van dầu hồi dẫn đến áp lực dầu trên đường ống sẽ giảm đến giá
trị đặt.
Khi giá trị đo nhỏ hơn giá trị đặt quá trình sẽ diễn ra ngược lại.
Hệ thống điều khiển nhiệt độ khí đốt
Phạm vi đo lớn nhất : 1400
0
C
Nguyên lý làm việc :
Khi nhiệt độ khí đốt tăng (lúc đó giá trị đo lớn hơn giá trị đặt),
đầu ra bộ điều khiển cho ra tín hiệu điều khiển mở van gió lạnh đưa
vào đường gió nóng để làm giảm nhiệt độ của khí đốt.

thiết bị, tiến tới xây dựng bộ điều khiển PID mờ cho điều khiển nhiệt
độ. Kết quả thu được thông qua mô phỏng bằng phần mềm Matlab -
Simulink.
3.1. TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐIỀU KHIỂN PID
Cấu trúc chung của hệ điều khiển
Hình 3.1 : Cấu trúc hệ thống điều khiển
Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng hệ điều khiển
- Chỉ tiêu chất lượng tĩnh
- Chỉ tiêu chất lượng động
+ Lượng quá điều chỉnh.
+ Thời gian quá độ.
+ Số lần dao động.
Các quy luật điều khiển
- Quy luật điều chỉnh tỷ lệ (P), hàm truyền đạt của bộ điều
chỉnh tỷ lệ có dạng :
W(s) = K
12
- Quy luật điều chỉnh tỷ lệ tích phân, hàm truyền đạt :
)
1
1(KW(s)
m
sT
I
+=
+ Ưu điểm của quy luật tỷ lệ tích phân là tác động nhanh do
có thành phần tỷ lệ và có khả năng triệt tiêu sai lệch tĩnh do có thành
phần tích phân. Nếu ta chọn được tham số K
m
, T

I
, T
D
cho bộ điều khiển PID, song tiện ích hơn cả trong ứng dụng
vẫn là :
- Phương pháp Ziegler – Nichols.
- Phương pháp Chien – Hrones – Reswick.
- Phương pháp tổng T của Kuhn.
- Phương pháp tối ưu độ lớn và phương pháp tối ưu đối xứng.
13
3.2. TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN MỜ
Khái quát về điều khiển mờ
Điểm mạnh cơ bản của điều khiển mờ so với kỹ thuật điều
khiển kinh điển là nó áp dụng rất hiệu quả trong các quá trình chưa
được xác định rõ hay không thể đo đạc chính xác, các quá trình được
điều khiển ở điều kiện thiếu thông tin. Điều khiển mờ đã tích hợp
kinh nghiệm của các chuyên gia để điều khiển mà không cần hiểu
biết nhiều về các thông số của hệ thống.
Điều khiển mờ chiếm một vị trí quan trọng trong điều khiển học kỹ
thuật hiện đại, đến nay điều khiển mờ đã là một phương pháp điều
khiển nổi bật bởi tính linh hoạt và đã thu được những kết quả khả
quan trong nghiên cứu, ứng dụng lý thuyết tập mờ, logic mờ và suy
luận mờ.
So với các giải pháp kỹ thuật từ trước tới nay được áp dụng để
tổng hợp các hệ thống điều khiển bằng điều khiển mờ có những ưu
điểm rõ rệt sau :
- Khối lượng công việc thiết kế giảm di nhiều do không cần sử
dụng mô hình đối tượng trong việc tổng hợp hệ thống.
- Bộ điều khiển mờ để dễ hiểu hơn so với các bộ điều khiển
khác (cả về kỹ thuật) và dễ dàng thay đổi. Đối với các bài toán thiết

Tuy nhiên trong thực tế ứng dụng của kỹ thuật điều khiển mờ
cho thấy rằng không phải cứ thay thế một bộ điều khiển kinh điển
bằng một bộ điều khiển mờ thì sẽ có một hệ thống tốt hơn. Trong
nhiều trường hợp, để hệ thống có đặc tính động học tốt và bền vững
cần phải thiết kế thiết bị điều khiển lai giữa bộ điều khiển mờ và bộ
điều khiển kinh điển. Từ đó dẫn đến khái niệm "hệ mờ lai" và lĩnh
vực thiết kế, ứng dụng bộ điều khiển mờ lai để nâng cao chất lượng
điều khiển của hệ thống. Hệ điều khiển mờ lai sẽ phát huy hết các ưu
điểm của bộ điều khiển mờ và bộ điều khiển kinh điển.
Xuất phát từ những phân tích trên tôi chọn phương pháp điều
khiển PID mờ để nghiên cứu và ứng dụng trong việc nâng cao chất
lượng hệ điều khiển nhiệt độ lò nung phôi - Nhà máy cán thép.
15
3.3. ỨNG DỤNG PID MỜ ĐỂ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ
NUNG PHÔI
Để điều khiển nhiệt độ cho lò nung ta điều khiển cho từng
vùng với trị số đặt trước. Khi điều khiển nhiệt độ cho từng vùng ta
phải điều chỉnh tỷ lệ dầu, gió và khí nén theo tỉ lệ nhất định tùy thuộc
vào giá trị nhiệt độ cần đặt. Tuy nhiên khi ta xem dầu đã được kết
hợp với khí nén có đủ áp lực để mù hóa dầu và vì lượng gió được đặt
theo lượng dầu nên khi đó ta có thể coi việc điều khiển nhiệt độ lò
nung có một tín hiệu vào là lưu lương dầu và một tín hiệu ra là nhiệt
độ. Việc đo lường và điều khiển nhiệt độ cho ba vùng nung là hoàn
toàn tương tự nhau vì vậy ta chỉ xét điều khiển nhiệt độ cho vùng
đồng nhiệt (1200  1250)
0
C.
Việc điều chỉnh nhiệt độ của lò thông qua điều chỉnh lượng
dầu cung cấp cho lò, điều này tương đương với việc điều chỉnh góc
quay của van. Ở đây trong sơ đồ điều khiển nhiệt độ cho lò ta dùng 2

+
(3.19)
- Hàm truyền van dầu :
W
V
(s)=
5,62
420
01000
=
−
−
(l/mA) (3.20)
16
- Hàm truyền senso vi trí :
637,0
02
15
)(W =
−Π
−
=s
ϕ
(V/rad) (3.21)
- Hàm truyền senso nhiệt độ :
0028,0
01400
15
)(W
T

ss
ss
++
=
++
==
ϕ
Ta tiến hành tổng hợp theo phương pháp mođul tối ưu.
)0258,01)(0036,01(
0475,2979
)1(2
1
)(.W)1(2
1
)(W
h
hc
ss
ss
sss
s
++
+
=
+
=
ττ
ττ
ϕ
ϕ

ss
sss
s
sss
s
sssR
ssR
s
081,01
57,1
34,12
38,19
34,120258,0
38,19
34,12)0258,01(
38,19
637,0.
)0258,01)(0036,01(
0475,2979
.
71,153
)0036,01(
1
)0258,01)(0036,01(
0475,2979
.
71,153
)0036,01(
)(W).(W).(1
)(W).(

)12001)(601(
4,1
.
)081,01(
57,1
)((s).WW)(W
LkhT
sss
sss
ss
+++
=
+++
==
ϕ
Áp
dụng phương pháp mođul tối ưu. Ta sử dụng bộ điều khiển PID :
R
T
(s) =
)12001)(601)(081,01(
198,2
)1(2
1
sss
ss
+++
+
ττ
Chọn τ = 1200, ta được :

tham số của lò là các tham số rải, không tập trung, nên ta coi gần
đúng là tập trung để mô phỏng. Với một tham số của đối tượng là cụ
thể và không thay đổi thì bộ điều khiển PID kinh điển cho kết quả
mô phỏng đặc tính rất tốt. Nhưng khi tham số của đối tượng thay đổi
tức là đối tượng phi tuyến thì bộ điều khiển PID có thể làm tăng thời
gian quá độ hoặc phá vỡ tính ổn định của đặc tính. Vì vậy để hệ làm
việc tốt hơn nữa ta sẽ thiết bộ điều khiển PID kết hợp với bộ điều
khiển mờ để điều khiển nhiệt độ cho lò.
Xuất phát từ nhận xét ở trên, ta tiến hành xây dựng bộ điều
khiển PID mờ để điều khiển nhiệt độ lò nung phôi.
Hình 3.29 : Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển nhiệt độ lò bằng bộ điều
khiển PID mờ
* Kết quả mô phỏng :
21
* Nhận xét :
- Ta thấy các đường đặc tính khá sát nhau, chứng tỏ khi thay
đỏi tham số thì bộ điều khiển có khả năng tự chỉnh định rất tốt để giữ
cho sự ổn định của hệ thống. Với những tham số bộ điều chỉnh PID
đơn thuần không tự điều chỉnh được thì với bộ điều khiển PID mờ
đặc tính (khi thay đổi tham số của lò) được điều chỉnh rất tốt.
- Khi sử dụng bộ điều khiển PID mờ ta thấy thời gian quá độ
của lò được rút ngắn và ổn định rất tốt mặc dù có sự thay đổi về tham
số trong quá trình làm việc.
- Khi chọn các tập giá trị mờ và luật điều khiển thich hợp thì
luật điều khiển mờ giúp cho hệ đạt được độ chính xác cao, giảm thời
gian quá độ
Thuật toán và chương trình đã được chuẩn hoá nên việc thực
hiện khâu bù mờ tương đối đơn giản. Số lượng giá trị mờ và luật mờ
có thể chọn tuỳ ý nên ta có thể thực hiện bộ điều khiển mờ theo một
đặc tuyến phi tuyến mong muốn bất kỳ.