ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

TRẦN QUANG ĐẠT

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH
VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỜNG NHIỆT ĐỘ

TRONG PHÔI

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 60 52 02 16
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT


1MỞ ĐẦU

Tự động hoá góp phần đẩy mạnh sự phát triển của nền kinh tế
quốc dân không còn là một khái niệm mới mẻ nữa mà thực sự đã đem
lại những bước chuyển biến rõ rệt. Sự cạnh tranh về chất lượng cũng
như giá cả của bất cứ sản phẩm nào đều thúc đẩy nhà sản suất coi việc
nâng cao chất lượng sản phẩm và năng suất lao động như là một nhiệm
vụ quyết định sự sống còn của tổ chức. Muốn làm được điều đó có một
cách bền vững nhất là áp dụng điều khiển tự động trong quá trình sản
xuất nhằm đáp ứng được những yêu cầu tiêu chuẩn chất lượng của sản
phẩm cũng như hạ giá thành của nó.
Theo nguyên lý chung, để điều khiển đối tượng ta phải nhận
dạng đối tượng trước, lựa chọn bộ điều chỉnh và sau đó tiến hành chỉnh
định các thông số của bộ điều chỉnh đó. Với thiết bị gia nhiệt như lò
nung, lò ủ được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực công nghiệp, nhưng
người ta mới chủ yếu xây dựng các hệ thống điều khiển nhiệt độ lò mà
chưa điều chỉnh trực tiếp chất lượng gia nhiệt của vật liệu, nghĩa là
chưa lấy nhiệt độ của vật nung làm chỉ tiêu điều khiển trực tiếp.
Tuỳ theo yêu cầu công nghệ, các chỉ tiêu khi gia nhiệt có thể là:
- Đạt yêu cầu nhiệt độ cho trước
- Đạt độ đồng đều nhiệt yêu cầu theo toàn bộ vật nung.
- Thời gian nung trong phạm vi cho phép.
- Lượng xỉ nung (ôxit kim loại) trong phạm vi cho phép.
Trong luận văn này chúng tôi đã xây dựng một hệ thống điều
khiển lò nung tĩnh để thực hiện được hai chỉ tiêu đầu tiên đó là đạt nhiệt
độ theo yêu cầu và đồng nhiệt đối với phôi kim loại.

việc nung kim loại.
1.1.3.3. Bài toán nung chính xác nhất
Đây là bài toán ta phải điều khiển sao cho nhiệt độ thực của sản
phẩm sát với yêu cầu nhất.

3

Với nội dung của đề tài “Nghiên cứu xây dựng mô hình và
thiết kế bộ điều khiển trường nhiệt độ trong phôi”. Ta phải nghiên
cứu những nội dung sau:
+ Xây dựng mô hình tính toán sao cho từ nhiệt độ lò biết được nhiệt độ
vật.
+ Thiết kế bộ điều khiển PID (PI), hiệu chỉnh các tham số của bộ điều
khiển sao cho thoả mãn yêu cầu đặt ra
+ Tiến hành thí nghiệm, so sánh lý thuyết và kết quả thực nghiệm.

và α
2
.
2.6.3. Cơ sở toán học lập mô hình tính.

Trên cơ sở này, ta có thể lập sơ đồ khối để tính các nhiệt độ T
1
 T
7
của
tấm kim loại theo nhiệt độ lò

5

CHƯƠNG III
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ CHO QUÁ TRÌNH GIA
NHIỆT TRONG PHÔI
3.1 Nhận dạng đối tượng điều khiển
3.1.1. Kết nối Card NIDAQ USB-6008 với máy tính để nhận
dạng đối tượng
Đầu ra nhiệt độ lò qua cảm biến đo là cặp nhiệt, tín hiệu từ đầu
ra cặp nhiệt được khuếch đại điện áp lên đến giá trị 0-10V qua Card
NIDAQ USB-6008 đưa vào đầu Analog input và nhiệt độ đặt là 600
0
C
được xuất qua khối Analog output.
3.1.2 Xác định tham số mô hình từ đặc tính động học của
đối tượng.
Các bước tiến hành nhận dạng:
Bước 1: Thu thập, khai thác thông tin ban đầu về đối tượng.

quá độ).
Bước 3: Lấy số liệu thực nghiệm cho từng cặp biến vào/ra, xử
lý thô các số liệu nhằm loại bỏ những giá trị đo kém tin cậy.

7

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9

Hình 3.3. Đặc tính các giá trị lấy mẫu của lò được loại bỏ nhiễu.

8Hình 3.5. Kết quả quá trình nhận dạng lò nhiệt
.
Hằng số thời gian T xác định bằng cách kẻ tiếp tuyến với


9

3.1.2.2. Nhận dạng vật nung
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9

Hình 3.7 Đặc tính các giá trị lấy mẫu của vật nung
khi chưa loại bỏ nhiễu
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
8

Phương trình thời gian mô tả bộ điều khiển PID:
t
P D
0
1
1 de(t)
u(t) K e(t) e(t)dt T
T dt
 
  
 
 


(3.3)Hình 3.11: Điều khiển với bộ điều khiển PID

11

3.3.2. Thiết kế bộ điều khiển theo tiêu chuẩn phẳng
Tiêu chuẩn “phẳng” đòi hỏi đặc tính tần


k
w j

có dạng
“phẳng”, nghĩa là hệ có hành vi của một khâu tích phân.



 
  
 

3.4. Tính toán các bộ điều khiển PID điều khiển nhiệt độ lò-vật.
3.4.1. Sơ đồ điều khiển nhiệt độ hệ thống lò vật hai mạch
vòng:

Hình 3.13 Sơ đồ điều khiển nhiệt độ hệ thống lò vật hai mạch vòng

3.4.2. Sơ đồ điều khiển vòng trong:
Mục đích của vòng điều khiển trong này là điều khiển nhiệt độ lò
điện trở.
Hàm truyền của BBĐ
Bộ biến đổi sử dụng bộ biến đổi xoay chiều - xoay chiều 1 pha
dùng thyristor. Thực chất đây là khâu quán tính bậc nhất có hàm truyền
là:

bd
BBĐ
K
200 / 10 20
W (s)
s 1 s 1 s 1
  
  
(3.13)


  

 
dt1 BBĐ BBĐ
20
W (s) W (s) W (s)
(640.54s 1)(53s 1) s 1
  
   13

Có thể sử dụng các phương pháp để thiết kế bộ điều khiển như sau:

a. Thiết kế theo tiêu chuẩn phẳng:
Thiết kế bộ điều khiển theo tiêu chuẩn phẳng.
 
dt1
20
W (s)
(640.54s 1)(53s 1) s 1

  
(3.14)
Tổng hằng số thời gian bé là: T
b



n V
đk
i
T s 1 sT 1 640.54s+1 53s 1
1
W (PID) 17 848s
Ts 40s 40s
  
    Hình 3.15 Sơ đồ mô phỏng 14

Chạy mô phỏng ta được:

Hình 3.16 Đáp ứng của bộ điều khiển Hình 3.17 Sai lệch tĩnh của hệ thống
15

17
Hình 3.20. Sai lệch tĩnh của hệ thống
Hệ thống khi có nhiễu tác động: Hình 3.21 Kết quả mô phỏng hệ thống khi có nhiễu tác động

18

3.4.3 Sơ đồ điều khiển vòng ngoài Hình 3.22: Xác định hằng số khuyếch đại tới hạn
Chạy mô phỏng ta được với hàm bước nhẩy ta được:
Kết quả thu được như sau:

Hình 3.24. Đáp ứng đầu ra của bộ điều khiển PI
19

CHƯƠNG 4
MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ
TRONG LÒ ĐIỆN TRỞ Hình 4.5: IC khuyếch đại đo lường IN128

Hình 4.6 Hình ảnh mạch khuếch đại đo lường
22

4.2.3. Mạch động lực Hình 4.7 Hình ảnh mạch động lực
4.2.3.1 Thyristor dùng trong mạch
Loại Thyristor được dùng trong luận văn này là Thyristor CT200
do Trung Quốc sản xuất
4.2.3.2. Tính toán bảo vệ van bán dẫn
4.2.3.3. Phương pháp điều khiển Thyristor:
4.2.4 Card NIDAQ USB- 6008

Hình 4.11: Hình ảnh bộ Card NIDAQ USB-6008.23