Đề tài 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 Uđk 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