Điều khiển thích nghi bền vững đồng bộ nhiều hệ thống phi tuyến áp dụng trong dây chuyền sản xuất ruột dẫn cho dây cáp điện :Luận văn thạc sĩ - Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

NGUYỄN TÙNG MINH

ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI BỀN VỮNG

ĐỒNG BỘ NHIỀU HỆ THỐNG PHI TUYẾN –

ÁP DỤNG TRONG DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT

RUỘT DẪN CHO DÂY CÁP ĐIỆN

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

Mã chuyên ngành: 60520203

LUẬN VĂN THẠC SĨ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2019

Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Công nghiệp TP. Hồ Chí Minh.

Người hướng dẫn khoa học: Tiến sĩ Nguyễn Tấn Lũy

Người phản biện 1: Tiến sĩ Phạm Công Thành

Người phản biện 2: Tiến sĩ Trần Hữu Toàn

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn thạc sĩ Trường

Đại học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh ngày 26 tháng 04 năm 2019

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1. Tiến sĩ Mai Thăng Long - Chủ tịch Hội đồng

2. Tiền sĩ Phạm Công Thành - Phản biện 1

3. Tiến sĩ Trần Hữu Toàn - Phản biện 2

4. Tiến sĩ Nguyễn Trọng Tài - Ủy viên

5. Tiến sĩ Trần Minh Chính - Thư ký

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Nguyễn Tùng Minh MSHV: 16083501

Ngày, tháng, năm sinh: 23 / 10 / 1975 Nơi sinh: Hoài Nhơn, Bình Định

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã chuyên ngành: 60520203

I. TÊN ĐỀ TÀI:

Điều khiển thích nghi bền vững đồng bộ nhiều hệ thống phi tuyến - Áp dụng trong

dây chuyền sản xuất ruột dẫn cho dây cáp điện

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển đồng bộ các lồng xoắn và capstan kéo trong dây

chuyền sản xuất ruột dẫn 18+24 tại Công ty CP dây cáp điện Việt Nam, đảm bảo ổn

định tốc độ tương đối giữa các lồng xoắn và capstan kéo trong quá trình vận hành,

qua đó ổn định được chất lượng ruột dẫn trong quá trình sản xuất, giảm tiêu hao vật

tư.

II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: Theo quyết định số 2057/QĐ-ĐHCN, ngày

02/10/2018 về việc giao đề tài và cử người hướng dẫn luận văn thạc sĩ của Hiệu

Trưởng trường Đại học Công nghiệp TP.HCM.

III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 02 /04/2019

IV. NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: Tiến sĩ Nguyễn Tấn Lũy

Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2019

NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

i

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên cho phép tôi xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Nhà trường, Khoa kỹ

thuật điện tử và tất cả các Thầy Cô đã dành nhiều sự quan tâm giúp đở, tạo điều

kiện về mọi mặt để tôi có thể hoàn thành tất cả các môn học và làm luận văn tốt

nghiệp đúng thời hạn.

Xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Công ty cổ phần Dây cáp điện Việt Nam -

CADIVI, Nhà máy CADIVI Miền Đông đã gợi mở và giúp đở tôi trong quá trình

thực hiện đề tài liên quan đến thiết bị công nghệ của Nhà máy, mặc dù kế hoạch sản

xuất rất căng thẳng, thiết bị phải vận hành liên tục để đáp ứng đúng tiến độ giao

hàng nhưng đã cố gắn sắp xếp để giúp tôi có thời gian tương tác với thiết bị.

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn tiến sĩ Nguyễn Tấn Lũy, người đã luôn ở bên chỉ

bảo, định hướng và giúp đở tôi trong việc chọn, thực hiện và báo cáo đề tài này.

Vì kiến thức có hạn, với tính chất vừa làm vừa học, thời gian dành cho nghiên cứu

chưa thật sự nhiều nên chắc chắn đề tài cũng còn nhiều chổ thiếu sót nên rất mong

quý Thầy Cô và các bạn đóng góp.

Xin chân thành cảm ơn!

ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Trong các dây chuyền sản xuất công nghiệp hiện nay, chúng được cấu tạo bởi nhiều

bộ phận khác nhau, vì vậy cần có sự kết nối truyền động (đồng bộ) tốt giữa các bộ

phận đảm bảo ổn định trong quá trình vận hành qua đó ổn định được chất lượng sản

phẩm đầu ra.

Công ty cổ phần dây cáp điện Việt Nam là đơn vị chuyên sản xuất các sản phẩm

dây và cáp điện, Công ty cũng có nhiều dây chuyền được tích hợp từ nhiều bộ phận

trong đó có dây chuyền sản xuất ruột dẫn 18+24, các bộ phận của dây chuyền này

(gồm lồng 18 bobbin, lồng 24 bobbin, capstan) được kéo bởi các môtơ 15 kW, 22

kW, 37 kW và đồng bộ thông qua hệ thống truyền động điện, tuy nhiên hiện tại việc

đồng bộ không tốt dẫn đến thiết bị hoạt động không ổn định, cần phải có tác động

của người vận hành, chất lượng sản phẩm không ổn định.

Luận văn này nghiên cứu đưa ra bộ điều khiển thích nghi bền vững đồng bộ các hệ

phi tuyến (các lồng xoắn và capstan) trên cơ sở thuật toán PID kết hợp với bộ điều

khiển thông minh để cập nhật độ lợi tùy thuộc vào các điều kiện tải khác nhau. Áp

dụng giải pháp này giúp cho dây chuyền hoạt động ổn định, ổn định chất lượng sản

phẩm, giảm tiêu hao vật tư và mở rộng chức năng của dây chuyển.

iii

ABSTRACT

In the current, almost industrial production lines, they are made up of many

different parts, so they need to be good (synchronous) transmission between parts to

ensure that stability during operation. That stabilizes the quality of output products.

Vietnam Electric Cable Corporation is a unit specialized in manufacturing electric

wire and cable products. The company also has many integrated lines from many

parts including the 18 + 24 conductor stranding line. Parts of this line (including 18

bobbin cages, 24 bobbin cages, capstan) are pulled by motors of 15 kW, 22 kW, 37

kW and synchronized through electric drive systems, but currently they are not

synchronized well, so the line operated unstably, It need to control by the operator

and product quality is unstable.

This dissertation studies and provides a sustainable adaptive controller to

synchronize nonlinear systems (cages and capstan) based on PID algorithm

combined with intelligent controller to update the gain schedulling depending on the

various load conditions. Applying this solution helps the line to operate stably,

stabilize product quality, reduce material consumption and expand the function of

the line.

iv

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tôi. Các kết quả nghiên

cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một

nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có)

đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Học viên

Nguyễn Tùng Minh

v

MỤC LỤC

MỤC LỤC................................................................................................................ V

DANH MỤC HÌNH ẢNH ....................................................................................... VII

DANH MỤC BẢNG BIỂU ..................................................................................... IX

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT................................................................................... X

MỞ ĐẦU.................................................................................................................. 1

1. Đặt vấn đề ............................................................................................................ 1

2. Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................................ 1

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ....................................................................... 1

4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu.......................................................... 1

5. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài ................................................................................. 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU................................ 3

1.1 Tính cấp thiết của đề tài..................................................................................... 3

1.2 Các nghiên cứu trước đây.................................................................................. 4

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ......................................................................... 14

2.1 Lý thuyết điều khiển......................................................................................... 14

2.2 Lý thuyết điều khiển thích nghi, bền vững....................................................... 18

2.2.1 Lý thuyết điều khiển thích nghi...................................................................... 18

2.2.2 Lý thuyết điều khiển bền vững....................................................................... 27

2.3 Lý thuyết hệ phi tuyến...................................................................................... 29

CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG........................................ 34

3.1 Công nghệ sản xuất dây cáp điện ...................................................................... 34

3.2 Mô tả hiện trạng đối tượng nghiên cứu ............................................................. 38

3.3 Thiết kế hệ thống điều khiển ........................................................................... 39

3.3.1 Nguyên lý điều khiển ..................................................................................... 39

3.3.2 Thiết kế bộ điều khiển PID thích nghi ........................................................... 40

3.3.3 Chương trình PLC.......................................................................................... 48

vi

3.3.4 Sơ đồ kết nối điện động lực và điều khiển ..................................................... 48

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ .................................. 49

4.1 Trước khi áp dụng bộ điều khiển APID ........................................................... 49

4.2 Sau khi áp dụng bộ điều khiển APID ............................................................... 50

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.................................................................................. 55

1. Kết luận................................................................................................................ 55

2. Kiến nghị.............................................................................................................. 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................ 56

PHỤ LỤC................................................................................................................. 58

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG CỦA HỌC VIÊN ........................................................ 100

vii

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc điều khiển Electronic Lineshaft ........................................ 4

Hình 1.2 Sơ đồ cấu trúc tốc độ động cơ Follower theo động cơ Master ................. 5

Hình 1.3 Cấu hình Master – Slaver.......................................................................... 7

Hình 1.4 Cấu hình Cross-coupling technich ............................................................ 7

Hình 1.5 Cấu hình Bi-axial cross coupling technique ............................................. 8

Hình 1.6 Cấu hình Ralative coupling strategy ......................................................... 9

Hình 1.7 Bản đồ phác hoạ của máy tạo hình nóng .................................................. 11

Hình 1.8 Cấu trúc phần cứng hệ thống điều khiển máy tạo hình nóng.................... 12

Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lý điều khiển máy tạo hình nóng....................................... 12

Hình 2.1 Đáp ứng nấc của hệ hở có dạng S............................................................. 15

Hình 2.2 Đáp ứng nấc của hệ kín khi K = Kgh........................................................ 16

Hình 2.3 Bộ điều khiển PID mờ dùng Sugeno......................................................... 18

Hình 2.4 Mô tả hồi tiếp thích nghi........................................................................... 19

Hình 2.5 Mô hình tự chỉnh định............................................................................... 21

Hình 2.6 Mô hình thực nghiệm tự chỉnh định.......................................................... 23

Hình 2.7 Mô hình lịch trình độ lợi ........................................................................... 25

Hình 2.8 Mô hình điều khiển bền vững ................................................................... 27

Hình 2.9 Đặc tính mô tả đặc điểm hệ phi tuyến....................................................... 32

Hình 3.1 Hình Cáp điện ........................................................................................... 34

viii

Hình 3.2 Cấu tạo cáp điện........................................................................................ 35

Hình 3.3 Lưu đồ quy trình sản xuất cáp điện........................................................... 36

Hình 3.4 Ruột dẫn cáp điện...................................................................................... 37

Hình 3.5 Dây chuyền xoắn ruột dẫn......................................................................... 38

Hình 3.6 Sơ đồ cấu trúc dây chuyền xoắn ruột dẫn ................................................. 38

Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý điều khiển dây chuyền xoắn ruột dẫn ............................ 39

Hình 3.8 Sơ đồ điều khiển Feedfoward và PID thích nghi 1-2................................ 41

Hình 3.9 Sơ đồ điều khiển Feedfoward và PID thích nghi 1-3................................ 42

Hình 3.10 Mô tả luật thích nghi bằng lịch trình độ lợi ............................................ 43

Hình 3.11 Lưu đồ cập nhật độ lợi cho bộ điều khiển APID .................................... 45

Hình 3.12 Lưu đồ giải thuật điều khiển ................................................................... 46

Hình 4.1 Biểu đồ bước xoắn lồng 18 khi chưa áp dụng APID ................................ 49

Hình 4.2 Biểu đồ bước xoắn lồng 24 khi chưa áp dụng APID ................................ 49

Hình 4.3 Biểu đồ bước xoắn lồng 18 không tải sau khi áp dụng APID .................. 50

Hình 4.4 Biểu đồ bước xoắn lồng 24 không tải sau khi áp dụng APID .................. 50

Hình 4.5 Biểu đồ bước xoắn lồng 18 có tải sau khi áp dụng APID......................... 51

Hình 4.6 Biểu đồ bước xoắn lồng 24 có tải sau khi áp dụng APID......................... 51

Hình 4.7 Gía trị bước xoắn thực tế và cài đặt khi áp dụng APID............................ 52

Hình 4.8 Gía trị bước xoắn thực tế và cài đặt khi chưa áp dụng APID ................... 52

Hình 4.9 Biểu đồ dòng điện lồng xoắn 18 khi áp dụng APID................................. 53

Hình 4.10 Biểu đồ dòng điện lồng xoắn 24 khi áp dụng APID............................... 53