Nghiên cứu xây dựng hệ thống truyền động điện tháo quấn băng vật liệu sử dụng động cơ điện một chiều kích từ độc lập

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

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

THÁO QUẤN BĂNG VẬT LIỆU SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN

MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP

Ngành: TỰ ĐỘNG HOÁ

Mã:

Học viên: TÔN THẤT ĐỒNG

Ngƣời HD Khoa học: TS. TRẦN XUÂN MINH

THÁI NGUYÊN - 2010

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƢỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP

*****

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

--------------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA

TÊN ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

THÁO QUẤN BĂNG VẬT LIỆU SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN

MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP

Học viên : TÔN THẤT ĐỒNG

Lớp : Cao học K11-TĐH

Cán bộ HDKH : TS. TRẦN XUÂN MINH

CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC

TS. Trần Xuân Minh

HỌC VIÊN

Tôn Thất Đồng

BAN GIÁM HIỆU KHOA SAU ĐẠI HỌC

- i -

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay ở Việt Nam, rất nhiều các nhà máy sản xuất thép cán, giấy, vải, dây

điện, bao bì… đƣợc xây dựng rất nhiều, sản phẩm cuối cùng của các nhà máy này

đó là các băng cuộn thép, cuộn vải, cuộn giấy, cuộn nilon tổng hợp... Trong các dây

chuyền sản xuất của các nhà máy đó luôn có khâu thực hiện tháo-quấn lại vật liệu.

Máy tháo-quấn băng vật liệu có chức năng sau: từ cuộn băng vật liệu ban đầu có

kích thƣớc lớn đƣợc tháo quấn để đƣa qua dao cắt (để chia nhỏ) hoặc qua các lô in

để in hình, sau đó lại quấn lại thành các cuộn. Với yêu cầu cao về năng suất làm

việc nên hệ thống đặt ra rất nhiều vấn đề phức tạp do sự biến đổi các thông số trong

quá trình làm việc; hiên tại ở trong nƣớc cũng nhƣ trên thế giới đã có nhiều công

trình khoa học nghiên cứu về hệ thống này tuy nhiên vẫn còn tồn tại một số vấn đề

cần nghiên cứu làm rõ. Để làm sáng tỏ hơn những vấn đề phức tạp của hệ thống

cũng nhƣ nghiên cứu đóng góp thêm những sáng kiến mới để làm phong phú thêm

các thành quả nghiên cứu các phƣơng pháp điều khiển cho hệ thống này, góp phần

cho vào công cuộc hiện đại hóa ngành công nghiệp sản xuất băng vật liệu.

Đƣợc sự đồng ý và dẫn dắt của cán bộ hƣớng dẫn khoa học, tác giả đã lựa

chọn đề tài: “Nghiên cứu xây dựng hệ truyền động điện tháo quấn băng vật liệu

sử dụng động cơ điện một chiều kích từ độc lập”.

Sau một thời gian làm nghiên cứu liên tục, nghiêm túc; cùng với sự hƣớng dẫn

tận tình của cán bộ hƣớng dẫn khoa học, các thầy cô trong khoa, sự giúp đỡ của các

học viên trong lớp và các bạn đồng nghiệp. Đến nay luận văn đã hoàn thành.

Qua đây tác giả xin gửi lời cám ơn tới quý thầy cô trong khoa Điện trƣờng ĐH

Kỹ Thuật Công nghiêp - ĐH Thái Nguyên; Ban Giám Hiệu cùng toàn thể giáo viên

khoa Điện trƣờng Cao đẳng Công nghiệp Huế đã nhiệt tình giúp đỡ hƣớng dẫn,

cung cấp tài liệu và tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành đƣợc luận văn này.

Đồng thời tác giả muốn gửi lời cám ơn sâu sắc tới thầy giáo TS. Trần Xuân Minh,

ngƣời đã trực tiếp hƣớng dẫn tác giả trong suốt thời gian qua.

Tác giả xin cám ơn gia đình, bè bạn đã hết sức ủng hộ cả về vật chất lẫn tinh

thần trong thời gian nghiên cứu để hoàn thành tốt công trình nghiên cứu này.

- ii -

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Mặc dù đƣợc sự hƣớng dẫn tận tình của cán bộ hƣớng dẫn cùng với sự nỗ lực

cố gắng của bản thân; song vì kiến thức còn hạn chế, điều kiện tiếp xúc thực tế chƣa

nhiều, nên bản thuyết minh không tránh khỏi những thiếu sót nhất định. Vì thế, tác

giả rất mong tiếp tục đƣợc sự giúp đỡ, góp ý nhiệt tình của quý thầy cô, bạn bè và

đồng nghiệp.

Xin chân thành cảm ơn !

Tác giả luận văn

Tôn Thất Đồng

- iii -

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Tôn Thất Đồng

Sinh ngày 08 tháng 02 năm 1983

Học viên lớp cao học khoá 11 - Tự động hoá - Trƣờng đại học kỹ thuật Công

nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nghuyên.

Hiện đang công tác tại khoa Điện trƣờng Cao đẳng Công nghiệp Huế.

Xin cam đoan: Đề tài “Nghiên cứu xây dựng hệ truyền động điện tháo quấn

băng vật liệu sử dụng động cơ điện một chiều kích từ độc lập” do TS. Trần

Xuân Minh hƣớng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các tài liệu

tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng.

Nếu sai phạm tôi chịu hoàn toàn trách nhiệm trƣớc Hội đồng khoa học và

trƣớc pháp luật.

Thái Nguyên, ngày 28 tháng 9 năm 2010

Tác giả

Tôn Thất Đồng

- iv -

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

MỤC LỤC

Trang bìa

LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................. i

LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................iii

MỤC LỤC.................................................................................................................. iv

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................... vii

DANH MỤC CÁC BẢNG......................................................................................... ix

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.................................................................................... ix

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

CHƢƠNG 1: ............................................................................................................... 4

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG THÁO-QUẤN BĂNG VẬT

LIỆU............................................................................................................................ 4

1.1. Giới thiệu chung ............................................................................................... 4

1.2. Hệ thống truyền động tháo-quấn băng vật liệu ................................................ 5

1.2.1. Cấu tạo tổng quát hệ thống tháo-quấn băng vật liệu (giấy)....................... 5

1.2.2. Đặc điểm cấu tạo và chức năng của các thành phần: ................................ 5

1.2.3. Yêu cầu công nghệ hệ thống tháo-quấn băng vật liệu............................... 8

1.2.4. Giới thiệu một số mô hình điều khiển hệ thống tháo-quấn băng vật liệu 11

1.3. Lý thuyết sức căng trong hệ thống tháo-quấn băng vật liệu .......................... 14

1.3.1. Khái niệm sức căng của băng vật liệu ..................................................... 14

1.3.2. Lý thuyết điều chỉnh lực căng của băng vật liệu ..................................... 15

1.3.3. Giới thiệu các bộ đo lực căng băng vật liệu ............................................ 17

1.4. Mô hình phi tuyến của hệ thống tháo và quấn băng vật liệu:......................... 22

CHƢƠNG 2: ............................................................................................................. 30

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN THÁO-QUẤN BĂNG VẬT

LIỆU DÙNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP..................... 30

- v -

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

2.1. Tổng quan về truyền động điện một chiều ..................................................... 30

2.2. Nghiên cứu khảo sát hệ thống Thyristor – Động cơ ...................................... 30

2.2.1 Sơ đồ cấu trúc trạng thái ổn định và đƣờng đặc tính tĩnh......................... 32

2.2.1.1. Bộ điều chỉnh tốc độ quay không bão hòa........................................ 33

2.2.1.2. Bộ điều chỉnh tốc độ quay bão hòa ................................................... 34

2.2.2 Chất lƣợng của hệ truyền động điều chỉnh tốc độ hai mạch vòng kín ..... 35

2.2.2.1. Mô hình toán học trạng thái động ..................................................... 35

2.2.2.2. Phân tích quá trình khởi động ........................................................... 35

2.2.2.3. Tác dụng của hai bộ điều chỉnh. ....................................................... 38

2.3. Tổng hợp hệ thống truyền động hệ thống điều chỉnh tốc độ hệ thống tháo￾quấn băng vật liệu.................................................................................................. 38

2.3.1 Xây dựng hàm truyền của các khâu trong hệ thống điều khiển ............... 40

2.3.1.1 Hàm truyền của động cơ điện ............................................................ 40

2.3.1.2 Bộ chỉnh lƣu bán dẫn Thyristor ......................................................... 45

2.3.1.3 Hàm truyền của máy phát tốc ............................................................ 47

2.3.1.4 Hàm truyền của thiết bị đo điện......................................................... 48

2.3.1.5 Tổng hợp hệ điều khiển RI

, R .......................................................... 48

a. Tổng hợp bộ điều khiển dòng điện RI........................................................ 48

b.Tổng hợp bộ điều khiển tôc độ R.............................................................. 50

2.3.2. Thiết kế và mô phỏng bộ điều khiển tốc độ động cơ một chiều kích từ

độc lập truyền động cho tang tháo-quấn băng vật liệu sử dụng bộ điều khiển PI

kinh điển ............................................................................................................ 54

2.3.2.1. Đặc điểm và tính toán thông số hệ thống truyền động ..................... 54

2.3.2.3. Mô phỏng Simulink – Matlab bộ điều khiển PI................................ 56

CHƢƠNG 3: ............................................................................................................. 62

- vi -

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI PI ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

KÍCH TỪ ĐỘC LẬP TRUYỀN ĐỘNG CHO HỆ THỐNG THÁO-QUẤN BĂNG

VẬT LIỆU................................................................................................................. 62

3.1. Nghiên cứu lý thuyết điều khiển mờ lai PID mờ ........................................... 62

3.1.1. Tổng quan về lý thuyết điều khiển mờ .................................................... 62

3.1.2. Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ ............................................................ 63

3.1.3. Nguyên lý điều khiển mờ......................................................................... 65

3.1.4 Những nguyên tắc tổng hợp bộ điều khiển mờ ........................................ 65

3.1.5. Các bộ điều khiển mờ .............................................................................. 69

3.1.5.1. Bộ điều khiển mờ tĩnh...................................................................... 69

3.1.5.2. Bộ điều khiển mờ động ..................................................................... 69

3.1.6. Hệ điều khiển mờ lai................................................................................ 71

3.2. Bộ điều khiển mờ lai PI điều khiển tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập

truyền động cho tang tháo-quấn băng vật liệu ...................................................... 72

3.2.1. Cơ sở thiết kế bộ điều khiển mờ lai PI .................................................... 72

3.2.2. Thiết kế bộ điều khiển mờ lai PI ............................................................. 73

3.2.3. Mô phỏng bộ điều khiển mờ lai PI .......................................................... 77

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................... 82

TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................... 83

- vii -

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

L (m) Độ dài đoạn băng vật liệu

W (m) Độ rộng của đoạn băng vật liệu

P (N) Lực kéo căng

h (m) Độ dày của băng vật liệu

 (N/m) Độ giãn theo chiều dài của băng vật liệu

L (N/m) Độ giãn theo chiều ngang (cạnh) của băng vật liệu

 (N/m2

) Độ bền kéo

A (m2

) Tiết diện ngang của băng vật liệu

E Hằng số co giản của vật liệu

0

ε

(N/m

2

) Ứng suất căng ban đầu của phía tang tháo

T0 (N) Lực căng siết chặc ban đầu của cuộn tháo

T (N) Lực căng băng vật liệu

K Hệ số đàn hồi của dải băng

R0 (m) Bán kính của lõi tang quay

J0 (Kg.m2

) Mô men quán tính của lõi tang quay

Ru0

,Rr0

(m) Bán kính của lõi tang quay tháo quấn và tang quấn lại

u0 J ,

r0 J

(Kg.m2

) Momen quan tính của lõi tang quay tháo quấn và tang quấn lại

Ru

,Rr

(m) Bán kính của tang quay tháo quấn và tang quấn lại

u

J ,

r

J

(Kg.m2

) Mô men quan tính tang quay tháo quấn và tang quấn lại

Mu, Mr (N.m) Mô men truyền động tang quay tháo quấn và tang quấn lại

Vu

, Vr

(m/s) Vận tốc dài tang tháo quấn và tang quấn lại

u

,r

(rad/s) Vận tốc quay trục tang tháo quấn và trục tang quấn lại

Rω Bộ điều chỉnh tốc độ

Ri Bộ điều chỉnh dòng điện

n (vòng/phút) Vận tốc quay

Mc (N.m) Mô men cản

VF, VR Hai bộ chỉnh lƣu có điều khiển mắc song song ngƣợc