Thiết kế bộ điều khiển phi tuyến bền vững, tối ưu bền vững cho hệ thống cán thép tấm

-1-

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

NGÀNH : TỰ ĐỘNG HÓA

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN BỀN VỮNG,

TỐI ƢU BỀN VỮNG CHO HỆ THỐNG CÁN THÉP TẤM

BAN GIÁM HIỆU KHOA SAU ĐẠI HỌC

NGƢỜI HD KHOA HỌC

T.S BÙI CHÍNH MINH

HỌC VIÊN

VŨ HOÀI THU

Thái Nguyên, 2010

-2-

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

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu và tổng hợp các tài liệu của

riêng tôi, các số liệu, kết quả nêu trong luận văn này là trung thực và chưa từng

được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Học viên

Vũ Hoài Thu

-3-

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

LỜI CẢM ƠN

Nước ta đang phấn đấu đến năm 2020 cơ bản trở thành một nước công

nghiệp có trình độ phát triển khá. Chiến lược trong những năm tới là phải đưa đất

nước phát triển nhanh và bền vững, xây dựng nền kinh tế tự chủ, chủ động hội nhập

có hiệu quả với kinh tế quốc tế và tiếp tục đổi mới sâu rộng hơn nữa.

Ngành thép là một ngành công nghiệp then chốt trong nền kinh tế quốc dân,

là đầu vào cho rất nhiều các ngành công nghiệp khác. Thép được đánh giá là vật tư

chiến lược và có vai trò hết sức quan trọng trong sự nghiệp CNH-HĐH đất nước.

Sản phẩm thép rất đa dạng trong đó phải kể đến thép tấm (lá) là một trong

những dạng sản phẩm cán kinh tế nhất. Từ thép tấm và thép băng người ta sản xuất

thép ống, thép hình uốn, các loại kết cấu hàn và các sản phẩm dập rất đa dạng.

Ở nước ta, trong định hướng phát triển của nghành luyện kim đã dự kiến

tổng nhu cầu thép vào năm 2010 là 6.400.000 tấn, trong đó có 3.500.000 tấn thép lá

và 2.900.000 tấn thép hình và dây. Như vậy khối lượng thép tấm, lá chiếm gần 55%

tổng sản phẩm thép cán. Hiện tại ở nước ta chỉ có duy nhất nhà máy cán thép tấm

là công ty TNHH một thành viên Thép Cái Lân đang hoạt động.

Hệ thống cán thép tấm được nghiên cứu và sử dụng rộng rãi tại các cơ sở

nghiên cứu và thực nghiệm nhưng hầu hết các công trình này đều không xét đến

ảnh hưởng phi tuyến của hệ thống thủy lực do vậy các mô hình này tương đối đơn

giản và phạm vi ứng dụng hẹp. Một vấn đề quan trọng trong điều khiển quá trình

cán là cần cải thiện thời kỳ quá độ.

Xuất phát từ lý do trên, tác giả đã lựa chọn đề tài “ Thiết kế bộ điều khiển

phi tuyến bền vững, tối ưu bền vững cho hệ thống cán thép tấm”.

Do mộ t phần khối kiến thứ c dùng để nghiên cứu , giải quyết những vấn đề

lớn trong đề tài thuộ c lĩnh vự c Công nghệ cán thép tấm , tác giả phải tự học trong

mộ t thời gian ngắn, tài liệu tham khảo để phục vụ cho luận văn gặp nhiều khó khăn ,

thời gian nghiên cứu luận văn và khả năng tự nghiên cứu của tác giả còn hạ n chế,

nên không thể tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong sự quan tâm, góp ý của các

Thầy, Cô và đồng nghiệp để tác giả lĩnh hội bổ sung cho chương trình nghiên cứu ,

nâng cao trình độ của bản thân ngày mộ t tốt hơn.

-4-

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

Để luận văn hoàn thành đúng thời hạn, cùng với sự nỗ lực của bản thân, tác

giả đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ; trước tiên tác giả xin chân thành cảm ơn

T.S Bùi Chính Minh, người thầy hướng dẫn khoa học chính giúp tác giả hoàn thành

luận văn này. Ngoài ra, tác giả cũng xin chân thành cảm ơn Khoa Luyện kim và

Công nghệ vật liệu- Đại học Bách Khoa Hà Nội cùng các bạn bè, đồng nghiệp đã

giúp đỡ, chia sẻ kinh nghiệm giúp tác giả hoàn thành luận văn này ./.

Thái Nguyên, tháng 9 năm 2010

Học viên

Vũ Hoài Thu

-5-

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

MỤC LỤC

Trang phụ bìa

Trang

1

Lời cam đoan 2

Lời cảm ơn 3

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC HÌNH VẼ

LỜI NÓI ĐẦU

Phần I. MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài

2. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài

3. Mục đích nghiên cứu

4. Đối tượng nghiên cứu

5. Phương pháp nghiên cứu

6. Cấu trúc của luận văn

Phần II. NỘI DUNG

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CÁN THÉP TẤM

1.1. Phôi cho sản xuất thép tấm và thép băng cán nóng

1.2. Đặc điểm, thành phần và cách bố trí thiết bị ở các nhà máy cán

tấm

1.3. Kỹ thuật cán thép ở các nhà máy cán tấm

1.3.1. Cán phôi slab trong giá trục đứng

1.3.2. Cán trong giá thô

1.3.3. Cán trong giá cán tinh

1.4. Đặc điểm biến dạng của thép khi cán ở các nhà máy cán tấm

1.5. Các thông số năng lượng của quá trình cán tấm

1.6. Tính toán chế độ ép cho máy cán tấm

1.6.1. Điều kiện ăn thép

1.6.2. Độ bền của trục cán

1.6.3. Công suất của động cơ truyền động

-6-

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

1.6.4. Nhiệt độ kim loại

1.7. Nhiệt luyện và tinh chỉnh thép tấm

1.8. Kết luận chương 1

Chương 2. Điều khiển hệ thống cán thép tấm bằng các bộ điều

khiển cơ bản

2.1. Bộ điều khiển tuyến tính PI

2.1.1. Mô hình toán học

2.1.2. Cấu trúc bộ điều khiển

2.1.3. Kết quả

2.2. Bộ điều khiển đa biến

2.2.1. Mô hình toán học

2.2.1.1. Hệ thống thủy lực

2.2.1.2. Giá cán

2.2.2. Thiết kế bộ điều khiển

2.2.2.1. Tuyến tính hóa phản hồi

2.2.2.2. Thiết kế không gian riêng

2.2.2.3. Cấu trúc bộ điều khiển

2.2.3. Kết quả

2.3. Bộ điều khiển H

2.3.1. Ký hiệu

2.3.2. Phương pháp tiêu chuẩn cho bài toán thiết kế H

2.3.3. Thiết kế bộ điều khiển

2.3.3.1. Mẫu máy cán

2.3.3.2. Quá trình thiết kế

2.3.4. Kết quả

2.4. Kết luận chương 2

Chương 3. Thiết kế bộ điều khiển phi tuyến bền vững, tối ưu cho

hệ thống cán thép tấm

3. 1. Mô hình toán học của hệ thống cán

3.1.1 Hệ thống thuỷ lực

-7-

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

3.1.2. Lực F

3.2. Một số công cụ toán học sử dụng trong quá trình thiết kế

3.2.1. Tính ổn định

3.2.1.1. Ổn định Luapunov

3.2.1.2. Ổn định đầu vào- trạng thái

3.2.1.3. Phương pháp lặp lùi dần

3. 3. Thiết kế các bộ điều khiển

3.3.1. Thiết kế bộ điều khiển phi tuyến bền vững

3.3.1.1. Phương pháp thiết kế chung

3.3.1.2. Thiết kế bộ điều khiển bền vững cho hệ thống cán thép tấm

3.3.2. Thiết kế bộ điều khiển phi tuyến tối ưu gián tiếp

3.3.2.1. Phương pháp thiết kế chung

3.3.2.2. Thiết kế bộ điều khiển tối ưu gián tiếp cho hệ thống

cán thép tấm

3.4. Mô phỏng

3.4.1. Mô phỏng bộ điều khiển bền vững cho hệ thống cán thép

tấm

3.4.2. Mô phỏng bộ điều khiển tối ưu bền vững cho hệ thống cán

thép tấm

3.4.3. Kết quả

3.5. Kết luận chương 3

Phần III. KẾT LUẬN CHUNG

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

Phụ lục A

Phụ lục B

Phụ lục C

Phụ lục D

-8-

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

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CN: Cán ngang

ISS: Ổn định đầu vào- trạng thái

CLF: Hàm ổn định Luapunov

HJI: Hamilton- Jacobi- Isaacs

HJB: Hamilton- Jacobi- Belman

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình vẽ Tên hình vẽ Trang

1.1 Sơ đồ bố trí thiết bị của máy cán tấm 1 giá đảo chiều

kvarto 4300

1.2 Sơ đồ bố trí thiết bị của máy cán tấm 2 giá 2800

1.3 Đặc điểm quá trình cán trong các giá trục

1.4. Sơ đồ biến dạng của phôi slab trong giá cán trục đứng

1.5 Các sơ đồ cán tấm từ Slab

1.6 Sơ đồ cán góc

1.7 Sự phân bố và kích thước ô rãnh trên bề mặt trục cán

1.8 Trục cán có ô gờ

1.9 Sơ đồ bố trí hệ thống đánh gỉ thủy lực

1.10 Sơ biến dạng của đầu trước phôi thép khi cán trong trục

đứng

1.11 Sơ đồ cán trong giá trục đứng và trục ngang

1.12 Sơ đồ nắn phẳng thép tấm với hai giàn con lăn bố trí

song song

2.1 Mô hình hệ thống cán tấm

2.2 Cấu trúc của hệ thống cán với bộ điều khiển PI

2.3 Phản hồi trạng thái vòng kín của hệ điều khiển PI

2.4 Quá trình cán nhìn từ hướng vuông góc với hướng

chuyển động của phôi

-9-

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

2.5 Máy cán nhìn từ góc song song với chuyển động của

phôi

2.6 Sơ đồ khối cho hệ thống cán

2.7 Cấu trúc của hệ thống cán với bộ điều khiển đa biến

2.8 Phản hồi với thay đổi đầu vào tại một cạnh

2.9 Sơ đồ khối hệ thống

2.10 Giá cán 4 tầng

2.11 Mô hình máy cán nguội một giá

2.12 Máy cán nguội biểu diễn trên biểu đồ khối tiêu chuẩn

2.13 Đáp tuyến tần số của máy cán và nhiễu

2.14 Đáp tuyến tần số của bộ điều khiển vòng trong Ki

2.15 Đáp tuyến tần số chức năng vòng của vòng trong Li

2.16 Độ nhạy vòng trong Si

2.17 Các đáp tuyến tần số

3.1 Sơ đồ hệ thống cán

3.2 Sơ đồ khối của hệ thống cán

3.3 Hệ tương đương

3.4 Phân bổ áp suất

3.5 Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển bền vững cho hệ thống

cán tấm

3.6 Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển tối ưu bền vững cho hệ

thống cán tấm

3.7 Mô phỏng các tín hiệu của hệ cán với bộ điều khiển phi

tuyến bền vững

3.8 Mô phỏng các tín hiệu của hệ cán với bộ điều khiển phi

tuyến tối ưu bền vững

-10-

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

Phần I- MỞ ĐẦU

1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Công nghệ cán thép tấm còn khá mới mẻ ở Việt Nam. Sản phẩm thép tấm

đều đƣợc nhập khẩu 100%. Trên thế giới, hệ thống cán thép tấm đƣợc nghiên cứu

và sử dụng rộng rãi từ rất lâu nhƣng đều đƣợc đơn giản hóa, hệ là hệ tuyến tính một

đầu vào - một đầu ra hoặc hai đầu vào- hai đầu ra.

Tuy nhiên, các phƣơng pháp trên có nhƣợc điểm là: vùng ổn định của hệ

thống bị thu nhỏ, có sai số do lệch tâm của các trục cán, khe hở của dầu bôi trơn...

dẫn đến làm giảm chất lƣợng của sản phẩm. Do đó các phƣơng pháp trên không

đƣợc ứng dụng khi hệ điều khiển yêu cầu độ chính xác cao, độ ổn định lớn.

Vì vậy, thiết kế bộ điều khiển phi tuyến bền vững, tối ƣu và thích nghi bền

vững để ổn định hệ thống cán thép tấm là vấn đề cần thiết, cải thiện chất lƣợng sản

phẩm thép tấm trong thời kỳ quá độ. Việc thiết kế này sẽ đem lại lợi ích kinh tế to

lớn, góp phần cải thiện chất lƣợng thép tấm và mở rộng phạm vi ứng dụng 7lý

thuyết điều khiển vào thực tế.

2. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

2.1. Ý nghĩa khoa học

Công nghệ cán thép tấm đƣợc điều khiển bằng nhiều phƣơng pháp khác

nhau. Tuy nhiên phƣơng pháp điều khiển phi tuyến sẽ khắc phục đƣợc các hạn chế

của các phƣơng pháp truyền thống. Bộ điều khiển này xét đến các phần tử phi tuyến

của hệ thống thủy lực, hệ thống giá cán, trục cán và nhiễu.

2 2. Ý nghĩa thực tiễn

- Công nghệ cán thép tấm còn khá mới mẻ ở nƣớc ta, sản phẩm chủ yếu nhập

khẩu với giá thành cao. Kết quả của đề tài sẽ tạo cơ sở khoa học để ứng dụng cho hệ

thống cán thép tấm chất lƣợng cao sẽ có ở Việt Nam với hệ thống điều khiển có

phạm vi sử dụng rộng hơn, ổn định hơn và mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn.

- Đề tài hoàn thành sẽ là tài liệu quan trọng giúp cán bộ khoa học kỹ thuật

thiết kế và hoàn thiện hơn hệ thống điều khiển trục cán thép tấm và mở ra những

ứng dụng thiết thực khác...