Luận án Tiến sĩ Kĩ thuật: Nghiên cứu điều khiển hệ thống vận chuyển vật liệu dạng băng

Chia sẻ: Dopamine Grabbi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:139

Thêm vào BST

Báo xấu

30
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài nghiên cứu nhằm xây dựng mô hình toán học tổng quát cho WTS có xét đến biến thiên của mô men quán tính của lô tở và lô cuộn; xây dựng thuật toán điều khiển hệ thống với các trường hợp: thông số mô hình được xác định rõ và thông số mô hình biến thiên, bất định; mô phỏng và thực nghiệm kiểm chứng tính đúng đắn các thuật toán được đề xuất. Mời các bạn tham khảo nội dung đề tài!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kĩ thuật: Nghiên cứu điều khiển hệ thống vận chuyển vật liệu dạng băng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TỐNG THỊ LÝ NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG VẬN CHUYỂN VẬT LIỆU DẠNG BĂNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội - 2021
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TỐNG THỊ LÝ NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG VẬN CHUYỂN VẬT LIỆU DẠNG BĂNG Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 9520216 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. TS. Dương Minh Đức 2. PGS.TS. Nguyễn Tùng Lâm Hà Nội - 2021
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của tập thể hướng dẫn. Tài liệu tham khảo trong luận án được trích dẫn đầy đủ. Các kết quả nghiên cứu của luận án là trung thực và chưa từng được các tác giả khác công bố. Hà Nội, ngày 10 tháng 07 năm 2021 Tập thể hướng dẫn khoa học Nghiên cứu sinh TS. Dương Minh Đức PGS.TS. Nguyễn Tùng Lâm Tống Thị Lý i
LỜI CẢM ƠN Trải qua một thời gian dài, khó khăn và nhiều thử thách, tác giả cũng đã hoàn thành bản luận án của mình. Trong suốt quá trình đó, tác giả đã luôn nhận được sự giúp đỡ hỗ trợ của các đơn vị chuyên môn, tập thể hướng dẫn, các nhà khoa học, gia đình và đồng nghiệp. Qua đây tác giả muốn gửi lời cảm ơn sâu sắc tới tập thể hướng dẫn đã tâm huyết hướng dẫn tác giả trong suốt thời gian qua. Tác giả xin chân thành cảm ơn các nhà khoa học, các bạn đồng nghiệp, tập thể Bộ môn Tự động hóa Công nghiệp đã có những đóng góp quý báu, đã nhiệt tình giúp đỡ, cung cấp tài liệu tham khảo và đã hỗ trợ về thiết bị thí nghiệm, hướng dẫn vận hành để tác giả có thể hoàn thành một số thực nghiệm của luận án. Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn các Phòng ban của Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trong suốt quá trình thực hiện đề tài luận án. Tác giả cũng xin cảm ơn tới Đảng ủy, Ban giám hiệu và các đồng nghiệp tại Khoa Điện -Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội đã đồng ý về chủ trương, tạo điều kiện thuận lợi để tác giả sắp xếp thời gian vừa hoàn thành nhiệm vụ chuyên môn vừa hoàn thành luận án của mình. Đặc biệt tác giả muốn gửi lời cám ơn tới toàn thể gia đình, bạn bè đã hết lòng ủng hộ, chia sẻ cả về tinh thần và vật chất để tác giả hoàn thành tốt nội dung nghiên cứu này. Tác giả luận án ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN....................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... ii MỤC LỤC ...............................................................................................................iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU ................................................. vi DANH MỤC BẢNG BIỂU ...................................................................................... ix DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................ x MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1 1. Tính cấp thiết của đề tài .................................................................................... 1 2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ..................................................................... 2 3. Mục tiêu nghiên cứu ......................................................................................... 2 4. Phương pháp nghiên cứu .................................................................................. 2 5. Những đóng góp mới của luận án ..................................................................... 2 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn .......................................................................... 3 7. Bố cục và nội dung của luận án ........................................................................ 3 CHƯƠNG 1 ............................................................................................................... 5 TỔNG QUAN VỀ HỆ VẬN CHUYỂN VẬT LIỆU DẠNG BĂNG ....................... 5 1.1 Khái quát đối tượng nghiên cứu ...................................................................... 5 1.1.1 Giới thiệu chung ................................................................................... 5 1.1.2 Cấu tạo và phân loại .............................................................................. 9 1.1.3 Yêu cầu chung cho bài toán điều khiển WTS ...................................... 13 1.2 Tổng quan về các hướng nghiên cứu cho WTS của luận án .......................... 15 1.2.1 Tổng quan về mô hình hóa WTS ......................................................... 15 1.2.2 Tổng quan về phương pháp điều khiển ................................................ 18 1.3 Đề xuất phương hướng thực hiện .................................................................. 21 1.4 Kết luận chương 1 ........................................................................................ 22 CHƯƠNG 2 ............................................................................................................. 23 MÔ HÌNH TOÁN HỌC CHO HỆ VẬN CHUYỂN VẬT LIỆU DẠNG BĂNG .. 23 2.1 Nguyên lý vận chuyển vật liệu dạng băng của WTS ..................................... 23 2.1.1 Nguyên lý vận chuyển của lô vật liệu và lô dẫn ................................... 24 2.1.2 Lực căng, độ trượt và độ nổi ............................................................... 26 2.1.3. Vận tốc vận chuyển vật liệu ............................................................... 27 2.1.4. Mô men đầu vào của hệ thống ............................................................ 27 2.2 Tính toán động lực học cho WTS ................................................................. 27 iii
2.2.1 Động lực học của đoạn vật liệu giữa hai lô .......................................... 28 2.2.2 Động lực học của lô ............................................................................ 32 2.3 Các bước tổng hợp mô hình toán học cho WTS ............................................ 36 2.3.1 Mô hình tổng quát cho hệ có nhiều lô dẫn ........................................... 37 2.3.2 Mô hình toán học cho một số WTS điển hình ...................................... 38 2.3.3 Nhận xét chung ................................................................................... 41 2.4 Xét ảnh hưởng của tham số mô hình ............................................................. 43 2.4.1 Mô đun đàn hồi ................................................................................... 43 2.4.2 Kích thước đoạn vật liệu vận chuyển................................................... 44 2.4.3 Hình dáng kích thước và thông số lô ................................................... 45 2.4.4 Hệ số cản ............................................................................................ 46 2.5 Giới hạn bài toán .......................................................................................... 46 2.6 Lựa chọn và xây dựng mô hình vật lý hệ cuộn .............................................. 50 2.7 Kết luận chương 2 ........................................................................................ 51 CHƯƠNG 3 ............................................................................................................. 53 ĐIỀU KHIỂN LỰC CĂNG CHO HỆ VẬN CHUYỂN VẬT LIỆU DẠNG BĂNG .............................................................................................................. 53 3.1 Yêu cầu công nghệ và phương pháp điều khiển ............................................ 53 3.2 Điều khiển back-stepping cho WTS.............................................................. 54 3.2.1Tổng quát hóa các bước thiết kế theo phương pháp back-stepping ....... 54 3.2.2 Back-stepping cho WTS cơ bản .......................................................... 55 3.2.3 Các bước thiết kế ................................................................................ 56 3.2.4 Cấu trúc của bộ điều khiển .................................................................. 58 3.2.5 Kết quả mô phỏng và nhận xét đánh giá .............................................. 59 3.3 Điều khiển back-stepping kết hợp bộ quan sát lực căng ................................ 62 3.3.1 Đặt vấn đề ........................................................................................... 62 3.3.2 Thiết kế bộ điều khiển kết hợp bộ quan sát lực căng ........................... 63 3.4 Kết quả thực nghiệm..................................................................................... 71 3.5 Kết luận ........................................................................................................ 74 CHƯƠNG 4 ............................................................................................................. 76 NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ VẬN CHUYỂN VẬT LIỆU DẠNG BĂNG .......................................................................................................... 76 4.1 Phân tích thành phần bất định và môt số giải pháp bù ................................... 76 4.1.1 Phân tích một số yếu tố bất định và biến thiên của tham số mô hình ... 76 4.1.2 Một số giải pháp bù nâng cao chất lượng ............................................ 76 iv
4.2 Nâng cao chất lượng bộ điều khiển bền vững tích hợp thuật toán DSC ......... 77 4.2.1 Các bước thiết kế bộ điều khiển sử dụng thuật toán DSC .................... 77 4.2.2 Sơ đồ khối bộ điều khiển bền vững tích hợp thuật toán DSC ............... 85 4.2.3 Kết quả mô phỏng kiểm chứng, nhận xét ............................................ 85 4.3 Nâng cao chất lượng bằng bộ điều khiển thích nghi tích hợp RBF ................ 89 4.3.1 Tổng quát về mạng Neural RBF .......................................................... 89 4.3.2 Thiết kế điều khiển.............................................................................. 90 4.3.3 Cấu trúc bộ điều khiển thích nghi kết hợp thuật toán RBF................... 98 4.3.4 Kết quả mô phỏng ............................................................................... 99 4.5 Kết luận chương 4 ...................................................................................... 103 KÊT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................. 104 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN................. 106 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 108 PHỤ LỤC A .......................................................................................................... 114 PHỤ LỤC B .......................................................................................................... 118 PHỤ LỤC C .......................................................................................................... 123 v
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU 1. Danh mục các từ viết tắt STT Từ viết tắt Ý nghĩa 1 WTS Web Transport System 2 ADRC Active Disturbance Rejection Control 3 DSC Dynamic Surface Control 4 GAS Globally Asymptotically Stable 5 MIMO Multiple Input Multiple Output 6 PI-LVD Proportional Integral -Linear Parameter Varying 7 PE/PET Polyethylene /Polyethylene terephthalate 8 RBF Radial Basis Function 9 TH1 Trường hợp 1 10 TH2 Trường hợp 2 11 TH3 Trường hợp 3 vi
2. Danh mục các ký hiệu STT Ký Hiệu Đơn vị Ý Nghĩa 01 ti N Lực căng trung bình trên đoạn vật liệu có chỉ số i 02 Td N Lực căng trên đoạn vật liệu 03 t s Biến thời gian 04 ωi rad/s Vận tốc góc lô thứ i 05 ωu rad/s Vận tốc góc của lô tở 06 vi m/s Vận tốc lô thứ i 07 vu m/s Vận tốc dài tại điểm vật liệu rời khỏi lô tở 08 vr m/s Vận tốc dài tại điểm vật liệu bắt đầu đi vào lô cuộn lại 09 Vd m/s Vận tốc đặt tại lô dẫn thứ i 10 Mr Nm Mô men của lực căng tác dụng lên lô tở 11 Mu Nm Mô men cản do lực ma sát giữa trục lô và ổ đỡ tác dụng lên trục lô. 12 E N/m2 Mô đun đàn hồi của vật liệu 13 L m Chiều dài dọc theo hướng biến dạng của phân tố khối lượng vật liệu sau khi biến dạng 14 Li m Độ dài đoạn vật liệu giữa hai lô liên tiếp 15 L0 m Chiều dài ban đầu dọc theo hướng biến dạng của phân tố khối lượng vật liệu web khi chưa biến dạng 16 0 kg/m3 Khối lượng riêng trước biến dạng 17  kg/m3 Khối lượng riêng sau biến dạng 18 q kg Khối lượng đơn vị di chuyển qua mặt cắt vật liệu khi vật liệu biến dạng- dòng khối lượng 19 S m2 Diện tích toàn phần của phân tố khối lượng vật liệu 20 dS m2 Vi phân diện tích của bề mặt - mặt cắt vật liệu vuông góc với hướng biến dạng 21 dm kg Vi phân khối lượng của đoạn vật liệu vii
22 dV m3 Thể tích của phân tố khối lượng của đoạn vật liệu 23 ε Độ biến dạng vật liệu 24 J kg/s Tổng thông lượng khối truyền qua một tiết diện xác định 25 a m Độ dày mỗi lớp vật liệu 26 w m Chiều rộng lô tở 27 ru m Hàm bán kính theo thời gian của lô tở 28 rr m Hàm bán kính theo thời gian của lô cuộn lại 29 Rr m Bán kính ban đầu lô cuộn 30 Ru m Bán kính ban đầu lô tở 31 Ju0 kg.m2 Mô men quán tính đối với lô vật liệu có lõi bằng thép 32 Jr0 kg.m2 Mô men quán tính của lõi thép của lô cuộn lại 33 β rad Góc ôm giữa vật liệu và lô thép 34 𝑏𝑓𝑟 Nm.s Hệ số cản giữa trục lô cuộn lại và ổ đỡ 35 bfi Nm.s Hệ số cản giữa trục lô dẫn thứ i và ổ đỡ của nó 36 𝑏𝑓𝑢 Nm.s Hệ số cản giữa ổ đỡ và trục lô viii
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình hóa WTS ........................................... 15 Bảng 2.1: Các thông số cơ bản của mô hình........................................................... 43 Bảng 2.2: Giá trị mô đun dàn hồi theo một số vật liệu cơ bản (nguồn: [1])............. 44 Bảng 2.3: Thông số mô hình WTS (nguồn:[19]) .................................................... 46 Bảng 2.4 Giá trị lực căng đặt và vận tốc dài đặt cho mô hình WTS ........................ 50 Bảng 3.1 Thông số bộ điều khiển cho mô phỏng bộ điều khiển thiết kế theo 3.2 .... 59 Bảng 3.2 Sai lệch lực căng khi mô hình có thông số chứa thành phần bất định ...... 70 Bảng 3.3 Đánh giá sai lệch kết quả thực nghiệm .................................................... 74 Bảng 4.1 Thông số bộ điều khiển cho mô phỏng bộ điều khiển thiết kế theo 3.2 .... 85 Bảng 4.2 Sai lệch lực căng khi mô hình có thông số chứa thành phần bất định ...... 88 Bảng 4.3 Thông số bộ điều khiển cho mô phỏng bộ điều khiển thiết kế theo 3.2 .... 99 Bảng 4.4 Sai lệch lực căng khi mô hình có thông số chứa thành phần bất định .... 102 ix
DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Các ứng dụng WTS trong thực tế (nguồn: [5],[6]) .................................. 5 Hình 1.2 WTS trong giờ làm việc tại nhà máy giấy An Hòa (nguồn: [7]) .............. 6 Hình 1.3 Vai trò của xử lý WTS trong sản xuất năng lượng tái tạo (nguồn: [9]) .... 7 Hình 1.4 Xu hướng vật liệu được ứng dụng trong ngành điện tử (nguồn: [11]) ..... 8 Hình 1.5 Quá trình ép nguội sản xuất pin năng lượng mặt trời (nguồn: [12])........ 8 Hình 1.6 Mô hình thực nghiệm cho WTS (nguồn: [13]) ........................................ 9 Hình 1.7 Mô hình 3D WTS ................................................................................... 9 Hình 1.8 Ví dụ WTS có lô cuộn theo nguyên lý cuộn nổi.................................... 11 Hình 1.9 Ví dụ WTS có lô tở theo nguyên lý phanh từ ........................................ 12 Hình 1.10 WTS có lô tở và lô cuộn theo nguyên lý hướng tâm ............................. 12 Hình 1.11 Đặc tính lực căng và vận tốc dài yêu cầu của WTS............................... 13 Hình 1.12 Mô hình cơ khí cho WTS theo nguyên lý hướng tâm ............................ 14 Hình 1.13 Mô hình WTS nhiều phân đoạn lực căng (nguồn: [17]) ........................ 16 Hình 1.14 Mô hình WTS một phân đoạn lực căng (nguồn: [18]) ........................... 16 Hình 1.15 Mô hình toán học WTS một đoạn (nguồn:[18]) .................................... 17 Hình 1.16 Cấu trúc bộ điều khiển PID sử dụng bộ bù lực căng (nguồn:[7]).......... 18 Hình 1.17 Cấu trúc điều khiển ADRC (nguồn: [34]) ............................................. 19 Hình 1.18 Đáp ứng lực căng khi áp dụng phương pháp trượt (nguồn: [49]) .......... 20 Hình 1.19 Đáp ứng lực căng sử dụng back-stepping (nguồn: [56]) ........................ 20 Hình 2.1 Các thành phần chính của hệ thống theo nguyên lý hướng tâm ............. 23 Hình 2.2 Nguyên lý vận chuyển vật liệu dạng băng qua lô tở .............................. 24 Hình 2.3 Nguyên lý vận chuyển vật liệu dạng băng qua lô cuộn ......................... 25 Hình 2.4 Nguyên lý vận chuyển vật liệu dạng băng qua lô dẫn ........................... 25 Hình 2.5 Tương tác giữa vật liệu và lô dẫn.......................................................... 27 Hình 2.6 Mô hình cuộn tở và lô dẫn 1 ................................................................. 28 Hình 2.7 Phân tố vật liệu di chuyển theo thời gian .............................................. 30 Hình 2.8 Mô men quán tính trên lô tở ................................................................. 32 Hình 2.9 Mô men của ngoại lực tác dụng lên lô tở và lô dẫn thứ nhất ................. 33 Hình 2.10 Mô men của ngoại lực tác dụng lên lô cuộn và lô dẫn thứ n .................. 34 Hình 2.11 Mô men của ngoại lực tác dụng lên lô dẫn chủ động và bị động ........... 35 Hình 2.12 Mô hình WTS một phân đoạn............................................................... 38 x
Hình 2.13 Mô hình của WTS một đoạn vật liệu .................................................... 38 Hình 2.14 Mô hình WTS có 2 lô dẫn chủ động ..................................................... 41 Hình 2.15 Mô hình của WTS ba đoạn vật liệu....................................................... 41 Hình 2.16 Ảnh hưởng của nhiệt độ tới mô đun đàn hồi (nguồn:[61]) .................... 43 Hình 2.17 Ảnh hưởng của lô đến chiều dài đoạn vật liệu (nguồn:[64]) .................. 45 Hình 2.18 (a) Trường hợp lô vật liệu bị lệch tâm, (b) bị biến dạng (nguồn:[66]) ... 45 Hình 2.19 Đặc tính giữa ứng suất  và biến dạng tương đối  (nguồn: [68]) ........ 47 Hình 2.20 Tương tác giữa lô dẫn và vật liệu.......................................................... 48 Hình 2.21 Quá trình thay đổi lực căng qua các lô dẫn ........................................... 49 Hình 2.22 Quy tắc chọn lực căng cho các phân đoạn ............................................ 50 Hình 2.23 Sơ đồ cấu hình hệ thống thực nghiệm ................................................... 50 Hình 2.24 Mô hình thiết kế WTS cho hệ thống thực nghiệm trên phần mềm Autodesk Inventor 2019 ...................................................................................... 51 Hình 2.25 Hình ảnh thưc tế của mô hình WTS thực nghiệm tại phòng 407 -tầng 4 toà nhà C1B - Đại học Bách Khoa Hà Nội ................................................ 51 Hình 3.1 Mô hình của WTS cơ bản ..................................................................... 55 Hình 3.2 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển theo phương pháp thiết kế back-stepping 59 Hình 3.3 Đáp ứng lực căng của đoạn vật liệu sử dụng back-stepping .................. 60 Hình 3.4 Sai lệch lực căng sử dụng back-stepping .............................................. 60 Hình 3.5 Đáp ứng cửa vận tốc dài sử dụng back-stepping ................................... 60 Hình 3.6 Đáp ứng vận tốc góc lô tở và lô cuộn sử dụng back-stepping................ 61 Hình 3.7 Mô men Mu , M r sử dụng back-stepping............................................... 61 Hình 3.8 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển back-stepping tích hợp bdộ quan sát........ 68 Hình 3.9 Đáp ứng của lực căng khi thông số mô hình xác định theo Bảng 2.3 .... 69 Hình 3.10 Đáp ứng của lực căng khi thành phần bất định 1% ............................... 69 Hình 3.11 Đáp ứng của lực căng khi thành phần bất định 10% ............................. 70 Hình 3.12 Đáp ứng lực căng trên mô hình theo lượng đặt Tđ=10N ........................ 71 Hình 3.13 Đáp ứng vận tốc dài với giá trị đặt Vđ=2m/s ......................................... 72 Hình 3.14 Sai lệch của vận tốc dài với giá trị đặt Tđ=10N và Vđ=2m/s.................. 72 Hình 3.15 Đáp ứng của vận tốc góc lô cuộn .......................................................... 73 Hình 3.16 Đáp ứng của vận tốc góc lô tở .............................................................. 73 Hình 4.1 Cấu trúc bộ điều khiển tích hợp DSC ................................................... 85 Hình 4.2 So sánh đáp ứng lực căng khi sử dụng DSC ......................................... 86 xi
Hình 4.3 Sai lệch lực căng khi sử dụng DSC khi thông số xác định .................... 86 Hình 4.4 Đáp ứng của vận tốc dài khi sử dụng DSC ........................................... 86 Hình 4.5 Đáp ứng của vận tốc góc lô tở và lô cuộn khi sử dụng DSC ................. 87 Hình 4.6 Đáp ứng lực căng khi bất định thông số 10% ........................................ 87 Hình 4.7 Sai lệch lực căng khi bất định thông số 10%......................................... 87 Hình 4.8 Đáp ứng lực căng khi bất định thông số 30% ........................................ 88 Hình 4.9 Sai lệch lực căng khi bất định thông số 30%......................................... 88 Hình 4.10 Một ví dụ cấu trúc chung mạng Neural RBF ........................................ 89 Hình 4.11 Cấu trúc mạng RBF cho bộ bù thành phần bất định của Ju , Jr .............. 90 Hình 4.12 Bộ điều khiển thích nghi dựa trên back-stepping kết hợp với RBF và bộ quan sát ............................................................................................... 98 Hình 4.13 Đáp ứng lực căng trong trường hợp sử RBF ......................................... 99 Hình 4.14 Sai lệch lực căng trong trường hợp sử RBF ........................................ 100 Hình 4.15 Đáp ứng của vận tốc dài khi sử dụng RBF .......................................... 100 Hình 4.16 Đáp ứng của vận tốc góc lô tở khi sử dụng RBF ................................. 100 Hình 4.17 Đáp ứng lực căng trong trường hợp sử RBF với Ji = 1.5 *Ji-tính ........... 101 Hình 4.18 Sai lệch lực căng trong trường hợp sử RBF với Ji = 1.5 *Ji-tính ............ 101 Hình 4.19 Đáp ứng lực căng trong trường hợp sử RBF với Ji = 2 *Ji-tính .............. 102 Hình 4.20 Sai lệch lực căng trong trường hợp sử RBF với Ji = 2 *Ji-tính ............... 102 xii
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Hệ vận chuyển vật liệu dạng băng (Web Transprort System -WTS) là một trong số những hệ thống có ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau như giấy, vải, tôn thép, phim nhựa, pin năng lượng mặt trời, mạch in điện tử…Những sản phẩm này đóng vai trò quan trọng trong đời sống thường ngày cũng như trong công nghiệp [1], [2]. Các ứng dụng hiện nay ngày càng yêu cầu các quá trình vận hành của hệ thống không những đảm bảo chất lượng mà còn đảm bảo công suất ngày càng cao. WTS là một đối tượng có cấu trúc dạng MIMO phức tạp, có tham số biến thiên, và chịu ảnh hưởng của nhiễu. Thực tế hiện nay, các bộ điều khiển của WTS chủ yếu sử dụng phương pháp điều khiển tuyến tính như PI và PID, …. Tuy nhiên các phương pháp điều khiển tuyến tính không phải lúc nào cũng đem lại chất lượng mong muốn mà thường có đáp ứng chậm, độ ổn định thấp, độ chính xác không được cao. Nên khi áp dụng các phương pháp này khó có thể đáp ứng được yêu cầu chất lượng ngày càng khắt khe của các dây chuyền hiện đại. Đây là một trong những yêu cầu cấp thiết được quan tâm đặc biệt trong những năm gần đây, việc phát triển và áp dụng các thuật toán phi tuyến để nâng cao chất lượng cho hệ thống là cần thiết. Hiện nay có rất nhiều hướng nghiên cứu cho WTS, theo Hiệp hội về các vấn đề xử lý vật liệu dạng băng [3], có rất nhiều tạp chí và hội nghị đang công bố các nội dung nghiên cứu về lĩnh vực này, trong đó có thể thống kê một cách sơ bộ thông qua hội nghị chuyên ngành, IWEB [4] được tổ chức 2 năm một lần. Hội nghị IWEB năm nay sẽ tiếp tục được tổ chức vào tháng 11 tại Texas A&M College Station, Texas USA. Tổng hợp các bài báo tại hội nghi chuyên ngành IWEB 40 35 30 25 20 15 10 5 0 1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011 2013 2015 2017 2019 Số lượng bài tham gia Các bài về điều khiển Các bài về mô hình hóa hệ thống Hình 0.1 Tổng hợp số lượng nghiên cứu tại hội nghị chuyên ngành IWEB Các lý do trên thúc đẩy việc nghiên cứu, phát triển các thuật toán điều khiển cho WTS, phân tích các phương pháp điều khiển cơ bản, tìm hiểu và lựa chọn phương pháp điều khiển phù hợp áp dụng cho đối tượng phức tạp kể trên. Các thách thức trên cũng chính là mục đích nghiên cứu của luận án. 1
2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Hệ vận chuyển vật liệu dạng băng (WTS). WTS trong thực tế liên quan đến nhiều lĩnh vực bao gồm cơ khí, vật liệu, điện, điện tử…Nghiên cứu về WTS phức tạp do tính đa ngành. Phạm vi nghiên cứu của luận án được giới hạn trong các giả thiết sau: - Luận án nghiên cứu về điều khiển lực căng và tốc độ dài trong WTS. - WTS có lô tở và lô cuộn theo nguyên lý hướng tâm, hệ di chuyển theo một chiều. - Cơ cấu chấp hành (động cơ) được coi là lý tưởng. - Không xét đến hiện tượng lệch băng và chuyển động ngang trục của vật liệu. - Không xét đến hiện tượng trượt băng vật liệu trên lô. - Biến dạng vật liệu tuân theo định luật Hooke. 3. Mục tiêu nghiên cứu - Xây dựng mô hình toán học tổng quát cho WTS có xét đến biến thiên của mô men quán tính của lô tở và lô cuộn. - Xây dựng thuật toán điều khiển hệ thống với các trường hợp: thông số mô hình được xác định rõ và thông số mô hình biến thiên, bất định. - Mô phỏng và thực nghiệm kiểm chứng tính đúng đắn các thuật toán được đề xuất. 4. Phương pháp nghiên cứu Tìm hiểu và xây dựng mô hình đối tượng, phân tích, xem xét đánh giá các đặc trưng nổi bật của đối tượng từ đó đưa ra các thuật toán điều khiển phù hợp. Các thuật toán điều khiển đều được chứng minh đảm bảo sự ổn định của hệ thống về mặt toán học. Thêm vào đó các mô phỏng và thực nghiệm được tiến hành để kiểm chứng tính đúng đắn và chất lượng của các bộ điều khiển được đề xuất. 5. Những đóng góp mới của luận án Luận án có những đóng góp mới như sau: - Mô hình hóa dạng tổng quát thể hiện rõ tính phi tuyến trong các phương trình động lực học lô cuộn tở cho hệ thống vận chuyển vật liệu dạng băng. - Áp cấu trúc điều khiển lực căng không dùng cảm biến cho hệ thống vận chuyển vật liệu dạng băng. - Đề xuất cấu trúc điều khiển bền vững dựa trên nền tảng mặt trượt động DSC (Dynamic Surface Control - DSC) tích hợp quan sát lực căng và điều khiểu thích nghi sử dụng cơ chế bù mô men quán tình lô cuộn tở dựa trên nền tảng mạng neural xuyên tâm RBF (Radial Basis Function - RBF) tích hợp bộ quan sát lực căng. 2
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Đề cập tới một đối tượng nghiên cứu đang ứng dụng trong những lĩnh vực đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển của nền kinh tế, luận án đem lại nhiều ý nghĩa cả về khoa học lẫn thực tiễn. Ý nghĩa khoa học: Luận án đề xuất thuật toán điều khiển không sử dụng cảm biến lực căng mà sử dụng bộ quan sát lực căng cho WTS đảm bảo tính ổn định và bền vững với tham số bất định. Thêm vào đó, luận án đã đề xuất thuật toán điều khiển thích nghi sử dụng luật cập nhật tham số và mạng nơ ron RBF cho WTS đảm bảo tính ổn định và thích nghi với sự thay đổi của tham số hệ thống. Ý nghĩa thực tiễn: Các thuật toán điều khiển được đề xuất trong luận án có thể được áp dụng vào các WTS trong thực tế nhằm giảm chi phí do không cần sử dụng cảm biến lực, giảm thời gian tinh chỉnh, tính toán thông số mô hình hệ thống và tăng khả năng thích nghi với sự thay đổi thông số mô hình 7. Bố cục và nội dung của luận án Luận án gồm 4 chương và phần kết luận chung có các nội dung chính như sau: Chương 1: Trình bày tổng quan về WTS gồm tiềm năng ứng dụng, dự báo xu hướng phát triển trong tương lai gần. Phân tích cấu tạo và lựa chọn cấu hình WTS của luận án. Phân tích đánh giá tình hình nghiên cứu, ưu nhược điểm các kết quả, qua đó lựa chọn hướng nghiên cứu của luận án. Chương 2: Tổng quát hóa các bước xây dựng mô hình toán học cho WTS, xây dựng mô hình có xét đến thành phần biến thiên của mô men quán tính lô tở và lô cuộn, phân tích đánh giá mô hình từ đó xác định các nhiệm vụ cụ thể để phục vụ cho thiết kế điều khiển. Lựa chọn và xây dựng mô hình thực nghiệm thỏa mãn các giả thiết đã đặt ra phục vụ cho kiểm nghiệm thuật toán điều khiển. Chương 3: Lựa chọn phương pháp thiết kế cấu trúc điều khiển phù hợp với WTS, xây dựng cấu trúc điều khiển dựa trên phương pháp lựa chọn kết hợp với giải quyết vấn đề giảm lược thiết bị cảm biến bằng bộ quan sát. Sử dụng kỹ thuật back-stepping thiết kế bộ điều khiển trong trường hợp sử dụng cảm biến lực căng và sử dụng bộ quan sát lực căng. Chương 4: Xây dựng thuật toán điều khiển bền vững kết hợp mặt trượt động DSC để tăng độ bền vững và khắc phục vấn đề “explosion of term”, ứng dụng trong trường hợp các tham số mô hình đã biết hoặc bị ảnh hưởng của thành phần bất định trong khoảng nhỏ. Tiếp theo đề xuất xây dựng thuật toán điều khiển thích nghi sử dụng 3
mạng nơ ron RBF để luật cập nhật tham số đảm bảo hệ thống ổn định với sự thay đổi lớn của tham số mô hình. Phần kết luận đưa ra những nhận xét, đánh giá và kết luận về kết quả đạt được của luận án. Bình luận về ý nghĩa khoa học, thực tiễn của các kết quả nghiên cứu. Đồng thời cũng chỉ ra những khó khăn, hạn chế và đề xuất, định hướng cho các nghiên cứu tiếp theo. 4
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ VẬN CHUYỂN VẬT LIỆU DẠNG BĂNG 1.1 Khái quát đối tượng nghiên cứu 1.1.1 Giới thiệu chung Hệ vận chuyển vật liệu dạng băng (WTS) là một trong số những hệ thống có ứng dụng rộng rãi trong nhiều nhà máy lớn như nhà máy giấy, in ấn, sản xuất tôn thép, phim, pin năng lượng mặt trời,... Những sản phẩm được tạo ra đóng vai trò rất quan trọng trong đời sống thường ngày cũng như công cuộc xây dựng và phát triển đất nước hiện nay. Ta có thể bắt gặp WTS ở rất nhiều nơi [5] và [6]. a) Trong sản xuất cuộn phim d) Trong sản xuất giấy b) Trong sản xuất pin mặt trời e) Trong sản xuất tôn, thép, inox c) Trong các hoạt động in ấn f) Trong sản xuất vải Hình 1.1 Các ứng dụng WTS trong thực tế (nguồn: [5],[6]) 5
Có thể thấy WTS có rất nhiều ứng dụng như chỉ ra trong Hình 1.1. Các ứng dụng này không chỉ là các sản phẩm thiết yếu trong đời sống con người mà còn đóng vai trò trong việc phát triển đất nước, định hướng tương lai. Như vậy ta có thể thấy độ phủ rất rộng trong các lĩnh vực ứng dụng của WTS. Có những hệ thống đã có từ rất lâu và đã có những nghiên cứu và áp dụng mang lại những thành tựu to lớn. Tuy nhiên phụ thuộc vào đặc thù của từng lĩnh vực và sự phát triển đầu tư vào các hệ thống máy móc tại các cơ sở sản xuất, sẽ cần mức độ ưu tiên phát triển nghiên cứu cải tiến về năng suất, công suất và đặc biệt làm chủ công nghệ khác nhau. ➢ Với một số ngành sản xuất như giấy, vải, tôn thép… đã có lịch sử phát triển lâu dài, các nhà máy giấy tại Việt Nam hiện nay về cơ bản đã có những bước tiến quan trọng về cả công suất và năng suất. Kết quả khảo sát tại phân xưởng xeo giấy- Trường Cao Đẳng Nghề Công nghệ Giấy và Cơ Điện - Phú Thọ, nhà máy giấy Bãi Bằng- Phú Thọ và nhà máy giấy An Hòa -Tuyên Quang đã chỉ ra việc áp dụng khoa học công nghệ vào sản xuất đã thay đổi cả diện mạo nhà máy (Hình 1.2) như giảm được nhân công vận hành, nâng cao được năng suất và chất lượng đầu ra. Hình 1.2 WTS trong giờ làm việc tại nhà máy giấy An Hòa (nguồn: [7]) Hiện nay các thành tựu đạt được trong việc phát triển và nâng cấp với các lĩnh vực này đã được công bố và áp dụng. Các vật liệu trong nhóm này đã được trọn nghiên cứu và đã có rất nhiều công trình nghiên cứu được công bố, đã được xuất bản sách, đặc biệt là các giải pháp “Điều khiển truyền động điện trong công nghiệp” cho các hệ truyền động điện được ứng dụng tại một số các nhà máy sản xuất giấy, tôn hiện này [8]. Mặc dù số lượng các WTS của các nhà máy sản xuất các vật liệu trên tuy có mật độ ít, tuy nhiên tầm quan trọng lại rất lớn, có thể ảnh hưởng đến nền kinh tế của một quốc gia, nên trong tương lai cũng vẫn cần duy trì và phát triển để ngày càng nâng cao hiệu quả về kinh tế. 6