Nghiên cứu điều khiển đối tượng có đặc tính cực trị

T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 2(46) Tập 1/N¨m 2008<br /> <br /> NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN ĐỐI TƯỢNG CÓ ĐẶC TÍNH CỰC TRN<br /> Nguyễn Hữu Công - Ngô Kiên Trung -Trần Mạnh Thắng (Trường ĐH Kĩ thuật công nghiệp - ĐH Thái Nguyên)<br /> <br /> 1. Đặt vấn đề<br /> Hệ cực trị được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như trong luyện kim, trong<br /> ngành hoá chất, ngành năng lượng (các nhà máy nhiệt điện), ngành sản xuất ô tô, các nhà máy<br /> sản xuất kính, nhà máy sản xuất gạch men….<br /> Như trong công nghệ cán thép, việc nung phôi trước khi đưa vào máy cán sử dụng dầu<br /> nặng FO. Với những nhà máy theo công nghệ cũ, suất tiêu hao nhiên liệu khoảng 52kg dầu/tấn<br /> sản phNm (hệ thống cũ của nhà máy cán thép Gia Sàng). Với những nhà máy theo công nghệ<br /> mới, suất tiêu hao nhiên liệu khoảng 30 - 35kg dầu/tấn sản phNm (ví dụ như Thép Việt Úc). Hệ<br /> thống điều khiển tự động phối hợp giữa lượng dầu và không khí sao cho hiệu quả nhất hiện<br /> nay chính là hệ cực trị. Với sản lượng thép của Việt Nam hiện nay khoảng 6-7 triệu tấn/ năm<br /> [1], vì vậy việc nghiên cứu khai thác hệ thống tự động này có ý nghĩa thực tế cao.<br /> 2. Tỷ lệ nhiên liệu – không khí, xác định đặc tính cực trị của đối tượng<br /> Để duy trì nhiệt độ cực đại, trong công nghệ cán thép, người ta phải điều khiển quan hệ<br /> giữa lượng dầu nặng FO và không khí trong buồng đốt. Giữa nhiên liệu và không khí dùng để<br /> đốt cháy có một quan hệ nhất định, nó thể hiện qua hệ số dư thừa không khí α. Khi lưu lượng<br /> nhiên liệu vì một lí do nào đó thay đổi thì lưu lượng không khí cũng phải thay đổi theo cho phù<br /> hợp (lưu lượng nhiên liệu là chủ đạo, lưu lượng không khí là phụ thuộc).<br /> Để điều chỉnh tối ưu sự cháy của nhiên liệu tức là thực hiện việc tìm một hệ số tỷ lệ giữa<br /> nhiên liệu và không khí như thế nào đó để nhiệt độ ngọn lửa là cực đại ta sử dụng hệ thống tự<br /> động tìm cực trị, tức là tìm hệ số α bằng bao nhiêu đó để có ngọn lửa là cực đại (theo kinh<br /> nghiệm vận hành và tính toán, với nhiên liệu là dầu nặng thì α =1,1 ÷1,25[1]).<br /> <br /> Bản chất của quá trình điều khiển là: Giả sử đốt hết 1 kg dầu nặng ta cần dùng m<br /> kg không khí, tuy nhiên trên thực tế do nhiều yếu tố khác nhau mà lượng không khí cần cho việc<br /> đốt hết 1 kg dầu nặng luôn ≥ m. Khi sử dụng m kg không khí để đốt 1 kg dầu ta có α =1. Thực<br /> tế phải dùng m' kg không khí để đốt 1 kg dầu với m'>m. Hệ số dư thừa không khí là:<br /> α=<br /> <br /> m′<br /> m<br /> Việc đốt đạt nhiệt độ tối ưu được thể hiện<br /> như hình 1, với đầu vào là hệ số dư thừa<br /> không khí α đầu ra là nhiệt độ. Đặc tính ở<br /> hình 1 cũng chính là đặc tính tĩnh của đối<br /> tượng điều khiển (đặc tính cực trị ).<br /> <br /> T 0c<br /> 1350<br /> <br /> Hệ thống gồm hai phần:<br /> <br /> 0<br /> <br /> α<br /> <br /> *<br /> <br /> Hình 1: Đối tượng có đặc tính cực trị<br /> <br /> 114<br /> <br /> α<br /> <br /> -<br /> <br /> Bộ tự động tìm cực trị.<br /> <br /> -<br /> <br /> Bộ duy trì điểm làm việc xung<br /> quanh vị trí cực trị (chống lắc)<br /> <br /> T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 2(46) Tập 1/N¨m 2008<br /> <br /> 3. Hệ thống điều khiển cực trị theo phương pháp bước<br /> 3.1. Ý tưởng thiết kế<br /> Thực tế, để nghiên cứu hệ cực trị, ta có thể dùng phương pháp tách sóng đồng bộ;<br /> phương pháp xác định gradien của hàm mục tiêu; phương pháp chuyển động tìm đến cực trị[1]<br /> ... Ở đây ta nghiên cứu một phương pháp thường sử dụng trong công nghệ cán thép, trong các<br /> nhà máy nhiệt điện .v.v... đó là phương pháp bước.<br /> Giả sử hệ bắt đầu làm việc tại điểm A trên đặc tính cực trị, bộ điều khiển có nhiệm vụ<br /> đưa quá trình làm việc lên điểm B(hình 2).<br /> Sau khi thực hiện một bước ∆xK hệ thống sẽ đo thông số ở đầu ra tương ứng là YK và so<br /> sánh với giá trị trước đó là yK-1 mà đã được ghi vào bộ nhớ (K là số thứ tự của bước được thực hiện).<br /> Tuỳ thuộc vào dấu của ∆yK = yK - yK-1 mà bước tiếp theo sẽ được thực hiện theo hướng cần thiết.<br /> Ta có: xK+1 = C Sign (∆yK) với C là giá trị của bước[2].<br /> Để điều khiển quá trình bước có hai xu hướng[3]:<br /> - Một là :Tần số của bước được giữ không đổi , không phụ thuộc vào độ dốc của đặc<br /> tính cực trị. Quá trình đó được thể hiện như hình 2.<br /> - Hai là : Tần số của bước thay đổi ,phụ thuộc vào độ dốc của đặc tính cực trị. Khi độ<br /> dốc của đặc tính cực trị bé thì tần số giảm và ngược lại [1].<br /> y<br /> <br /> y<br /> <br /> B<br /> <br /> A<br /> <br /> 0<br /> <br /> x<br /> <br /> 0<br /> <br /> t<br /> <br /> t<br /> <br /> Hình 2: Nguyên lý điều khiển theo phương pháp bước<br /> <br /> Trong hệ thống, có một chỉ tiêu chất lượng quan trọng là phải giảm tối thiểu công suất lắc<br /> của động cơ chấp hành khi đã đạt tới vùng cực trị, như vậy hệ thống phải có vùng không nhạy, tức<br /> là nếu: sign( ∆Y ) ≤ ε thì động cơ chấp hành phải đứng yên, với ε là một số dương cho trước.<br /> 3.2. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống tìm cực trị kiểu bước<br /> Với giả thiết mạch vòng ổn định lưu lượng dầu được đặt ở một giá trị cố định.<br /> Nhiệm<br /> vụ của bộ điều khiển tự động tìm cực trị kiểu bước là tự động điều chỉnh lượng khí đưa vào để<br /> đốt với lượng dầu trên sao cho nhiệt độ của lò đạt cực đại. Ta chọn sơ đồ khối bộ điều chỉnh<br /> kiểu bước điều chỉnh lưu lượng khí tự động tìm cực trị như hình 3<br /> 115<br /> <br /> T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 2(46) Tập 1/N¨m 2008<br /> <br /> CH<br /> <br /> MĐC<br /> <br /> VAN<br /> <br /> Sensor<br /> nhiệt<br /> <br /> Sensor<br /> tốc độ<br /> <br /> ∆ yk<br /> <br /> (-)<br /> LG<br /> <br /> t0<br /> <br /> Y 2k<br /> <br /> X 2k<br /> <br /> Uyk-1<br /> SS<br /> <br /> GN<br /> <br /> KĐ<br /> Uy<br /> <br /> FL<br /> <br /> T<br /> <br /> Hình3 : Sơ đồ khối của bộ điều khiển tự động tìm cực trị kiểu bước<br /> <br /> Đối tượng điều khiển, tọa độ x là đại lượng chuyển dịch; tọa độ y được biến thành lượng<br /> điện áp đưa vào các bộ ghi nhớ. (CH) là động cơ một chiều, (VAN) là van gió, (MĐC) máy điều<br /> chỉnh, (LG) khối logic, (SS) khối so sánh, (GN) khối ghi nhớ các giá trị nhiệt độ dưới dạng điện<br /> áp,(FL) khối phát lệnh, khối này làm nhiệm vụ phát lệnh cho khối GN,SS,LG,làm việc.<br /> Khối FL thực hiện tuần tự thuật toán bốn bước sau[3] :<br /> Bước 1 :<br /> 1 0 0 0<br /> 0 1 0 0<br /> Bước 2 :<br /> Bước 3 :<br /> 0 0 1 0<br /> Bước 4 :<br /> 0 0 0 1<br /> Bước 5 :<br /> 1 0 0 0<br /> .......................................<br /> Các khối: Sensor nhiệt độ, khuếch đại (KĐ) làm nhiệm vụ lấy tín hiệu nhiệt độ dưới<br /> dạng điện áp ở các thời điểm đầu và cuối các bước đưa về khối ghi nhớ, sensor tốc độ làm<br /> nhiệm vụ lấy tín hiệu phản hồi tốc độ động cơ duới dạng điện áp đưa về máy điều chỉnh để điều<br /> chỉnh tốc độ trong mỗi bước.<br /> 3.3. Nguyên tắc làm việc của sơ đồ<br /> Nguyên tắc làm việc của sơ đồ được thực hiện theo 4 bước như sau:<br /> •<br /> Bước 1: Bộ phát lệnh (FL) phát lệnh tới khối logic (LG) điều khiển động cơ chấp<br /> hành (CH) quay dịch mở van gió một bước ∆x , đồng thời phát lệnh cho bộ ghi nhớ (GN), ghi<br /> nhớ giá trị nhiệt độ ban đầu dưới dạng điện áp Uyk-1<br /> •<br /> •<br /> •<br /> <br /> Bước 2: Bộ phát lệnh tạo thời gian trễ để nhiệt độ của lò thay đổi<br /> Bước 3: Bộ phát lệnh phát lệnh cho bộ ghi nhớ, ghi nhớ giá trị Uyk.<br /> Bước 4: Bộ phát lệnh phát lệnh so sánh 2 giá trị trong các bộ nhớ .<br /> <br /> * Nếu : ∆yk = Uyk - Uyk-1 > ε<br /> 116<br /> <br /> T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 2(46) Tập 1/N¨m 2008<br /> <br /> Trong đó ε là một số dương cho trước là ngưỡng tác động của khối logic, bộ phát lệnh<br /> tiếp tục phát lệnh tới khối logic điều khiển động cơ chấp hành quay dịch mở van khí một bước<br /> ∆x nữa, và phát lệnh cho bộ ghi nhớ, ghi nhớ giá trị Uyk. Quá trình lặp lại theo chu kỳ như trên<br /> cho tới khi tìm được cực trị (đây là quá trình tìm cực trị ).<br /> * Nếu:<br /> <br /> ∆yk = Uyk - Uyk-1 < - ε (nhiệt độ vượt qua giá trị cực đại)<br /> <br /> Thì khối logic điều khiển động cơ quay ngược lại đóng bớt van gió một bước ∆x và lúc<br /> này hệ đã tìm được cực trị và chuyển sang quá trình duy trì cực trị.<br /> * Nếu: - ε ≤ ∆yk = Uyk -Uyk-1 ≤ ε ; khối logic không tác động, động cơ không quay lưu<br /> lượng khí cấp vào mỏ đốt được giữ cố định và hệ làm việc ở vùng cực trị.<br /> Tuy nhiên giá trị nhiệt độ ở bước 1 và bước 3 vẫn được bộ ghi nhớ ghi lại để kiểm tra và<br /> duy trì điểm làm việc xung quanh điểm cực trị.<br /> Như vậy nhờ thuật toán điều khiển kiểu bước như trên hệ đã thực hiện hai quá trình, quá<br /> trình thứ nhất là quá trình tìm cực trị và quá trình thứ hai là quá trình duy trì điểm làm việc tại<br /> cực trị, bằng việc tính chọn mức ngưỡng của phần tử logic hợp lý và trong khoảng sai số cho phép<br /> ta có vùng làm việc không nhạy mà ở đó, hệ làm việc trong vùng cực trị mà không bị dao động.<br /> 3.4. Mô phỏng<br /> Sau khi phân tích kỹ về sơ đồ cấu trúc, chúng tôi đã tiến hành thiết kế mạch phần cứng<br /> cho hệ thống, trên cơ sở có tham khảo các hệ thống thực trong các nhà máy cán thép tại Thái<br /> Nguyên do các công ty nước ngoài lắp đặt. Tiếp theo, đã tiến hành mô phỏng với mục đích:<br /> + Quan sát chế độ động của động cơ chấp hành khi nhận được tín hiệu dịch bước của khối<br /> phát lệnh.<br /> + Quan sát hành trình mở van gió trong quá trình điều khiển.<br /> Các kết quả mô phỏng thể hiện như hình 4 và 5.<br /> <br /> Hình 4: Đặc tính động của động cơ<br /> chấp hành<br /> <br /> Hình 5: Hành trình mở van khí trong QT<br /> điều khiển<br /> <br /> 117<br /> <br /> T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 2(46) Tập 1/N¨m 2008<br /> <br /> Nhận xét : Qua nhiều lần mô phỏng, ta thấy:<br /> + Khi nhận được lệnh dịch bước, động cơ chấp hành sẽ ổn định sau khoảng 0,2s trên<br /> tổng thời gian cho 1 bước dịch là 10s<br /> + Mô phỏng quá trình mở van hoàn toàn phù hợp với ý tưởng thiết kế, hệ tự động tìm<br /> được cực trị ở bước thứ 16 sau 160s ứng với góc mở ≈ 68% hành trình<br /> + Nếu giảm chu kỳ tìm bước thì chất lượng của hệ sẽ tốt hơn.<br /> + Nếu chọn mức ngưỡng ε của phần tử logic hợp lý hệ ít bị dao động hơn.<br /> 4. Kết luận<br /> Bài báo này nghiên cứu hệ điều khiển theo nguyên tắc cực trị và ứng dụng để điều khiển<br /> lưu lượng không khí trong công nghệ cán thép. Về lí thuyết, đây chính là hệ điều khiển thích<br /> nghi cho đối tượng phi tuyến theo nguyên tắc cực trị.<br /> Về thực tế, nội dung nghiên cứu mở ra hướng ứng dụng nhằm tiết kiệm năng lượng cho<br /> các công nghệ lò nung nói chung và trong cán thép nói riêng. Nếu được kiểm chứng qua các<br /> mạch phần cứng, hệ thống hoàn toàn có thể thay thế các thiết bị nhập ngoại với giá thành thấp<br /> hơn (ví dụ so với hệ thống DB1130 của hãng CHINO).<br /> Ngoài ra những kết quả nghiên cứu còn là tài liệu tham khảo tốt cho các cán bộ kĩ thuật<br /> đang vận hành sản xuất
<br /> Tóm tắt<br /> Bài báo trình bày việc nghiên cứu hệ thống điều khiển thích nghi cho đối tượng có đặc<br /> tính cực trị. Hệ thống tự động này có vai trò để tiết kiệm dầu đốt và được ứng dụng trong nhiều<br /> công nghệ khác nhau như: cán thép, sản xuất gạch men, sản xuất kính….<br /> Các kết quả mô phỏng thể hiện sự đúng đắn của ý tưởng thiết kế và mở ra khả năng ứng<br /> dụng vào thực tiễn.<br /> Summary<br /> A research on a class of system having extreme characteristics<br /> This paper deals with a research on the adaptive control system for a class of objects, which has<br /> extreme characteristics. This system plays an important role in saving the burned oil and it is used to<br /> apply to many different systems, such as steel lamination systems, brick making systems, glass making<br /> systems. The simulation results have shown that the way of design is suitable and the ability of<br /> application has been available in reality.<br /> <br /> Tài liệu tham khảo<br /> [1]. Tổng công ty thép Việt Nam (2000), Báo cáo khả thi dự án cải tạo và mở rộng sản xuất<br /> Công ty gang thép Thái Nguyên.<br /> [2]. Ian H. Sloan* and Robert S. Womersley (2002), Extremal systems of points and numerical<br /> integration on the sphere. School of Mathematics, University of New South Wales, Sydney , Australia.<br /> [3]. Part VI. Problems of states estimation (filtration) of extremal fuzzy process, Modeling of<br /> extremal fuzzy dynamic systems,International Journal of General Systems, Volume 36, Issue 1 February<br /> 2007 , pages 19 - 58.<br /> <br /> 118<br /> <br />