Nghiên cứu điều khiển đối tượng có đặc tính cực trị - Nguyễn Hữu Công

T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 2(46) Tập 1/N¨m 2008 114 NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN ĐỐI TƯỢNG CÓ ĐẶC TÍNH CỰC TRN Nguyễn Hữu Công - Ngô Kiên Trung -Trần Mạnh Thắng (Trường ĐH Kĩ thuật công nghiệp - ĐH Thái Nguyên) 1. Đặt vấn đề Hệ cực trị được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như trong luyện kim, trong ngành hoá chất, ngành năng lượng (các nhà máy nhiệt điện), ngành sản xuất ô tô, các nhà máy sản xuất kính, nhà máy sản xuất gạch men. Như trong công nghệ cán thép, việc nung phôi trước khi đưa vào máy cán sử dụng dầu nặng FO. Với những nhà máy theo công nghệ cũ, suất tiêu hao nhiên liệu khoảng 52kg dầu/tấn sản phNm (hệ thống cũ của nhà máy cán thép Gia Sàng). Với những nhà máy theo công nghệ mới, suất tiêu hao nhiên liệu khoảng 30 - 35kg dầu/tấn sản phNm (ví dụ như Thép Việt Úc). Hệ thống điều khiển tự động phối hợp giữa lượng dầu và không khí sao cho hiệu quả nhất hiện nay chính là hệ cực trị. Với sản lượng thép của Việt Nam hiện nay khoảng 6-7 triệu tấn/ năm [1], vì vậy việc nghiên cứu khai thác hệ thống tự động này có ý nghĩa thực tế cao. 2. Tỷ lệ nhiên liệu – không khí, xác định đặc tính cực trị của đối tượng Để duy trì nhiệt độ cực đại, trong công nghệ cán thép, người ta phải điều khiển quan hệ giữa lượng dầu nặng FO và không khí trong buồng đốt. Giữa nhiên liệu và không khí dùng để đốt cháy có một quan hệ nhất định, nó thể hiện qua hệ số dư thừa không khí α. Khi lưu lượng nhiên liệu vì một lí do nào đó thay đổi thì lưu lượng không khí cũng phải thay đổi theo cho phù hợp (lưu lượng nhiên liệu là chủ đạo, lưu lượng không khí là phụ thuộc). Để điều chỉnh tối ưu sự cháy của nhiên liệu tức là thực hiện việc tìm một hệ số tỷ lệ giữa nhiên liệu và không khí như thế nào đó để nhiệt độ ngọn lửa là cực đại ta sử dụng hệ thống tự động tìm cực trị, tức là tìm hệ số α bằng bao nhiêu đó để có ngọn lửa là cực đại (theo kinh nghiệm vận hành và tính toán, với nhiên liệu là dầu nặng thì α =1,1 ÷1,25[1]). Bản chất của quá trình điều khiển là: Giả sử đốt hết 1 kg dầu nặng ta cần dùng m kg không khí, tuy nhiên trên thực tế do nhiều yếu tố khác nhau mà lượng không khí cần cho việc 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 tế phải dùng m' kg không khí để đốt 1 kg dầu với m'>m. Hệ số dư thừa không khí là: m m α ′ = Việc đốt đạt nhiệt độ tối ưu được thể hiện như hình 1, với đầu vào là hệ số dư thừa không khí α đầu ra là nhiệt độ. Đặc tính ở hình 1 cũng chính là đặc tính tĩnh của đối tượng điều khiển (đặc tính cực trị ). Hệ thống gồm hai phần: - Bộ tự động tìm cực trị. - Bộ duy trì điểm làm việc xung quanh vị trí cực trị (chống lắc) T0c 0 *α 1350 α Hình 1: Đối tượng có đặc tính cực trị T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 2(46) Tập 1/N¨m 2008 115 3. Hệ thống điều khiển cực trị theo phương pháp bước 3.1. Ý tưởng thiết kế Thực tế, để nghiên cứu hệ cực trị, ta có thể dùng phương pháp tách sóng đồng bộ; phương pháp xác định gradien của hàm mục tiêu; phương pháp chuyển động tìm đến cực trị[1] ... Ở đây ta nghiên cứu một phương pháp thường sử dụng trong công nghệ cán thép, trong các nhà máy nhiệt điện .v.v... đó là phương pháp bước. Giả sử hệ bắt đầu làm việc tại điểm A trên đặc tính cực trị, bộ điều khiển có nhiệm vụ đưa quá trình làm việc lên điểm B(hình 2). Sau khi thực hiện một bước ∆xK hệ thống sẽ đo thông số ở đầu ra tương ứng là YK và so 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). Tuỳ thuộc vào dấu của ∆yK = yK - yK-1 mà bước tiếp theo sẽ được thực hiện theo hướng cần thiết. Ta có: xK+1 = C Sign (∆yK) với C là giá trị của bước[2]. Để điều khiển quá trình bước có hai xu hướng[3]: - Một là :Tần số của bước được giữ không đổi , không phụ thuộc vào độ dốc của đặc tính cực trị. Quá trình đó được thể hiện như hình 2. - Hai là : Tần số của bước thay đổi ,phụ thuộc vào độ dốc của đặc tính cực trị. Khi độ dốc của đặc tính cực trị bé thì tần số giảm và ngược lại [1]. Trong hệ thống, có một chỉ tiêu chất lượng quan trọng là phải giảm tối thiểu công suất lắc của động cơ chấp hành khi đã đạt tới vùng cực trị, như vậy hệ thống phải có vùng không nhạy, tức là nếu: ( )sign Y ε∆ ≤ thì động cơ chấp hành phải đứng yên, với ε là một số dương cho trước. 3.2. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống tìm cực trị kiểu bước Với giả thiết mạch vòng ổn định lưu lượng dầu được đặt ở một giá trị cố định. Nhiệm vụ của bộ điều khiển tự động tìm cực trị kiểu bước là tự động điều chỉnh lượng khí đưa vào để đốt với lượng dầu trên sao cho nhiệt độ của lò đạt cực đại. Ta chọn sơ đồ khối bộ điều chỉnh kiểu bước điều chỉnh lưu lượng khí tự động tìm cực trị như hình 3 B t x 0 0 y A t y Hình 2: Nguyên lý điều khiển theo phương pháp bước T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 2(46) Tập 1/N¨m 2008 116 Đối tượng điều khiển, tọa độ x là đại lượng chuyển dịch; tọa độ y được biến thành lượng điện áp đưa vào các bộ ghi nhớ. (CH) là động cơ một chiều, (VAN) là van gió, (MĐC) máy điều chỉnh, (LG) khối logic, (SS) khối so sánh, (GN) khối ghi nhớ các giá trị nhiệt độ dưới dạng điện áp,(FL) khối phát lệnh, khối này làm nhiệm vụ phát lệnh cho khối GN,SS,LG,làm việc. Khối FL thực hiện tuần tự thuật toán bốn bước sau[3] : Bước 1 : 1 0 0 0 Bước 2 : 0 1 0 0 Bước 3 : 0 0 1 0 Bước 4 : 0 0 0 1 Bước 5 : 1 0 0 0 ....................................... Các khối: Sensor nhiệt độ, khuếch đại (KĐ) làm nhiệm vụ lấy tín hiệu nhiệt độ dưới dạng điện áp ở các thời điểm đầu và cuối các bước đưa về khối ghi nhớ, sensor tốc độ làm nhiệm vụ lấy tín hiệu phản hồi tốc độ động cơ duới dạng điện áp đưa về máy điều chỉnh để điều chỉnh tốc độ trong mỗi bước. 3.3. Nguyên tắc làm việc của sơ đồ Nguyên tắc làm việc của sơ đồ được thực hiện theo 4 bước như sau: • Bước 1: Bộ phát lệnh (FL) phát lệnh tới khối logic (LG) điều khiển động cơ chấp hành (CH) quay dịch mở van gió một bước ∆x , đồng thời phát lệnh cho bộ ghi nhớ (GN), ghi nhớ giá trị nhiệt độ ban đầu dưới dạng điện áp Uyk-1 • Bước 2: Bộ phát lệnh tạo thời gian trễ để nhiệt độ của lò thay đổi • Bước 3: Bộ phát lệnh phát lệnh cho bộ ghi nhớ, ghi nhớ giá trị Uyk. • Bước 4: Bộ phát lệnh phát lệnh so sánh 2 giá trị trong các bộ nhớ . * Nếu : ∆yk = Uyk - Uyk-1 > ε LG CH KĐ MĐC GN T FL VAN Sensor nhiệt ∆ yk X2k Y2k Uy Uyk-1 t0 SS Sensor tốc độ (-) Hình3 : Sơ đồ khối của bộ điều khiển tự động tìm cực trị kiểu bước T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 2(46) Tập 1/N¨m 2008 117 Trong đó ε là một số dương cho trước là ngưỡng tác động của khối logic, bộ phát lệnh tiếp tục phát lệnh tới khối logic điều khiển động cơ chấp hành quay dịch mở van khí một bước ∆x nữa, và phát lệnh cho bộ ghi nhớ, ghi nhớ giá trị Uyk. Quá trình lặp lại theo chu kỳ như trên cho tới khi tìm được cực trị (đây là quá trình tìm cực trị ). * Nếu: ∆yk = Uyk - Uyk-1 < - ε (nhiệt độ vượt qua giá trị cực đại) Thì khối logic điều khiển động cơ quay ngược lại đóng bớt van gió một bước ∆x và lúc này hệ đã tìm được cực trị và chuyển sang quá trình duy trì cực trị. * Nếu: - ε ≤ ∆yk = Uyk -Uyk-1 ≤ ε ; khối logic không tác động, động cơ không quay lưu lượng khí cấp vào mỏ đốt được giữ cố định và hệ làm việc ở vùng cực trị. Tuy nhiên giá trị nhiệt độ ở bước 1 và bước 3 vẫn được bộ ghi nhớ ghi lại để kiểm tra và duy trì điểm làm việc xung quanh điểm cực trị. Như vậy nhờ thuật toán điều khiển kiểu bước như trên hệ đã thực hiện hai quá trình, quá trình thứ nhất là quá trình tìm cực trị và quá trình thứ hai là quá trình duy trì điểm làm việc tại cực trị, bằng việc tính chọn mức ngưỡng của phần tử logic hợp lý và trong khoảng sai số cho phép ta có vùng làm việc không nhạy mà ở đó, hệ làm việc trong vùng cực trị mà không bị dao động. 3.4. Mô phỏng Sau khi phân tích kỹ về sơ đồ cấu trúc, chúng tôi đã tiến hành thiết kế mạch phần cứng cho hệ thống, trên cơ sở có tham khảo các hệ thống thực trong các nhà máy cán thép tại Thái Nguyên do các công ty nước ngoài lắp đặt. Tiếp theo, đã tiến hành mô phỏng với mục đích: + Quan sát chế độ động của động cơ chấp hành khi nhận được tín hiệu dịch bước của khối phát lệnh. + Quan sát hành trình mở van gió trong quá trình điều khiển. Các kết quả mô phỏng thể hiện như hình 4 và 5. Hình 4: Đặc tính động của động cơ chấp hành Hình 5: Hành trình mở van khí trong QT điều khiển T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 2(46) Tập 1/N¨m 2008 118 Nhận xét : Qua nhiều lần mô phỏng, ta thấy: + Khi nhận được lệnh dịch bước, động cơ chấp hành sẽ ổn định sau khoảng 0,2s trên tổng thời gian cho 1 bước dịch là 10s + Mô phỏng quá trình mở van hoàn toàn phù hợp với ý tưởng thiết kế, hệ tự động tìm được cực trị ở bước thứ 16 sau 160s ứng với góc mở ≈ 68% hành trình + Nếu giảm chu kỳ tìm bước thì chất lượng của hệ sẽ tốt hơn. + Nếu chọn mức ngưỡng ε của phần tử logic hợp lý hệ ít bị dao động hơn. 4. Kết luận Bài báo này nghiên cứu hệ điều khiển theo nguyên tắc cực trị và ứng dụng để điều khiển lưu lượng không khí trong công nghệ cán thép. Về lí thuyết, đây chính là hệ điều khiển thích nghi cho đối tượng phi tuyến theo nguyên tắc cực trị. Về thực tế, nội dung nghiên cứu mở ra hướng ứng dụng nhằm tiết kiệm năng lượng cho các công nghệ lò nung nói chung và trong cán thép nói riêng. Nếu được kiểm chứng qua các mạch phần cứng, hệ thống hoàn toàn có thể thay thế các thiết bị nhập ngoại với giá thành thấp hơn (ví dụ so với hệ thống DB1130 của hãng CHINO). Ngoài ra những kết quả nghiên cứu còn là tài liệu tham khảo tốt cho các cán bộ kĩ thuật đang vận hành sản xuất
Tóm tắt Bài báo trình bày việc nghiên cứu hệ thống điều khiển thích nghi cho đối tượng có đặc tính cực trị. Hệ thống tự động này có vai trò để tiết kiệm dầu đốt và được ứng dụng trong nhiều công nghệ khác nhau như: cán thép, sản xuất gạch men, sản xuất kính. Các kết quả mô phỏng thể hiện sự đúng đắn của ý tưởng thiết kế và mở ra khả năng ứng dụng vào thực tiễn. Summary A research on a class of system having extreme characteristics This paper deals with a research on the adaptive control system for a class of objects, which has extreme characteristics. This system plays an important role in saving the burned oil and it is used to apply to many different systems, such as steel lamination systems, brick making systems, glass making systems. The simulation results have shown that the way of design is suitable and the ability of application has been available in reality. Tài liệu tham khảo [1]. Tổng công ty thép Việt Nam (2000), Báo cáo khả thi dự án cải tạo và mở rộng sản xuất Công ty gang thép Thái Nguyên. [2]. Ian H. Sloan* and Robert S. Womersley (2002), Extremal systems of points and numerical integration on the sphere. School of Mathematics, University of New South Wales, Sydney , Australia. [3]. Part VI. Problems of states estimation (filtration) of extremal fuzzy process, Modeling of extremal fuzzy dynamic systems,International Journal of General Systems, Volume 36, Issue 1 February 2007 , pages 19 - 58.