Luận văn ThS: Điều khiển nhiệt độ lò nung tuynel ứng dụng điều khiển mờ

Dưới đây là meta tags cho bài viết "Luan van 5 12" theo yêu cầu: { "ai_description": "Tìm hiểu luan van 5 12, phương pháp lập luận và phân tích trong nghiên

• Tác giả: Trần Văn Tá
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Văn Nguyên
• Trường học: Học viện Kỹ thuật Quân sự
• Chuyên ngành: Tự động hóa
• Đề tài: Xây dựng hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung tuynel trên cơ sở ứng dụng điều khiển mờ
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về luận văn 5 12 điều khiển lò nung tuynel

Luận văn 5 12 về hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung tuynel ứng dụng điều khiển mờ được nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động của các lò nung trong sản xuất gạch ngói. Nội dung tập trung vào phân tích cấu trúc lò nung tuynel, các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nung và nguyên tắc điều khiển nhiệt độ. Hệ thống điều khiển mờ được đề xuất nhằm giải quyết các vấn đề về nhiễu loạn và biến đổi nhiệt độ không ổn định. Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng trực tiếp trong sản xuất công nghiệp, góp phần cải thiện chất lượng sản phẩm và tiết kiệm năng lượng.

1.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của lò nung tuynel

Lò nung tuynel hoạt động theo nguyên lý liên tục với cấu trúc gồm các vùng sấy, nung và làm nguội. Nhiệt độ được kiểm soát thông qua hệ thống cấp nhiên liệu, gió và quạt hút. Các yếu tố nhiễu loạn như biến động áp suất gió, độ ẩm nguyên liệu ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình nung. Hệ thống điều khiển truyền thống thường gặp khó khăn trong việc duy trì nhiệt độ ổn định do tính phi tuyến của quá trình.

1.2. Vai trò của điều khiển mờ trong hệ thống

Điều khiển mờ được ứng dụng nhằm xử lý các biến đổi bất định trong quá trình nung. Hệ thống sử dụng các luật suy diễn dựa trên kinh nghiệm vận hành, cho phép điều chỉnh linh hoạt các thông số nhiệt độ. Ưu điểm nổi bật là khả năng thích nghi cao với các điều kiện thay đổi, giảm thiểu sai số so với phương pháp điều khiển cổ điển.

II. Phân tích bài toán điều khiển nhiệt độ lò nung tuynel

Bài toán điều khiển nhiệt độ lò nung tuynel phức tạp do sự tương tác giữa nhiều yếu tố vật lý. Các thách thức chính bao gồm biến đổi nhiệt độ không đều, nhiễu loạn từ môi trường và yêu cầu chất lượng sản phẩm nghiêm ngặt. Hệ thống điều khiển truyền thống PID thường không đáp ứng đủ do đặc tính phi tuyến của quá trình. Việc xây dựng mô hình toán học chính xác cũng gặp nhiều khó khăn do sự biến đổi liên tục của các thông số vận hành.

2.1. Ảnh hưởng của nhiễu loạn đến quá trình nung

Nhiễu loạn trong lò nung tuynel bao gồm biến động áp suất gió, thay đổi nhiệt độ môi trường và độ ẩm nguyên liệu. Các nhiễu loạn này gây ra dao động nhiệt độ, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm. Hệ thống điều khiển cần có khả năng bù đắp nhanh chóng các biến đổi này để duy trì nhiệt độ ổn định.

2.2. Đánh giá hiệu quả của các phương pháp điều khiển

Các phương pháp điều khiển PID truyền thống thường gặp khó khăn trong việc duy trì nhiệt độ ổn định do đặc tính phi tuyến của quá trình. Điều khiển mờ được đề xuất nhằm giải quyết vấn đề này thông qua các luật suy diễn linh hoạt. Kết quả so sánh cho thấy điều khiển mờ vượt trội hơn trong việc giảm sai số và thích ứng với các điều kiện thay đổi.

III. Giải pháp điều khiển nhiệt độ sử dụng bộ điều khiển mờ

Giải pháp đề xuất sử dụng bộ điều khiển mờ kết hợp với hệ thống PID để nâng cao hiệu quả điều khiển. Hệ thống được thiết kế với các luật suy diễn dựa trên kinh nghiệm vận hành, cho phép xử lý linh hoạt các biến đổi nhiệt độ. Các thông số điều khiển được tối ưu thông qua quá trình mô phỏng và thử nghiệm thực tế. Kết quả cho thấy hệ thống mới có khả năng thích ứng cao với các điều kiện thay đổi, giảm thiểu sai số so với phương pháp truyền thống.

3.1. Cấu trúc hệ thống điều khiển đề xuất

Hệ thống điều khiển bao gồm bộ điều khiển mờ tích hợp với PID, cho phép xử lý linh hoạt các biến đổi nhiệt độ. Các luật suy diễn được xây dựng dựa trên kinh nghiệm vận hành, kết hợp với thuật toán tối ưu để điều chỉnh các thông số điều khiển. Kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống mới có khả năng thích ứng cao với các điều kiện thay đổi.

3.2. Kết quả mô phỏng và tối ưu hóa

Kết quả mô phỏng trên mô hình lò nung tuynel cho thấy hệ thống điều khiển mờ có khả năng duy trì nhiệt độ ổn định hơn so với PID truyền thống. Sai số nhiệt độ giảm đáng kể, đặc biệt trong các điều kiện nhiễu loạn. Quá trình tối ưu hóa thông số điều khiển được thực hiện thông qua các thuật toán tiến hóa, nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn luận văn 5 12

Nghiên cứu đã chứng minh hiệu quả của hệ thống điều khiển mờ trong việc duy trì nhiệt độ lò nung tuynel ổn định. Kết quả cho thấy hệ thống mới có khả năng thích ứng cao với các điều kiện thay đổi, giảm thiểu sai số so với phương pháp truyền thống. Ứng dụng thực tiễn tại các nhà máy sản xuất gạch ngói cho thấy sự cải thiện đáng kể về chất lượng sản phẩm và tiết kiệm năng lượng. Kết luận khẳng định tính khả thi và hiệu quả của giải pháp đề xuất.

4.1. Đánh giá kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu cho thấy hệ thống điều khiển mờ vượt trội hơn so với PID truyền thống trong việc duy trì nhiệt độ ổn định. Sai số nhiệt độ giảm đáng kể, đặc biệt trong các điều kiện nhiễu loạn. Khả năng thích ứng cao giúp hệ thống hoạt động hiệu quả trong nhiều điều kiện vận hành khác nhau.

4.2. Hướng phát triển trong tương lai

Hướng phát triển tiếp theo bao gồm tích hợp trí tuệ nhân tạo vào hệ thống điều khiển, nâng cao khả năng tự học và thích ứng. Nghiên cứu cũng có thể mở rộng sang các ứng dụng điều khiển nhiệt độ trong các ngành công nghiệp khác. Việc tối ưu hóa các thông số điều khiển thông qua học máy sẽ mang lại hiệu quả cao hơn nữa.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong tiến trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa ngành sản xuất vật liệu xây dựng tại Việt Nam, việc chuyển đổi công nghệ nung gạch thủ công sang công nghệ lò tuynel liên tục là yêu cầu cấp thiết nhằm bảo vệ môi trường và nâng cao năng suất. Thực tế sản xuất tại Hợp tác xã gạch ngói Cừa, huyện Tân Kỳ, tỉnh Nghệ An cho thấy quy mô vùng nguyên liệu rộng trên 50 ha cùng diện tích nhà xưởng 5 ha đòi hỏi giải pháp tự động hóa đồng bộ để duy trì tính cạnh tranh. Trước đây, các lò nung thủ công truyền thống tiêu tốn từ 20 đến 22 giờ cho mỗi chu kỳ đốt và phát thải lượng khói bụi lớn ra môi trường. Khi chuyển sang lò nung tuynel cải tiến, chu kỳ làm việc được rút ngắn xuống còn khoảng 12 đến 20 giờ, định kỳ trung bình khoảng 33 phút cho ra lò một xe goong chứa từ 3000 đến 3500 viên gạch thành phẩm.

Tuy nhiên, bài toán điều khiển nhiệt độ lò nung tuynel dài 48 mét với thể tích không gian lên tới 230,208 mét khối vẫn gặp nhiều thách thức lớn. Hệ thống lò cũ chủ yếu vận hành dựa trên kinh nghiệm trực quan của công nhân và điều tiết lưu lượng gió qua van tiết lưu cơ học. Trong cơ chế này, động cơ quạt hút 11 kW luôn phải hoạt động hết 100% công suất định mức, trong khi van tiết lưu thường chỉ mở ở mức 40% đến 80%, gây lãng phí điện năng nghiêm trọng. Bên cạnh đó, việc điều chỉnh nhiệt độ vùng nung chính trong dải nhiệt độ cao từ 900°C đến 1050°C gặp nhiều khó khăn do quán tính nhiệt lớn và thời gian trễ kéo dài.

Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là xây dựng hệ thống điều khiển nhiệt độ tự động cho vùng nung chính của lò tuynel bằng cách kết hợp thuật toán điều khiển mờ thông minh với biến tần điều khiển tốc độ động cơ quạt hút. Luận văn tập trung giải quyết bài toán ổn định nhiệt độ tại mốc 900°C, triệt tiêu độ vọt lố, giảm thời gian đáp ứng quá độ và tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ. Nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn khi giúp các đơn vị sản xuất giảm từ 20% đến 60% điện năng tiêu thụ cho hệ thống quạt công nghiệp, đồng thời chuẩn hóa định mức tiêu hao than ở mức 15 kg than cho 1000 viên gạch, nâng cao tỷ lệ thành phẩm đạt tiêu chuẩn kỹ thuật.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng đồng thời lý thuyết điều khiển mờ chuyên sâu và các định luật động học máy dòng chảy nhằm giải quyết tính phi tuyến của lò nung công nghiệp. Hai khung lý thuyết nền tảng được tích hợp bao gồm:

Lý thuyết điều khiển mờ theo mô hình Sugeno kết hợp giải thuật logic kinh điển. Mô hình này cho phép chuyển hóa kinh nghiệm vận hành lò của chuyên gia thành các tập mờ và luật hợp thành rõ ràng, khắc phục nhược điểm phụ thuộc vào mô hình toán học giải tích chính xác của các bộ điều khiển vi tích phân tỷ lệ kinh điển. Biến ngõ vào của bộ điều khiển mờ bao gồm sai lệch nhiệt độ e và đạo hàm sai lệch nhiệt độ de, trong khi biến ngõ ra là điện áp điều khiển u cấp cho hệ thống biến tần.

Lý thuyết điều khiển véc-tơ động cơ không đồng bộ ba pha và định luật tỷ lệ của quạt ly tâm công nghiệp. Theo định luật khí động học, lưu lượng gió tỷ lệ thuận với tốc độ quay, áp suất tĩnh tỷ lệ với bình phương tốc độ, và công suất tiêu thụ trục quạt tỷ lệ với lũy thừa bậc ba của tốc độ quay. Cụ thể, khi giảm 10% tốc độ quay của quạt, áp suất sẽ giảm khoảng 19% và công suất yêu cầu trên trục giảm đến 27%. Nhờ đó, việc biến thiên tần số nguồn cấp thông qua mạch nghịch lưu bán dẫn IGBT điều chế độ rộng xung giúp điều khiển vô cấp tốc độ động cơ mà không cần can thiệp cơ học vào đường ống gió.

Bên cạnh đó, nghiên cứu xác lập các khái niệm chuyên ngành then chốt: hàm truyền khâu quán tính bậc nhất có thời gian trễ biểu diễn đối tượng lò nung, không gian trạng thái từ thông rotor của động cơ không đồng bộ công suất 11 kW, và nguyên lý cân bằng năng lượng - vật chất liên tục giữa lượng than nung, lưu lượng oxy cung cấp và khí thải tuần hoàn.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu áp dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp khảo sát thực nghiệm mô phỏng và kiểm chứng trên mô hình bán tự nhiên.

Về cỡ mẫu và phương pháp chọn mẫu: Tác giả thực hiện khảo sát trên mẫu thực tế gồm 15 chu kỳ nung liên tục tại phân xưởng sản xuất gạch ngói Cừa trong điều kiện thời tiết ổn định. Phương pháp chọn mẫu là chọn mẫu định mức có chủ đích, tập trung vào các xe goong tiêu chuẩn tải trọng 3000 viên gạch mộc có khối lượng trung bình 1,8 kg một viên và độ ẩm ban đầu từ 10% đến 12%. Cỡ mẫu này đảm bảo tính đại diện cho các pha gia nhiệt, giữ nhiệt và làm nguội của toàn bộ quy trình sản xuất liên tục.

Về nguồn dữ liệu và phương pháp phân tích: Dữ liệu thực nghiệm thu thập từ hệ thống cảm biến nhiệt độ vùng nung chính có dải đo từ 0°C đến 1200°C, phối hợp cùng các thông số điện áp lưới 380V, tần số làm việc 50 Hz và dòng điện định mức 20A của động cơ quạt hút ký hiệu M1. Tác giả lựa chọn phương pháp nhận dạng đối tượng dựa trên đồ thị đáp ứng quá độ thực tế để xây dựng hàm truyền lò nung với hệ số khuếch đại 1,56, thời gian quán tính 90 giây và thời gian trễ thuần 10 giây. Lý do lựa chọn phương pháp này xuất phát từ bản chất phức tạp của các phản ứng hóa lý sinh nhiệt trong khối sét kết khối ở 800°C đến 900°C, khiến việc lập phương trình vi phân vi mô thuần túy trở nên thiếu chính xác trong môi trường công nghiệp thực tế.

Quy trình nghiên cứu được triển khai theo tiến độ rõ ràng: Giai đoạn đầu khảo sát hiện trường và đo đạc thông số nhiệt động lực học; giai đoạn hai mô phỏng so sánh giải thuật PID và Fuzzy Logic trên phần mềm MATLAB/Simulink R2012a; giai đoạn ba lập trình nhúng phần mềm Code Composer Studio phiên bản 3.3 để nạp thuật toán điều khiển vào kit vi xử lý tín hiệu số DSP TMS320F28335 của hãng Texas Instruments, kết nối truyền thông qua cổng nối tiếp HyperTerminal để đánh giá thời gian thực.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng và thực nghiệm đối chứng giữa hệ thống truyền động truyền thống và hệ thống điều khiển mờ tích hợp biến tần đã mang lại bốn phát hiện khoa học quan trọng:

Thứ nhất, hiệu quả tiết kiệm năng lượng điện đạt mức vượt bậc khi ứng dụng công nghệ biến tần thay thế van tiết lưu cơ học. Khi giảm lưu lượng gió từ 30% đến 40% cho các giai đoạn giữ nhiệt, công suất tiêu thụ điện năng của động cơ quạt giảm từ 30% đến 50%. Tính toán kinh tế kỹ thuật cho thấy hiệu quả tiết kiệm điện tổng thể toàn hệ thống dao động trong khoảng 20% đến 60% tùy thuộc vào từng loại sản phẩm mộc như ngói lợp, gạch 2 lỗ hay gạch 6 lỗ.

Thứ hai, việc khởi động êm dịu thông qua biến tần giúp khống chế dòng điện khởi động của động cơ quạt 11 kW ở mức dưới 1,5 lần dòng định mức, tương đương khoảng 25A đến 30A. Trong khi đó, ở hệ thống cũ khởi động trực tiếp qua contactor, dòng điện khởi động đột biến vọt lên gấp 4 đến 6 lần dòng định mức, đạt mức 80A đến 120A, gây sụt áp lưới cục bộ và gây xung lực cơ khí nghiêm trọng lên hệ thống cánh quạt và ổ bi.

Thứ ba, chất lượng đáp ứng động học của bộ điều khiển mờ vượt trội hoàn toàn so với bộ điều khiển PID truyền thống. Tại điểm đặt nhiệt độ công nghệ 900°C, bộ điều khiển PID có thời gian xác lập kéo dài và độ vọt lố vượt ngưỡng xấp xỉ 10% đến 12%, dễ dẫn đến hiện tượng quá nhiệt làm biến dạng và cong vênh sản phẩm. Ngược lại, bộ điều khiển mờ chỉ tạo độ vọt lố danh định dưới 2,5%, thời gian quá độ rút ngắn được khoảng 30%, và triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng dao động quanh điểm cân bằng.

Thứ tư, tính ổn định của trường nhiệt độ giúp chuẩn hóa quy trình kỹ thuật tra than qua 15 hàng lỗ trên nóc lò nung dài 14 mét. Lượng than cấp vào được kiểm soát chặt chẽ ở mức 45 kg than cho một xe goong 3000 viên trong thời gian 1 giờ 15 phút, giúp quá trình kết khối silicat diễn ra đồng đều, hạ tỷ lệ gạch sống hoặc gạch quá lửa xuống dưới mức 1,5%.

Thảo luận kết quả

Dữ liệu thực nghiệm thu được có thể được trực quan hóa hiệu quả thông qua hệ thống biểu đồ và bảng so sánh kỹ thuật. Trên biểu đồ đường đáp ứng quá độ thời gian thực, đường cong nhiệt độ của bộ điều khiển PID bộc lộ sự dao động răng cưa biên độ lớn mỗi khi có nhiễu loạn từ việc nạp thêm xe goong mới ở nhiệt độ 600°C từ vùng sấy sang. Trong khi đó, đường đặc tính nhiệt độ của bộ điều khiển mờ thể hiện đáp ứng chuyển tiếp mượt mà, nhanh chóng kéo nhiệt độ trở lại ngưỡng 900°C chỉ sau một khoảng thời gian ngắn mà không gây ra dao động quá mức. Bảng tổng hợp các thông số chất lượng điều khiển cũng làm rõ sự suy giảm rõ rệt của chỉ số tích phân bình phương sai số đối với giải thuật mờ.

Nguyên nhân chính dẫn đến sự chênh lệch này là do quán tính nhiệt của lò nung quá lớn với hằng số thời gian lên tới 90 giây và trễ thuần 10 giây. Bộ điều khiển PID truyền thống vốn dựa trên các hệ số khuếch đại cố định không thể thích nghi với sự thay đổi của tải nhiệt và sự biến thiên áp suất buồng nung. Trái lại, bộ điều khiển mờ vận hành dựa trên tập 49 luật hợp thành if-then, cho phép phản xạ linh hoạt: khi sai lệch lớn thì phát tín hiệu điều khiển công suất tối đa để bù nhiệt nhanh, và khi sai lệch tiệm cận về không thì giảm nhanh đạo hàm tác động để triệt tiêu độ vọt lố. Kết quả này tương đồng với các công bố khoa học quốc tế về ứng dụng logic mờ trong công nghiệp gốm sứ, khẳng định tính đúng đắn của việc loại bỏ van tiết lưu cơ học và thay thế bằng vòng lặp điều khiển kín biến tần - động cơ.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm, tác giả đề xuất bốn giải pháp đồng bộ nhằm đưa hệ thống vào áp dụng thực tế rộng rãi:

Thứ nhất, ban quản lý kỹ thuật tại các nhà máy gạch ngói tuynel cần triển khai thay thế toàn bộ hệ thống khởi động trực tiếp và van tiết lưu cơ học bằng các bộ biến tần công nghiệp cho động cơ quạt hút M1 công suất 11 kW, quạt tải khí M2 công suất 25 kW và quạt hút sấy M3 công suất 4,5 kW. Mục tiêu cụ thể là giảm tối thiểu 25% tổng lượng điện tiêu thụ hàng tháng của dây chuyền trong quý đầu tiên sau khi lắp đặt.

Thứ hai, bộ phận cơ điện xí nghiệp cần thực hiện chuẩn hóa hệ thống đo lường bằng cách lắp đặt cảm biến nhiệt độ cặp nhiệt điện công nghiệp vỏ bọc kim loại chịu nhiệt cao tại ba phân vùng trọng yếu: vùng sấy đốt sơ bộ, vùng nung kết khối và vùng làm nguội. Yêu cầu kỹ thuật đặt ra là giữ sai số đo lường dưới 1% trong toàn dải nhiệt độ từ 40°C đến 1050°C, hoàn thành trong khung thời gian 3 tháng.

Thứ ba, đội ngũ kỹ sư điều khiển phối hợp với các chuyên gia tự động hóa tiến hành tích hợp board mạch vi xử lý nhúng DSP TMS320F28335 hoặc các dòng PLC công nghiệp chuyên dụng vào tủ điều khiển trung tâm. Hệ thống cần cài đặt sẵn giải thuật điều khiển mờ và giao diện giám sát máy tính để tự động hóa 100% việc điều chỉnh lưu lượng gió theo nhiệt độ thực tế của lò, thực hiện trong vòng 6 tháng.

Thứ tư, ban giám đốc xí nghiệp cần ban hành quy chế phối hợp kiểm tra chất lượng than cám đầu vào, duy trì độ mịn và nhiệt trị ổn định, đồng thời áp dụng nguyên tắc tra than ba phần tử: phần mồi, phần nung và phần lưu nhiệt. Giải pháp này giúp tổ công nhân vận hành duy trì mức tiêu hao than ổn định 15 kg than trên một nghìn viên sản phẩm, thực hiện định kỳ và liên tục trong tất cả các ca sản xuất.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang giá trị thực tiễn và học thuật sâu sắc, là tài liệu tham khảo đắc lực cho bốn nhóm đối tượng sau:

Nhóm kỹ sư tự động hóa và kỹ sư cơ điện công nghiệp: Luận văn cung cấp toàn bộ quy trình tính toán, thiết kế hệ truyền động biến tần - động cơ không đồng bộ và thuật toán điều khiển mờ nhúng trên chip DSP TMS320F28335. Đây là tài liệu hướng dẫn kỹ thuật chi tiết để triển khai các dự án nâng cấp hệ thống điều khiển quá trình nhiệt công nghiệp.

Nhóm cán bộ quản lý và chủ doanh nghiệp sản xuất gạch ngói tuynel: Nghiên cứu đưa ra bài toán phân tích hiệu quả kinh tế rõ ràng về khả năng tiết kiệm từ 20% đến 60% năng lượng điện và giảm hao hụt than. Doanh nghiệp có thể sử dụng các số liệu này làm căn cứ lập dự án đầu tư hiện đại hóa công nghệ lò nung nhằm hạ giá thành và nâng cao chất lượng sản phẩm.

Nhóm giảng viên, học viên cao học và sinh viên ngành Tự động hóa, Kỹ thuật Điều khiển: Đề tài là hình mẫu nghiên cứu kết hợp nhuần nhuyễn giữa mô hình hóa toán học, tối ưu đối xứng cho PID, xây dựng tập mờ Sugeno và triển khai phần cứng thực nghiệm thông qua phần mềm MATLAB/Simulink và Code Composer Studio.

Nhóm chuyên gia tư vấn năng lượng và cơ quan quản lý môi trường: Công trình cung cấp các dẫn chứng thực tế về việc chuyển đổi công nghệ sản xuất vật liệu xây dựng theo hướng giảm phát thải khí nhà kính, tối ưu hóa tái sử dụng nhiệt khí thải cho buồng sấy và cải thiện điều kiện vi khí hậu tại các làng nghề truyền thống.

Câu hỏi thường gặp

Lò nung tuynel gặp khó khăn gì khi áp dụng các phương pháp điều khiển nhiệt độ cổ điển? Lò nung tuynel có chiều dài lớn 48 mét với thể tích buồng nung trên 230 mét khối, tồn tại độ trễ thuần khoảng 10 giây và hằng số thời gian quán tính nhiệt lên tới 90 giây. Phương pháp cổ điển như rơ le ON/OFF hoặc PID đơn thuần dễ gây dao động lớn, độ vọt lố vượt quá 10%, làm nứt vỡ hoặc cong vênh sản phẩm gạch ngói khi nhiệt độ vượt ngưỡng công nghệ 1050°C.

Hệ thống biến tần mang lại lợi ích tiết kiệm điện cụ thể như thế nào cho quạt lò nung? Dựa theo định luật khí động học của quạt ly tâm, công suất tiêu thụ tỷ lệ với lũy thừa bậc ba của tốc độ quay. Khi công nghệ biến tần điều chỉnh giảm tốc độ động cơ để giảm từ 30% đến 40% lưu lượng gió theo nhu cầu thực tế của buồng nung, công suất tiêu thụ điện trên trục quạt giảm từ 30% đến 50%, giúp tiết kiệm điện năng toàn diện từ 20% đến 60% so với việc dùng van tiết lưu.

Bộ điều khiển mờ hoạt động như thế nào để duy trì nhiệt độ ổn định tại mức 900°C? Bộ điều khiển mờ thu nhận sai lệch nhiệt độ e và tốc độ biến thiên sai lệch de từ cảm biến, sau đó thực hiện mờ hóa thành các tập ngôn ngữ. Qua bảng 49 luật hợp thành và phương pháp giải mờ mô hình Sugeno, hệ thống tự động xuất tín hiệu điện áp điều khiển biến tần để tăng giảm tốc độ quạt hút M1 một cách mượt mà, giúp giữ độ vọt lố dưới 2,5%.

Cấu trúc phần cứng của mô hình thực nghiệm được xây dựng từ những linh kiện nào? Phần cứng thực nghiệm bao gồm khối xử lý trung tâm dùng vi xử lý tín hiệu số 32-bit DSP TMS320F28335 của Texas Instruments, kết hợp cùng khối cảm biến đo nhiệt độ, mạch khuếch đại dịch mức tín hiệu, mạch băm xung cầu H và bộ nguồn điều khiển đối xứng. Toàn bộ giải thuật được biên dịch từ Simulink sang mã nguồn C nhúng thông qua Code Composer Studio phiên bản 3.3.

Nhiệt lượng tỏa ra từ lò nung được tái tuần hoàn như thế nào trong quy trình công nghệ? Khí nóng thải ra từ vùng nung chính có nhiệt độ dao động từ 450°C đến 500°C được quạt tải khí M2 công suất 25 kW hút qua hai đường ống dẫn đường kính 100 mm sang buồng sấy song song dài 18 mét. Lượng nhiệt này sấy khô gạch mộc từ độ ẩm 12% xuống còn khoảng 4% trước khi đưa vào lò nung, tối ưu hóa hoàn toàn cân bằng nhiệt lượng của nhà máy.

Kết luận

Công trình nghiên cứu của tác giả Trần Văn Tá đã giải quyết trọn vẹn bài toán tự động hóa điều khiển nhiệt độ cho lò nung tuynel công nghiệp thông qua các kết quả then chốt:

• Khảo sát toàn diện đặc tính công nghệ của lò nung tuynel dài 48 mét tại Hợp tác xã gạch ngói Cừa, làm rõ các cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt và các yếu tố nhiễu loạn trong quy trình nung.
• Thiết lập chính xác hàm truyền toán học của vùng nung chính với thời gian quán tính 90 giây và độ trễ thuần 10 giây, phản ánh chân thực động thái truyền nhiệt của hệ thống.
• Đề xuất thành công giải pháp thay thế van tiết lưu cơ học bằng hệ truyền động biến tần cho động cơ quạt hút 11 kW, triệt tiêu dòng khởi động xung kích và tiết kiệm từ 20% đến 60% lượng điện tiêu thụ.
• Xây dựng bộ điều khiển mờ theo mô hình Sugeno, chứng minh tính ưu việt vượt trội qua mô phỏng với độ vọt lố dưới 2,5% và thời gian đáp ứng nhanh hơn 30% so với bộ điều khiển vi tích phân tỷ lệ PID.
• Thực hiện thành công mô hình thực nghiệm bán tự nhiên trên nền tảng vi xử lý tín hiệu số chuyên dụng DSP TMS320F28335, khẳng định khả năng nhúng giải thuật thông minh vào các ứng dụng thực tế.

Đóng góp lớn nhất của luận văn là đã kết hợp thành công lý thuyết điều khiển hiện đại với thực tiễn sản xuất công nghiệp nặng, tạo ra tiền đề vững chắc cho việc xóa bỏ các phương thức sản xuất thủ công lạc hậu. Hướng nghiên cứu tiếp theo cần mở rộng tích hợp mạng truyền thông công nghiệp không dây và thuật toán tự chỉnh định tham số thích nghi để tối ưu hóa đồng thời cả ba phân vùng nhiệt độ của lò nung. Các doanh nghiệp và kỹ sư quan tâm có thể ứng dụng trực tiếp các sơ đồ nguyên lý và mã nguồn thuật toán trong công trình này để triển khai nâng cấp hệ thống điều khiển lò nung tại cơ sở sản xuất của mình ngay hôm nay.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, các phƣơng pháp điều khiển từ kinh điển đến hiện đại, điều khiển thông minh ra đời. Hầu hết các ứng dụng này đều đƣợc giải quyết bởi các bài toán ổn định hệ thống với chất lƣợng tốt nhất. Các phƣơng pháp này ngày càng đƣợc nghiên cứu, phát triển, ứng dụng rộng rãi, góp phần tăng chất lƣợng, độ ổn định của hệ thống. Điều khiển dùng fuzzy logic (logic mờ) là một trong những phƣơng pháp điều khiển đơn giản, đạt hiệu quả cao thƣờng đƣợc sử dụng nhiều trong công nghiệp.

Kỹ thuật điều khiển này với ƣu điểm là không cần biết nhiều về thông tin đối tƣợng mà dùng kinh nghiệm để đƣa ra các luật điều khiển tƣơng ứng của ngƣời thiết kế. Bộ điều khiển mờ bắt chƣớc sự xử lý thông tin và điều khiển của con ngƣời, vì vậy thích hợp để điều khiển những đối tƣợng phức tạp mà các phƣơng pháp kinh điển không cho đƣợc kết quả mong muốn. Ngày nay các nhà máy, xí nghiệp sản xuất gạch Tuynel ở Việt Nam đã ứng dụng nhiều công nghệ mới vào lắp đặt và cải tiến hệ thống lò theo hƣớng điều khiển chính xác, linh hoạt, nâng cao chất lƣợng sản phẩm và giá thành hạ. Tuy nhiên vẫn còn nhiều nhà máy, xí nghiệp có ứng dụng công nghệ nhƣng chƣa đồng bộ còn thủ công ở nhiều khâu trong sản xuất.

Trong đó điều khiển nhiệt độ của lò nung (là khâu quan trọng nhất trong sản xuất gạch) còn hạn chế do đa phần sử dụng các phƣơng pháp cổ điển nên sản phẩm làm ra chƣa đạt đƣợc chất lƣợng cao nhƣ mong muốn. Hiểu đƣợc tầm quan trọng của việc điều khiển nhiệt độ lò nung Tuynel, cụ thể tại Hợp tác xã gạch ngói Cừa nên tác giả chọn đề tài “Xây dựng hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung tuynel trên cơ sở ứng dụng điều khiển mờ” để làm đề tài nghiên cứu. Cấu trúc của luận văn gồm 3 chƣơng: Chƣơng 1. Nghiên cứu hệ thống điều khiển lò nung tuynel.

Xây dựng bộ điều khiển nhiệt độ lò nung tuynel Chƣơng 3. Xây dựng mô hình thực nghiệm hệ thống điều khiển lò nung. Ngoài sự cố gắng của bản thân, Tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến TS. Phạm Văn Nguyên ngƣời đã tận tình hƣớng dẫn và truyền đạt các kiến thức giúp tôi hoàn thành luận văn này.

Bên cạnh đó, tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô trong khoa Điện – Điện tử Trƣờng Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự đã cho tôi các kiến thức rất bổ ích và quý giá trong quá trình học tập để ứng dụng vào nghiên cứu và phát triển đề tài này cũng nhƣ ứng dụng vào công việc sau này. Tác giả luận văn 3 Chƣơng 1. NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LÒ NUNG TUYNEL Để hiểu rõ bài toán điều khiển nhiệt độ lò nung tuynel làm cơ sở cho việc xây dựng giải thuật điều khiển mờ chúng ta đi khảo sát, nghiên cứu hệ thống điều khiển lò nung, cụ thể ta nghiên cứu trên đối tƣợng thực tế là lò nung tuynel nhà máy gạch ngói Cừa, xã Nghĩa Hoàn, huyện Tân Kỳ, tỉnh Nghệ An. Tổng quan về hợp tác xã gạch, ngói Cừa.

Năm 2006, Hợp tác xã (HTX) sản xuất kinh doanh làng nghề ngói Cừa, xã Nghĩa Hoàn, huyện Tân Kỳ, tỉnh Nghệ An đƣợc sự hỗ trợ của Sở Khoa học và Công nghệ tỉnh triển khai dự án xây dựng mô hình ứng dụng tiến bộ khoa học công nghệ sản xuất ngói chất lƣợng cao.