Luận văn Thạc sĩ ĐH Bách Khoa: Điều khiển hệ thống có tính phi tuyến

Luận văn thạc sĩ ngành Tự động hóa, nghiên cứu điều khiển hệ thống phi tuyến. Ứng dụng thuật toán bù, mô phỏng và thiết kế hệ truyền động điện.

• Tác giả: Nguyễn Đức Vinh
• Người hướng dẫn: Nguyễn Văn Liễn
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Điều khiển và tự động hóa
• Đề tài: Điều khiển hệ thống có tính phi tuyến: Ứng dụng cho hệ truyền động lô nhả vật liệu trong công nghệ cắt cuộn lại giấy
• Loại tài liệu: Luận văn Thạc sĩ Khoa học
• Năm xuất bản: 2008
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Điều Khiển Hệ Thống Phi Tuyến

Điều khiển hệ thống phi tuyến là một lĩnh vực quan trọng trong kỹ thuật tự động hóa và điều khiển. Hệ thống phi tuyến xuất hiện rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp như truyền động điện trong công nghệ quán tháo băng vật liệu, chế biến giấy, sản xuất chất dẻo và các hợp chất cao phân tử. Những hệ thống này yêu cầu duy trì đồng tốc độ, lực căng ổn định và vận tốc không đổi, nhưng đó không phải là bài toán đơn giản vì tính chất phi tuyến mạnh mẽ. Luận văn Thạc sĩ này tập trung vào phân tích, mô phỏng và thiết kế hệ truyền động cho các ứng dụng thực tế, đặc biệt là hệ thống cắt cuộn lại giấy với các động cơ truyền động phức tạp.

1.1. Khái Niệm Hệ Thống Phi Tuyến

Hệ thống phi tuyến là những hệ thống mà các tham số và đặc tính của chúng thay đổi theo các biến số không tuyến tính. Trong điều khiển hệ thống phi tuyến, phương trình toán học mô tả hệ thống không tuân theo nguyên lý chồng chất. Ứng dụng trong công nghiệp đòi hỏi các thuật toán điều khiển nâng cao và mô phỏng chi tiết để đảm bảo hiệu suất tối ưu.

1.2. Ứng Dụng Trong Công Nghiệp

Trong công nghiệp chế biến vật liệu, hệ thống truyền động điện đóng vai trò then chốt. Các ứng dụng như quán tháo băng vật liệu trong giây, dệt, plastic yêu cầu kiểm soát tốc độ và lực căng chính xác. Việc áp dụng thuật toán bù phi tuyến giúp cải thiện hiệu suất, độ ổn định và độ chính xác của hệ thống.

II. Nguyên Tắc Điều Khiển Động Cơ Truyền Động

Nguyên tắc điều khiển động cơ trong hệ truyền động dựa trên mô hình toán học của động cơ đồng bộ ba pha. Động cơ này được biến tần bằng nguồn dòng với khả năng quay thuận, quay ngược và chạy ở nhiều tốc độ khác nhau. Chế độ làm việc của động cơ bao gồm chế độ khởi động (Start), chế độ chạy bò (Run) với tăng tốc, chế độ giữ (Holding) ở tốc độ định mức, và chế độ dừng (Stop). Momen của động cơ được tính toán dựa trên tải trọng và đặc tính cơ học của hệ thống. Hệ truyền động đồng bộ với biến tần nguồn dòng cho phép điều khiển linh hoạt và ổn định, đáp ứng yêu cầu khắt khe của các quy trình công nghiệp hiện đại.

2.1. Mô Tả Toán Học Động Cơ Đồng Bộ

Mô hình toán học của động cơ đồng bộ ba pha dựa trên sự tương đẳng với động cơ một chiều. Các phương trình điều khiển bao gồm mối quan hệ giữa dòng, điện áp, momen và tốc độ. Biến tần nguồn dòng chuyển mạch tự nhiên hoặc cưỡng bức để điều khiển tốc độ và hướng quay của động cơ, với quá trình chuyển mạch ảnh hưởng đến momen tức thời.

2.2. Chế Độ Làm Việc và Giới Hạn

Chế độ khởi động yêu cầu quá trình tăng tốc từ từ để tránh sốc cơ học. Chế độ Holding duy trì tốc độ ổn định với lực căng không đổi. Giới hạn của chuyển mạch tự nhiên là quá trình chuyển mạch diễn ra ở điểm tự nhiên, không cho phép điều khiển tốc độ mịn. Vấn đề khởi động cần được giải quyết bằng thuật toán bù phi tuyến để cải thiện hiệu suất.

III. Thuật Toán Bù Phi Tuyến và Thiết Kế Hệ Truyền Động

Thuật toán bù phi tuyến là nền tảng của điều khiển hệ thống phi tuyến hiệu quả. Thuật toán này compensate các thành phần phi tuyến của động cơ đồng bộ và biến tần nguồn dòng, giúp cải thiện độ chính xác và ổn định của hệ thống. Thiết kế truyền động điện bao gồm việc chọn động cơ phù hợp với công suất yêu cầu, chọn các thiết bị điện tử như van, cuộn cảm đầu vào, và các phần tử khởi động. Mô phỏng sơ bộ hệ thống giúp xác thực hiệu suất thiết kế. Mạch chính lưu kích tử được thiết kế để cung cấp dòng điều khiển ổn định, trong khi mạch nghịch lưu cho phép quay ngược động cơ. Tính toán chi tiết các tham số mạch đảm bảo hoạt động an toàn và hiệu quả.

3.1. Thiết Kế Mạch Điều Khiển Chỉnh Lưu

Mạch chỉnh lưu chuyển đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều. Chọn van cho mạch chính và mạch nghịch lưu phải đảm bảo dòng chuyển mạch tự nhiên hoặc cưỡng bức. Cuộn cảm đầu vào giảm sóng và ổn định dòng. Mô phỏng mạch xác thực hiệu suất trước khi triển khai thực tế.

3.2. Thiết Kế Mạch Điều Khiển Nghịch Lưu

Mạch nghịch lưu cho phép quay ngược động cơ bằng cách đảo chiều dòng điện. Mô phỏng hệ thống giúp kiểm chứng hiệu suất. Tính toán mô phỏng toàn bộ hệ thống bao gồm động cơ, biến tần, tải trọng và các yếu tố phi tuyến khác để đạt được kết quả gần với thực tế nhất.

IV. Ứng Dụng Thực Tế Và Mô Phỏng Hệ Thống

Hệ thống cắt cuộn lại giấy là một ứng dụng thực tế điển hình của điều khiển hệ thống phi tuyến. Hệ thống bao gồm lô tháo (Unwinder) được điều khiển bởi động cơ truyền động, các công đoạn xử lý giấy như tráng phủ, cán mỏng và in ấn. Bán kính của cuộn tháo thay đổi theo thời gian khi giấy được cuộn lại, tạo ra tính phi tuyến trong hệ thống. Để duy trì vận tốc vật liệu không đổi, cần điều khiển tốc độ quay của động cơ tỷ lệ nghịch với bán kính cuộn. Mô phỏng hệ thống sử dụng các công thức tính bán kính và đường kính cuộn theo thời gian, mô phỏng quá trình tháo giấy và kiểm chứng hiệu suất của thuật toán bù phi tuyến trong điều khiển thực tế.

4.1. Mô Tả Toán Học Lô Tháo Giấy

Bán kính của cuộn tháo r(t) tính được từ công thức: r(t) = r₀ + (V·t)/(π·h), trong đó V là vận tốc vật liệu, h là độ dày giấy. Đường kính cuộn D(t) = 2r(t). Mô hình toán học này cho phép tính toán tốc độ quay cần thiết để duy trì vận tốc vật liệu không đổi, là cơ sở của hệ thống điều khiển hiệu quả.

4.2. Mô Phỏng và Xác Thực Hệ Thống

Tính toán mô phỏng toàn bộ hệ thống bao gồm mạch vòng dòng điện phản ứng và mạch dòng điện kích từ. Sơ đồ mô phỏng được xây dựng để kiểm chứng hiệu suất thuật toán bù phi tuyến và các tham số thiết kế. Kết quả mô phỏng cho phép điều chỉnh và tối ưu hóa hệ thống trước khi triển khai công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BO GIAO DUC VA DAO TAO TRUONG DAI HQC BACH KHOA HA NOI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGANH: DIEU KHIEN VA TU DONG HOA DIEU KHIEN HE THONG CO TINH PHI TUYEN NGUYÊN ĐỨC VINH HÀ NỘI 2008 MUC LUC Lời nái đầu 1. 1ruyền động điện trong cũng nghệ quấn tháo băng vật liệu. Ứng dụng cụ thể của máy Quán - Thân, trong c công ng nghiệp giây 2. Nguyên tác diều khiển và chế độ làm việc của dộng cơ truyền dộng.1 Nguyên tắc điều khiển cơ bản.2 Che d6 lam việc của động cơ thản 3.

Tính thuật Loán bù phi ngàngvà thiết kế hệ truyền động 3. Dối tượng điểu khiển.2 Mã tả toán học của động cơ đồng bộ ba pha. Sự tương đẳng giita động cơ đồng hộ và động cơ một chiều 3. Hệ truyền động ĐC đồng bộ- Biển tân nguồn dòng, chuyên mạch tự nhiên.

Quá trinh chuyển mạch. Momen của động cơ 3. Giới hạn của chuyển mạoh tự nhiên và vẫn để khởi động 3. Điêu khiển động cơ đẳng bô.

Mô tả toán học của động cơ đồng bộ và bộ biến tân nguồn dòng, 31 3. Thuật toán bù phi tuyến. Thiết kế truyền động điện và mô phòng sơ bộ 3. Tính chọn động cơ truyền động.

Tỉnh chọn mạch hực hệ biển tần nguồn đồng: 36 3. Chon van cho mach nghich lan 36 3. Chon van cho mach chinh Inu 38 3. Chon cuén cảm đầu vào 3.

Chọn các phân tử cúa mạch khởi động. Chọn van cho mạch chính lưu kích tử - ca 3. Thiết kế điều khiển chỉnh lưu và mỏ phòng,. Điều khiến nghịch lưu và mô phỏng.

Tỉnh toán mỗ phông hệ thông 62 4. Tổng hợp mạch vẻng déng dién phan ứng 62 4-2. Tổng hợp mạch vàng dòng điện kích từ 65 ‘ay dựng sơ đồ mô phóng “TÀI LIỆU THAM KHẢO -. - 78 Lời nói đầu Những hệ thống có băng vật liệu như đệt, sản xuất giấy, chất dẻo (Plastic), hợp chất cao phân tử (Polmer), thép.

rất phổ biến trong công nghiệp. Băng vật liệu được chuyên chở bằng hê thống con lăn, lô dẫn tich cue (Drive Roller-được nỗi với động cơ truyền động-bao gồm máy quần tháo) cũng như thụ déng (/dle Roller), được xử lý qua nhiều công đoạn như: Tráng phủ (Coating), cin mỏng, dát mỏng (Laminating) tồi in. Các hệ thống này có yêu cầu truyền động đồng tốc độ, giữ sức căng, vận tốc nhả hoặc ăn vật liệu là không đổi. Tuy nhiên để đảm bảo được điều đó thật không dễ, vì đó đều là các hệ thống có tính phi tuyến mạnh.

Chính vì vậy việc phân tích, tìm hiểu, nghiên cứu về mặt lý thuyết và mô phỏng, xa hơn nữa có thể thiết kế hệ truyền động là rất cần thiết. Luận văn đã chọn hệ thống cắt cuộn lại giấy với đối tượng chính là hệ truyền động cho lô nhả vật liệu làm đối tượng nghiên cứu chỉnh. Luận văn bào gồm bốn phần chính: *_ Truyền động điên trong công nghệ quan tháo băng vật liệu; * - Nguyên tắc điều khiển và chế đô làm việc của đông cơ tháo; *_ Tính toán thuật toán bù phi tuyến và thiết kế hệ truyền động; * _ Tính toán mô phỏng hệ thống Tôi xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Văn Liễn và các thầy cô trong bộ môn Tự động hóa trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã hướng dẫn, giúp tôi hoàn thành luận văn này Hà Nội, ngày 12 tháng 04 năm 2008 Học viên Nguyễn Đức Vinh Wound Roll). Gitta hé dao va 16 cuốn 1 là hệ thống thổi khí bắt giấy dẫn giấy theo đường chuyển đông mong muốn.

Ở chế đô chạy bò, tất cả các đông cơ đều quay cham chi trir 16 dé (Rider Roller) là chưa được hạ xuống. Unwinder section Slitters & Tension sensor Riderroller Hình 1. Giản đồ khối của hệ thông cắt — cuộn lại giấn Khi giấy đã được đưa vào vị trí phù hợp, công nhân vận hành chuyển công tắc sang vị trí 'Run, hạ lô đè và dao. Hệ thống bắt đầu tăng tốc.

Khi đạt tới tốc đô yêu cầu thì chuyền tiếp sang chế độ *Holding, và được giữ nguyên ở chế độ làm việc này. Hệ thống sẽ giữ nguyên tốc độ, lực căng và các thông số đặt từ trước trong suốt quá trinh còn lại Một thao tác quan trọng khác mà công nhân vận hành phải thực hiện trước khi cho hệ thống hoạt đông là cài đặt các giá trị thích hợp từ bàn điều khiển như lực căng, tốc độ, đường kính ban đầu của lô tháo Khi muốn dừng thì công nhân vận hành chuyển công tắc sang vi tri ‘Stop, máy sẽ dừng lại từ từ. Khi hết giấy hệ thống cũng tự đông dừng lại kết thúc một chu trình làm việc Lô tháo (Unwinder) Cuộn giấy với kích cỡ lớn được đưa từ máy xeo giấy sang lắp vào trục kéo bởi động cơ tháo (Umwinder Motor). Động cơ này có thể quay thuận hoặc ngược, chạy nhiều tốc độ khác nhau.

tương ứng với các chế độ làm việc của hệ Luận văn thạc sỹ Bán kính của cuộn tháo ở thời điểm, r(/) [m]; Đường kính của cuôn tháo ở thời điểm, D(/) [m]; 6 Số lớp giấy lúc đầu; 3 Số lớp giấy ở thời điểm t, z= Thời gian tháo giấy [s]. Giả thiết bỏ qua khe hở giữa các lớp giấy, coi r(/) và D(ứ) là hàm liên tục theo thời gian. Được tính gần đúng như sau: Cách tính thứ nhất: P= Woon @1) na 1< em — 70) (22) In, D=2,|Pax _ lt (23) 4 a t¢ Pox4, Ps) (24) Cách tính thứ hai: Trax = Vy + mh Tại thời điểm t ta có: r=n+mh vựt =2ã[n; + mh]+ 2Z[r„ + (m—Ì)h]+. Giả thiết bỏ qua khe hở giữa các lớp giấy, coi r(/) và D(ứ) là hàm liên tục theo thời gian.

Được tính gần đúng như sau: Cách tính thứ nhất: P= Woon @1) na 1< em — 70) (22) In, D=2,|Pax _ lt (23) 4 a t¢ Pox4, Ps) (24) Cách tính thứ hai: Trax = Vy + mh Tại thời điểm t ta có: r=n+mh vựt =2ã[n; + mh]+ 2Z[r„ + (m—Ì)h]+. Truyền động điện trong công nghệ quấn tháo băng vật liệu 1. Khái niệm Khái niệm — 'Quấn, Là quá trình cuộn những băng vật ligu dang phing va det (Flatstuff) thành khối vật liệu cỏ dang tru tron déu (Roundstuff) (Vi co thé dé dang cắt giữ, vận chuyển mà không cân phải cắt hay gấp lại). Có thể nói quá trình này không khác là mấy so với hoạt động đóng gói sản phẩm.

" CẤt giữ, " Đảo vệ, * Hình thức đẹp hơn. Quá trình quấn Khải niệm — 'Thảo, Neue lai véi quan, 1a qué trinh trai ra (Roundstuff > Flatstuff) thuan tién cho céng doan tiép theo nhu = Cit, xé (Slitter Rewinder): Cat 16 dai co duéng kinh 1én thanh nhiéu lô có đường kính cũng như chiều dài nhỏ hon (Theo yéu câu của khách hàng): Hình 1. Quá trình tháo và cắt, xẻ Luận văn thạc sĩ Bán kính của cuộn tháo ở thời điểm, r(/) [m]; Đường kính của cuôn tháo ở thời điểm, D(/) [m]; 6 Số lớp giấy lúc đầu; 3 Số lớp giấy ở thời điểm t, z= Thời gian tháo giấy [s]. Giả thiết bỏ qua khe hở giữa các lớp giấy, coi r(/) và D(ứ) là hàm liên tục theo thời gian.

Được tính gần đúng như sau: Cách tính thứ nhất: P= Woon @1) na 1< em — 70) (22) In, D=2,|Pax _ lt (23) 4 a t¢ Pox4, Ps) (24) Cách tính thứ hai: Trax = Vy + mh Tại thời điểm t ta có: r=n+mh vựt =2ã[n; + mh]+ 2Z[r„ + (m—Ì)h]+. Gitta hé dao va 16 cuốn 1 là hệ thống thổi khí bắt giấy dẫn giấy theo đường chuyển đông mong muốn. Ở chế đô chạy bò, tất cả các đông cơ đều quay cham chi trir 16 dé (Rider Roller) là chưa được hạ xuống. Unwinder section Slitters & Tension sensor Riderroller Hình 1.

Giản đồ khối của hệ thông cắt — cuộn lại giấn Khi giấy đã được đưa vào vị trí phù hợp, công nhân vận hành chuyển công tắc sang vị trí 'Run, hạ lô đè và dao. Hệ thống bắt đầu tăng tốc. Khi đạt tới tốc đô yêu cầu thì chuyền tiếp sang chế độ *Holding, và được giữ nguyên ở chế độ làm việc này. Hệ thống sẽ giữ nguyên tốc độ, lực căng và các thông số đặt từ trước trong suốt quá trinh còn lại Một thao tác quan trọng khác mà công nhân vận hành phải thực hiện trước khi cho hệ thống hoạt đông là cài đặt các giá trị thích hợp từ bàn điều khiển như lực căng, tốc độ, đường kính ban đầu của lô tháo Khi muốn dừng thì công nhân vận hành chuyển công tắc sang vi tri ‘Stop, máy sẽ dừng lại từ từ.

Khi hết giấy hệ thống cũng tự đông dừng lại kết thúc một chu trình làm việc Lô tháo (Unwinder) Cuộn giấy với kích cỡ lớn được đưa từ máy xeo giấy sang lắp vào trục kéo bởi động cơ tháo (Umwinder Motor). Động cơ này có thể quay thuận hoặc ngược, chạy nhiều tốc độ khác nhau. tương ứng với các chế độ làm việc của hệ Luận văn thạc sỹ = Can, dat mong, phun phi, in. Qua trinh Théo — Can, Phun phủ, In.

Ung dung cu thể của máy “Quấn — Tháo,„ trong công nghiệp giấy Nhà máy giấy Nhà máy giấy thực hiện công đoạn cuối của quá trình sản xuất giấy. Nhà máy nằm trong khu công nghiệp sản xuất giấy từ nguyên liêu đến thành phẩm. Khu này bao gồm các nhà máy chế biến, xử lý nguyên liệu thô, nhà máy hóa chất, nhà máy điên, các xí nghiệp sửa chữa, bảo dưỡng, vận tải. và cuối củng là nhà máy giấy Nhà máy giấy có nhiệm vụ lấy bột giấy đã được chế biến từ khâu sản xuất trước, chế biến ra giấy qua phân xưởng xeo giấy.

Giấy sau phân xưởng xeo thường có kích cỡ lớn được đưa tới hệ cuôn lại, cắt ra thành các kích thước thích hợp. Giấy sau công đoạn nảy được đưa tiếp sang phân xưởng cắt giấy và đóng gói thành phẩm.Máy cuộn lại giấy Nằm trong nhà máy giấy, có nhiêm vụ cắt giấy có kích thước lớn thành các kích thước thích hợp (Hình 1. Giấy cuộn lớn đưa từ máy xeo sang lắp vào trục lô tháo (Unwinder). Đầu tiên, công nhân vận hành cho hệ thống hoạt đông ở chế độ chay bò (Threading).

Giay sẽ theo lô dẫn (Guide Roller) đến hệ dao (Sliffers) rồi tới lô cuốn 1 (Rear Drum) và được cuôn lại trên lô cuén (Winder — Wind Up — Luận văn thạc sĩ 2. Nguyên tắc điều khiển và chế độ làm việc của động cơ truyền động 2.1 Nguyên tắc điều khiển cơ bản Đặc điểm chính của hầu hết máy quấn tháo là lực tác dụng (Sức căng) lên vật liêu phải được giữ nguyên không đổi. Có thể hiện thực hóa điều đó thông qua điều chỉnh momen của máy tỷ lệ với bán kính của lô và tốc độ quay của đông cơ cũng phải thay đổi tương ứng.