MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Thiết bị gia nhiệt là một đối tƣợng công nghiệp có đặc điểm phi tuyến, có trễ. Để thiết kế bộ điều khiển cho đối tƣợng này thông thƣờng ngƣời ta tuyến tính hóa mô hình đối tƣợng. Khi có mô hình toán tuyến tính bằng nhiều phƣơng pháp tổng hợp khác nhau xây dựng đƣợc bộ điều khiển tuyến tính cho đối tƣợng.
Tuy nhiên bản chất của đối tƣợng là phi tuyến, nếu ta dùng bộ điều khiển tuyến tính để điều khiển nó thì với các hệ yêu cầu chất lƣợng điều khiển không cao thì hoàn toàn có thể đáp ứng đƣợc. Nhƣng với các hệ yêu cầu chất lƣợng điều khiển cao thì trong trƣờng hợp này bộ điều khiển không đáp ứng đƣợc yêu cầu điều khiển. Để cải thiện chất lƣợng điều khiển tác giả lựa chọn đề tài “Nghiên cứu, ứng dụng bộ điều khiển mờ để chỉnh định tham số PID cho thiết bị gia nhiệt” 2. Mục tiêu nghiên cứu Thiết kế bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID nhằm cải thiện chất lƣợng điều khiển so với bộ điều khiển PID.
Dự kiến các kết quả đạt đƣợc - Mô hình toán học thiết bị gia nhiệt - Cấu trúc và thuật toán điều khiển cho thiết bị gia nhiệt. - Kết quả mô phỏng bằng phần mềm Matlab - Simulink 4. Phƣơng pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết: Phƣơng pháp xác định mô hình toán của đối tƣợng điều khiển, các phƣơng pháp tổng hợp bộ điều khiển, điều khiển mờ. - Nghiên cứu đối tƣợng: Nghiên cứu thiết bị gia nhiệt - Kiểm chứng bằng mô phỏng 5.
Cấu trúc của luận văn Luận văn đƣợc chia làm 3 chƣơng: LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com -x- Chƣơng 1. Xây dựng mô hình toán học cho đối tƣợng gia nhiệt Chƣơng 2. Tổng hợp bộ điều khiển cho đối tƣợng gia nhiệt Chƣơng 3. Cải thiện chất lƣợng điều khiển bằng bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID Kết luận và kiến nghị.
LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 1 CHƢƠNG 1 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC CHO ĐỐI TƢỢNG GIA NHIỆT 1.1 Tổng quan về thiết bị gia nhiệt 1.1 Khái niệm Trong đời sống cũng nhƣ sản xuất, yêu cầu về sử dụng nhiệt năng rất lớn. Trong các ngành công nghiệp khác nhau, nhiệt năng dùng để nung, sấy, nhiệt luyện, nấu chảy các chất. Nguồn nhiệt năng này đƣợc chuyển từ điện năng qua các lò điện là phổ biến vì nó rất thuận tiện, dễ tự động hoá điều chỉnh nhiệt độ trong lò. Trong sinh hoạt đời sống, nhiệt năng chủ yếu để đun, nấu, nƣớng, sƣởi.
Nguồn nhiệt năng cũng đƣợc chuyển từ điện năng qua các thiết bị điện nhƣ bàn là điện, bếp điện, nồi cơm điện, bình nóng lạnh. Đây là nguồn năng lƣợng sạch, không gây nên khói, bụi nên không ảnh hƣởng tới môi trƣờng sống, sử dụng thuận tiện, dễ dàng. Việc biến đổi điện năng thành nhiệt năng có nhiều cách: nhờ hiệu ứng Juole (lò điện trở, bếp điện), nhờ phóng điện hồ quang (lò hồ quang, hàn điện), nhờ tác dụng nhiệt của dòng điện xoáy Foucault thông qua hiện tƣợng cảm ứng điện từ (bếp từ). Các thiết bị gia nhiệt dùng trong sinh hoạt trừ lò vi sóng và bếp từ, còn hầu hết dùng dây điện trở nhƣ bàn là, bếp điện, nồi cơm điện, siêu điện, bình nóng lạnh.
Những dây điện trở sử dụng thƣờng là hợp kim Nikel-Crôm có điện trở suất r = 1,1 Wmm2/m, nhiệt độ làm việc đến 11000c. Các dây điện trở dùng để chế tạo các dụng cụ sinh hoạt thƣờng đƣợc đặt trong ống kín, trong ống lèn chặt bằng chất chịu nhiệt, dẫn nhiệt và cách điện với vỏ ống. Việc đặt dây điện trở trong ống kín sẽ tránh hơi ẩm và ôxy lọt vào, giảm đƣợc sự ôxy hoá, tăng độ bền và tuổi thọ cho thiết bị gia nhiệt LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.2 Các phương pháp gia nhiệt a. Gia nhiệt bằng cảm ứng Phƣơng pháp cảm ứng dựa trên định luật cảm ứng điện từ Faraday: khi cho dòng điện đi qua cuộn cảm thì điện năng đƣợc biến thành năng lƣợng của từ trƣờng biến thiên.
Khi đặt khối kim loại vào trong từ trƣờng biến thiên đó, trong khối kim loại sẽ xuất hiện dòng điện cảm ứng - dòng điện xoáy (dòng Foucault). Nhiệt năng của dòng điện xoáy sẽ nung nóng khối kim loại. Nguyên lý làm việc của lò cảm ứng đƣợc biểu diễn trên (Hình 1. 1) a - lò cảm ứng có mạch từ b - lò cảm ứng không có mạch từ Hình 1.
1 Nguyên lý làm việc của lò cảm ứng Trong đó: 1. vòng cảm ứng 2. tƣờng lò bằng vật liệu chịu nhiệt. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.
Gia nhiệt bằng lò hồ quang điện Phƣơng pháp hồ quang điện dựa vào ngọn lửa hồ quang điện. Hồ quang điện là một trong những hiện tƣợng phóng điện qua chất khí. Trong điều kiện bình thƣờng thì chất khí không dẫn điện, nhƣng nếu ion hoá khí và dƣới tác dụng của điện trƣờng thì khí sẽ dẫn điện. Khi hai điện cực tiếp cận nhau thì giữa chúng sẽ xuất hiện ngọn lửa hồ quang.
Ngƣời ta lợi dụng nhiệt năng của ngọn lửa hồ quang này để gia công cho vật nung hoặc nấu chảy. Nguyên lý làm việc của hồ quang điện đƣợc biểu diễn trên (Hình 1. 2) a - lò hồ quang trực tiếp b - lò hồ quang gián tiếp Hình 1. 2 Nguyên lý làm việc của lò quang điện Trong đó: 1.
ngọn lửa hồ quang 3. vật gia nhiệt (kim loại) 4. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Lò điện trở Lò điện trở là thiêt bi biến đổi điện năng thành nhiệt năng, dùng trong công nghệ nung nóng, nấu chảy vật liệu.
Lò điện trở đƣợc dùng rất phổ biến trong nhiều nghành công nghiệp. Trong luận văn này, tác giả tập trung phân tích về thiết bị gia nhiệt bằng lò điện trở. - Nguyên lý làm việc: Phƣơng pháp điện trở dựa trên định luật Joule -Lence: khi cho dòng điện chạy qua dây dẫn, thì trên dây dẫn toả ra một nhiệt lƣợng, nhiệt lƣợng này đƣợc tính theo biểu thức (1.Sơ đồ nguyên lý làm việc của lò điện trở thể hiện trên (Hình 1. 3 Nguyên lý làm việc của lò điện trở).1) Trong đó: Q – Nhiệt lƣợng (J) I – Cƣờng độ dòng điện (A) R – Điện trở (Ω) t – Thời gian (s) LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 5 a - đốt nóng trực tiếp b - đốt nóng gián tiếp Hình 1.
3 Nguyên lý làm việc của lò điện trở Trong đó: 1. Vật liệu đƣợc nung nóng trực tiếp 2. Đầu cấp điện 5. Vật liệu đƣợc nung nóng trực tiếp.
- Phân loại: Phân loại theo phƣơng pháp toả nhiệt: Lò điện trở tác dụng trực tiếp: lò điện trở tác dụng trực tiếp là lò điện trở mà vật nung đƣợc nung nóng trực tiếp bằng dòng điện chạy qua nó. Đặc điểm của lò này là tốc độ nung nhanh, cấu trúc lò đơn giản. Để đảm bảo nung đều thì vật nung có tiết diện nhƣ nhau theo suốt chiều dài của vật. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 6 Lò điện trở tác dụng gián tiếp là lò điện trở mà nhiệt năng toả ra ở dây điện trở (dây đốt), rồi dây đốt sẽ truyền nhiệt cho vật nung bằng bức xạ, đối lƣu hoặc dẫn nhiệt.
Phân loại theo nhiệt độ làm việc: Lò nhiệt độ thấp có nhiệt độ làm việc của lò dƣới 650oC. Lò nhiệt trung bình có nhiệt độ làm việc của lò từ 650oC đến 1200oC. Lò nhiệt độ cao có nhiệt độ làm việc của lò trên 1200oC. Phân loại theo nơi sử dụng: Lò dùng trong công nghiệp.
Lò dùng trong phòng thí nghiệm. Lò dùng trong gia đình. Phân loại theo đặc tính làm việc: Lò làm việc liên tục. Lò làm việc gián đoạn.
Lò làm việc liên tục đƣợc cấp điện liên tục và nhiệt độ giữ ổn định ở một giá trị nào sau quá trình khởi động. Khi khống chế nhiệt độ bằng cách đóng cắt nguồn thì nhiệt độ sẽ dao động quanh giá trị nhiệt độ ổn định. Phân loại theo kết cấu lò: lò buồng, lò giếng, lò chụp, lò bể, … Phân loại theo mục đích sử dụng: lò tôi, lò ram, lò ủ, lò nung, … - Yêu cầu đối với vật liệu làm dây đốt: Trong lò điện trở, dây đốt là phần tử chính biến đổi điện năng thành nhiệt năng thông qua hiệu ứng Joule. Dây đốt cần phải làm từ các vật liệu thoả mãn các yêu cầu sau: LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 7 + Chịu đƣợc nhiệt độ cao; + Độ bền cơ khí cao; + Có điện trở suất lớn (vì điện trở suất nhỏ sẽ dẫn đến dây dài, khó bố trí trong lò hoặc tiết diện dây phải nhỏ, không bền); + Hệ số nhiệt điện trở nhỏ (vì điện trở sẽ ít thay đổi theo nhiệt độ, đảm bảo công suất lò); + Chậm hoá già (tức dây đốt ít bị biến đổi theo thời gian, do đó đảm bảo tuổi thọ của lò) - Vật liệu làm dây điện trở: Dây điện trở bằng hợp kim: + Hợp kim Crôm - Niken (Nicrôm).
Hợp kim này có độ bền cơ học cao vì có lớp màng Oxit Crôm (Cr2O3) bảo vệ, dẻo, dễ gia công, điện trở suất lớn, hệ số nhiệt điện trở bé, sử dụng với lò có nhiệt độ làm việc dƣới 1200oC. + Hợp kim Crôm - Nhôm (Fexran), có các đặc điểm nhƣ hợp kim Nicrôm nhƣng có nhƣợc điểm là giòn, khó gia công, độ bền cơ học kém trong môi trƣờng nhiệt độ cao. Dây điện trở bằng kim loại: Thƣờng dùng những kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao: Molipden (Mo), Tantan (Ta) và Wonfram (W) dùng cho các lò điện trở chân không hoặc lò điện trở có khí bảo vệ. Điện trở nung nóng bằng vật liệu kim loại: + Vật liệu Cacbuarun (SiC) chịu đƣợc nhiệt độ cao tới 14500C, thƣờng dùng cho lò điện trở có nhiệt độ cao, dùng để tôi dụng cụ cắt gọt.
LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 8 + Cripton là hỗn hợp của graphic, cacbuarun và đất sét, chúng đƣợc chế tạo dƣới dạng hạt có đƣờng kính 2-3mm, thƣờng dùng cho lò điện trở trong phòng thí nghiệm yêu cầu nhiệt độ lên đến 18000C. - Các loại lò điện trở thông dụng: Theo chế độ nung, lò điện trở đƣợc phân thành hai nhóm chính: Lò nung theo chu kỳ, Lò nung nóng liên tục. Lò nung theo chu kỳ: a – lò buồng b - lò giếng c - lò đẩy Hình 1. 4 Các loại lò điện trở + Lò buồng thƣờng dùng để nhiệt luyện kim loại (thƣờng hoá, ủ, thấm than v.
Lò buồng đƣợc chế tạo với cấp công suất từ 25kW đến 75kW. Lò LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 9 buồng dùng để tôi dụng cụ có nhiệt độ làm việc tới 1350°C, dùng dây điện trở bằng các thanh nung cacbuarun.