Tổng quan nghiên cứu

Trong ngành công nghiệp sản xuất, đặc biệt là trong các dây chuyền cán kim loại, việc điều khiển chuyển động nhiều động cơ đóng vai trò quan trọng nhằm đáp ứng yêu cầu công suất lớn và độ chính xác cao. Theo ước tính, các hệ truyền động nhiều động cơ được ứng dụng phổ biến trong các máy sản xuất công suất lớn, giúp khắc phục các hạn chế của động cơ đơn lẻ như khó khăn trong lắp đặt, sửa chữa và khởi động. Đề tài luận văn tập trung nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ điều khiển chuyển động nhiều động cơ ứng dụng trong chuyển động trục cán, đặc biệt trong dây chuyền cán thô.

Mục tiêu nghiên cứu là xây dựng và hoàn thiện hệ truyền động sử dụng động cơ không đồng bộ ba pha kết hợp biến tần (BT - ĐKĐB), đồng thời phát triển hệ điều khiển ổn định lực căng với bộ điều khiển mờ thích nghi nhằm nâng cao chất lượng điều khiển chuyển động trục cán. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ truyền động trong dây chuyền cán thô, với các mô hình toán học, mô phỏng và đánh giá chất lượng trên phần mềm Matlab Simulink. Ý nghĩa nghiên cứu được thể hiện qua việc cải thiện độ ổn định tốc độ, giảm sai số và tăng hiệu quả vận hành của hệ truyền động, góp phần nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm trong công nghiệp luyện kim.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết điều khiển vector không gian: Mô tả động cơ không đồng bộ ba pha dưới dạng các đại lượng vector không gian, chuyển đổi các đại lượng điện từ hệ tọa độ ba pha (a,b,c) sang hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor (d,q). Phương pháp này giúp đơn giản hóa các phương trình động lực học và điện áp, tạo điều kiện thuận lợi cho việc điều khiển chính xác mômen và tốc độ động cơ.

  • Mô hình toán học động cơ không đồng bộ: Xây dựng mô hình chi tiết động cơ rotor lồng sóc với các phương trình cân bằng điện áp, mômen điện từ và các hàm truyền liên quan đến dòng điện, từ thông và tốc độ. Mô hình này là cơ sở để thiết kế hệ điều khiển và mô phỏng hiệu quả hệ truyền động.

  • Lý thuyết điều khiển PID và điều khiển mờ thích nghi: Bộ điều khiển PID tuyến tính được sử dụng làm cơ sở để ổn định lực căng trong hệ truyền động. Tuy nhiên, do tính phi tuyến và biến đổi phụ tải trong quá trình vận hành, bộ điều khiển mờ thích nghi được phát triển nhằm nâng cao chất lượng điều khiển, giảm thời gian quá độ và loại bỏ dao động không mong muốn.

Các khái niệm chính bao gồm: hệ truyền động nhiều động cơ, điều khiển vector không gian, mô hình toán học động cơ không đồng bộ, bộ điều khiển PID, bộ điều khiển mờ thích nghi, lực căng trục cán.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ các tài liệu chuyên ngành, mô hình toán học động cơ không đồng bộ, các đặc tính phụ tải của dây chuyền cán thô, và kết quả mô phỏng trên phần mềm Matlab Simulink.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng phương pháp mô hình hóa toán học, biến đổi hệ tọa độ, xây dựng hàm truyền và thiết kế bộ điều khiển PID, sau đó phát triển bộ điều khiển mờ thích nghi dựa trên lý thuyết Lyapunov và phương pháp Gradient. Mô phỏng hệ thống được thực hiện để đánh giá chất lượng điều khiển qua các chỉ tiêu như sai lệch tĩnh, thời gian quá độ, độ quá điều chỉnh và số lần dao động.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2018, bao gồm ba giai đoạn chính: tổng quan và phân tích hệ truyền động (Chương 1), xây dựng và mô phỏng hệ truyền động BT - ĐKĐB (Chương 2), thiết kế và nâng cao hệ điều khiển lực căng với bộ điều khiển mờ thích nghi (Chương 3).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Lựa chọn hệ truyền động BT - ĐKĐB cho dây chuyền cán thô: Qua phân tích đặc tính phụ tải và yêu cầu công nghệ, hệ truyền động biến tần - động cơ không đồng bộ ba pha roto lồng sóc được chọn làm giải pháp tối ưu. Mô phỏng cho thấy hệ truyền động này có khả năng ổn định tốc độ tốt với sai lệch tĩnh 0%, độ quá điều chỉnh 10%, thời gian quá độ khoảng 3.5 giây.

  2. Xây dựng hệ điều khiển ổn định lực căng với bộ điều khiển PID tuyến tính: Bộ điều khiển PID được thiết kế và mô phỏng cho thấy đáp ứng ổn định, tuy nhiên thời gian quá độ dài (12 giây), độ quá điều chỉnh 5% và có dao động khi có tải. Điều này phản ánh hạn chế của bộ điều khiển PID trong xử lý các đặc tính phi tuyến và biến đổi phụ tải.

  3. Phát triển bộ điều khiển mờ thích nghi nâng cao chất lượng điều khiển: Bộ điều khiển mờ thích nghi được thiết kế dựa trên mô hình mẫu song song, sử dụng lý thuyết Lyapunov và phương pháp Gradient để điều chỉnh hệ số khuếch đại và hệ số tích phân. Kết quả mô phỏng so sánh với bộ PID cho thấy bộ điều khiển mờ có độ quá điều chỉnh bằng 0%, thời gian quá độ giảm còn 8.7 giây, và không có dao động quá độ, cải thiện rõ rệt chất lượng điều khiển.

  4. Mô hình toán học và mô phỏng chi tiết: Các mô hình toán học động cơ không đồng bộ, biến đổi hệ tọa độ và hàm truyền được xây dựng chi tiết, giúp mô phỏng chính xác quá trình điều khiển. Các biểu đồ đáp ứng tốc độ và dòng điện đầu ra minh họa rõ sự ổn định và hiệu quả của hệ thống điều khiển.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện chất lượng điều khiển khi sử dụng bộ điều khiển mờ thích nghi là khả năng xử lý tốt các đặc tính phi tuyến và biến đổi phụ tải trong hệ truyền động nhiều động cơ. So với bộ PID tuyến tính, bộ điều khiển mờ thích nghi có khả năng tự điều chỉnh tham số theo trạng thái thực tế của hệ thống, từ đó giảm thiểu sai số và dao động không mong muốn.

Kết quả mô phỏng có thể được trình bày qua các biểu đồ đáp ứng tốc độ và dòng điện đầu ra, bảng so sánh các chỉ tiêu chất lượng như thời gian quá độ, độ quá điều chỉnh và số lần dao động giữa hai bộ điều khiển PID và mờ thích nghi. So sánh này khẳng định tính ưu việt của phương pháp điều khiển mờ thích nghi trong ứng dụng thực tế.

Các kết quả nghiên cứu phù hợp với các báo cáo ngành và các nghiên cứu gần đây về điều khiển hệ truyền động nhiều động cơ trong công nghiệp luyện kim, đồng thời mở ra hướng phát triển ứng dụng điều khiển mờ trong các hệ thống điều khiển chuyển động phức tạp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai ứng dụng hệ truyền động BT - ĐKĐB trong dây chuyền cán thô: Đề nghị các nhà máy luyện kim và cơ khí áp dụng hệ truyền động biến tần - động cơ không đồng bộ ba pha roto lồng sóc để nâng cao hiệu quả vận hành, giảm tiêu hao năng lượng và tăng độ ổn định chuyển động. Thời gian thực hiện trong vòng 1-2 năm, do các thiết bị biến tần và động cơ KĐB hiện đã phổ biến trên thị trường.

  2. Áp dụng bộ điều khiển mờ thích nghi cho hệ điều khiển lực căng: Khuyến nghị sử dụng bộ điều khiển mờ thích nghi thay thế bộ PID truyền thống nhằm cải thiện chất lượng điều khiển, giảm thời gian quá độ và loại bỏ dao động không mong muốn. Chủ thể thực hiện là các kỹ sư điều khiển tự động hóa trong các nhà máy cán kim loại, với thời gian triển khai thử nghiệm và hiệu chỉnh khoảng 6-12 tháng.

  3. Nâng cao năng lực mô phỏng và thiết kế hệ thống điều khiển: Đề xuất đầu tư phát triển phần mềm mô phỏng chuyên sâu dựa trên Matlab Simulink để mô phỏng chính xác các hệ truyền động và điều khiển phức tạp, giúp tối ưu hóa thiết kế trước khi triển khai thực tế. Thời gian thực hiện liên tục trong quá trình vận hành và bảo trì hệ thống.

  4. Nghiên cứu và thử nghiệm thực tế trên mô hình hiển nghiệm: Do luận văn chủ yếu nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng, cần tiếp tục nghiên cứu, xây dựng mô hình hiển nghiệm thực tế để kiểm chứng và hoàn thiện các giải pháp điều khiển. Chủ thể thực hiện là các viện nghiên cứu và trung tâm phát triển công nghệ, với thời gian dự kiến 1-2 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư và chuyên gia điều khiển tự động hóa: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về thiết kế hệ truyền động và bộ điều khiển mờ thích nghi, giúp nâng cao kỹ năng thiết kế và vận hành hệ thống điều khiển trong công nghiệp.

  2. Nhà quản lý và kỹ thuật viên trong ngành luyện kim và cơ khí: Hiểu rõ về các giải pháp truyền động và điều khiển hiện đại giúp tối ưu hóa dây chuyền sản xuất, nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật điều khiển và tự động hóa: Tài liệu tham khảo quý giá cho việc nghiên cứu, giảng dạy và phát triển các đề tài liên quan đến điều khiển hệ truyền động nhiều động cơ và ứng dụng điều khiển mờ.

  4. Các nhà nghiên cứu phát triển công nghệ điều khiển: Cung cấp cơ sở lý thuyết và mô hình toán học chi tiết, hỗ trợ nghiên cứu phát triển các thuật toán điều khiển thích nghi và phi tuyến trong các hệ thống công nghiệp phức tạp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao chọn hệ truyền động biến tần - động cơ không đồng bộ cho dây chuyền cán thô?
    Hệ truyền động này có ưu điểm về hiệu suất cao, độ bền, dễ bảo trì và chi phí thấp. Biến tần giúp điều chỉnh tốc độ linh hoạt, đáp ứng tốt đặc tính phụ tải của dây chuyền cán thô, đồng thời cải thiện chất lượng điều khiển so với các hệ truyền động truyền thống.

  2. Bộ điều khiển mờ thích nghi có ưu điểm gì so với bộ PID?
    Bộ điều khiển mờ thích nghi xử lý tốt các đặc tính phi tuyến và biến đổi phụ tải, tự điều chỉnh tham số theo trạng thái hệ thống, giảm thời gian quá độ, loại bỏ dao động và sai số, từ đó nâng cao chất lượng điều khiển so với bộ PID tuyến tính.

  3. Phương pháp mô phỏng nào được sử dụng để đánh giá hệ thống?
    Phần mềm Matlab Simulink được sử dụng để xây dựng mô hình toán học, mô phỏng các hàm truyền và bộ điều khiển, từ đó đánh giá các chỉ tiêu chất lượng như sai lệch tĩnh, thời gian quá độ, độ quá điều chỉnh và số lần dao động.

  4. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu vào các ngành công nghiệp khác không?
    Có, các phương pháp điều khiển và mô hình truyền động được phát triển có thể áp dụng cho các hệ thống truyền động nhiều động cơ trong công nghiệp dệt, giấy, và các dây chuyền sản xuất công suất lớn khác.

  5. Những thách thức khi triển khai bộ điều khiển mờ thích nghi trong thực tế là gì?
    Khó khăn chính là việc thiết kế và hiệu chỉnh các hàm liên thuộc, luật điều khiển mờ phù hợp với từng hệ thống cụ thể, đòi hỏi kinh nghiệm và kiến thức chuyên sâu. Ngoài ra, cần có thiết bị phần cứng đủ mạnh để xử lý thuật toán mờ trong thời gian thực.

Kết luận

  • Đã phân tích và lựa chọn hệ truyền động biến tần - động cơ không đồng bộ ba pha roto lồng sóc phù hợp cho dây chuyền cán thô với đặc tính phụ tải và yêu cầu công nghệ.

  • Xây dựng mô hình toán học chi tiết và mô phỏng hệ truyền động, đánh giá chất lượng ổn định tốc độ với sai lệch tĩnh 0%, thời gian quá độ 3.5 giây.

  • Thiết kế hệ điều khiển lực căng sử dụng bộ điều khiển PID tuyến tính, tuy đảm bảo ổn định nhưng còn hạn chế về thời gian quá độ và dao động.

  • Phát triển bộ điều khiển mờ thích nghi dựa trên lý thuyết Lyapunov và phương pháp Gradient, nâng cao chất lượng điều khiển với thời gian quá độ giảm còn 8.7 giây, độ quá điều chỉnh bằng 0%, không có dao động.

  • Đề xuất triển khai ứng dụng thực tế và nghiên cứu tiếp tục trên mô hình hiển nghiệm để hoàn thiện và áp dụng rộng rãi trong công nghiệp luyện kim.

Call-to-action: Các nhà nghiên cứu và kỹ sư trong lĩnh vực điều khiển tự động hóa được khuyến khích áp dụng và phát triển thêm các giải pháp điều khiển mờ thích nghi cho hệ truyền động nhiều động cơ, đồng thời phối hợp thử nghiệm thực tế để nâng cao hiệu quả vận hành dây chuyền sản xuất.