Tổng quan nghiên cứu

Quá trình nhiệt luyện kim loại trong các ngành công nghiệp chế tạo cơ khí, luyện kim và gia công áp lực tiêu tốn khoảng 30% đến 40% tổng năng lượng của toàn bộ dây chuyền sản xuất. Chất lượng cơ lý tính của phôi thép sau khi nung phụ thuộc hoàn toàn vào diễn biến trường nhiệt độ bên trong lõi phôi. Tuy nhiên, việc đo lường trực tiếp nhiệt độ tâm phôi bằng cảm biến vật lý tại môi trường lò nung trên 1000 độ C là điều không thể thực hiện do giới hạn vật liệu và tính khép kín của phôi. Vấn đề nghiên cứu trọng tâm là giải quyết bài toán "biết vỏ tìm lõi", tức ước lượng chính xác trạng thái nhiệt bên trong phôi thông qua nhiệt độ không gian lò và bề mặt ngoài.

Mục tiêu cụ thể của luận văn tập trung vào việc thiết lập mô hình toán học trường nhiệt độ dưới dạng hàm truyền nhiều lớp, đồng thời thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ kinh điển tối ưu hóa nhằm đáp ứng yêu cầu công nghệ mà không cần lắp đặt cảm biến chìm trong vật liệu. Phạm vi nghiên cứu được giới hạn trên các đối tượng phôi thép dạng tấm truyền nhiệt một chiều và hai chiều trong lò điện trở, được thực hiện và kiểm chứng tại Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên vào năm 2017.

Nghiên cứu mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc khi cung cấp giải pháp điều khiển phản hồi chính xác trạng thái nhiệt lõi phôi với độ quá điều chỉnh triệt tiêu hoàn toàn về 0%, đồng thời rút ngắn thời gian quá độ gia nhiệt từ 1300 giây xuống còn 716 giây đến 950 giây, góp phần nâng cao trên 15% hiệu suất nhiệt và đảm bảo độ bền cơ học đồng đều cho thành phẩm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng phương trình vi phân đạo hàm riêng dẫn nhiệt Fourier mô tả truyền nhiệt đẳng hướng không thuần nhất với các thông số nhiệt vật lý cơ bản như hệ số dẫn nhiệt, hệ số tỏa nhiệt bề mặt, nhiệt dung riêng và khối lượng riêng. Để giải quyết bài toán truyền nhiệt trong vật rắn có điều kiện biên loại 3 kết hợp công thức tích phân Ostrogradsky, lý thuyết hàm truyền động học được áp dụng nhằm chuyển đổi hệ phương trình vi phân không gian sang miền tần số phức Laplace.

Mô hình nghiên cứu định nghĩa chuẩn số Biot với ngưỡng giới hạn nhỏ hơn 0,25 để phân loại vật mỏng xem như một lớp đồng nhất, và mở rộng chia phôi tấm thành chuỗi liên tiếp từ 2 lớp, 3 lớp, 4 lớp đến n lớp với các hàm truyền thành phần nối tầng. Về mặt điều khiển học, khung lý thuyết áp dụng hai phương pháp thiết kế bộ điều chỉnh kinh điển: phương pháp tối ưu hóa bù hằng số thời gian trội dựa trên tiêu chuẩn phẳng kết hợp tiêu chuẩn đối xứng, và phương pháp đa thức đặc trưng có hệ số suy giảm thay đổi với hệ số suy giảm được chọn lọc lớn hơn 1,6 nhằm khống chế độ quá điều chỉnh theo biểu thức thực nghiệm định lượng.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của đề tài được tổng hợp từ các thông số hình học và nhiệt vật lý tiêu chuẩn của phôi thép tấm công nghiệp nung trong lò điện trở đốt một phía, kết hợp với các dữ liệu đáp ứng thời gian thực thu thập qua quá trình giải tích hóa. Phương pháp phân tích chủ đạo là sự kết hợp giữa mô hình hóa giải tích trên miền Laplace và phương pháp tổng hợp cấu trúc điều khiển phản hồi âm đơn vị.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm 4 cấu hình mô hình phôi phân lớp chuẩn mực với số lớp n lần lượt bằng 1, 2, 3 và 4 lớp, được khảo sát qua 32 kịch bản mô phỏng động học. Phương pháp chọn mẫu tập trung vào các trường hợp phân bố nhiệt từ đơn giản đến phức tạp nhằm đại diện đầy đủ cho các chiều dày phôi thép khác nhau trong công nghiệp. Lý do lựa chọn phương pháp phân tích hàm truyền thay vì phương pháp lưới sai phân số truyền thống là nhằm giảm thiểu khối lượng tính toán phức tạp, tạo điều kiện thuận lợi cho việc cài đặt trực tiếp thuật toán quan sát và điều khiển lên các bộ điều khiển logic khả trình công nghiệp mà vẫn bảo toàn độ chính xác động học cao trong suốt tiến trình nghiên cứu kéo dài từ đầu năm đến tháng 8 năm 2017.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Mô hình hàm truyền phân lớp đã mô tả chính xác quá trình động học truyền nhiệt từ bề mặt vào sâu trong các lớp lõi của phôi thép tấm. Kết quả mô phỏng trên nền tảng phần mềm chuyên dụng đã chứng minh tính ưu việt vượt trội của các giải thuật điều khiển được thiết kế thông qua 4 phát hiện trọng tâm:

Thứ nhất, mô hình quan sát hàm truyền nhiều lớp tái hiện hoàn hảo quan hệ nhiệt độ giữa các tầng phôi. Với cấu hình phôi 3 lớp, hàm truyền lớp ngoài cùng phản ánh trực tiếp nguồn cấp nhiệt lò, trong khi các lớp thứ 2 và thứ 3 có độ trễ truyền nhiệt tăng dần nhưng giữ vững tính ổn định tuyệt đối.

Thứ hai, việc áp dụng bộ điều khiển nhiệt độ theo phương pháp đa thức đặc trưng mang lại tốc độ đáp ứng vượt trội so với bộ điều khiển thiết kế theo tiêu chuẩn phẳng. Cụ thể, trên mô hình phôi 3 lớp với thông số danh định, thời gian quá độ khi dùng tiêu chuẩn phẳng là 1175 giây, trong khi phương pháp đa thức đặc trưng rút ngắn thời gian quá độ xuống còn 950 giây, tương đương mức giảm 19,15% thời gian nung.

Thứ ba, hệ thống thể hiện tính bền vững cao trước sự biến thiên thông số phôi. Khi các thông số nhiệt dung và hệ số truyền nhiệt thay đổi, thời gian quá độ của phôi 3 lớp theo phương pháp đa thức dao động trong khoảng từ 760 giây đến 1075 giây, nhanh hơn đáng kể so với dải biến thiên từ 1060 giây đến 1300 giây của tiêu chuẩn phẳng. Trên phôi 2 lớp, phương pháp đa thức đặc trưng đạt tốc độ quá độ nhanh nhất là 716 giây, giảm 37,74% thời gian gia nhiệt so với mức danh định 1150 giây của tiêu chuẩn phẳng.

Thứ tư, toàn bộ 32 kịch bản khảo sát trên các mô hình từ 1 lớp đến 4 lớp đều ghi nhận độ quá điều chỉnh duy trì ở mức 0%, đường cong nhiệt độ tăng êm ái, hoàn toàn không xuất hiện dao động hay hiện tượng vọt lố nhiệt gây nứt hỏng cấu trúc kim loại.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân tạo nên sự khác biệt về hiệu năng giữa hai phương pháp điều khiển nằm ở cơ chế phân bố nghiệm cực của hệ kín. Tiêu chuẩn phẳng tập trung bù triệt để các hằng số thời gian trội lớn và chấp nhận giữ lại tổng các hằng số thời gian bé, trong khi phương pháp đa thức đặc trưng cho phép chủ động lựa chọn hệ số suy giảm lớn hơn 1,6, giúp tối ưu hóa tần số cắt và giảm thiểu tối đa biên độ dao động quá độ.

Khi so sánh với các nghiên cứu sử dụng lưới sai phân hữu hạn hoặc cảm biến nhiệt bề mặt thông thường, phương pháp tiếp cận theo hàm truyền nhiều lớp giúp đơn giản hóa mạch vòng điều khiển và loại bỏ hoàn toàn sai lệch tĩnh nhờ cấu trúc tích phân nội tại. Toàn bộ dữ liệu phản hồi động học có thể được trình bày một cách trực quan qua biểu đồ đáp ứng thời gian quá độ giữa nhiệt độ lò và nhiệt độ các lớp phôi, kết hợp cùng bảng so sánh định lượng các chỉ số thời gian xác lập giúp kỹ sư vận hành dễ dàng lựa chọn tham số điều khiển thích hợp cho từng mẻ nung.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, tích hợp thuật toán quan sát nhiệt độ dạng hàm truyền vào hệ thống điều khiển tự động hóa của các lò nung công nghiệp hiện hữu. Mục tiêu là cắt giảm tối thiểu 20% thời gian gia nhiệt cho mỗi mẻ phôi thép tấm, triển khai trong lộ trình 6 tháng do các Kỹ sư Tự động hóa và Trưởng bộ phận Kỹ thuật nhà máy trực tiếp thực thi.

Thứ hai, chuẩn hóa quy trình cài đặt tham số bộ điều chỉnh PID theo phương pháp đa thức đặc trưng có hệ số suy giảm lớn hơn hoặc bằng 2,0. Giải pháp này nhằm mục đích duy trì độ quá điều chỉnh nhiệt độ lõi phôi dưới ngưỡng 1% và loại trừ hoàn toàn hiện tượng dao động nhiệt, thực hiện định kỳ 3 tháng một lần bởi Đội ngũ Bảo trì và Đo lường điều khiển.

Thứ ba, phát triển module phần mềm tự động nhận dạng trực tuyến các thông số nhiệt vật lý của phôi kim loại theo thời gian thực. Hệ thống hướng đến mục tiêu tự động bù sai lệch hệ số dẫn nhiệt và nhiệt dung riêng trong phạm vi cộng trừ 20%, tiến hành thử nghiệm trong 12 tháng dưới sự chủ trì của Phòng Nghiên cứu và Phát triển phối hợp cùng các viện nghiên cứu chuyên ngành.

Thứ tư, ứng dụng mô hình hóa phân tầng nhiều lớp cho các dây chuyền nhiệt luyện và cán nóng kim loại quy mô lớn. Giải pháp nhằm nâng cao độ đồng đều nhiệt độ giữa tâm và bề mặt phôi đạt trên 98%, thực hiện trong giai đoạn 18 tháng do Ban Quản trị Dự án và Giám đốc Khối Luyện kim chỉ đạo.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Thứ nhất, Kỹ sư Tự động hóa và Kỹ thuật điều khiển quá trình: Tài liệu cung cấp giải pháp thiết kế bộ điều khiển PID kinh điển theo tiêu chuẩn phẳng và đa thức đặc trưng, giúp ứng dụng trực tiếp vào việc lập trình các hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nung trong nhà máy luyện kim.

Thứ hai, Giảng viên, Nhà nghiên cứu và Học viên cao học chuyên ngành Tự động hóa: Luận văn là tài liệu tham khảo giá trị về phương pháp mô hình hóa các đối tượng phân bố không gian phức tạp thành mô hình hàm truyền tập trung trên miền Laplace.

Thứ ba, Cán bộ kỹ thuật và Quản lý vận hành dây chuyền nhiệt luyện: Nhóm đối tượng này có thể ứng dụng các kết quả đánh giá thực nghiệm để tối ưu hóa biểu đồ gia nhiệt, giúp giảm từ 15% đến 20% mức tiêu hao điện năng và nâng cao chất lượng xử lý nhiệt cho phôi.

Thứ tư, Chuyên gia phát triển phần mềm công nghiệp và Digital Twin: Cung cấp thuật toán ước lượng trạng thái bên trong vật thể phục vụ xây dựng các mô hình bản sao số giám sát nhiệt độ trực tuyến trong công nghiệp sản xuất thép.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao không thể dùng cảm biến đo trực tiếp nhiệt độ trong lõi phôi thép khi nung?

Môi trường buồng lò nung kim loại thường đạt ngưỡng nhiệt độ rất cao, dao động từ 900 đến 1200 độ C, kèm theo sự dịch chuyển liên tục của phôi trong dây chuyền cán. Việc khoan lỗ đặt cảm biến vào tâm phôi sẽ phá hủy cấu trúc cơ học của sản phẩm, làm hỏng đầu đo và không khả thi trong sản xuất công nghiệp quy mô lớn.

Ưu điểm lớn nhất của mô hình hàm truyền nhiều lớp so với phương pháp phần tử hữu hạn là gì?

Mô hình hàm truyền biến đổi phương trình vi phân đạo hàm riêng phức tạp thành các khối quán tính bậc nhất nối tiếp trên miền Laplace. Nhờ đó, cấu trúc tính toán trở nên gọn nhẹ, giảm hơn 80% thời gian xử lý dữ liệu và cho phép các bộ điều khiển công nghiệp thông thường thực hiện tính toán quan sát trạng thái theo thời gian thực.

Phương pháp đa thức đặc trưng khác phương pháp tiêu chuẩn phẳng ở điểm nào?

Tiêu chuẩn phẳng triệt tiêu các hằng số thời gian trội và giữ nguyên các hằng số thời gian bé, dẫn đến thời gian quá độ cố định theo quán tính hệ thống. Ngược lại, phương pháp đa thức đặc trưng cho phép chủ động lựa chọn hệ số suy giảm để rút ngắn thời gian quá độ xuống từ 19% đến 37% mà vẫn kiểm soát chặt chẽ độ vọt lố.

Hệ số suy giảm lớn hơn 1,6 có vai trò kỹ thuật cụ thể như thế nào?

Theo công thức thực nghiệm trong lý thuyết điều khiển, hệ số suy giảm tỉ lệ nghịch với độ quá điều chỉnh của hệ kín. Khi chọn hệ số suy giảm lớn hơn 1,6 (đặc biệt tại mức 2,0 hoặc 2,4), độ vọt lố của hệ thống sẽ giảm xuống dưới 6% và tiến dần về 0%, ngăn chặn hoàn toàn nguy cơ nứt vỡ kim loại do sốc nhiệt.

Mô hình nghiên cứu này có thể áp dụng cho các dạng phôi kim loại khác ngoài phôi tấm không?

Hoàn toàn có thể mở rộng. Mặc dù luận văn tập trung giải quyết trên đối tượng phôi tấm phẳng, nhưng phương pháp luận phân lớp và biến đổi Laplace hoàn toàn áp dụng được cho phôi hình trụ tròn hoặc phôi vuông thông qua việc thiết lập lại các phương trình cân bằng nhiệt theo tọa độ trụ hoặc tọa độ cầu tương ứng.

Kết luận

Thứ nhất, luận văn đã giải quyết triệt để bài toán quan sát trường nhiệt độ bên trong phôi kim loại nung bằng phương pháp mô hình hóa hàm truyền nhiều lớp, loại bỏ hoàn toàn sự phụ thuộc vào các cảm biến nhiệt độ gắn chìm.

Thứ hai, công trình đã thiết kế và so sánh thành công hai cấu trúc điều khiển nhiệt độ kinh điển, chứng minh phương pháp đa thức đặc trưng giúp rút ngắn thời gian quá độ từ 1175 giây xuống 950 giây trên mô hình danh định và đạt mức tối ưu 716 giây khi thông số thay đổi.

Thứ ba, toàn bộ 32 kịch bản kiểm chứng đều xác nhận chất lượng điều khiển vượt trội với độ quá điều chỉnh triệt tiêu về 0%, hoàn toàn không có dao động nhiệt và triệt tiêu toàn bộ sai lệch tĩnh ở chế độ xác lập.

Thứ tư, lộ trình phát triển giai đoạn tiếp theo cần tập trung vào việc thử nghiệm thuật toán trên phần cứng điều khiển thực tế và mở rộng tích hợp tính năng tự chỉnh định tham số thích nghi trong các quý tới.

Thứ năm, các doanh nghiệp luyện kim và cơ khí chế tạo nên chủ động ứng dụng ngay mô hình quan sát hàm truyền này vào quy trình điều khiển nhiệt luyện để nâng cao năng suất sản xuất và tối ưu hóa chi phí năng lượng.