Ứng dụng điều khiển mờ điều chỉnh công suất của hệ truyền động trục cán để thỏa mãn yêu cầu cán thô trong dây chuyền cán nóng liên tục có công suất nhỏ

Trong bài báo này tiến hành phân tích và tổng hợp hệ truyền động cho trục cán làm việc ở chế độ cán thô trong dây chuyền cán nóng liên tục có công suất nhỏ. Hệ thống truyền động này đang có phổ biến ở nước ta. Kết quả của việc khảo sát và đáng giá thấy được chất lượng thực trạng của hệ thống, từ đó giúp cho việc nghiên cứu để khai thác và nâng cao chất lượng hệ thống. Từ khóa: Hệ thống truyền động một chiều kiểu T-Đ, tổng hợp hệ, mô phỏng, điều khiển mờ, mạch vòng phản hồi ĐẶT VẤN ĐỀ* Trong các dây chuyền cán nóng liên tục có công suất nhỏ, một trục cán làm việc ở hai chế độ, vừa cán thô vừa cán tinh. Ở chế độ cán thô, việc điều chỉnh tốc độ và thực hiện đồng tốc giữa các trục cán đều do điều chỉnh công suất. Ở chế độ cán tinh, công suất trục cán được giữ không đổi, quá trình điều chỉnh mômen để điều chỉnh tốc độ, việc đồng tốc không được thực hiện. Với việc thiết kế như vậy sẽ làm cho việc đầu tư kinh tế ít, thu hồi vốn nhanh. Những dây chuyền cán nóng liên tục được thiết kế như nêu ở trên thường dùng để sản xuất thép xây dựng có chất lượng thấp và những dây chuyền cán này thường có phổ biến ở nước ta [1]. Trong những dây chuyền cán này, việc điều chỉnh tốc độ trục cán được thực hiện từ hệ truyền động cho trục cán. Hệ truyền động cho trục cán trong dây truyền cán nóng liên tục đang được sử dụng phổ biến hiện nay ở nước ta là hệ T - Đ. Ví dụ như hệ thống truyền động T - Đ trục cán trong dây chuyền cán nóng liên tục ở nhà máy cán Natseel Vina. Động cơ truyền động trong hệ truyền động này có công suất P =110 KW. Ở chế độ cán * Tel: 0972208032; Email: nthienedu@gmail.com thô, việc điều chỉnh tốc độ được thực hiện ở mạch phần ứng động cơ, còn ở chế độ cán tinh việc điều chỉnh tốc độ được hiện ở mạch kích từ. TỔNG HỢP HỆ TRUYỀN ĐỘNG Để đánh giá được chất lượng hệ thống truyền động cho các trục cán trong các dây truyền cán đang có ở nước ta, thì việc phân tích tổng hợp và tiến hành mô phỏng hệ truyền động là một yêu cầu rất quan trọng. Ta có sơ đồ cấu trúc hệ truyền động như hình vẽ 1. Với sơ đồ cấu trúc này sẽ tiến hành tổng hợp hệ truyền động làm việc ở chế độ cán thô, chế độ cán tinh sẽ tiếp tục nghiên cứu sau. Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động làm việc ở chế độ cán thô được thể hiện như hình 2. Trong sơ đồ này hệ truyền động T-Đ với hai mạch vòng âm tốc độ và âm dòng điện là hai mạch vòng quen biết, còn mạch vòng thứ ba là mạch vòng lực căng nhằm thực hiện đồng tốc. Qua phân tích thấy rõ thực chất của mạch vòng thứ ba là mạch vòng vị trí. Vì vậy, việc xây mô hình cấu trúc hệ truyền động như hình 3 là hợp lý. Quá trình tổng hợp hệ thống được thực hiện từ mạch vòng trong ra đến mạch vòng ngoài. Kết quả tổng hợp mỗi mạch vòng sẽ chọn được bộ điều chỉnh thích hợp. Nguyễn Thị Thu Hiền Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 112(12)/2: 97 - 102 98 Hình 1. Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động trục cán Hình 2. Sơ đồ khối hệ thống ở chế độ cán thô Trong đó: Tđ Tín hiệu điều khiển(điện áp) WCBI Hàm truyền đạt của cảm biến dòng điện WCBω Hàm truyền đạt của cảm biến tốc độ WCBT Hàm truyền đạt của cảm biến lực căng Tổng hợp mạch vòng dòng điện Sơ đồ cấu trúc thu gọn của mạch vòng dòng điện khi bỏ qua ảnh hưởng của sức điện động như hình 3. Trong bài báo này tiến hành tổng hợp mạch vòng dòng điện theo tiêu chuẩn tối ưu modul để tìm hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện: Hình 3. Sơ đồ thu gọn mạch vòng dòng điện Ta có: ( ) ( ) ( ) ( ) ( )0 ( ) . 1( ) . (1) 1 . 1 1 . 1 . cl i i dk dk v i u I p K KS p U p R pT pT pT pT = = + + + + Trong đó: Tđk là hằng số thời gian của mạch điều khiển Kcl hệ số mạch chỉnh lưu Ti là hệ số thời gian của cảm biến dòng điện Tư là hệ số thời gian điện từ của mạch phần ứng Tv là hệ số thời gian của động cơ điều khiển Ki điện trở của cảm biến dòng điện Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu modul ta có: 2 1( ) 1 2 2 .OMi F p pσ στ τ = + + (2) Chọn τσ = min (Tsi, Tư) = Tsi .Ta có hàm truyền của mạch vòng dòng điện :       += + = usiiCL u si iCL u i TpTKK TR p TKKp Tp pR . 11 ...2 . ...2 .1)( (3) Ri(p) là khâu tỷ lệ - tích phân (PI) Tổng hợp mạch vòng tốc độ Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng tốc độ như hình vẽ 4. Để tổng hợp mạch vòng tốc độ, ta có thể tổng hợp theo phương pháp tối ưu modul và Nguyễn Thị Thu Hiền Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 112(12)/2: 97 - 102 phương pháp tối ưu đối xứng [2, 3]. Trong bài báo này, áp dụng theo tiêu chuẩn tối ưu modul để xác định hàm truyền của bộ điều chỉnh tốc độ : Hình 4. Sơ đồ thu gọn mạch vòng tốc độ Trong đó: ).1(..... 1 .).21( 1)( ω ω Tp K pTK R KpT pS cisi o + Φ Φ+ = (4) Tsi là hệ số thời gian của sensơ dòng điện Tư là hệ số thời gian điện từ của mạch phần ứng Tv là hệ số thời gian của động cơ điều khiển Ki điện trở của cảm biến Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu modul ta có: 222..21 1)( pp pFOM σσ ω ττ ++ = (5) Chọn τσ = Tsω . Ta có hàm truyền của bộ điều chỉnh tốc độ theo tiêu chuẩn tối ưu modul: ωω ω s ci TKR TKK pR .2.. ..)( Φ= ; (6) Rω(p) là khâu tỷ lệ (P). Tiêu chuẩn này được sử dụng khi hệ thống khởi động đã mang tải, lúc đó ta không coi IC là nhiễu nữa. Kết quả khi tổng hợp mạch vòng tốc độ bằng tiêu chuẩn tối ưu modul ta có: ωωωωωω ω KpTKpTpTp p sssd 1 . .21 11 . 2.21 1 )( )( 22 + ≈ ++ = (7) Tổng hợp mạch vòng lực căng Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng lực căng như hình 5. Hình 5. Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng lực căng Tổng hợp mạch vòng lực căng theo tiêu chuẩn tối ưu modul tìm được hàm truyền của bộ điều chỉnh lực căng có dạng khâu PD: ).21( .2.. )( pT TKK K pR s TTr T ω ω += (8) Với: pKKR DPT .+= (9) TTr P TKK KK 2.. ω = (10) TTr s D TKK TKK .. . ωω = (11) MÔ PHỎNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG Thông số động cơ truyền động trục cán lấy từ Nhà máy cán Natsteel như sau: Công suất định mức của động cơ: Pđm =110 KW, Pktđm = 9 KW Điện áp định mức của động cơ: Uđm =220 V, Uktđm =110 V Tốc độ định mức: nđm= 1500 v/ph Hiệu suất định mức: ηđm= 90% Điện cảm mạch phần ứng: Lư =0,0016 H Điện trở mạch phần ứng: Rư =0,019 Ω Hằng số thời gian bộ chỉnh lưu: Tv=0,0033 s Hằng số thời gian mạch điều khiển bộ chỉnh lưu: Tđk= 0,00015 s Hằng số thời gian của cảm biến dòng điện: Ti =0,0025 s Hằng số thời gian của cảm biến tốc độ: Tω = 0,0015 s Hằng số thời gian của cảm biến lực căng: TT = 0,3s Từ đó ta tính được: )/(157 55,9 1500 sraddm ==ω Mômen định mức: )(7,477 157 1000.75 NmPM dm dm dm === ω Dòng điện định mức: )(9,340 220 1000.75 A U P I dm dm dm === Nguyễn Thị Thu Hiền Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 112(12)/2: 97 - 102 100 4,1 9,340 7,477 === dm dm dm I M Kφ Hằng số thời gian mạch phần ứng: 087,0 0253,0 0022,0 === u u u R L T Hàm truyền của động cơ : PTPR W uu D 087,01 52,39 1. 1 . 1 + = + = Hàm truyền của mạch kích từ: Chọn Uđk = 10V Hệ số khuếch đại bộ chỉnh lưu mạch kích từ: 22 10 220 === dk dm cl U U K Hàm truyền của bộ biến đổi mạch kích từ: .)0267,01(30 3,1.22 )1( .. WKt PpTR KK ktkt kcl + = + = Trong đó: Kk được tính dựa vào đặc tính từ hoá bằng cách tuyền tính hoá đoạn đặc tính làm việc. 0ko k k I,Φ∆I ∆Φk = , Kk = 1,3 ⇒ )0267,01( 1,1 + =ktW Chọn bộ điều chỉnh tốc độ PID: Vì hằng số thời gian của cuộn kích từ qúa lớn. KR là hệ số hàm hiệu chỉnh chọn KR = 11.7 Suy ra: P PT PTT PT K T KTT pF c kc c R c Rck R 0136.0 03.09.5.)()( ** ++=++ + =ω Sau khi tính toán các thông số của hệ thống theo tiêu chuẩn tối ưu modul, tìm ra hàm truyền của các khâu hiệu chỉnh, tiến hành ghép nối các khâu lại với nhau và kiểm nghiệm lại hệ thống. Sử dụng phần mềm Matlab -Simulink để tiến hành mô phỏng hệ thống ở chế độ cán thô khi khối điều chỉnh lực căng dùng bộ điều khiển PID (PD) [4, 5]. Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển như hình 6. Hình 6. Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển ở chế độ cán thô Hình 7. Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển ở chế độ cán thô khi khối điều chỉnh lực căng dùng bộ điều khiển PID kết hợp với bộ điều khiển mờ Nguyễn Thị Thu Hiền Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 112(12)/2: 97 - 102 Trong thực tế để phát huy hết ưu điểm của bộ điều khiển mờ và bộ điều khiển truyền thống, người ta thường dùng các hệ kết hợp giữa bộ điều khiển truyền thống và điều khiển mờ với nhau, do vậy ta có các hệ điều khiển mờ lai. Ta xét hệ điều khiển có cấu trúc 2 vòng, với mạch vòng thứ nhất là bộ điều khiển PID và vòng hai là bộ điều khiển mờ. Bổ xung thêm bộ điều khiển mờ ta thiết kế với 1 biến đầu vào và 1 biến đầu ra. Với tính đơn giản và khả năng tính toán nhanh ta chọn luật hợp thành MAX-MIN. Từ đó thiết lập ra các luật mờ. Dựa vào các luật mờ đã thiết lập ta giải mờ bằng phương pháp cực đại theo nguyên lý trung bình để giải mờ là phù hợp nhất với việc tính toán đơn giản, tính liên tục và tính hợp lý của kết quả nhận được.Với bộ điều khiển mờ ta thiết kế thay vào sơ đồ hình 6, ta được sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển ở chế độ cán thô khi khối điều chỉnh lực căng dùng bộ điều khiển PID kết hợp với bộ điều khiển như hình 7 [6]. Kết quả mô phỏng cho 2 trường hợp sử dụng bộ điều khiển PID và bộ điều khiển PID kết hợp với BĐK mờ như hình 8 và hình 9. Bộ điều khiển PID Bộ điều khiển PID kết hợp với BĐK mờ Hình 8. Kết quả mô phỏng với Td=10V (Khi không tải) Bộ điều khiển PID Bộ điều khiển PID kết hợp với BĐK mờ Hình 9. Kết quả mô phỏng với Td=10V (có tải) KẾT LUẬN Qua khảo sát, tính toán và mô phỏng hệ thống truyền động trục cán ở chế độ cán thô chỉ dùng bộ điều khiển PID kết hợp bộ điều khiển mờ với các thông số cố định ta nhận thấy: Chất lượng động của hệ thống truyền động tương đối đảm bảo yêu cầu kỹ thuật thể hiện là tốc độ tăng đều và gia tốc giữ không đổi. Trong hệ thống có mạch vòng lực căng là mạch vòng chứa tính phi tuyến mà hệ thống chỉ mô phỏng với thông số cố định nên chất lượng của hệ thống chưa cao khi chưa kết hợp bộ điều khiển mờ. Do vậy, ta thấy dạng tín hiệu ra của dòng điện, tốc độ và lực căng có dao động. Vấn đề này đã được giải quyết khi chúng ta có thể dùng các phương pháp điều khiển hiện đại để nâng cao chất lượng hệ thống đó là dùng bộ điều khiển mờ. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Nguyễn Mạnh Tiến, Vũ Quang Hồi (2006), Trang bị điện – điện tử máy gia công kim loại, Nhà xuất bản Giáo dục. [2]. Bùi Quốc Khánh, Phạm Quốc Hải, Nguyễn Văn Liễn, Dương Văn Nghi (1999), Điều chỉnh tự động truyền động điện, Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật. Nguyễn Thị Thu Hiền Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 112(12)/2: 97 - 102 102 [3]. Trần Thọ, Võ Quang Lạp (2008), Cơ sở điều khiển tự động truyền động điện, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội. [4]. Nguyễn Phùng Quang (2006), Matlab và Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội. [5]. William S.Levine University of Maryland, Using Matlab to analyze and Design Control Systems. [6]. Nguyễn Trọng Thuần (2006), Điều khiển mờ và ứng dụng, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội. SUMMARY FUZZY CONTROL APPLICATIONS POWER REGULATION OF ROLL DRIVE SYSTEM TO SATISFY COARSE ROLL REQUIREMENT IN SMALL POWER CONTINUOUS HOT ROLLING LINE Nguyen Thi Thu Hien* College of Information Communication and Technology - TNU In rolling technology requires: In coarse roll mode, moment is constant, power enables variable, but in finishing roll mode, moment enables variable, power is constant. In this paper analyze and synthetize a roll drives system operate at coarse roll mode in small power continuous hot rolling line. Drive system is having widespread in Viet Nam. Evaluation and studies results show real situation quality of system, help study to improve and develop system quality since. Key words: Drivetrain DC T-D model, system synthesis, simulation, fuzzy control, the feedback loop Phản biện khoa học: TS. Phạm Đức Long – Trường Đại học CNTT & TT – ĐH Thái Nguyên * Tel: 0972208032; Email: nthienedu@gmail.com