Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG HỆ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO ĐỂ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ NUNG CÁN THÉP LIÊN TỤC ĐỖ THỊ HƢƠNG THÁI NGUYÊN 2009 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG HỆ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO ĐỂ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ NUNG CÁN THÉP LIÊN TỤC Học viên: Đỗ Thị Hương Người HD Khoa Học: PGS.TS Lại Khắc Lãi THÁI NGUYÊN 2009 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG HỆ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO ĐỂ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ NUNG CÁN THÉP LIÊN TỤC Học viên: Đỗ Thị Hương Lớp: CHK10 Chuyên ngành: Tự động hoá Ngƣời HD Khoa học: PGS.TS Lại Khắc Lãi Ngày giao đề tài: 05/02/2009 Ngày hoàn thành: 30/07/2009 KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN PGS.TS Lại Khắc Lãi HỌC VIÊN Đỗ Thị Hƣơng ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP *** CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc o0o Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LuËn v¶n th¹c sÜ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 6 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hnh 1-1: Hệ thố ng điề u khiể n quá trì nh Hình 1-2: Quá trnh và phân loại biến quá trnh Hình 1-3: Bnh chứa chất lỏng và các biến quá trnh Hnh 1.4: Ví dụ thiết bị khuấy trộn đơn giản Hnh 1.5. Phân cấp chức năng điều khiển quá trnh Hnh 1.6: Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trnh Hnh 2.1. Sơ đồ cung cấp khí nén vào lò Hnh 1.7: Các thành phần trong hệ thống điều khiển nhiệt độ Hnh 1.8. Các nhiệm vụ phát triển hệ thống Hnh 1. 9: Diễn dải ý nghĩa nhãn thiết bị và ký hiệu chức năng Hnh 1.10: Lưu đồ P&ID cho điều khiển mức bnh chứa Hnh 1.11: Lưu đồ P&ID cho hệ thống trao đổi nhiệt Hnh 1.12: (a) Sơ đồ khối hệ thống điều khiển dự báo (b) Chiến lược điều khiển dự báo Hnh 1.13. Thuật toán Hnh 1.14. Cấu trúc cơ bản của MPC Hnh 1.15: Mô hnh tổng quát bộ điều khiển dự báo Hnh 1.16: Chiến lược điều khiển RHC Hình 1.17: Mô hình vào ra (IO) Hnh 1.19: Mô hnh đa thức Hnh 1.18: Mô hnh IO sử dụng biến trạng thái Hình 1.20.a Hình 1.20.b Hnh 1.21: Bộ ước lượng không lệch trong mô hnh có nhiễu Hnh 1.22. Điều khiển nhiệt độ của bnh Hnh 1.23. Mô hnh dự báo Smith dựa trên cấu trúc bộ điều khiển Hnh 1.24. Phạm vi dự báo Hnh 2.2. Sơ đồ cấp dầu FO vào lò LuËn v¶n th¹c sÜ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 7 Hình 2.3. Cấu tạo thiết bị trao đổi nhiệt Hnh 3.1. Sơ đồ khối điều khiển nhiệt độ lò nung cán thép Hnh 3.2. Sơ đồ điều khiển nhiệt độ Hnh 3.3. Sơ đồ cấu trúc hệ thống khi chưa có tín hiệu Hnh 3.4. Sơ đồ mô phỏng điều khiển nhiệt độ lò nung cán thép liên tục dùng bộ điều khiển dự báo Hnh 3.5. Dữ liệu đầu vào và đầu ra của đối tượng khi nhận dạng Hnh 3.6. Dữ liệu huấn luyện vào / ra của đối tượng, dữ liệu huấn luyện đầu ra của mạng và sai số Hnh 3.7. Tập dữ liệu kiểm tra Hnh 3.8. Tập dữ liệu chấp nhận Hnh 3.9. Tín hiệu ra của hệ thống khi chưa có nhiễu và điện áp đặt đầu vào là 2v Hnh 3.10. Tín hiệu ra của hệ thống khi chưa có nhiễu và điện áp đặt đầu vào là 4v Hnh 3.11. Tín hiệu ra của hệ thống khi có 1 nhiễu đầu vào và điện áp đặt đầu vào là 2v Hình 3.12. Tín hiệu ra của hệ thống khi có 1 nhiễu đầu vào và điện áp đặt đầu vào là 4v LuËn v¶n th¹c sÜ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 4 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT I. Danh mục các ký hiệu - e(k) là nhiễu trắng có trung bình bằng zero - F i là lưu lượng vào - F o là lưu lượng ra - G o (q): mô hình hệ thống. - h là mức chất lỏng - H p là tầm dự báo - H c là tầm điều khiển - r(k) là tín hiệu tham chiếu của mô hình tại thời điểm k và chính là trạng thái ngõ ra mong muốn của đối tượng điều khiển - x ss là trạng thái xác lập của hệ thống - x (k) là trạng thái của hệ thống -   np np 1 1 qp qp1qP   là một đa thức với các cực vòng kín mong muốn. - q: toán tử dịch chuyển, q -1 y(k) = y(k-1) - y(k) là tín hiệu ngõ ra của hệ thống thực - y M (k) là ngõ ra của mô hình - u(k) là tín hiệu điều khiển đối tượng tại thời điểm k - x ˆ là trạng thái dự báo - y ˆ ,u ˆ là tín hiệu điều khiển dự báo và ngõ ra dự báo tương lai tương ứng của hệ thống dựa trên cơ sở mô hình. -   k là các thông tin biết trước về hệ thống trong đó bao gồm phân bố nhiễu - v(k) là các tín hiệu ngõ vào hệ thống -   kJ ,  Hàm mục tiêu -   :kz ˆ vector các tín hiệu có thể xác định trong hệ thống -   :j ma trận lựa chọn chéo (diagonal selection matrix) với các giá tri zero và 1 trên đường chéo. LuËn v¶n th¹c sÜ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 5 -  là trọng số trên tín hiệu điều khiển - F o (q): mô hình phân bố nhiễu (disturbance). - H o (q): mô hình nhiễu (noise). - u(k): tín hiệu vào. - d o (k): tín hiệu phân bố nhiễu đã biết. II. Danh mục các chữ viết tắt 1. DCS: hệ thống điều khiển phân tán 2. PCS: ( Process Control System) 3. Model Prediction Control (MPC) 4. Thuật toán MPC (MPC stragegy) 5. Receding horizon control (RHC) 6. Input Output Models (IOM) 7. Direct Input Output models (IO) 8. Increment Input Output models (IIO) 9. Dynamical Matrix Control (DMC) 10. Generalized Predictive Control (GPC) 11. Neural Network (NN) 12. Điều khiển dự báo (ĐKDB) 13. Tagaki-Sugeno (TS) 14. Quadratic Programing (QP) 15. Long-Range Predictive Control (LRPC) 16. Linear programming (LP) 17. Branch and Bound (BB) 18. MIMO 19. SISO 20. Universal Dynamic Approximator_UDA LuËn v¶n th¹c sÜ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI NÓI ĐẦU Điều khiển dự báo đã ra đời cách đây vài thập niên nhưng trong những năm gần đây phát triển mạnh mẽ và có nhiều thành công trong công nghiệp. Điều khiển dự báo theo mô hình (Model Predictive Control MPC) là một trong những kỹ thuật điều khiển tiên tiến được nhiều người ưa chuộng nhất trong công nghiệp, có được điều này là do khả năng triển khai các điều kiện ràng buộc vào thuật toán điều khiển một cách dễ dàng mà ở các phương pháp điều khiển kinh điển khác không có được. Điều khiển dự báo là chiến lược điều khiển được sử dụng phổ biến nhất trong điều khiển quá trình vì công thức MPC bao gồm cả điều khiển tối ưu, điều khiển các quá trình ngẫu nhiên, điều khiển các quá trình có thời gian trễ, điều khiển khi biết trước quỹ đạo đặt. Một ưu điểm khác của MPC là có thể điều khiển các quá trình có tín hiệu điều khiển bị chặn, có các điều kiện ràng buộc, nói chung là các quá trình phi tuyến mà ta thường gặp trong công nghiệp, đặc biệt là quá trình phi tuyến phức tạp. Việc nghiên cứu và ứng dụng điều khiển dự báo trong công nghiệp luyện kim là một giải pháp quan trọng, có ý nghĩa thực tiễn, kỹ thuật và kinh tế. Cùng với sự phát triển của các lĩnh vực khoa học kỹ thuật như điện tử, công nghệ tin học, công nghệ vật liệu cho phép tạo ra các thiết bị điều khiển có độ chính xác cao, đáp ứng được các luật điều khiển yêu cầu. Tuy nhiên ngoài thiết bị điều khiển thì luật điều khiển là một phần rất quan trọng để hệ thống đáp ứng các chỉ tiêu chất lượng đề ra. Vì thế việc nghiên cứu và ứng dụng lý thuyết điều khiển thông minh vào thực tế với mục đích giải phóng sức lao động, tăng năng suất và hạ giá thành sản phẩm là việc làm cần thiết của mỗi quốc gia trên thế giới. Một trong những lý thuyết mà các nhà khoa học trên thế giới đang quan tâm nghiên cứu và ứng dụng vào trong thực tế đó là mạng nơron. Đây là vấn đề khoa học đã có từ vài thập niên nhưng việc ứng dụng nó vào các ngành khoa học khác nhau vẫn đang là lĩnh vực khoa học cần quan tâm và nghiên cứu trên thế giới cũng như ở nước ta. Với những ý nghĩa trên đây và được sự định hướng của thầy giáo PGS.TS Lại Khắc Lãi em đã lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng hệ điều khiển dự báo để LuËn v¶n th¹c sÜ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn điều khiển nhiệt độ lò nung cán thép liên tục” trong đó sử dụng mạng nơron để nhận dạng đối tượng . Được sự giúp đỡ và hướng dẫn rất tận tình của Thầy giáo PGS.TS Lại Khắc Lãi và một số đồng nghiệp, đến nay em đã hoàn thành luận văn của mình. Mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng do thời gian có hạn nên không tránh khỏi một số thiếu sót nhất định. Em rất mong nhận được ý kiến đóng góp của các thầy cô và các bạn đồng nghiệp để cho luận văn hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! [...]... Công nghệ lò nung cán thép liên tục 83 2.2.1 Sơ lược về lò nung 83 2.2.2 Cấu tạo của lò nung 88 2.2.3 Thiết bị của lò nung 90 2.2.4 Nguyên lý hoạt động của lò nung 97 2.2.5 Hệ thống cung cấp điện và đo lường điều khiển 98 Chương 3 Xây dựng hệ điều khiển dự báo điều khiển nhiệt độ lò 104 nung 3.1 Hệ thống điều khiển nhiệt độ cho lò nung 104 3.1.1 Hàm truyền đạt của thiết bị đo nhiệt độ 105 3.1.2 Hàm... Điều khiển dự báo 36 1.2.1 Tổng quan về điều khiển dự báo 38 1.2.2 Mô hình trong điều khiển dự báo 48 1.2.3 Giải bài toán điều khiển dự báo 72 1.2.4 Kết luận 78 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LuËn v¶n th¹c sÜ 3 Chương 2 Tìm hiểu công nghệ nung phôi trong dây truyền cán 82 thép liên tục 2.1 Giới thiệu chung về nhà máy cán thép Lưu Xá 82 2 2 Công nghệ lò nung. .. xây dựng nhiều nhà máy cán thép dây truyền công nghệ hiện đại.Tuy nhiên các bộ điều khiển nhiệt độ trong các lò nung cán liên tục vẫn sử dụng các bộ điều khiển kinh điển nên chưa kể hết được các yếu tố tác động từ bên ngoài Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LuËn v¶n th¹c sÜ 9 Xuất phát từ thực tiễn đó, việc áp dụng bộ điều khiển dự báo để điều khiển nhiệt độ. .. quá trình và điều khiển dự báo Chương 2: Tìm hiểu công nghệ nung phôi trong dây chuyền cán thép liên tục Chương 3: Xây dựng hệ điều khiển dự báo để điều khiển nhiệt độ lò nung Trong quá trình thực hiện đề tài, tác giả đã cố gắng hạn chế tối đa các khiếm khuyết, song do trình độ và thời gian còn hạn chế nên luận văn hoàn thành chắc chắn còn thiếu sót Tác giả kính mong Hội đồng Khoa học và độc giả bổ... đối tượng điều chỉnh 107 3.2 Xây dựng hệ thống điều khiển dự báo để điều khiển nhiệt độ lò 108 nung cán thép liên tục 3.3 Mạng nơ ron trong bài toán nhận dạng 108 3.4 Kết quả mô phỏng 109 3.5 Kết luận 115 Tóm tắt luận văn 116 Tài liệu tham khảo 117 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LuËn v¶n th¹c sÜ 8 MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết của đề tài Điều khiển dự báo đã ra... pháp nghiên cứu 9 4 Nội dung nghiên cứu 9 Chương 1 Tổng quan về điều khiển quá trình và điều khiển dự báo 10 1.1 Điều khiển quá trình 10 1.1.1 Khái niệm điều khiển quá trình 11 1.1.2 Mục đích và chức năng điều khiển quá trình 16 1.1.3 Phân cấp chức năng điều khiển quá trình 21 1.1.4 Các thành phần cơ bản của hệ thống 25 1.1.5 Các nhiệm vụ phát triển hệ thống 28 1.1.6 Mô tả chức năng hệ thống 32 1.2 Điều. .. nhiệt độ lò nung liên tục sẽ tiết kiệm được nhiên liệu, nâng cao chất lượng điều khiển từ đó góp phần nâng cao hiệu suất sản phẩm 3 Phương pháp nghiên cứu + Nghiên cứu lý thuyết để đưa ra các thuật toán điều khiển + Mô hình hoá và mô phỏng để kiệm nghiệm kết quả nghiên cứu 4 Cấu trúc của luận văn Ngoài phần mở đầu và phần kết luận, luận văn gồm 3 chương: Chương 1: Tổng quan lý thuyết điều khiển quá... chuyên ngành Tự động hóa tại trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên, được sự tạo điều kiện giúp đỡ của nhà trường, Khoa Sau Đại học và Phó Giáo Sư - Tiến sĩ Lại Khắc Lãi, tác giả đã lựa chọn đề tài tốt nghiệp của mình là Nghiên cứu ứng dụng hệ điều khiển dự báo để điều khiển nhiệt độ lò nung cán thép liên tục 2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: Đề tài có ý nghĩa quan trọng cả về khoa... quá trình” Chức năng điều khiển có thể do các bộ điều khiển thực hiện một cách tự động (điều khiển tự động), hoặc do người vận hành trực tiếp đảm nhiệm (điều khiển bằng tay) Các chức năng điều khiển cơ sở tiêu biểu trong một hệ thống điều khiển quá trình bao gồm điều chỉnh, điều khiển rời rạc và điều khiển trình tự Cũng theo theo định nghĩa trong ANSI/ISA 88.01-1995, chức năng điều chỉnh được định... phần cơ bản của hệ thống Tuỳ theo mức độ ứng dụng và mức độ tự động hoá các hệ thống điều khiển quá trình công nghiệp có thể đơn giản tương đối phức tạp, nhưng chúng đều dựa trên ba thành phần cơ bản là thiết bị đo, thiết bị chấp hành và thiết bị điều khiển Giá trị đặt (SP) Bộ điều khiển Tín hiệu điều Thiết bị khiển chấp (CO) Biến điều khiển (MV) Biến cần điều Quá trình khiển công nghệ (CV) hành Tín . thuyết điều khiển quá trình và điều khiển dự báo Chương 2: Tìm hiểu công nghệ nung phôi trong dây chuyền cán thép liên tục . Chương 3: Xây dựng hệ điều khiển dự báo để điều khiển nhiệt độ lò nung. CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG HỆ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO ĐỂ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ NUNG CÁN THÉP LIÊN TỤC Học viên:. LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG HỆ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO ĐỂ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÒ NUNG CÁN THÉP LIÊN TỤC Học viên: Đỗ Thị Hương Lớp: CHK10 Chuyên ngành: Tự động