Luận văn Nghiên cứu điều khiển thích nghi cho đối tượng có đặc tính cực trị

ủa đối tượng. Nhiễu đầu vào làm trôi đặc tính cực trị, nhiễu đầu ra làm cho chuyển động có thể lạc hướng hay giảm độ chính xác điều khiển. 1.3. Kết luận chƣơng một 1.3.1. Hệ điều khiển thích nghi Điều khiển thích nghi là tổng hợp các kỹ thuật nhằm tự chỉnh định các bộ chỉnh định trong mạch điều khiển, nhằm thực hiện hay duy trì ở một mức độ nhất định chất lượng của hệ, khi thông số của quá trình được điều khiển không biết trước hay thay đổi theo thời gian. Có nhiều phương pháp nghiên cứu hệ, tuỳ theo đối tượng hay điều kiện cụ thể mà ta lựa chọn phương pháp nghiên cứu phù hợp. 1.3.2. Hệ cực trị Các hệ thống tự chỉnh có thể xây dựng bằng nhiều cách khác nhau. Các hệ đơn giản nhất, đồng thời phổ biến nhất là hệ cực trị. Hệ thống điều khiển tìm cực trị có nhiệm vụ tìm kiếm và duy trì trị số cực đại hay cực tiểu của một hay nhiều tham số của đối tượng được điều khiển, trong khi đặc tính và điều kiện làm việc của đối tượng có thể biến đổi một cách ngẫu nhiên. Hệ cực trị được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như trong luyện kim, trong ngành hoá chất, ngành năng lượng ( các nhà máy nhiệt điện), ngành sản xuất ô tô … Đặc biệt được phát triển và ứng dụng rất sớm trong lĩnh vực quân sự. Hệ cực trị khác với các hệ thống điều khiển tự động thông thường khác ở chỗ, hệ không duy trì ổn định một đại lượng hay một chỉ tiêu chất lượng nào. Hệ cực trị luôn tìm và duy trì điểm cực trị của một đại lượng công nghệ (nhiệt độ, áp lực, hiệu suất…) trong suốt quá trình làm việc của hệ thống. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 29 Ở hệ cực trị có hai quá trình xảy ra: quá trình cơ bản, là quá trình tiến đến cực trị và quá trình tìm là quá trình xác định hướng phát triển của quá trình cơ bản nhằm duy trì điểm cực trị. Tuỳ theo điều kiện cụ thể mà ta lựa chọn quá trình xác định hướng phát triển theo các phương pháp hợp lý, còn quá trình tiến tới cực trị được thực hiện theo phương pháp Gradient hoặc phương pháp bước, phương pháp đơn hình ... Trong đề tài này sẽ nghiên cứu, phát triển quá trình tìm và duy trì điểm cực trị theo phương pháp bước. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 30 CHƢƠNG 2 PHÂN TÍCH ĐỐI TƢỢNG LÒ NUNG TRONG CÔNG NGHỆ LUYỆN CÁN THÉP 2.1 . Đặt vấn đề Trong thực tế thường gặp một số đối tượng có đặc tính cực trị, ví dụ như trong việc khoan thăm dò vào lòng đất, áp lực mũi khoan và tốc độ tịnh tiến của mũi khoan có đặc tính cực trị cực đại. Vì nếu tăng áp lực mũi khoan lớn hơn trị số tối ưu thì mũi khoan bị nghẽn và tốc độ chậm lại, hình dạng và vị trí cực đại phụ thuộc vào tính chất của đất. Trong trường hợp cán thép lá, độ dầy H của phôi trước trục cán và đội dầy h của thép ở đầu ra của trục cán được đo bằng các cảm biến, kết quả đo được máy tính gia công để đầu ra là bình phương của sai lệch so với trị số mong muốn. Đại lượng này qua cơ cấu điều khiển và mạch hiệu chỉnh để thay đổi vị trí trục cán, đặc tính này có đặc tính cực tiểu. Trong động cơ xăng của xe máy nhiệt lượng toả ra với lưu lượng xăng nhất định phụ thuộc vào lưu lượng gió qua chế hoà khí có đặc tính cực trị cực đại, khi điều chỉnh lượng gió ít sẽ gây lên hiện tượng thừa xăng, khi lượng không khí quá lớn nhiệt lượng trong buồng đốt thấp. Chế hoà khí làm nhiệm vụ điều chỉnh lượng gió ở trị số tối ưu. Trong các lò nung của sản xuất gạch men hay lò nấu kính có sử dụng dầu đốt, nhiệt độ của lò với lưu lượng dầu nhất định phụ thuộc vào lưu lượng gió đưa vào lò cũng có đặc tính cực trị cực đại. Lò nung phôi thép trước khi cán cũng là một trong các đối tượng có đặc tính cực trị cực đại, nhiệt độ của lò với lưu lượng dầu nhất định phụ thuộc vào lưu lượng không khí theo đặc tính cực trị, ở đối tượng này người ta trộn lẫn dầu và không khí phun vào trong lò dưới dạng sương mù, tỷ lệ không khí là lượng dầu nhất định có trị số tối ưu, nếu lượng không khí nhỏ hoặc lớn hơn trị số tối ưu thì nhiệt độ giảm, nhiệt độ cực đại Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 31 và hình dạng đặc tính nhiệt độ phụ thuộc vào chất lượng dầu, nhiệt độ không khí và vật cần nung. 2.2 . Vai trò của lò nung trong công nghệ cán thép Quá trình sản xuất kim loại trong công nghiệp luyện kim có thể chia làm hai thời kỳ: Thời kỳ thứ nhất: Quá trình tạo ra kim loại có thành phần hoá học cho trước, từ các nguyên liệu ban đầu (quặng và các trợ dung khác) qua xưởng gang, xưởng thép. Thời kỳ thứ hai: Quá trình gia công dẻo kim loại trong đó phương pháp ra công bằng áp lực đóng vai trò quan trọng nhất, cán thép là một trong những dạng của gia công kim loại bằng áp lực. Cán thép là quá trình tác động ngoại lực lên kim loại làm cho nó thay đổi hình dạng và kích thước theo yêu cầu, do đó kim loại qua trục cán phải có khả năng biến dạng dẻo. Yêu cầu cần quan trọng trong quá trình cán là sức căng biến dạng của kim loại không được lớn, đồng thời kim loại vẫn giữ được độ bền cao. Tính mềm dẻo của từng kim loại phụ thuộc rất nhiều vào thành phần hoá học của nó, đặc biệt phụ thuộc vào nhiệt độ nung kim loại trước khi cán và phương pháp gia công áp lực. Nhiệt độ cán càng cao thì sức căng biến dạng càng giảm, đồng thời cũng giảm được năng lượng tiêu hao trong quá trình cán. Ví dụ: Khi cán ở nhiệt độ 0 01150 1200 thì sức căng biến dạng của thép giảm 10 lần so với cán nguội, do vậy trong thực tế người ta hay dùng phương pháp cán nóng. Thực tế cho thấy rằng trong quá trình cán nguội kim loại trở nên cứng và sức căng biến dạng tăng lên rất nhiều, tức là kim loại mất tính mềm dẻo và được gọi là sự biến dạng cứng, đồng thời năng lượng tiêu hao khi cán lớn. Cán ở nhiệt độ cao là quá trình gia công không có sự biến cứng, đồng thời cũng sẽ giảm áp lực của kim loại vào trục cán, giảm hao phí năng lượng, cho phép thúc đẩy nhanh quá trình gia công và trong nhiều trường hợp tính dẻo nâng cao là khả năng duy nhất thực sự biến dạng dẻo. Vì vậy nhiệm vụ của lò nung liên tục trong công nghệ cán là: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 32 Nung thép đến nhiệt độ nhất định và đạt được mức độ đồng đều nhiệt độ trong phạm vi cho phép, đối với các loại phôi nung (kích thước và mác thép khác nhau). Quá trình làm việc liên tục, đồng thời chế độ tương đối ổn định trong từng vùng, vì vậy có thể thực hiện tự động điều chỉnh đối với từng vùng riêng biệt mà ảnh hưởng giữa các vùng với nhau không nhiều. Quán tính nhiệt độ của lò tương đối lớn, tính chất này chứng tỏ là một đối tượng nhiều dung lượng. Dung lượng nói chung là khả năng tích luỹ vật chất hoặc năng lượng của đối tượng, với đối tượng của ta, dung lượng là nhiệt dung của toàn bộ đối tượng bao gồm. Nhiệt dung của lò, phôi nung, như vậy phương trình vi phân mô tả tính chất động học của đối tượng sẽ có bậc lớn hơn 1. Năng suất của lò thay đổi trong phạm vi tương đối lớn, sự thay đổi này do năng xuất máy cán quyết định. Khi đó với sơ đồ điều khiển tự động hiện nay giá trị cho trước của nhiệt độ thay đổi ít hoặc không thay đổi. Chế độ nhiệt của lò cần được thay đổi cho phù hợp với từng loại phôi nung. 2.3 . Đặc điểm lò nung và công nghệ cán - Phôi được đưa vào lò trên dầm trượt qua 3 vùng là: vùng sấy, vùng nung và vùng đồng nhiệt, với 3 chế độ nhiệt khác nhau, phương pháp nạp vào đầu vào ra ở cuối lò. - Nhiên liệu của lò: Để đốt lò người ta dùng dầu nặng bơm với áp suất cao tới mỏ đốt ở đây không khí và dầu trộn lẫn thành bụi, phun vào không gian của lò. Nhiệt trị của dầu là 9500 Kcal/kg hay 39700 Kj/kg, lưu lượng tiêu hao cực đại cho mỗi vùng là 1500 Kg/h, và tiêu hao nhiên liệu cho một tấn thép nung là 50 Kg/tấn (thực tế đang sử dụng là 600 Kg/h và tiêu hao 34,5 Kg/1tấn sản phẩm). Nhiệt độ dư nhiệt không khí là 0 0350 400 , áp lực không khí trước mỏ đốt là 500Pa, tiêu hao hơi nước 130Kg/h, áp lực hơi nước trước mỏ đốt là 500Pa, áp lực nước làm nguội 0,3 MPa và tiêu hao nước làm nguội 150m3/h áp lực gió do quạt tro cháy là 11776Pa. Thép nung: Các loại thép thỏi, phôi kích thước sau Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 33 + Thép thỏi có 3 loại: 275.275 235.235 .1560 - Thép lắng. 210.210 275.275 .1560 - Thép sôi. 5.30.305 245.245 . 120 - Thép lắng. + Các loại phôi vuông kích thước: 105.105 đến 200.200 dài khoảng 1400  3500 (mm). 2.4 . Cấu tạo lò nung và chế độ vận hành 2.4.1. Cấu tạo lò nung Lò kiểu đẩy thép nung liên tục và nung hai mặt. Lò được chia làm 3 vùng, tên từng vùng lần lượt từ cửa vào phôi đến cửa ra phôi là: Vùng sấy, vùng nung & vùng đồng nhiệt. Các thông số của lò như sau: - Công suất lò: 40 tấn/h. - Chiều cao lò: 1.610 m. - Chiều dài lò: 23.902 m. - Chiều rộng lò: 4.06 m. Chiều dài các vùng: Sấy - 8.851m; Nung - 10,15m; Đồng nhiệt - 4,901m. Cửa vào phôi luôn mở, phôi cần nung được vận chuyển bằng cần trục và băng truyền con lăn từ gian để phôi đến cửa lò, toàn bộ phôi nung được xếp thành một hàng ngang và dịch chuyển dọc theo lò lần lượt qua các vùng, cửa ra phôi dùng động cơ đẩy phôi qua cần tống. 2.4.2. Bộ phận dịch phôi Trong lò người ta dùng dầm trượt bằng gạch chịu nhiệt để dịch chuyển phôi, phôi được đưa tới cửa lò và nhờ máy đẩy chúng dịch chuyển thay thế vị trí cho nhau trong lò, phôi được nung hai mặt từ đầu vào đến hết vùng nung đến vùng đồng nhiệt thì thép Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 34 nung chuyển vị đưa ra cán, nhờ cần tống đẩy ra băng truyền con lăn, sau khi đi qua vùng này yêu cầu nhiệt độ của thép phải đồng đều trên mặt và bên trong tâm phôi, để giảm sức căng biến dạng. 2.4.3. Vị trí các mỏ đốt Để cung cấp nhiệt độ cho lò người ta dùng dầu FO được hoá mù bằng khí nén phun trộn với không khí qua các mỏ đốt, toàn bộ lò được dùng 12 mỏ đốt. Vùng sấy dùng 4 mỏ, mỗi bên 2 mỏ. Vùng nung dùng 4 mỏ, mỗi bên 2 mỏ. Vùng đồng nhiệt 4 mỏ, đặt ngang cuối lò. Vòi phun mã hiệu 32 HF dài 600 mm, đầu phun có đường kính 20mm. 2.4.4. Bộ phận giữ nhiệt Mục đích đặt bộ giữ nhiệt không khí trong đường ống khói là để thu hồi nhiệt dư của khói, giảm tiêu hao nhiệt. Sau khi trợ cháy qua bộ giữ nhiệt, nhiệt độ không khí tăng lên từ 300oc  400 oc được đưa đến mỏ đốt, bộ phận giữ nhiệt được chia làm hai phần: - Bộ phận gần lò gọi là cụm ống bảo vệ bộ giữ nhiệt. - Bộ phận giữ nhiệt phân thành hai cụm phải trái làm hai hành trình để nâng cao hiệu quả trao đổi nhiệt. Để bảo vệ bộ giữ nhiệt, trên đường ống khói có lắp van tham gia làm nguội 300 . Khi nhiệt độ khói quá cao các van này mở làm cho không khí lan tràn vào đường ống khói làm giảm nhiệt độ khói trên đường ống, trên đường ống chung của gió nóng có lắp van xả tự động. Khi nhiệt độ vượt quá 450oc van này tự động mở, xả một phần gió nóng để bảo vệ bộ giữ nhiệt. Các thông số của bộ giữ nhiệt:  Diện tích truyền nhiệt 146 m2.  Nhiệt độ dư nhiệt không khí 350 - 4000c.  Nhiệt độ khói vào bộ giữ nhiệt 800oc. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 35  Nhiệt độ khói ra bộ giữ nhiệt 457oc  Lượng khói lớn nhất 16000 m3/h.  Lưu lượng không khí trong bộ phận giữ nhiệt 12,6 m3/s.  Lưu lượng khói trong bộ phận giữ nhiệt 1,79 m3/s.  Tổng số truyền nhiệt 38,6 W/m2 0c.  Tổn thất lực cản không khí 156mm H2O. 2.4.5. Chế độ vận hành và yêu cầu tự động hóa Căn cứ vào biểu đồ nhiệt độ nung H ta có thể xác định chế độ vận hành và đề ra yêu cầu tự động hoá cho lò như sau. 2.4.5.1.Vùng sấy Khi chọn chế độ nhiệt độ cho vùng sấy cần chú ý đến tính dẫn nhiệt của kim loại và lý hoá tính của nó. Hiện nay lò của nhà máy cán Lưu Xá chuyên dùng để nung các loại thép các bon thường, hệ số dẫn nhiệt lớn nên khả năng truyền nhiệt từ mặt phôi đến tâm phôi nhanh, ứng suất nhiệt sinh ra giữa mặt phôi và tâm phôi lớn, vì vậy tốc độ nung có thể cho phép tuỳ ý tức là nhiệt độ vùng sấy có thể tuỳ ý. Tuy nhiên nếu tốc độ nung có thể cho phép quá thấp thì thời gian nung sẽ kéo dài, ảnh hưởng tới năng suất lò, yêu cầu điều chỉnh nhiệt độ ở đây chỉ cần đo lượng nhiệt độ mà thôi. 2.4.5.2. Vùng nung Là vùng chủ yếu tăng nhiệt độ của phôi nung nên nhiệt độ vùng này phải cao, từ 1300 0  1350 0 C và nhiệt độ lò lớn hơn nhiệt độ bề mặt phôi khoảng 1000c, sai số nhiệt độ của phôi chủ yếu do. - Mác thép nung, kích thước phôi nung thay đổi. - Sản lượng cán thay đổi. Việc tự động hoá lò nung là tự động duy trì nhiệt độ lò ở khoảng 13000  1350 0 c thông qua việc điều chỉnh lưu lượng dầu và không khí vào vùng nung. 2.4.5.3. Vùng đồng nhiệt Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 36 Nhiệm vụ khống chế nhiệt độ vùng này là, làm cho phôi nung trước khi ra lò có độ chênh nhiệt độ giữa bề mặt và tâm phôi nằm trong giới hạn cho phép, khoảng 300c/dm chiều dầy. Tại vùng này nhiệt độ lò được hạ thấp xuống so với vùng nung (1250 0  1270 0c) và cao hơn nhiệt độ bề mặt phôi một chút. Với nhiệt độ lò như vậy nhiệt độ bề mặt phôi không tăng được nữa trong khi đó nhiệt độ tâm phôi tiếp tục tăng lên cho đồng đều với bề mặt phôi. Để đáp ứng đúng yêu cầu công nghệ cán, việc tự động hoá duy trì nhiệt độ vùng đồng nhiệt là cần thiết bởi vì phôi trước khi ra lò cần có nhiệt độ nhất định để đáp ứng nhu cầu về độ biến dạng dẻo của thép nhằm giảm gây biến dạng, giảm tiêu hao năng lượng khi gia công và tăng tuổi thọ của thiết bị. Không đảm bảo được nhiệt độ đồng đều theo tiết diện phôi sẽ làm xoắn phôi tạo ra vết nứt bên trong và làm hư hỏng các chi tiết khác của máy cán trong lúc làm việc. 2.5 . Các đặc tính tĩnh và động của đối tƣợng 2.5.1. Các đặc tính tĩnh Đặc tính tĩnh của đối tượng là quan hệ giữa đại lượng ra và đại lượng vào của nó ở chế độ nhất định. Đối tượng của ta là, lượng vào là lưu lượng nhiên liệu lượng ra là nhiệt độ lò. Các đặc tính tĩnh có thể tìm được bằng con đường tính toán giải tích hoặc thực nghiệm. Đối tượng ta xét thuộc loại đối tượng định vị, quan hệ lượng ra và lượng vào ở trạng thái ổn định biểu hiện bằng phương trình. Xr = F(xv) (2.1) - Hàm tuyến tính Ứng với mỗi giá trị ổn định của lượng vào (lưu lượng dầu) ta có một giá trị ổn định xác lập của lượng ra (nhiệt độ), ở chế độ khác nhau quan hệ Xr và Xv cũng khác nhau. Cụ thể là ứng với từng năng suất khác nhau của lò ta có một họ đặc tính tĩnh. Một thông số quan trọng đặc trưng cho tính chất tĩnh của đối tượng là hệ số truyền hay hệ số khuyếch đại được biểu diễn bằng quan hệ. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 37 limdt Xr dXr K Xv dXv     (2.2) Hình 2.1 là họ đặc tính tĩnh của lò nung liên tục biểu diễn quan hệ của nhiệt độ theo lưu lượng dầu. a, Hình 2.1 b, a. Nhiệt độ vùng nung; 1. Năng suất 100% b. Nhiệt độ vùng đồng nhiệt; 2. Năng suất 70% 2.5.2. Đặc tính động Đặc tính động của đối tượng là sự thay đổi lượng ra theo thời gian khi xuất hiện nhiễu, các đặc trưng động cho phép ta đánh giá các tính chất động của đối tượng ở trạng thái quá độ. Đặc trưng động có thể biểu diễn dưới nhiều dạng khác nhau: - Dạng phương trình vi phân. - Dạng các đặc tính thời gian - Dạng đặc tính tần. 2.5.3. Xác định cấu trúc hàm truyền từ đặc tính quá độ Ta kích thích vào đối tượng một hàm 1(t) ta thu được đặc tính h(t) tại đầu ra như hình vẽ hình 2.2. Dựa vào những kết luận ta có Hình 2.2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 38 * Ta thấy h(+0)= 0 và 0 dh dt  Nên m > n * ( )h k  Hàm truyền của đối tượng tồn tại khâu khuyếch đại * Ta thấy h(t) không lượn sóng không có độ quá điều chỉnh nên các hằng số thời gian của đối tượng là các số thực và thỏa mãn điều kiện n mT T  , 1 1n mT T   ,……. 1 1m nT T   Vậy hàm truyền của đối tượng là một khâu quán tính bậc nhất có trễ và có dạng: k w(s)= Ts+1 se  (2.3) 2.5.4. Xác định tham số cho hàm truyền Xấp xỉ thành phần trễ ta có hàm truyền của đối tượng có dạng: 1 2 k w(s)= (Ts+1)(T s+1) (2.4)  Xác định các tham số: k, T=T1, 2T   Ta có: 0 ( ) lim ( ) lim w(s)=k t s h h t       Ta thấy trong khoảng thời gian 0 ut T  h(t) có tốc độ tăng dần sau đó giảm dần về 0 khi t  h(t) có tốc độ biến thiên đạt cực đại tại điểm uốn t ( )h k  h(t) 0  a b Tu A h(Tu) Hình 2.3 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 39 * max ( ) lim ut T dh t v v dt   Gọi A là điểm uốn kẻ tiếp tuyến tại A (htt(t)) sau đó xác định được hai tham số, một là hoành độ giao điểm của đường tiếp tuyến với trục thời gian gọi bằng a, hai là hoành độ giao điểm của tiếp tuyến htt(t) với đường ( )h k  trừ đi a gọi bằng b, Ta có: ( ) ( ) ( ) utt u h Tk h t tg t a b T a      ( )u u h T a T tg   Ta có: 1 21 1 1 2 1 2 1 2 1 2 w(s) k ( ) 1 s s(1+Ts)(1+T s) t t T TT Th t L L k e e T T T T                         Khi t=Tu thay vào phương trình trên và giải phương trình 2 2 ( ) 0 dh t dt  Ta thu được 1 2 1 1 2 2 lnu TT T T T T T   2 1 22 2 1 ( ) T T TTdh t ktg e dt T T    Vậy: 1 2 ( )u u u h T a T T b T T tg      Gọi 2 1 T x T  Xác định tỷ số 1 2 1 21 1u u T T tgT T T Ta tg b b b k k         2 1 ln 1 1 1 x x a x x x x b x        Kiểm tra tỷ số a b nếu 0 0.103648 a b   thì là khâu quán tính bậc hai. Giải phương trình trên bằng passcal, c++… ta tìm được x. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 40 Ta xác định được T1, T2 bằng công thức 1 1 x x b T x   và 2 1T xT (2.5) Trong quá trình tìm hiểu và tính toán ta thấy lò nung của nhà máy có dạng là một khâu phi tuyến, ta có thể coi lò là một khâu quán tính bậc nhất có trễ cùng với đặc tính tĩnh của lò. Hàm truyền của khâu quán tính bậc nhất có trễ là W(s)= 1 sK e Ts   (2.6) Với K = 72; T = 1200; 60  2.6 . Tỷ lệ nhiên liệu/không khí, xác định đặc tính cực trị của đối tƣợng * Tính toán hợp thức nhu cầu không khí cho quá trình đốt cháy dầu đốt Quá trình đốt cháy cần không khí. Khối lượng không khí cần thiết được tính theo phương pháp dưới đây. Bước đầu tiên là xác định thành phần của dầu đốt. Các thông số dầu đốt điển hình rút ra từ các phân tích trong phòng thí nghiệm cho trong bảng dưới đây: Bảng 2.1: Số liệu phân tích thành phần dầu [8] Thành phần % khối lƣợng Cacbon 85,9 Hydro 12 Oxy 0,7 Nitơ 0,5 Lưu huỳnh 0,5 Nước (H2O) 0,35 Tro xỉ 0,05 GCV nhiên liệu 10880 kcal/kg Nếu chúng ta sử dụng những số liệu phân tích này và xem xét 100 kg dầu đốt, sẽ có các phản ứng hoá học như sau: Yếu tố Khối lượng phân tử (kg / kg mole) C 12 O2 32 H2 2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 41 S 32 N2 28 CO2 44 SO2 64 H2O 18 C + O2 → CO2 H2 + 1/2O2 → H2O S + O2 → SO2 Thành phần nhiên liệu C + O2 → CO2 12 + 32 → 44 12 kg C cần 32 kg O2 để tạo ra 44 kg CO2, vì vậy 1 kg C cần 32/12 kg, tương đương 2,67 kg O2. (85,9) C + (85,9 x 2,67) O2 → 315,25 CO2 2H2 + O2 → 2H2O 4 + 32 → 36 4 kg H2 cần 32 kg O2 để tạo ra 36 kg nước, do đó, 1 kg H2 cần 32/4 kg tương đương 8 kg O2 (12) H2 + (12 x 8) O2 → (12 x 9 ) H2O S + O2 → SO2 32 + 32 → 64 32 kg S cần 32 kg O2 để tạo ra 64 kg SO2, vì vậy, 1kg S cần 32/32 kg, tức là 1kg O2 (0,5) S + (0,5 x 1) O2 → 1,0 SO2 Tổng cộng lượng O2 cần = (229,07+96+0,5) = 325,57 kg O2 có trong 100 kg nhiên liệu (đưa ra) = 0,7 kg Lượng O2 cần thêm = 325,57 – 0,7 = 324,87 kg Từ đó, lượng không khí khô cần = (324,87) / 0,23 (không khí chưa 23% O2, theo trọng lượng ) = 1412,45 kg không khí Lượng không khí cần trên lý thuyết = (1412,45) / 100 = 14,12 kg không khí / kg nhiên liệu Trong ví dụ này, mỗi kg dầu đốt cần 14,12 kg không khí. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 42 Như vậy, giữa nhiên liệu cháy (dầu) và không khí dùng để đốt cháy có một quan hệ nhất định. Khi lưu lượng nhiên liệu vì một lý do nào đó thay đổi thì lưu lượng không khí cũng phải thay đổi cho phù hợp (lưu lượng nhiên liệu là chủ đạo, lưu lượng không khí là phụ thuộc). Nếu trong quá trình làm việc lượng không khí không phù hợp (thừa hoặc thiếu) đều dẫn đến các phản ứng cháy không hoàn toàn, hiệu suất thấp và gây tổn thất dầu. Việc điều khiển tối ưu sự cháy của nhiên liệu là thực hiện tìm một hệ số tỷ lệ giữa nhiên liệu và không khí như thế nào đó để nhiệt độ ngọn lửa là cực đại, hình 2.4. Theo ví dụ phân tích ở trên ta có thể điều khiển lưu lượng gió theo tín hiệu điều khiển lưu lượng dầu hoăc điều khiển độc lập nhau. Thông thường lưu lượng dầu và gió được bộ điều khiển tính toán theo nhiệt độ đặt và tín hiệu phản hồi. Tỷ lệ dầu và gió được tính toán dựa trên cơ sở phân tích quá trình cháy. Thậm chí đối với những hệ thống cũ các thợ lò thường đốt lò theo kinh nghiệm và điều chỉnh lưu lượng dầu và gió bằng tay. Ví dụ ở Nhà máy kính Đáp Cầu (Bắc Ninh); hệ thống cũ của nhà máy cán 3 vạn Thái Nguyên... Trên thực tế do nhiều yếu tố tác động như: Nhiệt độ gió (nhiệt độ môi trường), chất lượng không khí (không phải lúc nào tỷ lệ O2 có trong không khí là 23%), nhiệt độ và chất lượng dầu ... do vậy tỷ lệ gió và dầu không phải lúc nào cũng theo đúng tỷ lệ tính toán. Thường thì lưu lượng gió cần nhiều hơn tính toán, điều đó thể hiện qua hệ số dư thừa 'm m  , với m’ là khối lượng không khí tính toán, m là khối lượng không khí cần thực tế (thường 1.1 1.25   ). Trong quá trình làm việc, nếu điều kiện làm việc đúng như giả thiết ban đầu (= hằng số), khi đó nếu thay đổi lưu lượng dầu vào lò ta có họ đặc tính cực trị như hình 2.5a. Còn nếu có tác động nhiễu vào lò, làm hệ số  thay đổi thì ta có họ đặc tính cực trị như hình 2.5b. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 43 Để khắc phục những khó khăn trong quá trình phân tích các phản ứng cháy và các yếu tố liên quan, các hệ thống điều khiển mới hiện nay hầu hết là thực hiện theo nguyên tắc điều khiển thích nghi giữa lưu lượng gió theo lưu lượng dầu. Bộ điều khiển thích nghi tìm cực trị có nhiệm vụ dò tìm lưu lượng gió phù hợp nhất với mỗi lưu lượng dầu, đồng thời luôn duy trì điểm làm việc tối ưu.Tức là tìm hệ số  bằng bao nhiêu đó để có nhiệt độ ngọn lửa là cực đại. 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 anfa N hi et d o DAC TINH CUC TRI KHI LL DAU THAY DOI 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 anfa N hi et d o O DAC T NH CUC TRI K I CO NHIEU TAC DONG Hình 2.5. Họ đặc tính cực đại của lò đốt 2.7. Kết luận chƣơng 2 Qua nghiên cứu cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của lò nung ta nhận thấy rằng, lò nung là một đối tượng phi tuyến có đặc tính cực trị cực đại, yêu cầu tự động hoá và ổn định nhiệt độ ở các vùng là rất cần thiết vì nó quyết định đến năng suất và chất lượng sản phẩm. Để nung thép người ta dùng dầu FO làm nhiên liệu đốt, vì vậy làm sao để đốt cháy hết nhiên liệu, nhiệt năng toả ra là lớn nhất, tiêu hao nhiên liệu là ít nhất trong một đơn vị sản phẩm, đây là bài toán kinh tế cần giải quyết. Việc thiết kế hệ thống điều chỉnh *  0 T Tmax Hình 2.4. Đặc tính cực đại của lò đốt Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 44 nhiệt độ lò cần giải quyết hai vấn đề, một là điều chỉnh tỷ lệ lưu lượng dầu và gió hợp lý phù hợp với năng suất lò, hai là với một lượng dầu nhất định cần phải cấp một lượng không khí là bao nhiêu để nhiệt độ ngọn lửa là cực đại và luôn duy trì ổn định tại vị trí đó. Đối với các hệ thống cũ tỷ lệ gió/dầu thường được tính toán trên một số giả thiết nhất định, từ đó tỷ lệ này được giữ “cứng” trong quá trình điều khiển. Như vậy khi có sự sai khác giữa điều kiện thực tế với giả thiết ban đầu (ví dụ khi chất lượng dầu thay đổi, tỷ lệ O2 trong không khí không giống giả thiết, chế độ làm việc thay đổi, nhiệt độ môi trường thay đổi…) sẽ dẫn tới thừa hoặc thiếu gió, hiệu suất cháy giảm gây tổn hao dầu. Đề tài này sẽ tiếp tục nghiên cứu, phát triển bộ điều khiển thích nghi, điều khiển lưu lượng gió theo lưu lượng dầu, đồng thời “tìm” và duy trì tỷ lệ gió/dầu phù hợp nhất khi có sự thay đổi của điều kiện làm việc và các yếu tố môi trường. Nhằm nâng cao hiệu suất và tiết kiệm dầu đốt. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 45 CHƢƠNG 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 3.1. Giới thiệu một số phƣơng pháp thiết kế bộ điều khiển Có rất nhiều cách thiết kế bộ điều chỉnh khác nhau. Sau đây là một số cách thiết kế điển hình. 3.1.1. Hệ thống điều khiển vị trí 3.1.1.1. Quy luật điều chỉnh 2 vị trí Với quy luật này tín hiệu ra của máy điều chỉnh xác định ở một trong hai trạng thái là Umax và Umin. Phương trình mô tả toán học được viết: u = B. Sign(e) Trong đó : B là tác động điều khiển ,Sign(e) là lấy mẫu của sai lệch  Khi e > 0 Sign(e) = 1, u = B = Umax