Luận văn thạc sỹ kĩ thuật
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
2
LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay đất nước ta đang trong thời kì đổi mới, thời kì công nghiệp hoá,
hiện đại hóa cùng với sự phát triển của công nghệ thông tin, ngành kĩ thuật điện tử
là sự phát triển của kỹ thuật điều khiển và tự động hóa. Trong lĩnh vực gia công
nhiệt ta thường giải quyết bài toán là điều khiển nhiệt độ trong các lò nung theo một
chỉ tiêu nào đó, tuy nhiên chất lượng của các sản phẩm trong quá trình gia công
nhiệt lại phụ thuộc vào trường nhiệt độ trong phôi. Như vậy đặt ra bài toán phải
điều khiển được nhiệt độ trong phôi nung theo chỉ tiêu chất lượng đặt ra, tức là phải
điều khiển một thông số mà không thể dùng sensor đo được. Từ đó đặt ra bài toán
“Biết vỏ tìm lõi”
Trong khuôn khổ luận văn em đã đi vào nghiên cứu tìm hiểu một số phương
pháp tính toán trường nhiệt độ trong phôi tấm. Nghiên cứu xây dựng mô hình quan
sát nhiệt độ dưới dạng mô hình hàm truyền. Sau khi có mô hình hàm truyền về
trường nhiệt độ trong tấm, đã thiết kế bộ điều khiển bằng phương pháp kinh điển
và điều khiển mờ. Như vậy có thể điều khiển trường nhiệt độ trong phôi thoả mãn
yêu cầu công nghệ đặt ra (Trước kia ta chỉ điều khiển được nhiệt độ trong không
gian lò).
Sau thời gian tìm hiểu và nghiên cứu và đặc biệt dưới sự hướng dẫn của
Thầy PGS.TS Nguyễn Hữu Công luận văn đã được hoàn thành.
Trong quá trình thực hiện luận văn, chắc chắn không tránh khỏi những thiếu
sót. Em rất mong được sự chỉ bảo của các thầy cô giáo và sự góp ý chân thành của
các bạn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Thái nguyên, ngày 4/4/2009
Học viên
Ngô Minh Đức
Luận văn thạc sỹ kĩ thuật
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
3
MỤC LỤC
Nội dung Trang
Lời cảm ơn 1
Lời nói đầu 2
Mục lục 3
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN
TRƯỜNG NHIỆT ĐỘ TRONG PHÔI TẤM 5
1.1. Thành lập phương trình truyền nhiệt 5
1.2. Điều kiện ban đầu và điều kiện biên 7
1.3. Tính toán trường nhiệt độ trong phôi tấm bằng phương pháp giải tích 8
1.4 Tính toán trường nhiệt độ trong phôi tấm bằng phương pháp số 10
1.4.1. Phương pháp sai phân giải bài toán có trị ban đầu 11
1.4.1.1. Mô hình bài toán 11
1.4.1.2. Lưới sai phân 11
1.4.1.3. Hàm lưới 11
1.4.1.4. Đạo hàm lưới 11
1.4.1.5. Liên hệ giữa đạo hàm và đạo hàm lưới 12
1.4.1.6. Phương pháp Euler hiện 13
1.4.1.7. Phương pháp Euler ẩn 13
1.4.1.8. Phương pháp Crank – Nicolson 14
1.4.2. Phương pháp sai phân giải bài toán truyền nhiệt một chiều 14
1.4.2.1. Mô hình bài toán 14
1.4.2.2. Lưới sai phân và hàm lưới 15
1.4.2.3. Xấp xỉ các đạo hàm 17
1.4.2.4. Phương pháp sai phân hiện (cổ điển) 18
1.4.2.5. Phương pháp ẩn (cổ điển) 19
1.4.2.6. Phương pháp Crank - Nicolson (6 điểm đối xứng) 20
1.5. Kết luận chương 1 22
CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH HÀM TRUYỀN ĐỂ XÁC ĐỊNH
NHIỆT ĐỘ TRONG PHÔI TẤM 23
2.1. Đặt vấn đề 23
2.2. Nghiên cứu đối tượng điều khiển 23
2.3. Xây dựng mô hình hàm truyền đối với vật mỏng 24
2.4. Xây dựng mô hình hàm truyền khi phôi được chia làm 2 lớp (n=2) 25
2.5. Xây dựng mô hình hàm truyền khi phôi được chia làm 2 lớp (n=3) 26
2.6. Xây dựng mô hình hàm truyền khi phôi được chia làm 2 lớp (n=4) 28
Luận văn thạc sỹ kĩ thuật
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
4
2.7. Xây dựng mô hình hàm truyền khi phôi đựơc chia thành n lớp 31
2.8. Ví dụ tính toán hàm truyền từng lớp khi chia phôi thành 1 lớp và 3 lớp 33
2.9. Kết quả mô phỏng cho bộ quan sát nhiệt độ 35
2.10. Kết luận 38
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ TRONG PHÔI TẤM 39
3.1. Giới thiệu một số phương pháp thiết kế 39
3.1.1. Phương pháp đa thức đặc trưng có hệ số suy giảm thay đổi được 39
3.1.2. Phương pháp bù hằng số thời gian trội 42
3.1.3. Thiết kế bộ điều chỉnh cho hệ có hành vi tích phân 46
3.1.4. Phương pháp thiết kế bộ bù 50
3.1.5. Bộ điều khiển mờ 51
3.1.6. Thiết kế bộ điều khiển mờ 67
3.2. Thiết kế 75
3.2.1. Thiết kế bộ điều khiển PID điều khiển nhiệt độ cho lớp 2 khi chia
phôi làm 3 lớp 75
3.2.2. Thiết kế bộ điều khiển mờ điều khiển nhiệt độ cho lớp 2 khi chia
phôi làm 3 lớp 77
CHƯƠNG 4: CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 83
4.1. Kết quả mô phỏng khi thiết kế bộ điều khiển PID để điều khiển nhiệt độ
cho lớp 1 và lớp 2 khi phôi được chia thành 3 lớp 83
4.2. Kết quả mô phỏng khi thiết kế bộ điều khiển mờ để điều khiển nhiệt độ
cho lớp 1 và lớp 2 khi phôi được chia thành 3 lớp 84
4.3. Kết luận và kiến nghị nghiên cứu tiếp theo 85
4.3.1 Kết luận 85
4.3.2 Những kiến nghị nghiên cứu tiếp theo 85
TÀI LIỆU THAM KHẢO 86
PHỤ LỤC 87
Luận văn thạc sỹ kĩ thuật
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
5
CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN TRƯỜNG
NHIỆT ĐỘ TRONG PHÔI TẤM
1.1. Thành lập phương trình truyền nhiệt
Xét một vật rắn truyền nhiệt đẳng hướng,
),,,( tzyxu
là nhiệt độ của nó tại
điểm
),,( zyx
ở thời điểm
t
. Nếu tại các điểm khác nhau của vật nhiệt độ khác nhau
thì nhiệt sẽ truyền từ điểm nóng hơn tới điểm nguội hơn. Sự truyền nhiệt đó tuân
theo định luật sau:
Nhiệt lượng
Q∆
đi qua một mảnh mặt khá bé
S∆
chứa điểm
),,( zyx
trong một
khoảng thời gian
t∆
tỷ lệ với
S∆
,
t∆
và đạo hàm pháp tuyến
n
u
∂
∂
. Tức là
n
u
StzyxkQ
∂
∂
∆∆−=∆ ),,(
(1.1)
Trong đó
0),,( >zyxk
là hệ số truyền nhiệt (
),,( zyxk
không phụ thuộc vào hướng
của pháp tuyến với
S∆
vì sự truyền nhiệt là đẳng hướng),
n
là vectơ pháp của
S∆
hướng theo chiều giảm nhiệt độ.
Gọi
q
là dòng nhiệt, tức là nhiệt lượng đi qua một đơn vị diện tích trong một đơn vị
thời gian. Từ
)1.1(
ta suy ra
n
u
kq
∂
∂
−=
.
Bây giờ ta lấy trong vật một thể tích tuỳ ý
V
giới hạn bởi một mặt kín trơn
S
và xét
sự biến thiên của nhiệt lượng trong thể tích đó trong khoảng thời gian từ
1
t
đến
2
t
.Từ
)1.1(
ta suy ra nhiệt lượng qua mặt
S
vào trong từ thời điểm
1
t
đến thời điểm
2
t
là
∫ ∫∫
∂
∂
−=
2
1
),,(
1
t
t S
ds
n
u
zyxkdtQ
.
Trong đó
n
là vecvtơ pháp hướng vào trong của mặt
S
. Áp dụng công thức
Ostrogradsky để đổi từ tích phân trên mặt
S
sang tích phân ba lớp ta được
( )
∫ ∫∫∫
=
2
1
1
t
t V
dxdydzkgradudivdtQ
Giả sử rằng trong vật có các nguồn nhiệt, gọi
),,,( tzyxF
là mật độ của chúng tức là
nhiệt lượng sinh ra hay mất đi trong một đơn vị thể tích của vật và trong một đơn vị
thời gian.
Luận văn thạc sỹ kĩ thuật
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
6
Nhiệt lượng sinh ra hay mất đi trong thể tích
V
từ thời điểm
1
t
đến thời điểm
2
t
là
∫ ∫∫∫
=
2
1
),,(
2
t
t V
dxdydzzyxFdtQ
Mặt khác ta lại biết rằng nhiệt lượng cần cho thể tích
V
của vật thay đổi nhiệt độ từ
),,,(
1
tzyxu
đến
),,,(
2
tzyxu
là
[ ]
∫∫∫
−=
V
dxdydzzyxzyxCtzyxutzyxuQ ),,(),,(),,,(),,,(
123
ρ
.
Trong đó
),,( zyxC
là nhiệt dung,
),,( zyx
ρ
là mật độ của vật.
Vì
∫
∂
∂
=−
2
1
),,,(),,,(
12
t
t
dt
t
u
tzyxutzyxu
nên có thể viết
∫ ∫∫∫
∂
∂
=
2
1
3
t
t V
dxdydz
t
u
CdtQ
ρ
.
Mặt khác
213
QQQ +=
nên ta có
( )
∫ ∫∫∫
=
−−
∂
∂
2
1
0),,,(
t
t V
dxdydztzyxFkgradudiv
t
u
Cdt
ρ
Vì khoảng thời gian
),(
21
tt
và thể tích
V
được chọn tuỳ ý, nên tại mọi điểm
),,( zyx
của vật và ở mọi thời điểm
t
biểu thức dưới dấu tích phân đều bằng không
( )
),,,( tzyxFkgradudiv
t
u
C +=
∂
∂
ρ
.
Hay
),,,( tzyxF
z
u
k
zy
u
k
yx
u
k
xt
u
C +
∂
∂
∂
∂
+
∂
∂
∂
∂
+
∂
∂
∂
∂
=
∂
∂
ρ
(1.2)
Phương trình đó gọi là phương trình truyền nhiệt trong vật đẳng hướng không đồng
chất. Nếu vật đồng chất thì
kC ,,
ρ
là những hằng số và phương trình có dạng
),,,(
2
2
2
2
2
2
2
tzyxf
z
u
y
u
x
u
a
t
u
+
∂
∂
+
∂
∂
+
∂
∂
=
∂
∂
(1.3)
Trong đó
ρ
C
k
a =
2
,
ρ
C
tzyxF
tzyxf
),,,(
),,,( =
. Đó là phương trình truyền nhiệt không
thuần nhất. Nếu trong vật không có nguồn nhiệt thì
0),,,( ≡tzyxF
ta sẽ được
phương trình truyền nhiệt thuần nhất:
∂
∂
+
∂
∂
+
∂
∂
=
∂
∂
2
2
2
2
2
2
2
z
u
y
u
x
u
a
t
u
)4.1(
Luận văn thạc sỹ kĩ thuật
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
7
Nếu ta xét sự truyền nhiệt trên một một vật đồng chất rất mỏng (chỉ khảo sát sự
truyền nhiệt theo hai phương) đặt trên mặt phẳng
Oxy
thì nhiệt độ
),,( tyxu
tại
điểm
),( yx
ở thời điểm
t
thoả mãn phương trình truyền nhiệt:
),,(
2
2
2
2
2
tyxf
y
u
x
u
a
t
u
+
∂
∂
+
∂
∂
=
∂
∂
)5.1(
Còn phương trình truyền nhiệt trên một vật đồng chất rất mỏng đặt dọc theo trục
x
là:
),(
2
2
2
txf
x
u
a
t
u
+
∂
∂
=
∂
∂
)6.1(
1.2. Điều kiện ban đầu và điều kiện biên
Trong vật lý ta biết rằng muốn xác định được nhiệt độ tại mọi điểm trong vật ở mọi
thời điểm, ngoài phương trình
)3.1(
ta còn cần phải biết phân bố nhiệt độ trong vật ở
thời điểm đầu và chế độ nhiệt độ ở biên
S
của vật.
Điều kiện biên có thể cho bằng nhiều cách
* Cho biết nhiệt độ tại mỗi điểm
P
của biên
S
),(|
1
tPu
S
ψ
=
)7.1(
* Tại mọi điểm của biên
S
cho biết dòng nhiệt
n
u
kq
∂
∂
−=
vậy ta có điều kiện biên
),(
2
tP
n
u
S
ψ
=
∂
∂
)8.1(
Trong đó
k
tPq
tP
),(
),(
2
−
=
ψ
là một hàm cho trước.
* Trên biên
S
của vật có sự trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh, mà nhiệt độ
của nó là
0
u
thì ta có điều kiện biên sau:
0)(
0
=
−+
∂
∂
S
uuh
n
u
)9.1(
Nếu biên
S
cách nhiệt thì
0=h
suy ra
)9.1(
trở thành
0=
∂
∂
S
n
u
Như vậy bài toán truyền nhiệt trong một vật rắn, đồng chất truyền nhiệt đẳng hướng
đặt ra như sau: Tìm nghiệm của phương trình
)3.1(
thoả mãn điều kiện đầu
),,(
0
zyxu
t
ϕ
=
=
và một trong các điều kiện biên
)9.1)(8.1)(7.1(
.
Luận văn thạc sỹ kĩ thuật
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
8
1.3. Tính toán trường nhiệt độ trong phôi tấm bằng phương pháp giải tích
Giới hạn bài toán là một tấm phẳng có chiều dày 2s, hệ số dẫn nhiệt λ, có hệ số toả
nhiệt từ bề mặt tới môi trường là α. Giả thiết đặt gốc toạ độ ở tâm của tấm phẳng, ta
có phương trình truyền nhiệt như sau:
2
2
uu
a
x
∂∂
∂τ ∂
=
(1-10)
Trong đó:u(x,τ=0) = u
o
=const
0
0; ( )
wf
x xS
uu
tt
xx
∂∂
λα
∂∂
= =
=−=−
Trong công thức trên:
a- là hệ số dẫn nhiệt độ
u- hàm nhiệt độ của vật
Với t
f
là nhiệt độ trong không gian lò nung. Để giải phương trình (1-10) ta dùng
phương pháp phân ly biến số:
Đặt: u(x,τ) = ϕ(τ).ψ(x) ta có :
,
2
,,
2
( ). ( )
( ). ( )
u
x
u
x
x
∂
ψ ϕτ
∂τ
∂
ψ ϕτ
∂
=
=
, ,,
( ). ( ) . ( ). ( )x ax
ψ ϕ τ ψ ϕτ
⇒=
Phương trình (1-10) sẽ tương đương với:
, ,,
() ()
() ()
x
ax
ϕτ ϕ
ϕτ ϕ
=
(1-11)
Phương trình (1-11) vế trái là một hàm theo thời gian τ, vế phải là một hàm theo toạ
độ không gian x, do đó chỉ thoả mãn khi cả hai vế đều là hằng số. Ta kí hiệu hằng
số này là k
2
, vậy từ (1-11) ta có :
ϕ
,
(τ) =ak
2
ϕ(τ) (1-12)
ϕ
‘’
(τ) = k
2
ψ(x) (1-13)
Nghiệm tổng quát của (1-12) là :
ϕ(τ) = B
1
exp(ak
2
τ)
Nghiệm tổng quát của (1-13) là:
ψ(x) = B
2
exp(kx) + B
3
exp(-kx)
Luận văn thạc sỹ kĩ thuật
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
9
Vậy nghiệm của (1-10) là:
u(x, τ) = ϕ(τ) . ψ(x) = B
1
exp(ak
2
τ).[B
2
exp(kx) + B
3
exp(-kx)] (1-14)
Ta thấy nhiệt độ không thể tăng vô hạn theo thời gian nên k
2
< 0.
Đặt k
2
=-q
2
hay k= ±iq. ⇒ (1-14) trở thành .
u(x,τ) = B
1
exp(-aq
2
τ)[B
4
cosqx +B
5
isinqx) (1-15)
Cả phần thực và phần ảo của (1-15) đều là nghiệm của phương trình vi phân và tổng
các nghiệm cũng là 1 nghiệm. Vậy nghiệm của phương trình có dạng:
u(x,τ) = C
1
exp(-aq
2
τ)[C
2
cosqx +C
3
sinqx] (1-16)
Vì:
0
0
x
u
x
∂
∂
=
=
nên C
3
= 0 . Vậy nghiệm trở thành:
u(x,τ) = Aexp(-aq
2
τ)cosqx (1-17)
Hơn nữa từ điều kiện biên
()
wf
xs
u
tt
x
∂α
∂λ
=
=−−
ta nhận được phương trình đặc
trưng:
cot
i
qs
gqs
B
=
hay
cot
i
g
B
µ
µ
=
(1-18)
Trong đó qs =µ và tiêu chuẩn Biô
i
s
B
α
λ
=
Phương trình (1-18) có hàng loạt nghiệm µ
1
, µ
2
, µ
n
các nghiệm này thoả mãn:
µ
1
<µ
2
< µ
3
< < µ
n
Đặc biệt khi B
i
→0 thì µ= 0, π, 2π,
B
i
→∞ thì µ = π/2,3π/2,5π/2,
Ta chập tất cả các nghiệm riêng vì dạng (1-17) với các giá trị khác nhau của µ ta
được nghiệm tổng quát:
2
2
1
cos( )exp( )
nn n
n
xa
uA
ss
τ
µµ
∞
=
= −
∑
(1-19)
Luận văn thạc sỹ kĩ thuật
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
10
Khi sử dụng các điều kiện đầuđã cho,ta xác định được ẩn số còn lại trong phương
trình (1-17) bằng cách nhân hai vế của phương trình với
cos
n
x
s
µ
=
, sau đó lấy tích
phân theo cận từ x= - s đến x= + s ta có :
0
2sin
sin cos
n
n
n nn
Au
µ
µ µµ
=
+
(1-20)
Tóm lại nghiệm của (1-10) là :
2
2
1
2 sin
cos( )exp( )
sin cos
on
nn
n
n nn
u xa
u
ss
µτ
µµ
µ µµ
∞
=
= −
+
∑
(1-21)
Khi ta sử dụng các tổ hợp không thứ nguyên ( hệ tương đối )
,
o
u
=:
u
u
là nhiệt độ không thứ nguyên
x
X
s
=
và hệ số không thứ nguyên
n
=
o
n
D
u
∆
Thời gian không thứ nguyên (theo tiêu chuẩn Fourier)
0
2
a
F
s
τ
=
,
Phương trình (1-21) được viết
,
2
n n no
n=1
= D cos(μ x)exp(-μ F )
u
∞
∑
(1-22)
Thực tế cho thấy khi F
o
đủ lớn, số hạng của chuỗi (1-22) giảm rất nhanh. Khi F
o
≥
0,3 ta chỉ cần lấy số hạng đầu tiên của chuỗi mà sai số không vượt quá 1%.
Ngoài phương pháp giải tích người ta còn dùng phương pháp số để giải bài toán dẫn
nhiệt tức là dùng phương pháp sai phân
1.4. Tính toán trường nhiệt độ trong phôi tấm bằng phương pháp số
Như đã biết việc sử dụng các công cụ giải tích để tính toán các bài toán kĩ thuật có
nhiều hạn chế, do đó người ta tìm cách tính gần đúng bằng các phương pháp số. Ở
đây xin giới thiệu phương pháp sai phân, trước hết ta xét một số bài toán đơn giản
đối với phương trình vi phân thường.
Luận văn thạc sỹ kĩ thuật
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
11
1.4.1. Phương pháp sai phân giải bài toán có trị ban đầu
1.4.1.1. Mô hình bài toán
Cho khoảng [x
0
, X]. Tìm hàm u = u(x) xác định tại [x
0
, X] và thỏa mãn:
,
0
(,)u f xu x x X= <<
(1.23)
0
()ux
η
=
(1.24)
Trong đó f(x,u) là một hàm số cho trước và
η
là một số cho trước.
Giả sử bài toán (1.23), (1.24) có nghiệm u = u(x) đủ trơn, nghĩa là nó có đạo
hàm liên tục đến cấp mà ta cần.
1.4.1.2. Lưới sai phân
Ta chia đoạn [x
0
, X] thành N đoạn con bằng nhau, mỗi đoạn con dài
( )/h baN= −
bởi các điểm
0
, 0,1, ,
i
x x ih i N=+=
(hình 1.1). Tập các điểm x
i
gọi là một lưới sai
phân trên [x
0
, X] ký hiệu là
,h
Ω
mỗi điểm x
i
gọi là một nút của lưới, h gọi là bước đi
của lưới.
Ta sẽ tìm cách tính gần đúng giá trị của nghiệm u(x) tại các nút x
i
của lưới
,h
Ω
.
Đó là ý tưởng đầu tiên của phương pháp sai phân, còn gọi là phương pháp lưới.
1.4.1.3. Hàm lưới
Đó là những hàm số xác định tại các nút của lưới
,h
Ω
. Giá trị của hàm lưới v tại nút
x
i
viết là v
i
.
Một hàm số u(x) xác định tại mọi x ∈ [a,b] sẽ tạo ra hàm lưới u có giá trị tại
nút x
i
là u
i
= u(x
i
).
1.4.1.4. Đạo hàm lưới
Xét hàm số v. Đạo hàm lưới tiến cấp một của v, ký hiệu là v
x
, có giá trị tại nút x
i
là:
1ii
xi
vv
v
h
+
−
=
Đạo hàm lưới lùi cấp một của v, ký hiệu
x
v
, có giá trị tại nút x
i
là:
x
x
0
x
1
x
2
x
i
x
N
=X
x
i+1
Hình 1.1 Lưới sai phân
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét