Đồ án điều khiển và giám sát lò nhiệt

Đồ án điều khiển và giám sát lò nhiệt

PHẦN 1

GIỚI THIỆU

CÁC ĐỐI TƯỢNG

LIÊN QUAN

CHƯƠNG 1 :

GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ VÀ NHIỆM VỤ LUẬN VĂN

1.1 Giới thiệu về nhiệt độ và phương pháp điều khiển :

Nhiệt độ là một đại lượng vật lý hiện diện khắp nơi và trong nhiều lĩnhvực, trong công nghiệp cũng như trong sinh hoạt Nhiệt độ trở nên là mối quantâm hàng đầu cho các nhà thiết kế máy và điều khiển nhiệt độ trở thành mộttrong những mục tiêu của ngành Điều Khiển Tự Động Trong nhiều lĩnh vựccủa nền kinh tế, vấn đề đo và kiểm soát nhiệt độ là một quá trình không thểthiếu được, nhất là trong công nghiệp Đo nhiệt độ trong công nghiệp luôn gắnliền với quy trình công nghệ của sản xuất , việc đo và kiểm soát nhiệt độ tốtquyết định rất nhiều đến chất lượng của sản phẩm trong các ngành công nghiệpthực phẩm, luyện kim, xi măng, gốm sứ, công nghiệp chế tạo động cơ đốttrong

Tùy theo tính chất , yêu cầu của quá trình mà nó đòi hỏi các phươngpháp điều khiển thích hợp Tính ổn định và chính xác của nhiệt độ cũng đượcđòi hỏi ở đây đặt ra các vấn đề cần phải giải quyết

Một điều thực sự cần thiết là ta phải khảo sát kỹ đối tượng cung cấpnhiệt mà ta cần phải điều khiển để dẫn đến mô hình toán học cụ thể Từ đóchúng ta sẽ giải quyết bài toán điều khiển trên cơ sở lý thuyết đã nghiên cứusẳn Hệ thống điều khiển nhiệt độ có thể phân làm hai loại : hệ thống điềukhiển hồi tiếp (feedback control system) và hệ thống điều khiển tuần tự(sequence control system)

 Điều khiển hồi tiếp thường được xác định và giám sát kết quả điều khiển ,

so sánh nó với yêu cầu thực thi (ví dụ điểm đặt) và tự động điều chỉnhđúng

 Điều khiển tuần tự thực hiện từng bước điều khiển tùy theo hoạt động điềukhiển trước khi xác định tuần tự

Một hệ thống muốn chính xác cần phải thực hiện hồi tiếp tín hiệu về sosánh với tín hiệu vào và ra sẽ được gởi đến bộ điều khiển hiệu chỉnh đầu ra Hệ thống điều khiển hồi tiếp có nhiều ưu điểm nên thường được thấy trong cáchệ thống tự động

Các phương pháp điều khiển khác nhau nhưng nguyên tắc điều khiển làgiống nhau Một hệ thống điều khiển nhiệt độ dựa trên nguyên tắc hệ thốnghồi tiếp có dạng tổng quát như hình dưới đây :

Đây là một hệ thống hồi tiếp qua bộ cảm biến cho tín hiệu đo lường nhiệtđộ về so sánh với giá trị đặt , sai lệch giữa tín hiệu đặt và đo sẽ được đưa tới bộđiều khiển tạo tín hiệu điều khiển công suất cấp cho bộ phận gia nhiệt Nhưvậy các phương pháp điều khiển khác nhau về bản chất là do các bộ điều khiểnkhác nhau tạo nên

1.2.Nhiệm vụ luận văn :

1.2.1.Nhiệm vụ của luận văn là tìm hiểu thực hiện các mục tiêu sau :

1 Sử dụng PLC SIEMENS S7-300 điều khiển lò nhiệt bằng phươngpháp mờ lai

2 Giám sát điều khiển và thu thập dữ liệu hoạt động của lò nhiệt sửdụng phần mềm WinCC (Windows Control Center)

1.2.2.Phạm vi điều khiển : do trong khuôn khổ giới hạn của luận văn nên em chỉ giớihạn trong phạm vi như sau :

X Bộ điều khiển Bộ phận gia nhiệt

Cảm biến nhiệt độ

 Đối tượng : PLC S7-300 (CPU 314IFM), modun AI SM331chuyên dụng có khả năng đọc trực tiếp tín hiệu từ các cảmbiến như Thermocoup, PT và lò nhiệt dân dụng

 Cảm biến : Thermocoup TC loại K có độ nhạy nhiệt 40V/10C

 Phương tiện điều khiển : OP (Operation Panel), tuy nhiên đượcthay thế bằng PC ( Personal Computer ) với hệ điều hànhWindows 98

 Giao tiếp máy tính : thông qua phần mềm WInCC của công tySIEMENS

 Bộ điều khiển mờ và PID : tích hợp trong PLC S7-300 củacông ty SIEMENS

 Chương trình điều khiển : soạn thảo bằng phần mềm Step7 củacông ty SIEMENS

CHƯƠNG 2 : GIỚI THIỆU PLC SIEMEN VÀ PHẦN MỀM

STEP7

1 GIỚI THIỆU PLC

PLC (Programmable Logic Control): thiết bị điều khiển logic khả trình là loại thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình, thay cho việc phải thể hiện thuật toán đó bằng mạch logic.

1.1 Vài nét về lịch sử của PLC:

PLC bắt đầu phát triển từ năm 1968 để đáp ứng một yêu cầu của hãngHydraumatic Division of General Motors (GM) Thời gian này, GM thường mấtnhiều thời gian để thay thế hệ thống điều khiển dựa trên relay mỗi khi cầnhiệu chỉnh hay thay đổi mẫu mã của xe hơi Để giảm chi phí cao về việc nối lạidây, kỹ thuật điều khiển của GM gọi hệ thống điện tử có sự linh động của máytính, có thể lập trình và bảo dưỡng bởi các kỹ sư và các chuyên gia trong xínghiệp Nó cũng có thể chịu đựng được bụi bẩn của không khí, sự rung, nhiễuđiện, độ ẩm và nhiệt độ cao trong các môi trường công nghiệp

PLC đầu tiên được lắp đặt vào năm 1969 và thành công nhanh chóng.Những chức năng giống như relay được thay thế, thậm chí những PLC đầu tiêncũng có độ tin cậy hơn hệ thống relay, lý do là thành phần điện tử của nó đơngiản so với các phần chuyển động của các relay điện cơ Nó chiếm ít khônggian hơn các counters, timers và các thành phần điều khiển khác mà nó thaythế Khả năng lập trình lại của nó rất lớn khi có sự thay đổi về kế hoạch điềukhiển

Có lẽ chìa khóa lớn nhất để PLC có thể chấp nhận được trong côngnghiệp là ngôn ngữ lập trình đầu tiên dựa trên giản đồ hình thang (ladderdiagram) và các ký hiệu thường dùng của thợ điện

Hầu hết các nhân viên trong xí nghiệp được huấn luyện theo mức logic hìnhthang nên họ dễ dàng chấp nhận nó trong PLC Thực ra mức logic hình thang có vai

trò chung trong việc lập trình và sửa chữa, cho dù ngôn ngữ lập trình tân tiến hơn đãđược phát triển.

1.2 Đặc điểm của PLC :

Một hệ điều khiển được gọi là điều khiển lập trình được khi các ngõ ravà các ngõ vào được nối kết với nhau thông qua một bộ điều khiển có thể lậptrình được Chức năng của một hệ điều khiển được chuyển đổi thành mộtchương trình và được nạp vào bộ điều khiển Bộ điều khiển dựa theo chươngtrình này để thực hiện quá trình điều khiển các ngõ ra và các thông số ngõ vào

Chúng ta có nên dùng một ngôn ngữ có thể lập trình ? Trong nhữngnăm 1970 và đầu thập kỷ 80 nhiều kỹ sư, nhà điều hành sản xuất và nhữngngười thiết kế hệ thống đã tốn nhiều thời gian để tranh luận về đề tài này songsong đó là chi phí cho PLC Ngày nay, người ta chấp nhận PLC vì nó trở nênkinh tế và có hiệu quả trong hệ thống điều khiển cần từ ba đến bốn relay haynhiều hơn trong khi đó chi phí cho một PLC nhỏ chỉ vài trăm dollars Các nhàsản xuất đặt hiệu suất và chất lượng lên hàng đầu nên chi phí trở nên khôngquan trọng

Với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật máy tính nhưng chúng ta vẫndùng PLC để điều khiển máy trong công nghiệp là vì:

 Một PLC đơn giản có thể dùng trong nhiều lĩnh vực côngnghiệp, từ việc điểu khiển lặp đi lặp lại một tác vụ đơn giảnnào đó cho đến việc điều khiển để chạy chỉ một tác vụ phứctạp

 Các chương trình điểu khiển có thể được thay đổi một cách dểdàng, cải tiến để phù hợp với hoạt động mới

 Chương trình điều khiển có thể dể dàng nạp vào nhiều PLC,dể dàng trao đổi chương trình

 Thời gian đáp ứng nhanh trở thành một tiêu chuẩn đối vớiPLC Điều này là cần thiết bởi vì trong điều khiển côngnghiệp, các tín hiệu từ các cảm biến thay đổi rất nhanh

 Trong PLC có sẳn các bộ đếm, bộ định thì có thể sử dụng vớinhiều độ chính xác khác nhau, khi trong quá trình điều khiểncó cần thêm

 Có thể chấp nhận được về tính kinh tế khi PLC được sử dụngtrong các hệ thống điều khiển có 4 relay hay nhiều hơn

 Khi dùng PLC có thể giao tiếp với các thiết bị như đèn LED 7đoạn, bộ chọn nhấn ( thumbwheels), các chức năng về xử lýtín hiệu analog, xử lý tín hiệu tần số cao

 Cho phép có thể hiển thị đồ hoạ trên một hệ thống

 Truyền thông: Những hoạt động giao tiếp với những PLC kháchay mạng máy tính giúp cho việc thu thập dữ liệu và trao đổithông tin được dể dàng

Các thiết kế đầu tiên là nhằm thay thế cho phần cứng các relay dây nốivà các logic thời gian Tuy nhiên, bên cạnh đó việc đòi hỏi tăng cường dunglượng nhớ và tính dễ dàng cho PLC mà vẫn đảm bảo được tốc độ xử lý cũngnhư giá cả

Chính những điều này đã gây ra sự quan tâm sâu sắc đến việc sử dụngPLC trong công nghiệp Các tập lệnh nhanh chóng đi từ các lệnh logic đơn giảnđến các lệnh đếm, định thời, thanh ghi dịch sau đó là các chức năng làm toántrên các máy lớn Sự phát triển của máy tính dẫn đến các bộ PLC có dunglượng nhớ lớn hơn, số lượng I/O nhiều hơn PLC sử dụng bộ nhớ có thể lậptrình được để lưu trữ các lệnh và thực thi các chức năng đặc biệt gồm có điềukhiển ON/OFF, định thời, đếm, thứ tự, số học và xử lý dữ liệu Với mọi hệ điềukhiển, các tín hiệu đầu vào, đầu ra được nối vào PLC PLC hoạt động bằngcách kiểm tra lại tín hiệu các lệnh (đã được lập trình trong bộ nhớ), sau đó ghikết quả vào ngõ ra đưa đến các thiết bị điều khiển

Trong PLC, phần cứng CPU và chương trình là hai đơn vị cơ bản choquá trình điều khiển hoặc xử lý hệ thống Chức năng mà bộ điều khiển cầnthực hiện sẽ được xác định bởi một chương trình Chương trình này được nạpsẵn vào bộ nhớ của PLC, PLC sẽ thực hiện việc điều khiển dựa vào chươngtrình này Như vậy nếu muốn thay đổi hay mở rộng chức năng của quy trìnhcông nghệ, ta chỉ cần thay đổi chương trình bên trong bộ nhớ của PLC Việcthay đổi hay mở rộng chức năng sẽ được thực hiện một cách dễ dàng mà khôngcần một sự can thiệp mang tính vật lý nào so với các bộ điều khiển dùng dâynối và relay

Nhiều PLC giúp gia tăng sự cạnh tranh Các quá trình thường sử dụngPLC bao gồm: đóng gói, đóng chai và vận chuyển, xử lý vật liệu, vận hànhmáy, phát năng lượng, những hệ thống điều khiển xây dựng, hệ thống bảo vệ,dây chuyền tự động, vẽ đường và xử lý nước PLC ứng dụng trong nhiều ngànhcông nghiệp bao gồm thức ăn và đồ uống, chuyển động tự động, hóa học, nhựa,bột giấy và giấy, dược và vật liệu Thực ra, bất kỳ một ứng dụng nào cần đếnđiện đều có thể sử dụng PLC

So sánh PLC với một số hệ thống khác:

Lớn Rất gọn Khá gọn Rất gọn

Tốc độ điều

khiển

Chậm Rất nhanh Khá nhanh Nhanh

Khả năng

chống nhiễu

Xuất sắc Tốt Khá tốt Tốt

Lắp đặt Mất thời gian

thiết kế và lắp đặt

Mất thời gian thiết kế

Mất nhiều thời gian lập trình

Lập trình và lắp đặt đơn giản Khả năng điều

khiển tác vụ

phức tạp

Dễ thay đổi

điều khiển

Công tác bảo

trì

Kém-có rất nhiều công tác

Kém- nếu IC được hàn

Kém- có rất nhiều mạch điện từ chuyên dùng

Tốt- các module được tiêu chuẩn hóa

1.3 Một vài ưu điểm của PLC trong tự động:

Ưu điểm :

- Thời gian lắp đặt công trình ngắn gọn

- Dễ dàng thay đổi mà không tổn thất tài chính

- Có thể tính toán được chính xác giá thành

- Cần ít thời gian huấn luyện

- Dễ dàng thay đổi thiết kế nhờ phần mềm

- Ứng dụng trong phạm vi rộng.

- Dễ bảo trì, các chỉ thị ra vào giúp xử lý sự cốdễ hơn và nhanh hơn

- Độ tin cậy cao

- Chuẩn hóa được phần cứng điều khiển

- Thích ứng trong môi trường khắc nghiệt: nhiệtđộ, độ ẩm, điện áp dao động, tiếng ồn

1.3.1 Điều khiển giám sát:

- Thay cho điều khiển Relay

- Thời gian đếm

- Thay cho các panels điều khiển mạch in

- Điều khiển tự động và bán tự động bằng tay,cácmáy và các quá trình

1.3.2 Điều khiển dãy:

Các phép toán số học

- Cung cấp thông tin

- Điều khiển liện tục: nhiệt độ, áp suất

- Điều khiển P.I.D

- Điều khiển động cơ chấp hành

- Điều khiển động cơ bước

1.3.3 Điều khiển mềm dẻo:

- Điều khiển quá trình và báo động

- Phát hiện lỗi và điều hành

- Ghép nối qua máy tính

- Ghép nối với máy in

- Mạng tự động hóa xí nghiệp

- Mạng cục bộ

- Mạng mở rộng

1.4 Cấu trúc của một PLC :

- Một hệ thống lập trình cơ bản phải gồm có hai phần: khối xử lýtrung tâm (CPU: Central Processing Unit) và hệ thống giao tiếp vào/ra (I/O)

Hình 1.4.a-Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển lập trình

- Khối điều khiển trung tâm (CPU) gồm 3 phần: bộ xử lý, hệ thốngbộ nhớ và hệ thống nguồn cung cấp

Hình 1.4.b-Sơ đồ khối tổng quát của CPU

2 Giới thiệu PLC SIEMEN

2.1 Cấu trúc , chức năng

1- Các khối của S7-300

Power Supply

CENTRALPROCESSINGUNIT

INPUT

OUTPUT

- Khối chức năng (FM): Thể hiện những chức năng đặc biệt sau+ Đếm

+ Định vị+ Điều khiển hồi tiếp

- Xử lý liên lạc (CP): Cung cấp những tiện nghi liên lạc sau+ Nối điểm – điểm

+ Mạng PROFIBUS+ Ethernet công nghiệp

- Phụ tùng: Các thanh nối và bộ phận nối phía trước mặt

2.2- Các thành phần cơ bản của S7-300

- Dẫn nhập: Bảng kê các thiết bị cấu hình S7-300

Rãnh trượt … Là giá của S7-300

Nguồn cung cấp (PS) … Biến đổi áp khu vực (120/230V) ra 24V DC là áp

làm việc của S7-300

Vi xử lý (CPU) … Thực hiện chương trình của người dùng phụ kiện:

khối nhớ, pin lưu trữKhối giao tiếp (IM) … Kết nối các thanh dữ liệu giữa các giá (dãy)Khối tín hiệu (SM)

(Digital/Analog) … Làm thích nghi với nhiều mức xử lý của S7-300 Phụ kiện: nối thanh ghi, nối phía trước Khối chức năng (FM) … Thực hiện nhiệm vụ định vị, điều khiển hồi tiếp

+ Bạn lưu ý nút đổi điện áp sơ cấp 120V và 230V

- Khối vi xử lý: CPU có những thành phần sau đây ở mặt trước:

+ Báo trạng thái và báo lỗi+ Công tắc chuyển đổi cách vận hành với 4 chọn lựa+ Mối nối nguồn cung cấp 24V

+ Phần giao tiếp nhiều điểm MPI để nối với các thiết bị lậptrình hay PLC khác

+ Hộc chứa pin (không có đối với CPU312/FM)+ Hộc chứa khối nhớ (không có đối với CPU312/FM, 314/FM)

- Khối giao tiếp: Có thể sắp xếp cấu hình theo nhiều kiểu

- Khối tín hiệu: Những khối này được chọn tùy theo dãy điện ápsử dụng và điện áp ngõ ra Có bộ nối bus điều khiển cho mỗi khối, và các vòngnối các bus dữ liệu phía sau Tín hiệu xử lý ở bộ nối phía trước

- Nối liên kết: Bạn cần có cáp để nối CPU trực tiếp với máy lậptrình

- Cáp: Cáp PROFIBUS và cáp nối cần có để nối nhiều PLC vớinhau

- FM: Những khối chức năng thay thế các khối IP

- CP: Bộ xử lý truyền thông dành cho hệ thống bus dữ liệu của PROFIBUS

2.3- Khả năng mở rộng của S7-300

- Độ mở rộng tối đa: cho phép mở rộng đến 32 khối, nhiều nhất là

8 khối trên mỗi giá (chồng) Không có qui luật về số rãnh đăng ký cho các khốitín hiệu, các khối chức năng, và các bộ xử lý truyền thông Nghĩa là chúng cóthể chiếm bất kỳ rãnh

- Khối giao tiếp (IM):

+ Khối giao tiếp (IM 360/361) được dùng để hồi tiếp thanh ghidữ liệu ở giá Bộ IMS là khối gửi, và bộ IMR là khối nhận Các khối giao tiếpphải dùng đúng rãnh chỉ định

+ Nếu cần, nguồn cung cấp phải gắn thêm ở giá mở rộng

+ Có loại khối giao tiếp tên IM 365 là dạng tiết kiệm dùng chocấu hình kiểu xếp 2 khối (Không dùng cho nguồn thêm; không nối CP)

- Phân đoạn nội bộ:

+ Có vài khối chức năng, chẳng hạn khối FM NC, có thể phảichỉ định cổng I/O cho chúng Khối FM có vùng I/O riêng, và khối này có thểtruy cập vùng I/O nhanh chóng Vùng I/O này là phân đoạn nội bộ

+ Một phân đoạn nội bộ có thể cấu hình cho từng rãnh, CPUkhông thể truy cập I/O

- Số rãnh+ Rãnh 1 đến 3:chỉ định thường trựcRãnh 1: PS (nguồn cung cấp), nếu cóRãnh 2: CPU (vi xử lý), nếu có Rãnh 3: IM (khối giao tiếp), nếu có

+ Rãnh 4 đến 11 (tự do chỉ định): SM, FM, CP có thể cắm vàobất cứ rãnh nào

- Khoảng cách: các loại cáp với độ dài sau được dùng cho cáckiểu sắp xếp cấu hình

+ Cấu hình 2 chồng với IM 365 tối đa 1m+ Cấu hình nhiều chồng với IM 360/361 tối đa 10m

2.4 Cấu trúc phần cứng

Các thành phần trong cấu trúc của S7-300

1 Giá đỡ chuẩn DIN: Nguồn cung cấp CPU, IM và nhiều nhấtlà 8 module có khả năng lắp đặt trên một giá

2 Nguồn cung cấp: có khả năng với dòng ra 2A, 5A, 10A vàđiện áp ra 24V DC Điện áp ra phải cách biệt, bảo vệ khi ngắn mạch và ổnđịnh như khi làm việc không tải Một đèn báo nguồn làm việc ở chế độ bìnhthường và đèn nhấp nháy khi quá tải Có thể chọn công tắc, chọn lưới điệncung cấp 120V hay 230V AC

3 Bộ xử lý trung tâm: CPU được lắp ráp với các phần tử đặt ởmặt trước của thiết bị sau đây:

- Đèn báo trạng thái và báo lỗi

- Công tắc chọn chế độ làm việc 4 vị trí

- Chỗ nối cho nguồn 24V

- Cổng MPI cho thiết bị lập trình hoặc cho ghép nối với mộtPLC khác

- Ngăn đựng pin (không có đối với CPU 312)

- Rãnh đặt một module (không có đối với CPU 312)

4 Module giao diện: tạo khả năng ghép nối nhiều cấu hình.

5 Module tín hiệu: được lựa chọn theo miền giới hạn của tínhiệu vào và ra Mỗi module có thêm một bus nối để tạo ra khả năng mở rộngtiếp các tín hiệu đo được nối ở bảng đấu dây của bộ nối

6 Cable nối (Cáp): đấu dây trực tiếp với thiết bị lập trình cầncó một cable dành cho máy lập trình PG Nếu nối một vài PLC với nhau trongmột mạng cần phải có cable profibus và bộ nối cable

7 FM: module chức năng thay chỗ cho module IP

8 CP: Bộ xử lý truyền thông dành cho hệ profibus

2.5 Modul mở rộng: được chia thành 5 loại

1 PS (power supply): module nguồn nuôi Có 3 loại 2A, 5A, 10A

2 SM (signal module): module mở rộng cổng tín hiệu vào ra Baogồm:

- DI (digital input): module mở rộng các cổng vào số Số các

cổng vào số có thể là 8, 16 hoặc 32 tùy thuộc vào từng loại module

- DO (digital output): module mở rộng các cổng ra số Số các

cổng ra số có thể là 8, 16 hoặc 32 tùy thuộc vào từng loại module

- DI/DO: module mở rộng các cổng vào/ra số Số các cổng vào/

ra số có thể là 8, 16 hoặc 32 tùy thuộc vào từng loại module

- AI (analog input): module mở rộng các cổng vào tương tự.

Chúng chính là bộ chuyển đổi số 12 bits (AD) tức là mỗi tín hiệu tương tự đượcchuyển thành một tín hiệu số (nguyên) có độ dài 12 bits Số các cổng vào tươngtự có thể là 2/4 hoặc 8 tùy từng loại module

- AO (analog output): module mở rộng các cổng ra tương tự.

Chúng chính là bộ chuyển đổi số 12 bits (AD) tức là mỗi tín hiệu tương tự đượcchuyển thành một tín hiệu số (nguyên) có độ dài 12 bits Số các cổng ratươngtự có thể là 2/4 hoặc 8 tùy từng loại module

- AI/AO: module mở rộng các cổng vào/ra tương tự Số các

cổng tương tự có thể là 4 vào/ 4 ra hoặc 4 vào/2 ra tùy loại module

3 IM (interface module): module ghép nối đây là loại module

chuyên dụng có nhiệm vụ nối từng nhóm các module mở rộng lại với nhauthành một khối và được quản lý chung bởi môt module CPU Thông thường cácmodule mở rộng được gá liền với nhau trên một thanh đỡ gọi là rack Trên mỗirack chỉ có thể gá được nhiều nhất 8 module mở rộng (không kể module CPU,module nguồn nuôi) Một module CPU S7-300 có thể làm việc trực tiếp đượcvới nhiều nhất 8 rack và các rack này phải được nối với nhau bằng module IM

4 FM (function module): module chức năng điều khiển riêng Ví

dụ module điều khiển động cơ bước, động cơ serco

5 CP (communication module): module phục vụ truyền thông

trong mạng giữa các PLC với nhau hoặc giữa PLC với máy tính

Tham khảo phụ lục

CHƯƠNG 4 CHƯƠNG TRÌNH FCPA

4.1 Chuẩn bị một Project cho việc khai báo bộ điều khiển mờ bằng FCPA

Chương trình FCPA (Fuzzy Control Parameter Assinment) là phần mềm hỗ trợ

việc tạo lập bộ điều khiển mờ cho PLC Simatic S7-300 theo từng bước như đãtrình bày

Trước hết ta phải cài đặt FCPA trên máy tính cá nhân.Việc cài đặt thành côngFCPA đòi hỏi :

- có ít nhất 1Mbytes còn trống trong ổ cứng

- Chạy dưới hệ điều hành Window 95/98 hoặc NT

Toàn bộ chương trình gốc của FCPA gồm 2 phần Fuzzy/Tool và Fuzzy/FB với dung lượng tổng cộng 2,27MB.Để cài dặt ,ta gọi tệp Setup .exe của Fuzzy/Tool và của Fuzzy/FB từ Window và thực hiện những chỉ dẫn hiện trên

Sau khi đã được cài dặt, phần chính của FCPA sẽ được tích hợp trong Step7

dưới thư mục S7WRFUZ, các công cụ hỗ trợ khác được đưa vào thư viện của

phần mềm Step7 cũng như Project

FuzConEx Xem hình minh họa

Bộ điều khiển mờ được tổng hợp với

FCPA có dạng một khối dữ liệu (DB) cho

Project ứng dụng Khối DB tạo bởi FCPA

sẽ được gọi là khối DB mờ và được sử dụng

cùng với FB Fuzzy Control có trong

Project FuzConEx khi cài đặt chương trình

Fuzzy/FB với tên mặc định là FB30 Bởi

vậy trước khi sử dụng FCPA để tạo lập DB

mờ cho Project ứng dụng, bắt buộc Project

ứng dụng đã phải có FB Fuzzy Control. Hình 1: thư viện của FuzCon

Ví dụ Project ứng dụng của ta có tên là FuzCon Trước khi sử dụng FCPA để tạo lập khối DB mờ cho Project ứng dụng FuzCon, ta phải sao chép FB Fuzzy Control có tên mặc định FB30 từ Project FuzConEx sang Project

FuzCon Có thể thay đổi tên FB30 nếu như trong Project ứng dụng của ta đã có

một FB trùng tên

Hình 2 : copy FB30 từ ví dụ FuzConEx sang Project hiện hành

4.2 Tạo DB mờ

Sau khi đã chuẩn bị một Projct ứng dụng cho bộ điều khiển mờ (Project có

chứa FB Fuzzy Control), ta có thể bắt đầu sử dụng FCPA để tạo lập DB mờ cho

bộ điều khiển mờ và khối DB mờ này phải nằm trong cùng một thư mục với FB

Fuzzy Control của Project ứng dụng Để vào FCPA ta thực hiện lệnh gọi từ

Window theo thứ tự

Start simatic  step7  Fuzzy Control Parameter Assignment

chương trình

Biến ngôn ngữ đầu vào

Biến ngôn ngữ đầu ra Luật

hợp thành

biết tên sẽ được đặt cho khối DB mờ,(vd DB2) và tên của Project là FuzCon Cửa sổ màn hình khai báo các dữ liệu đó có dạng như sau (HÌnh 3)

Sau khi đã cho đầy đủ tên Project, tên khối DB mờ, ta ấn phím OK.Chươngtrình FCPA sẽ kiểm tra lại trong Project FuzCon thực sự đã có khối hàm FuzzyControl hay chưa bằng thông báo liệt kê tất cả các khối hàm đã có trongProject ứng dụng Ta phải chọn trongbảng danh mục được liệt kê ra đó khối

hàm Fuzzy Control đã được lấy từ Project FuzConEx sang.

Aán phím OK để xác nhận và ta bắt đầu công việc tổng hợp bộ điềukhiên mờ với phần mềm FCPA

Trong luận văn, tập mờ được xây dựng với hai đầu vào ET, DET và bađầu ra Kr, Kp và An_pha ET là tín hiệu sai lệch từ bộ điều khiển và trị đặt,DET là đạo hàm sai lệch Kr, Kp, An-pha là các tham số tính toán được theophương pháp Zhao Tomizuka và Isaka (xem thêm phần lý thuyết điều khiểnmờ)

4.3.Khai báo số biến ngôn ngữ vào ra

Nếu tạo một DB mờ mới thì sau khi ấn phím

OK xác nhận khối FB Fuzzy Control, chương

trình FCPA sẽ hỏi số các biến ngôn ngữ vào/ra

của bộ điều khiển mờ bằng hộp hội thoại

Viết tên bộ điều khiển mờ (nếu muốn)

và số các biến ngôn ngữ vào ra vào những ô

tương ứng Hạn chế của FCPA là:

-Chỉ tạo lập được những bộ điều khiển

mờ với tối đa 8 biến vào Hình 4 : khai báo biến ngôn ngữ vào/ra

-Chỉ tạo lập được bộ điều khiển với tối đa 4 biến ra

Aán phím OK để xác nhận các giá trị vừa cho Những biến ngôn ngữ đầuvào sẽ có tên mặc định Input01, Input02,…và Output01, Output02…lần lượt làtên mặc định của biến ngôn ngữ đầu ra

Sau khi ấn OK, trên màn hình sẽ xuất hiện cửa sổ soạn thảo tiếp giá trịngôn ngữ của từng biến vào/ra cũng như luật hợp thành của bộ điều khiển mờ

4.4 Soạn thảo giá trị cho từng biến (ngôn ngữ ) đầu vào

Các giá trị của mỗi biến ngôn ngữ đầu vào được gọi là biến ngôn ngữ Vìbản chất của giá trị ngôn ngữ là tập mờ, nên để soạn thảo giá trị ngôn ngữ chomột biến ngôn ngữ ta cần phải:

1 Khai báo số các giá trị ngôn ngữ (tập mờ) của biến

2 Soạn thảo tập nền cũng như hàm thuộc cho từng giá trị ngôn ngữ.

Để vào chế độ soạn thảo giá trị ngôn ngữ (tập mờ) cho một biến đầu vàonào đó ta nháy kép phím chuột trái tại biểu tượng của biến đó Ví dụ để soạnthảo giá trị cho biến vào Input01, ta nháy kép vào biểu tượng của(đã đuợc đánhdấu trên màn hình ).Khi đó cửa sổ soạn thảo hiện ra:

Khai báo số các giá trị ngôn ngữ (tập mờ): Để khai báo số các tập mờ cho biến Input01, ta chỉ cần kích chuột vào phím Insert rồi viết số các tập mờ cần

có vào ô tương ứng trong cửa sổ hiện ra (tối đa là 7):

Tiếp theo ta ấn phím OK Số các tập mờ tối đa mà FCPA cho phép khai báo là

7 Các tập mờ được khai báo sẽ mặc định:

-Có tên lần lượt là n-big, n-small, zero, p-small, p-big

-Có hàm thuộc hình tam giác được chia đều trên tập nền

Sau khi ấn phím OK, FCPA sẽ in ra màn hình cửa sổ soạn thảo hàm thuộccho mỗi tập mờ như sau:

* Cụ thể trong luận văn :

a Hàm thuộc cho biến ET :

b Hàm thuộc cho biến DET :

c Hàm thuộc cho biến Kr và Kp :

d Hàm thuộc cho biến An_pha :

Sửa đổi hàm thuộc : Muốn sửa đổi hàm thuộc mặc định cho tập mờ nào, ta

kích hoạt tập mờ đó bằng cách ghi trực tiếp tên tập vào ô chứa tên tập mờ hoặcấn phím ▼ và chọn tên tập mờ trong bảng danh mục hiện ra Hàm thuộc củatập mờ được chọn sẽ chuyển sang màu đỏ báo trạng thái tích cực của nó

Việc sửa đổi hàm thuộc đồng nghĩa với việc đổi dạng (Singleton, tam giác hayhình thang) và miền xác định Có 2 cách sửa như sau:

1 -Cách thứ nhất: Chọn đỉnh của hàm thuộc cần sửa bằng cách đưa

chuột vào đỉnh đó và ấn phím chuột trái FCPA sẽ báo đỉnh đã đượctích cực bằng một vành khuyên nhỏ quanh đỉnh đó, ví dụ như ởhình dưới thì đỉnh C là đỉnh đã được tích cực Giữ nguyên phímchuột rồi kéo đỉnh đó sang phải hoặc sang trái để thay đổi toạ độcủa đỉnh

2 -Cách thứ hai: Sửa trực tiếp bằng cách ghi toạ độ mới vào các ô

trong cửa sổ Point

Như vậy muốn có hàm thuộc hình tam giác, ta cho đỉnh B trùng với đỉnh C (haiđỉnh có cùng toạ độ) Để có dạng singleton ta cho A trùng với D, B trùng với C

Sau khi đã soạn thảo hay sửa đổi xong tất cả các giá trị của một biến vào, taấn phím OK để kết thúc, FCPA sẽ quay lại màn hình ban đầu

4.5 Soạn thảo giá trị cho từng biến (ngôn ngữ) đầu ra

Tương tự như đã khai báo hay sữa đổi cho giá trị biến vào, việc khai báocác giá trị (tập mờ) cho biến ra cũng được bắt đầu bằng cách nháy kép phímchuột trái tại biểu tượng của biến đầu ra Muốn soạn thảo hay sửa đổi giá trịngôn ngữ(tập mờ) cho một biến đầu ra nào đó ta nháy kép phím chuột trái tạibiểu tượng của phím đó

Ví dụ để soạn thảo giá trị cho biến ra Output01, ta nháy kép vào biểutượng của nó Khi đó cửa sổ soạn thảo sẽ hiện ra Tiếp tục ta kích chuột vào

phím Insert để khai báo số các tập mờ cho biến Output01.

Chú ý là FCPA chỉ cho phép khai báo tối đa 9 giá trị cho mỗi biến ra

Sau khi khai báo xong số các giá trị (tập mờ )cho biến ra Output01 ta nhấnphím OK vào màn hình soạn thảo Khác với biến ngôn ngữ đầu vào, giá trị(tậpmờ) của các ra chỉ có duy nhất một dạng singleton

Muốn sửa đổi giá trị ngôn ngữ nào ta tích cực nó bằng cách chọn tên tậpmờ của giá trị đó trong bảng danh mục hiện ra khi ấn phím ▼ FCPA sẽ báotrạng thái tích cực cảu hàm thuộc của tập mờ được chọn bằng cách chuyển nósang màu đỏ và thêm một hình khuyên ở chính giữa

Để sửa đổi hàm thuộc dạng singleton đơn giản ta chỉ cần sửa đổi toạ độcủa nó bằng cách đưa con trỏ vào hình khuyên, giữ phím chuột trái rồi kéo

Luật hợp thành của các biến ngôn ngữ Kr, Kp,

An_pha được xây dựng theo phương pháp

Zhao Tomizuka và Isaka

sang phải/trái, hoặc trực tiếp ghi toạ độ mới vào ô Point của cửa sổ màn hìnhsoạn thảo

4.6.Soạn thảo luật hợp thành :

Sau khi khai báo xong biến ngôn ngữ vào/ra và các giá trị(tập mờ) cho chúng

chẳng hạn như ta đã khai báo m biến vào Input, … ,Inputm vớí các giá trị A m và

s biến ra Output 1=Bn1,…, output s với các giá trị Bi1 ,…, Bis bước tiếp theo là taxây dựng luật hợp thành Để vào chế độ xây dựng luật hợp thành có cấu trúc

R1: Nếu Input 1=A11 và… và Input 1= A1m thì Output 1= B11 và…và

ta nháy kép phím trái của chuột tại ô if… then:

Để soạn thảo từng mệnh đề hợp thành Aán phím insert để chèn thêm sẽ là một

cột gồm các ô trống Số các ô trống này được qui định bởi số các biến ngônngữ vào ra mà ta đã khai báo từ trước Mỗi ô trống ứng với một biến ngôn ngữ.Tiếp theo, nếu ta nháy chuột tại ô trống cua biến ngôn ngữ nào, trên màn hìnhsẽ hiện ra bảng các giá trị(tập mờ) của biến ngôn ngữ đó để ta chọn Ví dụ ởmàn hình soạn phía trên, mệnh đề hợp thành thứ nhất mà ta vừa soạn thảobằng cách chọn giá trị cho nó từ bảng các giá trị chính là:

Nếu Intput01=n-big và Intput02=n-big thì Output01=p_big

Sau khi khai báo xong đầy đủ các mệnh đề hợp thành, màn hình soạn thảoluật hợp thành sẽ có dạng như sau:

trong đó, do bị khống chế về kích thước cửa sổ màn hình, số các mệnh đề hợpthành nhiều nhất có thể được hiển thị là 9 tuy nhiên ta có thể xem các mệnhđề hợp thành khác bằng cách dịch chuyển phím hiển thị nhờ chuột.

4.7 Chọn động cơ suy diễn

FCPA chỉ cung cấp một động cơ suy diễn là max-MIN nên ta không có khảnăng chọn một động cơ suy diễn khác

4.8 Chọn phương pháp giải mờ

FCPA cũng chỉ cung cấp một phương pháp giải mờ duy nhất là phương pháp

điểm trọng tâm Bởi vậy trênmàn hình soạn thảo bộ điều khiển của FCPA

không có phím lựa chọn phương pháp giải mờ

4.9 Quan sát quan hệ vào ra của bộ điều khiển mờ

Cùng với việc khai báo xong luật hợp thành ta đã kết thúc quá trình soạn thảomột bộ điều khiển mờ Aán phím OK để kết thúc quá trình soạn thảo và trở vềcửa sổ màn hình chính của FCPA Ví dụ sau khi khai báo một bộ điều khiển mờcó 3 đầu vào, 2 đầu ra với luật hợp thành gồm 13 mệnh đề hợp và ấn phím OK,FCPA sẽ quay trở về màn hình chính

* Quan sát một cách trực quan quan hệ vào ra của bộ điều khiển mờ vừa soạn

thảo ta chọn Debug3D Graphic Display, khi đó trên màn hình xuất hiện đồ

thị mô tả quan hệ vào/ra của bộ điều khiển mờ như sau:

a Kr :

b Kp :

c An_pha :

Ngoài ra, ta còn có thể sử dụng chương trình FCPA để mô phỏng tín hiệu vào

ra và các mối quan hệ của bộ điều khiển mờ (hình)

Bằng cách thiết lập giá trị cho các tập mờ ta có thể quan sát trạng thái và giátrị hiện thời của Kr, Kp, An_pha (hình )

Sử dụng DB mờ với FB30(fuzzy control)

 Các tham biến hình thức của F B30

Bộ điều khiển mờ được soạn thảo xong cần phải được cất giữ vào Project

bằng lệnh filesave Nó sẽ được lưu trữ vào Project dưới dạng một khối DB

mà ta đã đặt tên Khối dữ liệu mờ này được sử dụng cùng với khối hàm FB30

đã được lấy từ Project FuzConEx trong thư viện của Simatic Manager khi cài đặt chương trình Fuzzy/FB Bởi vậy khi sử dụng khối dữ liệu mờ ta phải kết thúc FCPA bằng lệnh File Exit và quay trở lại Simatic Manager để viết

lệnh sử dụng theo cấu trúc:

Cú pháp CALL FB30 , DBx

Trong đó DBx là tên khối dữ liệu mờ Khối FB30 (tên hình thức Fuzzy Control) có 8 biến đầu vào INPUT 1 INPUT 8 kiểu số thực, 5 biến ra gồm OUTPUT 1OUTPUT 4 cũng kiểu số thực và INFO kiểu byte Khi thực hiện

lệnh gọi khối FB30 như trên, toàn bộ 8 biến hình thức đầu vào và 5 biến đầu rahiện trên màn hình chờ ta truyền tham trị:

Ví dụ, xét lại bài toán điều khiển cầu trục đã được đề cập tới ở mục 5.1.1 Gọi

tên kối dữ liệu mờ với hai biến vào  , một biến ra v và luật hợp thành như đã

mô tả được soạn thảobằng FCPA là DB2 thì khi sử dụng ta dùng lệnh:

CALL FB 30 , DBx

INPUT 1 := MD0 // Giá trị tín hiệu đo góc

INPUT 2 := MD4 // Giá trị tín hiệu đo tốc độ góc

INPUT 3 := // Không sử dụng

INFO := // Thanh ghi báo trạng thái

Nếu như trước đó giá trị tín hiệu đo góc  đã được ghi vào trong ô nhớ MD0,giá trị đo tốc độ thay đổi góc  được ghi vào MD4 Tín hiệu điều khiển động cơsẽ được FB30 truyền vào ô nhớ MD8

 Thanh ghi báo trạng thái làm việc của FB30

Giá trị trả về có tên INFO với kích thước một byte là mã báo trạng thái thực

hiện công việc của khối hàm FB30.Nó được quy định như sau:

B1600 Khối hàm FB30 đã được thực hiện bình thường

B1601 Khối hàm FB30 khôngõ được thực hiện Giá trị trả về ở đầu ra vẫn là những giá trị cũ

B1611 Không tìm thấy khối DB mờ đã chỉ thị Có thể khối DB mờnày đã không được đổ vào CPU

B1621 Khối dữ liệu DB mờ được gọi theo hàm FB30 không cùngkích thước về biến vào ra Chẳng hạn như khối DB mơ øđã đượcsoạn thảo cho 4 biến vào và 2 biến ra, nhưng khi gọi cùng với FB30 lại khaibáo 5 biến vào và 2 biến ra

Liên quan tới mã B1601 báo FB30 không làm việc là nội dung từ kép có

tên START_STOP trong DB mờ đã được soạn thảo bằng FCPA Từ kép này có tác dụngnhư một biến điều kiện để thực hiện lệnh CALL FB30, DBx:

-Nếu START_STOP = W160000 lệnh sẽ được thực hiện.

-Ngược lại khi START_STOP  W160000 thì lệnh sẽ không được thực hiện

CHƯƠNG 5 : MODULE MỀM PID

Nhiều năm trước đây, bộ điều khiển PID được coi là bộ điều khiển lý tưởng đốivới các đối tượng có mô hình liên tục Bộ PID thực sự là bộ điều khiển độngmà việc thay đổi các tham số của bộ điều khiển có khả năng làm thay đổi đặctính động và tĩnh của hệ thống điều khiển tự động

Bộ điều khiển PID thực chất là thiết bị điều khiển thực hiện luật điều khiểnđược mô tả bằng phương trình sau :

) ( )

(

1 )

T là hằng số thời gian vi phân

Đối với hệ thống có độ dự trữ ổn định lớn, nếu muốn tăng độ chính xác điềukhiển ta chỉ tăng hệ số khuếch đại của luật điều khiển tỷ lệ

Hệ thống sẽ không có sai lệch tĩnh khi tín hiệu vào là hàm bậc thang đơn vị vàhằng số thời gian tích phân T l được chọn khác không Luật điều khiển tíchphân còn gọi là điều khiển chậm sau vì sai số điều khiển được tích lũy cho đếnkhi đủ lớn thì quyết định điều khiển mới được đưa ra

Tăng khả năng tác động nhanh của hệ, giảm bớt thời gian quá điều chỉnh bằngcách thay đổi hằng số thời gian của luật điều khiển vi phân Luật điều khiển viphân còn được gọi là điều khiển vượt trước

Luật điều khiển trong phương trình (5.1) thường được biểu hiện dưới dạng hàmtruyền đạt như sau :

PID Đối tượng điều khiển

Hình 1 : điều khiển với bộ điều khiển PID

) 1

)(

1 ( 1

1 )

p

k p T p T k

p

D l

2 2 1 1

1 1 0

1)

Với bộ điều khiển PID, người sử dụng dễ dàng tích hợp các luật điều khiểnkhác như luật điều khiển tỷ lệ (luật P), điều khiển tỷ lệ–tích phân (luật PI),luật điều khiển tỷ lệ–vi phân (luật PD) Bộ điều khiển PID luôn là một phầntử không thể thay thế được trong các quá trình tự động khống chế nhiệt độ,mức, tốc độ … Ngay cả khi lý thuyết điều khiển tự động hiện đại được ứngdụng vào việc thiết kế, các bộ điều khiển như bộ điều khiển mờ, bộ điều khiển

nơ ron , bộ điều khiển bền vững thì việc kết hợp giữa các phương pháp điềukhiển hiện đại và bộ điều khiển PID kinh điển vẫn đem lại những hiệu quả bấtngờ mà không bộ điều khiển nào có khả năng đem lại

Một trong những ứng dụng của bộ điều khiển PID trong điều khiển thích nghi và điều khiển mờ là thường xuyên phải chỉnh lại các tham số của nó cho phù hợp với sự thay đổi không biết trước của đối tượng cũng như của môi trường nhằm

đảm bảo được các chỉ tiêu chất lượng đã đề ra cho hệ thống Nếu như ta đã tựđông hóa được công việc thay đổi tham số này thì bộ điều khiển PID đó sẽ làmột bộ điều khiển bền vững với mọi tác động của nhiễu nội cũng như nhiễungoại lên hệ thống [3] Đây chính là phương pháp điều khiển được ứng dụng

trong luận văn : điều khiển mờ lai

Phần lý thuyết về PID số được trình bày khá chi tiết trong lý thuyết về PID ở phần sau, nên trong phần này chỉ khái quát một số nét chính

Cũng chính vì vậy mà các thiết bị điều khiển quá trình như DCS DisbutedControl system, PLC Progerammable Logic Control, PCS Process Controlsystem của các hãng sản xuất thiết bị tự động trên thế giới không thể thiếuđược module điều khiển PID hoặc cứng hoặc mềm.

Để sử dụng tốt các module này, người thiết kế phải nắm được các phương phápchọn luật điều khiển và các tham số cho bộ điều khiển

5.1 Xác định tham số cho bộ điều khiển PID

Luật điều khiền thường được chọn trên cơ sở đã xác định được mô hình toánhọc của đối tượng và phải phù hợp với đối tượng cũng như thỏa mãn các yêucầu bài toán thiết kế [7], [15]

Trong trường hợp mô hình toán học của đối tượng không xác định được có thểchọn luật điều khiển và các tham số của bộ điều khiển theo phương pháp thựcnghiệm Tuy nhiên, để tiến hành được phương pháp thực nghiệm, hệ thốngphải đảm bảo thỏa mãn thêm một số điều kiện

5.1.1 Phương pháp Reinich

Phương pháp thiết kế thuật điều khiển của Reinisch dựa trên cơ sở mô hìnhtoán học của đối tượng đã xác định một cách tường minh Mô hình động họccủa đối tượng được đưa về hai dạng cơ bản sau:

1) Dạng khâu nguyên hàm với mô hình đặc trưng :

)

1(

)1()

1(

)1

(

)

(

1 1

n n

p T dt

n

i

i

p T dt

p a p

a p

e bp k

pT

e bp k

Với T i là các số thực thỏa mãn T1 T2  T n  0và hằng số thời gian trễ T t

, là một số thực hiện hữu hạn không âm Không mất tính tổng quát nếu ta giảthiếtT1, hằng số thời gian lớn nhất và T2 là hằng số thời gian lớn thứ hai.Nếu0 h  T3, thì bộ điều khiển thích hợp sẽ là P hoặc PI Trong trường hợp

4

0 h  T , người ta lại thường hay chọn bộ điều khiển PD hoặc PID

Dạng khâu động học có thành phần tích phân

)

1(

)1()

1(

)1

(

)

(

1 1

n n

p T idt

n

i

i

p T idt

p a p

a p

e bp k

pT

e bp k

với những điều kiện hạn chế giống như của (5.5)

Để thuận lợi cho việc thiết kế hệ thống với luật điều khiển I cho đối tượngdạng 1 và không có luật điều khiển I cho đối tượng dạng 2, Reinisch đã đưahàm truyền phải có của hệ hở về dạng gần đúng như sau :

) 2 2 1 0

1

(

1 )

(

p c p c pT

k cho đối tượng dạng 2

vàc1 được xác định từ các tham số của đối tượng sau :

1

1

T b T

Điều khiển đối tượng dạng 1

Để chọn T cho đối tượng dạng 1 ta đi từ độ quá điều chỉnh cực đại mong muốn

1

1

C K K C

max 2 max 2

ln

ln4

2) Cho trường hợp (5.7) có c2 0 thì = a+ c với a và c xác định từ  max

theo bảng bên, hằng số  có thể được xác định theo các cách :

' 1 1 1

' 1 1 2

' 2

2 1 1

1 2

2 c c T c T c

T b a b T a

e p p p

2 ( 1 10 )( 1 4 )

1 40

4 1

 không vượt qua 10%

Đề điều khiển đối tượng trên ta có thể sử dụng các bộ điều khiển I, P hoặcPI

Theo như bảng trên thì yêu cầu  max  10 % dẫn đến a=1,4 và c=1 Hơn nữađối tượng có các tham số k dt 1 ,b 0 ,a 14s,a 40s2 ,T1 4s

98 ,

198 ,

6 , 10 ,

2 2 '

2

2 2

'' 1

' 1

nếu bộ điều khiển được sử dụng là P hoặc PI

Giả sử rằng ta sử dụng bộ điều khiển I Vậy thì do  a  c=1,9 nên từ(5.10) có k1  0 , 03 và T p1 T p2= 0

Nếu bộ điều khiển mà ta sử dụng lại là PI thì các tham số cần xác định củabộ điều khiển là k1 va ø T 1 Từ  ac  2 , 38 ta suy ra được

Điều khiển đối tượng dạng 2

Ưu điểm của phương pháp Reiniseh là ngay cả trong trường hợp đối tượngcó thành phần tích phân (dạng 2), các giá trị cần thiết cho công việc tínhtoán tham số bộ điều khiển như ''

2 ' 2 2 '' 1 ' 1 ,

2 ' 2 2 '' 1 ' 1 ,

1c ,c ,c ,c ,c

c , tính theo (5.12) : (5.16), tacó  :

 và T p T1 cho bộ điều khiển PD

Trong đó  a  cvà a, c được tính từ độ quá điều chỉnh cực đại mong muốn

max

 theo bảng đã cho ở trang 210

Ví dụ 2 : Tìm bộ điều khiển cho đối tượng thuộc dạng 2 với mô hình

p p

e p p

p

2 ) 40 14 1

(

1 )

2 2 '

2

2 2

'' 1

5.1.2 Phương pháp thực nghiệm

Trong trường hợp không thể xây dựng mô hình cho đối tượng thì phương phápthiết kế thích hợp là phương pháp thực nghiệm Thực nghiệm chỉ có thể tiến

hành nếu hệ thống đảm bảo điều kiện : khi đưa trạng thái làm việc của hệ đến

biên giới ổn định thì mọi giá trị của các tín hiệu trong hệ thống đều phải nằm trong giới hạn cho phép.

Phương pháp Zlegier và Nichois

Trước khi tiến hành thực nghiệm hệ thống phải được lắp đặt theo sơ đồ ở hình5.1, bao gồm đối tượng và bộ điều khiển theo luật PID Sau khi lắp đặt xong,thực nghiệm được tiến hành theo các bước sau :

1) Cho hệ thống làm việc ở biên giới ổn định

Điều khiển đối tượng theo luật P, tức là cho T p  0 và T1  

Tăng hệ số khuếch đại k p của luật điều khiển P cho đến khi hệ thống ởbiên giới ổn định Xác định hệ số k pth và chu kỳ giao động tới hạn daođộng

Trong nhiều trường hợp , việc xác định chu kỳ dao động riêng gặp khó khăn vàkhông đảm bảo độ chính xác thì phương pháp giới thiệu sau đây sẽ khắc phụcnhược điểm đó

Phương pháp Jassen và Offerein

Thực nghiệm theo phương pháp này được tiến hành theo các bước sau đây :1) Cho hệ thống làm việc ở biên giới ổn định

Điều khiển đố i tượng theo luật P(T p  0 và T1  )

Tăng hệ số khuếch đại k pcủa luật điều khiển P cho đến khi hệ thống ở biêngiới ổn định Xác định hệ số k pth và chu kỳ giao động tới hạn dao động.

2) Chọn luật điều khiển và tính toán tham số từ k pth , T th theo bảng sau

Phương pháp Jassen và Offerein

1) Cho hệ thống làm việc ở biên giới ổn định

Điều khiển đối tượng theo luật P(T p  0 và T1 )

Xác định hệ số k pth

2) Chọn tham số cho luật PI

Cho hệ làm việc với luật PI và với hệ số k p =0,45 k pth, T1tùy chọn

Giảm hằng số thời gian tích phân T1 cho đến khi hệ thống làm việc ở biên giớiổn định Xác định hằng số thời gian tích phân T tth ở chế độ này

Chọn T1 = 3T lth

3) Chọn luật điều khiển PID

Cho hệ thống làm việc theo luật PID với k p =k pth  (  dù nhỏ), T D vàT1

Giảm k p cho đến khi hệ thống đạt được đặc tính đông học mong muốn

5.2 Module mềm PID

5.2.1 Những module PID mềm có trong có trong step7

Phần mềm Step7 cung cấp các module mềm PID để điều khiển các đối tượngcó mô hình liên tục như lò, động cơ, mức… đầu ra của đối tượng được đưa vàođầu vào của bộ điều khiển qua các cổng vào tương tự của các module vàotương tự của các Simatic S7-300/400 Tín hiệu ra của bộ điều khiển có nhiềudạng và được đưa đến các cơ câu chấp hành qua các module vào ra khác nhaunhư:

- qua các cổng ra tương tự của module ra tương tự (AO) hoặc

- qua các cổng ra số của module ra số (DO), hoặc

- qua các cổng phát xung ra tốc độ cao

Phụ thuộc vào cơ cấu chấp hành, người sử dụng có thể chọn được module mềmPID tương thích Ba module PID được tích hợp trong phần mềm Step7 phù hợpvới ba kiểu cơ cấu chấp hành nêu trên, đó là:

1 điều khiển liên tục với module mềm FB41 ( tên hình thứ CONT_ C)

2 Điều khiển bước với module mềm FB42 (tên hình thức CONT _ S)

3 Điều khiển kiểu phát xung với khối hàm hỗ trợ FB43 ( tên hình thứcCONT_S)

Mỗi module mềm PID đều có một khối lượng dữ liệu riêng (DB) để lưu giữ cácdữ liệu phục vụ cho chương trình tính toán thực hiện luật điều khiển Các khốihàm FB của module mềm PID đều cập nhật được những khối dữ kiệu này ởmọi thời điểm

Module mềm FB PULSEGEN được sử dụng kết hợp với module mềm FBCONT _ C nhằm tạo ra bộ điều khiển có tín hiệu ra dạng xung tốc độ cao thíchứng với những cơ cấu chấp hành kiểu tỷ lệ

Một bộ điều khiển PID mềm được hoàn thiện thông qua các khối hàm FBnhiều chức năng tạo ra tính linh hoạt cao trong thiết kế Người sử dụng có thểchọn các chức năng này hoặc loại bỏ các chức năng không cần cho một hệthống Các chức năng cơ bản khác như xử lý tín hiệu chủ đạo, tín hiệu quá trìnhvà tính toán các biến khác cùng với bộ điều khiển PID cũng được tích hợp sẵntrong một module điều khiển mềm

Một điều cần chú ý là những module PID mềm không toàn năng tới mức có thểứng dụng được vào mọi bài toán điều khiển Đặc tính điều khiển và tốc độ xửlý của module PID mềm phụ thuộc vào loại CPU được chọn để giải quyết bàitoán điều khiển Do khi xử ký một mạch vòng điều khiển người ta phải thựchiện công việc trích mẩu tín hiệu đầu vào cho mạch vòng điều khiển đó (liênquan đến tín hiệu báo ngắt theo chu kỳ thời gian OB30  OB38), nên cần phảicó sự tương thích giữa số mạch vòng điều khiển PID và khả năng cũng như tốcđộ tính toán của CPU Nếu bài toán điều khiển yêu cẩu tần suất cập nhật càngcao thì số dòng điều khiển phải càng giảm Chỉ ở những bài toán có số vòng

điều khiển ít người ta mới có thể sử dụng các bộ module PID mềm có tần suấttruy nhập cao.

Tất cả các module PID mềm đều cung cấp nhiều giải pháp lựa chọn luật điếukhiển trong khi thiết kế để độ điều khiển phù hợp được với đối tượng như : luậtđiều khiển tỷ lệ (luật P), luật điều khiển tỷ lệ – vi phân ( luật PD), luật điềukhiển tỷ lệ – tích phân ( luật PI)… Chất lượng của hệ thống phụ thuộc vào cáctham số của bộ điều khiển do đó, điều kiện bắt buộc để đảm bảo thành côngtrong thiết kế là người sử dụng phải có mô hình đối tượng chính xác Đó cũngchính là nhược điểm cơ bản của các phương pháp điều khiển kinh điển

Các đại lượng vật lý của đối tượng và đặc tính của bộ điều khiển quyết địnhđặc tính động của hệ thống trong quá trình điều khiển và chỉ bị thay đổi rất ít

so với thiết kế Chỉ có thể đạt được chất lượng điều khiển tốt nếu như ngườithiết kế chọn thuật điều khiển và thời gian trích mẩu phù hợp với đối tượng.Hoàn toàn có thể thiết kế bộ điều khiển (cấu trúc ,tham số , gọi module mềmPID trong chương trình hệ thống ) mà không cần lập trình Tuy nhiên muốn làmđược như vậy phải nắm được phần mềm Step7

5.2.2Khai báo tham số và các biến của module mềm PID

Người thiết kế có thể khai báo tham số và các biến cho bộ điều khiển trongmột dữ liệu địa phương (instance data block ) bằng cách sử dụng giao diện củamodule mềm PID Để vào chương trình khai báo tham số khó thực hiện

Star Simatic Step7 PID Control ParameteAssignment

Trong hộp hội thoại đầu tiên,ngươi thiết kế có thể mở khối dữ kiệu (DB ) đãtích hợp sẵn cho FB14 :con- C”, FB42 “ CON_S “ hoặc mở một khối dữ liệumới hoàn toàn Riêng FB43 “PULSEGEN” không thể thực hiện chọn tham sốvà biến qua giao diện, trong trường hợp này người thiết kế phải sử dụng côngcụ của STEP7 để thiết lập tham số và khai báo biến cho bộ điều khiển

Đối với CPU 314 IFM có thể thiết lập tham số và biến cho module mềm SFB41hoặc SFB42 bằng cách nhập trực tiếp một khối dữ liệu bất kỳ và chọn nó làmkhối lượng dữ liệu cục bộ cho những module này

5.3 điều khiển liên tục với FB41 “CONT C”

5.3.1Giới thiệu chung về FB41

Sơ đồ cấu trúc của module mềm FB41 “CONT- C” được minh họa trong hình5.2

FB41 “ CONT – C” được sử dụng để điều khiển các quá trình kỹ thuật với cácbiến đầu vào và đầu ra tương tự trên cơ sở thiết bị khả trình Simatic Trong khithiết lập tham số, có thể tích cực hoặc không tích cực một số thành phần chứcnăng của bộ điều khiển PID cho phù hợp với các đối tượng

Có thể sử dụng module mềm PID như một bộ điều khiển với tín hiệu chủ đạođặt cứng (fixed setpoint) hoặc thiết kế một hệ thống điều khiển nhiều mạchvòng theo kiểu điều khiển cascade Những chức năng điều khiển được thiết kếtrên cơ sở của thuật điều khiển PID của bộ điều khiển mẩu với tín hiệu tươngtự

Hình 2 : Cấu trúc của modun mềm FB41 “ CONT_C”

Module mềm PID bao gồm tín hiệu chủ đạo SP=INT, tín hiệu ra của các đốitượng PV_PER, tín hiệu giả để mô phỏng tín hiệu ra của đối tượng PV_IN, cácbiến trung gian trong quá trình thực hiện luật và thuật điều khiển PID nhưPVPER-ON, P-SEL, D_SEL, Man-ON …

Tín hiệu ra của CRP-IN = PV-PER x27648100

Chuẩn hóa :Chức năng của hàm chuẩn hóa PV NORM tín hiệu ra của đốitượng là chuẩn hóa tín hiệu ra của hàm CRP-IN theo công thức :

Tín hiệu ra của PV_NORM = ( Tín hiệu ra của Crp-IN) x PV- FAC- OFF

Hai tham trị khống chế dãy giá trị cho phép của PV_NORM là PV_FAC vàPV_OFF Mặc định PV_FAC của hàm PV_NORM có giá trị bằng 1 và PV_OFF có giá trị bằng 0

Lọc nhiễu tác động trong lân cận điểm làm việc : Tín hiệu sai lệch là hiệu giữatín hiệu chủ đạo và tín hiệu ra của đối tượng.Nó được tạo ra t ngay trong FB41và là dấu vào của khối DEADBAND có tác dụng lọc những dạo động nhỏ xungquanh giá trị xác lập Nếu không muốn sử dụng DEADBAND hoặc với đốitượng mà có thể bỏ qua sự ảnh hưởng của nhiều trong lân cận điểm làm việc tachọn DEAD- W =0

5.3.2 Chọn luật điều khiển trên Module FB41 “CONT- C”

Hình 5.3 mô tả thuật PID được thiết kế theo kiểu song song của ba thuật điềukhiển đơn lẻ: tỷ lệ (P), tích phân (I) và vi phân (D) theo sơ đồ cấu trúc tronghình 5.2(sau khối DEADBAND) Chính vì cấu trúc song song như vậy nên ta cóthể thông qua các tham trị P_SEL, I-SEL hay D_SEL mà tích hợp được các

Hình 3 : Thuật điều khiển PID

thuật điều khiển khác nhau từ bộ điều khiển mẩu này như thuật điều khiển P,

PI, PD, PID

5.3.3 Đặt giá trị

Phần mềm cho phép chọn chế độ tự động (automatic mode ) hoặc chế độ bằngtay Ơû chế độ bằng tay các chế độ của các biến được chọn bằng tay Bộ tíchphân (INT) tự thiết lập chế độ LNM-LNM-P-DISV và bộ vi phân (DIF) tự độngvề 0 Điều đó đảm bảo cho việc chuyển chế độ từ thiết lập giá trị bằng tay vềchế độ tự động không gây một biến đổi nào đối với các biến đã được thiết lậpgiá trị bằng tay

Cũng có thể đặt giới hạn cho các giá trị được thiết lập bằng tay nhờ hàmLMNLIMIT Một bít cờ sẽ có một giá trị logic bằng 1 khi biến vào có giá trịvượt quá giới hạn đã chọn Hàm LMN- NORM sẽ chuẩn hóa tín hiệu ra củahàm LMNlimit theo công thức:

LMN = (TÍN HIỆU CỦA LMNLIMIT )*LMN-FAC + LMN-OFF

Mặc định LMN_FAC có giá trị bằng bằng 1, còn LMN_OFF có giá trị bằng 0.Các giá trị đặt bằng tay có thể theo một cách biểu diễn riêng Hàm CRP-OUTcó chức năng biến đổi từ kiểu biểu diễn số thực dấu phẩy động sang kiểu biểudiễn riêng theo công thức:

LMN-PER = LMN * 27648100

Ngoài ra nhiễu có thể được lọc trước bằng cách đưa quan đầu vào DISV

5.3.4 Khởi động và thông báo lỗi

FB41 “CON- C” có một chương trình con phục vụ cho việc khởi tạo lại hoàntoàn hệ thống Chương trình này được được gọi khi tín hiệu vào COM-RST cógiá trị logic bằng 1

Trong khi khởi tạo, luật điều khiển tích phân được tự động thiết lập với giá trịkhởi tạo I_ITVAL Nếu luật điều khiển được gọi theo ngắt thời gian, nó sẽ luônluôn làm việc với giá trị này Tất cả đầu ra khác được đặt giá trị mặc định.Khối FB41 ‘ CON- C” không có khả năng tự kiểm tra lỗi bên trong của modulemềm PID Mã báo lỗi RET-VAL không được sử dụng