NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN
Khỏi quỏt về kỹ thuật ủiều khiển
Điều khiển trong kỹ thuật là khoa học nghiên cứu về quá trình thu thập, xử lý tín hiệu và điều khiển các quá trình cũng như hệ thống thiết bị kỹ thuật Nó bao gồm tất cả các tác động mang tính tổ chức của một quá trình nhằm đạt được mục đích mong muốn Hệ thống điều khiển (HTĐK) không có sự tham gia trực tiếp của con người được gọi là HTĐK tự động.
Kỹ thuật điều khiển đã phát triển từ xa xưa, nhưng cơ sở lý thuyết điều khiển tự động chỉ hình thành vào những năm 1940 của thế kỷ XX Các phương pháp khảo sát hệ "một đầu vào, một đầu ra - SISO" như hàm truyền và biểu đồ Bode được sử dụng để phân tích đáp ứng tần số và ổn định, cùng với biểu đồ Nyquist để đánh giá tính ổn định của hệ thống Cuối những năm 1940 và đầu những năm 1950, phương pháp đồ thị nghiệm của Evans được hoàn thiện, đánh dấu giai đoạn "điều khiển cổ điển" Đến những năm 1960, kỹ thuật điều khiển bước vào giai đoạn "điều khiển hiện đại", với hệ thống ngày càng phức tạp, bao gồm "nhiều đầu vào, nhiều đầu ra - MIMO" Phương pháp điều khiển bằng biến trạng thái và lý thuyết điều khiển tối ưu đã có những bước phát triển lớn, dựa trên nguyên lý cực đại của Pontryagin và lập trình động của Bellman Đồng thời, lọc Kalman cũng được hoàn thiện và nhanh chóng trở thành công cụ chuẩn trong nhiều lĩnh vực để ước lượng trạng thái bên trong của hệ thống từ tập hợp nhỏ các tín hiệu quan sát được.
Bắt đầu từ những năm 1980, việc ứng dụng các thành tựu của toán học và nghiên cứu về điều khiển đã dẫn đến sự phát triển các phương pháp thiết kế bộ điều khiển hiệu quả.
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội nghiên cứu luận văn thạc sĩ kỹ thuật điều khiển bền vững cho hệ thống kỹ thuật, nhằm đảm bảo các tính năng sử dụng trong bối cảnh có tác động của nhiễu và sai số Trong hai thập kỷ qua, nhiều nhánh mới trong lĩnh vực điều khiển đã hình thành, đặc biệt là điều khiển thích nghi, phi tuyến, hỗn hợp, mờ và neural.
Hệ thống điều khiển là sự kết hợp của nhiều thành phần, tạo nên cấu hình có khả năng đáp ứng nhu cầu cụ thể Thành phần hoặc quá trình cần điều khiển được gọi là đối tượng điều khiển (ÐTÐK), được biểu diễn bằng khối có đầu vào và đầu ra Mối quan hệ giữa đầu vào và đầu ra thể hiện mối quan hệ nhân quả của quá trình điều khiển, trong đó tín hiệu vào được xử lý để tạo ra tín hiệu ra, thường là với năng lượng được khuếch đại.
Hỡnh 1.1 ðối tượng ủiều khiển
Một hệ thống điều khiển đơn giản nhất bao gồm một bộ điều khiển (BĐK) tác động lên một đối tượng điều khiển (ĐTĐK) và được gọi là hệ thống điều khiển vòng hở (open loop) Việc sử dụng BĐK nhằm điều khiển một quá trình đáp ứng một yêu cầu xác định trước.
Hỡnh 1.2 Hệ thống ủiều khiển vũng hở
Trong ủú, ðTðK là thành phần quan trọng với vai trò kiểm soát và điều khiển lượng cần thiết Nhiệm vụ cơ bản của thiết bị điều khiển là đáp ứng đúng mong muốn của ðT ðK, đảm bảo quá trình vào ra diễn ra hiệu quả.
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội đang nghiên cứu về luận văn thạc sĩ kỹ thuật, tập trung vào việc cải thiện đầu vào của điều khiển tự động nhằm đạt được chất lượng điều khiển theo yêu cầu mong muốn.
Thiết bị ủiều khiển (TBðK) là tập hợp tất cả cỏc thiết bị của hệ thống nhằm tạo ra tớn hiệu ủiều khiển tỏc ủộng lờn ðTðK
Trong hệ thống điều khiển vòng kín, tín hiệu phản hồi được sử dụng để so sánh với giá trị đầu ra mong muốn, nhằm điều chỉnh quá trình điều khiển Sơ đồ khối của bộ điều khiển vòng kín thể hiện rõ cấu trúc và chức năng của nó.
Hỡnh 1.3 Hệ thống ủiều khiển vũng kớn
Hệ thống điều khiển phản hồi sử dụng hàm mô tả mối quan hệ giữa tín hiệu ra và tín hiệu vào để điều khiển hiệu quả Sự sai khác giữa tín hiệu ra và tín hiệu vào thường được khuyếch đại và sử dụng để điều chỉnh, nhằm giảm thiểu sự sai khác liên tục.
Ngày nay, hầu hết các ngành kinh tế kỹ thuật, đặc biệt là ngành công nghiệp, đều áp dụng công nghệ điều khiển tự động, làm thay đổi diện mạo nhiều lĩnh vực sản xuất và dịch vụ Sự xuất hiện của các nhà máy không người, văn phòng không giấy tờ, và cuộc chiến không cần lãnh đạo đã dẫn đến việc phát triển các thuật ngữ như "máy thông minh" và "thiết bị thông minh", đáp ứng nhu cầu của thị trường hiện đại.
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……… ……… 6
Thiết bị ủiều khiển khả trỡnh (PLC)
Với sự phát triển mạnh mẽ của lý thuyết điều khiển, các thiết bị điều khiển hiện đại ngày càng trở nên "thông minh", giúp giải quyết các bài toán điều khiển phức tạp cho hệ thống Hệ điều khiển này xử lý hàng ngàn thông tin từ cảm biến để điều khiển hàng trăm cơ cấu chấp hành như van, cấp nhiệt, bơm, nhằm đạt được sản phẩm với yêu cầu khắt khe về tính năng kỹ thuật.
PLC (Bộ điều khiển logic lập trình) là thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số thông qua ngôn ngữ lập trình, thay vì sử dụng mạch số Nhờ vào chương trình điều khiển, PLC trở thành bộ điều khiển số nhỏ gọn, dễ dàng thay đổi thuật toán và giao tiếp với môi trường xung quanh, bao gồm cả các PLC khác và máy tính Tất cả chương trình điều khiển được lưu trữ trong bộ nhớ của PLC dưới dạng các khối chương trình và được thực hiện lặp lại theo chu kỳ quét PLC bao gồm tất cả các linh kiện và thiết bị kết hợp lại, được lập trình để thực hiện các tác vụ logic, tạo nên một hệ thống tự động hoặc bán tự động.
Nguyên lý chung và cấu trúc bộ PLC
Hiện nay có khá nhiều hãng sản xuất PLC, nhưng nhìn chung trong cấu trỳc ủược mụ tả dưới ủõy
* Sơ ủồ khối của PLC
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……… ……… 7
Hỡnh 1.4 Sơ ủồ nguyờn lý cấu trỳc của bộ PLC
Cấu trúc của PLC (Programmable Logic Controller) tương tự như máy tính cá nhân (PC), bao gồm các thành phần chính như CPU, RAM, bộ xử lý vào/ra và bộ xử lý toán học, nhưng được thiết kế đặc biệt để hoạt động trong môi trường công nghiệp Cổng vào của PLC tích hợp nhiều thiết bị nhập logic như cảm biến số, cảm biến analog và các thiết bị HMI, cho phép truyền tải lệnh cho PLC thực thi Các lệnh logic được lập trình sẽ được xử lý và kết quả sẽ được gửi ra qua cổng ra, bao gồm relay, transistor, triac và các thiết bị điều khiển khác, đáp ứng nhu cầu điều khiển trong các ứng dụng công nghiệp.
Cổng ngắt và ủếm tốc ủộ cao Quản lý ghộp nối
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……… ……… 8
Ngày nay, các hệ thống tự động ngày càng ưa chuộng việc sử dụng thiết bị điều khiển khả trình (PLC) nhờ vào những tính năng ưu việt như cấu trúc nhỏ gọn, tốc độ xử lý thời gian thực cao và khả năng kết nối linh hoạt với các thiết bị khác PLC được xem như một máy tính số cho kỹ thuật điều khiển hiện đại, với các thương hiệu nổi bật như SIEMENS, MITSHUBISHI, LG và SCHNEIDER Trong đó, PLC của Siemens, đặc biệt là dòng Simatic S7, được sử dụng phổ biến nhất trong các nhà máy tại Việt Nam, với các dạng như S7-200, S7-300 và S7-400, mang lại hiệu quả cao trong quá trình sản xuất.
Hệ SIMATIC PLC S7-300
Hệ thống SIMATIC S7-300 là nền tảng PLC module được tối ưu hóa cho quy trình tự động hóa, giúp tiết kiệm chi phí và nâng cao chất lượng trong kiến trúc điều khiển tập trung và phân tán SIMATIC S7-300 cung cấp giải pháp tự động hóa toàn diện, bao gồm PLC S7, phần mềm lập trình STEP7 và hệ thống giám sát HMI trên máy tính PC với phần mềm WinCC Nghiên cứu về ứng dụng hệ SIMATIC S7 đã được đề cập nhiều trong tài liệu, nhưng trong phạm vi này, chúng tôi chỉ tập trung vào việc khai thác ứng dụng một số module phần mềm điều khiển quy trình hỗ trợ trong STEP 7 để điều khiển các thông số như áp suất, lưu lượng và nhiệt độ.
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……… ……… 9 cú hiệu quả hệ SIMATIC S7-300 trong kỹ thuật ủiều khiển
Một hệ thống có thể có 1 PLC hoặc gồm nhiều PLC kết qua MPI bus
Hỡnh 1.6 Hệ thống ủiều khiển cú một PLC
Module PS Module CPU Module SM Module CP
Module ủầu ra Module ủầu vào
Tải chương trình Cáp tải chương trình
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội đang nghiên cứu luận văn thạc sĩ kỹ thuật về hệ thống điều khiển phức tạp, bao gồm nhiều trạm PLC được kết nối với nhau và các thiết bị điều khiển khác qua bus MPI.
Hỡnh 1.7 Hệ thống ủiều khiển phức tạp
1.3.2 Các module của PLC S7-300 ðể tăng tính sử dụng mềm dẻo trong ứng dụng thực tế, hê SIMATIC S7-
300 được chia nhỏ thành các module, trong đó số lượng module sử dụng phụ thuộc vào bài toán điều khiển Luôn có một module chính là module CPU, cùng với các module nhận và truyền tín hiệu với các thiết bị điều khiển, cũng như các module chuyên dụng như PID và điều khiển động cơ bước, được gọi là các module mở rộng Tất cả các module được gắn trên các thanh ray (rack).
Module CPU là bộ phận quan trọng chứa vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ và các thành phần khác như bộ định thời, bộ nhớ và cổng truyền thông RS485 Trong dòng sản phẩm PLC, có nhiều loại CPU khác nhau, ví dụ như module CPU312 và module CPU314, phục vụ cho các nhu cầu điều khiển tự động hóa khác nhau.
Ngoài ra, còn có các loại module CPU với 2 cổng truyền thông, trong đó cổng truyền thông thứ 2 chủ yếu phục vụ việc kết nối mạng trong hệ điều khiển phân tán.
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……… ……… 11
Cỏc module mở rộng ủược chia làm 5 loại chớnh:
(1) Module nguồn PS (Power Supply): module nguồn nuôi có 3 loại là 2A, 3A và 10A
(2) Module cổng tín hiệu SM (Signal Module): module cổng tín hiệu vào, ra bao gồm:
• DI (Digital Input): module mở rộng các cổng vào số Số các cổng vào số mở rộng có thể là 8, 16 hoặc 32 tùy thuộc vào loại module
• DO (Digital Output): module mở rộng các cổng ra số Số các cổng ra số mở rộng có thể là 8, 16 hoặc 32 tùy thuộc vào loại module
The DI/DO (Digital Input/Digital Output) module serves as an expansion for digital input and output ports, with the number of available ports varying by module type, offering options for 8, 16, or 32 digital inputs and outputs.
• AI (Analog Input): module mở rộng các cổng vào số tương tự, số các cổng vào tương tự có thể là 2,4, 8 tùy thuộc vào loại module
• AO (Analog Output): module mở rộng các cổng ra số tương tự, số các cổng ra tương tự có thể là 2,4, 8 tùy thuộc vào loại module
Module AI/AO (Đầu vào/Đầu ra tương tự) mở rộng số lượng cổng vào và ra tương tự, với các tùy chọn như 4 cổng vào và 2 cổng ra, hoặc 4 cổng vào và 4 cổng ra, tùy thuộc vào loại module được sử dụng.
Module ghép nối IM (Interface Module) là loại module có chức năng kết nối các module mở rộng với nhau, tạo thành một khối thống nhất và được quản lý chung bởi module CPU.
Module chức năng FM (Function Module) là một loại module có khả năng điều khiển riêng biệt, bao gồm các module như PID, module điều khiển động cơ bước, module điều khiển động cơ servo và module điều khiển van.
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……… ……… 12
(5) module CP (Communication Module) là module phục vụ truyền thông trong mạng giữa PLC với nhau hoặc PLC với máy tính [3]
Hỡnh 1.8 Sơ ủồ kết nối cỏc module của S7-300 trờn rack
Phần mềm STEP – 7
1.4.1 STEP7 ủịnh nghĩa và chức năng
STEP7 là bộ phần mềm tiêu chuẩn dùng để cấu hình và lập trình cho SIMATIC PLC, bao gồm các phiên bản như STEP7 Micro/DOS, STEP7 Micro/Win cho S7-200 và STEP7 cho S7-300 Một số chức năng nổi bật của STEP7 bao gồm khả năng lập trình linh hoạt, cấu hình dễ dàng và hỗ trợ cho nhiều loại PLC khác nhau.
* Cú thể ủược mở rộng như là một phần mềm trong cụng nghiệp phần mềm SIMATIC
* Có thể chỉnh sửa tham số cho Function Module và quá trình truyền thông
* Dữ liệu truyền thông toàn cầu
* ðịnh cấu hình kết nối
1.4.2 Bộ chương trình STEP7 chuẩn (STEP7 Standard Package)
Ngôn ngữ lập trình SIMATIC và ngôn ngữ biểu diễn thống nhất trong STEP7 tuân thủ tiêu chuẩn EN 61131-3 (IEC 1131-3) Bộ chương trình này tương thích với các hệ điều hành Windows 95, 98, 2000, Me và XP.
Chức năng: Bộ chương trình STEP7 chuẩn hỗ trợ nhiều chức năng trong toàn bộ cỏc mặt của một quỏ trỡnh tạo một nhiệm vụ ủiều khiển tự ủộng
* Thiết lập và quản lý Project
* ðịnh cấu hình và chỉnh sửa tham số phần cứng và truyền thông
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……… ……… 13
* Download một chương trỡnh cho bộ ủiều khiển
* Chuẩn đốn lỗi chương trình
STEP7 cung cấp một thư viện phong phú với nhiều hàm chuẩn hữu ích và phần trợ giúp trực tuyến mạnh mẽ Bộ chương trình STEP7 cho phép người dùng truy cập nhiều ứng dụng mà không cần mở từng ứng dụng riêng lẻ; các ứng dụng này tự động khởi động khi chọn hàm phù hợp hoặc mở một đối tượng Dưới đây, chúng ta sẽ nghiên cứu một số chức năng thường được sử dụng trong STEP7.
Simatic Manager là công cụ quản lý toàn bộ dữ liệu của dự án điều khiển tự động, không phụ thuộc vào hệ thống điều khiển lập trình nào Nó cung cấp các công cụ cần thiết để hiệu chỉnh dữ liệu, được khởi động tự động bởi SIMATIC Manager Giao diện của Simatic Manager được trình bày như hình 1.9.
Sắp xếp biểu tượng (Symbol Editor)
Với Symbol Editor ta có thể quản lý tất cả các tên biến hình thức Những chức năng ủược hỗ trợ trong Symbol Editor:
Hình 1.9 Giao diện màn hình Simatic Manager
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……… ……… 14
- ðặt tên ký hiệu và những lời giải thích cho những biến quá trình (vào/ra), bít nhớ và các khối
- Nhập/ xuất dữ liệu từ những chương trình khác của Window
Bảng biểu tượng (Symbol table) được tạo ra và có thể sử dụng cho tất cả các công cụ khác trong SIMATIC Manager Mọi thay đổi về thuộc tính của một tên hình thức (symbol) sẽ tự động được chấp nhận bởi tất cả các công cụ trong hệ thống Cửa sổ giao diện được minh họa trong hình 1.10.
Chuẩn đốn lỗi phần cứng
Chức năng này cho phép kiểm tra toàn bộ tình trạng của bộ điều khiển lập trình, giúp phát hiện các module có lỗi Để xem chi tiết lỗi trong từng module, người dùng chỉ cần nhấp chuột kép vào nó Thông tin hiển thị sẽ khác nhau tùy thuộc vào từng module.
* Hiển thị thông tin chung về module: vesion, tên…và trạng thái của module lỗi
* Hiển thị lỗi module cho I/O trung tâm và DP slaves
Hình 1.10 Giao diện chức năng chỉnh sửa tên hình thức (symbol) chỉnh sửa symbol
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……… ……… 15
* Hiển thị thơng điệp từ bộ đệm chuẩn đốn (diagnostic buffer)
Với module CPU còn hiển thị thêm:
* Nguyờn nhõn của lỗi trong quỏ trỡnh hoạt ủộng của chương trỡnh ủang sử dụng
* Hiển thị trạng thái kết nối MPI và tải
* Hiển thị ủặc trưng dữ liệu
Ngôn ngữ lập trình PLC được thiết kế để phù hợp với từng hãng và quốc gia, nhằm tạo sự gần gũi, đơn giản và dễ nhớ cho người sử dụng Các ngôn ngữ này có thể được phát triển bằng nhiều công cụ khác nhau, nhưng đều hỗ trợ các nhà thiết kế hệ thống và lập trình viên khai thác tối đa các tính năng của PLC, từ đó nâng cao hiệu suất vận hành trong hệ thống.
Các loại PLC có thể sử dụng nhiều ngôn ngữ lập trình khác nhau để phục vụ cho các đối tượng khác nhau Đối với PLC S7-300, phần mềm STEP7 hỗ trợ ba dạng ngôn ngữ lập trình thông dụng.
* Ngôn ngữ lập trình dạng “liệt kê lệnh” ký hiệu là STL
* Ngôn ngữ lập trình dạng “hình thang” ký hiệu là LAD
* Ngôn ngữ lập trình dạng “hình khối” ký hiệu FBD ðặt cấu hình phần cứng (Hardware Configuration)
Cụng cụ này dựng ủể ủặt cấu hỡnh và chỉnh sử cho tham cố phần cứng của một dự ỏn tự ủộng (Project)
* ðể ủặt cấu hỡnh cho một bộ ủiều khiển lập trỡnh ta chọn rack từ một catalog và sắp xếp cho module trong những slot yêu cầu trong rack
* Trong quá trình gán tham số cho CPU ta có thể thiết lập thuộc tính khởi ủộng và giỏm sỏt chu kỳ vũng quột
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……… ……… 16
Trong quá trình gán tham số cho module, tất cả các tham số cần thiết được thiết lập qua hộp thoại Quá trình gán tham số cho module được thực hiện tự động trong quá trình khởi động CPU.
Adjusting parameters for Function Modules (FM) and Communication Processors (CP) is done in the Hardware Configuration dialog, similar to module adjustments Each FM and CP has a specific Module dialog that restricts invalid entries by only displaying relevant working dialogs.
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……… ……… 17
MODULE ðIỀU KHIỂN MỀM TRONG STEP 7
Module ủiều khiển quỏ trỡnh
Phần mềm STEP 7 cung cấp các module điều khiển PID để điều khiển các đối tượng có mô hình liên tục như nhiệt độ, động cơ, và mức Đầu ra của đối tượng được đưa vào đầu vào của BĐK qua các cổng vào tương tự của các module SIMATIC S7-300/400 Tín hiệu của BĐK có nhiều dạng và được truyền đến cơ cấu chấp hành thông qua những module khác nhau.
Qua cổng ra tương tự của module ra tương tự (AO)
Qua cổng ra của các module ra số (DO)
Qua cỏc cổng phỏt xung ra tốc ủộ cao
Phụ thuộc vào cơ cấu chấp hành, ta cú thể chọn ủược cỏc module mềm PID tương thớch Ba module ủược tớch hợp sẵn trong STEP7:
1 ðiều khiển liên tục với FB41 (tên hình thức CONT_C)
2 ðiều khiển liên tục với FB42 (tên hình thức CONT_S)
3 ðiều khiển phát xung với khối hàm hỗ trợ FB43 (tên hình thức FULSEGEN)
Mỗi module mềm PID có khối dữ liệu DB riêng để lưu trữ thông tin phục vụ cho quá trình tính toán luật điều khiển Các khối hàm FB trong các module mềm PID sẽ liên tục cập nhật những khối dữ liệu này.
Module mềm FB Fulsegen được sử dụng kết hợp với module mềm FB CONT_C để tạo ra tín hiệu dạng xung tốc độ cao, phù hợp với đáp ứng của cơ cấu chấp hành kiểu tỷ lệ.
Một bộ ủiều khiển PID mềm ủược hoàn thiện thụng qua cỏc khối hàm
FB nhiều chức năng tạo ra tính linh hoạt cao trong thiết kế Ta có thể chọn
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội nghiên cứu về các chức năng của hệ thống điều khiển, trong đó có việc tích hợp các chức năng xử lý tín hiệu chủ đạo, tín hiệu quá trình và tính toán các biến khác với bộ điều khiển PID trong một module điều khiển mềm Tuy nhiên, các bộ điều khiển PID không phải lúc nào cũng phù hợp cho mọi bài toán điều khiển Đặc tính điều khiển và tốc độ xử lý của các module mềm PID phụ thuộc vào modul CPU được chọn để giải quyết bài toán Khi xử lý một mạch vòng điều khiển, cần phải thực hiện công việc trích mẫu tín hiệu đầu vào, đòi hỏi sự tương thích giữa số lượng mạch vòng PID và khả năng của CPU Nếu bài toán yêu cầu tần suất cập nhật cao, số lượng mạch điều khiển sẽ giảm, và chỉ những bài toán với số lượng mạch điều khiển ít mới có thể sử dụng các module mềm PID với tần suất truy cập cao.
Chất lượng của hệ thống phụ thuộc vào các tham số của BđK, điều này đòi hỏi phải có mô hình đối tượng chính xác Đây cũng là một nhược điểm của phương pháp điều khiển kinh điển.
2.1.1 Modul ủiều khiển liờn tục với FB41 “CONT_C”
- Giới thiệu chung về khối FB41
FB41 “CONT_C” được sử dụng để điều khiển các quá trình kỹ thuật với các biến đầu vào và đầu ra tương tự trên cơ sở thiết bị khả trình SIMATIC Trong quá trình thiết lập tham số, có thể điều chỉnh tích cực hoặc không tích cực một số thành phần chức năng của bộ điều khiển PID để phù hợp với đối tượng điều khiển.
Module mềm PID có thể được sử dụng như một bộ điều khiển cho tín hiệu đầu vào từ thiết bị cứng, hoặc để thiết kế hệ thống điều khiển nhiều mạch phức tạp.
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……… ……… 19 khiển theo kiểu cascade
Hỡnh 2.1 Sơ ủồ cấu trỳc của khối FB41
Module mềm PID bao gồm tín hiệu chủ tạo SP_INT, tín hiệu ra của đối tượng PV_PER, và tín hiệu giả để mô phỏng tín hiệu ra của đối tượng PV_IN Các biến trung gian trong quá trình thực hiện luật và thuật toán điều khiển PID như PVPER_ON và P_SEL cũng được sử dụng.
Tớn hiệu chủ ủạo SP_INT ủược nhập dưới dạng dấu phẩy ủộng
Hàm CRP_IN cho phép chuyển đổi kiểu dữ liệu của PV_PER từ số nguyên sang số thực, hỗ trợ nhập liệu dưới dạng số nguyên có dấu hoặc số thực có dấu phẩy.
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội cung cấp chương trình luận văn thạc sĩ kỹ thuật, trong đó nghiên cứu 20 dạng số thực có dấu phẩy, với giá trị nằm trong khoảng từ -100% đến 100%.
Chuẩn hóa: Chức năng của hàm chuẩn hóa PV_NORM là chuẩn hóa tín hiệu ra của hàm CRP_IN
Hỡnh 2.2 Sơ ủồ cấu trỳc chức năng ủiều khiển của khối FB41
Ngoài ra cũn nhiều chức năng khỏc như lọc nhiễu, chọn luật ủiều khiển, ủặt giỏ trị thay thụng bỏo lỗi
- Tham biến hỡnh thức ủầu vào, ủầu ra của FB 41
Khối FB 41 cú 24 tham số ủầu vào và 9 tham số ủầu ra (xem phụ lục 2.1 và phụ lục 2.2)
- Khai bỏo tham số cho bộ ủiều khiển PID
Phần mềm STEP cung cấp giao diện hỗ trợ người dùng khai báo tham số cho bộ điều khiển PID Sau khi tạo một Project chứa FB41, người dùng cần tạo khối DB (Data Block) cho bộ điều khiển bằng cách sử dụng giao diện của module điều khiển PID thông qua lệnh.
Start/ Simatic/ Step7/ PID Control Paramester Assignment
Ví dụ: Ta sẽ tạo một Data Block mới tên là DB41
Trong hộp thoại ủược hiển thị sau khi bắt đầu, người dùng có thể tắt chức năng điều khiển on/off và nhập tham số điều khiển tương ứng Giá trị mặc định sẽ giữ nguyên nếu tham số không bị thay đổi Giá trị nằm ngoài khoảng cho phép sẽ không được chấp nhận.
-Cơ cấu chấp hành -ðối tượng ủiều khiển
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……… ……… 21
Hình 2.3 Giao diện tạo khối DB mới phộp khụng ủược nhập vào
Ta cú thể ủặt biến quỏ trỡnh theo hai dạng “bờn trong” hay “ngoại vi” (tham số của khối FB PVPER_ON= FALSE/TRUE)
Biến quá trình bên trong (Process Value, Internal) là biến được thể hiện dưới dạng số thực với dấu phẩy, được kết nối tới bộ điều khiển thông qua cổng PV_IN.
Hình 2.4 Gán tham số cho khối FB 41
Tên khối DB chứa dữ liệu mà ta muốn tạo
Tên Project chứa khối DB mà ta muốn tạo
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……… ……… 22
Kiểu dữ liệu: REAL Giỏ trị mặc ủịnh: Tuỳ thuộc vào khoảng kỹ thuật Tham số FB: PV_IN
Biến quá trình ngoại vi (Process Value, Peripheral) Biến quá trình ở dạng ngoại vi ủược nối với bộ ủiều khiển thụng qua cổng vào “biến quỏ trỡnh ngoại vi”
Tham số FB: PV_PER
- Chuẩn hoá biến quá trình
To normalize a process variable, it is essential to establish a normalization factor and a normalization offset The value of the process variable is determined using the formula: Normalization Process Variable = Process Variable * Normalization Factor + Normalization Offset By multiplying the normalization factor with the process variable, we can appropriately adjust the range of the process variable values.
Giỏ trị mặc ủịnh 1.0 Khoảng giá trị cho phép Toàn bộ khoảng
Tham số FB PV_FAC b Normalization Offset ðầu vào “bự chuẩn hoỏ” ủược cộng với biến quỏ trỡnh
Tham số FB PV_OFF
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……… ……… 23
Nếu quá trình bị ảnh hưởng bởi nhiễu và bộ điều khiển được thiết lập tốt, nhiễu sẽ tác động đến đầu ra Hiệu giữa tín hiệu chủ đạo và tín hiệu ra của đối tượng là đầu vào cho khối Dead Band, giúp lọc các giá trị nhỏ xung quanh giá trị xác lập Nếu không muốn sử dụng Dead Band hoặc có thể bỏ qua ảnh hưởng của nhiễu ở gần điểm làm việc, ta chọn DEAD_W=0.
“Dead band width” xỏc ủịnh kớch cỡ của Dead Band
Giỏ trị mặc ủịnh 0.0 hoặc 1.0
Tham số bộ PID (PID Parameter)
Module xử lý tín hiệu
2.2.1 Hàm chuyển ủổi tớn hiệu “SCALE” FC105
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……… ……… 39
Hàm thư viện FC105 cú cụng dụng chuyển ủổi dữ liệu ủầu vào PIW của module analog dạng INT sang dạng ủại lượng cần ủo theo cụng thức:
OUT là giỏ trị ủại lượng ủo dạng số thực
IN là số ủo từ PIW (ngừ vào analog), dạng số nguyờn
K2 là giỏ trị nguyờn giới hạn trờn ủầu vào PIW của PIW
K1 là giỏ trị nguyờn giới hạn dưới ủầu vào PIW
HI_LIMIT là giới hạn trờn ủại lượng ủo
LO_LIMIT là giới hạn dưới ủại lượng ủo
Khi sử dụng đầu vào PIW 128 của module Analog với thang đo 0-10V, bạn cần gọi hàm FC105 và truyền tham số tương ứng để nhận đầu ra dưới dạng số thực, tính theo đơn vị Volt trước khi đưa vào MDO Hàm FC105 được viết như sau:
Hình 2.13 Dạng LAD của hàm FC105
2.2.2 Hàm chuyển ủổi ngược “UNSCALE” FC106
Hàm FC 106 là hàm chuyển đổi ngược, nhận đầu vào là số thực và đầu ra là số nguyên trong khoảng giá trị LO_LIMIT và HI_LIMIT Kết quả được trả về dưới dạng OUT và được tính toán theo công thức cụ thể.
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……… ……… 40
Trong ủú, cỏc hằng số K 1 và K 2 phụ thuộc vào giỏ trị ủầu vào Bipola và Unbipola
- Bipola: Giỏ trị ủầu vào là số nguyờn dương từ -27468 ủến 27468
- Unbipola Giỏ trị ủầu vào là số nguyờn trong khoảng từ 0 ủến -27468
Nếu giá trị đầu vào nằm ngoài khoảng LO_LIMIT và HI_LIMIT, giá trị đầu ra sẽ bị chặn gần hơn với giá trị LO_LIMIT và HI_LIMIT khi hàm trả về lỗi Hàm FC 106 có 8 tham biến như được mô tả trong bảng 2.7.
B ả ng 2.5 Giá trị của các biến của FC106
Tên biến IN/OUT Kiểu dữ liệu
Enable input cùng với kích hoạt lên giá trị1
Enable output cùng với trạng thái tín hiệu bằng 1 nếu hàm ủược thực thi mà không có lỗi
Giỏ trị ủầu vào ủược chuyển ủổi thành số nguyên HI_LIM INPUT REAL I, Q, M, D,
Trạng thái tín hiệu bằng 1 trong trường hợp giỏ trị ủầu vào là bipola, bằng 0 nếu tín hiệu vào là unbipola OUT OUTPUT INT I, Q, M, D,
Giỏ trị ủầu ra của hàm
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……… ……… 41
Có giá trị bằng W#16#0000 nếu cấu trúc thực thi không có lỗi và cho biết thông tin về lỗi nấu kết quả khác W#16#0000
Nếu tín hiệu đầu vào I0.0=1, hàm UNSCALE sẽ được thực thi, chuyển đổi giá trị thực từ 0-100 thành giá trị số nguyên và trả về OUT Đối với tín hiệu I0.2, giá trị đầu vào là Bipola Nếu hàm thực thi không gặp lỗi, trạng thái tín hiệu ENO và Q0.0 sẽ được thiết lập là 1, và giá trị RET_VAL sẽ là W#16#0000.
Hình 2.14 Dạng LAD của hàm FC106
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……… ……… 42
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÔNG CỤ
Giới thiệu System Toolbox Indentification (SIT)
Để thiết kế một BĐK phù hợp với đối tượng điều khiển, bước đầu tiên là phải mô hình hóa được ĐTĐK Mô hình hóa ĐTĐK có thể thực hiện qua hai phương pháp: lý thuyết và thực nghiệm Phương pháp mô hình hóa từ thực nghiệm có thể được thực hiện nhờ sự hỗ trợ của Toolbox Identification trong phần mềm.
3.1.1 Nhận dạng ủối tượng ủiều khiển
Nhận dạng ĐTDK là quá trình thực hiện mô hình hóa đối tượng thông qua phương pháp thực nghiệm Mô hình ĐTDK giúp lựa chọn cấu trúc và các tham số của BĐK phù hợp với đặc tính động học của đối tượng.
Trong thực tiễn, các phương pháp thực nghiệm thường được áp dụng để mô tả đối tượng, tức là xây dựng mô hình đối tượng dựa trên quan sát trực tiếp các tín hiệu vào ra của nó.
- Phân l ớ p các bài toán nh ậ n d ạ ng
Theo ủịnh nghĩa của Zadel về nhận dạng thỡ cú ba tiờu chuẩn ủể phõn loại bài toán nhận dạng như sau:
- Phõn loại theo tớn hiệu quan sỏt ủược
- Phân loại theo các lớp mô hình thích hợp
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……… ……… 43
- Phõn loại theo sai số giữa ủối tương thực và mụ hỡnh
Thờm vào ủú khi tiến hành nhận dạng ủối tượng cần phải chỳ ý tới cỏc ủiều kiện kỹ thuật sau:
- Thời gian quan sỏt tớn hiệu khụng thể tựy ý ủược
- Tớn hiệu quan sỏt ủược khụng bị chặn
Nhận dạng đối tượng điều khiển (ĐTĐK) có thể thực hiện theo hai hình thức: Online và Offline Nhận dạng Online, hay còn gọi là nhận dạng trực tuyến, diễn ra khi hệ thống điều khiển đang hoạt động, trong khi nhận dạng Offline, hay nhận dạng chủ động, diễn ra khi đối tượng được tách riêng biệt khỏi hệ thống tự động Để cải thiện độ chính xác trong quá trình nhận dạng, có thể kích thích đối tượng bằng tín hiệu vào thích hợp, thường là tín hiệu dạng bước nhảy, và chỉ thu tín hiệu ra Trong thực tế, quá trình nhận dạng thường cần cả tín hiệu vào và tín hiệu ra, vì vậy nó rất phù hợp với các điều kiện nhận dạng Online Quá trình nhận dạng phải được thực hiện song song với hoạt động của toàn bộ hệ thống.
Sau khi hoàn tất quá trình ủo ủạc, chúng ta thu được một tập dữ liệu làm nền tảng để xây dựng mô hình toán học cho hệ thống điều khiển Các công việc tiếp theo có thể được thực hiện một cách dễ dàng nhờ vào công cụ System Identification ToolBox trong phần mềm MATLAB.
3.1.2 Mụ hỡnh húa ủối tượng sử dụng cụng cụ System Identification ToolBox
3.1.2.1 System Identification ToolBox (SIT)- ðị nh ngh ĩ a và ch ứ c n ă ng
System Identification ToolBox là công cụ cho phép người sử dụng có thể xõy dựng mụ hỡnh toỏn học của hệ thống dực trờn những dữ liệu ủo ủược
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội đang tiến hành luận văn thạc sĩ kỹ thuật với 44 từ thực nghiệm Quá trình này được thực hiện thông qua việc điều chỉnh các tham số cần thiết trong một mô hình cho đến khi đầu ra phù hợp nhất với đầu ra mong muốn.
Công cụ System Identification ToolBox tích hợp các kỹ thuật phổ biến để chỉnh sửa tham số cho mọi loại mô hình tuyến tính Nó cũng mở rộng khả năng tính toán trong môi trường MATLAB, cho phép người dùng ước lượng tham số cho các mô hình toán học tuyến tính và phi tuyến của đối tượng.
Ta có thể ước lượng mô hình sử dụng SIT hoặc là sử dụng công cụ giao diện ủồ họa (GUI) của nú
Nh ữ ng mụ hỡnh ủượ c h ỗ tr ợ trong SIT
Trong thực tế, việc mô tả một hệ thống dựa trên các quy luật vật lý và hóa học là rất khó khăn Do đó, chúng ta có thể áp dụng mô hình "Black-Box" của SIT để ước lượng các tham số cần thiết.
Mô hình "Black-Box" là một cấu trúc sinh động có khả năng mô tả nhiều hệ thống khác nhau và các tham số của chúng mà không cần bất kỳ sự thể hiện nào cho các đại lượng vật lý đặc trưng.
Công cụ SIT hỗ trợ đa dạng các mô hình, bao gồm cả mô hình tuyến tính và phi tuyến Một số mô hình nổi bật mà SIT cung cấp bao gồm
- Mô hình bậc thấp (Low order), mô hình quá trình liên tục (Continous process)
- Mụ hỡnh tuyến tớnh khụng tham số bao gồm những ủỏp ứng trong thời gian ngắn và ước lượng ủỏp ứng tần số
- Mụ hỡnh tuyến tớnh, mụ hỡnh ủa thức (polynomial) bao gồm ARX, ARMAX… Và mô hình Output error
- Mô hình tuyến tính, mô hình không gian trạng thái…
- Mô hình ARX không tuyến tính…
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……… ……… 45
SIT hỗ trợ các mô hình cho dữ liệu trong miền thời gian và miền tần số, cùng với các thuật toán để ước lượng tham số cho mô hình Khi ước lượng mô hình trong SIT, toàn bộ thông tin về mô hình được lưu trữ trong Model Object, bao gồm các dạng toán học, tên đầu vào đầu ra, đơn vị, cũng như tên và giá trị của tham số ước lượng.
Nếu làm việc trong MATLAB COMAND WINDOWS ta chỉ cần hiểu biết cơ bản về lớp cấu trúc và những phương thức làm việc với Model Object
Nếu ta làm việc với giao diện ủồ họa GUI của SIT, ta sẽ làm việc với Menu (bảng danh mục) và Field (cột)
Nh ữ ng thu ậ t toỏn ủượ c h ỗ tr ợ ủể ướ c l ượ ng tham s ố cho mụ hỡnh
Cụng cụ SIT cung cấp ba thuật toỏn sau ủể ước lượng tham số cho mụ hình
+ Thuật toán ước lượng không gian tham số (Nonparametric Estimation Algorithm)
+ Thuật toán không lặp cho mô hình State-Space, ARX và AR
+ Thuật toán “Dự báo lỗi” (Prediction- Error) cho mô hình tham số
3.1.2.2 Làm vi ệ c v ớ i System Identification Tool GUI
System Identification Tool là giao diện đồ họa giúp người dùng làm việc hiệu quả với System Identification ToolBox, cung cấp một công cụ đơn giản, trực quan và dễ sử dụng để mô hình hóa đối tượng.
In the MATLAB command window, enter the command >>ident to open the System Identification Tool (SIT) graphical interface Alternatively, you can launch it from the MATLAB window by navigating to Start > Tool Boxes > System Identification > System Identification Tool The interface of the System Identification Tool GUI, as shown in Figure 3.1, includes various sections for modeling the identified object.
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……… ……… 46
Hình 3.1 Giao diện của System Identification Tool GUI
- Bảng dữ liệu và hiển thị dữ liệu (Data Board and Data Views)
Data Board cung cấp các biểu tượng giúp người dùng nhập dữ liệu vào System Identification Tool Người dùng có thể tạo dữ liệu mới từ các dữ liệu đã tồn tại và được xử lý trước thông qua các lệnh trong menu Preprocess Ngoài ra, còn có các tính năng khác như xóa dữ liệu và chọn màu sắc để phân biệt các dạng dữ liệu.
Data view cho phép lập biểu đồ từ những tập dữ liệu có hiệu lực (active) Các dữ liệu có hiệu lực thường được biểu diễn rõ ràng hơn so với những dữ liệu không có hiệu lực (inactive).
Bộ ủiều khiển PID
Hiện nay, với sự phát triển mạnh mẽ của các bộ điều khiển hiện đại, nhiều hệ thống điều khiển trong công nghiệp vẫn sử dụng bộ điều khiển PID Điều này là do PID là bộ điều khiển chuẩn và có luật điều khiển dễ hiểu.
Luật PID bao gồm 3 thành phần chính: Tỉ lệ (Proprtional), Tích phân (Interval) và Vi phân (Derivative)
Bộ ủiều khiển PID ủược mụ tả bằng mụ hỡnh vào ra:
Trong ủú: e(t) là tớn hiệu ủầu vào bộ ủiều khiển, cũn ủược gọi là tớn hiệu sai lệch
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……… ……… 48 u(t) là tớn hiệu ủầu ra, tớn hiệu ủiều khiển k p là hệ số khuyếch ủại
T I là hằng số thời gian tích phân
T D là hằng số thời gian vi phân
Hỡnh 3.2 Cấu trỳc bộ ủiều khiển PID
Từ mụ hỡnh vào ra trờn, ta cú hàm truyền ủạt của bộ ủiều khiển PID dạng tổng (PID_ADD) cú hàm truyền ủạt :
Trong điều khiển PID, hệ số tắt dần α → 0 giúp tối ưu hóa hiệu suất của bộ điều khiển Để thuận tiện trong thiết kế, người ta thường sử dụng bộ PID dạng nhõn (PID_MUL) với hàm truyền đạt dạng p T p T p.
Từ (3.2) và (3.3) ta cú thể chuyển ủổi từ bộ PID_ADD sang bộ PID_MUL theo bảng sau 3.1
Chất lượng của hệ thống điều khiển (HTðK) phụ thuộc vào các tham số kp, TI, TD của bộ điều khiển Để đạt được chất lượng mong muốn cho hệ thống, cần phải phân tích đối tượng và dựa trên đó để lựa chọn bộ tham số phù hợp.
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……… ……… 49
B ả ng 3.1 Cụng thức chuyển ủổi giữa bộ PID_ADD và PID_MUL
Tham số PID_MUL PID_A DD kp * k p
Trong nhiều trường hợp, không cần thiết phải xác định cả ba tham số kp, T1 và TD Bộ điều khiển PID cho phép người sử dụng tích hợp các luật điều khiển khác nhau như P, PI và PID Bộ điều khiển PID là một phần không thể thiếu trong các quá trình tự động điều khiển nhiệt độ, mức và tốc độ Hiện nay, chúng ta có thể áp dụng lý thuyết điều khiển hiện đại với bộ điều khiển PID cổ điển như điều khiển mờ, điều khiển nơron và điều khiển bền vững để nâng cao chất lượng hệ thống.
3.2.2 Một số tỏc ủộng phụ khụng mong muốn và phương phỏp ngăn ngừa
- Hi ệ n t ượ ng “Kick” khi s ử d ụ ng lu ậ t ủ i ề u khi ể n t ỷ l ệ
Hiện tượng "Kick" xảy ra khi sử dụng bộ điều khiển PID cấu trúc song song (PID-ADD), đặc trưng bởi sự tăng đột ngột của tín hiệu điều khiển Tín hiệu ra từ luật điều khiển sẽ tăng mạnh khi tín hiệu đầu vào thay đổi đột ngột.
- Hi ệ n t ượ ng “Windup” khi s ử d ụ ng lu ậ t tích phân I
Hiện tượng ủầu ra của BðK tớch phõn vẫn tiếp tục tăng vượt mức giới hạn do sự tích lũy của thành phần tớch phõn vẫn được duy trì.
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội nghiên cứu về luận văn thạc sĩ kỹ thuật, đặc biệt là hiện tượng sai lệch điều khiển trở về không Hiện tượng này xảy ra khi bộ điều khiển có chứa thành phần tích phân và tín hiệu điều khiển bị hạn chế Để khắc phục hiện tượng này, có thể thực hiện một số biện pháp hiệu quả.
- Cho tín hiệu ra của thành phần tích phân bằng không khi tín hiệu sai lệch e(t) có giá trị bằng 0
Đặt khâu khuếch đại bó hũa sau thành phần tích phân của luật điều khiển PID nhằm chặn trên và chặn dưới ở đầu ra của luật điều khiển tích phân Cấu trúc bộ hiệu chỉnh được thiết kế để tránh hiện tượng “Windup” cho bộ điều khiển PID như được thể hiện trong hình 3.3.
Hình 3.3 Cấu trúc bộ hiệu chỉnh khắc phục hiện tượng “Windup”
3.2.3 Một số phương pháp lựa chọn cấu trúc và tính toán tham số trên cở sở bộ ủiều khiển PID
Trong thiết kế bộ điều khiển PID, có nhiều phương pháp khác nhau như thiết kế ở miền tần số, phương pháp quy hoạch nghiệm số và các phương pháp dựa trên thực nghiệm Phần tiếp theo của bài viết sẽ tập trung vào các phương pháp thực nghiệm, nhấn mạnh sự hỗ trợ từ PLC S7-300, PC và WinCC, giúp người sử dụng dễ dàng đạt được các đặc tính mong muốn.
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……… ……… 51 ủộng học thực nghiệm của ủối tượng ủiều khiển
Các phương pháp thiết kế dựa trên thực nghiệm chủ yếu tập trung vào hàm quỏ ủộ h(t) được xác định từ dữ liệu thực nghiệm Dựa vào hàm h(t), chúng ta có thể xác định các tham số đặc trưng của đối tượng, từ đó tra cứu bảng thiết kế để có được bộ điều khiển mong muốn.
3.2.3.1 Ph ươ ng pháp th ứ 1 c ủ a Zeigler- Nichols
Phương phỏp này ủược sử dụng cho nhúm ủối tượng:
- Hàm quỏ ủộ h(t) phải ủi từ 0 và cú dạng chữ S (ủặc tớnh h(t) cú ủiểm uốn), hình 3.5b
- Hàm quỏ ủộ h(t) là ủặc tớnh ủộng học của khõu chậm trễ-quỏn tớnh bậc nhất, Hình 3.5a
Mụ hỡnh toỏn học ủặc trưng của cỏc ủối tượng thuộc lớp mụ hỡnh này ủược biểu diễn bằng mụ hỡnh hàm truyền sau:
Hỡnh 3.4 Xỏc ủịnh thụng số ủối tượng từ hàm quỏ ủộ
Phương phỏp thực nghiệm này cú nhiệm vụ xỏc ủịnh cỏc tham số k p ,
T I và T D được áp dụng cho bộ điều khiển dựa trên hàm truyền W(p) của đối tượng, nhằm đưa hệ thống trở về chế độ ổn định một cách nhanh chóng và hiệu quả.
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……… ……… 52 chỉnh ∆h không vượt quá giới hạn cho phép khoảng 40% so với h ∞
Các tham số quan trọng như hằng số thời gian trễ (L), hệ số khuyếch đại (k) và hằng số thời gian quán tính (T) có thể được xác định gần đúng thông qua đồ thị hàm quá độ h(t) của đối tượng, như minh họa trong hình 3.5.
Sau khi xác định được tham số của mô hình, chúng ta sử dụng bảng tham số Ziegler-Nichols-1 (bảng 3.2) để xác định cấu trúc và tham số của bộ điều khiển.
B ả ng 3.2 Tham số bộ ủiều khiển Ziegler Nichols theo phương phỏp 1
3.2.3.2 Ph ươ ng pháp th ứ 2 c ủ a Zeigler- Nichols
Phương pháp không yêu cầu sử dụng hình học cho đối tượng, tuy nhiên, phương pháp này chỉ áp dụng cho một lớp các hình có bậc của hình n ≥ 2.
Nguyên lý chung của phương pháp
Hệ thống làm việc với BðK tỷ lệ cần xác định các tham số quan trọng khi ở chế độ làm việc này Khi hệ số khuếch đại của luật điều khiển tỷ lệ tăng lên và đầu ra xuất hiện dao động điều hòa không tăng dần, không giảm dần, ta có thể xác định hệ số khuếch đại tới hạn k_th và chu kỳ T_th của dao động điều hòa ở đầu ra Các đại lượng liên quan bao gồm w(t), e(t), u(t), y(t), và k_th đối tượng.
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……… ……… 53
Hỡnh 3.5 Cấu trỳc hệ thống thực nghiệm ủể xỏc ủịnh k th và T gh
Một số thuật toỏn ủiều khiển quỏ trỡnh phỏt triển trờn nền bộ ủiều khiển PID
3.4 Một số thuật toỏn ủiều khiển quỏ trỡnh phỏt triển trờn nền bộ ủiều khiển PID
3.4.1 Thuật toỏn ủiều khiển Cascade ðiều khiển Cascade là kỹ thuật ủiều khiển sử dụng lồng nhiều vũng ủiều khiển Một vũng ủiều khiển này ủược lồng vào trong một vũng ủiều khiển khỏc, ủầu ra của vũng ủiều khiển này là giỏ trị ủặt SP (Set point) cho vũng ủiều khiển tiếp theo ðiều này cú nghĩa rằng cỏc vũng ủiều khiển này khụng ủộc lập nhau mà liờn kết cựng nhau nhằm mục ủớch ủiều khiển ủối tượng ủạt ủược cỏc yờu cầu về chỉ tiờu chất lượng ủặt trước ðiều khiển Cascade sử dụng cho tượng có khả năng phân ly, có nghĩa là ở một số biến trạng thỏi bờn trong của ủối tượng cú thể quan sỏt ủược trực tiếp Cấu trỳc của hệ thống ủiều khiển ba mạch vũng theo nguyờn lý Cascade ủược biểu diễn ở hỡnh 3.8
Bộ điều khiển ĐK3 được thiết kế để điều khiển đối tượng S3, trong khi bộ điều khiển ĐK2 là phần của mạch vòng lớn hơn, bao gồm ĐK3 và S3 nối tiếp với S2 Bộ điều khiển ĐK1 là mạch điều khiển chính của toàn bộ hệ thống Các mạch vòng này có thể hoạt động theo chế độ điều khiển thuận hoặc điều khiển ngược.
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội cung cấp chương trình luận văn thạc sĩ kỹ thuật, tập trung vào việc điều chỉnh các yêu cầu và đặc tính của đối tượng điều khiển Đặc biệt, mạch vũng chính luôn được thiết kế để đảm bảo khả năng điều khiển thuận lợi.
- ðiều khiển thuận: Nếu sai lệch e 0 thỡ ủiều khiển tăng và ngược lại
Hình 3.8 Cấu trúc BðK theo nguyên lý Cascade
3.4.2 Thuật toỏn ủiều khiển cú bự ảnh hưởng của nhiễu từ tớn hiệu ủặt (setpoin)
Trong các hệ thống điều khiển, đối tượng điều khiển thường chịu tác động của nhiều loại nhiễu mà chúng ta không thể kiểm soát hoàn toàn Do đó, việc chỉ sử dụng bộ điều khiển PID thông thường có thể không đảm bảo chất lượng điều khiển Để khắc phục hạn chế này, chúng ta có thể thiết kế bộ điều khiển có khả năng giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu từ tín hiệu đầu vào Cấu trúc của bộ điều khiển này sẽ giúp giảm thiểu tác động của nhiễu trong quá trình điều khiển.
Hỡnh 3.9 Cấu trỳc bộ ủiều khiển cú bự nhiễu từ tớn hiệu ủặt w(t) ðK 1 ðK 2 ðK 3 S3 S2 S1 ðTðK y(t) x 3 x 2
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……… ……… 59
Trong ủú: Bộ lọc nhiễu cú hàm truyền là W B (p), bộ ủiều khiển cú hàm truyền là W DK (p), ủối tượng ủiều khiển cú hàm truyền là W DT (p)
- Trường hợp bự tĩnh: Khõu bự ủược xỏc ủịnh như biểu thức 3.11
- Trường hợp bự ủộng: Khõu bự là khõu vi phõn ủể ủỏp ứng yờu cầu tỏc ủộng nhanh ủảm bảo chất lượng hệ thống Hàm truyền cú dạng như 3.12 ⇒ W B ( ) p = T p 1 (3.12)
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……… ……… 60