NHẬN DẠNG và điều KHIỂN PID CHO hệ THỐNG QUẢ BÓNG TRONG ỐNG KHÍ THẲNG ĐỨNG sử DỤNG PLC s7 200 áp DỤNG vào mô HÌNH hệ THỐNG tại PHÒNG THÍ NGHIỆM tự ĐỘNG HOÁ

NHẬN DẠNG VÀ ĐIỀU KHIỂN PID CHO HỆ THỐNG QUẢ BĨNG TRONG ỐNG KHÍ THẲNG ĐỨNG SỬ DỤNG PLC S7-200: ÁP DỤNG VÀO MƠ HÌNH HỆ THỐNG TẠI PHỊNG THÍ NGHIỆM TỰ ĐỘNG HOÁ 2022 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HOÁ ĐỀ TÀI: NHẬN DẠNG VÀ ĐIỀU KHIỂN PID CHO HỆ THỐNG QUẢ BĨNG TRONG ỐNG KHÍ THẲNG ĐỨNG SỬ DỤNG PLC S7-200: ÁP DỤNG VÀO MƠ HÌNH HỆ THỐNG TẠI PHỊNG THÍ NGHIỆM TỰ ĐỘNG HOÁ Người hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: Mã sinh viên: Lớp: TS PHẠM THANH PHONG NGUYỄN TẤN PHONG THẠCH CẢNH THÀNH 1811505520136 1811505520149 18TDH1 Đà Nẵng, 05/2022 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HOÁ ĐỀ TÀI: NHẬN DẠNG VÀ ĐIỀU KHIỂN PID CHO HỆ THỐNG QUẢ BĨNG TRONG ỐNG KHÍ THẲNG ĐỨNG SỬ DỤNG PLC S7-200: ÁP DỤNG VÀO MÔ HÌNH HỆ THỐNG TẠI PHỊNG THÍ NGHIỆM TỰ ĐỘNG HỐ Người hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: Mã sinh viên: Lớp: TS PHẠM THANH PHONG NGUYỄN TẤN PHONG THẠCH CẢNH THÀNH 1811505520136 1811505520149 18TDH1 Đà Nẵng, 05/2022 Nhận xét người hướng dẫn Nhận xét người phản biện TÓM TẮT Đề tài trình bày tính tốn thiết kế điều khiển PID để ổn định bóng ống khí thẳng đứng mơ hình hệ thống phịng thí nghiệm tự động hố Bộ điều khiển PID giúp cho bóng ổn định chiều cao định Giúp giảm sai số xác lập mức tối thiểu hạn chế độ dao động giúp giảm thời gian xác lập độ vọt lố Điều khiển PID coi là điều khiển lý tưởng hệ thống điều khiển quy trình đại Nó sử dụng hầu hết ứng dụng điều khiển trình tự động cơng nghiệp Để điều chỉnh lưu lượng, nhiệt độ, áp suất, vv… Để thực thiết kế điều khiển PID, nhóm xây dựng giao diện thu thập liệu sau xây dựng mơ hình tốn học hệ thống, sau xây dựng điều khiển PID LỜI NĨI ĐẦU Là sinh viên ngành Tự động hóa, việc trang bị cho kiến thức điều khiển tự động điều cần thiết Và Đồ án tốt nghiệp công cụ hữu hiệu để em bổ sung, mở rộng tổng kết kiến thức ngành tự động Hiện nay, điều khiển PID đưa vào ứng dụng dùng nhiều ngành nghề, lĩnh vực khác Nó đưa vào để dùng giảm sai số hạn chế dao động hay làm giảm thời gian xác lập độ vọt lố Thuật ngữ PID viết tắt đạo hàm tích phân tỷ lệ loại thiết bị sử dụng để điều khiển biến trình khác áp suất, lưu lượng, nhiệt độ tốc độ ứng dụng công nghiệp Trong điều khiển này, thiết bị phản hồi vòng điều khiển sử dụng để điều chỉnh tất biến trình Được cho phép giúp đỡ thầy Nguyễn Văn Nam Nhóm em lên ý tưởng đề tài: “Nhận dạng điều khiển PID cho hệ thống bóng ống khí thẳng đứng sử dụng PLC s7-200: áp dụng vào mơ hình hệ thống phịng thí nghiệm tự động hố” Với vị trí sinh viên ngồi ghế nhà trường, với kiến thức kinh nghiệm thực tế chưa nhiều chắn khơng thể tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận nhiều ý kiến góp ý quý thầy hội đồng để chúng em có thêm kiến thức quý báu Chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy TS Phạm Thanh Phong, người tận tình hướng dẫn chúng em suốt trình thực đồ án Chúng em xin chân thành cảm ơn! i CAM ĐOAN Nhóm chúng em xin cam đoan Sẽ cố gắng dùng kiến thức có học trường, thầy T.S Phạm Thanh Phong hướng dẫn tận tình để nghiên cứu thiết kế điều khiển PID để điều khiển ổn định bóng tốt Những nội dung đồ án nhóm chúng em thực hướng dẫn trực tiếp thầy TS Phạm Thanh Phong Mọi tham khảo tài liệu dùng đồ án nhóm chúng em trích dẫn rõ ràng tên tác giả, thời gian, địa điểm công bố Sinh viên thực ii MỤC LỤC Trang Nhận xét người hướng dẫn Nhận xét người phản biện Tóm tắt Nhiệm vụ đồ án LỜI NÓI ĐẦU .i CAM ĐOAN ii DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ, BẢNG iii Chương 1: GIỚI THIỆU MƠ HÌNH HỆ THỐNG TẠI PHỊNG THÍ NGHIỆM TỰ ĐỘNG HỐ 1.1 Mục đích mơ hình nâng vật khơng khí 1.2 Khảo sát số mơ hình nâng vật ống khí thẳng đứng 1.2.1 Hệ thống thí nghiệm động– Trường đại học Zürich 1.2.2 Hệ thống Thí nghiệm “Balls in tubes” - Khoa Điện Kỹ thuật Máy tính – Đại học Tiểu bang Ohio, Hoa Kỳ 1.2.3 Hệ thống thí nghiệm điều khiển bóng 1.2.4 Sản phẩm công nghệ Star Wars Force Trainer 1.3 Tổng quan mơ hình Phịng thí nghiệm Tự động hóa .4 1.3.1 Chức mơ hình 1.3.2 Sơ đồ ngun lý mơ hình 1.3.3 Sơ đồ khối sơ đồ nối dây .6 1.3.4 Các khối mơ hình 1.4 Thiết kế phần cứng mơ hình 10 1.4.1 Nguồn điện 24VDC 10 1.4.2 Rơ le trung gian 11 1.4.3 Cảm biến siêu âm Keyence UD-300 + sensor UD-310 13 1.4.4 Mô đun EM 235 .15 1.4.5 Động điện DC không chổi than 16 1.4.6 PLC S7-200 17 Chương 2: 2.1 THU THẬP DỮ LIỆU ĐỂ NHẬN DẠNG HỆ THỐNG 22 Mục đích thu thập liệu 22 2.2 Giới thiệu phầm mềm sử dụng để thiết kế chương trình giao diện lấy liệu 22 2.2.1 PC ACCESS 22 2.2.2 WinCC 7.4 .23 2.2.3 V4.0 STEP MicroWIN SP9 25 2.3 Thu thập liệu mơ hình phịng thí nghiệm tự động hóa 26 2.3.1 Chương trình thu thập liệu V4.0 STEP MicroWIN SP9 27 2.3.2 Giao diện WinCC .28 2.3.3 Kết nối PLC WinCC 29 2.3.4 Thu liệu .31 2.3.5 Biểu đồ liệu thu thập 33 Chương 3: NHẬN DẠNG MƠ HÌNH TỐN HỌC 36 3.1 Xây dựng mơ hình tốn học hệ thống .36 3.2 Nhận dạng mơ hình tốn học 39 3.2.1 Matlab/ Simulink .39 3.2.2 Toolbox APPS system identification .41 3.2.3 Tìm hàm truyền hệ thống Toolbox system identification .42 Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CHO HỆ THỐNG 48 4.1 Giới thiệu điều khiển PID 48 4.2 Thiết kế PID cho hệ thống 49 4.2.1 Đưa PID vào hệ thống .49 4.2.2 Áp dụng tiêu chuẩn ổn đinh đại số Routh 50 4.2.3 Tìm thơng số 𝑲𝒑, 𝑲𝒊, 𝑲𝒅 để hệ thống ổn định 51 Chương 5: LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG PID TRÊN MƠ HÌNH TẠI PHỊNG THÍ NGHIỆM 54 5.1 Tạo điều khiển PID STEP MicroWIN SP9: .54 5.2 Chương trình điều khiển 57 5.3 Kết thực mô hình phịng thí nghiệm tự động hố 60 KẾT LUẬN PHỤ LỤC .3 DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ Hình 1 Thí nghiệm động - Giáo sư M Morari.J.Lygeros Hình Thí nghiệm “Balls in tubes” -Khoa Điện Kỹ thuật Máy tính – Đại học Tiểu bang Ohio, Hoa Kỳ Hình Mơ hình Mark Bowers and Muawea Rawashdeh - Oakland University Hình Star Wars Force Trainer Hình Sơ đồ ngun lý dây tổng thể mơ hình Hình Sơ đồ khối hệ thống điều khiển Hình Sơ đồ nối dây mạch điều khiển mơ hình [2] Hình Nguồn hệ thống Hình Khối nguồn DC 24V Hình 10 Khối cảm biến siêu âm Hình 11 Khối điều khiển động quạt Hình 12 Khối giao diện người máy HMI Hình 13 Khối kết nối truyền thông Hình 14 Lưu đồ bố trí thiết bị 10 Hình 15 Bộ nguồn 24VDC 11 Hình 16 Rơ le trung gian loại chân 11 Hình 17 Rơ le loại 14 chân 12 Hình 18 Cảm biến siêu âm UD 310 13 Hình 19 Bộ khuyếch đại UD-300 13 Hình 20 Sơ đồ mơ tả ngun lý làm việc module EM235 15 Hình 21 Động khơng chổi than 16 Hình 22 PLC S7-200 17 Hình 23 Cấu trùc tổng quát PLC 18 Hình 24 Chu kỳ quét PLC 19 Hình Giao diện PC ACCESS 22 Hình 2 Logo WinCC 23 Hình Giao diện STEP MicroWIN SP9 26 Hình Sơ đồ khối trình lấy liệu 26 Hình Giao diện WinCC giới thiệu đồ án 28 Hình Giao diện WinCC phần lấy liệu 29 Hình Bảng số liệu thu thập WinCC 32 Hình Bảng số liệu excel 32 Hình Đưa liệu vào matlab để vẽ biểu đồ 33 Hình 10 Biểu đồ điện áp thời gian 34 Hình 11 Biểu đồ chiều cao thời gian 34 Hình 12 Biểu đồ điện áp chiều cao 35 Hình Các lực tác dụng lên bóng đường ống 36 Hình Matlab simulink 39 Hình 3 Giao diện APP system identification 42 Hình Đưa liệu vào khối matlab 42 Hình Giao diện app system identification 43 Hình Đưa liệu điện áp chiều cao vào system identification 43 Hình Đặt tên đơn vị khối liệu điện áp chiều cao 44 Hình Chọn dạng hàm truyền hệ thống 45 Hình Đầu chiều cao sau xác định hàm truyền 46 Hình 10 Hàm truyền hệ thống 46 Hình 11 Chiều cao sau qua hàm truyền so với liệu chiều cao thu thập 47 iii Nhận dạng điều khiển PID cho hệ thống bóng ống khí thẳng đứng sử dụng PLC S7-200: Áp dụng vào mơ hình hệ thống phịng thí nghiệm tự động hố Kết thử giá trị 𝐾𝑝, 𝐾𝑖, 𝐾𝑑 vào hệ thống: Hình 4 Thử giá trị 𝐾𝑑 𝐾𝑝=0,1 𝑣à 𝐾𝑖=0,1 Với giá trị 𝐾𝑑 𝐾𝑝=0,1 𝑣à 𝐾𝑖=0,1: 𝐾𝑑 = biên độ dao động lớn 𝐾𝑑 = 10 độ vọt lố cao nên dễ làm bóng rơi khỏi ống khí 𝐾𝑑 = 20 độ vọt lố cao nên ta không chọn Đặt: 𝐾𝑝 = 0,1 𝐾𝐼 = 0,05 ⇒ 𝐾𝑑 > 0,35 Thử 𝐾𝑑 giá trị lớn 0,35 simulink ta được: Hình 5Thử giá trị 𝐾𝑑 𝐾𝑝 = 0,1 𝑣à 𝐾𝑖 = 0,05 Với giá trị 𝐾𝑑 𝐾𝑝 = 0,1 𝑣à 𝐾𝑖 = 0,05: 𝐾𝑑 = 0,7 biên độ dao động lớn hệ không ổn định SVTH: Nguyễn Tấn Phong, Thạch Cảnh Thành Người hướng dẫn: Phạm Thanh Phong 52 Nhận dạng điều khiển PID cho hệ thống bóng ống khí thẳng đứng sử dụng PLC S7-200: Áp dụng vào mơ hình hệ thống phịng thí nghiệm tự động hố 𝐾𝑑 = độ dao động hệ chưa ổn định 𝐾𝑑 = 10 độ vọt lố cao cao nên dễ làm bóng rơi khỏi ống khí Sau nhiều lần thử , xét để đầu đáp ứng điều kiện đột vọt lố thấp thời gian đáp ứng tối ưu ta chọn giá trị 𝐾𝑝 , 𝐾𝑖 , 𝐾𝑑 để hệ thống ổn định : 𝐾𝑝 = 0,1 𝐾𝐼 = 0,004 𝐾𝑑 = 0,5 Hình Giá trị 𝐾𝑝, 𝐾𝑖, 𝐾𝑑 để hệ thống ổn định Với Kp=0,1; Ki= 0,004; Kd=0.5 để hệ thống ổn định lâu khoảng 15giây độ vọt lố thấp độ dao động Để tránh việc bóng bay khỏi ống khí ta chọn giá trị 𝐾𝑝, 𝐾𝑖, 𝐾𝑑 để điều khiển hệ thống Vậy ta chọn Kp=0,1; Ki= 0,004; Kd=0.5 thông số để điều khiển PID hệ thống hoạt động ổn định SVTH: Nguyễn Tấn Phong, Thạch Cảnh Thành Người hướng dẫn: Phạm Thanh Phong 53 Nhận dạng điều khiển PID cho hệ thống bóng ống khí thẳng đứng sử dụng PLC S7-200: Áp dụng vào mơ hình hệ thống phịng thí nghiệm tự động hố Chương 5: LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG PID TRÊN MƠ HÌNH TẠI PHỊNG THÍ NGHIỆM 5.1 Tạo điều khiển PID STEP MicroWIN SP9: Như trình bày chương có thơng số Ki Kp Kd điều khiển PID, ta sử dụng chúng lập trình PLC, bước lập trình sau: B1: Đầu tiên ta vào Tool chọn Instruction Wizard chọn PID, sau bấm next, hộp thoại hỏi PID sử dụng vịng lặp ta để mặc định bấm next B2: Hiện hộp thoại có: - Low Range: Giá trị thấp High Range: Giá trị cao Ở giá trị đo chiều cao ta từ 0-250 thay vào giá trị thấp cao Tham số: Gain K Integral Time I Derivative Time D Sample Time thời gian lấy mẫu [8] Ở ta thay giá trị Kp vào gain, Ki vào I Kd vào D P=0.1 SVTH: Nguyễn Tấn Phong, Thạch Cảnh Thành Người hướng dẫn: Phạm Thanh Phong 54 Nhận dạng điều khiển PID cho hệ thống bóng ống khí thẳng đứng sử dụng PLC S7-200: Áp dụng vào mơ hình hệ thống phịng thí nghiệm tự động hố - I=0.004 D=0.5 B3: Điền giá trị analog giá trị chiều cao tương ứng với mơ hình thực nghiệm SVTH: Nguyễn Tấn Phong, Thạch Cảnh Thành Người hướng dẫn: Phạm Thanh Phong 55 Nhận dạng điều khiển PID cho hệ thống bóng ống khí thẳng đứng sử dụng PLC S7-200: Áp dụng vào mơ hình hệ thống phịng thí nghiệm tự động hố B4: Chọn click vào chế độ Manual xuất hộp thoại này: B5: Cho hệ thống chạy chương trình có PID, sau chọn Tools→ PID Turning→ chọn chế độ Manual → thay thông số Gain(P), Integral Time(I), Derivative Time (D) SVTH: Nguyễn Tấn Phong, Thạch Cảnh Thành Người hướng dẫn: Phạm Thanh Phong 56 Nhận dạng điều khiển PID cho hệ thống bóng ống khí thẳng đứng sử dụng PLC S7-200: Áp dụng vào mơ hình hệ thống phịng thí nghiệm tự động hố 5.2 Chương trình điều khiển Lưu đồ thuật tốn: Hình Lưu đồ thuật tốn Bảng phân cơng đầu vào đầu ra: Đầu vào Địa Set_dap VD4 Nutnhan_auto M30.0 Nutnhan_manual M30.1 Start_nutnhan M30.4 Stop_nutnhan M30.5 Runing_auto M30.6 Setpoint VD100 Đầu Output_pid Auto_lamp Manual_lamp Địa MW26 M30.2 M30.3 Dưới chương trình điều khiển để bóng bay ổn định có gắn khối PID sau tính tốn thơng số Ki Kp Kd áp dụng vào: SVTH: Nguyễn Tấn Phong, Thạch Cảnh Thành Người hướng dẫn: Phạm Thanh Phong 57 Nhận dạng điều khiển PID cho hệ thống bóng ống khí thẳng đứng sử dụng PLC S7-200: Áp dụng vào mô hình hệ thống phịng thí nghiệm tự động hố SVTH: Nguyễn Tấn Phong, Thạch Cảnh Thành Người hướng dẫn: Phạm Thanh Phong 58 Nhận dạng điều khiển PID cho hệ thống bóng ống khí thẳng đứng sử dụng PLC S7-200: Áp dụng vào mơ hình hệ thống phịng thí nghiệm tự động hố SVTH: Nguyễn Tấn Phong, Thạch Cảnh Thành Người hướng dẫn: Phạm Thanh Phong 59 Nhận dạng điều khiển PID cho hệ thống bóng ống khí thẳng đứng sử dụng PLC S7-200: Áp dụng vào mơ hình hệ thống phịng thí nghiệm tự động hố 5.3 Kết thực mơ hình phịng thí nghiệm tự động hố Để xem kết thực nghiệm điều khiển PID mơ hình phịng thí nghiệm tự động hố đưa giá trị chiều cao mong muốn network download chươg trình Ở đây, đặt giá trị chiều cao mong muốn 170mm: Hình Kết đặt giá trị chiều cao mong muốn 170mm SP: chiều cao mong muốn (tương ứng đường màu xanh lá) PV: chiều cao thực (tương ứng đường màu đỏ) Out: điện áp để chiều cao ổn định (tương ứng đường màu xanh dương) Tương tự, kết thu ta đặt giá trị chiều cao mong muốn 200mm: Hình Kết đặt giá trị chiều cao mong muốn 200mm SVTH: Nguyễn Tấn Phong, Thạch Cảnh Thành Người hướng dẫn: Phạm Thanh Phong 60 Nhận dạng điều khiển PID cho hệ thống bóng ống khí thẳng đứng sử dụng PLC S7-200: Áp dụng vào mơ hình hệ thống phịng thí nghiệm tự động hố KẾT LUẬN Trong đề tài này, nhóm chúng em thiết kế thành cơng điều khiển PID cho hệ thống mơ hình phịng thí nghiệm tự động hố Kết đạt được:  Khảo sát mơ hình điều khiển bóng ống khí tương tự  Xây dựng nhận dạng mơ hình tốn học hệ thống dựa liệu thu thập  Tìm hàm truyền hệ thống  Thiết kế điều khiển PID cho hệ thống  Đưa điều khiển PID tính tốn vào mơ hình phịng thí nghiệm tự động hố Hướng phát triển đề tài: Hoàn thiện phát triển thêm nhiều thuật toán Nhận dạng điều khiển PID cho hệ thống bóng ống khí thẳng đứng sử dụng PLC S7-200: Áp dụng vào mơ hình hệ thống phịng thí nghiệm tự động hố TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]https://xemtailieu.net/tai-lieu/dieu-khien-vi-tri-bong-chinh-dinh-cac-thong-so-pidtheo-thuat-toan-toi-uu-bay-dan Ngày truy cập: 14/5/2022 [2] Đề tài Nghiên cứu khoa học cấp sở 2021, Nguyễn Đức Quận Nguyễn Văn Nam Ngày truy cập 7/4/2022 [3]https://abientan.com/plc-la-gi-tim-hieu-co-ban-ve-plc/ Ngày truy cập 10/4/2022 [4]https://baoanjsc.com.vn/tin-hang/wincc tai-sao-chung-ta-nen-tim-hieu-vewincc_2_69_20900_vn.aspx Ngày truy cập 25/4/2022 [5]https://yamada.edu.vn/matlab-simulink-la-gi/ Ngày truy cập 27/4/2022 [6]https://www.hvu.edu.vn/ Ngày truy cập 27/4/2022 [7]http://tailieuso.udn.vn/bitstream/ Ngày truy cập 3/5/2022 [8]https://text.123docz.net/document/3378331-bo-dieu-khien-pid-trong-plc.htm Ngày truy cập 10/5/2022 Nhận dạng điều khiển PID cho hệ thống bóng ống khí thẳng đứng sử dụng PLC S7-200: Áp dụng vào mơ hình hệ thống phịng thí nghiệm tự động hố PHỤ LỤC *Chương trình lấy liệu STEP MicroWIN SP9 *Chương trình đưa điều khiển PID vào mơ hình phịng thí nghiệm tự động hố Nhận dạng điều khiển PID cho hệ thống bóng ống khí thẳng đứng sử dụng PLC S7-200: Áp dụng vào mô hình hệ thống phịng thí nghiệm tự động hố Nhận dạng điều khiển PID cho hệ thống bóng ống khí thẳng đứng sử dụng PLC S7-200: Áp dụng vào mơ hình hệ thống phịng thí nghiệm tự động hoá Nhận dạng điều khiển PID cho hệ thống bóng ống khí thẳng đứng sử dụng PLC S7-200: Áp dụng vào mơ hình hệ thống phịng thí nghiệm tự động hố ... CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HOÁ ĐỀ TÀI: NHẬN DẠNG VÀ ĐIỀU KHIỂN PID CHO HỆ THỐNG QUẢ BĨNG TRONG ỐNG KHÍ THẲNG ĐỨNG SỬ DỤNG PLC S7-200: ÁP DỤNG VÀO MƠ HÌNH HỆ THỐNG TẠI PHỊNG THÍ NGHIỆM... Phong Nhận dạng điều khiển PID cho hệ thống bóng ống khí thẳng đứng sử dụng PLC S7-200: Áp dụng vào mơ hình hệ thống phịng thí nghiệm tự động hoá EZ4 gắn bên ống cung cấp vòng phản hồi cho hệ thống, ... Phong 16 Nhận dạng điều khiển PID cho hệ thống bóng ống khí thẳng đứng sử dụng PLC S7-200: Áp dụng vào mơ hình hệ thống phịng thí nghiệm tự động hố 1.4.6 PLC S7-200 Hình 22 PLC S7-200 PLC từ viết