GIỚI THIỆU VÀ NHẬN DẠNG ĐỐI TƯỢNG NHIỆT
Giới thiệu về đối tượng nhiệt
Lò điện trở là thiết bị chuyển đổi điện năng thành nhiệt năng, được sử dụng trong nhiều quy trình công nghệ như nung chảy và luyện kim các loại vật liệu, kim loại và hợp kim khác nhau.
Lò điện trở được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực kỹ thuật như sản xuất thép chất lượng cao, sản xuất hợp kim phe-rô, nhiệt luyện và hoá nhiệt luyện Ngoài ra, lò còn được sử dụng để nung các vật phẩm trước khi cán, rèn dập, kéo sợi, và trong sản xuất đúc, kim loại bột Trong ngành công nghiệp nhẹ và thực phẩm, lò điện giúp tạo màu cho vật phẩm và chuẩn bị thực phẩm Bên cạnh đó, lò điện trở cũng đóng vai trò quan trọng trong sản xuất các sản phẩm thủy tinh, gốm sứ và vật liệu chịu lửa.
Lò điện ngày càng trở nên phổ biến trong đời sống hàng ngày, không chỉ trong các ngành công nghiệp mà còn trong các thiết bị sinh hoạt đa dạng như bếp điện, nồi điện, bình đun nước điện và các thiết bị nung, sấy điện.
Lò điện có nhiều ưu điểm vượt trội so với các lò sử dụng nhiên liệu khác, bao gồm khả năng tạo nhiệt độ cao và đảm bảo tốc độ nung lớn, giúp nâng cao năng suất Ngoài ra, lò điện còn nung đều và chính xác nhờ vào việc dễ dàng điều chỉnh chế độ điện và nhiệt độ Thiết kế kín của lò giúp giảm thiểu hao phí và nhiễu, đồng thời có khả năng cơ khí hóa và tự động hóa quá trình chất dỡ nguyên liệu cũng như vận chuyển vật phẩm Điều này không chỉ đảm bảo điều kiện lao động hợp vệ sinh mà còn mang lại điều kiện thao tác tốt và thiết bị gọn nhẹ.
- Nhược điểm của lò điện: Năng lượng tiêu thụ điện cao, yêu cầu người vận hành có trình độ khi sử dụng
1.1.2 Phân loại lò điện trở
Lò điện trở là một loại lò điện Được phân loại theo các chế độ sau:
- Theo nhiệt độ làm việc
+ Lò dùng trong công nghiệp.
+ Lò dùng trong phòng thí nghiệm.
+ Lò dùng trong gia đình.
1.1.3 Ngu yên lý làm việc của lò điện trở
Lò điện trở hoạt động dựa trên nguyên lý khi dòng điện đi qua dây dẫn, nó sẽ sinh ra nhiệt lượng theo định luật Jun-Lenxơ.
Q - Lượng nhiệt tính bằng Jun (J)
I - Dòng điện tính bằng Ampe (A)
R - Điện trở tính bằng Ôm
T - Thời gian tính bằng giây (s)
Từ công thức trên ta thấy điện trở R có thể đóng vai trò :
Vật nung: Trường hợp này gọi là nung trực tiếp
Dây nung khi được làm nóng sẽ truyền nhiệt cho vật nung qua các phương thức như bức xạ, đối lưu, dẫn nhiệt hoặc sự kết hợp của chúng Hiện tượng này được gọi là nung gián tiếp.
Lò điện trở thường được sử dụng trong ngành công nghiệp để nung các vật liệu có hình dạng đơn giản như hình chữ nhật, vuông và tròn Trong thực tế, trường hợp thứ hai là phổ biến hơn, do đó, khi nhắc đến lò điện trở, không thể không đề cập đến vật liệu làm dây nung, bộ phận quan trọng tạo ra nhiệt cho lò.
5 a) Lò nung trực tiếp b) Lò nung gián tiếp
(1) Vật nung nóng trực tiếp (5) Dây nung (dây điện trở)
(2) Cầu dao (6) Vật liệu nung giáp tiếp
1.1.4 Cấu tạo lò điện trở
Lò điện trở thông thường gồm ba phần chính: vỏ lò, lớp lót và dây nung.
Vỏ lò điện trở là khung cứng vững, chịu tải trọng trong quá trình hoạt động của lò Nó cũng giữ lớp cách nhiệt và đảm bảo độ kín cho lò Phương pháp gia công vỏ lò chủ yếu là hàn và tán.
Khung vỏ lò cần có độ cứng và vững chắc để chịu tải trọng từ lớp lót, vật nung và các cơ cấu cơ khí gắn trên vỏ lò Vỏ lò chữ nhật thường được xây dựng từ các thép hình U, L và thép tấm cắt theo hình dáng phù hợp, thường thấy ở lò buồng, lò liên tục và lò đáy rung Trong khi đó, vỏ lò tròn được sử dụng chủ yếu trong các lò giếng và một số lò chụp.
Vỏ lò tròn chịu lực tác dụng bên trong tốt hơn vỏ lò chữ nhật khi cùng một lượng kim loại để chế tạo vỏ lò
Lớp lót lò điện trở bao gồm hai thành phần chính: vật liệu chịu lửa và vật liệu cách nhiệt Vật liệu chịu lửa có thể được xây dựng từ gạch tiêu chuẩn hoặc gạch hình, đảm bảo khả năng chịu nhiệt tốt cho lò.
Vật liệu chịu lửa cần đáp ứng các yêu cầu quan trọng như khả năng chịu đựng nhiệt độ làm việc tối đa của lò và đảm bảo độ bền cơ học đủ để hỗ trợ việc xếp vật nung cũng như lắp đặt thiết bị vận chuyển.
6 trong điều kiện làm việc, đảm bảo khả năng gắn dây nung bền và chắc chắn, có đủ độ bền hoá học khi làm việc
Phần cách nhiệt, nằm giữa vỏ lò và vật liệu chịu lửa, có vai trò quan trọng trong việc giảm tổn thất nhiệt Nó có thể được xây dựng từ gạch cách nhiệt hoặc được điền đầy bằng bột cách nhiệt Yêu cầu cơ bản của phần cách nhiệt là đảm bảo hiệu quả cách nhiệt tối ưu.
Hệ số dẫn nhiệt cực tiểu
Khả năng tích nhiệt cực tiểu
Ổn định về tính chất lý, nhiệt trong điều kiện làm việc xác định.
Yêu cầu của vật liệu dùng làm dây nung
Dây nung là bộ phận phát nhiệt của lò, làm việc trong những điều kiện khắc nghiệt do đó đòi hỏi phải đảm bảo các yều cầu sau:
+ Chịu nóng tốt, ít bị ôxy hoá ở nhiệt độ cao
+ Phải có độ bền cơ học cao, không bị biến dạng ở nhiệt độ cao
+ Điện trở suất phải lớn
+ Hệ số nhiệt điện trở phải nhỏ
+ Các tính chất điện phải cố định hoặc ít thay đổi
+ Các kích thước phải không thay đổi khi sử dụng
+ Dễ gia công, dễ hàn hoăc dễ ép khuôn
Trong ngành công nghiệp, lò điện trở thường sử dụng dây nung kim loại, được chế tạo từ các hợp kim Crôm-Nhôm để đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật.
Crôm-Niken là các hợp kim có điện trở cao, trong khi các kim loại nguyên chất hiếm khi được sử dụng để chế tạo dây nung do chúng thường mang những tính chất không thuận lợi cho quá trình này.
+ Hệ số nhiệt điện trở lớn
+ Bị ôxy hoá mạnh trong môi trường khí quyễn bình thường
Dây nung phi kim loạidùng phổ biến là SiC, Grafit và than.
Thiết bị cảm biến và chấp hành
1.2.1 Thiết bị cảm biến a Tổng quan về cảm biến nhiệt độ
Cảm biến là thiết bị chuyển đổi giá trị cần đo thành tín hiệu khác dựa trên các hiện tượng bên trong Cảm biến nhiệt độ đo nhiệt độ môi trường và chuyển đổi thành tín hiệu điện (như điện trở, điện áp, dòng) để tương thích với các hệ thống điện tử Giá thành của cảm biến phụ thuộc vào mức độ truyền nhiệt từ môi trường đến phần tử cảm biến, ảnh hưởng đến độ chính xác của thiết bị Các loại cảm biến nhiệt độ rất đa dạng.
Là cảm biến đo nhiệt độ dựa trên hiện tượng nhiệt điện Cặp nhiệt điện gồm
Hai dây kim loại khác nhau được hàn dính ở một đầu, gọi là đầu nóng (đầu đo), trong khi hai đầu còn lại được gọi là đầu lạnh (đầu chuẩn) Khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa đầu nóng và đầu lạnh, một sức điện động eAB sẽ được phát sinh tại đầu lạnh.
Khi sử dụng cặp nhiệt điện, hiệu điện thế thu được bị ảnh hưởng bởi hai loại nhiệt độ: nhiệt độ cần đo và nhiệt độ tham chiếu (đầu lạnh) Trong thí nghiệm, nhiệt độ tham chiếu thường được gán là 0°C để rút ra giá trị cho thermocouple, tuy nhiên trong thực tế, nhiệt độ tham chiếu là nhiệt độ môi trường, không cố định và thay đổi theo địa điểm và thời gian Do đó, để nâng cao độ chính xác của phép đo, cần thiết phải bù nhiệt cho đầu tự do của cặp nhiệt điện.
Cảm biến nhiệt độ có nhiều ưu điểm như giá thành phải chăng, độ bền cao, khả năng đo nhiệt độ trong phạm vi rộng và hoạt động đáng tin cậy Tuy nhiên, nó cũng có một số nhược điểm, bao gồm sự ảnh hưởng của nhiều yếu tố đến sai số, độ nhạy không cao và không thể nối thêm dây để tăng khoảng cách truyền, vì điều này có thể dẫn đến sai số.
Nhiệt điện trở ( RTD-Resitance Temperature Detector )
RTD (Resistance Temperature Detector) được cấu tạo từ dây kim loại như đồng, nikel và platinum, được quấn theo hình dáng của đầu đo Khi nhiệt độ thay đổi, điện trở giữa hai đầu dây kim loại cũng sẽ thay đổi, và độ tuyến tính của điện trở phụ thuộc vào loại kim loại trong một khoảng nhiệt độ nhất định Cảm biến RTD phổ biến nhất hiện nay là loại cảm biến sử dụng cấu trúc này.
Pt là vật liệu được sử dụng để chế tạo cảm biến nhiệt độ RTD, với đặc tính điện trở suất cao, khả năng chống oxy hóa tốt và độ nhạy cao Các loại RTD phổ biến có điện trở 100, 200, 500 và 1000 Ohm tại 0 độ C, trong đó điện trở cao hơn thường đi kèm với độ nhạy nhiệt tốt hơn RTD thường được thiết kế với 2, 3 hoặc 4 dây, trong đó loại 4 dây giúp giảm điện trở của dây dẫn xuống một nửa, từ đó hạn chế sai số trong quá trình đo.
Thermistor là một loại cảm biến nhiệt độ được chế tạo từ hỗn hợp các bột oxit, được trộn theo tỷ lệ và khối lượng cụ thể Sau khi được nén chặt, hỗn hợp này sẽ được nung ở nhiệt độ cao Đặc biệt, mức độ dẫn điện của thermistor sẽ thay đổi tương ứng với sự biến đổi của nhiệt độ.
Có hai loại thermistor: PTC (hệ số nhiệt dương) với điện trở tăng theo nhiệt độ và NTC (hệ số nhiệt âm) với điện trở giảm theo nhiệt độ Trong đó, thermistor NTC được sử dụng phổ biến hơn Thiết bị này thường được áp dụng trong các hệ thống bảo vệ và ngắt nhiệt nhờ vào những ưu điểm như giá thành hợp lý, độ bền cao và phản ứng nhanh chóng.
Cảm biến nhiệt bán dẫn được chế tạo từ các chất bán dẫn như Diode, Transistor và IC, hoạt động dựa trên mức độ phân cực của các lớp P-N tương ứng với nhiệt độ môi trường Một số loại cảm biến tiêu biểu bao gồm LM35, LM335 và LM45, với nguyên lý hoạt động là sự thay đổi nhiệt độ dẫn đến sự thay đổi điện áp Điện áp này được tạo ra từ việc phân áp một điện áp chuẩn có trong mạch.
1.2.2 Thiết bị chấp hành a Chọn thiết bị chấp hành
Công suất đặt vào lò có thể được tính theo công thức:
+ I: Dòng điện chạy qua dây nung
Điện trở của dây nung có thể thay đổi công suất (P) theo hai phương án: Thứ nhất, điều chỉnh về phía tiêu thụ bằng cách thay đổi điện trở (R), nhưng phương án này ít được sử dụng do tính không liên tục và hạn chế trong phạm vi điều khiển Thứ hai, điều chỉnh về phía cung cấp bằng cách thay đổi cường độ dòng điện chạy qua dây nung, có thể thực hiện thông qua biến áp, rơle hoặc thyristor.
Phương pháp sử dụng biến áp là một cách điều chỉnh điện áp theo cấp độ, yêu cầu biến áp có công suất lớn Tuy nhiên, phương pháp này thường được xem là thô sơ và ít được áp dụng trong các hệ thống điều khiển tự động.
Phương pháp dùng rơle kết hợp với thyristor.
Phương pháp này cho phép điều chỉnh hiệu quả trong các phạm vi khác nhau, nhưng không thể thực hiện điều chỉnh liên tục Khi tiếp điểm của rơle đóng, sẽ có chu kỳ cung cấp cho tải, trong khi khi mở nguồn, nguồn cung cấp từ diot bị ngắt Do đó, lò chỉ được cung cấp hoàn toàn bởi thyristor, dẫn đến việc công suất đưa vào lò chỉ có thể điều khiển trong 1/2 chu kỳ.
Phương pháp dùng 2 thyristor mắc xung đối.
Khi có xung điều khiển, hai thyristor sẽ lần lượt mở để cho dòng điện đi qua, cho phép điều khiển liên tục từ trạng thái đóng sang mở, tương ứng với việc thay đổi công suất lò từ không đến giá trị tối đa Phương pháp này mang lại khả năng điều khiển trong phạm vi rộng và đáp ứng các yêu cầu chất lượng Tuy nhiên, nó cũng phức tạp và khó lắp đặt, đặc biệt đối với các hệ thống công suất lớn, dẫn đến chi phí cao.
Phương pháp điều khiển nhiệt độ lò bằng rơle có khả năng khống chế mức nhiệt ở các điện áp khác nhau, tuy nhiên, độ dao động nhiệt độ lớn làm giảm độ chính xác và tin cậy do rơle phải đóng cắt nhiều lần Với sự tiến bộ trong kỹ thuật điện tử và vi xử lý, các rơle hiện đại đã đạt độ chính xác cao và an toàn tốt, giúp cải thiện chất lượng điều khiển của hệ thống Phương pháp này ngày càng được ưa chuộng nhờ vào tính đơn giản, dễ dàng kết nối và chi phí thấp Thiết bị chấp hành sử dụng rơle bán dẫn SSR (Solid State Relay) là một trong những lựa chọn phổ biến hiện nay.
Do không có công tắc chuyển động như EMR, SSR sử dụng các phần tử bán dẫn như triac, thyristor, diode và transistor Giữa đầu vào và đầu ra của SSR được cách ly bằng một phần tử photocoupler, giúp biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang SSR mang lại nhiều ưu điểm vượt trội so với EMR.
Tốc độ điều khiển nhanh hơn, chính xác và tin cậy hơn.
Không có tia lửa điện phát sinh do tiếp xúc đóng ngắt.
Làm việc được trong môi trường khắc nghiệt, có rung chấn.
Tuy nhiên SSR giá thành cao hơn, nguyên lý hoạt động phức tạp hơn EMR.
Hình minh họa SSR (Dùng Triac):
- Ứng dụng của SSRtrong điều khiển nhiệt độ.
Nhận dạng đối tượng nhiệt
Hầu hết các phương pháp điều khiển đều dựa vào mô hình của đối tượng, bao gồm mô hình lý thuyết được xây dựng từ các phương trình cân bằng vật chất và năng lượng, hoặc mô hình thực nghiệm dựa trên phản ứng của hệ thống với tín hiệu thử nghiệm.
Mô hình chỉ cần tập trung vào các đặc tính thiết yếu của hệ thống thực, thay vì phản ánh đầy đủ mọi khía cạnh của nó.
Việc xác định mức độ về yêu cầu đơn giản mà vẫn đầy đủ phụ thuộc vào ba yếu tố:
- Yêu cầu và mục đích sử dụng cụ thể của mô hình.
- Công sức và chi phí tiến hành mô hình hóa.
- Độ tin cậy của thông tin có được về quá trình.
Về nguyên tắc có hai phương pháp xây dựng mô hình toán học cho đối tượng:
Mô hình hóa lý thuyết, hay còn gọi là mô hình hóa vật lý, là quá trình sử dụng các định luật cơ bản của vật lý và hóa học kết hợp với thông số kỹ thuật của thiết bị để xác định giá trị của các tham số Quá trình này dẫn đến việc xây dựng một hệ thống các phương trình vi phân và phương trình đại số, giúp phân tích và dự đoán hành vi của các hệ thống vật lý.
Mô hình hóa thực nghiệm, hay còn gọi là phương pháp hộp đen và nhận dạng quá trình, là một kỹ thuật dựa trên việc thu thập thông tin ban đầu về quá trình Phương pháp này bao gồm việc quan sát tín hiệu đầu vào và đầu ra, sau đó phân tích dữ liệu thu được để xác định mô hình chính xác.
Sau khi thu thập dữ liệu đầu vào và đầu ra theo thời gian hoặc phổ tín hiệu, nhiệm vụ của việc nhận dạng đối tượng là tìm ra mô hình toán học và hàm truyền đạt phù hợp nhất để mô tả chính xác đối tượng thực Việc nhận dạng trong Matlab thông qua toolbox nhận dạng hệ thống giúp thực hiện nhanh chóng và trực quan Tuy nhiên, để sử dụng hiệu quả công cụ này, người dùng cần hiểu rõ các phương pháp nhận dạng, phạm vi áp dụng, cũng như ưu nhược điểm của từng phương pháp, cùng với khả năng phân tích hệ thống dựa trên các đặc tính thu được.
1.3.2 Nhận dạng lò điện trở bằng thực nghiệm lò điện trở 2,5 KVA
Sau khi thu thập dữ liệu về mối quan hệ giữa tín hiệu đầu vào và đầu ra của hệ thống, chúng ta tiến hành xử lý số liệu nhằm nhận diện mô hình hệ thống một cách chính xác.
Nhập dữ liệu từ Import Data.
Hình 1.1 Nhập dữ liệu từ cửa sổ Matlab
Hình 1.2 Xuất dữ liệu từ file Excel đã thu thập
Tiến hànhnhận dạng bằng Toolbox Identification:
Bật cửa sổ System Identification Tool bằng lệnh sau:
Vào phần ImportData, chọn dạng dữ liệu ở miền thời gian Time-Domain Signals:
Hình 1.3 Giao diện Identification Tool
Hình 1.4 Nhập thông số chuẩn bị nhận dạng
Trong mục Estimate, chọn Process Model:
Hình 1.5 Ước lượng mô hình
Chọn mô hình quán tính bậc nhất có trễ:
Hình 1.6 Ước lượng mô hình quán tính bậc nhất có trễ
Chọn mô hình quán tính bậc 2 có trễ:
Hình 1.7 Ước lượng mô hình quán tính bậc 2 có trễ
Chọn mô hình quán tính bậc 3 có trễ:
Hình 1.8 Ước lượng mô hình quán tính bậc 3 có trễ
Hình 1.9 Đặc tính xấp xỉ sau khi ước lượng mô hình Đánh giá kết quả nhận dạng: Ta thấy mô hình quán tính bậc 1 có trễ có Best
Mô hình động học của lò điện trở được chọn với độ fit cao nhất đạt 97,81% Kết quả nhận dạng hệ thống cho thấy hàm truyền của lò điện trở 2,5 KVA.
Kết luận chương 1
Chương 1 giới thiệu chung về đối tượng nhiệt là lò điện trở, nguyên lý làm việc và cấu tạo của lò điện trở Phương pháp nhận dạng mô hình đối tượng bằng Identification Toolbox của Matlab Trong chương này nội dung nghiên cứu chính là đưa ra được phương trình động học của lò điện trở 2,5 KVA trên cơ sở dữ liệu lấy được từ kết quả thực nghiệm
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO ĐỐI TƯỢNG NHIỆT
Bộ điều khiển PID
Trong các hệ thống điều khiển, việc lựa chọn loại khâu điều khiển phù hợp như P, PI hay PID phụ thuộc vào yêu cầu chất lượng và độ phức tạp của thiết kế Trong số các loại khâu điều khiển, khâu PID được xem là tối ưu nhất cho các hệ thống điều khiển.
Cấu trúc hệ thống điều khiển:
Bộ điều khiển PID có tín hiều điều khiển liên tục trên miền thời gian như sau:
Hàm truyền trên miền Laplace: p D
= = + + = + + Ở chương 1 từ kết quả nhận dạng hệ thống ta có hàm truyền lò điện trở 2,5 KVA
K: Hệ số khuếch đại của đối tượng lò nhiệt.
L: Hằng số thời gian trễ (thời gian không nhạy của lò nhiệt).
T: Hằng số thời gian quán tính nhiệt của lò.
Bảng thiết kế theo Ziegler Nichols 1
Luật điều khiển KP TI TD
Bộ điều khiển PID cho lò điện trở:
Hệ số tương ứng với hệ số khuếch đại tỷ lệ:
Hình 2.1 Sơ đồ simulink hệ thống khi sử dụng thuật toán PID của Ziegler-Nichols 1
Hình 2.2 Đáp ứng của hệ thống khi sử dụng thuật toán PID của Ziegler-Nichols 1
Nhận xét với nhiệt độ đặt 500 o C:
+ Thời gian quá độ khoảng 550s.
+ Độ quá điều chỉnh rất lớn, khoảng 105,83%.
Với đối tượng điều khiển là khâu quán tính bậc nhất có trễ có dạng:
+ Thì theo Halman ta sử dụng bộ điều khiển PI có các thông số được tính như sau:
= K L Áp dụng với đối tượng lò điện trở 2,5 KVA có hàm truyền:
Ta có bộ điều khiển PI cho đối tượng có hàm truyền:
= T = Hình 2.3 Sơ đồ simulink hệ thống khi sử dụng thuật toán PI của Halman
Hình 2.4 Đáp ứng của hệ thống khi sử dụng thuật toán PI của Halman
Nhận xét với nhiệt độ đặt 500 o C:
+ Thời gian quá độ khoảng 400s.
+ Độ quá điều chỉnh lớn, khoảng 16,67%.
Bảng thiết kế theo phương pháp tổng Kuhn
Luật điều khiển KP TI TD
0,167 TS Áp dụng cho lò điện trở 2,5 KVA:
Hình 2.5 Sơ đồ simulink mô phỏng hệ thống khi sử dụng phương pháp Tổng Kuhn
Hình 2.6 Đáp ứng quá độ của hệ thống khi sử dụng phương pháp Tổng Kuhn
Nhận xét với nhiệt độ đặt 500 o C:
+ Thời gian quá độ khoảng 10000s
+ Độ quá điều chỉnh khoảng 3%
2.1.5 Lựa chọn phương pháp tổng hợp bộ điều khiển PID
Sau khi thiết kế các bộ điều khiển PID kinh điển bằng nhiều phương pháp khác nhau, có thể thấy rằng bộ điều khiển có thời gian quá độ nhanh thường đi kèm với nhiều dao động và độ quá điều chỉnh lớn, trong khi đó, bộ điều khiển với thời gian quá độ chậm lại ít dao động và độ quá điều chỉnh nhỏ hơn.
Kết quả mô phỏng đáp ứng quá độ của hệ thống với các bộ điều khiển ở nhiệt độ 500 oC cho thấy bộ điều khiển PID, được thiết kế theo phương pháp Tổng Kuhn, mang lại hiệu quả tối ưu nhất cho đối tượng lò điện trở 2,5 KVA.
Bộ điều khiển FUZZY PID
2.2.1 Tổng quan về Logic mờ
Hàm thuộc: Cho tập hợp A, ánh xạ μA: A→R thì μA= 1 nếu x A và μA =0 nếu x không A, μA được gọi hàm thuộc của tập A.
Tập mờ F được xác định trên tập kinh điển, trong đó X là một tập hợp chứa các phần tử dưới dạng cặp giá trị (x, μF(x)) Mỗi phần tử x thuộc X được ánh xạ bởi hàm μF(x) từ X đến khoảng giá trị [0, 1].
Độ cao tập mờ: Độ cao tập mờ F là giá trị h = Sup μF(x) với x ∈ X, trong đó Sup μF(x) chỉ giá trị nhỏ nhất trong tất cả các chặn trên của hàm μF(x).
Miền xác định: Miền xác định của tập mờ F, ký hiệu S, là tập con thỏa mãn:
Miền tin cậy: Miền tin cậy của tập mờ F, ký hiệu T, là tập con thỏa mãn:
Các dạng hàm liên thuộc cơ bản.
Các phép toán trên tập mờ
Cho X, Y là hai tập mờ trên không gian nền B, có các hàm thuộc tương ứng là à X , à Y , khi đú:
- Phép hợp hai tập mờ: X∪Y
- Phép giao hai tập mờ: X∩Y
Luật hợp thành mờ. Định lý Mamdani: “Độ phụ thuộc của kết luận không được lớn hơn độ phụ thuộc điều kiện”
Nếu hệ thống có nhiều đầu vào và đầu ra, mệnh đề suy diễn sẽ có dạng tổng quát: Nếu N = ni và M = mi, thì R = ri và K = ki.
Luật hợp thành là tên gọi chung của mô hình biểu diễn một hay nhiều hàm thuộc cho một hay nhiều mệnh đề hợp thành.
Các luật hợp thành cơ bản:
Giải mờ là quỏ trỡnh xỏc định giỏ trị rừ ở đầu ra từ hàm thuộc àB’(y) của tập mờ B’ Có 3 phương pháp giải mờ :
- Xỏc định miền chứa giỏ trị y’, y’ là giỏ trị mà tại đú à B’ (y) đạt Max
- Xác định y’ theo một trong 3 cách sau :
+ Nguyên lý cận trái: chọn y’ = y1
+ Nguyên lý cận phải: chọn y’ = y2
Phương pháp trọng tâm Điểm y’ được xác định là hoành độ của điểm trọng tâm miền được bao bởi trục hoành và đường à B’ (y)
) ( à à y dy y trong đó S là miền xác định của tập mờ B’
+ Phương pháp trọng tâm cho luật Sum-Min
Giả sử có m luật điều khiển được triển khai, ký hiệu các giá trị mờ đầu ra của luật điều khiển thứ k là B’k(y) Theo quy tắc Sum-Min, hàm thuộc sẽ được tính là B’(y) = ∑ m k k.
Xét riêng cho trường hợp các hàm thuộc dạng hình thang như hình trên :
(Chú ý hai công thức trên có thể áp dụng cả cho luật Max-Min )
Từ công thức (1), nếu các hàm thuộc có dạng Singleton thì ta được: y’ =
1 với H k = à B’k (y k ) Đây là công thức giải mờ theo phương pháp độ cao.
Điểm trung bình Giá trị rõ y 0 là giá trị trung bình các giá trị có độ thỏa món cực đại của à B’(y)
Một bộ điều khiển mờ cơ bản gồm ba thành phần cơ bản:
+ Thiết bị thực hiện luật hợp thành.
2.2.3 Các bước tổng hợp bộ điều khiển
- Bước 1: Định nghĩa các biến vào ra.
- Bước 2: Xác định các tập mờ cho từng biến vào/ra (mờ hoá) bao gồm số các tập mờ và dạng các hàm liên thuộc của chúng.
- Bước 3: Xây dựng luật điều khiển (luật hợp thành).
- Bước 4: Chọn thiết bị hợp thành Sử dụng luật Max-Min, Max-Prod, công thức Lukasiewics có luật Sum-Min, Sum-Prod…
- Bước 5: Giải mờ và tối ưu hóa
2.2.4 Hệ điều khiển mờ lai a Khái niệm Để phát huy hết ưu điểm của mỗi loại bộ điều khiển mờ và bộ điều khiển rõ, thường dùng các hệ kết hợp giữa hai loại bộ điều khiển truyền thống và điều khiển mờ với nhau, do vậy ta có các hệ điều khiển mờ lai.
Bộ điều khiển thích nghi là loại bộ điều khiển có khả năng tự điều chỉnh thông số trong quá trình làm việc để phù hợp với sự thay đổi của đối tượng Trong khi đó, hầu hết các hệ thống điều khiển mờ lai là hệ thích nghi, không phải tất cả các hệ lai đều có tính thích nghi Ngoài ra, hệ mờ lai không thích nghi sử dụng bộ điều khiển kinh điển.
Nhiệm vụ điều khiển thường được thực hiện bằng các bộ điều khiển kinh điển, như bộ điều khiển PID, trong đó các thông số của bộ điều khiển không được điều chỉnh.
Hệ mờ được áp dụng để điều chế tín hiệu chủ đạo, nhằm thích nghi với hệ thống điều khiển hiệu quả Một trong những phương pháp là hệ mờ lai Cascade, giúp tối ưu hóa quá trình điều khiển Bên cạnh đó, việc chỉnh định mờ tham số bộ điều chỉnh PID cũng đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện hiệu suất hệ thống.
Bộ điều khiển này là nền tảng cho hệ thống điều khiển thích nghi, khác với phương pháp sử dụng công tắc để chọn bộ điều khiển trong hệ lai Các thông số của bộ điều khiển thích nghi được điều chỉnh một cách liên tục Một bộ điều khiển PID với đầu vào e(t) và đầu ra u(t) có thể được mô tả bằng mô hình toán học cụ thể.
Các tham số KP, TI, TD hoặc KP, KI, KD của bộ điều khiển PID được điều chỉnh dựa trên phân tích tín hiệu chủ đạo và tín hiệu ra của hệ thống, cụ thể là sai lệch e(t) và đạo hàm e’(t) của sai lệch Có nhiều phương pháp để điều chỉnh tham số cho bộ điều khiển PID, trong đó phương pháp chỉnh định qua phiếm hàm mục tiêu và chỉnh định trực tiếp là phổ biến Tuy nhiên, phương pháp chỉnh định mờ của Zhao, Tomizuka và Isaka được coi là đơn giản và dễ áp dụng hơn cả Điều này giả định rằng các tham số KP, KD được giữ trong giới hạn nhất định.
KP [KPmin , KPmax] và KD [KDmin , KDmax] Zhao, Tomizuka và Isaka đã chuẩn hóa các tham số đó để có 0 kP , kD 1 như sau:
30 min min max P P min, max D D min
Luật chỉnh định các tham số bộ điều khiển PID
+ Tại lân cận a1 ta cần luật điều khiển mạnh để rút ngắn thời gian, do đó ta chọn: KP lớn, KD nhỏ, và KInhỏ.
+ Tại lân cận b1ta cần giảm độ vọt lố, do đó ta chọn: KP nhỏ, KD lớn, và KInhỏ. + Tại lân cận c1 và d1 ta chọn giống như a1 và b1.
2.2.5 Thiết kế bộ điều khiển PID FUZZY cho lò điện trở a Xây dựng bộ điều khiển Đối tượng điều khiển là lò điện trở 2,5 KVA có hàm truyền:
+ Biến ngôn ngữ đầu vào, ra và miền giá trị vật lý:
Hình 2.7 Thiết kế luatmo.fis
Hình 2.8 Mờ hóa tập đầu vào ET
Hình 2.9 Mờ hóa tập đầu vào DET
Hình 2.10 Mờ hóa tập đầu ra U
Hình 2.11 Luật điều khiển mờ
Hình 2.12 Luật điều khiển trong không gian b Mô phỏng hệ thống bằng Matlab Simulink
Hình 2.13 Sơ đồ simulink mô phỏng hệ khi sử dụng phương pháp
Hình 2.14 Đáp ứng quá độ của hệ thống khi khi sử dụng phương pháp PID FUZZY
+ Thời gian quá độ khoảng 5000s.
+ Độ quá điều chỉnh khoảng 4,5%.
+ Sai lệch tĩnh xấp xỉ %
2.2.6 Thiết kế bộ điều khiển chỉnh định mờ tham số PID cho lò điện trở Đối tượng điều khiển là lò điện trở 2,5 KVA có hàm truyền:
+ a Các bi ến ngôn ngữ vào ra, tập mờ và hàm liên thuộc của chúng
Biến ngôn ngữ đầu vào :
+ Sai lệch nhiệt độ Et được chọn trong miền giá trị [-12 12]
Có 7 biến ngôn ngữ : Et = {âm nhiều, âm vừa, âm ít, không, dương ít, dương vừa, dương nhiều} = {NB, NM, NS, ZE, PS, PM, PB}.
Hình 2.15 Thiết lập dải Et
+ Tốc độ biến đổi DEt của sai lệch có giá trị biến đổi từ [-0,6 0,6]
Có 7 biến ngôn ngữ: DEt = {âm nhiều, âm vừa, âm ít, không, dương ít, dương vừa, dương nhiều} = {NB, NM, NS, ZE, PS, PM, PB}.
Hình 2.16 Thiết lập dải DEt
Biến ngôn ngữ đầu ra :
+ Kp : Hệ số tỷ lệ được chọn trong miền giá trị [0,5 1].
Có 2 biến ngôn ngữ: Kp = {nhỏ, lớn} = {S, M}.
Hình 2.17 Thiết lập dải Kp
+ Ki : Hệ số tích phân được chọn trong miền giá trị [0,00012 0,001].
Có 2 biến ngôn ngữ: Ki = {nhỏ, nhỏ vừa, trung bình, lớn} = {S, MS, M, B}.
Hình 2.18 Thiết lập dải Ki
+ Kd: Hệ số vi phân được chọn trong miền giá trị [50 60]
Có 2 biến ngôn ngữ: Kd = {nhỏ, lớn} = {S, M}.
Hình 2.19 Thiết lập dải Kd
Hình 2.20 Cửa sổ FIS Editor cho bộ điều khiển lò nhiệt
NB NM NS ZE PS PM PB
NB NM NS ZE PS PM PB
NM MS MS S S S MS MS
NS M MS MS S MS MS M
PS M MS MS S MS MS M
PM MS MS S S S MS MS
NB NM NS ZE PS PM PB
PB S S S S S S S c Mô phỏng hệ thống bằng Matlab Simulink
Hình 2.21 Sơ đồ simulink mô phỏng hệ thống khi bộ điều khiển được thiết kế theo phương pháp chỉnh định mờ tham số PID
Hình 2.22 Đáp ứng quá độ của hệ thống khi bộ điều khiển được thiết kế theo phương pháp chỉnh định mờ tham số PID
Khi áp dụng phương pháp chỉnh định mờ cho hệ thống PID, chúng ta nhận thấy rằng thời gian quá độ đạt khoảng 3000 giây, với độ quá điều chỉnh và sai lệch tĩnh gần như bằng 0%.
2.2.7 So sánh các b ộ điều khiển cho đối tượng Lò điện trở a Khi chưa có tác động của nhiễu
Hình 2.23 Sơ đồ simulink mô phỏng hệ thống khi bộ điều khiển PID, PID FUZZY và chỉnh định mờ tham số PID
Hình 2.24 Đáp ứng của hệ thống khi sử dụng bộ điều khiển PID, PID FUZZY và phương pháp chỉnh định mờ tham số PID
Hệ thống điều khiển với ba bộ điều khiển PID, PID FUZZY cho thấy bộ điều khiển PID FUZZY hoạt động hiệu quả hơn so với bộ điều khiển PID truyền thống Qua quá trình chỉnh định các tham số PID, phương pháp chỉnh định mờ đã được áp dụng, giúp đạt được chất lượng tối ưu với độ quá điều chỉnh và sai lệch tĩnh gần như bằng 0, ngay cả khi có tác động của nhiễu.
Trường hợp nhiễu đầu vào với công suất nhiễu 0,45
Hình 2.25 Sơ đồ simulink mô phỏng hệ có bộ điều khiển PID khi có nhiễu đầu vào
Hình 2.26 Đáp ứng quá độ của hệ sử dụng bộ điều khiển PID khi có nhiễu đầu vào
Hình 2.27 Sơ đồ simulink mô phỏng hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID FUZZY khi có nhiễu đầu vào
Hình 2.28 Đáp ứng quá độ của hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID FUZZY khi có nhiễu đầu vào
Hình 2.29 Sơ đồ simulink mô phỏng hệ thống sử dụng bộ điều khiển chỉnh định các tham số PID khi có nhiễu đầu vào
Hình 2.30 Đáp ứng quá độ của hệ thống sử dụng bộ điều khiển chỉnh định các tham số PID khi có nhiễu đầu vào
Trường hợp có nhiễu đầu ra với công suất 0,005
Hình 2.31 Sơ đồ simulink mô phỏng hệ thống với bộ điều khiển thiết kế theo phương pháp tổng Kuhn khi có nhiễu đầu ra
Hình 2.32 Đáp ứng của hệ thống với bộ điều khiển thiết kế theo phương pháp tổng
Kuhn khi có nhiễu đầu ra
Hình 2.33 Sơ đồ simulink mô phỏng hệ thống có bộ điều khiển thiết kế theo phương pháp PID FUZZY khi có nhiễu đầu ra
Hình 2.34 Đáp ứng của hệ thống có bộ điều khiển thiết kế theo phương pháp PID
FUZZY khi có nhiễu đầu ra
Hình 2.35 Sơ đồ simulink mô phỏng hệ thống có bộ điều khiển thiết kế theo phương pháp chỉnh định mờ tham số PID khi có nhiễu đầu ra
Hình 2.36 Đáp ứng của hệ thống có bộ điều khiển thiết kế theo phương pháp chỉnh định mờ tham số PID khi có nhiễu đầu ra
Với đầu vào có công suất 4,5, cả ba bộ điều khiển trong hệ thống đều bị ảnh hưởng nhẹ, tuy nhiên, sai lệch tổng thể vẫn ở mức nhỏ Đáp ứng của hệ thống vẫn duy trì sự ổn định theo lượng thiết lập ban đầu.
Với nhiễu đầu ra 0,005, cả ba bộ điều khiển đều xuất hiện dao động Cụ thể, hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID thiết kế theo phương pháp tổng Kuhn cho thấy dao động mạnh mẽ và sai lệch lớn.
+ Hệ thống có bộđiều khiển thiết kếtheo phương pháp PID FUZZY có dao động (nhỏhơn so với bộđiều khiển PID), sai lệch vẫn tương đối lớn
Hệ thống điều khiển được thiết kế theo phương pháp chỉnh định mờ với tham số PID có sai lệch, cho phép đáp ứng ổn định và giảm dao động quanh giá trị đặt Phương pháp này mang lại ưu điểm vượt trội so với việc sử dụng hai bộ điều khiển PID và PID FUZZY, giúp cải thiện hiệu suất điều khiển tổng thể.
Kết luận chương 2
Chương 2 tập trung thiết kế tổng hợp bộ điều khiển cho lò điện trở 2,5KVA Nội dung thứ nhất trong chương này là tổng hợp bộ điều khiển PID bằng các phương pháp thực nghiệm và đưa ra được bộ điều khiển PID có chất lượng tốt nhất là phương pháp thiết kế theo Tổng Kuhn Nội dung thứ hai là thiết kế bộ điều khiển PID FUZZY và nội dung thứ ba là thiết kế bộ điều khiển chỉnh định mờ các tham số PID.
Kết quả mô phỏng bằng Matlab Simulink cho thấy bộ điều khiển tối ưu cho lò điện trở 2,5KVA là bộ điều khiển chỉnh định mờ các tham số PID.
PLC S7 300 VÀ CÁC PHẦN MỀM PHỤ TRỢ
Giới thiệu PLC S7 -300
PLC (Điều khiển Logic Có thể Lập trình) là thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua ngôn ngữ lập trình, thay thế cho việc sử dụng mạch số Với khả năng điều khiển, PLC trở thành bộ điều khiển số nhỏ gọn, dễ dàng thay đổi thuật toán và thuận tiện trong việc trao đổi thông tin với các PLC khác hoặc máy tính Tất cả chương trình được lưu trữ trong bộ nhớ của PLC dưới dạng các khối chương trình (OB, FC, FB) và thực hiện theo chu kỳ vòng quét.
3.1.2 Giới thiệu PLC của SIEMENS
Hiện nay, PLC của SIEMENS đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp Các dòng PLC nổi bật của SIEMENS bao gồm Simatic 505, Simatic S5, Simatic S7 và C7 Trong số đó, dòng S7, đặc biệt là các phiên bản S7-300, là dòng sản phẩm được sử dụng phổ biến nhất.
Số lượng module trong hệ thống phụ thuộc vào bài toán cụ thể, có thể bao gồm các module nhận/truyền tín hiệu với đối tượng điều khiển và các module chức năng chuyên dụng như PID hoặc điều khiển động cơ Tất cả các module này được lắp đặt trên thanh rack (ray).
Bảng kê các thiết bị cấu hình S7-300:
Thanh Rack Là giá đỡ của S7-300, gá liền các module mở rộng với nhau, trên môic rack chỉ gá được 8 module mở rộng (không kể CPU, PS).
Biến đổi áp xoay chiều (120/230V) áp một chiều là áp làm việc của S7-300, có 3 loại 2A, 3A và 10A.
Module CPU là thành phần quan trọng thực hiện chương trình của người dùng, bao gồm vi xử lý, hệ điều hành, bộ nhớ, các bộ định thời, bộ đếm, cùng với cổng truyền thông RS485 và cổng vào ra onboard.
Một CPU làm việc trực tiếp nhiều nhất với 4 rack, các rack này phải được nối với nhau bằng IM.
Các loại CPU, đặt theo tên bộ vi xử lý: CPU312, CPU
Module cùng loại vi xử lý, khác nhau cổng vào/ra onboard phân biệt bằng chữ IFM (Intergrated Function Module): CPU312 IFM, CPU 314 IFM…
Các loại CPU 2 cổng truyền thông, cổng thứ 2 cho chức năng nối mạng phân tán, được thêm cụm từ DP: CPU315- DP…
Kết nối các từng nhóm các module mở rộng với nhau thành 1 khối và được quản lý chung bởi 1 CPU.
Module mở rộng cổng tín hiệu vào/ra gồm: DI, DO, DI/DO, AI, AO, AI/AO:
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.
Mô-đun AI (Analog Input) là một thiết bị mở rộng cho các cổng vào tương tự, hoạt động như bộ chuyển đổi số 12 bits (AD) Mỗi tín hiệu tương tự được chuyển đổi thành tín hiệu số nguyên dài 12 bits Số lượng cổng vào tương tự có thể là 2, 4 hoặc 8, tùy thuộc vào loại mô-đun.
Module AO (analog output) là thiết bị mở rộng các cổng ra tương tự, hoạt động như bộ chuyển đổi số 12 bits (AD), chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số nguyên dài 12 bits Số lượng cổng ra tương tự có thể là 2, 4 hoặc 8, tùy thuộc vào 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.
Module chức năng điều khiển riêng: điều khiển động cơ bước, servo, module PID…
Module truyền thông (CP) Để nối các PLC với nhau hay PLC với máy tính.
Step 7 là một bộ chương trình phần mềm chuẩn sử dụng để đặt cấu hình và lập trình cho SIMATIC PLC Nó là một phần của công nghiệp phần mềm SIMATIC Có những version sau đây:
- Step7 Micro/DOS và STep7 Micro/Win cho những ứng dụng riêng đơn giản trên SIMATIC S7-200
- Step7 cho những ứng dụng trên SIMATIC S7-300/S7-400, SIMATIC M7-
Các loại PLC có nhiều ngôn ngữ lập trình nhằm phục vụ các đối tượng khác nhau PLC S7-300 có 3 ngôn ngữ lập trình cơ bản:
Ngôn ngữ lập trình "liệt kê lệnh" ký hiệu STL là một dạng ngôn ngữ thông dụng trong máy tính Một chương trình trong ngôn ngữ này được cấu thành từ nhiều câu lệnh theo một thuật toán cụ thể, với mỗi lệnh được đặt trên một hàng riêng biệt Cấu trúc chung của mỗi lệnh bao gồm "tên lệnh + toán hạng".
+ Ngôn ngữ “hình thang” ký hiệu LAD Đây là dạng ngôn ngữ đò họa thích hợp với những ai quen thiết kế mạch logic điều khiển.
+ Ngôn ngữ “hình khối” kí hiệu FDB Đây là ngôn ngữ đồ họa dành cho người có thói quen thiết kế mạch điều khiển số.
3.1.6 Module điều khiển quá trình trong Step 7
Phần mềm Step7 hỗ trợ các module PID để điều khiển các hệ thống có mô hình liên tục như lò, động cơ và mức nước Đầu ra của các đối tượng này được kết nối vào đầu vào của bộ điều khiển thông qua các cổng tương tự.
Bộ điều khiển phát tín hiệu ra dưới nhiều dạng khác nhau, được truyền đến các cơ cấu chấp hành thông qua các module vào ra đa dạng Tín hiệu có thể được gửi qua cổng ra tương tự của module ra tương tự (AO), cổng ra số của module ra số (DO), hoặc cổng phát xung tốc độ cao.
Người sử dụng có thể chọn module mềm PID tương thích dựa vào cơ cấu chấp hành Phần mềm Step7 tích hợp ba module PID phù hợp với ba kiểu cơ cấu chấp hành khác nhau.
- Điều khiển liên tục với module mềm FB41 (tên hình thức CONT_ C).
- Điều khiển bước với module mềm FB42 (tên hình thức CONT _ S).
- Điều khiển kiểu phát xung với khối hàm hỗ trợ FB43 (tên hình thức CONT_S)
Mỗi module mềm PID được trang bị một khối lượng dữ liệu riêng (DB) để lưu trữ thông tin cần thiết cho việc thực hiện các phép tính theo luật điều khiển FB sẽ cập nhật khối dữ liệu này liên tục, đảm bảo tính chính xác và hiệu quả trong quá trình điều khiển.
FB41 kết hợp với FB43 tạo ra bộ điều khiển có tín hiệu ra dạng xung tốc độ cao, phù hợp cho các cơ cấu chấp hành kiểu tỷ lệ Đặc tính điều khiển và tốc độ xử lý của module PID mềm phụ thuộc vào loại CPU được chọn Việc xử lý mạch vòng điều khiển yêu cầu trích mẫu tín hiệu đầu vào, liên quan đến tín hiệu báo ngắt theo chu kỳ thời gian OB30 đến OB38, do đó cần đảm bảo sự tương thích giữa số mạch vòng điều khiển PID và khả năng cũng như tốc độ tính toán của CPU Một trong những phương pháp điều khiển liên tục là sử dụng FB41 “CONT_C”.
FB41 (CON_C) được sử dụng để điều khiển các quá trình kỹ thuật với biến đầu vào và đầu ra tương tự Ghép phần cứng cho “CONT_C”
Sơ đồ cấu trúc của khối FB41 “CONT_C”
Khi thiết lập tham số cho bộ điều khiển PID, có thể điều chỉnh một cách tích cực hoặc không tích cực các thành phần chức năng để phù hợp với các đối tượng điều khiển.
Module mềm PID có thể hoạt động như một bộ điều khiển với tín hiệu đặt cứng hoặc được sử dụng để thiết kế hệ thống điều khiển nhiều mạch vòng theo phương pháp cascade.
Chương trình 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 Trước hết ta phải cài đặt
FCPA trên máy tính cá nhân
Sau khi cài đặt, FCPA sẽ được tích hợp vào Step7 trong thư mục S7WRFUZ, cùng với các công cụ hỗ trợ khác được đưa vào thư viện của phần mềm Step7 và Project FuzConEx.
Bộ điều khiển mờ được tích hợp với FCPA tạo thành một khối dữ liệu (DB) cho dự án ứng dụng, được gọi là khối DB mờ Khối DB này sẽ được sử dụng cùng với FB Fuzzy Control trong Project FuzConEx khi cài đặt chương trình Fuzzy/FB với tên mặc định là FB30 Do đó, trước khi sử dụng FCPA để tạo lập DB mờ cho dự án ứng dụng, dự án đó cần phải có FB sẵn có.
Các bước xây dựng một Project cho việc khai báo bộ điều khiển mờ bằng FCPA:
- Khai báo số biến ngôn ngữ vào ra Hạn chế của FCPA là:
+ Chỉ tạo lập được những bộ điều khiển mờ với tối đa 8 biến vào.
+ Chỉ tạo lập được bộ điều khiển với tối đa 4 biến ra.
- Soạn thảo giá trị cho từng biến (ngôn ngữ) đầu vào.
Soạn thảo giá trị cho từng biến đầu ra, khác với biến đầu vào, giá trị của các biến đầu ra chỉ có một dạng duy nhất là singleton.
- Soạn thảo luật hợp thành.
- Chọn động cơ suy diễn: FCPA chỉ cung cấp một động cơ suy diễn là MAX-
MIN nên ta không có khả năng chọn một động cơ suy diễn khác.
- Chọn phương pháp giải mờ FCPA cũng chỉ cung cấp một phương pháp giải mờ duy nhất là phương pháp điểm trọng tâm.
- Quan sát một cách trực quan quan hệ vào ra của bộ điều khiển mờ vừa soạn thảo ta chọn Debug→3D Graphic Display
3.2.1 Sử dụng DB mờ với FB30 (fuzzy control) a Các tham biến hình thức của FB30
Sau khi hoàn thành việc soạn thảo bộ điều khiển mờ, người dùng cần lưu trữ nó vào Project bằng cách sử dụng lệnh file→save Bộ điều khiển này sẽ được lưu dưới dạng một khối DB với tên đã đặt Khối dữ liệu mờ này sẽ được sử dụng kết hợp với khối hàm FB30, 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, ta truyền tham trị:
INFO := b Thanh ghi báo trạng thái làm việc của FB30
Giá trị trả về có tên INFO, với kích thước một byte, thể hiện mã báo trạng thái thực hiện công việc của khối hàm FB30.
B#16#00: Khối hàm FB30 đã được thực hiện bình thường.
B#16#0: Khối hàm FB30 không 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 mờ này đã không được đổ vào CPU
Khối dữ liệu DB mờ được gọi qua hàm FB30 cần phải có kích thước biến đầu vào và đầu ra tương thích Ví dụ, nếu khối DB mờ được thiết kế cho 4 biến đầu vào và 2 biến đầu ra, thì việc gọi hàm FB30 với 5 biến đầu vào và 2 biến đầu ra sẽ không hợp lệ.
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
Phần mềm Fuzzy Control ++ bao gồm một chương trình cấu hình trên Windows và các module Runtime, cho phép người dùng dễ dàng cấu hình và xây dựng hệ mờ Công cụ này hỗ trợ việc tạo ra các hệ thống điều khiển mờ một cách hiệu quả và linh hoạt.
Phần mềm có các module RunTime cho :
Sau khi cài đặt xong chương trình thì ta có được các Components của nó cho các đường dẫn liên quan sau :
+ Simatic S7 cho các ứng dụng S7.
Simatic PCS7 là một hệ thống điều khiển tiên tiến với các module và thành phần ảnh hỗ trợ cho các ứng dụng điều khiển công nghiệp Đặc biệt, Simatic WinCC-OOLs được tích hợp với Simatic WinCC, cho phép cấu hình hệ thống điều khiển mờ hiệu quả thông qua phần mềm Fuzzy Control++.
Cấu hình hệ mờ bao gồm định nghĩa cho hệ thống đích và số lượng đầu vào/ra Ngoài ra, cần chuẩn bị tiêu chuẩn cho chương trình bằng cách xác định giá trị tối đa và tối thiểu cho đầu ra Hệ thống đích có thể được điều chỉnh hoặc thay đổi sau khi hệ thống hoàn thiện, và việc chèn thêm hoặc thay đổi đích hệ thống sẽ được xem xét trong phần “Hệ thống đích”.
Các bước tạo trong khối dữ liệu DB:
- Định nghĩa đầu vào, đầu ra cũng như đích của hệ thống.
- Thiết lập số đầu vào và đầu ra.
- Ma trận hợp thành. b Thiết lập trong Simatic S7-300
Họ mờ đã được tạo lập với Fuzzy Control++ và được load xuống CPU S7-
300 để được thực thi hoặc xử lý với SIMATIC WinCC Để giao tiếp thông tin giữa phần mềm cấu hình và SIMATIC S7, phần mềm cấu hình Fuzzy Control++, chúng
Để sử dụng phần mềm SoFtnet, người dùng cần cài đặt phần mềm này Đối với S7, yêu cầu tối thiểu là sử dụng CPU314-1 hoặc CPU314-2, cùng với các khối hàm dữ liệu và khối dữ liệu mà hệ thống sẽ tải xuống.
Các khối Fuzzy Control++ của S7-300 có khả năng ứng dụng trong việc điều khiển xử lý, tương tự như các sản phẩm phần mềm thành phần trong các thiết bị điều khiển lập trình khác, đồng thời có mối liên hệ với các khối hàm khác.
Khi sử dụng các hàm khối của SIMATIC S7-300, mỗi ứng dụng mờ được thể hiện qua khối dữ liệu (DB) tương ứng, mà được mô tả chi tiết bởi phần mềm cấu hình Fuzzy Control++.
- Nội dung của thư viện: Với các series của SIMATIC S7 thì các khối hàm cho phép Fuzzy Control++ là :
+ FB30 : Khối hàm của S7 dành cho S7-300/400 (1206 Bytes)
+ FB31 : Khối hàm của S7 dành cho S7-400 ( 1206 Bytes)
+ DB30 : Khối dữ liệu cho FB30 (4132 Bytes).
+ DB31 : Khối dữ liệu cho FB31 (20156Bytes). Đối với SIMATIC S7-300 một khối dữ liệu 4k được cho phép còn S7-400 thì khối dữ liệu lớn hơn 20K.
- Cài đặt thư viện : Các khối hàm chức năng và dữ liệu cho các đường dẫn
S7-4K và S7-20K được tự động thêm vào trong suốt quá trình cài đặt Fuzzy Control++ vào thư mục Fuzzy Control++V5/S7 trong dạng của thư viện (FuzzyS7_Library)
- Chức năng của các thành phần”Fuzzy_FB_4K”:
Các thành phần tính toán chính bao gồm 4 đầu ra và tối đa 8 đầu vào được xác định theo quy tắc trong hệ Fuzzy Chúng ta sẽ thực hiện dự án này với CPU S7-300.
Chế độ hoạt động xác định rằng nếu giá trị đầu vào “START_STOP” bằng 0 và luật nền không tích cực, đồng thời các giá trị thay đổi khác không có, thì giá trị đầu ra sẽ được tính toán dựa trên các yếu tố đã nêu.
67 luật đã được định trước với sự hỗ trợ của đầu vào “INPUT1” đến “INPUT8” và được viết ra “OUTPUT1” tới “OUTPUT4”.
Trong hệ mờ FB, cấu trúc các thành phần bao gồm các khối chức năng, nơi mọi phép toán và thủ tục được thực hiện kết hợp với các chức năng tương ứng, phù hợp với các đặc tính của các ứng dụng mờ.
+ Giải mờ và trả lại kết quả cho đầu ra.
Phần mềm WinCC (Windowns Control Center)
WinCC (Windows Control Center) là phần mềm chuyên dụng cho việc giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu trong hệ thống tự động hóa quy trình sản xuất Nó đóng vai trò như các bộ hiển thị HMI (giao diện người-máy) trong hệ thống SCADA, giúp tối ưu hóa quy trình và nâng cao hiệu quả sản xuất.
WinCC là phần mềm HMI chuyên dụng của SIEMENS, được thiết kế để điều hành nhiệm vụ hiển thị và kiểm soát trong các hệ thống công nghiệp Phần mềm này cho phép hiển thị hình ảnh, thông điệp, cũng như thực hiện lưu trữ và báo cáo dữ liệu Với khả năng truy cập hình ảnh nhanh chóng và tính năng lưu trữ an toàn, WinCC mang lại tính hữu dụng cao cho người dùng trong quản lý và điều khiển quy trình sản xuất.
WinCC không chỉ cung cấp các chức năng hệ thống mà còn tạo ra các giao diện linh hoạt cho người sử dụng, giúp tích hợp các giải pháp hiệu quả.
WinCC hỗ trợ các giải pháp tự động hóa phức tạp và toàn công ty, với khả năng xử lý dữ liệu lưu trữ thông qua các giao diện chuẩn ODBC và SQL Ngoài ra, việc tích hợp các đối tượng và tài liệu cũng được thực hiện dễ dàng nhờ OLE 2.0 và OLE Custom.
Controls (OCX) Các cơ chế này làm cho WinCC trở thành một bộ phận dễ truyền tải trong môi trường Windowns.
3.3.2 Những chức năng chính của WinCC
Khi sử dụng WinCC để thiết kế giao diện điều khiển Người-Máy (HMI) và mạng SCADA, WinCC sử dụng các chức năng sau:
Designer đồ họa cho phép người dùng dễ dàng mô phỏng và quan sát hoạt động của hệ thống tự động qua một giao diện đồ họa trên màn hình Giao diện này sẽ được cập nhật theo thời gian thực, phản ánh sự thay đổi trạng thái của quá trình, trong đó người dùng có thể điều khiển quá trình bằng cách thay đổi giá trị đặt, mở hoặc khóa, cũng như điều chỉnh các giá trị bộ điều khiển từ giao diện.
Alarm Logging là chức năng hiển thị thông báo lỗi và báo cáo chế độ làm việc của hệ thống trong quá trình vận hành Nó không chỉ giúp xác định nguyên nhân của lỗi mà còn tự động thiết lập tín hiệu cảnh báo khi trạng thái của quá trình vượt quá giới hạn thông qua các tag liên kết với PLC.
Tag Logging là quá trình thu thập, lưu trữ và nén các giá trị đo lường dưới nhiều dạng khác nhau Công nghệ này cho phép lấy dữ liệu từ các quy trình thực thi và chuẩn bị để hiển thị cũng như lưu trữ dữ liệu dưới dạng đồ thị hoặc bảng số liệu.
Report Designer: Có nhiệm vụ tạo các thông báo, báo cáo và các kết quả này được lưu dưới dạng các trang nhật ký sự kiện.
User Achivers cho phép người dùng lưu trữ dữ liệu từ ứng dụng và trao đổi với các thiết bị tự động hóa khác Điều này có nghĩa là các công thức và thông số trong chương trình WinCC có thể được soạn thảo, lưu giữ và sử dụng hiệu quả trong hệ thống.
3.3.3 Hệ thống lưu trữ dữ liệu trong WinCC
Khi sử dụng WinCC, người dùng có thể hiển thị giá trị của bất kỳ biến quá trình nào trong hệ thống tự động tại bất kỳ thời điểm nào Để theo dõi diễn biến của biến quá trình qua thời gian, như trong biểu đồ hoặc bảng, cần truy cập vào các giá trị quá khứ Hệ thống lưu trữ đảm nhận việc lưu trữ giá trị biến quá trình trong thời gian hệ thống chạy (RunTime), tạm thời lưu trữ chúng trong cơ sở dữ liệu động (RunTime Database) và sau đó ghi vào cơ sở dữ liệu lưu trữ (Archive Database).
AS (Automation System): Hệ thống tự động save giá trị biến quá trình và gửi tới
WinCC qua hệ thống truyền thông.
DM (Data Manager): Hệ thống quản lý, xử lý dữ liệu biến quá trình và cất vào hệ thống lưu trữ thông qua những Process Tag.
Hệ thống lưu trữ cho phép xử lý dữ liệu biến theo các yêu cầu cụ thể, trong đó người sử dụng có thể định nghĩa trước những phương thức xử lý phù hợp với quá trình.
RD (Runtime Database) : Save giá trị biến quá trình đã được lưu trữ.
Kết luận chương 3
Chương 3 là phần lý thuyết về PLC S7 300, các module điều khiển quá trình trong Step 7, và giới thiệu các phần mềm phục vụ cho luận văn trong quá trình tổng hợp hệ:
- Phần mềm Step 7: Hỗ trợ việc lập trình và download chương trình xuống PLC
- Phần mềm Fuzzy Control V5++: Hỗ trợ việc tạo lập bộ điều khiển mờ cho PLC
- Phần mềm WinCC: Hỗ trợ giám sát, điều khiển, thu thập dữ liệu cho hệ SCADA
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT LÒ ĐIỆN TRỞ TRÊN CƠ SỞ HỆ MỜ VÀ PLC S7 300
Giới thiệu hệ thống
PC và bộ điều khiển, giám sát.
Card CP5611 là card PCI cho PU/PC, được sử dụng để ghép nối PLC và PC qua MPI( Multipoint Interface) Đặc điểm của CP5611:
Tốc độ truyền thông: từ 9.6kb/s đến 12Mb/s.
Giao diện ghép nối: khe PCI, cổng ra COM 9 chân.
Môi trường làm việc: Nhiệt độ từ 0 0 C đến 60 0 C, độ ẩm 0 đến 90%.
Cảm biến được sử dụng trong đồ án là cặp nhiệt điện WRN130 (Thermocouple loại K), có chức năng đo nhiệt độ của lò và chuyển đổi thành tín hiệu điện áp mV để đưa vào cổng tương tự của PLC Cặp nhiệt điện này sở hữu các thông số kỹ thuật đáng chú ý.
Độ dài cặp nhiệt 350 mm.
Nhiệt độ cực đại đo được là 1000 o C
Đặc tuyến của cặp nhiệt khá phi tuyến tuy nhiên trong khoảng 100 o C
700 o C có thể coi là tuyến tính.
Dải tín hiệu ra của cảm biến là 0-10V
Tín hiệu từ cặp nhiệt điện chịu ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường, do đó cần áp dụng biện pháp bù nhiệt khi xử lý tín hiệu Thông thường, việc thiết lập mạch bù nhiệt là cần thiết để giảm thiểu sai số Tuy nhiên, trong trường hợp sử dụng PLC S7-300 kết hợp với module Analog SM331 AI, việc này có thể được thực hiện một cách hiệu quả.
Module 8x12bit là thiết bị chuyên dụng cho phép nhận tín hiệu trực tiếp từ cảm biến nhiệt mà không cần bộ khuếch đại Nó hỗ trợ bù nhiệt cho đầu lạnh và tuyến tính hóa tín hiệu qua phần mềm Để sử dụng, người dùng chỉ cần khai báo loại cảm biến cho Input Analog SM331 AI 8x12bit và phương pháp bù trong cấu hình phần cứng.
PLC nhận tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ và so sánh giá trị này với giá trị đặt để đưa ra quyết định điều khiển Tín hiệu điều khiển từ PLC được gửi đến Rơle SSR thông qua cổng DI/DO, nhằm điều khiển đóng mở rơle và tạo ra điện áp cấp cho lò Điện áp này được điều chỉnh theo độ rộng xung, dựa trên nguyên lý đã được mô tả.
U lo U lo : Điện áp cấp cho lò điện trở. t: Độ rộng xung.
U: Điện áp nguồn cung cấp.
- Thời gian xử lý 1 khối lệnh: 0.3 ms/KAW.
- Sử dụng giao tiếp MPI.
Module nguồn PS 307-1AE00-0AA0
Module DI/DO SM32 DI8/DO8xDC24V: 323-1BH00-0AA0
- Module gồm 8 đầu vào số và 8 đầu ra số.
- Điện áp đầu vào: 24VDC
- Điện áp đầu ra: 24VDC/0.5A.
Module AI SM 331 AI 2x12bit: 331-7KB00-0AB0
- Gồm 2 đầu vào tương tự có độ phân giải 12 bit.
- Có thể chọn lựa các đại lượng đo: điện áp, dòng điện, điện trở, nhiệt độ
Thiết bị chấp hành Rơle SSR.
Rơle sử dụng là FOTEK SSR-25 DA-H, điện áp cực đại 480V, dòng điện cực đại 25A, tần số dòng điện 50/60Hz.
- Đồng hồ hiển thị nhiệt độ:
Đồng hồ hiển thị nhiệt độ lò Jetec hiển thị nhiệt độ từ 0 o C-1000 o C
Hiển thị nhiệt độ trong lò nhiệt.
- Đồng hồ hiển thị điện áp nguồn.
Cho biết điện áp của nguồn điện dùng cho mô hình khi vận hành.
Lò điện trở: thông số của lò sử dụng trong luận văn như sau:
Điện áp cung cấp cực đại 220V.
Công suất cực đại 2,5 KW.
Kích cỡ buồng đốt 200x120x80mm.
Hình 4.1 Mô hình thực hành Lò điện trở 2,5KVA 4.1.3 Bài toán
Lập trình PLC thực hiện điều khiển và thu thập xử lý dữ liệu trong bài toán thiết kế hệ thống điều khiển lò điện trở 2,5KW.
Yêu cầu cụ thể trong bài toán:
Giám sát nhiệtđộ của lò điện trở, đảm bảo lò điện trở hoạt động trong khoảng nhiệt cho phép 0 o C 1000 o C
Nhiệt độ lò bám theo tín hiệu đặt SP.
Xử lý thông số từ thiết bị đo nhiệt độ trên màn hình giám sát.
Nhận biết các chế độ hoạt động của hệ thống.
Nhận biết người vận hành nhấn nút Start/Stop.
Nhận biết người vận hành nhấn nút Auto/Manual.
Nhận biết người vận hành nhấn nút Print.
Khi chuyển chương trình từ PC xuống PLC, cần chuyển PLC sang chế độ RUN Trong chế độ Auto, nhiệt độ đặt (SP) được điều chỉnh thông qua màn hình WinCC, trong khi ở chế độ Manual, SP được thiết lập thủ công bằng núm vặn và đưa tới PIW274.
Có lệnh chạy Start =1 thì chường trình điều khiển mới bắt đầu hoạt động, còn không thì nó ở trạng thái chờ.
Hệ bình thường, đọc nhiệt độ lò, giá trị này có kiểu định dạng Integer, đã được đổi thang và hiển thị giá trị thực của lò
Lựa chọn bộ điều khiển cho lò điện trở:
+ Bộ điều khiển PID: nhập giá trị Kp, Ti, Td qua màn hình WinCC, sử dụng khối FB41, FB43 tạo xung điều khiển cho lò.
+ Bộ điều khiển PID FUZZY
Bộ điều khiển thực hiện xử lý mờ tham số PID được thực hiện bởi module mờ FB30 tích hợp trong PLC Khi PLC thực hiện lần đọc đầu tiên, nó sẽ lấy các tham số mặc định mà người lập trình đã cài đặt.
Tiến hành hiệu chỉnh tham số PID thông qua module FB41, kết quả đưa trực tiếp vào module điều rộng xung FB43.
Lệnh điều khiển lò được xuất tới cổng ra số, và trạng thái của lò sẽ được xác định dựa vào giá trị ngõ ra của bộ điều rộng xung, cho phép lò hoạt động ở chế độ đóng hoặc mở.
Kết thúc một vòng điều khiển.
Lập trình cho PLC
Phụ lục 6: chương trình PLC điều khiển lò điện trở.
Giao diện điều khiển và giám sát
4.3.1 Tạo một dự án với WinCC
Hình 4.4 Đặt tên cho Project và đường dẫn lưu trữ
Hình 4.5 Cửa sổ làm việc của WinCC
Hình 4.6 Tạo kết nối với PLC
Hình 4.7 Tạo giao diện mô phỏng
Hình 4.8 Cửa sổ giao diện đồ họa của WinCC 4.3.2 Giao diện giám sát dự án Lò điện trở
Hình 4.9 Giao diện điều khiển chính
Hình 4.10 Giao diện bộ điều khiển PID
Hình 4.11 Giao diện bộ điều khiển PID FUZZY
Module Fuzzy Control++ cho lò điện trở
Trong chương 3 luận văn đã giới thiệu phần mềm Fuzzy Control++, các bước khai báo và cấu hình bộ điều khiển mờ bằng phần mềm này cho Simatic S7-
Chương này thiết lập cụ thể cho lò điện trở 2,5 KVA với bộ điều khiển PID điều chỉnh mờ Bộ điều khiển PID FUZZY được thiết kế tương tự với các đầu vào, đầu ra và luật điều khiển đã thảo luận ở chương 2 Phần này chỉ nghiên cứu lý thuyết mà chưa cài đặt vào PLC do phần mềm chưa có License, hiện tại chỉ có thể sử dụng bản Demo để lấy đặc tính thực nghiệm.
Sau khi khởi động chương trình, cần tạo một Project với các thông số đầu vào là 2 (Et và DEt) và đầu ra là 3 (Kp, Ki và Kd) Mục Target System chọn S7-4K cho hệ Simatic S7-300 và xác nhận.
Hình 4.13 Khai báo đầu vào và đầu ra
Hình 4.14 Các đầu vào, ra và luật hợp thành If then
Hình 4.15 Khai báo cho đầu vào Et
Hình 4.16 Khai báo cho đầu vào DEt
Hình 4.17 Khai báo cho đầu ra Kp
Hình 4.18 Khai báo cho đầu ra Ki
Hình 4.19 Khai báo cho đầu ra Kd
Hình 4.21 Luật điều khiển Kp trong không gian 3D
Hình 4.22 Luật điều khiển Ki trong không gian 3D
Hình 4.23 Luật điều khiển Kd trong không gian 3D
Trong quá trình cài đặt bộ điều khiển mờ, phần mềm Fuzzy Control++ chỉ hỗ trợ phiên bản Demo, do đó không thể thiết lập dự án thực nghiệm để kiểm chứng mô hình.
