LUẬN VĂN CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ ĐIỀU KHIỂN PID TAY MÁY

I. Mục đích – yêu cầu của đề tài: 1. Mục đích: • Hoàn thành đồ án. • Vận dụng kiến thức đã học vào thực tế. • Điều khiển tay máy hoạt động đúng yêu cầu (gắp thả vật ở vị trí cố định). • Điều khiển PID cho tay khâu đế. 2. Yêu cầu: • Sử dụng PLC S7-200 (CPU 224 DC/DC/DC) để điều khiển tay máy. • Điều khiển chính xác tay máy gắp và nhả vật ở vị trí cố định.

Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển PID tay máy Trang 1 BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP. HCM KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN PID TAY MÁY Giảng viên hướng dẫn: Th.S TRẦN THỊ HOÀNG OANH Sinh viên thực hiện : NGUYỄN CÔNG LỘC Lớp : ĐHĐT1B Khoá : 1 GVHD: ThS Trần Thị Hoàng Oanh SVTH: Nguyễn Công Lộc Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển PID tay máy Trang 2 TP. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2011 MỤC LỤC 5.2. Các hàm điều khiển thường dùng: 36 GVHD: ThS Trần Thị Hoàng Oanh SVTH: Nguyễn Công Lộc Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển PID tay máy Trang 3 Phần 1: LÝ THUYẾT LIÊN QUAN I. Giới thiệu về động cơ điện một chiều: Động cơ DC là động cơ điện hoạt động với dòng điện một chiều. Động cơ điện một chiều ứng dụng rộng rãi trong các ứng dụng dân dụng cũng như công nghiệp. 1. Cấu tạo: Một động cơ DC có 6 phần cơ bản: – Phần ứng hay Rotor (Armature). – Cổ góp (Commutator). – Chổi than (Brushes). – Trục motor (Axle). – Nam châm tạo từ trường hay Stator (field magnet). – Bộ phận cung cấp dòng điện DC. 2. Nguyên lý hoạt động: Khi đặt lên dây quấn kích từ một điện áp kích từ Uk nào đó thì trong dây quấn kích từ sẽ xuất hiện dòng kích từ i(kt) làm xuất hiện từ thông Ф. Tiếp đó sẽ đặt một giá trị điện áp U lên mạch phần ứng thì trong dây quấn phần ứng sẽ có 1 dòng điện i chạy qua. Tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ thông kích thích tạo thành mômen điện từ. 3. Phân loại: GVHD: ThS Trần Thị Hoàng Oanh SVTH: Nguyễn Công Lộc Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển PID tay máy Trang 4 Căn cứ vào phương pháp kích từ người ta chia động cơ 1 chiều thành các loại như sau : - Động cơ điện 1 chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu, - Động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập nghĩa là phần ứng và phần kích từ được cấp điện bởi 2 nguồn riêng rẽ, - Động cơ điện 1 chiều kích thích nối tiếp: cuộn dây kích thích được mắc nối tiếp với phần ứng, - Động cơ điện 1 chiều kích thích song song: cuộn dây kích thích được mắc song với phần ứng, - Động cơ điện 1 chiều kích thích hỗn hợp: gồm có 2 cuộn dây kích từ , 1 cuộn mắc nối tiếp với phần ứng, 1 cuộn mắc song song với phần ứng, 4. Phương trình cơ bản của động cơ điện 1 chiều: E = K Φ. W (1) V = E + Ru.Iu (2) M = K Φ Iu (3) Với: – E: sức điện động cảm ứng (V). – Φ: Từ thông trên mỗi cực (Wb). – Iu: dòng điện phần ứng (A). – V : Điện áp phần ứng (V). – Ru: Điện trở phần ứng (Ohm). – w : tốc độ động cơ (rad/s). – M : moment động cơ (Nm). – K: hằng số, phụ thuộc cấu trúc động cơ. 5. Encoder: GVHD: ThS Trần Thị Hoàng Oanh SVTH: Nguyễn Công Lộc Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển PID tay máy Trang 5 Gồm 1 bộ phát ánh sáng (LED phát), một bộ thu ánh sáng nhạy với ánh sáng từ bộ phát (bộ thu thường là photodiode hoặc phototransistor), 1 đĩa quang có khoét lỗ gắn trên trục quay đặt giữa bộ phát và thu, thông thường trục quay này sẽ được gắn với trục quay của đối tượng cần đo tốc độ. Một encoder thường có các dây sau: – Dây cấp nguồn (+5V) cho encoder. – Dây nối đất (GND). – Dây pha A – tín hiệu ra theo độ phân giải (1 vòng/N xung (N từ vài chục lên đến vài nghìn xung tuỳ theo độ phân giải)). – Dây pha B – tín hiệu ra theo độ phân giải (1 vòng/N xung (N từ vài chục lên đến vài nghìn xung tuỳ theo độ phân giãi)), pha B chậm pha hơn pha A. Thường tuỳ theo trạng thái pha nhanh hay chậm của 2 pha này ta xác định chiều quay của đối tượng, để từ đấy bộ đếm tiến hoặc đếm lùi Hình 2.29 – Dạng song ngõ ra của LED thu 6. Động cơ được sử dụng trong mô hình: ĐỘNG CƠ DC (MODEL KM3448A) Tốc độ: 120 Rpm Công suất: 25w Tỷ số truyền: 1/40 Áp sử dụng: 24VDC Đường kính động cơ: 37mm Chiều dài động cơ: 80mm Đường kính trục: 6mm Chiều dài trục: 15mm Nhông: Sắt Khối lượng: 250g Moment có tải: 80 gcm Moment khởi động: 790 gcm Dòng có tải: 250 mA Dòng khởi động: 1950mA GVHD: ThS Trần Thị Hoàng Oanh SVTH: Nguyễn Công Lộc Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển PID tay máy Trang 6 Nơi sản xuất: Korea ĐỘNG CƠ DC (MODEL KM3348A) Thông số Tốc độ: 80rmp Công suất: 15w Tỷ số truyền: 1/45 Áp sử dụng: 24VDC Đường kính động cơ: 37mm Chiều dài động cơ: 55mm Đường kính trục: 6mm Chiều dài trục: 15mm Khối lượng: 150g Nhông: Sắt ,Đồng Nơi sản xuất: Taiwan II. Giới thiệu về Xy-lanh, Van khí nén: 1. Xy lanh: 1.1 Loại một chiều: Đây là loại tự trở về khi được kích Khi không có khí Khi có khí 1.2 Loại hai chiều: Khi có khí sẽ đóng xy-lanh Khi không có khí sẽ không tự về mà khi về thì ta phải cấp khí. GVHD: ThS Trần Thị Hoàng Oanh SVTH: Nguyễn Công Lộc Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển PID tay máy Trang 7 2. Các loại valse khí: Một valse khí được đặc trưng bởi số vị trí mà valse có được và số lượng cửa nối ống. Hai loại valse khí thường dùng: 2.1. Valse (3/2) 3 cửa, 2 vị trí (loại 1 cuộn dây): Ký hiệu: Hoạt động: Valse 2 vị trí, 3 cửa có 3 đường nối ống: một đường khí vào (lỗ 1), hai đường khí ra (lỗ 2, 4) và hai đường xả (lỗ 3, 5). Valse có hai vị trí:  Khi cuộn dây không được cấp điện: khí vào 1 ra 2, khí từ 4 xả qua 5 (hình a).  Khi cuộn dây được cấp điện: khí vào 1 ra 4, khí từ 2 xả qua 3 (hình b). Hình a: Vị trí pitton khi cuộn dây không được cấp điện. Hình b: Vị trí pitton khi cuộn dây được cấp điện. GVHD: ThS Trần Thị Hoàng Oanh SVTH: Nguyễn Công Lộc Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển PID tay máy Trang 8 2.2. Valse (3/2) 3 cửa, 2 vị trí (loại 2 cuộn dây): Ký hiệu: Hoạt động: Tương tự loại 1 cuộn dây, tuy nhiên 2 vị trí của valse trong trường hợp này là trạng thái bền.  Khi cuộn dây a được cấp điện: khí vào 1 ra 2, khí từ 4 xả qua 5.  Khi cuộn dây b được cấp điện: khí vào 1 ra 4, khí từ 2 xả qua 3 Khi hai cuộn dây đều được cấp điện, vị trí valse không thay đổi. (Tài liệu – Giáo trình Hệ thống truyền động thủy khí, PGS. TS Trần Xuân Tùy – ThS. Trần Minh Chính – KS. Trần Ngọc Hải, Đà Nẵng 2005) 3 3 . . Truyền động bánh răng: Truyền động bánh răng: Cơ cấu truyền chuyển động quay giữa các trục và để biến đổi số vòng quay. Cơ cấu truyền chuyển động quay giữa các trục và để biến đổi số vòng quay. Phân loại: Phân loại:   Phân loại về số lượng bánh răng: Phân loại về số lượng bánh răng: • • Bánh răng một cấp: chỉ có một cặp bánh răng. Bánh răng một cấp: chỉ có một cặp bánh răng. • • Bánh răng nhiều cấp: gồm nhiều cặp bánh răng có tỷ số truyền khác Bánh răng nhiều cấp: gồm nhiều cặp bánh răng có tỷ số truyền khác nhau tạo thành hộp tốc độ hộp giảm tốc,… nhau tạo thành hộp tốc độ hộp giảm tốc,…   Phân loại theo quan hệ truyền: Phân loại theo quan hệ truyền: • • Quan hệ truyền ăn khớp: có truyền động bánh răng trụ, côn, trục vít, Quan hệ truyền ăn khớp: có truyền động bánh răng trụ, côn, trục vít, hypôit và hỗn hợp. hypôit và hỗn hợp. • • Quan hệ truyền phức tạp: truyền động bánh răng hành tinh, truyền Quan hệ truyền phức tạp: truyền động bánh răng hành tinh, truyền động bánh răng sóng,… động bánh răng sóng,… GVHD: ThS Trần Thị Hoàng Oanh SVTH: Nguyễn Công Lộc Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển PID tay máy Trang 9 Các dạng truyền động a. Thẳng; b. Nghiêng; c. Chữ V; d. Côn; e. Bánh răng xoắn, góc giữa các trục 90 o ; GVHD: ThS Trần Thị Hoàng Oanh SVTH: Nguyễn Công Lộc Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển PID tay máy Trang 10 g. Hypôit; h. Trục vít lõm (glôbôit) III. Giới thiệu PLC S7-200: Thiết bị điều khiển Logic khả trình PLC (Programmable Logic Control) là loại thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số thông qua một ngôn ngữ lập trình, thay cho việc phải thể hiện thuật toán đó bằng các mạch số. Như vậy trong chương trình điều. PLC trở thành bộ điều khiển số nhỏ gọn, dễ dàng thay đổi thuật toán và đặc biệt dễ dàng trao đổi thông tin với môi trường xung quanh (Với các PLC khác hoặc với máy tính).  Điện áp cấp nguồn: 15 ÷ 30VDC  Ngõ vào tích cực: 15 ÷ 30VDC  Điện áp tại ngõ ra: 15 ÷ 30VDC GVHD: ThS Trần Thị Hoàng Oanh SVTH: Nguyễn Công Lộc [...]... S7_200 – Hà Văn Trí – Công ty THHH TM&DVKT SIS) GVHD: ThS Trần Thị Hoàng Oanh SVTH: Nguyễn Công Lộc Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển PID tay máy Trang 20 4 Bộ điều khiển PID: Định nghĩa: Bộ điều khiển PID (A proportional integral derivative controller) là bộ điều khiển sử dụng kỹ thuât điều khiển theo vòng lặp có hồi tiếp được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển tự động Một bộ điều khiển PID cố gắng... việc điều rộng xung tốc độ cao nhằm điều khiển các thiết bị bên ngoài GVHD: ThS Trần Thị Hoàng Oanh SVTH: Nguyễn Công Lộc Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển PID tay máy Trang 12 - Việc điều rộng xung được thực hiện thông qua việc định dạng Wizard - Có 2 cách điều rộng xung: điều rộng xung 50% (PTO) và điều rộng xung theo tỉ lệ (PWM) 2.1 Điều rộng xung 50% (PTO): Loại này xuất ra ngõ ra giá trị Ton = 50%T, điện. .. Nguyễn Công Lộc Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển PID tay máy GVHD: ThS Trần Thị Hoàng Oanh Trang 29 SVTH: Nguyễn Công Lộc Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển PID tay máy Trang 30 Sau khi tạo xong các biến ta tiến hành tạo liên kết với WinCC Trong màn hình WinCC phải chuột vào OPC Groups chọn System Parameter Hộp thoại OPC Item Manager : GVHD: ThS Trần Thị Hoàng Oanh SVTH: Nguyễn Công Lộc Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển. .. Hoàng Oanh SVTH: Nguyễn Công Lộc Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển PID tay máy Trang 27 2 Tạo các biến: Đồng thời tạo các biến để liên kết, hiển thị và điều khiển 2.1 Biến nội: Phải chuột vào Internal tags Chọn New Tag… Hộp thoại Tag Properties xuất hiện Chọn Tên Tag và kiểu dữ liệu chọn xong bấm OK GVHD: ThS Trần Thị Hoàng Oanh SVTH: Nguyễn Công Lộc Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển PID tay máy Trang 28 2.2 Biến... lệch giữa tín hiệu ngõ ra và ngõ vào sau đó đưa ra một một tín hiệu điều khiển để điều chỉnh quá trình cho phù hợp Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID: Trong CPU S7 – 200 có bộ ứng dụng PID (Proportional, Integral, Derivative) Bảng tham số của bộ điều khiển PID ở bảng sau Quá trình đáp ứng, bộ điều khiển PID giá trị của đầu ra sẽ được điều chỉnh sai số đến bằng không Sai số được xác định bởi sự sai lệch... Nguyễn Công Lộc Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển PID tay máy  Trang 23 Hiệu chỉnh PID: Việc hiệu chỉnh 3 thông số Kp, Ki, Kd sẽ làm tăng chất lượng điều khiển Ảnh hưởng của 3 thông số này lên hệ thống như sau: Phương pháp Ziegler – Nichols: khi đối tượng có khâu delay có  trễ (tử số có e −Ts hay có khâu quán tính bậc nhất dưới mẫu số 1 điển hình là lò Ts + 1 nhiệt Để tìm thông số cho bộ điều khiển PID đối... trình Wizard của Step 7 Micro Win Chọn trình Wizard HSC: Chọn chế độ cho HSC: GVHD: ThS Trần Thị Hoàng Oanh SVTH: Nguyễn Công Lộc Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển PID tay máy Trang 14 Định dạng bộ đếm GVHD: ThS Trần Thị Hoàng Oanh SVTH: Nguyễn Công Lộc Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển PID tay máy Trang 15 Tuỳ từng loại ứng dụng mà ta có thể chọn nhiều Mode đọc xung tốc độ cao khác nhau, có tất cả 12 Mode đọc...Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển PID tay máy Trang 11 1 Sơ đồ khối cấu tạo của PLC: Có các loại PLC S7-200 (Siemens): Các loại PLC thông thường: CPU222, CPU224, CPU224XP, CPU226 Theo loại điện áp người ta phân ra 2 loại: • Loại cấp điện áp 220VAC: Ngõ vào: tích cực mức 1 ở cấp điện áp +24VDC (15VDC – 30VDC) Ngõ ra: Ngõ ra rơ le • Loại cấp điện áp 24VDC: Ngõ vào: Tích cực mức 1 ở cấp điện áp +24VDC (15VDC... 3: Cuối cùng ta điều chỉnh dải tỷ lệ sao cho độ lệch và thời gian đạt đến ổn định phù hợp với yêu cầu Nguyên tắc điều chỉnh như sau dải tỷ lệ càng lớn thì độ lệch điều chỉnh càng lớn, thời gian đạt đến ổn định càng ngắn, dải tỷ lệ càng nhỏ thì độ lệch càng nhỏ, thời gian đạt đến ổn định càng dài GVHD: ThS Trần Thị Hoàng Oanh SVTH: Nguyễn Công Lộc Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển PID tay máy Trang 25 Nghĩa... sai số đến bằng không Sai số được xác định bởi sự sai lệch giữa giá trị đặt (giá trị mong muốn) và GVHD: ThS Trần Thị Hoàng Oanh SVTH: Nguyễn Công Lộc Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển PID tay máy Trang 21 giá trị xử lý (giá trị thực tế) Nguyên lý của điều khiển PID được dựa trên phương trình sau đây Giá trị ra M(t) được mô tả bởi hàm của khâu tỷ lệ, khâu tích phân, khâu vi phân t M(t) = Kc * e + Kc ∫ edt