Xây dựng bàn thí nghiệm điều khiển nhiệt độ trên nền plc s7 300

Nguyên lý làm vi c cệủa lò điên trởLò điện trở làm việc dựa trên cơ sở khi có một dòng điện chạy qua một dây dẫn hoặc vật dẫn thì ở đó sẽ tỏa ra một lượng nhiệt theo định luật Jun Lenxơ:

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : GS.TS PHAN XUÂN MINH

Hà Nội – 2014

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 4

DANH MỤC CÁC BẢNG 5

DANH MỤC CÁC HÌNH 6

M Ở ĐẦU 9

CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU LÒ ĐIỆN TR 2.5 KVA VÀ NH N D NG MÔ HÌNH Ở Ậ Ạ B NG TOOLBOX INDENTIFICATION C A MATLAB 11 Ằ Ủ 1.1 Lò điện tr 2,5 KVA 11 ở 1.1.1 Giới thiệu lò điện tr 2,5 KVA 11 ở 1.1.2 Nguyên lý làm việc của lò điên trở 11

1.1.3 C u t o cấ ạ ủa lò điện tr 12 ở 1.2 Nh n dậ ạng đối tượng b ng Identification Toolbox c a Matlab 13 ằ ủ 1.2.1 Đặ ấn đềt v 13

1.2.2 Nh n dậ ạng lò điện tr b ng thở ằ ực nghiệm 14

CHƯƠNG 2: TỔNG H P B ĐI U KHIỢ Ộ Ề ỂN CHO LÒ ĐIỆN TR 2,5 KVA 20 Ở 2.1 T ng h p b ổ ợ ộ điều khi n PID 20 ể 2.1.1 B ộ điều khi n PID 20 ể 2.1.2 Phương pháp thực nghi m 21 ệ 2.1.3 Phương pháp dự báo Smith 26

2.2 T ng h p b ổ ợ ộ điều khi n b ng cách k t h p PID m 32 ể ằ ế ợ – ờ CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG CÁC BÀI THÍ NGHIỆM CHO LÒ ĐIỆN TR 2,5 Ở KVA BẰNG SIMATIC S7 300 38 –

3.1 Gi i pháp k thu t 38 ả ỹ ậ 3.1.1 Modul CPU 40

3.1.2 Module m r ng 40 ở ộ 3.1.3 Cấu trúc chương trình 41

3.2 Các modul m m 43 ề 3.2.1 Nh ng module PID m m có trong step 7 43 ữ ề 3.2.2 Điều khi n liên t c vể ụ ới FB41 “CONT_C” 45

3.2.2.1 Giới thiệu chung v FB41 45 ề

3.2.2.2 Ch n luọ ật điều khiển trên Module FB41 “CONT C”- 47

3.2.2.3 Đặt giá tr 47 ị 3.2.2.4 Khở ội đ ng và thông báo l i 48 ỗ 3.2.2.5 Tham bi n hình thế ức đầu vào 48

3.2.2.6 Tham bi n hình thế ức đầu ra 54

3.2.3 Kh i hàm tố ạo xung FB43 “PULSEGEN” 55

3.2.3.1 Giới thiệu chung v ề FB43”PULSEGEN” 55

3.2.3.2 Đặt giá trị 58

3.2.3.3 Khở ội đ ng và thông báo l 60 ỗi: 3.2.3.4 Tham bi n hình thế ức đầu vào 60

3.2.3.5 Tham bi n hình thế ức đầu ra 63

3.2.4 Fuzzy Control++ trong Step 7 64

3.2.4.1 Ph n mầ ềm cấu hình Fuzzy Control++ 64

3.2.4.2 C u hình h ấ ệthống điều khi n m v i ph n m m Fuzzy Control++ 64 ể ờ ớ ầ ề 3.2.4.3 Thiết lập trong Simatic S7-300 65

3.3 Bài thí nghiệm điều khi n nhiể ệt đô trên nền PLC S7 300 68 –

3.3.1 Mục đích xây dựng các bài thí nghiệm 68

3.3.2 D ng c thí nghi m 68 ụ ụ ệ 3.3.3 Bài thí nghi m 1: Nh n dệ ậ ạng đối tượng điều khi n 72 ể 3.3.3.1 Mục đích thí nghiệm 72

3.3.3.2 Các bước ti n hành thí nghi m nh n dế ệ ậ ạng đối tượng điều khi n 73 ể 3.3.3.3 Kết quả thí nghi m 73 ệ 3.3.4 Bài thí nghiệm 2: Điều khiển đối tượng nhiệt bằng b ộ điều khi n PID 74 ể 3.3.4.1 M c ụ đích thí nghiệm 74

3.3.4.2 Các bước ti n hành thí nghi m 74 ế ệ 3.3.4.3 Kết quả thí nghi m 78 ệ 3.3.5 Bài thí nghiệm 3: Điều khiển đối tượng nhiệt bằng b ộ điều khi n m ể ờ động 79

3.3.5.1 Mục đích thí nghiệm 79 3.3.5.2 Các bước ti n hành thí nghi m 80 ế ệ 3.3.5.3 Kết quả thí nghi m 82 ệ

KẾT LUẬN VÀ KI N NGH 91 Ế Ị TÀI LIỆU THAM KH O 92 Ả PHỤ Ụ L C 93

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này do tôi thực hiện Các s li u, k t qu nêu trong lu n ố ệ ế ả ậvăn là hoàn toàn trung thực Tôi xin ch u trách nhi m v nghiên c u c a mình ị ệ ề ứ ủ

H c viên ọ

Vũ Thị Oanh

B ng 3.2: Tham bi n hình thả ế ức đầu vào c a khủ ối FB41 “CON_C” 48

B ng 3.3: Tham bi n hình thả ế ức đầu ra khối FB41 “CON_ C” 54

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1: Lò điện tr 2.5 KVA 11 ở Hình 1.2: Cấ ạo lò điệu t n tr 12 ở

Hình 1.3: Nhập d li u t c a sổ ữ ệ ừ ử Matlab 14

Hình 1.4: Xuất d liữ ệ ừ file Excel đã thu thậu t p 15

Hình 1.5 Giao diện Identification Tool 15

Hình 1.6: Nhập thông s chu n b nh n d ng 16 ố ẩ ị ậ ạ Hình 1.7: Ước lượng mô hình 16

Hình 1.8: Ước lượng mô hình quán tính b c nh t có tr 17 ậ ấ ễ Hình 1.9: Ước lượng mô hình quán tính b c 2 có tr 17 ậ ễ Hình 1.10: Ước lư ng mô hình quán tính b c 3 có tr : 18 ợ ậ ễ Hình 1.11: Đặc tính x p x ấ ỉ sau khi ước lượng mô hình 18

Hình 2.1: Sơ đồ simulink mô ph ng h th ng khi s d ng thu t toán ỏ ệ ố ử ụ ậ PID của Ziegler-Nichols 23

Hình 2.2: Đáp ứng quá độ ủ c a h th ng khi s d ng thu t toán PID c a Ziegler-ệ ố ử ụ ậ ủ Nichols 23

Hình 2.3: Sơ đồ simulink mô ph ng h th ng khi s dỏ ệ ố ử ụng phương pháp Tổng Kuhn 25

Hình 2.4: Đáp ứng quá độ ủ c a h th ng khi s dệ ố ử ụng phương pháp Tổng Kuhn 25

Hình 2.5: Cấu trúc b đi u khi n theo nguyên lý d báo Smith 26 ộ ề ể ự Hình 2.6: Sơ đồ simulink mô ph ng h thỏ ệ ống theo phương pháp dự báo Smith 28

Hình 2.7: Sơ đồ simulink mô ph ng h thỏ ệ ống theo phương pháp dự báo Smith v ề x p x PID 28 ấ ỉ Hình 2.8: Đáp ứng quá độ ủ c a h th ng s dệ ố ử ụng phương pháp dự báo Smith v x p ề ấ x PID 29 ỉ Hình 2.9: Đáp ứng h th ng khi s dệ ố ử ụng 3 phương pháp: 30

a Phương pháp Ziegler Nichols 1 30

b Phương pháp Tổng Kuhn 30

c Phương pháp dự báo Smith 30

Hình 2.10: Sơ đồ simulink mô phỏng hệ thống khi s dử ụng phương pháp Tổng Kuhn có tác động c a nhi u u vào 31 ủ ễ ở đầ Hình 2.11: Đáp ứng quá độ của hệ thống khi s dử ụng phương pháp Tổng Kuhn có tác động c a nhi u u vào 31 ủ ễ ở đầ Hình 2.12: Sơ đồ simulink mô phỏng hệ thống khi s dử ụng phương pháp Tổng Kuhn có tác động c a nhi u u ra 32 ủ ễ ở đầ Hình 2.13: Đáp ứng quá độ ủ c a h th ng khi s dệ ố ử ụng phương pháp Tổng Kuhn có tác động c a nhi u u ra 32 ủ ễ ở đầ

Hình 2.14: Thiết kế luatmo.fis 33

Hình 2.15: Mờ hóa tập đầu vào 1: ET 33

Hình 2.16: Mờ hóa tập đầu vào 2: DET 34

Hình 2.17: Mờ hóa tập đầu ra: U 34

Hình 2.18: Luật điều khi n m 35 ể ờ Hình 2.19: Luật điều khi n trong không gian 36 ể Hình 2.20: Sơ đồ simulink mô ph ng h th ng khi k t h p b ỏ ệ ố ế ợ ộ điều khi n 36 ể PID và b ộ điều khi n m ng 36 ể ờ độ Hình 2.21: Đáp ứng quá độ ệ ố h th ng khi k t h p 2 b đi u khi n 37 ế ợ ộ ề ể Hình 3.1: Cấu trúc một chương trình 43

Hình 3.2: Sơ đồ ấ c u trúc c a module mủ ềm FB41 “CONT_C” 46

Hình 3.3: Mô tả thuật toán PID được thi t kếế theo ki u song song 47 ể Hình 3.4: Quá trình điều biên c a FB43 "PULSEGEN" 56 ủ Hình 3.5: Sơ đồ ấ c u trúc nguyên lý c a PULSEGEN 57 ủ Hình 3.6: Đồng b hóa u chu k 58 ộ ở đầ ỳ Hình 3.7: Đồ ị ạng đố ứ th d i x ng c a b ủ ộ điều khi n ba v trí (h s t l 1) 59 ể ị ệ ố ỷ ệ Hình 3.8: Đồ ị ạ th d ng c a b ủ ộ điều khi n hai v 60 ể ịtrí Hình 3.9: Gọi khối FB 30 67

Hình 3.10: Mô hình bàn thí nghiệm điều khiển lò điện tr 69 ở Hình 3.11: Cặp nhi t đi n lo i K 70 ệ ệ ạ Hình 3.12: Đồng h hi n th nhiồ ể ị ệt độJetec 71

Hình 3.13: Đồng h hi n th ồ ể ị điện áp ngu n 71 ồ

Hình 3.14: Relay SSR của Fotek 72

Hình 3.15: Kết quả nh n d ng trên c a sậ ạ ử ổ Identification của Matlab 73

Hình 3.16: Giao diện d án đi u khiự ề ển lò điện tr 76 ở Hình 3.17: Cấu hình ph n c ng c a PLC 76 ầ ứ ủ Hình 3.18: Kí hiệu các bi n s dế ử ụng trong chương trình điều khi n lò nhi t 77 ể ệ Hình 3.19: Địa ch các biỉ ến quá trình lưu trong DB1 77

Hình 3.20: Kết quả đáp ứng h ốệth ng khi s dử ụng 3 phương pháp: 78

a Phương pháp Ziegler Nichols 1 78

b Phương pháp Tổng Kuhn 78

c Phương pháp dự báo Smith 78

Hình 3.21: Giao diện giám sát Wincc bài thí nghi m s 2 79 ệ ố Hình 3.22: Biểu đồ Trend bài thí nghi m s 2 79 ệ ố Hình 3.23: Xây dựng s u vào, ra b ố đầ ộ điều khi n 82 ể Hình 3.24: Mờ hóa tập đầu vào e 83

Hình 3.25: Mờ hóa tập đầu vào de 83

Hình 3.26: Mờ hóa tập đầu ra u 84

Hình 3.27: Luật điều khi n m 84 ể ờ Hình 3.28: Luật điều khi n trong không gian 85 ể Hình 3.29: Kết quả sơ đồ Simulink c a bộ điềủ u khi n m ng 85 ể ờ độ Hình 3.30: Kết quả sơ đồ simulink mô ph ng h ốỏ ệth ng khi kết hợp b ộ điều khi n ể PID và m ng 86 ờ độ Hình 3.31: Kết quả đáp ứng quá độ ệ h ốth ng khi kết hợp b ộ điều khi n m ng 86 ể ờ độ Hình 3.32: Thiết kế đầ u vào, ra cho b ộ điều khi n trên giao di n FCPA 87 ể ệ Hình 3.33: Mờ hóa đầu vào e cho b ộ điều khi n trên giao di n FCPA 87 ể ệ Hình 3.34: Mờ hóa đầu vào de cho b ộ điều khi n trên giao di n FCPA 88 ể ệ Hình 3.35: Mờ hóa đầu ra u cho b ộ điều khi n trên giao di n FCPA 88 ể ệ Hình 3.36: Giao diện WinCC 89 Hình 3.37: Biểu đồ Trend bài thí nghi m s 3 89 ệ ố

MỞ ĐẦU

Phòng thí nghiệm chính là nơi để giúp sinh viên hiểu sâu hơn về lý thuyết đã được h c trên gi ng đưọ ả ờng, đồng thời cũng là những tr i nghi m th c t giúp ả ệ ự ế đểsinh viên b t b ớ ỡ ngỡ khi ti p c n vế ậ ới môi trường làm vi c trong công nghi p ệ ệNhưng các trang thiế ịt b ph c v cho các môn h c còn thiụ ụ ọ ếu hay đã lạc hậu cũng là tình tr ng chung cạ ủa các trường đạ ọi h c ở nước ta Để kh c phắ ục điều này thì chúng

ta ph i nâng cả ấp cơ sở ậ v t ch t, xây d ng các trang thi t b m i, hiấ ự ế ị ớ ện đại để ph c v ụ ụ

tốt cho việc th c hành cự ủa sinh viên

Với đề tài: “Xây d ng bàn thí nghiự ệm điều khi n nhiể ệt độ trên n n PLC ề

S7-300”,nhi m v chính cệ ụ ủa luận văn bao g m các phồ ần sau đây:

- Tìm hiểu lò điện tr 2.5KVA ở

- Nhận dạng đối tượng b ng ằ công cụ “ Identification Toolbox c a Matlab ” ủ

- Xây dựng bộ điều khiển PID và bộ điều khiển PID kết hợp với Fuzzy

Nội dung của đồ án bao gồm 3 chương:

Chương 1: Tìm hiểu lò điện tr 2.5 KVA và nh n dở ậ ạng đối tượng b ng ằIdentification Toolbox của Matlab

Chương 2: ổT ng h p b ợ ộ điều khiển cho lò điện tr 2.5 KVA ở

Chương 3: Xây d ng các bài thí nghiự ệm cho lò điện tr 2.5 KVA b ng Simatic ở ằS7-300

Để có thể hoàn thành luận văn này, h c viên chân thành cọ ảm ơn cô giáo GS.TS Phan Xuân Minh và các th y, cô tầ ại Trường ĐHBK HN và cơ sở thự ập c t

t i HHT ạ đã nhiệt tình giúp đỡ em trong su t quá trình th c hi n luố ự ệ ận văn Tuy đã cố

g ng h t sắ ế ức, nhưng do thời gian và ki n th c còn h n ch nên luế ứ ạ ế ận văn không tránh

khỏi sai sót, em r t mong s b ấ ự ổsung, góp ý của các thầy cô!

Hà Nội, ngày 25 tháng 05 năm 2014

H c viên ọ

Vũ Thị Oanh

CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU LÒ ĐIỆN TRỞ 2.5 KVA VÀ NHẬN DẠNG MÔ HÌNH BẰNG TOOLBOX I DENTIFICATION CỦA MATLABN

1.1 Lò điện trở 2,5 KVA

1.1.1 Giới thiệu lò điện trở 2,5 KVA

Lò điện là m t thi t b ộ ế ị điện biến điện năng thành nhiệt năng dùng trong các quá trình công ngh ệ khác nhau như nung hoặc n u luy n các v t li u, các kim lo i và ấ ệ ậ ệ ạcác hợp kim khác nhau v.v

Hình 1.1: Lò điệ n tr 2.5 KVA ở

1.1.2 Nguyên lý làm vi c cệ ủa lò điên trở

Lò điện trở làm việc dựa trên cơ sở khi có một dòng điện chạy qua một dây dẫn hoặc vật dẫn thì ở đó sẽ tỏa ra một lượng nhiệt theo định luật Jun Lenxơ:-

Q I=2 RT

Q: Nhiệt lượng tính bằng Jun (J)

I: Dòng điện tính bằng Ampe (A)

R: Điện trở tính bằng Ôm (£2)

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 dây nung được nung nóng, nó sẽ truyền nhiệt cho vật nung bằng bức xạ, đối lưu, dẫn nhiệt hoặc phức hợp Trường hợp này gọi là nung gián

tiếp

Trường họp thứ nhất ít gặp vì nó chỉ dùng đế nung những vật có hình dạng đơn giản (tiết diện chữ nhật, vuông và tròn)

Trường họp thứ hai thường gặp nhiều trong thực tế công nghiệp Cho nên nói đến lò điện trở không thế không đề cập đến vật liệu đế làm dây nung, bộ phận phát nhiệt của

Đối với các lò làm việc với khí bảo vệ, cần thiết vỏ lò phải hoàn toàn kín; còn đối với các lò điện trở bình thường, sự kín của vỏ lò chỉ cần giảm tổn thất nhiệt

và tránh sự lùa của không khí lạnh vào lò, đặc biệt theo chiều cao lò

Trong những trường hợp riêng, lò điện trở có thể làm vỏ lò không bọc kín

Khung vỏ lò cần cứng vững đủ đế chịu tải trọng của lớp lót, phụ tải lò (vật nung) và các cơ cấu cơ khí gắn trên vỏ lò

• Lớp lót

Lớp lót lò điện trở thường gồm 2 phần: vật liệu chịu lửa và cách nhiệt

Phần vật liệu chịu lửa có thế xây bằng gạch tiêu chuẩn, gạch hình và gạch

hình đặc biệt tùy theo hình dáng và kích thước đã cho của buồng lò Cũng có khi

người ta đầm bằng các loại bột chịu lửa và các chất kết dính gọi là các khối đầm Khối đầm có thế tiến hành ngay trong lò và cũng có thể tiến hành ngoài nhờ các khuôn

Phần cách nhiệt thường nằm giữa vỏ lò và phần vật liệu chịu lửa Mục đíchchủ yếu của phần này là đế giảm tổn thất nhiệt Riêng đối với đáy, phần cách nhiệt đòi hỏi phải có độ bền cơ học nhất định còn các phần khác nói chung không yêu cầu Phần cách nhiệt có thể xây bằng gạch cách nhiệt, có thế điền đầy bằng bột cách nhiệt

• 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 yêu cầu sau:

- Chịu nóng tốt, ít bị oxi hóa 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 đối khi sử dụng

- Dễ gia công, dễ hàn hoặc dễ ép uốn

Theo đặc tính của vật liệu dùng làm dây nung, người ta chia dây nung làm 2 loại: dây nung kim loại và dây nung phi kim loại Đe đảm bảo yêu cầu của dây nung, trong hầu hết các lò điện trở công nghiệp, dây nung kim loại đều được chế tao bằng hợp kim Crôm-Nhôm và Crôm-Niken là các hợp kim có điện trở suất lớn Còn các kim loại nguyên chất được dùng để chế tạo dây nung rất hiếm Dây nung kim loại thường được chế tạo ở dạng tròn và dạng băng Dây nung phi kim loại dùng phố biến là SiC, graíit và than

1.2 Nhận dạng đối tượng bằng Identification Toolbox của Matlab

1.2.1 Đặt vấn đề

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): từ các định luật

cơ bản của vật lý và hóa học kết hợp với các thông số kỹ thuật của thiết bị để xác định giá trị của các tham số một hệ các phương trình vi phân và phương - trình đại số

 Mô hình hóa thực nghiệm (còn gọi là phương pháp hộp đen hay nhận dạng quá trình): dựa trên thông tin ban đầu về quá trình, quan sát tín hiệu vào ra và phân tích số liệu thu được để xác định mô hình

Sau khi thu thập được dữ liệu vào ra theo thời gian hoặc là phổ tín hiệu của đối tượng nhiệm vụ của việc nhận dạng đối tượng là tìm mô hình toán học, hàm truyền đạt thích hợp mô tả gần đúng nhất đối tượng thực Nhận dạng trong Matlab sử dụng system identification toolbox giúp thực hiện dễ dàng, trực quan, nhanh chóng Tuy nhiên để sử dụng tốt công cụ này chúng ta cần phải hiểu rõ các phương pháp nhận dạng, phạm vi sử dụng và ưu nhược điểm của từng phương pháp cộng với khả năng

về phân tích hệ thống thông qua các đặc tính thu được

Nhập d li u t nhandang.xlsx ữ ệ ừ

Hình 1.4 : Xu t d ấ ữ ệ ừ li u t file Excel đã thu th p ậ

Tiến hành nh n d ng b ng Toolbox Identification: ậ ạ ằ

Bật cửa sổ System Identification Tool b ng l nh sau: ằ ệ

>> ident

Vào phần ImportData, ch n d ng d li u mi n th i gian ọ ạ ữ ệ ở ề ờ Time-Domain Signals:

Hình 1.5 Giao di n Identification Tool ệ

Điền các thông s ph c v nh n dố ụ ụ ậ ạng như hình:

Hình 1.6: Nhậ p thông s chu ố ẩ n bị nhận dạng

Trong mục Estimate chọ Process Model, n :

Hình 1.7: Ướ c lư ợ ng mô hình

Chọn mô hình quán tính b c 3 có trễ: ậ

Hình 1.10: Ướ c lư ợ ng mô hình quán tính b c 3 có trễ: ậ

So sánh 3 mô hình:

Hình 1.11: Đặ c tính x p x ấ ỉ sau khi ướ c lư ợ ng mô hình

Đánh giá kết qu nh n d ng: Ta th y mô hình quán tính b c 1 có tr có Best ả ậ ạ ấ ậ ễFits cao nh t 97,81% nên ta ấ chọn mô hình này làm mô hình động h c cọ ủa lò điện

trở K t qu nh n d ng h ốế ả ậ ạ ệth ng ta có hàm truyền lò điện tr 2,5 KVA: ở

(1.1)

Kết luận chương 1:

Chương 1 tập trung giới thiệu chung về lò điện trở, nguyên lý làm việc và cấu tạo của lò điện trở 2,5KVA Phương pháp nhận dạng mô hình đối tượng bằng Identification Toolbox của Matlab Trong chương này nội dung tập trung vào nghiên cứu chính là đưa ra được phương trình động học của lò điện trở trên cơ sở

dữ liệu lấy được từ giao diện giám sát

CHƯƠNG 2: TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO LÒ ĐIỆN TRỞ 2,5 KVA

2.1 Tổng hợp bộ điều khiển PID

2.1.1 Bộ điều khiển PID

Trong các hệ ống điề th u khiến thường s d ng k t hợử ụ ế p 3 thành ph n trên tùy ầtheo yêu c u chầ ất lượng của hệ thống và tính phức tạp khi thiết kế các thành ph n ầ

mà người thi t k có th s dế ế ể ử ụng khâu điều khi n P, PI hay PID Trong các s k t ể ự ế

hợp đó thì khâu điều khi n PID là hoàn h o nhể ả ất cho các hệ thống điều khi n ểPhương trình vi phân mô tả quan hệ tín hiệu vào ra của bộ điều khiến PID:

(2.1)

Trong đó:

e(t): tín hiệu vào của bộ điều khiến

u(t): tín hiệu ra của bộ điều khiến

Km = K1: hệ số khuyếch đại

Td K= 3/K1: hằng số thời gian vi phân

Ti = hằng số thời gian tích phân

+ Sơ đồ cấu trúc:

+ Hàm truyền đạt trong mi n nh Laplace: ề ả

+ Hàm truyền đạt trong miền tần số:

K: Hệ số khuếch đại của đối tượng lò nhiệt

τ: Hằng số thời gian trễ (thời gian không nhạy của lò nhiệt)

iT: Hằng số thời gian quán tính nh ệt của lò

K , τ, T được xác định bằng phương pháp thực nghiệm

Kết quả nh n d ng h ậ ạ ệthống ta có hàm truyền lò điện tr 2,5 KVA ở

454,54

T= 1500

τ = 45

a Phương pháp Ziegler Nichols

Bả ng 2.1: ả B ng thi t k Ziegler Nichols 1 ế ế

Luật điều khi n ể KP TI TD

T K

3,33 τ

Luật PID

1,2.

T K

K ; TI = 2 τ; TD = 0,5 τ

Hệ số tương ứng với hệ số khuếch đại tỷ lệ:

KP = C = 8,81057

KI =

I

C T

8,81057 0,098 90

KD = C.TD 8,81057 22,5 198,238Đối với hệ liên tục hiệu chỉnh PID có dạng tổng quát là:

Với 2 phương pháp thực nghiệm trên ta có nhận xét sau:

- Phương pháp Ziegler nichol: Thời gian quá độ ngắn, nhưng tồn tại độ quá điều - chỉnh lớn

- Phương pháp Tổng Kuhn: Thời gian quá độ lớn hơn, nhưng độ quá điều chỉnh nhỏ trong phạm vị cho phé, p

2.1.3 Phương pháp dự báo Smith

Cấu trúc bộ điều khiển theo nguyên lý dự báo Smith:

Hình 2.5: C u trúc b ấ ộ điề u khiể n theo nguyên lý d báo Smith ự

Nguyên lý dự báo Smith như sau: Để thiết kế bộ điều khiển GR(s) cho đối tượng

T K

Hình 2.6: Sơ đồ mulink mô ph si ỏ ng hệ ống theo phương pháp dự báo Smith th

Hình 2.7 : Sơ đồ simulink mô ph ỏ ng hệ ống theo phương pháp dự th báo Smith v ề

x p x PID ấ ỉ

Đáp ứng quá độ:

Hình 2.8 : Đáp ứ ng quá độ ủ c a h ệ ố th ng s d ử ụng phương pháp dự báo Smith v ề

Hình 2.9 : Đáp ứ ng h ệ ố th ng khi s d ử ụng 3 phương pháp:

Ziegler Nichols 1

a Phương pháp

b Phương pháp Tổ ng Kuhn

c Phương pháp dự báo Smith.

Từ đáp ứng thu được ta thấy:

- Phương pháp Ziegler Nichols 1 có độ quá điều ch nh lỉ ớn, vượt quá ph m vi cho ạphép

- Phương pháp Tổng Kuhn có thời gian quá độ nhỏ hơn và sai lệch tĩnh nhỏ hơn phương pháp dự báo Smith

Từ kết luận trên ta thấy phương pháp Tổng Kuhn có chất lượng tốt hơn cả

Do đó ta chọn phương pháp Tổng Kuhn làm phương pháp điều khiển cho hệ thống

lò điện trở Tuy nhiên đáp ứng trên ta thấy phương pháp điều khiển trên chưa phải

là tối ưu vì thời gian quá độ lớn, nên chúng tôi đề xuất phương pháp kết hợp bộ điều khiển PID kết hợp với bộ điều khiển Fuzzy logic tạo ra bộ điều khiển mờ động

* Khi có nhiễu tác động:

- Khi có nhiễu tác động ở đầu vào: Công suất nhiễu 0,5

Hình 2.10: Sơ đồ simulink mô phỏng hệ thống khi ử ụng phương pháp Tổ s d ng

Kuhn có tác độ ng c a nhi ủ ễ u ở đầ u vào

Hình 2.12: Sơ đồ simulink mô phỏng hệ thống khi ử ụng phương pháp Tổ s d ng

Kuhn có tác độ ng c a nhi u u ra ủ ễ ở đầ

Đáp ứng hệ thống:

Hình 2 13: Đáp ứng quá độ ủ c a h ố ệ th ng khi s d ử ụng phương pháp Tổ ng Kuhn

có tác độ ng c a nhi u u ra ủ ễ ở đầ

2.2 Tổng hợp bộ điều khiển bằng cách kết hợp PID – mờ

Xây dựng luật điều khiển PID – mờ cho lò điện trở

Ta có phương trình động học của lò điện trở 2,5 KVA:

454,54

Xây d ng b ự ộ điều khi n m - PID: ể ờ

Hình 2.14: Thi t k luatmo.fis ế ế

Hình 2.15: M ờ hóa tậ đầ p u vào 1: ET

Hình 2.16: M ờ hóa tậ đầ p u vào 2: DET

Hình 2.17: M ờ hóa tậ đầu p ra: U

Luật m : ờ

Hình 2.19: Luật điề u khi n trong không gian ể

Hình 2.20 : Sơ đồ simulink mô ph ỏ ng hệ ố th ng khi k t h p b u khi n ế ợ ộ điề ể

PID và bộ điề u khi n ể m ờ độ ng

Đáp ứng quá độ:

Hình 2.21: Đáp ứng quá độ ệ ố h th ng khi k t h p 2 b u khi n ế ợ ộ điề ể

Nhận xét:

Nhìn vào đáp ứng h th ng ta thệ ố ấy được rõ ưu điểm c a b ủ ộ điều khi n m ể ờ

động so v i b ớ ộ điểu khi n PID: Thể ời gian quá độ nh ỏ 4500s, độ quá điều ch nh ỉ4,5%, sai lệch tĩnh 0% Do vậy ta s d ng b ử ụ ộ điều khi n m ng làm b ể ờ độ ộ điều khi n nhiể ệt độ cho lò điện tr 2,5 ở KVA

N i dung th hai là t ng h p b ộ ứ ổ ợ ộ điều khi n m ngể ờ độ Trên cơ sở ộ đ ề b i u khi n PID ể

đã được thi t k phế ế ở ần trên, người ta k t h p v i b ế ợ ớ ộ điều khi n m nh m t o ra b ể ờ ằ ạ ộđiều khi n có ch t lư ng t t nh t ể ấ ợ ố ấ

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG CÁC BÀI THÍ NGHIỆM CHO LÒ ĐIỆN TR 2.5 Ở

KVA BẰNG SIMATIC S7 300 – 3.1 Giải pháp kỹ thuật

u khi n l n tr 2,5KVA ta s d ng h ng PLC S7 300

khiển lập trình được (Programmable Logic Controller), gọi tắt là PLC, là bộ điều khiển cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số thông qua ngôn ngữ lập trình để trao đổi thông tin với các PLC khác hoặc với máy tính Toàn bộ chương trình điều khiển được lưu trong bộ nhớ của PLC dưới dạng các khối chương trình (khối OB, FB hoặc FC) và được thực hiện lặp theo chu kỳ của vòng quét (scan) PLC chủ yếu bao gồm module CPU, các bộ xử lý và bộ nhớ chương trình, các module xuất/nhập (I/O module), hệ thống bus và khối nguồn cấp điện

Hệ thống tuyến (system bus): là tuyến để truyền các tín hiệu, gồm nhiều đường tín hiệu song song:

+ Tuyến địa chỉ (address bus): chọn địa chỉ trên các khối khác nhau

+ Tuyến dữ liệu (data bus): mang dữ liệu (thí dụ từ IM tới OM)

+ Tuyến điều khiển (control bus): chuyển, truyền các tín hiệu điều khiển để đồng bộ các hoạt động trong PLC

Để tăng tính mềm dẻo trong ứng dụng thực tế mà ở đó phần lớn các đối tượng điều khiển có số tín hiệu đầu vào, đầu ra cũng như chủng loại tín hiệu vào/ra khác nhau mà các bộ điều khiển PLC được thiết kế không bị cứng hóa về cấu hình Chúng được chia nhỏ thành các module Số các module được sử dụng nhiều hay ít tùy thuộc vào từng bài toán nhưng tối thiểu bao giờ cũng phải có một module chính

là module CPU Các module còn lại là những module nhận/truyền tín hiệu với đối tượng điều khiển, các module chuyên dụng như PID, điều khiển động cơ Chúng được gọi chung là module mở rộng

CPU S7-300 có 3 vùng nhớ cơ bản:

- Vùng nhớ hệ thống (system memory): (RAM trong CPU) lưu trữ dữ liệu hoạt động cho chương trình:

+ I (Process Input Image): Miền bộ đệm các dữ liệu cổng vào số Trước khi

bắt đầu thực hiện chương trình, PLC sẽ đọc giá trị logic của tất cả các cổng đầu vào

và cất giữ chúng trong vùng nhớ I Thông thường chương trình ứng dụng không đọc trực tiếp trạng thái logic của cổng vào số mà chỉ lấy dữ liệu của cổng vào từ bộ đệm

I

+ Q (Process Output Image): Miền bộ đệm các dữ liệu cổng ra số Kết thúc

giai đoạn thực hiện chương trình, PLC sẽ chuyển giá trị logic của bộ đệm Q tới các cổng ra số Thông thường chương trình không trực tiếp gán giá trị tới tận cổng ra

mà chỉ chuyển chúng vào bộ đệm Q

+ M: Miền các biến cờ Chương trình ứng dụng sử dụng vùng nhớ này để lưu trữ các tham số cần thiết và có thể truy nhập nó theo bit (M), byte (MB), từ (MW),

từ kép (MD)

+ T (Timer): Miền nhớ phục vụ bộ định thời bao gồm việc lưu trữ các giá trị

thời gian đặt trước (PV-Preset Value), giá trị đếm thời gian tức thời (CV-Current

Value) cũng như giá trị logic đầu ra của bộ thời gian

+ C (Counter): Miền nhớ phục vụ bộ đếm bao gồm việc lưu trữ giá trị đặt

trước (PV-Preset Value), giá trị đếm tức thời (CV-Current Value) và giá trị logic của bộ đếm

+ PI (I/O External Input): Miền địa chỉ cổng vào của các module tương tự

Các giá trị tương tự tại cổng vào của module tương tự sẽ được module đọc và chuyển tự động theo những địa chỉ

+ PQ (I/O External Output): Miền địa chỉ cổng ra của các module tương tự

Các giá trị tương tự tại cổng ra của module tương tự sẽ được module đọc và chuyển

tự động theo những địa chỉ

- Vùng nhớ nạp (load memory): (RAM trong CPU, cộng thêm EEPROM có sẵn trong CPU hoặc thẻ EEPROM gắn thêm) là vùng nhớ chứa chương trình của ta bao gồm tất cả các khối chương trình ứng dụng OB, FB, FC, các khối chương trình trong thư viện hệ thống được sử dụng (SFB, SFC) và các khối dữ liệu DB Toàn bộ