thiết kế bộ điều khiển pid số sử dụng plc

NHẠNXÉT XETCỦA CUAGIÁO GIAOVIÊN VIENHƯỚNG PHAN BIẸN NHẬN DAN LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn Bộ môn Điều khiển tự động, thầy Hoàng Minh Trí thầy cô khác hướng dẫn tận tình , cung cấp cho em kiến thức quý báu cho em thời gian thực luận văn Em chân thành cảm ơn hổ trợ, đóng góp ý kiến bạn bè Đây lần đầu em làm Luận Văn , thiếu sót hay khiếm khuyết điều không tránh khỏi Em chân thành cám ơn đóng góp ý kiến chuyên môn để khả kỹ thuật em mở rộng Chân thành cảm ơn Sinh viên thực MỤC LỤC Phần LÝ THUYẾT Chương Các khôi điều khiển nhiệt độ Chương Nhiệt độ - Các loại cảm biến nhiệt độ 11 Nhiệt độ thang đo nhiệt độ 12 Các loại cảm biết nhiệt độ 13 2.1 2.2 2.3 2.4 Thermocouple 13 RTD 13 Thermistor .14 IC cảm biến 14 Thermocouple hiệu ứng Seebeck .15 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.4 Hiệu ứng Seebeck 15 Quá trình dẫn điện Thermocouple 15 Cách đo hiệu điện 17 Bù nhiệt môi trường .19 Các loại Thermocouple 20 Một sô nhiệt độ chuẩn 21 Chương Các phương pháp biến đổi AD Card PCL-818 Advantech .22 Sơ lược phương pháp biến đổi AD 22 1.1 Biến đổi AD dùng biến đổi DA .22 1.2 Bộ biến đổi Flash-AD .26 ĩ Bộ biến đổi AD theo hàm dôc dạng lên xuông .27 1.4 Bộ biến đổi AD dùng chuyển đổi áp sang tần sô" 27 1.5 Bộ biến đổi AD theo tích phân độ dốc .28 Card AD - PCL818 hãng Advantech 29 2.1 2.2 Các ghi Card 29 Chuyển đổi A/D , D/A , D/I, D/O 41 Chương Các phương pháp điều khiển Phương pháp PID sô" 44 Các phương pháp điều khiển 44 1.1 Điều khiển On - Of 44 1.2 Điều khiển khâu tỷ lệ 45 1.3 Điều khiển khâu vi phân tỷ lệ PD 46 1.2 Điều khiển khâu vi tích phân tỷ lệ PID 47 Phương pháp điều khiển PID sô" .49 Thiết kế PID số .51 Điều khiển PID hệ thông điều khiển nhiệt độ 52 Chương Các Loại Mạch Kích Và Solid State Relay ( SSR) 56 Đóng ngắt OpTo - Triac 56 Contactor Quang - Solid State Relay 58 Chương Các loại IC khác 60 IC Khác 60 OP07 61 Phần Phần Cứng 62 Khôi cảm biến mạch gia công 63 Phần LƯU đồ giải thuật chương trình 67 Lưu đồ giải thuật 68 LỜI NÓI ĐẦU Như biết, nhiệt độ thành phần vật lý quan trọng Việc thay đổi nhiệt độ vật chất ảnh hưởng nhiều đến cấu tạo, tính chất, đại lượng vật lý khác vật chất Ví dụ, thay đổi nhiệt độ ĩ chất khí làm thay đổi thể tích, áp suất chất khí bình Vì vậy, nghiên cứu khoa học, công nghiệp đời sông sinh hoạt, thu thập thông sô" điều khiển nhiệt độ điều cần thiết Trong lò nhiệt, máy điều hoà, máy lạnh hay lò viba, điều khiển nhiệt độ tính chất định cho sản phảm Trong ngành luyện kim, cần phải đạt đến nhiệt độ để kim loại nóng chảy, cần đạt nhiệt độ để ủ kim loại nhằm đạt tốt đặc tính học độ bền, độ dẻo, độ chông gỉ sét, Trong ngành thực phẩm, cần trì nhiệt độ để nướng bánh, để nâu, để bảo quản, Việc thay đổi thất thường nhiệt độ, không gây hư hại đến thiết bị hoạt động, ảnh hưởng đến trình sản xuất, sản phẩm Có nhiều phương pháp để điều khiển lò nhiệt độ Mỗi phương pháp mang đến kết khác thông qua phương pháp điều khiển khác Trong nội dung luận văn này, cho ta phương pháp điều khiển On-Off, PI điều khiển PID thông qua Card AD giao tiếp với máy tính PCL818 Mọi liệu trình điều khiển hiển thị lên máy tính dựa ngôn ngữ lập trình Delphi Cảm biến mạch gia công Mạch kích lò nhiệt Card AD/DA PCL-818L Màn hình hiển thị Máy tính Chương trình điều khiển CÁC KHỐI Cơ BẢN TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ Hệ thông điều khiển nhiệt độ thông dụng công nghiệp bao gồm : Như mạch có khôi sau : • Khôi cảm biết gia công : sử dụng cảm biến nhiệt độ Thermocouple, lấy tín hiệu thông qua Op-Amp OP-07, đưa nhiệt độ cần xử lý ngõ vào Anaĩog biến đổi AD • Bộ biến đổi AD : mạch lấy tín hiệu AD để xử lý thông qua Card AD PCL-818 hãng Advantech Thông 78 !! **** l s Sề A •• qua đó, Card AD đưa giá trị nhiệt độ thông sô khác cho máy tính xử lý Ngoài PCL-818 Card DA với nhiệm vụ điều khiển mạch kích cho mạch nhiệt độ • Mạch công suất: mạch bị tác động trực tiếp bới PCL-818, với nhiệm vụ kích ngắt lò trình điều khiển Linh kiện sử dụng mạch Solid State Relay(SSR) • Khôi xử lý :có thể xem máy tính khối xử lý Với ngôn ngữ lập trình Delphi, máy tính điều khiển trình đóng, ngắt lò • Màn hình hiển thị: hình giao diện Delphi Các giá trị, nhu thông sô, tác động kỹ thuật tác động trực tiếp hình Các hãng kỹ thuật ngày tích hợp thành phần thành sản phẩm chuyên dùng bán thị trường Có chương trình giao diện ( Visual Basic ) có nút điều khiển, thuận lợi cho người sử dụng Có thể chọn khâu khuếch đại p, PI, PD hay PID hãng Contronautics, Incorporated Simpson Electric Company Trở lại mô hình điều khiển nhiệt, sơ đồ khôi mô hình hoá trình điều khiển lò nhiệt Để tìm hiểu rõ 109 NHIẸT ĐỌ CÁC LOẠI CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ THÔNG DỤNG Nhiệt độ thành phần chủ yếu hệ thông thu thập liệu Do vậy, chọn lựa thiết bị đo lường nhiệt độ xác ta tiệt kiệm chi phí lượng, tăng độ an toàn giảm thời gian kiểm tra thiết bị đo lường nhiệt độ thường dùng cảm biến nhiệt độ Cặp nhiệt điện, điện trở nhiệt, thermistors and inữared thermometers loại cảm biến nhiệt độ thông thường Việc chọn lựa thiết bị để hoạt động xác tuỳ thuộc vào nhiệt độ đa, tối thiểu cần đo, độ xác điều kiện môi trường Trước hết, tìm hiểu khái niệm nhiệt độ NHIỆT ĐỘ VÀ CÁC THANG ĐO NHIỆT ĐỘ Galileo cho người phát minh thiết bị đo nhiệt độ, vào khoảng năm 1592 Ông ta làm thí nghiệm sau : bồn hở chứa đầy cồn, ông cho treo ông thủy tinh dài có cổ hẹp, đầu có bầu hình cầu chứa đầy không khí Khi gia tăng nhiệt, không khí bầu nỏ sôi sùng sục cồn Còn lạnh không khí co lại cồn dâng lên lòng ông thủy tinh Do đó, thay đổi nhiệt bầu biết cách quan sát vị trí cồn lòng ông thủy tinh Tuy nhiên, người ta biết thay đổi nhiệt độ chưa có tầm đo cho nhiệt độ 11 Đầu năm 1700, Gabriel Fahrenheit, nhà chế tạo thiết bị đo người Hà Lan, tạo thiết bị đo xác cho phép lặp lại nhiều lần Đầu dưđi thiết bị gán độ, đánh dấu vị trí nhiệt nước đá trộn với muôi (hay ammonium chloride) nhiệt độ thấp thời Đầu thiết bị gán 96 độ, đánh dấu nhiệt độ máu người Tại 96 độ mà 100 độ? Câu trả lời người ta chia tỷ lệ theo 12 phần tỷ lệ khác thời Khoảng năm 1742, Anders Celsius đề xuất ý kiên lấy điểm tan nước đá gán độ điểm sôi nước gán 100 độ, chia làm 100 phần Đầu năm 1800, William Thomson (Lord Kelvin) phát triển tầm đo phổ quát dựa hệ số giãn nỏ khí lý tưỏng Kelvin thiết lập khái niệm độ tuyệt đôi tầm đo chọn tiêu chuẩn cho đo nhiệt đại Thang Kelvin : đơn vị K Trong thang Kelvin này, người ta gán cho nhiệt độ cho điểm cân ba trạng thái: nước - nước đá - mp65t giá trị số 273.15K Từ thang nhiệt độ nhiệt động học tuyệt đốì( Thang Kelvin), người ta xác định thang thang Ceĩsius thang Fahrenheit( cách dịch chuyển giá trị nhiệt độ) Thang Celsius : Trong thang đo này, đơn vị nhiệt độ (°c ), độ Celsius độ Kelvin Quan hệ nhiệt độ Celsius nhiệt độ Kelvin xác định biểu thức : T(°C) = T(°K) - 273,15 Thang Fahrenheit: T(°C) =5/9 (T(°F)- 32} T(°F) =9/5 T(°C) + 32 CÁC LOẠI CẲM BIẾN HIỆN TẠI Tùy theo lĩnh vực đo điều kiện thực tế mà chọn bốn loại cảm biến : thermocouple, RTD, thermistor, IC bán dẫn Mỗi loại có ưu điểm khuyết điểm riêng 12 2.1 Thermocouple ưu điểm • Là thành phần tích cực, tự cung cấp công suất • Đơn giản • Rẻ tiền • Tầm thay đổi rộng • Tầm đo nhiệt rộng Khuyết điểm • Phi tuyến • Điện áp cung cấp thấp • Đòi hỏi điện áp tham chiếu • Kém ổn định • Kém nhạy 2.2 RTD (resistance temperature detector) ưu điểm • Ốn định • Chính xác nhât • Tuyến tính thermocouple Khuyết điểm • Mắc tiền • Cần phải cung cấp nguồn dòng • Lượng thay đổi AR nhỏ • Điện trở tuyệt đôi thấp • Tự gia tăng nhiệt 2.3 Thermistor Ưu điểm • Ngõ có giá trị lớn • Nhanh • Đo hai dây 13 CHƯƠNG TRÌNH ĐỌC HIỆU CHỈNH NHIỆT ĐỘ THEO PHƯƠNGPHÁP ON-OFF , PI & PID • Phương pháp On - Off • Phương pháp PID 82 unit Unitdieukhien; interface uses Windows, Messages, SysUtils, Classes, Graphics, Controls, Forms, Dialogs, StdCtrls, ExtCtrls, TeEngine, Series, TeeProcs, Chart, Buttons; type TFormdieukhien = class(TForm) RadioGroupl: TRadioGroup; Buttonhoatdong: TButton; Timerl: TTimer; GroupBox2: TGroupBox; 83 Label5: TLabel; Labeló: TLabel; Label7: TLabel; Edit4: TEdit; Edit5: TEdit; Editó: TEdit; GroupBox3: TGroupBox; Label8: TLabel; Label9: TLabel; Edit7: TEdit; Edit8: TEdit; Buttondung: TButton; GroupBox4: TGroupBox; Editgtrisaisohtai: TEdit; Editgtrinhietdohtai: TEdit; LabellO: TLabel; Labell 1: TLabel; Labell2: TLabel; Edit9: TEdit; Labell3: TLabel; EditlO: TEdit; Timer2: TTimer; BitBtnl: TBitBtn; BitBtn2: TBitBtn; BitBtn3: TBitBtn; OpenDialogl: TOpenDialog; SaveDialogl: TSaveDialog; Memol: TMemo; Timer3: TTimer; Editl: TEdit; Timer4: TTimer; procedure FormCreate(Sender: TObject); procedure TimerlTimer(Sender: TObject); procedure dkonoff; procedure BitBtnlClick(Sender: TObject); procedure BitBtn2Click(Sender: TObject); procedure Timer2Timer(Sender: TObject); procedure ButtondungClick(Sender: TObject); 84 procedure ButtonhoatdongClick(Sender: TObject); procedure Timer3Timer(Sender: TObject); procedure Timer4Timer(Sender: TObject); procedure FormPaint(Sender: TObject); procedure BitBtn3Click(Sender: TObject); private { Private declarations } public { Public declarations } end; Const base=$300; regO= base + 0; regl= base + 1; reg2= base + 2; reg3= base + 3; reg4= base + 4; reg5= base + 5; reg6= base + 6; reg7= base + 7; reg8= base + 8; reg9= base + 9; regl0= base + 10; regl 1= base + 11; regl2= base + 12; regl3= base + 13; regl4= base + 14; regl5= base + 15; var Formdieukhien: TFormdieukhien; nhietdohtai,nhietdodat:real; Udk, uo, ưktireal; Ekt, Ektl,Ekt2:real; nhietdomaxrreal; 85 sv,pv:real; Tmaudnteger; dqc,chao:string[200]; ess:real; iiinteger; pot:real; Kp,Ki,Kd:real; implementation uses Unitthongso; {$R *.DFMỊ {1} Function inport(address:word):byte; var data:byte; begin asm mov dx,address in al,dx mov data,al end; inport:=data; end; {2} procedure outport(address:word;data:byte); Begin asm mov dx,address mov al,data out dx,al end; end; { {3} Function INT:byte; begin INT:=(inport(reg8) and $10) shr4; end; 86 } } {4} Function EOC.byte; begin EOC:=(inport(reg8)and $80)shr 7; end; {5} Procedure set_rangeAD(range:byte); { dat tam dien ap ngo ) var rang:byte; begin rang:=range and $03; outport(reg ,rang); end; {6} Procedure set_trigsource(trs:byte); var i:byte; begin i:=inport(reg9) and $FC; outport(reg9,i or trs); end; {7} Procedure analog_out(data:word); begin outport(reg4,(data and $000F)shl 4); outport(reg5,(data and $0FF0)shr 4); end; {8} Procedure Trig_AD; { kich mem bo ADỊ begin outport(regO,$FF); end; {9} Procedure set_channelAD(start,stop:byte); begin outport(reg2,(stop shl 4) or start); end; {} {10} procedure delay(ms:longint); var countermsdongint; begin 87 counterms:=ms+gettickcount; while counterms>=gettickcount do; end; {11} procedure Clear_Int; begin outport(reg8,$ff); end; {12} Function Read_AD:integer; { doc du lieu tu bo AD} var dlow, dhigh:byte; begin dlow:=inport(regO); dhigh :=inport(reg 1); dlow:=(dlow and $F0) shr 4; read_AD:=dlow+16*dhigh; end; { - - - - - {13} Function PID(data:real):real; var Kp, Ki, Kd, K , Tl, T2, T:real; aO,a ,a ,Ukt, u ,Ekt,Ekt ,Ekt2: re a 1; begin T:=Tmau/1000; { dat thoi gian lay mau la Tmau } Kp:=strtofloat(Formdieukhien.Edit4.text); Ki:=strtofloat(Formdieukhien.Edit5.text); Kd:=strtofloat(Formdieukhien.Edit6.text); { dieu khien PI } If Formdieukhien.RadioGroupl Itemlndex= then begin a0:= Kp + Ki*T; al :=-Kp + Ki*T; a2:= Kd/T; end; { dieu khien PID } If Formdieukhien.RadioGroupl.ItemIndex= then begin aO:= Kp + Kd/T + Ki*T; al:=-Kp + Ki*T -2*Kd/T; a2:= Kd/T; end; Ukt:=aO*Ekt+a *Ekt +a2*Ekt2+ƯO; PID:=Ukt; end; {14} procedure TFormdieukhien.dkonoff; { chuông trinh dieu khien On-Off } var kess:real; begin kess:=2; if nhietdohtai>=nhietdodat+kess then Analog_out($0000); if nhietdohtai[...]... của hệ thông điều khiển, chúng ta sữ dụng phương pháp biến đổi mới : phương pháp biến đổi z Việc sử dụng phương pháp biến đổi Laplace gặp nhiều trở ngại vì chúng ta đang dùng phương trình sai phân thay cho việc thiết kế các hệ thông điều khiển dữ liệu đã được lấy mẫu 3 THIẾT KẾ PID SÔ ơ mục này, ta sẽ phân tích kỹ thuật thiết kế theo phương pháp đáp tầnkhiển sô", xem xét mạch bộ điều okhiển sớm theocặp... quannhiệt điểmđiện Bộ ng điều gồm nhiệt độtrểsửpha dụng khác trước Bộ- điều khiển p nàyrađược là PID (ThermoCouple có điện thaygọiđổi theo(Proportional nhiệt độ), Integral mạch điều Derivative), bộ điều khiển vi tích phân tỷ lệ khiển dùng khuếch đại thuật toán và bộ chấp hành (mạch động lực) 49 48 dùng TRIAC đóng ngắt nguồn điện lưới cung cấp cho lò khi áp qua zero(zero switching) Với bộ điều khiển này,trong... s thai am discreie and/\>riodic ■/ Khâu điều khiển A/D Hệ thông điều khiển sô" •y ’-sv’ ■/ Trong phần này, chúng ta sẽ phát triển những khái niệm về phân tích và thiết kế hệ thông liên tục cho hệ thông điều khiển sô" Chúng ta sẽ tập trung vào hệ thông điều khiển sô", trong đó máy tính sô được nôi đến các khâu diều khiển và các hệ thông được điều khiển bởi các bộ biến đổi A/D, D/A Hệ thông này được... giảm sai số xác lập Tiếp theo, ta xét bộ điều khiển PD, hàm truyền đạt như sau D{w) = K +K D w=Kp(ỉ + —) Với wwo = Kp/Kd Mục đích của bộ điều khiển PD này là cải Ví định dụ vềcủa lấyhệ tínthông, hiệu rời rạcbăng bằngthông phương pháp Fourier tiến sự ổn tăng hệ thông vòng kín để tăng tốc độ đáp ứng Tác dụng của bộ điều khiển PD tại tần sô cao ngược với tác dụng của bộ PI tại tần sô thâp 4 PID TRONG... CDROM Trong chương trình ứng dụng, cần phải khai báo sử dụng Driver Driver của hãng ADVANTECH viết chung cho nhiều loại CARD của hãng và việc đọc, và tìm hiểu các hàm viết sẳn sẽ mất nhiều thời gian Chúng ta có thể sử dụng phần UNIT có sẳn bằng ngôn ngữ Delphi của thầy Nguyễn Đức Thành 41 4 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PHƯƠNG PHÁP PID SÔ 1 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN Hệ thông điều khiển lò nhiệt có đường đặc... là điều khiển được năng lượng lò nhiệt cho đến khi sai sô" trung bình của giá trị nhiệt độ là 0 45 Time (3) hệ thông sô Khi ta thu thập những thông sô" của lò nhiệt, thông qua bộ biến đổi AD, DA dùng PCL 818L đưa lên máy tính để xử lý Do vậy, để điều khiển chính xác hơn cho hệ thông, người ta sử dụng phương pháp hiệu chỉnh PID sô" Vậy, PID sô" là gì? Hiệu quả như thê" nào ? 2 PHƯƠNG PHẤP ĐIỀU KHIỂN PID. .. chỉnh vi tích phân tỉ lệ( PID ) kết hợp những ưu điểm của khâu PI và PD, có khả năng tăng độ dự trử pha ở tần sô" cắt, khử chậm pha Sự có mặt PID ở vòng hồi tiếp có thể dẩn đến sự dao động trong hệ do đáp ứng quá độ bị vọt lô" bởi hàm Dirac ô(t).Các bộ hiệu chỉnh PID được ứng dụng nhiều trong công nghiệp dưới dạng thiết bị điều khiển hay thuật toán phần mềm Hàm truyền của bộ PID có dạng: Gc(s)= Kp +... thanh ghi điều khiển và đọc / ghi bộ đếm : E+9 Điều khiển chê" độ hoạt động nôi JP6 hòan tất 1 chuyển đổi A/D Vậy cấu hình INTE = 1 DMAE = BAS] Nửa thấp vi của thanh ghi quét phân kênh CL3 đến CLO • MUX 0 bit :8DO kênh sai D7 D6 D5 D4 D3 D2 DI 0 =dùng để báo cho CPU biết, bằng cách ngắt là đã đổi AD Bit cũng tácBộ dụng một pointer chúng ta ghi lập ởtrình tầmBASE+12 điện áp , 8254đơn sử dụng bôn thanh... đầu vào ana’ Đơn vị điều khiển Clock VA V AX Bộ biến đổi DA Thanh Kết quả digital EOC (kết thúc chuyển đổi) ghi 21 20 Khoảng thời gian biến đổi được chia bởi nguồn xung clock bên ngoài Đơn vị điều khiển là một mạch logic cho phép đáp ứng với tín hiệu Start để bắt đầu biến đổi Khi đó, OPAMP so sánh hai tín hiệu vào angalog để tạo ra tín hiệu digital biến đổi trạng thái của đơn vị điều khiển phụ thuộc vào... nhiệt độ giữa là nhiệt và nhiệt độ đặt, với p được xem là độ khuếch đại tỷ lệ của bộ điều khiển W=Px[Tí-T0) Khi p tăng, sự đáp ứng quá độ nhanh hơn nhưng ngược lại, hệ thông có nhiệt độ nằm dưới mức nhiệt độ điều khiển và không ổn định 43 1.3 Điều khiển bằng khâu vi phân tỷ lệ PD Vấn đề về tính ổn định và quá tầm trong điều khiển tỷ lệ với độ khuếch đại lớn , có thể được giảm đi khi thêm vào đó là khâu ... tỷ lệ PD 46 1.2 Điều khiển khâu vi tích phân tỷ lệ PID 47 Phương pháp điều khiển PID sô" .49 Thiết kế PID số .51 Điều khiển PID hệ thông điều khiển nhiệt độ 52 Chương... PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PHƯƠNG PHÁP PID SÔ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN Hệ thông điều khiển lò nhiệt có đường đặc tuyến hình vẽ Do điều kiện môi trường, yêu cầu hệ thông thiết kế, ta cần điều khiển lò... Các phương pháp điều khiển Phương pháp PID sô" 44 Các phương pháp điều khiển 44 1.1 Điều khiển On - Of 44 1.2 Điều khiển khâu tỷ lệ 45 1.3 Điều khiển khâu vi phân