THIẾT kế mô HÌNH ổn ĐỊNH QUẢ BÓNG TRONG ỐNG KHÍ THẲNG ĐỨNG BẰNG THUẬT TOÁN PID

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG THIẾT KẾ MƠ HÌNH ỔN ĐỊNH QUẢ BĨNG TRONG ỐNG KHÍ THẲNG ĐỨNG BẰNG THUẬT TỐN PID Mã số: T2020-06-168 Chủ nhiệm đề tài: TS Nguyễn Đức Quận Đà Nẵng, 12/2021 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG THIẾT KẾ MƠ HÌNH ỔN ĐỊNH QUẢ BĨNG TRONG ỐNG KHÍ THẲNG ĐỨNG BẰNG THUẬT TOÁN PID Mã số: T2020-06-168 Xác nhận quan chủ trì đề tài Chủ nhiệm đề tài (ký, họ tên, đóng dấu) (ký, họ tên) Nguyễn Đức Quận DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI STT Họ tên TS Nguyễn Đức Quận ThS Nguyễn Văn Nam Đơn vị Khoa Điện –Điện tử Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Khoa Điện –Điện tử Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1.1 Tính cấp thiết đề tài 1.1.1 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu 1.1.2 Đối tượng nghiên cứu 1.1.3 Phạm vi nghiên cứu 1.2 Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu 1.2.1 Cách tiếp cận 1.2.2 Phương pháp nghiên cứu 1.3 Nội dung nghiên cứu CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2.1 Tổng quan mơ hình 2.2 Tổng quan điều khiển PID 2.2.1 Giới thiệu điều khiển PID 2.2.2 Bộ điều khiển tỉ lệ (P) 2.2.3 Bộ điều khiển tích phân (I) 2.2.4 Bộ điều khiển vi phân (D) 2.2.5 Tổng hợp khâu, điều khiển PID 2.2.6 Thiết kế PID 2.3 Tổng quan động điện chiều 12 2.3.1 Khái niệm 12 2.3.2 Ưu điểm động điện chiều 13 2.3.3 Các phương pháp điều tốc độ động 14 CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ PLC S7-200 VÀ MODULE MỞ RỘNG ANALOG 16 3.1 Cơ sở lý thuyết PLC S7-200 16 3.1.1 Giới thiệu chung lập trình PLC S7-200 SIEMENS 16 3.1.2 Cấu trúc phần cứng 17 3.1.3 Cấu trúc nhớ 21 3.1.4 Ngôn ngữ lập trình PLC S7-200 23 3.2 Cơ sở lý thuyết module mở rộng analog EM235 26 3.2.1 Các thành phần module analog EM235 27 3.2.2 Cách nối dây 28 3.2.3 Cài đặt dải tín hiệu vào 30 3.3 Bộ điều khiển PID PLC S7-200 30 3.3.1 Lệnh vòng lặp PID S7-200 30 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MƠ HÌNH 40 4.1 Thiết kế phần khí mơ hình 40 4.1.1 Yêu cầu kỹ thuật 40 4.1.2 Vật liệu chế tạo cho mơ hình 40 4.1.3 Các hình vẽ kích thước chi tiết mơ hình 40 4.2 Thiết kế phần điện mơ hình 45 4.2.1 Yêu cầu kỹ thuật 45 4.2.2 Các thiết bị điện 45 4.3 Chế tạo lắp ráp mơ hình 49 4.3.1 Yêu cầu kỹ thuật 49 4.3.2 Mơ hình hoàn thiện 50 4.4 Lắp đặt thiết bị 53 4.4.1 Nguyên tắc bố trí 53 4.4.2 Lắp đặt thiết bị 54 CHƯƠNG 5: XÂY DỰNG CÁC BÀI TẬP THỰC HÀNH 56 5.1 Bài thực hành 57 5.1.1 Nội dung thực hành 57 5.1.2 Mục tiêu kiến thức đạt 58 5.1.3 Hướng dẫn thực 58 5.2 Bài thực hành 60 5.2.1 Nội dung thực hành 60 5.2.2 Mục tiêu kiến thức đạt 60 5.2.3 Hướng dẫn thực 61 5.3 Bài thực hành 62 5.3.1 Nội dung thực hành 62 5.3.2 Mục tiêu kiến thức đạt 62 5.3.3 Hướng dẫn thực 63 5.4 Bài thực hành 65 5.4.1 Nội dung thực hành 65 5.4.2 Mục tiêu kiến thức đạt 65 5.4.3 Hướng dẫn thực 65 5.5 Bài thực hành 67 5.5.1 Nội dung thực hành 67 5.5.2 Mục tiêu kiến thức đạt 67 5.5.3 Hướng dẫn thực 67 CHƯƠNG 6: KIỂM TRA THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ MƠ HÌNH 73 6.1 Kiểm tra thực nghiệm mơ hình 73 6.1.1 Bài thực hành 73 6.1.2 Bài thực hành 76 6.1.3 Bài thực hành 77 6.1.4 Bài thực hành 79 6.1.5 Bài thực hành 80 6.2 Đánh giá mơ hình 83 6.2.1 Ưu điểm 83 6.2.2 Nhược điểm 83 PHẦN KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 84 Kết luận 84 Kiến nghị 84 TÀI LIỆU THAM KHẢO 85 DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1: Lựa chọn thông số điều khiển theo phương pháp Ziegler – Nichols 11 Bảng 2.2: Thông số điều khiển theo thực nghiệm 12 Bảng 3.1: Bảng thơng số kỹ thuật dịng PLC S7-200 họ 22X 17 Bảng 3.2: Ngăn xếp tên bit 25 Bảng 3.3: Bảng mô tả thành phần module EM235 27 Bảng 3.4: Bảng tổng hợp tín hiệu Analog PLC S7-200 28 Bảng 3.5: Bảng cấu hình cài đặt dải tín hiệu vào 30 Bảng 3.6: Bảng thông số PID 38 Bảng 4.1: Bảng thông số kỹ thuật rơ le 24VDC, chân 46 Bảng 4.2: Bảng thông số kỹ thuật rơ le 24VDC, 14 chân 46 Bảng 4.3: Bảng thông số kỹ thuật cảm biến UD-310 Keyence 47 Bảng 4.4: Bảng thông số kỹ thuật khuếch đại UD-300 48 Bảng 4.5: Thông số kỹ thuật đông 49 DANH MỤC HÌNH Hình 2.1: Mơ hình ổn định bóng ống khí thẳng đứng Hình 2.2: Sơ đồ hệ thống điều khiển dùng PID Hình 2.3: Đáp ứng khâu P(ref: tín hiệu chuẩn, p: Khâu P) Hình 2.4: Đáp ứng khâu I PI (ref: tín hiệu chuẩn, p: Khâu P, i: khâu I) Hình 2.5: Đáp ứng khâu D PD (ref: tín hiệu chuẩn, p: Khâu P, d: khâu D) Hình 2.6: Đáp ứng khâu PID (ref: tín hiệu chuẩn) Hình 2.7: Xác định tham số cho mơ hình xấp xỉ bậc có trễ 10 Hình 2.8: Mơ hình điều khiển với Kgh 12 Hình 2.9: Xác định hệ số khuếch đại tới hạn 12 Hình 3.1: Hình dáng bên ngồi PLC S7-200 18 Hình 3.2: Cấu trúc bên PLC S7-200 19 Hình 3.3: Mơ hình tổng quát PLC S7-200 20 Hình 3.4: Bộ nhớ ngồi S7-200 22 Hình 3.5: Giao diện soạn thảo phần mềm lập trình 23 Hình 3.6: Module mở rộng Em235 26 Hình 3.7: Sơ đồ nối dây với thiết bị đo tín hiệu đầu kiểu điện áp 28 Hình 3.8: Sơ đồ nối dây với thiết bị đo tín hiệu đầu kiểu dịng điện 29 Hình 3.9: Sơ đồ nối dây tín hiệu tương tự với tải 29 Hình 3.10: Sơ đồ nối dây cấp nguồn nuôi cho Module 29 Hình 3.11: Sơ đồ nối dây tổng quát cho Module EM235 29 Hình 4.1: Kích thước tổng thể mơ hình 40 Hình 4.2: Bản vẽ đế mơ hình 41 Hình 4.3: Bản vẽ khung thân mơ hình 41 Hình 4.4: Bảng điều khiển 42 Hình 4.5: Khớp nối cánh quạt động 42 Hình 4.6: Bách gắn cảm biến siêu âm 43 Hình 4.7: Buồng dẫn khí thổi 43 Hình 4.8: Ống dẫn khí mica 44 Hình 4.9: Tấm đế gắn thiết bị 44 Hình 4.10: Bách gắn quạt thổi khí 44 Hình 4.11: Bộ nguồn 24VDC 45 Hình 4.12: Rơ le 24VDC, chân 45 Hình 4.13: Rơ le 24VDC, 14 chân 46 Hình 4.14: Cảm biến UD-310 47 Hình 4.15: Bộ khuếch đại UD-300 48 Hình 4.16: Mơ hình lắp hồn thiện 50 Hình 4.17: Khối cấp nguồn 51 Hình 4.18: Khối nguồn DC 24V 51 Hình 4.19: Khối cảm biến siêu âm đo khoảng cách 52 Hình 4.20: Khối điều khiển động quạt thổi 52 Hình 4.21: Khối giám giao diện người máy (HMI) 53 Hình 4.22: Khối kết nối truyền thông 53 Hình 4.23: Lưu đồ bố trí thiết bị 54 Hình 4.24: Hình chụp tổng thể mơ hình 55 Hình 5.1: Sơ đồ nguyên lý dây tổng thể mơ hình 56 Hình 5.2: Sơ đồ kết nối thiết bị hệ thống 56 Hình 5.3: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 57 Hình 5.4: Sơ đồ nối dây mạch điều khiển mơ hình 57 Hình 5.5: Mối quan hệ tuyến tính đầu vào dải cần đo 59 Hình 5.6: Dạng phương trình chuyển đổi từ giá trị 60÷250mm sang giá trị 2500÷0 63 Hình 6.1: Hướng dẫn kết nối truyền thông PC PLC 73 Hình 6.2: Kết nối phần mềm lập trình với PLC CPU224XP 74 Hình 6.3: Download chương trình xuống PLC 74 Hình 6.4: Kết chạy thực nghiệm Bài thực hành 1: a) Vị trí q bóng cách cảm biến 60mm; b) Vị trí bóng cách cảm biến 254mm 75 Hình 6.5: Kết chạy thực nghiệm Bài thực hành 2: a) Giá trị cài đặt tốc độ động = 0v/p; b) Giá trị cài đặt cho tốc độ động = 700v/p; c) Giá trị cài đặt cho tốc độ động = 800v/p 77 Hình 6.6: Kết chạy thực nghiệm Bài thực hành 3: a) Vị trí bóng 60mm ; b) Vị trí bóng 250mm 78 Hình 6.7: Kết chạy thực nghiệm Bài thực hành 4: a) Vị trí bóng 150mm 79 Hình 6.8: Tìm hệ số PID chế đọ Auto Tune PLC S7-200 81 Hình 6.9: Kết chạy thực nghiệm Bài thực hành 5: a) Ổn định bóng vị trí 100mm; b) Ổn định bóng vị trí 220mm; Ổn định bóng vị trí 160mm 83 c) Hình 6.9: Kết chạy thực nghiệm Bài thực hành 5: a) Ổn định bóng vị trí 100mm; b) Ổn định bóng vị trí 220mm; Ổn định bóng vị trí 160mm 6.2 Đánh giá mơ hình Sau chạy thử mơ hình đánh sau: 6.2.1 Ưu điểm  Thao tác thực hành dễ dàng  Làm việc ổn định  Kích thích tập trung người học, đặc biệt sinh viên có định hướng ứng dụng, định hướng làm việc lĩnh vực điều khiển tự động thực tế  Đáp ứng đầy đủ kiến thức xử dụng tín hiệu analog điều khiển nâng cao  Hình thức lắp đặt bố trí phần tử điều khiển cân đối  Kích thước mơ hình gọn nhẹ, người học ngồi để thao tác thực hành 6.2.2 Nhược điểm  Tính đáp ứng mơ hình chưa cao, sai số cịn lớn  Cơ cấu chấp hành chưa bám theo với tín hiệu điều khiển  Các kết cấu khí chưa tối ưu, đặc biệt việc điều áp ống khí 83 PHẦN KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Đề tài hồn thành với phần  Mơ hình ổn định bóng ống khí thẳng đứng  Kết chạy thực nghiệm, kiểm tra đánh giá  Một báo cáo tổng kết đề tài  Năm (05) thực hành Thiết bị chế tạo hoạt động ổn định, thực hành cung cấp cho sinh viên kiến thức sử dụng tín hiệu analog điều khiển Thơng qua mơ hình người học có nhìn trực quan việc ứng dụng kiến thức lý thuyết học vào thực tiễn Kiến nghị  Kết đề tài cần quan tâm đầu tư nhân rộng để triển khai áp dụng vào công tác đào tạo nhà trường thời gian đến  Từ kết nghiên cứu bổ sung phù hợp để đào tạo sinh viên nhiều cấp độ khác  Cần quan tâm đầu tư biên soạn tài liệu chuẩn để đào tạo cho sinh viên phù hợp với ngành công nghiệp đạo tạo với nhiều cấp độ khác 84 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] K H Ang, G Chong, S Member, and Y Li, “PID Control System Analysis , Design , and Technology,” vol 13, no 4, pp 559–576, 2005 [2] J Zhong, “PID controller tuning : A short tutorial,” Springer, pp 1–13, 2006 [3] J G Ziegler and N B Nichols, “Optimum settings for PID controllers,” Trans ASME, vol 64, pp 759–768, 1942 [4] W Pages, “Ziegler–Nichols Tuning Rules for PID, Microstar Laboratories,” [Online].Available: http://www.mstarlabs.com/control/znrule.html 6/2021 85 D~I HQC DA NANG TRUONG DAI HOC SU PHAM KY THUAT THUYETMINH DE TAl KHOA THIET HQC vA CONG NGH~ cAp co KE MD HINH ON DJNH QuA BONG TRONG ONG KHI THiNG DUNG BANG THUAT ToAN PID • Mil sA: T2020-06-168 I 1 Chii nhiem d~ tai: TS Nguy~n Due Qu~n Bit Ning, 11/2020 !!,.,,'" sa B~.I HOC BA NANG TRUONG DAI HOC SU PHAM KY THUAT THUYET MINH DE TAl KHOA HOC & CONG NGHE cAp co sa NAM 2020 MA so: T2020-06-168 TEN DE TAl: THIET KE MO HlNH ON DlNH QuA BONG TRONG ONG TRANG DUNG BANG THUAT TO AN PID KHI LOAI HiNH NGH[EN cuu LiNH Vl)'C NGHtEN crru TV nhien Kinh t~; XH-NV Giao due D D D Moi tnrong ~ Nong Lam Y Duoc THen GIAN THl)'C HI~N D D ATLD Sa htru tri tue D D D C~ ban Ung dung Tri~n Khai o D 12 thang Til thang 11 nam 2020 d~n than_g_11 nam 2021 co QUAN CHU TRI DE TAl (dan vi vien DHDN) Ten CCY quan: Truong Dai hoc Sir pham Ky thuat Di~n thoai: 0236-3822571 E-mail: pctho@dut.udn.vn Dia chi: 48 Cao Th~ng, Da Nang HQ va ten thu tnrong co quan chu tri: PGS.TS Phan Cao ThQ CHiJ NHI~M DE TAl HQ va ten: N guySn Dire Quan Chirc danh khoa hoc: Dia chi CCY quan: Khoa Dien - Dien til Dien thoai CCY quan: Di dong: E-mail: ndquan@ute.udn.vn HQc vi: Ti~n S1 Nam sinh: 1977 Dia chi nha rieng: Dien thoai nha rieng : Fax: NHU'NG THANH VIEN THAM GIA NGHIEN CUu DE TAl TT HQ va ten TS N guySn Dire Quan ThS NguySn Van Narn Dan vi cong tac va Iinh vue chuyen men NQi dung nghien ciru C1:lth~ diroc giao Chfr ky /7 Khoa Dien - Dien ill , Ch,u nhiem d~ tai, thiet k~, che t'-1 'A hinh ' l' ~ dllli VI en c ,quan y _ .: lV chung, !heo dOl tIen dQ thvc I)!}J~ hi¢n, viet bao cao /~/ A DON VI PHOI H