Điều khiển và giám sát lò nhiệt bằng bộ điều khiển mờ dựa trên PLC Siemens S7-300 và phần mềm FCPA

Chuẩn bị một Project cho việc khai báo bộ điều khiển mờ bằng FCPA Chương trình FCPA (Fuzzy Control Parameter Assinment) là phần mềm hỗ trợ

Sau khi đã chuẩn bị một Projct ứng dụng cho bộ điều khiển mờ (Project có chứa FB Fuzzy Control), ta có thể bắt đầu sử dụng FCPA để tạo lập DB mờ cho bộ điều khiển mờ và khối DB mờ này phải nằm trong cùng một thư mục với FB Fuzzy Control của Project ứng dụng. Sau khi khai báo xong biến ngôn ngữ vào/ra và các giá trị(tập mờ) cho chúng chẳng hạn như ta đã khai báo m biến vào Input, … ,Inputm vớí các giá trị Am và s biến ra Output 1=Bn1,…, output s với các giá trị Bi1 ,…, Bis bước tiếp theo là ta xây dựng luật hợp thành.

Xác định tham số cho bộ điều khiển PID

Ưu điểm của phương pháp Reiniseh là ngay cả trong trường hợp đối tượng có thành phần tích phân (dạng 2), các giá trị cần thiết cho công việc tính toán tham số bộ điều khiển như c1,c1',c1'',c2,c2',c2'' cũng được tính giống như cho đối tượng dạng 1. Đối với vấn đề điều khiển đối tượng dạng 2, Reiniseh đề xuất sử dụng bộ điều khiển P hoặc PD (không có I) và do đó theo công thức hàm truyền đạt (5.2) của bộ điều khiển thì chỉ còn hai tham số kp và Tpphải xác định. γ nếu bộ điều khiển được sử dụng là P. γ nếu bộ điều khiển được sử dụng là PD. Trong đó α =a+cγvà a, c được tính từ độ quá điều chỉnh cực đại mong muốn σmaxtheo bảng đã cho ở trang 210. Ví dụ 2 : Tìm bộ điều khiển cho đối tượng thuộc dạng 2 với mô hình. Giống như ở ví dụ 1, các giá trị trung gian là. Bởi vậy nếu chọn bộ điều. khieồn PD thỡ. Trong trường hợp không thể xây dựng mô hình cho đối tượng thì phương pháp thiết kế thích hợp là phương pháp thực nghiệm. Thực nghiệm chỉ có thể tiến hành nếu hệ thống đảm bảo điều kiện : khi đưa trạng thái làm việc của hệ đến biên giới ổn định thì mọi giá trị của các tín hiệu trong hệ thống đều phải nằm trong giới hạn cho phép. Phương pháp Zlegier và Nichois. Trước khi tiến hành thực nghiệm hệ thống phải được lắp đặt theo sơ đồ ở hình 5.1, bao gồm đối tượng và bộ điều khiển theo luật PID. Sau khi lắp đặt xong, thực nghiệm được tiến hành theo các bước sau :. 1) Cho hệ thống làm việc ở biên giới ổn định. Tăng hệ số khuếch đại kp của luật điều khiển P cho đến khi hệ thống ở biên giới ổn định. Xác định hệ số kpth và chu kỳ giao động tới hạn dao động. Trong nhiều trường hợp , việc xác định chu kỳ dao động riêng gặp khó khăn và không đảm bảo độ chính xác thì phương pháp giới thiệu sau đây sẽ khắc phục nhược điểm đó. Phương pháp Jassen và Offerein. Thực nghiệm theo phương pháp này được tiến hành theo các bước sau đây : 1) Cho hệ thống làm việc ở biên giới ổn định. Tăng hệ số khuếch đại kpcủa luật điều khiển P cho đến khi hệ thống ở biên giới ổn định. Xác định hệ số kpth và chu kỳ giao động tới hạn dao động. 2) Chọn luật điều khiển và tính toán tham số từ kpth , Tth theo bảng sau Luật điều. Trong nhiều trường hợp, việc xác định chu kỳ dao động riêng gặp khó khăn và không đảm bảo độ chính xác thì phương pháp giới thiệu sau đây sẽ khắc phục nhược điểm đó. Phương pháp Jassen và Offerein 1) Cho hệ thống làm việc ở biên giới ổn định. 2) Chọn tham số cho luật PI. Giảm hằng số thời gian tích phân T1 cho đến khi hệ thống làm việc ở biên giới ổn định. Xác định hằng số thời gian tích phân Ttth ở chế độ này. 3) Chọn luật điều khiển PID.

Module meàm PID

Tăng hệ số khuếch đại kpcủa luật điều khiển P cho đến khi hệ thống ở biên giới ổn định. Xác định hệ số kpth và chu kỳ giao động tới hạn dao động. 2) Chọn luật điều khiển và tính toán tham số từ kpth , Tth theo bảng sau Luật điều. Trong nhiều trường hợp, việc xác định chu kỳ dao động riêng gặp khó khăn và không đảm bảo độ chính xác thì phương pháp giới thiệu sau đây sẽ khắc phục nhược điểm đó. Phương pháp Jassen và Offerein 1) Cho hệ thống làm việc ở biên giới ổn định. 2) Chọn tham số cho luật PI. Giảm hằng số thời gian tích phân T1 cho đến khi hệ thống làm việc ở biên giới ổn định. Xác định hằng số thời gian tích phân Ttth ở chế độ này. 3) Chọn luật điều khiển PID. Do khi xử ký một mạch vòng điều khiển người ta phải thực hiện công việc trích mẩu tín hiệu đầu vào cho mạch vòng điều khiển đó (liên quan đến tín hiệu báo ngắt theo chu kỳ thời gian OB30 ÷ OB38), nên cần phải có sự tương thích giữa số mạch vòng điều khiển PID và khả năng cũng như tốc độ tính toán của CPU.

Luật hợp thành Sum-Min

• Giải mờ
• Hệ mờ

Tập mờ dạng Singleton là một dạng đơn giản hóa cho phép xử lý mờ và giải mờ được dễ dàng hơn, thường được dùng trong các hệ thống dùng vi điều khiển, đã được tích hợp trong tập lệnh của MCU 68HC12 của hãng Motorola. Khõu mờ húa cú nhiệm vụ chuyển đổi một giỏ trị rừ đầu vào x0 thành một vecto à gồm cỏc độ phụ thuộc của giỏ trị rừ đú theo cỏc tập mờ đó định nghĩa trước.

Lựa chọn dạng hàm liên thuộc

Do đú nếu thiết bị ngừ ra cú thể lặp lại tần số hoạt động (như SSR hoặc thyristor ) thì dùng được , chu kỳ tỷ lệ của thiết bị bị đặt ngắn , trái lại chu kỳ của relay phải đặt dài vì tần số hoạt động cao sẽ ảnh hưởng đến quá trình phục vụ của relay. Từ công thức trên ta thấy : tín hiệu điều khiển u có thể tính được tại mọi thời điểm nếu ta biết được giá trị các thông số của bộ điều chỉnh : Kp, Ki , Kd xác định được , mà điều này có thể giải quyết được từ thực nghiệm và qua các công thức của Ziegler – Nichols đã trình bày.

MÔ PHỎNG HỆ THỐNG BẰNG MATLAB

• Quạt gây nhiễu

Do khõu vi phõn cú tỏc dụng làm trễ đỏp ứng ngừ ra nờn ta ứng dụng nú làm cho giá trị đặt lúc này không phải là một hàm nấc nữa mà nó tăng giá trị lên từ từ bám theo hàm nấc, thời gian đạt được giá trị đặt phụ thuộc vào hằng số tích phân Ti, còn khâu PID ngay sau hàm Sum trong sơ đồ chỉ có tác dụng như khâu khuếch đại có hệ số khuếch đại bằng 1 (Xem hỡnh minh họa giỏ trị đặờt đó được làm mềm và đỏp ứng ngừ ra trong trường hợp này ). Có thể nói một cách không quá đáng rằng đây chính là ưu điểm của phương pháp mờ lai, đối với phương pháp điều khiển PID thông thường thì khi có nhiễu xảy ra hay hệ thống bị thay đổi đặc tính, ta phải thiết lập lại thông số PID thì hệ mới trở về trạng thái xác lập, còn trong luận văn này, khi bật quạt gây nhiễu để làm thay đổi đặc tính lò nhiệt, hệ bị mất ổn định nhưng sau đó nhanh chóng tự động trở về trạng thái xác lập, xem hình minh họa.

Chuự thớch giao dieọn

Sau khi nhập trị đặt và ra lệnh cho hệ thống hoạt động, PLC kiểm tra điều kiện vận hành và bắt đầu điều khiển lò nhiệt nếu không có sự cố, màn hình giao diện giám sát hiển thị trạng thái PLC, trạng thái quạt gây nhiễu, trạng thái lò, theo nguyên tắc thiết kế, nếu trạng thái của PLC là tắt thì cả lò và quạt đều bắt buộc phải tắt (hình minh họa ở trên). Vào màn hình thu thập dữ liệu, trạng thái quan trọng là nhiệt độ hiện tại và sai lệch được hiển thị dưới dạng số, bar, đồ thị và cả bảng dữ liệu (xem hình ).

KẾT QUẢ THỰC THI

Ta có nhận xét ở nhiệt độ thấp, do quán tính của lò lớn nên xảy ra vọt lố lớn, nếu muốn chính xác, ta phải đặt lại tham số của bộ PID, điều này không còn xảy ra khi điều khiển ở nhiệt độ cao. Kết quả điều khiển tốt ở nhiệt độ cao, vọt lố thấp, thời gian xác lập chấp nhận được, kết quả tương tự khi cho điều khiển tổng hợp, thay đổi nhiệt độ khi hệ thống đã xác lập So sánh kết quả thực nghiệm với mô phỏng bằng Matlab ta thấy lý thuyết được kiểm chứng một cách thuyết phục, chỉ có điều thời gian xác lập không giống nhau, do lò nhiệt có quán tính lớn….