Module xử lý tớn hiệu

Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……….. ………39

Hàm thư viện FC105 cú cụng dụng chuyển ủổi dữ liệu ủầu vào PIW của module analog dạng INT sang dạng ủại lượng cần ủo theo cụng thức:

LIM LO K IN K K LIM LO LIM HI OUT ^{_ _} ( _ ₁) _ 1 2 + − − = (2.7) Trong ủú:

OUT là giỏ trị ủại lượng ủo dạng số thực.

IN là số ủo từ PIW (ngừ vào analog), dạng số nguyờn. K2 là giỏ trị nguyờn giới hạn trờn ủầu vào PIW của PIW. K1 là giỏ trị nguyờn giới hạn dưới ủầu vào PIW.

HI_LIMIT là giới hạn trờn ủại lượng ủo. LO_LIMIT là giới hạn dưới ủại lượng ủo.

Vớ dụ: Nếu ủầu vào PIW 128 của module Analog cú thang ủo 0-10V , ta gọi hàm FC105 và gỏn tham số tương ứng ủể ủầu ra là số thực, tớnh theo ủơn vị Volt ủưa ủến MDO. Khi ủú hàm FC105 viết như sau:

Hỡnh 2.13 Dạng LAD của hàm FC105

2.2.2 Hàm chuyển ủổi ngược “UNSCALE” FC106

Hàm FC 106 là hàm chuyển ủổi ngược với tớn hiệu vào là số thực, tớn hiệu ra là số nguyờn trong khoảng giỏ trị LO_LIMITvàHI_LIMIT. Kết quả ủược ủưa ra OUT và ủược tớnh theo cụng thức.

Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……….. ………40 ( _{2 1}) ₁ _ _ _ _ K K K LIM LO LIM HI LI LO IN OUT +      − − = (2.8)

Trong ủú, cỏc hằng số K₁ và K₂ phụ thuộc vào giỏ trị ủầu vào Bipola và Unbipola.

- Bipola: Giỏ trị ủầu vào là số nguyờn dương từ -27468 ủến 27468. - Unbipola Giỏ trị ủầu vào là số nguyờn trong khoảng từ 0 ủến -27468. Do ủú K1=0 và K2=27468.

Nếu giỏ trị ủầu vào nằm ngoài khoảng LO_LIMITvàHI_LIMIT thỡ giỏ trị ủầu ra bị chặn gần hơn giỏ trị LO_LIMITvàHI_LIMIT khi nú trả về lỗi.

Hàm FC 106 cú 8 tham biến như bảng 2.7.

Bảng 2.5 Giỏ trị của cỏc biến của FC106 Tờn biến IN/OUT Kiểu dữ liệu Vựng nhớ Mụ tả EN INPUT BOOL I, Q, M, D, L Enable input cựng với kớch hoạt lờn giỏ trị1

ENO OUTNPUT BOOL I, Q, M, D, L

Enable output cựng với trạng thỏi tớn hiệu bằng 1 nếu hàm ủược thực thi mà khụng cú lỗi.

IN INPUT REAL I, Q, M, D, L, P, const

Giỏ trịủầu vào ủược chuyển ủổi thành số nguyờn

HI_LIM INPUT REAL I, Q, M, D, L, P, const

Giới hạn trờn LO_LIM INPUT REAL I, Q, M, D,

L, P, const

Giới hạn dưới BIPOLAR INPUT BOOL I, Q, M, D,

L

Trạng thỏi tớn hiệu bằng 1 trong trường hợp giỏ trị ủầu vào là bipola, bằng 0 nếu tớn hiệu vào là unbipola. OUT OUTPUT INT I, Q, M, D,

L, P

Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……….. ………41

RET_VAL OUTPUT WORD I, Q, M, D, L, P

Cú giỏ trị bằng W#16#0000 nếu cấu trỳc thực thi khụng cú lỗi và cho biết thụng tin về lỗi nấu kết quả khỏc W#16#0000.

Vớ dụ: Nếu tớn hiệu ủầu vào I0.0=1 thỡ hàm UNSCALE ủược thực thi, giỏ trị thực trong khoảng từ 0 -100 sẽ ủược chuyển ủổi thành giỏ trị số nguyờn và ủưa ra OUT. Giỏ trị ủầu vào là Bipola trong trường hợp tớn hiệu của I0.2. Nếu hàm thực thi khụng cú lỗi, trạng thỏi của tớn hiệu ENO và Q0.0 ủược thiết lập là 1 và giỏ trị RET_VAL là W#16#0000.

Hỡnh 2.14 Dạng LAD của hàm FC106

Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……….. ………42

PHẦN 3

CễNG CỤ VÀ CƠ SỞ Lí THUYẾT

ðể ỏp dụng ủược cỏc module ủiều khiển quỏ trỡnh của phần mềm STEP7 trong việc tổng hợp cỏc hệ thống ủiều khiển cụng nghiệp thỡ cần phải tớnh toỏn cấu trỳc và tham số của bộ ủiều khiển cho phự hợp với ủối tượng ủiều khiển. Chớnh vỡ vậy trong chương này, chỳng tụi sẽ ủề cập ủến cỏc vấn ủề cú liờn quan ủến việc tổng hợp bộ ủiều khiển quỏ trỡnh.

3.1 Giới thiệu System Toolbox Indentification (SIT)

Muốn thiết kế ủược một BðK phự hợp với ủối tượng ủiều khiển cụng việc ủầu tiờn là phải mụ hỡnh húa ủược ðTðK. Mụ hỡnh húa một ðTðK cú thể thực hiện bằng hai phương phỏp: phương phỏp lý thuyết và phương phỏp thực nghiệm. Phương phỏp mụ hỡnh húa ủối tượng từ thực nghiệm cú thể thực hiện thụng qua sự hỗ trợ của Toolbox Indentification trong phần mềm Matlab.

3.1.1 Nhận dạng ủối tượng ủiều khiển

-Tổng quan về nhận dạng

Nhận dạng ðTðK là thực hiện mụ hỡnh húa ủối tượng bằng phương phỏp thực nghiệm. Mụ hỡnh ðTðK hỗ trợ cho việc lựa chọn cấu trỳc và tham số của BðK phự hợp với ủặc tớnh ủộng học của ủối tượng.

Trong thực tiễn, người ta thường sử dụng cỏc phương phỏp thực nghiệm ủể mụ tả ủối tượng, nghĩa là xõy dựng mụ hỡnh ủối tượng trờn cơ sở quan sỏt trực tiếp cỏc tớn hiệu vào ra của ủối tượng ủú.

- Phõn lớp cỏc bài toỏn nhận dạng

Theo ủịnh nghĩa của Zadel về nhận dạng thỡ cú ba tiờu chuẩn ủể phõn loại bài toỏn nhận dạng như sau:

- Phõn loại theo tớn hiệu quan sỏt ủược. - Phõn loại theo cỏc lớp mụ hỡnh thớch hợp.

Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……….. ………43

- Phõn loại theo sai số giữa ủối tương thực và mụ hỡnh.

Thờm vào ủú khi tiến hành nhận dạng ủối tượng cần phải chỳ ý tới cỏc ủiều kiện kỹ thuật sau:

- Thời gian quan sỏt tớn hiệu khụng thể tựy ý ủược. - Tớn hiệu quan sỏt ủược khụng bị chặn.

Nhận dạng ðTðK cú thể tiến hành Online hoặc Offline. Nhận dạng Online (bị ủộng, trực tuyến) là tiến hành mụ hỡnh húa ủối tượng ủiều khiển khi hệ thống ủiều khiển kớn ủang vận hành. Nhận dạng Offline (chủ ủộng, khụng trực tuyến) là nhận dạng ðTðK trong ủiều kiện ủối tượng ủược tỏch riờng biệt khỏi HTðK tự ủộng. Nếu như ủiều kiện cho phộp tỏch ủối tượng ra khỏi hệ thống khi nhận dạng thỡ trỏnh việc phải ủo tớn hiệu vào (trỏnh bớt ủược sai số ủo) ta cú thể kớch thớch ủối tượng bằng một tớn hiệu vào thớch hợp (thường là tớn hiệu dạng bước nhảy) và chỉ ủo tớn hiệu ra. Trờn thực tế khi nhận dạng ta thường phải ủo cả tớn hiệu vào và tớn hiệu ra. Bởi vậy nú rất phự hợp với cỏc ủiều kiện nhận dạng bị ủộng hay cũn gọi là nhận dạng trực tuyến. Ở ủú, quỏ trỡnh nhận dạng phải ủược thực hiện song song cựng với quỏ trỡnh làm việc của toàn bộ hệ thống.

Sau khi tiến hành ủo ủạc, ta ủược một tệp dữ liệu làm cơ sở ủể xõy dựng mụ hỡnh toỏn học cho ðTðK. Những cụng việc tiếp theo cú thể thưc hiện dễ dàng bằng cỏch sử dụng cụng cụ System Identification ToolBox của phần mềm MATLAB.

3.1.2 Mụ hỡnh húa ủối tượng sử dụng cụng cụ System Identification ToolBox

3.1.2.1 System Identification ToolBox (SIT)- ðịnh nghĩa và chức năng

System Identification ToolBox là cụng cụ cho phộp người sử dụng cú thể xõy dựng mụ hỡnh toỏn học của hệ thống dực trờn những dữ liệu ủo ủược

Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……….. ………44

từ thực nghiệm. Quỏ trỡnh này ủược tiến hành bằng cỏch chỉnh sửa cỏc tham số cần thiết bờn trong một mụ hỡnh cho ủến khi ủầu ra phự hợp càng nhiều càng tốt với ủầu ra ủo ủược.

System Identification ToolBox chứa ủựng tất cả cỏc kỹ thuật phổ biến nhất ủể chỉnh ủịnh cỏc tham số cho tất cả cỏc loại mụ hỡnh tuyến tớnh. ðồng thời cụng cụ này cũn mở rộng tớnh toỏn trong mụi trường MATLAB và cho phộp người ta ước lượng tham số cho mụ hỡnh toỏn học tuyến tớnh, phi tuyến của ủối tượng.

Ta cú thể ước lượng mụ hỡnh sử dụng SIT hoặc là sử dụng cụng cụ giao diện ủồ họa (GUI) của nú.

Những mụ hỡnh ủược hỗ trợ trong SIT

Trong thực tế, thật khú ủể mụ tả một hệ thống sử dụng những ủịnh luật cõn bằng chất cú trong vật lý, húa học ủó biết. Vỡ vậy, ta cú thể sử dụng cụng cụ “Black-Box model” (mụ hỡnh của hộp ủen) của SIT ủể ước lượng tham số. “Black- Box model” là một cấu trỳc sinh ủộng cú khả năng mụ tả nhiều hệ thống khỏc nhau và tham số của nú mà khụng cú bất kỳ sự thể hiện cho ủại lượng vật lý ủặc trưng nào.

Cụng cụ SIT hỗ trợ nhiều loại mụ hỡnh cho cả hai loại mụ hỡnh tuyến tớnh và phi tuyến. Một số mụ hỡnh hỗ trợ trong như SIT sau:

- Mụ hỡnh bậc thấp (Low order), mụ hỡnh quỏ trỡnh liờn tục (Continous process).

- Mụ hỡnh tuyến tớnh khụng tham số bao gồm những ủỏp ứng trong thời gian ngắn và ước lượng ủỏp ứng tần số.

- Mụ hỡnh tuyến tớnh, mụ hỡnh ủa thức (polynomial) bao gồm ARX, ARMAX…. Và mụ hỡnh Output error.

- Mụ hỡnh tuyến tớnh, mụ hỡnh khụng gian trạng thỏi… - Mụ hỡnh ARX khụng tuyến tớnh…

Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……….. ………45

Ngoài ra, SIT cũn hỗ trợ những mụ hỡnh cho dữ liệu trong miền thời gian, miền tần số; những thuật toỏn hỗ trợ ủể ước lượng tham số cho mụ hỡnh. Khi ta ước lượng mụ hỡnh trong SIT, tất cả thụng tin về mụ hỡnh này ủược cất trong Model Object. Bao gồm cỏc dạng toỏn học, tờn ủầu vào ủầu ra, ủơn vị, tờn và giỏ trị của tham số ước lượng.

Nếu làm việc trong MATLAB COMAND WINDOWS ta chỉ cần hiểu biết cơ bản về lớp cấu trỳc và những phương thức làm việc với Model Object.

Nếu ta làm việc với giao diện ủồ họa GUI của SIT, ta sẽ làm việc với Menu (bảng danh mục) và Field (cột).

Những thuật toỏn ủược hỗ trợủểước lượng tham số cho mụ hỡnh

Cụng cụ SIT cung cấp ba thuật toỏn sau ủể ước lượng tham số cho mụ hỡnh.

+ Thuật toỏn ước lượng khụng gian tham số (Nonparametric Estimation Algorithm).

+ Thuật toỏn khụng lặp cho mụ hỡnh State-Space, ARX và AR. + Thuật toỏn “Dự bỏo lỗi” (Prediction- Error) cho mụ hỡnh tham số.

3.1.2.2 Làm việc với System Identification Tool GUI

System Identification Tool là một giao diện ủồ họa ủể làm việc với System Identification ToolBox, nú ủem lại cho người sử dụng một cụng cụ ủơn giản, trực quan, dễ sử dụng ủể mụ hỡnh húa ủối tượng.

Tại của sổ lệnh của MATLAB, ta gừ lệnh: >>ident. Khi ủú xuất hiện cửa số giao diện ủồ họa của SIT (hoặc ta khởi ủộng từ cửa sổ MATLAB bằng cỏch chọn: Start/ Tool Boxes/ System Identification/ System Identification Tool . Cửa sổ dao diện của System Identification Tool GUI như hỡnh 3.1. Ở ủõy ta thấy cửa sổ giao diện gồm cỏc phần ủể mụ hỡnh húa ủối tượng.

Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……….. ………46

Hỡnh 3.1 Giao diện của System Identification Tool GUI

- Bảng dữ liệu và hiển thị dữ liệu (Data Board and Data Views).

Data Board chứa những biểu tượng cho phộp ta nhập dữ liệu vào System Identification Tool. Ta cú thể tạo dữ liệu mới bằng những dữ liệu ủó tồn tại và ủược xử lý trước sử dụng lệnh trong Preprocess menu. Ngoài ra cũn những tớnh năng khỏc như: xúa dữ liệu, chọn màu sắc ủể phõn biệt dạng dữ liệu…

Data view cho phộp ta lập biểu ủồ của những tập dữ liệu cú hiệu lực (active). Những dữ liệu ủang cú hiệu lực ủường biểu diễn ủậm hơn ủường khụng cú hiệu lực (inactive).

- Bảng mụ hỡnh và hiển thị mụ hỡnh (Model Board and Model Views). Model Board chứa những hỡnh chữ nhật miờu tả những mụ hỡnh mà ta ước lượng hay ta nhập vào System Identification Tool.

Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……….. ………47

Model Views cho phộp ta tạo một biểu ủồ mà mụ hỡnh cú hiệu lực trong Model Board.

Model output ủược chọn ủể vẽ mụ phỏng ủầu ra bằng những mụ hỡnh inactive.

- Cỏc bước cụng việc khi làm việc với System Identification Tool. + Nhập dữ liệu vào System Identification Tool.

+ Vẽ biểu ủồ dữ liệu sử dụng Data views. + Tiền xử lý sử dụng lệnh trong menu Process. + Chọn dữ liệu ước lượng và hợp thức húa. + Ước lượng mụ hỡnh trong menu Estimate.

+ Làm hợp thức húa mụ hỡnh sử dụng Model Views.

+ Xuất mụ hỡnh tới Matlab Workspace cho những quỏ trỡnh sau này. Quỏ trỡnh mụ hỡnh húa cú thể ủược lặp ủi lặp lại cho ủến khi ta chọn ủược mụ hỡnh thớch hợp cho ủối tượng

3.2 Bộ ủiều khiển PID 3.2.1 Bộ ủiều khiển PID

Hiện nay với sự phỏt triển mạnh mẽ của cỏc BðK hiện ủại nhưng nhiều HTðK trong cụng nghiệp vẫn dựng bộ ủiều khiển PID bởi vỡ nú là BðK chuẩn và luật ủiều khiển của nú dễ hiểu.

Luật PID bao gồm 3 thành phần chớnh: Tỉ lệ (Proprtional), Tớch phõn (Interval) và Vi phõn (Derivative).

Bộ ủiều khiển PID ủược mụ tả bằng mụ hỡnh vào ra:

( ) ( ) ( ) ^{( )}_











+

+

=

∫

dt

t

de

T

d

e

T

t

e

k

t

u

1

τ

τ

Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……….. ………48 u(t) là tớn hiệu ủầu ra, tớn hiệu ủiều khiển.

kp là hệ số khuyếch ủại.

TI là hằng số thời gian tớch phõn.

TDlà hằng số thời gian vi phõn

Hỡnh 3.2 Cấu trỳc bộủiều khiển PID

Từ mụ hỡnh vào ra trờn, ta cú hàm truyền ủạt của bộ ủiều khiển PID dạng tổng (PID_ADD) cú hàm truyền ủạt :













+

+

+

=

1

1

1

)

(

W

p

T

p

T

p

T

k

p

α

Trong ủú α →0 là hệ số tắt dần của bộ ủiều khiển.

ðể thuận tiện cho việc thiết kế nhiều khi người ta sử dụng bộ PID dạng nhõn (PID_MUL) cú hàm truyền ủạt:

p

T

p

T

p

T

k

W

(1+ )(1+ )

=

Từ (3.2) và (3.3) ta cú thể chuyển ủổi từ bộ PID_ADD sang bộ PID_MUL theo bảng sau 3.1.

Chất lượng của HTðK phụ thuộc vào cỏc tham số kp, TI, TD của bộ ủiều khiển. Muốn hệ thống cú chất lượng như mong muốn ta phải phõn tớch ủối tượng rồi trờn cơ sở ủú lựa chọn bộ tham số thớch hợp.

●

Trường ðại học Nụng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……….. ………49

Bảng 3.1 Cụng thức chuyển ủổi giữa bộ PID_ADD và PID_MUL

Tham số PID_MUL PID_A DD

kp * p

k

(

T

I

T

k +

T

T +

T

T

T

T

T

+

Thực tế thỡ khụng phải mọi trường hợp ủều phải xỏc ủịnh cả 3 tham số kp, T1 và TD. Với bộ ủiều khiển PID, người sử dụng cú thể tớch hợp cỏc luật ủiều khiển khỏc nhau như luật ủiều khiển tỉ lệ (P), tỉ lệ tớch phõn (PI) và tỉ lệ vi tớch phõn (PID). Bộ ủiều khiển PID luụn là một phần tử khụng thể thay thế ủược trong cỏc quỏ trỡnh tự ủộng khống chế nhiệt ủộ, mức, tốc ủộ…Ngày nay, chỳng ta cú thể ỏp dụng cả lý thuyết ủiều khiển hiện ủại với bộ ủiều kiển PID kinh ủiển như BðK mờ, ủiều khiển nơ ron, ủiều khiển bền vững nhằm ủem lại chất lượng cao hơn cho hệ thống.

3.2.2. Một số tỏc ủộng phụ khụng mong muốn và phương phỏp ngăn ngừa

- Hiện tượng “Kick” khi sử dụng luật ủiều khiển tỷ lệ

Hiện tượng này xuất hiện khi sử dụng bộ ủiều khiển PID cấu trỳc song song (PID-ADD). Hiện tượng “Kick” là hiện tượng tớn hiệu ủiều khiển tăng ủột ngột. Tớn hiệu ra của luật ủiều khiển sẽ tăng ủột ngột khi tớn hiệu ủặt thay ủổi ủột ngột.

- Hiện tượng “Windup” khi sử dụng luật tớch phõn I

Là hiện tượng ủầu ra của BðK tớch phõn vẫn tiếp tục tăng quỏ mức giới hạn do sự tớch lũy của thành phần tớch phõn vẫn tiếp tục ủược duy trỡ khi mà