3. CÂU HỎI CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN:
2.4.5 Hàm PID FB41 “CON_C”
Sơ đồ cấu trúc
Hình 2.22: Sơ đồ cấu trúc module PID
FB41 “CONT – C” được sử dụng để điều khiển các quá trình kỹ thuật với các biến đầu vào và đầu ra tương tự trên cơ sở thiết bị khả trình Simatic. Trong khi thiết lập tham số, có thể tích cực hoặc không tích cực một số thành phần chức năng của bộ điều khiển PID cho phù hợp với các đối tượng.
kiểu điều khiển cascade. Những chức năng điều khiển được thiết kế trên cơ sở của thuật điều khiển PID của bộ điều khiển mẫu với tín hiệu tương tự.
Miêu tả hoạt động
Module mềm PID bao gồm: tín hiệu chủ đạo SP_INT, tín hiệu ra của các đối tượng PV_PER, tín hiệu giả để mô phỏng tín hiệu ra của đối tượng PV_IN, các biến trung gian trong quá trình thực hiện luật và thuật điều khiển PID như PVPER_ON, P_SEL, D_SEL, MAN_ON. …
Khối đầu vào:
Tín hiệu đầu vào SP_INT: Lệnh nhập mức tín hiệu điều khiển, là số thực, tính theo giá trị % của tín hiệu cực đại thang điều khiển.
Tín hiệu phản hồi PV_PER: Tín hiệu phản hồi lấy từ đối tượng được điều khiển. Nó thường được đọc từ một cảm biến Analog qua đầu vào Analog nên người ta chọn kiểu dữ liệu đầu vào này là số nguyên kiểu Word. Chức năng CRP_IN biến đổi kiểu dữ liệu từ số nguyên sang dạng số thực tính theo % cho phù hợp với lệnh. Do Module Analog có giới hạn thang đo tuyến tính là 27648 nên ta coi giới hạn đó là 100% và tín hiệu ra CRP_IN được tính:
100
_ _ .
27648
CRP IN =PV PER
Để hiệu chỉnh giá trị cảm biến phản hồi, khối chức năng PV_NORM sẽ thực hiện biến đổi tuyến tính, hiệu chỉnh độ nhạy (PV_FAC) và độ trôi (PV_OFF):
PV_NORM = CRP_IN x PV_FAC + PV_OFF
Khi thay thế cảm biến, ta cần hiệu chỉnh 2 giá trị trên để kết quả đo lường không đổi.
Hai tham trị khống chế dãy giá trị cho phép của PV_NORM là PV_FAC và PV_OFF. Mặc định PV_FAC của hàm PV_NORM có giá trị bằng 1 và PV_ OFF có giá trị bằng 0.
Trong trường hợp tín hiệu phản hồi không thu được từ cảm biến có dữ liệu tương ứng đầu vào PV_PER, ta có thể đưa qua tính toán khác và đưa đến đầu
vào PV_IN dạng số thực, tính theo %, lúc đó lệnh PVPER_ON phải đặt về mức “0”.
Khối ± sẽ so sánh 2 giá trị vào, cho ra tín hiệu sai lệch. Tín hiệu sai lệch được đưa qua khối chức năng DEADBAND để hệ thống không hoạt động với các sai lệch nhỏ dưới mức cần tác động. Điều này cần thiết nếu các hệ làm việc trong môi trường nhiều nhiễu. Trong môi trường ít nhiễu, ta giảm DEAD_W về “0” để tăng độ nhạy, độ chính xác của hệ thống.
Hệ số khuếch đại tín hiệu sai lệch của hệ chính là thành phần tỉ lệ Kp, được đặt bằng hệ số GAIN. GAIN là số thực, nếu chọn lớn hệ sẽ tác động nhanh, chính xác nhưng dễ mất ổn định.
Khối chọn luật điều khiển:
Thuật điều khiển PID được thiết kế theo kiểu song song của ba thuật điều khiển đơn lẻ: tỷ lệ (P), tích phân (I) và vi phân (D) theo sơ đồ cấu trúc trong hình trên (sau khối DEADBAND). Chính vì cấu trúc song song như vậy nên ta có thể thông qua các tham trị P_SEL, I_SEL hay D_SEL mà tích hợp được các thuật điều khiển khác nhau từ bộ điều khiển mẩu này như thuật điều khiển P, PI, PD, PID.
Thành phần tỉ lệ, được lựa chọn nhờ lệnh chuyển mạch P_SEL.
Thành phần tích phân được hình thành bởi khối chức năng INT và được chọn nhờ lệnh chuyển mạch I_SEL. Tính chất khối tích phân xác định nhờ giá trị hằng số thời gian TI (dữ liệu kiểu TIME), giá trị ban đầu I_ITLVAL (dạng số thực tính theo %). Có sử dụng giá trị ban đầu hay không tuỳ thuộc lệnh I_ITL_ON, và có thể dùng quá trình tích phân giữ nguyên giá trị đầu ra bằng lệnh INT_HOLD.
Thành phần vi phân được hình thành bởi khối chức năng DIF, được lựa chọn nhờ lệnh chuyển mạch D_SEL. Tính chất khối vi phân được xác lập bởi hằng số thời gian TD (dữ liệu kiểu TIME) và thời gian giữ chậm TM_LAG (dữ liệu kiểu TIME).
Ba thành phần này được cộng với nhau. Nhờ các lệnh chuyển mạch P_SEL, I_SEL, D_SEL mà ta có thể thành lập các chế độ điều khiển P, PI, PD, PID khác nhau.
Tín hiệu sai lệch tổng hợp được cộng thêm thành phần DISV dùng để bù tác động nhiễu theo chiều thuận. Giá trị của DISV có dạng số thực, tính theo %.
Khối đầu ra:
Đầu vào của khối được lựa chọn theo chế độ bằng tay hay tự động nhờ lệnh MAN_ON.
Đầu vào MAN, dạng số thực, tính theo %, dùng để đặt mức tín hiệu ra LMN trong chế độ điều khiển bằng tay.
Ở chế độ bằng tay các chế độ của các biến được chọn bằng tay. Bộ tích phân (INT) tự thiết lập chế độ LNM_P, LNM_I, DISV và bộ vi phân (DIF) tự động về 0. Điều đó đảm bảo cho việc chuyển chế độ từ thiết lập giá trị bằng tay về chế độ tự động không gây một biến đổi nào đối với các biến đã được thiết lập giá trị bằng tay.
Ở chế độ tự động, tín hiệu sai lệch được đưa qua bộ hạn chế mức tín hiệu điều khiển LMNLIMIT. Mức hạn chế trên LMN_HLM và hạn chế dưới LMN_LLM được đưa vào dạng số thực, tính theo %.
Khối LMN_NORM biến đổi tuyến tính, bù lệch tĩnh và độ nhạy của cơ cấu chấp hành. Tín hiệu điều khiển đầu ra LMN có dạng số thực, tính theo %.
LMN = LMNLIMIT x LMN_FAC + LMN_OFF
Mặc định LMN_FAC có giá trị bằng 1, còn LMN_OFF có giá trị bằng 0. Các giá trị đặt bằng tay có thể theo một cách biểu diễn riêng.
Khối CRP_OUT biến đổi tín hiệu dạng số thực ra dạng số nguyên LMN_PER thích ứng với dạng ra các Module ra Analog.
27648
_ .
100
Sử dụng khối hàm FB41
Để sử dụng module mềm FB41, ta xét sơ đồ khối tín hiệu:
Hình 2.23: Sử dụng module PID
Lệnh điều khiển được đặt vào dạng số thực (%) qua đầu vào SP_INT. Đầu ra LMN (số thực) hoặc LMN_PER (số nguyên) được đưa đến cơ cấu chấp hành, điều khiển đối tượng. Tín hiệu phản hồi được đưa trở về đầu vào PV_PER (số nguyên) hoặc PV_IN (số thực).
Đầu vào DISV sử dụng khi có tác động trực thuận có thể đo lường được, giảm sai lệch đầu ra, nâng cao độ chính xác cho hệ.
Miêu tả các tín hiệu vào/ra
Tín hiệu đầu vào:
Khối FB41 “CON_C” có 26 biến đầu vào như sau: Bảng 2.7: Mô tả các tín hiệu đầu vào khối PID
Tên biến Kiểu dữ
liệu
Phạm vi giới hạn
Giá trị
mặc định Mô tả chức năng
COM_RST BOOL FALSE
COMPLETE RESTART
Khối có chức năng khởi tạo lại hệ thống hoàn toàn khi đầu vào “complete restart” được thiết lập giá trị logic TRUE.
MAN_ON BOOL TRUE
MANUAL VALUE ON
khi đầu vào “manual value on” có giá trị logic TRUE mạch vòng điều khiển sẽ bị ngắt, các giá trị sẽ được thiết lập bằng tay.
PVPER_O
N BOOL FALSE
PROCESS VARIABLE
PERIPHERAL ON
Khi đọc biến quá trình từ các cổng vào/ra, đầu vào PV_PER phải được nối với cổng vào/ra và đầu vào “process variable peripheral on” có giá trị logic TRUE.
P_SEL BOOL TRUE
PROPORTIONAL ACTION ON Hoạt động của bộ điều khiển PID có thể tích cực hoặc không tích cực từng phần riêng trong thuật điều khiển PID. Thuật điều khiển tỷ lệ được kích hoạt khi giá trị TRUE được thiết lập tại cổng vào “proportional action on”.
I_SEL BOOL TRUE
INTERGER ACTION ON
Hoạt động của bộ điều khiển PID có thể tích cực hoặc không tích cực từng phần riêng trong thuật điều khiển PID. Thuật điều khiển tỷ lệ được kích hoạt khi giá trị logic TRUE được thiết lập tại cổng vào “Proportional action on”.
INT_HOL
D BOOL FALSE
INTERGAR ACTION HOLD Đầu ra của bộ điều khiển tích phần có thể bị “đông lạnh” (không được sử dụng) khi thiết lập giá trị logic TRUE cho đầu vào “intergral action hold”.
I_ITL_ON BOOL FALSE
INTIALIZATION OF
INTERGRAL ACTION
Đầu ra của bộ điều khiển tích phân có thể được nối vào cổng vào I_ITL_VAL nếu như cổng vào “intialization of intergral action” có giá trị logic TRUE.
D_SEL BOOL FALSE
DERIVATE ACTION ON
Hoạt động của bộ điều khiển PID có thể tích cực hoặc không tích cực từng phần riêng trong thuật điều khiển PID. Thuật điều khiển vi phân được kích hoạt khi giá trị TRUE được thiết lập tại cổng vào “derivate action on”.
CYCLE TIME ≥1ms T#1s
SAMPLE TIME
Thời gian lấy mẩu là khoảng thời gian không đổi giữa các lần khối được cập nhật.
SP_INT REAL -100.0…. 100.0%
0.0 INTERNAL SEPOINT
vật lý. (tín hiệu mẩu). PV_IN REAL -100.0 .... 100.0% hoặc giá trị vật lý. 0.0 PROCESS VARIABLE IN
Gía trị khởi tạo có thể đặt ở đầu vào “process variable in” hoặc từ biến quá trình được biểu diễn dưới dạng số thực dấu phẩy động.
PV_PER WORD W#16#
0000
PROCESS VARIBLE
PERIPHERAL
Biến quá trình được nối với CPU thông qua cổng vào tương tự.
MAN REAL -100.0 ….. 100.0% hoặc giá trị vật lý. 0.0 MANUAL VALUE
Cổng vào “manual value” được sử dụng để đặt giá trị bằng các hàm giao diện.
GAIN REAL 2.0
PROPORTONAL GAIN
Đầu vào “proportionall gain” được sử dụng để thiết lập hệ số tỷ lệ cho bộ điều khiển theo luật tỷ lệ.
TI TIME ≥CYCLE T # 20s
RESET TIME
Cổng vào “reset time” được thiết lập hằng số thời gian tích phân cho bộ điều khiển vi phân.
TD TIME ≥CYCLE T # 10s
DERIVATE TIME
Cổng vào “derivate time” sử dụng để thiết lập hằng số thời gian vi phân cho bộ điều khiển vi phân. TM_LAG Time ≥CYCLE T # 2s TIME LAG OF DERIVATE
ACTION
Thời gian tích cực của luật điều khiển vi phân được chọn thông qua cổng vào “time lag of derivate action”. DEADB_ W REAL ≥0.0(%) hoặc giá trị vật lý. 0.0
DEAD BAND WIDTH
Một vùng kém nhạy được sử dụng để xử lý tín hiệu sai lệch. Độ rộng của vùng kém nhạy được đặt thông qua cổng vào “dead band width”.
LMN_HL M REAL -100…. LMN_HL M (%) hoặc giá trị vật lý. 100.0
MANIPULATED VALUE HIGH LIMIT.
Giá trị hạn chế được thiết lập bằng tay qua cổng vào “manipulated value high limit”.
LMN_LLN REAL -100…. LMN_LLN (%) hoặc giá trị vật lý. 0.0
MANIPULATED VALUE LOW LIMIT
Gía trị hạn chế dưới được thiết lập bằng tay qua cổng vào “manipulated value low limit”.
PV_FAC REAL 1.0
PROCESS VARIBLE FACTOR Biến quá trình được nhân với với một hệ số cho phù hợp với phạm vi quy định của biến này. Giá trị bù được chọn thông qua cổng vào “process variable factor”.
Biến quá trình được cộng với một lượng bù cho phù hợp với phạm vi quy định của biến này. Giá trị bù được thông qua cổng vào “process variable offset”.
LMN_FAC REAL 1.0
MANIPULATED VALUE
FACTOR
Giá trị giới hạn được nhân đôi với một hệ số cho phù hợp với phạm vi quy định của biến quá trình. Hệ số này được đặt qua cổng vào “manipulated value factor”.
LMN_OFF REAL 0.0
MANIPULATED VALUE
OFFSET
Gía trị giới hạn được cộng thêm một lượng bù cho phù hợp với phạm vi quy định của biến quá trình. Giá trị bù được đặt qua cổng vào “manipulated value offset”.
I_ITLVAL REAL -100.0 … 100.0(%) hoặc giá trị vật lý. 0.0 INTIALIZATION VALUE OF THE INTERGRAL ACTION. Gía trị đầu ra của bộ điều khiển tích phân có được thiết lập thông qua cổng vào “intialization value of the integral action”.
DISV REAL -100.0 … 100.0(%) hoặc giá trị
0.0 DISTURBANCE VARIBLE
Khi điều khiển hệ thống bằng phương pháp feedforward thì một
vật lý. giá trị bù nhiễu được đặt thông qua cổng vào “disturbance variable”.
Tín hiệu đầu ra:
Khối FB41 “CON_C” có 8 biến đầu ra như sau: Bảng 2.8: Mô tả các tín hiệu đầu ra
Tên biến Kiểu dữ
liệu Mặc định Mô tả
LMN REAL 0.0
MAINPULATED VALUE
Giá trị ra được thiết lập bằng tay thông qua cổng ra “manipulated value”.
LMN_PER WORD W#16#0000
MANIPULATED VALUE
PERIPHERAL
Giá trị đầu ra thiết lập bằng tay theo kiểu biểu diễn phù hợp với các cổng vào/ ra tương tự được chọn qua cổng ra “manipulated value peripheral”.
QLMN_HLM BOOL FALSE
LOW LIMIT OF MANIPULATED VALUE REACHED
Cổng ra “low limit of manipulated value reached” thông báo giá trị của biến quá trình nhỏ hơn giá trị giới hạn dưới .
LMN_P REAL 0.0
PROPORTIONAL COMPONENT Tín hiệu ra của bộ điều khiển tỷ lệ được xuất ra cổng ra “proportional
LMN_I Real 0.0
INTEGRAL COMPONENT
Tín hiệu ra của bộ điều khiển tích phân được xuất qua cổng ra “integral component”.
LMN_D REAL 0.0
DERIVATIVE COMPONENT
Tín hiệu ra của bộ điều khiển vi phân được xuất qua cổng ra “Derivative component”.
PV REAL 0.0
PROCESS VALUE
Tín hiệu quá trình được xuất qua cổng ra “process value”.
ER REAL 0.0
ERROR SIGNAL
Tín hiệu sai lệch được xuất qua cổng ra “error signal”.
CHƯƠNG 3
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THI CÔNG MẠCH ĐỘNG LỰC 3.1 Nguyên lý làm việc của lò điện trở
Lò điện trở làm việc dựa trên nguyên lý khi có một dòng điện chạy qua một dây dẫn hoặc vật dẫn thì ở đó sẽ toả ra một lượng nhiệt theo định luật Jun-Lenxơ:
Q = I2.Rt.t (3.1)
Trong đó: Q: Nhiệt lượng tỏa ra tính bằng Jun (J).
I: Dòng điện chạy qua dây dẫn tính bằng Ampe (A). Rt: Điện trở dây dẫn (vật dẫn) tính bằng Ohm (Ω).
t: Thời gian dòng điện chạy qua dây dẫn tính bằng giây (s). Công suất ra tải của lò được tính theo công thức:
2 hd t U P R = (3.2) Trong đó: P: Công suất có ích của lò nhiệt (W).
Uhd: Điện áp hiệu dụng cấp vào hai đầu dây dẫn (V).
Như vậy, để thay đổi công suất đưa ra tải, ta có thể thay đổi Rt hoặc Uhd. Tuy nhiên, trong thực tế người ta không sử dụng phương pháp thay đổi Rt mà thường chọn cách thay đổi Uhd để có thể thay đổi công suất ra tải. Bởi vì phương pháp thay đổi Uhd đơn giản hơn, quá trình điều khiển liên tục không bị gián đoạn như khi thay đổi Rt.
3.2 Yêu cầu của mạch động lực
Vì lò điện trở sử dụng điện áp xoay chiều và yêu cầu là điện áp đó phải thay đổi được theo ý muốn nên ta phải sử dụng một van bán dẫn hình cầu có điều khiển có thể dẫn hai chiều.
Việc điều chỉnh điện áp ra tải dựa theo nguyên tắc tương tự như ở các bộ chỉnh lưu tức là thay đổi điểm mở của van so với điểm qua không của điện áp nguồn, vì vậy còn gọi là phương pháp điều khiển góc pha (thay đổi góc mở van ).
Trong thực tế có nhiều linh kiện dùng để chỉnh lưu như: diode, thyristor, triac, … nhưng trong số đó thì có thyristor và triac là hai bán dẫn có điều khiển và được sử
không thông dụng bằng thyristor và khó điều khiển hơn nên thực tế người ta thường dùng cầu thyristor gồm: 2 thyristor đấu song song ngược nhau thay cho triac như hình dưới:
Hình 3.1: Nguyên lý mạch động lực
Các van T1, T2 lần lượt dẫn dòng theo một chiều xác định nên dòng qua cặp thyristor đấu song song ngược chiều này là dòng xoay chiều. Các van thyristor được phát xung điều khiển lệch nhau góc 180o điện để đảm bảo dòng qua cặp van là hoàn toàn đối xứng.
Ta có đồ thị dạng điện áp ra của mạch điều áp xoay chiều:
Hình 3.2: Dạng điện áp ngõ ra khi qua thyristor
Các mạch điều khiển điện áp xoay chiều có nhược điểm cơ bản là trong quá trình điều chỉnh, mạch luôn làm việc ở chế độ dòng điện gián đoạn trừ trường hợp α=0, cả dạng dòng điện và điện áp ra tải đều không sin nên chỉ phù hợp với các tải loại điện trở như lò điện trở, bóng đèn loại sợi đốt, … Dòng điện chỉ liên tục và đồng thời trở thành hình sin hoàn chỉnh chỉ khi điện áp ra tải lấy bằng điện áp nguồn (α = 0). Như vậy, khi điều chỉnh trên tải nhận được một dải n sóng hài hình sin. Mặc dù vậy,
với tải là điện trở thuần của lò điện trở thì việc dạng điện áp ra tải không sin cũng không ảnh hưởng đến chế độ làm việc của lò. Các mạch điều áp xoay chiều không phù hợp với tải dạng cảm kháng như biến áp hoặc động cơ điện,... nên chỉ dùng khi phạm vi điều chỉnh điện áp không lớn.
3.3 Tính toán chọn van bán dẫn