3. CÂU HỎI CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN:
2.4.4 Module mềm PID
Bộ điều khiển PID thực chất là thiết bị điều khiển thực hiện luật điều khiển được mô tả bằng phương trình sau:
) ( ) ( 1 ) ( ) ( ' 0 t e T d e T t e k t u D l p + + = ∫ τ τ (2.14)
Hình 2.20: Sơ đồ điều khiển PID
Trong đó: e(t): là tín hiệu sai lệch giữa giá trị đặt với giá trị thực tế. u(t): là tín hiệu ra của bộ điều khiển.
KP: là hệ số khuyếch đại của luật điều khiển tỷ lệ. TI: hằng số thời gian tích phân.
TD: là hằng số thời gian vi phân.
Đối với hệ thống có độ dự trữ ổn định lớn, nếu muốn tăng độ chính xác điều khiển ta chỉ tăng hệ số khuếch đại của luật điều khiển tỷ lệ.
Hệ thống sẽ không có sai lệch tĩnh khi tín hiệu vào là hàm bậc thang đơn vị và hằng số thời gian tích phân TI được chọn khác không. Luật điều khiển tích phân còn gọi là điều khiển chậm sau vì sai số điều khiển được tích lũy cho đến khi đủ lớn thì quyết định điều khiển mới được đưa ra.
Tăng khả năng tác động nhanh của hệ, giảm bớt thời gian quá điều chỉnh bằng cách thay đổi hằng số thời gian của luật điều khiển vi phân. Luật điều khiển vi phân còn được gọi là điều khiển vượt trước.
Phần mềm Step7 cung cấp các module mềm PID để điều khiển các đối tượng có mô hình liên tục như lò nhiệt, động cơ, mức… đầu ra của đối tượng được đưa vào đầu vào của bộ điều khiển qua các cổng vào tương tự của các module vào tương tự của các Simatic S7-300/400. Tín hiệu ra của bộ điều khiển có nhiều dạng và được đưa đến các cơ cấu chấp hành qua các module vào ra khác nhau như:
Qua các cổng ra tương tự của module ra tương tự (AO). Qua các cổng ra số của module ra số (DO).
Qua các cổng phát xung ra tốc độ cao.
Phụ thuộc vào cơ cấu chấp hành, người sử dụng có thể chọn được module mềm PID tương thích. Ba module PID được tích hợp trong phần mềm Step7 phù hợp với ba kiểu cơ cấu chấp hành nêu trên, đó là:
Điều khiển liên tục với module mềm FB41 (tên hình thức CONT_C). Điều khiển bước với module mềm FB42 (tên hình thức CONT_S).
Điều khiển kiểu phát xung với khối hàm hỗ trợ FB43 (tên hình thức CONT_PULSEGEN).
Mỗi module mềm PID đều có một khối lượng dữ liệu riêng (DB) để lưu giữ các dữ liệu phục vụ cho chương trình tính toán thực hiện luật điều khiển. Các khối hàm FB của module mềm PID đều cập nhật được những khối dữ kiệu này ở mọi thời điểm.
Module mềm FB PULSEGEN được sử dụng kết hợp với module mềm FB CONT_C nhằm tạo ra bộ điều khiển có tín hiệu ra dạng xung tốc độ cao thích ứng với những cơ cấu chấp hành kiểu tỷ lệ.
Một bộ điều khiển PID mềm được hoàn thiện thông qua các khối hàm FB nhiều chức năng tạo ra tính linh hoạt cao trong thiết kế. Người sử dụng có thể chọn các chức năng này hoặc loại bỏ các chức năng không cần cho một hệ thống. Các chức năng cơ bản khác như xử lý tín hiệu chủ đạo, tín hiệu quá trình và tính toán các biến khác cùng với bộ điều khiển PID cũng được tích hợp sẵn trong một module điều khiển mềm.
Một điều cần chú ý là những module PID mềm không toàn năng tới mức có thể ứng dụng được vào mọi bài toán điều khiển. Đặc tính điều khiển và tốc độ xử lý của module PID mềm phụ thuộc vào loại CPU được chọn để giải quyết bài toán điều khiển. Do khi xử lý 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. Nếu bài toán điều khiển yêu cầu tần suất cập nhật càng cao thì số dòng điều khiển phải càng giảm. Chỉ ở những bài toán có số vòng điều khiển ít người ta mới có thể sử dụng các bộ module PID mềm có tần suất truy nhập cao.
Tất cả các module PID mềm đều cung cấp nhiều giải pháp lựa chọn luật điều khiển trong khi thiết kế để bộ điều khiển phù hợp được với đối tượng như : luật điều khiển tỷ lệ (luật P), luật điều khiển tỷ lệ – vi phân ( luật PD), luật điều khiển tỷ lệ – tích phân (luật PI)…. Chất lượng của hệ thống phụ thuộc vào các tham số của bộ điều khiển, do đó điều kiện bắt buộc để đảm bảo thành công trong thiết kế là người sử dụng phải có mô hình đối tượng chính xác. Đó cũng chính là nhược điểm cơ bản của các phương pháp điều khiển kinh điển.
Các đại lượng vật lý của đối tượng và đặc tính của bộ điều khiển quyết định đặc tính động của hệ thống trong quá trình điều khiển và chỉ bị thay đổi rất ít so với thiết kế. Chỉ có thể đạt được chất lượng điều khiển tốt nếu như người thiết kế chọn thuật điều khiển và thời gian trích mẩu phù hợp với đối tượng.
Hoàn toàn có thể thiết kế bộ điều khiển (cấu trúc, tham số, gọi module mềm PID trong chương trình hệ thống) mà không cần lập trình. Tuy nhiên muốn làm được như vậy phải nắm được phần mềm Step7.
Khai báo tham số và các biến trong module mềm PID
Người thiết kế có thể khai báo tham số và các biến cho bộ điều khiển trong một dữ liệu địa phương (instance data block) bằng cách sử dụng giao diện của module mềm PID. Để vào chương trình khai báo tham số PID ta thực hiện:
Hình 2.21: Cửa sổ cài đặt các thông số cho bộ PID mềm
Trong hộp hội thoại đầu tiên, người thiết kế có thể mở khối dữ kiệu (DB) đã tích hợp sẵn cho FB41 “CON_C”, FB42 “CON_S” hoặc mở một khối dữ liệu mới hoàn toàn. Riêng FB43 “PULSEGEN” không thể thực hiện chọn tham số và biến qua giao diện, trong trường hợp này người thiết kế phải sử dụng công cụ của STEP7 để thiết lập tham số và khai báo biến cho bộ điều khiển.
Hoặc có thể khai báo tham số và các biến cho bộ điều khiển trực tiếp trong khối dữ liệu (DB):
Bảng 2.6: Khai báo tham số cho module PID
Đối với CPU 314 IFM có thể thiết lập tham số và biến cho module mềm SFB41 hoặc SFB42 bằng cách nhập trực tiếp một khối dữ liệu bất kỳ và chọn nó làm khối lượng dữ liệu cục bộ cho những module này.