Tài liệu Kỹ thuật điều khiển tự động _ Chương 7 docx

Ch 7: Điều khiển
q
uá trình
q
Quá trình công nghiệp có thể phân thành 2 loại:
• Quá trình rời rạc: là một nhóm các công đoạn rời rạc có điều kiện bắt đầu (từng
công đoạn) rõ ràng. Khi các nhóm công đoạn có điểm bắt đầu, điểm kết thúc và
hình thức điều khiển xác định, thì quá trình này được gọi là quá trình có trình tự.
•
Quá trình liên tục: là quá trình có tín hiệu vào / ra liên tục (không bị ngắt quãng).
Quá

trình

liên

tục:

là

quá

trình

có

tín

hiệu

vào

/

ra

liên

tục

(không

bị

ngắt

quãng).

Có ít nhất một tín hiệu vào (bộ điều khiển) được thay đổi sao cho để duy trì một tín
hiệu ra mong muốn. Tín hiệu ra được xác định bởi một/nhiều chế độ điều khiển.
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 7-1
7.1. Điều khiển quá trình rời rạc
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 7-2
Đ
iều khiển quá trình trình tự
(
sequential process
)
(

)
Hầu hết các quá trình rời rạc mang tính tuần tự
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 7-3
Hình thức mô tả quá trình
Để mô tả hoạt động của một quá trình rời rạc, ta có thể dùng:
• Danh sách mệnh lệnh (statement list)
 Bước 1: Cho vắt mì, bột nêm và dầu vào tô
 Bước 2: Chế khoảng 400cc nước sôi vào, đậy nắp lại trong 3 phút
 Bước 3: Sau đó dùng được ngay
• Biểu đồ thời gian (timing diagram)
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 7-4
Hình thức mô tả quá trình
• Lưu đồ tuần tự chức năng (sequential function chart)
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 7-5
Hình thức mô tả quá trình
• Lưu đồ trạn
g
thái
(
state chart
)
g
(
)
Step No. Sol. A Sol. B Sol. C Sol. D Motor
0
1 ×

2 ××
3 ×××
4 ×× ×
5 ×
6 ××
7
×
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 7-6
7
×
Hình thức mô tả quá trình
• Mạch điện sơ đồ bậc thang (ladder diagram circuit)
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 7-7
Rơle tron
g
mạch điều khiển lo
g
ic
g g
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 7-8
Rơle tron
g
mạch điều khiển lo
g
ic
g g
Rơle có thể được cấu tạo để tạo nên nhiều cặp tiếp điểm.

© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 7-9
Rơle tron
g
mạch điều khiển lo
g
ic
g g
Rơle có thể thực hiện những chức năng logic.
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 7-10
Rơle tron
g
mạch điều khiển lo
g
ic
g g
Thí dụ:
Trong một ngân hàng, có 3 nhân viên chịutrách
nhiệmmở két sắt. Mỗingườigiữ một chìa khóa
duy nhất(tức là 3 chìa khóa không giống nhau).
Theo quy định của ngân hàng, 2 trong 3 nhân
viên phảicómặt để có thể mởđượckétsắt. Vẽ
sơđồmạch điệnbậc thang dùng để mở cửakét
sắt và làm sáng một bóng đèn khi có 2 trong số
3 chìa khóa đượcsử dụng.
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 7-11
Thiết kế mạch điều khiển trình tự
Ý tưởng cơ bản đối với việc thiết kế là:

• Dùng một rơle điều khiển cho mỗi buớc của quá trình.
• Khi quá trình đang làm việc ở bước nào đó, thì rơle điều khiển gắn liền với bước
đósẽ đượckíchhoạtvànhững rơle khác không đượckíchhoạt
đó

sẽ

được

kích

hoạt

và

những

rơle

khác

không

được

kích

hoạt
.
•Số bước của quá trình sẽ tương ứng 1-1 với số trạng thái của bộ điều khiển. Mỗi

trạng thái của bộ điều khiển được biễu diễn là một nhánh trong mạch điều khiển bậc
thang.
Giả sử quá trình có 3 bước liền kế nhau là bước i, bước j, và buớc k. Nhánh thứ j trong
mạch điềukhiểncódạng tổng quát như sau:
mạch

điều

khiển

có

dạng

tổng

quát

như

sau:

© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 7-12
Thiết kế mạch điều khiển trình tự
Quá trình thiết kế thông thường bao gồm các bước sau:
•Bước 1: định nghĩa quá trình (dùng sơ đồ động / sơ đồ thiết bị)
•Bước 2: định n
g
hĩa các bước

(
trạn
g
thái
)

g ( g)
(dùng biểu đồ tuần tự chức năng / lưu đồ trạng thái)
•Bước 3: xác đ
ị
nh tr
ạ
n
g
thái của tín hi
ệ
u vào / tín hi
ệ
u ra
(
dùn
g
biểu đồ thời
g
ian
)
ị ạ g ệ ệ (g g)
•Bước 4: xác định các điều kiện chuyển tiếp (dùng biểu đồ thời gian)
•
Bước5:xácđịnh hàm của tín hiệu ra (dùng công cụ đạisố Boolean)

Bước

5:

xác

định

hàm

của

tín

hiệu

ra

(dùng

công

cụ

đại

số

Boolean)
•Bước 6: xây dựng mạch điều khiển bậc thang

•
Bước7:xâydựng sơ đồ bậc thang tín hiệura
Bước

7:

xây

dựng

sơ

đồ

bậc

thang

tín

hiệu

ra
•Bước 8: lập hồ sơ thiết kế
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 7-13
Hệ thốn
g
má
y

khoan tự độn
g
gy g
•Bước 1: Định nghĩa quá trình
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 7-14
Hệ thốn
g
má
y
khoan tự độn
g
•Bước 2: định nghĩa các bước
gy g
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 7-15
Hệ thốn
g
má
y
khoan tự độn
g
•Bước 3: xác định trạng thái của tín hiệu vào / tín hiệu ra
gy g
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 7-16
Hệ thốn
g
má
y

khoan tự độn
g
•Bước 4: xác định các điều kiện chuyển tiếp
gy g
C0.1 Reset
C1.2 Start
C2.3 LS4
•Bước 5: xác định hàm của tín hiệu ra
C3.4 LS2
C4.5 LS1
Sol. A Step 3
C5.6 LS3
C6.7 LS6
Sol. B Step 4
Sol. C Step 2 OR Step 3 OR Step 4
Sol. D Step 6
Motors 1
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 7-17
Hệ thốn
g
má
y
khoan tự độn
g
gy g
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 7-18
Hệ thốn
g

má
y
khoan tự độn
g
gy g
•Bước 6:
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 7-19
Hệ thốn
g
má
y
khoan tự độn
g
gy g
•Bước 7: xây dựng sơ đồ bậc thang tín hiệu ra
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 7-20
Hệ thốn
g
pick-and-place robot
g
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 7-21
Hệ thốn
g
qua
y
chi tiết
gy

© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 7-22
Hệ thốn
g
uốn con
g
chi tiết
g g
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 7-23
Hệ thốn
g
định vị chi tiết
g
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 7-24
Bộ điều khiển lập trình - Programmable Logic Controller
PLC đượcthiếtkế nhằmthaythế phương pháp điềukhiểntruyềnthống dùng rơle. Nó
ề
ể
ế
ễ
tạoramộtkhả năng đi
ề
ukhi
ể
nthi
ế
tbị d
ễ

dàng và linh hoạtdựatrênviệclậptrìnhtrên
các lệnh logic cơ bản. Ngoài ra, PLC còn có thể thựchiệnnhững tác vụ khác nhưđịnh
thì, đếm…
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 7-25
PLC và thiết bị n
g
oại vi
g
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 7-26
Kết nối tín hiệu vào
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 7-27
Kết nối tín hiệu ra
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 7-28
Module xử l
ý
tín hiệu tươn
g
tự
ý g
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 7-29
Lập trình PLC
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 7-30
7.2. Điều khiển quá trình liên tục
Ba thao tác chính:

Đ l ờ
-
Đ
o
l
ư
ờ
ng
- Ra quyết định
-
Tác động
-
Tác

động
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 7-31
7.2. Điều khiển quá trình liên tục
Khi có sự thay đổitảihoặcgiátrịđiềuchỉnh, hệ thống điềukhiểnphải đảmbảo3 mục
tiêu sau:
•Giảmthiểugiátrị sai lệch lớnnhất.
ể
Giai đoạnchuyểntiếp
•Giảmthi
ể
uthờigianxáclập.
•Giảmthiểu độ sai lệch dư.
Giai

đoạn

chuyển

tiếp
Giai đoạn xác lập
Giá trị sai lệch xác lập gây ra do ma
sát, phụ tải, và độ chính xác của
cảmbiếnphảnhồi.
ế ề ể
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 7-32
Thực hiện ch
ế
độ đi
ề
u khi
ể
n thích hợp
Chế độ điều khiển 2 vị trí
Tùy thuộc vào tín hiệu sai lệch, tín hiệu ra của bộ điều khiển chỉ có hai giá trị.
Chế độ điều khiển này chỉ phù hợp cho các quá trình có dung lượng tương đối lớn, thí dụ
như: hệ thống sưởi, điều khiển mực nước, hệ thống điều hòa không khí.
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 7-33
Chế độ điều khiển 3 vị trí
Tín hiệu ra của bộ điều khiển này có 3 trạng thái (up-off-down, hot-off-cold …)
Chế độ điều khiển này sử dụng trong các hệ thống mà không có trạng thái ngừng cụ thể.
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 7-34
Chế độ điều khiển 3 vị trí

Nếu hệ thống điều khiển không được thiết kế phù hợp, dao động của hệ thống sẽ trở nên
ầ ẩ ế ố ấ ổ
tăng d
ầ
n, d
ẩ
n đ
ế
n hệ th
ố
ng m
ấ
t
ổ
n định.
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 7-35
Chế độ điều khiển t
ỷ
lệ P
(
Proportional
)
ỷ (
)
Với chế độ điều khiển P, tín hiệu ra ở bộ điều khiển tỉ lệ với tín hiệu sai lệch
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 7-36
Chế độ điều khiển t
ỷ

lệ P
ỷ
ChếđộđiềukhiểnPthìđơngiảnvàlàcơ
ầ
ế
ề
ể
sở cho h
ầ
uh
ế
tcácbộđi
ề
ukhi
ể
n. Tuy
nhiên chếđộnày luôn có mộtvấn đề cơ
bản: tồntạigiátrị sai số xác lập.
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 7-37
Chế độ điều khiển tích phân I
(
Inte
g
ral
)
(
g)
Với chế độ điều khiển I, tín hiệu ra ở bộ điều khiển tỉ lệ với tích phân của tín hiệu sai lệch
© C.B. Pham

Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 7-38
Chế độ điều khiển tích phân I
(
Inte
g
ral
)
(
g)
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 7-39
Chế độ điều khiển I khắc phục sai số xác lập nhưng làm giảm tính ổn định và tốc độ đáp
ứng của hệ thống
Chế độ điều khiển đạo hàm D
(
Derivative
)
(
)
VớichếđộđiềukhiểnD,tínhiệuraở bộ
ề
ể
ố
ổ
đi
ề
ukhi
ể
ntỉ lệ vớit
ố

c độ thay đ
ổ
icủatín
hiệusailệch
ChếđộđiềukhiểnDtạomột xung lựcban
đầu để hệ thống đáp ứng được nhanh hơn,
sau đótạoramộtlựchãmkhihệ thống
tiếpcận đếnvị trí mong muốn.
Tín
hiệu
ra
của
chế
độ
D
không
phụ
thuộc
Tín
hiệu
ra
của
chế
độ
D
không
phụ
thuộc
vào giá trị sai lệch → chếđộD không bao
giờđượcsử dụng riêng biệt.

© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 7-40
Chế độ điều khiển PID
Chế độ PID được sử dụng để kế hợp ưu điểm của từng chế độ
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 7-41