LUẬN VĂN CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ ĐIỀU KHIỂN PID TAY MÁY

Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển PID tay máy Trang 1
BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP. HCM
KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐIỀU KHIỂN PID TAY MÁY
Giảng viên hướng dẫn: Th.S TRẦN THỊ HOÀNG OANH
Sinh viên thực hiện : NGUYỄN CÔNG LỘC
Lớp : ĐHĐT1B
Khoá : 1
GVHD: ThS Trần Thị Hoàng Oanh SVTH: Nguyễn Công Lộc
Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển PID tay máy Trang 2
TP. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2011
MỤC LỤC
5.2. Các hàm điều khiển thường dùng: 36
GVHD: ThS Trần Thị Hoàng Oanh SVTH: Nguyễn Công Lộc
Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển PID tay máy Trang 3
Phần 1: LÝ THUYẾT LIÊN QUAN
I. Giới thiệu về động cơ điện một chiều:
Động cơ DC là động cơ điện hoạt động với dòng điện một chiều. Động cơ điện
một chiều ứng dụng rộng rãi trong các ứng dụng dân dụng cũng như công nghiệp.
1. Cấu tạo:
Một động cơ DC có 6 phần cơ bản:
– Phần ứng hay Rotor (Armature).
– Cổ góp (Commutator).
– Chổi than (Brushes).
– Trục motor (Axle).
– Nam châm tạo từ trường hay Stator (field magnet).
– Bộ phận cung cấp dòng điện DC.
2. Nguyên lý hoạt động:
Khi đặt lên dây quấn kích từ một điện áp kích từ Uk nào đó thì trong dây

quấn kích từ sẽ xuất hiện dòng kích từ i(kt) làm xuất hiện từ thông Ф. Tiếp đó sẽ
đặt một giá trị điện áp U lên mạch phần ứng thì trong dây quấn phần ứng sẽ có 1
dòng điện i chạy qua. Tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ thông kích thích
tạo thành mômen điện từ.
3. Phân loại:
GVHD: ThS Trần Thị Hoàng Oanh SVTH: Nguyễn Công Lộc
Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển PID tay máy Trang 4
Căn cứ vào phương pháp kích từ người ta chia động cơ 1 chiều thành các
loại như sau :
- Động cơ điện 1 chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu,
- Động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập nghĩa là phần ứng và phần kích từ được cấp
điện bởi 2 nguồn riêng rẽ,
- Động cơ điện 1 chiều kích thích nối tiếp: cuộn dây kích thích được mắc nối tiếp
với phần ứng,
- Động cơ điện 1 chiều kích thích song song: cuộn dây kích thích được mắc song
với phần ứng,
- Động cơ điện 1 chiều kích thích hỗn hợp: gồm có 2 cuộn dây kích từ , 1 cuộn
mắc nối tiếp với phần ứng, 1 cuộn mắc song song với phần ứng,
4. Phương trình cơ bản của động cơ điện 1 chiều:
E = K Φ. W (1)
V = E + Ru.Iu (2)
M = K Φ Iu (3)
Với:
– E: sức điện động cảm ứng (V).
– Φ: Từ thông trên mỗi cực (Wb).
– Iu: dòng điện phần ứng (A).
– V : Điện áp phần ứng (V).
– Ru: Điện trở phần ứng (Ohm).
– w : tốc độ động cơ (rad/s).
– M : moment động cơ (Nm).

– K: hằng số, phụ thuộc cấu trúc động cơ.
5. Encoder:
GVHD: ThS Trần Thị Hoàng Oanh SVTH: Nguyễn Công Lộc
Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển PID tay máy Trang 5
Gồm 1 bộ phát ánh sáng (LED phát), một bộ thu ánh sáng nhạy với ánh sáng từ bộ phát (bộ
thu thường là photodiode hoặc phototransistor), 1 đĩa quang có khoét lỗ gắn trên trục quay đặt
giữa bộ phát và thu, thông thường trục quay này sẽ được gắn với trục quay của đối tượng cần đo
tốc độ.
Một encoder thường có các dây sau:
– Dây cấp nguồn (+5V) cho encoder.
– Dây nối đất (GND).
– Dây pha A – tín hiệu ra theo độ phân giải (1 vòng/N xung (N từ vài chục lên đến vài nghìn
xung tuỳ theo độ phân giải)).
– Dây pha B – tín hiệu ra theo độ phân giải (1 vòng/N xung (N từ vài chục lên đến vài nghìn
xung tuỳ theo độ phân giãi)), pha B chậm pha hơn pha A. Thường tuỳ theo trạng thái pha nhanh
hay chậm của 2 pha này ta xác định chiều quay của đối tượng, để từ đấy bộ đếm tiến hoặc đếm
lùi
Hình 2.29 – Dạng song ngõ ra của LED thu
6. Động cơ được sử dụng trong mô hình:
ĐỘNG CƠ DC (MODEL KM3448A)
Tốc độ: 120 Rpm
Công suất: 25w
Tỷ số truyền: 1/40
Áp sử dụng: 24VDC
Đường kính động cơ: 37mm
Chiều dài động cơ: 80mm
Đường kính trục: 6mm
Chiều dài trục: 15mm
Nhông: Sắt
Khối lượng: 250g

Moment có tải: 80 gcm
Moment khởi động: 790 gcm
Dòng có tải: 250 mA
Dòng khởi động: 1950mA
GVHD: ThS Trần Thị Hoàng Oanh SVTH: Nguyễn Công Lộc
Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển PID tay máy Trang 6
Nơi sản xuất: Korea
ĐỘNG CƠ DC (MODEL KM3348A)
Thông số
Tốc độ: 80rmp
Công suất: 15w
Tỷ số truyền: 1/45
Áp sử dụng: 24VDC
Đường kính động cơ: 37mm
Chiều dài động cơ: 55mm
Đường kính trục: 6mm
Chiều dài trục: 15mm
Khối lượng: 150g
Nhông: Sắt ,Đồng
Nơi sản xuất: Taiwan
II. Giới thiệu về Xy-lanh, Van khí nén:
1. Xy lanh:
1.1 Loại một chiều:
Đây là loại tự trở về khi
được kích
Khi không có khí
Khi có khí
1.2 Loại hai chiều:
Khi có khí sẽ đóng
xy-lanh

Khi không có khí sẽ
không tự về mà khi về
thì ta phải cấp khí.
GVHD: ThS Trần Thị Hoàng Oanh SVTH: Nguyễn Công Lộc
Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển PID tay máy Trang 7
2. Các loại valse khí:
Một valse khí được đặc trưng bởi số vị trí mà valse có được và số lượng cửa nối
ống. Hai loại valse khí thường dùng:
2.1. Valse (3/2) 3 cửa, 2 vị trí (loại 1 cuộn dây):
Ký hiệu: Hoạt động:
Valse 2 vị trí, 3 cửa có 3 đường nối ống: một đường
khí vào (lỗ 1), hai đường khí ra (lỗ 2, 4) và hai đường
xả (lỗ 3, 5).
Valse có hai vị trí:
 Khi cuộn dây không được cấp điện: khí vào 1 ra 2, khí từ 4 xả qua 5 (hình a).
 Khi cuộn dây được cấp điện: khí vào 1 ra 4, khí từ 2 xả qua 3 (hình b).
Hình a: Vị trí pitton khi cuộn dây không được cấp điện.
Hình b: Vị trí pitton khi cuộn dây được cấp điện.
GVHD: ThS Trần Thị Hoàng Oanh SVTH: Nguyễn Công Lộc
Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển PID tay máy Trang 8
2.2. Valse (3/2) 3 cửa, 2 vị trí (loại 2 cuộn dây):
Ký hiệu: Hoạt động:
Tương tự loại 1 cuộn dây, tuy nhiên 2 vị trí của
valse trong trường hợp này là trạng thái bền.
 Khi cuộn dây a được cấp điện: khí vào 1 ra 2, khí từ 4 xả qua 5.
 Khi cuộn dây b được cấp điện: khí vào 1 ra 4, khí từ 2 xả qua 3
Khi hai cuộn dây đều được cấp điện, vị trí valse không thay đổi.
(Tài liệu – Giáo trình Hệ thống truyền động thủy khí, PGS. TS Trần Xuân Tùy – ThS.
Trần Minh Chính – KS. Trần Ngọc Hải, Đà Nẵng 2005)
3

3
.
.


Truyền động bánh răng:
Truyền động bánh răng:
Cơ cấu truyền chuyển động quay giữa các trục và để biến đổi số vòng quay.
Cơ cấu truyền chuyển động quay giữa các trục và để biến đổi số vòng quay.
Phân loại:
Phân loại:


Phân loại về số lượng bánh răng:
Phân loại về số lượng bánh răng:
•
•
Bánh răng một cấp: chỉ có một cặp bánh răng.
Bánh răng một cấp: chỉ có một cặp bánh răng.
•
•
Bánh răng nhiều cấp: gồm nhiều cặp bánh răng có tỷ số truyền khác
Bánh răng nhiều cấp: gồm nhiều cặp bánh răng có tỷ số truyền khác


nhau tạo thành hộp tốc độ hộp giảm tốc,…
nhau tạo thành hộp tốc độ hộp giảm tốc,…


Phân loại theo quan hệ truyền:

Phân loại theo quan hệ truyền:
•
•
Quan hệ truyền ăn khớp: có truyền động bánh răng trụ, côn, trục vít,
Quan hệ truyền ăn khớp: có truyền động bánh răng trụ, côn, trục vít,


hypôit và hỗn hợp.
hypôit và hỗn hợp.
•
•
Quan hệ truyền phức tạp: truyền động bánh răng hành tinh, truyền
Quan hệ truyền phức tạp: truyền động bánh răng hành tinh, truyền


động bánh răng sóng,…
động bánh răng sóng,…
GVHD: ThS Trần Thị Hoàng Oanh SVTH: Nguyễn Công Lộc
Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển PID tay máy Trang 9
Các dạng truyền động
a. Thẳng; b. Nghiêng; c. Chữ V; d. Côn; e. Bánh răng xoắn, góc giữa các trục 90
o
;
GVHD: ThS Trần Thị Hoàng Oanh SVTH: Nguyễn Công Lộc
Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển PID tay máy Trang 10
g. Hypôit; h. Trục vít lõm (glôbôit)
III. Giới thiệu PLC S7-200:
Thiết bị điều khiển Logic khả trình PLC (Programmable Logic Control) là loại thiết
bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số thông qua một ngôn ngữ lập
trình, thay cho việc phải thể hiện thuật toán đó bằng các mạch số. Như vậy trong chương

trình điều. PLC trở thành bộ điều khiển số nhỏ gọn, dễ dàng thay đổi thuật toán và đặc
biệt dễ dàng trao đổi thông tin với môi trường xung quanh (Với các PLC khác hoặc với
máy tính).
 Điện áp cấp nguồn: 15 ÷ 30VDC
 Ngõ vào tích cực: 15 ÷ 30VDC
 Điện áp tại ngõ ra: 15 ÷ 30VDC
GVHD: ThS Trần Thị Hoàng Oanh SVTH: Nguyễn Công Lộc
Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển PID tay máy Trang 11
1. Sơ đồ khối cấu tạo của PLC:
Có các loại PLC S7-200 (Siemens):
Các loại PLC thông thường: CPU222, CPU224, CPU224XP, CPU226
Theo loại điện áp người ta phân ra 2 loại:
• Loại cấp điện áp 220VAC:
Ngõ vào: tích cực mức 1 ở cấp điện áp +24VDC (15VDC – 30VDC)
Ngõ ra: Ngõ ra rơ le
• Loại cấp điện áp 24VDC:
Ngõ vào: Tích cực mức 1 ở cấp điện áp +24VDC (15VDC – 30VDC)
Ngõ ra: Ngõ ra Transistor
2. Ứng dụng xuất xung tốc độ cao:
CPU S7_200 có 2 ngõ ra xung tốc độ cao (Q0.0, Q0.1), dùng cho việc điều rộng xung tốc độ
cao nhằm điều khiển các thiết bị bên ngoài.
GVHD: ThS Trần Thị Hoàng Oanh SVTH: Nguyễn Công Lộc
Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển PID tay máy Trang 12
- Việc điều rộng xung được thực hiện thông qua việc định dạng Wizard.
- Có 2 cách điều rộng xung: điều rộng xung 50% (PTO) và điều rộng xung theo tỉ lệ
(PWM) .
2.1. Điều rộng xung 50% (PTO):
Loại này xuất ra ngõ ra giá trị Ton = 50%T, điện áp trung bình = ½ VDC
Ngoài ra: Q0.0 Q0.1
SMW68 SMW78 : Xác định chu kì thời gian,

SMW70 SMW80 : Xác định chu kì phát xung,
SMD72 SMD82 : Xác định số xung điều khiển.
Các Byte cho việc định dạng SMB67 (cho Q0.0) và SMB77 (cho Q0.1)
Thanh ghi
điều khiển
(Hex Value)
Cho
phép
Mode Kiểu vận hành Time Base
Cập
nhật
Ton
Cập nhật
T
16#81 Yes PTO Single 1 µs/cycle Load
16#84 Yes PTO Single 1 µs/cycle Load
16#85 Yes PTO Single 1 µs/cycle Load Load
16#89 Yes PTO Single 1 ms/cycle Load
16#8C Yes PTO Single 1 ms/cycle Load
16#8D Yes PTO Single 1 ms/cycle Load Load
16#A0 Yes PTO Multiple 1 µs/cycle
16#A8 Yes PTO Multiple 1 ms/cycle
2.2 Điều rộng xung theo tỉ lệ (PWM):
Ứng dụng này điều rộng xung theo tỷ lệ tùy ý. Ton = 0 ÷ 100% T
Định dạng thời gian cơ sở (Time base) dựa trên bảng sau:
Thanh ghi điều
khiển (Hex Value)
Cho
phép
Mode

Phương thức
cập nhật
Time Base
Cập
nhật
Ton
Cập
nhật
T
16#D1 Yes PWM Synchronous 1 µs/cycle Load
16#D2 Yes PWM Synchronous 1 µs/cycle Load
16#D3 Yes PWM Synchronous 1 µs/cycle Load Load
16#D9 Yes PWM Synchronous 1 ms/cycle Load
16#DA Yes PWM Synchronous 1 ms/cycle Load
16#DB Yes PWM Synchronous 1 ms/cycle Load Load
Các Byte cho việc định dạng SMB67 (cho Q0.0) và SMB77 (cho Q0.1)
GVHD: ThS Trần Thị Hoàng Oanh SVTH: Nguyễn Công Lộc
Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển PID tay máy Trang 13
Ngoài ra: Q0.0 Q0.1
SMW68 SMW78 : Xác định chu kì thời gian
SMW70 SMW80 : Xác định chu kì phát xung
SMD72 SMD82 : Xác định số xung điều khiển
3. Đọc xung tốc độ cao (High Speed Counter - HSC):
Định dạng bộ đếm tốc độ cao theo trình Wizard của Step 7 Micro Win.
Chọn trình Wizard HSC:
Chọn chế độ cho HSC:
GVHD: ThS Trần Thị Hoàng Oanh SVTH: Nguyễn Công Lộc
Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển PID tay máy Trang 14
Định dạng bộ đếm
GVHD: ThS Trần Thị Hoàng Oanh SVTH: Nguyễn Công Lộc

Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển PID tay máy Trang 15
Tuỳ từng loại ứng dụng mà ta có thể chọn nhiều Mode đọc xung tốc độ cao khác nhau, có
tất cả 12 Mode đọc xung tốc độ cao như sau:
Mode 0,1,2: Dùng đếm 1 pha với hướng đếm được xác định bởi Bit nội.
Mode 0: Chỉ đếm tăng hoặc giảm, không có Bit Start cũng như bit Reset.
Mode 1: Đếm tăng hoặc giảm, có bit Reset nhưng không có bit Start,
Mode 2: Đếm tăng hoặc giảm, có Bit Start cũng như bit Reset để cho phép chọn bắt đầu đếm
cũng như chọn thời điểm bắt đầu Reset. Các Bit Start cũng như Reset là các ngõ Input chọn từ
bên ngoài.
Mode 3, 4, 5: Dùng đếm 1 pha với hướng đếm được xác định bởi Bit ngoại, tức là có thể chọn từ
ngõ vào input.
Mode 3: Chỉ đếm tăng hoặc giảm, không có Bit Start cũng như bit Reset
Mode 4: Đếm tăng hoặc giảm, có bit Reset nhưng không có bit Start
GVHD: ThS Trần Thị Hoàng Oanh SVTH: Nguyễn Công Lộc
Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển PID tay máy Trang 16
Mode 5: Đếm tăng hoặc giảm, có Bit Start cũng như bit Reset để cho phép chọn bắt đầu đếm
cũng như chọn thời điểm bắt đầu Reset. Các Bit Start cũng như Reset là các ngõ Input chọn từ
bên ngoài.
Mode 6, 7, 8: Dùng đếm 2 pha với 2 xung vào, 1 xung dùng để đếm tăng và một xung đếm giảm.
Mode 6: Chỉ đếm tăng giảm, không có Bit Start cũng như bit Reset,
Mode 7: Đếm tăng giảm, có bit Reset nhưng không có bit Start,
Mode 8: Đếm tăng giảm, có Bit Start cũng như bit Reset để cho phép chọn bắt đầu đếm cũng như
chọn thời điểm bắt đầu Reset. Các Bit Start cũng như Reset là các ngõ Input chọn từ bên ngoài.
GVHD: ThS Trần Thị Hoàng Oanh SVTH: Nguyễn Công Lộc
Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển PID tay máy Trang 17
Mode 9, 10, 11 : Dùng để đếm xung A/B của Encoder, có 2 dạng:
Dạng 1 (Quadrature 1x mode): Đếm tăng 1 khi có xung A/B quay theo chiều thuận và giảm 1
khi có xung A/B quay theo chiều ngược.
Dạng 2 (Quadrature 4x mode): Đếm tăng 4 khi có xung A/B quay theo chiều thuận và giảm 4
khi có xung A/B quay theo chiều ngược.

Mode 9: Chỉ đếm tăng giảm, không có bit Start cũng như bit Reset,
Mode 10: Đếm tăng giảm, có bit Reset nhưng không có bit Start,
Mode 11: Đếm tăng giảm, có Bit Start cũng như bit Reset để cho phép chọn bắt đầu đếm cũng
như chọn thời điểm bắt đầu Reset. Các Bit Start cũng như Reset là các ngõ Input chọn từ bên
ngoài.
Mode 12: Chỉ áp dụng với HSC0 và HSC3, HSC0 dùng để đếm số xung phát ra từ Q0.0 và HSC3
đếm số xung từ Q0.1 (Được phát ra ở chế độ phát xung nhanh) mà không cần đấu phần cứng,
nghĩa là PLC tự kiểm tra từ bên trong.
GVHD: ThS Trần Thị Hoàng Oanh SVTH: Nguyễn Công Lộc
Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển PID tay máy Trang 18
Các chế độ của HSC và kết nối với ngõ vào của PLC để sử dụng bộ HSC:
Chế độ Miêu tả Input
HSC0 I0.0 I0.1 I0.2
HSC1 I0.6 I0.7 I0.2 I1.1
HSC2 I1.2 I1.3 I1.1 I1.2
HSC3 I0.1
HSC4 I0.3 I0.4 I0.5
HSC5 I0.4
0 Đếm lên xuống Nhịp
1 Xóa
2 Bắt đầu
3
Đếm lên xuống với điều khiển hướng bên
ngoài
Nhịp Hướng
4 Xóa
5 Bắt đầu
6 Đếm lên xuống với hai xung nhịp Nhịp lên
Nhịp
xuống

7 Xóa
8 Bắt đầu
9
Đếm lên xuống với 2 xung AB vuông pha
từ Encoder
Nhịp A Nhịp B
10 Xóa
11 Bắt đầu
12
Chỉ có HSC0 và HSC3 hổ trợ Chế độ 12
HSC0 đếm số xung và xuất ra Q0.0
HSC3 đếm số xung và xuất ra Q0.1
• Các bit được sử dụng để điều khiển các chế độ của HSC:
HDEF Control Bits (used only when HDEF is executed)
HSC0 HSC1 HSC2 HSC4 Description
SM37.0 SM47.0 SM57.0 SM147.0
Active level control bit for Reset**:
0 = Reset active high
1 = Reset active low
SM47.1 SM57.1
Active level control bit for Start**:
0 = Start active high
1 = Start active low
SM37.2 SM47.2 SM57.2 SM147.2
Counting rate selection for Quadrature counters:
0 = 4x counting rate
1 = 1x counting rate
Các bit điều khiển:
HSC0 HSC1 HSC2 HSC3 HSC4 HSC5 Description
SM37.3 SM47.3 SM57.3 SM137.3 SM147.3 SM157.3 Counting direction

control bit:
0 = count down
GVHD: ThS Trần Thị Hoàng Oanh SVTH: Nguyễn Công Lộc
Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển PID tay máy Trang 19
1 = count up
SM37.4 SM47.4 SM57.4 SM137.4 SM147.4 SM157.4
Write the counting
direction to the HSC:
0 = no update
1 = update direction
SM37.5 SM47.5 SM57.5 SM137.5 SM147.5 SM157.5
Write the new preset
value to the HSC:
0 = no update
1 = update preset
SM37.6 SM47.6 SM57.6 SM137.6 SM147.6 SM157.6
Write the new current
value to the HSC:
0 = no update
1 = update current
SM37.7 SM47.7 SM57.7 SM137.7 SM147.7 SM157.7
Enable the HSC:
0 = disable the HSC
1 = enable the HSC
Các bit trạng thái:
HSC0 HSC1 HSC2 HSC3 HSC4 HSC5 Description
SM36.0 SM46.0 SM56.0 SM136.0 SM146.0 SM156.0 Not used
SM36.1 SM46.1 SM56.1 SM136.1 SM146.0 SM156.1 Not used
SM36.2 SM46.2 SM56.2 SM136.2 SM146.0 SM156.2 Not used
SM36.3 SM46.3 SM56.3 SM136.3 SM146.0 SM156.3 Not used

SM36.4 SM46.4 SM56.4 SM136.4 SM146.0 SM156.4
Not used
SM36.5 SM46.5 SM56.5 SM136.5 SM146.0 SM156.5
Current counting
direction status bit:
0 = counting down;
1 = counting up
SM36.6 SM46.6 SM56.6 SM136.6 SM146.0 SM156.6
Current value equals
preset value status bit:
0 = not equal;
1 = equal
SM36.7 SM46.7 SM56.7 SM136.7 SM146.0 SM156.7
Current value greater
than preset value
status bit:
0 = less than or equal;
1 = greater than
(Tài liệu - Hướng dẫn sử dụng S7_200 – Hà Văn Trí – Công ty THHH TM&DVKT SIS).
GVHD: ThS Trần Thị Hoàng Oanh SVTH: Nguyễn Công Lộc
Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển PID tay máy Trang 20
4. Bộ điều khiển PID:
Định nghĩa:
Định nghĩa:
Bộ điều khiển PID (A proportional integral derivative controller) l
Bộ điều khiển PID (A proportional integral derivative controller) l
à bộ điều khiển sử
à bộ điều khiển sử
dụng kỹ thuât điều khiển theo vòng lặp có hồi tiếp được sử dụng rộng rãi trong các hệ
dụng kỹ thuât điều khiển theo vòng lặp có hồi tiếp được sử dụng rộng rãi trong các hệ

thống điều khiển tự động. Một bộ điều khiển PID cố gắng hiệu chỉnh sai lệch giữa tín hiệu
thống điều khiển tự động. Một bộ điều khiển PID cố gắng hiệu chỉnh sai lệch giữa tín hiệu


ngõ ra và ngõ vào sau đó đưa ra một một tín hiệu điều khiển để điều chỉnh quá trình cho
ngõ ra và ngõ vào sau đó đưa ra một một tín hiệu điều khiển để điều chỉnh quá trình cho
phù hợp.
phù hợp.
Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID:
Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID:
Trong CPU S7 – 200 có bộ ứng dụng PID (Proportional, Integral, Derivative). Bảng
tham số của bộ điều khiển PID ở bảng sau.
Quá trình đáp ứng, bộ điều khiển PID giá trị của đầu ra sẽ được điều chỉnh sai số đến
bằng không. Sai số được xác định bởi sự sai lệch giữa giá trị đặt (giá trị mong muốn) và
GVHD: ThS Trần Thị Hoàng Oanh SVTH: Nguyễn Công Lộc
Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển PID tay máy Trang 21
giá trị xử lý (giá trị thực tế). Nguyên lý của điều khiển PID được dựa trên phương trình
sau đây. Giá trị ra M(t) được mô tả bởi hàm của khâu tỷ lệ, khâu tích phân, khâu vi phân.
0
M(t) * * /
t
dau
Kc e Kc edt M Kc de dt
= + + +
∫
M(t) giá trị đầu ra theo thời gian t,
Kc: độ lợi của vòng lặp,
e: sai số = giá trị đặt – giá trị hiện tại,
M
dau

: giá trị đầu của ngõ ra.
Để thi hành bộ điều khiển trên kỹ thuật số máy tính. Hàm liên tục phải được lượng
tử hóa trong các mẫu tuần hoàn của sai số đầu ra. Phương trình đáp ứng số đầu ra
1
1
* * *( )
n
n C n I dau D n n
M K e K M K e e
−
= + + + −
∑
M
n
: giá trị ra ở thời gian lấy mẫu n,
e
n
: sai số ở thời gian lấy mẫu n,
e
n-1
: sai số ở thời gian lấy mẫu trước đó,
K
I
: hệ số khâu tích phân,
K
D
: hệ số khâu vi phân.
Phương trình trên, khâu tích phân miêu tả sai số giữa giá trị đầu và giá trị hiện tại. Sự sai
lệch của khâu này là hàm của giá trị hiện tại và giá trị trước đó. Trong khi khâu tỷ lệ chỉ hiệu
chỉnh giá trị hiện tại.

Tính toán giá trị đầu ra phải phụ thuộc vào sai số của khâu tích phân.
1
* * *( )
n C n I n D n n
M K e K e MX K e e
−
= + + + −
MX: giá trị trước của khâu vi phân
Phương trình trên được rút gọn như sau:
n n n n
M MP MI MD
= + +
Với:
GVHD: ThS Trần Thị Hoàng Oanh SVTH: Nguyễn Công Lộc
Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển PID tay máy Trang 22
• Giá trị của khâu tỷ lệ:

*( )
n C n n
MP K SP PV
= −
SP
n
: giá trị đặt ở thời gian lấy mẫu n
PV
n
: giá trị xử lý ở thời gian lấy mẫu n
• Giá trị của khâu tích phân:

*( )

* /
n I n n
I C S I
MI K SP PV MX
K K T T
= − +
=
• Giá trị của khâu vi phân:

1
*( )
* /
n D n n
D C D S
MD K PV PV
K K T T
−
= −
=
Bảng giá trị các tham số sử dụng trong bộ PID
Vùng nhớ (X ) Tên Kiểu định dạng Loại Mô tả
0 PV
n
Double Word – Real In Giá trị xử lý (0.0 ÷ 1.0)
4 SP
n
Double Word – Real In Giá trị đặt (0.0 ÷ 1.0)
8 M
n
Double Word – Real In/Out Giá trị ra (0.0 ÷ 1.0)

12 K
C
Double Word – Real In Độ lợi (dương hoặc âm)
16 T
S
Double Word – Real In
Thời gian lấy mẫu (giá trị
dương)
20 T
I
Double Word – Real In
Thời gian tích phân (giá trị
dương)
24 T
D
Double Word – Real In
Thời gian vi phân (giá trị
dương)
28 MX Double Word – Real In/Out Tổng tích phân (0.0 ÷ 1.0)
32 PV
n-1
Double Word – Real In/Out Giá trị xử lý ở n-1
(Tài liệu - Datasheet của S7_200 Siemens).
GVHD: ThS Trần Thị Hoàng Oanh SVTH: Nguyễn Công Lộc
Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển PID tay máy Trang 23
 Hiệu chỉnh PID:
Việc hiệu chỉnh 3 thông số Kp, Ki, Kd sẽ làm tăng chất lượng điều khiển. Ảnh hưởng
Việc hiệu chỉnh 3 thông số Kp, Ki, Kd sẽ làm tăng chất lượng điều khiển. Ảnh hưởng
của 3 thông số này lên hệ thống như sau:
của 3 thông số này lên hệ thống như sau:

 Phương pháp Ziegler – Nichols : khi đối tượng có khâu delay có
trễ (tử số có
Ts
e
−
hay có khâu quán tính bậc nhất dưới mẫu số
1
1Ts +
điển hình là lò
nhiệt. Để tìm thông số cho bộ điều khiển PID đối với đối tượng này thì người ta
trước hết khảo sát đặc tính vòng hở của hệ thống, cấp một tín hiệu điều khiển vào
cho đối tượng, sau đó khảo sát đặc tính quá độ của hệ thống, từ đó xác định các
thông số T và L. Khi đó, các thông số của bộ PID được tính theo T và L.
Đường cong hình chữ S có 2 hằng số, thời gian chậm trễ L và hằng số thời gian T. Thời
gian chậm trễ xác định cách vẽ đường tiếp tuyến tại điểm uốn của đường cong
Ziegler – Nichols đề xuất xác định Kp, Ti, Td.
Nguyên tắc hiệu chỉnh theo Ziegler – Nichols
Phương pháp K
p
T
i
T
d
P T/L
∞
0
PI 0,9 T/L L/0,3 0
PID 1,2 T/L 2L 0,5L
GVHD: ThS Trần Thị Hoàng Oanh SVTH: Nguyễn Công Lộc
K

TL
t
Y(t)
Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển PID tay máy Trang 24
Cách 2: Hiệu chỉnh theo phương pháp thử sai của Thomas Chen công ty
FOXBORO
Ba thông số quan trọng nhất là PID được thể hiện như sau:
P: trong lý thuyết thường thể hiện bằng hệ số tỷ lệ nhưng ngày nay trong hầu
hết các hệ thống người ta không sử dụng hệ số tỷ lệ K mà dùng một thông số khác
gọi là dải tỷ lệ (proportional band – P band). Ý nghĩa của dải tỷ lệ như sau: P band
="20%" thì với sự thay đổi 20 % giá trị đầu vào bộ điều khiển sẽ gây ra sự thay đổi
100% tín hiệu đầu ra, với P band ="500%" thì với sự thay đổi tín hiệu đo 100 % thì
tín hiệu đầu ra chỉ thay đổi có 20%. Quan hệ giữa hệ số tỷ lệ và dải tỷ lệ:
K=100/%Pband.
I: Được thể hiện theo đơn vị đo thời gian là giây. Thời gian càng nhỏ thể hiện
tác động điều chỉnh tích phân càng mạnh, ứng với độ lệch càng bé.
D: Cũng được thể hiện theo đơn vị đo thời gian là giây. Thời gian càng lớn thì
điều chỉnh vi phân càng mạnh, ứng với bộ điều chỉnh đáp ứng với thay đổi đầu vào
càng nhanh.
Rất ít các mạch điều chỉnh yêu cầu sử dụng điều chỉnh D. Hầu hết mạch điều
chỉnh PI đủ đáp ứng yêu cầu điều chỉnh. Sau đây là phương pháp xác định thông số
PI.
Bước 1: Đặt thời gian tích phân cực đại, thời gian vi phân cực tiểu. Khi đó hệ
thống chỉ điều khiển tỉ lệ. Sau đó giảm dải tỉ lệ cho đến khi dao động xuất hiện. Đo
chu kì của dao động, (khoảng thời gian giữa hai điểm cực đại hoặc cực tiểu của
dao động, ta gọi thời gian này là chu kỳ tự nhiên)
Bước 2: Đặt thời gian tích phân bằng chu kỳ tự nhiên. Quan sát chu kỳ dao động
mới, nó sẽ tăng thêm khoảng 40 ÷ 43% của chu kỳ tự nhiên. Nếu chu kỳ dao động
lớn hơn mức trên thì cần tăng thời gian tích phân.
Bước 3: Cuối cùng ta điều chỉnh dải tỷ lệ sao cho độ lệch và thời gian đạt đến ổn

định phù hợp với yêu cầu. Nguyên tắc điều chỉnh như sau dải tỷ lệ càng lớn thì độ
lệch điều chỉnh càng lớn, thời gian đạt đến ổn định càng ngắn, dải tỷ lệ càng nhỏ
thì độ lệch càng nhỏ, thời gian đạt đến ổn định càng dài.
GVHD: ThS Trần Thị Hoàng Oanh SVTH: Nguyễn Công Lộc
Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển PID tay máy Trang 25
Nghĩa là: đối với một số đối tượng có hàm truyền trong mẫu số có dạng dao
động bậc hai như K/(1+T1s)*(1+T2s), điển hình là động cơ điện DC.
Ta cấp tín hiệu đặt rồi thay đổi dần các thông số Kp, Ki, Kd cho phù hợp. Đầu
tiên, sẽ làm cho hệ thống ổn định bằng cách cho Ki, Kd bằng 0.
Sau đó tăng dần Kp lên. Khi Kp càng nhỏ thì Nyquist hệ hở càng xa điểm
(-1,j0). Hệ chắc chắn sẽ ổn định. Nhưng đổi lại, đáp ứng sẽ lâu. Mình tăng dần Kp
đến khi hệ thống bắt đầu dao động thì dừng lại. Để triệt tiêu sai số xác lập, mình sẽ
tăng dần Ki lên, nhưng đổi lại, do Ki tăng, hệ thống sẽ rất có khả năng bị vọt lố,
mình tăng cho đến khi đặc tính quá độ vọt lố chừng 10% thì dừng. Tiếp theo, mình
sẽ tăng tiếp Kd. Khi Kd tăng thì rất có thể thời gian xác lập mình dài ra hơn một
chút nhưng bù lại sẽ bù trừ được 10% vọt lố ở trên.
GVHD: ThS Trần Thị Hoàng Oanh SVTH: Nguyễn Công Lộc