BÀI GIẢNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
Các khái niệm cơ bản.
Hệ thống điều khiển và giám sát là thành phần không thể thiếu trong mỗi nhà
máy công nghiệp hiện đại(các nhà máy, xí nghiệp công nghiệp, nhà máy hoá chất, toà
nhà văn phòng ). Các hệ thống điều khiển tự động và giám sát được sử dụng trong
những lĩnh vực có các đặc thù chung được xếp vào các phạm trù khác nhau:
+
- Tự động hoá xí nghiệp; tự động hoá quá trình ( các quá trình gia công, lắp ráp
như quá trình sản xuất xi măng, quá trình đóng bao, quá trình cán thép );
- Tự động hoá toà nhà (điều khiển thang máy, nhiệt độ, lưu lượng );
- Điều khiển tự động các quá trình công nghệ (nhiệt độ, lưu lượng, áp suất, mức
trong các nhà máy chế biến khai thác, lọc hoá dầu, dầu khí, hoá chất ).
+
- Hệ thống có quá trình công nghệ liên tục
- Hệ thống có quá trình công nghệ gián đoạn.
- Hệ thống tồn tại đồng thời quá trình liên tục và gián đoạn.
I. Hệ thống có quá trình công nghệ liên tục.
Đầu vào là nguyên liệu, đầu ra là sản phẩm. Công nghệ có độ phức tạp cao, số
lượng thiết bị và tín hiệu phục vụ điều khiển lớn. Quá trình khởi động hay dừng là
thực hiện cho toàn nhà máy. Tiêu biểu là các ngành hóa chất, hóa dầu, xử lý khí, nhiệt
điện. Trong công nghệ cần điều khiển rất nhiều tham số dạng tương tự: áp suất, nhiệt
độ, lưu lượng, tốc độ, tỷ lệ các thành phần… Các tham số này có quan hệ chặt chẽ, tác
động đa chiều, biến đổi phức tạp và ảnh hưởng lớn tới chất lượng sản phẩm đầu ra.
1.1. Đặc điểm.
- Là hệ đa thông số, nhiều đầu vào ra (MIMO), nhiều mạch vòng điều chỉnh.
- Là hệ thông số rải, các thông số biến thiên lớn
- Phần lớn các đối tượng điều khiển là phi tuyến
Từ các đặc điểm trên cho thấy hệ điều khiển cho hệ thống sản xuất liên tục phải
có khả năng thực hiện các chức năng:
- Điều khiển tối ưu, thích nghi, điều khiển theo mô hình dự báo, điều khiển thông
minh.

- Điều khiển bền vững.
- Điều khiển chất lượng.
Trong lĩnh vực này hệ điều khiển duy nhất phù hợp vẫn là hệ điều khiển phân tán
(DCS-Distributed Control System) <<SCADA-Supervisory Control And Data
Acquisition>>
Ưu điểm của hệ DCS:
- Khả năng xử lý tín hiệu analog tốt (được phát triển trong môi trường xử lý hóa
chất từ các bộ điều khiển tương tự ban đầu). Hệ điều khiển có thể thực hiện
đồng thời nhiều vòng điều chỉnh, điều khiển nhiều tầng hay theo các thuật toán
điều khiển hiện đại: nhận dạng hệ thống, điều khiển thích nghi, tối ưu, bền vững
- Khả năng truyền thông: hỗ trợ nhiều giao thức truyền thông từ cấp trường đến
cấp quản lý (Profibus, Foundation, Fieldbus, Ethernet).
- Độ tin cậy cao: nhờ có khả năng dự phòng: dự phòng kép ở tất cả các thành
phần trong hệ, khả năng thay đổi chương trình, thay đổi cấu trúc hệ, thêm bớt
các thành phần mà không làm gián đoạn, không cần khởi động lại quá trình
(thay đổi online).
- Cơ sở dữ liệu có tính toàn cục và thống nhất.
- Khả năng mở rộng, tính tích hợp cao.
- Tuổi thọ ứng dụng lớn (15-20 năm).
1.2. Các phần tử cơ bản của hệ thống điều khiển.
- Phân tích: Là việc đánh giá các chỉ tiêu chất lượng của hệ thống, xét tính ổn
định của hệ.
- Thiết kế: Xác định tham số và cấu trúc dựa vào các yêu cầu thiết kế như: độ
chính xác điều khiển, độ tác động nhanh, cực tiểu năng lượng
* Hệ thống điều khiển tự động là hệ thống được xây dựng từ ba thành phần cơ
bản:
- Thiết bị điều khiển C( Controller)
- Đối tượng điều khiển O (Object)
- Thiết bị đo lường M (Mesuring Device), các bộ biến đổi.
Ngoài ra còn một số thành phần như: Cơ cấu chấp hành, các phần tử trung

gian(Rơle trung gian )
Giá trị đặt: Set Point (SP), Set Value (SV)
Tín hiệu điều khiển Control Signal, Controller Output (CO)
Biến điều khiển Control Variable, Manipulated Variable (MV) I
Biến được điều khiển Controlled Variable (CV)
Đại lượng đo Measured Variable, Process Value (PV)
Tín hiệu đo Measured Signal, Process Measurement (PM)
VD:
Nhiệt độ chất lỏng ra khỏi bình (T) được đo bằng cảm biến cặp nhiệt, tín hiệu
điện áp ra được một bộ chuyển đổi đo chuẩn (transmitter) chuyển sang tín hiệu chuẩn
dòng (4 – 20 mA) và đưa tới bộ điều khiển DCS. Tín hiệu dòng được chuyển sang
dạng số (A/D). Giá trị nhiệt độ đặt T
SP
được đặt từ trạm vận hành. So sánh giá trị đo và
giá trị đặt, chương trình điều khiển tính toán giá trị biến điều khiển theo một thuật toán
đã cài đặt. Giá trị này qua khâu D/A chuyển sang tín hiệu dòng chuẩn 4-20 mA để đưa
xuống van điều khiển (thiết bị chấp hành). Cuối cùng, tín hiệu điều khiển được chuyển
đổi qua khâu I/P thành dạng khí nén để thay đổi độ mở của van cấp dòng nóng. Lưu
lượng dòng nóng được thay đổi làm thay đổi nhiệt độ.
1.2.1. Thiết bị đo.
Chức năng của một thiết bị đo là cung cấp một tín hiệu ra tỷ lệ theo một nghĩa
nào đó với đại lượng đo. Thiết bị đo gồm hai thành phần cơ bản là cảm biến (sensor)
và chuyển đổi đo (transducer). Một bộ chuyển đổi đo chuẩn (transmitter) là bộ
chuyển đổi cho đầu ra là một tín hiệu chuẩn (1-10V; 4-20 mA, RS485).
1.2.2. Thiết bị điều khiển (Controller)
Tùy theo ngữ cảnh, một bộ điều khiển có thể hiểu là một thiết bị điều khiển đơn
lẻ (VD bộ điều khiển nhiệt độ), một khối phần mềm cài đặt trong thiết bị điều khiển
chia sẻ (PID).
Trên cơ sở các tín hiệu đo và một cấu trúc điều khiển được lựa chọn, bộ điều
khiển thực hiện thuật toán điều khiển và đưa ra các tín hiệu điều khiển để can thiệp trở

lại quá trình kỹ thuật thông qua các thiết bị chấp hành. Tùy theo dạng tín hiệu vào ra
và phương pháp thể hiện luật điều khiển, một thiết bị có thể được xếp vào loại thiết bị
điều khiển tương tự (thiết bị điều chỉnh cơ, khí nén hoặc điện tử); thiết bị điều khiển
logic(mạch rơle); thiết bị điều khiển số (PLC, DCS, PAS)
1.2.3. Thiết bị chấp hành (actuator system)
Thiết bị chấp hành nhận tín hiệu ra từ bộ điều khiển và thực hiện động tác can
thiệp tới biến điều khiển: Van điều khiển, động cơ, máy bơm, quạt gió (điều chỉnh độ
mở van để thay đổi lưu lượng cấp)
Thiết bị chấp hành bao gồm hai thành phần: cơ cấu chấp hành hay cơ cấu dẫn
động (actuator) và phần tử điều khiển: VD cơ cấu chấp hành bao gồm khâu chuyển đổi
I/P cộng với cơ cấu dẫn động khí nén còn phần tử điều khiển là thân van.
VD2.
Ví dụ hệ thống điều chỉnh tự động tốc độ quay của tuabin hơi nước. O: tuabin hơi
nước; C: Van điều chỉnh lưu lượng hơi vào; M: Cơ cấu ly tâm.
Hệ thống điều khiển tự động này nhằm duy trì tốc độ tuabin ổn định. Nếu tốc
độ tăng lên do nguyên nhân nào đó thì thông qua cơ cấu ly tâ, con trượt sẽ bị kéo lên
trên( kéo cả đầu A thông qua cánh tay đòn AB), đầu B bị ấn xuống làm van đóng bớt
để giảm luồng hơi cấp vào tuabin. Khi đó tốc độ quay giảm xuống. Khi tốc độ quay
tuabin giảm xuống thì cánh tay đòn thông qua cơ cấu ly tâm sẽ hạ đầu A xuống và
nâng đầu B lên để mở van cho luồng hơi vào nhiều hơn, tốc độ tuabin sẽ tăng.
1.3. Nhiệm vụ thiết kế (phát triển hệ thống)
ω
Tải trục
quay
Tuabin
hơi
Cơ cấu ly tâm
Hơi vào
Van
ω

1.3.1. Mô hình quá trình
1.3.1.1. Giới thiệu chung.
* Mô hình là một hình thức mô tả khoa học và cô đọng các khía cạnh thiết yếu của một
hệ thống thực, có thể sẵn có hoặc phải xây dựng. Có thể phân chia thành 2 dạng mô
hình: Mô hình vật lý (là mô hình thu nhỏ, được xây dựng trên cơ sở vật lý- hóa học
giống như các quá trình và thiết bị thực); Mô hình trừu tượng (xây dựng dựa trên cơ
sở một ngôn ngữ bậc cao nhằm mô tả một cách logic các quan hệ về mặt chức năng
giữa các thành phần của hệ thống). Việc xây dựng mô hình trừu tượng được gọi là mô
hình hóa quá trình
* Các dạng mô hình trừu tượng:
- Mô hình đồ họa: lưu đồ P&ID, sơ đồ khối, mạng Petri, biểu đồ SFC, biểu đồ logic,
máy trạng thái hữu hạn. Mô hình đồ họa phù hợp cho việc biểu diễn trực quan một hệ
thống về cấu trúc liên kết và tương tác giữa các thành phần.
- Mô hình toán học: phương trình vi phân, phương trình đại số, hàm truyền đạt,
phương trình trạng thái. Mô hình toán học thích hợp cho việc nghiên cứu sâu sắc đặc
tính của từng thành phần cũng như bản chất của các mối liên kết và tương tác.
- Mô hình suy luận: là hình thức biểu diễn thông tin và đặc tính hệ thống dưới dạng
các luật suy diễn, sử dụng các ngôn ngữ bậc cao.
- Mô hình máy tính: chương trình phần mềm mô phỏng đặc tính của hệ thống theo
những khía cạnh quan tâm. Mô hình máy tính được xây dựng với các ngôn ngữ lập
trình, trên cơ sở sử dụng các mô hình toán học hoặc mô hình suy luận.
Mô hình toán học đóng vai trò then chốt trong hầu hết các nhiệm vụ phát triển
hệ thống vì nó giúp người sử dụng các mục đích sau:
- Hiểu rõ hơn về quá trình cần điều khiển và vận hành
- Tối ưu hóa thiết kế công nghệ và điều kiện vận hành hệ thống.
- Thiết kế sách lược và cấu trúc điều khiển.
- Chọn bộ điều khiển và xác định tham số điều khiển
- Phân tích và kiểm chứng kết quả thiết kế.
- Mô phỏng trên máy tính phục vụ đào tạo vận hành.
1.3.1.2. Phân loại mô hình toán học

* Mô hình tuyến tính và mô hình phi tuyến.
Mô hình được gọi là tuyến tính khi quan hệ giữa các tín hiệu vào/ra của nó thỏa
mãn nguyên lý xếp chồng.
Nếu M(u) là một toán tử tuyến tính và u
1
và u
2
là hai biến độc lập thì:
M(u
1
+ u
2
) = M(u
1
) + M(u
2
)
Ngược lại chỉ cần bất cứ một quan hệ vào/ra nào không thỏa mãn nguyên lý xếp
chồng thì mô hình được gọi là phi tuyến.
Có thể nói tất cả các quá trình thực đều có tính phi tuyến, tuy nhiên với mức độ
khác nhau. Đối với đa số quá trình công nghiệp, nếu chỉ quan tâm tới các tín hiệu vào
nằm trong một dải hẹp nào đó, một mô hình tuyến tính xấp xỉ hoàn toàn có thể đáp
ứng được các yêu cầu sử dụng. Ưu điểm của mô hình tuyến tính là đơn giản cho phân
tích và thiết kế điều khiển. Chỉ khi nào mô hình tuyến tính không đáp ứng được yêu
cầu chất lượng đặt ra hoặc bậc của mô hình quá cao không còn đơn giản nữa thì mới
nên sử dụng mô hình phi tuyến.
* Mô hình đơn biến và mô hình đa biến.
- Mô hình biểu diễn quan hệ giữa một biến vào và một biến ra (SISO)
- Mô hình biểu diễn quan hệ giữa nhiều biến vào và nhiều biến ra (MIMO)
Xây dựng cũng như sử dụng mô hình đơn biến có ưu điểm là đơn giản, được hỗ

trợ bởi nhiều công cụ phân tích và thiết kế kinh điển, vì vậy đa số phương pháp điều
khiển quá trình hiện tại được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp đều dựa trên mô hình
đơn biến. Một số lớp mô hình đơn giản: là các khâu quán tính (bậc nhất, bậc hai, có trễ
hoặc không trễ), quán tính - tích phân và dao động bậc hai. Tuy nhiên trong quá trình
thực tế, sự tương tác chéo giữa các biến vào/ra gây nhiều khó khăn trong việc chỉnh
định tham số của các bộ điều khiển. Với sự hỗ trợ của máy tính điều khiển hiệu năng
cao, các phương pháp điều khiển hiện đại gần đây được quan tâm nhiều hơn và vì thế
vai trò của mô hình đa biến ngày càng trở nên quan trọng.
* Mô hình tham số hằng và mô hình tham số biến thiên
Quan hệ giữa các đại lượng đặc trưng của một quá trình có thể thay đổi theo
thời gian, theo điểm làm việc và theo tác động của nhiễu, nói chung là theo thời gian.
Một mô hình có quan tâm phản ánh sự thay đổi này chắc chắn sẽ có các tham số phụ
thuộc thời gian và được gọi là mô hình tham số biến thiên. Ngược lại, nếu sự phụ
thuộc vào thời gian là không đáng kể hoặc ta chỉ quan tâm đến một khoảng thời gian
ngắn thì có thể sử dụng mô hình tham số hằng. Hầu hết các phương pháp phân tích
và thiết kế điều khiển quá trình chỉ dừng lại ở mô hình tham số hằng, chấp nhận sự bất
định và tìm giải pháp theo hướng khác (điều khiển thích nghi, điều khiển bền vững). Ở
đây chỉ quan tâm tới các mô hình tuyến tính tham số hằng (LTI – Linear Time
Invariant)
* Mô hình tham số tập trung và tham số rải
Giá trị của một biến không chỉ thay đổi theo thời gian mà còn thay đổi theo
không gian. Tại một thời điểm nhất định giá trị đo phụ thuộc vào điểm đặt thiết bị đo.
- Mô hình biểu diễn tính chất phân bố theo không gian được gọi là mô hình tham số
rải (nhiệt độ tại phòng ) y = M (u,t,z)
- Mô hình không quan tâm tới sự phân bố này được gọi là mô hình tham số tập
trung
y = M(u,t)
* Mô hình liên tục và mô hình gián đoạn
- Mô hình liên tục (continuous-time model): mô tả quan hệ giữa các biến quá trình
liên tục theo thời gian (các tín hiệu sử dụng trong mô hình là các hàm liên tục theo thời

gian). (phương trình vi phân, mô hình trạng thái, mô hình đáp ứng quá độ, mô hình
hàm truyền đạt, mô hình đáp ứng tần số)
- Mô hình gián đoạn (discrete-time model): Chỉ phản ánh đặc tính quá trình tại
những thời điểm nhất định (gọi là thời điểm quan sát) (Phương trình sai phân, mô hình
trạng thái, mô hình đáp ứng quá độ, mô hình hàm truyền đạt gián đoạn)
1.3.1.3. Phương pháp xây dựng mô hình toán học
- Mô hình hóa bằng lý thuyết: đi từ các định luật cơ bản của vật lý và hóa học kết
hợp các thông số kỹ thuật của thiết bị công nghệ, kết quả nhận được là phương trình vi
phân và phương trình đại số.
- Mô hình hóa bằng thực nghiệm (phương pháp hộp đen hay nhận dạng quá
trình): Dựa trên thông tin ban đầu về quá trình, quan sát tín hiệu vào-ra thực nghiệm
và phân tích các số liệu thu được để xác định cấu trúc và tham số mô hình từ một lớp
mô hình thích hợp.
Cách thức xây dựng mô hình lý thuyết phụ thuộc rất nhiều vào quá trình cụ thể,
đòi hỏi rất nhiều kinh nghiệm, công sức và thời gian. Thực tế khó có thể xây dựng
được một mô hình lý thuyết phản ánh đầy đủ động học của quá trình.
Phương pháp xây dựng mô hình bằng thực nghiệm có ưu điểm cho phép xác
định tương đối chính xác các tham số mô hình trong trường hợp cấu trúc mô hình đã
biết trước. Các công cụ phần mềm hỗ trợ rất mạnh chức năng nhận dạng trực tuyến
cũng như ngoại tuyến. Tuy nhiên pp này phụ thuộc rất nhiều vào độ tin cậy của các
phép đo, việc tiến hành thực nghiệm để lấy số liệu gặp nhiều khó khăn vì nhiều lý do
như: khả năng thực thi, điều kiện rang buộc, ảnh hưởng của nhiễu.
Phương pháp mô hình hóa tốt nhất là kết hợp giữa phân tích lý thuyết và nhận
dạng quá trình. Phân tích quá trình để tìm ra cấu trúc của mô hình, sau đó tiến hành
nhận dạng để xác định các tham số của mô hình.
1.3.1.4. Nhận dạng quá trình
- Phương pháp xây dựng mô hình toán học trên cơ sở các số liệu vào/ra thực nghiệm
được gọi là mô hình hóa thực nghiệm hay nhận dạng hệ thống.
* Các bước tiến hành:
- Thu thập, khai thác thông tin ban đầu về quá trình.

- Lựa chọn phương pháp nhận dạng
- Tiến hành lấy số liệu thực nghiệm cho từng cặp biến vào/ra.
- Xác định các tham số mô hình
- Mô phỏng, kiểm chứng và đánh giá mô hình
* Phân loại phương pháp nhận dạng
+ Nhận dạng chủ động và nhận dạng bị động:
- Nhận dạng chủ động: tín hiệu vào được chủ động lựa chọn và kích thích (tín
hiệu bậc thang, dao động điều hòa, xung ngẫu nhiên).
- Nhận dạng bị động: Phương pháp chủ động có thể không khả thi đối với các hệ
thống đang vận hành ổn định không cho phép bất cứ sự can thiệp nào ảnh
hưởng tới chất lượng sản phẩm. Khi đó phải sử dụng các số liệu vào/ra vận
hành thực và được gọi là phương pháp nhận dạng bị động
+ Nhận dạng vòng hở và nhận dạng vòng kín
- Nhận dạng vòng hở (open-loop identification): Mô hình của quá trình có thể
được xác định một cách trực tiếp trên cơ sở tiến hành thực nghiệm và tính toán
với các tín hiệu vào/ra của nó. Tuy nhiên, đối với các quá trình công nghiệp
điều này gặp nhiều trở ngại vì việc chủ động đưa tín hiệu trực tiếp với biên độ
lớn có thể làm cho các thông số của quá trình vượt quá giới hạn cho phép và
ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm.
- Nhận dạng vòng kín: Sử dụng bộ phản hồi đơn giản nhằm duy trì hệ thống
trong một giới hạn cho phép.
+ Nhận dạng trực tuyến và nhận dạng ngoại tuyến:
- Nhận dạng trực tuyến (online): Nếu mô hình cần xây dựng phục vụ chỉnh định
trực tuyến và liên tục hoặc phục vụ tối ưu hóa thời gian thực hệ thống điều
khiển, các tham số cần cập nhật liên tục.
- Nhận dạng ngoại tuyến (off-line): Mô hình được tính toán tách biệt với quá
trình thu thập dữ liệu .
a. Các phương pháp nhận dạng dựa trên đáp ứng quá độ.
Các loại đường cong đáp ứng quá độ tiêu biểu của các quá trình công nghiệp
không có trễ. Có thể áp dụng một trong những phương pháp thích hợp dưới đây:

- Đặc tính quán tính: có thể xấp xỉ thành mô hình quán tính bậc nhất hoặc bậc hai
có trễ.
- Đặc tính dao động tắt dần: Xấp xỉ thành mô hình dao động bậc hai.
- Đặc tính tích phân: xấp xỉ thành mô hình quán tính bậc nhất hoặc bậc hai có trễ
cộng thêm thành phần tích phân.
* Mô hình quán tính bậc nhất có trễ
Phần lớn các quá trình công nghiệp có đáp ứng quá độ nhanh tắt dần hình S. Một mô
hình quán tính bậc cao là phù hợp nhất. Tuy nhiên một mô hình bậc cao thường gây
khó khăn trong thiết kế các luật điều khiển đơn giản như PID. Để giải quyết vấn đề
này có thể thực hiện phép xấp xỉ để đưa về mô hình quán tính bậc 1 với một khâu trễ
Thời gian trễ thực của một hệ thống có thể xác định riêng rẽ và sau đó cộng với trễ xấp
xỉ. Do đó chỉ cần quan tâm tới bài toán xấp xỉ một khâu quán tính bậc cao không có trễ
về một mô hình quán tính bậc nhất có trễ FOPDT (first-order plus dead time). Mô
hình FOPDT có hàm truyền đạt:
s
e
s1
k
)s(G
θ−
τ+
=
Trong đó k là hệ số khuếch đại tĩnh;
τ
là hằng số thời gian (process lag);
θ
là thời
gian trễ xấp xỉ.
* Phương pháp kẻ tiếp tuyến (một điểm quy chiếu)
- Kẻ đường tiệm cận với đường cong tại trạng thái xác lập để xác định hệ số khuếch

đại k.
- Kẻ tiếp tuyến tại điểm đường cong có độ dốc lớn nhất để xác định
θ
.
- Xác định điểm trên đường cong tương ứng với giá trị 0.632
∞
∆y
cho giá trị
θ+τ
(vì
với khâu quán tính bậc nhất có trễ thì sau thời gian
θ+τ
thay đổi đầu ra đúng bằng
0.632
∞
∆y
)
Có thể thấy, việc kẻ tiếp tuyến để ước lượng các tham số của mô hình mang
tính cảm nhận chủ quan, thiếu chính xác và khó thực thi trên máy tính, vì thế trong
thực tế ít sử dụng pp này.
* PP hai điểm quy chiếu
Để khắc phục một phần nhược điểm trên, có thể sử dụng pp hai điểm quy chiếu tương
ứng các giá trị 0.283
∞
∆y
và 0.632
∞
∆y
)tt(5.1
12

−=τ
τ−=−=θ
221
t)3/tt(5.1
+ PP diện tích
b. Phương pháp dựa trên đáp ứng tần số
c. Phương pháp bình phương tối thiểu (LS-Least square)
- Bài toán nhận dạng được đưa về bài toán tối ưu với hàm mục tiêu cần cực tiểu
là tổng bình phương sai lệch.
- PP bình phương tối thiểu có thể áp dụng cho nhận dạng các hệ phi tuyến cũng
như tuyến tính, trên miền thời gian cũng như miền tần số, nhận dạng trực tuyến cũng
như ngoại tuyến.
* Nguyên lý bình phương tối thiểu
Quá trình được mô tả bằng một mô hình toán học:
θϕ=θϕ++θϕ+θϕ= )t()t( )t()t()t(y
i
T
nn221ii
Trong đó: y(t
i
) là giá trị quan sát được tại thời điểm t
i
;
θ
là vector tham số của mô
hình cần xác định.
T
n21
] [ θθθ=θ
j

ϕ
là các hàm biết trước (ví dụ dãy giá trị biến vào hoặc biến ra)
])t()t()t([)t(
ini2i1i
T
ϕϕϕ=ϕ
được gọi là vector hồi quy, và các phần tử của
nó được gọi là biến hồi quy
Bài toán nhận dạng được đưa về bài toán xác định các tham số của mô hình sao
cho sai lệch giữa các giá trị quan sát thực và các giá trị tính toán theo mô hình ước
lượng là nhỏ nhất. Tiêu chuẩn thông dụng nhất được sử dụng để đánh giá mức độ sai
lệch này dựa trên tổng bình phương của từng giá trị sai lệch. Nghĩa là vector tham số
θ
cần được chọn nhằm tối thiểu hóa hàm mục tiêu cho một khoảng thời gian quan sát
[t
1
,t
N
]:
∑∑
==
θϕ−=−=θ
N
0i
2
i
T
i
N
1i

2
iiN
))t()t(y())t(y
ˆ
)t(y()t,(V
Đặt :












ϕϕϕ
ϕϕϕ
ϕϕϕ
=















ϕ
ϕ
ϕ
=Φ
)t()t()t(
)t()t()t(
)t()t()t(
)t(
)t(
)t(
NnN2N1
2n2221
1n1211
N
T
2
T
1
T


















=ψ
)t(y
)t(y
)t(y
N
2
1

Có thể viết thành:
ψ=θΦ
Bài toán nhận dạng được biểu diễn thành bài toán tìm nghiệm “tối ưu” của hệ
phương trình tuyến tính trên.
* Ước lượng tham số mô hình FIR (Finite Impulse Response-Mô hình đáp ứng xung
hữu hạn)
* Ước lượng tham số mô hình ARX (Auto-Regressive with eXogenous input)
- Mô hình tự hồi quy có xét ảnh hưởng của nhiễu.
* Ước lượng tham số mô hình liên tục SOPDT (second-oder plus dead-time)
1.3.2. Các cấu trúc điều khiển cơ sở

Sau khi xây dựng xong mô hình toán học để làm rõ bài toán điều khiển, bước
tiếp theo là phải thiết kế điều khiển. Thiết kế điều khiển bao gồm hai bước: thiết kế
cấu trúc điều khiển và thiết kế bộ điều khiển.
Cấu trúc điều khiển (sách lược điều khiển) thể hiện quan hệ về mặt cấu trúc
giữa các biến chủ đạo (giá trị đặt), biến đo và biến điều khiển thông qua các bộ điều
khiển và các phần tử cấu hình hệ thống khác (VD khâu tính toán, lựa chọn, bù trễ, tách
kênh….)
1.3.2.1. Điều khiển truyền thẳng
* Đặc điểm: Số biến nhiễu quá trình được đo và đưa tới bộ điều khiển. Dựa trên các
giá trị đo và giá trị đặt, bộ điều khiển tính toán đưa ra giá trị cho biến điều khiển
Cấu trúc tổng quát của điều khiển truyền thẳng
r: biến chủ đạo, giá trị đặt G: Mô hình đối tượng
y: đầu ra G
d
: Mô hình nhiễu
u: biến điều khiển K: Khâu truyền thẳng
d: nhiễu quá trình K
d
: Khâu bù nhiễu
Cấu hình song song.
Tương ứng với hai thành phần G và G
d
của mô hình quá trình, bộ điều khiển
cũng bao gồm hai khâu: khâu truyền thẳng K và khâu bù nhiễu G
d
Khâu tuyền thẳng có nhiệm vụ tạo sự cân bằng giữa biến cần điều khiển y và
giá trị đặt r cho trường hợp không có nhiễu, trong khi khâu bù nhiễu có nhiệm vụ loại
bỏ ảnh hưởng của nhiễu quá trình đo được. Dễ thấy, để có đáp ứng lý tưởng y = r, bộ
điều khiển phải có:




−=
=
−
−
)s(G)s(G)s(K
)s(G)s(K
d
1
d
1
Thật vậy, giả sử hàm tuyền đạt K(s) = G
-1
(s) khả thi, hệ thống sẽ cho đáp ứng:
rdG)dGGrG(GdG)dKKr(GdGGuy
dd
11
ddd
=+−=++=+=
−−
* Tính chất:
- Ưu điểm: Khả năng loại bỏ nhiễu trước khi nó kịp ảnh hưởng xấu đến quá trình
- Nhược điểm: Cần phải biết rõ thông tin về quá trình và ảnh hưởng của nhiễu
Khi mô hình quá trình hoàn toàn chính xác và hàm truyền đạt G
-1
(s) khả thi, bộ
điều khiển truyền thẳng lý tưởng sẽ cho biến y bám chặt biến chủ đạo r. Tuy nhiên, mô
hình đối tượng và mô hình nhiễu không bao giờ chính xác nên luôn tồn tại sai lệch
tĩnh. Một bộ điều khiển truyền thẳng không có khả năng ổn định một quá trình không

ổn định.
Một số bài toán điều khiển đơn giản, chủ yếu là cho những quá trình ổn định,
yêu cầu chất lượng vừa phải có thể sử dụng bộ điều khiển truyền thẳng. VD trong một
số quá trình trộn, từ thông số chất lượng mong muốn người ta có thể tính toán trực tiếp
khối lượng/lưu lượng các thành phần cấp liệu.
Điều khiển tỷ lệ là một cấu trúc đặc biệt của điều khiển truyền thẳng.
1.3.2.2. Điều khiển phản hồi
Điều khiển phản hồi (feedback control) dựa trên nguyên tắc liên tục đo giá trị
đầu ra và phản hồi thông tin về bộ điều khiển. Vì cấu trúc khép kín này, điều khiển
phản hồi còn được gọi là điều khiển vòng kín (Closed-loop Control).
* Cấu trúc cơ bản
Cấu hình điều khiển một bậc tự do:
r: biến chủ đạo e
m
: sai lệch điều khiển quan sát được
u: biến điều khiển n: nhiễu đo
d: nhiễu quá trình y
m
: giá trị đo
* Vai trò của điều khiển phản hồi
Xét cấu hình điều khiển một bậc tự do. Đáp ứng đầu ra:
dG
GK1
1
)nr(
GK1
GK
y
)s(d)s(G))s(n)s(r)(s(K)s(G)s(y))s(K)s(G1(
)s(d)s(G))s(n)s(y)s(r)(s(K)s(G)s(d)s(G)s(u)s(G)s(y

d
ST
d
dd

+
+−
+
=⇒
+−=+⇔
+−−=+=
Như đã biết từ cơ sở điều khiển tự động, điều kiện ổn định của một hệ tuyến tính là
toàn bộ điểm cực của nó phải nằm bên trái trục ảo trên mặt phẳng phức (phần thực
âm). Từ biểu thức trên nhận thấy đa thức đặc tính của hệ kín được quyết định bởi biểu
thức 1 + GK. Giả sử G và K là các phân thức hữu tỷ:
)s(A
)s(B
)s(K;
)s(A
)s(B
)s(G
c
c
==
Sẽ có:
cc
c
BBAA
AA
GK1

1
+
=
+
Đa thức mẫu số chính là đa thức đặc tính của hệ kín. Như vậy nếu K được tính
toán thích hợp sẽ có tác dụng dời toàn bộ các điểm cực không ổn định (nếu có) của G
sang bên trái trục ảo và qua đó hệ kín ổn định. Điều khiển phản hồi là cách duy nhất để
ổn định một quá trình không ổn định.
* Các vấn đề của điều khiển phản hồi
- Một bộ điều khiển phản hồi có thể ổn định một đối tượng không ổn định, song một
vòng điều khiển kín chứa một đối tượng ổn định cũng có thể trở nên mất ổn định. Nếu
bộ điều khiển được thiết kế không cẩn thận, nhất là khi mô hình quá trình không chính
xác thì hệ thống dễ dàng mất ổn định.
- Để đạt được chất lượng thì phép đo đại lượng phản hồi phải có độ chính xác nhất
định
- Không giải quyết được hoàn toàn vấn đề về sai lệch mô hình
- Bộ điều khiển phản hồi làm việc trên nguyên tắc phản ứng, nghĩa là chỉ khi ảnh
hưởng của nhiễu đã thể hiện rõ trong giá trị đầu ra thì nó mới được tác động trở lại.
Nhiều quá trình có tính động học chậm (quá trình nhiệt), ảnh hưởng của nhiễu phải sau
một thời gian khá lớn mới có thể quan sát được. Như vậy trước khi bộ điều khiển kịp
thời đưa ra tác động điều chỉnh thì chất lượng sản phẩm đầu ra đã bị ảnh hưởng rồi
- Việc thiết kế và chỉnh định bộ điều khiển để đồng thời thỏa mãn tất cả các yêu cầu
đặt ra rất phức tạp
1.3.2.3. Điều khiển tỷ lệ (ratio control)
Điều khiển tỷ lệ là duy trì tỷ lệ giữa hai biến tại một giá trị đặt nhằm gián tiếp
điều khiển một biến thứ ba
Đầu ra: T và lưu lượng w. Bài toán đặt ra là lựa chọn vị trí đặt thiết bị đo và
thiết kế sách lược điều khiển sao cho đơn giản và hợp lý nhất. Giả sử hai dòng chảy
cùng chất:
2211

21
TwTwwT
www
+=
+=
Mô hình thể hiện tính tương tác cao giữa các quá trình. Cụ thể, thay đổi w
1
hoặc
w
2
đều làm ảnh hưởng tới w và T. Nếu chênh lệch giữa T
1
và T
2
so với T không khác
nhau nhiều thì mức độ ảnh của w
1
và w
2
tới các biến ra cũng tương đương. Như vậy
nếu sử dụng cấu trúc điều khiển vòng đơn thì việc lựa chọn cặp đôi các biến vào/ra sẽ
gặp khó khăn. Biện pháp đơn giản và hiệu quả là chọn một biến dẫn xuất là biến được
điều khiển thay cho nhiệt độ T. Nếu chọn y = w
1
/w

thì quan hệ giữa T và y sẽ là tuyến
tính:
)TT(yTT)y1(yTT
21221

−+=−+=
Bài toán điều khiển nhiệt độ trở thành bài toán điều khiển tỷ lệ (lưu lượng). Nếu
coi T
1
và T
2
là cố định và biết trước (hoặc đo được), Ta có thể xác định giá trị đặt y:
21
2sp
sp
TT
TT
y
−
−
=
Các phương trình mô hình được viết lại như sau:
)2(w/wy
)1(www
1
21
=
+=
Bài toán điều khiển quá trình hai vào hai ra này được tách thành hai bài toán
điều khiển quá trình đơn biến có mô hình (1) và (2). Bài toán thứ nhất là điều khiển
lưu lượng với đầu ra w, đầu vào w
2
còn w
1
được coi là nhiễu (sử dụng cấu trúc phản

hồi kết hợp với bù nhiễu). Bài toán thứ hai là điều khiển tỷ lệ lưu lượng, đầu ra là y,
vào là w
1
, w được coi là nhiễu. Chỉ cần hai biến nhiễu được đo và bù hợp lý thì giữa
hai vòng điều khiển không còn tương tác.
1.3.2.4. Điều khiển tầng (cascade control)
Là một cấu trúc mở rộng của điều khiển phản hồi vòng đơn. Tư tưởng chính
của điều khiển tầng là phân cấp điều khiển nhằm loại bỏ của nhiễu ngay tại nơi nó phát
sinh.
- Cấu trúc của điều khiển tầng
Một cấu trúc điều khiển tầng có thể bao gồm hai hoặc nhiều vòng điều khiển
trong đó có ít nhất một vòng điều khiển phản hồi. Trong bất cứ trường hợp nào, bộ
điều khiển thứ cấp cũng phải nhanh hơn bộ điều khiển sơ cấp.
Cấu trúc thứ nhất(nối tiếp): có hai giá trị đo phản hồi về hai bộ điều khiển
nhưng chỉ có một biến điều khiển u
2
. Đầu ra u
1
của bộ điều khiển sơ cấp đòng vai trò
giá trị đặt cho bộ điều khiển thứ cấp. Giả sử có nhiễu tác động lên quá trình và ảnh
hưởng của nó có thể nhận biết nhanh hơn qua một biến đo khác (y
2
), bộ điều khiển thứ
cấp sẽ có tác dụng loại trừ hoặc giảm đáng kể ảnh hưởng của nó tới đầu ra thực y
1
. Bộ
điều khiển sơ cấp có chức năng đáp ứng với giá trị đặt thay đổi và loại trừ ảnh hưởng
của những nguồn nhiễu còn lại. Nói cách khác, vòng điều khiển ngoài có nhiệm vụ
phản ứng với mệnh lệnh phía trên (giá trị đặt) và với nhiễu mang tính toàn cục, còn
vòng điều khiển trong có trách nhiệm với nhiễu cục bộ.

Cấu trúc thứ hai (song song-khống chế đầu vào): có mục đích khống chế giá trị
của biến điều khiển thứ cấp (u
2
) tại một giá trị đặt r
u2
. Ở đây có hai biến vào nhưng chỉ
có một biến được đo.
VD: Sử dụng vòng điều khiển lưu lượng là vòng thứ cấp. Vòng điều khiển ngoài có
thể là vòng điều khiển nhiệt độ, nồng độ hoặc mức. Quá trình dòng chảy thường có
đặc tính động học nhanh hơn nhiều so với các quá trình liên quan tới nhiệt độ, nồng
độ, mức, vì thế việc đưa một vòng điều chỉnh bên trong vào để loại bỏ sớm ảnh hưởng
của nhiễu góp phần cải thiện rõ rệt chất lượng và tốc độ đáp ứng của hệ kín.
- Ứng dụng của bộ điều khiển tầng:
+ Cải thiện khả năng loại bỏ nhiễu cục bộ
+ Giảm độ quá điều chỉnh
+ Cải thiện tính ổn định của toàn hệ kín
+ Nâng cao tính bền vững của hệ kín
1.3.2.5. Điều khiển suy diễn
Trong nhiều bài toán, biến cần điều khiển chưa chắc đã dễ điều khiển trực tiếp
vì các lý do:
- Quan hệ vào/ra có tính phi tuyến mạnh
- Phép đo đầu ra không chính xác hoặc rất chậm so với động học của quá trình
- Bản than động học của quá trình rất chậm, ảnh hưởng của nhiễu chậm được
phản ánh.
Để khắc phục có thể sử dụng cấu trúc bù nhiễu hoặc điêu khiển suy diễn.
Điều khiển suy diễn:
- Sử dụng một mô hình toán học hoặc mô hình suy diễn để tính toán, suy diễn
giá trị đầu ra từ một số đại lượng đo được khác. Khâu tính toán, suy diễn này còn được
gọi là cảm biến mềm.
- Lựa chọn một biến trung gian dễ điều khiển hơn có quan hệ mật thiết với đầu

ra, sao cho từ giá trị biến trung gian này ta có thể suy ra giá trị gần đúng của đầu ra.
1.3.2.6. Điều khiển phân vùng (Split-range control)
- Được sử dụng khi hệ thống có một đầu ra nhưng nhiều đầu vào (hoặc nhiều
phần tử chấp hành), trong đó mỗi biến điều khiển có ảnh hưởng lớn nhất trong một
phạm vi riêng (VD việc thay đổi một dòng hơi chỉ có tác dụng làm nóng ít hay nhiều
chứ không có khả năng làm lạnh một đối tượng).
VD: Bình thường, nhiệt độ phản ứng có thể được kiểm soát bởi một dòng nước lạnh
qua lớp vỏ bọc. Để tăng tốc độ đáp ứng, bộ điều khiển thường được chỉnh định để đặc
tính quá độ của hệ thống có một độ quá điều chỉnh nhất định, điều này có thể dẫn đến
nhiệt độ phản ứng có lúc có thể xuống thấp gây ảnh hưởng xấu đến quá trình. Vì thế
cần một dòng hơi nước có thể nhanh chóng đưa nhiệt độ phản ứng trở lại giá trị mong
muốn.
1.3.2.7. Điều khiển lựa chọn
1.3.3. Các bộ điều khiển phản hồi.
1.3.3.1. Bộ điều khiển hai vị trí (on-off)



>
<
=
0e,u
0e,u
u
mã
min
(Van đóng mở hoàn toàn, máy bơm dừng, chạy)
Nhược điểm: Tín hiệu điều khiển thường xuyên thay đổi giữa hai giá trị (hiện
tượng bang-bang), dẫn đến phá hỏng thiết bị. Để khắc phục người ta đưa vào một dải
chết:






δ+≤≤δ−
δ+>
δ−<
=
e,u
e,u
e,u
u
max
min
Ưu điểm: chi phí thấp, đơn giản.
1.3.3.2. Bộ điểu khiển P
Là bộ điều khiển thông dụng nhất vì các lý do sau
- Cấu trúc và nguyên lý hoạt động đơn giản, dễ hiểu, dễ sử dụng
- Có nhiều phương pháp và công cụ mạnh hỗ trợ chỉnh định các tham số của bộ
điều khiển.
- Các luật P, PI, PID thích hợp cho phần lớn các quá trình công nghiệp.
Bộ điều khiển P (điều khiển khuếch đại tỷ lệ), hàm truyền:
K
p
(s) = k
c
k
c
: hệ số khuếch đại của bộ điều khiển

Tác dụng:
- Cải thiện tốc độ đáp ứng của hệ thống, có vai trò chính trong giai đoạn đầu
của quá trình quá độ.
- Chọn hệ số khuếch đại quá lớn có thể gây mất ổn định, làm cho hệ nhạy cảm
với nhiễu.
1.3.3.3. Bộ điều khiển PI
Tác động tích phân đưa ra tín hiệu tỷ lệ với tích lũy của sai lệch điều khiển
quan sát được e(t)
Biểu diễn:
)d)(e
1
)t(e(ku)t(u
t
0
i
c
∫
ττ
τ
++=
Trong đó:
i
τ
là thời gian tích phân (integral time, reset time);
u
: là giá trị đầu ra
của bộ điều khiển tại thời điểm t = 0. Coi như hệ thống lúc đầu ở trạng thái xác lập,
hàm truyền:
)
s

1
1(k
)s(e
)s(u
K
i
cPI
τ
+==
Khi nào sai lệch điều khiển chưa đến tiệm cận tới không thì tín hiệu điều khiển
sẽ còn thay đổi trong một thời gian và hệ thống chưa thể đến được trạng thái xác lập.
Thời gian tích phân càng nhỏ thì tác động tích phân càng lớn, tức là thông thường sai
lệch điều khiển càng nhanh chóng bị triệt tiêu.
1.3.3.4. Bộ điều khiển PID lý tưởng
)
dt
)t(de
d)(e
1
)t(e(ku)t(u
d
t
0
i
c
τ+ττ
τ
++=
∫
Trong đó:

- k
c
: hệ số khuếch đại của bộ điều khiển (controller gain)
-
i
τ
là thời gian tích phân (integral time, reset time)
-
d
τ
là thời gian vi phân (derivative time, rate time)
)s
1
1(k
)s(e
)s(u
K
d
i
cPID
τ+
τ
+==
Thuật toán PID mở rộng thêm thành phần vi phân nhằm cải thiện đặc tính động
học của hệ thống. Thành phần vi phân tỷ lệ với e(t) và de(t). Bản chất của tác động vi
phân là đoán trước chiều hướng và tốc độ thay đổi của đầu ra để đưa ra phản ứng thích
hợp, nên có tác dụng làm tăng tốc độ đáp ứng của hệ kín với thay đổi của giá trị đặt
hoặc tác động của nhiễu tải. Khi hệ tiến tới trạng thái xác lập thì thành phần này không
còn tác dụng nữa
1.3.4. Các phương pháp chỉnh định tham số cho bộ điều khiển

Các phương pháp chỉnh định tham số cho bộ PID
- Phương pháp dựa trên đặc tính: sử dụng một số đặc điểm của quá trình và tính toán
các tham số cho bộ điều khiển để thu được đặc tính vòng kín mong muốn. Các đặc
điểm của quá trình có thể nhận được từ đáp ứng thời gian hoặc đáp ứng tần số Tiêu
biểu là các pp dựa trên đáp ứng bậc thang, đặc tính dao động tới hạn, phương pháp tự
chỉnh phản hồi rơle.
- Các phương pháp mô hình mẫu: Tổng hợp bộ điều khiển dựa trên mô hình toán học
của quá trình và mô hình mẫu của hệ kín hoặc hệ hở (tổng hợp trực tiếp, chỉnh định
lamda, xấp xỉ đặc tính tần…)
- Các phương pháp nắn đặc tính tần: Sử dụng mô hình hàm truyền đạt hoặc mô hình
đáp ứng tần số của quá trình và tính toán các khâu bù cho đường đặc tính tần số của hệ
hở hoặc hệ kín đạt được các chỉ tiêu thiết kế trên miền tần số như dải thông số, độ dự
trữ biên pha, biên độ đỉnh hàm nhạy.
- Các phương pháp tối ưu tham số: sử dụng mô hình toán học của quá trình và xác
định tham số của bộ điều khiển bằng cách cực tiểu hóa/ cực đại hóa một tiêu chuẩn
chất lượng.
- Các phương pháp dựa trên luật kinh nghiệm: chỉnh định mờ, mạng nơron
1.3.5. Viết chương trình điều khiển
Thiết kế chương trình giao diện điều khiển, giám sát, chương trình điều khiển với các
ngôn ngữ lập trình:C, Visual C, Visual Basic, Win CC
II. Hệ thống có quá trình công nghệ gián đoạn.
Điều khiển tự động hệ thống với PLC (Programmable Logic Controller)
Một PLC thường có các modul phần cứng sau:
- Modul nguồn
- Modul đơn vị xử lý trung tâm
- Modul bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu
- Modul đầu vào
- Modul đầu ra
- Modul phối ghép (hỗ trợ cho vấn đề truyền thông nội bộ)
- Modul chức năng (Hỗ trợ cho vấn đề truyền thông mạng)

Một số nhóm PLC phổ biến hiện nay:
- Siemens: CPU S7_200 (21x: 210, 212, 214, 216 ; 22x: 221, 222, 224, 226 );
CPU S7 300; CPU S7 400
- Mitsubishi
- Omron
- ABB
- GE Fanuc
Họ PLC S7 200 của hãng Siemens:
S7-200 CPU Order Number
CPU 221 DC/DC/DC 6 Inputs/ 4 Outputs 6ES7 211-0AA23-0XB0
CPU 221 AC/DC/Relays 6 Inputs/ 4 Relays 6ES7 211-0BA23-0XB0
CPU 222 DC/DC/DC 8 Inputs/ 6 Outputs 6ES7 212-1AB23-0XB0
CPU 222 AC/DC/Relay 8 Inputs/ 6 Relays 6ES7 212-1BB23-0XB0
Bộ nhớ
chương
trình
Panel
lập trình,
vận hành,
giám sát
Bộ nhớ
dữ liệu
Nguồn
Khối ngõ vào
Khối ngõ ra
Quản
lý
việc
phối
ghép

Đơn vị
xử lý
trung tâm
Hình 1.3. Mô hình tổng quát của PLC
CPU 224 DC/DC/DC 14 Inputs/ 10 Outputs 6ES7 214-1AD23-0XB0
CPU 224 AC/DC/Relays 14 Inputs/ 10 Relays 6ES7 214-1BD23-0XB0
CPU 224XP DC/DC/DC 14 Inputs/ 10 Outputs 6ES7 214-2AD23-0XB0
CPU 224XP AC/DC/Relays 14 Inputs/ 10 Relays 6ES7 214-2BD23-0XB0
CPU 226 DC/DC/DC 24 Inputs/ 16 Outputs 6ES7 216-2AD23-0XB0
CPU 226 AC/DC/Relays 24 Inputs/ 16 Relays 6ES7 216-2BD23-0XB0
Các thông số về điện áp nguồn và I/O
Order
Number
CPU
Model
Power
Supply
(Nominal)
Digital
Inputs
Digital
Outputs
Comm
Ports
Analog
Inputs
Analog
Outputs
Removable
Connector

6ES7 211-
0AA23-
0XB0
CPU
221
24VDC 6 x
24VDC
4 x 24
VDC
1 No No No
6ES7 211-
0BA23-
0XB0
CPU
221
120 to
240VAC
6 x
24VDC
4 x 24
Relay
1 No No No
6ES7 212-
1AB23-
0XB0
CPU
222
24VDC 8 x
24VDC
6 x 24

VDC
1 No No No
6ES7 212-
1BB23-
0XB0
CPU
222
120 to
240VAC
8 x
24VDC
6 x 24
Rel ay
1 No No No
6ES7 214-
1AD23-
0XB0
CPU
224
24VDC 14 x
24VDC
10 x 24
VDC
1 No No Yes
6ES7 214-
1BD23-
0XB0
CPU
224
120 to

240VAC
14 x
24VDC
10 x 24
Relay
1 No No Yes
6ES7 214-
2AD23-
0XB0
CPU
224XP
24VDC 14 x
24VDC
10 x 24
VDC
2 2 1 Yes
6ES7 214-
2BD23-
0XB0
CPU
224XP
120 to
240VAC
14 x
24VDC
10 x 24
Relay
2 2 1 Yes
6ES7 216-
2AD23-

0XB0
CPU
226
24VDC 24 x
24VDC
16 x 24
VDC
2 No No Yes
6ES7 216-
2BD23-
CPU
226
120 to
240VAC
24 x
24VDC
16 x 24
Relay
2 No No Yes
0XB0
a. Trình tự thiết kế hệ thống PLC:
- Phân tích chi tiết quy trình công nghệ, hệ truyền động và trang bị điện. Mô tả
chi tiết sự liên động giữa các phần tử của hệ thống từ đó lập giản đồ thời gian
hay lưu đồ thuật toán.
- Tính chọn thiết bị cảm biến và cơ cấu chấp hành:
• Nếu đầu vào chỉ có chức năng logic thì tính chọn đầu vào số. Nếu có
chức năng phân tích tín hiệu để phục vụ việc giám sát (nhiệt độ, lưu
lượng, mức ) hoặc điều khiển có phản hồi thì phải tính chọn đầu vào/ra
analog.
• Cơ cấu chấp hành là Piton thuỷ lực hay khí nén thì phải tính chọn van

thuỷ lực hoặc khí tương ứng. Để điều khiển các van này có thể dùng đầu
ra số hoặc đầu ra analog (nếu chọn luật điều chỉnh PID).
• Cơ cấu chấp hành là động cơ thì tính chọn đầu ra số, nếu có điều khiển
tốc độ thì có thể tính chọn biến tần, bộ điều chỉnh điện áp hoặc modul
điều khiển vị trí (tuỳ thuộc loại động cơ sử dụng).
• Tính chọn công tắc, nút ấn trên panel điều khiển bằng tay.
• Xem xét dòng ra của cơ cấu chấp hành. I
ch
>1.5A đối với loại
DC/DC/RLY; I
ch
> 0.2A với loại DC/DC/DC thì nhất thiết phải thông
qua hệ rơle trung gian, Transitor hay Triac.
- Tính chọn PLC: Phụ thuộc tổng số đầu vào/ra số hay tương tự. Xem xét việc sử
dụng các cổng truyền thông vào việc điều khiển biến tần, kết nối Panel, PC hay
mạng thì nên chọn PLC có hai cổng truyền thông như CPU 224XP, 226.
b. Thiết kế mạch điện cho hệ thống:
- Phân tích quy trình công nghệ.
- Trên cơ sở phân tích lựa chọn các thiết bị phần cứng, tiến hành vẽ mạch, lắp ráp
các thiết bị trên sơ đồ. Đánh số thứ tự các đầu vào/ra của thiết bị cũng như của
PLC.
24VDC
24V
0V
19V
Q1
U1P
PE1
PE2
/4

100A
/9.1
G2
1 3 5
2 4 6
X0/1 /2 /3
PE3
L1 L2 L3
24V_PLC1
U1N
/9.1
N
X1/22 X1/23
TR1_380/200_10KW
24VDC
24V
0V
19V
U2P
/14.8
G2
U2
PE5
24V_PLC2
U2N
/14.8
380V
U1
TR2-400VA
5A

3A
Q0
3A
Q10 Q11
/6.1
L1 L2 L3
5A
Q6
Q5
X1/1 /2 /3
PE8
M1
U1
3,5A
KM1
V1 W
1
1 3 5
2 4 6
15A
1 3 5
2 4 6
1
2
8
12
3
5
3
5

X1/25
X2/38
KM4
N100.1
/1.6
/1.7
KA2
110
2
2
KA12
KA10
1
2
3
5
KM3
KA9
1
2
3
5
X4/32
1
KM1
2
95
96
K1
3

5
KM2
14
13
K2
K1
4
6
95
96
95
96
SV1
SV2
b
2
b
a
109
108
KA13
3
5
KA14
3
5
2
SV3
b
2

a
107
106
KA15
3
5
KA16
A B
P T
A B
P T
A B
P T
/33
/33
/33
TOOL_SELECT_C
/33
U100.1
/9.2
/9.4
K2
1 2 3 4 5 6 7 8
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9
DI0.0 DI0.1 DI0.2 DI0.3 DI0.4 DI0.5 DI0.6 DI0.7 DI1.0 DI1.1
10
DI1.2
11
DI1.3

M24
P24.3
A2_INPUT
M24.2
/10.1
M24.5
/10.8
233
24V3
0V3
PLS11
red
black
M24.3
234
24V3
0V3
PLS12
brown
blue
235
24V3
0V3
PLS13
red
black
320
24V3
0V3
PLS16

red
black
24V3
0V3
PLS
brown
blue
221
24V3
1S104
SP
KM1
13
14
black
white
white
white
black
blackwhite
X_OVERHEAT
/6.6
/6.8
/7.3 /7.7
/8.3
/12.1
P24.3
/11.1
X1/26 /27 /28 /29 /30
/31 /32

X1/33
/34
c. Thit k chng trỡnh trờn PLC:
- T lu thut toỏn hay gin thi gian da vo bi toỏn cụng ngh ó phõn
tớch trờn, phõn chia a ch vo ra, thit lp vựng nh phc v quỏ trỡnh x
lý d liu. Lit kờ cỏc b m, b nh thi cn thit, cỏc bit, byte trong vựng
nh c bit. Lit kờ cỏc chng trỡnh con, chng trỡnh x lý ngt
- Biờn dch t gin thi gian hay lu thut toỏn sang ngụn ng ca PLC.
- Cú th dựng cỏc cụng tc, ốn LED hoc phn mm mụ phng ca PLC
chy th chng trỡnh t ú ỏnh giỏ mc ti u ca chng trỡnh.
C cu chp hnh v cỏc phn t trung gian.
Rle, cụng tct:
- Là một khí cụ điện mà tín hiệu đầu ra
thay đổi nhảy cấp khi tín hiệu vào
đạt một giá trị nào đó.
Đặc tính vào/ra
- Phân loại: Rơle điện từ, điện động ( sử dụng lực tơng tác giữa hai cuộn dây để
đóng tiếp điểm), Rơle kiểu cảm ứng (công tơ điện), Rơle nhiệt
* Rơle điện từ:
- Khi cú dũng in chy trong cun dõy
dũng in s sinh ra mt lc hỳt np lm
x
1
x
2
y
1
y
2
x

y
1 2 3 4 5 6 7 8
SP_CW
SP_CCW
SERVO_ON
SP_ON
SP2_CW
SP2_CCW
SERVO_ENABLE
SP3_CW
M24.7
M24.2
/9.6
/11.1
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9
DO0.0 DO0.1 DO0.2 DO0.3 DO0.4 DO0.5 DO0.6 DO0.7 DO1.0 DO1.1
10
DO1.2
11
DO1.3
M24
OUT PUT
M24.6
KA0
8
3
KA1
8
7

KA2
8
7
14
13
KA4
14
13
KA5
8
7
KA6
8
7
KA7
8
7
KA8
8
7
KA9
8
7
KA10
8
7
KA11
8
7
KA3

SP3_CCW
COOLANT_ON
CHIV_ON
TOOL_MOTOR_ON
/12.1
/13.1
/8.2
5
3
/8.3
5
3
/3.2
5
/6.5
/7.2
/7.6
/6.6
/7.2
/7.6
3
/8.5
5
3
/8.5
5
3
/8.7
5
3

/8.7
5
3
/3.1
5
3
/3.2
5
/2.6
/2.7
đóng hoặc mở các tiếp điểm
* Rơle trung gian: Khuếch đại các tín hiệu điều khiển,
không có cơ cấu điều chỉnh điện áp tác động.
* Rơle thời gian: Giữa 2 trạng thái ổn định 0 và 1
sẽ tồn tại một trạng thái trung gian không ổn định tuỳ vào thời gian đặt trễ của người
sử dụng.
* Rơle nhiệt: Luôn có một tiếp điểm thường đóng, khi có quá nhịêt tiếp điểm đó mở ra
bảo vệ an toàn cho mạch.
* Công tắc tơ: Là thiết bị điện dùng để điều khiển từ xa để đóng cắt các mạch điện lực
dựa trên hiện tượng điện từ. Nguyên tắc làm việc tương tự như rơle điện từ nhưng có ít
tiếp điểm hơn.
Van đảo chiều điện từ:
Van điện từ cho phép biến đổi điện năng thành quãng đường dịch chuyển của
cần dẫn động. Tuỳ theo cấu tạo của nam châm mà van điện từ chỉ thích hợp cho việc
đóng mở các van và không điều chỉnh được. Van điện từ thực hiện nhiệm vụ chung là
đóng cắt các dòng khí và chất lỏng.
* Nguyên lý hoạt động:
Khi chưa có tín hiệu tác động vào của (12) thì cửa (1) bị chặn và cửa (2) nối với
cửa (3). Khi có tín hiệu tác động vào cửa (12), nòng van sẽ dịch chuyển về phía bên
phải, cửa (1) được nối với cửa (2). Khi tín hiệu tác động mất đi, dưới tác động của lực

lò xo, nòng van trở về vị trí ban đầu.
* Kí hiệu van đảo chiều:
Chuyển đổi vị trí của nòng van được biểu diễn bằng các ô vuông liền nhau.
A o b a b
Vị trí “không” là vị trí khi van chưa có tác động của tín hiệu ngoài vào. Đối với van có
2 vị trí thì vị trí “không” có thể là “a” hoặc “b”. Thông thường vị trí bên phải là vị trí
“không”. Cửa nối van được kí hiệu như sau:
Thân van
Nòng van
Lò xo
Tín hiệu tác động (12)
Nối với nguồn (1) khí hoặc thuỷ lực
Xả (3)
Đầu ra (2) (khí hoặc thuỷ lực)