LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN ĐỐI TƯỢNG NHIỆT BẰNG MODULE MỀMC ỦA PHẦN MỀM STEP7

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP





NGUYỄN THỊ THÚY




ĐIỀU KHIỂN ĐỐI TƯỢNG NHIỆT
BẰNG MODULE MỀM CỦA PHẦN MỀM STEP7




CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HOÁ
MÃ SỐ: 60520216




LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

THÁI NGUYÊN – NĂM 2014


Luận văn được hoàn thành tại:
Trường Đại học kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên







Người hướng dẫn khoa học: GS.TS. PHAN XUÂN MINH






Phản biện 1:…………………………….



Phản biện 2:…………………………….

Luận văn sẽ được bảo vệ tại hội đồng chấm luận văn họp tại

Trường Đại học kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái nguyên
Vào ngày…. Tháng… năm…



1


MỞ ĐẦU

1. Mục tiêu của luận văn

Hiện nay, các thiết bị điều khiển quá trình như các hệ PLC, DCS
được sử dụng rất nhiều trong công nghiệp. Ưu điểm cơ bản của hệ thống thiết
bị này là tính tiện ích trong việc tích hợp hệ thống tự động hóa do ngoài cung
cấp các thiết bị phần cứng, các hãng còn cung cấp các phần mềm hỗ trợ cho
công việc tích hợp hệ thống. Trong điều khiển quá trình, các hệ thống tự
động hóa tích hợp trên cơ sở các thiết bị này có độ bền cao, ít hỏng hóc và
khả năng thay đổi chế độ công tác cũng như các tham số rất linh hoạt.
Để giúp cho công tác đào tạo tại Trường Cao đẳng nghề Yên Bái
trong lĩnh vực tự động hóa, kết hợp với việc khai thác các thiết bị phục vụ
giảng dạy của trường Đại học Công nghiệp Thái Nguyên, học viên chọn đề
tài:
“Điều khiển đối tượng nhiệt bằng module PID mềm của phần
mềm STEP7”
Với đề tài này học viên có cơ hội tìm hiểu về thiết bị PLC của hãng

Siemens, thực hành thiết kế và lập trình hệ thống điều khiển tự động cho đối
tượng công nghiệp (cụ thể là đối tượng nhiệt) bằng các thiết bị và công cụ
phần mềm của Trường Đại học Công nghiệp Thái Nguyên.

2. Mục tiêu nghiên cứu

Trang bị cho học viên các kiến thức và phương pháp mô hình hóa
đối tượng bằng thực nghiệm. Sử dụng thành thạo công cụ nhận dạng hệ
thống của phần mềm Matlab Simulink (Identification Tool) để mô hình hóa
đối tượng điều khiển tuyến tính với độ chính xác tương đối cao. Khai thác sử
dụng thành thạo các module điều khiển quá trình của STEP7 và nâng kỹ
năng lập trình hệ thống điều khiển. Về lý thuyết trang bị cho học viên các
phương pháp thiết kế bộ điều khiển PID, khả năng phân tích và lựa chọn
phương pháp thiết kế phù hợp cho đối tượng điều khiển.












2

CHƯƠNG 1: NHẬN DẠNG HỆ THỐNG GIA NHIỆT

1.1. Giới thiệu mô hình hệ thống gia nhiệt

Hệ thống thí nghiệm điều khiển gia nhiệt CRT 916921 đã được trường
Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên trang bị cho phòng thí nghiệm
chuyên ngành điều khiển tự động có cấu tạo như sau:


Hình 1.1: Mô hình hệ thống thí nghiệm điều khiển gia nhiệt CRT 916921

Mô hình bao gồm các khối:
+ Bình gia nhiệt: dùng để chứa nước sau khi gia nhiệt
+ Dây điện trở dùng để gia nhiệt: Dây điện trở nhận điện áp từ mạch
công suất có dải trong khoảng từ 0V đến 220V, nó sẽ đốt nóng và làm cho
nước trong bình gia nhiệt tăng lên theo yêu cầu của bài toán.
+ Cảm biến đo nhiệt độ: Để đo nhiệt độ, dùng cảm biến PT 100
(RTD) được cấu tạo từ kim loại Platinum và quấn tùy theo hình dáng của đầu
dò nhiệt có giá trị điện trở khi ở 0
0
C là 100 Ohm, đây là một loại cảm biến
thụ động nên khi sử dụng cần một nguồn ngoài ổn định, có dải đo từ 50
0
C
đến 200
0
C. PT100
+ Mạch biến đổi điện áp AC/AC: có nhiệm vụ nhận tín hiệu điều
khiển đặt vào các van T1 và T2, sau đó biến đổi điện áp đầu ra trong dải từ
0V đến 220V để cung cấp cho dây điện trở dùng gia nhiệt.
+ Bộ chuyển đổi AD/DA – Dùng cho điều khiển bằng máy tính: Bộ
chuyển đổi có nhiệm vụ đọc tín hiệu đo, thông qua chuyển đổi ADC để đưa

vào máy tính thông qua cổng RS232. Sau đó, tín hiệu điều khiển từ máy tính
thông qua bộ DAC để xuất ra điều khiển đối tượng. Tuy nhiên, trong đề tài
do có sử dụng bộ PLC S7-300 nên ta không cần thông qua bộ giao tiếp này.
+ Máy bơm: Hai bơm (pump1 và pump2) dùng để bơm nước lạnh
vào bình gia nhiệt (coi là nhiễu phụ tải), lượng nước bơm vào phụ thuộc vào
độ mở van tính theo phần trăm (0% đến 100%) của van Noise.

3


Hình 1.3: Mô hình hệ thống gia nhiệt

+ Bồn chứa nước
+ Hai van điện từ
+ Màn hình hiển thị nhiệt độ sử dụng LED 7 thanh
+ Máy tính
1.2. Quy trình hệ thống gia nhiệt và các yêu cầu

Tín hiệu nhiệt độ phản hồi về (được quy đổi sang dải từ 0 đến 5V –
tương ứng từ 0% đến 100%) được so sánh với tín hiệu nhiệt độ đặt (được quy
đổi từ 0% đến 100%), sai lệch tín hiệu điều khiển được đưa đến bộ điều
khiển PID, dựa trên thuật toán của bộ điều khiển, sẽ xuất ra tín hiệu điều
khiển tương ứng có dải từ 0V đến 5V đưa đến bộ biến đổi AC/AC, bộ
biến đổi sẽ biến đổi điện áp từ 0 đến 220V tùy theo độ lớn của tín hiệu
điều khiển, nếu tín hiệu điều khiển là 0V thì điện áp đầu ra tương ứng
220V và nếu tín hiệu điều khiển là 5V thì điện áp đầu ra là 0V. Dây điện
trở gia nhiệt nhận điện áp từ bộ biến đổi xoay chiều xoay chiều để đốt
nóng và làm cho nhiệt độ bình chứa tăng.
Trong quá trình gia nhiệt thì nước lạnh từ bồn chứa (coi là nhiễu phụ
tải) được bơm vào trong bình gia nhiệt thông qua máy bơm nước được điều

khiển ON/OFF bằng tay. Lưu lượng nước vào được điều khiển thông qua 2
van điện từ 1 và 2. Bình gia nhiệt là loại bình tự tràn (khi nước đầy thì nó
được thoát ra theo đường ống đặt bên trên miệng bình).
Các biến quá trình như sau:



4

- Biến vào: Nhiệt độ đặt được quy ra phần trăm từ 0% – 100%
- Biến điều khiển: Điện áp điều khiển lấy từ đầu ra của bộ PID có dải
từ 0V đến 5V. Thông qua bộ chỉnh lưu AC/AC biến đổi điện áp đặt vào điện
trở gia nhiệt có dải từ 0V – 220V
- Biến ra: Nhiệt độ đầu ra của bình gia nhiệt được xác định từ sensor
nhiệt PT 100 có dải từ - 20
0
C đến 200
0
C và thông qua một mạch chuyển đổi
chuẩn hóa đầu ra từ 0V đến 5V.
- Nhiễu tải: Là độ mở của hai van điện từ để tăng lưu lượng nước vào
bình gia nhiệt (van từ được đóng mở ON/OFF bằng tay)
Theo đó, các yêu cầu về gia nhiệt được cho như sau:
- Sai số tuyệt đối của phép đo nhiệt độ đo nằm trong khoảng ±1
0
C
- Độ quá điều chỉnh trong quá trình gia nhiệt: 10% nhiệt độ đặt
- Sai lệch khi hê thống ở trạng thái xác lập: ± 5% nhiệt độ đặt
- Thời gian gia nhiệt (thời gian đáp ứng): Tối đa là 60 giây sau khi bắt
đầu gia nhiệt.

Việc nhận dạng hệ thống sẽ được tiến hành qua các bước sau:
- Lấy số liệu thực nghiệm
- Sử dụng Toolbox Indenfication trong Matlab để tiến hành nhận dạng

1.3. Tìm hiểu Toolbox Identification của Matlab

Nhận dạng đối là một trong những bước đầu tiên và quan trọng để
thực hiện quá trình thiết kế điều khiển cho đối tượng. Sau khi thu thập được
dữ liệu vào ra theo thời gian hoặc là phổ tín hiệu của đối tượng nhiệm vụ của
việc nhận dạng đối tượng là tìm mô hình toán học, hàm truyền đạt thích hợp
mô tả gần đúng nhất đối tượng thực. Để dễ dàng cho quá trình nhận dạng thì
trong matlab có toolbox system identification toolbox để giúp chúng ta thực
hiện dễ dàng trực quan, nhanh chóng.
Các bước thực hiện quá trình nhận dạng được tiến hành như sau:
Bước 1: Chuẩn bị dữ liệu nhận dạng
Bước 2: Mở System Identification Tool GUI, gõ lệnh.
>>ident
Bước 3: Nhập dữ liệu trong miền thời gian vào công cụ nhận dạng:
Bước 4: Vẽ và tiền xử lý dữ liệu. Bộ tiền xử lý sẽ loại bỏ giá trị trung bình và
tự động đặt thêm ký tự d.
Di chuyển mô hình iddatad thả vào working data để tiếp tục nhận dạng
mô hình.
Chọn Time plot để xem hình vẽ của cả bộ dữ liệu gốc và bộ dữ liệu
mới đã loại bỏ giá trị trung bình.

5


Hình 1.8: Hình vẽ của bộ dữ liệu gốc và mới
Chia dữ liệu iddatad thành 2 phần, một phần iddatade để ước lượng

mô hình, phần còn lại iddatadv dùng để so sánh.
Sử dụng lệnh trong Matlab: data1e = data2(1:a(:,1)/2);a=size(u)
data1v = data2((a(:,1)/2+1):a(:,1));


Hình 1.9: Bộ dữ liệu iddatade

Hình 1.11: Hình vẽ bộ dữ liệu iddatade


6


Hình 1.12: Bộ dữ liệu iddatadv

Hình 1.14: Hình vẽ bộ dữ liệu iddatade
Di chuyển identdatade vào mục Working Data để tiến hành ước
lượng mô hình và di chuyển identdatadv vào mục Validation Data (Xác nhận
dữ liệu) để so sánh mô hình.
Bước 5: Ước lượng mô hình: Để ước lượng mô hình tự động và nhanh chóng ta
chọn Estimateà Quick start. Kết quả thu được các mô hình ở các ô bên phải
giao diện. Sử dụng lệnh: ARX2u1y1=arx(data1e,[2 2 1])
Chọn Model output để xem độ fit – độ phù hợp của mô hình

Hình 1.18: Đồ thị so sánh mô hình ARX ước lượng theo phương pháp LSE

Bước 6: Di chuyển ARX221 vào mục To Workspace để xem mô hình toán
học:
Bước 7: Di chuyển ARX221 vào mục LTI view để xem đáp ứng của mô hình
ARX221:

1.4. Nhận dạng hệ thống gia nhiệt sử dụng Toolbox Indenfication

7

1.4.1. Thu thập số liệu


Do ta có thể tách riêng phần điều khiển và đối tượng gia nhiệt. Vì
vậy mà dữ liệu sẽ được thu thập theo phương pháp nhận dạng trực tiếp vòng
hở. Việc thu thập dữ liệu bắt đầu bằng việc thay đổi điểm đặt của tín hiệu
điều khiển một cách ngẫu nhiên và các thay đổi của biến đầu ra được ghi
nhận với chu kỳ lấy mẫu là 200ms. Các dữ liệu sau khi được thu thập cần
phải loại bỏ giá trị trung bình để thực hiện nhận dạng.
Việc thu thập số liệu được lấy trực tiếp trên giao diện điều khiển sử
dụng phần mềm WinCC và thông số được lưu sang file.dat
1.4.2. Tiến hành nhận dạng sử dụng Toolbox Indenfication
- Tập dữ liệu vào/ ra được thu thập có dạng như sau:

Ta sử dụng bộ số liệu data1 để nhận dạng và kiểm chứng mô hình
gia nhiệt. Bộ số liệu này gồm 1294 mẫu, ta chia làm hai phần, phần 1 từ [1:
647] sẽ dùng để ước lượng. Từ [648:1294] sẽ sử dụng để kiểm chứng. Việc
đóng gói dữ liệu và loại bỏ giá trị trung bình cho các biến vào ra xem phụ lục
1 kèm theo.
- Loại bỏ giá trị trung bình đầu vào/ đầu ra:


8

- Chia bộ số liệu làm hai phần: một phần dùng để ước lượng, một phần
dùng để kiểm chứng:

* Dữ liệu dùng để nhận dạng – ước lượng:

* Dữ liệu dùng để kiểm tra:

- Mô hình hệ thống gia nhiệt thu được theo phương pháp ARX

Từ mô hình toán học của hệ thống QGCP sau khi nhân dạng bằng công cụ
System Identification Toolbox là:
ARX2u1y1 =
Discrete-time ARX model: A(z)y(t) = B(z)u(t) + e(t)
A(z) = 1 - 1.937z^-1 + 0.9371z^-2

B(z) = -6.453e-05z^-1 + 7.494e-05z^-2
Sample time: 0.02 seconds
2515
21
10*494.710*453.6)(
9371.0937.11)(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
−−−−
−−

+−=
−−=
+
=
qqqB
qqqA
t
e
t
u
q
B
t
y
q
A

Để chuyển từ miền rời rạc sang miền liên tục để tìm hàm truyền đối
tượng gia nhiệt ta sử dụng lệnh trong matlab:

9

>> z=tf('z',0.02);
>> Gz=(-6.453e-05 z + 7.494e-05)/( z^2 - 1.937 z + 0.9371)
Gz = - 6.453e-05 z + 7.494e-05

z^2 - 1.937 z + 0.9371
Sample time: 0.02 seconds
Discrete-time transfer function.
>> Gs=d2c(Gz,'zoh')

Gs = -0.003604 s + 0.02688

s^2 + 3.247 s + 0.01005
Continuous-time transfer function.
Ta có hàm truyền đối tượng:
01005
.
0
247
.
3
02688.0003604.0
)(
2
++
+
−
=
s
s
s
sG
(1.1)
Vì 0.003604 << 0.02688 nên ta xấp xỉ hàm truyền có dạng:
s
e
s
s
s
sG

3083.0
2
1
8051
.
322
6748.2
01005
.
0
247
.
3
02688.0
)(
−
+
=
++
−
=
(1.2)

Nhận xét:
- Để thu được mô hình phù hợp với mục đích điều khiển ta bắt đầu từ
mô hình ARX bậc 2, bậc 5, bậc 10 với na = 2; nb = 2; nk = 1. Kết quả thu
được mô hình bậc hai cho kết quả với độ phù hợp với dữ liệu kiểm chứng lên
đến 74.69% ( độ fit: 74.69%).
- Mô hình hàm truyền của hệ thống sau khi đã xấp xỉ được đưa về dạng
quen biết với mô hình của hệ gia nhiệt là khâu quán tính bậc nhất có trễ (1.2).

Mô hình trên thích hợp cho việc thiết kế và chỉnh định bộ điều khiển.












10

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG GIA
NHIỆT

Trong chương 1, mô hình toán học của thiết bị gia nhiệt đã được xác
định bằng phương pháp thực nghiệm và được biểu diễn bằng mô hình hàm
truyền sau đây:

s
e
s
sG
3083.0
18051,322
6748,2
)(

−
+
=
(2.1)
Đó là lớp đối tượng quán tính bậc 1 có trễ. Trong chương này, một
số phương pháp tổng hợp bộ điều khiển cho lớp đối tượng này sẽ được quan
tâm nghiên cứu. Bộ điều khiển thiết kế cho thiết bị gia nhiệt sẽ được mô
phỏng kiểm chứng trên nền Matlab-Simulink. Luật điều khiển cài đặt trong
PLC sẽ được lựa chọn trên cơ sở này. Các phương pháp được tập trung
nghiên cứu cụ thể là:

2.1. Phương pháp IMC

IMC là một phương pháp thiết kế bộ điều khiển mà trong thành phần
bộ điều khiển có sự tham gia của mô hình đối tượng điều khiển [1]. Cấu trúc
của hệ thống điều khiển tổng hợp bằng phương pháp IMC (hình 2.1). Trong
(hình 2.2) là sự biến đổi sơ đồ cấu trúc trong (hình 2.1) để tách riêng bộ điều
khiển và đối tượng điều khiển.

)(G
IMC
s

Hình 2.1. Mô hình điều khiển sử dụng IMC

)(G
IMC
s

Hình 2.2. Mô hình biến đổi tương đương

Vậy ta có [1]:
)().(1
)().(
)(
sGsG
sGsG
sG
IMC
IMC
đk
−
=
(2.2)
Với : G
IMC
(s) = G
-1
(s)G
LOC
(s) (2.3)

11

Áp dụng cho hệ thống gia nhiệt với đối tượng xấp xỉ về dạng

)3083,01)(8051,3221(
6748,2
)(
ss

sG
++
=
(2.4)
Ta có bộ điều khiển G
IMC
(s) theo công thức (2.3):
)(
6748,2
)8051,3221(
)()()(
1
sG
s
sGsGsG
PDLOCIMC
=
+
==
−
(2.5)
Và bộ điều khiển của hệ thống gia nhiệt theo công thức (2.2):
)()31,0
11.323
1
1(805,391
)().(1
)().(
)( sGs
ssGsG

sGsG
sG
PID
IMC
IMC
dk
=++=
−
=
(2.6)
Kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển trên matlab-simulink được
biểu diễn ở hình 2.3


Hình 2.3: Đặc tính quá độ của hệ thống điều khiển bằng phương pháp IMC

Nhưng do đối tượng có hằng số thời gian chậm trễ nhỏ nên phương
pháp thiết kế này không phù hợp, hệ kín không ổn định


2.2. Phương pháp hằng số thời gian tổng của Kuhn

Phương pháp thiết kế của Kuhn [1] là phương pháp thực nghiệm rất
dễ dàng thực hiện mà không cần biết chính xác mô hình đối tượng, thay vào
đó là ta phải xác định được các tham số đặc trưng của đối tượng điều khiển
bằng phương pháp thực nghiệm. Các tham số cần xác định từ thực nghiệm là:
Hệ số khuếch đại của đối tượng K, hằng số thời gian tổng nhỏ nhất T
s
. Nếu
có mô hình hàm truyền của đối tượng, ta có thể xác định các tham số này từ

mô hình với.

12


∑
∑
=
=
+
=
n
i
i
m
j
Dj
s
T
T
T
1
1
τ
(2.7)
Trong đó, T
Dj
là hằng số thời gian vi phân, T
i
hằng số thời gian quán

tính và τ hằng số thời gian chậm trễ. Theo (2.7), ta có hằng số thời gian nhỏ
nhất của hệ thống gia nhiệt là:
322,80510,3083323,1134
S
T =+=
. Sau khi có
được các tham số của đối tượng từ thực nghiệm ta có thể tra bảng thiết kế của
phương pháp (Bảng 2.1) để xác định bộ điều khiển cần tìm.

Luật điều khiển
G
đk
(s)
Hệ số
tỷ lệ
K
p
Hằng số
thời gian
tích phân
T
I
Hằng số thời
gian vi phân T
D
PI:
)
1
1(
sT

K
I
p
+

0,5/K
0,5
S
T


PID:
)
1
1( sT
sT
K
D
I
p
++

1/K
0,8
S
T
0,194
S
T

Bảng 2.1: Tổng hợp bộ điều khiển theo Kuhn

Theo bảng 1, ta có bộ điều khiển PID cho hệ thống gia nhiệt:
)49,62
69,257
1
1(3739,0)()( s
s
sGsG
PIDdk
++==
(2.8)
Đặc tính quá độ của hệ thống điều khiển thiết kế theo phương pháp tổng
Kuhn được biểu diễn tại (hình 2.4).

Hình 2.4: Đặc tính quá độ của hệ thống điều khiển bằng phương pháp Kuhn

Từ độ đặc tính quá độ của hệ kín ta xác định được chất lượng của hệ
thống điều khiển: hệ không có độ quá điều chỉnh nhưng thời gian quá độ lại
rất lớn khoảng 800 giây.


13

2.3. Phương pháp Ziegler- Nichols 1
Ziegler và Nichols đã đưa ra hai phương pháp thực nghiệm để xác
định tham số bộ điều khiển động. Mô hình thiết bị gia nhiệt thích hợp với
phương pháp Ziegler-Nichols 1. Để tra được bảng thiết kế theo Ziegler -
Nichols 1 ta cần xác định các tham số sau đây từ thực nghiệm: Hệ số khuếch

đại K, hằng số thời T và thời gian chậm trễ τ của đối tượng. Bảng thiết kế
theo phương pháp Ziegler-Nichols được biểu diễn trong (Bảng 2.2)

Luật điều khiển
G
đk
(s)
Hệ số
khuếch đại
tỷ lệ: K
P
Hằng số thời
gian tích phân:
T
I
Hằng số thời gian
vi phân: T
D
P: K
P
τ
.
K
T


PI:
)
1
1(

sT
K
I
p
+

τ
.
9,0
K
T

0,33 τ
PID:
)
1
1( sT
sT
K
D
I
p
++

τ
.
2,1
K
T

2,5 τ 0.5 τ
Bảng 2.2: Thiết kế bộ điều khiển theo Ziegler- Nichols 1

Theo bảng thiết kế ta được tham số của bộ điều khiển PID cho hệ thống gia
nhiệt:
)1542,0
7708,0
1
1(7292,469)()( s
s
sGsG
PIDdk
++==
(2.9)
Đặc tính quá độ của hệ được biểu diễn ở hình 2.5.


Hình 2.5: Đặc tính quá độ hệ thống điều khiển đối tượng gia nhiệt theo Ziegler-
Nichols


14

Cũng giống như phương pháp IMC, vì thời gian chậm trễ quá nhỏ
nên phương pháp thiết kế này không phù hợp. Bộ điều khiển và các tham số
lựa chọn theo phương pháp cho chất lượng hệ kín không tốt.
2.4. Phương pháp tối ưu mô dun

Những phương pháp trên cho thấy ứng với một đối tượng cần chọn
phương pháp thiết kế phù hợp thì mới đạt chất lượng tốt. Đối với đối tượng

có hằng số thời gian trễ nhỏ và sự chênh lệch giữa hai hằng số thời gian là
quá lớn thì phương pháp thiết kế thích hợp nhất là phương pháp tối ưu mô
đun.
Phương pháp tối ưu mô đun được thực hiện theo ý tưởng: Chọn cấu
trúc và tham số của bộ điều khiển sao cho module véc tơ đặc tính tần số của
hệ kín
ωω ∀→ 1)( jG
K
và được gọi là thiết kế bộ điều khiển sao cho véc tơ
đặc tính tần số của hệ kín là tối ưu.
Theo [1] ta có bẳng thiết kế của phương pháp tối ưu mô đun biểu
diễn ở bảng 3.
Mô hình
ĐTĐK
G(s)
Luật điều
khiển
G
đk
(s)
Hệ số tỷ
lệ
Hằng số
thời gian
tích phân
Hằng số
thời gian
vi phân
Ts
K

+
1

I
sT
K
I
P

T
K
T
I
.
.
2


Tùy chọn

)1)(1(
1
TssT
K
++

PI
)
1
1(

sT
K
I
P
+

TK
T
2
1

1
T


)1)(1)(1(
21
TssTsT
K
+++

PID
)
1
1( sT
sT
K
D
I
P

++

T
K
TT
.
.
2
21
+

21
TT +

21
21
TT
TT
+

Bảng 2.3: Tổng hợp bộ điều khiển tố ưu mô dun
Đối tượng gia nhiệt được xấp xỉ về dạng khâu quán tính bậc 2:
)3083,01)(8051,3221(
6748,2
)(
ss
sG
++
=

Với K=2,6848;
8051.322
1
=T
và T=0,3083, tra bảng thiết kế của phương
pháp ta chọn được luật điều khiển PI với các tham số:
)
8051.322
1
1(099.133)
1
1()()(
ssT
KsGsG
I
pPIdk
+=+==


15

Mô phỏng kiểm chứng trên nền matlab-simulink cho hệ thống điều
khiển thiết bị gia nhiệt được minh họa ở hình 2.6.


Hình 2.6: Đặc tính quá độ hệ thống điều khiển
đối tượng gia nhiệt theo PI
Chất lượng hệ thống điều khiển đạt được với độ quá điều chỉnh
khoảng 4,6% và thời gian quá độ khoảng 3 giây.
Trong 4 phương pháp thiết kế được lựa chọn để nghiên cứu, phương

pháp tối ưu mô đun cho chất lượng điều khiển tốt nhất. Hệ thống điều khiển
thiết kế bằng phương pháp cho độ quá điều chỉnh không quá 5% và thời gian
quá độ khoảng 3 giây.
Dựa trên những kết quả nghiên cứu , tác giả sẽ cài đặt bộ điều khiển
được thiết kế bằng phương pháp tối ưu mô đun để điều khiển thiết bị gia
nhiệt. Việc lựa chọn giải pháp kỹ thuật và lập trình điều khiển bằng thiết bị
điều khiển logic khả trình PLC sẽ được thực hiện ở chương tiếp theo.








16

CHƯƠNG 3: TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG GIA
NHIỆT BẰNG PLC S7-300

3.1. Lựa chọn giải pháp kỹ thuật

Hiện nay, các thiết bị điều khiển quá trình như các hệ PLC, DCS
được sử dụng rất nhiều trong công nghiệp. Ưu điểm cơ bản của hệ thống thiết
bị này là tính tiện ích trong việc tích hợp hệ thống tự động hóa do ngoài cung
cấp các thiết bị phần cứng, các hãng còn cung cấp các phần mềm hỗ trợ cho
công việc tích hợp hệ thống. Trong điều khiển quá trình, các hệ thống tự
động hóa tích hợp trên cơ sở các thiết bị này có độ bền cao, ít hỏng hóc và
khả năng thay đổi chế độ công tác cũng như các tham số rất linh hoạt.
Do vậy, giải pháp sử dụng Modul S7 300 – CPU 313C để cài đặt các

thông số của bộ điều khiển PID đã được thiết kế trong chương 2. Sau đó,
thiết kế giao diện người máy sử dụng phần mềm giám sát Win CC.
Hệ thống gia nhiệt có mô hình như sau:
Chất lượng hệ thống điều khiển đạt được với độ quá điều chỉnh
khoảng 4,6% và thời gian quá độ khoảng 3 giây.
Trong 4 phương pháp thiết kế được lựa chọn để nghiên cứu, phương
pháp tối ưu mô đun cho chất lượng điều khiển tốt nhất. Hệ thống điều khiển
thiết kế bằng phương pháp cho độ quá điều chỉnh không quá 5% và thời gian
quá độ khoảng 3 giây.
Chất lượng hệ thống điều khiển đạt được với độ quá điều chỉnh
khoảng 4,6% và thời gian quá độ khoảng 3 giây.
Trong 4 phương pháp thiết kế được lựa chọn để nghiên cứu, phương
pháp tối ưu mô đun cho chất lượng điều khiển tốt nhất. Hệ thống điều khiển
thiết kế bằng phương pháp cho độ quá điều chỉnh không quá 5% và thời gian
quá độ khoảng 3 giây.

Hình 3.1: Mô hình điều khiển hệ thống gia nhiệt sử dụng S7- 300

3.2. Module điều khiển quá trình của phần mềm STEP 7.
Sử dụng các Modul sau:

3.2.1 Modul xử lý tín hiệu đo FC105
Để việc chuyển đổi thuận tiện, ta có thể sử dụng các hàm thư viện. Hàm thư
viện FC105 (Thư viện Standard, mục TI-S7 converting blocks) có công dụng
chuyển đổi dữ liệu đầu vào PIW



17

của module Analog dạng INT sang dạng đại lượng cần đo. Nó là hàm
tuyến tính:
OUT=
LIMLOKIN
KK
LIMLOLIMHI
_)(
__
1
12
+−
−
−

3.2.2 Modul xử lý tín hiệu ra FC106
Chuyển đổi số thực IN giữa hai giá trị LO_LIM và HI_LIM
thành số nguyên đơn cực hay lưỡng cực OUT theo công thức
OUT=
112
)(
__
_
KKK
LIMLOLIMHI
LIMLOIN
+−
−
−

3.2.3 Module điều khiển PID gồm có:
3.2.3.1 PID liên tục tục FB41.
Sơ đồ cấu trúc:

FB41”CONT_C” được sử dụng để điều khiển các quá trình kỹ
thuật với các biến đầu vào và ra tương tự như 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 đối
tượng.
3.2.3.2 Bộ điều độ rộng xung FB43
Hàm phát xung tạo ra xung điều rộng 2 hoặc 3 bước có độ rộng
điều chỉnh được. Hàm này kết nối tiếp sau hàm xử lý PID FB41
“CONT_C” tạo thành một hệ thống điều khiển liên tục.



18


Hàm PULSEGEN chuyển biến đầu vào INV(giá trị lấy ra từ
hàm xử lý tín hiệu PID thành một một dạng xung điều rộng trong một
chu kỳ không đổi. (được khai báo trong cycle time ). Độ rộng của xung
là sự tỉ lệ giữa đầu vào.


3.3 Lập trình và cài đặt bộ điều khiển PID cho hệ thống gia nhiệt.
Thực hiện theo quy trình sau:
- Khởi động phần mền SIMATIC.
- Cài đặt giao thức truyền thông cho PLC
- Xây dựng phần cứng cho PLC, cài đặt thời gian chương trình ngắt

- Định địa chỉ vào ra cho module analog
- Khởi tạo chương trình chính OB1, chương trình ngắt OB35 .
- Lập trình chương trình cho OB35 và OB1
3.4 Lập trình giao diện người máy trên nền WinCC
Để tạo 1 Project mới trong WinCC, ta tiến hành theo trình tự sau:
+Tạo ra 1 Project.
+Chọn và thiết lập Driver kết nối với PLC.
+Tạo ra các Tag liên kết với các địa chỉ của PLC mà ta cần sử dụng.
+Tạo ra màn hình giao diện.
+Xác lập các thông số trong WinCC Runtime.
+Kích hoạt giao diện của Project.
3.5 Kết quả thực nghiệm
Áp dụng bộ điều khiển PI được xác định trong chương 2 theo phương
pháp Tối ưu mô đun, ta được như sau:
)
805,322
1
1(099,133)
1
1()()(
ssT
KsGsG
I
pPIdk
+=+==




19

Nhiệt độ đặt là
0
50
TC
=


Đáp ứng của hệ thống gia nhiệt, và tín hiệu điều khiển:





Khi nhiễu phụ tải: hai van điện từ 30% để cấp nước lạnh vào trong bình
gia nhiệt
Nhi
ệt độ đặt

Nhiệt độ đầu
ra

Nhiệt độ môi trường



20

Nhận xét: Với nhiệt độ đặt là 50
0
C, sau khoảng thời gian 148 giây từ
3:40:40 đến 3:43:8 (3 giờ: 43 phút: 8 giây) là hệ thống đạt trạng thái xác
lập. Độ quá điều chỉnh là 2.5%. Khi có nhiễu tác đông tại thời điểm
3:48:19, bộ điều khiển đưa ra tác động cho đến khi hệ gia nhiệt đạt 50
0
C.
Khi có sự thay đổi tín hiệu đặt ở đầu vào, cụ thể nhiệt độ đặt
0
70
C
T =






Nhiễu phụ tải
Nhiệt độ

đặt

Nhiệt độ đầu ra

21




Khi có nhiễu phụ tải tác động: cụ thể mở thêm hai van điện từ
30% để cấp nước lạnh vào trong bình gia nhiệt:


Nhiệt độ đặt
Nhiệt đầu ra
Nhi
ệt độ môi
trường



22



Nhận xét:
- Khi có sự thay đổi tín hiệu đặt cụ thể tăng 70
0
C, bộ điều khiển
tác động tín hiệu điều khiển làm cho nhiệt độ bình gia nhiệt tăng lên sau
khoảng thời gian là 150 giây.

- Khi có nhiễu phụ tải tác động cụ thể tăng thêm 30% lượng
nước lạnh bơm vào bình gia nhiệt, là cho nhiệt độ trong bình giảm
xuống, tuy nhiên do tác động của bộ điều khiển làm cho nhiệt độ trong
bình gia nhiệt tăng lên bằng nhiệt độ đặt,
- Cả hai điều trên chứng tỏ tính ổn định và bền vững của bộ điều
khiển được thực thi trên PLC S7 300.

Kết luận chương 3

Chương 3 tác giả đã giải quyết các vấn đề sau:
- Tìm hiểu các Modul đọc tín hiệu đầu vào FC105 và Modul xuất tín
hiệu đầu ra FC 106 và bộ điều khiển PID số FB41 trong phần mềm
SIMATIC S7 300 của hãng SIMEN.
- Lập trình chương trình điều khiển nhiệt độ dựa trên phần mền
SIMATC S7 300 trong đó giới thiệu chi tiết các bước thực hiện.
Nhiễu phụ tải Nhiệt đầu ra
Nhiệt độ đặt



23

- Thiết kế được giao diện người máy (HMI) dựa trên phần mền Win
CC, trong đó nhiệt độ đặt và các tham số của bộ điều khiển PID có thể
thay đổi được, hơn nữa người vận hành có thể theo dõi trực tiếp trên biểu
đồ giao diện hiển thị trực quan.
- Các kết quả nhận dạng và thiết kế bộ điều khiển trong chương 1 và
chương 2 là chính xác, điều này được minh chứng bằng thực nghiệm
được kiểm chứng trong các trường hợp thay đổi nhiệt độ đặt và khi có
nhiễu phụ tải tác động vào hệ thống gia nhiệt.

- Các kết quả thực nghiệm phù hợp yêu cầu công nghệ được đưa ra
trong chương 1 và các mô phỏng và khảo sát chi tiết các bộ điều khiển
trong chương 2.