NHẬN DẠNG THÔNG số hệ BIẾN tần ĐỘNG cơ và điều KHIỂN BẰNG PLC

M CL C
LÝ L CH KHOA H C.............................................................................................i
L I CAM ĐOAN................................................................................................ ....ii
L I C M N ........................................................................................................iii
TÓM T T ..............................................................................................................iv
M C L C ............................................................................................................. . v
DANH SÁCH CÁC HÌNH ...................................................................................viii
Ch ng 1 T NG QUAN.........................................................................................1
1.1.T ng quan chung v lĩnh v c nghiên c u...........................................................1
1.2.Các k t qu nghiên c u trong và ngoài n c......................................................2
1.3. M c đích c a đ tài...........................................................................................4
Ph ng
pháp
nghiên
c u
..................................................................................5
Nhi m
v
c a
đ
tài
và
gi i
h n
đ
tài.
.............................................................5
Nhi m v c a đ tài................................................................................... .5
Gi i h n đ tài............................................................................................6
K t
c u

c a
lu n
văn.........................................................................................6
Ch ng 2 C S LÝ THUY T.................................................................... .........6
2.1.Các ph ng pháp nh n d ng............................................................................. .6
2.1.1.T ng quan v nh n d ng ............................................................................ .6
2.1.2.Mô hình hóa toán - lý (lý thuy t).................................................................6
2.1.3.Mô hình hóa th c nghi m (th c t ) .............................................................7
2.2.B đi u khi n PID .............................................................................................7
Khái ni m ..................................................................................................7
Khâu P (Proportional) ............................................................................. . 10
Khâu I (Integral)...................................................................................... . 11
Khâu D (Derivative)................................................................................ . 13
T ng h p ba khâu ậ B đi u khi n PID:.................................................... 14
Xây d ng hàm truy n cho mô hình PID ................................................... 15
Thi t k b đi u khi n PID:..................................................................... . 16
.Đi u khi n t c đ b ng cách thay đ i t n s ngu n áp (V/f) ............................ 17
Nguyên lý đi u khi n từ thông không đ i................................................. 18
2.3.2.Tr ng h p t c đ đ ng c th p................................................................ 19
2.3.3.Tr ng h p t c đ l n h n t c đ đ nh m c.............................................. 19
2.3.4.Đặc tính c ............................................................................................... . 20
GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm

HVTH: Phẩm Duyệt Chi


Ch

ng 3 NH N D NG THÔNG S MÔ HÌNH ................................................ 22
Ph ng pháp xây d ng mô hình

..................................................................... 22
Xét h th ng mô hình tuy n tính n đ nh.................................................. 22
C u trúc mô hình ARX............................................................................ . 24
Nh p thông s tu n t ............................................................................. . 26
c tính nhi u mô hình đ ng th i ............................................................ 26
Mô hình đa đ u vào (multi-input models)................................................. 26
Ph ng pháp c l ng (estimation
Methods)................................................ 26
Ph ng pháp bình ph ng t i thi u (Least Squares)................................. 27
Ph ng pháp bi n th công c .................................................................. 27
Mô hình đa-đ u
ra........................................................................................... 27
c l ng tham s mô hình ..................................................................... 28
Ph ng pháp c l ng .......................................................................... . 29
Ch ng 4 QUÁ TRÌNH THU TH P D LI U .................................................... 31
Các thi t b s d ng trong mô hình
................................................................. 31
Bi n t n:................................................................................................... 31
PLC Siemens S7-200 .............................................................................. . 32
Gi i thi u c u trúc PID trong PLC s7-200................................................ 32
4.1.3.1 Gi i thu t c a công c PID ................................................................ 33
Khâu t l ......................................................................................... . 35
Khâu tích phân.................................................................................. 35
Khâu vi phân ................................................................................... . 36
4.1.3.5. B ng đ nh nghĩa các bi n c a vòng PID............................................ 37
4.1.3.6. Thông s vòng lặp ắLoopẰ ................................................................ 42
Gi i thiêu b đ m cao t c trong S7_200................................................... 42
T ng quan........................................................................................ . 42
Các ch đ c a b đ m cao t c ......................................................... 46
4.1.4.3. Nguyên lý ho t đ ng c a các ch đ đ m: ........................................ 46

Modul analog EM235............................................................................... 58
Gi i thi u encoder................................................................................... . 59
Đ ng c không đ ng b 3 pha.................................................................. 61
H bi n t n đ ng c
....................................................................................... . 63
S đ k t n i h th ng bi n t n đ ng c ................................................... 63
Mô t h th ng: ........................................................................................ 64
K t qu th c nghi m h bi n t n đ ng c
....................................................... 65

GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm

HVTH: Phẩm Duyệt Chi


K t qu kh o sát...................................................................................... . 65
Hàm truy n h th ng ............................................................................... . 69
Kh o sát đáp ng hàm b c ..................................................................... 72

GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm

HVTH: Phẩm Duyệt Chi


Kh o sát đáp ng hàm s b ng
Matlab............................................................ 75
Nh n xét đánh giá
.......................................................................................... . 77
Ch ng 5 K T QU TH C NGHI M KI M CH NG....................................... 78
Ch ng trình plc cho vi c thu th p d li u

..................................................... 78
Thu t gi i ................................................................................................ . 78
Ch ng trình thu th p d li u................................................................... 78
Ch ng trình plc cho vi c đi u khi n h bi n t n đ ng c
.............................. 79
Thu t gi i ................................................................................................ . 79
Ch ng trình đi u khi n.......................................................................... . 80
K t qu ki m ch ng th c nghi m đ t đ c
..................................................... 82
K t qu đ t đ c khi đ ng c không t i ................................................... 82
K t qu đ t đ c khi đ ng c có mang t i thay đ i .................................. 85
K t lu n
......................................................................................................... . 87
Ch ng 6 K T LU N VÀ H
NG PHÁT TRI N ............................................. 88
K t lu n
......................................................................................................... . 88
H ng phát
tri n............................................................................................. 88
TÀI LI U THAM KH O .................................................................................... . 90
PH L C.............................................................................................. ................ 92

GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm

HVTH: Phẩm Duyệt Chi


DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 2.1: Khâu đi u khi n vòng kín ........................................................................8
Hình 2.2: S đ h th ng đi u khi n dùng PID ........................................................9

Hình 2.3: Đáp ng c a khâu P .............................................................................. . 11
Hình 2.4: Đáp ng c a khâu I và PI ....................................................................... 12
Hình 2.5: Đáp ng b vi phân............................................................................... . 13
Hình 2.6: Đáp ng c a khâu P, PI và PID .............................................................. 14
Hình 2.7: Các đ ng cong từ tr ............................................................................ 17
Hình 2.8: Quan h gi a moment vƠ đi n áp theo t n s ......................................... 20
Hình 2.9: S đ kh i ph ng pháp V/f vòng h .................................................... 20
Hình 2.10: S đ kh i ph ng pháp V/f vòng kín.................................................. 21

Hình 3.1: Mô hình c a h
Hình 3.2: Mô hình h th
Hình 3.3: Mô hình h th
Hình 3.4: H p tho i đ

th ng vòng h ............................................................... 22
ng vòng kín .................................................................... 23
ng kh o sát ARX ............................................................ 24
c tính tham s mô hình.................................................. 28

Hình 4.1: Mô hình t ng quát c a m t PLC ............................................................ 32
Hình 4. 2: B ng mô t các ch đ làm vi c c a b đ m t c đ cao ........................ 46
Hình 4. 3: Ho t đ ng v i tín hi u reset mà không có tín hi u start ......................... 46
Hình 4. 4: Ho t đ ng v i tín hi u reset và tín hi u start ......................................... 47
Hình 4. 5: Ho t đ ng ch đ 0, 1, 2 .................................................................... 47
Hình 4. 6: Ho t đ ng ch đ 3, 4, 5 .................................................................... 48
Hình 4. 7: Ho t đ ng ch đ 6, 7, 8 .................................................................... 48
Hình 4. 8: Ho t đ ng ch đ 9, 10, 11................................................................. 49
Hình 4. 9: Nguyên lý c b n c a ho t đ ng encoder .............................................. 60
Hình 4. 10: Encorder Omrom ................................................................................ 61
Hình 4. 11: Nguyên lý ho t đ ng c a đ ng c ....................................................... 61

Hình 4. 12: H th ng kh o sát th c t .................................................................... 64
Hình 4. 13:Quá trình thu th p d li u .................................................................... 65
Hình 4. 14 Quan h các thông s kh o sát th c t .................................................. 68
Hình 4. 15: Quá trình nh n d ng b ng Matlab ....................................................... 71
Hình 4. 16: mô hình hàm truy n h th ng vòng h ................................................ 72
Hình 4. 17: đáp ng hàm truy n h th ng vòng h theo hàm tuy n tinhs ............... 72
Hình 4. 18: Đáp ng hàm step b ng th c nghi m .................................................. 74

GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm

HVTH: Phẩm Duyệt Chi


Hình 4. 19: Hàm truy n đ t c a h th ng............................................................... 75
Hình 4. 20: Đáp ng c a hàm truy n: .................................................................... 76
Hình 4. 21: Các thông s Kp, Ti, Td tìm đ c ....................................................... 77

Hình 5.1: Mô ph ng hàm truy n b ng Matlab ....................................................... 82
Hình 5.2: Đ th t c đ đ ng c đi u khi n b ng PID th c t ................................ 83
Hình 5.3: Đ th t c đ đ ng c có đi u khi n b ng PID th c t không t i ............ 86
Hình 5.4: Đ th t c đ đ ng c có đi u khi n b ng PID th c t có t i .................. 86

DANH SÁCH CÁC B NG
B ng 4.1 Giá tr kh o sát th c t ............................................................................ 67
B ng 4.2 B ng giá tr thu đ c từ hàm step ........................................................... 74

GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm

HVTH: Phẩm Duyệt Chi

Chương 1:

Tổng Quan

Ch

ng 1

T NG QUAN

T ng quan chung v ălƿnh v c nghiên c u
Trong th c t vƠ đ i s ng, đ truy n đ ng cho nh ng c c u s n xu t ng
ta th

ng s d ng các đ ng c đi n làm c c u ch p hành. Tr

đi u khi n và truy n đ ng đi n có yêu c u cao v ch t l

c đơy, các h th ng

ng đi u ch nh t c đ là

ng dùng đ ng c đi n m t chi u, lo i đ ng c này có nhi u nh

th

i

c đi m so v i

đ ng c đi n xoay chi u, nên khi công ngh đi n t công su t phát tri n, đ ng c
đi n xoay chi u đ

c s d ng r ng rãi h n.

Hi n nay, v i kh năng thi t k các b đi u khi n hi n đ i, nh c i ti n, ng
d ng không ngừng các b bi n đ i bán d n công su t l n, đ ng c xoay chi u đã tr
thành m t đ i t

ng đi u khi n có nhi u u th và vì v y, r t nhi u các h đi u

khi n đã s d ng đ ng c xoay chi u (đ ng b hay không đ ng b ) nh m t đ i
t

ng đi u khi n có nhi u u đi m v
Cũng nh

t tr i.

các h th ng đi u khi n khác, ch t l

ng các h đi u khi n

truy n đ ng đi n ph thu c r t nhi u vào các b đi u khi n,
ra đ
l

đó h th ng ph i t o

c kh năng thay đ i t c đ v i ph m vi đi u ch nh r ng, đ chính xác c a đ i

ng đi u ch nh

ch đ tĩnh cao đ t o nên vùng làm vi c v i sai s nh , h làm

vi c v i b t c quá trình quá đ nào cũng đ t đ

cđ

n đ nh cao và h có kh

năng đáp ng nhanh v i yêu c u đi u ch nh. T t c nh ng đi u này th c s đã đặt ra
nh ng yêu c u càng ngày càng kh c khe h n cho các h th ng đi u khi n t đ ng.
Đ i v i đ ng c đi n xoay chi u 3 pha không đ ng b đ

c s d ng nhi u

trong công nghi p vƠ đ i s ng. Đi u khi n t c đ đ ng c xoay chi u còn nhi u v n
đ c n gi i quy t b i nó ph thu c vào nhi u thành ph n phi tuy n có tham s b t

GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm

HVTH: Phẩm Duyệt Chi
Trang 1


Chương 1

Tổng quan

đ nh nh đi n tr c a rôto (ph thu c vào nhi t đ ), từ thông trong m ch từ, h s
ma sát, nhi u lo n tác đ ng và t i thay đ i. Có nhi u công trình nghiên c u cho
lĩnh v c này, th
H

ng đ

c phân làm hai h

ng:

ng 1: S d ng các mô hình toán h c đ

c l

ng t c đ đ ng c .

ng này có giá thành th p, nh ng hi u qu đi u khi n ph thu c vào nhi u thu t

H
toán

cl

ng và đ chính xác c a mô hình đ ng c . Có đ tin c y ph thu c vào

trình đ c a ng
H

i nghiên c u.

ng 2: S d ng các b c m bi n đ đo các tham s c a đ ng c xoay

chi u và d a vào đó đ a ra các tín hi u đi u khi n phù h p. Khi s d ng c m bi n
s làm tăng giá thành c a đ ng c và ph c t p trong k t n i đi u khi n, nh ng
h

ng này cho đ chính xác cao mà thu t toán đi u khi n l i đ n gi n.
Tuy nhiên do h đ ng l c c a đ ng c xoay chi u có nhi u tham s b t

đ nh nên vi c đi u khi n đ ng c theo các ph

ng pháp c truy n có c m bi n hay

không có c m bi n đ u không đ m b o ch t l

ng khi có t i thay đ i l n. Vi c đi u

ch nh vƠ đi u khi n t c đ c a đ ng c th

ng đ

c s d ng các gi i thu t m i nh

m ng n ron, gi i thu t di truy n (GA), gi i thu t b y đàn ầ Khoa h c kỹ thu t phát
tri n đã cho ra đ i m t thi t b đi u khi n m i đó là bi n t n. Thi t b này ngày càng
đ

c s d ng r ng rãi trong các dây chuy n s n su t hi n đ i.. V n đ đặt ra là ph i

t

ng minh h bi n t n đ ng c đ có ph

ng án đi u kh n t i u nh t.

Nh m góp ph n gi i quy t v n đ trên tác gi th c hi n công trình nghiên
c u h bi n t n đ ng c d a trên th c nghi m từ thi t b th t.
Lĩnh v c c n quan tâm trong đ tài này là “ thu thập, nhận dạng hàm
truyền và tìm các thông số liên quan đến việc điều khiển và ổn định tốc độ động
cơ trong hệ biến tần – động cơ và điều khiển bằng PLC ”.
Các k t qu nghiên c u trong và ngoài n

c

Có r t nhi u công trình nghiên c u liên quan đ n v n đ đi u khi n đ ng
c trong đó có các công trình sau đơy có liên quan đ n đ tài:

GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm

HVTH: Phẩm Duyệt Chi
Trang 2


Chương 1

Tổng quan

Công trình nghiên c u c a nhóm tác gi Ph m Th

Ph m minh Tu n. Vi n công ngh thông tin, thu c Tr

ng Cát Lê Minh Hùng,

ng Đ i H c Thái Nguyên là

ắĐiều Khiển Tốc Độ Động Cơ Không Đồng Bộ Ba Pha Sử Dụng Mạng Nơron Nhân
TạoẰ. K t qu mô ph ng cho th y t c đ c a đ ng c khi s d ng m ng n ron bám
sát t c đ đặt. T i th i đi m t i thay đ i đ t bi n t c đ có quá trình quá đ nh t
đ nh nh ng ch sau m t kho ng th i gian ng n m ng n ron t h c và tác đ ng đ a
t c đ đ ng c v v i t c đ yêu c u, sai s trung bình 10-3 [3]
Công trình nghiên c u c a Ph m Văn L c, Tr

ng Đ i H c S Ph m Kỹ

Thu t TPHCM ắ ng dụng phương pháp điều khiển PID mờ kết hợp với phương
pháp định hướng trường để điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 3 phaẰ. K t
qu mô ph ng cho th y ph
thông th

ng pháp PID- m t t h n so v i ph

ng pháp PID

ng nh dòng đi n kh i đ ng nh , t c đ đ ng c bám sát t c đ đặt v i

sai s nh [4]
Công trình nghiên c u c a tác gi Huỳnh Đ c Ch n Tr

ng Đ i H c S

Ph m Kỹ Thu t TPHCM ằ ng dụng thuật giải bầy đàn (pso) để xác định thông số
bộ PID trong điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha’. K t qu mô ph ng
cho th y: Th i gian đáp ng và th i gian xác l p nhanh, kho ng 0.02s, giá tr t i
th i đi m xác l p bám sát giá tr đặt, vào th i đi m thay đ i t c đ , t c đ th c có
l ch so v i t c đ đặt nh ng r t nh .[5]
Công trình nghiên c u n

c ngoài nh

Công trình nghiên c u c a hai tác gi

R.Dharmaprakash, Department of

Electrical and Electronics Engine ring, St.Peterís University và

Joseph Henry

Department of Electrical and Electronics Engine ring, Vel Tech Dr.R.R & Dr.S.R
Technical University ắdirect torque control of induction motor using multilevel
inverter” International Journal of Latest Research in Science and Technology
Volume 3, Is ue 3: Page No. 70-75, May-June 2014
k t qu mô ph ng s cho th y r ng đáp ng t c đ khi s d ng bi n t n hai c p

GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm

HVTH: Phẩm Duyệt Chi
Trang 3

Chương 1

Tổng quan

đ hay ba c p đ là t

ng t . Nh ng đ g n mô-men xo n s d ng bi n t n ba c p

đ là r t ít so v i hai c p đ .
đ n gi n. chuy n đ i ph

u đi m chính c a ph

ng pháp đ

c đ xu t là s

ng pháp ki m soát mô-men xo n tr c ti p s d ng bi n

t n ba c p đ và nó r t d dàng đ thi t k và th c hi n. Có hi u su t ho t đ ng và
tr ng thái n đ nh t t. [11]
M c đích c a đ tài.
Trong s n xu t công nghi p, vi c dùng bi n t n đ đi u khi n đ ng c
không đ ng b 3 pha ngày càng ph bi n nh ng đ

n đ nh đ ng c c n ph i xây

d ng gi i thu t đi u khi n. Đ xây d ng gi i thu t c n ph i có các thông s c a mô
hình đ i t

ng. Có r t nhi u cách đ xác đ nh thông s này, trong đó có ph

pháp ARX. Trong đ tài này, trình bày ph

ng

ng pháp nh n d ng mô hình h bi n t n

đ ng c b ng ARX. Sau đó, ti n hành mô ph ng trên c s mô hình vừa tìm đ

c.

Đ xây d ng gi i thu t đi u khi n PID cho mô hình trên, s d ng công c PID tune
trong Matlab đ xác đ nh các thông s Kp,TI, Td. Dùng Matlab mô ph ng h v i s
đi u khi n c a kh i PID. Dùng th c nghi m l p trình trên v i các thông s Kp,Ti,
Td đ đi u khi n h bi n t n đ ng c , so sánh k t qu mô ph ng và th c nghi m cho
th y v n t c đ ng c

n đ nh t i giá tr đặt.

Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu
M c tiêu nghiên c u
Đi u khi n và n đ nh t c đ đ ng c không đ ng b ba pha trong h bi n t n đ ng
c khi t i thay đ i.
c u

Ph m vi nghiên

Đ tài t p trung nghiên c u mô hình ARX cho vi c xác đ nh hàm truy n và
tìm giá tr các thông s b đi u khi n PID trong đi u khi n t c đ đ ng c không

đ ng b 3 pha. L p trình gi i thu t PID trong S7_200 đ khi n t c đ đ ng c c a
h bi n t n đ ng c .
Đ it

ng nghiên c u

 B đi u khi n PID trong s7-200.

GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm

HVTH: Phẩm Duyệt Chi
Trang 4


Chương 1

Tổng quan

 Đ ng c không đ ng b ba pha, bi n t n.
ng pháp nh n d ng (ARX) mô hình h bi n t n đ ng c .

 Ph

 Gi i thu t đi u khi n PID cho h bi n t n đ ng c .
Ph

ng pháp nghiên c u
Trong đ tài này tác gi đã s d ng các ph
- Ph

ng pháp nghiên c u:

ng pháp tham kh o tài li u: b ng cách thu th p thông tin và tài li u từ

sách, t p chí, báo đi n t và truy c p m ng internet.
- Ph

ng pháp quan sát: kh o sát m t s mô hình, mô ph ng th c t đang

có từ các project tr

c và các bài báo trên m ng internetầ

- Mô ph ng l i b ng ph n m m Matlab đ so sánh v i k t qu đã có nh m
rút ra nh ng kinh nghi m trong vi c mô ph ng.
- Ph
v is h

ng pháp th c nghi m: từ nh ng ý t

ng d n c a giáo viên, ng

ng và ki n th c v n có k t h p

i nghiên c u làm th c nghi m tr c ti p trên

thi t b th c t đ tìm ra các d li u ph c v cho công trình nghiên c u c a mình,
dùng ph

ng pháp ARX đ tìm ra hàm truy n, từ đó xác đ nh các thông s c a PID.

Dùng Matlab đ mô ph ng và so sánh v i k t qu th c nghi m.
Tham kh o ý ki n c a chuyên gia trong lĩnh v c nghiên c u.
Nhi m v c a đ tài và gi i h n đ tài.
Nhi m v c a đ tài
công trình nghiên c u này th c hi n các nhi m v sau:
- Tìm ra hàm truy n cho h th ng b ng ph

ng pháp nh n d ng theo mô

hình ARX.
- Xây d ng mô hình cho h th ng.

GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm

HVTH: Phẩm Duyệt Chi
Trang 5


Chương 1

Tổng quan

- Tìm ra các thông s đi u khi n Kp, Ti, Td cho khâu PID đ đi u khi n.
- Mô ph ng hàm truy n b ng simulink c a MATLAB.
- Đi u khi n và n đ nh đ

c t c đ đ ng c không đ ng b ba pha b ng

PLC s7-200.

T t c các công vi c trên đi đ n m c đích cu i cùng là xây d ng mô hình
t

ng đ

ng cho h th ng bi n t n- đ ng c nh m ph c v cho quá trình nghiên

c u th c ti n, phân tích và gi ng d y v bi n t n cho nh ng ng
t n m t cách sâu r ng. Từ đó áp d ng ph

i làm vi c v i bi n

ng pháp này cho các h th ng khác

trong th c t .
Gi i h n đ tài
Trong khuôn kh c a đ tài này là tìm ra đ

c hàm truy n v i các thông s

c th
L p trình cho PLC S7-200 đi u khi n n đ nh t c đ đ ng c không đ ng
b b ng ch c năng PID trong PLC.
So sánh k t qu mô ph ng b ng công c MATLAB v i k t qu kh o sát từ
th c nghi m
K t cấu c a lu n vĕn
Lu n văn g m các ph n sau:
Ch

ng 1: T ng quan

 Ch

ng này g m nh ng n i dung sau :

 Đặt v n đ .
 Các k t qu nghiên c u trong và ngoài n

c.

 M c tiêu và ph m vi nghiên c u.
 Đ it

ng nghiên c u.

GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm

HVTH: Phẩm Duyệt Chi
Trang 6


Chương 1

Tổng quan

 Ph
Ch

ng pháp nghiên c u.

ng 2: C s lý thuy t

 Ch

ng này trình bày nh ng n i dung sau :

 Các ph

ng pháp nh n d ng

 B đi u khi n PID.
 Đi u khi n t c đ b ng cách thay đ i t n s ngu n áp(V/f).
Ch

ng 3: Nh n d ng thông s mô hình
 Ch

ng này tìm hi u các v n đ :

 Ph

ng pháp xây d ng mô hình.

 Ph

ng pháp

cl

ng (estimation methods).

 Mô hình đa đ u ra

Ch

ng 4: Thu th p d li u
 Ch

ng này g m nh ng n i dung sau:

 Các thi t b ph c v thí nghi m.
 K t qu th c nghi m h bi n t n đ ng c .
 Kh o sát đáp ng hàm s b ng Matlab.
 Nh n xét đánh giá.
Ch

ng 5: K t qu ki m ch ng th c nghi m
 Ch

ng này tìm hi u các v n đ :

 Ch

ng trình thu th p d li u.

 Ch

ng trình đi u khi n h bi n t n đ ng c .

 K t qu ki m ch ng th c nghi m.
 K t lu n.
Ch

ng 6: K t lu n và h

ng phát tri n c a đ tƠi

GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm

HVTH: Phẩm Duyệt Chi
Trang 7


Chương 2

Cơ sở lý thuyết

Ch

C
Các ph

S

ng 2

LÝ THUY T

ng pháp nh n d ng

T ng quan v nh n d ng
T t c các ph

ng pháp đi u khi n đ u d a trên mô hình đ i t

ng, mô

hình này có th là mô hình lý thuy t hay mô hình th c nghi m. Trong th c t , các
quá trình công nghi p đ

c bi n đ i r t ph c t p, nó có nhi u tín hi u nhi u tác

đ ng không mong mu n. Do đó, vi c xây d ng mô hình ph n ánh quá trình m t
cách đ y đ và chính xác là vô cùng khó khăn và ph c t p. Vì v y ta có th xây
d ng mô hình t

ng đ

ng đ m b o các y u t sau:

i.

Đ tin c y c a thông tin có đ

ii.

Công su t và chi phí ti n hành mô hình hóa

iii.

Yêu c u, m c đích s d ng, ng d ng c a mô hình

iv.

Kh năng nâng c p linh ho t

Có hai ph

c từ mô hình

ng pháp xây d ng mô hình cho quá trình:

2.1.2.Mô hình hóa toán - lý (lý thuy t)
Ph

ng pháp này ng d ng các đ nh lu t, đ nh lý c b n c a các hi n t

toán, lý và các thông s kỹ thu t c a thi t b . Ph
các ph

ng

ng pháp này cho ra m t h th ng

ng trình toán, lỦ đặc tr ng cho quá trình.
* Đặc điểm c a phương pháp
Cho ng

i nghiên c u hi u sâu v các m i quan h c a các hi n t

hóa, c a quá trình.Tuy nhiên, ph

ng pháp này đòi h i ng

GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm

ng lý

i nghiên c u ph i có

HVTH: Phẩm Duyệt Chi
Trang 6


Chương 2

Cơ sở lý thuyết

nhi u kinh nghi m và có ki n th c lĩnh v c lý hóa r t sâu r ng. Mặt khác, ph
pháp này l i b qua s

nh h

ng c a các đặc tính c a các thi t b đo l

c u ch p hành. Do đó k t qu mô hình thu đ

ng

ng và c

c ch ph n ánh đặc tính đ ng h c c a

quá trình công ngh . Đi u này làm gi m tính chính xác và đ y đ c a mô hình. Do
v y mô hình lý thuy t thích h p cho kh o sát đặc tính đ ng h c, xác đ nh c u trúc
ho ch đ nh sách l

c đi u khi n cho quá trình.

2.1.3.Mô hình hóa th c nghi m (th c t )
D a trên thông tin ban đ u v quá trình, quan sát tín hi u vào ra c a quá
trình th c ti n và phân tích s li u thu đ
*Đặc đi m c a ph
Ph
đ

ct

c đ xác đ nh mô hình.

ng pháp

ng pháp mô hình hóa th c nghi m có u đi m là ta có th xác đ nh

ng đ i chính xác các tham s c a mô hình n u nh ta bi t c u trúc c a mô

hình. Tuy nhiên, vi c xác đ nh mô hình d a vào các d li u vào ra (thu đ
nghi m) nên ch t l

ng mô hình thu đ

c từ th c

c ph thu c vào đ chính xác c a các thi t

b đo. Mặt khác, nhi u tác d ng lên quá trình và thi t b đo cũng gây nh h
đáng k lên d li u thu th p đ

ng

c. Vi c thu th p d li u vào ra không d dàng vì

nhi u lý do nh các ràng bu c v đi u ki n công ngh khi th c hi n thu th p d
li u, t

ng tác gi a các bi n quá trình, chi phí v n hành trong quá trình thu th p d

li u.
Đơy là ph

ng pháp mà tác gi s d ng trong đ tài nghiên c u này

B đi u khi n PID
Khái ni m
B đi u khi n PID là m t b đi u khi n vòng kín đ

c s d ng r ng rãi trong

công nghi p. PID là từ vi t t t c a Proportional-Integral-Derivative (t l -tích phân-vi
phân). Đó là 3 khâu ho t đ ng trên tín hi u sai s đ t o ra m t tín hi u đi u

GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm

HVTH: Phẩm Duyệt Chi
Trang 7


Chương 2

Cơ sở lý thuyết

khi n bao g m khâu khu ch đ i P, khâu tích phân I, khâu vi phân D. B đi u khi n
PID hoàn h o th c hi n 3 tính ch t khác nhau. V i Mô hình b đi u khi n PID
đ

c cho

hình sau

Hình 2.1: Khâu đi u khi n vòng kín
Trong đó
R(s): tín hi u tham chi u đ u vào, đặt tr

c tr ng thái làm vi c c a h th ng.

E(s): tín hi u sai l ch xu t hi n sau khi so sánh gi a tín hi u ra và tín hi u
tham chi u.
C(s): kh i PID đi u khi n h th ng,
U(s): tín hi u đi u khi n h th ng,
G(s): mô hình h th ng
Y(s): tín hi u ra c a h th ng
Tính ch t c a khâu đi u khi n PID:
-

Ph c tùng, th c hi n chính xác nhi m v đ

c giao (t l -khu ch đ i)

-

Làm vi c có tích lũy thông tin đ th c hi n t t nhi m v (tích phân)

-

Luôn ph n ng nhanh đ i v i s thay đ i tình hu ng trong quá trình th c
hi n nhi m v (vi phân)

GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm

HVTH: Phẩm Duyệt Chi
Trang 8


Chương 2

Cơ sở lý thuyết

Đi u khi n PID là m t ki u đi u khi n có h i ti p, ngõ ra thay đ i t
ng v i s thay đ i c a giá tr đo. Ng

ng

i ta có th ch áp d ng đi u khi n P, PI, hay

PID.
Công th c toán c a b đi u khi n PID trên mi n Laplace:

1
C(s)  K p  Ki  Kd s  K p (1 Td s)
Ti s
s

(2.1).

Trong đó:
Kp: đ l i t l .
Ki: đ l i tích phân.
Kd: đ l i vi phân.
Ti=Kp/Ki: th i gian khâu vi phân.
Td=Kp xKd: th i gian khâu tích phân.
Vi c s d ng b đi u khi n PID đ đi u ch nh sai l ch gi a giá tr đo đ
th ng pv (process variable) v i giá tr đặt tr
đi u ch nh giá tr đi u khi n

cc ah

c sp (setpoint) b ng cách tính toán và

ngõ ra có c u trúc b PID nh sau:

Hình 2.2: S đ h th ng đi u khi n dùng PID

GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm

HVTH: Phẩm Duyệt Chi
Trang 9


Chương 2

Cơ sở lý thuyết

P (Proportional ) t l v i sai l ch e (error - e),
I (integral) t o tín hi u đi u khi n t l v i tích phân theo th i gian c a sai
l ch.
D (derivative) t o tín hi u đi u khi n t l v i vi phân theo th i gian c a sai
l ch.
Đ hi u c th v PID, tr

c tiên ph i hi u v nhi m v c a từng khâu

trong nó.
Khâu P (Proportional)
Khâu P t o ra tín hi u đi u khi n t l v i giá tr c a sai l ch. Vi c này đ

c

th c hi n b ng cách nhân sai l ch e v i h ng s KP ậ g i là h ng s t l .
Khâu P đ

c tính d a trên công th c:
(2. 2)

Pout  K p e(t)

V i: Pout: giá tr ngõ ra
KP: h ng s t l
e(t):sai l ch: e = sp ậ pv
S đ kh i c a khâu P:

Hàm truy n:
G p (s)  K p

GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm

(2. 3)

HVTH: Phẩm Duyệt Chi
Trang 10


Chương 2

Cơ sở lý thuyết

N u ch có khâu P thì trong m i tr

ng h p sai s tĩnh luôn xu t hi n, trừ

khi giá tr đ u vào c a h th ng b ng 0 hoặc đã b ng v i giá tr mong mu n. Trong
hình (2.3) sau th hi n sai s tĩnh xu t hi n khi thay đ i giá tr đặt.

Hình 2.3: Đáp ng c a khâu P

N u giá tr khâu P quá l n s làm cho h th ng m t n đ nh. Vì th đ h n
ch đ

c khuy t đi m này ng

i ta trang b thêm khâu tích phân nh sau.

Khâu I (Integral)
Khâu I là khâu tích phân, có nhi m v c ng thêm t ng các sai s tr
vào giá tr đi u khi n. Vi c tính t ng các sai s đ
giá tr đ t đ

c đó

c th c hi n liên t c cho đ n khi

c b ng v i giá tr đặt, và k t qu là khi h cơn b ng thì sai s b ng 0.

Khâu I đ

c tính theo công th c:
t

I out  K e(฀
i

(2. 4)

)d฀
0

V i: Iout: giá tr ngõ ra khâu I
Ki: h s tích phân
e: sai s , e = sp ậ pv

GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm

HVTH: Phẩm Duyệt Chi
Trang 11


Chương 2

Cơ sở lý thuyết

S đ kh i khâu I:

Hàm truy n:
G(s) 

U (s)



Ki

E(s)

Khâu I th

s



1

(2. 5)

Ti s

ng đi kèm v i khâu P và h p thành b đi u khi n PI. N u ch s

d ng khâu I thì đáp ng c a h th ng s ch m và th

ng b dao đ ng. Hình (2.4)

ch ra s khác bi t gi a khâu I và PI:

Hình 2.4: Đáp ng c a khâu I và PI
Ta có th nh n th y là khâu I làm cho đáp ng c a h th ng b ch m đi r t
nhi u, còn khâu PI giúp tri t tiêu sai s xác l p.
Khi có hai khâu P và I trong th c t các chuyên gia nh n th y r ng đáp ng
c a nó là khá ch m trong các tr

ng h p có s bi n đ ng nhanh c a h th ng. Từ

đó, h thêm vào khâu vi phân thì đáp ng c a h th ng đ

c c i thi n nhanh

chóng.

GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm

HVTH: Phẩm Duyệt Chi
Trang 12


Chương 2

Cơ sở lý thuyết

Khâu D (Derivative)
Khâu D c ng thêm t c đ thay đ i sai s vào giá tr đi u khi n

ngõ ra.

N u sai s thay đ i nhanh thì s t o ra thành ph n c ng thêm vào giá tr đi u khi n.
Đi u này c i thi n đáp ng c a h th ng, giúp tr ng thái c a h th ng thay đ i
nhanh chóng và mau chóng đ t đ
Khâu D đ

c giá tr mong mu n.

c tính theo công th c:
Dout  K d

de

(2. 6)

dt

V i: Dout ngõ ra khâu D
Kd: h s vi phân
e: sai s , e = sp ậ pv
S đ kh i khâu D:

Hàm truy n: G(s)  U (s)  K s
d

(2. 7)

E(s)

Khâu D th

ng đi kèm v i khâu P thành b PD, hoặc v i PI đ thành b

PID.

Hình 2.5: Đáp ng b vi phân

GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm

HVTH: Phẩm Duyệt Chi
Trang 13


Chương 2

Cơ sở lý thuyết

Theo (hình 2.6), b PD t o đáp ng có th i gian tăng tr

ng nh h n so v i

b P. N u giá tr D quá l n s làm cho h th ng không n đ nh.
T ng h p ba khâu ậ B đi u khi n PID:
B đi u khi n PID là c u trúc ghép song song gi a 3 khâu P, I và D.
Ph

ng trình vi phân c a b PID lý t

u(t)  K P e(t)  K i e(t)dt  K d

ng:

de(t)
dt

(2. 8)

S đ kh i:

Đáp ng c a b PID:

Hình 2.6: Đáp ng c a khâu P, PI và PID

GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm

HVTH: Phẩm Duyệt Chi
Trang 14


Chương 2

Cơ sở lý thuyết

Hàm truy n c a h th ng:
u
e

(s)  H (s)  K (1  1  T s)
d
Ti s
P

(2. 9)

Hàm chuy n đ i:
u(t)  K p (e(t) 

1

t



T i e(t)dt  Td

0

de(t)
dt )

(2. 10)

Tính g n đúng theo công th c:
t

n

 e(t)dt  T  e(k )
k 0

0

de(t ) e(n) e(n 1)

dt
T
t  nT
K t qu thu đ

- e(k) là sai s trong từng kho ng
th i gian l y m u trong chu kỳ T.
- e(n) là sai s trong kho ng th i
gian th n.
- n là b

c r i r c t i t.
(2.10)

c:
n

u(n)  K p e(n)  K i  e(k)  K d (e(n)  e(n  1))

(2. 11)

k 0

V i:
K T
K T
p d
p
K i 
; K d  T
Ti

Đ có đ

c m t b PID ta ph i xây d ng chúng.

Xây d ng hàm truy n cho mô hình PID
Hàm truy n c a b PID có nhi u b c, tùy thu c vào đ i t

ng đi u khi n

mà nó có b c nào là thích h p. Sau đơy là tóm t t các d ng hàm truy n c a PID
[1],[2]

GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm

HVTH: Phẩm Duyệt Chi
Trang 15


Chương 2

Cơ sở lý thuyết

Hàm b cnh tcód ng:
PID

PI
Tds

K (1 Tzs )e
G(s) 
s(1  Tp1 s)

PD

ID
Tds

K (1  Tzs)
G(s) 

s(1  Tp1 s)

Tds

K (1 Tzs )e
G(s) 
s(1  Tp1 s)

K (1 Tzs )e
G(s) 
(1  Tp1 s)

Hàm b chai:
PID

PI
Tds

K (1 Tzs )e
s(1  Tp1 s)(1  Tp 2 s)(1  Tp 3 s)

G(s) 

G(s) 

K (1  Tzs)
s(1  Tp1 s)(1  Tp 2 s)(1  Tp3 s)

Hàm b cba:
PID

PI
Tds

K(1 Tzs)e
G(s) 
s(1 Tp1s)(1 Tp2 s)

G(s) 

K(1Tzs)
s(1Tp1s)(1Tp2 s)

PD

ID

K(1Tzs)eTds

G(s) 
(1Tp1s)(1Tp2s)

G(s) 

KeTds
s(1 Tp1s)(1 Tp2 s)

Thi t k b đi u khi n PID:
Lu t đi u khi n th
toán h c c a đ i t

ng đ

c ch n trên c s đã xác đ nh đ

ng ph i phù h p v i đ i t

c mô hình

ng cũng nh th a mãn yêu c u c a

bài toán thi t k .
Trong tr
t

ng h p không th xác đ nh đ

c mô hình toán h c c a đ i

ng, có th tìm lu t đi u khi n cũng nh các tham s c a b đi u khi n thông qua

th c nghi m. Ziegler và Nichols đã đ a ra ph

GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm

ng pháp xác đ nh thông s t i u

HVTH: Phẩm Duyệt Chi
Trang 16

Chương 2

Cơ sở lý thuyết

c a b PID là d a trên đ th hàm quá đ c a đ i t
h n thu đ

ng hoặc d a trên các giá tr t i

c qua th c nghi m và hi u ch nh b PID [2]

.Đi u khi n t c đ bằng cách thay đ i t n s ngu n áp (V/f)
T c đ đ ng b c a đ ng c không đ ng b t l tr c ti p v i t n s ngu n
cung c p. Do đó khi thay đ i t n s ngu n cung c p cho đ ng c s lƠm thay đ i t c
đ đ ng b , t

ng ng là t c đ đ ng c thay đ i. S c đi n đ ng c m ng trong

stator E t l v i tích c a t n s ngu n cung c p và từ thông trong khe h không khí.
N u b qua các đi n áp r i trên đi n tr stator, có th xem s c đi n đ ng E  đi n
áp ngu n cung c p. N u gi m t n s ngu n nh ng gi nguyên đi n áp s d n đ n
vi c gia tăng từ thông trong khe h không khí. Đ ng c th

ng đ

c thi t k làm

vi c t i ắđi m cánh ch Ằ c a đặc tuy n từ hóa, nên s gia tăng từ thông s d n đ n
bão hòa m ch từ.

đi m làm vi c
c a đ ng c

Hình 2.7: Các đ

ng cong từ tr

Đi u này khi n cho dòng từ hóa tăng, méo d ng dòng đi n và đi n áp ngu n
cung c p, gia tăng t n hao lõi, t n hao đ ng stator và gây ra n đ ng c
cao. Ng

c l i, từ thông khe h không khí gi m d

i đ nh m c s làm gi m kh

năng t i c a đ ng c .Vì v y, vi c gi m t n s đ ng c xu ng d

GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm

t ns

i t n s đ nh m c

HVTH: Phẩm Duyệt Chi
Trang 17