Luận Văn Tốt Nghiệp Điều Khiển PID Tay Máy (Kèm Code Source + Slide)

Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển PID tay máy

Trang 1

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP. HCM
KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐIỀU KHIỂN PID TAY MÁY

Giảng viên hướng dẫn: Th.S TRẦN THỊ HOÀNG OANH
Sinh viên thực hiện : NGUYỄN CÔNG LỘC
Lớp
: ĐHĐT1B
Khoá
: 1

TP. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2009

GVHD: ThS Trần Thị Hoàng Oanh


Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển PID tay máy

Trang 2

LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là ứng

dụng rộng rãi của điện tử vào đời sống. Với sự phát triển đó máy móc đã dần thay thế
con người trong tất cả lĩnh vực. Đồng thời chúng có thể thay thế con người làm những
việc nguy hiểm và làm trong thời gian dài… Đó là những cánh tay máy, cánh tay
Robot, những con Robot.
Đồ án này là mô hình thu nhỏ của Cánh tay Máy. Mô phỏng những đặc tính cơ
bản của cánh tay. Nó có thể di chuyển lên xuống, qua lại và gắp thả vật ở vị trí cố
định. Mô hình ứng dụng PLC S7-200 DC/DC/DC để giao tiếp và điều khiển.
Đề tài trên rất hay và ứng dụng rất thực tế, do kiến thức và kinh nghiệm thực tế
còn hạn chế nên quá trình thi công đề tài không tránh khỏi thiếu sót. Vì vậy rất mong
nhận được những ý kiến đóng góp, giúp đỡ chân thành của các thầy cô cũng như các
bạn sinh bạn sinh viên.

GVHD: ThS Trần Thị Hoàng Oanh


Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển PID tay máy

Trang 3

NHẬN XÉT TỔNG HỢP

Đồ án này là mô hình điều khiển cánh tay máy gắp thả vật ở vị trí cố định, nó
có thể di chuyển qua phải, qua trái và lên xuống.
Đồ án này đã làm được những vấn đề sau:
• Điều khiển PID cho khâu đế.
• Đếm xung tần số cao.
• Điều rộng xung cho khâu tay kẹp (hai động cơ hoạt động đồng thời).
• Nắm vững tập lệnh PLC S7-200.
• Sử dụng tốt phần mềm WinCC.
• Điều khiển được hoạt động của cánh tay máy theo chế độ tuần tự.

Những vấn đề chưa làm được:
• Khâu 2 chưa được điều xung nên động cơ chạy còn hơi giật.
• Tay máy chưa có thị giác nhân tạo do đó để tay máy hoạt động gắp nhả
đúng vị trí.
• Số xung Encoder của các khâu nhỏ dẫn đến có sai số trong việc điều
khiển vị trí.
• Kết cấu cơ khí chưa được ổn định.

GVHD: ThS Trần Thị Hoàng Oanh


Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển PID tay máy

Trang 4

MỤC LỤC
5.2. Các hàm điều khiển thường dùng:.........................................................................38

GVHD: ThS Trần Thị Hoàng Oanh


Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển PID tay máy

Phần 1:
I.

Trang 5

LÝ THUYẾT LIÊN QUAN

Giới thiệu về động cơ điện một chiều:
Động cơ DC là động cơ điện hoạt động với dòng điện một chiều. Động cơ

điện một chiều ứng dụng rộng rãi trong các ứng dụng dân dụng cũng như công
nghiệp.

1. Cấu tạo:
Một động cơ DC có 6 phần cơ bản:
– Phần ứng hay Rotor (Armature).
– Cổ góp (Commutator).
– Chổi than (Brushes).
– Trục motor (Axle).
– Nam châm tạo từ trường hay Stator (field magnet).
– Bộ phận cung cấp dòng điện DC.

2. Nguyên lý hoạt động:
Khi đặt lên dây quấn kích từ một điện áp kích từ Uk nào đó thì trong dây
quấn kích từ sẽ xuất hiện dòng kích từ i(kt) làm xuất hiện từ thông Ф. Tiếp đó
sẽ đặt một giá trị điện áp U lên mạch phần ứng thì trong dây quấn phần ứng sẽ
có 1 dòng điện i chạy qua. Tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ thông kích
thích tạo thành mômen điện từ.
3. Phân loại:
Căn cứ vào phương pháp kích từ người ta chia động cơ 1 chiều thành các
loại như sau :
GVHD: ThS Trần Thị Hoàng Oanh


Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển PID tay máy

Trang 6

- Động cơ điện 1 chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu,
- Động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập nghĩa là phần ứng và phần kích từ được
cấp điện bởi 2 nguồn riêng rẽ,
- Động cơ điện 1 chiều kích thích nối tiếp: cuộn dây kích thích được mắc nối
tiếp với phần ứng,
- Động cơ điện 1 chiều kích thích song song: cuộn dây kích thích được mắc
song với phần ứng,
- Động cơ điện 1 chiều kích thích hỗn hợp: gồm có 2 cuộn dây kích từ , 1 cuộn
mắc nối tiếp với phần ứng, 1 cuộn mắc song song với phần ứng,
4. Phương trình cơ bản của động cơ điện 1 chiều:
E = K Φ. W

(1)

V = E + Ru.Iu

(2)

M = K Φ Iu

(3)

Với:
– E: sức điện động cảm ứng (V).
– Φ: Từ thông trên mỗi cực (Wb).
– Iu: dòng điện phần ứng (A).
– V : Điện áp phần ứng (V).
– Ru: Điện trở phần ứng (Ohm).
– w : tốc độ động cơ (rad/s).

– M : moment động cơ (Nm).
– K: hằng số, phụ thuộc cấu trúc động cơ.
5. Encoder:

GVHD: ThS Trần Thị Hoàng Oanh


Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển PID tay máy

Trang 7

Gồm 1 bộ phát ánh sáng (LED phát), một bộ thu ánh sáng nhạy với ánh sáng từ bộ phát
(bộ thu thường là photodiode hoặc phototransistor), 1 đĩa quang có khoét lỗ gắn trên trục quay
đặt giữa bộ phát và thu, thông thường trục quay này sẽ được gắn với trục quay của đối tượng
cần đo tốc độ.
Một encoder thường có các dây sau:
– Dây cấp nguồn (+5V) cho encoder.
– Dây nối đất (GND).
– Dây pha A – tín hiệu ra theo độ phân giải (1 vòng/N xung (N từ vài chục lên đến vài
nghìn xung tuỳ theo độ phân giải)).
– Dây pha B – tín hiệu ra theo độ phân giải (1 vòng/N xung (N từ vài chục lên đến vài
nghìn xung tuỳ theo độ phân giãi)), pha B chậm pha hơn pha A. Thường tuỳ theo trạng thái
pha nhanh hay chậm của 2 pha này ta xác định chiều quay của đối tượng, để từ đấy bộ đếm
tiến hoặc đếm lùi

Hình 2.29 – Dạng song ngõ ra của LED thu

6. Động cơ được sử dụng trong mô hình:
ĐỘNG CƠ DC (MODEL KM3448A)
Tốc độ: 120 Rpm

Công suất: 25w
Tỷ số truyền: 1/40
Áp sử dụng: 24VDC
Đường kính động cơ: 37mm
Chiều dài động cơ: 80mm
Đường kính trục: 6mm
Chiều dài trục: 15mm
Nhông: Sắt
Khối lượng: 250g
Moment có tải: 80 gcm
Moment khởi động: 790 gcm
Dòng có tải: 250 mA
Dòng khởi động: 1950mA
Nơi sản xuất: Korea

ĐỘNG CƠ DC (MODEL KM3348A)
GVHD: ThS Trần Thị Hoàng Oanh


Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển PID tay máy

Thông số
Tốc độ: 80rmp
Công suất: 15w
Tỷ số truyền: 1/45
Áp sử dụng: 24VDC
Đường kính động cơ: 37mm
Chiều dài động cơ: 55mm
Đường kính trục: 6mm
Chiều dài trục: 15mm

Khối lượng: 150g
Nhông: Sắt ,Đồng
Nơi sản xuất: Taiwan

II.

Giới thiệu về Xy-lanh, Van khí nén:
1. Xy lanh:
1.1 Loại một chiều:
Đây là loại tự trở về khi
được kích
Khi không có khí
Khi có khí
1.2 Loại hai chiều:
Khi có khí sẽ đóng
xy-lanh
Khi không có khí sẽ
không tự về mà khi về
thì ta phải cấp khí.

GVHD: ThS Trần Thị Hoàng Oanh

Trang 8


Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển PID tay máy

Trang 9

2. Các loại valse khí:

Một valse khí được đặc trưng bởi số vị trí mà valse có được và số lượng cửa nối
ống. Hai loại valse khí thường dùng:
2.1. Valse (3/2) 3 cửa, 2 vị trí (loại 1 cuộn dây):

Ký hiệu:

Hoạt động:
Valse 2 vị trí, 3 cửa có 3 đường nối ống: một
đường khí vào (lỗ 1), hai đường khí ra (lỗ 2, 4) và
hai đường xả (lỗ 3, 5).

Valse có hai vị trí:
 Khi cuộn dây không được cấp điện: khí vào 1 ra 2, khí từ 4 xả qua 5 (hình a).
 Khi cuộn dây được cấp điện: khí vào 1 ra 4, khí từ 2 xả qua 3 (hình b).

Hình a: Vị trí pitton khi cuộn dây không được cấp điện.

Hình b: Vị trí pitton khi cuộn dây được cấp điện.

2.2. Valse (3/2) 3 cửa, 2 vị trí (loại 2 cuộn dây):
GVHD: ThS Trần Thị Hoàng Oanh


Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển PID tay máy

Trang 10

Ký hiệu:

Hoạt động:

Tương tự loại 1 cuộn dây, tuy nhiên 2 vị trí
của valse trong trường hợp này là trạng thái
bền.

 Khi cuộn dây a được cấp điện: khí vào 1 ra 2, khí từ 4 xả qua 5.
 Khi cuộn dây b được cấp điện: khí vào 1 ra 4, khí từ 2 xả qua 3
Khi hai cuộn dây đều được cấp điện, vị trí valse không thay đổi.
(Tài liệu – Giáo trình Hệ thống truyền động thủy khí, PGS. TS Trần Xuân Tùy – ThS.
Trần Minh Chính – KS. Trần Ngọc Hải, Đà Nẵng 2005)
3. Truyền động bánh răng:
Cơ cấu truyền chuyển động quay giữa các trục và để biến đổi số vòng quay.
Phân loại:
 Phân loại về số lượng bánh răng:
• Bánh răng một cấp: chỉ có một cặp bánh răng.
• Bánh răng nhiều cấp: gồm nhiều cặp bánh răng có tỷ số truyền
khác nhau tạo thành hộp tốc độ hộp giảm tốc,…
 Phân loại theo quan hệ truyền:
• Quan hệ truyền ăn khớp: có truyền động bánh răng trụ, côn, trục
vít, hypôit và hỗn hợp.
• Quan hệ truyền phức tạp: truyền động bánh răng hành tinh,
truyền động bánh răng sóng,…

GVHD: ThS Trần Thị Hoàng Oanh


Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển PID tay máy

Trang 11

Các dạng truyền động

a. Thẳng; b. Nghiêng; c. Chữ V; d. Côn; e. Bánh răng xoắn, góc giữa các trục
90o;
g. Hypôit; h. Trục vít lõm (glôbôit)

III.

Giới thiệu PLC S7-200:

GVHD: ThS Trần Thị Hoàng Oanh


Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển PID tay máy

Trang 12

Thiết bị điều khiển Logic khả trình PLC (Programmable Logic Control) là loại
thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số thông qua một ngôn
ngữ lập trình, thay cho việc phải thể hiện thuật toán đó bằng các mạch số. Như vậy
trong chương trình điều. PLC trở thành bộ điều khiển số nhỏ gọn, dễ dàng thay đổi
thuật toán và đặc biệt dễ dàng trao đổi thông tin với môi trường xung quanh (Với các
PLC khác hoặc với máy tính).


Điện áp cấp nguồn: 15 ÷ 30VDC



Ngõ vào tích cực: 15 ÷ 30VDC



Điện áp tại ngõ ra: 15 ÷ 30VDC

1. Sơ đồ khối cấu tạo của PLC:

GVHD: ThS Trần Thị Hoàng Oanh


Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển PID tay máy

Trang 13

Có các loại PLC S7-200 (Siemens):
Các loại PLC thông thường: CPU222, CPU224, CPU224XP, CPU226
Theo loại điện áp người ta phân ra 2 loại:
• Loại cấp điện áp 220VAC:
Ngõ vào: tích cực mức 1 ở cấp điện áp +24VDC (15VDC – 30VDC)
Ngõ ra: Ngõ ra rơ le
• Loại cấp điện áp 24VDC:
Ngõ vào: Tích cực mức 1 ở cấp điện áp +24VDC (15VDC – 30VDC)
Ngõ ra: Ngõ ra Transistor
2. Ứng dụng xuất xung tốc độ cao:
CPU S7_200 có 2 ngõ ra xung tốc độ cao (Q0.0, Q0.1), dùng cho việc điều rộng xung tốc
độ cao nhằm điều khiển các thiết bị bên ngoài.
- Việc điều rộng xung được thực hiện thông qua việc định dạng Wizard.
- Có 2 cách điều rộng xung: điều rộng xung 50% (PTO) và điều rộng xung theo tỉ lệ
(PWM) .
2.1. Điều rộng xung 50% (PTO):
Loại này xuất ra ngõ ra giá trị Ton = 50%T, điện áp trung bình =

GVHD: ThS Trần Thị Hoàng Oanh

½ VDC


Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển PID tay máy

Ngoài ra:

Q0.0

Trang 14

Q0.1

SMW68

SMW78 : Xác định chu kì thời gian,

SMW70

SMW80 : Xác định chu kì phát xung,

SMD72

SMD82

: Xác định số xung điều khiển.

Các Byte cho việc định dạng SMB67 (cho Q0.0) và SMB77 (cho Q0.1)

Thanh
điều

ghi
khiển

(Hex Value)
16#81
16#84
16#85
16#89
16#8C
16#8D
16#A0
16#A8

Cập

Cho

Mode

phép

Kiểu vận hành

Time Base

nhật

Cập nhật
T

Ton

Yes
Yes
Yes
Yes
Yes
Yes
Yes
Yes

PTO
PTO
PTO
PTO
PTO
PTO
PTO
PTO

Single
Single
Single
Single
Single
Single
Multiple

Multiple

1 µs/cycle
1 µs/cycle
1 µs/cycle
1 ms/cycle
1 ms/cycle
1 ms/cycle
1 µs/cycle
1 ms/cycle

Load
Load
Load
Load
Load

Load
Load
Load

2.2 Điều rộng xung theo tỉ lệ (PWM):
Ứng dụng này điều rộng xung theo tỷ lệ tùy ý. Ton = 0 ÷ 100% T
Định dạng thời gian cơ sở (Time base) dựa trên bảng sau:
Thanh

ghi

điều Cho

khiển (Hex Value)

phép

16#D1
16#D2
16#D3
16#D9
16#DA
16#DB

Yes
Yes
Yes
Yes
Yes
Yes

Mode
PWM
PWM
PWM
PWM
PWM
PWM

Phương

thức

cập nhật
Synchronous
Synchronous
Synchronous
Synchronous
Synchronous
Synchronous

Time Base
1 µs/cycle
1 µs/cycle
1 µs/cycle
1 ms/cycle
1 ms/cycle
1 ms/cycle

Cập

Cập

nhật

nhật

Ton

T
Load

Load

Load
Load
Load

Các Byte cho việc định dạng SMB67 (cho Q0.0) và SMB77 (cho Q0.1)
Ngoài ra:

Q0.0

Q0.1

SMW68

SMW78 : Xác định chu kì thời gian

SMW70

SMW80 : Xác định chu kì phát xung

SMD72

SMD82 : Xác định số xung điều khiển

3. Đọc xung tốc độ cao (High Speed Counter - HSC):
Định dạng bộ đếm tốc độ cao theo trình Wizard của Step 7 Micro Win.

GVHD: ThS Trần Thị Hoàng Oanh

Load
Load

Load


Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển PID tay máy

Chọn trình Wizard HSC:

Chọn chế độ cho HSC:

GVHD: ThS Trần Thị Hoàng Oanh

Trang 15


Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển PID tay máy

Định dạng bộ đếm

GVHD: ThS Trần Thị Hoàng Oanh

Trang 16


Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển PID tay máy

Trang 17

Tuỳ từng loại ứng dụng mà ta có thể chọn nhiều Mode đọc xung tốc độ cao khác nhau,
có tất cả 12 Mode đọc xung tốc độ cao như sau:

Mode 0,1,2: Dùng đếm 1 pha với hướng đếm được xác định bởi Bit nội.
Mode 0: Chỉ đếm tăng hoặc giảm, không có Bit Start cũng như bit Reset.
Mode 1: Đếm tăng hoặc giảm, có bit Reset nhưng không có bit Start,
Mode 2: Đếm tăng hoặc giảm, có Bit Start cũng như bit Reset để cho phép chọn bắt đầu đếm
cũng như chọn thời điểm bắt đầu Reset. Các Bit Start cũng như Reset là các ngõ Input chọn từ
bên ngoài.

Mode 3, 4, 5: Dùng đếm 1 pha với hướng đếm được xác định bởi Bit ngoại, tức là có thể chọn
từ ngõ vào input.
Mode 3: Chỉ đếm tăng hoặc giảm, không có Bit Start cũng như bit Reset
Mode 4: Đếm tăng hoặc giảm, có bit Reset nhưng không có bit Start

GVHD: ThS Trần Thị Hoàng Oanh


Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển PID tay máy

Trang 18

Mode 5: Đếm tăng hoặc giảm, có Bit Start cũng như bit Reset để cho phép chọn bắt đầu đếm
cũng như chọn thời điểm bắt đầu Reset. Các Bit Start cũng như Reset là các ngõ Input chọn từ
bên ngoài.

Mode 6, 7, 8: Dùng đếm 2 pha với 2 xung vào, 1 xung dùng để đếm tăng và một xung đếm
giảm.
Mode 6: Chỉ đếm tăng giảm, không có Bit Start cũng như bit Reset,
Mode 7: Đếm tăng giảm, có bit Reset nhưng không có bit Start,
Mode 8: Đếm tăng giảm, có Bit Start cũng như bit Reset để cho phép chọn bắt đầu đếm cũng
như chọn thời điểm bắt đầu Reset. Các Bit Start cũng như Reset là các ngõ Input chọn từ bên
ngoài.

GVHD: ThS Trần Thị Hoàng Oanh


Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển PID tay máy

Trang 19

Mode 9, 10, 11 : Dùng để đếm xung A/B của Encoder, có 2 dạng:
Dạng 1 (Quadrature 1x mode): Đếm tăng 1 khi có xung A/B quay theo chiều thuận và giảm
1 khi có xung A/B quay theo chiều ngược.
Dạng 2 (Quadrature 4x mode): Đếm tăng 4 khi có xung A/B quay theo chiều thuận và giảm
4 khi có xung A/B quay theo chiều ngược.
Mode 9: Chỉ đếm tăng giảm, không có bit Start cũng như bit Reset,
Mode 10: Đếm tăng giảm, có bit Reset nhưng không có bit Start,
Mode 11: Đếm tăng giảm, có Bit Start cũng như bit Reset để cho phép chọn bắt đầu đếm
cũng như chọn thời điểm bắt đầu Reset. Các Bit Start cũng như Reset là các ngõ Input chọn từ
bên ngoài.
Mode 12: Chỉ áp dụng với HSC0 và HSC3, HSC0 dùng để đếm số xung phát ra từ Q0.0 và
HSC3 đếm số xung từ Q0.1 (Được phát ra ở chế độ phát xung nhanh) mà không cần đấu phần
cứng, nghĩa là PLC tự kiểm tra từ bên trong.

GVHD: ThS Trần Thị Hoàng Oanh


Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển PID tay máy

Trang 20

Các chế độ của HSC và kết nối với ngõ vào của PLC để sử dụng bộ HSC:

Chế độ

Miêu tả
HSC0
HSC1
HSC2
HSC3
HSC4
HSC5
Đếm lên xuống

0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11

Input
I0.0
I0.6
I1.2
I0.1
I0.3

I0.4
Nhịp

I0.1
I0.7
I1.3

I0.2
I0.2
I1.1

I0.4

I0.5

I1.1
I1.2

Xóa
Bắt đầu
Đếm lên xuống với điều khiển hướng bên
ngoài

Nhịp

Hướng
Xóa
Bắt đầu

Đếm lên xuống với hai xung nhịp

Nhịp lên

Nhịp
xuống

Xóa
Bắt đầu

Đếm lên xuống với 2 xung AB vuông pha
từ Encoder

Nhịp A

Nhịp B
Xóa
Bắt đầu

Chỉ có HSC0 và HSC3 hổ trợ Chế độ 12
HSC0 đếm số xung và xuất ra Q0.0
HSC3 đếm số xung và xuất ra Q0.1

12

• Các bit được sử dụng để điều khiển các chế độ của HSC:
HDEF Control Bits (used only when HDEF is executed)
HSC0
SM37.0

SM37.2

HSC1

HSC2

HSC4

SM47.0

SM57.0

SM147.0

SM47.1

SM57.1

SM47.2

SM57.2

SM147.2

HSC2

HSC3

Description
Active level control bit for Reset**:
0 = Reset active high

1 = Reset active low
Active level control bit for Start**:
0 = Start active high
1 = Start active low
Counting rate selection for Quadrature counters:
0 = 4x counting rate
1 = 1x counting rate

Các bit điều khiển:
HSC0

HSC1

HSC4

HSC5

SM37.3

SM47.3

SM57.3

SM137.3

SM147.3

SM157.3

SM37.4

SM47.4

SM57.4

SM137.4

SM147.4

SM157.4

GVHD: ThS Trần Thị Hoàng Oanh

Description
Counting
direction
control bit:
0 = count down
1 = count up
Write the counting


Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển PID tay máy

Trang 21

SM37.5

SM47.5

SM57.5

SM137.5

SM147.5

SM157.5

SM37.6

SM47.6

SM57.6

SM137.6

SM147.6

SM157.6

SM37.7

SM47.7

SM57.7

SM137.7

SM147.7

SM157.7

direction to the HSC:
0 = no update
1 = update direction
Write the new preset
value to the HSC:
0 = no update
1 = update preset
Write the new current
value to the HSC:
0 = no update
1 = update current
Enable the HSC:
0 = disable the HSC
1 = enable the HSC

Các bit trạng thái:
HSC0

HSC1

HSC2

HSC3

HSC4

HSC5

Description

SM36.0
SM36.1
SM36.2
SM36.3
SM36.4

SM46.0
SM46.1
SM46.2
SM46.3
SM46.4

SM56.0
SM56.1
SM56.2
SM56.3
SM56.4

SM136.0
SM136.1
SM136.2
SM136.3
SM136.4

SM146.0
SM146.0
SM146.0
SM146.0

SM146.0

SM156.0
SM156.1
SM156.2
SM156.3
SM156.4

SM36.5

SM46.5

SM56.5

SM136.5

SM146.0

SM156.5

Not used
Not used
Not used
Not used
Not used
Current
counting
direction status bit:
0 = counting down;
1 = counting up

SM36.6

SM36.7

SM46.6

SM46.7

SM56.6

SM56.7

SM136.6

SM136.7

SM146.0

SM146.0

SM156.6

SM156.7

Current value equals
preset value status bit:
0 = not equal;
1 = equal
Current value greater

than preset value
status bit:
0 = less than or equal;
1 = greater than

(Tài liệu - Hướng dẫn sử dụng S7_200 – Hà Văn Trí – Công ty THHH TM&DVKT SIS).

4. Bộ điều khiển PID:

GVHD: ThS Trần Thị Hoàng Oanh


Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển PID tay máy

Trang 22

Định nghĩa:
Bộ điều khiển PID (A proportional integral derivative controller) là bộ điều khiển
sử dụng kỹ thuât điều khiển theo vòng lặp có hồi tiếp được sử dụng rộng rãi trong các
hệ thống điều khiển tự động. Một bộ điều khiển PID cố gắng hiệu chỉnh sai lệch giữa
tín hiệu ngõ ra và ngõ vào sau đó đưa ra một một tín hiệu điều khiển để điều chỉnh quá
trình cho phù hợp.
Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID:

Trong CPU S7 – 200 có bộ ứng dụng PID (Proportional, Integral, Derivative).
Bảng tham số của bộ điều khiển PID ở bảng sau.
Quá trình đáp ứng, bộ điều khiển PID giá trị của đầu ra sẽ được điều chỉnh sai số
đến bằng không. Sai số được xác định bởi sự sai lệch giữa giá trị đặt (giá trị mong
muốn) và giá trị xử lý (giá trị thực tế). Nguyên lý của điều khiển PID được dựa trên
phương trình sau đây. Giá trị ra M(t) được mô tả bởi hàm của khâu tỷ lệ, khâu tích

phân, khâu vi phân.

GVHD: ThS Trần Thị Hoàng Oanh


Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển PID tay máy

Trang 23

t

M(t) = Kc * e + Kc ∫ edt + M dau + Kc * de / dt
0

M(t) giá trị đầu ra theo thời gian t,
Kc: độ lợi của vòng lặp,
e: sai số = giá trị đặt – giá trị hiện tại,
Mdau: giá trị đầu của ngõ ra.
Để thi hành bộ điều khiển trên kỹ thuật số máy tính. Hàm liên tục phải được
lượng tử hóa trong các mẫu tuần hoàn của sai số đầu ra. Phương trình đáp ứng số
n

đầu ra

M n = K C * en + K I * ∑ +M dau + K D *(en − en −1 )
1

Mn: giá trị ra ở thời gian lấy mẫu n,
en: sai số ở thời gian lấy mẫu n,
en-1: sai số ở thời gian lấy mẫu trước đó,

KI: hệ số khâu tích phân,
KD: hệ số khâu vi phân.
Phương trình trên, khâu tích phân miêu tả sai số giữa giá trị đầu và giá trị hiện tại. Sự
sai lệch của khâu này là hàm của giá trị hiện tại và giá trị trước đó. Trong khi khâu tỷ lệ chỉ
hiệu chỉnh giá trị hiện tại.
Tính toán giá trị đầu ra phải phụ thuộc vào sai số của khâu tích phân.

M n = K C * en + K I * en + MX + K D *(en − en −1 )
MX: giá trị trước của khâu vi phân
Phương trình trên được rút gọn như sau:

M n = MPn + MI n + MDn
Với:

•

Giá trị của khâu tỷ lệ:

MPn = K C *( SPn − PVn )

SPn: giá trị đặt ở thời gian lấy mẫu n
PVn: giá trị xử lý ở thời gian lấy mẫu n
GVHD: ThS Trần Thị Hoàng Oanh


Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển PID tay máy

•

Trang 24

Giá trị của khâu tích phân:

MI n = K I *( SPn − PVn ) + MX
K I = K C * TS / TI

•

Giá trị của khâu vi phân:

MDn = K D *( PVn −1 − PVn )
K D = K C * TD / TS

Bảng giá trị các tham số sử dụng trong bộ PID
Vùng nhớ (X...)
0
4
8
12

Tên
PVn
SPn
Mn
KC

Kiểu định dạng
Double Word – Real
Double Word – Real
Double Word – Real

Double Word – Real

Loại
In
In
In/Out
In

16

TS

Double Word – Real

In

20

TI

Double Word – Real

In

24

TD

Double Word – Real

In

28

MX

Double Word – Real

In/Out

32

PVn-1

GVHD: ThS Trần Thị Hoàng Oanh

Mô tả
Giá trị xử lý (0.0 ÷ 1.0)
Giá trị đặt (0.0 ÷ 1.0)
Giá trị ra (0.0 ÷ 1.0)
Độ lợi (dương hoặc âm)
Thời gian lấy mẫu (giá trị
dương)
Thời gian tích phân (giá
trị dương)
Thời gian vi phân (giá trị
dương)
Tổng tích phân (0.0 ÷

1.0)

Double Word – Real In/Out Giá trị xử lý ở n-1
(Tài liệu - Datasheet của S7_200 Siemens).


Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển PID tay máy



Trang 25

Hiệu chỉnh PID:
Việc hiệu chỉnh 3 thông số Kp, Ki, Kd sẽ làm tăng chất lượng điều khiển. Ảnh

hưởng của 3 thông số này lên hệ thống như sau:

Phương pháp Ziegler – Nichols: khi đối tượng có khâu delay



có trễ (tử số có

e −Ts hay có khâu quán tính bậc nhất dưới mẫu số

1
điển
Ts + 1

hình là lò nhiệt. Để tìm thông số cho bộ điều khiển PID đối với đối tượng này
thì người ta trước hết khảo sát đặc tính vòng hở của hệ thống, cấp một tín hiệu
điều khiển vào cho đối tượng, sau đó khảo sát đặc tính quá độ của hệ thống, từ

đó xác định các thông số T và L. Khi đó, các thông số của bộ PID được tính
Y(t)
K

t

L

T

theo T và L.
Đường cong hình chữ S có 2 hằng số, thời gian chậm trễ L và hằng số thời gian T.
Thời gian chậm trễ xác định cách vẽ đường tiếp tuyến tại điểm uốn của đường cong
Ziegler – Nichols đề xuất xác định Kp, Ti, Td.
Nguyên tắc hiệu chỉnh theo Ziegler – Nichols
Phương pháp Kp
Ti
Td
∞
P
T/L
0
PI
0,9 T/L L/0,3 0
PID
1,2 T/L 2L
0,5L

GVHD: ThS Trần Thị Hoàng Oanh