ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM BẰNG PID CHO MÁY SẤY NGANG DÒNG DÙNG PLC S71200

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM BẰNG PID CHO MÁY
SẤY NGANG DÒNG DÙNG PLC S7-1200

Họ Và Tên Sinh Viên: HUỲNH CÔNG CHÍNH
NGUYỄN NHẬT KING
Ngành: CƠ ĐIỆN TỬ
Niên khóa: 2013-2017

Tháng 06/2017


ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM BẰNG PID CHO MÁY SẤY
NGANG DÒNG DÙNG PLC S7-1200

Tác giả

HUỲNH CÔNG CHÍNH
NGUYỄN NHẬT KING

Khóa luận được đệ trình để đáp ứng yêu cầu
cấp bằng Kỹ sư ngành
Cơ điện tử

Giảng viên hướng dẫn
Th.s NGUYỄN ĐĂNG KHOA

2


Tháng 06 năm 2017

CẢM TẠ
Để hoàn thành Khóa Luận Tốt Nghiệp này nhóm đã nhận được
rất nhiều sự hỗ trợ, sự động viên cũng như sự giúp đỡ từ quý Thầy cô
và bạn bè. Nhóm xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến với:
Quý Thầy cô trường Đại Học Nông Lâm Thành phố Hồ Chí Minh,
đặc biệt là các thầy cô trong Bộ môn cơ điện tử đã truyền đạt cho tôi
rất nhiều kiến thức và kinh nghiệm quý báu trong suốt quá trình học
tập tại trường.
Thầy Nguyễn Đăng Khoa đã hướng dẫn, động viên và chỉ dẫn
tận tình trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Tập thể lớp DH13CD đã
giúp đỡ, hỗ trợ và chia sẻ trong suốt thời gian học tập và thực hiện
đề tài.
Xin chân thành cảm ơn!
2017

Thành phố Hồ Chí Minh, Tháng 06 năm
Sinh viên thực hiện
HUỲNH CÔNG CHÍNH
NGUYỄN NHẬT KING

3


TÓM TẮT
Đề tài: “ Điều khiển nhiệt độ, độ ẩm bằng PID cho máy sấy

ngang dòng dùng PLC S7-1200 ” được thực hiện tại trung tâm máy
nông nghiệp với máy sáy ngang dòng MST-ND_300-2i, thời gian từ
giữa tháng 02/2016 đến cuối tháng 06/2016. Nhóm sẽ tiến hành
khảo sát tháp sấy ngang dòng có đảo hạt; đồng thời, nghiên cứu và
tiến hành thiết kế bộ hệ thống điều khiển nhiệt độ bằng PID dùng
cho PLC S7-1200 cho tháp sấy.
Kết quả thu được: Mạch công suất để điều khiển các cặp điện
trở kết hợp với lập trình sử dụng hàm PID để điều khiển nhiệt độ và
độ ẩm một cách tự động, nhanh chóng, chính xác hơn chế độ ONOFF khi độ vột lố nhiệt độ từ 1 0C đến 20C. Giao diện WinCC để giao
tiếp với người điều khiển dễ dàng hơn thông qua các nút nhấn để
hiển thị độ ẩm và nhiệt độ, giám sát quá trình điều khiển nhiệt độ.
Bộ giám sát nhiệt độ buồng sấy hiển thị lên LCD.

4


MỤC LỤC
Trang

5


DANH SÁC CÁC HÌNH
Trang

6


DANH SÁCH CÁC BẢNG
Trang

7


Chương 1
MỞ ĐẦU
1.1. Đặt vấn đề
Nước ta là một trong những nước hàng đầu về xuất khẩu gạo;
thế nhưng, trong nhưng năm gần đây, nước ta đang dần dần mất đi
vị thế của mình bởi về số lượng lẫn chất lượng gạo. Mà những vấn đề
đó được giải thích bởi rất nhiều lý do khác nhau nhưng nguyên nhân
chính vẫn là xuất phát điểm từ khâu sản xuất, thu hoạch, chế biến
và bảo quản. Khâu sản xuất chiếm phần trăm cao nhất, quyết định
chiếm khoảng 90% chất lượng gạo, khâu thu hoạch khoảng 75%,
khâu bảo quản 13% -15% và xay xát chiếm 100%. Thế nhưng, công
đoạn ở giữa, khâu sấy lại chiếm tỷ lệ rất thấp, chỉ khoảng 38,7%, nó
cũng là một khâu then chốt. Chính việc ít chú trọng khâu then chốt
này gây tổn thất lớn, ảnh hưởng đến chất lượng hạt gạo.
Yêu cầu chất lượng hạt lúa ngày càng cao thì việc đẩy mạnh
đầu tư lò sấy lúa theo công nghệ hiện đại là rất cần thiết, nhằm
hướng đến một nền sản xuất nông nghiệp bền vững. Với ưu thế, cả
về vị trí địa lí đó là lắp đặt lò sấy trong nhà xưởng đảm bảo tránh
được bất lợi thời tiết và sản lượng; tiếp theo đó, công nghệ sấy hiện
đại đảm bảo được độ ẩm và độ đều về độ ẩm.
Các dòng cải tiến từ các máy sấy liên tục ra đời như máy sấy vỉ
ngang có đảo chiều, máy sấy tháp tròn, máy sấy tầng sôi,…
Với ưu thế kiểm soát nhiệt độ trong quá trình sấy và đồng nhất
ẩm độ lúa sau sấy, giảm tiếng ồn, giảm bụi, tăng chất lượng gạo và
tỷ lệ gạo nguyên, thời gian tồn trữ lâu (trên 6 tháng) và diện tích xây
dựng nhỏ… nên hình thức sấy tháp được ưu chuộng hiện nay.

8


Hình 1.1: Máy sấy tháp vĩ ngang có đảo chiều

(1)

( 2 )

Hình 1.2: Máy sấy tháp
1. Máy sấy tầng sôi
2. Máy sấy tháp tròn
Tuy nhiên, việc một số máy sấy tháp điều khiển theo kiểu ONOFF thủ công tốn thời gian sấy lâu, kết quả điều chỉnh nhiệt độ thiếu
chính xác, sai lệch độ ẩm cao, quá trình giám sát nhiệt độ trong suốt
quá trình sấy không liên tục, độ ẩm đầu ra của hạt lúa không đạt yêu
cầu do quá trình điều chỉnh còn phụ thuộc vào người trực tiếp điều
chỉnh dẫn đến hao hụt về số lượng và chất lượng cũng giảm theo.
Hiểu được tầm quan trọng của việc điều khiển, giám sát nhiệt
độ (ºC ) của máy sấy tháp trong quá trình sấy nên nhóm đã chọn đề
tài

“ Điều khiển nhiệt độ, độ ẩm bằng PID cho máy sấy

ngang dòng dùng PLC s7-1200 ” với tính năng tự động đọc giá trị
và điều chỉnh nhiệt độ chính xác trên giao diện điều khiển winCC của
9


phần mềm TIA PORTAL, đáp ứng nhiệt đưa vào các buồng sấy phù
hợp với từng loại nông sản.

1.2. Mục tiêu
•

Khảo sát máy ngang dòng MST - ND_300 - 2i có đảo chiều hạt

•

để tìm ra các thông số cần điều khiển khi máy hoạt động.
Thiết kế tủ điều khiển nhiệt độ bằng PID dùng PLC S7-1200 để
điều khiển nhiệt độ với độ sai số hợp lí.
o
Mạch công suất sử dụng Triac để kích đóng ngắt, điều

•

o

khiển các cặp điện trở.
Mạch Driver giao tiếp giữa ngõ ra analog của PLC với bộ

o

phân cơ cấu chấp hành để điều khiển nhiệt độ.
Lập trình hàm PID để xử lý tín hiệu nhận được từ module

o

chuyển tín hiệu.
Hiển thị và giám sát hoạt động của máy lên WinCC thông

o

qua giao tiếp giữa PLC và máy tính.
Thiết kế thêm hộp giám sát nhiệt độ để hỗ trợ cho việc

quan sát nhiệt độ hai buồng sấy.
Thiết kế bộ gia nhiệt gồm sáu cặp điện trở ( 5 cặp 1 kW và 1

cặp 2 kW).
• Sản phẩm của để tài được ứng dụng :
o Thay thế chế độ điều khiển nhiệt độ theo phương pháp
thủ công với kiểu điều khiển ON-OFF trong máy sấy tháp
ngang dòng MST - ND_300 – 2i của trường Đại Học Nông
Lâm Thành Phố Hồ Chí Minh .

10


Chương 2
TỔNG QUAN
2.1. Khảo sát máy sấy tháp trong và ngoài nước
Sấy là quá trình trao đổi nhiệt và ẩm, dẫn đến loại bỏ một phần
nước và độ ẩm ra khỏi vật liệu sấy bằng phương pháp sấy nóng và
sấy lạnh.
Quá trình sấy không đơn thuần chỉ là quá trình tách nước và hơi
nước ra khỏi vật liệu mà là một quá trình công nghệ. Nó đòi hỏi sau
khi sấy vật liệu sấy phải đảm bảo chất lượng cao, tiêu tốn năng
lượng ít, chi phí vận hành thấp và đảm bảo tỉ lệ nứt gãy khi say xát là
thấp nhất.
Tháp máy sấy tháp chứa gồm các tầng ghép lại với nhau theo

chiều cao, tăng sức chứa hạt, giảm diện tích lắp đặt, tăng khả năng
tiếp xúc không khí sấy với hạt. Đồng thời do có cơ cấu tháo liệu dạng
trục rải nên độ giảm ẩm của khối hạt như nhau.
2.1.1. Máy sấy tháp SUNSAY 20 tấn, xuất sứ Hàn Quốc, mã HSD - 200HFO
2.1.1.1. Thông số cơ bản của máy sấy tháp SUNSAY
o
o
o
o
o
o
o
o
o

Điều khiển tự động.
Năng suất : 4 đến 20 tấn.
Công suất điện tối đa : 17 KW.
Điện áp sử dụng : 3 PHA 220V/380V.
Tốc độ nạp nguyên liệu: 50 phút.
Tốc độ xả nguyện liệu : 50 phút.
Tốc độ giảm ẩm : 0.7%/h đến 1.1 %/h.
Lò đốt trấu gián tiếp HSHF- 25 S tự động.
Van điều chỉnh áp suất gió, bộ tự động điều khiển nhiệt, nam
châm tách từ, bộ đếm và hiển thị thời gian, cảnh báo sự cố,
11


hệ thống hiển thị, cảm biến đầy, bộ tự động dò tìm ẩm độ, bộ
ngăn ngừa nguy cơ cháy.

Hình 2.1: Máy sấy tháp SUNSAY 20 tấn
1. Quạt Turbo
2. Hệ thống sàn
3. Gầu tải

4. Ống dẫn tác nhân sấy

2.1.2. Mấy sấy tháp tròn công ty cổ phần cơ khí An Giang
2.1.2.1. Nguyên lý hoạt động của Máy sấy tròn
Nhiệt được cung cấp từ lò đốt được quạt ly tâm hút và đẩy trực
tiếp vào buồng sấy bao gồm phần đáy bin và ống gió hình trụ phía
trong. Từ đây khí sấy được phân bố đều xuyên qua lớp liệu thoát ra
ngoài. Trong quá trình trao đổi, đối lưu giữa vật sấy và tác nhân sấy
dưới áp lực của quạt khí nóng liên tục xuyên qua lớp vật liệu sấy
mang hơi ẩm ra ngoài. Khi sấy ẩm độ của hạt giảm dần từ trong ra
ngoài và khi lớp hạt ngoài cùng đạt ẩm độ yêu cầu thì quá trình sấy
kết thúc.
2.1.2.2. Thông số kỹ thuật :
o

Năng suất: 20 tấn/mẻ
12


o

Với ẩm độ đầu vào là 25% sấy xuống 15%, thời gian sấy là

o

o
o
o
o
o
o

khoảng 10 giờ/mẻ.
Tốc độ giảm ẩm từ 0,7 – 1% ( cho lúa)
Quạt li tâm động cơ 18.5 kW
Lò đốt : than hoặc củi trấu
Gầu tải : năng suất 20 tấn/Giờ
Công suất điện : 22.5 kW
Nạp nguyên liệu : 60 – 65 phút
Xả nguyên liệu : 50 – 55 phút.

Hình 2.2: Máy sấy tháp tròn 20 tấn
1.Gầu tải
2. Buồng sấy
3. Đáy bin

4. Quạt ly tâm

5.Lò đốt
2.1.3. Khảo sát máy sấy tháp ngang dòng có đảo hạt MST - ND_300 -2i
2.1.3.1. Bản vẽ sơ đồ cấu tạo máy sấy tháp ngang dòng MSTND_300- 2i
Thông qua quá trình khảo sát máy sấy tháp ngang dòng MST ND_300 - 2i tại trung tâm máy nông nghiệp Đại Học Nông Lâm thành
13

Phố Hồ Chí Minh nhóm đã xây dựng lại hệ thống cấu tạo của máy
qua sơ đồ Hình 2.3.
Hình 2.3: Bản vẽ tháp sấy ngang dòng
1. Quạt ly tâm
6. Buồng sấy 1
2. Ống dẫn gió

7. Buồng chứa nguyên liệu

sấy
3. Bộ điều chỉnh nhiệt độ 8. Gầu tải
4. Ống dẫn tác nhân sấy 9. Trục tải lúa ra
5. Buồng sấy 2

10. Đế tháp sấy

2.1.3.1.2. Thông tin một số linh kiện của máy sấy MSTND_300- 2i
•

Quạt ly tâm
Quạt ly tâm : có chức năng cung cấp và tạo ra một lượng lớn

không khí để đẩy vào buống sấy thông qua bộ qua nhiệt và hệ
thống ống dẫn.
o

Thông số kỹ thuật của quạt ly tâm:
o

Phân loại :

Lồng sốc
o Lưu
lượng:
3000o
o
o
o

Áp suất: 800-2500Pa
Công suất: 1,5-30kW
Nhiệt độ dòng khí cho phép: đến 160°C
Thông số kỹ thuật của motor :
+ Điện áp định mức : 3 pha 200 V
+ Dòng định mức : 4.8 A / 7.0 A
+ Tần số : 50/60 Hz.

14

50.000m³/h


Hình 2.4: Quạt ly tâm của máy sấy ngang dòng

•

1.Cửa hút

3. Quạt ly tâm lồng sốc

2.Cửa xả

4. Motor

Bộ điều khiển nhiệt độ :
Hộp điều khiển chứa sáu cặp điện trở được sắp xếp theo chiều

song song, có chức năng cung cấp hơi nóng từ những cặp điện trở
tỏa ra khi được đốt nóng bằng điện 220V, hoạt động theo kiểu ONOFF thông qua công tắc; ngoài ra, còn có thêm một nút vặn tùy
chỉnh một cặp điện trở. Lượng hơi nóng này kết hợp với bơm ly tâm
được đẩy vào trong các buồng sấy.

Hình 2.5: Bộ điều khiển nhiệt độ
Bộ điều khiển nhiệt độ gồm : 6 công tắc điều khiển cặp điện trở
tương ứng ( 1 ) và nút vặn thay đổi công suất ( 2 ).
•

Ống dẫn tác nhân sấy : sử dụng ống PVC lắp vào hai miếng ống

trái của tháp sấy để cung cấp hơi nóng khi tiến hành sấy.
• Ốp trái : dẫn tác nhân sấy vào buồng sấy , chặn không cho lúa
rơi ngược vào ống dẫn tác nhân sấy.

15


Hình 2.6: Ống dẫn gió được lắp vào Buồng Sấy 1, Buồng Sấy 2 và
bản vẽ mô phỏng
1. Hộp ốp phải

4. Ống dẫn tác nhân sấy vào buồng

2. Buồng sấy 1

5. Buồng sấy 2

3. Hộp ốp trái 1

6. Ống dẫn tác nhân sấy vào buồng

sấy 1

sấy 2
7. Hộp ốp trái 2

Hình 2.7: Hộp ốp trái
•

Ốp phải : tăng diện tích buồng sấy, tăng sự trao đổi nhiệt giữa
hạt lúa và tác nhân sấy.

16


Hình 2.8: Hộp ốp phải
•

Gầu tải: truyền nguyên liệu vào buống chứa của máy sấy khi
chuẩn bị sấy, máy đã sử dụng gầu tải với chức dẫn động của
băng tải nguyên liệu được di chuyển vào buồng chứa khi sấy.

Hình 2.9: Gầu tải của tháp máy sấy ngang dòng
1. Gầu tải
o

2. Buồng chứa nguyên liệu

Nguyên lý hoạt động gầu tải:
+

Kết cấu gầu tải bao gồm 2 rulô truyền động đặt trong 1
khung cố định, rulô chủ động đặt ở trên, rulô bị động đặt ở
dưới. Giữa hai rulô này được liên kết với nhau bởi một sợi

dây gọi là dây gầu tải.
+ Khi rulô chủ động quay làm cho dây băng tải chuyển động
theo phương thẳng đứng nhờ lực ma sát giữa rulô và dây
gầu tải tạo ra lực ma sát giữa rulô và dây gầu tải, khi dây
gầu tải bị trùng thì ta điều chỉnh rulô bị động để dây băng
17


tải gầu căng ra tạo lực ma sát giữa dây băng tải gầu và
rulô. Trên dây gầu có gắn các gầu múc thông qua bulong
bắt gầu chuyên dụng.
+ Nguyên liệu được đổ vào gầu múc qua miệng nhận liệu của
gầu tải. Dây gầu tải chuyển động thẳng đứng sẽ đưa gầu
múc có nguyên liệu chuyển động theo dây gầu tải khi gầu
múc đến vị trí rulô chủ động thì đột ngột chuyển hướng từ
chuyển động thẳng sang chuyển động quay, khi đó sẽ tạo

ra lực ly tâm, lực ly tâm này sẽ làm cho nguyên liệu bị
văng ra khỏi gầu múc và đi ra khỏi hệ thống băng tải gầu
năng qua cửa xả liệu.
+ Gầu múc sau khi đã xả hết liệu tiếp tục được dây gầu tải
đưa về vị trí nhận liệu ban đầu và quy trình được lập lại.
Dây gầu được làm từ cao su tổng hợp bên trong có bện các
sợi bố. Dây gầu tải đòi hỏi phải bền, chắc, chịu mài mòn và
ma sát cao.
• Buồng chứa nguyên liệu sấy : nguyên liệu sau khi được gầu tải
truyền vào sẽ được giữ lại ở buồng chứa; sau đó, nguyên liệu sẽ
•

được di chuyển tiếp qua các buồng sấy trong quá trình sấy.
Buồng sấy 1: là khu vực mà nguyên liệu sẽ được đi qua đầu
tiên với lượng tán nhân sấy thổi vào nguyên liệu sẽ được sấy

lần đầu một bên.
• Buồng sấy 2: sau khi nguyên liêu được sấy ở buồng sấy 1 sẽ
được đảo vị trí để đi đến buồng sấy 2 thực hiện quá trình sấy
bên còn lại. Sau khi thực hiện sấy hoàn chỉnh nguyên liệu sẽ
•

được đưa ra ngoài từ
Ống dẫn gió : dẫn

buồng sấy này.
lượng không khí được từ quạt ly

tâm qua bộ điều

chỉnh nhiệt độ.

18


Hình 2.10: Bảng vẽ thân tháp
1. Buồng chứa nguyên liệu
3. Buồng sấy 2
2. Buồng sấy 1
•

Đế tháp : đỡ cho thân tháp thăng bằng, chống rỉ sét, ngập úng,

cách điện.
• Lưới chắn : Mỗi khe hở của than tháp ngay tại vị trí tiếp xúc với
ốp trái và ốp phải sẽ có các tấm lưới Ø3 để phân bố đều tác
nhân sấy đi vào buồng sấy.
• Đĩa xích : Motor sẽ truyền động và đĩa xích – xích sẽ dẫn động
đến trục tải lúa ra.
• Trục tải lúa ra : lúa từ buồng sấy 2 sẽ được chuyển ra ngoài với
lưu lượng và tốc độ phụ thuộc vào tốc độ của motor truyền
động và hệ thống dẫn động đĩa xích - xích.

Hình 2.11: Motor chuyển động cho trục tải lúa ra
o

Bản vẽ mô phỏng các thiết bị của trục tải lúa ra:

19

Hình 2.12: Bản vẽ trục tải lúa ra

Hình 2.13: Trục tải lúa ra
1. Trục tải lúa ra 2. Đĩa xích dẫn động cho trục
3. Buống sấy 2

4. Lưới chắc giữa buồng sấy 2 và hộp
ốp phải

20


Hình 2.14: Bản vẽ lưới chắn
• Bản vẽ mô phỏng hệ thống máy sấy :

21


Hình 2.15: Bản vẽ mô phỏng máy sáy tháp ngang dòng MST ND_300 – 2i
2.1.3.3. Phương pháp điều khiển của máy sấy tháp ngang dòng MST - ND_300 -2i
Máy được hoạt động theo kiểu điều khiển ON-OFF với phần điều
khiển chính nằm ở bộ phần điều chỉnh nhiệt độ. Gió sau khi được dẫn
qua ống dẫn sẽ được gia nhiệt ở bộ phận điều chỉnh nhiệt độ nhờ qua
trình đốt nóng các cặp điện trở ( 5 cặp 1 kW và 1 cặp 2kW, 1 nút vặn
) tùy theo yêu cầu nhiệt độ ở mỗi thời điểm khác nhau. Gió sau khi
qua bộ gia nhiệt được gọi là tác nhân sấy, nó sẽ được dẫn qua hệ
thống ống dẫn tác nhân sấy để vào lần lượt 2 buồng sấy. Đồng thời,
gầu tải sẽ đưa nguyên liệu sấy vào buồng chứa, sau đó, sẽ được
chảy vào lần lượt buồng sấy 1 và 2 rồi ra ngoài thông qua trục tải

nguyên liệu ra. Quá trình này sẽ lặp đi lặp lại đến khi lúa đạt được độ
ẩm yêu cầu.
2.2. Tổng quan lý thuyết về điều khiển PID
2.2.1. Khái quát về PID
Bộ điều khiển PID là bộ điều khiển sử dụng kỹ thuật 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 tín hiệu điều
khiển để điều chỉnh quá trình cho phù hợp.

Hình 2.16: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vòng kín
Bộ điều khiển PID là một cơ chế điều khiển lặp hồi tiếp được sử
dụng rộng rãi trong hệ thống điều khiển công nghiệp do dễ sử dụng.
Một bộ điều khiển PID điều chỉnh giữa giá trị biến đo được và giá trị
22


mong muốn đạt được bằng cách tính toán và xuất ra một "tín hiệu
điều chỉnh" nhanh chóng để giữ cho sai lệch ở mức nhỏ nhất có thể
được.
Bộ điều khiển PID gồm 3 thông số riêng: Tỷ lệ, Tích phân và Vi
phân.
Thành phần tỉ lệ (Kp) có tác dụng làm tăng tốc độ đáp ứng của
hệ, và làm giảm, chứ không triệt tiêu sai số xác lập của hệ (steadystate error).
Thành phần tích phân (Ki) có tác dụng triệt tiêu sai số xác lập
nhưng có thể làm giảm tốc độ đáp ứng của hệ.
Thành phần vi phân (Kd) làm tăng độ ổn định hệ thống, giảm
độ vọt lố và cải thiện tốc độ đáp ứng của hệ.

Hình 2.17: Sơ đồ khối bộ điều khiển PID

• Khi thiết kế bộ PID cần phải theo các bước sau để có kết quả
như mong muốn:
o Tìm đáp ứng hệ hở và xác định thông số nào cần cải
o
o
o
o

thiện.
Thêm thành phần Kp để cải thiện thời gian đáp ứng.
Thêm thành phần Kd để giảm độ vọt lố.
Thêm thành phần Ki để triệt tiêu sai số xác lập.
Điều chỉnh Kp, Ki, Kd cho đến khi đáp ứng các thông số
yêu cầu.

2.2.2. Phương pháp xác định các thông số hàm PID
Bộ điều khiển PID đươc xác định trên hai phương pháp:
•

Xác định được mô hình toán học của đối tượng, phải phù hợp

với đối tượng cũng như thỏa mãn yêu cầu của bài toán thiết kế.
• Trong trường hợp không thể xác định được mô hình toán học
của đối tượng, có thể tìm luật điều khiển cũng như các tham số
của bộ điều khiển thông qua thực nghiệm.Ziegler và Nichols đã
đưa ra phương pháp xác định thông số tối ưu của bộ PID là dựa
23


trên đồ thị hàm quá độ của đối tượng hoặc dựa trên các giá trị

tới hạn thu được qua thực nghiệm.
o Sử dụng hàm quá độ của đối tượng:
Phương pháp này còn có tên là phương pháp thứ nhất của
Ziegler – Nichols. Nó có nhiệm vụ xác định các thông số K p , TN , TV
cho các bộ điều khiển P, PI và PID trên cơ sở đối tượng có thể mô tả
xấp xỉ bởi hàm truyền đạt dạng:
G(s) = (K)/(Ts +1)

(2.1)

trong đó :
T

là hằng số thời gian quán tính

K là hệ số khuếch đại
Tt là khoảng thời gian tín hiệu
Ba tham số Tt (thời gian trễ), K (hệ số khuếch đại) và T (hằng số
thời gian quán tính) của mô hình xấp xỉ có thể xác định được gần
đúng từ đồ thị hàm quá độ h(t) của đối tượng.

Hình 2.18: Xác định tham số cho mô hình xấp xỉ bậc nhất có trễ
Như vậy điều kiện để áp dụng được phương pháp xấp xỉ mô
hình bậc nhất có trễ của đối tượng là đối tượng phải ổn định, không
có dao động và ít nhất hàm quá độ của nó phải có dạng chữ S. Sau
khi đã có các tham số cho mô hình xấp xỉ của đối tượng, ta chọn các
thông số của bộ điều khiển theo bảng sau :

24

Bảng 2.1: Tính toán thông số bộ điều khiển
Bộ

điều

KP

TN

TV

P

T/(K.Tt)

_

_

PI

(0.9T)/(K.Tt)

(10.Tt)/3

_

PID

1,2.T)/(K.Tt)

2.Tt

khiển

0.5.Tt

Từ đó suy ra :
Hệ số tích phân : KI = KP/TN

(2.2)

Hệ số vi phân : KD =
(2.3)
o Sử dụng các giá trị tới hạn thu được từ thực nghiệm:
Trong trường hợp không thể xây dựng phương pháp mô hình
cho đối tượng thì phương pháp thiết kế thích hợp là phương pháp
thực nghiệm. Thực nghiệm chỉ có thể tiến hành nếu hệ thống đảm
bảo điều kiện: khi đưa trạng thái làm việc của hệ đến biên giới ổn
định thì mọi giá trị của tín hiệu trong hệ thống điều phải nằm trong
giới hạn cho phép.
Phương pháp này còn có tên là phương pháp thứ hai của
Ziegler – Nichols. Điều đặc biệt là phương pháp này không sử dụng
mô hình toán học của đối tượng điều khiển, ngay cả mô hình xấp xỉ
gần đúng.
Các bước tiến hành như sau :
+

Trước tiên, sử dụng bộ P lắp vào hệ kín (hoặc dùng bộ PID

và chỉnh các thành phần KI và KD về giá trị 0). Khởi động
quá trình với hệ số khuếch đại KP thấp, sau đó tăng dần KP
tới giá trị tới hạn Kgh để hệ kín ở chế độ giới hạn ổn định,
tức là tín hiệu ra h(t) có dạng dao động điều hòa. Xác định

chu kỳ tới hạn Tgh của dao động.
+ Xác định thông số của bộ điều khiển theo bảng sau :
Bảng 2.2: Xác định các thông số
Bộ
điều
khiển

KP

TN

25

TV