Xây dựng bàn thí nghiệm điều khiển nhiệt độ trên nền PLC s7 300

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

VŨ THỊ OANH

XÂY DỰNG BÀN THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ TRÊN NỀN
PLC S7-300

NGÀNH : ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KĨ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
GS.TS. PHAN XUÂN MINH

Hà Nội – 2014


Luận văn Thạc sỹ

HV: Vũ Thị Oanh

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................4
DANH MỤC CÁC BẢNG..........................................................................................5
DANH MỤC CÁC HÌNH ...........................................................................................6
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................9
CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU LỊ ĐIỆN TRỞ 2.5 KVA VÀ NHẬN DẠNG MƠ HÌNH
BẰNG TOOLBOX INDENTIFICATION CỦA MATLAB ....................................11
1.1. Lị điện trở 2,5 KVA ..........................................................................................11

1.1.1. Giới thiệu lò điện trở 2,5 KVA ....................................................................11
1.1.2. Nguyên lý làm việc của lò điên trở ..............................................................11
1.1.3. Cấu tạo của lò điện trở .................................................................................12
1.2. Nhận dạng đối tượng bằng Identification Toolbox của Matlab .........................13
1.2.1. Đặt vấn đề ....................................................................................................13
1.2.2. Nhận dạng lò điện trở bằng thực nghiệm ....................................................14
CHƯƠNG 2: TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO LÒ ĐIỆN TRỞ 2,5 KVA ......20
2.1. Tổng hợp bộ điều khiển PID ..............................................................................20
2.1.1. Bộ điều khiển PID .......................................................................................20
2.1.2. Phương pháp thực nghiệm ...........................................................................21
2.1.3. Phương pháp dự báo Smith..........................................................................26
2.2. Tổng hợp bộ điều khiển bằng cách kết hợp PID – mờ ......................................32
CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG CÁC BÀI THÍ NGHIỆM CHO LỊ ĐIỆN TRỞ 2,5
KVA BẰNG SIMATIC S7 – 300 .............................................................................38
3.1. Giải pháp kỹ thuật ..............................................................................................38
3.1.1. Modul CPU .................................................................................................40
3.1.2. Module mở rộng ..........................................................................................40
3.1.3 Cấu trúc chương trình ...................................................................................41
3.2. Các modul mềm .................................................................................................43
3.2.1. Những module PID mềm có trong step 7 ....................................................43
3.2.2. Điều khiển liên tục với FB41 “CONT_C” ..................................................45
1
Xây dựng bàn thí nghiệm điều khiển nhiệt độ trên nền PLC S7 - 300


Luận văn Thạc sỹ

HV: Vũ Thị Oanh

3.2.2.1. Giới thiệu chung về FB41 ..................................................................... 45

3.2.2.2. Chọn luật điều khiển trên Module FB41 “CONT- C” .......................... 47
3.2.2.3. Đặt giá trị ............................................................................................... 47
3.2.2.4. Khởi động và thông báo lỗi ................................................................... 48
3.2.2.5. Tham biến hình thức đầu vào ................................................................ 48
3.2.2.6. Tham biến hình thức đầu ra................................................................... 54
3.2.3. Khối hàm tạo xung FB43 “PULSEGEN”....................................................55
3.2.3.1. Giới thiệu chung về FB43”PULSEGEN” ............................................. 55
3.2.3.2. Đặt giá trị ............................................................................................... 58
3.2.3.3. Khởi động và thông báo lỗi: .................................................................. 60
3.2.3.4. Tham biến hình thức đầu vào ................................................................ 60
3.2.3.5. Tham biến hình thức đầu ra................................................................... 63
3.2.4. Fuzzy Control++ trong Step 7 .....................................................................64
3.2.4.1. Phần mềm cấu hình Fuzzy Control++ ................................................... 64
3.2.4.2. Cấu hình hệ thống điều khiển mờ với phần mềm Fuzzy Control++ ..... 64
3.2.4.3. Thiết lập trong Simatic S7-300 ............................................................ 65
3.3. Bài thí nghiệm điều khiển nhiệt đơ trên nền PLC S7 – 300 ..............................68
3.3.1. Mục đích xây dựng các bài thí nghiệm. .......................................................68
3.3.2. Dụng cụ thí nghiệm .....................................................................................68
3.3.3 Bài thí nghiệm 1: Nhận dạng đối tượng điều khiển......................................72
3.3.3.1. Mục đích thí nghiệm ............................................................................. 72
3.3.3.2 Các bước tiến hành thí nghiệm nhận dạng đối tượng điều khiển........... 73
3.3.3.3. Kết quả thí nghiệm ................................................................................ 73
3.3.4. Bài thí nghiệm 2: Điều khiển đối tượng nhiệt bằng bộ điều khiển PID ......74
3.3.4.1. Mục đích thí nghiệm ............................................................................. 74
3.3.4.2. Các bước tiến hành thí nghiệm.............................................................. 74
3.3.4.3. Kết quả thí nghiệm ................................................................................ 78
3.3.5. Bài thí nghiệm 3: Điều khiển đối tượng nhiệt bằng bộ điều khiển mờ động
...............................................................................................................................79
2
Xây dựng bàn thí nghiệm điều khiển nhiệt độ trên nền PLC S7 - 300

Luận văn Thạc sỹ

HV: Vũ Thị Oanh

3.3.5.1. Mục đích thí nghiệm ............................................................................. 79
3.3.5.2. Các bước tiến hành thí nghiệm.............................................................. 80
3.3.5.3. Kết quả thí nghiệm ................................................................................ 82
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................91
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................92
PHỤ LỤC ..................................................................................................................93

3
Xây dựng bàn thí nghiệm điều khiển nhiệt độ trên nền PLC S7 - 300


Luận văn Thạc sỹ

HV: Vũ Thị Oanh

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn này do tôi thực hiện. Các số liệu, kết quả nêu trong luận
văn là hoàn toàn trung thực. Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình.
Học viên

Vũ Thị Oanh

4
Xây dựng bàn thí nghiệm điều khiển nhiệt độ trên nền PLC S7 - 300

Luận văn Thạc sỹ

HV: Vũ Thị Oanh

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1: Bảng thiết kế Ziegler Nichols 1 ................................................................22
Bảng 2.2: Bảng thiết kế Tổng Kuhn ........................................................................24
Bảng 2.3: Luật điều khiển .........................................................................................35
Bảng 3.1: So sánh khả năng lập trình của các PLC SIMATIC S7-300. ...................43
Bảng 3.2: Tham biến hình thức đầu vào của khối FB41 “CON_C” ........................48
Bảng 3.3: Tham biến hình thức đầu ra khối FB41 “CON_ C” .................................54
Bảng 3.4: Liệt kê các chế độ làm việc .....................................................................58
Bảng 3.5: Ví dụ chế độ điều khiển nhiệt độ. .............................................................58
Bảng 3.6: Các giá trị của tham biến ..........................................................................60
Bảng 3.7: Tham biến hình thức đầu vào khối FB43 "PULSEGEN" ........................60
Bảng 3.8: Tham biến hình thức đầu ra khối FB43 "PULSEGEN" ...........................63
Bảng 3.9: Đầu vào của FB30 ....................................................................................67
Bảng 3.10: Đầu ra của FB30 .....................................................................................67
Bảng 3.11: Các tham số bổ xung ..............................................................................68

5
Xây dựng bàn thí nghiệm điều khiển nhiệt độ trên nền PLC S7 - 300


Luận văn Thạc sỹ

HV: Vũ Thị Oanh

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1: Lị điện trở 2.5 KVA .................................................................................11
Hình 1.2: Cấu tạo lị điện trở ....................................................................................12
Hình 1.3: Nhập dữ liệu từ cửa sổ Matlab ..................................................................14
Hình 1.4: Xuất dữ liệu từ file Excel đã thu thập .......................................................15
Hình 1.5. Giao diện Identification Tool ....................................................................15
Hình 1.6: Nhập thơng số chuẩn bị nhận dạng ..........................................................16
Hình 1.7: Ước lượng mơ hình ...................................................................................16
Hình 1.8: Ước lượng mơ hình qn tính bậc nhất có trễ ..........................................17
Hình 1.9: Ước lượng mơ hình qn tính bậc 2 có trễ ...............................................17
Hình 1.10: Ước lượng mơ hình qn tính bậc 3 có trễ: ............................................18
Hình 1.11: Đặc tính xấp xỉ sau khi ước lượng mơ hình ............................................18
Hình 2.1: Sơ đồ simulink mơ phỏng hệ thống khi sử dụng thuật tốn PID của
Ziegler-Nichols .........................................................................................................23
Hình 2.2: Đáp ứng quá độ của hệ thống khi sử dụng thuật tốn PID của ZieglerNichols ......................................................................................................................23
Hình 2.3: Sơ đồ simulink mô phỏng hệ thống khi sử dụng phương pháp Tổng Kuhn
...................................................................................................................................25
Hình 2.4: Đáp ứng quá độ của hệ thống khi sử dụng phương pháp Tổng Kuhn ......25
Hình 2.5: Cấu trúc bộ điều khiển theo nguyên lý dự báo Smith ...............................26
Hình 2.6: Sơ đồ simulink mô phỏng hệ thống theo phương pháp dự báo Smith ......28
Hình 2.7: Sơ đồ simulink mơ phỏng hệ thống theo phương pháp dự báo Smith về
xấp xỉ PID..................................................................................................................28
Hình 2.8: Đáp ứng quá độ của hệ thống sử dụng phương pháp dự báo Smith về xấp
xỉ PID ........................................................................................................................29
Hình 2.9: Đáp ứng hệ thống khi sử dụng 3 phương pháp: ........................................30
a. Phương pháp Ziegler Nichols 1 .............................................................................30
b. Phương pháp Tổng Kuhn ......................................................................................30
c. Phương pháp dự báo Smith. ..................................................................................30
6
Xây dựng bàn thí nghiệm điều khiển nhiệt độ trên nền PLC S7 - 300

Luận văn Thạc sỹ

HV: Vũ Thị Oanh

Hình 2.10: Sơ đồ simulink mô phỏng hệ thống khi sử dụng phương pháp Tổng
Kuhn có tác động của nhiễu ở đầu vào .....................................................................31
Hình 2.11: Đáp ứng quá độ của hệ thống khi sử dụng phương pháp Tổng Kuhn có
tác động của nhiễu ở đầu vào ....................................................................................31
Hình 2.12: Sơ đồ simulink mơ phỏng hệ thống khi sử dụng phương pháp Tổng
Kuhn có tác động của nhiễu ở đầu ra ........................................................................32
Hình 2.13: Đáp ứng quá độ của hệ thống khi sử dụng phương pháp Tổng Kuhn có
tác động của nhiễu ở đầu ra .......................................................................................32
Hình 2.14: Thiết kế luatmo.fis ..................................................................................33
Hình 2.15: Mờ hóa tập đầu vào 1: ET .......................................................................33
Hình 2.16: Mờ hóa tập đầu vào 2: DET ....................................................................34
Hình 2.17: Mờ hóa tập đầu ra: U ..............................................................................34
Hình 2.18: Luật điều khiển mờ .................................................................................35
Hình 2.19: Luật điều khiển trong khơng gian ...........................................................36
Hình 2.20: Sơ đồ simulink mơ phỏng hệ thống khi kết hợp bộ điều khiển ..............36
PID và bộ điều khiển mờ động..................................................................................36
Hình 2.21: Đáp ứng quá độ hệ thống khi kết hợp 2 bộ điều khiển ...........................37
Hình 3.1: Cấu trúc một chương trình ........................................................................43
Hình 3.2: Sơ đồ cấu trúc của module mềm FB41 “CONT_C” .................................46
Hình 3.3: Mơ tả thuật toán PID được thiết kế theo kiểu song song ..........................47
Hình 3.4: Quá trình điều biên của FB43 "PULSEGEN" ..........................................56
Hình 3.5: Sơ đồ cấu trúc nguyên lý của PULSEGEN...............................................57
Hình 3.6: Đồng bộ hóa ở đầu chu kỳ ........................................................................58
Hình 3.7: Đồ thị dạng đối xứng của bộ điều khiển ba vị trí (hệ số tỷ lệ 1)...............59

Hình 3.8: Đồ thị dạng của bộ điều khiển hai vị trí. ..................................................60
Hình 3.9: Gọi khối FB 30 ..........................................................................................67
Hình 3.10: Mơ hình bàn thí nghiệm điều khiển lị điện trở ......................................69
Hình 3.11: Cặp nhiệt điện loại K ..............................................................................70
Hình 3.12: Đồng hồ hiển thị nhiệt độ Jetec ...............................................................71
7
Xây dựng bàn thí nghiệm điều khiển nhiệt độ trên nền PLC S7 - 300


Luận văn Thạc sỹ

HV: Vũ Thị Oanh

Hình 3.13: Đồng hồ hiển thị điện áp nguồn ..............................................................71
Hình 3.14: Relay SSR của Fotek...............................................................................72
Hình 3.15: Kết quả nhận dạng trên cửa sổ Identification của Matlab ......................73
Hình 3.16: Giao diện dự án điều khiển lị điện trở....................................................76
Hình 3.17: Cấu hình phần cứng của PLC .................................................................76
Hình 3.18: Kí hiệu các biến sử dụng trong chương trình điều khiển lị nhiệt ...........77
Hình 3.19: Địa chỉ các biến quá trình lưu trong DB1 ...............................................77
Hình 3.20: Kết quả đáp ứng hệ thống khi sử dụng 3 phương pháp: .........................78
a. Phương pháp Ziegler Nichols 1 .............................................................................78
b. Phương pháp Tổng Kuhn ......................................................................................78
c. Phương pháp dự báo Smith. ..................................................................................78
Hình 3.21: Giao diện giám sát Wincc bài thí nghiệm số 2 .......................................79
Hình 3.22: Biểu đồ Trend bài thí nghiệm số 2 ..........................................................79
Hình 3.23: Xây dựng số đầu vào, ra bộ điều khiển ...................................................82
Hình 3.24: Mờ hóa tập đầu vào e ..............................................................................83
Hình 3.25: Mờ hóa tập đầu vào de ............................................................................83
Hình 3.26: Mờ hóa tập đầu ra u ................................................................................84

Hình 3.27: Luật điều khiển mờ .................................................................................84
Hình 3.28: Luật điều khiển trong khơng gian ...........................................................85
Hình 3.29: Kết quả sơ đồ Simulink của bộ điều khiển mờ động ..............................85
Hình 3.30: Kết quả sơ đồ simulink mơ phỏng hệ thống khi kết hợp bộ điều khiển
PID và mờ động ........................................................................................................86
Hình 3.31: Kết quả đáp ứng quá độ hệ thống khi kết hợp bộ điều khiển mờ động ..86
Hình 3.32: Thiết kế đầu vào, ra cho bộ điều khiển trên giao diện FCPA .................87
Hình 3.33: Mờ hóa đầu vào e cho bộ điều khiển trên giao diện FCPA ....................87
Hình 3.34: Mờ hóa đầu vào de cho bộ điều khiển trên giao diện FCPA ..................88
Hình 3.35: Mờ hóa đầu ra u cho bộ điều khiển trên giao diện FCPA.......................88
Hình 3.36: Giao diện WinCC ....................................................................................89
Hình 3.37: Biểu đồ Trend bài thí nghiệm số 3 ..........................................................89
8
Xây dựng bàn thí nghiệm điều khiển nhiệt độ trên nền PLC S7 - 300


Luận văn Thạc sỹ

HV: Vũ Thị Oanh

MỞ ĐẦU
Phịng thí nghiệm chính là nơi để giúp sinh viên hiểu sâu hơn về lý thuyết đã
được học trên giảng đường, đồng thời cũng là những trải nghiệm thực tế để giúp
sinh viên bớt bỡ ngỡ khi tiếp cận với môi trường làm việc trong công nghiệp.
Nhưng các trang thiết bị phục vụ cho các mơn học cịn thiếu hay đã lạc hậu cũng là
tình trạng chung của các trường đại học ở nước ta. Để khắc phục điều này thì chúng
ta phải nâng cấp cơ sở vật chất, xây dựng các trang thiết bị mới, hiện đại để phục vụ
tốt cho việc thực hành của sinh viên.
Với đề tài: “Xây dựng bàn thí nghiệm điều khiển nhiệt độ trên nền PLC
S7-300”, nhiệm vụ chính của luận văn bao gồm các phần sau đây:

- Tìm hiểu lị điện trở 2.5KVA.
- Nhận dạng đối tượng bằng công cụ “Identification Toolbox” của Matlab.
- Xây dựng bộ điều khiển PID và bộ điều khiển PID kết hợp với Fuzzy.
- Tìm hiểu về PLC S7-300, bao gồm cả phần cứng và phần mềm.
- Xây dựng mơ hình bàn thí nghiệm điều khiển nhiệt độ lị điện trở bằng PLC
S7-300.
- Thiết kế các bài thí nghiệm dựa trên mơ hình bàn thí nghiệm đã được xây
dựng.
Nội dung của đồ án bao gồm 3 chương:
Chương 1: Tìm hiểu lị điện trở 2.5 KVA và nhận dạng đối tượng bằng
Identification Toolbox của Matlab.
Chương 2: Tổng hợp bộ điều khiển cho lò điện trở 2.5 KVA.
Chương 3: Xây dựng các bài thí nghiệm cho lị điện trở 2.5 KVA bằng Simatic
S7-300.
Để có thể hồn thành luận văn này, học viên chân thành cảm ơn cô giáo
GS.TS. Phan Xuân Minh và các thầy, cô tại Trường ĐHBK HN và cơ sở thực tập
tại HHT đã nhiệt tình giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Tuy đã cố
gắng hết sức, nhưng do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên luận văn khơng tránh
khỏi sai sót, em rất mong sự bổ sung, góp ý của các thầy cơ!
9
Xây dựng bàn thí nghiệm điều khiển nhiệt độ trên nền PLC S7 - 300


Luận văn Thạc sỹ

HV: Vũ Thị Oanh

Hà Nội, ngày 25 tháng 05 năm 2014
Học viên

Vũ Thị Oanh

10
Xây dựng bàn thí nghiệm điều khiển nhiệt độ trên nền PLC S7 - 300


Luận văn Thạc sỹ

HV: Vũ Thị Oanh

CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU LỊ ĐIỆN TRỞ 2.5 KVA VÀ NHẬN DẠNG MƠ
HÌNH BẰNG TOOLBOX INDENTIFICATION CỦA MATLAB
1.1. Lò điện trở 2,5 KVA
1.1.1. Giới thiệu lò điện trở 2,5 KVA
Lò điện là một thiết bị điện biến điện năng thành nhiệt năng dùng trong các q
trình cơng nghệ khác nhau như nung hoặc nấu luyện các vật liệu, các kim loại và
các hợp kim khác nhau v.v...

Hình 1.1: Lị điện trở 2.5 KVA
1.1.2. Ngun lý làm việc của lò điên trở
Lò điện trở làm việc dựa trên cơ sở khi có một dịng điện chạy qua một dây dẫn
hoặc vật dẫn thì ở đó sẽ tỏa ra một lượng nhiệt theo định luật Jun-Lenxơ:
Q=I2RT

Q: Nhiệt lượng tính bằng Jun (J)
I: Dịng điện tính bằng Ampe (A)
R: Điện trở tính bằng Ơm (£2)
T: Thời gian tính bằng giây (s)
Từ cơng thức trên ta thấy điện trở R có thể đóng vai trị:
- Vật nung: Trường hợp này gọi là nung trực tiếp

- Dây nung: Khi dây nung được nung nóng, nó sẽ truyền nhiệt cho vật nung

bằng bức xạ, đối lưu, dẫn nhiệt hoặc phức hợp. Trường hợp này gọi là nung gián
11
Xây dựng bàn thí nghiệm điều khiển nhiệt độ trên nền PLC S7 - 300


Luận văn Thạc sỹ

HV: Vũ Thị Oanh

tiếp.
Trường họp thứ nhất ít gặp vì nó chỉ dùng đế nung những vật có hình dạng
đơn giản (tiết diện chữ nhật, vng và tròn)
Trường họp thứ hai thường gặp nhiều trong thực tế cơng nghiệp. Cho nên nói
đến lị điện trở khơng thế không đề cập đến vật liệu đế làm dây nung, bộ phận phát
nhiệt của
1.1.3. Cấu tạo của lị điện trở

Hình 1.2: Cấu tạo lị điện trở
Lị điện trở thơng thường gồm 3 phần chính là vỏ lị, lớp lót và dây nung.
• Vỏ lị

Vỏ lị điện trở là một khung cứng vững, chủ yếu đế chịu tải trọng trong quá trình
làm việc của lị. Mặt khác vỏ lị cũng dùng đế giữ cách nhiệt rời và đảm bảo sự kín
hồn tồn hoặc tương đối của lị
Đối với các lị làm việc với khí bảo vệ, cần thiết vỏ lị phải hồn tồn kín; cịn
đối với các lị điện trở bình thường, sự kín của vỏ lị chỉ cần giảm tổn thất nhiệt
và tránh sự lùa của khơng khí lạnh vào lò, đặc biệt theo chiều cao lò.
Trong những trường hợp riêng, lị điện trở có thể làm vỏ lị khơng bọc kín.

Khung vỏ lị cần cứng vững đủ đế chịu tải trọng của lớp lót, phụ tải lị (vật
nung) và các cơ cấu cơ khí gắn trên vỏ lị.
• Lớp lót

Lớp lót lị điện trở thường gồm 2 phần: vật liệu chịu lửa và cách nhiệt.
Phần vật liệu chịu lửa có thế xây bằng gạch tiêu chuẩn, gạch hình và gạch
hình đặc biệt tùy theo hình dáng và kích thước đã cho của buồng lị. Cũng có khi
12
Xây dựng bàn thí nghiệm điều khiển nhiệt độ trên nền PLC S7 - 300


Luận văn Thạc sỹ

HV: Vũ Thị Oanh

người ta đầm bằng các loại bột chịu lửa và các chất kết dính gọi là các khối đầm.
Khối đầm có thế tiến hành ngay trong lị và cũng có thể tiến hành ngồi nhờ các
khn.
Phần cách nhiệt thường nằm giữa vỏ lị và phần vật liệu chịu lửa. Mục đích
chủ yếu của phần này là đế giảm tổn thất nhiệt. Riêng đối với đáy, phần cách
nhiệt địi hỏi phải có độ bền cơ học nhất định cịn các phần khác nói chung khơng
u cầu. Phần cách nhiệt có thể xây bằng gạch cách nhiệt, có thế điền đầy bằng bột
cách nhiệt
• Dây nung

Dây nung là bộ phận phát nhiệt của lò, làm việc trong những điều kiện khắc
nghiệt, do đó địi hỏi phải đảm bảo các u cầu sau:
- Chịu nóng tốt, ít bị oxi hóa ở nhiệt độ cao
- Phải có độ bền cơ học cao, không bị biến dạng ở nhiệt độ cao.
- Điện trở suất phải lớn.

- Hệ số nhiệt điện trở phải nhỏ.
- Các tính chất điện phải cố định hoặc ít thay đổi.
- Các kích thước phải khơng thay đối khi sử dụng.
- Dễ gia công, dễ hàn hoặc dễ ép uốn.

Theo đặc tính của vật liệu dùng làm dây nung, người ta chia dây nung làm 2
loại: dây nung kim loại và dây nung phi kim loại. Đe đảm bảo yêu cầu của dây
nung, trong hầu hết các lị điện trở cơng nghiệp, dây nung kim loại đều được chế
tao bằng hợp kim Crôm-Nhôm và Crôm-Niken là các hợp kim có điện trở suất lớn.
Cịn các kim loại nguyên chất được dùng để chế tạo dây nung rất hiếm. Dây nung
kim loại thường được chế tạo ở dạng tròn và dạng băng. Dây nung phi kim loại
dùng phố biến là SiC, graíit và than.
1.2. Nhận dạng đối tượng bằng Identification Toolbox của Matlab
1.2.1. Đặt vấn đề
Về nguyên tắc có hai phương pháp xây dựng mơ hình tốn học cho đối tượng:

13
Xây dựng bàn thí nghiệm điều khiển nhiệt độ trên nền PLC S7 - 300


Luận văn Thạc sỹ

HV: Vũ Thị Oanh

 Mơ hình hóa lý thuyết (hay cịn gọi là mơ hình hóa vật lý): từ các định luật
cơ bản của vật lý và hóa học kết hợp với các thơng số kỹ thuật của thiết bị để
xác định giá trị của các tham số - một hệ các phương trình vi phân và phương
trình đại số.
 Mơ hình hóa thực nghiệm (cịn gọi là phương pháp hộp đen hay nhận dạng
quá trình): dựa trên thơng tin ban đầu về q trình, quan sát tín hiệu vào ra và

phân tích số liệu thu được để xác định mơ hình.
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 mơ hình tốn học, hàm truyền
đạt thích hợp mô tả gần đúng nhất đối tượng thực. Nhận dạng trong Matlab sử dụng
system identification toolbox giúp thực hiện dễ dàng, trực quan, nhanh chóng. Tuy
nhiên để sử dụng tốt công cụ này chúng ta cần phải hiểu rõ các phương pháp nhận
dạng, phạm vi sử dụng và ưu nhược điểm của từng phương pháp cộng với khả năng
về phân tích hệ thống thơng qua các đặc tính thu được.
1.2.2. Nhận dạng lò điện trở bằng thực nghiệm
Sau khi thu thập được dữ liệu quan hệ giữa tín hiệu vào và ra của hệ thống, ta
tiến hành xử lý số liệu để có thể nhận dạng được mơ hình hệ thống.
Nhập dữ liệu từ Import Data.

Hình 1.3: Nhập dữ liệu từ cửa sổ Matlab
14
Xây dựng bàn thí nghiệm điều khiển nhiệt độ trên nền PLC S7 - 300


Luận văn Thạc sỹ

HV: Vũ Thị Oanh

Nhập dữ liệu từ nhandang.xlsx

Hình 1.4: Xuất dữ liệu từ file Excel đã thu thập
Tiến hành nhận dạng bằng Toolbox Identification:
Bật cửa sổ System Identification Tool bằng lệnh sau:
>> ident
Vào phần ImportData, chọn dạng dữ liệu ở miền thời gian Time-Domain Signals:

Hình 1.5. Giao diện Identification Tool
15
Xây dựng bàn thí nghiệm điều khiển nhiệt độ trên nền PLC S7 - 300


Luận văn Thạc sỹ

HV: Vũ Thị Oanh

Điền các thông số phục vụ nhận dạng như hình:

Hình 1.6: Nhập thơng số chuẩn bị nhận dạng
Trong mục Estimate, chọn Process Model:

Hình 1.7: Ước lượng mơ hình

16
Xây dựng bàn thí nghiệm điều khiển nhiệt độ trên nền PLC S7 - 300


Luận văn Thạc sỹ

HV: Vũ Thị Oanh

Chọn mơ hình qn tính bậc nhất có trễ:

Hình 1.8: Ước lượng mơ hình qn tính bậc nhất có trễ
Chọn mơ hình qn tính bậc 2 có trễ:

Hình 1.9: Ước lượng mơ hình qn tính bậc 2 có trễ

17
Xây dựng bàn thí nghiệm điều khiển nhiệt độ trên nền PLC S7 - 300


Luận văn Thạc sỹ

HV: Vũ Thị Oanh

Chọn mơ hình qn tính bậc 3 có trễ:

Hình 1.10: Ước lượng mơ hình qn tính bậc 3 có trễ:
So sánh 3 mơ hình:

Hình 1.11: Đặc tính xấp xỉ sau khi ước lượng mơ hình
Đánh giá kết quả nhận dạng: Ta thấy mơ hình qn tính bậc 1 có trễ có Best
Fits cao nhất 97,81% nên ta chọn mơ hình này làm mơ hình động học của lò điện
trở. Kết quả nhận dạng hệ thống ta có hàm truyền lị điện trở 2,5 KVA:

(1.1)

18
Xây dựng bàn thí nghiệm điều khiển nhiệt độ trên nền PLC S7 - 300


Luận văn Thạc sỹ

HV: Vũ Thị Oanh

Kết luận chương 1:

Chương 1 tập trung giới thiệu chung về lò điện trở, nguyên lý làm việc và cấu
tạo của lò điện trở 2,5KVA. Phương pháp nhận dạng mơ hình đối tượng bằng
Identification Toolbox của Matlab. Trong chương này nội dung tập trung vào
nghiên cứu chính là đưa ra được phương trình động học của lò điện trở trên cơ sở
dữ liệu lấy được từ giao diện giám sát.

19
Xây dựng bàn thí nghiệm điều khiển nhiệt độ trên nền PLC S7 - 300


Luận văn Thạc sỹ

HV: Vũ Thị Oanh

CHƯƠNG 2: TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO LÒ ĐIỆN TRỞ 2,5 KVA
2.1. Tổng hợp bộ điều khiển PID
2.1.1. Bộ điều khiển PID
Trong các hệ thống điều khiến thường sử dụng kết hợp 3 thành phần trên tùy
theo yêu cầu chất lượng của hệ thống và tính phức tạp khi thiết kế các thành phần
mà người thiết kế có thể sử dụng khâu điều khiển P, PI hay PID. Trong các sự kết
hợp đó thì khâu điều khiển PID là hồn hảo nhất cho các hệ thống điều khiển.
Phương trình vi phân mơ tả quan hệ tín hiệu vào ra của bộ điều khiến PID:

(2.1)
Trong đó:
e(t): tín hiệu vào của bộ điều khiến
u(t): tín hiệu ra của bộ điều khiến
Km = K1 : hệ số khuyếch đại
Td = K3/K1: hằng số thời gian vi phân
Ti = hằng số thời gian tích phân

+ Sơ đồ cấu trúc:

+ Hàm truyền đạt trong miền ảnh Laplace:
20
Xây dựng bàn thí nghiệm điều khiển nhiệt độ trên nền PLC S7 - 300


Luận văn Thạc sỹ

HV: Vũ Thị Oanh

+ Hàm truyền đạt trong miền tần số:

Trong đó:

2.1.2. Phương pháp thực nghiệm
Phương pháp này thường áp dụng cho đối tượng có qn tính lớn như lị nhiệt được
mơ tả bằng hàm truyền đạt:

G( s)

K
e
T .s 1

45 s

Trong đó :
K: Hệ số khuếch đại của đối tượng lò nhiệt.
τ: Hằng số thời gian trễ (thời gian khơng nhạy của lị nhiệt).

T: Hằng số thời gian qn tính nhiệt của lị.
K , τ, T được xác định bằng phương pháp thực nghiệm.
Kết quả nhận dạng hệ thống ta có hàm truyền lị điện trở 2,5 KVA

G( s)

4,54
e
1500s 1

45 s

K = 4,54
21
Xây dựng bàn thí nghiệm điều khiển nhiệt độ trên nền PLC S7 - 300


Luận văn Thạc sỹ

HV: Vũ Thị Oanh

T = 1500
τ = 45
a. Phương pháp Ziegler Nichols
Bảng 2.1: Bảng thiết kế Ziegler Nichols 1
Luật điều khiển

KP

TI

Luật P

T
K.

Luật PI

0,9

Luật PID

T
K.

T
1,2
K.

TD

-

-

3,33 τ
2,τ

0, 5τ

Với các thông số của hệ thống ta thiết kế được các thơng số của lị điện trở 2,5 KVA
theo luật PID:

T
K.

KP

1,2

TD

0, 5

TI =2

1,2.

1500
4,54.45

0,5.45
2.45

8,81057

22,5

90

PID của Ziegler-Nichols có dạng :

G(s)
Với

C

C (1

1
TI .s

TD .s)

1,2.T
; TI = 2τ ; TD = 0,5τ
K.

Hệ số tương ứng với hệ số khuếch đại tỷ lệ:
KP = C = 8,81057

22
Xây dựng bàn thí nghiệm điều khiển nhiệt độ trên nền PLC S7 - 300


Luận văn Thạc sỹ

HV: Vũ Thị Oanh

KI =

8,81057
90

C
TI

KD = C.TD

0,098

8,81057. 22,5 198,238

Đối với hệ liên tục hiệu chỉnh PID có dạng tổng quát là:
Gc(s) = Kp +

KI
+ KD.s
s

Hình 2.1: Sơ đồ simulink mô phỏng hệ thống khi sử dụng thuật tốn PID của
Ziegler-Nichols
Đáp ứng q độ:

Hình 2.2: Đáp ứng q độ của hệ thống khi sử dụng thuật toán PID của ZieglerNichols
23
Xây dựng bàn thí nghiệm điều khiển nhiệt độ trên nền PLC S7 - 300


Luận văn Thạc sỹ

HV: Vũ Thị Oanh

Nhận xét:
- Thời gian quá độ khoảng 850s
- Độ quá điều chỉnh rất lớn
- Sai lệch tĩnh: 0%
b. Phương pháp Tổng Kuhn
K = 4,54
T = 1500
τ = 45
Ta có: TS = T+ τ = 1545
Bảng 2.2: Bảng thiết kế Tổng Kuhn
Luật điều khiển

KP

TI

Luật PI

1
2K

0,5 TS

Luật PID

1
K

2
TS
3

TD

0,167 TS

Với các thông số của hệ thống ta thiết kế được các thơng số của lị điện trở 2,5 KVA
theo luật PID:

KP
TI =

1
K

1
4.54

0,22

2
TS =0.8. 1545 = 1236
3

TD = 0,194.TS = 0,194.1545 = 299,73
PID của Tổng Kuhn

G(s)

K P (1

1
TI .s

TD .s)

KP

KI
s

K D .s

KP = 0,22

24
Xây dựng bàn thí nghiệm điều khiển nhiệt độ trên nền PLC S7 - 300