CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 4 do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Phương pháp phân loại và hệ thống hóa lý thuyết: giúp hệ thống các kiến thức đã học, phục vụ cho quá trình thực hiện đề tài. Phương pháp tham khảo tài liệu: bổ sung các kiến thức liên quan trong quá trình thực hiện đề tài, giải quyết các lỗi gặp phải và trình bày logic các kiến thức chuyên môn. Nhóm phương pháp nghiên cứu thực tiễn: Phương pháp quan sát: tham khảo các mô hình thực tế tại các công ty, xí nghiệp. Nắm được nguyên tắc hoạt động chính yếu của hệ thống nhằm đưa vào mô hình đang nghiên cứu.
Phương pháp phỏng vấn: gặp gỡ và tham khảo ý kiến của những người nghiên cứu trước, ý kiến của các giáo viên giảng dạy cũng như những ý kiến từ các bạn học cùng và khác khóa đào tạo. Phương pháp thực nghiệm: thao tác thực tế trên mô hình cũng như trên giao diện thiết kế để kiểm tra hoạt động của hệ thống, đồng thời khắc phục lỗi phát sinh trong quá trình thực hiện.7 Bố cục và nội dung của đề tài Đồ án được thực hiện theo trình tự đúng yêu cầu thiết kế, trình bày chi tiết các công đoạn tiến hành xây dựng mô hình từ quá trình tìm hiểu đặc điểm, tính chất các loại biến tần,motor đến các phần mềm lập trình phổ biến hiện nay. Trên cơ sở đó đưa ra phương án lựa chọn và thuật toán điều khiển cho hệ thống. Phần cuối trình bày kết quả nhận được cùng với nhận xét đánh giá kết quả đạt được và phân tích hướng phát triển của đồ án trong tương lai.
Các giai đoạn tiếp theo được trình bày chi tiết trong nội dung các chương sau: Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương này trình bày về hoạt động của bộ điều khiển PID. Tìm hiểu về PLC Siemens S7-1200 và các lệnh cơ bản trên phần mềm TIA Portal V13. Chương 3: Thiết kế và xây dựng hệ thống Chương này trình bày về yêu cầu thiết kế phần cứng, lựa chọn thiết bị cho mô hình. Chi tiết thiết bị sử dụng trong mô hình, phương pháp lựa chọn các thiết bị ngõ vào và ngõ ra trong hệ thống.
Sơ đồ kết nối phần cứng giúp người vận hành hiểu rõ về cấu trúc của toàn hệ thống. Chương 4: Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát Chương này trình bày về yêu cầu điều khiển, lưu đồ giải thuật điều khiển hệ thống và phần thiết kế giao diện điều khiển, giám sát hệ thống. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 5 do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Chương 5: Kết quả đạt được Chương này trình bày về kết quả sau khi thiết kế, thi công mô hình và kết quả kết hợp giữa mô hình và giao diện điều khiển giám sát, đánh giá sản phẩm sau khi hoàn thành. Chương 6: Kết luận và hướng phát triển Đưa ra kết luận về những gì làm được sau khi hoàn thành đề tài.
Đưa ra các phương pháp phát triển và hoàn thiện về mô hình cũng như giao diện điều khiển giám sát nhằm tối ưu hóa hệ thống trong tương lai. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 6 do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 7 do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Để thiết kế và thi công hoàn thành một hệ thống ổn định và chính xác chúng ta cần phải có được thông tin đầy đủ về hệ thống. Vì vậy, chương 2 này chúng ta trình bày các cơ sở lý thuyết về nó.1 Thuật toán điều khiển Với mục tiêu đề ra là điều khiển ổn định mức của bồn nước chúng ta có nhiều phương pháp lựa chọn phù hợp. Hiện nay, chúng ta có rất nhiều nhà nghiên cứu đã sử dụng các thuật toán điều khiển khác nhau để điều khiển hệ thống ổn định như thuật toán điều khiển PID, điều khiển trượt, thuật toán điều khiển tối ưu LQR và điều khiển logic mờ Fuzzy Logic đã thu được một số thành công đáng kể.
Nhóm thực hiện đề tài đã chọn bộ điều khiển PID để áp dụng vào hệ thống của mình. Đối với bộ điều khiển PID, chúng ta dễ dàng lựa chọn các luật điều khiển khác nhau như luật điều khiển tỉ lệ (luật P), điều khiển tỉ lệ-tích phân (luật PI), điều khiển tỉ lệ-vi phân (luật PD). Bộ điều khiển PID luôn là phần tử được lựa chọn trong các quá trình tự động điều khiển ổn định các đối tượng như nhiệt độ, mức nước, tốc độ động cơ… Một số những ứng dụng của bộ điều khiển PID kết hợp với điều khiển thích nghi và điều khiển mờ, để điều khiển các tham số của nó cho phù hợp với sự thay đổi không biết trước của đối tượng, cũng như của môi trường nhằm đảm bảo được các chỉ tiêu chất lượng đã đề ra trong hệ thống. Nếu như ta thiết lập được công việc thay đổi tham số này thì bộ điều khiển bền vững với mọi tác động của nhiễu làm nâng cao chất lượng của hệ thống.1 Thuật toán điều khiển PI Bộ PI là cấu trúc ghép song song giữa cơ cấu tỷ lệ và cơ cấu tích phân.
Tín hiệu ra của bộ PI là tổng tín hiệu ra của từng cơ cấu riêng lẻ. Phương trình vi phân: u(t) = KP .e(t)+KI e(t)d(t) Hàm truyền đạt: KI 1+TN .TN CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 8 do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KP Trong đó: TN = gọi là thời gian hiệu chỉnh. KI Sơ đồ khối khâu PI như hình 2.1 Sơ đồ khối khâu hiệu chỉnh PI. Đặc tính quá độ của khâu PI như hình 2.2 Đặc tính quá độ của khâu hiệu chỉnh PI.
Ưu, nhược điểm của khâu hiệu chỉnh PI: Bộ PI kết hợp được các ưu điểm của bộ P và bộ I, tạo nên đặc tính vừa tác động nhanh vừa triệt tiêu được sai lệch tĩnh. Bộ PI được dùng rộng rãi trong công nghiệp để điều khiển các quá trình công nghệ tự động. Tuy nhiên do có thành phần I nên tốc độ tác động của bộ PI có phần chậm hơn so với bộ P. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 9 do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Tín hiệu ra chậm pha hơn tín hiệu vào một góc từ 0 đến tùy thuộc vào các tham số, và tần số của tín hiệu vào.
Nếu đối tượng điều khiển có nhiễu tác động liên tục mà tín hiệu ra đòi hỏi chính xác cao thì bộ PI không đáp ứng được. Khâu tích phân tỷ lệ trở thành vô sai. Muốn tăng chính xác của hệ thống ta phải tăng hệ số khuếch đại. Song đối với hệ thống thực sẽ bị hạn chế và sự có mặt của khâu PI là bắt buộc.
Biểu đồ của khâu hiệu chỉnh PI như hình 2.3 Giản đồ đáp ứng của khâu hiệu chỉnh PI.2 Thuật toán điều khiển PD Bộ PD lý tưởng là cấu trúc ghép song song giữa cơ cấu tỷ lệ và cơ cấu vi phân. Tín hiệu ra của bộ PD là tổng tín hiệu ra của từng cơ cấu riêng lẽ. Phương trình vi phân: de(t) de(t) u(t) = uP +uD = KP e(t)+ K D = K P e(t)+TV dt dt KD Trong đó: TV = gọi là thời gian tác động sớm. KP CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 10 do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hàm truyền đạt: G(s) = KP (1+s.TV ) Sơ đồ khối khâu hiệu chỉnh PD như hình 2.4 Sơ đồ khối khâu hiệu chỉnh PD.
Đặc tính quá độ của khâu hiệu chỉnh PD như hình 2.5 Đặc tính quá độ của khâu hiệu chỉnh PD. Có thể thấy, ở trạng thái ổn định bộ PD lý tưởng làm việc như bộ P. Ở trạng thái chuyển tiếp, nó làm việc như bộ D, tức là tín hiệu ra u(t) tỷ lệ với vận tốc (đạo hàm) của tín hiệu vào e(t). CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 11 do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Ưu điểm của khâu hiệu chỉnh PD: Nếu sai lệch e(t) càng lớn thì thông qua thành phần u P (t ) , tín hiệu điều chỉnh u(t) càng lớn (vai trò của khuếch đại KP ).
Nếu sự thay đổi của sai lệch e(t) càng lớn thì thông qua thành phần uD(t), phản ứng thích hợp của u(t) sẽ càng nhanh (vai trò của vi phân KD). Khi thay đổi từ 0 đến thì đặc tính tần số pha tăng từ 0 đến / 2 nên tốc độ tác động của bộ PD còn nhanh hơn cả bộ P. Ứng dụng của khâu hiệu chỉnh PD: Bộ PD thích hợp với các hệ thống đòi hỏi tốc độ tác động nhanh như điều khiển Robot, máy dập … Giản đồ đáp ứng khâu hiệu chỉnh PD như hình 2.6 Giản đồ đáp ứng khâu hiệu chỉnh PD. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 12 do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 2.3 Thuật toán điều khiển PID Sơ đồ khối của khâu hiệu chỉnh PID được biểu diễn như hình 2.
Control variable Process variable Hình 2.7 Sơ đồ khối khâu hiệu chỉnh PID. Setpoint: là giá trị mong muốn đạt được tại ngõ ra của đối tượng điều khiển. Process variable: tín hiệu hồi tiếp mà bộ điều khiên nhận được từ đối tượng điều khiển. Control variable: giá trị ngõ ra của bộ điều khiển.
Error: giá trị sai lệch giữa giá trị đặt và giá trị hiện tại ở ngõ ra của đối tượng điều khiển. Output: đại lượng vật lý cần điều khiển. Bộ điều khiển PID là bộ điều khiển gồm 3 thành phần: Thành phần tỉlệ (P) cho ra giá trị Pout dựa trên giá trị sai lệch tại thời điểm hiện tại. Thành phần tích phân (I) đưa ra giá trị Ioutdựa trên tích lũy các giá trị sai lệch từ quá khứ đến thời điểm hiện tại.
Thành phần vi phân (D) tính toán giá trị Dout dựa trên tốc độ thay đổi của sai lệch. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 13 do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Khâu tỉ lệ, tích phân, vi phân được cộng lại với nhau để tính toán đầu ra của bộ điều khiển PID. Định nghĩa rằng u(t) là đầu ra của bộ điều khiển, biểu thức cuối cùng của giải thuật PID là: 𝑡 𝑑 𝑢(𝑡 ) = 𝑀(𝑡 ) = 𝐾𝑝 𝑒(𝑡) + 𝐾𝑖 ∫ 𝑒(𝒯 )𝑑𝒯 + 𝐾𝑑 𝑒(𝑡) 0 𝑑𝑡 2.4 Chức năng của các khâu hiệu chỉnh trong bộ điều khiển PID Trong bộ điều khiển PID, nhiệm vụ của từng khâu khác nhau nhưng cùng có chung một mục đích đó là làm cho bộ điều khiển được hoàn thiện hơn. Để hiểu sâu hơn tầm quan trọng của các khâu hiệu chỉnh này, chúng ta đi vào phân tích từng khâu.
Khâu tỉ lệ: Khâu tỉ lệ làm thay đổi giá trị đầu ra, tỉ lệ với giá trị sai số hiện tại. Đáp ứng tỉ lệ có thể được điều chỉnh bằng cách nhân sai số đó với một hằng số Kp, được gọi là độ lợi tỉ lệ.