Luận văn thạc sĩ hay giải pháp nâng cao hệ số công suất cos của động cơ đồng bộ công suất lớn

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu hay giải pháp nâng cao hệ số công suất cos của động cơ đồng bộ công suất lớn, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất giải pháp cải thiện

• Đề tài: Luận Văn Thạc Sĩ Hay Giải Pháp Nâng Cao Hệ Số Công Suất Cos Của Động Cơ Đồng Bộ Công Suất Lớn
• Loại tài liệu: thesis

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC CÁC HÌNH (HÌNH VẼ, ẢNH CHỤP, ĐỒ THỊ)
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN KINH ĐIỂN PID
• 1.1. Tổng quan về lý thuyết điều khiển kinh điển PID
• 1.1.1. Tổng quan về bộ điều khiển PID
• 1.1.2. Phương pháp tổng hợp bộ điều khiển PID
• 1.2. Tìm hiểu bộ điều khiển PID trong PLC S7 1200
• 1.2.1. Giới thiệu PLC S7 1200
• 1.2.2. Bộ điều khiển PID trong PLC S7 1200
• 1.2.3. Phương pháp khai báo và cài đặt bộ điều khiển PID_Compact
• 1.3. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ CÔNG SUẤT LỚN
• 2.1. Tổng quan về điều khiển kích từ động cơ đồng bộ
• 2.1.1. Điều khiển kích từ động cơ đồng bộ
• 2.2. Mô hình toán của động cơ đồng bộ
• 2.2.1. Sơ đồ mạch điện thay thế và đồ thị véc tơ
• 2.2.2. Công suất của động cơ đồng bộ
• 2.2.3. Sự ảnh hưởng của tải đối với dòng điện phần ứng, góc công suất và hệ số công suất
• 2.3. Mô hình toán động cơ đồng bộ trên hệ trục tọa độ véc tơ không gian
• 2.3.1. Phương trình điện áp, từ thông và mô men của động cơ đồng bộ
• 2.3.2. Phương trình liên hệ điện áp và từ thông trong các biến tham chiếu
• 2.3.3. Phương trình thay thế và mạch điện tương đương của Park
• 2.4. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ĐỂ NÂNG CAO HỆ SỐ CÔNG SUẤT COS CHO ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ CÔNG SUẤT LỚN
• 3.1. Đánh giá một số nghiên cứu trong và ngoài nước
• 3.1.1. Một số nghiên cứu ngoài nước
• 3.1.2. Một số nghiên cứu trong nước
• 3.2. Xây dựng thuật toán điều khiển
• 3.2.1. Xây dựng cấu trúc điều khiển
• 3.2.2. Xây dựng sơ đồ mô phỏng trên Matlab Simulink
• 3.3. Thử nghiệm thuật toán trên mô hình thực nghiệm
• 3.3.1. Giới thiệu mô hình thực nghiệm
• 3.3.2. Kết quả thực nghiệm
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Bí quyết vận hành Hiểu rõ về hệ số công suất cos phi

Trong các hệ thống truyền động điện công nghiệp, động cơ đồng bộ công suất lớn đóng vai trò thiết yếu tại các trạm bơm hay máy nén khí. Hiệu suất của chúng phụ thuộc rất nhiều vào hệ số công suất cos phi. Đây là một chỉ số kỹ thuật quan trọng, phản ánh mức độ sử dụng hiệu quả năng lượng điện. Một hệ số công suất cao, tiến gần đến 1, đồng nghĩa với việc năng lượng được chuyển hóa thành công cơ học một cách tối đa. Ngược lại, cos phi thấp cho thấy sự lãng phí năng lượng dưới dạng công suất phản kháng. Việc duy trì một hệ số công suất cos phi tối ưu không chỉ giúp động cơ hoạt động bền bỉ, an toàn mà còn góp phần cải thiện chất lượng điện năng cho toàn bộ lưới điện công nghiệp. Luận văn của Lê Thị Hải Yến (2020) đã tập trung nghiên cứu các giải pháp để tối ưu hóa chỉ số này, đặc biệt là thông qua việc điều khiển dòng kích từ.

1.1. Định nghĩa hệ số công suất và công suất phản kháng

Hệ số công suất, ký hiệu là cos phi (cosφ), là tỉ số giữa công suất tác dụng (P, đơn vị kW) và công suất biểu kiến (S, đơn vị kVA). Công suất tác dụng là phần công suất sinh ra công hữu ích. Trong khi đó, công suất phản kháng (Q, đơn vị kVAr) là phần công suất cần thiết để tạo ra từ trường trong các thiết bị có tính cảm như động cơ, máy biến áp. Mặc dù không sinh công trực tiếp, công suất phản kháng lại là nguyên nhân chính gây ra tổn thất công suất trên đường dây. Về bản chất, hệ số công suất cos phi thể hiện mức độ hiệu quả của việc sử dụng điện. Khi cosφ cao, phần lớn công suất biểu kiến được chuyển thành công suất tác dụng, giúp tối ưu hóa hiệu quả năng lượng.

1.2. Nguyên lý làm việc cơ bản của động cơ đồng bộ công suất lớn

Động cơ đồng bộ hoạt động dựa trên sự tương tác giữa từ trường quay của stator và từ trường không đổi của rotor. Stator, được cấp nguồn điện xoay chiều 3 pha, tạo ra một từ trường quay với tốc độ đồng bộ. Rotor, được kích từ bằng nguồn điện một chiều, tạo ra một từ trường không đổi. Khi hai từ trường này "khóa" từ tính với nhau, rotor sẽ quay cùng tốc độ với từ trường stator. Điểm đặc biệt của động cơ đồng bộ là khả năng điều chỉnh hệ số công suất cos phi. Bằng cách thay đổi dòng điện kích từ một chiều cấp cho rotor, động cơ có thể vận hành ở trạng thái tiêu thụ, không tiêu thụ, hoặc thậm chí phát công suất phản kháng ra lưới, hoạt động như một máy bù đồng bộ.

1.3. Vai trò then chốt của việc nâng cao chất lượng điện năng

Chất lượng điện năng là một yếu tố sống còn trong sản xuất công nghiệp. Hệ số công suất thấp là một trong những nguyên nhân hàng đầu làm suy giảm chất lượng điện. Nó gây ra sụt áp trên lưới điện, làm tăng dòng điện chạy trên dây dẫn, dẫn đến tổn thất công suất và phát nóng đường dây. Điều này không chỉ làm tăng chi phí tiền điện mà còn ảnh hưởng đến tuổi thọ của các thiết bị khác trong nhà máy. Do đó, việc thực hiện các giải pháp bù công suất phản kháng để nâng cao cosφ không chỉ là một bài toán kinh tế mà còn là yêu cầu kỹ thuật bắt buộc để đảm bảo tối ưu hóa vận hành và ổn định cho toàn bộ hệ thống điện.

II. Cảnh báo Tác hại của cos phi thấp với hiệu quả năng lượng

Vận hành các phụ tải công suất lớn với hệ số công suất cos phi thấp mang lại nhiều hệ lụy nghiêm trọng cho cả thiết bị và hệ thống lưới điện. Đây không chỉ là vấn đề về lãng phí năng lượng mà còn là một rủi ro tiềm ẩn về kỹ thuật và an toàn vận hành. Khi cosφ thấp, để truyền tải cùng một lượng công suất tác dụng, dòng điện trong mạch phải tăng lên đáng kể. Dòng điện tăng cao gây ra nhiều tác hại của cos phi thấp như phát nóng quá mức trên dây dẫn và thiết bị, tăng tổn thất điện năng và gây ra hiện tượng sụt áp. Việc hiểu rõ những ảnh hưởng tiêu cực này là bước đầu tiên để nhận thức tầm quan trọng của các giải pháp cải thiện và ổn định hệ số công suất, đặc biệt trong môi trường công nghiệp nặng.

2.1. Phân tích tổn thất công suất và sụt áp trên lưới điện

Tổn thất công suất trên đường dây (ΔP) tỷ lệ thuận với bình phương dòng điện (I²). Khi hệ số công suất cos phi giảm, dòng điện (I) tăng lên, dẫn đến tổn thất công suất tăng theo cấp số nhân. Ví dụ, nếu cosφ giảm từ 0.9 xuống 0.7, dòng điện sẽ tăng khoảng 28%, và tổn thất công suất sẽ tăng gần 65%. Đồng thời, sụt áp trên lưới điện cũng tăng lên, làm giảm điện áp cuối nguồn. Điện áp thấp có thể khiến động cơ và các thiết bị khác hoạt động không ổn định, giảm hiệu suất và thậm chí gây hư hỏng. Đây là những vấn đề trực tiếp ảnh hưởng đến hiệu quả năng lượng và chi phí vận hành của doanh nghiệp.

2.2. Ảnh hưởng tiêu cực đến phụ tải công suất lớn và thiết bị

Các phụ tải công suất lớn như động cơ đồng bộ rất nhạy cảm với chất lượng nguồn điện. Dòng điện stator tăng cao do cosφ thấp sẽ gây phát nóng cuộn dây, làm giảm tuổi thọ cách điện và có thể dẫn đến cháy động cơ. Ngoài ra, các thiết bị đóng cắt như aptomat, contactor phải chịu dòng tải lớn hơn định mức thiết kế, làm tăng nguy cơ sự cố và giảm độ tin cậy của hệ thống. Về lâu dài, việc vận hành trong điều kiện cosφ thấp sẽ làm suy giảm tuổi thọ của toàn bộ hệ thống thiết bị điện, gia tăng chi phí bảo trì và thay thế, gây gián đoạn sản xuất.

2.3. Tại sao bù công suất phản kháng là yêu cầu bắt buộc

Để khắc phục những tác hại trên, giải pháp bù công suất phản kháng được xem là yêu cầu bắt buộc. Bằng cách cung cấp nguồn công suất phản kháng ngay tại phụ tải, các giải pháp này giúp giảm lượng công suất phản kháng phải truyền tải từ nguồn. Điều này giúp giảm dòng điện trên lưới, từ đó giảm tổn thất công suất và cải thiện điện áp. Các phương pháp phổ biến bao gồm sử dụng tụ bù công suất hoặc biến động cơ đồng bộ thành máy bù đồng bộ. Việc đầu tư vào hệ thống bù không chỉ giúp tiết kiệm điện năng trong công nghiệp mà còn tuân thủ các quy định của ngành điện về hệ số công suất, tránh bị phạt tiền do tiêu thụ quá nhiều công suất phản kháng.

III. Phương pháp điều chỉnh dòng kích từ để nâng cao cos phi

Một trong những ưu điểm vượt trội của động cơ đồng bộ so với động cơ không đồng bộ là khả năng điều chỉnh được hệ số công suất cos phi. Khả năng này xuất phát từ việc có thể chủ động kiểm soát từ trường của rotor thông qua điều chỉnh dòng kích từ. Bằng cách thay đổi độ lớn của dòng điện một chiều cấp vào cuộn dây rotor, ta có thể thay đổi trạng thái làm việc của động cơ, từ tiêu thụ công suất phản kháng (giống động cơ không đồng bộ) sang trạng thái trung tính (cosφ = 1) hoặc thậm chí phát công suất phản kháng ra lưới. Đây chính là nguyên lý biến động cơ thành một máy bù đồng bộ linh hoạt, một giải pháp hiệu quả để cải thiện chất lượng điện năng ngay tại phụ tải.

3.1. Mối liên hệ giữa dòng kích từ và công suất phản kháng

Dòng điện kích từ (If) quyết định độ lớn sức điện động (Ef) cảm ứng trong động cơ. Mối quan hệ giữa Ef và điện áp lưới (VT) sẽ xác định động cơ nhận vào hay phát ra công suất phản kháng. Khi Ef < VT (trạng thái non kích từ), động cơ sẽ nhận công suất phản kháng từ lưới, làm cho cosφ thấp và có tính trễ (lagging). Khi Ef > VT (trạng thái quá kích từ), động cơ sẽ phát công suất phản kháng ra lưới, làm cho cosφ có tính sớm (leading). Khi Ef ≈ VT, động cơ hoạt động với cosφ ≈ 1. Như vậy, điều chỉnh dòng kích từ là công cụ trực tiếp để kiểm soát dòng công suất phản kháng, qua đó nâng cao hệ số công suất cos phi.

3.2. So sánh các trạng thái non kích từ đủ và quá kích từ

Mỗi trạng thái kích từ đều có đặc điểm riêng. Trạng thái non kích từ (thiếu kích từ) khiến động cơ hoạt động với cosφ thấp, làm tăng dòng điện stator và gây tổn thất công suất. Trạng thái đủ kích từ là lý tưởng nhất, động cơ hoạt động với cosφ gần bằng 1, dòng điện stator nhỏ nhất, và hiệu suất cao nhất. Trạng thái quá kích từ biến động cơ thành một nguồn phát công suất phản kháng. Trạng thái này rất hữu ích trong các nhà máy có nhiều phụ tải cảm khác (như động cơ không đồng bộ) để thực hiện bù công suất phản kháng tại chỗ, giúp cải thiện cosφ chung của toàn hệ thống. Việc lựa chọn trạng thái vận hành phụ thuộc vào mục tiêu tối ưu hóa vận hành của nhà máy.

3.3. Biến động cơ đồng bộ thành máy bù công suất phản kháng

Khả năng hoạt động ở chế độ quá kích từ cho phép động cơ đồng bộ đóng vai trò như một máy bù đồng bộ. Khi đó, động cơ vừa thực hiện chức năng kéo tải cơ học, vừa cung cấp công suất phản kháng cho lưới điện nội bộ. Giải pháp này đặc biệt hiệu quả cho các phụ tải công suất lớn, nơi việc lắp đặt các dàn tụ bù công suất lớn có thể tốn kém và kém linh hoạt. Bằng cách điều khiển tự động dòng kích từ, máy bù đồng bộ có thể đáp ứng tức thời và chính xác nhu cầu công suất phản kháng của hệ thống, giúp ổn định điện áp và duy trì hệ số công suất cos phi ở mức mong muốn, góp phần đáng kể vào việc tiết kiệm điện năng trong công nghiệp.

IV. Hướng dẫn xây dựng thuật toán điều khiển PID tối ưu cos phi

Để tự động hóa quá trình điều chỉnh dòng kích từ và duy trì hệ số công suất cos phi ở giá trị tối ưu, các thuật toán điều khiển hiện đại là giải pháp không thể thiếu. Luận văn của Lê Thị Hải Yến (2020) đã đề xuất một giải pháp hiệu quả dựa trên bộ điều khiển PID kinh điển, được triển khai trên nền tảng PLC. Phương pháp này sử dụng tín hiệu sai lệch giữa giá trị cosφ đặt trước và giá trị cosφ thực tế để tính toán và điều chỉnh dòng kích từ một cách liên tục. Việc ứng dụng bộ điều khiển tự động giúp hệ thống phản ứng nhanh với sự thay đổi của tải, đảm bảo tối ưu hóa vận hành và nâng cao hiệu quả năng lượng một cách ổn định và tin cậy.

4.1. Lựa chọn bộ điều khiển PID_Compact trên PLC S7 1200

Luận văn đã lựa chọn bộ điều khiển PLC S7-1200 của Siemens, một thiết bị mạnh mẽ và phổ biến trong tự động hóa công nghiệp. Cụ thể, khối chức năng PID_Compact được tích hợp sẵn trong phần mềm TIA Portal đã được sử dụng. Khối lệnh này cung cấp một bộ điều khiển PID hoàn chỉnh với các tính năng tinh chỉnh tích hợp, phù hợp cho việc điều khiển các đối tượng tuyến tính. Ưu điểm của việc sử dụng PID_Compact là tính đơn giản trong cấu hình, khả năng tự động dò tìm thông số (auto-tuning), và độ tin cậy cao, giúp rút ngắn thời gian thiết kế và triển khai hệ thống điều khiển cho động cơ đồng bộ.

4.2. Xây dựng cấu trúc điều khiển và mô phỏng trên Matlab Simulink

Trước khi triển khai trên thực tế, hệ thống điều khiển được xây dựng và kiểm chứng thông qua mô phỏng Matlab Simulink. Mô hình mô phỏng bao gồm các khối chức năng chính: khối động cơ đồng bộ, khối đo lường các thông số điện (dòng, áp, công suất), và khối điều khiển PID. Giá trị cosφ thực tế được tính toán và phản hồi về bộ điều khiển. Bộ PID sẽ so sánh giá trị này với điểm đặt (ví dụ: 0.98) và tạo ra tín hiệu điều khiển để điều chỉnh góc kích của bộ chỉnh lưu Thyristor, qua đó thay đổi dòng kích từ. Phân tích hệ thống điện thông qua mô phỏng cho phép đánh giá tính đúng đắn của thuật toán và tinh chỉnh các tham số trước khi áp dụng vào mô hình thực nghiệm.

4.3. Nguyên tắc chỉnh định tham số PID theo Ziegler Nichols

Để bộ điều khiển PID hoạt động hiệu quả, việc xác định các tham số Kp (khuếch đại), Ti (tích phân), và Td (vi phân) là cực kỳ quan trọng. Luận văn đã áp dụng phương pháp thực nghiệm Ziegler-Nichols, một kỹ thuật phổ biến và hiệu quả. Phương pháp này bao gồm việc tăng dần hệ số khuếch đại Kp cho đến khi hệ thống bắt đầu dao động ổn định, từ đó xác định các thông số Kp, Ti, Td theo các công thức kinh nghiệm. Cách tiếp cận này giúp tìm ra bộ tham số tối ưu cho hệ thống điều khiển kích từ, đảm bảo đáp ứng nhanh, ổn định và triệt tiêu sai số xác lập, giúp duy trì hệ số công suất cos phi chính xác theo giá trị mong muốn.

V. Kết quả thực nghiệm Nâng cao cos phi trên động cơ 500kW

Lý thuyết và mô phỏng chỉ có giá trị khi được chứng minh bằng thực tiễn. Phần quan trọng nhất của nghiên cứu là triển khai và thử nghiệm thuật toán điều khiển trên một hệ thống thực. Luận văn đã tiến hành cài đặt thuật toán điều khiển PID vào hệ thống điều khiển kích từ của một động cơ đồng bộ công suất lớn 500kW. Kết quả thực nghiệm đã cho thấy hiệu quả rõ rệt của giải pháp, khẳng định khả năng ứng dụng trong việc tối ưu hóa vận hành và cải thiện hiệu quả năng lượng trong môi trường công nghiệp thực tế. Các số liệu thu thập được là minh chứng thuyết phục cho tính đúng đắn của hướng nghiên cứu.

5.1. Phân tích kết quả mô phỏng Matlab Simulink chi tiết

Kết quả từ mô phỏng Matlab Simulink cho thấy hệ thống điều khiển có khả năng tự động dò và ổn định giá trị cosφ tại điểm đặt tối ưu. Khi có sự thay đổi đột ngột về tải, bộ điều khiển PID phản ứng nhanh chóng, điều chỉnh lại dòng kích từ để đưa hệ số công suất cos phi trở về giá trị mong muốn trong thời gian ngắn. Quá trình quá độ diễn ra ổn định, độ vọt lố thấp, và sai số xác lập gần như bằng không. Các đồ thị mô phỏng đã chứng minh rằng cấu trúc điều khiển được xây dựng là hoàn toàn hợp lý và có khả năng đáp ứng tốt các yêu cầu kỹ thuật đặt ra trước khi chuyển sang giai đoạn thực nghiệm.

5.2. Đánh giá hiệu quả từ mô hình thực nghiệm động cơ 500kW

Trên mô hình thực nghiệm với động cơ đồng bộ 500kW, thuật toán điều khiển đã chứng tỏ hiệu suất vượt trội. Hệ thống có khả năng duy trì ổn định giá trị hệ số công suất cos phi quanh mức đặt trước (ví dụ 0.98 - 0.99) bất chấp sự dao động của tải. Đặc tính ổn định giá trị cosφ được ghi nhận cho thấy hệ thống hoạt động chính xác như dự đoán của mô phỏng. Việc tự động hóa này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất động cơ, giảm tổn thất công suất, mà còn giải phóng người vận hành khỏi việc phải can thiệp thủ công, giảm thiểu sai sót và đảm bảo an toàn cho thiết bị.

5.3. Lợi ích về tiết kiệm điện năng trong công nghiệp thực tế

Ứng dụng thành công giải pháp này mang lại lợi ích kinh tế trực tiếp thông qua tiết kiệm điện năng trong công nghiệp. Bằng việc duy trì cosφ cao, dòng điện tổng trên lưới giảm, giúp giảm tổn thất nhiệt trên đường dây và trong máy biến áp. Doanh nghiệp có thể giảm đáng kể chi phí tiền điện hàng tháng, đặc biệt là tránh được các khoản phạt do vi phạm quy định về hệ số công suất của ngành điện. Hơn nữa, việc cải thiện chất lượng điện năng còn giúp tăng tuổi thọ các thiết bị điện khác trong nhà máy, góp phần vào sự phát triển bền vững và nâng cao năng lực cạnh tranh.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN KINH ĐIỂN PID 1. TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN KINH ĐIỂN PID 1. Tổng quan về bộ điều khiển PID Tên gọi PID là chữ viết tắt của ba thành phần cơ bản có trong bộ điều khiển gồm khâu khuếch đại (P), khâu tích phân (I) và khâu vi phân (D).

Người ta vẫn thường nói rằng PID là một tập thể hoàn hảo gồm ba tính cách khác nhau: - Phục tùng và thực hiện chính xác nhiệm vụ được giao (tỷ lệ) - Làm việc và có tích lũy kinh nghiệm để thực hiện tốt nhiệm vụ (tích phân) - Luôn có sáng kiến và phản ứng nhanh nhạy với sự thay đổi tình huống trong quá trình thực hiện nhiệm vụ (vi phân) Hình 1. Cấu trúc bộ điều khiển PID Bộ điều khiển PID được sử dụng khá rộng rãi để điều khiển đối tượng SISO theo nguyên lý hồi tiếp. Lý do bộ PID được sử dụng rộng rãi vì tính đơn giản của nó cả về cấu trúc lẫn nguyên lý làm việc. Bộ PID có nhiệm vụ đưa sai lệch e(t) của hệ thống về 0 sao cho quá trình quá độ thỏa mãn các yêu cầu cơ bản về chất lượng: - Triệt tiêu sai số xác lập - Giảm thời gian xác lập và độ vọt lố.

LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 5 - Hạn chế dao động Quan hệ vào/ra của bộ điều khiển được thể hiện bằng biểu thức: Hình 1. Đặc tính động của bộ điều khiển PID Chất lượng hệ thống phụ thuộc vào các tham số Kp, TI, Td. - Thành phần khuếch đại (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. Muốn giảm nhỏ sai lệch tĩnh phải tăng hệ số Kp nhưng khi đó tính dao động của hệ thống sẽ tăng lên và hệ thống dễ mất ổn định.

- Thành phần tích phân TI tạo thành tín hiệu chậm sau có thể đảm bảo được độ chính xác trạng thái ổn định, nhưng lại bị hạn chế về độ nhạy. LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 6 - Thành phần vi phân Td tạo thành tín hiệu vượt trước, tăng nhanh tốc độ tác động (nhanh hơn cả quy luật tỉ lệ), nhưng thành phần vi phân sẽ phản ứng với các nhiễu cao tần có biên độ nhỏ và không làm giảm sai lệch dư đồng thời độ chính xác trạng thái ổn định lại bị ảnh hưởng. Vì vậy chỉ sử dụng ở những nơi đòi hỏi độ nhạy tác động nhanh (điều khiển tay máy). Phương pháp tổng hợp bộ điều khiển PID Muốn hệ thống có được chất lượng như mong muốn thì phải phân tích đối tượng rồi trên cơ sở đó chọn các tham số phù hợp.

Hiện có khá nhiều các phương pháp xác định các tham số Kp, TI, Td cho bộ điều khiến PID, song tiện ích hơn cả trong ứng dụng vẫn là: - Phương pháp Ziegler – Nechols - Phương pháp Chien –Hrones –Reswick - Phương pháp tổng T của Kuhn - Phương pháp tối ưu độ lớn và phương pháp tối ưu đối xứng - Phương pháp tối ưu thế sai lệch bám Phương pháp thực nghiệm Zeigler-Nichols Đây là phương pháp phổ biến nhất để chọn thông số cho bộ điều khiển PID thương mại hiện nay. Phương pháp này dựa vào thực nghiệm để thiết kế bộ điều khiển P, PI, PID bằng cách dựa vào đáp ứng quá độ của đối tượng điều khiển. Zeigler và Nichols đã đưa ra hai cách chọn thông số bộ điều khiển PID tuỳ theo đặc điểm của đối tượng. Cách 1: Dựa vào đáp ứng quá độ của hệ hở, áp dụng cho các đối tượng có đáp ứng dạng chữ S đối với tín hiệu vào là hàm nấc như hình 2.

 Ls k S(s)  e 1  Ts LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Đáp ứng nấc của hệ hở có dạng S Khi đó ta có thể xác định các thông số của bộ điều khiển P, PI, PID theo bảng sau: Bảng 1.1: Các thông số của bộ điều khiển P, PI, PID theo phương pháp Zeigler-Nichols với hệ hở có đáng ứng đầu ra với các thông số: Thông số Ti TD BĐK P T2 (T1K )  0 PI 0.5T1 Cách 2: Dựa vào đáp ứng quá độ của hệ kín dạng chuẩn (Phản hồi bằng -1), áp dụng cho các đối tượng có khâu tích phân lý tưởng. Đáp ứng quá độ (hệ hở) của các đối tượng có khâu tích phân lý tưởng không có dạng như hình 3.1 mà tăng đến vô cùng. Đối với các đối tượng thuộc loại này ta chọn thông số bộ điều khiển PID dựa vào đáp ứng quá độ của hệ kín như hình 2.

Tăng dần hệ số khuyếch đại K đến giá trị K gh giới hạn , khi đó đáp ứng ra của hệ kín ở trạng thái xác lập là dao động ổn định Tgh với chu kỳ. LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 8 K  K gh Hình 1. Đáp ứng quá độ của hệ kín khi và tín hiệu vào dạng nấc Khi đó thông số của bộ điều khiển P, PI, PID được xác định như sau: Bảng 1.2: Của bộ điều khiển P, PI, PID theo phương pháp Zeigler-Nichols với hệ kín dạng chuẩn Thông số Ti TD BĐK P 0.125Tgh Trong khuôn khổ của luận văn này, ta sử dụng thuật toán PID có sẵn của PLC S7 1200 và sử dụng phương pháp thực nghiệm Zeigler – Nichols để lựa chọn tham số của bộ điều khiển PID. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.

TÌM HIỂU BỘ ĐIỀU KHIỂN PID TRONG PLC S7 1200 2. Giới thiệu PLC S7 1200 a. Tổng quan về PLC S7 1200 PLC SIMATIC S7 1200 là một đề nghị mới của SIEMENS cho các nhiệm vụ tự động hóa với chính xác cao. PLC SIMATIC S7 1200 được thiết kế dạng module nhỏ gọn, linh hoạt, một sự đầu tư an toàn mạnh mẽ phù hợp cho một loạt các ứng dụng.

PLC S7 1200 có một giao diện truyền thông đáp ứng tiêu chuẩn cao nhất của truyền thông công nghiệp và đầy đủ các tính năng công nghệ mạnh mẽ (Technology Function) tích hợp sẵng làm cho nó trở thành một giải pháp tự động hóa hoàn chỉnh và toàn diện. PLC S7 1200 bao gồm 4 phiên bản với nhiều tùy chọn cho người dùng (CPU 1211C, CPU 1212C, CPU 1214C và CPU 1215C), Tất cảc ác dòng CPU của Serial S7 1200 đều tíchh Hợp giao tiếp Ethernet và cũng có thể mở rộng giao diện truyền thông khác như RS232, RS485, Profibus, AS-I. Trên các CPU này đều tích hợp sẵn các cổng vào ra số DI/DO và 2 cổng vào Analog AI với độ phân giải 10bit S7-1200 sử dụng chung một phần mềm TIA PORTAL cho việc lập trình PLC và các màn hình HMI. Điều này giúp cho việc thiết kế, lập trình, thi công hệ thống điều khiển được nhanh chóng, đơn giản.

Bên cạnh CPU S7-1200 và phần mềm lập trình mới, một dải sản phẩm các màn hình HMI mới dùng cho PLC S7-1200 cũng được giới thiệu. Tất cả cùng tạo ra một giải pháp tích hợp, thống nhất cho thị trường tự động hóa cỡ nhỏ (Micro Automation). PLC S7-1200 đi kèm phần mềm lập trình tự động hóa tích hợp LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 10 Các tính năng nổi bật của SIMATIC S7-1200: - Cổng truyền thông Profinet (Ethernet) được tích hợp sẵn:  Dùng để kết nối máy tính, với màn hình HMI hay truyền thông PLC- PLC  Dùng kết nối với các thiết bị khác có hỗ trợ chuẩn Ethernet mởĐầu nối RJ45 với tính năng tự động chuyển đổi đấu chéo  Tốc độ truyền 10/100 Mbits/s  Hỗ trợ 16 kết nối ethernet, TCP/IP, ISO on TCP, và S7 protocol - Các tính năng về đo lường, điều khiển vị trí, điều khiển quá trình:  6 bộ đếm tốc độ cao (high speed counter) dùng cho các ứng dụng đếm và đo lường, trong đó có 3 bộ đếm 100kHz và 3 bộ đếm 30kHz  2 ngõ ra PTO 100kHz để điều khiển tốc độ và vị trí động cơ bước hay bộ lái servo (servo drive)  Ngõ ra điều rộng xung PWM, điều khiển tốc độ động cơ, vị trí valve, hay điều khiển nhiệt độ.  16 bộ điều khiển PID với tính năng tự động xác định thông số điểu khiển (auto-tune functionality) - Thiết kế linh hoạt:  Mở rộng tín hiệu vào/ra bằng board tín hiệu mở rộng (signal board), gắn trực tiếp phía trước CPU, giúp mở rộng tín hiệu vào/ra mà không thay đổi kích thước hệ điều khiển  Mỗi CPU có thể kết nối 8 module mở rộng tín hiệu vào/ra  Ngõ vào analog 0-10V được tích hợp trên CPU  3 module truyền thông có thể kết nối vào CPU mở rộng khả năng truyền thông, vd module RS232 hay RS48550KB work memory, 2MB load memory  Card nhớ SIMATIC, dùng khi cần rộng bộ nhớ cho CPU, copy chương trình ứng dụng hay khi cập nhật firmware LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 11  Chẩn đoán lỗi online / offline Hinh 1.

PLC S7 – 1200 và các module mở rộng Phân loại Việc phân loại S7-1200 dựa vào loại CPU mà nó trang bị: Các loại PLC thông dụng: CPU 1211C, CPU 1212C, CPU 1214C, CPU 1215C. Thông thường S7-200 được phân ra làm 3 loại chính: - Loại AC/DC/RLY:  Nguồn nuôi: 120 – 240VAC  Ngõ vào: Kích hoạt mức 1 ở cấp điện áp +24VDC(từ 15VDC – 30VDC).  Ngõ ra: Relay.  Ưu điểm của loại này là dùng ngõ ra Relay.

Do đó có thể sử dụng ngõ ra ở nhiều cấp điện áp khác nhau( có thể sử dụng ngõ ra 0V, 24V, 220V…)  Tuy nhiên, nhược điểm của nó là do ngõ ra Relay nên thời gian đáp ứng không nhanh cho ứng dụng biến điệu độ rộng xung, hoặc Output tốc độ cao… - Loại DC/DC/RLY:  Nguồn nuôi: 24VDC LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 12  Ngõ vào: Kích hoạt mức 1 ở cấp điện áp +24VDC( từ 15VDC – 30VDC).  Các thông số còn lại giống như loại AC/DC/RLY - Loại DC/DC/DC:  Nguồn nuôi: 24VDC  Ngõ vào: Kích hoạt mức 1 ở cấp điện áp +24VDC( từ 15VDC – 30VDC).  Ngõ ra: Tranzitor.  Ưu điểm của loại này là dùng ngõ ra transistor.

Do đó có thể sử dụng ngõ ra này để biến điệu độ rộng xung, Output tốc độ cao…  Tuy nhiên, nhược điểm của loại này là do ngõ ra transistor nên chỉ có thể sử dụng một cấp điện áp duy nhất là 24VDC, do vậy sẽ gặp rắc rối trong những ứng dụng có cấp điện áp khác nhau. Trong trường hợp này, phải thông qua một Relay 24VDC đệm. Hơn nữa nó lại cần nguồn nuôi 24VDC, do vậy cần phải có bộ nguồn DC kem theo b.