Học liệu

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC SERVO

  • 07/01/2018
  • Học liệu

1.   GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC SERVO

* Đặt vấn đề

            Ngày nay lĩnh vực điều khiển tự động ngày càng phát triển, đặc biệt là điều khiển chính xác đã trở thành một phần không thể thiếu của nền công nghiệp hiện đại. Phần lớn các loại máy móc, thiết bị dân dụng hay trong công nghiệp sử dụng động cơ điện, từ động cơ điện trong các máy công cụ, máy CNC, các cánh tay robot… đến trong những thiết bị gia dụng như máy giặt, điều hòa, máy hút bụi, ngay cả trong máy vi tính. Những thiết bị như vậy yêu cầu độ chính xác cao, tiết kiệm năng lượng, tuổi thọ và chu kì bảo dưỡng dài. Một trong những yêu cầu cần được đáp ứng để đạt những chỉ tiêu trên đây là điều khiển được tốc độ động cơ điện một cách ổn định, đáp ứng nhanh, vận hành trơn tru khi xác lập và khi thay đổi trạng thái.

            Việc ứng dụng những thuật toán kinh điển vào vấn đề điều khiển tốc độ động cơ đã đạt được nhiều kết quả khả quan. Ví dụ như sử dụng bộ điều khiển PI, PID cho kết quả tốt ở một số đối tượng động cơ. Chỉnh định tham số cho bộ điều khiển PID kinh điển cũng có nhiều phương pháp. Tuy nhiên, với các thuật toán, phương pháp kinh điển, ta phải biết chính xác về đối tượng, hoặc mô hình hóa tương đối chi tiết đối tượng. Một điểm nữa là trong quá trình vận hành, nếu như đối tượng thay đổi thì hệ thống có thể mất ổn định hoặc chất lượng điều khiển không còn đáp ứng được yêu cầu. Do đó điều khiển tự động là một trong những hướng đi khả quan.

Trong điều khiển hiện đại, lý thuyết cung cấp cho chúng ta một hướng đi mới, xây dựng những hệ điều khiển thuần túy, hoặc những hệ với mục đích nâng cao chất lượng các bộ điều khiển kinh điển, cũng như điều khiển những đối tượng chưa biết hoặc khó nhận dạng.

 Trong khuôn khổ Đồ án, em xin trình bày về thuật toán PID, xây dựng các bộ điều khiển này trên nền điều khiển PLC S7_1200; các kết thu được và hướng phát triển đề tài.

* Hướng giải quyết

Tìm hiểu về động cơ điện một chiều (DC), các đặc tính và các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ DC.

Sử dụng mô hình động cơ mẩu, xây dựng mô hình các bộ điều khiển kinh điển (PID) trên phần mềm PLC S7_1200, đánh giá sơ bộ về kết quả thu được đối với đối tượng động cơ DC : các yêu cầu về chất lượng điều khiển như tính ổn định, thời gian đáp ứng, sai lệch tĩnh, đáp ứng khi tải thay đổi trong bài toán điều chỉnh.

Thiết kế, thi công mạch phần cứng điều khiển động cơ DC thực.

Xây dựng giải thật và viết chương trình điều khiển, ứng dụng các thuật toán điều khiển ở trên lên PLC S7_1200, trực tiếp điều khiển động cơ thực

2.  Ý Nghĩa Khoa Học

Điềukhiểntựđộnglàxuthếpháttriểntấtyếutrongcáclĩnhvựccôngnghiệpcũng nhưsinhhoạtbởinhữngưuđiểmvượttrộicủanó.Ởcáchệthốngđiềukhiểntựđộngcóquy môvừavàlớnthìPLC đượcsửdụnglàmthiếtbịđiềukhiểnchotoàn hệthống.

Kếthợpxâydựngmộthệthốngđiềukhiểntựđộngvớicácthiếtbịđiệntửcôngsuất cóýnghĩakhoahọclớntrongviệcxâydựngmộthệthốngtựđộnghoànchỉnhcảvềchức nănglẫnhiệuquảkinhtế.Đềtài“Ứng dụng PLC điều khiển và ổn định tốc độ động cơ” xâydựngmôhìnhkếthợpPLCvớibiếntầnđểđiều khiển tốc độ động cơ  một cáchtốiưunhất.

Vềmặtthựctiễn,đềtàiđitheohướngpháttriểnmớichocáchệthốngđo và điều khiển tốc độ động cơ . Thay thế cho các dạng đo và điều khiển tốc độ động cơ theo các phương pháp đã coi là nỗi thời.

2.1.    GIỚI THIỆU VỀ PLC S7_1200.

2.1.1.   Hình dạng bên ngoài.

Với những điểm ưu việt vượt trội của s7-1200, như là sự tiếp nối phát triển của S7-200 – bộ điều khiển đã quen thuộc với người sử dụng.

   Với thiết kế theo dạng module, tính năng cao, SIMATIC S7-1200 thích hợp với nhiều ứng dụng tự động hóa khác nhau, cấp độ từ nhỏ đến trung bình. Đặc điểm nổi bật là S7-1200 được tích hợp sẵn cổng truyền thông Profinet (Ethernet), sử dụng chung một phần mềm Simatic Step 7 Basic 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).

   S7-1200 bao gồm các họ CPU 1211C, 1212C, 1214C. Mỗi loại CPU có đặc điểm và tính năng khác nhau, thích hợp cho từng ứng dụng của người dùng.

2.1.2.     Cấu trúc bên trong.

-Cũng giống như các PLC cùng họ khác, PLC s7-1200 gồm 4 bộ phận cơ bản: bộ xử lý, bộ nhớ, bộ nguồn, giao tiếp xuất – nhập.

 -Bộ xử lý còn được gọi là bộ xử lý trung tâm (CPU) chứa bộ vi xử lý, biên dịch các tín hiệu nhập, và thực hiện các hoạt động điều khiển theo chương trình được lưu trong bộ nhớ PLC, truyền các quyết định dưới dạng tín hiệu hoạt động đến các thiết bị xuất.

-Bộ nguồn có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp AC thành điện áp DC 24V cần thiết cho bộ xử lý và các mạch điện trong các modune giao tiếp nhập và xuất hoạt động.

-Bộ nhớ là nơi lưu giữ chương trình được sử dụng cho các hoạt động điều khiển dưới sự kiểm soát của bộ vi xử lý.

-Các thành phần nhập và xuất(input-output) là nơi bộ nhớ nhận thông tin từ các thiết bị ngoại vi và truyền thông tin đến các thiết bị điều khiển. Tín hiệu nhập có thể từ các công tắc, các bộ cảm biến…Các thiết bị xuất có thể là các cuộn dây cảu bộ khởi động động cơ, các van solenoid.

-Chương trình điều khiển được nạp vào bộ nhớ nhờ sự trợ giúp của bộ lập trình hay bằng máy vi tính .

2.1.3.     Đấu dây.

 Ở đây chọn CPU 1212C, để trình bày đấu dây tiêu biểu:

   Chúng ta có thể cung cấp nguồn 24VDC hay 100 – 230VAC cho PLC và các thông số điện áp được thể hiện trong hình.

Sơ đồ đấu dây của PLC S7_1200.

Nguồn cung cấp cho PLC là 100-230VAC với tần số từ  47Hz – 63Hz. Điện áp có thể thay đổi trong khoản từ 85V – 264V. Ở 264V dòng điện tiêu thụ là 20A.

  Nguồn cung cấp là 24VAC. Điện áp có thể tháy đổi trong khoảng20.4V – 28.8V dong tiêu thụ 20A.

   Các ngõ vào được tác động ở mức điện thế tiêu biểu là 24VDC. Các ngõ ra của PLC ở mức 0 khi công tắc hở hay điện áp <= 5VDC. Ngõ vào ở mức 1 khi công tắc đóng hay điện áp => 15VDC. Thời gian đổi trạng thái từ “0” lên “1” và từ “1”  xuống “0” tối thiểu là 0.1us để PLC nhận biết được

  Các ngõ ra có thể là 5VDC – 30VDC hay 5VAC – 250VAC. Tùy theo cầu thực tế mà ta có thể nối nguồn khác nhau để phù hợp với ứng dụng của nó.

2.1.4.     Module mở rộng.

Họ PLC s7-1200 cung cấp nhiều nhất 8 module tín hiệu đa dạng và một mạch tín hiệu cho bộ xử lý có khả năng mở rộng. ngoài ra bạn có thể cài đặt them 3 module giao tiếp nhờ vào các giao thức truyền thông.

2.1.5.     Phương phấp lập chương trình điều khiển.

  Khác với phương pháp điều khiển cứng, trong hệ thống điều khiển lập trình, cấu trúc bộ điều khiển và cách đấu dây độc lập với chương trình.

   Chương trình định nghĩa hoạt động điều khiển được viết nhờ sự giúp đỡ của 1 máy tính.

   Để thay đổi tiến trình điều khiển, chỉ cần thay đổi nội dung bộ nhớ điều khiển, chứ không cần thay đổi cách nối dây ben ngoài. Qua đó ta thấy được ưu điểm của phương pháp điều khiển lập trình được so với phương pháp điều khiển phần cứng. Do đó phương pháp này được sử dụng rất rộng rãi trong lĩnh vực điều khiển vì nó rất mềm dẻo.

 2.2.                       BỘ ĐIỀU KHIỂN PID.

2.2.1.                 Giới Thiệu Về Lý Thuyết PID.

PID: Bộ điều khiển

                   DC: đối tượng điều khiển

                   x(t): tín hiệu đặt

                   e(t): sai số giữa tín hiệu đặt và tín hiệu ra

                   u(t): tín hiệu điều khiển

                   y(t): tín hiệu ra

            Có thể nói trong lĩnh vực điều khiển, bộ điều khiển PID được xem như một giải pháp đa năng cho các ứng dụng điều khiển tương tự hay điều khiển số. Hơn 90%  các bộ điều khiển trong công nghiệp được sử dụng là bộ điều khiển PID. Nếu được thiết kế tốt, bộ điều khiển PID có khả năng điều khiển hệ thống đáp ứng tốt các chỉ tiêu chất lượng như đáp ứng nhanh, thời gian quá độ ngắn, độ quá điều chỉnh thấp, triệt tiêu được sai lệch tĩnh.

Trong đó u là tín hiệu điều khiển và e là sai lệch điều khiển

Tín hiệu điều khiển là tổng của 3 thành phần: tỉ lệ, tích phân, và vi phân

Hàm truyền của bộ điều khiển PID:

Các tham số của bộ điều khiển là Kp , KI ( hoặc TI) , KD (hoặc TD).

Thành phần tỉ lệ (P)

u(t)=Kpe(t)    

            Tác động của thành phần tích phân đơn giản là tín hiệu điều khiển tỉ lệ tuyến tính với sai lệch điều khiển. Ban đầu, khi sai lệch lớn thì tín hiệu điều khiển lớn. Sai lệch giảm dần thì tín hiệu điều khiển cũng giảm dần. Khi sai lệch e(t) = 0 thì u(t) = 0. Một vấn đề là khi sai lệch đổi dấu thì tín hiệu điều khiển cũng đổi dấu.

            Thành phần P có ưu điểm là tác động nhanh và đơn giản. Hệ số tỉ lệ Kp càng lớn thì tốc độ đáp ứng càng nhanh, do đó thành phần P có vai trò lớn trong giai đoạn đầu của quá trình quá độ.

 Tuy nhiên, khi hệ số tỉ lệ Kp càng lớn thì sự thay đổi của tín hiệu điều khiển càng mạnh dẫn đến dao động lớn, đồng thời làm hệ nhạy cảm hơn với nhiễu đo. Hơn nữa, đối với đối tượng không có đặc tính tích phân thì sử dụng bộ P vẫn tồn tại sai lệch tĩnh.

 Thành phần tích phân (I)

            Với thành phần tích phân, khi tồn tại một sai lệch điều khiển dương, luôn làm tăng tín hiệu điều khiển, và khi sai lệch là âm thì luôn làm giảm tín hiệu điều khiển, bất kể sai lệch đó là nhỏ hay lớn. Do đó, ở trạng thái xác lập, sai lệch bị triệt tiêu e(t) = 0. Đây cũng là ưu điểm của thành phần tích phân.

             Nhược điểm của thành phần tích phân là do phải mất một khoảng thơi gian để đợi e(t) về 0 nên đặc tính tác động của bộ điều khiển sẽ chậm hơn. Ngoài ra, thành phần tích phân đôi khi còn làm xấu đi đặc tính động học của hệ thống, thậm chí có thể làm mất ổn định.

            Người ta thường sử dụng bộ PI hoặc PID thay vì bộ I đơn thuần vừa để cái thiện tốc độ đáp ứng, vừa đảm bảo yêu cầu động học của hệ thống.

 Thành phần vi phân (D)

            Mục đích của thành phần vi phân là cải thiện sự ổn định của hệ kín. Do động học của quá trình, nên sẽ tồn tại một khoảng thời gian trễ làm bộ điều khiển chậm so với sự thay đổi của sai lệch e(t) và đầu ra y(t) của quá trình. Thành phần vi phân đóng vai trò dự đoán đầu ra của quá trình và đưa ra phản ứng thích hợp dựa trên điều hướng và tốc độ thay đổi của sai lệch e(t) , làm tăng tốc độ đám ứng của hệ.

            Một ưu điểm nữa là thành phần vi phân giúp ổn định một số quá trình mà bình thường không ổn định được với các bộ P hay PI.

            Nhược điểm của thành phần vi phân là rất nhạy với nhiễu đo hay của giá trị đặt do tính đáp ứng nhanh nêu ở trên.

2.2.2.       Chỉnh Định Tham Số Bộ Điều Khiển PID.

 Do từng thành phần của bộ PID có những ưu nhược điểm khác nhau, và không thể đồng thời đạt được tất cả các chỉ tiêu chất lượng một cách tối ưu, nên cần lựa chọn, thỏa hiệp giưa các yêu cầu chất lượng và mục đích điều khiển. Việc lựa chọn tham số cho bộ điều khiển PID cũng phụ thuộc vào đối tượng điều khiển và các phương pháp xác định thông số. Tuy nhiên, kinh nghiệm cũng là một yếu tố quan trọng trong khâu này.

 Có nhiều phương pháp để lựa chọn tham số cho bộ điều khiển PID. Ở đây, vì giới hạn về mặt nội dung nên chỉ trình bày về phương pháp phổ biến hay được dùng, đó là phương pháp dựa trên đặc tính quá độ của quá trình thu được từ thực nghiệm (Phần 2.1.1)  với giá trị thay đổi dạng bậc thang (Phương pháp Ziegler – Nichols 1).

 Đối tượng áp dụng của phương pháp này là các quá trình có đặc tính quán tính hoặc quán tính tích phân với thời gian trễ tương đối nhỏ. Mô hình động cơ sử dụng trong báo cáo được xấp xỉ về dạng quán tính bậc nhất ở công thức.

Ví dụ: Cho đối tượng điều khiển có hàm truyền đạt:

Sử dụng phương pháp thứu nhất của Ziegler-Nichols, thiết kế bộ PI, PID cho đối tượng hàn truyền.

Giải

PI:

PID:

TI = 2L =2*0,1=0,2

Tp = 0,5T =0,5*0,05 = 0,025

Phương pháp này có mốt sô nhược điểm như sau:

+ Việc lấy đáp ứng tín hiệu bậc thang rất dễ bị ảnh hưởng của nhiễu và không áp dụng được cho quá trình dao động hoắc quá trình không ổn định.

+ Đối với các quá trình có tính phi tuyến mạnh, các số liệu đặc tính nhận được phụ thuộc rất nhiều vào biên độ và chiều thay đổi giá trị đặt.

+ Phương pháp kẻ tiếp tuyến để xác định các số liệu L và α kém chính xác.

+ Đặc tính đáp ứng của hệ kín với giá trị đặt thường hơi quá dao động.

            Theo kinh nghiệm của một số chuyên gia, điều kiện áp dụng phương pháp này là tỉ số L/T nằm trong phạm vi 0,1-0,6. Nếu tỉ lệ này lớn hơn 0,6 ta cần áp dụng các phương pháp chỉnh định khác có để ý tới bù thời gian trễ. Ngược lại, với tỉ lệ nhỏ hơn 0,1 thường ứng với các hệ bậc cao, do đó cần bộ điều khiển bậc cao tương ứng để cải thiện đặc tính động học.

 

2.3.                       PID TRONG S7-1200

Thuật toán điều khiển vòng kín được sử dụng để điều chỉnh sai lệch giữa giá trị đo được của hệ thống với giá trị cài đặt mong muốn (setpoint), bằng cách tính toán và điều chỉnh giá trị điều khiển ở ngõ ra. Trong đó, thuật toán PID là một thuật toán điều khiển vòng kín được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Và nội dung chúng ta sẽ tìm hiểu về thuật toán PID, cách thiết kế bộ điều khiển PID với các khối hàm được tích hợp sẵn trong tập lệnh kỹ thuật ứng dụng Technologyà PID Control.

2.3.1                   Giới thiệu về thuật toán PID

Bộ điều khiển PID gồm 3 thành phần: P (proportional)- tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với sai lệch, I (integral)- tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với tích phân theo thời gian của sai lệch, và D (derivative) – tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với vi phân theo thời gian của sai lệch.

2.3.1.1            Khâu P –Proportional

Khâu P tạo ra tín hiệu điều khiển tỉ lệ với giá trị của sai lệch. Việc này được thực hiên bằng cách nhân sai lệch e với hằng số Kp – hằng số tỉ lệ hay còn gọi là độ lợi Gain.

Khâu P được tính dựa trên công thức: Pout = Kpe(t). Trong đó:

Pout : Giá trị ngõ ra

Kp : Hằng số tỉ lệ

e =SP – PV

Nếu chỉ có khâu P thì trong mọi trường hợp sai số tĩnh luôn xuất hiện, trừ khi giá trị đầu vào của hệ thống bằng 0 hoặc đã bằng với giá trị mong muốn. Nếu giá trị khâu P quá lớn sẽ làm cho hệ thống mất ổn định.

2.3.1.2            Khâu I – Integral

Khâu I cộng thêm tổng các sai số trước đó vào giá trị điều khiển. Việc tính tổng các sai số được thực hiện liên tục cho đến khi giá trị đạt được bằng với giá trị đặt, và kết quả là khi hệ cân bằng thì sai số bằng 0.

Khâu I được tính theo công thức: . Trong đó :

Iout : Giá trị ngõ ra khâu I

Ki : Hệ số tích phân

Nếu chỉ sử dụng khâu I thì đáp ứng của hệ thống sẽ chậm, do đó trong thiết kế người ta thường kết hợp giữa khâu I với khâu P thành bộ điều khiển PI.

 

2.3.1.3            Khâu D – Derivative

Khâu D cộng thêm tốc độ thay đổi sai số vào giá trị điều khiển ở ngõ ra. Nếu sai số thay đổi nhanh thì sẽ tạo ra thành phần cộng thêm vào giá trị điều khiển. Điều này cải thiện đáp ứng của hệ và nhanh chóng đạt được giá trị mong muốn.

Khâu D được tính theo công thức :. Trong đó:

Dout : Ngõ ra khâu D

Kd : Hệ số vi phân

Khâu D thường đi kèm với khâu P thành bộ PD, hoặc với PI để thành PID.

 

Bộ PD tạo đáp ứng có thời gian tăng trưởng nhanh hơn so với bộ P. Tuy nhiên, nếu giá trị D quá lớn sẽ làm cho hệ thống mất ổn định.

2.3.1.4            Bộ Điều Khiển PID

Bộ điều khiển PID là cấu trúc ghép song song giữa 3 khâu P,I và D. Phương trình vi phân của bộ PID lý tưởng:

Các tin khác