1 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình do tôi tổng hợp và nghiên cứu. Trong luận văn có sử dụng một số tài liệu tham khảo như đã nêu trong phần tài liệu tham khảo. Tác giả luận văn Nguyễn Quang Á nh 2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN 1 MỤC LỤC 2 DANH MỤC CÁC BẢNG 5 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 5 PHẦN MỞ ĐẦU 7 1. Lý do lựa chọn đề tài 7 2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: 7 2.1. Ý nghĩa khoa học: 7 2.2. Về thực tiễn: 8 3. Mục tiêu nghiên cứu: 8 4. Đối tƣợng và phƣơng pháp nghiên cứu: 8 5. Nội dung nghiên cứu: 8 Chƣơng IV : Tích hợp bộ điều khiển mờ vào PLC S7-300 8 CHƢƠNG 1 9 TÌM HIỂU VỀ PLC S7-300 9 1.1. GIỚI THIỆU VỀ PLC ( Programmable Logic Control): 9 1.2 PHÂN LOẠI PLC 11 1.3 GIỚI THIỆU CÁC NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH 12 1.3.1. Ngôn ngữ “hình thang”, ký hiệu LAD (Ladder logic) 12 1.3.2. Ngôn ngữ “liệt kê lệnh”, ký hiệu STL (Statement List). 12 1.3.3. Ngôn ngữ “ hình khối”, ký hiệu là FBD (Function Block Diagram). 13 1.3.4. Ngôn ngữ GRAPH 13 1.3.5. Ngôn ngữ High GRAPH 14 1.4. CẤU TRÚC PHẦN CỨNG PLC S7-300 14 1.4.1. Các tính năng của PLC S7-300 14 1.4.2. Các Module của PLC S7-300 15 3 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1.4.3. Các module mềm trong S7-300 17 1.5 CHƢƠNG TRÌNH FCPA 19 1.5.1. Chuẩn bị một Project cho việc khai báo bộ điều khiển mờ bằng FCPA 19 1.5.2. Sử dụng DB mờ với FB30 (Fuzzy control) 20 1.5.3. Thanh ghi báo trạng thái làm việc của FB30 21 1.6. TẬP LỆNH CỦA S7-300 21 1.6.1 Bảng lệnh của PLC S7 – 300 (Siemens) 21 1.7. PHẠM VI ỨNG DỤNG VÀ ƢU NHƢỢC ĐIỂM 31 1.7.1. Phạm vi ứng dụng 31 1.7.2. Ƣu nhƣợc điểm 32 1.7.3. So sánh hệ điều khiển PLC với hệ điều khiển khác 33 CHƢƠNG II 34 TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 34 2.1. LOGIC MỜ 34 2.1.1. Lịch sử phát triển logic mờ 34 2.1.2. Khái niệm tập mờ 35 2.2. ĐIỀU KHIỂN MỜ 43 2.2.1. Cấu trúc bộ điều khiển mờ 43 2.2.2. Nguyên lý bộ điều khiển mờ 44 2.2.3. Phân loại điều khiển mờ và các mờ cơ bản 44 2.2.4. Các bộ điều khiển mờ nâng cao 45 2.3. BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 49 2.3.1 Bộ điều khiển tỷ lệ, vi phân, tích phân 49 2.3.2. Các bộ điều khiển tỷ lệ tích phân, tỷ lệ vi phân, tỷ lệ vi tích phân 54 2.4. Các bộ điều khiển PID số 59 2.4.1. Tích phân xấp xỉ liên tục 59 2.4.2.Vi phân xấp xỉ liên tục 60 2.4.3. Xấp xỉ PID 60 Kết luận Chƣơng 2 61 CHƢƠNG 3 62 4 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MÔ TẢ TOÁN HỌC VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI ĐỂ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 62 3.1. Khái quát 62 3.2. Hệ chấp hành T-D 63 3.2.1. Vai trò và ƣu khuyết điểm của hệ chấp hành T-Đ 63 3.2.2. Mô hình toán học động cơ điện một chiều kích từ độc lập 64 3.3. Xây dựng bộ điều khiển mờ chỉnh định PID tốc độ động cơ điện một chiều 66 3.3.1. Tổng hợp bộ điều khiển tốc độ PID cho động cơ điện một chiều67 3.3.2. Bộ chỉnh lƣu 68 3.3.3. Máy phát tốc: 69 3.3.4. Biến dòng: 69 3.4. Cấu trúc hệ điều khiển tốc độ và phƣơng pháp tổng hợp mạch vòng 69 3.4.1. Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng điện: 69 3.4.2. Sơ đồ simulink của hệ nhƣ sau: 72 3.5. Tính phi tuyến của bộ điều khiển tốc độ 77 3.6. Xây dựng bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều. 78 3.6.1. Đặt vấn đề. 78 3.6.2. Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID. 79 CHƢƠNG 4 85 TÍCH HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ VÀO PLC S7 300 85 4.1. Phƣơng phá p tích hợp bộ điều khiển mờ vào PLC S7 300 85 4.1.1. Chƣơng trình phầ n mề m tí ch hợ p FCPA 85 4.2. Tiế n hà nh tí ch hợ p bộ điề u khiể n mờ và o PLC 89 4.2.1. Sử dụng DB mờ với FB30 (Fuzzy control) 89 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 91 1. Kết luận. 91 2. Kiến nghị. 92 TÀI LIỆU THAM KHẢO 92 5 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1 Thông số vật lý của động cơ điện một chiều 67 Bảng 3.1.Luật điều khiển Kp 82 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1.Nguyên lý chung về cấu trúc bộ điều khiển khả trình PLC 10 Hình 1.2. Hệ thống điều khiển sử dụng PLC 11 Hình.1.3. Ngôn ngữ lập trình LAD 12 Hình 1.4. Ngôn ngữ lập trình STL 12 Hình 1.5. Ngôn ngữ lập trình FBD 13 Hình 1.6. Ngôn ngữ lập trình GRAPH 13 Hình 1.7. Ngôn ngữ lập trình high GRAPH 14 Hình 1.8. Cổng giao tiếp các PLC 15 Hình 2.1.Độ cao, miền xác định, miền tin cậy của tập mờ 36 Hình 2.2 (a, b). Hàm liên thuộc kiểu tam giác, hình thang 37 Hình 2.3. Nguyên lý giải mờ theo phƣơng pháp cực đại 40 Hình 2.4. Các khối chức năng của bộ điều khiển mờ 44 Hình 2.5 Nguyên lý bộ điều khiển mờ 44 Hình 2.6. Cấu trúc phƣơng pháp điều khiển thích nghi trực tiếp 46 Hình 2.7. Cấu trúc bộ điều khiển thích nghi 47 Hình 2.8. Cấu trúc bộ điều khiển mờ thích nghi trực tiếp 48 Hình 2.9. Cấu trúc bộ điều khiển mờ thích nghi gián tiếp 48 Hình 2.10. Cấu trúc bộ điều khiển tỷ lệ Kp 50 Hình 2.11. Cấu trúc bộ điều khiển tích phân Ki 52 Hình. 2.12. Cấu trúc bộ điều khiển vi phân Kd 53 Hình 2.13. Cấu trúc bộ điều khiển PID 57 Hình 2.14 Mô hình điều khiển đối tƣợng bằng PID số 61 6 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 3.1. Cấu trúc chung của hệ điều chỉnh tốc độ sử dụng hệ chấp hành T-D 63 Hình 3.2. Sơ đồ thay thế động cơ điện một chiều kích từ độc lập 64 Hình 3.3. Sơ đồ cấu trúc từ thông không đổi 66 Hình 3.6. Mô hì nh vò ng điề u chỉnh dòng phần ứng của ĐCMC trong vng dòng điện liên tục. 72 Hình 3.7. Đá p ƣ́ ng dò ng điệ n trong vù ng dò ng điệ n liên tụ c 73 Hình 3.8. Đá p ƣ́ ng dò ng điệ n khi K cl =20 74 Hình 3.9. Đá p ƣ́ ng dò ng điệ n khi K cl =19 74 Hình 3.10. Đá p ƣ́ ng dò ng điệ n khi K cl =17 75 Hình 3.11. Đá p ƣ́ ng dò ng điệ n khi K cl =17 và khi K cl =22 75 Hình 3.12. Mô hình vòng điều chỉnh tốc độ của ĐCMC 76 Hình 3.13. Đá p ƣ́ ng tố c độ trong vù ng liên tụ c 77 Hình 3.14. So sá nh vậ n tố c đặ t và đá p ƣ́ ng tố c độ trong vù ng liên tụ c 77 Hình 3.17. Mô hình mạ ch điề u khiể n dung chỉnh tốc độ của ĐCMC 83 Hình 3.18. Đá p ƣ́ ng tố c độ khi có bộ điề u khiể n mờ 83 Hình 3.19. Đá p ƣ́ ng so sá nh bộ điề u khiể n tố c độ bộ PID và bộ điề u khiể n Fuzzy-PID 84 Hình 4.1: Khai bá o biế n ngôn ngƣ̃ và o/ ra 86 Hình 4.2. Cửa sổ soạn thảo biến ngôn ngữ vào ra và luật hợp thành 86 Hình 4.3. Cƣ̉ a sổ soạn thảo các hàm liên thuộc của đầu vào K cl 87 Hình 4.4. Cƣ̉ a sổ soạ n thả o cá c hà m liên thuộ c đầ u ra K p 87 Hình 4.5. Màn hình soạn thảo luật điều khiển 88 Hình 4.6. Quan hệ và o/ra củ a bộ điề u khiể n mờ dạ ng hì nh khố i. 89 Hình 4.8: Kế t nố i cá c khố i trong Simatic đế n module mờ (Fuzzy module) 89 7 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn PHẦN MỞ ĐẦU 1. Lý do lựa chọn đề tài Ngày nay hệ truyền động điện một chiều đang được dùng khá phổ biến trong nhiều ngành công nghiệp. Hệ truyền động điện một chiều có những ưu điểm như điều chỉnh trơn, phạm vi điều chỉnh rộng, đặc tính cơ cứng … Tuy nhiên hệ truyền động T-D cũng có nhiều nhược điểm là có vùng dòng điện gián đoạn và khi điện cảm phần ứng không đủ lớn, dòng điện tải lại nhỏ thì vùng gián đoạn càng bị mở rộng, làm cho việc điều chỉnh động cơ trong vùng gián đoạn gặp nhiều khó khăn, chất lượng điều chỉnh kém. Do vậy việc nghiên cứu ứng dụng lý thuyết điều khiển hiện đại để nâng cao chất lượng của hệ truyền động T-Đ là vấn đề cấp thiết, được nhiều người quan tâm. Trong thời gian của khóa học cao học, chuyên ngành Tự Động Hóa tại trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên, được sự giúp đỡ của nhà trường và Phó Giáo Sư Tiến Sĩ Lại Khắc Lãi em đã lựa chọn đề tài của mình là: “ Tích hợp bộ điều khiển mờ lai vào PLC S7-300 để điều khiển động cơ điện một chiều” 2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: 2.1. Ý nghĩa khoa học: Bằng cách sữ dụng bộ điều khiển mờ, đề tài góp phần khắc phục nhược điểm của hệ thống T-Đ khi làm việc trong vùng dòng điện bị gián 8 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn đoạn. Đồng thời mở ra khả năng ứng dụng modul mở rộng ( Fuzzy modul) của PLC S7- 300 để nâng cao chất lượng các hệ thống điều khiển trong công nghiệp. 2.2. Về thực tiễn: Việc tích hợp điều khiển mờ vào PLC S7-300 để điều khiển hệ thống , góp phần khai thác triệt để năng lực của thiết bị, giảm vốn đầu tư nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển. 3. Mục tiêu nghiên cứu: - Nghiên cứu nắm chắc các modul mở rộng của PLC S7-300 - Thiết kế bộ điều khiển mờ lai điều chỉnh động cơ điện một chiều đảm bảo chất lượng đề ra kể cả trong vùng dòng điện bị gián đoạn. - Cài đặt bộ điều khiển mờ vào PLC S7-300 4. Đối tƣợng và phƣơng pháp nghiên cứu: - Nghiên cứu trên PLC S7-300 và hệ thống T-Đ - Nghiên cứu lý thuyết mờ lai ( Fuzzy-PID ) để xây dựng thuật toán điều khiển - Mô phỏng để kiểm tra thuật toán 5. Nội dung nghiên cứu: Chương 1 : Tìm hiểu về PLC S7-300 Chương 2 : Tổng quan về bộ điều khiển mờ và bộ điều khiển PID Chương 3 : Mô tả toán học và thiết kế bộ điều khiển mờ lai để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều. Chương 4 : Tích hợp bộ điều khiển mờ vào PLC S7-300 9 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn CHƢƠNG 1 TÌM HIỂU VỀ PLC S7-300 1.1. GIỚI THIỆU VỀ PLC ( Programmable Logic Control): Ý tưởng thiết kế bộ PLC được hình thành từ nhóm các kỹ sư hãng General Motors với ý tưởng ban đầu là thiết kế bộ điều khiển thỏa mãn các yêu cầu sau:  Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ hiểu.  Dễ dàng sửa chữa và thay thế.  Ổn định trong môi trường công nghiệp.  Giá cả cạnh tranh. Thiết bị điều khiển Logic khả trình PLC là loại thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số thông qua một ngôn ngữ lập trình, thay cho việc thể hiện thuật toán đó bằng mạch số. Như vậy với chương trình điều khiển trong mình, PLC trở thành một bộ điều khiển số nhỏ gọn, dể thay đổi thuật toán và đặc biệt là dễ trao đổi thông tin với môi trường xung quanh (với các PLC khác hoặc máy tính khác). Toàn bộ chương trình điều khiển được lưu trong bộ nhớ của PLC 10 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn dưới dạng các khối chương trình (khối OB, FC hoặc FB) và được thực hiện theo chu kỳ của vòng quét Để có thể thực hiện được một chương trình điều khiển, tất nhiên PLC phải có tính năng như một máy tính, nghĩa là nó phải có một bộ vi xứ lý (CPU), một hệ điều hành, bộ nhớ để lưu trữ chương trình điều khiển, dữ liệu và các cổng vào/ra để giao tiếp với các dối tượng điều khiển và trao đổi thông tin với môi trường xung quanh. Hình 1.1.Nguyên lý chung về cấu trúc bộ điều khiển khả trình PLC Memory CPU Cảm biến, cơ cấu chấp hành AD/DA Công suất I/O [...]... là phần mềm hỗ trợ việc tạo lập bộ điều khiển mờ cho PLC Simatic S 7- 300 Nó được tích hợp vào PLC S 7- 300 để điều khiển đối tượng theo trình tự các bước như sau:  Định nghĩa tất cả các biến ngôn ngữ vào/ ra  Định nghĩa tập mờ cho các biến vào/ ra  Xây dựng luật điều khiển  Chọn động cơ suy diễn  Chọn phương pháp giải mờ Bộ điều khiển mờ được tổng hợp với FCPA có dạng một khối dữ liệu (DB) Khối DB được... năng điều khiển riêng, như module diều khiển động cơ servo, module diều khiển động cơ bước, module PID, module điều khiển vòng kín, module đếm, module điều khiển hồi tiếp… 1.4.3 Các module mềm trong S 7- 300  Module mềm PID Trong phần mềm Step7 cung cấp các module mềm PID để điều khiển các đối tượng có mô hình liên tục như lò, động cơ, mức … Đầu ra của đối tượng được đưa vào đầu vào của bộ điều khiển. .. trên cơ sở thiết bị khả trình Simatic Trong khi thiết lập tham số, có thể tích cực hoặc không tích cực một số thành phần chức năng của bộ điều khiển PID cho phù hợp với đối tượng  Điều khiển bước với FB42 “CONT_S” FB42 ”CONT_S ” là một module mềm được tích hợp sẵn trong phần mềm STEP7.FB42 “CONT_S” được sử dụng trên cơ sở Simatic S 7- 300 để điều khiển các đối tượng kỹ thuật với đầu ra của bộ điều khiển. .. cụ trợ giúp “HW-Config” Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 15 1.4.2 Các Module của PLC S 7- 300  Module CPU Module CPU là module chứa bộ vi xữ lý, hệ điều hành, bộ nhớ, các bộ định thời, bộ đếm, cổng truyền thông (RS 485) … và còn có một vài cổng vào/ ra số Các cổng vào/ ra số có trên module CPU được gọi là cổng vào/ ra onboard Trong họ PLC S 7- 300 có nhiều loại... nghiên cứu và ứng dụng vào sản xuất Tập mờ và logic mờ dựa trên các suy luận của con người về các thông tin “không chính xác” hoặc “không đầy đủ” về hệ thống để hiểu biết và điều khiển hệ thống một cách không chính xác .Điều khiển mờ chính là bắt chước cách sử lý thông tin và điều khiển của con người đối với các đối tượng, do vậy điều khiển mờ đã giải quyết thành công các vấn đề điều khiển phức tạp mà trước... mạch vòng điều khiển phụ trong hệ thống thiết kế dựa trên nguyên tắc điều khiển cascade Chức năng của bộ điều khiển này hoàn toàn tuân theo thuật điều khiển PI với tín hiệu quá trình là tín hiệu tương tự và tín hiệu ra của bộ điều khiển là tín hiệu số  Khối hàm tạo xung FB43 “PULSEGEN” Khối hàm FB43”PULSEGEN” có tác dụng hổ trợ việc thiết kế một bộ điều khiển PID hai hoặc ba vị trí với bộ tạo xung theo... trí với bộ tạo xung theo nguyên tắc điều biên Nó biến đổi tín hiệu đầu vào INV dạng số thực thành một dãy xung có chu kỳ cố định và độ rộng tương ứng với độ lớn đầu vào Khối hàm FB43 “PULSEGEN” thường sử dụng cùng với FB41 “CONT_C” để có bộ điều khiển PID với tín hiệu đầu ra dạng xung 1.5 CHƢƠNG TRÌNH FCPA 1.5.1 Chuẩn bị một Project cho việc khai báo bộ điều khiển mờ bằng FCPA Chương trình FCPA (Fuzzy...11 Hình 1.2 Hệ thống điều khiển sử dụng PLC 1.2 PHÂN LOẠI PLC PLC được phân loại theo 2 cách sau  Hãng sản xuất: Gồm các nhãn hiệu như Siemen, Omron, Misubishi, Alenbratlay …  Version: Ví dụ : PLC Siemen có các dòng: Logo, Zen, S 7- 200, S 7- 300, S 7- 400 PLC Misumishi có các dòng: Fx, F x0 , F x ON Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 12 1.3 GIỚI THIỆU... không phụ thuộc vào RLO nữa 57 DEC Giảm nội dung của ACCU1 đi một đơn vị 58 DTB Đổi số nguyên 32 bit thành dạng mã BCD 59 DTR Đổi số nguyên 32 bit thành số thực 60 IN Chọn lấy sườn âm của RLO 61 FP Chọn lấy sườn dương của RLO 62 FR T Khởi động bộ thời gian TIME cả khi không có biến đổi sườn để khởi động bộ thời gian 63 FR C Khởi động bộ đếm COUTER cả khi không có biến đổi sườn để đặt một bộ đếm, đếm lên... qua các tín hiệu phản hồi ở đầu vào, dựa trên nền tảng của chương trình logic để quyết định quá trình hoạt động và xử lý tín hiệu đến các thiết bị đầu ra CHƢƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 2.1 LOGIC MỜ 2.1.1 Lịch sử phát triển logic mờ Từ những năm của đầu thập niên 90 cho đến nay, hệ điều khiển mờ và mạng noron (Fuzzy system and neural network) được các nhà khoa học và các . hiểu về PLC S 7- 300 Chương 2 : Tổng quan về bộ điều khiển mờ và bộ điều khiển PID Chương 3 : Mô tả toán học và thiết kế bộ điều khiển mờ lai để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều. Chương. điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều. 78 3.6.1. Đặt vấn đề. 78 3.6.2. Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID. 79 CHƢƠNG 4 85 TÍCH HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ VÀO PLC S7 300 85 4.1 “ Tích hợp bộ điều khiển mờ lai vào PLC S 7- 300 để điều khiển động cơ điện một chiều 2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: 2.1. Ý nghĩa khoa học: Bằng cách sữ dụng bộ điều khiển mờ,