Tích hợp bộ điều khiển mờ lai vào PLC S7 - 300 để điều khiển tốc độ động cơ một chiều

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

chiều66

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 pháp tích hợp bộ điều khiển mờ vào PLC S7 300........................85

4.1.1. Chƣơng trình phần mềm tích hợp FCPA ..........................................85

4.2. Tiến hành tích hợp bộ điều khiển mờ vào 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 hình vòng điều chỉnh dòng phần ứng của ĐCMC trong vùng

dòng điện liên tục. ...................................................................................................72

Hình 3.7. Đáp ƣ́ng dòng điện trong vùng dòng điện liên tụ c ..............................73

Hình 3.8. Đáp ƣ́ng dòng điện khi Kcl=20...............................................................74

Hình 3.9. Đáp ƣ́ng dòng điện khi Kcl=19...............................................................74

Hình 3.10. Đáp ƣ́ng dòng điện khi Kcl=17.............................................................75

Hình 3.11. Đáp ƣ́ng dòng điện khi Kcl=17 và khi Kcl=22.....................................75

Hình 3.12. Mô hình vòng điều chỉnh tốc độ của ĐCMC .....................................76

Hình 3.13. Đáp ƣ́ng tốc độ trong vùng liên tụ c.....................................................77

Hình 3.14. So sánh vận tốc đặt và đáp ƣ́ng tốc độ trong vùng liên tụ c ..............77

Hình 3.17. Mô hình mạch điều khiển dung chỉnh tốc độ của ĐCMC ................83

Hình 3.18. Đáp ƣ́ng tốc độ khi có bộ điều khiển mờ ............................................83

Hình 3.19. Đáp ƣ́ng so sánh bộ điều khiển tốc độ bộ PID và bộ điều khiển

Fuzzy-PID ................................................................................................................84

Hình 4.1: Khai báo biến ngôn ngƣ̃ vào/ ra............................................................86

Hình 4.2. Cửa sổ soạn thảo biến ngôn ngữ vào ra và luật hợp thành ................86

Hình 4.3. Cƣ̉a sổ soạn thảo các hàm liên thuộc của đầu vào Kcl ........................87

Hình 4.4. Cƣ̉a sổ soạn thảo các hàm liên thuộc đầu ra Kp ..................................87

Hình 4.5. Màn hình soạn thảo luật điều khiển .....................................................88

Hình 4.6. Quan hệ vào/ra của bộ điều khiển mờ dạng hình khối.......................89

Hình 4.8: Kết nối các khối trong Simatic đến 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