Thư viện tri thức trực tuyến
Kho tài liệu với 50,000+ tài liệu học thuật
© 2023 Siêu thị PDF - Kho tài liệu học thuật hàng đầu Việt Nam
Tích hợp bộ điều khiển mờ vào PLC S7 - 300 để điều khiển tay máy 2 bậc tự do
Nội dung xem thử
Mô tả chi tiết
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
®¹i häc
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
TÍCH HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ VÀO PLC S7-300
ĐỂ ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY 2 BẬC TỰ DO
Chuyên ngành : TỰ ĐỘNG HÓA
Mã số : 605260
Người thực hiện : NGUYỄN VĂN SUM
Cán bộ HD khoa học : PGS.TS. LẠI KHẮC LÃI
THÁI NGUYÊN-NĂM 2010
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP
*****
CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
--------------------------------------
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA
TÊN ĐỀ TÀI
TÍCH HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ VÀO PLC S7-300
ĐỂ ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY 2 BẬC TỰ DO
Học viên : Nguyễn Văn Sum
Lớp : Cao học K11-TĐH
Cán bộ HDKH : PGS.TS. Lại Khắc Lãi
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS. Lại Khắc Lãi
HỌC VIÊN
Nguyễn Văn Sum
BAN GIÁM HIỆU KHOA SAU ĐẠI HỌC
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
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 nhƣ đã nêu trong phần tài liệu
tham khảo.
Tác giả luận văn
Nguyễn Văn Sum
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
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................8
CHƢƠNG 1..............................................................................................................11
TỔNG QUAN VỀ PLC S7-300 ..............................................................................11
1.1. Lịch sử phát triển của PLC.............................................................................11
1.2. Phân loại.........................................................................................................12
1.3. Giới thiệu các ngôn ngữ lập trình...................................................................13
1.4. Cấu trúc phần cứng PLC S7-300 ..................................................................15
1.4.1. Module nguồn PS307 của S7-300...........................................................16
1.4.2. Khối xử lí trung tâm (CPU Hình 1.10) ...................................................17
1.4.3. Module mở rộng cổng tín hiệu................................................................17
1.4.4. Module ghép nối .....................................................................................18
1.4.5. Module mềm PID (Hình 1.13)................................................................18
1.4.6. Module mờ (Fuzzy hình 1.13) ................................................................19
1.5. Tập lệnh của S7-300......................................................................................21
1.6. Phạm vi ứng dụng và các ƣu nhƣợc điểm......................................................23
1.6.1. Phạm vi ứng dụng ...................................................................................23
1.6.2. Ƣu nhƣợc điểm.......................................................................................23
1.7. Kết luận Chƣơng 1 .......................................................................................24
CHƢƠNG 2..............................................................................................................24
TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN MỜ VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID ...................24
2.1. Lịch sử phát triển............................................................................................24
2.2. Điều khiển mờ...............................................................................................25
2.2.1. Sơ đồ khối của hệ điều khiển mờ............................................................25
2.2.1.1. Khối mờ hoá ..................................................................................26
2.2.1.2. Khối hợp thành (Inference Mechanism)........................................27
2.2.1.3. Khối luật mờ (Rule-base) ..............................................................27
2.2.1.4. Khối giải mờ (Defuzzifier) ............................................................27
3
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
2.2.2. Phân loại điều khiển mờ..........................................................................29
2. 3. Điều khiển mờ nâng cao................................................................................32
2.3.1. Hệ điều khiển thích nghi mờ...................................................................32
Hệ điều khiển thích nghi mờ là hệ điều khiển thích nghi đƣợc xây dựng trên cơ
sở của hệ mờ......................................................................................................32
2.3.2. Hệ điều khiển mờ lai PID........................................................................33
2.3.2.1. Bộ điều khiển mờ lai kinh điển .......................................................34
2.3.2.2. Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID ..............35
2.4. Kết luận Chƣơng 2 .......................................................................................37
CHƢƠNG 3.............................................................................................................38
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH PID ĐỂ ĐIỀU KHIỂN TAY
MÁY HAI BẬC TỰ DO .........................................................................................38
3.1. Khái quát ........................................................................................................38
3.2. Xây dựng phƣơng trình động học cánh tay robot 2 bậc tự do .......................38
3.2.1. Khái quát .................................................................................................38
3.2.2. Vấn đề điều khiển cánh tay Robot ..........................................................39
3.2.3. Động học của cánh tay Robot 2DOF ......................................................41
3.2.3.1. Động học thuận ................................................................................42
3.2.3.2. Động học ngƣợc ...............................................................................42
3.2.3.3. Động lực học cánh tay robot 2DOF.................................................43
3.3. Tổng hợp hệ điều khiển PID cho cánh tay robot hai bậc tự do......................44
3.3.1. Thuật toán điều khiển tỉ lệ (P) có phản hồi tốc độ và điều khiển PD .....45
3.3.2. Thuật toán điều khiển PD có bù gia tốc trọng trƣờng.............................46
3.3.3. Thuật toán điều khiển PID ......................................................................46
3.3.4. Nhận xét chung .......................................................................................46
3.4. Tổng hợp bộ điều khiển vị trí PID cho động cơ điện một chiều....................48
3.4.1. Các thông số ban đầu. .............................................................................49
3.4.1.1. Động cơ điện một chiều. ..................................................................49
3.4.1.2. Bộ chỉnh lƣu.....................................................................................52
3.4.1.3. Biến dòng .........................................................................................53
3.4.1.4. Máy phát tốc.....................................................................................53
3.4.1.5. Cảm biến vị trí..................................................................................54
3.4.2. Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng (RI)...........................................54
4
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
3.4.3. Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ (
R
)........................................57
3.4.4. Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh vị trí (
R
) ..........................................59
3.5. Tính phi tuyến của bộ điều khiển vị trí. .........................................................62
3.6. Xây dựng hệ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID để điều
chỉnh cánh tay Robot 2DOF..................................................................................63
3.6.1. Đặt vấn đề ...............................................................................................63
3.6.2. Tổng hợp mô hình bộ điều khiển mờ chỉnh định bộ tham số PID..........64
3.6.2.1. Biến ngôn ngữ và miền giá trị của nó ..............................................65
3.6.2.2. Xác định hàm liên thuộc (membership function). ...........................67
3.6.2.3. Xây dựng các luật điều khiển...........................................................71
3.6.2.4. Luật hợp thành .................................................................................74
3.7. Kết quả mô hình hóa, mô phỏng ....................................................................76
3.7.1. Hệ thống điều khiển tay máy sử dụng bộ điều khiển PID. ....................76
3.7.1.1. Mô hình simulink của hệ thống........................................................76
3.7.1.2. Kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển tay máy hai bậc tự do dùng
PID ................................................................................................................78
(Với trƣờng hợp khối lƣợng tải Mt=0; moment quán tính tải Jt=0) .............78
3.7.2. Hệ thống điều khiển tay máy sử dụng hệ điều khiển mờ chỉnh định thông
số bộ PID...........................................................................................................85
3.7.2.1. Mô hình simulink hệ thống bộ điều khiển mờ (Fuzzy logic)...........85
3.7.2.2. Kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển tay máy hai bậc tự do dùng
bộ điều khiển mờ (Fuzzy logic).(Với trƣờng hợp khối lƣợng tải Mt=0;
moment quán tính tải Jt=0) ...........................................................................88
3.8. So sánh quỹ đạo giữa PID và chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID....94
3.8.1. Trƣờng hợp Mt = 0kg, Jt=0 kg.m2
...........................................................94
3.8.1.1. Sai lệch quỹ đạo tay máy. ................................................................94
3.8.1.2. Sai lệch góc quay hai khớp củ a tay máy ..........................................95
3.8.1.3. Sai lệch tốc độ góc quay hai khớp củ a tay máy . ..............................97
3.8.2. Trƣờng hợp Mt = 1kg, Jt=0,5 kg.m2
........................................................98
3.8.2.1. Sai lệch quỹ đạo tay máy. ................................................................98
3.8.2.2. Sai lệch góc quay hai khớp củ a tay máy ..........................................98
3.8.2.3. Sai lệch tốc độ góc quay hai khớp củ a tay máy . ............................100
3.9. Kết luận Chƣơng 3 .....................................................................................101
CHƢƠNG 4............................................................................................................103
5
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
TÍCH HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ VÀO PLC S7 300......................................103
4.1. Phƣơng pháp tích hợp bộ điều khiển mờ vào PLC S7 300..........................103
4.1.1. Chƣơng trình phần mềm tích hợ p FCPA .............................................103
4.1.1.1. Chuẩn bị một Project khai báo bộ điều khiển mờ bằng FCPA.....103
4.1.1.2. Khai báo các biến vào ra và viết chƣơng trình..............................103
4.2. Tiến hành tích hợ p bộ điều khiển mờ vào PLC ...........................................110
4.2.1. Sử dụng DB mờ với FB30 (Fuzzy control)...........................................110
4.2.2. Thanh ghi báo trạng thái làm việc của FB30 .......................................111
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..............................................................................112
1. KẾT LUẬN. ...............................................................................................112
2. KIẾN NGHỊ...............................................................................................113
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................113
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Thông số củ a module mờ .........................................................................21
Bảng 3.1: Dịch chuyển theo quĩ đạo của cánh tay robot...........................................39
Bảng 3.2: Thông số vật lý của cánh tay robot 2DOF................................................41
Bảng 3.3: Các thông số của động cơ điện một chiều ................................................50
Bảng 3.4: Luật điều khiển Hesokp............................................................................71
Bảng 3.5: Luật điều khiển Hesokd ............................................................................71
Bảng 3.6: Luật điều khiển xây dựng bằng MATLAB ..............................................71
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Sơ đồ khối của PLC ..................................................................................12
Hình 1.2: Hệ thống điều khiển sử dụng PLC............................................................12
Hình.1.3.....................................................................................................................13
Hình 1.4.....................................................................................................................13
Hình 1.5.....................................................................................................................14
Hình 1.6.....................................................................................................................14
Hình 1.7: Ngôn ngữ đƣợc phát triển từ ngôn ngữ GRAPH ......................................15
Hình 1.8: Cấu trúc của PLC S7- 300 ........................................................................16
Hình 1.9.....................................................................................................................16
Hình 1.10...................................................................................................................17
Hình 1.11...................................................................................................................17
Hình 1.12...................................................................................................................18
6
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 1.13...................................................................................................................18
Hình 1.14 Module Fuzzy giao tiếp với PLC S7-300 ................................................20
Hình 2.1: Sơ đồ khối bộ điều khiển mờ ....................................................................26
Hình 2.2: Sơ đồ xác định trung bình tâm .................................................................29
Hình 2.3: Các bộ điều khiển mờ ..............................................................................29
Hình 2.3a, b: Hệ điều khiển mờ theo luật PI.............................................................30
Hình 2.4: Hệ điều khiển mờ theo luật PD.................................................................31
Hình 2.5: Hệ điều khiển mờ theo luật PID................................................................31
Hình 2.6: Cấu trúc phƣơng pháp điều khiển thích nghi trực tiếp .............................32
Hình 2.7: Cấu trúc phƣơng pháp điều khiển thích nghi gián tiếp .............................33
Hình 2.9: Mô hình bộ điều khiển mờ lai kinh điển...................................................35
Hình 2.8: Hệ điều khiển mờ lai.................................................................................34
Hình 2.10: Phƣơng pháp chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID .......................36
Hình 2.11: Bên trong bộ chỉnh định mờ ...................................................................37
Hình 3.1: Sơ đồ minh hoạ cánh tay robot n khâu......................................................39
Hình 3.2: Sơ đồ cánh tay robot 2DOF ......................................................................40
Hình 3.4: Điều khiển tỉ lệ (P) có phản hồi tốc độ .....................................................45
Hình 3.5: Điều khiển PD...........................................................................................45
Hình 3.6: Điều khiển PD có bù gia tốc trọng trƣờng ................................................46
Hình 3.7: Sơ đồ cấu trúc điều khiển PID ..................................................................46
Hình 3.8: Cấu trúc robot + các hệ dẫn động .............................................................47
Hình 3.9: Sơ đồ của DCM làm bộ dẫn động cho robot.............................................47
Hình 3.10: Sơ đồ thay thế động cơ điện một chiều kích từ độc lập..........................49
Hình 3.11: Cấu trúc của động cơ điện một chiều khi từ thông không đổi................52
Hình 3.12: Sơ đồ khối mạch chỉnh lƣu có điều khiển..............................................52
Hình 3.13: Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh dòng điện..................................................54
Hình 3.14...................................................................................................................55
Hình 3.15: Sơ đồ cấu trúc của hệ điều chỉnh vị trí....................................................56
Hình 3.16: mạch vòng điều chỉnh tốc độ .................................................................57
Hình 3.17: mạch vòng điều chỉnh vị trí ....................................................................59
Hình 3.18...................................................................................................................60
Hình 3.19 : Sơ đồ cấu trúc của hệ điều chỉnh vị trí...................................................61
Hình 3.20: Quan hệ giữa và .............................................................................63
Hình 3.21: Sơ đồ bộ điều khiển mờ ..........................................................................64
Hình 3.22: Cấu trúc bộ chỉnh định mờ khớp 1..........................................................65
Hình 3.23: Cấu trúc bộ chỉnh định mờ khớp 2..........................................................65
Hình 3.24: Mô hình rời rạc hóa hàm liên thuộc trapmf của biến et, det...................67
Hình 3.25: Mô hình hàm liên thuộc trapmf của biến Hesokp , Hesokd ...................67
Hình 3.26: Xác định tập mờ cho biến vào et.............................................................68
Hình 3.27: Xác định tập mờ cho biến vào det...........................................................68
Hình 3.28: Xác định tập mờ cho biến ra Hesokp......................................................69
Hình 3.29: Xác định tập mờ cho biến ra Hesokd......................................................69
Hình 3.30: Luật hợp thành đối với tín hiệu vào ra trên mặt phẳng...........................70
7
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 3.31: Luật hợp thành đối với tín hiệu vào ra trên hình khối ............................70
Hình 3.32: Mô hình hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID........................................76
Hình 3.33: Mô hình khối điều khiển dòng điện và tốc độ động cơ 1 .......................77
Hình 3.34: Mô hình khối điều khiển dòng điện và tốc độ động cơ 2 .......................77
Hình 3.35: Mô hình khối HT1 và HT2 ...............................................................77
Hình 3.36: Mô hình khâu phản hồi vị trí 1 và 2........................................................77
Hình 3.37: Mô hình tay máy 2DOF ..........................................................................78
Hình 3.38: Đồ thị quỹ đạo đặt và quỹ đạo thực của tay máy dùng PID ...................78
Hình 3.39: Đồ thị sai lệch quỹ đạo dùng PID ...........................................................79
Hình 3.40: Đồ thị sai lệch quỹ đạo góc đặt và góc ra của khớp 1 dùng PID............80
Hình 3.41: Đồ thị sai lệch góc của khớp 1 dùng PID ...............................................80
Hình 3.42: Đồ thị sai lệch tốc độ góc của khớp 1 dùng PID ....................................81
Hình 3.43: Đồ thị tốc độ động cơ 1 dùng PID ..........................................................81
Hình 3.44: Đồ thị moment khớp 1 dùng PID............................................................82
Hình 3.45: Đồ thị sai lệch quỹ đạo góc đặt và góc ra của khớp 2 dùng PID............82
Hình 3.46: Đồ thị sai lệch góc của khớp 2 dùng PID ...............................................83
Hình 3.47: Đồ thị sai lệch tốc độ góc của khớp 2 dùng PID ....................................83
Hình 3.48: Đồ thị tốc độ động cơ 2 dùng PID ..........................................................84
Hình 3.49: Đồ thị moment khớp 2 dùng PID............................................................84
Hình 3.50: Mô hình hệ thống sử dụng bộ điều khiển Fuzzy.....................................85
Hình 3.51: Mô hình bộ điều khiển 1 .........................................................................86
Hình 3.52: Mô hình bộ điều khiển 2 .........................................................................86
Hình 3.53: Kết quả mô phỏng bằng RuleWiewer FLC1, FLC2 ...............................87
Hình 3.54: Bảng các luật điều khiển FLC1, FLC2 ..................................................87
Hình 3.55: Luật hợp thành củ a FLC1, FLC2 với tín hiệu vào ra trên hình khối ......87
Hình 3.56: Đồ thị quỹ đạo đặt và quỹ đạo thực của tay máy dùng Fuzzy................88
Hình 3.57: Đồ thị sai lệch quỹ đạo dùng Fuzzy........................................................88
Hình 3.58: Đồ thị sai lệch quỹ đạo góc đặt và góc ra của khớp 1 dùng Fuzzy.........89
Hình 3.59: Đồ thị sai lệch góc của khớp 1 dùng Fuzzy ............................................89
Hình 3.60: Đồ thị sai lệch tốc độ góc của khớp 1 dùng Fuzzy .................................90
Hình 3.61: Đồ thị tốc độ động cơ 1 dùng Fuzzy.......................................................90
Hình 3.62: Đồ thị moment khớp 1 dùng Fuzzy ........................................................91
Hình 3.63: Đồ thị sai lệch quỹ đạo góc đặt và góc ra của khớp 2dùng Fuzzy..........91
Hình 3.64: Đồ thị sai lệch góc của khớp 2 dùng Fuzzy ............................................92
Hình 3.65: Đồ thị sai lệch tốc độ góc của khớp 2 dùng Fuzzy .................................92
Hình 3.66: Đồ thị tốc độ động cơ 2 dùng Fuzzy.......................................................93
Hình 3.67: Đồ thị moment khớp 2 dùng Fuzzy ........................................................93
Hình 3.68: Sai lệch quỹ đạo dùng PID và Fuzzy ......................................................94
Hình 3.69: Đồ thị góc quay khớp 1 giữa giá trị đặt, PID và Fuzzy ..........................95
Hình 3.70: Đồ thị góc quay khớp 2 giữa giá trị đặt, PID và Fuzzy ..........................95
Hình 3.71: Đồ thị sai lệch góc quay khớp 1 giữa PID và Fuzzy...............................96
Hình 3.72: Đồ thị sai lệch góc quay khớp 2 giữa PID và Fuzzy...............................96
Hình 3.73: Đồ thị sai lệch tốc độ góc khớp 1 giữa PID và Fuzzy ............................97
8
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 3.74: Đồ thị sai lệch tốc độ góc khớp 2 giữa PID và Fuzzy ............................97
Hình 3.75: Sai lệch quỹ đạo dùng PID và Fuzzy ......................................................98
Hình 3.76: Đồ thị góc quay khớp 1 giữa giá trị đặt, PID và Fuzzy ..........................98
Hình 3.77: Đồ thị góc quay khớp 2 giữa giá trị đặt, PID và Fuzzy ..........................99
Hình 3.78: Đồ thị sai lệch góc quay khớp 1 giữa PID và Fuzzy...............................99
Hình 3.79: Đồ thị sai lệch góc quay khớp 2 giữa PID và Fuzzy.............................100
Hình 3.80: Đồ thị sai lệch tốc độ góc khớp 1 giữa PID và Fuzzy ..........................100
Hình 3.81: Đồ thị sai lệch tốc độ góc khớp 2 giữa PID và Fuzzy ..........................101
Hình 4.1: Chọn biến ngôn ngữ vào/ ra....................................................................103
Hình 4.2: Cƣ̉ a sổ soạn thảo biến ngôn ngƣ̃ vào/ ra và luật hợ p thành ....................104
Hình 4.3: Cƣ̉ a sổ soạn thảo các hàm liên thuộ c củ a đầu vào et1............................105
Hình 4.4: Cƣ̉ a sổ soạn thảo các hàm liên thuộ c củ a đầu vào det1..........................106
Hình 4.5: Cƣ̉ a sổ soạn thảo các hàm liên thuộ c củ a đầu ra HesoKP1 ....................106
Hình 4.6: Cƣ̉ a sổ soạn thảo các hàm liên thuộ c củ a đầu ra HesoKD1 ...................107
Hình 4.7: Màn hình soạn thảo luật điều khiển ........................................................107
Hình 4.8: Bảng ma trận luật điều khiển của hệ số KP1 ..........................................108
Hình 4.9: Bảng ma trận luật điều khiển của hệ số KD1..........................................108
Hình 4.10: Quan hệ vào/ra củ a bộ điều khiển mờ dạng hình khối (HesoKP1) ......109
Hình 4.11: Quan hệ vào/ra củ a bộ điều khiển mờ dạng hình khối (HesoKD1)......109
Hình 4.12: Kết nối các khối trong Simatic đến module mờ (Fuzzy module).........110
MỞ ĐẦU