Giáo trình Hệ thống sản xuất tự động hóa với PLCs - Phần 25: Điều khiển liên tục
25. ĐIỀU KHIỂN LIÊN TỤC
Chủ đề:
Điều khiển phản hồi của các hệ liên tục
Điều khiển của các hệ với các bộ truyền động logic
Điều khiển PID với các bộ truyền động liên tục
Phân tích cho các hệ được điều khiển PID
Điều khiển PID với một PLC
Các ví dụ thiết kế
Mục tiêu:
Hiểu được các ý tưởng đằng sau điều khiển liên tục
Có khả năng điều khiển một hệ nào đó với các bộ truyền động logic
Có khả năng phân tích và điều khiển hệ với một bộ điều khiển PID
25.1 GIỚI THIỆU
Các quá trình liên tục yêu cầu các cảm biến liên tục và/hoặc các bộ truyền động
liên tục. Ví dụ, một nhiệt độ lò có thể được đo với một cặp nhiệt điện. Các sơ đồ điều
khiển dựa trên quyết định đơn giản có thể dùng các giá trị cảm biến liên tục để điều
khiển các đầu ra logic, như là một yếu tố làm nóng. Các phương trình điều khiển
tuyến tính có thể được dùng để kiểm tra các giá trị cảm biến liên tục và thiết đặt các
đầu ra cho các bộ truyền động liên tục, như là một van khí vị trí biến thiên.
Hai hệ điều khiển liên tục được chỉ ra trong hình 25.1. Thùng nước này có thể là
các van được điều khiển. Trong một sơ đồ điều khiển đơn giản, một trong số các van
này được thiết đặt đặt bởi quá trình này, nhưng ta điều khiển cái khác để làm tối đa
một vài đối tượng điều khiển. Nếu thùng nước này đã thực sự là một thùng nước
thành phố, van lối ra sẽ cấp cho các người dùng nước nội bộ và công nghiệp. Van lối
vào sẽ được thiết đặt để giữ mức nước thùng tại mức cực đại. Nếu mức này hạ
xuống sẽ có một áp lực nước bị giảm tại lối ra, và nếu thùng này trở nên quá đầy nó
có thể bị tràn. Băng chuyền sẽ chuyển các hộp giữa các trạm. Hai lựa chọn phổ biến
là cho nó di chuyển một cách liên tục, hay di chuyển các hộp giữa các vị trí, và sau đó
dừng. Khi bắt đầu và dừng các hộp này phải được tăng tốc một cách nhanh chóng,
nhưng không nhanh đến mức chúng trượt. Và, băng chuyền này phải dừng tại các vị
trí chính xác. Trong cả hai hệ này, một thiết kế hệ điều khiển tốt sẽ làm cho hiệu suất
tốt hơn.
Figure 25.1 Continuous Systems – Các hệ liên tục
Một hệ điều khiển cơ học được chụp trong hình 25.2 mà nó có thể được dùng
cho thùng chứa trong hình 25.1. Bộ điều khiển này sẽ chỉnh vị trí van, vì thế điều
khiển tốc độ dòng chảy vào thùng này. Độ cao của chất lỏng trong thùng sẽ thay đổi
áp suất thủy tĩnh tại đáy của thùng này. Một đường áp lực được kết nối tới một ngăn
áp lực. Khi áp lực trong ngăn này thay đổi, ngăn sẽ mở rộng và rút lại, bằng cách mở
và đóng van này. Khi thùng này được làm đầy áp lực trở nên cao hơn, ngăn mở ra, và
van đóng, giảm dòng đi vào. Độ cao mong muốn của thùng này có thể được chỉnh bởi
trượt ngăn áp lực lên/xuống một quãng đường x. Trong ví dụ này độ cao x được gọi
là điểm đặt (setpoint). Biến điều khiển là vị trí của van này, và, biến phản hồi là áp
suất nước trong thùng này. Bộ điều khiển là ngăn áp lực.
(Ghi chú của người gõ:
1. Phản hồi của áp lực thủy tĩnh qua một ống cao su
2. Bộ trượt đầu vào này chỉnh vị trí của các ống thổi (có thể được chỉnh với một tuốc
nơ vít)
3. Các ống thổi mở ra/rút lại khi áp lực tăng/giảm, và di chuyển cần mà cần này
đóng/mở van ấy.
4. Van này thay đổi dòng vào trong thùng, vì thế thay đổi độ cao nước.
)
Cho điều khiển thêm
Feedback
1. Một vài cách thức đo độ cao nước (trạng thái hệ thống)
Phản hồi
Setpoint
Điểm đặt
2. Một vài đầu vào cho độ cao điều khiển mong muốn
system error
Lỗi hệ thống
3. Một vài bù đắp lỗi
4. Một bộ truyền động để thay đổi đầu vào hệ thống
Figure 25.2 A Feedback Controller – Một bộ điều khiển phản hồi
Các hệ điều khiển liên tục thường cần một giá trị đích, đây được gọi là một
setpoint (điểm đặt). Bộ điều khiển phải được thiết kế với một vài mục tiêu trong đầu
óc. Các mục tiêu điển hình được liệt kê ở dưới:
tốc độ phản hồi nhanh nhất – đạt tới điểm đặt càng nhanh càng tốt (ví dụ:
tốc độ ổ cứng)
phản hồi mịn – giảm tăng tốc và giật (ví dụ: các thang máy)
tiêu thụ năng lượng hiệu quả - dùng tối thiểu năng lượng (ví dụ: lò công
nghiệp)
miễn dịch với ồn – bỏ qua các nhiễu loạn trong hệ (ví dụ: các giật gió biến
thiên)
Một kỹ sư có thể thiết kế một bộ điều khiển một cách toán học khi hiệu suất và
độ tin cậy là các vấn đề quan trọng. Một thực tế công nghiệp thông dụng là mua một
đơn vị PID, nối nó tới một quá trình, và chỉnh nó thông qua thử và sai. Điều này phù
hợp cho các hệ đơn giản hơn, nhưng các hệ này là ít hiệu quả và có xu hướng thiên
về không tin cậy. Nói cách khác nó dễ và nhanh, nhưng các hệ này có thể đi đến mất
điều khiển.
25.2 ĐIỀU KHIỂN NHỮNG HỆ DẪN ĐỘNG LOGIC
Nhiều hệ liên tục sẽ được điều khiển bởi các bộ truyền động logic. Các ví dụ phổ
biến bao gồm xây dựng các hệ HVAC (Heating, Ventilation and Air Conditioning – Làm
nóng, Thông gió và Điều hòa không khí). Điểm đặt hệ thống này được nhập vào trên
một bộ điều nhiệt. Bộ điều khiển này sau đó sẽ cố gắng giữ nhiệt độ với một vài độ
như được chỉ ra trong hình 25.3. Nếu nhiệt độ này là dưới giới hạn đáy bộ làm nóng
được bật. Khi nó qua giới hạn trên nó sẽ bị tắt, và nó sẽ tắt cho đến khi nó qua giới
hạn thấp hơn. Nếu khoảng giữa các giới hạn trên và dưới là lớn hơn, bộ làm nóng sẽ
bật ít thường xuyên hơn, nhưng là bật lâu hơn, và nhiệt độ sẽ thay đổi nhiều hơn. Kỹ
thuật này không chính xác, và thời gian trễ sẽ thường dẫn đến vượt quá các giới hạn
nhiệt độ trên và dưới.
Ghi chú: Hệ thống này bật/tắt một cách liên tục. Cách làm này được biết như là
đi săn. Nếu các giới hạn này được thiết đặt quá gần với giá trị danh nghĩa, hệ này sẽ
săn tại một tốc độ nhanh hơn. Vì thế, để chống lại sự tổn hại và cải thiện hiệu quả ta
thường cố thiết đặt các giới hạn này càng xa giá trị danh nghĩa càng tốt.
Figure 25.3 Continuous Control with a Logical Actuator
Điều khiển liên tục với một bộ truyền động logic
Hình 25.4 chỉ ra một bộ điều khiển mà nó sẽ giữ nhiệt độ giữa 72 và 74 (độ có
lẽ). Nhiệt độ này sẽ được đọc và lưu trong N7:0, và đầu ra để bật bộ làm nóng được
kết nối tới O:000/0.
Figure 25.4 A Ladder Logic Controller for a Logical Actuator
Một bộ điều khiển logic bậc thang cho một bộ truyền động logic
25.3 ĐIỀU KHIỂN NHỮNG HỆ DẪN ĐỘNG LIÊN TỤC
25.3.1 Biểu đồ khối
Hình 25.5 chỉ ra một sơ đồ khối đơn giản để điều khiển vị trí cánh tay. Điểm đặt,
hay đầu vào hệ này, là vị trí mong muốn cho cánh tay ấy. Vị trí cánh tay được biểu
diễn với các góc bản lề. Đầu vào vào một khối tổng, được chỉ ra như là một vòng
tròn, ở đó các góc bản lề thực sự được trừ từ các góc bản lề được mong đợi. Sự khác
biệt kết quả được gọi là lỗi. Lỗi này được truyền tới các mô men xoắn bản lề bằng
khối đầu tiên được gán nhãn hệ nơ ron và các cơ. Khối tiếp theo, cấu trúc và chuyển
động cánh tay, chuyển các mô men xoắn này tới các vị trí cánh tay mới. Các vị trí
cánh tay mới được chuyển đổi ngược lại tới các góc bản lề bằng mắt thường.
(Ghi chú của người gõ: Sơ đồ khối này chỉ ra một hệ mà hệ này có các động lực,
các bộ truyền động, các cảm biến phản hồi, bộ phát hiện lỗi, và các mục tiêu)
Figure 25.5 A Block Diagram – Một sơ đồ khối
Các khối trong các sơ đồ khối này đại diện các hệ thực mà chúng có các đầu vào
và các đầu ra. Các đầu vào và các đầu ra này có thể là các số lượng thực, như là các
tốc độ dòng chất lỏng, các điện thế, hay các áp lực. Các đầu vào và các đầu ra này
cũng có thể được tính toán như các giá trị trong các chương trình máy tính. Trong các
hệ liên tục các khối này có thể được mô tả bằng cách dùng các phương trình vi phân.
Biến đổi Laplace và các hàm chuyển đổi thường được dùng cho các hệ tuyến tính.
25.3.2 Những hệ điều khiển có hồi tiếp
Như được giới thiệu trong phần trước, các hệ điều khiển có hồi tiếp so sánh các
đầu ra mong muốn và thực tế để tìm một lỗi hệ thống nào đó. Một bộ điều khiển có
thể dùng lỗi này để điều khiển một bộ truyền động để làm tối thiểu lỗi. Khi một hệ
dùng các giá trị đầu ra cho điều khiển, nó được gọi là một hệ điều khiển có hồi tiếp.
Khi phản hồi này được trừ ra từ đầu vào, hệ này có phản hồi tiêu cực. Một hệ phản
hồi tiêu cực được mong chờ vì nói chung nó là ổn định hơn, và sẽ giảm các lỗi hệ
thống. Các hệ mà không có phản hồi là ít chính xác và có thể trở nên không ổn định.
Một xe hơi được chỉ ra trong hình 25.6, không có và có một hệ điều khiển vận
tốc. Đầu tiên, xem xét chính xe hơi này, biến điều khiển là góc đạp chân ga. Đầu ra là
vận tốc của xe. Bộ điều khiển hồi tiếp tiêu cực được chỉ ra trong các đường đứt
quãng. Bình thường bộ điều khiển sẽ hành động như hệ điều khiển, chỉnh tốc độ để
nhận được một tốc độ mong muốn. Nhưng, hầu hết các nhà sản xuất ô tô cung cấp
các hệ điều khiển hành trình mà chúng điều khiển tự động tốc độ của hệ. Bộ điều
khiển sẽ kích hoạt hệ và thiết đặt tốc độ mong muốn cho bộ điều khiển hành trình
với các nút bấm. Khi chạy, hệ điều khiển hành trình này sẽ quan sát vận tốc, xác định
lỗi tốc độ, và sau đó điều chỉnh góc bàn đạp chân ga để tăng hay giảm vận tốc.
Figure 25.6 Addition of a Control System to a Car
Bổ sung cho một hệ điều khiển xe hơi
Hệ điều khiển phải thực hiện một vài loại của tính toán với Verror, để lựa chọn
một θgas mới. Điều này có thể được thực thi với các cơ chế cơ học, điện, hay phần
mềm. Hình 25.7 liệt kê một số lượng các luật mà một người nào đó sẽ dùng khi làm
việc như bộ điều khiển. Bộ điều khiển này có một vài vận tốc đích (mà sẽ thỉnh
thoảng dựa trên các giới hạn tốc độ). Bộ điều khiển này sau đó sẽ so sánh vận tốc
đích với vận tốc thực sự, và xác định sự khác nhau giữa (vận tốc) đích (mong muốn)
và thực sự. Sự khác nhau này sau đó được dùng để chỉnh góc bàn đạp chân ga.
1. Nếu Verror là một chút tích cực/tiêu cực, gia tăng/gia giảm θgas ít.
2. Nếu Verror là rất lớn/nhỏ, gia tăng/gia giảm θgas nhiều.
3. Nếu Verror là gần không, giữ θgas nguyên.
4. Nếu Verror đột nhiên trở nên lớn hơn/nhỏ hơn, thì gia tăng/gia giảm θgas
nhanh.
Figure 25.7 Human Control Rules for Car Speed
Các luật điều khiển con người cho tốc độ xe hơi
Các luật toán học được yêu cầu khi phát triển một bộ điều khiển tự động nào
đó. Hai phần tiếp theo mô tả các cách tiếp cận khác nhau cho thiết kế bộ điều khiển.
25.3.3 Những bộ điều khiển tỷ lệ
Hình 25.8 chỉ ra một sơ đồ khối cho một hệ định vị được điều khiển bởi động cơ
tự động thông thường . Đầu vào là một vị trí bằng số cho động cơ này, được thiết kế
như là C. (Ghi chú: quan hệ giữa góc trục động cơ này và C được xác định bởi bộ mã
hóa). Sự khác biệt giữa các giá trị mong muốn và thực sự của C là lỗi hệ thống. Bộ
điều khiển này sau đó sẽ chuyển lỗi này tới một điện thế điều khiển V. Bộ khuyếch
đại dòng giữ điện thế V nguyên, nhưng tăng dòng (và năng lượng) để điều khiển
động cơ tự động này. Động cơ tự động này sẽ quay để đáp ứng với một điện áp, và
điều khiển một bộ mã hóa và một bi lăn. Bộ mã hóa này là thành phần của vòng lặp
phản hồi tiêu cực. Bi lăn chuyển chuyển động quay thành một dịch chuyển tịnh tiến
x. Trong hệ này, vị trí x không được đo một cách trực tiếp, nhưng nó được ước đoán
bằng cách dùng góc trục động cơ.
Figure 25.8 A Servomotor Feedback Controller
Một bộ điều khiển phản hồi động cơ tự động
Các khối cho hệ trong hình 25.8 có thể được mô tả bởi các phương trình trong
hình 25.9. Khối tổng trở thành một phép trừ đơn giản. Phương trình điều khiển này
là loại đơn giản nhất, được gọi là một bộ điều khiển tỷ lệ. Nó sẽ đơn giản nhân lỗi này
với một hằng số Kp. Một giá trị lớn hơn cho Kp sẽ cho một phản hồi nhanh hơn. Bộ
khuyếch đại dòng giữ nguyên điện thế này. Động cơ này được giả sử là một động cơ
tự động một chiều nam châm vĩnh cửu, và phương trình lý tưởng cho một động cơ
như vậy được cho trước. Trong phương trình này J là mô men quán tính khối lượng
cực, R là điện trở của các cuộn dây động cơ, và Km là hằng số cho động cơ này. Vận
tốc của trục động cơ này phải được tích hợp để thu được vị trí. Bi lăn sẽ chuyển
chuyển động quay thành vị trí tuyến tính nếu góc này được phân chia bởi Luồng
Trong Một Ing (Threads Per Inch-TPI) trên bi lăn này. Bộ mã hóa sẽ đếm một số lượng
cố định của Các xung Trên Một Chu kỳ (Pulses Per Revolution - PPR).
Khối tổng: e = Cdesired - Cactual
(1)
Bộ điều khiển: Vc = Kpe
(2)
(3)
Khuyếch đại dòng: Vm = Vc
ꢇ
Động cơ tự động: ꢀꢁꢁꢂꢃꢄ + ꢀꢅꢈꢉꢆꢃ ꢄ = (ꢅꢈꢉꢆ)ꢊ
(4)
(5)
ꢋ
ꢁ
ꢄ = ꢁꢂ ꢌꢍꢎꢂꢏꢍꢐ
Bi lăn: ꢑ = ꢒ
(6)
(7)
ꢓꢔꢕꢖꢓꢗ
ꢘꢙꢚ
Bộ mã hóa: Cactual = PPR(θactual
)
Figure 25.9 A Servomotor Feedback Controller
Một bộ điều khiển phản hồi động cơ tự động
Các phương trình hệ thống có thể được kết hợp một cách đại số để cho một
phương trình đơn lẻ cho toàn thể hệ như được chỉ ra trong hình 25.10. Phương trình
kết quả (12) là một phương trình vi phân không đồng nhất bậc hai mà phương trình
này có thể được giải quyết để mô hình hóa hiệu suất của hệ này.
ꢛ
ꢇ
ꢁ
ꢅ
ꢆ
(21.4), (21.5)
ꢀꢁꢁꢂꢃ ꢌꢍꢎꢂꢏꢍꢐ + ꢀꢅꢈꢉꢆꢃ ꢀꢁꢂꢃꢌꢍꢎꢂꢏꢍꢐ = (ꢈꢉ )ꢊ
(21.8)
ꢋ
(21.2), (21.3)
(21.1), (21.9)
Vm = Kpe
(21.9)
Vm = Kp(Cdesired - Cactual
)
(21.10)
ꢀꢁ ꢃꢛ
ꢀꢅꢆꢃ ꢀꢁ ꢃ
ꢀꢅꢆꢃ
( )
ꢜꢝ ꢞꢁꢟꢠꢡꢢꢟꢁ − ꢞꢍꢎꢂꢏꢍꢐ (21.11)
ꢈꢉ
ꢇ
(21.8), (21.10)
ꢌꢍꢎꢂꢏꢍꢐ
+
ꢌꢍꢎꢂꢏꢍꢐ
=
ꢁꢂ
ꢈꢉ
ꢁꢂ
ꢛ
ꢇ
ꢁ
ꢅ
ꢆ
(21.7), (21.11) ꢀ ꢁ ꢃ ꢌꢍꢎꢂꢏꢍꢐ + ꢀꢅꢆꢃ ꢀ ꢃ ꢌꢍꢎꢂꢏꢍꢐ = ꢀꢈꢉ ꢃ ꢜꢝ ꢞꢁꢟꢠꢡꢢꢟꢁ − ꢣꢣꢤꢌꢍꢎꢂꢏꢍꢐ
(
)
ꢁꢂ
ꢈꢉ
ꢁꢂ
ꢛ
(21.12)
ꢦ
ꢜꢋꢛ
ꢦ
ꢜꢋ(ꢣꢤꢣ)ꢜꢝ
ꢜꢝꢜꢋ
ꢪꢤ
ꢩ
ꢫ
ꢩ
ꢫ
ꢌꢍꢎꢂꢏꢍꢐ = ꢥ
ꢥ
ꢨ ꢌꢍꢎꢂꢏꢍꢐ
+
ꢥ
ꢨ ꢌꢍꢎꢂꢏꢍꢐ
+
ꢨ ꢞꢁꢟꢠꢡꢢꢟꢁ
ꢦꢧ
ꢪꢤ ꢦꢧ
ꢪꢤ
Figure 25.10 A Combined System Model – Một mô hình hệ kết hợp
Một hệ điều khiển tỷ lệ có thể được thực thi với logic bậc thang được chỉ ra
trong hình 25.11 và 25.12. Các phần logic bậc thang đầu tiên thiết đặt và đọc giá trị
đầu vào tương tự, đây là giá trị phản hồi.
Figure 25.11 Implementing a Proportional Controller with Ladder Logic
Thực thi một bộ điều khiển tỷ lệ với logic bậc thang
Hệ điều khiển có một nút start/stop. Khi hệ thống là kích hoạt B3/0 sẽ là bật, và
tính toán bộ điều khiển tỷ lệ sẽ được thực thi với các hàm SUB và MUL. Khi hệ này là
thôi kích hoạt hàm MOV sẽ đặt đầu ra thành không. Hàm BTW cuối cùng sẽ tiếp tục
đưa ra điện thế bộ điều khiển được tính toán.
Figure 25.12 Implementing a Proportional Controller with Ladder Logic
Thực thi một bộ điều khiển tỷ lệ với logic bậc thang
Bộ điều khiển này có thể có khả năng cập nhật vài lần một giây. Đây là một cân
nhắc thiết kế quan trọng – nhắc lại rằng Nyquist Criterion (tiêu chí Nyquist) yêu cầu
rằng phản hồi hệ thống thực sự là chậm hơn nhiều bộ điều khiển này. Bộ điều khiển
này sẽ chỉ được phù hợp cho các hệ mà chúng không thay đổi nhanh hơn một lần
một giây. (Ghi chú: giới hạn tốc độ là một giới hạn thực tế cho một bộ xử lý PLC-5
dựa trên các thời điểm cập nhật cho các đầu vào và các đầu ra tương tự). Điều này
cũng phải được xem xét nếu bạn lựa chọn để làm một phân tích số cho hệ điều khiển
này.
25.3.4 Những hệ điều khiển PID
Các bộ đạo hàm tích phân tỷ lệ (Proportional-Integral-Derivative - PID) là sự lựa
chọn bộ điều khiển thông dụng nhất. Phương trình bộ điều khiển cơ bản này được
chỉ ra trong hình 25.13. Phương trình này dùng lỗi hệ thống e, để tính toán một biến
điều khiển u. Phương trình dùng ba số hạng. Số hạng tỷ lệ, Kp, sẽ đẩy hệ theo hướng
phải. Số hạng đạo hàm, Kd, sẽ phản hồi một cách nhanh chóng các thay đổi. Số hạng
tích phân, Ki, sẽ phản hồi với các lỗi lâu dài. Giá trị của Kc, Ki, Kp có thể được lựa chọn,
hay được điều chỉnh, để nhận được một phản hồi hệ thống mong muốn.
ꢦꢭ
ꢮ
ꢬ = ꢜꢎꢭ + ꢜꢡ ꢭꢦꢧ + ꢜꢁ ꢥ
ꢨ
ꢦꢧ
Trọng lượng tương đối của các thành phần
Figure 25.13 PID Equation – Phương trình PID
Hình 25.14 chỉ ra một sơ đồ khối (một phần) cho một hệ mà nó bao gồm một
bộ điều khiển PID. Điểm đặt mong muốn cho hệ này là một bộ đo điện thế thiết đặt
một bộ chia điện thế. Một khối rầm sẽ trừ đầu vào và phản hồi các điện thế. Lỗi này
sau đó được chuyển qua các số hạng tỷ lệ, tích phân và đạo hàm; kết quả được tính
tổng với nhau. Một bộ khuyếch đại gia tăng năng lượng cho biến điều khiển u, để
điều khiển một động cơ. Động cơ này sau đó quay trục của một bộ đo điện thế khác,
cái này sẽ sinh ra một điện thế phản hồi tỷ lệ với vị trí của trục.
Figure 25.14 A PID Control System – Một hệ điều khiển PID
Nhắc lại hệ điều khiển hành trình của một xe hơi. Hình 25.15 chỉ ra các phương
trình khác nhau mà chúng có thể được dùng như là bộ điều khiển này.
Bộ điều khiển PID
ꢦꢰꢟꢢꢢꢱꢢ
ꢮ
ꢌꢯꢍꢠ = ꢜꢝꢰꢟꢢꢢꢱꢢ + ꢜꢡ ꢰꢟꢢꢢꢱꢢꢦꢧ + ꢜꢁ ꢥ
ꢨ
ꢦꢧ
Bộ điều khiển PI
ꢮ
ꢌꢯꢍꢠ = ꢜꢝꢰꢟꢢꢢꢱꢢ + ꢜꢡ ꢰꢟꢢꢢꢱꢢꢦꢧ
Bộ điều khiển PD
ꢦꢰꢟꢢꢢꢱꢢ
ꢌꢯꢍꢠ = ꢜꢝꢰꢟꢢꢢꢱꢢ + ꢜꢁ ꢥ
ꢨ
ꢦꢧ
Bộ điều khiển P
ꢌꢯꢍꢠ = ꢜꢝꢰꢟꢢꢢꢱꢢ
Figure 25.15 Different Controllers – Các bộ điều khiển khác nhau
Khi thực thi các phương trình này trong một chương trinh máy tính các phương
trình này có thể được viết lại như được chỉ ra trong hình 25. 16. Để làm tính toán
này, các giá trị lỗi và điều khiển trước phải được lưu lại. Tính toán này cũng yêu cầu
thời gian quét T giữa các cập nhật.
ꢜꢁ
ꢜꢁ
ꢜꢁ
ꢵ
ꢬꢲ = ꢬꢲꢳꢴ + ꢭꢲ ꢥꢜꢝ + ꢜꢡꢵ + ꢨ + ꢭꢲꢳꢴ ꢥ−ꢜꢝ − 2 ꢨ + ꢭꢲꢳꢛ
ꢥ
ꢨ
ꢵ
ꢵ
Figure 25.16 A PID Calculation – Một tính toán PID
Tính toán PID này là có sẵn như một hàm logic bậc thang, như được chỉ ra trong
hình 25.17. Nó có thể được dùng thay thế cho các hàm SUB và MUL trong hình 25.12.
Trong ví dụ này tính toán dùng biến phản hồi được lưu trong vị trí Proc (Proc
Location) (khi đọc từ đầu vào tương tự). Kết quả được lưu trong N7:2 (trở thành một
đầu ra tương tự). Khối điều khiển này dùng các tham số được lưu trong PD12:0 để
thực hiện các tính toán này. Hầu hết phần mềm lập trình PLC sẽ cung cấp các hộp
thoại để thiết đặt các giá trị này.
Ghi chú: Khi đưa chương trình logic bậc thang này vào máy tính bạn sẽ có thể
đưa vào các tham số PID trên một màn hình nảy lên.
Figure 25.17 PID Control Block – Khối điều khiển PID
Các bộ điều khiển PID cũng có thể được mua như các thẻ hay các mô đun độc
lập mà chúng sẽ thực hiện các tính toán PID trong phần cứng. Chúng là hữu ích khi
thời gian phản hồi phải nhanh hơn là có thể với một PLC và logic bậc thang.
25.4 CÁC TRƯỜNG HỢP THIẾT KẾ
25.4.1 Điều khiển nhiệt độ lò
Bài toán: Thiết kế một bộ điều khiển tương tự mà nó sẽ đọc một nhiệt độ lò
giữa 1200 độ F và 1500 độ F. Khi nó vượt quá 1500 độ lò này sẽ bị tắt, khi nó hạ
xuống dưới 1200 độ F nó sẽ lại được bật lên. Điện thế từ cặp nhiệt điện này được
truyền qua một bộ điều chế tín hiệu mà nó cho 1V tại 500 độ F và 3V tại 1500 độ F.
Bộ điều khiển này phải có một nút start và E-stop.
Giải pháp: Lựa chọn một thẻ 12 bit 1771-IFE và dùng một khoảng điện thế 0V
đến 5V trên kênh 1 với các đầu vào kết thúc đôi.
ꢊ − ꢊꢋꢡꢲ
ꢡꢲ
ꢊ = ꢷꢸꢵ ꢹꢥ
ꢨ ꢤꢻ = 819
ꢴꢶ
ꢊ
ꢋꢍꢺ − ꢊꢋꢡꢲ
R = 2N = 4096
ꢊ − ꢊꢋꢡꢲ
ꢡꢲ
ꢊ = ꢷꢸꢵ ꢹꢥ
ꢨ ꢤꢻ = 2458
ꢼꢶ
ꢊꢋꢍꢺ − ꢊꢋꢡꢲ
Các thẻ: I:000 – đầu vào tương tự
I:001 – Các đầu vào nguồn một chiều
I:002 – Các đầu ra nguồn một chiều
Figure 25.18 Oven Control Program – Chương trình điều khiển lò
25.4.2 Điều khiển mức nước trong bồn
Bài toán: Hệ trong hình 25.19 sẽ điều khiển độ cao của nước trong một bồn.
Đầu vào từ bộ chuyển đổi áp suất, Vp, sẽ thay đổi giữa 0V (bồn trống) và 5V (bồn
đầy). Một điện thế đầu ra, V0, sẽ định vị một van để thay đổi tốc độ làm đầy bồn này.
V0 thay đổi giữa 0V (không có nước) và 5V (nước đầy). Hệ này sẽ luôn là bật: dừng
khẩn cấp được kết nối bằng điện. Độ cao mong muốn của một bồn được xác định bởi
một điện thế khác, Vd. Điện thế đầu ra được tính toán bằng cách dùng V0 = 0,5(Vd -
Vp). Nếu điện thế đầu ra là lớn hơn 5V nó sẽ được làm thành 5V, và dưới 0V nó sẽ
được làm thành 0V.
Figure 25.19 Water Tank Level Controller - Bộ điều khiển mức nước trong bồn
GIẢI PHÁP:
Đầu vào tương tự: Chọn một thẻ 12 bit 1771-IFE và dùng khoảng 0V đến 5V
trên kênh 1 với các đầu vào kết thúc đôi.
R = 2N = 4096
Đầu ra tương tự: Chọn một thẻ 12 bit 1771-OFE và dùng khoảng 0V đến 5V
trên kênh 1.
Các thẻ: I:000 – đầu vào tương tự
I:001 – đầu ra tương tự
Bộ nhớ: N7:80 – Vd
Figure 25.20 A Water Tank Level Control Program
Một chương trình điều khiển mức nước trong bồn
Figure 25.21 A Water Tank Level Control Program
Một chương trình điều khiển mức nước trong bồn
25.4.3 Đo lường vị trí
- Một cảm biến tiếp xúc kết hợp với một cơ chế tự động để đo một kích thước
nào đó.
- Cảm biến này phải là dễ điều khiển. Tốc độ trụ tự động này phải đủ chậm để
chuyển động này có thể dừng lại với sự tuân thủ của cảm biến này.
- Chuyển động cho đến khi cảm biến chạm tới sau đó dừng và trở lại một cách
chậm chạp cho đến khi nhả ra.
- Được dùng cho các CMM.
25.5 TÓM TẮT
Các bộ điều khiển phản hồi tiêu cực làm cho một hệ liên tục là tin cậy.
Khi điều khiển một hệ liên tục với một bộ truyền động logic các điểm đặt có
thể được sử dụng.
Các sơ đồ khối có thể được dùng để mô tả các hệ được điều khiển.
Các sơ đồ khối có thể được chuyển sang các phương trình cho phân tích.
Các hệ truyền động liên tục có thể dùng các bộ điều khiển P, PI, PD, PID.
25.6 BÀI TẬP THỰC HÀNH
1. Gì là lợi thế của phản hồi trong một hệ điều khiển?
2. Bộ điều khiển PID có thể giải quyết các vấn đề độ chính xác trong một máy được
không?
3. Nếu một hệ điều khiển phải trả lời cho các lỗi kéo dài thời gian, nhưng không trả
lời các thay đổi bất ngờ, loại phương trình điều khiển gì phải được sử dụng?
4. Phát triển một chương trình logic bậc thang mà nó thực thi một bộ điều khiển PID
bằng cách sử dụng phương trình rời rạc.
5. Tại sao điều khiển logic hơi phổ biến khi điều khiển liên tục cho phép độ chính xác
hơn?
6. Thiết kế logic bậc thang hoàn chỉnh cho một hệ điều khiển mà nó thực thi phương
trình điều khiển dưới cho điều khiển tốc độ động cơ. Giả sử rằng tốc độ động cơ
được đọc từ một máy đo tốc độ, vào trong một thẻ đầu vào tương tự trong giá 0,
khe 0, đầu vào 1. Điện thế máy đo tốc độ sẽ giữa 0 và 8Vdc, cho các tốc độ giữa 0 và
1000 vòng một phút (rpm). Điện thế này đưa ra để điều khiển bộ điều khiển động cơ
được đưa ra từ một thẻ đầu ra tương tự trong giá 0, khe 1, đầu ra 1. Giả sử RPM
(vòng một phút) mong muốn này được lưu trong N7:0.
Vmotot = (rpmmoter - rpmdesired)0,02154
trong đó: Vmotor = Điện thế đưa ra động cơ
rpmmoter = Số vòng quay trên một phút của động cơ
rpmdesired = Số vòng quay trên một phút mong muốn của động cơ
7. Viết một chương trình điều khiển logic bậc thang để giữ một mức nước trong bồn
tại một độ cao cho trước. Hệ điều khiển này sẽ là kích hoạt sau khi nút Start được
bấm, nhưng nó có thể được dừng bởi một nút Stop. Độ cao nước này trong bồn
được đo với một cảm biến siêu âm mà cảm biến này sẽ đưa ra 10V tại độ sâu 1m, và
1V tại độ sâu 10cm. Một van điều khiển cuộn cảm sẽ đóng và mở để cho nước đi vào.
Điểm đặt độ cao nước được đặt trong N7:0, tính bằng cen ti mét, và độ cao thực tế
phải là ±5cm.
8. Thực thi một chương trình mà nó sẽ đưa vào (từ I:000) một điện thế tương tự Vi
và đưa ra (tới O:001) một nửa điện thế trên, Vi/2. Nếu điện thế đầu vào là giữa 3V và
5V đầu ra O:002/0 sẽ được bật. Kể cả các nút start và stop mà chúng sẽ bắt buộc
điện thế đầu ra này thành không khi không chạy. Đừng chỉ ra các bit mà chúng sẽ
được thiết đặt trong bộ nhớ, nhưng liệt kê các thiết đặt mà chúng phải được làm
cho các thẻ này (ví dụ: phạm vi điện thế).
25.7 GIẢI PHÁP CHO BÀI TẬP THỰC HÀNH
1. Điều khiển phản hồi, cụ thể hơn là phản hồi tiêu cực, có thể cải thiện độ tin cậy và
độ chính xác của một hệ điều khiển.
2. Một bộ điều khiển PID sẽ so sánh một điểm đặt và biến đầu ra. Nếu có một lỗi dai
dẳng, phần tích phân của bộ điều khiển này sẽ chỉnh đầu ra để giảm các lỗi kéo dài
thời gian.
3. Một bộ điều khiển PI.
5. Điều khiển logic là phổ thông hơn vì hệ này là dễ điều khiển hơn. Điều này có nghĩa
hoặc xảy ra, hay chúng không xảy ra. Nếu một hệ yêu cầu một hệ điều khiển liên tục
thì nó sẽ có chiều hướng không tin cậy, và thậm chí khi được điều khiển một giá trị rõ
ràng có thể là khó để lấy được. Sự cần thiết cho điều khiển cũng ngụ ý là hệ này yêu
cầu một vài độ chính xác, vì thế quá trình này sẽ có chiều hướng thay đổi, và là một
nguồn của các vấn đề điều khiển chất lượng.
6.
7.
8.
Tải về để xem bản đầy đủ
22 trang
09/05/2022
7821
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Hệ thống sản xuất tự động hóa với PLCs - Phần 25: Điều khiển liên tục", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- giao_trinh_he_thong_san_xuat_tu_dong_hoa_voi_plcs_phan_25_di.pdf
