Luận văn Thạc sĩ Kĩ thuật: Giải pháp nâng cao hệ số công suất Cos của động cơ đồng bộ công suất lớn

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:84

Thêm vào BST

Báo xấu

16
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài tiếp tục nghiên cứu ứng dụng các thuật toán điều khiển hiện đại này vào việc điều khiển tối ưu quá trình làm việc của động cơ đồng bộ công suất lớn nhằm khai thác tối đa ưu điểm và hạn chế đến mức tối thiểu những nhược điểm của loại động cơ này. Mời các bạn tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kĩ thuật: Giải pháp nâng cao hệ số công suất Cos của động cơ đồng bộ công suất lớn

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG LÊ THỊ HẢI YẾN GIẢI PHÁP NÂNG CAO HỆ SỐ CÔNG SUẤT COS CỦA ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ CÔNG SUẤT LỚN Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 8520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Thái Nguyên - 2020
ii ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG LÊ THỊ HẢI YẾN GIẢI PHÁP NÂNG CAO HỆ SỐ CÔNG SUẤT COS CỦA ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ CÔNG SUẤT LỚN Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 8520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS.TS. Nguyễn Hữu Công 2. TS. Vũ Ngọc Kiên Thái Nguyên - 2020
iii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dựa trên sự hướng dẫn của tập thể các nhà khoa học và các tài liệu tham khảo đã trích dẫn. Kết quả nghiên cứu là trung thực. Thái Nguyên, ngày 02 tháng 11 năm 2020 Học viên Lê Thị Hải Yến
iv MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN..................................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ....................................................... iv DANH MỤC CÁC BẢNG...................................................................................................... vi DANH MỤC CÁC HÌNH (HÌNH VẼ, ẢNH CHỤP, ĐỒ THỊ...) ....................................... vi MỞ ĐẦU.................................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN KINH ĐIỂN PID............ 4 1.1. Tổng quan về lý thuyết điều khiển kinh điển PID ............................................4 1.1.1. tổng quan về bộ điều khiển PID .................................................................4 1.1.2. phương pháp tổng hợp bộ điều khiển PID .................................................6 2.2. Tìm hiểu bộ điều khiển pid trong plc s7 1200 ..................................................9 2.2.1. giới thiệu plc s7 1200 .................................................................................9 2.2.2. bộ điều khiển pid trong plc s7 1200 .........................................................17 2.2.3. phương pháp khai báo và cài đặt bộ điều khiển PID_Compact ..............23 1.3. Kết luận chương 1 ...........................................................................................29 CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ CÔNG SUẤT LỚN .... 31 2.1 Tổng quan về điều khiển kích từ động cơ đồng bộ .........................................31 2.1.1 Tổng quan .................................................................................................31 2.1.2 Điều khiển kích từ động cơ đồng bộ ........................................................34 2.2 Mô hình toán của động cơ đồng bộ ................................................................ 35 2.2.1 Sơ đồ mạch điện thay thế và đồ thị véc tơ ................................................35 2.2.2 Công suất của động cơ đồng bộ ................................................................ 38 2.2.3 Sự ảnh hưởng của tải đối với dòng điện phần ứng, góc công suất và hệ số công suất ............................................................................................................39 2.3. Mô hình toán động cơ đồng bộ trên hệ trục tọa độ véc tơ không gian ...........42 2.3.1. Phương trình điện áp, từ thông và mô men của động cơ đồng bộ ...........42 2.3.2. Phương trình liên hệ điện áp và từ thông trong các biến tham chiếu .......50 2.3.3. Phương trình thay thế và mạch điện tương đương của Park ....................50 2.4 Kết luận chương 2 ........................................................................................ 51
v CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ĐỂ NÂNG CAO HỆ SỐ CÔNG SUẤT COS CHO ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ CÔNG SUẤT LỚN ........ 52 3.1. Đánh giá một số nghiên cứu trong và ngoài nước ..................................... 52 3.1.1. Một số nghiên cứu ngoài nước .................................................................52 3.1.2. Một số nghiên cứu trong nước .................................................................56 3.2. Xây dựng thuật toán điều khiển ................................................................. 59 3.2.1. Xây dựng cấu trúc điều khiển ..................................................................59 3.2.2. Xây dựng sơ đồ mô phỏng trên matlab simulink .....................................60 3.3. Thử nghiệm thuật toán trên mô hình thực nghiệm...................................... 67 3.3.1. Giới thiệu mô hình thực nghiệm ..............................................................67 3.3.2. Kết quả thực nghiệm ................................................................................71 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................................ 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................................... 74
vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT STT VIẾT TẮT ĐẦY ĐỦ Ý NGHĨA 1. N North Cực bắc 2. S South Cực nam 3. PF Power factor Hệ số công suất 4. SCR Semiconductor Controlled Bộ điều khiển chỉnh lưu bán Rectifier dẫn 5. FB Feedback Phản hồi 6. REF Reference Tham chiếu 7. SM Synchronous Machine Máy điện đồng bộ 8. PWM Pulse-width modulation Điều chế độ rộng xung 9. A/D Analog to Digital Chuyển đổi tương tự sang số 10. D/A Digital to Analog Chuyển đổi số sang tương tự 11. V/f Voltage/frequency Tỉ số điện áp/ tần số 12. PMSM Permanent Magnet Động cơ đồng bộ kích thích Synchronous Motor nam châm vĩnh cửu 13. BAKT Biến áp kích từ 14. CL1 Bộ chỉnh lưu 1 15. CL2 Bộ chỉnh lưu 2 16. HMI Human Machine Interface Màn hình giao tiếp người và máy 17. SCADA Supervisory control and Điều khiển giám sát và thu
vii data acquisition thập dữ liệu 18. SCR Silicon controlled rectifier Bộ chỉnh lưu bán dẫn 19. HSC High speed counter Đọc xung tốc độ cao
viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BẢNG Hình 1.1. Cấu trúc bộ điều khiển PID ......................................................................... 4 Hình 1.2. Đặc tính động của bộ điều khiển PID ......................................................... 5 Hình 1.3. Đáp ứng nấc của hệ hở có dạng S ............................................................... 7 Bảng 1.1: Các thông số của bộ điều khiển P, PI, PID theo phương pháp Zeigler- Nichols với hệ hở có đáng ứng đầu ra với các thông số ...................................... 7 KK Hình 1.4. Đáp ứng quá độ của hệ kín khi gh và tín hiệu vào dạng nấc ........... 8 Bảng 1.2: Của bộ điều khiển P, PI, PID theo phương pháp Zeigler-Nichols với hệ kín dạng chuẩn...................................................................................................... 8 Hình 1.5. PLC S7-1200 đi kèm phần mềm lập trình tự động hóa tích hợp ................ 9 Hinh 1.6. PLC S7 – 1200 và các module mở rộng .................................................. 11 Hinh 1.7. Hình dạng bên ngoài của S7 – 1200 (CPU 1212C) .................................. 12 Hình 1.8. Cấu trúc bên trong PLC S7 1200 .............................................................. 14 Hình 19. Hình ảnh một số loại Modul mở rộng của PLC S7 1200 .......................... 14 Hình 1.10. Sơ đồ nối dây cho CPU 1212C AC/DC/RLY ......................................... 15 Hình 1.11. Sơ đồ nối dây cho Modul mở rộng SM1232 AQ2x14bit........................ 16 Hình 1.12. Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển PID của PLC S7 1200 ............................. 18 Hình 1.13. Sơ đồ cấu trúc khối PIDT1 Anti Windup trong bộ điều khiển PID của PLC S7 1200 ..................................................................................................... 19 Hình 1.14. Sơ đồ khối làm việc của lệnh PID_Compact PLC S7 1200 .................. 20 Hình 1.15. Đặt tên Project ........................................................................................ 23 Hình 1.16. Chọn CPU phù hợp ................................................................................ 24 Hình 1.17. Khai báo khối chương trình ngắt xử lý PID ........................................... 24 Hình 1.18. Khai báo khối PID................................................................................. 24 Hình 1.19. Khai báo các đầu vào/ra cho khối PID theo yêu cầu công nghệ ............ 25 Hình 1.20. Cấu hình loại bộ điều khiển ................................................................... 25 Hình 1.21. Thiết lập loại tín hiệu vào/ra .................................................................. 26 Hình 1.22. Thiết lập mức cao và mức thấp của giá trị vật lý điều khiển ................. 26 Hình 1.23. Các tham số của bộ điều khiển............................................................... 27 Hình 1.24. Đặt địa chỉ cho PLC ................................................................................ 27 Hình 1.25. Đặt địa chỉ cho máy tính ........................................................................ 28 Hình 1.26. Tham số bộ điều khiển PID sau khi thiết kế (Kp = 0.02; Ti = 0.2; Td = 0.026) ......................................................................................................... 29
ix Hình 2.1. Các thành phần cấu tạo của Động cơ đồng bộ công suất lớn ................... 31 Hình 2.2. Stator của Động cơ đồng bộ ...................................................................... 31 Hình 2.3. Rotor cực lồi .............................................................................................. 32 Hình 2.4. Rotor cực ẩn .............................................................................................. 32 Hình 2.5. Hệ thống chổi than, vành trượt ................................................................. 33 Hình 2.6. Sự tương tác giữa từ trường quay và từ trường không đổi làm cho chúng đạt được tốc độ đồng bộ .......................................................................... 35 Hình 2.7. Sự hình thành từ trường quay trong máy điện 3 pha ................................ 36 Hình 2.8. Sự tương tác giữa từ trường Stator và từ trường Rotor............................. 37 Hình 2.9. Sơ đồ mạch điện thay thế một pha ............................................................ 37 Hình 2.10. Đồ thị véc tơ dòng – áp của động cơ đồng bộ ........................................ 38 Hình 2.11. Sơ đồ mạch điện thay thế và đồ thị véc tơ của động cơ đồng bộ khi bỏ qua điện trở phần ứng ......................................................................................... 38 Hình 2.12. Đồ thị véc tơ của động cơ đồng bộ khi tải thay đổi ................................ 40 Hình 2.13. Sự ảnh hưởng của nguồn kích từ đến hiệu suất làm việc........................ 40 Hình 2.14. Họ đường cong V của động cơ đồng bộ ................................................. 42 Hình 2.15 Máy điện đồng bộ hai cực, ba pha, nối sai, cực lồi [1] ............................ 43 Hình 3.1. Điều khiển kích từ động cơ đồng bộ có chổi than .................................... 52 Hình 3.2. Rotor của động cơ chổi than loại cực lồi .................................................. 53 Hình 3.3. Điều khiển kích từ động cơ đồng bộ không chổi than .............................. 53 Hình 3.4. Rotor của động cơ không chổi than loại cực lồi ....................................... 53 Hình 3.5. Sơ đồ cấu trúc điều khiển kích từ và ổn định hệ số Cos [23] ................. 54 Hình 3.6. Cấu trúc điều khiển và kết quả mô phỏng [24] ......................................... 54 Hình 3.7. Cấu trúc điều khiển và kết quả mô phỏng [25] ......................................... 55 Hình 3.8. Sơ đồ khối điều khiển kích từ của GE Multilin Inc ................................ 56 Hình 3.9. Sơ đồ nguyên lý của máy phát điện 3 pha ................................................ 56 Hình 3.10. Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu có điều khiển bơm dòng DC cho Rotor động cơ đồng bộ đến 3000kW .................................................................................... 57 Hình 3.11. Sơ đồ chức năng khối điều khiển pha xung ........................................... 58 Hình 3.12. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển kích từ của công ty cổ phần cơ điện tử ASO .................................................................................................................... 59 Hình 3.13. Cơ đồ cấu trúc của bộ điều chỉnh hệ số công suất .................................. 60 Hình 3.14. Lưu trình làm việc của hệ thống điều khiển kích từ động cơ đồng bộ công suất lớn....................................................................................................... 61
x Hình 3.15. Mô hình mô phỏng trên Matlab Simulink ............................................... 62 Hình 3.16. Thư viện máy điện đồng bộ trong Simulink ......................................... 62 Hình 3.17. Các khối chức năng bên trong mô hình mô phỏng máy điện đồng bộ ... 63 Hình 3.18. Khối tổng hợp tín hiệu cơ khí ................................................................ 63 Hình 3.19. Khối tổng hợp các tín hiệu điện .............................................................. 64 Hình 3.20. Khối tổng hợp các tín hiệu đo lường...................................................... 64 Bảng 3.1. Các thông số của tín hiệu khối đo lường .................................................. 65 Hình 3.21. Thông số bộ điều khiển PID .................................................................. 65 Bảng 3.2. Số liệu mô phỏng: ..................................................................................... 66 Hình 3.22. Kết quả mô phỏng khi bộ điều khiển tự động dò và ổn định giá trị Cosφ tối ưu................................................................................................................... 67 Bảng 3.3. Thông số kỹ thuật của động cơ trong mô hình thực nghiệm .................... 67 Hình 3.23 Động cơ đồng bộ 500kW ......................................................................... 68 Hình 3.24. Sơ đồ khối chức năng mô hình thực nghiệm động cơ đồng bộ 500kW.. 69 Hình 3.25. Tủ điều khiển kích từ động cơ đồng bộ 500kW ..................................... 70 Hình 3.26. Đặc tính ổn định giá trị Cos .................................................................. 72 Hình 3.27. Điện áp DC sau khối chỉnh lưu Thyristor ............................................... 72
1 MỞ ĐẦU I. Đặt vấn đề Động cơ đồng bộ công suất lớn chủ yếu được ứng dụng trong các trạm bơm, các máy nén khí cao áp trong ngành công nghiệp hoá chất. Ưu điểm của nó so với động cơ không đồng bộ có cùng công suất là: o Có hiệu suất cao hơn, có khả năng hoạt động ở Cos  1, điều này cho phép nâng cao hệ số Cos của lưới điện nhà máy và giảm kích thước, trọng lượng bản thân động cơ do dòng nhỏ hơn. o Độ nhạy với dao động điện áp nguồn thấp hơn do mô men cực đại tỷ lệ bậc nhất với điện áp. o Tần số quay không đổi và ít phụ thuộc vào dao động tải (trong một giới hạn cho phép nào đó) trên trục Rotor. Xong do có cấu tạo phức tạp và cần phải có nguồn kích từ phía Rotor nên việc điều khiển nó cũng khó khăn hơn so với động cơ không đồng bộ. Trong quá trình khởi động cần phải xác định được chính xác thời điểm để bơm dòng kích từ vào Rotor (Thời điểm “bắt” đồng bộ) và phải điều chỉnh dòng kích từ này sao cho ổn định được hệ số công suất Cos ở giá trị tối ưu để dòng Stator có giá trị nhỏ nhất, tổn hao ít nhất, an toàn cho động cơ và đem lại hiệu suất làm việc cao nhất. Nên động cơ đồng bộ yêu cầu chi phí vận hành cao hơn so với động cơ không đồng bộ. Trong quá trình làm việc cần điều khiển dòng kích từ sao cho hiệu suất làm việc của động cơ đạt MAX. Hiệu suất làm việc của động cơ phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: Hệ số công suất Cos, dòng điện Stator, Mômen cản của tải MC … Về lý thuyết, động cơ đồng bộ có thể đạt Cos = 1, tuy nhiên trong thực tế Cos  1 (thông thường Cos < 0,98  0,99). Nếu bơm thừa dòng kích từ vào Rotor động cơ bị quá kích từ dẫn đến phát công suất phản kháng Q, Nếu bơm thiếu kích từ vào Rotor, động cơ bị non kích từ dẫn đến tiêu thụ công suất phản kháng. Do vậy cần phải có thuật toán điều
2 khiển dòng kích từ này để nâng cao và ổn định được hệ số công suất Cos theo giá trị tối ưu. Trong những năm gần đây, với sự phát triển mạnh mẽ của lý thuyết điều khiển, các thuật toán điều khiển tối ưu đã được nghiên cứu và ứng dụng rất nhiều vào thực tế, trong đó có lĩnh vực điều khiển truyền động điện nói chung và điều khiển động cơ đồng bộ nói riêng. Đề tài tiếp tục nghiên cứu ứng dụng các thuật toán điều khiển hiện đại này vào việc điều khiển tối ưu quá trình làm việc của động cơ đồng bộ công suất lớn nhằm khai thác tối đa ưu điểm và hạn chế đến mức tối thiểu những nhược điểm của loại động cơ này. II. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết điều khiển kinh điển PID - Động cơ đồng bộ và một số phương pháp điều khiển kích từ động cơ đồng bộ - PLC S7 1200 và phần mềm TIA Portal - Xây dựng thuật toán nhằm nâng cao và ổn định hệ số công suất Cos III. Hướng nghiên cứu của đề tài - Nghiên cứu lý thuyết liên quan đến đề tài: Lý thuyết điều khiển kinh điển PID - Xây dựng thuật toán nhằm nâng cao và ổn định hệ số công suất Cos - Xây dựng mô hình toán động cơ đồng bộ - Cài đặt và thử nghiệm thuật toán trên mô hình đối tượng thực. IV. Những nội dung nghiên cứu chính Luận văn dự kiến được chia làm 03 chương: Đề tài tập trung nghiên cứu một số nội dung chính sau: CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN KINH ĐIỂN PID CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ CÔNG SUẤT LỚN CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ĐỂ NÂNG CAO HỆ SỐ CÔNG SUẤT Cos CHO ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ CÔNG SUẤT LỚN
3 V. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết: Khai thác các nghiên cứu lý thuyết về PID, lý thuyết điều khiển mờ, nhằm xây dựng và mô phỏng thành công thuật toán điều khiển nhằm nâng cao và tự động ổn định hệ số công suất Cos cho đồng bộ động cơ đồng bộ công suất lớn. Thực nghiệm: Cài đặt thuật toán vào hệ thống điều khiển kích từ động cơ đồng bộ công suất lớn tại nhà máy, xí nghiệp tại tại các tỉnh phía Bắc Việt Nam. VI. Ý nghĩa khoa học của đề tài Kết quả nghiên cứu của luận văn sẽ đóng góp vào việc cải tiến thiết bị công nghệ, nâng cao chất lượng làm việc của hệ thống truyền động công suất lớn sử dụng động cơ đồng bộ ba pha công suất lớn.
4 1 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN KINH ĐIỂN PID 1.1. TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN KINH ĐIỂN PID 1.1.1. Tổng quan về bộ điều khiển PID Tên gọi PID là chữ viết tắt của ba thành phần cơ bản có trong bộ điều khiển gồm khâu khuếch đại (P), khâu tích phân (I) và khâu vi phân (D). Người ta vẫn thường nói rằng PID là một tập thể hoàn hảo gồm ba tính cách khác nhau: - Phục tùng và thực hiện chính xác nhiệm vụ được giao (tỷ lệ) - Làm việc và có tích lũy kinh nghiệm để thực hiện tốt nhiệm vụ (tích phân) - Luôn có sáng kiến và phản ứng nhanh nhạy với sự thay đổi tình huống trong quá trình thực hiện nhiệm vụ (vi phân) Hình 1.1. Cấu trúc bộ điều khiển PID Bộ điều khiển PID được sử dụng khá rộng rãi để điều khiển đối tượng SISO theo nguyên lý hồi tiếp. Lý do bộ PID được sử dụng rộng rãi vì tính đơn giản của nó cả về cấu trúc lẫn nguyên lý làm việc. Bộ PID có nhiệm vụ đưa sai lệch e(t) của hệ thống về 0 sao cho quá trình quá độ thỏa mãn các yêu cầu cơ bản về chất lượng: - Triệt tiêu sai số xác lập - Giảm thời gian xác lập và độ vọt lố.
5 - Hạn chế dao động Quan hệ vào/ra của bộ điều khiển được thể hiện bằng biểu thức: Hình 1.2. Đặc tính động của bộ điều khiển PID Chất lượng hệ thống phụ thuộc vào các tham số Kp, TI, Td. - Thành phần khuếch đại (Kp) có tác dụng làm tăng tốc độ đáp ứng của hệ, và làm giảm, chứ không triệt tiêu sai số xác lập của hệ. Muốn giảm nhỏ sai lệch tĩnh phải tăng hệ số Kp nhưng khi đó tính dao động của hệ thống sẽ tăng lên và hệ thống dễ mất ổn định. - Thành phần tích phân TI tạo thành tín hiệu chậm sau có thể đảm bảo được độ chính xác trạng thái ổn định, nhưng lại bị hạn chế về độ nhạy.
6 - Thành phần vi phân Td tạo thành tín hiệu vượt trước, tăng nhanh tốc độ tác động (nhanh hơn cả quy luật tỉ lệ), nhưng thành phần vi phân sẽ phản ứng với các nhiễu cao tần có biên độ nhỏ và không làm giảm sai lệch dư đồng thời độ chính xác trạng thái ổn định lại bị ảnh hưởng. Vì vậy chỉ sử dụng ở những nơi đòi hỏi độ nhạy tác động nhanh (điều khiển tay máy). 1.1.2. Phương pháp tổng hợp bộ điều khiển PID Muốn hệ thống có được chất lượng như mong muốn thì phải phân tích đối tượng rồi trên cơ sở đó chọn các tham số phù hợp. Hiện có khá nhiều các phương pháp xác định các tham số Kp, TI, Td cho bộ điều khiến PID, song tiện ích hơn cả trong ứng dụng vẫn là: - Phương pháp Ziegler – Nechols - Phương pháp Chien –Hrones –Reswick - Phương pháp tổng T của Kuhn - Phương pháp tối ưu độ lớn và phương pháp tối ưu đối xứng - Phương pháp tối ưu thế sai lệch bám Phương pháp thực nghiệm Zeigler-Nichols Đây là phương pháp phổ biến nhất để chọn thông số cho bộ điều khiển PID thương mại hiện nay. Phương pháp này dựa vào thực nghiệm để thiết kế bộ điều khiển P, PI, PID bằng cách dựa vào đáp ứng quá độ của đối tượng điều khiển. Zeigler và Nichols đã đưa ra hai cách chọn thông số bộ điều khiển PID tuỳ theo đặc điểm của đối tượng. Cách 1: Dựa vào đáp ứng quá độ của hệ hở, áp dụng cho các đối tượng có đáp ứng dạng chữ S đối với tín hiệu vào là hàm nấc như hình 2.3.  Ls k S(s)  e 1  Ts
7 Hình 1.3. Đáp ứng nấc của hệ hở có dạng S Khi đó ta có thể xác định các thông số của bộ điều khiển P, PI, PID theo bảng sau: Bảng 1.1: Các thông số của bộ điều khiển P, PI, PID theo phương pháp Zeigler-Nichols với hệ hở có đáng ứng đầu ra với các thông số: Thông số Ti TD BĐK P T2 (T1K )  0 PI 0.9T2 (T1K ) T1 0.3 0 PID 1.2T2 (T1K ) 2T1 0.5T1 Cách 2: Dựa vào đáp ứng quá độ của hệ kín dạng chuẩn (Phản hồi bằng -1), áp dụng cho các đối tượng có khâu tích phân lý tưởng. Đáp ứng quá độ (hệ hở) của các đối tượng có khâu tích phân lý tưởng không có dạng như hình 3.1 mà tăng đến vô cùng. Đối với các đối tượng thuộc loại này ta chọn thông số bộ điều khiển PID dựa vào đáp ứng quá độ của hệ kín như hình 2.4. Tăng dần hệ số khuyếch đại K đến giá trị K gh giới hạn , khi đó đáp ứng ra của hệ kín ở trạng thái xác lập là dao động ổn định Tgh với chu kỳ .
8 K  K gh Hình 1.4. Đáp ứng quá độ của hệ kín khi và tín hiệu vào dạng nấc Khi đó thông số của bộ điều khiển P, PI, PID được xác định như sau: Bảng 1.2: Của bộ điều khiển P, PI, PID theo phương pháp Zeigler-Nichols với hệ kín dạng chuẩn Thông số Ti TD BĐK P 0.5K gh  0 PI 0.45K gh 0.83Tgh 0 PID 0.6 K gh 0.5Tgh 0.125Tgh Trong khuôn khổ của luận văn này, ta sử dụng thuật toán PID có sẵn của PLC S7 1200 và sử dụng phương pháp thực nghiệm Zeigler – Nichols để lựa chọn tham số của bộ điều khiển PID.
9 2.2. TÌM HIỂU BỘ ĐIỀU KHIỂN PID TRONG PLC S7 1200 2.2.1. Giới thiệu PLC S7 1200 a. Tổng quan về PLC S7 1200 PLC SIMATIC S7 1200 là một đề nghị mới của SIEMENS cho các nhiệm vụ tự động hóa với chính xác cao. PLC SIMATIC S7 1200 được thiết kế dạng module nhỏ gọn, linh hoạt, một sự đầu tư an toàn mạnh mẽ phù hợp cho một loạt các ứng dụng. PLC S7 1200 có một giao diện truyền thông đáp ứng tiêu chuẩn cao nhất của truyền thông công nghiệp và đầy đủ các tính năng công nghệ mạnh mẽ (Technology Function) tích hợp sẵng làm cho nó trở thành một giải pháp tự động hóa hoàn chỉnh và toàn diện. PLC S7 1200 bao gồm 4 phiên bản với nhiều tùy chọn cho người dùng (CPU 1211C, CPU 1212C, CPU 1214C và CPU 1215C), Tất cảc ác dòng CPU của Serial S7 1200 đều tíchh Hợp giao tiếp Ethernet và cũng có thể mở rộng giao diện truyền thông khác như RS232, RS485, Profibus, AS-I. Trên các CPU này đều tích hợp sẵn các cổng vào ra số DI/DO và 2 cổng vào Analog AI với độ phân giải 10bit S7-1200 sử dụng chung một phần mềm TIA PORTAL 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). Hình 1.5. PLC S7-1200 đi kèm phần mềm lập trình tự động hóa tích hợp
10 Các tính năng nổi bật của SIMATIC S7-1200: - Cổng truyền thông Profinet (Ethernet) được tích hợp sẵn:  Dùng để kết nối máy tính, với màn hình HMI hay truyền thông PLC- PLC  Dùng kết nối với các thiết bị khác có hỗ trợ chuẩn Ethernet mởĐầu nối RJ45 với tính năng tự động chuyển đổi đấu chéo  Tốc độ truyền 10/100 Mbits/s  Hỗ trợ 16 kết nối ethernet, TCP/IP, ISO on TCP, và S7 protocol - Các tính năng về đo lường, điều khiển vị trí, điều khiển quá trình:  6 bộ đếm tốc độ cao (high speed counter) dùng cho các ứng dụng đếm và đo lường, trong đó có 3 bộ đếm 100kHz và 3 bộ đếm 30kHz  2 ngõ ra PTO 100kHz để điều khiển tốc độ và vị trí động cơ bước hay bộ lái servo (servo drive)  Ngõ ra điều rộng xung PWM, điều khiển tốc độ động cơ, vị trí valve, hay điều khiển nhiệt độ...  16 bộ điều khiển PID với tính năng tự động xác định thông số điểu khiển (auto-tune functionality) - Thiết kế linh hoạt:  Mở rộng tín hiệu vào/ra bằng board tín hiệu mở rộng (signal board), gắn trực tiếp phía trước CPU, giúp mở rộng tín hiệu vào/ra mà không thay đổi kích thước hệ điều khiển  Mỗi CPU có thể kết nối 8 module mở rộng tín hiệu vào/ra  Ngõ vào analog 0-10V được tích hợp trên CPU  3 module truyền thông có thể kết nối vào CPU mở rộng khả năng truyền thông, vd module RS232 hay RS48550KB work memory, 2MB load memory  Card nhớ SIMATIC, dùng khi cần rộng bộ nhớ cho CPU, copy chương trình ứng dụng hay khi cập nhật firmware