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


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

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

cl
=19 74
Hình 3.10. Đá p ƣ́ ng dò ng điệ n khi K
cl
=17 75
Hình 3.11. Đá p ƣ́ ng dò ng điệ n khi K
cl
=17 và khi K
cl
=22 75
Hình 3.12. Mô hình vòng điều chỉnh tốc độ của ĐCMC 76
Hình 3.13. Đá p ƣ́ ng tố c độ trong vù ng liên tụ c 77
Hình 3.14. So sá nh vậ n tố c đặ t và đá p ƣ́ ng tố c độ trong vù ng liên tụ c 77
Hình 3.17. Mô hình mạ ch điề u khiể n dung chỉnh tốc độ của ĐCMC 83
Hình 3.18. Đá p ƣ́ ng tố c độ khi có bộ điề u khiể n mờ 83
Hình 3.19. Đá p ƣ́ ng so sá nh bộ điề u khiể n tố c độ bộ PID và bộ điề u khiể n
Fuzzy-PID 84
Hình 4.1: Khai bá o biế n ngôn ngƣ̃ và o/ ra 86
Hình 4.2. Cửa sổ soạn thảo biến ngôn ngữ vào ra và luật hợp thành 86
Hình 4.3. Cƣ̉ a sổ soạn thảo các hàm liên thuộc của đầu vào K
cl
87
Hình 4.4. Cƣ̉ a sổ soạ n thả o cá c hà m liên thuộ c đầ u ra K
p
87
Hình 4.5. Màn hình soạn thảo luật điều khiển 88
Hình 4.6. Quan hệ và o/ra củ a bộ điề u khiể n mờ dạ ng hì nh khố i. 89
Hình 4.8: Kế t nố i cá c khố i trong Simatic đế n module mờ (Fuzzy module) 89
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

hoạt các thuật toán điều khiển số thông qua một ngôn ngữ lập trình, thay cho việc
thể hiện thuật toán đó bằng mạch số. Như vậy với chương trình điều khiển trong
mình, PLC trở thành một bộ điều khiển số nhỏ gọn, dể thay đổi thuật toán và đặc
biệt là dễ trao đổi thông tin với môi trường xung quanh (với các PLC khác hoặc
máy tính khác). Toàn bộ chương trình điều khiển được lưu trong bộ nhớ của PLC
10
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

dưới dạng các khối chương trình (khối OB, FC hoặc FB) và được thực hiện theo
chu kỳ của vòng quét
Để có thể thực hiện được một chương trình điều khiển, tất nhiên PLC phải có
tính năng như một máy tính, nghĩa là nó phải có một bộ vi xứ lý (CPU), một hệ điều
hành, bộ nhớ để lưu trữ chương trình điều khiển, dữ liệu và các cổng vào/ra để giao
tiếp với các dối tượng điều khiển và trao đổi thông tin với môi trường xung quanh.

Hình 1.1.Nguyên lý chung về cấu trúc bộ điều khiển khả trình PLC
Memory
CPU
Cảm biến, cơ cấu chấp hành
AD/DA
Công suất
I/O
11
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 1.2. Hệ thống điều khiển sử dụng PLC
1.2 PHÂN LOẠI PLC
PLC được phân loại theo 2 cách sau
 Hãng sản xuất: Gồm các nhãn hiệu như Siemen, Omron, Misubishi,


Hình 1.5. Ngôn ngữ lập trình FBD
Đây là ngôn ngữ đồ họa thích hợp với người quen thiết kế mạch điều khiển số.
1.3.4. Ngôn ngữ GRAPH
Đây là ngôn ngữ lập trình cấp cao dạng đồ họa. Cấu trúc chương trình rỏ ràng,
chương trình ngắn gọn. Thích hợp với người trong ngành cơ khí vốn quen với giản
đồ Grafcet của khí nén.

Hình 1.6. Ngôn ngữ lập trình GRAPH
14
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

1.3.5. Ngôn ngữ High GRAPH

Hình 1.7. Ngôn ngữ lập trình high GRAPH

Đây là ngôn ngữ được phát triển từ ngôn ngữ GRAPH
1.4. CẤU TRÚC PHẦN CỨNG PLC S7-300
1.4.1. Các tính năng của PLC S7-300
 Hệ thống điều khiển Module nhỏ gọn cho các ứng dụng trong phạm vi trung
bình.
 Có nhiều loại CPU.
 Có nhiều Module mở rộng.
 Có thể mở rộng đến 32 Module.
 Các Bus nối tích hợp phía sau các Module.
 Có thể nối mạng Multipoint Interface (MPI), Profibus hoặc Industrial
Ethernet.
 Thiết bị lập trình trung tâm có thể truy cập đến các Module.
 Không hạn chế rãnh.
 Cài đặt cấu hình và thông số với công cụ trợ giúp “HW-Config”

 DO (Digital Out): Module mở rộng các cổng ra số với số lượng cổng
có thể là 8, 16 hoặc 32 tùy theo từng loại module. Gồm 24V/DC và
ngắt điện từ.
 DI/DO (Digital Input/Digital Output): Module mở rộng các cổng
vào/ra số với số lượng cổng có thể là 8 vào/8 ra, 16 vào/16 ra tùy theo
từng loại module.
 AI (Analog Input): Module mở rộng các cổng vào tương tự. Về bản
chất chúng là những bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số
có độ dài 12 bits. Số các cổng vào tương tự có thể là 2, 4 hoặc 8 tùy
theo từng loại module. Tín hiệu vào có thể là điện áp, dòng điện hay
điện trở.
 AO (Analog Output): Là module mở rộng các cổng ra tương tự.
Chúng là những bộ chuyển đổi tín hiệu số thành tín hiệu tương tự 12
bits Số các cổng ra tương tự có thể là 2, 4 hoặc 8 tùy theo từng loại
module. Tín hiệu ra có thể là điện áp, dòng điện.
 IM (Interface Module): Module ghép nối. Đây là loại module chuyên dụng
có nhiệm vụ nối từng nhóm các module mở rộng lại với nhau thành một khối
và được quản lý chung bởi CPU. Thông thường các module mở rộng được gá
trên một thanh đở gọi là rack. Trên mỗi thanh rack chỉ có thể gá tối đa 8
module mở rộng. Mỗi module CPU S7-300 có thể làm việc trực tiếp với
nhiều nhất là 4 racks và các rack này được nối với nhau bằng module IM.
17
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 1.9. Sơ đồ phân bố các rack

 CP (Communication Module): Module phục vụ truyền thông trong mạng
(MPI, PROFIBUS, Industrial Ethernet) giữa các PLC với nhau hoặc giữa
PLC với máy tính

FB41 “CONT_C” được sử dụng để điều khiển các quá trình kỹ thuật với các biến
đầu vào và đầu ra tương tự trên cơ sở thiết bị khả trình Simatic. Trong khi thiết lập
tham số, có thể tích cực hoặc không tích cực một số thành phần chức năng của bộ
điều khiển PID cho phù hợp với đối tượng.
 Điều khiển bước với FB42 “CONT_S”
FB42 ”CONT_S ” là một module mềm được tích hợp sẵn trong phần mềm
STEP7.FB42 “CONT_S” được sử dụng trên cơ sở Simatic S7-300 để điều khiển các
đối tượng kỹ thuật với đầu ra của bộ điều khiển là tín hiệu số.Tín hiệu số hoàn toàn
thích hợp đối với các cơ cấu chấp hành kiểu tích phân. Trong thiết lập tham số, thì
người thiết kế có thể tích cực hoặc không tích cực bộ điều khiển PI bước cho phù
19
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

hợp với yêu cầu của bài toán đặt ra. Ta có thể sữ dụng FB42 như bộ điều khiển theo
luật PI với tín hiệu chủ đạo đặt trước hoặc có thể sử dụng nó trong mạch vòng điều
khiển phụ trong hệ thống thiết kế dựa trên nguyên tắc điều khiển cascade. Chức
năng của bộ điều khiển này hoàn toàn tuân theo thuật điều khiển PI với tín hiệu quá
trình là tín hiệu tương tự và tín hiệu ra của bộ điều khiển là tín hiệu số.
 Khối hàm tạo xung FB43 “PULSEGEN”
Khối hàm FB43”PULSEGEN” có tác dụng hổ trợ việc thiết kế một bộ điều
khiển PID hai hoặc ba vị trí với bộ tạo xung theo nguyên tắc điều biên. Nó biến đổi
tín hiệu đầu vào INV dạng số thực thành một dãy xung có chu kỳ cố định và độ
rộng tương ứng với độ lớn đầu vào.
Khối hàm FB43 “PULSEGEN” thường sử dụng cùng với FB41 “CONT_C”
để có bộ điều khiển PID với tín hiệu đầu ra dạng xung.
1.5 CHƢƠNG TRÌNH FCPA
1.5.1. Chuẩn bị một Project cho việc khai báo bộ điều khiển mờ bằng FCPA
Chương trình FCPA (Fuzzy Control Parameter Assignment) là phần mềm hỗ
trợ việc tạo lập bộ điều khiển mờ cho PLC Simatic S7-300. Nó được tích hợp vào
PLC S7-300 để điều khiển đối tượng theo trình tự các bước như sau:

INPUT4 := //
INPUT5 := //
INPUT6 := //
INPUT7 := //
INPUT8 := // Chỉ gán ngôn ngữ cho những biến đầu vào
OUTPUT1 := // Chỉ gán những giá trị cho biến đầu ra
OUTPUT2 := //
OUTPUT3 := //
OUTPUT4 := // Chỉ gán những giá trị cho biến đầu ra
21
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

INFO := // Thanh ghi báo trạng thái của FB30
1.5.3. Thanh ghi báo trạng thái làm việc của FB30
Giá trị trả về có tên INFO với kích thước một byte là mã báo trạng thái thực
hiện công việc của khối hàm FB30. Nó được quy định như sau:
B#16#00 Khối hàm FB30 đã thực hiện bình thường
B#16#01 Khối hàm FB30 không được thực hiện. Giá trị trả về
ở đầu ra vẫn là giá trị cũ
B#16#11 Không tìm thấy khối DB mờ đã chỉ thị. Có thể khối
DB mờ này không được đổ vào CPU
B#16#21 Khối dữ liệu DB mờ được gọi theo hàm FB30 không
cùng kích thước về biến vào ra.
1.6. TẬP LỆNH CỦA S7-300
1.6.1 Bảng lệnh của PLC S7 – 300 (Siemens)
TT
Tên lệnh
Mô tả
1
+ n

quả để ở ACCU1
9
/D
Chia số nguyên 32 bit ở ACCU2 cho số nguyên 32 bit
ở ACCU1 kết quả để ở ACCU1
10
▪▪ D
So sánh hai số nguyên 32 bit ở ACCU1 và ACCU2 có
bằng nhau không
11
<> D
So sánh hai số nguyên 32 bit ở ACCU1 và ACCU2 có
khác nhau không
12
> D
So sánh số nguyên 32 bit ở ACCU2 có lớn hơn số
nguyên 32 bit ở ACCU1 không
13
<D
So sánh số nguyên 32 bit ở ACCU2 có nhỏ hơn số
nguyên 32 bit ở ACCU1 không
14
>▪D
So sánh số nguyên 32 bit ở ACCU2 có lớn hơn hay
bằng số nguyên 32 bit ở ACCU1 không
15
<▪D
So sánh số nguyên 32 bit ở ACCU2 có nhỏ hơn hay
bằng số nguyên 32 bit ở ACCU1 không
16

23
<1
So sánh số nguyên 16 bit ở ACCU2 có nhỏ hơn số
nguyên 16 bit ở ACCU1 không
24
>▪1
So sánh số nguyên 16 bit ở ACCU2 có lớn hơn hay
bằng số nguyên 16 bit ở ACCU1 không
25
<▪1
So sánh số nguyên 16 bit ở ACCU2 có nhỏ hơn hay
bằng số nguyên 16 bit ở ACCU1 không
26
+R
Cộng hai số thực 32 bit ở ACCU1 và ACCU2, kết quả
để ở ACCU1.
27
-R
Trừ hai số thực 32 bit ở ACCU1 và ACCU2, kết quả để
ở ACCU1.
28
*R
Nhân hai số thực 32 bit ở ACCU1 và ACCU2, kết quả
để ở ACCU1.
29
/R
Chia hai số thực 32 bit ở ACCU1 và ACCU2, kết quả
để ở ACCU1.
30
▪▪ R

A(
Thực hiện lệnh AND giữa nội dung của RLO với phép
toán trong ngoặc (đơn vị bit) kết quả nạp vào RLO.
38
ABS
Lấy trị tuyệt đối của số thực 32 bit
39
AD
Thực hiện lệnh AND giữa nội dung trong ACCU1 và
ACCU2 kết quả để ở ACCU1 (32 bit)
40
AN n
Thực hiện lệnh AND giữa nội dung của RLO với giá trị
nghịch đảo của điểm n (đơn vị bit) chỉ dẫn trong lệnh,
kết quả ghi vào RLO.
41
AN(
Thực hiện lệnh AND giữa nội dung của RLO với giá trị
nghịch đảo của biểu thức trong ngoặc (có đóng ngoặc),
kết quả ghi vào RLO.
42
AW
Thực hiện lệnh AND giữa nội dung trong ACCU1 và
ACCU2 kết quả để ở ACCU1 (16 bit)
43
BEC
Lệnh kết thúc có điều kiện giữa khối (RLO:I)
44
BEU
Lệnh kết thúc khối không điều kiện, không phụ thuộc

Số đếm giảm 1 đơn vị tại sườn lên của RLO, sau đó
không phụ thuộc vào RLO nữa
54
CDB
Chuyển khối dữ liệu chung thành khối dữ liệu riêng
55
CLR
Xóa RLO (RLO = 0)
56
CU
Số đếm tăng 1 đơn vị tại sườn lên của RLO, sau đó
không phụ thuộc vào RLO nữa
57
DEC
Giảm nội dung của ACCU1 đi một đơn vị
58
DTB
Đổi số nguyên 32 bit thành dạng mã BCD
59
DTR
Đổi số nguyên 32 bit thành số thực
60
IN
Chọn lấy sườn âm của RLO
61
FP
Chọn lấy sườn dương của RLO
62
FR T
Khởi động bộ thời gian TIME cả khi không có biến đổi