Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 1 Chuyên ngành: Tự động hóa
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 DOCBHDKH: PGS.TS. Lại Khắc Lãi - HVTH: Nguyễn Văn Sum
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
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

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 2 Chuyên ngành: Tự động hóa
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

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 7
MỞ ĐẦU 12
CHƯƠNG 1 15
TỔNG QUAN VỀ PLC S7-300 15
1.1. Lịch sử phát triển của PLC 15
1.2. Phân loại 17
1.3. Giới thiệu các ngôn ngữ lập trình 17
1.4. Cấu trúc phần cứng PLC S7-300 20
1.4.2. Khối xử lí trung tâm (CPU Hình 1.10) 21
1.4.5. Module mềm PID (Hình 1.13) 23
1.4.6. Module mờ (Fuzzy hình 1.14) 24
1.5. Tập lệnh của S7-300 26
1.6. Phạm vi ứng dụng và các ưu nhược điểm 28
1.6.1. Phạm vi ứng dụng 28
1.6.2. Ưu nhược điểm 28
1.7. Kết luận Chương 1 29
CHƯƠNG 2 29
TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN MỜ VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 29
2.1. Lịch sử phát triển 29
2.2. Điều khiển mờ 30
2.2.1. Sơ đồ khối của hệ điều khiển mờ 30
2.2.1.1.Khối mờ hoá 31
2.2.1.2.Khối hợp thành (Inference Mechanism) 32
2.2.1.3.Khối luật mờ (Rule-base) 32
2.2.1.4.Khối giải mờ (Defuzzifier) 32
2.2.2. Phân loại điều khiển mờ 34
2. 3. Điều khiển mờ nâng cao 37
2.3.1. Hệ điều khiển thích nghi mờ 37
3.4.1.3. Biến dòng 59
3.4.1.4. Máy phát tốc 59
3.4.1.5. Cảm biến vị trí 59
3.4.2. Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng (RI) 59
3.4.3. Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ () 62
3.4.4. Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh vị trí () 65CBHDKH: PGS.TS. Lại Khắc Lãi - HVTH: Nguyễn Văn Sum

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 6 Chuyên ngành: Tự động hóa
3.5. Tính phi tuyến của bộ điều khiển vị trí 68
3.6. Xây dựng hệ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID để
điều chỉnh cánh tay Robot 2DOF 69
3.6.1. Đặt vấn đề 69
3.6.2. Tổng hợp mô hình bộ điều khiển mờ chỉnh định bộ tham số PID .70
3.6.2.1. Biến ngôn ngữ và miền giá trị của nó 71
3.6.2.2. Xác định hàm liên thuộc (membership function) 73
3.6.2.3. Xây dựng các luật điều khiển 77
3.6.2.4. Luật hợp thành 80
3.7. Kết quả mô hình hóa, mô phỏng 81
3.7.1. Hệ thống điều khiển tay máy sử dụng bộ điều khiển PID 81
3.7.1.1. Mô hình simulink của hệ thống 81
3.7.1.2. Kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển tay máy hai bậc tự do
dùng PID 83
(Với trường hợp khối lượng tải Mt=0; moment quán tính tải Jt=0)
83
3.7.2. Hệ thống điều khiển tay máy sử dụng hệ điều khiển mờ chỉnh định
thông số bộ PID 90
3.7.2.1. Mô hình simulink hệ thống bộ điều khiển mờ (Fuzzy logic) 90

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 117
1.KẾT LUẬN 117
2.KIẾN NGHỊ 118
TÀI LIỆU THAM KHẢO 118
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Thông số của module mờ 25
Bảng 3.1: Dịch chuyển theo quĩ đạo và theo điểm đến điểm của cánh tay robot
45
Bảng 3.2: Thông số vật lý của cánh tay robot 2DOF 46
Bảng 3.3: Các thông số của động cơ điện một chiều 55
Bảng 3.4: Luật điều khiển Hesokp 77
Bảng 3.5: Luật điều khiển Hesokd 77
Bảng 3.6: Luật điều khiển xây dựng bằng MATLAB 77
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Sơ đồ khối của PLC 16
Hình 1.2: Hệ thống điều khiển sử dụng PLC 16
Hình.1.3 17
Hình 1.4 18
Hình 1.5 18CBHDKH: PGS.TS. Lại Khắc Lãi - HVTH: Nguyễn Văn Sum

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 8 Chuyên ngành: Tự động hóa
Hình 1.6 19
Hình 1.7: Ngôn ngữ được phát triển từ ngôn ngữ GRAPH 19
Hình 1.8: Cấu trúc của PLC S7- 300 21
Hình 1.13 23
Hình 1.14 Module Fuzzy giao tiếp với PLC S7-300 25
Hình 2.1: Sơ đồ khối bộ điều khiển mờ 31

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 9 Chuyên ngành: Tự động hóa
Hình 3.24: Mô hình rời rạc hóa hàm liên thuộc trapmf của biến et, det 73
Hình 3.25: Mô hình hàm liên thuộc trapmf của biến Hesokp , Hesokd 73
Hình 3.26: Xác định tập mờ cho biến vào et 74
Hình 3.27: Xác định tập mờ cho biến vào det 74
Hình 3.28: Xác định tập mờ cho biến ra Hesokp 75
Hình 3.29: Xác định tập mờ cho biến ra Hesokd 75
76
Hình 3.30: Luật hợp thành đối với tín hiệu vào ra trên mặt phẳng 76
76
Hình 3.31: Luật hợp thành đối với tín hiệu vào ra trên hình khối 76
Hình 3.33: Mô hình khối điều khiển dòng điện và tốc độ động cơ 1 82
Hình 3.34: Mô hình khối điều khiển dòng điện và tốc độ động cơ 2 82
Hình 3.35: Mô hình khối HT1 và HT2
82
Hình 3.36: Mô hình khâu phản hồi vị trí 1 và 2 83
Hình 3.37: Mô hình tay máy 2DOF 83
Hình 3.38: Đồ thị quỹ đạo đặt và quỹ đạo thực của tay máy dùng PID 84
84
Hình 3.39: Đồ thị sai lệch quỹ đạo dùng PID 84
85
Hình 3.40: Đồ thị sai lệch quỹ đạo góc đặt và góc ra của khớp 1 dùng PID 85
85
Hình 3.41: Đồ thị sai lệch góc của khớp 1 dùng PID 86
86
Hình 3.42: Đồ thị sai lệch tốc độ góc của khớp 1 dùng PID 86
Hình 3.43: Đồ thị tốc độ động cơ 1 dùng PID 86
87
Hình 3.44: Đồ thị moment khớp 1 dùng PID 87
87

95
Hình 3.61: Đồ thị tốc độ động cơ 1 dùng Fuzzy 95
96
Hình 3.62: Đồ thị moment khớp 1 dùng Fuzzy 96
96
Hình 3.63: Đồ thị sai lệch quỹ đạo góc đặt và góc ra của khớp 2dùng Fuzzy 96
97
Hình 3.64: Đồ thị sai lệch góc của khớp 2 dùng Fuzzy 97
97
Hình 3.65: Đồ thị sai lệch tốc độ góc của khớp 2 dùng Fuzzy 97CBHDKH: PGS.TS. Lại Khắc Lãi - HVTH: Nguyễn Văn Sum

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 11 Chuyên ngành: Tự động hóa
98
Hình 3.66: Đồ thị tốc độ động cơ 2 dùng Fuzzy 98
98
Hình 3.67: Đồ thị moment khớp 2 dùng Fuzzy 98
Hình 3.68: Sai lệch quỹ đạo dùng PID và Fuzzy 99
Hình 3.69: Đồ thị góc quay khớp 1 giữa giá trị đặt, PID và Fuzzy 100
100
Hình 3.70: Đồ thị góc quay khớp 2 giữa giá trị đặt, PID và Fuzzy 100
101
Hình 3.71: Đồ thị sai lệch góc quay khớp 1 giữa PID và Fuzzy 101
101
Hình 3.72: Đồ thị sai lệch góc quay khớp 2 giữa PID và Fuzzy 101
Hình 3.73: Đồ thị sai lệch tốc độ góc khớp 1 giữa PID và Fuzzy 102
102
Hình 3.74: Đồ thị sai lệch tốc độ góc khớp 2 giữa PID và Fuzzy 102

114
Hình 4.10: Quan hệ vào/ra của bộ điều khiển mờ dạng hình khối (HesoKP1)
114
114
Hình 4.11: Quan hệ vào/ra của bộ điều khiển mờ dạng hình khối (HesoKD1)
114
Hình 4.12: Kết nối các khối trong Simatic đến module mờ (Fuzzy module) 115
MỞ ĐẦUCBHDKH: PGS.TS. Lại Khắc Lãi - HVTH: Nguyễn Văn Sum

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 13 Chuyên ngành: Tự động hóa
Ngày nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật các ngành công nghệ thông
tin, điện tử viễn thông, tự động hóa… đã có một bước tiến rất lớn, nhiều công trình
khoa học, các sản phẩm được ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu của con người như: máy
rút tiền tự động (ATM), thiết bị nhận dạng vân tay, robot giúp việc nhà, người máy
Asimo có khả năng giao tiếp giống như người và chỉ huy dàn nhạc…
Các cơ cấu tay máy 2 bậc tự do được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, như
hệ thống quay ra đa, điều chỉnh tầm và hướng pháo cao xạ, tên lửa; Điều chỉnh
hướng pin mặt trời… việc “thông minh” hóa các hệ thống điều khiển này đang
nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu.
Việc nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển mờ và tích hợp chúng vào PLC S7- 300
để điều khiển và nâng cao chất lượng, tăng độ mềm dẻo và độ linh hoạt của bộ
truyền động trong các dây chuyền sản xuất, cụ thể là điều khiển tay máy hai bậc tự
do là một vấn đề mới có ý nghĩa cao về khoa học
Việc tích hợp điều khiển mờ vào PLC S7-300 mở ra triển vọng mới trong việc
khai thác, áp dụng module mở rộng của PLC cho các hệ thống điều khiển trong
công nghiệp nhằm khai thác triệt để năng lực của PLC, giảm vốn đầu tư, nâng cao
chất lượng hệ thống điều khiển.

Người thực hiện
Nguyễn Văn SumCBHDKH: PGS.TS. Lại Khắc Lãi - HVTH: Nguyễn Văn Sum

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 15 Chuyên ngành: Tự động hóa
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ PLC S7-300
1.1. Lịch sử phát triển của PLC
- Bộ điều khiển lập trình PLC (Programmable Logic Controller) được sáng tạo
ra từ ý tưởng ban đầu của một nhóm kỹ sư thuộc hãng General Motors vào năm
1968 nhằm thay thế những mạch điều khiển bằng Rơle và thiết bị điều khiển rời rạc
cồng kềnh.
- Đến giữa thập niên 70, công nghệ PLC nổi bật nhất là điều khiển tuần tự theo
chu kỳ và theo bit trên nền tảng của CPU. Thiết bị AMD 2901 và AMD 2903 trở
nên ngày càng phổ biến. Lúc này phần cứng cũng phát triển: bộ nhớ lớn hơn, số
lượng ngõ vào/ra nhiều hơn, nhiều loại module chuyên dụng hơn. Vào năm 1976,
PLC có khả năng điều khiển các ngõ vào/ra ở xa bằng kỹ thuật truyền thông,
khoảng 200 mét.
- Đến thập niên 80, bằng sự nỗ lực chuẩn hóa hệ giao tiếp với giao diện tự
động hóa, hãng General Motors cho ra đời loại PLC có kích thước giảm, có thể lập
trình bằng biểu tượng trên máy tính cá nhân thay vì thiết bị lập trình đầu cuối
chuyên dụng hay lập trình bằng tay.
- Đến thập niên 90, những giao diện phần mềm mới có cấu trúc lệnh giảm và
cấu trúc của những giao diện được cung cấp từ thập niên 80 đã được đổi mới.
- Cho đến nay những loại PLC có thể lập trình bằng ngôn ngữ cấu trúc lệnh
(STL), sơ đồ hình thang (LAD), sơ đồ khối (FBD).
- Hiện nay có rất nhiều hãng sản xuất PLC như: Siemens, Allen-Bradley,
General Motors, Omron, Mitsubishi, Festo, LG, GE Fanuc, Modicon…

ON
x
1.3. Giới thiệu các ngôn ngữ lập trình
Các loại PLC nói chung thường có nhiều ngôn ngữ lập trình nhằm phục vụ
các đối tượng sử dụng khác nhau. PLC S7-300 có 5 loại ngôn ngữ lập trình cơ bản.
 Ngôn ngữ “hình thang”, ký hiệu LAD (Ladder logic)
Hình.1.3
Đây là ngôn ngữ đồ họa thích hợp với những người quen thiết kế mạch logic.
 Ngôn ngữ “liệt kê lệnh”, ký hiệu STL (Statement List).CBHDKH: PGS.TS. Lại Khắc Lãi - HVTH: Nguyễn Văn Sum

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 18 Chuyên ngành: Tự động hóa
Hình 1.4
Đây là ngôn ngữ lập trình thông thường của máy tính. Một chường trình được
ghép bởi nhiều câu lệnh theo một thuật toán nhất định, mỗi lệnh chiếm mỗi hàng và
điều có cấu trúc chung là “tên lệnh” + “ toán hạng”.
 Ngôn ngữ “ hình khối”, ký hiệu là FBD (Function Block Diagram).
Hình 1.5
Đây là ngôn ngữ đồ họa thích hợp với người quen thiết kế mạch điều khiển số.CBHDKH: PGS.TS. Lại Khắc Lãi - HVTH: Nguyễn Văn Sum

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 19 Chuyên ngành: Tự động hóa
 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.

DO
FM
SM:
AI
SM:
AO
IM CPCBHDKH: PGS.TS. Lại Khắc Lãi - HVTH: Nguyễn Văn Sum
Hình 1.9
Hình 1.10

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 21 Chuyên ngành: Tự động hóa
Hình 1.8: Cấu trúc của PLC S7- 300
1.4.1. Module nguồn PS307 của S7-300 (Hình 1.9)
Module PS307 có nhiệm vụ chuyển đổi nguồn xoay chiều
120/230V thành nguồn một chiều 24V để cung cấp cho các
module khác của PLC. Ngoài ra còn có nhiệm vụ cung cấp
nguồn cho các cảm biến và các cơ cấu tác động có công suất
nhỏ.
Module nguồn thường được lắp đặt bên trái hoặc phía
dưới của CPU tùy theo cách lắp đặt theo bề ngang hoặc theo
chiều dọc.
Module nguồn PS307 có 3 loại: 2 A, 5A và 10 A.
Mặt trước của module nguồn gồm có:
 Một đèn Led báo hiệu trạng thái điện áp ra 24 V.
 Một công tắc dùng để bật / tắt điện áp ra.
 Một nút dùng để chọn điện áp đầu vào là 120 VAC hoặc 230VAC.
- Mặt sau của module gồm có các lỗ dùng để nhận điện áp vào và ra.

 SM 321 DI32xDC24V,…
Digital Output Module: Module mở rộng các cổng ra số, có nhiệm vụ xuất các
tín hiệu từ vùng đệm xử lý ra thiết bị ngoại vi, một số loại module ra số:
 SM 322 DO16xAC120V/0.5A
 SM 322 DO16xDC24V/0.5A
 SM 322 DO 8xAC120/230V/1A, …
1.4.4. Module ghép nối (Interface module-IM: Hình 1.12)CBHDKH: PGS.TS. Lại Khắc Lãi - HVTH: Nguyễn Văn Sum
Hình 1.12
Hình 1.13

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 23 Chuyên ngành: Tự động hóa
- Là loại module chuyên dụng có nhiệm vụ
ghép nối từng nhóm module mở rộng lại với
nhau thành một khối và được quản lý chung
bởi một module CPU. Một module CPU S7-
300 có thể làm việc trực tiếp với nhiều nhất 4
racks và các racks này phải được nối với nhau
bằng module IM. Module IM gồm có các loại:
 IM 360 , IM 361, IM 365
1.4.5. Module mềm PID (Hình 1.13)
Trong phần mềm Step7 cung cấp các module mềm
PID để điều khiển các đối tượng có mô hình liên tục như
lò, động cơ, mức … Đầu ra của đối tượng được đưa vào
đầu vào của bộ điều khiển thông qua các cổng vào tương
tự của module tương tự của S7-300. Tín hiệu ra của bộ
điều khiển có nhiều dạng và được đưa đến các cơ cấu chấp
hành qua các module vào ra khác nhau như hình 13

công nghiệp… Đầu ra của đối tượng được đưa vào đầu vào của bộ điều khiển thông
qua các cổng vào tương tự của module tương tự của S7-300. Tín hiệu ra của bộ điều
khiển có nhiều dạng và được đưa đến các cơ cấu chấp hành qua các module vào ra
khác nhau như:
• Qua cổng vào tương tự của module mờ (FUZZY_AI)
• Qua cổng ra tương tự của module mờ (FUZZY_AO)
Trong module Fuzzy được thiết kế giao tiếp với PLC S3- 300 có 8 ngõ vào với bảy
ngôn ngữ hợp thành, 4 ngõ ra với chín ngôn ngữ hợp thành như hình 1.14. CBHDKH: PGS.TS. Lại Khắc Lãi - HVTH: Nguyễn Văn Sum

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 25 Chuyên ngành: Tự động hóa
Hình 1.14 Module Fuzzy giao tiếp với PLC S7-300
Trong hình 1-14 sử dụng một ứng dụng mờ trong một hệ thống điều khiển
đóng hoặc mở vòng lặp sẽ được hiển thị ở dạng sơ đồ mạch. Cấu trúc này với việc
sử dụng tối đa bằng các yếu tố đầu vào và đầu ra sẵn cho chúng ta cái nhìn tổng
quan về các cấu hình của module fuzzy. Cấu hình một ứng dụng mờ có thể được
chia thành ba bước:
- Xác định các biến đầu vào và đầu ra
- Xác định giá trị ngôn ngữ
- Thiết lập các luật mờ
Tất cả các bước được thực hiện trên phần mềm Fuzzy control. Bằng việc xác định
các biến vào ra ta có thể tạo ra một mảng đa chiều vòng lặp trong hệ thống điều
khiển các đối tượng phi tuyến với độ chính xác khá cao.
Bảng 1.1: Thông số của module mờCBHDKH: PGS.TS. Lại Khắc Lãi - HVTH: Nguyễn Văn Sum