MỤC LỤC
1.1.1Giới thiệu PLC S7-1200................................................................................3
1.1.2Khả năng mở rộng của CPU..........................................................................5
a.Board tín hiệu (SB).............................................................................................6
1.1.3Chế độ vận hành của PLC.............................................................................8
CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU PHẦN MỀM TIA PORTAL V13 VÀ CÁCH
DÙNG BỘ PID TRONG S7-1200......................................................................11
2.1 Làm việc với phần mềm TIA Portal v13.[3].................................................11
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.............................................................................53
TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................54

1


LỜI MỞ ĐẦU
Đồ án này là mốc quan trọng để kiểm tra nhận thức của sinh viên trong thời
gian học tập và những kiến thức đã được giảng dạy ở trường. Đồ thời nó còn
đánh giá khả năng vận dụng lý thuyết để phân tích tổng hợp và giải quyết các
bài toán trong thực tế khi làm đồ án sinh viên trao đổi, học hỏi trau dồi kiến
thức.
Nhận thức được tầm quan trọng đó chúng em đã làm việc nghiêm túc vận
dụng những kiến thức có sẵn, sự đóng góp ý kiến của bạn bè và đặc biệt là sự
hướng dẫn của Thầy Trần Tiến Lương và một số thầy cô giảng dạy trong khoa
điện trường Đại Học Hàng Hải Việt Nam để hoàn thành tốt đồ án này.Trong quá
trình thực hiện đề tài này cũng còn nhiều sai sót, kính mong được sự chỉ bảo của
các thầy,cô hướng dẫn.Em xin chân thành cảm ơn.

2


CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU PLC S7-1200 VÀ MODULE

ANALOG OUTPUT SM 1232.
1.1 Tổng quan về PLC S7-1200.[1]
1.1.1 Giới thiệu PLC S7-1200
Bộ điều khiển khả trình (PLC) S7-1200 mang lại tính linh hoạt và sức mạnh để
điều khiển nhiều thiết bị đa dạng hỗ trợ các yêu cầu về điều khiển tự động. Sự
kết hợp giữa thiết kế thu gọn, cấu hình linh hoạt và tập lệnh mạnh mẽ đã khiến
cho S7-1200 trở thành một giải pháp hoàn hảo dành cho việc điều khiển nhiều
ứng dụng đa dạng khác nhau.
Kết hợp một bộ vi xử lý, một bộ nguồn tích hợp, các mạch ngõ vào và mạch ngõ
ra trong một kết cấu thu gọn, CPU trong S7-1200 đã tạo ra một PLC mạnh mẽ.
Sau khi người dùng tải xuống một chương trình, CPU sẽ chứa mạch logic được
yêu cầu để giám sát và điều khiển các thiết bị nằm trong ứng dụng. CPU giám
sát các ngõ vào và làm thay đổi ngõ ra theo logic của chương trình người dùng,
có thể bao gồm các hoạt động như logic Boolean, việc đếm, định thì, các phép
toán phức hợp và việc truyền thông với các thiết bị thông minh khác.
Một số tính năng bảo mật giúp bảo vệ việc truy xuất đến cả CPU và chương
trình điều khiển:
Mỗi CPU cung cấp một sự bảo vệ bằng mật khẩu cho phép người dùng cấu hình
việc truy xuất các chức năng của CPU.
Người dùng có thể sử dụng chức năng “know-how protection” để ẩn mã nằm
trong một khối xác định.
CPU cung cấp một cổng PROFINET để giao tiếp qua một mạng PROFINET.
Các module truyền thông là có sẵn dành cho việc giao tiếp qua các mạng RS232
hay RS485.
Các kiểu CPU khác nhau cung cấp một sự đa dạng các tính năng và dung lượng
giúp cho người dùng tạo ra các giải pháp có hiệu quả cho nhiều ứng dụng khác
nhau.

3



Hình 1.1: CPU PLC S7-1200
Bảng 1.1. So sánh giữa các model CPU

Chức năng

CPU 1211C

CPU1212C

CPU 1214C

Kích thước vật lí(mm)

90 x 100 x 75

110 x 100 x 75

Bộ nhớ người dùng:
-

Bộ nhớ làm việc

25kB

50kB

-

Bộ nhớ nạp


1MB

2MB

-

Bộ nhớ giữ lại

2kB

2kB

I/O tích hợp cục bộ:

-6 ngõ vào /

-8 ngõ vào/

-14 ngõ vào/

-

Kiểu số

4 ngõ ra

6 ngõ ra

10 ngõ ra


-

Kiểu tương tự

-2 ngõ ra

-2 ngõ ra

-2 ngõ ra

Kích thước ảnh tiến trình

1024 byte ngõ vào I và 1024 byte ngõ ra Q

Bộ nhớ bit (M )

4096 byte

Độ mở rộng các moodul tín hiệu Không

4

8192 byte
2

8


1.1.2 Khả năng mở rộng của CPU

Họ S7-1200 cung cấp một số lượng lớn các module tín hiệu và board tín hiệu để
mở rộng dung lượng của CPU. Người dùng còn có thể lắp đặt thêm các module
truyền thông để hỗ trợ các giao thức truyền thông khác.
Bảng 1.2: Khả năng mở rộng của CPU
Module

Chỉ ngõ vào

Chỉ ngõ ra

Kết hợp In/Out

8 x DC In

8 x DC Out

8 x DC In / 8 x DC

8 x Relay Out

Out

Kiểu số
Module tín

8 x DC In / 8 x Relay
16 x DC In

hiệu (SM)


16 x DC Out

Outx DC In/16 x DC
16

16 x Relay Out Out
16 x DC In/16x
Relay
Out Out
Kiểu

4 x Analog In 2 x Analog In

tương tự 8 x Analog In 4 x Analog In

4 x Analog In / 2 x
Analog
Out

Kiểu số
Bảng tín hiệu
(SB)

_

_

_

1 x Analog In


2 x DC In / 2 x DC
Out

Kiểu
tương tự

Module truyền thông (CM) - RS232

5

_


Hình 1.2: Modul mở rộng của CPU
a.

Board tín hiệu (SB)

Board tín hiệu (SB) là một dạng module mở rộng tín hiệu vào/ra với số lượng tín
hiệu ít, giúp tiết kiệm chi phí cho các ứng dụng yêu cầu mở rộng số lượng tín
hiệu ít.
Gồm các board:
-

1 cổng tín hiệu ra analog 12 bit (±10VDC, 0-20mA)

•

2 cổng tín hiệu vào + 2 cổng tín hiệu ra số, 0.5A


•
•

 Các LED trạng thái trên SB
 Bộ phận kết nối dây của người dùng có thể tháo ra

Hình 1.2: Board tín hiệu SB
b.

Các module tín hiệu (SM)

6


Hình 1.4: Module tín hiệu SM
 Các LED trạng thái dành cho I/O của module tín hiệu
 Bộ phận kết nối đường dẫn
 Bộ phận kết nối dây của người dùng có thể tháo lấp
Các module mở rộng tín hiệu vào/ra được gắn trực tiếp vào phía bên phải
của CPU. Với dải rộng các loại module tín hiệu vào/ra số và analog, giúp linh
hoạt trong sử dụng PLC S7-1200. Tính đa dạng của các module tín hiệu vào/ra
sẽ được tiếp tục phát triển.
c.

Các module truyền thông (CM)

Bên cạnh tuyền thông ethernet được tích hợp sẵn, CPU S7-1200 có thể mở rộng
được 3 moulde truyền thông khác nhau, giúp cho việc kết nối được linh hoạt.
Tại thời điểm giới thiệu S7-200 ra thị trường, có các module RS232 va RS485,

hỗ trợ các protocol truyền thông như modbus, USS…
Mỗi CM kết nối vào phía bên trái của CPU (hay về phía bên trái của một CM
khác).


 Các LED trạng thái (sau nắp che)
 Cổng kết nối truyền thông



7


Hình 1.3. Module truyền thông CM

1.1.3 Chế độ vận hành của PLC
PLC có ba chế độ vận hành: chế độ STOP, chế độ STARTUP và chế độ RUN.
Các LED trạng thái trên mặt trước của CPU hiển thị chế độ vận hành hiện
hành của nó.
- Trong chế độ STOP, CPU không thực hiện chương trình nên ta có thể tải
xuống CPU một dự án.
- Trong chế độ STARTUP, CPU sẽ thực hiện bất kỳ logic khởi động nào
(đang hiện hành). Các sự kiện ngắt sẽ không được xử lý trong chế độ khởi
động.
- Trong chế độ RUN, CPU thực hiện chương trình theo vòng lặp, mỗi vòng lặp
gọi là vòng quét hay chu kỳ quét. Các sự kiện ngắt có thể xảy ra và được xử lý ở
bất kỳ điểm nào trong pha chu kỳ chương trình.
Trong chế độ RUN chúng ta không thể tải xuống CPU bất cứ một dự án nào mà
chỉ có thể tải xuống khi CPU đang ở chế độ STOP.
Sử dụng các nút trên bảng vận hành để thay đổi

chế độ vận hành của CPU (RUN hoặc STOP).
Bảng vận hành cũng cung cấp một nút MRES để
cài đặt lại bộ nhớ. Hình 1.6: Bảng vận hành

8


Màu sắc của LED chỉ thị ở RUN/STOP sẽ thể hiện
chế độ vận hành hiện hành của CPU:
• Màu vàng chỉ thị chế độ STOP
• Màu xanh chỉ thị chế độ RUN
• Sáng nhấp nháy chỉ thị chế độ STARTUP.
Hình 1.7: Các LED vận hành
CPU không có công tắc vật lý nào để thực hiện thay đổi chế độ vận hành (STOP
hoặc RUN). Khi cấu hình cho CPU trong cấu hình thiết bị, ta thiết lập cấu hình
trạng thái khởi động trong properties của CPU. Phần mềm STEP7 Basic cung
cấp một bảng điều hành cho việc thay đổi chế độ vận hành của CPU trực tuyến.
1.1.4 STEP 7 Basic
Phần mềm STEP 7 Basic cung cấp một môi trường thân thiện cho người
dùng nhằm phát triển, chỉnh sửa và giám sát mạng logic được yêu cầu để điều
khiển ứng dụng, bao gồm các công cụ dành cho quản lý và cấu hình tất cả các
thiết bị trong dự án, như các thiết bị PLC hay HMI. STEP 7 Basic cung cấp ba
ngôn ngữ lập trình (LAD, FBD và SCL) để thuận tiện và có hiệu quả trong việc
phát triển chương trình điều khiển đối với ứng dụng, và còn cung cấp các công
cụ để xây dựng và cấu hình các thiết bị HMI trong dự án người dùng.Để giúp
người dùng tìm ra thông tin cần thiết, STEP 7 Basic cung cấp một hệ thống trợ
giúp trực tuyến.
Để cài đặt STEP 7 Basic, người dùng cần đưa đĩa CD vào trong ổ CD-ROM của
máy tính. Trình thuật sĩ cài đặt sẽ khởi động một cách tự động và nhắc người
dùng trong suốt quá trình cài đặt.

Để cài đặt STEP 7 Basic trên một máy tính cá nhân dùng hệ điều hành Windows
XP hay Windows 7, người dùng cần phải đăng nhập với quyền hạn
Administrator. Và hệ thống phải thỏa mãn các yêu cầu sau đây để cài đặt phần
mềm.

9


1.2
Giới thiệu về module tín hiệu đầu ra Analog SM 1232.[2]
SM 1232 module tín hiệu đầu ra analog chuyển đổi tín hiệu kỹ thuật số của
SIMATIC S7-1200 thành tín hiệu để kiểm soát tương ứng quá trình.
Kết quả đầu ra tương tự cho SIMATIC S7-1200:
Cho thời gian chuyển đổi rất ngắn
Đơn giản kết nối với thiết bị truyền động tương tự mà không cần khuếch
đại thêm
Có khả năng giải quyết các nhiệm vụ phức tạp hơn tự động hóa

1.2.1 Ứng dụng
SM 1232 module tín

hiệu đầu ra analog cho

phép sử dụng analog

kết quả đầu ra. Điều này

cung cấp cho người

sử dụng với các ưu điểm


sau:
Thích ứng tối ưu:
Với module tín hiệu analog, người dùng có thẻ tối ưu thích ứng bộ điều khiển
ngay cả với các nhiệm vụ phức tạp.
Hình 1.8: Module SM1232
Kết nối trực tiếp các thiết bị truyền động:
Lên đến độ phân giải 14 bit cho phép kết nối các thiết bị truyền động mà không
cần một bộ khuếch đại thêm
-

Tính linh hoạt:

Nếu nhiệm vụ được mở rộng sau đó, bộ điều khiển có thể được nâng cấp. Cập
nhật của chương trình người dùng là cực kỳ đơn giản
1.2.2 Cấu tạo,cách lắp đặt module đầu ra Analog SM 1232.
Kích thước và trọng lượng: chiều rộng 45 mm, chiều cao 100 mm, chiều
sâu 75 mm
Trọng lượng: Khoảng trọng lượng 180 g
Các module tín hiệu có các tính năng tương tự cơ bản như thiết bị.
10


-

Lắp đặt trên DIN rail:

Các module được chụp vào đường sắt bên cạnh CPU phía bên phải và được kết
nối bằng điện.
-


Cài đặt trực tiếp:

Lắp ngang hoặc dọc trên DIN rail hoặc gắn trực tiếp trong tủ sử dụng rắc cắm.
1.2.3 Một số thông số cơ bản module đầu ra Analog SM 1232
Bảng 1.3: Một số thông số module đầu ra Analog SM 1232
Tên sản phẩm
Giá trị điện áp cung cấp
Dòng tiêu thụ, tổn thất điện năng
Hệ thống kết nối
Số đầu ra analog

SM 1232 AQ 2 x 14 bit
24 VDC
1,5 W
Không có
Có 2 đầu ra vôn (V) hoặc ampe (A)
Dải điện áp đầu ra: - 10v ÷ +10v

Trở kháng tải (trong

Dải dòng điện đầu ra: 0 ÷ 20ma
Đầu ra điện áp, Min : 1000 Ohm

phạm vi của các đầu ra)
Độ phân giải mỗi kênh

Đầu ra dòng, Max: 600 Ohm
Điện áp: 14 bit


Nhiệt độ báo lỗi

Dòng điện; 13 bit
25°C ± 0.3% đến 55°C

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU PHẦN MỀM TIA PORTAL V13 VÀ CÁCH
DÙNG BỘ PID TRONG S7-1200
2.1

Làm việc với phần mềm TIA Portal v13.[3]

2.1.1 Phần mềm TIA Portal v13.
a.
Khái quát về phần mềm.
TIA Portal – phần mềm cơ sở tích hợp tất cả các phần mềm lập trình cho các hệ
thống tự động hóa và truyền động điện bán tự động hóa Công nghiệp của
Siemens vừa giới thiệu phần mềm tự động hóa đầu tiên trong công nghiệp sử
dụng chung một môi trường, một phần mềm duy nhất cho tất cả các tác vụ trong
tự động hóa, gọi là Totally Integrated Automation Portal (TIA Portal).
Được thiết kế với giao diện thân thiện người sử dụng, TIA Portal thích hợp cho
cả những người mới lẫn những người nhiều kinh nghiệm trong lập trình tự động
11


hóa. Là phần mềm cơ sở cho các phần mềm dùng để lập trình, cấu hình, tích hợp
các thiết bị trong dải sản phẩm Tích hợp tự động hóa toàn diện (TIA) của
Siemens. Ví dụ như phầm mềm mới Simatic Step 7 V13 để lập trình các bộ điều
khiển Simatic, Simatic WinCC V13 để cấu hình các màn hình HMI và chạy
Scada trên máy tính.
Là phần mềm cơ sở để tích hợp các phần mềm lập trình của Siemens lại với

nhau, TIA Portal giúp cho các phần mềm này chia sẽ cùng một cơ sở dữ liệu, tạo
nên sự thống nhất trong giao diện và tính toàn vẹn cho ứng dụng.
Tất cả các bộ đều khiển PLC, màn hình HMI, các bộ truyền động của Siemens
đều được lập trình, cấu hình trên TIA portal. Việc này giúp giảm thời gian, công
sức trong việc thiết lập truyền thông giữa các thiết bị này.
Việc thiết lập, cấu hình cho các Sinamics biến tần cũng sẽ được tích hợp vào
TIA Portal trong các phiên bản sau.
b.

Làm việc với phần mềm TIA Portal v13.

Cách tạo một Project
Bước 1: Từ màn hình desktop nhấp đúp chọn biểu tượng Tia Portal V13
Bước 2: Click chuột vào Create new project để tạo dự án

Hình 2.1. Tạo 1 dự án trong TIA Portal
12


Bước 3: Nhập tên dự án vào Project name sau đó nhấn create
Bước 4: Chọn configure a device

Hình 2.2. Chọn configure a device
Bước 5: Chọn add new device

Hình 2.3. Chọn add new device
13


Bước 6: Chọn loại CPU trong PLC , sau đó chọn add hoặc kích đúp vào nó


Hình 2.4. Chọn loại CPU trong PLC
Bước 7: Project mới được hiện ra

Hình 2.5. Project mới được hiện ra
Bước 8: Viết chương trình cho PLC: >>Program Blocks >> Main [OB1]
Như vậy, với tám bước cơ bản đã có thể làm việc và lập trình cho PLC.
2.1.2 TAG của PLC / TAG local
14


Tag của PLC
-Phạm vi ứng dụng : giá trị Tag có thể được sử dụng mọi khối chức năng trong
PLC
-Ứng dụng : binary I/O, Bits of memory
-Định nghĩa vùng : Bảng tag của PLC
-Miêu tả : Tag PLC được đại diện bằng dấu ngoặc kép
Tag Local
-Phạm vi ứng dụng : giá trị chỉ được ứng dụng trong khối được khai báo, mô tả
tương tự có thể được sử dụng trong các khối khác nhau cho các mục đích khác
nhau.
-Ứng dụng : tham số của khối, dữ liệu static của khối, dữ liệu tạm thời
-Định nghĩa vùng : khối giao diện
-Miêu tả : Tag được đại diện bằng dấu #
Sử dụng Tag trong hoạt động:

Hình 2.6: bảng tag PLC
-Layout : bảng tag PLC chứa các định nghĩa của các Tag và các hằng số có giá
trị trong CPU. Một bảng tag của PLC được tự động tạo ra cho mỗi CPU được sử
dụng trong project.

-Colum : mô tả biểu tượng có thể nhấp vào để di chuyển vào hệ thống hoặc có
thể kéo nhả như một lệnh chương trình
15


-Name : chỉ được khai báo và sử dụng một lần trên CPU
-Data type : kiểu dữ liệu chỉ định cho các tag
-Address : địa chỉ của tag
-Retain : khai báo của tag sẽ được lưu trữ lại
-Comment : comment miêu tả của tag
Ngoài ra còn có một số chức năng sau:
-Lỗi tag
-Giám sát tag của plc
-Hiện / ẩn biểu tượng
-Đổi tên tag : Rename tag
-Đổi tên địa chỉ tag : Rewire tag
-Copy tag từ thư viện Global
Nhóm tag : tạo nhóm tag bằng cách chọn add new tag table

Hình 2.7: Tạo nhóm tag
2.1.3 Làm việc với một trạm PLC
a.
Quy định địa chỉ IP cho module CPU
IP TOOL có thể thay đổi IP address của PLC S7-1200 bằng 1 trong 2 cách.
Phương pháp thích hợp được tự động xác định bởi trạng thái của địa chỉ IP đó :

16


-Gán một địa chỉ IP ban đầu : Nếu PLC S7-1200 không có địa chỉ IP, IP TOOL

sử dụng các chức năng thiết lập chính để cấp phát một địa chỉ IP ban đầu cho
PLC S7-1200.
-Thay đổi địa chỉ IP : nếu địa chỉ IP đã tồn tại, công cụ IP TOOL sẽ sửa đổi cấu
hình phần cứng (HW config) của PLC S7-1200.
b.

Đổ chương trình xuống CPU

Đổ từ màn hình soạn thảo chương trình bằng cách kích vào biểu tượng
download trên thanh công cụ của màn hình

Hình 2.8: Đổ chương trình xuống CPU
Chọn cấu hình Type of the PG/PC interface và PG/PC interface như hình dưới
sau đó nhấn chọn load

17


Hình 2.9: kết nối máy tính với CPU
Chọn start all như hình vẽ và nhấn finish:

c.

Hình 2.10: Hoàn tất đổ chương trình xuống CPU
Giám sát và thực hiện chương trình.

Để giám sát chương trình trên màn hình soạn thảo kích chọn Monitor trên thanh
công cụ.
18



Hình 2.11: Giám sát chương trình
Hoặc cách 2 làm như hình dưới

Hình 2.12: Giám sát chương trình
Sau khi chọn monitor chương trình soạn thảo xuất hiện như sau:

19


Hình 2.13: Trạng thái giám sát chương trình
2.2

Thuật toán điều khiển PID

Bộ điều khiển PID (A proportional integral derivative controller) là bộ điều
khiển sử dụng kỹ thuật điều khiển theo vòng lặp có hồi tiếp được sử dụng rộng
rãi trong các hệ thống điều khiển tự động. Một bộ điều khiển PID cố gắng hiệu
chỉnh sai lệch giữa tín hiệu ngõ ra và ngõ vào sau đó đưa ra một tín hiệu điều
khiển để điều chỉnh quá trình cho phù hợp.
Chúng ta coi hệ thống được thiết kế hồi tiếp âm đơn vị có sơ đồ khối như sau:

Hình 2.14: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vòng kín
Bộ điều khiển PID là một cơ chế điều khiển lặp hồi tiếp được sử dụng rộng
rãi trong hệ thống điều khiển công nghiệp do dễ sử dụng. Một bộ điều khiển PID
điều chỉnh giữa giá trị biến đo được và giá trị mong muốn đạt được bằng cách
tính toán và xuất ra một "tín hiệu điều chỉnh" nhanh chóng để giữ cho sai lệch ở
mức nhỏ nhất có thể được.
Bộ điều khiển PID là một cơ chế điều khiển lặp hồi tiếp được sử dụng rộng rãi
trong hệ thống điều khiển công nghiệp do dễ sử dụn. Một bộ điều khiển PID

điều chỉnh giữa giá trị biến đo được và giá trị mong đạt được bằng cánh tính
20


toán và xuất ra một "tín hiệu điều chỉnh" nhanh chóng để giữ cho sai lệch ở mức
nhỏ nhất có thể được.
Bộ điều khiển PID gồm 3 thông số riêng: Tỷ lệ, Tích phân và Vi phân.

Hình 2.15: Sơ đồ khối bộ điều khiển PID.
Thành phần tỉ lệ (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 (steady-state error).
Thành phần tích phân (Ki) có tác dụng triệt tiêu sai số xác lập nhưng có thể
làm giảm tốc độ đáp ứng của hệ . Thành phần vi phân (Kd) làm tăng độ ổn định
hệ thống, giảm độ vọt lố và cải thiện tốc độ đáp ứng của hệ.
Như vậy, từ ba thành phần (tỉ lệ, tích phân, vi phân), có thể xây dựng thêm các
bộ điều khiển khác như bộ điều khiển P, bộ điều khiển PI, bộ điều khiển PD, tùy
vào đối tượng tác động cụ thể mà ta sử dụng các bộ điều khiển cho thích hợp. ở
đây chỉ nghiên cứu sâu về bộ điều khiển PID.
Xét ảnh hưởng của các thành phần Kp, Ki, Kd đối với hệ kín được tóm tắt trong
bảng sau:
Bảng 2.1: Ảnh hưởng của các thành phần Kp, Ki, Kd
Thành phần

Thời gian

Độ quá

Thời gian

ổn định ở trạng thái


đáp ứng
điều chỉnh
quá độ
xác lập
KP
Giảm
Tăng
Thay đổi ít
Giảm
KI
Giảm
Tăng
Tăng
Bị loại bỏ
KD
Thay đổi ít
Giảm
Giảm
Thay đổi ít
Lưu ý rằng quan hệ này không phải chính xác tuyệt đối vì Kp, Ki và Kd còn phụ
thuộc vào nhau. Trên thực tế, thay đổi một thành phần có thể ảnh hưởng đến hai
thành phần còn lại. Vì vậy bảng trên chỉ có tác dụng tham khảo khi chọn Kp, Ki

21


và Kd, bộ điều khiển 3 thành phần.
Hàm truyền của bộ điều khiển PID có dạng:


Trong đó:
Kp = hệ số tỉ lệ;
Ki = hệ số tích phân;
Kd = hệ số vi phân;
Trước hết ta khảo sát bộ PID làm việc thế nào trong hệ kín có sơ đồ khối
như trên. Biến e là thành phần sai lệch, là hiệu giữa giá trị tín hiệu vào mong
muốn và tín hiệu ra thực tế. Tín hiệu sai lệch (e) sẽ đưa tới bộ PID, và bộ điều
khiển tính toán cả thành phần tích phân lẫn vi phân của (e). Tín hiệu ra (u) của
bộ điều khiển bằng:

Lúc này đối tượng điều khiển có tín hiệu vào là (u), và tín hiệu ra la (Y).
(Y) được hồi tiếp về bằng các cảm biến để tiếp tục tính sai lệch (e). Và bộ điều
khiển lại tiếp tục như trên.
Khi thiết kế bộ PID nên theo các bước sau để có kết quả như mong muốn:
+ Tìm đáp ứng hệ hở và xác định thông số nào cần cải thiện.
+ Thêm thành phần Kp để cải thiện thời gian đáp ứng.
+ Thêm thành phần Kd để giảm độ vọt lố.
+ Thêm thành phần Ki để triệt tiêu sai số xác lập.
+ Điều chỉnh Kp, Ki, Kd cho đến khi đáp ứng các thông số yêu cầu.
Thường xuyên tham khảo bảng phân tích phía trên để biết đặc tính các thành
phần trong bộ điều khiển. Các thành phần Kp, Ki, Kd vào hệ đơn nếu không cần
thiết. Ví dụ, nếu bộ PI đủ đáp ứng yêu cầu thì không cần thêm vào thành phần vi
phân Kd, bộ điều khiển càng đơn giản càng tốt.
2.2.1 Khâu P:
Khâu P tạo ra tín hiệu điều khiển tỉ lệ với giá trị của sai lệch. Việc này
được thực hiện bằng cách nhân sai lệch e với hằng số KP – gọi là hằng số tỉ lệ.
22


Khâu P được tính dựa trên công thức:

Với: Pout: giá trị ngõ ra
KP: hằng số tỉ lệ
e: sai lệch: e = SP – PV
Sơ đồ khối của khâu P:

Hình 1.16: Sơ đồ khối của khâu P
Nếu chỉ có khâu P thì trong mọi trường hợp sai số tĩnh luôn xuất hiện, trừ
khi giá trị đầu vào của hệ thống bằng 0 hoặc đã bằng với giá trị mong muốn.
Trong hình sau thể hiện sai số tĩnh xuất hiện khi thay đổi giá trị đặt.

Hình 2.17: Đáp ứng của khâu P
Nếu giá trị khâu P quá lớn sẽ làm cho hệ thống mất ổn định.
2.2.2 Khâu I
Khâu I cộng thêm tổng các sai số trước đó vào giá trị điều khiển. Việc
tính tổng các sai số được thực hiện liên tục cho đến khi giá trị đạt được bằng với
giá trị đặt, và kết quả là khi hệ cân bằng thì sai số bằng 0.
23


Khâu I được tính theo công thức:

Với: IOUT: giá trị ngõ ra khâu I
Ki: hệ số tích phân
e: sai số: e = SP – PV

Sơ đồ khối khâu I:
Hình 1.18: Sơ đồ khối của khâu I
Hàm truyền:
G(s)=


U(s) K I
1
=
=
E(s) s TI.s

Khâu I thường đi kèm với khâu P, hợp thành bộ điều khiển PI. Nếu chỉ sử
dụng khâu I thì đáp ứng của hệ thống sẽ chậm và thường bị dao động.
Hình sau chỉ ra sự khác biệt giữa khâu I và PI:

Hình 2.19: Đáp ứng của khâu I và PI
Ta có thể nhận thấy là khâu I làm cho đáp ứng của hệ thống bị chậm đi
rất nhiều, còn khâu PI giúp triệt tiêu sai số xác lập.
2.2.3 Khâu D
24


Khâu D cộng thêm tốc độ thay đổi sai số vào giá trị điều khiển ở ngõ ra.
Nếu sai số thay đổi nhanh thì sẽ tạo ra thành phần cộng thêm vào giá trị điều
khiển. Điều này cải thiện đáp ứng của hệ thống, giúp trạng thái của hệ thống
thay đổi nhanh chóng và mau chóng đạt được giá trị mong muốn.
Khâu D được tính theo công thức:

Với: DOUT: ngõ ra khâu D
KD: hệ số vi phân
e: sai số: e = SP – PV
Sơ đồ khối khâu D:

Hình 1.20: Sơ đồ khối của khâu D
Hàm truyền:

G( s) =

U (s)
= Kd s
E ( s)

Khâu D thường đi kèm với khâu P thành bộ PD, hoặc với PI để thành bộ PID.

25