توسط
ریحانه مختارنامه
امروزه در اکثر صنایع از کنترل‏کننده‏های قابل برنامه‏ ریزی (PLC) به علت مزایای زیاد آن‏ها استفاده می‏شود. PLC های اولیه برای یک کنترل ساده منطقی طراحی گردیده و معمولا اجرای کنترل پیوسته ساده نیز با PLC های قدیمی امکان‏پذیر نیست و حتی در نوع پیشرفته‏ی آن‏ها نیاز به کارت‏ها و ماژول‏های اضافه می‏باشد. از طرفی تقاضا برای کنترل و مدلسازی پیشرفته برای بهبود محصولات در صنایع افزایش پیدا کرده است. بنابراین ارتقاء و بهینه‏سازی شیوه‏های کنترلی PLC ها، یکی از موضوعات قابل بحث از نظر پیاده­سازی و صرف هزینه در صنایع خواهد بود. در این پایان نامه یکی از روش­های کنترلی جدید و مناسب نسبت به کنترل‏کننده‏های سنتی به نام کنترل مدل پیش‏بین، به منظور ارتقا قابلیت کنترلی PLC موجود طراحی و پیاده‏سازی شده است. در این پایان‏ نامه دو موضوع جدید دنبال شده است. در گام اول، یک فرآیند به صورت دو ورودی-دو خروجی(MIMO) با تکمیل تجهیزات طراحی گردیده و برای این فرآیند دو متغیره نیمه صنعتی کنترل دما و سطح متصل به PLC-S7-300، پیاده‏سازی صورت گرفته است. از آنجا که PLC موجود از لحاظ قدرت پردازشی و حجم حافظه موجود در دسته PLC های متوسط قرار دارد و از طرف دیگر فرآیند مورد بررسی یک فرآیند چند متغیره می‏باشد، پیاده‏سازی روش کنترل مدل پیش‏بین روی این PLC، با ساده‏سازی‏های ابتکاری و مهندسی امکان پذیر شده است. لازم به ذکر است که پیچیدگی محاسباتی روش کنترل مدل پیش‏بین برای حالت چند متغیره بسیار بیشتر از حالت تک متغیره می‏باشد. در گام دوم تنظیم پارامترهای MPC به صورت تحلیلی بررسی می‏شود و سپس روی فرآیند واقعی اعمال خواهد شد. لازم به یادآوری است که در تحقیقات قابل دسترس جهانی تاکنون گزارشی از کار مشابه این پایان نامه یافت نشده است. نتایج پیاده‏سازی‏ها، موفقیت و کارآمدی روش‏های پیشنهادی را به خوبی نشان می‏دهد.


فهرست مطالب


عنوان صفحه
فصل اول 1
1- مقدمه 2
1-1- کنترل‏کننده‏های قابل برنامه‏ ریزی (PLC) 2
1-2- ارتقاء و اعمال روش‏های کنترلی پیشرفته روی PLC ها 3
1-3- هدف تحقیق 4
1-4- ساختار پایان‏ نامه 5
فصل دوم 6
2- کنترل‏کننده‏ی قابل برنامه‏ ریزی (PLC) 7
2-1- تاریخچه PLC 7
2-2- سخت افزار PLC 10
2-3- انواع PLC ها 14
2-4- مزایای استفاده از PLC ها 15
2-4-1- انعطاف‏پذیری 15
2-4-2- تغییر در منطق برنامه و عیب‏یابی ساده 15
2-4-3- در اختیار گذاشتن تعداد بسیار زیاد کنتاکتها 16
2-4-4- هزینه کمتر 16
2-4-5- قابلیت اجرای آزمایشی برنامه ایجاد شده قبل از اعمال به سیستم 16
2-4-6- نظارت عینی 16
2-4-7- سرعت عمل 17
2-4-8- روش برنامه‏نویسی نردبانی 17
2-4-9- قابلیت اطمینان و نگهداری 17
2-4-10- مستند سازی 18
2-4-11- امنیت 18
2-5- استاندارد IEC 1131-3 18
2-6- روش‏های ارتقاء قابلیت کنترلی PLC ها 20
فصل سوم 23
3- مروری بر فعالیت‏های پیشین 24
3-1- مقدمه 24
3-2- پیاده‏سازی روش کنترل مدل پیش بین روی PLC 24
فصل چهارم 29
4- روش کنترل مدل پیش‏بین (MPC) 30
4-1- مقدمه 30
4-2- توصیف روش کنترل مدل پیش‏بین 32
4-2-1- مدل پیش‏بینی شده 32
4-2-2- تابع هدف 33
4-2-3- به دست آوردن قانون کنترل 33
4-3- مزایا و معایب روش کنترل مدل پیش‏بین 34
4-4- روش کنترل مدل پیش‏بین تعمیم‏یافته برای فرآیندهای تک متغیره 36
4-4-1- مقدمه 36
4-4-2- فرمول بندی کنترل پیش‏بین تعمیم یافته 37
4-5- کنترل پیش بین تعمیم‏یافته صنعتی برای فرآیندهای تک متغیره 41
4-5-1 مدل فرآیند 41
4-5-2 محاسبه پارامترهای کنترلی 45
4-6- روش کنترل پیش‏بین تعمیم‏یافته صنعتی برای فرآیندهای دارای خاصیت انتگرال‏گیر 47
4-6-1- محاسبه قانون کنترل 48
4-6-2- پارامترهای کنترل 49
4-7- معرفی روش کنترل مدل پیش‏بین تعمیم‏یافته برای فرآیند چند‏متغیره 51
4-7-1- GPC چندمتغیره 52
4-7-2- فرمول‏بندی کنترل مدل پیش‏بین تعمیم‏یافته 53
فصل پنجم 57
5- روش کنترل پیش‏بین تعمیم‏یافته صنعتی برای فرآیندهای چندمتغیره 56
5-1- مقدمه 56
5-2- فرمول‏بندی کنترل مدل پیش‏بین تعمیم‏یافته صنعتی چندمتغیره 57
5-3- روش پیشنهادی برای محاسبه پارامترهای کنترل‏کننده 64
5-3-1- معرفی شبکه‏های عصبی مصنوعی (ANN) 65
5-3-1-1- اجزای اصلی یک شبکه عصبی مصنوعی 65
5-3-1-2-1- مدل پرسپترون 67
5-3-2- استفاده از شبکه عصبی مصنوعی برای محاسبه پارامترهای کنترل‏کننده IGPC 70
فصل ششم 75
6- طراحی فرآیند دو متغیره و سخت‏افزار فرآیند مورد مطالعه 84
6-1- مقدمه 84
6-2- اینورتر و کاربردهای آن 85
6-3- مزایا و کاربرد اینورترها 86
6-4- اینورتر مدل C2000 برای پمپ رفت آب 88
6-5- اینورتر مدل VFD-B برای کنترل سرعت پمپ آب برگشت 89
6-6- سخت‏افزار سیستم 91
6-6-1- کنترل‏کننده قابل برنامه‏ ریزی و ماژول‏های آن 93
6-6-1-1- پردازنده PLC 93
6-6-1-2- ماژول ‏ورودی آنالوگ 95
6-6-1-2-1- عملکرد ماژول‏های آنالوگ ورودی 96
6-6-1-3- ماژول آنالوگ خروجی 97
6-6-1-4- کارت شبکه 97
6-7- سایر اجزای سخت‏افزاری فرآیند مورد مطالعه 98
6-7-1- شیر برقی 98
6-7-2- سنسور دما از نوع RTD 98
6-7-3- سنسور فشار 100
6-8- نرم‏افزار سیستم و زبان برنامه‏نویسی 101
6-9- طراحی موج PWM برای اعمال به هیتر 102
فصل هفتم 104
7- پیاده‏سازی روش‏های کنترل مدل پیش‏بین روی PLC 97
7-1- مقدمه 97
7-2- پیاده‏سازی روش کنترل مدل پیش‏بین تعمیم‏یافته برای فرآیندهای دما و سطح98
7-2-1- استخراج ماتریس‏های کنترلی روش GPC برای افق کنترل و پیش‏بین 6 98
7-2-2- پیاده‏سازی روش کنترل مدل پیش‏بین تعمیم‏یافته برای فرآیند حرارتی 101
7-2-3- پیاده‏سازی روش کنترل مدل پیش‏بین تعمیم‏یافته برای فرآیند سطح 107
7-3- پیاده‏سازی کنترل مدل پیش‏بین تعمیم‏یافته صنعتی 112
7-3-1- پیاده‏سازی کنترل مدل پیش‏بین تعمیم‏یافته صنعتی برای فرآیند حرارتی 112
7-3-2- پیاده‏سازی کنترل پیش‏بین تعمیم‏یافته صنعتی برای فرآیند سطح 114
7-4- طراحی و تنظیم پارامترهای کنترل‏کننده سنتی PID 117
7-4-1- ترم تناسبی کنترل‏کننده PID 117
7-4-2- ترم انتگرال‏گیر کنترل‏کننده PID 119
7-4-3- ترم مشتق‏گیر کنترل‏کننده PID 120
7-4-3-1- مشتق‏گیر با فیلتر 121
7-5- پیاده‏سازی کنترل‏کننده PID 122
7-5-1 پیاده‏سازی کنترل‏کننده PID برای فرآیند حرارتی 122
7-5-2- پیاده‏سازی کنترل‏کننده PID برای فرآیند سطح 125
7-6- پیاده‏سازی کنترل پیش‏بین تعمیم‏یافته صنعتی برای فرآیند دومتغیره 126
7-7- طراحی کنترل‏کننده PID همراه با جبرانساز برای فرآیند دو متغیره دما و سطح136
7-8- استفاده از مدل چندگانه در روش کنترل مدل پیش‏بین برای فرآیند چندمتغیره 140
فصل هشتم 145
8- جمع‏بندی و پیشنهادات 146
8-1- جمع‏بندی 146
8-2- پیشنهادات 148
منابع 149
پیوست‏ها 154
پیوست (الف) 154
پیوست (ب) 158





فهرست جدول‏ها


عنوان صفحه
جدول 5-1. خلاصه‏ای از توابع شبکه. 66
جدول 5-2. توابع فعالسازی و مشتق آن‏ها. 66
جدول 5-3. الگوریتم‏های بهینه‏سازی غیرخطی تکرارپذیر برای محاسبه ماتریس وزنی شبکه MLP. 70
جدول 5-4. مشخصات شبکه عصبی. 72
جدول 7-1. مقایسه روش GPC استاندارد و صنعتی با کنترل‏کننده PI برای فرآیند دما. 125
جدول7-2. مقایسه روش GPC استاندارد و صنعتی با کنترل‏کننده PI برای فرآیند سطح 126










فهرست شکل‏ها و تصاویر


عنوان صفحه
شکل 2-1. ساختار داخلی یک کنترل کننده قابل برنامه‏ ریزی 10
شکل 2-2. اجزای یک PLC ماژولار 11
شکل4-1. ساختار کلی کنترل‏کننده MPC 34
شکل 4-2. قانون کنترل GPC 40
شکل 4-3. ساختار کنترل‏کننده GPC صنعتی 44
شکل 4-4. پارامترهای کنترلی 45
شکل 5-1. رایج‏ترین مدل نرون بر اساس کار MsCulloch و Pitt 65
شکل 5-2. مدل شبکه عصبی پرسپترون. 67
شکل 5-3. نمونه‏ای از شبکه پرسپترون سه لایه 69
شکل 5-4. تعداد ورودی و خروجی های شبکه عصبی طراحی شده. 71
شکل 5-5. رگرسیون داده‏های تست و داده‏های واقعی برای پارامتر . 72
شکل 5-6. رگرسیون داده‏های تست و داده‏های واقعی برای پارامتر . 72
شکل 5-7. رگرسیون داده‏های تست و داده‏های واقعی برای پارامتر . 73
شکل 5-8. رگرسیون داده‏های تست و داده‏های واقعی برای پارامتر . 73
شکل 5-9. ساختار کنترل مدل پیش‏بین تعمیم‏یافته صنعتی برای فرآیندهای MIMO. 74
شکل 6-1. اینورتر مدل C2000. 89
شکل 6-2. پمپ و اینورتر مسیر رفت. 89
شکل 6-3. اینورتر مدل VFD-B. 90
شکل 6-4. پایه‏های ورودی و خروجی اینورتر مدل VFD-B 90
شکل 6-5. پایه‏های آنالوگ اینورتر 90
شکل 6-6. نمایی از فرآیند دما و فشار در آزمایشگاه دانشگاه شیراز. 92
شکل 6-7. PLC S7-300 به انضمام ماژول های آنالوگ در آزمایشگاه 93
شکل 6-8. نحوه قرارگیری PLC روی Rack 94
شکل 6-9. PLC S7-300 CPU312C 94
شکل 6-10. مبدل MPI. 95
شکل 6-11. شیر یرقی Valve 2pv250E. 98
شکل 6-12. سنسور PT100. 99
شکل 6-13. نحوه اتصال PT100 به کارت آنالوگ 100
شکل 6-14. سنسور BCT110 و نحوه اتصال آن به کارت آنالوگ 100
شکل 6-15. روند طراحی توابع مورد نیاز برای پیاده‏سازی روی PLC 102
شکل 6-16. چگونگی طراحی موج PWM در نرم‏افزار simatic manager. 103
شکل 7-1. دمای مخزن اول (خروجی) 101
شکل 7-2. ولتاژ اعمالی به هیتر (درصد) 101