فهرست مطالب عنوان صفحهفصل اول11- مقدمه21-1- کنترلکنندههای قابل برنامهریزی (PLC)21-2- ارتقاء و اعمال روشهای کنترلی پیشرفته روی PLC ها31-3- هدف تحقیق41-4- ساختار پایاننامه5فصل دوم62- کنترلکنندهی قابل برنامهریزی (PLC)72-1- تاریخچه PLC72-2- سخت افزار PLC102-3- انواع PLC ها142-4- مزایای استفاده از PLC ها152-4-1- انعطافپذیری152-4-2- تغییر در منطق برنامه و عیبیابی ساده152-4-3- در اختیار گذاشتن تعداد بسیار زیاد کنتاکتها162-4-4- هزینه کمتر162-4-5- قابلیت اجرای آزمایشی برنامه ایجاد شده قبل از اعمال به سیستم162-4-6- نظارت عینی162-4-7- سرعت عمل172-4-8- روش برنامهنویسی نردبانی172-4-9- قابلیت اطمینان و نگهداری172-4-10- مستند سازی182-4-11- امنیت182-5- استاندارد IEC 1131-3182-6- روشهای ارتقاء قابلیت کنترلی PLC ها20فصل سوم233- مروری بر فعالیتهای پیشین243-1- مقدمه243-2- پیادهسازی روش کنترل مدل پیش بین روی PLC24فصل چهارم294- روش کنترل مدل پیشبین (MPC)304-1- مقدمه304-2- توصیف روش کنترل مدل پیشبین324-2-1- مدل پیشبینی شده324-2-2- تابع هدف334-2-3- به دست آوردن قانون کنترل334-3- مزایا و معایب روش کنترل مدل پیشبین344-4- روش کنترل مدل پیشبین تعمیمیافته برای فرآیندهای تک متغیره364-4-1- مقدمه364-4-2- فرمول بندی کنترل پیشبین تعمیم یافته374-5- کنترل پیش بین تعمیمیافته صنعتی برای فرآیندهای تک متغیره414-5-1 مدل فرآیند414-5-2 محاسبه پارامترهای کنترلی454-6- روش کنترل پیشبین تعمیمیافته صنعتی برای فرآیندهای دارای خاصیت انتگرالگیر474-6-1- محاسبه قانون کنترل484-6-2- پارامترهای کنترل494-7- معرفی روش کنترل مدل پیشبین تعمیمیافته برای فرآیند چندمتغیره514-7-1- GPC چندمتغیره524-7-2- فرمولبندی کنترل مدل پیشبین تعمیمیافته53فصل پنجم575- روش کنترل پیشبین تعمیمیافته صنعتی برای فرآیندهای چندمتغیره565-1- مقدمه565-2- فرمولبندی کنترل مدل پیشبین تعمیمیافته صنعتی چندمتغیره575-3- روش پیشنهادی برای محاسبه پارامترهای کنترلکننده645-3-1- معرفی شبکههای عصبی مصنوعی (ANN)655-3-1-1- اجزای اصلی یک شبکه عصبی مصنوعی655-3-1-2-1- مدل پرسپترون675-3-2- استفاده از شبکه عصبی مصنوعی برای محاسبه پارامترهای کنترلکنندهIGPC70فصل ششم756- طراحی فرآیند دو متغیره و سختافزار فرآیند مورد مطالعه846-1- مقدمه846-2- اینورتر و کاربردهای آن856-3- مزایا و کاربرد اینورترها866-4- اینورتر مدل C2000 برای پمپ رفت آب886-5- اینورتر مدل VFD-B برای کنترل سرعت پمپ آب برگشت896-6- سختافزار سیستم916-6-1- کنترلکننده قابل برنامهریزی و ماژولهای آن936-6-1-1- پردازنده PLC936-6-1-2- ماژول ورودی آنالوگ956-6-1-2-1- عملکرد ماژولهای آنالوگ ورودی966-6-1-3- ماژول آنالوگ خروجی976-6-1-4- کارت شبکه976-7- سایر اجزای سختافزاری فرآیند مورد مطالعه986-7-1- شیر برقی986-7-2- سنسور دما از نوع RTD986-7-3- سنسور فشار1006-8- نرمافزار سیستم و زبان برنامهنویسی1016-9- طراحی موج PWM برای اعمال به هیتر102فصل هفتم1047- پیادهسازی روشهای کنترل مدل پیشبین روی PLC977-1- مقدمه977-2- پیادهسازی روش کنترل مدل پیشبین تعمیمیافته برای فرآیندهای دما و سطح..........................................................................................................................987-2-1- استخراج ماتریسهای کنترلی روش GPC برای افق کنترل و پیشبین 6987-2-2- پیادهسازی روش کنترل مدل پیشبین تعمیمیافته برای فرآیند حرارتی1017-2-3- پیادهسازی روش کنترل مدل پیشبین تعمیمیافته برای فرآیند سطح1077-3- پیادهسازی کنترل مدل پیشبین تعمیمیافته صنعتی1127-3-1- پیادهسازی کنترل مدل پیشبین تعمیمیافته صنعتی برای فرآیند حرارتی1127-3-2- پیادهسازی کنترل پیشبین تعمیمیافته صنعتی برای فرآیند سطح1147-4- طراحی و تنظیم پارامترهای کنترلکننده سنتی PID1177-4-1- ترم تناسبی کنترلکننده PID1177-4-2- ترم انتگرالگیر کنترلکننده PID1197-4-3- ترم مشتقگیر کنترلکننده PID1207-4-3-1- مشتقگیر با فیلتر1217-5- پیادهسازی کنترلکننده PID1227-5-1 پیادهسازی کنترلکننده PID برای فرآیند حرارتی1227-5-2- پیادهسازی کنترلکننده PID برای فرآیند سطح1257-6- پیادهسازی کنترل پیشبین تعمیمیافته صنعتی برای فرآیند دومتغیره1267-7- طراحی کنترلکننده PID همراه با جبرانساز برای فرآیند دو متغیره دما و سطح........................................................................................................................1367-8- استفاده از مدل چندگانه در روش کنترل مدل پیشبین برای فرآیند چندمتغیره140فصل هشتم1458- جمعبندی و پیشنهادات1468-1- جمعبندی1468-2- پیشنهادات148منابع149پیوستها154پیوست (الف)154پیوست (ب)158فهرست جدولها نوان صفحهجدول 5-1. خلاصهای از توابع شبکه.66جدول 5-2. توابع فعالسازی و مشتق آنها.66جدول 5-3. الگوریتمهای بهینهسازی غیرخطی تکرارپذیر برای محاسبه ماتریس وزنی شبکه MLP.70جدول 5-4. مشخصات شبکه عصبی.72جدول 7-1. مقایسه روش GPC استاندارد و صنعتی با کنترلکننده PI برای فرآیند دما.125جدول7-2. مقایسه روش GPC استاندارد و صنعتی با کنترلکننده PI برای فرآیند سطح126فهرست شکلها و تصاویر عنوان صفحهشکل 2-1. ساختار داخلی یک کنترل کننده قابل برنامهریزی10شکل 2-2. اجزای یک PLC ماژولار11شکل4-1. ساختار کلی کنترلکننده MPC34شکل 4-2. قانون کنترل GPC40شکل 4-3. ساختار کنترلکننده GPC صنعتی44شکل 4-4. پارامترهای کنترلی45شکل 5-1. رایجترین مدل نرون بر اساس کار MsCulloch و Pitt65شکل 5-2. مدل شبکه عصبی پرسپترون.67شکل 5-3. نمونهای از شبکه پرسپترون سه لایه69شکل 5-4. تعداد ورودی و خروجیهای شبکه عصبی طراحی شده.71شکل 5-5. رگرسیون دادههای تست و دادههای واقعی برای پارامتر .72شکل 5-6. رگرسیون دادههای تست و دادههای واقعی برای پارامتر .72شکل 5-7. رگرسیون دادههای تست و دادههای واقعی برای پارامتر .73شکل 5-8. رگرسیون دادههای تست و دادههای واقعی برای پارامتر .73شکل 5-9. ساختار کنترل مدل پیشبین تعمیمیافته صنعتی برای فرآیندهای MIMO.74شکل 6-1. اینورتر مدل C2000.89شکل 6-2. پمپ و اینورتر مسیر رفت.89شکل 6-3. اینورتر مدل VFD-B.90شکل 6-4. پایههای ورودی و خروجی اینورتر مدل VFD-B90شکل 6-5. پایههای آنالوگ اینورتر90شکل 6-6. نمایی از فرآیند دما و فشار در آزمایشگاه دانشگاه شیراز.92شکل 6-7. PLC S7-300 به انضمام ماژول های آنالوگ در آزمایشگاه93شکل 6-8. نحوه قرارگیری PLC روی Rack94شکل 6-9. PLC S7-300 CPU312C94شکل 6-10. مبدل MPI.95شکل 6-11. شیر یرقی Valve 2pv250E.98شکل 6-12. سنسور PT100.99شکل 6-13. نحوه اتصال PT100 به کارت آنالوگ100شکل 6-14. سنسور BCT110 و نحوه اتصال آن به کارت آنالوگ100شکل 6-15. روند طراحی توابع مورد نیاز برای پیادهسازی روی PLC102شکل 6-16. چگونگی طراحی موج PWM در نرمافزار simatic manager.103شکل 7-1. دمای مخزن اول (خروجی)101شکل 7-2. ولتاژ اعمالی به هیتر (درصد)101شکل 7-3. نتیجه اعمال کنترلکننده GPC برای افق کنترل و پیشبین 6 برای مقادیر مختلف 103شکل 7-4. سیگنال کنترل اعمال شده(درصد).104شکل 7-5. مجموعه توابع ساخته شده برای پیادهسازی الگوریتم GPC برای افق کنترل و پیشبین 6.105شکل 7-6. مقدار کمینه و بیشینه زمان اسکن برنامه.105شکل 7-7. نتیجه اعمال کنترلکننده GPC با وقفه زمانی برای افق کنترل و پیشبین 6 برای مقادیر مختلف .106شکل 7-8 سیگنال کنترل اعمال شده (درصد).106شکل 7-9. تابع ساخته شده برای پیادهسازی الگوریتم GPC با افق کنترل و پیشبین 6 به همراه تاخیر.107شکل 7-10. سطح مایع تانک اول (خروجی).108شکل 7-11. فرکانس اعمال شده به اینورتر (درصد)108شکل 7-12. نتیجه اعمال روش کنترل مدل پیشبین با افق کنترل و پیشبین 6 برای فرآیند سطح110شکل 7-13. سیگنال کنترل اعمال شده (درصد)110شکل 7-14. تابع ساخته شده در نرمافزار siamtic manager برای اعمال الگوریتم به فرآیند111شکل 7-15. زمان اسکن برنامه111شکل 7-16. نتیجه اعمال روش کنترل مدل پیشبین با افق کنترل و پیشبین 6 با مدل درجه 1 برای فرآیند سطح112شکل 7-17. سیگنال کنترل اعمال شده (درصد)112شکل 7-19. پیادهسازی IGPC برای .113شکل 7-20. پیادهسازی IGPC برای .114شکل 8-21. توابع ساخته شده برای محاسبه پارامترهای کنترل و سیگنال کنترل.115شکل 7-22. نتیجه اعمال روش کنترل مدل پیشبین تعمیمیافته صنعتی با مقادیر مختلف برای فرآیند سطح.116شکل 7-23. سیگنال کنترل اعمال شده (درصد)116شکل 7-24. دياگرامبلوکيکنترلفرآيندباحلقهفيدبک117شکل 7-25. دياگرامبلوکيکنترلفرآيندباحلقهفيدبکوحضورنويزواغتشاش118شکل 7-26. تاثيرترمانتگرالگيردرکاهشخطايماندگارکنترلکننده PI119شکل 7-27. تعبيرترممشتقگیر.120شکل 7-28. نتیجه اعمال کنترلکننده PI در مقایسه با کنترلکننده P.123شکل 7-29. سیگنال کنترل اعمال شده (درصد).123شکل 7-30. پیادهسازی کنترلکننده PI برای فرآیند دما و مقایسه آن با روش IGPC124شکل 7-31. پیاده سازی کنترلکننده PI برای فرآیند سطح125شکل 7-32. دادههای شناسایی و مدل تقریب زده شده متناظر برای فرآیند دو ورودی دو خروجی موجود در آزمایشگاه128شکل 7-33. خروجی سطح در روش IGPC130شکل7-34. خروجی دمای روش IGPC130شکل 7-35. سیگنال کنترل اعمال شده متناظر با دما (درصد)130شکل 7-36. سیگنال کنترل اعمال شده متناظر با سطح (درصد)131شکل 7-37. نتیجه اعمال روش IGPC برای خروجی دما (سانتیگراد) و سیگنال کنترل متناظر آن (درصد).131شکل 7-38. نتیجه اعمال روش IGPC برای خروجی سطح (سانتیمتر) و سیگنال کنترل متناظر آن (درصد).132شکل 7-39. نتیجه اعمال روش IGPC برای خروجی دما و سیگنال کنترل متناظر (درصد).134شکل 7-40. نتیجه اعمال روش IGPC برای خروجی سطح و سیگنال کنترل متناظر (درصد)134شکل 7-41. مقایسه روش IGPC برای افق پیشبین 15 و 4135شکل 7-42. یک سیستم دو متغیره با اثر متقابل136شکل 7-43. بلوک دیاگرام کلی سیستم چند متغیره با جبرانکننده137شکل 7-44. سیستم کنترل جبرانساز138شکل 7-45. نتایج اعمال کنترلکننده PI همراه با جبرانساز در مقایسه با روش IGPC.138شکل 7-46. سیگنال کنترل اعمال شده در روش PI همراه با جبرانساز در مقایسه با روش IGPC برای خروجی دما.139شکل 7-47. نتیجه اعمال روش PI همراه با جبرانساز در مقایسه با روش IGPC برای خروجی سطح.139شکل 7-48. شکل هندسی نواحی کار مختلف سیستم141شکل 7-49. نواحی کار در نظر گرفته شده برای فرآیند دو متغیره موجود درآزمایشگاه.141شکل 7-50 . جدول Look Up142شکل 7-51. خروجی سطح روش IGPC و سیگنال کنترل متناظر (درصد)143شکل 7-52. اثر سیستم جبرانساز.143شکل 7-53. خروجی دما روش IGPC و سیگنال کنترل متناظر در نقطه کار اول (درصد).143شکل 7-54. خروجی دما روش IGPC و سیگنال کنترل متناظر در نقطه کار دوم (درصد).1441- مقدمه 1-1-کنترلکنندههای قابل برنامهریزی (PLC[1]) نیاز به کنترلکنندههایی با هزینه کمتر، کاربرد متنوعتر و سهولت استفاده بیشتر، منجر به توسعه کنترلکنندههای قابل برنامهریزی بر مبنای CPU[2]و حافظه شد و از آنها به صورت گستردهای در کنترل فرآیندها و ماشینآلات استفاده گردید. کنترلکنندههای قابل برنامهریزی در آغاز به عنوان جانشینی برای سیستمهای منطقی رلهای و تایمری غیر قابل تغییر توسط اپراتور طراحی شدند تا به جای تابلوهای کنترل متداول قدیمی استفاده شوند. این کنترلکنندهها میتوانند برنامهریزی شوند و توسط کاربری که مهارت کار کردن با رایانهها را ندارد، مورد استفاده قرار گیرند. این کار به وسیلهی اجرای دستورالعملهای منطقی ساده که اغلب به شکل دیاگرام نردبانی هستند صورت میگیرد و در واقع اجزای یک دیاگرام نردبانی یا یک برنامه نویسی ساده میتواند جایگزین تعداد زیادی از سیمکشیهای خارجی مورد نیاز برای کنترل یک فرآیند شود. PLC ها دارای یک سری توابع درونی از قبیل تایمرها، شمارندهها و شیفت رجیسترها میباشند که امکان کنترل مناسب را حتی با استفاده از کوچکترین PLC نیز فراهم میآورند.یک PLC با خواندن سیگنالهای ورودی کار خود را شروع کرده و سپس دستورالعملهای منطقی را که از قبل برنامه ریزی شده و در حافظه آن قرار دارد، بر روی این سیگنالهای ورودی اعم از دیجیتال و آنالوگ اعمال میکند و در نهایت سیگنال خروجی مورد نظر را برای راهاندازی تجهیزات فرآیند تولید مینماید. تجهیزات استانداردی در درون PLC تعبیه شده که به آنها اجازه میدهد مستقیما و بدون نیاز به واسطههای مداری یا رلهای، به المانهای خروجی یا محرک و مبدلهای ورودی متصل شوند، بنابراین تغییر در سیستم کنترل بدون نیاز به تغییر محل اتصالات سیمها ممکن شده و برای هر گونه تغییر کافی است که برنامه کنترلی که بر روی حافظه ی PLC ذخیره شده تغییر یابد [1]. 1-2-ارتقاء و اعمال روش های کنترلی پیشرفته روی PLC ها PLC یک رایانه کنترل فرآیند است که به علت مزایای فراوان ازجمله سرعت عملکرد مناسب، پردازش نسبتا سریع، عیبیابی ساده، مدت زمان کاری طولانی، داشتن استانداردهای صنعتی شناخته شده، قابلیت اعتماد بالا در برابر نویز و شرایط نامناسب محیطی و ... کاربرد گستردهای در صنعت دارد، با این وجود قابلیت اعمال روشهای کنترلی پیشرفته و یا حتی کنترلکنندههای پیوستهی ساده با بسیاری از PLC ها چندان میسر نمیباشد [2]. امروزه روشهای مدلسازی و کنترلی پیشرفته جدیدی مطرح شدهاند که به علت کمبود حافظه و قدرت پردازشی پایین اغلب PLC ها، پیادهسازی این روشهای کنترلی پیشرفته روی PLC ها با محدودیتهایی روبهرو شده است. بنابراین ایجاد روشهایی که بتواند قابلیتهای PLC را جهت دستیابی به کنترل دقیقتر بهبود بخشد، مورد توجه قرار گرفتهاند.