Tài liệu Đề tài: Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động cơ DC sử dụng bộ điều khiển PID và PID mờ (Fuzzy-PID) ppt

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Trung tâm Đào tạo Tài năng và Chất lượng cao ĐỒ ÁN I Đề tài: Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động cơ DC sử dụng bộ điều khiển PID và PID mờ (Fuzzy-PID) Giảng viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Cảnh Quang Sinh viên thực hiện: Đặng Đức Công – 20101181 Đặng Thái Giáp – 20101443 Lớp: KSTN – ĐKTĐ – K55 Hà Nội, tháng 6 năm 2013 2 MỤC LỤC Trang Danh mục bảng và hình vẽ 3 Lời cảm ơn 4 Tóm tắt đồ án 5 Chương I: Khái quát đề tài 6 1.1. Đặt vấn đề 6 1.2. Hướng giải quyết 7 Chương II: Động cơ điện một chiều và phương pháp điều khiển tốc độ 8 2.1. Đặc tính của động cơ điện một chiều 8 2.1.1. Mô hình toán học động cơ dc sử dụng nam châm vĩnh cửu 8 2.1.2. Phương pháp nhận dạng trực tuyến mô hình động cơ 9 2.2. Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ 10 Chương III: Bộ điều khiển PID kinh điển và bộ điều khiển Fuzzy-PID 11 3.1. Bộ điều khiển PID 11 3.1.1. Lý thuyết về bộ điều khiển pid 11 3.1.2. Chỉnh định tham số bộ điều khiển PID 13 3.1.3. Bộ điều khiển PID số 15 3.2. Bộ điều khiển Fuzzy-PID 16 3.2.1. Lý thuyết điều khiển mờ 16 3.2.2. Bộ điều khiển Fuzzy-PID 21 Chương IV: Thiết kế hệ thống điều khiển 29 4.1. Phần cứng chuẩn bị và phần mềm sử dụng 29 4.1.1. Mạch phần cứng 29 4.1.2. Chương trình phần mềm 30 4.2. Giải quyết vấn đề điều khiển 30 4.2.1. Định hướng chương trình 30 4.2.2. Phác thảo giải thuật 31 4.3. Kết quả mạch chạy thực thế 36 Chương V: Kết luận và hướng phát triển 37 5.1. Kết quả thu được 37 5.2. Một số đề xuất và hướng phát triển đề tài 37 Tài liệu tham khảo và Tài liệu đính kèm 39 3 Danh mục bảng và hình vẽ Hình 2.1. Động cơ DC sử dụng nam châm vĩnh cửu Hình 2.2. Nguyên lý điều chế độ rộng xung PWM Hình 3.1. Sơ đồ khối của hệ điều khiển vòng kín Hình 3.2: Xác định tham số của đặc tính quá tính Bảng 3.1: Lựa chọn tham số bộ PID theo Ziegler-Nichols 1 Hình 3.3: Miền xác định và miền tin cậy của tập mờ Hình 3.4: Một số dạng hàm thuộc Hình 3.5: Ví dụ về liên hệ giữa biến môn ngữ và biến vật lý Hình 3.6: Giải mờ theo phương pháp cực đại Hình 3.7: Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển mờ Hình 3.8: Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển mờ-PID Hình 3.9: Cấu trúc của khối mờ Hình 3.10: Các hàm thuộc của sai lệch e(t) Hình 3.11: Các hàm thuộc của vi phân sai lệch de(t) Hình 3.12: Các hàm thuộc của biến ra          Hình 3.13: Bảng luật hợp thành mờ Hình 3.14: Bảng luật hợp thành mờ Hình 3.15: Sơ đồ khối bộ điều khiển F – PID Hình 3.16: So sánh đáp ứng của bộ PID(Z-N1) và F – PID Hình 3.17: So sánh đáp ứng của bộ PID(Tuning Toolbox) và F – PID Hình 3.18: Bảng đánh giá chất lượng các bộ điều khiển Hình 4.1: Sơ đồ nguyên lý mạch phần cứng Hình 4.2: Đọc Encoder Hình 4.3: Lưu đồ giải thuật điều chế xung PWM Hình 4.4: Chương trình quét phím ma trận Hình 4.5: Thuật toán Fuzzy-PID Hình 4.6: Ví dụ về xây dựng hàm thuộc cho tập mờ e(t) Hình 4.7: Ví dụ về luật hợp thành Hình 4.8: Ví dụ về phương pháp giải mờ cực đại 4 LỜI CẢM ƠN Kính gửi đến thầy NGUYỄN CẢNH QUANG lời cảm ơn chân thành sâu sắc, cảm ơn thầy đã tận tình giúp đỡ, chỉ dạy chúng em trong suốt quá trình hoàn thành đồ án môn học này. Chân thành cảm ơn các quý thầy cô của trường Đại học Bách Khoa Hà Nội nói chung, của Viện Điện và bộ môn Điều Khiển Tự Động nói riêng đã tận tình giảng dạy, trạng bị cho chúng em những kiến thức bổ ích, quý báu. Hà Nội, tháng 6 năm 2013 Nhóm thực hiện đồ án 5 TÓM TẮT ĐỒ ÁN Nhiệm vụ của đề tài là sử dụng giải thuật PID và Fuzzy-PID ứng dụng trên vi điều khiển để điều chỉnh, ổn định tốc độ động cơ, đồng thời so sánh giữa lý thuyết và chất lượng thực tế của hai bộ điều khiển này. Đề tài được thực hiện như sau: Trước tiên, sử dụng giải thuật PID số, ứng dụng trên vi điều khiển 8-bit AT89S52 là nhân điều khiển trung tâm, MATLAB là chương trình xử lý trung gian, phần công suất sử dụng Driver tích hợp L298 để điều chỉnh tốc độ động cơ đạt giá trị đặt (Set point) nhập vào từ trước, khi không tải và có tải. Cụ thể, Encoder quang sẽ đưa xung phản ánh tốc độ động cơ về vi điều khiển, sau đó vi điều khiển sẽ tính toán tốc độ hiện tại để hiển thị và thực hiện giải thuật điều khiển PID để điều chế độ rộng xung (PWM – Pulse Width Modulation) điều khiển động cơ thông qua driver L298. Cũng với cách thực hiện tương tự trên, sử dụng giải thuật Fuzzy-PID cho bộ điều khiển. Ngoài những nội dung như trên, ta cần xây dựng thư viện các hàm cho bộ điều khiển dựa trên lý thuyết về Logic mờ (Fuzzy Logic) để điều chỉnh tham số cho bộ điều khiển. Kết quả đạt được thỏa mãn khá tốt các yêu cầu đã đề ra: + Xây dựng được bộ điều khiển PID và Fuzzy-PID trên nền vi điều khiển 8-bit AT89S52. + Đo, điều chỉnh ổn định tốc độ động cơ DC. Đáp ứng tốc độ khá nhanh khi khởi động, không tải và có tải. + Hệ thống ổn định, thời gian đáp ứng nhanh, độ quá điều chỉnh khá nhỏ. Kiến thức cơ bản cần có: Lý thuyết điều khiển kinh điển, Lý thuyết điều khiển hiện đại, Điện tử cơ bản, Vi điều khiển, Điện tử công suất, Mô phỏng MATLAB, Kỹ thuật lập trình ngôn ngữ C. 6 CHƯƠNG I: KHÁI QUÁT ĐỀ TÀI 1.1. Đặt vấn đề Lĩnh vực điều khiển tự động ngày càng phát triển, đặc biệt là điều khiển chính xác, đã trở thành một phần không thể thiếu của nền công nghiệp hiện đại. Phần lớn các loại máy móc, thiết bị dân dụng hay trong công nghiệp sử dụng động cơ điện, từ động cơ điện trong các máy công cụ, máy CNC, các cánh tay robot,… đến trong những thiết bị gia dụng như máy giặt, điều hòa, máy hút bụi, ngay cả trong máy vi tính. Những thiết bị như vậy yêu cầu độ chính xác cao, tiết kiệm năng lượng, tuổi thọ và chu kì bảo dưỡng dài. Một trong những yêu cầu cần được đáp ứng để đạt những chỉ tiêu trên đây là điều khiển được tốc độ động cơ điện một cách ổn định, đáp ứng nhanh, vận hành trơn tru khi xác lập và khi thay đổi trạng thái. Việc ứng dụng những thuật toán kinh điển vào vấn đề điều khiển tốc độ động cơ đã đạt được nhiều kết quả khả quan. Ví dụ như sử dụng bộ điều khiển PI, PID cho kết quả tốt ở một số đối tượng động cơ. Chỉnh định tham số cho bộ điều khiển PID kinh điển cũng có nhiều phương pháp. Tuy nhiên, với các thuật toán, phương pháp kinh điển, ta phải biết chính xác về đối tượng, hoặc mô hình hóa tương đối chi tiết đối tượng. Một điểm nữa là trong quá trình vận hành, nếu như đối tượng thay đổi thì hệ thống có thể mất ổn định hoặc chất lượng điều khiển không còn đáp ứng được yêu cầu. Do đó, auto-tuning là một trong những hướng đi khả quan của điều khiển tự động. Trong điều khiển hiện đại, lý thuyết mờ cung cấp cho ta một hướng đi mới, xây dựng những hệ điều khiển mờ thuần túy hoặc nhưng hệ mờ lai với mục đích nâng cao chất lượng các bộ điều khiển kinh điển, cũng như điều khiển những đối tượng chưa biết hoặc khó nhận dạng. Trong khuôn khổ Đồ án, em xin trình bày về thuật toán PID, Fuzzy-PID; xây dựng các bộ điều khiển này trên nền vi điều khiển AT89S52; các kết quả thu được và hướng phát triển đề tài. Do hạn chế về thời gian cũng như thiết bị hỗ trợ, việc so sánh chất lượng của hai bộ điều khiển này không được đưa ra ở Đồ án này. 7 1.2. Hướng giải quyết - Tìm hiểu về động cơ điện một chiều (DC), sử dụng nam châm vĩnh cửu; các đặc tính, và các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ DC. - Sử dụng mô hình động cơ mẫu, xây dựng mô hình các bộ điều khiển kinh điển (PID) và hiện đại (Fuzzy-PID) trên phần mềm mô phỏng MATLAB-Simulink, đánh giá sơ bộ về kết quả thu được đối với đối tượng động cơ DC: các yêu cầu về chất lượng điều khiển như tính ổn định, thời gian đáp ứng, sai lệch tĩnh, đáp ứng khi tải thay đổi trong bài toán điều chỉnh. - Thiết kế, thi công mạch phần cứng điều khiển động cơ DC thực. - Xây dựng giải thuật và viết chương trình điều khiển, ứng dụng các thuật toán điều khiển ở trên lên vi điều khiển, trực tiếp điều khiển động cơ thực. 8 CHƯƠNG II: ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ 2.1. Đặc tính của động cơ điện một chiều 2.1.1. Mô hình toán học động cơ DC sử dụng nam châm vĩnh cửu Hình 2.1. Động cơ DC sử dụng nam châm vĩnh cửu Trong hình 2.1,  là mômen quán tính của rôto động cơ,  là hệ số tải,   là tốc độ động cơ (rpm), và     lần lượt theo thứ tự là điện áp và dòng điện nguồn cấp cho động cơ. Ta có: Mômen phát sinh trên trục động cơ   là:      Lại có        với   là điện trở phần ứng rôto. Từ định luật Newton II ta có:           Thay (2.1),(2.2) vào (2.3)              Sử dụng biến đổi Laplace cho phương trình (2.4) ta thu được:                    9 Phương trình (2.5) biểu thị mô hình hàm truyền của động cơ DC. Đặt:                và thực hiện phép biến đổi Laplace ngược cả 2 vế phương trình (2.5) ta có:            với        Như vậy từ phương trình (2.5), để xác định được đáp ứng của tốc độ động cơ dưới dạng mô hình hàm truyền đạt hoặc dạng hàm theo thời gian, ta cần xác định các thông số của động cơ như  (hệ số khuếch đại tĩnh động cơ),  và   . Từ đó ta xác định được Hệ số khuếch đại và hằng số thời gian của mô hình động cơ. 2.1.2. Phương pháp nhận dạng trực tuyến mô hình động cơ Ta sử dụng encoder để chuyển đổi từ số vòng quay của động cơ thành số xung với một hệ số tỉ lệ nào đó, phụ thuộc vào độ phân giải của encoder. Các xung này được đưa vào vi xử lý và truyền lên máy tính, vẽ đồ thị đáp ứng vòng hở của mô hình động cơ. Từ việc phân tích đồ thị, sử dụng các phương pháp nhận dạng trong lý thuyết điều khiển, ta có mô hình xấp xỉ hàm truyền của động cơ. Vì lí do thời gian có hạn, nên phương pháp nhận dạng trực tuyến này không được đề cập ở đây. Tuy nhiên, đối với động cơ sử dụng trong Đồ án là động cơ nam châm vĩnh cửu, loại của Hitachi D04A321E, sử dụng điện áp định mức 24V, công suất 21W, encoder quang 100 xung/vòng, kết quả nhận dạng được lấy từ [1] – Trang 244. Mô hình hàm truyền xấp xỉ của động cơ:                   10 2.2. Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ Động cơ DC dùng nam châm vĩnh cửu ta coi là có từ thông không đổi. Phương trình (2.4) biểu diễn quan hệ giữa tốc độ động cơ với điện áp đặt vào hai đầu cuộn dây phần ứng. Mặt khác, tác động về mặt cơ học của động cơ là tương đối nhanh. Do đó ta sử dụng phương pháp điều khiển điện áp phần ứng để thay đổi tốc độ động cơ DC, cụ thể là sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM – Pulse Width Modulation) Hình 2.2. Nguyên lý điều chế độ rộng xung PWM Giá trị trung bình điện áp trên tải:             Ta thấy giá trị điện áp trên tải phụ thuộc vào tỉ số , do đó ứng với mỗi tần số xung, ta có thể điều chỉnh  để điều chỉnh điện áp. Đối với vi điều khiển 89s52 sử dụng Thạch anh 12MHz, ta có timer 16 bit, do đó theo lý thuyết, ta có thể tạo xung vuông nằm trong dải tần số từ 15Hz – 1MHz. Tuy nhiên, để tạo xung PWM, ta cần điều khiển thông qua giá trị  nên dải tần số sẽ thu hẹp lại, phụ thuộc vào dải điều chỉnh của . Ví dụ: Nếu ta lấy  có giá trị trong khoảng từ   thì dải tần số của xung PWM xuất ra sẽ là khoảng 15Hz – 4kHz. Khi lựa chọn tần số của xung PWM, ta cần lựa chọn sao cho đáp ứng cơ học của động cơ đủ mịn để không có cảm giác bị vấp do điện áp thay đổi. [...]... BỘ ĐIỀU KHIỂN PID KINH ĐIỂN VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN FUZZY -PID 3.1 Bộ điều khiển PID 3.1.1 Lý thuyết về bộ điều khiển PID Hình 3.1 Sơ đồ khối của hệ điều khiển vòng kín Có thể nói trong lĩnh vực điều khiển, bộ điều khiển PID được xem như một giải pháp đa năng cho các ứng dụng điều khiển tương tự hay điều khiển số Hơn 90% các bộ điều khiển trong công nghiệp được sử dụng là bộ điều khiển PID Nếu được thiết kế. .. vận tốc này Dự kiến sẽ sử dụng các đọc Encoder sử dụng ngắt và timer để đếm số xung trong một khoảng thời gian mẫu Số xung này tỉ lệ với vận tốc của động cơ Điện áp đặt vào hai đầu động cơ thay đổi làm vận tốc động cơ thay đổi Do đó tín hiệu điều khiển đưa vào mạch công suất có tác động đến tốc độ động cơ Nhiệm vụ là xây dựng chương trình điều chế xung điều khiển đưa vào mạch công suất Giá trị vận tốc. .. thuyết mờ là những vấn đề về độ phi tuyến của hệ thống Để khắc phục những nhược điểm đó, một trong những hướng giải quyết đó là kết hợp giữa phương pháp điều khiển kinh điển (các bộ điều khiển P,PI ,PID ,điều khiển biến trạng thái…) với logic mờ nhằm tận dụng ưu điểm của cả hai phương pháp Đó là nguyên nhân ra đời các bộ điều khiển tích hợp như: Mờ - PID, Mờ thích nghi – PID 22 3.2.2.2 Cấu trúc bộ điều khiển. .. khiển 28 CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 4.1 Phần cứng chuẩn bị và phần mềm sử dụng 4.1.1 Mạch phần cứng Hình 4.1: Sơ đồ nguyên lý mạch phần cứng Bao gồm: + Mạch phát triển ứng dụng MUC AT89S52 (Gồm MCU, LCD, Keyboard và các module khác) + Mạch công suất điều khiển động cơ, sử dụng IC L298 + Động cơ 12V DC có gắn Encoder quang, độ phân giải 100 xung/vòng + Bộ nguồn 12V DC, 5V DC 29 4.1.2 Chương... bộ điều khiển mờ thuần túy Hình 3.7: Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển mờ * Một bộ điều khiển mờ gồm 3 khâu cơ bản: + Khâu mờ hoá + Thực hiện luật hợp thành + Khâu giải mờ 21 * Các nguyên lý thiết kế hệ thống điều khiển mờ: + Giao diện đầu vào gồm các khâu: mờ hóa và các khâu hiệu chỉnh như tỷ lệ, tích phân, vi phân + Thiếp bị hợp thành: sự triển khai luật hợp thành R + Giao diện đầu ra gồm: khâu giải mờ. .. chất lượng của hai bộ điều khiển là khá khó khăn Kết quả nhận được dừng ở mức chấp nhận được Cụ thể là: + Động cơ bám được giá trị đặt trước nhập từ bàn phím và chạy ổn định tại tốc độ đó Tuy nhiên, dải tốc độ đặt của hai bộ PID và F – PID là khác nhau + Tốc độ đáp ứng nhanh, thời gian quá độ nhỏ Theo như quan sát, hai bộ PID và F – PID đạt đến trạng thái ổn định sau khoảng 2s + Độ quá điều chỉnh ở mức... khi sử dụng công cụ PID Tuning Toolbox, ta cũng so sánh đáp ứng của bộ PID này với bộ F – PID (Hình 3.18) Hình 3.17: So sánh đáp ứng của bộ PID (Tuning toolbox) và F -PID Đánh giá chất lượng bộ điều khiển thông qua mô phỏng Từ đáp ứng của bộ PID và F – PID (Hình 3.17), ta thấy rõ chất lượng đáp ứng của bộ F – PID hơn hẳn bộ PID (Z – N 1), và chất lượng có tốt hơn một chút so với bộ PID (Tuning toolbox)... tác động của bộ điều khiển sẽ chậm hơn Ngoài ra, thành phần tích phân đôi khi còn làm xấu đi đặc tính động học của hệ thống, thậm chí có thể làm mất ổn định Người ta thường sử dụng bộ PI hoặc PID thay vì bộ I đơn thuần vừa để cải thiện tốc độ đáp ứng, vừa đảm bảo yêu cầu động học của hệ thống 12 Thành phần Vi phân (D) 𝑑𝑒( 𝑡) (3.5) 𝑑𝑡 Mục đích của thành phần vi phân là cải thiện sử ổn định của hệ kín... với các hệ bậc cao, do đó cần bộ điều khiển bậc cao tương ứng để cải thiện đặc tính động học 14 3.1.3 Bộ điều khiển PID số Trong thực tế công nghiệp, các bộ điều khiển PID có thể được cấu thành từ các mạch tương tự hoặc các cơ cấu chấp hành Tuy nhiên với yêu cầu cao về độ chính xác và chống nhiễu tốt thì các bộ điều khiển như vậy chưa đáp ứng được yêu cầu Cùng với sự phát triển của các ứng dụng nhúng... nguyên nhân ra đời các bộ điều khiển tích hợp như: Mờ - PID, Mờ thích nghi – PID 22 3.2.2.2 Cấu trúc bộ điều khiển mờ - PID Hình 3.8: Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển mờ -PID Ý tưởng về bộ PID – Mờ ở đây là sử dụng Logic mờ để tối ưu giá trị các tham số của bộ điều khiển PID (Hình 3.8) Bộ điều khiển PID có ba tham số 𝐾 𝑃 , 𝐾 𝐼 , 𝐾 𝐷 nằm trong các khoảng [ 𝐾 𝑃 𝑚𝑖𝑛 , 𝐾 𝑃 𝑚𝑎𝑥 ], [ 𝐾 𝐼 𝑚𝑖𝑛 , 𝐾 𝐼 𝑚𝑎𝑥 ], [ 𝐾 𝐷 𝑚𝑖𝑛 . tạo Tài năng và Chất lượng cao ĐỒ ÁN I Đề tài: Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động cơ DC sử dụng bộ điều khiển PID và PID mờ (Fuzzy -PID) . hình động cơ 9 2.2. Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ 10 Chương III: Bộ điều khiển PID kinh điển và bộ điều khiển Fuzzy -PID 11 3.1. Bộ điều khiển