điều khiển tốc độ động cơ bằng phương pháp pid

I H C QU C GIA T HÀNH PH H CHÍ MINH T R NG I H C BÁCH KHOA Đ ÁN MÔN H C ĐI U KHI N T C NG C B NG PH NG PHÁP PID ÁN MÔN H C i u Khi n T c ng C B ng Ph Nh n Xét C a Giáo Viên: ng Pháp PID ÁN MÔN H C i u Khi n T c M ng C B ng Ph ng Pháp PID U: B i u n PID c s d ng r t r ng rãi th c t i u n nhi u lo i i t ng khác nh nhi t lò nhi t , t c ng c , m c ch t l ng b n ch a…S d nh v y b i u n PID có kh n!ng tri t tiêu sai s xác l p, t!ng t c áp ng , gi m v"t l n u thông s c#a b i u n c l a ch"n thích h p Trong Lý Thuy t i u Khi n T ng 1, v n thi t k b b i u n PID ã c c p k càng, song ó v$n mang tính lý thuy t thu%n túy n c giao th c hi n Án M ôn H"c v&i tài th c hi n m t card i u n theo gi i thu t PID, v n ch a hi u Lý Thuy t i u Khi n T ng nh c gi i t a S d em ch"n i u n t c ng c i t ng i u n kinh i n, có m't h%u h t ng d ng k c dân d ng l$n công nghi p( máy in , CD player , robot….) Có th nói ng c lị nhi t hai i t ng i u n mà sinh viên ngành t ng không th không bi t Do th(i gian th c hi n án ch) gói g"n m t h"c k*, nên tài ch a th hồn thi n, cịn nhi u v n gi i th t i u n tìm thơng s i u n cho b i u n PID v$n ch a c nghiên c u k+ Em mong r ng th%y s, cho nh-ng ý ki n q báu hồn thi n h n tài Nhân ây em c.ng xin chân thành c m n cô Bùi Thanh Huy n ã /nh h &ng cho em theo m t tài r t hay , r t phù h p v&i chuyên ngành Trong trình nghiên c u th c hi n án cô ã giúp truy n t cho em nh-ng kinh nghi m th c t , nh( ó em có th gi m thi u t i a nh-ng v n tr c tr'c mà em hồn tồn có th g'p ph i thi u kinh nghi m ng th(i c.ng xin c m n b n di1n àn www.picvietnam.com www.dientuvietnam.net , b n ã chia s, kinh nghi m ki n th c c#a di1n àn i u ó ã giúp em r t nhi u trình th c hi n án ÁN MÔN H C i u Khi n T c ng C B ng Ph ng Pháp PID I T NG QUAN PH N C NG S KH I PH N C NG Modul hi n th Modul Công Su t B Đ ng C DC i u Khi n PID Encoder (Ph n h i t c Kh i Nút n ) ÁN MÔN H C i u Khi n T c ng C B ng Ph ng Pháp PID XÂY D NG CÁC MODUL - S M odul hi n th/ s d ng LCD16x2 Encoder c g2n s3n ng c lo i 250 xung/ vòng M odul công su t c xây d ng v&i IC L298 làm trung tâm, IC L298 IC c%u H chuyên dùng cho i u n ng c N gồi ,cịn s d ng thêm Diode kích nhanh nh m t!ng kh n!ng óng ng2t cho L298 M odul nút n s d ng nút lo i nh n nh nh p thông s Ki, Kp, Kd t c 't cho b i u n Trung tâm x lý thu t toán PID PIC16F877A , bên c nh ó s d ng thêm opto cách ly PIC v&i modul công su t M CH S m ch công su t ÁN MÔN H C i u Khi n T c S ng C B ng Ph ng Pháp PID m ch i u n ÁN MÔN H C i u Khi n T c I ng C B ng Ph ng Pháp PID TÌM HI U CÁC IC C N S D NG TÌM HI U PIC16F877A c vi t theo tài li u www.picvietnam.com) ! "# $ ,- + '( / ! ,5 )1 )1 !" #$ %& '( )* + / ! 01 ( 2" !4 01 '( ( 2" 89 : ;( )< < #8 = : 7>?@A : ( 2B / ! 7>> C1 $ * !6 !" D EFGHI J ! C1 $ %KEGE LM N C1 $ OD P? 7&KG E LM N F + Q R L1 # G 8M F + Q S T U $ HI (< S ! #8 S V Q $ 2) ' 80 E 0W ,!(M L1 $ LX )Y Z !/ [ \ [ (< ] )1 T P V C1 G( T ^ ,V #8 L1 )1 TP ,V C1 )[0 G( T^=,V #$ (< )1 !U T (< )1 V )1 ) M 0_ * !" L+ # −* W - ` aOO L+ / b )1 ?P Dac @ dOO P? (< 0W - e )1 , [ 2[ 8 f ?3 * !" [ ' ; g )b d $ L1 $ * !" =+ ) [ )1 !1 >h )[ & &h (< 7& 0c =_M )1 #8 ( (- U( - i > K0c #$ &he I?@A 7>8 c #$ (< %he %7 2@A i H8 c (< / j )\ k L R [ LY # !U , 0N!>9 E L R L1 )Y e L1 )[0 #$ l ! $ , 0N!H9 HK L R L1 )Y e L1 )[0 #$ l ! $ e + Q Q ! ] [ )1 NN m( G( )< > e [ )1 ) n( [ )1 !1 G( #$ H> L C1 (M )k ( * / #$ H> L k !(Mn [ #$ * W R #8 T Rd V C1 !(Mn )< L1e Y L1T c ,d aV + Q o L )Y Z k T V #$ E L 0] !1 e #$ =e ^ #8 ) n( %& ' ( , %- $ OO HKDEpp P? %- ) *+ / % L1 / $ C1 & 23 $ * !" 45%6 !7 % ac @e L1 $ ` ( c?e L1 / h ) n( HKDEpp 01 L1 )[0 * !" H% L #8 EFGHI 0_ R L1 $ * !" Dac @e ) I ! 0q ! 7FGHI 0_ F N N )Y Z LS )r( / 3M >>>> e hN ! S LS )r( >>>I E 0W s ) ( )Y T V Z / [ N ( caa #8 GtM ! S ÁN MÔN H C i u Khi n T c < %- ' / & 23 ng C B ng Ph !7 ( )b #8 e I L 2e 0q L ) e )1 Các ngo i vi c n bi t th c hi n ( C DE2 C1 # ) n( 19 ":;+ / => $ ? @5A c? L1 $ $ c? R HKDEpp L ` ) B ng Pháp PID ( ` ( 0- ) e L1 + )Y Z >:pD@TH7ELM NV !U 01 c? t nh án ;+ HKDEp; % L1 , 0N! ) 89, 0N!>e , 0N!He , 0N!7 C DE2 F a8 L1 )Y \ L1 )[0 EL 0N! \ L1 )[0 + Q )b #8 # [ s )< < LU ! ` () k L \ LU (9 ÁN MÔN H C i u Khi n T c b G( G( ng C B ng Ph R G( )r( #8 )< ng Pháp PID < !" LX r 0n0 S !8 u @ )1 R , 0N! >9 , 0N! > )1 01 L1 )Y \ 01 L1 )[0 h b L1 )Y \ L1 )[0 ) G LX # G \ )\ L ,P R P , P v Owi&x [( s G( )r( #8 "G L c R P , P v Owi%x ,! [ )1 L1 )Y ) / b L] # G L ,> TP , P Owi&xVe 6) Q !Y ( 01 ( 2B [( b G( )r( #8 h8 !Y R ) #[ $ ,? > [ )1 )[0 ) / b L] # N L ,> TP , P Owi&xV ,! [ )1 L1 )[0e 6) Q ] G( ) G(5 [( G L ,> OTP , P v OwiIxV \ ] G( ) U [( N L ,> O h8 !Y R )− # [ $ ,? > F s G( LU L1 )Y , 0N!> #8 s )r( #8 , 0N!> " + ) W ) n( r [ ) )1 ) + L+ )+0 G( LU )< L1 #$ G( LU ! T,P V %& ' G C DE2F !7 HIC+ ( ? JG @ s , 0N! > \ L1 ^=, 8M 2 + Q )b #8 + Q # [ y b G( #8 , 0N!> \ L1 ^=, [ G \ )\ L c R P , P v Owi%x ` L 7e He > R P , P v Owi79>x s ) G u S R L1 , 0N!> S R L1 , 0N! > ) ! ,? > LY !8 W DD m( M #n >> F ) L ,> D R , P i7x ) )\ C 8M + ) G LX r 0n0 [( z S L ,> O R , P i&x ) N , 0N!> LY ] [ )1 aOO S , 0N! > ) W L1 G g ] [ )1 aOO 10 ÁN MÔN H C i u Khi n T c ng C B ng Ph ng Pháp PID M 5i %u c#a L298 ch) t i t i a c 2A, n u m2c song song hai kênh c#a L298 có th nâng %u lên 4A Tuy nhiên, cách ch) s d ng c cho i u n motor công su t bé i v&i motor công su t l&n ng (i ta không dùng IC mà dùng SCR công su t l&n Khi ó ph i có thêm m ch kích cho SCR LCD YM1602C ây LCD lo i hàng 16 kí t LCD có t4ng c ng 16 chân, ó có chân truy n d- li u, chân c p ngu n cho èn n n (Back light) , chân Vss c p ngu n cho LCD ho t ng (5V) , chân Vdd cung c p di n áp i u n t ng ph n cho LCD Th(i gian ghi ho'c "c d- li u t i a t6 LCD 500ns , nhanh nh t 20ns Dòng ho t ng c#a èn Back Light 120mA S L C V ENCODER (Vi t theo tài li u www.picvietnam.com) 1- 7ng d ng chung c#a encoder: Trong toán o t c ng c , máy CNC dùng chuy n c#a i t ng thơng qua m s vịng quay c#a tr c 16 xác /nh kho ng d/ch ÁN MÔN H C i u Khi n T c ng C B ng Ph ng Pháp PID 2- C u t o c#a Encoder: G m b phát ánh sáng(LED phát), m t b thu ánh sáng nh y v&i ánh sáng t6 b phát(b thu th (ng photodiotde ho'c phototransistor) , hay a quang (có khoan l5) g2n tr c quay 't gi-a b phát thu, thông th (ng tr c quay s8 c g2n v&i tr c quay c#a i t ng c%n o t c 3- Nguyên lý c b n: Trên a quang có khoét nhi u l4 cho phép ánh sáng truy n qua theo cách mã hoá khác nhau, s l4 s8 quy t /nh xác c#a thi t b/ o Ví d a quang c#a b n có l4 t c b n quay c vịng b thu s8 thu c xung, n u a quang c#a b n khoét N l4 có ngh a vòng b n thu c N xung Nh v y o t c b n m s xung n v/ th(i gian, t6 ó b n tính c s vòng n v/ th(i gian (ho'c có th o chu kì xung) N u o t c cao s l4 khoét nhi u xác 4- Các lo i Encoder Encoder c chia làm lo i, absolute encoder incremental encoder T m d/ch encoder t i encoder t ng i Absolute encoder, có ngh a encoder t i, t c tín hi u ta nh n c, ch) rõ ràng v/ trí c#a encoder, khơng c%n x lý thêm, c.ng bi t xác v/ trí c#a encoder Cịn incremental encoder, lo i encoder ch) có 1, 2, ho'c t i a vòng l5 N u lo i có l5 encoder quay h t m t vịng ta nh n c tín hi u báo ã quay h t m t vòng N u encoder có nhi u l5 h n, s, có c thơng tin chi ti t h n , có ngh a a quay 1/4 vong, 1/8 vịng, ho'c 1/n vòng, tùy theo s l5 n m incremental encoder C m5i l%n i qua m t l5, ph i l p trình thi t b/ o m lên Do v y, encoder lo i có tên incremental encoder (encoder t!ng lên n v/) a quang c#a absolute encoder a quang c#a incremental encoder 17 ÁN MÔN H C i u Khi n T c ng C B ng Ph ng Pháp PID Thông th (ng ta s d ng lo i incremental encoder , xác /nh encoder ã quay xong vòng xác /nh chi u quay c#a ng c ng (i ta dùng a quang c khoan l5 nh sau: V/ trí góc c#a l5 vòng l5 vòng l ch Các c nh c#a l5 vòng n m gi-a l5 vòng ng c l i Tuy nhiên, thay làm vịng encoder, dùng èn LED 't th9ng hàng, ng (i ta ch) c%n làm vòng l5, 't hai èn LED l ch K t qu , s, th (ng th y encoder có d ng nh hình: 18 ÁN MÔN H C i u Khi n T c II S L IT CV ng Pháp PID NG I U KHI N VÀ GI I THU!T PID NG C 1.1 Nguyên t2c ho t ng C B ng Ph DC ng: Stator c#a ng c i n chi u th (ng hay nhi u c'p nam châm v nh c u, hay nam châm i n, rotor có cu n dây qu n c n i v&i ngu n i n m t chi u, m t ph%n quan tr"ng khác c#a ng c i n chi u b ph n ch)nh l u, có nhi m v 4i chi u dòng i n chuy n ng quay c#a rotor liên t c Thông th (ng b ph n g m có m t b c4 góp m t b ch4i than ti p xúc v&i c4 góp Pha 1: T6 tr (ng c#a rotor c c v&i stator, s, :y t o chuy n ng quay c#a rotor Pha 2: Rotor ti p t c quay 19 ÁN MÔN H C i u Khi n T c ng C B ng Ph ng Pháp PID Pha 3: B ph n ch)nh i n s, 4i c c cho t6 tr (ng gi-a stator rotor d u, tr l i pha N u tr c c#a m t ng c i n m t chi u c kéo b ng l c ngoài, ng c s, ho t ng nh m t máy phát i n m t chi u, t o m t s c i n ng c m ng Electromotive force (EM F) Khi v n hành bình th (ng, rotor quay s, phát m t i n áp g"i s c ph n i n ng counter-EM F (CEM F) ho'c s c i n ng i kháng, i kháng l i i n áp bên 't vào ng c S c i n ng t ng t nh s c i n ng phát ng c c s d ng nh m t máy phát i n (nh lúc ta n i m t i n tr t i vào %u c#a ng c , kéo tr c ng c b ng m t ng$u l c bên ngoài) Nh v y i n áp 't ng c bao g m thành ph%n: s c ph n i n ng, i n áp giáng t o i n tr n i c#a cu n dây ph%n ng Dòng i n ch y qua ng c c tính theo bi u th c sau: I = (VNguon − VPhanDienDong) / RPhanUng Công su t c mà ng c a c, c tính b ng: P = I * (VPhanDienDong) 1.2 'c tính ng c U= E+ Ri + L M dc –M t =J M dc = Ce i E= Ce ; di dt dω dt 20 ÁN MÔN H C i u Khi n T c ng C B ng Ph ng Pháp PID ! "! !# $ % &! ' (( ' ) *# ! + ( ( ( ( , # 3 $ 6/ $ 7!( ( $ / , - ( ( ' ( 2( $ ! ( ( ' ' (& : ! ! ; = f (I) g"i 'c tính t c ; ;3 $+ * ( ( ( ; < $ , > ' T6 k t qu ta th y : = # ' ( ' $ $ Tóm l i, t c quay c#a m t ng c i n m t chi u t< l v&i i n áp 't vào nó, ng$u l c quay t< l v&i dòng i n i u n t c c#a ng c có th b ng cách i u n i m chia i n áp cung c p, i u n b c p ngu n thay 4i c, dùng i n tr ho'c m ch i n t Chi u quay c#a ng c có th thay 4i c b ng cách thay i chi u n i dây c#a ph%n kích t6, ho'c ph%n ng, nh ng khơng th c n u thay 4i c hai Thông th (ng s, c th c hi n b ng b công t2c t 'c bi t (Công t2c t 4i chi u) 21 ÁN MÔN H C i u Khi n T c KHÁI QUÁT B ng C B ng Ph ng Pháp PID I U KHI N PID M t b i u n PID g m ba khâu: khâu t) l (P),khâu tích phân(I),và khâu vi phân (D) Trong mi n th(i gian, b i u n PID c mơ t b ng mơ hình vào ra: U(t)= kp.e(t) +ki +kd Trong ó e(t) tín hi u ngõ vào, u(t) tín hi u ngõ c#a b i u n Thông th (ng, giá tr/ Ki, Kp, Kd có ý ngh a nh sau: Thành ph%n Kp Thành ph%n Kd Thành ph%n Ki B c i thi n th(i gian t!ng tr gi m v"t l tri t tiêu sai s xác l p ng PID R"I R C Ta xét th/ sau ây: (vòng/phút) v o e3 e0 v 't e1 =t t(s) Ta r(i r c hóa v o t i m5i th(i i m cách m t kho ng =t e0, e1,e2, e3 ….là sai l ch c#a v n t c hi n t i so v&i v n t c 't Tr &c tiên , r(i r c hóa tích phân: Chúng ta ã bi t : 22 ÁN MÔN H C i u Khi n T c ng C B ng Ph ng Pháp PID M t cách g%n úng : = i , v&i r t nh Nh v y: R(i r c hóa vi phân: V&i r t nh ta x p x): Nh v y : Tóm t i ta c bi u th c r(i r c: ! III GI I THU!T L!P TRÌNH T NG QUAN GI I THU!T - Kp, Ki, Kd l%n l t h s Kp,Ki, Kd - e2 sai l ch hi n t i (trong lúc ang xét) - e1 sai l ch tr &c ó - e_sum t4ng c#a t t c sai l ch t6 lúc b2t %u n th(i i m ang xét -e_del hi u s c#a hai sai l ch e2 e1, hay nói cách khác, ó bi n thiên sai l ch - V_set t c c thi t l p qua bi n tr - V_do t c hi n t i "c c t6 encoder - Duty s ph%n tr!m duty cycle c#a xung PWM c%n cung c p Ban %u e1 = e2 = e_sum = e_del =0 Duty=0 23 ÁN MÔN H C i u Khi n T c Theo ó ta có l u ng C B ng Ph ng Pháp PID sau: Start No V_do=0? No Duty=0 No Chieu_quay=tp? Yes Yes tp=chieu_quay L y giá tr/: Kp, Ki, Kd V_set Tính tốn t c ng c Và xu t hình LCD t c ng c e2=V_set-V_do e_sum=e_sum+e2 e_del=e2-e1 e1=e2 duty= Kp.e2+Ki.e_sum +Kd.e_del" Xu t xung PWM v&i duty tính 24 c ÁN MÔN H C i u Khi n T c ng C B ng Ph ng Pháp PID Khi 4i chi u quay ng c ta thêm bi n “tp” th# thu t ng ng c p i n cho ng c ch( cho ng c ng6ng quay r i m&i c p i n áp o chi u n m tránh tình tr ng dịng có th làm h ng m ch cơng su t TÍNH T C NG C Trong tài em l p trình c 10ms s, tính t c ng c l%n Gi s 10ms vi x lý m c T xung t6 encoder , v&i lo i encoder ang s d ng lo i 250xung/vòng Nh v y, 10 ms %& #$ ' (vòng/s), i v&i ng c quay c ng c ta th (ng dung #$ %& vịng T6 ó v n t c ng c n v/ (vòng/phút ) Nh v y bi u th c tính t c ng c cu i là: )* +* V_do=( ,-* *'* (vòng/phút) = 24T (vòng/ phút) Nh v y sai s h th ng phép o 24(vòng/phút) Trong tài s d ng Timer0 m xung t6 encoder , ng th(i cho phép ng2t timer0 m5i tràn Khi timer0 tràn nh y vào ng2t s, t!ng bi n i ch ng trình ng2t.,v&i cách làm ta s, có T 0= t 0+256.i V&i t giá tr/ timer0 tai th(i i m k t thúc 10ms THI #T K# NÚT B$M M ch c thi t k có nút, nút reset m ch , nút ch"n mode, nút t!ng s nút gi m s Nh m cho vi x lý chuyên x lý gi i thu t PID, ch ng trình s, khơng có ph%n qt nút Vi c qt nút s, c a vào m t ch ng trình ng2t ( ng2t ngoài) ây nút ch"n mode s, c n i t&i chân RB0 c#a 16F877A, ây chân ng2t c#a PIC Khi nh n nút ch"n mode ch ng trình s, nh y vào ng2t th c hi n quét nút Ti p ó ,nh n nút ch"n mode ti p t c ch"n thông s c%n nh p (V_set , Ki, Kp,Kd, chi u quay) Sau khin nh p thông s xong, è nút chon mode 2s s, thoát kh i ng2t tr v ch ng trình ,s d ng thơng s v6a nh p tính tốn cho gi i thu t PID Do s l ng nút thi t k h n ch , nên thông s nh p vào có gi&i h n ch) t!ng gi m l ng nh t /nh C th , V_set m5i l%n ch) t!ng gi m 10 vòng/phút Các h s Ki, Kp ,Kd m5i l%n t!ng gi m 0,01 gi&i h n t6 t&i 30( ngh a 0