Đồ án:Thiết kế bộ điều khiển luật PID điều khiển động cơ DC pptx

Ghép nối PWM với động cơ một chiều Mạch điều khiển mô tơ bằng phương pháp PWM hoạt động dựa theo nguyên tắc cấp nguồn cho mô tơ bằng chuỗi xung đóng mở với tốc độ nhanh.. Có nhiều ph-ơn

Bộ GIáO DụC ĐàO TạO TRƯờNG ĐạI HọC DÂN LậP HảI PHòNG

THIếT Kế Bộ ĐIềU KHIểN LUậT PID ĐIềU KHIểN

động cơ dc

Đồ áN TốT NGHIệP ĐạI HọC Hệ CHíNH QUY

Ngành : điện tử - viễn thông

HảI phòng – 2009

MỤC LỤC

Lời mở đầu 1

PHẦN A : CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THIẾT KẾ MẠCH 2

CHƯƠNG 1 : ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 2

1.1 Cấu tạo của động cơ một chiều 2

1.2 Phân loại động cơ một chiều 3

1.2.1 Động cơ một chiều,kích từ vĩnh cửu 3

1.2.2 Động cơ một chiều không chổi than 3

1.3 Các phương trình quan trọng 4

1.4 Nguyên tắc hoạt động 4

1.5 Đáp ứng của motor một chiều 5

CHƯƠNG 2 : PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG 8

2.1 Phương pháp điều chế độ rộng xung 8

2.2 Phương pháp tạo ra PWM? 9

2.3 Ghép nối PWM với động cơ một chiều 10

CHƯƠNG 3 : BỘ ĐIỀU KHIỂN TỶ LỆ - TÍCH PHÂN – VI PHÂN 11

3.1 Bộ Điều Khiển PID Liên Tục 11

3.1.1 Sử Dụng Mô Hình Xấp Xỉ Bậc Nhất Có Trễ Của Đối Tượng 13

3.1.2 Xác định tham số bằng thực nghiệm 15

3.1.3 Phương pháp Chien – Hrones – Reswick 16

3.1.4 Phương pháp tổng Kuhn 18

3.2 Bộ Điều khiển PID số 21

3.2.1 Nguyên lý điều khiển PID số 21

3.2.2 Xác định tham số cho PID số bằng thực nghiệm 23

3.2.2.1 Xác định hàm quá độ của đối tượng 23

3.2.2.2 Xác định từ giá trị tới hạn 24

CHƯƠNG 4 : THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ 25

4.1 Khối vi điều khiển 25

4.2 Khối hiển thị 25

4.3 Khối mạch động cơ 26

4.4 Khối nguồn 27

4.5 Khối Jump và bàn phím 28

4.6 Lưu đồ thuật toán và chương chình điều khiển 29

PHẦN B: PHỤ LỤC 39

** GỚI THIỆU VI ĐIỀU KHIỂN PIC16F877A 39

+ Tổng quan về thiết bị 39

+Tổ chức bộ nhớ 44

+ Cổng vào ra 51

+ Các bộ Timer của chip 57

+ Bộ chuyển đổi tương tự sang số 66

+ Các ngắt của PIC16F877A 69

+So sánh với vi điều khiển 8051 70

** GIỚI THIỆU VỀ THIẾT BỊ HIỂN THỊ LCD 71

+ Hình dáng kích thước 71

+ Các chân chức năng 72

+ Sơ đồ khối của HD44780 73

+ Tập lệnh của LCD 78

+ Đặc tính của các chân giao tiếp 84

KẾT LUẬN 85

TÀI LIỆU THAM KHẢO 86

LỜI MỞ ĐẦU

Động cơ một chiều được ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực thực tiễn , vì vậy có rất nhiều đề tài thiết kế bộ điều khiển cho động cơ một chiều và được đề cập rất nhiều trên các sách báo , tạp trí và internet Việc ứng dụng động cơ DC vào sản xuất cũng như nghiên cứu khoa học đã mang lại những thành tựu nhất định

Tuy nhiên để động cơ DC hoạt động tốt thì ta phải thiết kế cho nó một

bộ điều khiển giúp cho động cơ hoạt động một cách linh hoạt Hiện nay có rất nhiều bộ điều khiển có thể làm tốt việc đó , tuy nhiên cá nhân em nhận thấy bộ điều khiển PID có thể đáp ứng tốt các yêu cầu của việc điều khiển động cơ DC , bộ điều khiển này được ứng dụng rất rộng rãi vì nó là một điều khiển đơn giản nhưng lại rất linh hoạt có thể áp dụng được cho rất nhiêu loại động cơ, vì vậy em đã nhận đề tài này nhằm tìm hiểu kĩ hơn về bộ điều khiển đó

Trong quá trình làm đồ án tốt nghiệp, do sự hạn chế về thời gian, tài liệu và trình độ có hạn nên không tránh khỏi có thiếu sót Em rất mong được

sự đóng góp ý kiến của thầy cô trong hội đồng và các bạn để đồ án tốt nghiệp của em được hoàn thiện hơn

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô trong Khoa Điện tử, đặc biệt là thầy ĐOÀN HỮU CHỨC đã giúp đỡ em hoàn thành tốt

Điện-đồ án này

Hải phòng 9 tháng 7 năm 2009 Sinh viên thực hiện MAI THẠCH DUY

PHẦN A:

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ THIẾT KẾ MẠCH

CHƯƠNG 1 : ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1 Cấu tạo của động cơ một chiều

Một động cơ một chiều có 6 phần cơ bản:

+ Phần ứng hay Rotor (Armature)

Động cơ một chiều có thể chia làm một số loại cơ bản

- Động cơ một chiều,kích từ độc lập

- Động cơ một chiều, kích từ nối tiếp

- Động cơ một chiều, kích từ song song

- Động cơ một chiều, không chổi than

1.2.1 Động cơ một chiều,kích từ vĩnh cửu

+ Là trường hợp đặt biệt của động cơ một chiều kích thích độc lập Cuộn dây kích từ trên stator được loại bỏ và thay bằng một cặp nam châm vĩnh cửu

+ Điện áp nuôi được đưa vào qua cổ góp cơ khí.Dòng điện chạy qua cuộn dây tạo ra một từ trường và bị từ trường nam châm cố định hấp hẫn khiến rotor quay cho tới khi cực được nam châm hóa thẳng với cực nam châm Đúng lúc ấy, chổi than và vành góp chuyển điện áp cung cấp sang cặp cực tiếp theo

+ Chiều quay của động cơ một chiều do chiều dòng điện cấp vào phần ứng, để đảo chiều chỉ cần đảo điện áp phần ứng

1.2.2 Động cơ một chiều không chổi than

+ Động cơ một chiều không chổi than không được cấp liên tục một điện áp một chiều.Rotor của động cơ là một nam châm vĩnh cửu.Stator gồm các cực dây cuốn, khi được cấp điện, các cực này hoạt động giống như một nam châm điện

+ Động cơ một chiều không chổi than không sử dụng chổi than và cổ góp.Việc cấp điện áp lần lượt cho các cực từ thực hiện bằng mạch điện tử của driver

+ Việc loại bỏ chổi than cổ góp tránh được đánh lửa cổ góp, tăng công suất, tăng tốc độ maximum Tuy nhiên luôn đòi hỏi phải có một bộ điều khiển điện tử

1.3 Các phương trình quan trọng

Phương trình cơ bản của động cơ 1 chiều

Với:

Φ : Từ thông trên mỗi cực (Wb)

Iư:Dòng điện phần ứng (A)

V: Điện áp phần ứng (V)

Rư : Điện trở phần ứng (Ohm)

Omega : Tốc độ động cơ (rad/s)

M : moment động cơ (Nm)

K : Hằng số phụ thuộc cấu trúc động cơ

+ Phương trình tốc độ

I K

R R K

+Phương trình moment

I K

Các thông số của motor một chiều DC cảm ứng gồm:

- Ra: điện trở cuộn dây cảm ứng [ohm]

- La: điện cảm cuộn dây [Henrry]

- va: thế đặt trên cuộn dây [V]

- vb: sức điện động cảm ứng phản hồi ngược [V]

- : góc quay trục motor [radian]

- Kp: hằng số sức điện động phản hồi ngược [V/rad/s]

- Kt: hệ số khuếch đại của cảm biến tốc độ ( tachometer)

- Km: hằng số motor [N.m/A]

Như vậy, môtơ một chiều dùng cuộn dây cảm ứng tự nó đã là một hệ điều khiển có phản hồi Trong đó sức điện động phản hồi ngược (back – emf voltage ) tỷ lệ với tốc độ của môtơ Sơ đồ khối của một môtơ một chiều được trình bày trên hình vẽ Trong đó đã bao gồm cả tác dụng của tải ngoại như lực xoắn nhiễu Tt Va(s) là lượng vào (thế đặt) và O(s) là lượng ra (tốc

R

B R K K s R

L B J s R

L

J R K s

m a

a b m a

a m

a a

m a m

) (

/ 1

2

s T J

R

B R K K s R

L B J s

R

L

J R

L s

L

m a

a b m a

a m

a

a

m a

a

1 )

( 1 )

s

J s V s T

K s

m m m

a m

eff

Với: Keff = Km/(RaB +KmKb) là hằng số khuếch đại điện của môtơ

m = RaJm/ (RaB +KmKb) là hằng số cơ của môtơ

Nếu kết hợp quán tính tải và tỷ số bánh răng giảm tốc thì có thể thay thế Jm trong các biểu thức bằng J Ta có thể viết:

0 ) ( ) ( 0 ) ( ) ( )

( )

b

e K

A t

Trong trường hợp này lưu rằng hằng số cơ m phản ánh khả năng của môtơ khi thắng độ quán tính Jm nhanh bao nhiêu để đạt tới trạng thái xác lập với tốc độ không đổi ở thế Va Từ đẳng thức trên tính được giá trị cuối cùng của tốc độ là w(t) = A/Kb Khi tăng m lên dẫn đến tăng thời gian đạt tới trạng thái xác lập

Nếu tác động một tải có độ xoắn không đổi D lên hệ, thí dụ TL =D/s, thì đẳng thức trên sẽ trở thành:

) 1

)(

(

1 )

m a b

e K

D R A K t

1

m a b

final

K

D R A

K

w

a a

m R s L

K

B Js

Hình 1.1 Sơ đồ một môtơ DC có cuộn cảm ứng

Vb(s)

CHƯƠNG 2 : PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG 2.1 Phương pháp điều chế độ rộng xung

Phương pháp điều chế độ rộng xung – Pulse Width Modulation

(PWM) là phương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi của độ rộng xung

của chuỗi vuông dẫn đến thay đổi giá trị trung bình của điện áp ra

Ta gọi : Độ rộng xung của chuỗi xung là D

Biên độ điện áp của chuỗi xung là Umax

Thì: Giá trị hiệu dụng của chuỗi xung vuông là

u = Umax.D

Nếu giả sử nguồn phát xung ở hình2 1.b phát ra các chuỗi xung có độ

rộng xung lần lượt như hình2.1.a thì điện áp hiệu dụng đo được trên R_Tai lần lượt sẽ là :

V1 PWM source

R_Tai R

V

M1 METER VOLT

Hình 2 1a: Dạng xung PWM Hình 2.1b: Mạch điện PWM

2.2 Phương pháp tạo ra PWM?

+ Vậy câu hỏi đặt ra là : Làm thế nào để tạo PWM?

Để trả lời cho câu hỏi này, ta hay phân tích hình dưới đây:

Chúng ta sử dụng một bộ so sánh điện áp và đưa vào 2 đầu so sánh

một xung răng cưa Saw và một điện áp một chiều Ref

Khi Saw < Ref thì Output = 0V Khi Saw > Ref thì Output = Uramax

Và cứ như vậy mỗi khi chúng ta thay đổi Ref thì Output lại có chuỗi xung độ rộng D thay đổi với tần số xung vuông Output = tần số xung răng cưa Saw

+ Vi điều khiển tạo ra chuỗi xung nhờ việc thay đổi mức điện áp xuất

ra ở cổng theo khoảng thời gian khác nhau

V2 PWM source

M

MO1 DC-MOTOR

Hình 2 2: Mạch điện mắc Động cơ với PWM

Hình 2 3: Phương pháp tạo ra PWM

+

-Comparator

3 2

1

SAW REF

Output

Mức 0 = 0V

Mức 1=5V

Khoảng thời gian giữ chậm khi xuất các mức điện áp này sẽ tạo ra tần

số của xung Như vậy ta có thể tạo ra chuỗi xung điều khiển động cơ bằng vi điều khiển

2.3 Ghép nối PWM với động cơ một chiều

Mạch điều khiển mô tơ bằng phương pháp PWM hoạt động dựa theo nguyên tắc cấp nguồn cho mô tơ bằng chuỗi xung đóng mở với tốc độ nhanh Nguồn DC được chuyển đổi thành tín hiệu xung vuông (chỉ gồm hai mức 0 volt và xấp xỉ 12 volt) Tín hiệu xung vuông này sẽ được cấp cho mô tơ

Nếu tần số chuyển mạch đủ lớn thì mô tơ sẽ chạy với một tốc độ đều đặn phụ thuộc vào mô men của trục quay Với phương pháp PWM, chúng ta điều chỉnh tốc độ của mô tơ thông qua việc điều chế độ rộng của xung, tức là thời gian "đầy xung" ("on") của chuỗi xung vuông cấp cho mô tơ Việc điều chỉnh này sẽ tác động đến công suất trung bình cấp cho mô tơ và do đó sẽ thay đổi tốc độ của mô tơ cần điều khiển Nếu tần số bật tắt mà cao, motor sẽ chạy ở một tốc độ ổn định nhờ mômen quay của bánh xe Bằng cách thay đổi chu kỳ hoạt động của tín hiệu (thay đổi độ rộng xung – PWM) tức là khoảng thời gian “bật”, nguồn điện trung bình đặt lên motor sẽ thay đổi và dẫn đến thay đổi tốc độ động

cơ

Giả sử chúng ta đã có

PWM ở đầu ra Output Tuy

nhiên, do công suất của động

cơ khá lớn nên chúng ta không

thể nối trực tiếp lối ra Output

vào động cơ được Để có thể

dùng được PWM trong trường

hợp này, chúng ta mắc như

hình dưới đây

CHƯƠNG 3 : BỘ ĐIỀU KHIỂN TỶ LỆ - TÍCH PHÂN – VI PHÂN

(PID )

Tên gọi PID là chữ viết tắt của ba thành phần cơ bản có trong bộ điều khiển đó là: khuếch đại tỷ lệ P (Proportional), tích phân I (Integral) và vi phân D (Derivative) nh- hình 3.1.a Ng-ời ta vẫn th-ờng ví von rằng bộ điều khiển PID là một tập thể hoàn hảo bao gồm ba tính cách khác nhau:

- Phục tùng và thực hiện chính xác nhiệm vụ đ-ợc giao (tỷ lệ);

- Làm việc và có tích luỹ kinh nghiệm để thực hiện tốt nhiệm vụ (tích phân);

- Luôn có sáng kiến và phản ứng nhanh nhạy với sự thay đổi tình huống trong quá trình thực hiện nhiệm vụ (vi phân)

3.1 Bộ điều khiển PID liờn tục

Bộ điều khiển PID đ-ợc sử dụng rộng rãi để điều khiển các hệ thống SISO theo nguyên lý điều khiển bù trừ hồi tiếp nh- hình 3.1.b Lý do bộ PID

đ-ợc sử dụng rộng rãi bởi tính đơn giản của nó cả về cấu trúc và nguyên lý làm việc Bộ PID có nhiệm vụ đ-a sai lệch e(t) của hệ thống về giá trị 0 sao cho quá trình quá độ thoả mãn các yêu cầu cơ bản về chất l-ợng:

- Nếu sai lệch e(t) càng lớn thì thông qua thành phần tỷ lệ up(t), tín hiệu điều chỉnh u(t) càng lớn

- Nếu sai lệch e(t) ch-a bằng 0 thì qua thành phần tích phân uI(t), tín hiệu điều chỉnh vẫn đ-ợc bộ PID tạo ra

- Nếu sự thay đổi của sai lệch e(t) càng lớn thì thông qua thành phần vi phân uD(t), phản ứng thích hợp của u(t) sẽ càng nhanh

Hình 3.1 Điều khiển với bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID đ-ợc mô tả bằng hình toán học vào ra nh- sau:

] ) ( )

(

1 ) ( [ )

(

t de T d e T t e k t

s

I p

1 1 )

Điều khiển tỷ lệ P với hệ số khuếch đại Kp có tác dụng làm giảm thời gian đáp ứng quá độ của hệ thống và giảm độ lệch tĩnh (so với điểm đặt) đến mức cực tiểu nh-ng không thể loại trừ

Điều khiển tích phân I với hệ số KI cho phép loại trừ độ lệch tĩnh, nh-ng lại làm cho đáp ứng quá độ xấu đi

Điều khiển vi phân D với hệ số KD làm tăng tính ổn định của hệ thống, giảm hiệu ứng quá điều chỉnh (overshoot) và cải thiện đáp quá độ

Chất l-ợng của hệ thống phụ thuộc vào các tham số Kp, TI và TD Muốn hệ thống có đ-ợc chất l-ợng tốt nh- mong muốn thì phải phân tích đối t-ợng rồi trên cơ sở đó chọn các tham số đó cho phù hợp Có nhiều ph-ơng pháp xác định các tham số trên cho bộ điều khiển PID, đ-ợc sử dụng nhiều hơn cả là các ph-ơng pháp:

- Ph-ơng pháp sử dụng mô hình xấp xỉ bậc nhất của đối t-ợng

- Ph-ơng pháp thực nghiệm

- Ph-ơng pháp xác định tham số theo tổng T

Một điều cần quan tâm là không phải tất cả các tr-ờng hợp đều phải xác định các tham số trên Chẳng hạn nếu bản thân đối t-ợng đã có khâu tích phân thì trong bộ điều khiển không cần phải thêm khâu tích phân mới triệt

đ-ợc sai số tĩnh, hay nói khác đi là ta chỉ cần sử dụng bộ điều khiển PD có:

là đủ (TI = ) Hoặc khi tín hiệu trong hệ thống có sự thay đổi chậm

và bản thân bộ điều khiển không cần phải có phản ứng thật nhanh với sự thay

(TD = 0) có hàm truyền đạt nh- sau:

s T k

s

R

I p

1 1 )

3.1.1 Sử dụng mụ hỡnh xấp xỉ bậc nhất cú trễ của dối tƣợng

Ph-ơng pháp xác định tham số sử dụng mô hình xấp xỉ bậc nhất có trễ của đối t-ợng đ-ợc trình bày d-ới đây còn có tên gọi là ph-ơng pháp thứ nhất Ziegler - Nichols Ph-ơng pháp này có nhiệm vụ xác định tham số kp ,

TI và TD cho bộ điều khiển PID trên cơ sở đối t-ợng có thể đ-ợc mô tả xấp xỉ bởi hàm truyền đạt dạng:

s

Ls

T

ke s

S

1 )

sao cho hệ thống nhanh chóng về chế độ xác định và độ quá điều chỉnh hmaxkhông đ-ợc v-ợt quá một giá trị cho phép, khoảng 40% so với

) (

Ba tham số L (hằng số thời gian trễ), k (hệ số khuếch đại) và T

(hằng số thời gian quán tính) của mô hình xấp xỉ (3.4) có thể đ-ợc xác

định gần đúng từ đồ thị hàm quá độ của đối t-ợng Nếu đối t-ợng có hàm quá độ dạng nh- hình 3.2 mô tả thì từ đồ thị hàm h(t) đó ta có thể đọc ra

a L là khoảng thời gian đầu ra h(t) ch-a có đáp ứng ngay với kích thích 1(t) tại đầu vào

b k là giá trị giới hạn h limt h(t)

c Gọi A là điểm kết thúc khoảng thời gian trễ, tức điểm trên trục hoành có hoành độ bằng L Khi đó T là khoảng thời gian cần thiết sau L để tiếp tuyến của h(t) tại A đạt đ-ợc giá trị k

Tr-ờng hợp hàm quá độ h(t) không có dạng lý t-ởng nh- hình trên song có dạng gần giống hình chữ S của khâu quán tính bậc 2 hoặc bậc n thì

ba tham số k, L, T của mô hình đ-ợc xác định xấp xỉ nh- sau:

d k là giá trị giới hạn h limt h(t)

e Kẻ đ-ờng tiếp tuyến của h(t) tại điểm uốn của nó Khi đó L sẽ là hoành độ giao điểm của tiếp tuyến với trục hoành và T là khoảng thời gian cần thiết để đ-ờng tiếp tuyến đi đ-ợc từ giá trị 0 tới đ-ợc giá trị k

Nh- vậy, có thể thấy là điều kiện để áp dụng đ-ợc ph-ơng pháp xấp xỉ

mô hình bậc nhất có trễ của đối t-ợng là đối t-ợng đã phải ổn định, không có dao động và ít nhất hàm quá độ của nó phải có dạng hình chữ S Sau khi đã

có các tham số cho mô hình xấp xỉ của đối t-ợng, Ziegler - Nichols đã đề nghị sử dụng các tham số kp, TI, TD sau cho bộ điều khiển:

_ Nếu chỉ sử dụng bộ điều khiển khuếch đại R(s) = kp, chọn kp = T/kL

_ Nếu sử dụng bộ PI với

s T k

s R

I p

1 1 )

( thì chọn kp = 0.9T/kL và

Hình 3 3 Xác định tham số cho mô hình xấp xỉ biểu thức (3.4) của đối tượng

_ Nếu sử dụng PID có T s

s T k

s

I p

1 1 )

Nguyên lý của ph-ơng pháp nh- sau:

_Thay bộ điều khiển PID trong hệ kín bởi một bộ khuếch đại Sau đó tăng hệ số khuếch đại tới giá trị giới hạn kth để hệ kín ở chế độ biên giới ổn

định, tức là h(t) có dạng dao động điều hoà Xác định chu kỳ Tth dao động

_Xác định tham số bộ điều khiển P, PI hay PID nh- sau:

+ Nếu sử dụng bộ điều khiển khuếch đại R(s) = kp thì chọn kp = kth/2

+ Nếu sử dụng PI với

s T k

s R

I p

1 1 )

( thì chọn kp = 0.45 kth và TI = 0.85 Tth

+ Chọn kp = 0.6kth, TI = 0.5 Tth và TD = 0.12Tth cho bộ PID

Ưu điểm của ph-ơng pháp này cho phép chọn các tham số của bộ điều khiển làm hệ kín tốt hơn về mặt độ quá điều chỉnh so với ph-ơng pháp thứ nhất (xấp xỉ mô hình) Thực tế, ph-ơng pháp pháp xác định thực nghiệm tham số PID đ-a ra đ-ợc một hệ kín có độ quá điều chỉnh hmax không v-ợt

quá 25% so với h limt h(t), tức là max 0 25

Nh-ợc điểm của ph-ơng pháp thứ hai này là chỉ áp dụng đ-ợc cho những đối t-ợng có đ-ợc chế độ biên giới ổn định khi hiệu chỉnh hằng số khuếch đại trong hệ kín

3.1.3 Phương phỏp Chien – Hrones - Reswick

Về nguyên lý, ph-ơng pháp Chien - Hrones - Reswick gần giống với ph-ơng pháp thứ nhất của Ziegler - Nichols, tuy nhiên nó không sử dụng mô hình tham số gần đúng dạng quán tính bậc nhất có trễ cho đối t-ợng mà thay vào đó là trực tiếp dạng hàm quá độ của đối t-ợng

Ph-ơng pháp Chien - Hrones - Reswick cũng phải giả thiết rằng đối t-ợng là ổn định, hàm quá độ không dao động và có dạng hình chữ S Tuy nhiên ph-ơng pháp này thích ứng với những đối t-ợng bậc rất cao nh- quán tính bậc n

cụ thể là những đối t-ợng với hàm quá độ h(t) thoả mãn: b/a>3

Trong đó a là hoành độ giao điểm tiếp tuyến của h(t) tại điểm uốn U với trục thời gian và b là khoảng thời gian cần thiết để tiếp tuyến đó đi đ-ợc

từ 0 tới giá trị k limt h(t)

Từ dạng hàm quá độ h(t) đối t-ợng với hai tham số a và b thoả mãn, Chien- Hrones - Reswick đã đ-a bốn cách xác định tham số bộ điều khiển

Hình 3.5 Hàm quá độ đối t-ợng thích hợp cho ph-ơng pháp Chien -

Hrones - Reswick

Yêu cầu 1:

Yêu cầu tối -u theo nhiễu (giảm ảnh h-ởng nhiễu) và hệ kín không có

độ quá điều chỉnh:

a Bộ điều khiển P: Chọn kp = 3b/(10ak)

b Bộ điều khiển PI: Chọn kp = 6b/(10ak) và TI = 4a

c Bộ điều khiển PID: Chọn kp = 19b/(20ak), TI = 12a/5 và TD = 21a/50

Yêu cầu 2:

Yêu cầu tối -u theo nhiễu (giảm ảnh h-ởng nhiễu) và hệ kín có độ quá điều chỉnh hmax không v-ợt quá 20% so với h limt h(t)

a Bộ điều khiển P: Chọn kp = 7b/(10ak)

b Bộ điều khiển PI: Chọn kp = 7b/(10ak) và TI = 23a/10

c Bộ điều khiển PID: Chọn kp = 6b/(5ak), TI = 2a và TD = 21a/50

Yêu cầu 3:

Yêu cầu tối -u theo tín hiệu đặt tr-ớc (giảm sai lệch bám) và hệ kín

không có độ quá điều chỉnh hmax

a Bộ điều khiển P: Chọn kp = 3b/(10ak)

b Bộ điều khiển PI: Chọn kp = 7b/(10ak) và TI = 6a/5

c Bộ điều khiển PID: Chọn kp = 3b/(5ak), TI = b và TD = a/2

Yêu cầu 4:

Yêu cầu tối -u theo tín hiệu đặt tr-ớc (giảm sai lệch bám) và hệ kín

không có độ quá điều chỉnh hmax không v-ợt quá 20% so với

) (

h

t

a Bộ điều khiển P: Chọn kp = 7b/(10ak)

b Bộ điều khiển PI: Chọn kp = 6b/(10ak) và TI = b

c Bộ điều khiển PID: Chọn kp = 19b/(20ak), TI = 27b/20 và TD = 47a/100

3.1.4 Phương phỏp tổng Kuhn

Lại xét đối t-ợng ổn định, không có độ quá điều chỉnh, hàm quá độ h(t) của nó đi từ điểm 0 và có dạng chữ S Nếu vậy, đối t-ợng có thể đ-ợc mô tả một cách tổng quát bởi hàm truyền đạt:

sT m n m

m

t m t

t

e s T s

T s T

s T s

T s T k s

S

) 1

) (

1 )(

1 (

) 1 ) (

1 )(

1 ( )

(

1 1

Gọi A là diện tích bao bởi đ-ờng cong h(t) và k = lim h(t) khi t (hình 3.6) Vậy thì:

Định lý 2.1: Giữa diện tích A và các hằng số thời gian Tti , Tmj, T có quan hệ:

) (

1 1

m

i

t i n

j

m

T kT

Hình 3.6 Quan hệ giữa diện tích A

và tổng các hằng số thời gian

Chuyển hai vế đẳng thức trên sang miền phức nhờ toán tử Laplace,

đặc biệt là tín chất ảnh tích phân của phép biến đổi này Gọi A(s) là ảnh của

A, H(s) là ảnh của h(t) ta có:

) (

1 )

s

k s s

H s

k A

s s

) ( lim )

( lim

0 0

) 1

) (

1 )(

1 (

) 1 ) (

1 )(

1 ( ) 1

) (

1 )(

1 ( lim

2 1

2 1

2 1

e s T s

T s T s

T s

T s T

n m

m

sT t m t

t m

n m

m s

s

e T

T T T

T T k

sT t

m t

t m n m

m s

1 )

( )

1 1

m

i

t i n

5 0 )

( , ) 3 1 ( 2 )

s s

s S s

s s

R

Hàm truyền đạt của hệ kín sẽ:

) 5 1 )(

2 1 )(

1 (

) 3 1 ( )

(

s s

s

s s

5 3 ) 1 2 5 ( )]

( [ )]

( ) ( [ )

(

0 0

0

A dt t h k dt t y t w dt

n sT

k s

S

) 1 ( )

B-ớc 1: Xác định k, T có thể từ hàm truyền đạt S(s) cho trong (3.3) nếu nh- đã biết tr-ớc S(s) hoặc bằng thực nghiệm từ hàm quá độ h(t) đi từ 0

và có dạng hình chữ S của đối t-ợng

B-ớc2: Xác định tham số:

a Nếu sử dụng bộ điều khiển PI: Chọn kP = 1/2k và TI = T /2

b Nếu sử dụng bộ điều khiển PID: Chọn kP = 1/2k, TI = 2T /3 và TD

= 0.167 T

3.2 Bộ Điều khiển PID số

3.2.1 Nguyờn lý điều khiển PID số

Hình 3.8 biểu diễn một hệ thống điều khiển có sử dụng bộ điều khiển PID số, tức là bộ điều khiển PID có tín hiệu vào ra dạng số (không liên tục

và rời rạc) Tín hiệu đầu ra của bộ PID số là một dãy {uk} đ-ợc đ-a đến điều khiển đối t-ợng có hàm truyền đạt liên tục S(s) Do {uk} là tín hiệu không liên tục rời rạc nên để có thể làm tín hiệu điều khiển cho đối t-ợng liên tục ta cần phải liên tục hoá nó ( trong miền thời gian) bằng bộ chuyển đổi số - t-ơng tự ZOH với hàm truyền đạt GZOH(s) Xem GZOH(s) chung với S(s) nh-

đối t-ợng điều khiển không liên tục thì đối t-ợng này sẽ có hàm truyền đạt:

} ) ( {

1 )

(

s

s S Z z

z s

0 )

0

) ( )

( )

( ] ) ( )

(

1 ) ( [ )

(

t u

D p

t u

t

I p

t u p t

D I

p

d I

p

dt

t de T k d e T

k t e k dt

t de T d e T t e k t

u

Lý do cho việc không sử dụng biến đổi Z để chuyển trực tiếp

)

1 1 ( )

s T k s

I p

sang miền Z là vì R(s) có chứa thành phần vi phân D

Khi đầu vào e(t) của PID số đ-ợc thay bằng dãy {ek} có chu kỳ trích lấy mẫu Ta thì:

_ Thành phần khuếch đại up(t) = kpe(t) đ-ợc thay bằng

upk = kpek

Hình 3.8 Điều khiển với bộ PID số

_ Thµnh phÇn tÝch ph©n e d

T

k t u

t

I

p I

0 ) ( )

( ®-îc thay b»ng (hình 3.9) + XÊp xØ tÝch ph©n lo¹i 1:

1

0

k

i i I

a p I

T

T k u

a p I

T

T k u

+ XÊp xØ tÝch ph©n lo¹i 3:

1

1

1 2

k

i

i i I

a p I k

e e T

T k u

_ Thµnh phÇn vi ph©n

dt

t de T k t

u D( ) p D ( ) ®-îc thay b»ng

) ( k k 1

a

D p D

T

T k

i i I

a k p k

T

e e T e T

T e k

k k D k

i i I

a k p k

T

e e T e T

T e k

i

i i I

a k p k

T

e e T e e T

T e k

H×nh 3 9 Minh häc c«ng thøc xÊp xØ thµnh phÇn tÝch ph©n

3.2.2 Xỏc định tham số cho PID số bằng thực nghiệm

T-ơng tự nh- ở ph-ơng pháp thực nghiệm của Ziegler - Nichols,Takahaski cũng đ-a ra một ph-ơng pháp xác định ba tham số kp, TI,

và TD cho mô hình biểu thức (3.9) của PID số hoặc từ đ-ờng quá độ h(t) của

đối t-ợng S(s) hoặc từ giá trị tới hạn kth và Tth

3.2.2.1 Xỏc định hàm quỏ độ của đối tƣợng

Điều kiện để áp dụng đ-ợc ph-ơng pháp Takahashi là đối t-ợng phải

ổn định, có hàm quá độ h(t) đi từ 0 và có dạng hình chữ S (không có độ quá

điều chỉnh)

Từ biểu diễn của dạng h(t) chung cho những đối t-ợng có thể áp dụng

đ-ợc ph-ơng pháp Takahaski Từ đ-ờng h(t) ta lấy đ-ợc các giá trị:

_ k là hệ số khuếch đại của đối t-ợng đ-ợc xác định từ h(t) theo: )

_ T là giá trị đặc tr-ng cho quá trình quá độ Nó là thời gian cần thiết

để đ-ờng tiếp tuyến với h(t) tại điểm uốn di đ-ợc từ 0 tới k

_ T95% là điểm thời gian mà h(t) đạt đ-ợc giá trị 0.95k

Hình 3.10 Xác định tham số cho bộ PID số để điều khiển đối t-ợng liên tục

Hình 3.11 Xác định tham số của PID số theo ph-ơng pháp Takahashi

Thời gian lấy mẫu Ta có thể đ-ợc chọn từ các thông số của h(t) cho đối twongj liên tục có h(t) nh- ở hình 2.14 nh- sau:

_Xác định từ L: Nếu T/L <12 thì L/ 5 T a L/ 2

_Xác định từ T: T a T/ 10

_Xác định từ T95%:

10 20

% 95

_ Nếu chỉ sử dụng riêng bộ P số:

) ( a

p

T L k

T k

_ Nếu sử dụng bộ PI số:

) 5 0 (

9 0

a p

T L k

T

k và TI = 3.33(L + 0.5Ta) _ Nếu sử dụng bộ PID số:

2 ,

) 5 0 ( 2 , ) (

2

D a

a I

a p

T L T T

L

T L T

T L k

T k

CHƯƠNG 4 : THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ

4.1 Khối vi điều khiển

Hình 4.1 khối vi điều khiển PIC16F877A

Khối vi điều khiển là trung tâm điều khiển các chế độ làm việc của động cơ và toàn bộ mọi hoạt động khác :điều khiển động cơ chạy ở tốc độ mong muốn, đảo chiều , hãm ngược , điều khiển hoạt động của mạch hiển thị LCD , đo tốc độ

Khối gồm có : IC PIC16f877A , mạch tạo xung và mạch reset

4.2 Khối hiển thị

Hinh 4.2 Khối hiển thị

Khối này hiển thị các giá trị đặt, tốc độ thực đo được bằng encoder

Khối có LCD1620

4.3 Khối mạch động cơ

Hình 4.3 Khối mạch động cơ

Nguyên lý hoạt động phần công suất điều khiển tốc độ và đảo chiều động cơ:

Opto dùng để cách ly điện giữa mạch điều khiển và mạch lực

Khi có dòng điện chạy từ chân 1 sang 2 thì làm thông 4 và 3, chân 3 lên 12V

Tín hiệu qua opto chỉ liên quan về mặt quang, nên tránh được xung đột về áp giữa mạch lực và mạch điều khiển

Khi chân PWM đưa xuống mức thấp, opto thứ nhất có dòng từ 1 sang 2, opto thông, chân 3 có điện, tín hiệu này được đưa và cực Gate (chân 1) làm Mosfet mở ở đây là IRFz44, chân Drain (chân2) được thông với GND Làm cho động cơ chạy

Ta đưa tín hiệu “điều chế rộng xung” vào chân PWM thì chân Drain của IRFz44 cũng được điều chế rộng xung, tức là điều khiển tốc độ động cơ bằng PWM

Khi chân role tại chân 2 của opto thứ 2 xuống mức thấp, opto2 thông, transistor tác động, làm cuộn hút role tác động, khi đó tại Rơle thì tiếp điểm

2 và 3, tiếp điểm 6 và 7 được tách ra, tiếp điềm 3 và 4, tiếp điểm 5 và 6 được nối lại làm đảo chiều dòng điện chạy vào động cơ, động cơ chạy đảo chiều

4.5 Khối Jump và bàn phím

Khối này dung nhập các lệnh từ bàn phím và dùng để liên kết các khối với nhau

4.6 Lưu đồ thuật toán và chương chình điều khiển

Lấy xung đo từ encoder,

Khởi tạo các thông số ban đầu

Khởi tạo đầu vào ra, các ngắt

Lấy thông số vtoc_dat, kp, ki, kd

#define DOWN PIN_D1

#define ENTER PIN_C0

#define ESC PIN_C3

float kp,ki,kd;// cac he so

signed int16 sailech1=0,sailech2=0,del_sailech,sum_sailech;

signed int16 duty;

signed int16 xung=0;

signed int16 vtoc,vtoc_dat;

int1 trichmau=1;

xung=0;// xoa bo dem xung, chuan bi cho lan dem tiep theo

trichmau=1;//bao viec trich mau da hoan thanh

ext_int_edge(L_TO_H);//lay ngat theo suon len

//encoder thuc co 200xung/vong

//ta lay ca 2 suon ngat, tuong duong voi encoder 400xung/vong

}

int8 keyscan(void)// ham quet ban phim, co delay chong rung phim

setup_ccp1(CCP_PWM);// chon chan PWM

setup_timer_2(T2_DIV_BY_4,255,1);//4.98Khz, timer2 cho bo PWM set_PWM1_duty(255);

setup_timer_1(T1_INTERNAL|T1_DIV_BY_8);//timer 1 chia 8, tuc la tang bo dem sau moi 1.6us

set_timer1(3036);//tran sau moi 100ms

enable_interrupts(INT_TIMER1);//cho phep ngat timer1

enable_interrupts(GLOBAL);//cho phep ngat toan cuc

LCDinit();// khoi tao LCD

//Dat cac gia tri ban dau cho dong co

duty=200;

vtoc_dat=1000;//vong/phut

//hien thi thong tin ban dau

LCDwrite("DO AN TOT NGHIEP");