ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU SỬ DỤNG THUẬT TOÁN PID TRÊN CƠ SỞ LABVIEW Bộ điều khiển PID là bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (Proportional Integral Derivative), là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển. Bộ điều khiển PID sẽ tính toán giá trị sai số là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt mong muốn.11 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. Hầu hết các bộ điều khiển được sử dụng trong công nghiệp là bộ điều khiển PID. Nếu thiết kế tốt bộ điều khiển này sẽ có khả năng điều khiển hệ thống đáp ứng tốt các chỉ tiêu chất lượng như đáp ứng nhanh, thời gian quá độ ngắn, độ quá điều chỉnh thấp, triệt tiêu được sai lệch tĩnh.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI LÊ ANH TUẤN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU SỬ DỤNG THUẬT TOÁN PID TRÊN CƠ SỞ LABVIEW ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HÀ NỘI, NĂM 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI LÊ ANH TUẤN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU SỬ DỤNG THUẬT TOÁN PID TRÊN CƠ SỞ LABVIEW Ngành : Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Mã số: TLA121 NGƯỜI HƯỚNG DẪN PGS.TS NGUYỄN TRỌNG THẮNG HÀ NỘI, NĂM 2022 GÁY BÌA ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP, KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP, HỌ VÀ TÊN ĐỒ ÁN/KL TỐT NGHIỆP HÀ NỘI, NĂM Họ tên sinh viên: Lê Anh Tuấn Hệ đào tạo: Đại học quy Lớp: 60 TĐH2 Ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Khoa: Điện - Điện tử TÊN ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU SỬ DỤNG THUẬT TOÁN PID TRÊN CƠ SỞ LABVIEW CÁC TÀI LIỆU CƠ BẢN: [1] System Identification Algoriathm for Systems with Interval Coefficients, Mustaffa Mohammed Basil, Journal of Engineering, 18 February 2012 [2] Nguyễn Thương Ngô, Lý thuyết điều khiển tuyến tính, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2000 [3] Nguyễn Văn Hòa, Cơ sở tự động hóa, NXB Giáo dục,2001 [4] PID Controllers: Theory, Design, and Tuning 2nd Edition; K Astrom and T Hagglund; Intrusment Society of America 1994 [5] Giáo trình Lý thuyết điều khiển đại, Chương Điều khiển mở, PGS.TS.Nguyễn Thị Phương Hà [6] Nguyễn Thương Ngô, Lý thuyết điều khiển tự động thông thường đại, NXB Khoa học Kỹ thuật 2005 [7] PID Controllers: Theory, Design, and Tuning 2nd Edition; K Astrom and T Hagglund; Intrusment Society of America 1994 [8] TS Nguyễn Bá Hải, LẬP Trình LabVIEW NXB Trường Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh NỘI DUNG CÁC PHẦN THUYẾT MINH VÀ TÍNH TỐN: Chương 1: Cơ Sở Lý Thuyết Chương 2: Tìm Hiểu Về Các Thiết Bị Sử Dụng Mơ Hình Chương 3: Thi Cơng Hệ Thống Kết Quả Thực Nghiệm BẢN VẼ VÀ BIỂU ĐỒ ( ghi rõ tên kích thước vẽ có ): GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN TỪNG PHẦN Phần Họ tên Giáo viên hướng dẫn Toàn phần PGS.TS Nguyễn Trọng Thắng NGÀY GIAO NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP/ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Ngày 26 tháng 09 năm 2022 Trưởng Bộ mơn Giáo viên hướng dẫn (Ký ghi rõ họ tên) (Ký ghi rõ họ tên) TS Phạm Đức Đại PGS.TS Nguyễn Trọng Thắng Sinh viên hoàn thành nộp Đồ án tốt nghiệp/ Luận văn tốt nghiệp cho Hội đồng tốt nghiệp ngày tháng năm 20 Sinh viên làm Đồ án tốt nghiệp (Ký ghi rõ họ tên) Lê Anh Tuấn Nhiệm vụ Đồ án tốt nghiệp/ Luận văn tốt nghiệp Hội đồng tốt nghiệp Khoa thông qua ngày tháng năm Chủ tịch Hội đồng (Ký ghi rõ họ tên) LỜI CAM ĐOAN Tôi Lê Anh Tuấn, mã số sinh viên 1851212542, sinh viên lớp 60TDH2 Người hướng dẫn PGS.Nguyễn Trọng Thắng Tơi xin cam đoan tồn nội dung trình bày đồ án “Điều khiển động chiều sử dụng thuật toán PID sở Labview” kết trình tìm hiểu nghiên cứu Các liệu nêu đồ án hoàn toàn trung thực, phản ánh kết đo đạc thực tế Mọi thơng tin trích dẫn tuân thủ quy định sở hữu trí tuệ; tài liệu tham khảo liệt kê rõ ràng Tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm với nội dung viết đồ án Hà Nội, ngày tháng năm 2022 Tác giả ĐATN/KLTN Lê Anh Tuấn LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành tốt Đồ án tốt nghiệp, em xin gửi lời chân thành cảm ơn thầy cô khoa Điện – Điện Tử tạo điều kiện tốt cho chúng em hoàn thành đề tài Đồ án tốt nghiệp lần dấu mốc quan trọng phản ánh trình học tập miệt mài em trường Em xin gửi lời cám ơn đến bạn sinh viên lớp 60TDH2 bạn sinh viên trường nhiệt tình trao đổi chia sẻ kiến thức ln động viên đồn kết lúc gặp khó khăn Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS TS Nguyễn Trọng Thắng; TS Ngô Quang Vĩ – Giảng viên khoa Điện – Điện Tử trực tiếp bảo ban, hướng dẫn tận tình giúp đỡ tạo điều kiện giúp em hoàn thành tốt đề tài Em xin kính chúc q thầy sức khoẻ, hạnh phúc thành công nghiệp trồng người ! MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN LỜI NÓI ĐẦU 11 Chương 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 12 1.1 Giới thiệu chung 12 1.1.1 Đặt vấn đề 12 1.1.2 Phương pháp thực 12 1.1.3 Mục tiêu đề tài 12 1.2 Bộ Điều Khiển PID 13 1.2.1 Lý Thuyết Về Bộ Điều Khiển PID 13 1.2.2 Điều Chỉnh Tham Số Bộ Điều Khiển PID 18 1.3 Lý Thuyết động chiều DC 20 1.3.1 Động DC chiều 20 1.3.2 Phương pháp điều khiển tốc độ động 28 Chương 2: TÌM HIỂU CÁC THIẾT BỊ SỬ DỤNG TRONG MƠ HÌNH 34 2.1 Phần cứng 34 2.1.1 Vi điều khiển PIC 16F877 34 2.1.2 Mạch công suất L298N 41 2.1.3 Màn hình LCD 16X2 42 2.1.4 Động DC Encoder 334 Xung Mini 43 2.1.5 Mạch chuyển đổi USB TO COM CH340 45 2.2 Phần mềm 45 2.2.1 Giới thiệu LABVIEW 45 2.2.2 Các thành phần labVIEW 48 Chương 3: THI CÔNG HỆ THỐNG VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIẸM 54 3.1 Ngun lý hoạt động mơ hình 54 3.2 Thiết kế mạch lắp ráp phần cứng 57 3.3 Kết thực nghiệm 60 KẾT LUẬN 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO 66 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1 Sơ đồ hệ thống điều khiển vịng kín 13 Hình 2: Sơ đồ khối điều khiển PID số 17 Hình 3: Động điện chiều 21 Hình 4: Nguyên lý hoạt động động điện chiều 23 Hình 5: Sơ đồ động điện chiều 25 Hình 6: Đồ thị đặc tính động điện chiều kích từ độc lập 28 Hình 7: Đặc tính động điện chiều kích từ độc lập thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng 30 Hình 8: Đặc tính điện động điện chiều kích từ độc lập giảm từ thông 31 Hình 9: Đồ thị đặc tính động điện chiều kích từ độc lập điện áp phần ứng thay đổi 32 Hình 10: Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh động 33 Hình 1: Vi điều khiển PIC 16F887 34 Hình 2: Sơ đồ chân PIC16F877A 36 Hình 3: Mạch điều khiển động DC L298N 41 Hình 4: Màn hình LCD 16X2 42 Hình 5: Động DC Encoder 334 xung mini 43 Hình 6: Sơ đồ chân động DC Encoder 334 xung mini 44 Hình 7: Mạch chuyển dổi USB TƠCM CH340 45 Hình 8: Bảng giao diên 49 Hình 9: Thanh mô tả công cụ giao diện 50 Hình 10: Ví dụ sau minh hoạ Block Diagram 52 Hình 11: Chương trình điều khiển Front Panel Block Diagram 53 Hình 1: Nguyên lý hoạt động mơ hình 54 Hình 2: Lưu đồ thuật tốn mơ hình 55 Hình 4: Lưu đồ thuật toán thay đổi giá trị đặt bàn phím 56 Hình 5: Lưu đồ thuật tốn điều khiển mơ hình Labview 57 - Indicator đối tượng đặt Front Panel dùng để hiển thị kết tương tự đầu vào chương trình - Phần Block Diagram phần sơ đồ khối, tạo khối chương trình lõi để điều khiển (Hình 2.10) Block Diagram phần để viết thuật giải cho robot, phương trình động học ngược, thuật giải PID cho động cách mô 3D cho cánh tay robot - Terminal: cổng liệu truyền qua Block Diagram Front Panel Node Block Diagram Các Terminal nằm dạng Icon Function Node: phần tử thực thi chương trình, chung tương tự mệnh đề, toán tử hàm chương trình ngơn ngữ lập trình thơng thường - Wises: dây nối liệu giữ node Các khối sử dụng chương trình: Hình 11: Chương trình điều khiển Front Panel Block Diagram 53 Chương 3: THI CÔNG HỆ THỐNG VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIẸM 3.1 Nguyên lý hoạt động mơ hình Sử dụng bàn phím phần mềm labview để điều khiển động chiều Tốc độ đặt tốc độ thực tế động hiển thị lên hình LCD hình sử dụng phần mềm labview Tốc độ đặt giá trị phản hồi xung đo từ encoder gẳn động đưa vào hàm PID để tính tốn đưa kết xuất xung PWM thay đổi điện áp cấp vào động Hình 1: Nguyên lý hoạt động mơ hình 54 Hình 2: Lưu đồ thuật tốn mơ hình Đối với bàn phím, tốc độ động điều khiển từ bàn phím cách nhấn phím để thay đổi tăng giảm tốc độ động dừng động Tốc độ đặt tốc độ thực động 55 hiển thị trực tiếp lên hình LCD đồng thời sử dụng truyền thông UART để truyền tốc độ thực đo lên hình labview vẽ biểu đồ tốc độ Hình 3: Lưu đồ thuật tốn thay đổi giá trị đặt bàn phím Bàn phím thực thay đổi giá trị đặt mơ hình, cụ thẻ sau: Phím A đưa giá trị tốc độ đặt vòng/phút ( tức dừng động cơ) Phím B cài nhanh đưa giá trị đặt tới 400 vịng/phút Phím C đưa giá trị tốc độ đặt lên 800 vòng/phút Để tùy chỉnh tốc độ đặt động theo mong muốn, ta nhấn phím D, sau nhấn tiếp phím Lúc ta chọn tốc độ đặt mong muốn nhấn phím ( giảm 100 vịng/phút) nhấn phím ( tăng 100 vòng/phút) 56 Đối với phần mềm labview, giá trị đặt tốc độ truyền xuống chương trình qua truyền thơng UART sau dùng để điều tốc độ động Ngoài giá trị KP, KI, KD hàm PID thay đổi từ labview Tốc độ đặt tốc độ thực động hiển thị trực tiếp lên hình LCD đồng thời sử dụng truyền thông UART để truyền tốc độ thực đo lên hình labview vẽ biểu đồ tốc độ so sánh tốc độ thực tốc độ đặt Hình 4: Lưu đồ thuật tốn điều khiển mơ hình Labview 3.2 Thiết kế mạch lắp ráp phần cứng 57 Hình 5: Sơ đồ nối dây tổng quát Bộ điều khiển tốc độ động bao gồm phận chính: • Nguồn mạch nguồn để chuyển đổi nguồn xoay chiều AC sang nguồn chiều DC, để cấp nguồn cho vi điều khiển mạch khác hình 3.5 • Mạch vi xử lý trung tâm (PIC16F877) có nhiệm vụ xử lý tín hiệu vào/ra thiết bị Từ tín hiệu đầu vào khác thiết bị đưa xung lệnh theo nhiệm vụ cụ thể • Động DC encoder đọc số xung quy đổi sang tốc độ (vịng/phút) • Mạch cầu L298N nhận tín hiệu xung từ vi điều khiển xuất tín hiệu điện áp (0-12v) để điều khiển tốc độ động • Màn hình LCD 16x2 hiển thị nội dung cần thực trình diễn thiết bị để gửi thơng tin đến người dùng • Bàn phím ma trận 4x4 để điều khiển, thay đổi giá trị tốc độ động • Mạch chuyển đổi USB TO COM CH340 dùng để truyền thơng với máy tính theo chuẩn giao tiếp RS 232 58 Hình 6: Sơ đồ nguyên lý 59 Hình 7: Mạch điều khiển trung tâm (PIC 16F877) 3.3 Kết thực nghiệm Hình 8: Kết quả tín hiệu đặt 200 v/p 60 Hình 9: Kết quả tín hiệu đặt 300 v/p Hình 10: Kết quả tín hiệu đặt 400 v/p 61 Hình 11: Kết quả tín hiệu đặt 500 v/p Hình 12: Kết quả tín hiệu dặt 600 v/p 62 Nhận xét: Trên hình 3.8 kết ta đặt giá trị tốc độ đặt 200 v/p với thông số kp, kd ki 0,5; 0,1 0,5 Lúc kết thực tế ta thu giao động giống đồ thị ( khoảng 165v/p đến 240 v/p) Từ kết thu ta nhận thấy tốc độ phản hồi so với tốc độ đặt có độ chênh lệch tương đối lớn thông số Kp chưa thật tối ưu Khi tăng tín hiệu Kp tín hiệu điều khiển tăng, điều đồng nghĩ với việc điện áp tác động vào động chiều tăng lên, điện áp tăng làm sai lệch tốc độ đặt tốc độ phản hồi giảm nhanh Khi khả đáp ứng hệ thống nhanh Tuy nhiên giá trị kp q lớn hệ thống khơng ổn định, giá trị phản hồi vượt giá trị đặt, người ta gọi vọt lố Đối với thơng số kp, ki, kd tương tự kết thu khả quan so với đặt giá trị tốc độ đặt 200 Tại giá trị đặt 300 v/p, 400 v/p, 500 v/p, 600v/p Giá trị tốc độ phản hồi bám sát giá trị đặt 63 KẾT LUẬN Kết luận: Sau thời gian nỗ lực tìm hiểu, nghiên cứu với bảo tận tình hỗ trợ nhiều mặt thầy giáo PGS Nguyễn Trọng Thắng, đề tài: “Điều khiển vị trí động DC sử dụng thuật toán PID sở labVIEW” Đã giải vấn đề sau: Đã thiết kế chạy thành cơng mơ hình điều khiển tốc độ động điều khiển PID số sở labVIEW với kết thu tốt: Thời gian đáp ứng thời gian độ tương đối nhanh, độ điều chỉnh nhỏ, sai lệch tĩnh nhỏ tốc độ đặt khác Tìm hiểu LabVIEW bản, giao thức kết nối, phần mềm nhúng vào LabVIEW, công cụ kèm Xây dựng điều khiển tốc độ động qua giao diện LabVIEW Tuy nhiên cịn gặp nhiều khó khăn việc điều chỉnh tham số PID chưa có nhiều kinh nghiệm thực tế Một số đề xuất phương hướng phát triển đề tài: - Tăng độ phân giản encoder nhằm giảm thiểu sai số đo, từ rút ngắn thời gian lấy mẫu, tăng tốc độ đáp ứng hệ thống - Chọn động có tốc độ định mức phù hợp với độ phân giải encoder - Thực hành nhiều lần để, thu thập kết quả, so sánh đẻ có thêm kinh nghiệm chỉnh định, Từ nâng cao chất lượng điều khiển - Xây dựng thêm menu chương trình điều khiển 64 - Ứng dụng vào điều khiển loại động khác, có thơng số kỹ thuật khác nhau, cơng suất lớn - Ứng dụng thuật toán PID số vào toán khác điều khiển đường robot, xe, điều khiển vị trí, điều khiển góc quay sử dụng vi điều khiển Trong trình làm đồ án, cố gắng kiến thức kinh nghiệm hạn chế nên đồ án khơng thể tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận bảo đóng góp thầy, cô giáo bạn để đồ án hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS.TS Nguyễn Trọng Thắng, người trực tiếp tận tình hướng dẫn, bảo tạo điều kiện cho em nghiên cứu, xây dựng thành công mô hình hồn thành đồ án Em xin cám ơn thây cô giáo môn điện công nghiệp trường Đại Học Thủy Lợi, bạn sinh viên lớp 60TDH2 đưa nhiều góp ý để hồn thiện đồ án Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 15 tháng 12 năm 2022 Sinh viên thực Lê Anh Tuấn 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] System Identification Algoriathm for Systems with Interval Coefficients, Mustaffa Mohammed Basil, Journal of Engineering, 18 February 2012 [2] Nguyễn Thương Ngô, Lý thuyết điều khiển tuyến tính, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2000 [3] Nguyễn Văn Hòa, Cơ sở tự động hóa, NXB Giáo dục,2001 [4] PID Controllers: Theory, Design, and Tuning 2nd Edition; K Astrom and T Hagglund; Intrusment Society of America 1994 [5] Giáo trình Lý thuyết điều khiển đại, Chương Điều khiển mở, PGS.TS.Nguyễn Thị Phương Hà [6] Nguyễn Thương Ngô, Lý thuyết điều khiển tự động thông thường đại, NXB Khoa học Kỹ thuật 2005 [7] PID Controllers: Theory, Design, and Tuning 2nd Edition; K Astrom and T Hagglund; Intrusment Society of America 1994 [8] TS Nguyễn Bá Hải, LẬP Trình LabVIEW NXB Trường Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh [9] Website: https://hoplongtech.com/tin-tuc/dong-co-dien-1-chieu-la-gi-nguyen-ly-hoatdong-va-ung-dung [10].Website: https://hoplongtech.com/tin-tuc/dong-co-dien-1-chieu-la-gi-nguyen-ly-hoatdong-va-ung-dung [11].Website: https://vi.wikipedia.org/wiki/Bộ_điều_khiển_PID [12] Website: https://prosensor.vn/pid-la-gi/ [13] Website: https://www.youtube.com/watch?v=53JowC8av-Q 66 [14] Website: https://forums.ni.com/t5/LabVIEW-Vietnam/Gi%C3%A1o-tr%C3%ACnhquot-L%E1%BA%ADp-tr%C3%ACnh-LabVIEW-c%C4%83n-b%E1%BA%A3nquot/td-p/3379778 [15] Giáo trình Vi điều khiển PIC16F877, Trường Đại Học Nguyễn Tất Thành [16] Nghiên cứu, thiết kế chế tạo điều khiển PID tốc độ động điện chiều : Đề tài khoa học công nghệ cấp trường T2014-114 / Lê Tấn Cường Tp Hồ Chí Minh : Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh 67 ... Lớp: 60 TĐH2 Ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Khoa: Điện - Điện tử TÊN ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU SỬ DỤNG THUẬT TOÁN PID TRÊN CƠ SỞ LABVIEW CÁC TÀI LIỆU CƠ BẢN: [1] System Identification... VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI LÊ ANH TUẤN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU SỬ DỤNG THUẬT TOÁN PID TRÊN CƠ SỞ LABVIEW Ngành : Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Mã số: TLA121 NGƯỜI HƯỚNG DẪN PGS.TS... việc điều khiển tốc độ động cơ, em hình thành nên ý tường điều khiển khiển tốc độ động chiều sử dụng thuật toán PID sở labVIEW 1.1.2 Phương pháp thực Tìm hiểu động điện chiều (DC), phương pháp điều