Luận văn nghiên cứu điều khiển chính xác vị trí hệ thống cơ khí

i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu Luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Tơi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực Luận văn cảm ơn thơng tin trích dẫn Luận văn rõ nguồn gốc Học viên thực Luận văn Lưu Hoàng Hiệp ii LỜI CÁM ƠN Xin chân thành cảm ơn: Thầy Nguyễn Tấn Tiến, giảng viên hướng dẫn, tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi để đề tài hoàn thành Các bạn sinh viên tập thể lớp Cơ Điện Tử có giúp đỡ thiết thực động viên trình thực đề tài Và xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình người thân hỗ trợ tất điều kiện để đề tài hồn thành tốt đẹp Lưu Hồng Hiệp iii TĨM TẮT Mục tiêu luận án thiết kế điều khiển khử rơ Bộ điều khiển dùng vi điều khiển dsPIC30F4011 hãng Microchip, cụ thể vi điều khiển dsPIC30F4011 Bộ điều khiển điều khiển xác vị trí di chuyển bàn trượt Bộ điều khiển khử rơ thiết kế để điều khiển hệ thống đạt giá trị mong muốn cách nhanh chóng, giảm độ vọt lố đến mức tối thiểu, hệ thống hoạt động ổn định sai số mức tối thiểu Đồng thời, trình hoạt động hệ thống giám sát qua máy tính để người điều khiển quan sát có định điều khiển thuận tiện hợp lý Nội dung đề tài bao gồm chương sau: Chương 1: Nghiên cứu tổng quan vấn đề liên quan Chương 2: Mơ hình hóa hệ khí có độ rơ Chương 3: Thiết kế điều khiển khử rơ Chương 4: Mô hệ điều khiển Chương 5: Thực nghiệm kết luận iv ABSTRACT The objective of this thesis is to design the controller de-trailers This controller using microcontroller Microchip's dsPIC30F4011, namely dsPIC30F4011 microcontroller The controller can control the exact location of the moving slide The controller is designed to de-relay control system can achieve the desired value quickly, reducing to a minimum overshoot, stable operating system and minimum errors At the same time, the operation of the monitoring system is also through to the control PC can be observed as well as the decision to conveniently control and reasonable Content topics include the following: Chapter 1: Research overview of related issues Chapter 2: Modeling system has a mechanical relay Chapter 3: Designing the controller de-trailers Chapter 4: Simulation of control systems Chapter 5: Experiments and conclusions v MỤC LỤC Lời cam đoan i Lời cảm ơn .ii Tóm tắt luận án iii Abstract iv Mục lục v Danh sách hình vii Danh mục từ viết tắt, kí hiệu viii Danh sách bảng ix MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Mục đích đề tài Đối tượng phạm vi nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu 1.3 Backlash hiệu chỉnh CHƯƠNG : MƠ HÌNH HĨA HỆ CƠ KHÍ CĨ ĐỘ RƠ 2.1 Mơ hình hóa hệ thống 10 2.2 Đặc tính độ rơ (backlash) 14 2.3 Mô hình hóa rơ 16 CHƯƠNG : THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN KHỬ RƠ 3.1 Giới thiệu điều khiển PID 18 3.2 Thiết kế điều khiển PID 19 3.3 Hiệu chỉnh điều khiển 23 3.4 Sơ đồ kết nối hệ thống điều khiển 24 3.5 Lưu đồ điều khiển hệ thống 24 CHƯƠNG : MÔ PHỎNG HỆ ĐIỀU KHIỂN 4.1 Mơ hệ thống khơng có điều khiển 25 4.2 Mơ hệ thống có điều khiển P theo phương pháp Ziegler-Nichols 26 4.3 Mô hệ thống có điều khiển PI theo phương pháp Ziegler-Nichols 27 4.4 Mơ hệ thống có điều khiển PID theo phương pháp Ziegler-Nichols 28 vi CHƯƠNG : THỰC NGHIỆM VÀ KẾT LUẬN 5.1 Mơ hình thực nghiệm hệ thống 29 5.2 Tìm độ rơ hệ thống khí cần điều khiển 30 5.3 Kết nhận thực nghiệm ba thông số bảng 5.1 31 5.4 Kết luận hướng phát triển đề tài 33 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC vii DANH SÁCH HÌNH Hình 1.1 Chuyển động tịnh tiến chuyển động quay Hình 1.2 Sai số vítme Hình 1.3 Sai số sống trượt Hình 1.4 Hình 1.4 Sai số độ rơ bánh Hình 1.5 Chuyển động tịnh tiến lui tới Hình 1.6 Sơ đồ khối mơ hình thực nghiệm Hình 2.1 Hệ thống khí cần điều khiển 10 Hình 2.2 Mơ hình hóa hệ thống khí có độ rơ 10 Hình 2.3 Sơ đồ mơ hình hóa động 11 Hình 2.4 Sơ đồ mơ hình hóa hệ khí có độ rơ 13 Hình 2.5 Độ rơ (backlash) bánh 14 Hình 2.6 Đồ thị khe hở phi tuyến 15 Hình 2.7 Đồ thị ngõ vào khe hở phi tuyến 16 Hình 2.8 : (a) Mơ hình khe hở (b) Khe hở kết nối khí 16 Hình 2.9 : Mơ hình hóa đặc tính khe hở 17 Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển dùng PID 18 Hình 3.2 Đáp ứng khâu PD, PI PID 18 Hình 3.3 : Sơ đồ mơ xác định số khuếch đại tới hạn 21 Hình 3.4 : Đồ thị đầu vào – đầu hệ thống biên giới ổn định 21 Hình 3.7 : Đáp ứng nấc hệ kín k = kth 23 Hình 3.8 : Sơ đồ kết nối hệ thống điều khiển 24 Hình 3.9 : Lưu đồ điều khiển hệ thống 24 Hình 4.1a) Mơ hệ thống khơng có điều khiển 25 Hình 4.1b) Đáp ứng đầu hệ thống khơng có điều khiển PID, giá trị đặt 700 xung đầu hệ thống 300 25 Hình 4.2a) Mơ hình đầu hệ thống có điều khiển P backlash =1,1 26 Hình 4.2b) Đáp ứng đầu hệ thống có điều khiển P chưa đạt vị trí đặt 26 Hình 4.3a) Mơ hình đầu hệ thống có điều khiển PI backlash =1,1 27 Hình 4.3b) Đáp ứng đầu hệ thống khí có điều khiển PI gần đạt vị trí đặt 27 Hình 4.4 a)Mơ hình đầu hệ thống có điều khiển PID backlash =1,1 28 Hình 4.4 b)Đáp ứng đầu hệ thống khí có điều khiển PID có vọt lố 28 viii Hình 5.1 Mơ hình hệ thống khí 29 Hình 5.2 Vị trí xung đặt giá trị xung từ encoder hồi tiếp 31 Hình 5.3 Đáp ứng hệ thống khí với điều khiển P chưa vị trí đặt 31 Hình 5.4 Đáp ứng hệ thống khí với điều khiển PI khơng có vọt lố 32 Hình 5.5 Đáp ứng hệ thống khí Kp=5,880; Ti=0,004; Td =0,001 có vọt lố 33 ix DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT, KÍ HIỆU y : Giá trị ngõ vị trí hồi tiếp (xung encoder từ thước đo quang) r : Giá trị đặt ngõ vào e : Sai số vịng điều khiển vị trí v : Xung ngõ điều khiển vị trí u : Xung ngõ khuếch đại F : Nhiễu hệ thống khí BM : Ma sát động B : Ma sát giảm tốc BL : Ma sát truyền động víttme – đai ốc JM : Quán tính động JL : Quán tính động TM : Mô-mem động TL : Mô-mem truyền động víttme – đai ốc M : vận tốc góc động L : vận tốc góc truyền động víttme – đai ốc k : độ co giãn trục động u1(t): vị trí giá trị thực tế r(t): giá trị đặt vị trí Ra: Điện trở phần ứng động Ia : Dòng điện phần ứng động La : Điện cảm phần ứng động Va : Điện áp phần ứng động Ea : Điện áp kích từ động x DANH SÁCH BẢNG Bảng 3.1 Hằng số hệ thống 20 Bảng 3.2 Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ 22 Bảng 3.3 Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ 22 Bảng 3.4 Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ 22 Bảng 3.5 Ảnh hưởng thông số hiệu chỉnh điều khiển 23 Bảng 5.1 Thông số Kp, Ki, Kd hệ thống 31 20 Ziegler Nichols đưa phương pháp xác định thông số tối ưu PID dựa đồ thị hàm độ đối tượng dựa giá trị tới hạn thu qua thực nghiệm 3.2.1 Tính tốn hàm truyền hệ thống Để đánh giá ảnh hưởng rơ đến chất lượng hệ thống điều khiển khí từ tìm giải pháp khắc phục, ta tiến hành khảo sát hệ truyền động có rơ có sơ đồ khối hình 3.4 Trong khối dẫn động động chiều có thơng số cho bảng 3.1, tải khâu quán tính có hàm số truyền Bảng 3.1 Hằng số hệ thống Ke Ki Ti Te T 0,65 0,80166 0,0013 0,0377 0,05 𝐻(𝑠) = 𝐾𝑒 0,65 = 𝑇𝑠 + 0,05𝑠 + (3.6) Hàm truyền động có dạng: 𝐺 (𝑠 ) = 𝐾𝑖 0,80166 = 𝑇𝑖 𝑇𝑒 𝑠 + 𝑇𝑖 𝑠 + 0,0013𝑠 + 0,0377𝑠 + (3.7) 3.2.2 Các phương pháp xác định tham số điều khiển PID Phương pháp Ziegler-Nichols Phương pháp Ziegler-Nichols pháp thực nghiệm để xác định tham số điều khiển P, PI, PID cách dự vào đáp ứng độ đối tượng điều khiển Tùy theo đặc điểm đối tượng, Ziegler Nichols đưa hai phương pháp lựa chọn tham số điều khiển: Phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất: Phương pháp áp dụng cho đối tượng có đáp ứng tín hiệu vào hàm nấc có dạng chữ S nhiệt độ lò nhiệt, mực chất lỏng, gas, áp lực… 21 Phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai : Phương pháp áp dụng cho đối tượng có khâu tích phân lý tưởng hệ truyền động dùng động DC Clock r simout r Step Kth K toi han = 3.8 0.80166 0.65 den(s) Dong co DC 0.05s+1 Bo truyen dong vitme dai oc n To Workspace n Hình 3.3 Sơ đồ mơ xác định số khuếch đại tới hạn Thay điều khiển PID hệ kín khuếch đại (hình 3.6) Tăng hệ số khuếch đại tới giá trị tới hạn kth để hệ kín chế độ biên giới ổn định, tức đồ thị có dạng dao động điều hòa Suy kth = 3,8 Xác định chu kỳ Tth dao động hình 3.6 Suy Tth = 0,20 Hình 3.4 Đồ thị đầu vào – đầu hệ thống biên giới ổn định Scope 22 Thông số điều khiển chọn theo bảng sau: Bảng 3.2 Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ Thông số Kp Ti Td P 0,5kth  PI 0,45kth 0,83Tth PID 0,6kth 0,5Tth 0,125Tth Bộ điều khiển Thay kth = 3,8 Tth = 0,2 Bảng 3.3 Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ Thông số Kp Ti Td P 1,9  PI 1,71 0,166 PID 2.28 0,100 0,025 Bộ điều khiển Với 𝐾𝑖 = 𝐾𝑝 𝑇𝑖 𝐾𝑑 = 𝐾𝑝 𝑇𝑑 Bảng 3.4 Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ Thông số Kp Ki Kd P 1,9  PI 1,71 10,30 PID 2.28 22,8 0,057 Bộ điều khiển 23 3.3 Hiệu chỉnh điều khiển Việc hiệu chỉnh phù hợp thông số Kp, Ki Kd làm tăng chất lượng điều khiển Bảng 3.5 Ảnh hưởng thông số hiệu chỉnh điều khiển Đ.ứng vịng kín T gian tăng Vọt lố (C.L response) (Rise time) (Overshoot) Giảm Tăng Kp Giảm Tăng Ki Ít thay đổi Giảm Kd T gian độ (Settling time) Ít thay đồi Tăng Giảm Sai số xác lập (Steady-state err.) Tăng Khơng xác định Thay đối Để khử rơ trình bày hình 1.5 Ta đặt encoder bàn trượt đề tài sử dụng thước quang có độ xác 5µm Khi động đảo chiều quay chuyển động tịnh tiến vitme đưa chạy từ vị trí A B B Encoder A Tiến /dừng Motor B Encoder A Bắt đầu quay lùi Motor Encoder khơng đếm xung Rơ Hình 3.5 Đáp ứng nấc hệ kín k = kth Lúc động quay bàn trượt đứng yên Tại vị trí này, xung từ thước quang khơng xuất bàn trượt đứng yên Giải sai số rơ từ vị trí A B chạy tiếp xúc phía bên trái bàn trượt lại phát sinh sai số rơ hao mòn thành phần khí Lúc ta phải cập nhật lại số xung đặt số xung xuất từ thước quang lần Từ điều khiển PID tính tốn lại lần để đưa xung PWM điều khiển động chạy số xung đặt 24 3.4 Sơ đồ kết nối hệ thống điều khiển Driver RS232 PWM Vi điều khiển dspic30f4011 QEI UART Hình 3.6 Sơ đồ kết nối hệ thống điều khiển 3.5 Lưu đồ điều khiển hệ thống Bắt đầu Nhập thông số giá trị đặt, kp, ki, kd Bộ điều khiển Xử lý thông số kp, ki, kd Và xuất tín hiệu điều khiển Hệ thống khí Kết thúc Hình 3.7 Lưu đồ điều khiển hệ thống Encoder 25 Chương : Mô hệ điều khiển 4.1 Mô hệ thống khơng có điều khiển: Clock Xung 0.80166 0.0013s +0.0377s+1 r Dong co DC Vi tri dat 0.65 0.05s+1 simout y1 To Workspace Bo truyen dong vitme dai oc Scope1 r Backlash 0.80166 0.65 0.0013s +0.0377s+1 Dong co DC1 0.05s+1 y1 Bo truyen dong vitme dai oc1 Hình 4.1 a) Mơ hệ thống khơng có điều khiển Hình 4.1 b) Đáp ứng đầu hệ thống khơng có điều khiển PID, giá trị đặt 700 xung đầu hệ thống 300 26 4.2 Mơ hệ thống có điều khiển P theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai : Kp = 1,9 r(t) Vi tri dat P(s) Bo dieu khien P 0.80166 0.65 den(s) 0.05s+1 Ban truot Dong co DC Clock simout y To Workspace S cope3 P(s) v u Bo dieu khien P Backlash 0.80166 0.65 den(s) 0.05s+1 Ban truot1 Dong co DC1 y Hình 4.2 a) Mơ hình đầu hệ thống có điều khiển P backlash =1,1 Hình 4.2 b)Đáp ứng đầu hệ thống có điều khiển P chưa đạt vị trí đặt 27 4.3 Mơ hệ thống có điều khiển PI theo phương Ziegler-Nichols thứ hai : Kp = 1,7; Ki = 10,30 r(t) Vi tri dat PI(s) Bo dieu khien PI 0.80166 0.65 den(s) 0.05s+1 Ban truot Dong co DC Clock simout y To Workspace S cope3 PI(s) v u Bo dieu khien PI Backlash 0.80166 0.65 den(s) 0.05s+1 Ban truot1 Dong co DC1 y Hình 4.3 a) Mơ hình đầu hệ thống có điều khiển PI backlash =1,1 Hình 4.3 b)Đáp ứng đầu hệ thống khí có điều khiển PI gần đạt vị trí đặt 28 4.4 Mơ hệ thống có điều khiển PID theo phương Ziegler-Nichols thứ hai : Kp = 2,28, Ki = 22,8, Kd = 0,025 r(t) Vi tri dat PID(s) Bo dieu khien PID 0.80166 0.65 den(s) 0.05s+1 Ban truot Dong co DC Clock simout y To Workspace S cope3 PID(s) v u Bo dieu khien PI Backlash 0.80166 0.65 den(s) 0.05s+1 Ban truot1 Dong co DC1 y Hình 4.4 a) Mơ hình đầu hệ thống có điều khiển PID backlash =1,1 Hình 4.4 b)Đáp ứng đầu hệ thống khí có điều khiển PID có vọt lố 29 Chương : Thực nghiệm kết luận 5.1 Mơ hình thực nghiệm hệ thống Gồm động – hộp giảm tốc – khớp nối – visme – đai ốc – Bộ điều khiển vị trí – thước quang – nguồn – máy vi tính cài giao diện điều khiển Để thực nghiệm việc tác giả làm xác định độ rơ hệ thống khí theo hình 5.2 Từ kết mơ chương mục đích đề tài Ta dễ dàng nhìn thấy đáp ứng điều khiển PI phù hợp để điều khiển xác vị trí hệ thống khí khơng có độ vọt lố Bàn trượt DC motor Bộ nguồn Thước quang MCU & Driver Hình 5.1 Mơ hình thực nghiệm hệ thống khí 30 5.2 Tìm độ rơ hệ thống khí cần điều khiển Hình 5.2 Vị trí xung đặt giá trị xung từ encoder hồi tiếp Ta đặt encoder bàn trượt đề tài sử dụng thước quang có độ xác 5µm, cho động quay trái khoảng thời gian quay phải khoảng thời gian sau dừng Số xung đặt 274 có rơ nên sai lệch 315 : Ta có số xung sai lệnh 315 – 274 = 41 Từ ta tính độ rơ 41 x 5µm = 205 µm 31 Áp dụng phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai cho mơ hình Thơng số điều khiển chọn theo bảng sau: Bảng 5.1: Thông số Kp, Ki, Kd hệ thống Thông số Kp Ki Kd P 4,9  PI 4,410 0,007 PID 5,880 0,004 0,001 5.3 Kết nhận thực nghiệm ba thông số bảng 5.1 Hình 5.3 Đáp ứng hệ thống khí với điều khiển P chưa vị trí đặt Nhận xét :  Ta có số xung sai lệnh 639 – 626 = 13  Suy độ rơ 13 x 5µm = 65 µm 32 Hình 5.4 : Đáp ứng hệ thống khí với điều khiển PI khơng có vọt lố Nhận xét :  Ta có số xung sai lệnh 548 – 548 =  Suy độ rơ x 5µm = µm Hình 5.5 : Đáp ứng hệ thống khí với điều khiển PID có vọt lố 33 Nhận xét :  Ta có số xung sai lệnh 1461 – 1460 =  Suy độ rơ x 5µm = µm Như điều khiển PI đạt mục đích đề tài Độ rơ giảm từ 205 µm xuống cịn µm 5.3 Kết luận hướng phát triển đề tài 5.3.1 Kết luận Sau thời gian thực hiện, đề tài hoàn tất với kết sau: – Xây dựng mơ hình hệ khử rơ – Hoàn thành mạch điện điều khiển cho tồn hệ thống – Hồn thành chương trình điều khiển vi điều khiển dspic30f0411 – Hồn thành chương trình điều khiển giám sát máy tính – Tính tốn điều chỉnh điều khiển PID vị trí Tuy nhiên đề tài số hạn chế: Chương trình giám sát cịn dạng thử nghiệm, chưa hồn thiện chức cần có 5.3.2 Hướng phát triển đề tài Nghiên cứu thông số ảnh hưởng độ xác hệ thống khí lại độ biến dạng,… Xây dựng điều khiển vị trí khác mà thơng số minh chứng qua thực nghiệm khơng phải qua mơ hình hóa Đó xây dựng hàm GI(s) xác định nhận dạng hệ thống, hàm chứa toàn thơng số cịn lại ảnh hưởng đến độ xác 34 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Huỳnh Thái Hoàng – Nguyễn Thị Phương Hà Lý thuyết điều khiển tự động NXB ĐH Quốc Gia TP.HCM 2005 [2] Ngô Diên Tập Vi Điều Khiển với Lập Trình C Nhà xuất Khoa Học Kỹ Thuật 2006 [3] MattiasNordin & Per-OlofGutman Controlling Mechanical Systems with Backlash - A Survey [4] Jonathan W Valvano Embedded Microcomputer Systems – Real Time Interfacing 2006 [5] Aaron Millerand Jerry Lee Ford, Jr Microsoft Visual C++ 2005 Express Edition Programming for the Absolute Beginner [6] Gang Tao & Petar V Kokotovic Continuous-time Adaptive Control of Systems with Unknown Backlash [7] Crescencio Hernandez-Rosales, Ricardo Femat-Flores, Griselda Quiroz-Compean Make a PI controller on an 8-bit micro 2006 [8] Dspic30f4011 Data Ref Manual Một số Website: - www.en.wikipedia.com - www.Microchip.com - www.embedded.com - http://support.steema.com - www.msdn.com ... tốn điều chỉnh giá trị điều khiển ngõ Sơ đồ hệ thống điều khiển dùng PID: r e Bộ điều khiển vị trí Hệ rơ v F Động DC giảm tốc u Hệ thống khí y Hệ thống đo lường Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển. .. khiển xác vị trí hệ thống khí ” Mục đích đề tài Mục đích đề tài nghiên cứu điều khiển xác hệ thống khí Đối tượng phạm vi nghiên cứu  Hệ thống điều khiển truyền động có độ rơ  Mơ hình hóa hệ khí...  Nghiên cứu lý thuyết điều khiển xác vị trí  Thiết kế điều khiển khử rơ  Mô hệ điều khiển  Thực nghiệm kết luận 2 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Nghiên cứu, ứng dụng lý thuyết điều khiển