LUẬN VĂN ĐIỆN TỬ ĐIỀU KHIỂN VẬN TỐC HỆ ĐỊNH VỊ ĐA TẢI BẰNG THUẬT TOÁN PID

Luận văn tốt nghiệp Lê Hồng Vương – Phạm Đoàn Bá Nhân Ngày nay, khoa học kỹ thuật đạt rất nhiều tiến bộ trong lĩnh vực điều khiển tự động hóa. Các hệ thống điều khiển được áp dụng các quy luật điều khiển cổ điển, điều khiển hiện đại, cho tới điều khiển thơng minh, điều khiển bằng trí tuệ nhân tạo. Kết quả thu được là hệ thống hoạt động với độ chính xác cao, tính ổn định bền vững, và thời gian đáp ứng nhanh. Trong điều khiển cơng nghiệp, bộ điều khiến PID là sự lựa chọn chung, tối ưu nhất cho các hệ thống điều khiển có hàm truyền (phương trình trạng thái) như điều khiển vị trí, điều khiển vận tốc, điều khiển mức… Dùng máy tính để hiển thị trạng thái làm việc được sử dụng rộng rãi. Trong lĩnh vực tự động hóa trong cơng nghiệp, WinCC là một trong những phần mềm chun dùng của hãng Siemens để quản lý, thu thập dữ liệu và điều khiển q trình cơng nghiệp. Xuất phát từ thực tế đó, bằng những kiến thức đã được học và được đọc ở trường cùng với những kiến thức tìm tòi từ báo chí sách vở và Internet chúng tơi đã quyết định tìm hiểu về đề tài: “ĐIỀU KHIỂN VẬN TỐC HỆ ĐỊNH VỊ ĐA TẢI BẰNG THUẬT TỐN PID ” Trong thời gian thực hiện đề tài chúng tơi khơng tránh khỏi những thiếu sót mong thầy cơ và các bạn đóng góp thêm để hồn thiện đề tài hơn nữa.  Tp Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2010 Lê Hồng Vương Phạm Đồn Bá Nhân GVHD: Ths.Trần Văn Trinh – Ks.Võ Hoàng TrôVi Trang 1 Luận văn tốt nghiệp Lê Hồng Vương – Phạm Đoàn Bá Nhân Sau nhiều tháng thực hiện, luận văn tốt nghiệp “ Điều khiển vận tốc hệ định vị đa tải bằng thuật tốn PID ” đã phần nào hồn thành. Ngồi sự nỗ lực của bản thân thì chúng em còn nhận được sự khích lệ của nhà trường , thầy cơ , gia đình và bạn bè . Chính vì điều này đã giúp chúng em có động lực hồn thành đồ án tốt nghiệp của mình . Trước hết , chúng con xin cảm ơn ba mẹ đã ln ủng hộ , động viên và khích lệ tinh thần giúp cho chúng con có thể hồn thành . Chúng em xin cảm ơn nhà trường và khoa Điện Tử đã tạo điều kiện cho chúng em hồn thành luận văn tốt nghiệp . Chúng em cảm ơn Thầy Trần Văn Trinh và Thầy Võ Hồng TrơVi đã tận tình hướng dẫn chúng em đề tài này. Cảm ơn các Thầy đã chỉ dẫn và theo sát chúng em trong q trình thực hiện. Cảm ơn các Thầy đã dành thời gian lắng nghe và chỉ bảo giúp chúng em có thể nhận ra những sai sót và giải đáp các thắc mắc cho chúng em. Cảm ơn các bạn học đã trao đổi, góp ý!! GVHD: Ths.Trần Văn Trinh – Ks.Võ Hoàng TrôVi Trang 2 Luận văn tốt nghiệp Lê Hồng Vương – Phạm Đoàn Bá Nhân SƠ LƯỢC ĐỀ TÀI Mục tiêu đề tài. Mục tiêu của đề tài là xây dựng mơ hình điều khiển vận tốc khơng phụ thuộc tải trọng. Điều khiển tốc độ ổn định của chuyển động quay thành tịnh tiến. Trong thời gian nhận đề tài, mục tiêu thực hiện đề tài được đề ra như sau: - Tìm hiểu và thiết kế giao diện điều khiển bằng WinCC. - Tìm hiểu cách kết nối và điều khiển giữa WinCC, PLC và động cơ DC, encoder, cảm biến … - Tìm hiểu bộ HSC, điều xung PWM trong PLC. - Tính tốn các tham số động lực học, hàm trạng thái (space – state) của mơ hình. - Xây dựng hàm truyền động học cho hệ thống. - Xây dựng, lập trình thuật tốn PID, điều khiển động cơ DC. - Xây dựng giao diện tổng quan điều khiển trên WinCC 7.0. - Thiết kế bản vẽ, xây dựng và lắp ráp mơ hình thực. - Lựa chọn cảm biến góc (encoder), và cảm biến vị trí. - Thiết kế mạch cầu ‘H’, bốn MOSFET điều khiển động cơ. Phương pháp nghiên cứu. - Tiếp cận, xây dựng mơ hình lý thuyết gồm có. o Tiếp cận các mơ hình tương tự. o Tiếp cận lý thuyết điều khiển. - Tiếp cận, xây đựng mơ hình thực: o Thiết kế mơ hình cơ khí. o Ứng dụng Matlab trong phân tích và thiết lập hàm truyền. o Mơ phỏng hàm truyền bằng Matlab. o Các phương pháp cảm biến góc và vị trí. o Thiết kế mạch điều khiển. o Lập trình các vòng điều khiển. o Chạy mơ hình thực và hiệu chỉnh các thơng số. GVHD: Ths.Trần Văn Trinh – Ks.Võ Hoàng TrôVi Trang 3 Luận văn tốt nghiệp Lê Hồng Vương – Phạm Đoàn Bá Nhân o Ghi chép lại đầy đủ các lần hiệu chỉnh, chọn ra thơng số ổn định nhất. Sau khi hồnh thành xong đồ án, chúng tơi xin tóm tắt lại những vấn đề như sau: Những cơng việc đã làm được: - Tìm hiểu rõ bộ điều khiển PID. - Xây dựng được phương trình động học cho hệ thống. - Xây dựng được hàm truyền và mơ phỏng bằng Matlab. - Tìm hiểu rõ chương trình WinCC để thiết kế được giao diện điều khiển trực quan, dể điều khiển, liên kết với các biến trong PC ACCESS để điều khiển PLC. - Thiết kế được mạch điều khiển động cơ DC bằng FET đảo chiều bằng cầu H, Relay. - Mạch đọc xung Encoder hai pha A và B. - Tìm hiểu và sử dụng được các thuật tốn, các bộ HSC, PWM, PID… trong PLC. - Các bộ điều khiển PID điều khiển động cơ rất tốt thời gian xác lập nhỏ, sai số khơng đáng kể, các thơng số của bộ điều khiển ổn định đáp ứng tốt ưu cầu đặt ra. Những việc chưa làm được: - Khi động cơ có tốc độ lớn thì nếu vận tốc đặt nhỏ thì bộ điều khiển làm việc chưa được tốt còn có ít sai số trong khoảng thời gian xác lập. - Vì cơ khí được thiết kế và thi cơng thủ cơng nên còn sai số, do vậy đã ảnh hưởng đến việc điều khiển chính xác. - Do thời gian hạn chế nên chưa thiết kế được giao diện mơ phỏng trên Matlab một cách trực quan. GVHD: Ths.Trần Văn Trinh – Ks.Võ Hoàng TrôVi Trang 4 Luận văn tốt nghiệp Lê Hồng Vương – Phạm Đoàn Bá Nhân Phần A TỔNG QUAN LÝ THUYẾT GVHD: Ths.Trần Văn Trinh – Ks.Võ Hoàng TrôVi Trang 5 Luận văn tốt nghiệp Lê Hồng Vương – Phạm Đoàn Bá Nhân Chương I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1. Khảo sát chuyển động thẳng đều: 1. 1. Độ dời: 1.1.1 Độ dời: - Xét chuyển động của chất điểm theo một quỹ đạo bất kì, tại thời điểm t 1 ch.điểm ở vị trí M 1 , th.điểm t 2 ch.điểm ở vị trí M 2 . Trong khoảng thời gian ∆ t = t 2 - t 1 chất điểm đã dời từ M 1 đến M 2 . - Véctơ 1 2 M M uuuuuur gọi là véctơ độ dời của chất điểm trong khoảng thời gian trên. 1.1.2 Độ dời trong chuyển động thẳng: - Trong chuyển động thẳng, véctơ độ dời nằm trên đường thẳng quỹ đạo, nếu chọn trục Ox trùng với đường thẳng quỹ đạo thì véctơ độ dời có phương trùng với trục Ox. Giá trị đại số tính theo biểu thức: 2 1 x x x∆ = - . - Trong chuyển động thẳng, thay cho véctơ độ dời, ta xét giá trị đại số của nó là x∆ : gọi là độ dời. 1.2. Độ dời và qng đường đi: - Khi chất điểm chuyển động thì có thể coi qng đường nó đi được trùng với độ dời của nó. - Nếu chất điểm chuyển động theo một chiều và lấy chiều đó làm chiều dương của trục tọa độ thì độ dơig trùng với qng đường đi được. 1.3. Vận tốc trung bình: 1 2 tb M M v t∆ = uuuuuur uuur ; Véctơ vận tốc trung bình có phương và chiều trùng với véctơ độ dời. - Trong chuyển động thẳng, véctơ vận tốc trung bình có phương với đường thẳng quỹ đạo, nếu chọn trục Ox trùng với đường thẳng quỹ đạo thì: v tb = 2 1 2 1 x x x t t t ∆ ∆ - = - ; - Cần phân biệt vận tốc trung bình và tốc độ trung bình: tốc độ trung bình = S t còn v tb = x t ∆ ∆ ; 1.4. Vận tốc tức thời: - Xét chuyển động của một chất điểm trong khoảng thời gian từ t đến t + t∆ . - Nếu chọn t ∆ rất nhỏ, nhỏ đến mức gần bằng 0, trong khoảng thời gian rất nhỏ này chất điểm chỉ chuyển động theo một chiều và vận tốc tr.bình có độ lớn trùng với tốc độ trung bình, tức là: tb x S v t t ∆ ∆ ∆ ∆ = = , khi đó v tb đặc trưng cho độ nhanh chậm và chiều của chuyển động. Lúc đó có thể dùng tb v uuur khi t ∆ rất nhỏ để đặc trưng cho phương, chiều, độ nhanh chậm của chuyển động và gọi đó là véctơ vận tốc tức thời ở thời điểm t. */ Kết luận: v = x t ∆ ∆ ( khi t ∆ rất nhỏ) GVHD: Ths.Trần Văn Trinh – Ks.Võ Hoàng TrôVi Trang 6 Luận văn tốt nghiệp Lê Hồng Vương – Phạm Đoàn Bá Nhân 1.5. Chuyển động thẳng đều: 1.5.1 Định nghĩa: Chuyển động thẳng đều là chuyển động của một vật có quỹ đạo là đường thẳng, có vận tốc như nhau trên mọi qng đường. Chuyển động thẳng đều có ba đại lượng đặc trưng là: vận tốc, qng đường và thời gian chuyển động. Trong chuyển động thẳng đều, vận tốc của chuyển động khơng đổi với thời gian, vậy chuyển động thẳng đều có thể biểu diển bởi hàm số tốn sau: v(t) = v s(t) = vt 1.5.2 Phương trình chuyển động: Gọi x 0 là tọa độ của chất điểm tại thời điểm ban đầu t 0 = 0, x là tọa độ tại thời điểm t sau đó. Vận tốc của chất điểm bằng: = − = t xx v 0 hằng số Từ đó: vtxx =− 0 vtxx += 0 tọa độ x là một hàm bậc nhất của thời gian t. Cơng thức (1) gọi là phương trình chuyển động của chât điểm chuyển động thẳng đều. Trong chuyển động thẳng đều, hệ số góc của đường biểu diễn tọa độ theo thời gian có giá trị bằng vận tốc. + Khi v > 0, tanα > 0, đường biểu diễn đi lên phía trên. + Khi v < 0, tanα < 0, đường biểu diễn đi xuống phía dưới. 1.6. Đồ thị: 1.6.1 Đồ thị tọa độ: Đồ thị là một đường thẳng xiên góc xuất phát từ điểm có tọa độ ( x o , 0 ). Độ dốc của đường thẳng là: tan α = o x x t - = v. Vậy trong chuyển động thẳng đều, hệ số góc của đường biểu diễn tọa độ theo thời gian có giá trị bằng vận tốc. - Khi v > 0, tan α > 0: đường biểu diễn đi lên phía trên - Khi v < 0, tan α < 0: đường biểu diễn đi xuống phía dưới GVHD: Ths.Trần Văn Trinh – Ks.Võ Hoàng TrôVi Trang 7 Luận văn tốt nghiệp Lê Hồng Vương – Phạm Đoàn Bá Nhân 1.6.2 Đồ thị vận tốc: - Trong chuyền động thẳng đều , vận tốc khơng đổi.Đồ thị biểu diển vận tốc theo thời gian là một đường thằng song song với trục thời gian. - Độ dời (x - xo) được tính bằng diện tích hình chư nhật có một cạnh bằng v o và một cạnh bằng t. Ở đây vận tốc tức thời khơng đổi ,bằng vần tốc đầu v o : v = v o 2. Thiết lập hàm truyền động học: 2.1. Phân tích truyền động của hệ thống: Mục tiêu của đề tài là điều khiển cơ cấu chuyển động của hệ thống thành chuyển động thẳng đều với cùng một vận tốc xuống và lên với đầu vào khối lượng thay đổi và đầu ra vận tốc khơng đổi dựa trên thuật tốn PID. Xét cơ cấu truyền động hệ thống dựa trên mơ hình sau GVHD: Ths.Trần Văn Trinh – Ks.Võ Hoàng TrôVi x x t t O O x 0 v > 0 v < 0 O t t v 0 v Trang 8 Luận văn tốt nghiệp Lê Hồng Vương – Phạm Đoàn Bá Nhân - Xét hình vẽ trên : - Gọi : tổng qng đường mà cơ cấu chứa tải có thể di chuyển được là : a (cm) qng đường mà vật đi được tính đến thời điểm hiện tại t(s) là : b (cm) lúc đó cơ cấu sẽ cách vật một khoảng là : c (cm) [c= a -b]. - Giả sử một vòng motor quay được một khoảng là : d (cm) (điều này ta có thể xác định bằng thực nghiệm bằng cách dùng thước đặt sẵn ở vị trí cố định sau đó dùng tay xoay motor đúng một vòng ta sẽ quan sát được khoảng dịch chuyển của một vòng quay đọng cơ trên thước đo)  số vòng động cơ quay được đồng thời cũng chính là qng đường tính tới thời điểm hiện tại t(s) là : θ = b d (vòng) Vậy vận tốc tính tới thời điểm hiện tai t(s) là : v = t θ (vòng/s) Và v cũng chính là vận tốc trong suốt q trình chuyển động lên xuống của hệ thống 2.2. Xác định hàm truyền hệ thống: GVHD: Ths.Trần Văn Trinh – Ks.Võ Hoàng TrôVi d a b c t(s) Trang 9 Luận văn tốt nghiệp Lê Hồng Vương – Phạm Đoàn Bá Nhân - Chọn gốc tọa độ O và hệ quy chiếu chiều dương hướng như hình vẽ : - Phân tích lực tác dụng lên cơ cấu gồm ba lực chủ yếu sau : trọng lực P ur hướng theo chiều dương và lực quay của motor T ur cùng với lực ma sát sm F uuur hướng theo chiều ngược lại như hình vẽ. Vì chuyển động của hệ là chuyển động thẳng đều nên gia tốc của hệ a r bằng 0 Áp dụng định luật II Newton ta có : P ur = - T ur - sm F uuur (*) Chiếu (*) lên hệ quy chiếu ta được : P = T + F ms (**) * J : Moment qn tính của motor (kg.m^2/s^2) * b : Hệ số suy giảm của hệ thống cơ học (Nms) *K=Ke=Kt : Hằng số sức điện động (Nm/Amp) * output ( θ ): Vị trí của trục truyền động * Rotor and trục truyền động giả sử được cố định với nhau. Lực quay của motor T thì liên quan đến dòng điện phần ứng i bởi hệ số K t (K t hằng số phần ứng = K e hằng số motor) T = K t * I = K * i (***) Từ hình vẽ trên áp dụng định luật II Newton ta có : J θ •• + b θ • = K * i (****) Biến đổi Laplace 2 vế phương trình (****) ta được : s(Js + b) ( )s θ = K * I(s) (a) GVHD: Ths.Trần Văn Trinh – Ks.Võ Hoàng TrôVi Trang 10 o p ur T ur sm F uuur [...]... Trong lĩnh vực điều khiển cơng nghiệp, hơn 95% các bộ điều khiển vòng kín là áp dụng bộ điều khiển PID Bộ điều khiển PID ngày nay tìm thấy hầu hết trong các lĩnh vực điều khiển Bộ điều khiển PID thậm chí được nhúng trong nhiều hệ thống điều khiển với mục đích đặc biệt Điều khiển PID hợp thành bởi các phần tử logic, các hàm thống kê, sơ đồ khối và máy tính để xây dựng các hệ thống điều khiển tự động... mạnh mẽ của kỹ thuật số, kỹ thuật vi xử lý và kỹ thuật máy tính làm cho ngày càng có nhiều hệ thống điều khiển số được sử dụng để điều khiển các đối tượng Hệ thống điều khiển số có nhiều ưu điểm so vơi hệ thống điều khiển liên tục như uyển chuyển, linh hoạt, dễ dàng đổi thuật tốn điều khiển, dễ dàng áp dụng các thuật tốn điều khiển phức tạp bằng cách lập trình Máy tính số còn có thể điều khiển nhiều đối... khi đó tốc độ xử lý, độ tin cậy ngày càng tăng lên cùng góp phần làm cho việc sử dụng các hệ thống điều khiển số trở nên phổ biến Hiện nay các hệ thống điều khiển số được sử dụng rất rộng rải, từ các bộ điều khiển đơn giản như điều khiển nhiệt độ, điều khiển động cơ DC, AC, đến các hệ thống điều khiển phức tạp như điều khiển robot, máy bay, tàu vũ trụ, các hệ thống điều khiển q trình cơng nghệ hóa... xuất năng lượng, vận chuyển, chế tạo Bộ điều khiển PID (A proportional integral derivative controller) là bộ điều khiển sử dụng kỹ tht điều khiển theo vòng lặp có hồi tiếp Một bộ điều khiển PID cố gắng hiệu chỉnh sai lệch giữa tín hiệu ngõ ra và ngõ vào sau đó đưa ra một một tín hiệu điều khiển để điều chỉnh q trình cho phù hợp GVHD: Ths.Trần Văn Trinh – Ks.Võ Hoàng TrôVi Trang 11 Luận văn tốt nghiệp... hưởng của lực ma sát lên hệ thống Suy ra (d)  θ (s) x* g = 2 M ( s ) Js + bs (e) * Vậy (e) là phương trình hàm truyền động học hệ thống với ngỏ vào là khối x ∈ N và ngỏ ra là vận tốc 1 ≤ x ≤ 5 lượng thay đổi theo biến x  3 Cơ sở thuật tốn PID: 3.1 PID là gì? Bộ điều khiển PID là bộ điều khiển hồi tiếp thơng dụng nhất, nó trở thành yếu tố cần thiết nhất trong các hệ thống điều khiển, là cơng cụ chuẩn,... phức (H.2.c.2d), hệ thống khơng ổn định nếu hệ số khuếch đại của hệ thống lớn hơn giá trị Kgh Hình 2.c.3 minh họa đáp ứng q độ của hệ thống khi thay đổi thơng số của bộ điều khiển PI Ở hình này ta thấy khi càng giảm thời hằng tích phân TI thì độ vọt lố của GVHD: Ths.Trần Văn Trinh – Ks.Võ Hoàng TrôVi Trang 21 Luận văn tốt nghiệp Nhân Lê Hồng Vương – Phạm Đoàn Bá hệ thống càng cao, hệ thống càng chậm... học và các hệ thống tự động cho nhưng ứng dụng khác nhau Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển số Hình 3.1 trình bày sơ đồ khối của hệ thống điều khiển số thường GVHD: Ths.Trần Văn Trinh – Ks.Võ Hoàng TrôVi Trang 25 Luận văn tốt nghiệp Nhân Lê Hồng Vương – Phạm Đoàn Bá gặp, trong hệ thống có hai loại tín hiệu: tín hiệu liên tục c(t), uR(t) và tín hiệu số r(kT), cht(kT), u(kT) Trung tâm của hệ thống... Matlab trong việc phân tích và thiết kế hệ thống điều khiển rời rạc: Trong Matlab có hỗ trợ hàm gọi là ‘c2d’ giúp chuyển hàm truyền từ hệ thơng điều khiển liên tục sang hệ thống điều khiển rời rạc ,điều này rất tiện lợi và giúp ta tiết kiệm được rất nhiều thời gian.Thay vì dùng phương pháp giải tích và các tính chất của phép biến đổi Z tính tốn bằng tay để tìm hàm truyền hệ rời rạc nay ta có thể sư dụng hàm... quả nhận được là tín hiệu số Hệ thống xử lý tín hiệu số gọi là hệ thống số Trong hệ thống rời rạc và hệ thống số, thơng số điều khiển biên độ của tín hiệu chỉ xuất hiện tại các thời điểm rời rạc cách đều nhau đúng bằng một chu kỳ lấy mẫu tín hiệu Vì có thời gian trễ tất yếu do lấy mẫu, việc ổn định hệ thống trở nên phức tạp hơn so với hệ liên tục, do đó đòi hỏi những kỷ thuật phân tích và thiết kế đặc... b > 0) Bộ điều khiển được ( s + a )( s + b) sử dụng là bộ điều khiển tích phân tỉ lệ Phương trình đặc tính của hệ thống sau khi hiệu chỉnh là: GVHD: Ths.Trần Văn Trinh – Ks.Võ Hoàng TrôVi Trang 20 Luận văn tốt nghiệp Nhân Lê Hồng Vương – Phạm Đoàn Bá  TI s + 1  K =0 ÷  TI s  ( s + a )( s + b) 1 + KP  Ảnh hưởng đặc trưng của khâu PI quyết định bởi thời hằng tích phân TI (cũng chính là vị trí zero . lĩnh vực điều khiển cơng nghiệp, hơn 95% các bộ điều khiển vòng kín là áp dụng bộ điều khiển PID. Bộ điều khiển PID ngày nay tìm thấy hầu hết trong các lĩnh vực điều khiển. Bộ điều khiển PID thậm. tìm tòi từ báo chí sách vở và Internet chúng tơi đã quyết định tìm hiểu về đề tài: “ĐIỀU KHIỂN VẬN TỐC HỆ ĐỊNH VỊ ĐA TẢI BẰNG THUẬT TỐN PID ” Trong thời gian thực hiện đề tài chúng tơi khơng. và ngỏ ra là vận tốc. 3. Cơ sở thuật tốn PID: 3.1 PID là gì? Bộ điều khiển PID là bộ điều khiển hồi tiếp thơng dụng nhất, nó trở thành yếu tố cần thiết nhất trong các hệ thống điều khiển, là cơng