Hiện nay trong lĩnh vực điều khiển và tự động hóa, một bộ điều khiển được gọi là đa năng nếu nó thỏa mãn được các yêu cầu sau đây: • Sử dụng cho nhiều loại đối tượng cơng nghiệp khác nha
TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐA NĂNG
Giới thiệu chung về bộ điều khiển đa năng
Bộ điều khiển đa năng là gì ?
Trong lĩnh vực điều khiển và tự động hóa hiện nay, một bộ điều khiển được xem là đa năng khi nó đáp ứng đầy đủ các yêu cầu cần thiết.
• Sử dụng cho nhiều loại đối tượng công nghiệp khác nhau
• Có nhiều luật điều khiển (PID, điều khiển tầng, điều khiển mờ, điều khiển trình tự, điều khiển thích nghi,…) tùy theo từng loại đối tượng khác nhau
Hệ thống có khả năng xử lý và giám sát các đầu vào và đầu ra, bao gồm giám sát ngưỡng tín hiệu, tạo thông báo và báo động, cũng như lưu trữ tạm thời tín hiệu Ngoài ra, nó có thể hạn chế tín hiệu ra khi xảy ra sự cố, lọc nhiễu và chuyển đổi thang đo, đồng thời sở hữu khả năng tự chuẩn đoán hiệu quả.
Hiện nay, thị trường cung cấp nhiều loại sản phẩm từ các hãng sản xuất khác nhau, nhưng hầu hết vẫn chưa đáp ứng đầy đủ các yêu cầu cần thiết Một số dòng sản phẩm chủ yếu được sử dụng trong công nghiệp bao gồm điều khiển nhiệt độ và điều khiển mức, nhưng không phải là giải pháp cho mọi loại đối tượng.
Ngoài ra, có một số bộ điều khiển đối tượng đa năng được sản xuất để tích hợp trong các hệ thống lớn như PLC S 300/400 của Siemens và CPM1A, CPM2A của Omron.
Tổng quan về các thiết bị điều khiển trên thị trường Việt Nam
Thị trường Việt Nam hiện đang nổi lên như một tiềm năng lớn cho các ứng dụng tự động hóa trong lĩnh vực sản xuất quy mô nhỏ Nhiều sản phẩm từ các hãng sản xuất hàng đầu thế giới như Omron, Autonics, Delta, Selec và RedLion đã xuất hiện, cung cấp giải pháp hiệu quả cho ngành này Bài viết sẽ xem xét một số bộ điều khiển “đa năng” từ những hãng tiêu biểu, nhằm mang đến cái nhìn tổng quan về công nghệ tự động hóa hiện đại.
I.2.1.Sản phẩm của hãng OMRON Đây là hãng sản xuất thiết bị công nghiệp khá nổi tiếng và chiếm lĩnh một thị phần đáng kể các sản phẩm thuộc lĩnh vực tự động hóa trong nước Các sản phẩm thông dụng của hãng là các loại sản phẩm đơn lẻ dùng tích hợp trong các hệ thống lớn bao gồm:
- Các bộ điều khiển nhiệt độ
- Các loại PLC có khả năng giao tiếp mạng dùng để điều khiển logic, điều khiển quá trình
- Các bộ xử lý tín hiệu và hiển thị số bằng LED hoặc giao diện màu
Các thiết bị điều khiển nhiệt độ của hãng đều có khả năng điều khiển theo luật PID và có màn hình hiển thị LED tại chỗ
• Kiểu điều khiển : ON/OFF hoặc 2-PID (có auto-tuning)
• Có thể chọn nhiều dải nhiệt độ;
• Chức năng khoá mã bảo vệ
• Đầu ra điều khiển: 1 bộ tiếp điểm: 3A, 250VAC
• Đầu ra cảnh báo:1 bộ tiếp điểm thường mở: 1A,
250 VAC Đa năng: Nhóm E5AZ/EZ
• Kiểu điều khiển : ON/OFF hoặc 2- PID
• Tự động dò tìm thông số PID
• Ðầu vào multi - input -2000C tới 1.8000C; tín hiệu tương tự 0/4- 20mA, 0/1-5VDC, 0- 10VDC
• Nhận đầu vào 0-50mV hoặc cảm biến nhiệt không tiếp xúc ES1
• Ðầu ra truyền thông RS-485
• Tốc độ lấy mẫu 250ms
• Cảnh báo đứt mạch điều khiển và sự cố sợi đốt
• E5CZ R2MT: đầu ra rơle - 3A, 250VAC
• E5CZ Q2MT: đầu ra điện - áp 12VDC
• E5CZ R2ML: đầu vào - analog, đầu ra relay
• Ðầu ra cảnh báo (2): bộ tiếp điểm thường mở:
• Ðầu ra tín hiệu cho recorder (transfer output)
E53 CZ_ - Điều khiển cao cấp loại
• Phương thức điều khiển 2-PID cao cấp
• Hỗ trợ nhiều loại đầu vào nhiệt độ (chọn bằng switch)
• Hỗ trợ đầu vào analog (E5CN- RML/R2ML-
• Hỗ trợ chức năng báo động đứt dây đốt 3 pha;
Có đầu ra chỉnh tay
• Hiển thị 3 màu thay đổi, đèn LED 11 thanh
• Có thể có 2 đầu ra điều khiển đồng thời hoặc
3 đầu ra cảnh báo, đầu ra transfer, lập trình đơn giản
Loại thông dụng (đầu vào nhiệt độ nhiều loại, đầu ra rơle 3A, nguồn 250VAC, đầu ra cảnh báo 1A) :- E5CN- RT/R2T (có 2 đầu ra cảnh báo)
• E5CN R2MT 500 (có 2 - - đầu ra cảnh báo)
• E53 CNH03N2 (module - liên lạc RS-485 kèm chức năng báo lỗi đứt dây đốt 3 pha, hỏng SSR)
Bộ điều khiển số E5CN-H
• Độ chính xác cao tới 0,1%
• Tất cả các model đều nhận cả đầu vào nhiệt độ và analog, tốc độ trích mẫu 60s
• Phần mềm hỗ trợ CX-Thermo có thể đặt hoạt động logic AND,
OR hoặc trễ cho đầu ra
• Chức năng bảo trì chủ động nhờ bộ đếm số lần đầu ra hoạt động
• Đầu ra truyền tín hiệu; kiểm soát tốc độ tăng giảm nhiệt
• Báo lỗi đứt sợi đốt, quá dòng sợi đốt, hỏng relay bán dẫn Đầu vào
• Trở nhiệt Pt100,JPt100: từ -200 tới 850 o C
1 - 10 VDC Nguồn: 100 tới 240 VAC hoặc 24 VAC/DC
• Tiếp điểm rơ le : 3A, 250VAC
• Điện áp : 12VDC,20mA,NPN/PNP
Module phụ trợ tùy chọn: truyền thông, báo lỗi, đầu vào sự kiện, đầu ra điều khiển phụ, đầu ra số liệu E53- _N2
I.2.2.Sản phẩm của hãng AUTONICS Đây cũng là một hãng sản xuất thiết bị điều khiển khá nổi tiếng Sản phẩm của hãng tập trung chủ yếu vào các thiết bị đo lường và điều khiển trong số các sản phẩm nổi bật là các thiết bị điều khiển, các loại cảm biến, các thiết bị xử lý tín hiệu số, các bộ hiển thị số,… dùng trong công nghiệp Các sản phẩm có cấu trúc riêng lẻ điều khiển theo luật điều khiển PID (sử dụng chủ yếu trong điều khiển nhiệt độ) ta sẽ tham khảo một vài dòng sản phẩm sau:
Nhóm TZN/TZ Thuật toán tự động điều chỉnh PID kép Độ chính xác cao: F.S ±0,3%
Ngõ ra: Relay, SSR or 4 – 20 mA Ngõ ra phụ: 1 hoặc 2 alarms, 4 – 20mA transmission, RS485
Ngõ vào: Thermocouple, RTD, 1 5 VDC, 0 – – 10 VDc, 4 – 20 mA Đáp ứng tiêu chuẩn IP65 Case (TZN4M/S)
Nhóm TZN4S-14R Bộ điều khiển nhiệt độ (PID)
Màn hình hiển thị 4 số
Ngõ ra điều khiển: Relay
Event 1 out put Đáp ứng tiêu chuẩn IP65 Case Nhóm TZN4M-
Bộ điều khiển nhiệt độ (PID)
Màn hình hiển thị 4 số
Ngõ ra điều khiển: Relay
Ngõ vào: Thermocoupe, RTD, 0 - 5V, 0 10V, 4- - 20mA
Event 1 + event 2 + RS 485 Đáp ứng tiêu chuẩn IP65 Case Nhóm TZN4H-14S Bộ điều khiển nhiệt độ (PID)
Màn hình hiển thị 4 số
Ngõ ra điều khiển: 4-20mA
Ngõ vào: Thermocoupe, RTD, 0 - 5V, 0 10V, 4- - 20mA
Event 1 output Đáp ứng tiêu chuẩn IP65 Case Nhóm TZN4S-14C Bộ điều khiển nhiệt độ (PID)
Màn hình hiển thị 4 số
Ngõ vào: Thermocoupe, RTD, 0 - 5V, 0 10V, 4- - 20mA Đáp ứng tiêu chuẩn IP65 Case
I.3.Đánh giá các sản phẩm đã có
Dựa vào tình hình các sản phẩm và thiết bị điều khiển từ những hãng sản xuất phổ biến tại Việt Nam, chúng ta có thể rút ra một số nhận xét quan trọng về chất lượng và xu hướng phát triển của thị trường này.
Hầu hết các sản phẩm hiện nay chủ yếu là thiết bị điều khiển sử dụng các quy tắc ON/OFF hoặc PID cổ điển Dường như chưa có sản phẩm nào áp dụng các quy tắc điều khiển khác.
Các sản phẩm có khả năng tích hợp với mạng công nghiệp thông qua giao thức truyền thông công nghiệp, điều này cho thấy hướng đi đúng đắn của các nhà sản xuất Tuy nhiên, khi ứng dụng trong quy mô nhỏ, chức năng giao tiếp mạng thường không được sử dụng hiệu quả Điều này dẫn đến việc các bộ điều khiển cho các ứng dụng nhỏ dường như không nhận được sự quan tâm cần thiết.
Hầu hết các sản phẩm này được thiết kế chủ yếu để điều khiển một đối tượng cụ thể, đặc biệt là nhiệt độ, trong khi rất ít sản phẩm có khả năng điều khiển đối tượng bất kỳ nào khác.
+ Giá thành các sản phẩm dao động trong khoảng 85 250 USD là tương đối cao trong ứng dụng nhỏ
Nếu chúng ta có khả năng phát triển một sản phẩm có thể điều khiển bất kỳ đối tượng nào với chất lượng tốt và giá cả hợp lý, sản phẩm đó sẽ có tiềm năng lớn để chiếm lĩnh thị trường.
I.4.Kết luận và ý tưởng thiết kế bộ điều khiển
Dựa trên các nhận xét đã nêu, có thể xem xét thiết kế một thiết bị điều khiển với khả năng thay đổi luật điều khiển và cấu trúc điều khiển tùy chọn Thiết bị này có thể hoạt động theo các luật điều khiển như PID, điều khiển mờ hoặc mờ lai PID Để tăng cường tính cạnh tranh, sản phẩm cần có giá thành thấp hơn so với các sản phẩm hiện có trên thị trường.
Việc kết hợp thiết bị điều khiển với phần mềm đối tượng ảo tạo ra một bàn thí nghiệm hữu ích cho nghiên cứu và giảng dạy trong lĩnh vực tự động hóa tại Việt Nam Do đó, tôi đã chọn nghiên cứu và chế tạo một bộ điều khiển đa năng, có khả năng áp dụng cho nhiều loại đối tượng khác nhau, sử dụng nhiều luật điều khiển khác nhau, và đặc biệt là có giá thành thấp hơn so với các bộ điều khiển hiện có trên thị trường.
Chương II.CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN
Cơ sở lý thuyết
Trước khi thiết kế thiết bị điều khiển, cần tìm hiểu nền tảng lý thuyết điều khiển để xây dựng thiết bị Thiết bị điều khiển sẽ hoạt động dựa trên luật điều khiển PID và luật điều khiển mờ lai PID.
II.1.1.Bộ điều khiển PID
Sơ đồ khối cấu trúc đơn giản của một hệ thống điều khiển tự động có phản hồi được mô tả như hình sau:
Các biến đầu vào trong hệ thống điều khiển bao gồm nhiệt độ, tốc độ quay của trục động cơ và mức chất lỏng trong bình chứa Nhiệm vụ chính là điều chỉnh biến ra y(t) theo giá trị đặt w(t), nhằm giảm sai lệch điều khiển e(t) về 0, đồng thời đảm bảo quá trình quá độ đáp ứng yêu cầu chất lượng Bộ điều khiển thực hiện điều chỉnh theo luật điều khiển u(t) = R[e(t)] Để lựa chọn luật điều khiển phù hợp, cần xác định mô hình toán học của đối tượng, thường là phi tuyến tính, với các phương trình toán học và vi phân khác nhau; việc xác định dạng và các hệ số trong các phương trình này là chìa khóa để thực hiện u(t) và e(t).
Hình 2.1 : Sơ đồ khối cấu trúc hệ thống điều khiển y(t)
Bộ điều khiển R Đối tượng
Bộ điều khiển PID hiện nay rất phổ biến trong các ứng dụng điều khiển nhờ vào cấu trúc đơn giản và nguyên lý hoạt động hiệu quả Tên gọi PID là viết tắt của ba thành phần chính: khối tỉ lệ (P), khối tích phân (I) và khối vi phân (D) Bộ điều khiển PID được xem là lý tưởng trong nhiều hệ thống vì khả năng điều chỉnh chính xác và ổn định.
Khối tỉ lệ (P) trong bộ điều khiển thực hiện nhiệm vụ một cách chính xác, tuân theo các yêu cầu được đặt ra Khi sai lệch đầu vào e(t) lớn, tín hiệu điều chỉnh u(t) sẽ tăng cường độ mạnh mẽ hơn.
Khối tích phân (I) trong bộ điều khiển đóng vai trò quan trọng trong việc tích lũy kinh nghiệm nhằm thực hiện nhiệm vụ điều khiển hiệu quả Khi sai lệch e(t) khác 0, bộ điều khiển PID vẫn tiếp tục phát tín hiệu điều khiển để điều chỉnh hệ thống.
Khối vi phân (D) có khả năng sáng tạo và phản ứng nhanh chóng trước sự biến đổi của tín hiệu đầu vào Đặc biệt, khi sai lệch e(t) gia tăng, phản ứng thích hợp u(t) sẽ diễn ra nhanh hơn.
Bộ điều khiển PID được mô tả bằng hàm mô hình vào ra:
1 0 τ (1.1) trong đó : e(t) là tín hiệu đầu vào u(t) là tín hiệu đầu ra kP là hệ số khuyếch đại
TI là hằng số tích phân
TD là hằng số vi phân
Từ mô hình vào ra trên ta có được hàm truyền đạt của bộ điều khiển PID lý tưởng :
Trong ứng dụng kỹ thuật vi xử lý, các biến đầu vào và đầu ra được đo lường tại từng thời điểm và chuyển đổi thành dạng số qua bộ chuyển đổi tương tự - số (ADC) Do đó, phương trình luật điều khiển PID được số hóa và tích hợp vào hệ thống điều khiển số Để xác định mô hình không liên tục của bộ điều khiển PID số, có hai phương pháp chính được áp dụng.
• Phương pháp theo công thức Tustin
Ta sẽ xem xét lần lượt cả 2 phương pháp này:
Phương pháp Tustin cho phép xác định mô hình không liên tục của bộ PID bằng cách chuyển đổi từ mô hình liên tục trong miền thời gian.
Hình 2.2 : Sơ đồ khối cấu trúc hệ thống điều khiển số y(t)
Khi đầu vào e(t) của PID số được thay bằng dãy e{k} có chu kỳ trích mẫu
- Khối khuếch đại uP(t) = kp.e(t) được thay bằng uk p = kp.ek
• Xấp xỉ tích phân loại 1: ∑ −
• Xấp xỉ tích phân loại 2: ∑
• Xấp xỉ tích phân loại 3: ∑
Hình 2.3: Công thức xấp xỉ thành phần tích phân
Thay các công thức xấp xỉ trên vào ta có các mô hình không liên tục của bộ PID số:
Với bất kỳ công thức tính PID theo loại nào ta cũng có thể đưa chúng về dạng:
Phương pháp tính bộ PID theo phương pháp sai phân được tính như sau:
Trừ hai biểu thứccho nhau ta có:
Khi đó ta có: u k +1 = u k + ∆ u P + ∆ u I + ∆ u D - Đây chính là công thức sai phân của bộ PID số
Từ 2 phương pháp tính của bộ điều khiển PID ta thấy:
• Cả 2 phương pháp tính bộ điều khiển PID đều có độ chính xác cao nhưng phương pháp tính theo công thức sai phân có độ chính xác cao hơn
Khi thực hiện tính toán trên phần cứng, phương pháp tính theo công thức sai phân yêu cầu sử dụng nhiều biến nhớ hơn, điều này tạo ra một hạn chế lớn cho việc lập trình với vi điều khiển.
Do đó, ta quyết định sử dụng phương pháp tính bộ PID số là phương pháp Tustin xấp xỉ loại 3:
II.1.2.Các phương pháp xác định thông số cho bộ điều khiển PID số: Để xác định thông số của bộ điều khiển PID số, ta áp dụng phương pháp theo đề xuất của Takahashi Theo phương pháp này thì ta có thể xác định thông số của bộ PID số từ đường đặc tính quá độ của đối tượng S(s) Hoặc ta cũng có thể xác định thông số bộ PID theo phương pháp Ziegler - Nichols 2. a) Xác định thông số của bộ PID từ hàm truyền đạt của đối tượng Điều kiện để có thể áp dụng phương pháp Takahashi là đối tượng phải ổn định, có đường đặc tính quá độ đi từ 0 và có dạng hình chữ S
Hình 2.4: Xác định các thông số của đối tượng từ hàm quá độ
Với đối tượng dạng này ta kẻ một đường tiếp tuyến tại điểm uốn của đồ thị hàm h(t) và xác định thông số k, L và T theo như hình vẽ trên:
Hệ số khuếch đại k = lim t → ∞ h ( t )
L giá trị xấp xỉ thời gian trễ của đối tượng
T hằng số thời gian của đối tượng
T95% là điểm thời gian mà h(t) đạt được giá trị 0,95.k
Trên cơ sở các thông số k, L, T, T95% đã xác định ở trên tác giả cũng đưa ra cách xác định tham số Ta – thời gian trích mẫu như sau:
Khi thời gian trích mẫu Ta ≤ 2L, ba tham số kP, TI, TD của bộ PID có thể được xác định từ k, L, T theo phương pháp Takahashi.
- Nếu chỉ sử dụng riêng bộ P số: kP ) ( L T a k
- Nếu sử dụng bộ PI số:
- Nếu sử dụng bộ PID số:
= + a) Xác định thông số của bộ PID theo phương pháp Ziegler-Nichols 2
Khi không xác định được hàm truyền đạt của đối tượng Ziegler Nichols, phương pháp thực nghiệm có thể được áp dụng để xác định bộ ba tham số kP, TI, TD.
Bước 1: Cho hệ thống làm việc ở biên giới ổn định :
• Điều khiển đối tượng theo luật P ( Ti = ∞; TD = 0 )
Hình 2.5: Xác định các thông số của đối tượng từ thực nghiệm
Bước 2: Xác định các thông số của bộ điều khiển PID số:
Chọn luật điều khiển và tính toán các tham số k , TI , TD từ Kth và Tth theo bảng sau
Bộ điều khiển KP TI TD
Bảng 2.1 : Thông số của bộ PID số xác định theo thực nghiệm
Phương pháp thực nghiệm Ziegler-Nichols để xác định tham số của bộ điều khiển PID có hạn chế là yêu cầu tồn tại giá trị KP, nhằm đảm bảo hệ thống đạt trạng thái ổn định ở biên giới Do đó, phương pháp này không phù hợp với các đối tượng có khâu tích phân, nhưng khi áp dụng đúng, nó có thể mang lại hệ kín với chất lượng tốt hơn về độ quá điều.
Lý thuyết về bộ điều khiển mờ
Lý thuyết tập mờ (Fuzzy set theory) được giáo sư Zadeh tại trường đại học California giới thiệu vào năm 1965, đã mở ra một hướng nghiên cứu mới Kể từ khi ra đời, lý thuyết này đã được phát triển mạnh mẽ, đặc biệt qua các công trình của các nhà khoa học như GS Terano và Asai, những người đã thiết lập cơ sở nghiên cứu hệ thống điều khiển mờ tại Nhật Bản vào năm 1972, và hãng Smith vào năm 1980.
Co bắt đầu nghiên cứu điều khiển mờ cho lò hơi… Những năm đầu thập kỷ
Từ những năm 90, hệ thống điều khiển mờ và mạng nơron đã thu hút sự chú ý lớn từ các nhà khoa học, kỹ sư và sinh viên trong nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật Tập mờ và lôgic mờ sử dụng thông tin không đầy đủ về đối tượng để thực hiện việc điều khiển một cách chính xác và hiệu quả.
Trong những năm gần đây, lý thuyết mờ đã được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như thiết bị dân dụng, điều khiển nhiệt độ, giao thông vận tải, và y học Vi mạch mờ đầu tiên được chế tạo vào năm 1986 bởi Masiki Togai và Hiroyuki Watanabe, và hiện nay nhiều hãng như Omron và Motorola đã phát triển các chip mờ Điều khiển mờ nổi bật hơn so với kỹ thuật điều khiển kinh điển nhờ khả năng hoạt động hiệu quả trong các quá trình không xác định rõ và thiếu thông tin Nó tích hợp kinh nghiệm của chuyên gia mà không cần biết nhiều về thông số hệ thống, chiếm vị trí quan trọng trong điều khiển học hiện đại Phương pháp này đã mang lại kết quả khả quan trong nghiên cứu và ứng dụng lý thuyết tập mờ, logic mờ và suy luận mờ Các luật điều khiển IF THEN, với cấu trúc điều kiện "Nếu … thì …", là công cụ thiết yếu trong việc thiết kế bộ điều khiển, cho phép thiết lập mối quan hệ giữa đầu vào và đầu ra thông qua các biến ngôn ngữ.
So với các giải pháp kỹ thuật trước đây trong việc tổng hợp hệ thống điều khiển, phương pháp điều khiển mờ mang lại nhiều ưu điểm nổi bật.
• Khối lượng công việc thiết kế giảm đi nhiều do không cần sử dụng mô hình đối tượng trong việc tổng hợp hệ thống
• Bộ điều khiển mờ đơn giản hơn so với các bộ điều khiển khác và dễ thay đổi
Bài toán thiết kế phức tạp có thể được tối ưu hóa bằng cách sử dụng bộ điều khiển mờ, giúp giảm thiểu khối lượng tính toán và hạ giá thành sản phẩm.
• Trong nhiều trường hợp bộ điều khiển mờ làm việc ổn định hơn, bền vững hơn, khả năng chống nhiễu cao hơn và chất lượng điều khiển tốt hơn
Ngày nay, sự phát triển nhanh chóng của công nghệ thông tin và lý thuyết điều khiển đã thúc đẩy sự phong phú của các hệ điều khiển mờ Tuy nhiên, việc tổng hợp một bộ điều khiển mờ hiệu quả cho các đối tượng cụ thể nhằm nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển vẫn là mối quan tâm lớn của nhiều nhà nghiên cứu.
II.2.1.Khái niệm tập mờ
Cho một tập nền X, tập mờ F được xác định trên tập kinh điển là tập hợp các cặp giá trị (x, f(x)), trong đó x ∈ X và f là ánh xạ từ X đến [0,1] Hàm f được gọi là hàm thuộc của tập mờ F, và tập kinh điển X được coi là tập nền của tập mờ F.
Sử dụng các hàm thuộc để tính độ phụ thuộc của một phần tử x nào đó có hai cách:
• Tớnh trực tiếp nếu àf(x) cho trước dưới dạng cụng thức tường minh
• Tra bảng nếu à f (x) cho dưới dạng bảng.
II.2.2.Mệnh đề hợp thành mờ
Phép suy diễn mờ là quá trình từ một tập mờ A suy ra một tập mờ B, trong đó A(x) là giá trị của biến ngữ nghĩa đầu vào x và B(y) là giá trị của biến ngữ nghĩa đầu ra y Do mệnh đề này chỉ liên quan đến một biến đầu vào và một biến đầu ra, nó được gọi là mệnh đề SISO hay phép suy diễn SISO.
Khi có một giá trị cụ thể x0, tính chính xác của phép suy diễn được đánh giá qua một tập mờ B' có cùng nền tảng với B Điều này có nghĩa là kết quả của phép suy diễn tương ứng với x0 sẽ tạo ra một tập mờ B'.
Ký hiệu B’ được biểu thị bằng àB’(y), với hai công thức xác định àB’(y) thường được sử dụng trong điều khiển: àB’(y) = min { à’A(x0), àB(y) } và àB’(y) = à’A(x0) àB(y) Trong đó, H = à’A(x0) được gọi là độ thỏa mãn đầu vào Một cách đơn giản, ta có thể diễn đạt rằng “Nếu x = A thì y = B” với giá trị rời x0 là: H → àB’’(y).
Luật hợp thành là mô hình R thể hiện một hoặc nhiều hàm thuộc về một hay nhiều mệnh đề hợp thành, được hiểu là tập hợp các mệnh đề hợp thành Nếu luật hợp thành chỉ có một mệnh đề, nó được gọi là luật hợp thành đơn, trong khi nếu có nhiều hơn một mệnh đề, nó sẽ là luật hợp thành kép Hầu hết các hệ mờ trong thực tế đều có mô hình là luật hợp thành kép.
Xét ví dụ về luật hợp thành R biểu diễn mô hình điều khiển nhiệt độ của máy điều hoà
Với x là nhiệt độ không khí, y là nhiệt độ đầu ra của máy điều hoà:
R1 Nếu x = lạnh thì y = tăng nhiệt độ Hoặc
R2 Nếu x = trung bình thì y = giữ nguyên Hoặc
R3 Nếu x = nóng thì y = hạ nhiệt độ xuống lạnh
Luật hợp thành R được định nghĩa thông qua ba tập mờ B1’, B2’ và B3’ Các hàm thuộc của các tập mờ này lần lượt được ký hiệu là àB1’(y), àB2’(y) và àB3’(y) Giá trị của luật hợp thành R ứng với x0 được hiểu là tập mờ R’ được hình thành từ phép hợp ba tập mờ B1’, B2’ và B3’.
R’ = B1’ ∪ B2’ ∪ B3’ 1.12( ) cho thấy rằng nếu các hàm thuộc B1’ (y), B2’ (y) và B3’ (y) được xác định theo quy tắc Min và phép hợp được thực hiện theo luật Max, thì R được gọi là luật hợp thành Max-Min Tương tự, R cũng có thể được gọi bằng nhiều tên khác nhau.
Luật hợp thành M - ax Prod , nếu àB1’(y), àB2’(y) và àB3’(y) được xỏc định theo quy tắc hợp thành Prod và phép hợp trên là phép hợp theo luật Max
Luật hợp thành Sum- Min, nếu àB1’(y), àB2’(y) và àB3’(y) được xỏc định theo quy tắc hợp thành Min và phép hợp trên được tính theo công thức Lukasiewic
Luật hợp thành Sum Prod yêu cầu xác định các yếu tố àB1’(y), àB2’(y) và àB3’(y) theo quy tắc hợp thành Prod, với phép hợp được xác định theo phương pháp Lukasiewic Để xác định hàm thuộc àR’(y) của giá trị đầu ra R’ từ luật hợp thành có n mệnh đề hợp thành R1, R2,…Rn, cần thực hiện một số bước cụ thể.
• Xác định độ thoả mãn H 1 , H2 …Hn theo các công thức đã biết
Sơ đồ cấu trúc Psoc
III.2.1.Sơ đồ khối chức năng của Psoc
Vi điều khiển Psoc được thiết kế dựa trên kiến trúc 8 bit CISC Cấu trúc chung của Psoc với các khối cơ bản được thể hiện ở sơ đồ sau:
Hình 3.1: Cấu trúc chung của Psoc
Khối CPU là phần chính của Psoc có mục đích là thực hiện các lệnh của chương trình và điều khiển kiểu workflow các khối khác
Khối phát tần số (frequency generator) có khả năng tạo ra các tín hiệu cần thiết cho hoạt động của CPU và các tần số sử dụng bởi các khối khả trình Những tín hiệu này có thể được phát sinh từ nguồn dao động bên trong PSoC hoặc từ nguồn bên ngoài.
Reset controller giúp vi điều khiển khởi động lại các hoạt động và đưa vi điều khiển trở về trạng thái hợp lệ khi xảy ra sự kiện bất thường.
Watchdog timer là một công cụ quan trọng giúp phát hiện lỗi phần mềm, đặc biệt là khi gặp phải tình trạng dead_loop, tức là một câu lệnh nào đó bị lặp đi lặp lại mà không thoát ra được.
Sleep timer giúp đánh thức thiết bị từ chế độ tiết kiệm năng lượng một cách đều đặn và có thể hoạt động như một bộ hẹn giờ thông thường.
Các chân vào và ra có khả năng giao tiếp giữa các khối CPU, các khối khả trình số và tương tự và các thiết bị bên ngoài
Khối điện áp chuẩn rất cần thiết cho sự làm việc của các thành phần tương tự có ngay bên trong các khối tương tự khả trình
Trong suốt thời gian chương trình hoạt động, các câu lệnh được lưu trữ trong bộ nhớ chương trình (Flash), điều này rất quen thuộc với các vi điều khiển CPU sẽ tìm kiếm và xử lý từng lệnh một từ bộ nhớ, giải mã chúng và thực hiện các hoạt động tương ứng Khối CPU bao gồm các thanh ghi nội bộ để hỗ trợ quá trình này.
PC, SP, A, X cũng như các khối ALU và khối giải mã các câu lệnh
Các thanh ghi bên trong của CPU:
Bộ đếm chương trình (PC) có vai trò quan trọng trong việc chỉ định các lệnh tiếp theo trong chương trình Mỗi khi một lệnh mới được thực thi, giá trị của bộ đếm chương trình sẽ được cập nhật để trỏ tới lệnh tiếp theo cần thực hiện.
PC sẽ được set để trỏ tới lệnh kế tiếp trong bộ nhớ chương trình (lệnh mà sẽ được giải mã và thực hiện ngay sau đó)
Stack pointer (SP) dùng để trỏ đến các địa chỉ trong bộ nhớ SRAM
III.2.2.Sơ đồ chân và chế độ hoạt động các chân của Psoc
Hình dưới là các dạng sơ đồ bố trí chân của một số chip Psoc điển hình
Hình 3.2: S ơ đồ bố trí chân của một số chip Psoc
Chip Psoc có khả năng thay đổi chế độ hoạt động của các chân tùy theo yêu cầu của người sử dụng Các chân của chip Psoc hỗ trợ nhiều chế độ hoạt động khác nhau, mang lại sự linh hoạt và tùy biến cho người dùng.
• Đầu ra logic có thể cung cấp dòng đến 25mA với các điện trở Pull up hay Pull down bên trong
Việc thay đổi ngắt trên từng chân không bị ràng buộc như quy định của họ 89 của Atmel, cho phép người dùng linh hoạt chọn chân nào sẽ là ngắt trong từng thời điểm Điều này có nghĩa là các chân có thể hoạt động như ngắt hoặc trở thành chân vào ra thông thường tùy theo nhu cầu sử dụng.
• Các cổng ra tương tự có thể cung cấp dòng lên đến 40mA
• Các chân có chế độ vào ra ba trạng thái (Trigger Schmitt)
• Có nhiều cổng vào ra đa chức năng trên chip
Các chip PSoC được thiết kế với cấu trúc CPU 8 bit theo kiến trúc Harvard, một cấu trúc phổ biến hiện nay, trong đó bus dữ liệu, bus địa chỉ và tín hiệu điều khiển hoạt động độc lập với nhau.
Các cổng vào ra đa chức năng trong Psoc:
Các cổng vào ra đa chức năng là giao diện giữa CPU và môi trường bên ngoài, cho phép kết nối cả tín hiệu tương tự và số.
Các cổng vào ra đa chức năng có độ rộng 8 bit cho mỗi cổng, với mỗi cổng bao gồm 8 khối GPIO giống nhau Mỗi khối GPIO được thiết kế để phục vụ cho các kiểu vào ra khác nhau.
1 Vào ra số (các kiểu vào ra số được điều khiển bằng phần mềm)
2 Vào ra toàn cục (cho các khối Psoc số )
3 Vào ra tương tự ( cho các khối Psoc tương tự )
Mô tả cấu trúc của một khối GPIO :
Hình 3.3: Cấu trúc của một khối GPIO
Sơ đồ khối chính của khối GPIO được thể hiện trong hình 3.3, nhưng một số chân có thể thiếu các chức năng như mô tả, điều này phụ thuộc vào cách kết nối bên trong.
Việc giao tiếp giữa Psoc và môi trường bên ngoài diễn ra thông qua các chân vào ra Hoạt động đọc và ghi trên các Port tương tự như các vi điều khiển khác Các thanh ghi truy cập cổng được lưu trữ tại các địa chỉ như PRT0DR, PRT1DR, hay được viết tắt là PRTxDR.
Quá trình ghi dữ liệu ra một Port: khi đó ghi một giá trị tới thanh ghi
Các thanh ghi PRTxDR có thể được hình dung như những thành phần kết nối với mạch điện, quy định trạng thái của cổng, chẳng hạn như cao trở hoặc sử dụng điện trở kéo lên hoặc kéo xuống Những mạch điện này có khả năng dẫn tín hiệu từ các thanh ghi PRTxDR.
Để CPU có thể trao đổi dữ liệu số với bên ngoài, việc này được thực hiện thông qua các thanh ghi PRTxDR (Port Data Register) Khi người dùng ghi dữ liệu vào thanh ghi PRTxDR, thanh ghi này sẽ lưu giữ trạng thái của dữ liệu, với mỗi bit trong thanh ghi tương ứng với một chân GPIO Điều này có nghĩa là khi ghi một giá trị vào thanh ghi PRTxDR, giá trị tại đầu ra của cổng tương ứng sẽ giống như giá trị trong thanh ghi dữ liệu, và điện áp tại chân ra phụ thuộc vào chế độ hoạt động của chân cũng như tải bên ngoài kết nối với chân đó.
Tần số dao động của Psoc
Tín hiệu tần số là yếu tố quan trọng cho hoạt động của các thành phần số Tùy thuộc vào tốc độ mong muốn, có một số khoảng lựa chọn phù hợp cho tín hiệu này.
• Các tín hiệu tần số nội bộ như VC1, VC2, VC3, SYSCLKx2, CPU_32
• Và tận dụng luôn đầu ra của các khối gần kề làm tần số hoạt động.
• Các đường dây quảng bá (Broadcast line) được dùng cho các khối muốn có cùng tốc độ
• Input (RI) hay ouput (RO) của các block line
Các tín hiệu phổ biến như VC1, VC2 và VC3 cung cấp các giá trị khác nhau cho người dùng trong thiết kế của họ Nếu các tần số VC1, VC2 và VC3 không đáp ứng được tần số danh định do giới hạn trong các khoảng lựa chọn, chúng ta có thể sử dụng các đầu ra từ counter, timer hoặc PWM như là các tần số bổ sung Hình ảnh dưới đây minh họa cách kết nối trực tiếp từ đầu ra của một khối tạo dao động như Counter hoặc PWM tới khối liền kề Nếu tín hiệu này được nối qua một số khối khác, việc kết nối có thể được thực hiện bằng dây BC.
Hình 3.11 minh họa cách kết nối dây sử dụng tần số VC1, trong đó đầu ra của PWM được kết nối với dây BC Các khối khác có thể sử dụng tần số này bằng cách nối trực tiếp tới dây BC.
Các tần số là yếu tố thiết yếu cho các chức năng của khối CPU, đặc biệt là các khối khả trình, mỗi thành phần đều có yêu cầu về tốc độ Chip Psoc sử dụng một hệ thống phát ra các tín hiệu tần số khác nhau bằng cách lựa chọn các khối đồ họa phù hợp Sơ đồ dưới đây minh họa hai hệ thống độc lập trong việc phát ra các tín hiệu như SYSCLK và SYSCLK 32k.
SYSCLK là tín hiệu xung nhịp chính trong chip PSoC, hoạt động với tốc độ 24MHz Tín hiệu này đóng vai trò quan trọng trong việc làm chuẩn cho hầu hết các tín hiệu khác trong hệ thống.
• SYSSCLKx2 là tín hiệu xung nhịp có giá trị gấp đôi tín hiệu SYSCLK
Tín hiệu 24V1 được tạo ra bằng cách chia tần số SYSCLK cho một thông số N1, với giá trị N1 nằm trong khoảng từ 1 đến 16 Do đó, tần số của 24V1 dao động từ 1.5MHz (khi N1 = 16) đến 24MHz (khi N1 = 1).
Tín hiệu 24V2 được tạo ra bằng cách chia tần số 24MHz với các giá trị N1 và N2, trong đó cả hai đều nằm trong khoảng từ 1 đến 16 Do đó, tần số 24V2 có thể được tính bằng công thức SYSCLK/N1.N2, với giá trị dao động từ 93.75kHz đến 24MHz khi N1 và N2 đều bằng 1.
• 24V3 là tín hiệu có được bằng cách chia các tín hiệu tần số sau: 24V1, 24V2, SYSCLK, SYSCLKx2 với số bị chia N (N ∈[1…256])
CPU_CLK là một khối tần số CPU quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ thực hiện các câu lệnh Nó có thể hoạt động với 8 tần số khác nhau, dao động từ 93.75 kHz đến 24 MHz.
Việc lựa chọn tần số 24V1, 24V2, 24V3 và CPU_CLK được thực hiện dễ dàng thông qua việc thiết lập các thông số phù hợp trong Device Editor hoặc trong quá trình chạy bằng cách chọn 3 bit thấp của thanh ghi OSCCR0.
CLK32K là tín hiệu có tần số 32K, hoạt động chậm và có thể được sử dụng như một đầu vào của các thành phần lập trình Tần số này cũng đóng vai trò quan trọng trong chế độ hẹn giờ ngủ, khi đó các tần số SYSCLK khác sẽ không hoạt động.
Hình 3.12: Mô tả các tín hiệu bên trong Psoc Các nguồn tín hiệu dùng cho quá trình hoạt động của Psoc được mô tả trên hình 3.11
The SYSCLK signal can be generated using the Internal Main Oscillator (IMO) within the chip, while the CLK32k signal is produced by the Internal Local Oscillator (ILO).
Sự tiêu thụ năng lượng của Chip
Tần số CPUCLK ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ thực thi lệnh của chip, với việc tăng gấp đôi tần số dẫn đến quá trình thực hiện chương trình cũng tăng gần gấp đôi Tuy nhiên, tần số cao không phải lúc nào cũng cần thiết và có thể gây ra tiêu thụ năng lượng cao, đặc biệt là khi sử dụng pin hoặc ắc quy Ngoài ra, tần số cao cũng dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ Do đó, cần lựa chọn tần số thấp nhất có thể mà vẫn đáp ứng các yêu cầu hiệu suất Tần số mặc định của chip Psoc là 3MHz, cho phép cân bằng hợp lý giữa tốc độ và mức tiêu thụ năng lượng.
Hầu hết các vi điều khiển hoạt động theo định kỳ và thường ở trạng thái không làm gì, cho phép tiết kiệm năng lượng bằng cách chuyển sang chế độ sleep khi không cần thiết Trong chế độ này, CPU32k và SLEEP vẫn hoạt động, trong khi bộ vi xử lý dừng thực thi lệnh Việc kích hoạt trở lại chế độ hoạt động bình thường có thể thực hiện nhanh chóng thông qua reset hoặc ngắt, có thể phát ra từ sleep timer hoặc các chân GPIO Sleep Timer hoạt động như một bộ counter đặc biệt, phát ra ngắt định kỳ để đánh thức CPU từ chế độ tiết kiệm năng lượng với tần số ngắt từ 1 đến 512Hz Để khởi động lại vi điều khiển, cần có một loại ngắt tương ứng, và các thanh ghi sẽ được thiết lập với giá trị hoạt động để chương trình tiếp tục thực hiện.
Chế độ SMP (Switch Mode Pump) trong Psoc là một nguồn cung cấp năng lượng đặc biệt, giúp Psoc hoạt động hiệu quả.
SMP hoạt động dựa trên nguyên lý biến đổi BOOST DC/DC, cho phép tạo ra điện áp cao hơn điện áp cung cấp từ pin (chỉ cần 1.5V) Để SMP hoạt động hiệu quả, cần kết nối thêm diode, cuộn cảm và tụ điện Khi hoạt động, chân số 9 của Psoc có thể kích nguồn lên đến điện áp tối ưu cho Psoc, mặc dù dòng điện phát ra khá nhỏ, nên không phù hợp cho các ứng dụng lớn.
Hình 3.13: Chế độ SMP trong Psoc
Trong quá trình hoạt động của vi điều khiển, sự thay đổi hoặc bất ổn định của nguồn cung cấp điện có thể xảy ra bất cứ lúc nào, gây nguy hiểm khi điện áp giảm xuống dưới mức cho phép Điều này dẫn đến những tác động không thể dự đoán đối với vi điều khiển Khi phát hiện điện áp giảm, vi điều khiển sẽ ngay lập tức chuyển sang chế độ reset nguồn để bảo vệ hệ thống.
(Power on reset) và ở chế độ này đến khi điện áp trở lại ổn định trên mức tới hạn quy định.
THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN ĐA NĂNG
THIẾT KẾ PHẦN CỨNG
Khối chuẩn hóa tín hiệu
Khối chuẩn hóa tín hiệu có nhiệm vụ chuyển đối tất cả các tín hiệu từ đối tượng đi vào bộ điều khiển thành tín hiệu chuẩn 0-5V.
Khối Vi điều khiển-xử lý trung tâm
Khối vi điều khiển hay còn gọi là khối xử lý trung tâm bao gồm hai khâu: khâu đo lường và khâu điều khiển
Khâu đo lường được thực hiện qua chương trình trên vi điều khiển, có nhiệm vụ đọc tín hiệu đo từ ba chân vào của khối ADC Sau đó, các giá trị đo sẽ được lưu trữ trong ba thanh ghi.
Khâu điều khiển sử dụng giá trị đo được từ khâu đo lường để so sánh với giá trị đặt trước từ phần mềm trên máy tính Dựa vào sự so sánh này, khâu điều khiển phát ra tín hiệu điều khiển, cụ thể là độ rộng xung của khối PWM Quy tắc xác định độ rộng xung này được gọi là luật điều khiển.
Khối chuyển đổi tín hiệu
Khối chuyển đổi tín hiệu làm nhiệm vụ chuyển đổi độ rộng xung của khối PWM thành độ lớn điện áp.
Khối phần mềm trên máy tính PC
Thiết kế phần cứng cho bộ điều khiển đa năng
Dựa trên sơ đồ cấu trúc của khối điều khiển đa năng trong hình 4.1, sơ đồ nguyên lý cho các khối được thực hiện cụ thể như sau:
IV.2.1.Khối chuẩn hóa tín hiệu
Hình 4.2: Sơ đồ nguyên lý khối chuẩn hóa tín hiệu
IV.2.2.Khối xử lý trung tâm
Hình 4.3: Sơ đồ nguyên lý của khối xử lý trung tâm
IV.2.3.Khối chuyển đổi tín hiệu
Hình 4.4: Sơ đồ nguyên lý khối chuyển đổi tín hiệu
IV.2.4.Các khối kết nối với máy tính và hiển thị
Ngoài các sơ đồ trên mạch điện phần cứng còn có các kết nối giữa Psoc và LCD, kết nối truyền thông với MAX232
Hình 4.5: Sơ đồ nguyên lý các khối kết nối với máy tính và hiển thị
IV.2.5.Mạch nguyên lý của thiết bị điều khiển đa năng
Hình 4.6 : Sơ đồ mạch nguyên lý của thiết bị điều khiển đa năng
Như đã phân tích bộ điều khiển của ta có chức năng sau:
Cập nhật tín hiệu đầu ra từ các đối tượng như điện áp hoặc dòng điện (sau khi đã chuẩn hóa) dưới dạng điện áp 0÷5V, thông qua các bộ biến đổi A/D Tín hiệu này sẽ được phân tích và tính toán theo các luật điều khiển, sau đó cung cấp tín hiệu điều khiển ở dạng điện áp 0÷5V hoặc 1÷10V (sau khi qua các bộ biến D/A) để điều khiển các đối tượng hiệu quả.
• Chức năng cập nhật thông số bộ điều khiển và luật điều khiển từ máy tính
• Chức năng hiển thị LCD
Vì vậy ta đi đến thiết kế sơ đồ khối hệ thống cấu hình của chip PSoC trên trình thiết kế PSoc Designer 4.1 như sau:
Các modul chức năng của phần mềm:
Hình 4.7: Các modul chức năng của phần mềm
Ta đặt các modul và nối các đầu vào ra của các modul trên phần mềm thiết kế PSoC Designer 4.3 như hình 4.8:
H×nh 4.8: Sơ đồ kết nối các module bên trong chíp
Cấu hình các chân được sử dụng :
Hình 4- 9: Cấu hình các chân được sử dụng.
CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM BỘ ĐIỀU KHIỂN
Tìm hiểu đối tượng nhiều chiều (MIMO)
Đối tượng điều khiển nhiều chiều (MIMO) có nhiều đại lượng vào và ra, với sự liên kết chặt chẽ giữa chúng Sự thay đổi của một đại lượng vào sẽ ảnh hưởng đến tất cả các đại lượng ra khác Để phân tích đối tượng này, cần tách riêng từng “chiều” hay kênh, biến nó thành các đối tượng đơn giản hơn nhưng vẫn giữ điều kiện ràng buộc Mỗi đại lượng vào có thể được xem như một đối tượng một chiều (SISO) với các mối quan hệ đan chéo và tác động qua lại Nhiệm vụ quan trọng là xác định các quy luật tác động thông qua việc nhận dạng đối tượng.
Đối tượng nhiều chiều có thể được phân tích thành các đối tượng đơn, mỗi đối tượng có một đại lượng vào và một đại lượng ra, cùng với các mối quan hệ được mô tả qua hàm truyền đạt Để xác định các hàm truyền đạt này, nhiều phương pháp khảo sát khác nhau được áp dụng, trong đó phương pháp thực nghiệm là đơn giản nhất Các đối tượng đơn được tách ra từ đối tượng nhiều chiều được gọi là các kênh của đối tượng đó.
Đối tượng điều khiển nhiều chiều thí nghiệm
Đối tượng điều khiển trong nghiên cứu này là một bể nước, nơi có hai dòng nước nóng và lạnh chảy vào từ hai bình chứa riêng biệt Dòng nước được điều chỉnh qua van trước khi vào bể với áp suất 1Kg/cm² Nước hỗn hợp từ bể sẽ được dẫn ra ngoài sau khi thực hiện thí nghiệm Các đại lượng đầu vào bao gồm lưu lượng dòng nước nóng và lạnh, trong khi nhiệt độ của chúng được giả định là không đổi Các đại lượng đầu ra sẽ được xác định dựa trên các yếu tố này.
Mô hình đối tượng nhiều chiều cho thấy sự tương tác giữa hai dòng nước nóng và lạnh, với hai tín hiệu đầu ra là nhiệt độ và mức nước trong bể Hệ thống đạt trạng thái cân bằng khi tổng lưu lượng nước nóng và lạnh vào bằng lưu lượng nước "ấm" ra Khi có sự thay đổi, chẳng hạn như điều chỉnh lưu lượng nước lạnh, cả nhiệt độ và mức nước trong bể sẽ thay đổi Tương tự, việc thay đổi lưu lượng nước nóng cũng ảnh hưởng đến các đại lượng này, cho thấy sự liên kết giữa các yếu tố đầu vào và đầu ra.
Sơ đồ mô hình đối tượng được biểu diễn như trên hình 5.2:
Để điều khiển lưu lượng nước nóng và lạnh trong mô hình đối tượng nhiều chiều thí nghiệm, chúng ta sử dụng hai van điều khiển khí nén Ngoài ra, để đo nhiệt độ của bể nước, nhiệt kế điện trở PT được áp dụng.
100 Mức nước của bể được đo theo nguyên lý thuỷ tĩnh và chuyển đổi sang dòng điện Sơ đồ hệ thống được mô tả như trên hình 5.3:
Hình 5.3: Mô hình hệ thống thí nghiệm nhiều chiều
Xây dựng hệ thống điều khiển nhiều chiều
V.3.1.Hệ thống điều khiển nhiều chiều
Sau khi khảo sát đối tượng bình nước từ nhiều khía cạnh, chúng ta tiến hành thiết kế hệ thống điều khiển cho đối tượng này, sử dụng bộ điều khiển đa năng mà chúng ta đã chế tạo, như được trình bày trong hình 5.4.
Hình 5.4: Hệ thống điều khiển nhiều chiều sử dụng BĐK đa năng
Tín hiệu xử lý trong chip Psoc là tín hiệu số, giúp giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu Tín hiệu đo từ các cảm biến được chuẩn hóa và đưa đến bộ điều khiển thu thập dữ liệu với điện áp biến thiên từ 0 đến 5V Sau khi được số hóa qua chuyển đổi AD, tín hiệu sẽ được xử lý bằng các thuật toán điều khiển của bộ điều khiển đa năng Cuối cùng, tín hiệu được chuyển đổi lại thành tín hiệu analog qua chuyển đổi DA, cũng với điện áp biến thiên trong khoảng 0 đến 5V, để tác động lên đối tượng điều khiển.
Hệ thống đo nhiệt độ nước sử dụng nhiệt điện trở PT 100, với tín hiệu ra là điện trở được chuyển đổi thành điện áp 0-5V trước khi vào bộ điều khiển Mức nước trong bể được đo theo nguyên lý thuỷ tĩnh, với tín hiệu ra là mức nước được chuyển đổi qua H/I và I/U vào bộ điều khiển Tín hiệu điều khiển cho dòng nước lạnh và nóng cũng là điện áp một chiều biến thiên từ 0-5V, được chuyển đổi qua U/I và I/P để điều khiển van khí nén, từ đó điều chỉnh lưu lượng nước chảy vào bể.
V.3.2.Xác định đặc tính động học của đối tượng nhiều chiều
Để tổng hợp bộ điều khiển cho đối tượng nhằm đạt chất lượng hệ kín mong muốn, trước tiên cần hiểu rõ về đối tượng thông qua một mô hình toán học Chất lượng của bộ điều khiển được tổng hợp phụ thuộc nhiều vào độ chính xác của mô hình mô tả đối tượng.
Trong môi trường phòng thí nghiệm, phương pháp thực nghiệm chủ động với tín hiệu đầu vào là hàm A.1(t) là cách hiệu quả nhất để nhận dạng đối tượng một cách nhanh chóng Sơ đồ mô tả quá trình nhận dạng được thể hiện trong hình 5.5.
Để điều chỉnh lưu lượng dòng nước và dòng nước lạnh, CPU của bộ điều khiển phát ra một con số, được chuyển đổi qua bộ biến đổi D/A thành tín hiệu điện áp tương tự Tín hiệu điện áp này tiếp tục qua bộ chuyển đổi U/I và tác động lên cơ cấu chấp hành là van khí nén Đầu ra nhiệt độ, sau khi đo bằng nhiệt kế điện trở PT 100, được chuyển đổi qua bộ chuyển đổi R/U và lưu trữ vào máy tính (máy ghi giấy) Mức đo cũng được chuyển đổi thành dòng điện (H/I), sau đó qua chuyển đổi I/U và lưu trữ vào máy tính Như vậy, đối tượng điều chỉnh bao gồm thiết bị đo, các phần tử chuyển đổi và cơ cấu chấp hành.
Khi thay đổi lưu lượng nước nóng và lạnh, nhiệt độ và mức nước trong bồn nước ấm sẽ thay đổi Cần ghi lại các đường đặc tính quá độ thu được và tiến hành nhận dạng từ những đặc tính này Do đó, sẽ có 4 đường đặc tính quá độ tương ứng với 4 hàm truyền khác nhau.
• W11(p): Hàm truyền tương ứng với sự ảnh hưởng của lưu lượng nước nóng tới nhiệt độ
• W21(p): Hàm truyền tương ứng với sự ảnh hưởng của lưu lượng nước nóng tới mức nước
• W22(p): Hàm truyền tương ứng với sự ảnh hưởng của lưu lượng nước lạnh tới mức nước
• W12(p): Hàm truyền tương ứng với sự ảnh hưởng của lưu lượng nước lạnh tới nhiệt độ
H ình 5.6 : Sơ đồ khối mô tả các hàm truyền của đối tượng nhiều chiều
Bằng một loạt các thí nghiệm chúng ta có được đặc tính quá độ của đối tượng trong phòng thí nghiệm kể trên như sau:
Ngành điều khiển và tự động hóa
Sau khi tính toán cụ thể ta xác định các hàm truyền đạt W11(p); W21(p);
Mô hình hệ thống xác định được bằng thực nghiệm được mô tả như hình sau:
Hình 5.7: Các đặc tính quá độ khi thay đổi kênh nhiệt độ
Hình 5.8: Các đặc tính quá độ khi thay đổi kênh áp suất
V.4.Kết quả chạy thử nghiệm với bộ điều khiển
Bộ điều khiển PID cho đối tượng nhiều chiều được thiết kế theo luật PI với cấu trúc bù nhằm tạo ra hệ thống phân ly Thiết bị bù trong bộ điều khiển có tác dụng triệt tiêu nhiễu giữa các kênh, đảm bảo tín hiệu ra của bộ điều khiển được xây dựng theo công thức chính xác.
Với: K b 1 là hệ số bù từ kênh 2 sang kênh 1
K b 2 là hệ số bù từ kênh 1sang kênh 2
Trên cở sở tính toán này ta dễ dàng xây dựng chương trình tính toán cho hệ thống phân ly
Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển có bù như hình 5.10:
Hình 5.10: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển bù dùng Psoc
Sơ đồ mô phỏng trên Simulink của MATLAB như sau:
Hình 5.11: Sơ đồ hệ thống điều khiển nhiều chiều với bộ điều khiển PI số
Sơ đồ trên với hệ số hằng:
Gain2=Kp1=5; Gain4=Ki1*T/2=0.048*0.1/2=0.0024; Gain3=Kp2=4.8;
Trong đó Kp1, Ki1, Kp2, Ti2, lần lượt là thông số của các bộ PI1 và PI2 liên tục, với T là chu kỳ trích mẫu T=0.1s
Chạy mô phỏng hệ thống trên cho ta các đặc tính quá độ như hình 5.12:
Hình 5.12 minh họa các đường đặc tính quá độ của hệ thống sử dụng bộ điều khiển số Kết quả thực nghiệm cho thấy các đường đặc tính đạt được khi thay đổi lần lượt Setpoint cho kênh nhiệt độ và kênh mức, như thể hiện trong hình 5.13, được ghi lại bằng máy ghi giấy.
• Ban đầu hệ thống của ta đặt nhiệt độ là 40 0 C mức nước là 8 cm
• Giữ nguyên Setpoint mức nướcm thay đổi Setpoint nhiệt độ từ 40 0 C lên
• Giữ nguyên Setpoint nhiệt độP 0 C thay đổi Setpoint mức nước từ 8cm lên
Hình 5.13: Các đường đặc tính thực nghiệm của hệ thống
Kết quả thực nghiệm cho thấy bộ điều khiển đạt chất lượng tốt, đảm bảo hiệu suất của hệ thống điều khiển Sự tương đồng giữa kết quả thực nghiệm và kết quả mô phỏng khẳng định tính chính xác của hệ thống.
V.5.Đánh giá chất lượng của sản phẩm bộ điều khiển đa năng
Qua các thí nghiệm với đối tượng nhiều chiều trên phòng thí nghiệm ta có thể đưa ra một số đánh giá sau:
• Bộ điều khiển cho chất lượng khá tốt
• Bộ điều khiển có khả năng thay đổi cấu trúc linh hoạt
• Bộ điều khiển có khả năng ứng dụng điều khiển lớp đối tượng công nghiệp phong phú
• Bộ điều khiển có thể đáp ứng các quá trình điều khiển có thời gian đáp ứng không quá nhanh
• Giá thành chế tạo bộ điều khiển thấp
Do hạn chế về thời gian, tôi chưa thể thực hiện thử nghiệm với bộ điều khiển mờ tự chỉnh hệ số khuếch đại cho các đối tượng khác nhau Hơn nữa, tôi cũng chưa kiểm tra được tính ổn định của bộ điều khiển qua các thử nghiệm kéo dài Đây là những nhiệm vụ cần được thực hiện trong tương lai.
H em cần thực hiện trong thời gian sau này để hoàn thiện sản phẩm của mình với chất lượng tốt
Hình 5.14: Bộ điều khiển đa năng