Nghiên cứu và thiết kế bộ điều khiển PID để điều khiển động cơ điện một chiều trên cơ sở lập trình LabVIEW

Trong nền sản xuất hiện đại, động cơ một chiều vẫn được coi là một loại máy quan trọng mặc dù ngày nay có rất nhiều loại máy móc hiện đại sử dụng nguồn điện xoay chiều thông dụng.Do động cơ điện một chiều có nhiều ưu điểm như khả năng điều chỉnh tốc độ rất tốt (dải điều chỉnh tốc độ rộng), khả năng mở máy lớn và đặc biệt là khả năng quá tải. Chính vì vậy mà động cơ một chiều được dùng nhiều trong các nghành công nghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ như cán thép, hầm mỏ, giao thông vận tải... mà điều quan trọng là các nghành công nghiệp hay đòi hỏi dùng nguồn điện một chiều.Việc động cơ điện một chiều được sử dụng khá rộng rãi trong thời đại hiện nay dẫn đến việc thiết kế ra một hệ thống điều khiển cho động cơ sao cho hệ thống hoạt động ổn định, chất lượng tốt…được các kĩ sư khá quan tâm và phát triển.Trong phạm vi đề tài tác giả sẽ trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động, các phương pháp điều khiển động cơ điện một chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu. Từ đó tác giả sẽ mô hình hóa động cơ và sẽ thiết kế Bộ điều khiển PID Số (mô phỏng và giao tiếp máy tính) để điều khiển động cơ điện một chiều nhằm đạt được các chỉ tiêu về thời gian quá độ và ổn định tốc độ cho động cơ điện một chiều dưới tải trọng nhất định.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

Trường Đại học Giao Thông Vận Tải-Cơ Sở 2

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP

Bộ môn : Kĩ Thuật Máy Khoa: Cơ Khí

Sinh viên: Lê Sĩ Toàn lớp Cơ Điện Tử - K47

Liên hệ: 0909045179 | Email: lesitoan.vi@gmail.com

Tóm tắt yêu cầu, nội dung đề tài: Nghiên cứu và thiết kế bộ điều khiển PID để điều khiển

động cơ điện một chiều trên cơ sở lập trình LabVIEW

Số liệu cần thiết chủ yếu để thiết kế:

Nội dung của bản thuyết minh, yêu cầu giải thích tính toán của thiết kế tốt nghiệp:

1 Tìm hiểu động cơ điện một chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu,

2 Xác định các thông số của động cơ điện một chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu,

3 Tìm hiểu, nghiên cứu phần mềm mô phỏng LabVIEW ,

4 Thiết lập và chế tạo bộ điều khiển PID nhằm đạt được các chỉ tiêu về thời gian quá độ

và ổn định tốc độ cho động cơ điện một chiều dưới tải trọng nhất định

5 Kết luận

LỜI CẢM ƠN Sau gần 6 tháng thực hiện nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu và thiết kế bộ điều

khiển PID để điều khiển động cơ điện một chiều trên cơ sở lập trình LabVIEW”

đã phần nào được hoàn thành Ngoài sự cố gắng, nỗ lực hết mình của bản thân em

cũng đã nhận được rất nhiều những sự giúp đỡ, góp ý, quan tâm và khích lệ đến từ gia

đình, nhà trường, các thầy cô và bạn bè trong quá trình nghiên cứu

Trước tiên con xin cảm ơn ba mẹ đã luôn động viên và tạo mọi điều kiện tốt để

con học tập và hoàn thành đề tài này

Em xin cảm ơn tất cả các thầy cô trường Đại học Giao Thông Vận Tải – Cơ Sở 2

đã truyền đạt những kiến thức quý báu cho chúng em trong suốt quá trình học tập Đặc

biệt em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy TS Nguyễn Trường Giang, thầy đã trực

tiếp hướng dẫn, chỉ bảo và luôn động viên tinh thần cho em trong suốt quá trình làm đề

tài

Xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tất cả các bạn bè của tôi đã luôn động viên,

giúp đỡ tôi về nhiều mặt để tôi có thể hoàn thành tốt đề tài này

TÓM TẮT

Trong nền sản xuất hiện đại, động cơ một chiều vẫn được coi là một loại máy quan trọng mặc dù ngày nay có rất nhiều loại máy móc hiện đại sử dụng nguồn điện xoay chiều thông dụng

Do động cơ điện một chiều có nhiều ưu điểm như khả năng điều chỉnh tốc độ rất tốt (dải điều chỉnh tốc độ rộng), khả năng mở máy lớn và đặc biệt là khả năng quá tải Chính vì vậy mà động cơ một chiều được dùng nhiều trong các nghành công nghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ như cán thép, hầm mỏ, giao thông vận tải

mà điều quan trọng là các nghành công nghiệp hay đòi hỏi dùng nguồn điện một chiều

Việc động cơ điện một chiều được sử dụng khá rộng rãi trong thời đại hiện nay dẫn đến việc thiết kế ra một hệ thống điều khiển cho động cơ sao cho hệ thống hoạt động ổn định, chất lượng tốt…được các kĩ sư khá quan tâm và phát triển

Trong phạm vi đề tài tác giả sẽ trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động, các phương pháp điều khiển động cơ điện một chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu Từ

đó tác giả sẽ mô hình hóa động cơ và sẽ thiết kế Bộ điều khiển PID Số (mô phỏng và

giao tiếp máy tính) để điều khiển động cơ điện một chiều nhằm đạt được các chỉ tiêu

về thời gian quá độ và ổn định tốc độ cho động cơ điện một chiều dưới tải trọng nhất

định

Tuy nhiên do thời gian và trình độ bản thân còn nhiều hạn chế nên không thể tránh khỏi những sai xót, vì vậy tác giả rất mong nhận được những ý kiến chỉ bảo của các thầy cô giáo cùng toàn thể các bạn sinh viên để đồ án được thêm hoàn thiện

MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN II

TÓM TẮT III

MỤC LỤC IV

DANH SÁCH BẢNG BIỂU VI

DANH SÁCH HÌNH VẼ VII

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.

1.1Mục đích và phạm vi nghiên cứu của đề tài: 1

1.2Tìm hiểu chung về động cơ điện một chiều 1

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM LABVIEW 10

2.1 LabVIEW là gì?: 10

2.2 Lập trình với LabVIEW Er r or ! Bookmar k not defined 2.3 Một số khối (hàm thức) của LabVIEW……… 18

2.4 LabVIEW trong các ứng dụng mô phỏng 3D Er r or ! Bookmar k not defined CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PIDERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. 3.1 Khái niệm 22

3.2 Khâu tỷ lệ P (Proportional) 22

3.3Khâu tích phân I(Integral): 24

3.4Khâu vi phân D (Derivative) 25

3.5 Khâu tích phân-tỷ lệ PI (Proportional – Integral) 26

3.6 Khâu PD (Proportional – Derivative) 27

3.7 Bộ điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) 28

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID ĐỂ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 30

4.1 Mô hình hóa động cơ điện một chiều 304.2 Thiết lập bộ điều khiển PID cho động cơ điện một chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu 31 4.3 Mô hình giao tiếp máy tính PC điều khiển động cơ điện một chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu… ……… ……… 39

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 56

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Chức năng của các đường dẫn tới chân ở cổng RS-232……… …….15

Bảng 4.1: Tác động của việc tăng các thông số KP, KI, KD một cách độc lập 38

Bảng 4.2: Chức năng của các cổng vào/ ra Card USB 9001……….…….40

Bảng 4.3: Thông số kĩ thuật của card USB 9001……….42

DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình tr ong chư ơng 1:

Hình 1.1: Cấu tạo bên ngoài của động cơ điện một chiều 1

Hình 1.2: Cấu tạo bên ngoài của động cơ điện một chiều .2

Hình 1.3: Cấu tạo của cổ góp điện 3

Hình 1.4: Cấu tạo động cơ điện một chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu 4

Hình1.5: Nguyên lý hoạt động của DCVC 5

Hình1.6: Băm áp một chiều nối tiếp; a Sơ đồ nguyên lí; b Đường cong điện áp 6

Hình1.7: Sơ đồ hoạt động với tải điện cảm; a Sơ đồ nguyên lí; b Đường cong điện áp, dòng điện 7

Hình 1.8: Sơ đồ nguyên lý hoạt băm áp song song; a Sơ đồ nguyên lí; b Đường cong điện áp, dòng điện 8

Hình trong chương 2: Hình 2.1: Giao diện chính của phần mềm LabVIEW phiên bản 2009……….….11

Hình 2.2: Một robot dưới nước (Spider) được phát triển dựa trên lập trình LabVIEW……….………… ……… 12

Hình 2.3: Khả năng kết hợp các phần cứng của LabVIEW……… … 13

Hình 2.4: Giao diện làm việc của phần mềm LabVIEW……… 14

Hình 2.5: Khởi tạo control để nhập x ……… …………15

Hình 2.6: Biến x xuất hiện bên cửa sổ Block Diagram……….16

Hình 2.7: Khởi tạo hai hàm bình phương và căn thức bên cửa sổ Block Diagram 16

Hình 2.8: Nối dây tín hiệu giữa biến x và hai hàm bình phương và căn thức…….… 17

Hình 2.9: Khởi tạo các Indicator (output)……….17

Hình 2.10: Cửa sổ Front Panel cuối cùng thu được……… 17

Hình 2.11: Kết quả thu được khi nhập x=16 và x=-4……….… 18

Hình 2.12: Khối While Loop……….18

Hình 2.13: Khối Case Structure……….18

Hình 2.14: Khối Flat Sequence……… ….19

Hình 2.15: Khối Flat Sequence……….19

Hình 2.16: Hàm While Until Next ms Multiple………19

Hình 2.17:Các hàm tính toán trong LabVIEW……… 20

Hình 2.18:Các hàm so sánh trong LabVIEW………20

Hình 2.19: Ứng dụng LabVIEW để mô phỏng một vật bị ném xiên ……… 21

Hình 2.20: Ứng dụng LabVIEW để mô phỏng cánh tay robot 2 bậc tự do………… 21

Hình trong chương 3: Hình 3.1: Khâu tỉ lệ (P).………22

Hình 3.2: Quá trình đáp ứng của hệ thống khi sử dụng luật điều khiển P………… 24

Hình 3.3: Khâu tích phân (I)……… …… 24

Hình 3.4: Khâu vi phân (D).……… ……25

Hình 3.5: Khâu PI……… 26

Hình 3.6: Khâu PD ……… 27

Hình 3.7: Khâu PID……… 28

Hình trong chương 4: Hình 4.1: Nguyên lý động cơ điện một chiều……… 30

Hình 4.2: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển DC motor………33

Hình 4.3: cổng đầu vào……… 34

Hình 4.4: Sơ đồ cấu trúc hàm truyền của hệ thống……….… 35

Hình 4.5: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống khi có khâu PID……….……….….36

Hình 4.6: Thuật toán mô phỏng được viết bởi phần mềm LabVIEW……… ….37

Hình 4.7: Kết quả khảo sát và chọn bộ thông số……….… 38

Hình 4.8: Động cơ nhãn hiệu DB036GA229 xuất xứ từ Nhật Bản……… …39

Hình 4.9: Card giao tiếp USB 9001 của Hocdelam Group……… ….39

Hình 4.10: Sơ đồ chân của card USB 9001……….… 40

Hình 4.11: Mạch động lực 3A-DCS HIPO của Hocdelam Group………45

Hình 4.12: Cảm biến Encoder của SHARP……….… 46 Hình 4.13: Dây cabple kết nối giao tiếp giữa USB 9001 và máy tính PC………… 46 Hình 4.14: Mô hình giao tiếp máy tính PC điều khiển DC Motor………47 Hình 4.15: Sơ đồ đấu nối mạch giao tiếp máy tính PC điều khiển DC motor……… 47 Hình 4.16: Chương trình điều khiển vị trí động cơ DC MOTOR sử dụng thuật toán PID……….49 Hình 4.17: Thuật toán của bộ điều khiển PID……… ……….49 Hình 4.18: Giao diện người dùng điều khiển vị trí DC MOTOR) ………….……… 50 Hình 4.19: Thông số cho bộ điều khiển PID……….51 Hình 4.20: Chương trình điều khiển tốc độ động cơ DC MOTOR sử dụng thuật toán PID……….………52 Hình 4.21: Giao diện người dùng điều khiển tốc độ DC MOTOR… ………….… 53

Hình 4.22: Thông số cho bộ điều khiển PID điều khiển tốc độ DC………54

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN1.1 Mục đích và phạm vi nghiên cứu của đề tài:

Mục đích của đề tài:

Hiểu một cách toàn diện về cấu tạo, nguyên lí hoạt động của một động cơ điện một chiều thông thường nói chung và động cơ điện một chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu nói riêng Từ đó thiết kế và chế tạo được bộ điều khiển PID cho động cơ điện một chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu nhằm đạt được các chỉ tiêu về thời gian quá độ

và ổn định tốc độ cho động cơ điện một chiều (DC motor) dưới tải trọng nhất định

Phạm vi nghiên cứu của đề tài:

Đề tài: “Nghiên cứu và thiết kế bộ điều khiển PID để điều khiển động cơ điện một chiều trên cơ sở lập trình LabVIEW” sẽ thiết kế bộ điều khiển PID để điều

khiển động cơ điện một chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu đồng thời thiết kế bộ thí nghiệm điều khiển DC motor không tải trọng với mô hình thật và mô phỏng trên cơ

sở sở lập trình LabVIEW

1.2 Tìm hiểu chung về động cơ điện một chiều

1.2.1 Động cơ điện một chiều thông thường

 Cấu tạo:

Cấu tạo bên ngoài:

Hình 1.1: Cấu tạo bên ngoài của động cơ điện một chiều

Chú thích:

Cấp nguồn: là 2 dây dẫn điện (1 chiều) từ nguồn phát tới nuôi động cơ, nguồn điện

phát một chiều thường có điện áp từ 6Vol, 12Vol đến hàng ngàn Vol

Vỏ kim loại: Là vỏ bọc động cơ, tác dụng bảo vệ động cơ tránh những tác động của

môi trường Động thời cũng để định vị động cơ vào vị trí làm việc

Trục động cơ: Để truyền mô men quay của động cơ tới cơ cấu công tác

Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dây quấn và

an toàn cho người khỏi chạm vào điện Trong máy điện nhỏ và vừa nắp máy còn có tác dụng làm giá đỡ ổ bi Nắp máy thường làm bằng gang

Cấu tạo bên trong:

Hình 1.2: Cấu tạo bên trong của động cơ điện một chiều

Gông từ: Gông từ dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy

Trong động cơ điện nhỏ và vừa thường dùng thép dày uốn và hàn lại Trong máy điện lớn thường dùng thép đúc Có khi trong động cơ điện nhỏ dùng gang làm vỏ máy

Cực động cơ (cực chính): là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây

quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuật điện hay thép cacbon dày 0,5 đến 1mm ép lại và tán chặt Trong động cơ điện nhỏ có thể dùng thép khối Cực từ được gắn chặt vào vỏ máy nhờ các bulông Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện và

Cực từ phụ: được đặt bên các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều Lõi thép

của cực từ phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn

mà cấu rạo giống như dây quấn cực từ chính Cực từ phụ được gắn vào vỏ máy nhờ những bulông

Cuộn bù: có tác dụng khử méo dạng từ thông phân bố trên bề mặt Roto do ảnh

hưởng của cuộn dây phần ứng

Cổ góp điện:

Hình 1.3: Cấu tạo của cổ góp điện

Là cụm chi tiết phức tạp nhất của máy điện một chiều vì trong kết cấu của nó có rất nhiều lá đồng (được gọi là lam đồng) xếp xen kẽ với các tấm mi ca cứng tạo thành vành tròn (được gọi là vành góp) Các chi tiết của cổ góp có hình dạng rất phức tạp, ghép lại với nhau bằng mặt côn được chế tạo với các yêu cầu nghiêm ngặt về bề mặt gia công cùng các kích thước có cấp chính xác cao

Cổ góp điện có nhiều kết cấu khác nhau Ở Máy điện một chiều (MĐMC) từ vài chục kW trở lên, cổ góp có kết cấu bạc ép (xem hình 1.3) Cổ góp được tạo thành từ việc ghép nhiều chi tiết (có thể lên đến trên 2.000 chi tiết), bằng nhiều loại vật liệu khác nhau như đồng đỏ , mi ca cứng, mi ca mềm, thép 45, thép CT5, sơn cánh kiến, băng sợi tổng hợp Khi làm việc, cổ góp chịu tác động rất lớn của lực ly tâm, nhiệt độ cao (có thể lên đến 1300oC) phát sinh từ lực ma sát của viên than lên vành góp và từ tia lửa do tiếp xúc của viên than không ổn định, do dòng đảo chiều và do độ lệch đường trung tính hình học của cụm chổi than, một chi tiết chế tạo không đạt yêu cầu

kỹ thuật, thực hiện không chuẩn xác một bước công nghệ, cổ góp sẽ bị phá huỷ khi làm việc, dẫn đến sự cố của MĐMC

 Phân loại: Theo kiểu kích từ thì động cơ một chiều được phân ra những loại sau:

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 kích từ bằng nam châp vĩnh cửu

1.2.2 Động cơ điện một chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu (DCVC)

1.2.2a Cấu tạo:

Động cơ một chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu (DCVC) - là trường hợp đặc biệt của động cơ một chiều kích từ độc lập Cuộn dây kích từ trên Stator được loại bỏ

và thay bằng một cặp nam châm vĩnh cửu

Hình 1.4: Cấu tạo động cơ điện một chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu

Một DCVC thì bao gồm 6 phần chính như sau:

Phần ứng hay rô to;

Cổ góp;

Chổi than;

Trục động cơ;

Miếng nam châm tạo từ trường;

Bộ phận cung cấp dòng một chiều;

1.2.2b Nguyên lý hoạt động của DCVC:

(

Hình 1.5: Nguyên lý hoạt động của DCVC

Khi động cơ được cấp điện, dòng điện đi vào cuộn dây (như 1 khung dây) của Rotor thông qua cơ cấu chổi than - cổ góp Theo nguyên tắc bàn tay trái sẽ có 1 ngẫu lực điện từ đặt lên khung dây và làm cho khung dây quay tức rotor quay, động cơ hoạt động Theo hình bên, cuộn dây quấn trên rotor được mô tả như khung dây ABCD Đặt bàn tay trái sao cho các đường sức từ hướng vào lòng bàn tay, chiều từ cổ tay đến ngón tay giữa hướng theo chiều dòng điện thì ngón tay cái choãi ra 90˚ chỉ chiều của lực điện từ tác dụng lên dây dẫn Trục của rotor theo hình trên sẽ quay theo chiều ngược chiều kim đồng hồ (nhìn từ ngoài vào trong)

 Phương pháp băm áp một chiều

Băm áp một chiều là bộ biến đổi điện áp một chiều thành xung điện áp Điều chỉnh độ rộng xung điện áp, điều chỉnh được trị số trung bình điện áp tải

Các bộ băm áp một chiều có thể thực thiện theo sơ đồ mạch nối tiếp (phần tử đóng cắt mắc nối tiếp với tải) hoặc theo sơ đồ mạch song song (phần tử đóng cắt được mắc song song với tải)

 Băm áp một chiều nối tiếp:

Nguyên lí băm áp một chiều nối tiếp:

Hình 1.6: Băm áp một chiều nối tiếp; a Sơ đồ nguyên lí;

b Đường cong điện áp

Trị số trung bình điện áp một chiều được tính:

TCK thì:

𝑈𝑑 = γ 𝑈1 (1.5) Hoạt động của sơ đồ với tải điện cảm

Hình1.7: Sơ đồ hoạt động với tải điện cảm; a Sơ đồ nguyên lí;

b Đường cong điện áp, dòng điện Phương trình vi phân:

𝑈𝑑 = 𝑅𝑑 𝑖 + 𝐿𝑑𝑑𝑖

𝑑𝑡 (1.6)

𝑖 = 𝐼𝑏𝑑 𝑒−𝑇𝑡𝑑 + 𝐼𝑋𝐿(1 − 𝑒−𝑇𝑡𝑑) (1.7) Trong đó:

IXL – dòng điện xác lập của chu kì đang xét;

Độ nhấp nhô dòng điện được tính:

△ 𝐼 = (1 − 𝛾) 𝛾 𝑈1 𝑇𝐶𝐾

(1 − 𝛾) 𝛾 𝑈12𝐿𝑑 𝑓𝑥 (1.8) Biên độ dao động đòng điện phụ vào 4 thông số: γ U1, Ld và chu kì chuyển mạch khóa K (TCK) Do đó để cải thiện chất lượng dòng điện tải (giảm nhỏ △ I) có thể tác động vào TCK Như vậy nếu chu kì chuyển mạch càng bé (hay tần số chuyển mạch fxcàng lớn) thì biên độ đập mạch dòng điện càng nhỏ, chất lượng dòng điện 1 chiều càng cao Do đó bộ điều khiển băm áp một chiều nối tiếp thường được thiết kế với tần số cao hàng chục kHz

 Băm áp một chiều song song:

Nguyên lý băm áp một chiều song song:

Hình 1.8: Sơ đồ nguyên lý hoạt băm áp song song; a Sơ đồ nguyên lí;

b Đường cong điện áp, dòng điện

Do đó, băm áp song song không thích hợp khi tải nhận năng lượng từ lưới

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM LABVIEW 2.1 Giới thiệu về phần mềm LabVIEW

 LabVIEW là gì?

LabVIEW là một công cụ phần mềm hàng đầu công nghiệp trong việc phát triển các hệ thống thiết kế, điều khiển và kiểm tra Kể từ khi ra đời năm 1986, các kĩ sư và nhà khoa học trên toàn thế giới đã tin cậy vào NI LabVIEW nhờ chất lượng ngày càng cao, hiệu quả sản xuất lớn hơn

Ngôn ngữ lưu đồ đồ họa của LabVIEW hấp dẫn các kĩ sư và nhà khoa học trên toàn thế giới như một phương pháp trực giác hơn trong việc tự động hóa các hệ thống

đo lường và điều khiển Ngôn ngữ lưu đồ kết hợp với I/O gắn liền và điều khiển giao diện người sử dụng tương tác cùng đèn chỉ báo làm cho LabVIEW trở thành một sự lựa chọn lí tưởng cho kĩ sư và nhà khoa học

 Tên gọi LabVIEW?

LabVIEW là viết tắt của : Laboratory Virtural Instrumentation Engineering

Workbench (công cụ trong kĩ thuật- các thiết bị ảo trong phòng thí nghiệm)

 Lịch sử:

LabVIEW được thành lập vào năm: 1976 bởi công ty National Instruments (NI) khi đó chủ yếu ứng dụng trong điều khiển, đo lường

Năm 1986 LabVIEW cho ra đời phiên bản Labview 6.1 …

Và bây giờ phiên bản mới nhất là LabVIEW 2009

Hình 2.1: Giao diện chính của phần mềm LabVIEW phiên bản 2009

 LabVIEW có thể làm được gì?

LabVIEW là 1 phần mềm lập trình Graphic (hay lập trình G)

Labview được dùng nhiều trong phòng thí nghiệm, lĩnh vực khoa học kĩ thuật

như: tự động hóa, điều khiển, điện tử, cơ điện tử, hàng không, hóa sinh, điện tử y sinh,… Hiện tại ngoài phiên bản LabVIEW cho hệ điều hành Windows, Linux, hãng

NI đã phat triển các mô-đun LabVIEW cho máy hỗ trợ cá nhân (PDA) Các ứng dụng của LabVIEW có thể được tóm tắt như sau:

 Thu thập tín hiệu từ các thiết bị bên ngoài như cảm biến nhiệt độ, hình ảnh từ webcam, vận tốc động cơ,…

 Giao tiếp với các thiết bị ngoại vi thông qua các chuẩn giao tiếp: RS232,

RS485, USB, PCI, Ethernet Để điều khiển nhưng thiết bị ở những nơi con

người không thể làm việc được, một ví dụ : Một con robot là một cái máy xúc được điều khiển để làm việc dưới đáy biển, nơi mà con người khó có thể thực hiện tốt những nhiệm vụ đặc biệt…

Hình 2.2: Một robot dưới nước (Spider) được phát triển dựa trên lập trình

 Cho phép kết hợp với nhiều ngôn ngữ lập trình truyền thống như C, C++, Matlab …

Hình 2.3: Khả năng kết hợp các phần cứng của LabVIEW

Như trên hình ta thấy dùng Card LabVIEW ta có thể giao tiếp với : motor, webcam, các cảm biến… Chúng ta có thể kết nối các thiết bị này thông qua các card gắn với cổng USB, PCI Ta cũng có thể thực hiện giao tiếp nối tiếp các thiết bị này với máy tính thông qua chuẩn giao tiếp RS232, RS485… Như trên hình vẽ ta thấy 1 một loạt các ứng dụng, 1 ví dụ là chúng ta có thể sử dụng card LabVIEW để giao tiếp với webcam, từ đó có thể điều được các thiết bị từ xa (ô tô chẳng hạn)

2.2 Lập trình với LabVIEW

Để làm việc với phần mềm LabVIEW ta thao tác trên 2 cửa sổ là Front Panel và Block Diagram Hai cửa sổ này sẽ xuất hiện sau khi ta khởi động phần mềm LabVIEW

Hình 2.4: Giao diện làm việc của phần mềm LabVIEW, a- cửa sổ Front Panel, b- cửa sổ Block Diagram

Cửa sổ Front Panel hay còn gọi là giao diện người dùng Của sổ này dùng để khởi tạo các Control (Input) và các Indicator (ouput) Nghĩa là trên cửa sổ này ta có thể thiết lập các thông số đầu vào của một ứng dụng nào đó và có thể thấy được kết quả khảo sát hay tính toán của ứng dụng đó

Cửa sổ Block Diagram là cửa sổ dùng để người lập trình khởi tạo, viết các thuật toán cho ứng dụng của mình Đó bao gồm các hàm toán học (cộng, trừ, nhân, chia, đạo hàm, tích phân, ma trận…), các hàm lặp (while loop), các hàm tạo trễ… Nghĩa là trên cửa sổ Block Diagram chứa những thuật toán giải quyết các bài toán ứng dụng mà người lập trình khởi tạo và có thể điều khiển và hiển thị kết quả trên cửa sổ Front Panel

Các hàm tính toán có liên quan trong của sổ Block Diagram được nối với nhau bằng dây dẫn theo kiểu truyền tín hiệu Đây cũng là một lợi điểm của LabVIEW so với các phần mềm khác ở tính trực quan và dễ làm việc Để hình dung được LabVIEW làm việc ra sao, tác giả sẽ đưa ra một bài toán nhỏ và giải quyết nó trên phần mềm này

Bài toán: Nhập vào từ bàn phím số x bất kì, phần mềm tính toán trả lại số bình phương của x và căn của x:

Chương trình:

Tại của sổ Front Panel ta cần khởi tạo 1 biến đầu vào Control (Input) và 2 đầu ra Indicator (output), một là bình phương của x, hai là căn của x Muốn thực hiện điều này ta Click chuột phải vào cửa sổ Front Panel, cửa sổ control hiện ra ngay sau đó, ta click chọn numeric control để nhập x:

Hình 2.5: Khởi tạo control để nhập x

Tiếp theo qua cưa sổ Block Diagram cũng sẽ tự động xuất hiện 1 control x như hình 2.6:

Hình 2.6: Biến x xuất hiện bên cửa sổ Block Diagram

Tiếp theo ta cần khởi tạo 2 hàm tính bình phương và căn thức, ta thực hiện như

sau: Click phải chuột lên cửa sổ Block Diagram, cửa sổ suất Functions xuất hiện ta chọn thẻ Express Numeric:

Hình 2.7: Khởi tạo hai hàm bình phương và căn thức bên cửa sổ Block Diagram

Tiếp theo ta thực hiện nối dây biến x với hai hàm vừa khởi tạo:

Hình 2.8: Nối dây tín hiệu giữa biến x và hai hàm

bình phương và căn thức

Tiếp tục ta tạo hai Indicator để hiển thị kết quả bằng cách chuột phải vào hai

hàm bình phương và căn thức chọn Creat Indicator:

Hình 2.9: Khởi tạo các Indicator (output)

Cuối cùng quay trở lại cửa sổ Front Panel ta được:

Hình 2.10: Cửa sổ Front Panel cuối cùng thu được

Bầy giờ ta cho tùy ý giá trị của x, chương trình sẽ cho ta kết quả bình phương và căn thức của x Nếu x là một số âm, tức căn thức không tồn tại, khi đó chương trình sẽ báo là NaN:

Hình 2.11: Kết quả thu được khi nhập x=16 và x=-4

2.3 Một số khối (hàm thức) của LabVIEW:

 Khối While loop: là khối dùng để lặp lại liên tục 1 chương trình chứa trong nó

trong khoảng thời gian tùy ý

Hình 2.12: Khối While Loop

Như trên hình 2.12, nút “stop” dùng để dừng vòng lặp, khối “i” sẽ cho biết có bao nhiêu vòng lặp đã được lặp

 Khối Case Structure: tương đương một hàm điều kiện (IF), các trường hợp trong

miền True sẽ xảy ra nếu giả thiết đầu vào là True, các trường hợp trong miền False sẽ xảy ra nếu giả thiết đầu vào là False

Hình 2.13: Khối Case Structure

 Khối Flat Sequence: cho phép thực hiện lần lượt từng nhiệm vụ một Nhiệm vụ bên

trái sẽ được thực hiện trước, sau một khoảng thời gian nhất định nhiệm vụ bên phải kế tiếp sẽ được thực hiện, lần lượt cứ như vậy đến nhiệm vụ cuối cùng

Hình 2.14: Khối Flat Sequence

 Hàm Time Delay: Hàm này cho phép cài đặt thời gian trễ sau mỗi vòng lặp While Loop, như trên hình 2.13 thì mỗi vòng lặp While loop sẽ có thời gian trễ là 1 giây

Hình 2.15: Khối Flat Sequence

 Hàm While Until Next ms Multiple: Hàm này cho phép cài đặt thời gian làm việc cho mỗi vòng lặp While Loop, như trên hình 2.14 thì mỗi vòng lặp While loop sẽ diễn

ra trong 50(ms)

Hình 2.16: Hàm While Until Next ms Multiple

 Các hàm tính toán:

Hình 2.17: Các hàm tính toán trong LabVIEW

 Các hàm so sánh:

Hình 2.18: Các hàm so sánh trong LabVIEW

2.4 LabVIEW trong các ứng dụng mô phỏng 3D

Với toolkit 3D Picture Control LabVIEW cho phép mô phỏng động học, động

lực học các hệ thống vật lý từ đơn giản đến phức tạp, cánh tay robot…

Hình 2.19: Ứng dụng LabVIEW để mô phỏng một vật bị ném xiên

Hình 2.20: Ứng dụng LabVIEW để mô phỏng cánh tay robot 2 bậc tự do

Có thể nói LabVIEW là một ngôn ngữ lập trình-mô phỏng rất mạnh mẽ Còn rất nhiều toolkit khác mà trong giới hạn đề tài tác giả không thể trình bày hết Trong các phần tiếp theo của đề tài tác giả sẽ ứng dụng LabVIEW để giao tiếp với thiết bị phần cứng để điều khiển động cơ điện một chiều

CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 3.1 Khái niệm

Bộ điều khiển tỷ lệ - tích phân – vi phân (bộ điều khiển PID) là một bộ điều

khiển có cơ chế phản hồi Bộ điều khiển PID được sử dụng khá rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp và được sử dụng phổ biến nhất trong điều khiển phản hồi (phản hồi âm hoặc dương) Bộ điều khiển PID tính toán giá trị "sai lệch" là hiệu số giữa giá trị đầu ra (output hay giá trị đáp ứng) và giá trị đầu vào (input hay giá trị mong muốn)

Bộ điều khiển PID sẽ thực hiện nhiệm vụ giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào Bộ điều khiển PID có ưu điểm là thiết kế dễ dàng, chất lượng tương đối tốt nên được khá nhiều các kĩ sư lựa chọn để thiết kế hệ thống điều khiển PID là viết tắt của Proportional -Integral –Derivative (tỷ lệ, tích phân – vi phân), là sự cộng gộp của 3 thành phần (khâu) P(điều khiển tỷ lệ), I(điều khiển tích phân) và D(điều khiển vi phân) Tùy vào mức độ yêu cầu của hệ thống và kinh nghiệm

mà người thiết kễ sẽ kết hợp các khâu đơn lẻ trên (P, I, D) để tạo thành các bộ điều khiển P, I, D, PI, PD hay PID sao cho hệ thống hoạt động một cách tốt nhất Sau đây

sẽ là những mô tả về các khâu (bộ điều khiển) P, I, D, PI, PD:

3.2 Khâu tỷ lệ P (Proportional)

Với khâu tỷ lệ P ta có luật điều khiển P, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của khâu

P được mô tả theo hình 3.1:

Hình 3.1: Khâu tỉ lệ (P)

Kp quá cao sẽ sảy ra hiện tượng dao động, làm hệ thống mất ổn định Để tránh tình trạng này có thể xảy ra cần chú ý tăng Kp tới một giới hạn cho phép sao cho độ vọt lố của giá trị đáp ứng không được quá 15% so với giá trị đặt