ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC BẰNG THUẬT TOÁN PID

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỈ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA: ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG      BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC 1 ĐỀ TÀI : ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC BẰNG THUẬT TOÁN PID GVHD :TS.NGÔ VĂN THUYÊN Thành phố Hồ Chí Minh – Tháng 1-2010 ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC BẰNG THUẬT TOÁN PID GVHD:TS. NGÔ VĂN THUYÊN PHATTRIENCONGNGHE.COM Trang 2 ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỌNG CƠ DC BẰNG THUẬT TOÁN PID NỘI DUNG: I- Giới thiệu chung : 1. Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ DC. 1.1.Phương pháp điều khiển vòng hở. 1.2.Phương pháp điều khiển vòng kin. 2.Vấn đề ổn định tốc độ động cơ DC. 3.Vấn đề lựa chọn bộ điều khiển cho động cơ DC. II- Thuật toán PID số 1.Lý thuyết về PID. 2.Khảo sát sự ảnh hưởng của các khâu P,I,D bằng Simulink đối với đáp ứng của động cơ DC. 3.Tuning PID. III- Thiết kề bộ điều khiển PID số trên vi điều khiển AT89S52. 1.Sơ đồ kết nối phần cứng. 2.Giải thuật chương trình. 3.Chương trinh C cho vi điều khiển. IV- Kết luận: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC BẰNG THUẬT TOÁN PID GVHD:TS. NGÔ VĂN THUYÊN PHATTRIENCONGNGHE.COM Trang 3 I- Giới thiệu chung: Động cơ điện DC ngày nay vẫn còn được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau.Vấn đề ổn định tốc độ động cơ là cần thiết trong một số quá trinh công nghiệp.Có rất nhiều phương pháp khác nhau để thực hiện yêu cầu này mà phương pháp điều khiển tốc độ theo thuật toán PID là khá phổ biến . I.1.Khảo sát một số đăc tính của động cơ điện DC. Phương trình cân bằng điện áp phần ứng: với e a = K e * *w. Phương trình cân bằng moment: M dt = J. + T L + B.w Với Mdt = K m * * i a . Từ các phương trình trên , ta có hệ phương trình biến trạng thái của động cơ: = .i a - w + = - . w - I.2.Động cơ DC với bộ điều khiển PID: Hàm truyền của bộ PID: G PID (s) = Kp + Kd.s + . Hệ thống điều khiển động cơ được mô tả như sau: R(s) C(s) - Sơ đồ mô phỏng trên Simulink: D U R L T G PID (s) DC motor ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC BẰNG THUẬT TOÁN PID GVHD:TS. NGÔ VĂN THUYÊN PHATTRIENCONGNGHE.COM Trang 4 ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC BẰNG THUẬT TOÁN PID GVHD:TS. NGÔ VĂN THUYÊN PHATTRIENCONGNGHE.COM Trang 5 Kết quả mô phỏng thu được như sau: Bằng cách thay đổi các hệ số Kp, Ki, Kd của bộ điều khiển PID, ta có thể đưa ra một số kết luận tổng quan nhất về ảnh hưởng của các khâu P,I,D đối với chất lượng đáp ứng của động cơ như sau: Ảnh hưởng của việc tăng các thông số Kp, Ki, Kd Chỉ số chất lượng Rise Time Độ vột lố Thời gian xác lập Sai số xác lập Kp Giảm tăng Thay đổi nhỏ Giảm Ki Giảm tăng tăng Loại bỏ Kd Giảm ít or tăng Giảm tăng Không tác dụng Như vậy: Đáp ứng (tốc độ ) của động cơ với bộ điều khiển PID đã được cải thiện một cách đáng kể về các chỉ số chất lượng như độ vọt lố , thời gian xác lập, sai số xác lập. ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC BẰNG THUẬT TOÁN PID GVHD:TS. NGÔ VĂN THUYÊN PHATTRIENCONGNGHE.COM Trang 6 II- Thuật toán PID: Setpoint (Giá trị đặt) là giá trị mong muốn đạt được tại ngõ ra của đối tượng điều khiển. Process variable (Biến quá trình ): tín hiệu hồi tiếp mà bộ điều khiên nhận được từ đối tượng điều khiển. Control variable : giá trị ngõ ra của bộ điều khiển. Error: giá trị sai lệch giữa giá trị đặt và giá trị hiện tại ở ngõ ra của đối tượng điều khiển và bộ điều khiển PID luôn đưa ra tín hiệu điều khiển CV dựa trên giá trị của error. Output : giá trị ngõ ra của đối tượng điều khiển. 1) Hoạt động của khâu P: (khâu tỉ lệ) , khâu này luôn đưa ra tín hiệu điều khiển luôn tỉ lệ với giá trị sai lệch: Hàm truyền của khâu P liên tục: (t) Với Kp: hệ số tỉ lệ. error = setpoint – process variable. Pout: ngõ ra của bộ điều khiển P. Khi chuyến qua miền rời rạc thì ta có phương trình : Pout(k) = Kp* error(k). Như vậy, để thực hiện khâu P trong miền rời rạc ta làm như sau: *Tiến hành lấy mẫu (thu thập dữ liệu tại ngõ ra và so sánh với giá trị đặt) tại thời điểm (k-1).Ts và thời điểm kTs. * Tính giá trị sai lệch error tại thời điểm kTs. * Đưa ra tín hiệu điều khiển theo nguyen tắc : Pout = Kp* error.    Ta thấy tín hiệu Pout phụ thuộc vào hệ số Kp, hệ số nầy có được giá trị tối ưu nhờ quá trình tunning bộ PID .Nếu Kp quá lớn có thể làm cho hệ thống dao động có chu kì , gây ra độ vọt lố cao.Nếu Kp quá nhỏ thì tạo ra tín hiệu Pout nhỏ .Như vậy, khi thay đổi kp làm ảnh hưởng đến các chỉ tiêu chất lượng như độ vọt lố , giá trị offset. ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC BẰNG THUẬT TOÁN PID GVHD:TS. NGÔ VĂN THUYÊN PHATTRIENCONGNGHE.COM Trang 7 2.Hoạt động của khâu D ( khâu vi phân): luôn đưa ra tín hiệu điều khiển tỉ lệ với tốc độ thay đổi của giá tri sai lệch. Dout(t) = Kd* Rời rạc phương trình trên theo phương pháp sai phân lùi ta có: Dout(k) = Kd *( e(k) – e(k-1) ). Như vậy, để thực hiện khâu D trong miền rời rạc ta tiến hành như sau: * Lấy mẫu tại thời điểm k Ts rồi từ đó tính giá trị sai lệch tại thời điểm này. *Tính giá trị sai lệch giữa giá trị sai lệch tai thời điểm lấy mẫu và thời điểm trước đó 1 chu kỳ lấy mẫu. Sự kết hợp của khâu P và D: ( bộ điều khiển PD): Ngõ ra của bộ PD: CV=Kp*error(t) + Kd* = Kp*(Sp – Pv) + Kd* .   Tại thời điểm t =0 + , lúc này động cơ chưa quay, tức là Pv=0, trong khi đó Sp thay đổi từ 0 đến giá trị đặt trước Sp , như vậy ngõ ra của bộ PD so với bộ P thì được cộng thêm 1 đại lượng Kd* , và như vậy sẽ làm động cơ gia tốc nhanh hơn.    Tại thời điểm t >0, lúc nầy động cơ đã quay , do Sp là hằng số nên Kd* = - Kd* ,và như vậy khi động cơ đã gia tốc rồi khâu thì D có tác dụng làm giảm Cv , chính đặc điểm này khâu D có thể giảm độ vọt lố của đáp ứng. Kết luận: Tác dụng của khâu D là khắc phục được hiện tượng vọt lố và dao động là nhược điểm của khâu P nhưng về mặt toán học thì khâu D không có tác dụng làm giảm offset ( giá trị xác lập của đáp ứng và giá trị đặt ). 3.Hoạt động của khâu I: (khâu tích phân ): đưa ra tín hiệu điều khiển dựa trên giá trị của sai lệch và thời gian xảy ra sai lệch. Phương trình của khâu I liên tục: u(t) = Ki* dt . ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC BẰNG THUẬT TOÁN PID GVHD:TS. NGÔ VĂN THUYÊN PHATTRIENCONGNGHE.COM Trang 8 Khi chuyển qua miền rời rạc : u(KT) = Ki. dt + Ki. dt hay: u(KT) = [u(k-1)T] + .( e[(k-1)T] + e[kT]). Như vậy, khâu I luôn đưa ra tín hiệu điều khiển Iout > 0 khi còn tồn tại giá tri sai lệch e(t) tại thời điểm hiện tại và thời điểm trước đó một chu kì lấy mẫu. Để thực hiện khâu I trong miền rời rạc ta tiến hành như sau:   Lấy mẫu tại thời điểm hiện tại , từ đó tính giá trị sai lệch tại thời điểm này.    Lấy tổng giá tri sai lệch này và giá trị sai lệch trước đó rồi nhân cho Ki.   Cộng dồn giá trị Iout này với Iout trước đó một chu kì lấy mẫu.   Lưu giá trị sai lệch và Iout hiện tại cho lần tính tiếp theo. 4. Bộ điều khiển PID: là sự kết hợp của các khâu P,I,D do đó nó khắc phục được nhược điểm của mỗi khâu riêng lẻ. Như vậy , ngõ ra của bộ PID là: CV(kT) = Kp*[ Sp – Pv(KT)] + Iout[(k-1)T] + Ki*( e(kT) +e[(k-1)T] ) + + Kd*[ e(kT) – e(k-1)T ].    Hiện tượng Reset Wind_up: thực chất đây là hiện tượng gây ra bởi đặc điểm hoạt động của khâu I. Khâu I liên tục lấy tổng giá trị sai lệch tại thời điểm lấy mẫu hiện tại và thời điểm trước đó, nhưng vì lý do nào đó mà khi bộ PID hoạt động, giá trị sai lệch error luôn luôn tồn tại thì khâu I sẽ đưa ra tín hiệu Iout rất lớn tức là giá trị Cv đặt lên đối tượng điều khiển sẽ rất lớn, nhuwg thường thì các đối tượng điều khiển bị giới hạn bởi một số đặc tính cơ, điện… 5. Vấn đề tunning bộ PID: Tunning PID là tìm các thông sô Kp,Ki,Kd tối ưu sao cho đáp ứng tại ngõ ra thỏa mãn yêu cầu về chất lượng cho trước. Đối tượng điều khiển trong phạm vi đề tài là động cơ DC là đối tượng không phức tạp lắm, tuy nhiên do chưa biết các thông số về đặc tính cơ , điện , do vậy việc tìm cụ thể mô hình toán học của động cơ là khó khăn, do vậy sẽ tiến hành tunning PID cho động cơ theo phương pháp điều chỉnh và quan sát .    Tăng dần hệ số Kp , đến giá trị nào đó thì xảy ra vọt lố hoặc dao dộng của vận tốc.    Tăng giá trị Kd lên để loại bỏ vọt lố do khâu P gây ra., nhưng vẫn còn tồn tại offset.   Tăng dần giá trị Ki lên để loại bỏ giá trị offset ,nếu tăng Ki quá lớn sẽ gây ra dao động. ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC BẰNG THUẬT TOÁN PID GVHD:TS. NGÔ VĂN THUYÊN PHATTRIENCONGNGHE.COM Trang 9 C- Thiết kế bộ điều khiển PID số cho động cơ DC trên vi điều khiển AT89S52. Các đặc điểm về phần cứng của Vi điều khiển AT89S52 vừa đủ cho ứng dụng thiết kế bộ PID cho động cơ DC, tuy nhiên do một số nguyên nhân chủ quan cũng như khách quan không cho phép thiết kế một cách hoàn hảo bộ PID, đó cũng là hạn chế của đề tài. I. Sơ đồ nguyên lý phần cứng. 1.Khối nguồn: NGUON 5V 1 2 7805 1 3 2 IN OUT GND AC 15v 1 2 2200uF - + BRIDGE 1 4 3 2 0 D2 LED 2200uF 1K 2.Vi điều khiển AT89S52: 0 P0.0 P3.0 RN3 2 3 4 5 6 7 8 1 9 P0.7 P0.5 P1.6 RN1 2 3 4 5 6 7 8 1 9 P2.6 P3.6 P1.5 P3.1 P3.7 P2.0 P1.7 12Mhz P2.2 1uF P0.2 RN1 2 3 4 5 6 7 8 1 9 P3.3 P1.4 P3.2 P2.7P3.4 +Vcc P2.4 P1.2 P3.5 0 HI P0.1 10k +Vcc AT89S52 9 19 18 20 29 30 31 401 2 3 4 5 6 7 8 21 22 23 24 25 26 27 28 10 11 12 13 14 15 16 17 39 38 37 36 35 34 33 32 RST XTAL2 XTAL1 GND PSEN ALE/PROG EA/VPP VCCP1.0/T2 P1.1/T2-EX P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 P2.0/A8 P2.1/A9 P2.2/A10 P2.3/A11 P2.4/A12 P2.5/A13 P2.6/A14 P2.7/A15 P3.0/RXD P3.1/TXD P3.2/INT0 P3.3/INT1 P3.4/T0 P3.5/T1 P3.6/WR P3.7/RD P0.0/AD0 P0.1/AD1 P0.2/AD2 P0.3/AD3 P0.4/AD4 P0.5/AD5 P0.6/AD6 P0.7/AD7 P0.4 P0.3 P0.6 +Vcc P1.3 HI P1.0 P2.3 P2.1 +Vcc P1.1 P2.5 RN2 2 3 4 5 6 7 8 1 9 ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC BẰNG THUẬT TOÁN PID GVHD:TS. NGÔ VĂN THUYÊN PHATTRIENCONGNGHE.COM Trang 10 3.Encorder: Encoder có nhiệm vụ thu thập giá trị vận tốc của động cơ tại các thời điểm lấy mẫu dưới dạng xung , ngõ ra xung này được đưa vào chân T0 của bộ đếm C0 trên vi điều khiển . Giá trị vận tốc được tính theo công thức: n = ( vòng/ phút). Trong đó N 0 =200 xung/ vòng. N: số xung đọc được trong khoảng thời gian Ts. Ngõ ra của encoder được đưa vào các cổng Smitch trigger trước khi đưa vào chân T0 của bộ đếm. 74HC14 1 2 ENCODER 1 2 3 0 TO 74HC14 1 2 +Vcc [...]...I U KHI N NG CƠ DC B NG THU T TOÁN PID GVHD:TS NGÔ VĂN THUYÊN 4.Module hi n th LCD: 3 VDD Vo VSS (GND) 1 2 R/W E DB0 DB1 RS 3 4 5 6 7 DB3 DB2 8 9 DB4 10 DB5 11 DB6 12 13 DB7 K (LED -) 14 15 16 HI A ( LED+) LCD-1602 2 10K 1 P0.1 P0.2 P0.3 P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.7 P1.6 0 HI 0 5.M ch công su t i u khi n ng cơ: +Vcc 10k 10K P0.7 1 Q1 C1815 1k DIODE 2 3 1 P0.4 MOTOR DC D4 4 2 24V DC OPTO LED 10K... P1.7 P1.6 0 HI 0 5.M ch công su t i u khi n ng cơ: +Vcc 10k 10K P0.7 1 Q1 C1815 1k DIODE 2 3 1 P0.4 MOTOR DC D4 4 2 24V DC OPTO LED 10K H1061 1K 0 0 PHATTRIENCONGNGHE.COM Trang 11 I U KHI N NG CƠ DC B NG THU T TOÁN PID GVHD:TS NGÔ VĂN THUYÊN 6.Kh i nh p li u (keypad 4x4) P2.0 P2.1 P2.2 P2.3 1 2 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 P2.4 P2.5 P2.6 P2.7 PHATTRIENCONGNGHE.COM Trang 12