Thiết kế và điều khiển mô hình máy cắt và đo chiều dài dùng vi xử lý

Bộ điều khiển mô hình máy cắt dùng để điều khiển 1 động cơ điện 1 chiều cùng với con lăn kéo chiều dài đối tượng cần cắt được cuộn trong Robbin , động cơ chạy với tốc độ tùy thuộc chiều

Thuyết minh Thiết kế và vận hành mô hình máy đo và cắt chiều dài.

I.Giới thiệu chung:

1.1 Sơ đồ nguyên lý mô hình máy đo và cắt chiều dài:

1.2 Bộ điều khiển mô hình máy cắt dùng để điều khiển 1 động cơ điện 1 chiều cùng với con lăn kéo chiều dài đối tượng cần cắt được cuộn trong Robbin , động cơ chạy với tốc độ tùy thuộc chiều dài, thời gian cài đặt Điều khiển 1 dao cắt để cắt đối

tượng khi động cơ đã kéo đúng chiều dài Trong quá trình mô

hình vận hành tín hiệu phản hồi được lấy về từ Encoder đưa vào bộ điều khiển xử lý, xuất tín hiệu điều khiển động cơ và daocắt.

1.3 Bộ điều khiển sử dụng điện áp +5V lấy từ điện áp

220v(50Hz) qua bộ chỉnh lưu áp

1.4 Động cơ điện 1 chiều để kéo đối tượng sử dụng áp+ 24V, kích tư ø+ 24V, vì động cơ củ nên thông số không đầy đủø Một daocắt được làm từ Role sử dụng áp +110V

1.5.Ngoài ra trong mô hình còn sử dụng hệ thống hãm bằng

cơ khí gắn liền với Robbin

II.Nguyên lí làm việc:

1.1 Nguyên lí làm việc của thiết bị điều khiển mô hình máy cắt mô tả trong hình dưới đây:

Hình 2: Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển máy đo vàcắt

Trong đó:

Udk1: Điện áp điều khiển mạch động lực động cơ,

có dạng áp xung với chu kì T cố định, T1 thay đổi tùy NFP

Udk2 : Điện áp điều khiển Relay đóng ngắt dao NFP : Sốxung phản hồi về từ Encoder.

NSP : Số xung đặt tương ứng với chiều dài cần

cắt

Umax : Điện áp cung cấp cho mạch động lực điều

khiển động cơ

Vi trí đặt : Chiều dài, thời gian cần đo và cắt đối tượng

Khối hiển thị, bàn phím: khối hiển thị hiển thị chiều dài, số lần cắt Khối bàn phím nhập chiều dài, thời gian thực hiện 1 lần cắt

Khối điều khiển: Nhận tín hiệu từ Bàn phím, số

xung NFP phản hồi từ Encoder Đồng thời xuất tín hiệu điều khiển Led 7 đoạn, tín hiệu Udk1, Udk2 điều khiển động cơ, dao

cắt

1.2.Điều khiển động cơ: Nguyên lí điều khiển theo sai lệch của bộ điều khiển được thực hiện trong khối điều khiển Các tín hiệu được tổng hợp bằng phương trình sau:

max

100 _

U

EN KP CYCLE

Trong đó:

Kp: hệ số khuyếch đại tỉ lệ theo phương pháp điều

khiển vòng kín PID mà trong trường hợp này ta chỉ sử dụng khâu P Hệ số KP phụ thuộc vào đặc tính động cơ.

EN : Sai số giữa tín hiệu đặt và tín hiệu phản hồi.

DUTY_CYCLE : Ta gọi là chu kì nhiệm vụ Nó

được định nghĩa như sau:

T CYCLE

Tín hiệu điều khiển Udk1 được tạo ra nhờ bộ điều khiển số Nó có dạng xung với tần số T cố định Biên độ thay đổi giữa 2 mức 0V, 5V Khi DUTY_CYCLE thay đổi thì áp ra mạch động lực Udc cung cấp cho động cơ thay đổi khi đó tốc độ động cơ

thay đổi theo

Dựa vào biểu thức (1), Kp không đổi , DUTY_CYCLE thay đổi theo EN :

EN = 0, DUTY_CYCLE = 0 , Udc =0 , động cơ

dừng

EN=NSP, DUTY_CYCLE = 100 , Udc= Umax , động

cơ hoạt động ở chế độ định mức

1.3 Điều khiển dao cắt: Dao cắt đóng ngắt theo Udk2

Udk2 là tín hiệu số giống như Udk1 , khi DUTY_CYCLE

= 0, Udk2 =0, Relay hở, dao cắt đóng xuống Khi

DUTY_CYCLE > 0, Relay đóng dao được kéo lên.

1.4 Đặc tuyến điều khiển độâng cơ có dạng sau:Điều khiển đo chiều dài thực chất là điều khiển vị trí Điềukhiển cho động cơ quay tới góc quay xác định mà không có vọt lố do tính chất của máy

Đặc tuyến cần điều khiển có dạng sau:

Có rất nhiều phương pháp điều khiển để đạt được đặc tính

mong muốn như hình 3, đạt độ chính xác cao mà giá thành lại rẻ,

như phương pháp PID tương tự, số, điều khiển mờ v.v Phương pháp PID bằng thực nghiệm của Zeigler và Nichols , đòi hỏi cần có các thiết bị đo chính xác và các điều kiện nghiêm ngặt đưa hệ thống vào chế độâ dao động lúc đó chúng ta mới xác định các

thông số của bộ điều khiển, nếu ta biết đối tượng ta là gì thì rất dễ dàng điều khiển Phương pháp điều khiển mờ ta không cần xácđịnh đối tượng của ta như thế nào, ta chỉ cần dựa vào kinh

nghiệm điều khiển đối tượng, ta thành lập bộ luật điều khiển và tùy thuộc vào tình huống mà hệ thống đưa ra 1 luật trong bộ luật điều khiển đối tượng Bộ điều khiển càng chính xác nếu người điều khiển có nhiều kinh nghiệm Các phương pháp này được trình bày chi tiết hơn ở chương sau Do hạn chế về thời gian, thiết

bị đo, kinh nghiệm với luận văn này chỉ sử dụng phương pháp

điều khiển P số.

Phương pháp P số ta phải xác định KP trong biểu thức (1) Khi KP đã xác định ta có giá trị DUTY_CYCLE thay đổi theo

U

NSP KP

KP U max NSP (4)

Dựa vào (4) ta có nhận xét sau:

NSP càng lớn nếu KP càng nhỏ Nếu vị trí đặt càng nhỏ

mà NSP càng lớn thì sai số càng nhỏ Do dó thông thường hệ số

KP rất nhỏ Để tiến hành điều khiển ta chọn 1 vài hệ số KP tùy

chọn nào đó đưa vào bộ điều khiển cho mạch hoạt động quan sát

ngõ ra nếu có sai số thì ta tiến hành thay đổi hệ số KP sao cho đạt kết quả với sai số cho phép Ta có đặc tuyến DUTY_CYCLE

có dạng sau:

ta định nghĩa :

'

1 ' '

T

T T

Trong đó HSTGG :Hệ số thời gian giảm

T’ : Thời gian đặt cho mỗi lần cắt

T’1 : Thời gian mà ta gán DUTY_CYCLE là hằng số lớn

hơn 0 Dựa vào đặc tuyến này ta có thể hình dung quá trình điều rất rõ ràng

Giả sử ta chọn DUTY_CYCLE = 100 trong khoảng thời gian T’1, Khi thời gian còn xa T’ thì ta cho động cơ hoạt động

với điện áp định mức nghĩa là chạy với tốc độ cho phép tối đa

Khi thời gian lớn hơn T’1 và tiến gần đến T’ nghĩa là gần đến giá trị mong muốn, thì ta tiến hành giảm DUTY_CYCLE theo qui

luật nào đó để khi đến giá trị đặt thì DUTY_CYCLE = 0, lúc đó động cơ dừng Tùy vào đặc tính động cơ như thế nào mà ta chọn

HSTGG hay hệ số góc K cho phù hợp.

Tại t=T’1

max

100 1

U

EN KP

max

100 1

U

NFP KP D

max

100

) 1 ' ' ( max

100

'

U EN KP

T T U

NFP KP

NFP HSTGG

d KP

100

) 1

.(

max

Trong đó:

d1 :Ta chọn tùy ý tùy thuộc vào thời gian đặt, tốc

độ kéo đối tượng

HSTGG: Phụ thuộc vào quán tính của động cơ.

0  d1  100, 0  HSTGG  1

Ví dụ: Ta muốn động cơ quay đến giá trị 5000 xung tính theo

ngõ ra Encoder , trong thời gian 5 giây

Ta có: T’=5s, NSP=5000xung, Umax=24V, xác định KP ?Giải:

Chọn d1=100, HSTGG=0.5.

KP=(100*24(1+0.5))/(100*5000) = 36/5000 (V/vòng)

Với các số liệu trên thì quá trình điều khiển diễn ra như sau.Trong thời gian 2,5s đầu tiên động cơ chạy với tốc độ tương ứng áp đặt vào 24V 2,5s còn lại tốc độ động cơ sẽ giảm cho đến khi dừng hẳn thì lúc này thời gian cũng vừa đủ 5s

Như đã trình bày sử dụng phương pháp điều khiển số khâu P

Lưu đồ giải thuật khâu hiệu chỉnh P:(trình bày phần sau).

Chương trình điều khiển được viết bằng ngôn ngữ máy cho vi xử lý 8952

Điện áp Udk1 được lấy từ PC0 của 8255 kết nối với Vi xử

lý Điện áp này được đưa đến mạch động lực điều khiển điện áp

cung cấp cho động cơ Udk1 có dạng hình 2, được tạo ra bằng

phần mềm có lưu đồ giải thuật (trình bày phần sau)

NFP số xung phản hồi về qua mạch đếm xung số xung chứa

tối đa trong 2 byte, ngõ ra mạch đếm xung đưa vào PortA(byte thấp) và PortB(Byte cao) 8255 Sau đó đưa vào vi xử lí thông qua

mạch chốt

Lưu đồ giải thuật đọc xung phản hồi( trình bày phần sau).Dữ liệu cần đặt được lấy vào thông qua các phím nhấn Lưu đồ giải thuật đọc 1 phím nhập dữ liệu vào (trình bày phần sau):Sau khi đã có các dữ liệu vào ta tiến hành tính toán đưa ra

DYTU_CYCLE, tạo áp Udk1, đồng thời ta cũng cho hiển thị

chiều dài, số lượng cần cắt trong quá trình hoạt động Chương trình thực hiện nhiều công việc cùng lúc ,vừa phải đếm xung

phản hồi, vừa tạo áp Udk1 liên tục, vừa phải hiển thị Led, đồng

thời phải thường xuyên phải kiểm tra phím nhấn Lưu đồ giải thuật toàn bộ chương trình :

III.Các lưu đồ giải thuật điều khiển hệ thống:

Dựa vào các lưu đồ này ta tiến hành thiết kế mạch cứng và viết chương trình điều khiển

Chương 2

Khối điều khiển bao gồm mạch giao tiếp giữaVi Xử Lí với

RAM (62256), mạch giao tiếp máy tính qua IC 75176, mạch mở

rộng Port qua IC 8255 Quá trình giải mã địa chỉ tránh xung đột khi giao tiếp với các khối trên nhờ IC chốt 74573 và IC 74138.

1) Mạch vi xử lí:

Mạch vi xử lí trở về trạng thái như lúc mới cấp nguồn

ROM ngoài.

trong ROM nội.

nối đến các chân nối này

 Mạch gồm 2 tụ điện C1, C2 30 pF và thạch anh 11.059 MHz, tạo cho Vi Xử Lí có tần số hoạt động

12MHz, khi 2 tụ điện thay đổi thì tần số dao động vixử lí thay đổi theo

5V, mức áp vào ra là 0V.

AD1

C2 30p

/WR A15

29 30 31

1 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

X2

PSEN ALE/PR EA/VPP

P1.0/T2 P1.1/T2-EX P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7

P2.0 P2.1 P2.2 P2.3 P2.4 P2.5 P2.6 P2.7

RXDTXD

INTO INT1 TO

T1

WRRD

P0.0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7

P1.1

T1

P1.7

ALE A9

C1 30p

C4 10u

TX

T0

X1 11.059MEG

Sơ đồ kết nối mạch vi xử lí

phát

chân /RD(6) của 8255 có tác dụng đọc Data về từ ngoại vi, /WR(17) nối chân /WE của RAM và nối tới chân /WR(36) của 8255 trong quá trình xuất Data

thì các chân này tích cực, cả hai chân đều tích cực mức thấp.

 P0 : Trong chu kì truyền, truyền Data và địa chỉ,

ngỏ ra mắc điện trở kéo lên Từ P0.0 ->P0.7 nối đến 8 đầu điện trở 10K đầu kia nối lên nguồn, sau đó nối đến JP12 khi cần sử dụng cho mục đích khác, nối đến ngỏ vào (chân 2->9) IC 74573, nối đến ngỏ vào địa chỉ RAM.

 P2 :3 chân (P2.5,P2.6,P2.7) nối đến ngỏ vào tương

ứng A,B,C(1,2,3) IC 74138 Các chân P2.0-> P2.6 nối ngỏ vào địa chỉ RAM.

địa chỉ được truyền qua Khi ALE mức thấp, địa chỉ ngỏ ra giử nguyên cho đến khi ALE tích cực lại.

Xác lập địa chỉ cho mỗi khối trên :

2) Khối tạo địa chỉ: gồm IC 74573, IC 74138, IC7400:

Hình vẽ minh họa quá trình truy xuất data qua IC chốt:

 IC 74138 các chân G2A(4),G2B(5) tích cực mức thấp

trong trường hợp này ta nối Mass

Không nhất thiết phải nối lên nguồn G1, nối Mass

G2A, G2B, trong những trường hợp khác ta còn có

thể sử dụng chúng để kết hợp việc giải mã địa chỉ

Mass.

nhận địa chỉ

 Byte địa chỉ thấp được chốt giử qua IC 74373 Các

đường địa chỉ thấp đưa vào ngỏ vào IC 74573

6 4 5

15 14 13 12 11 10 9 7

A B C

G1 G2A G2B

Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7GND

A12

ALE AD6

2 3 4 5 6 7 8 9

19 18 17 16 15 14 13 12

OE LE

D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7

Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7

sơ đồ nguyên lí mạch tạo địa chỉ

3) Khối tạo địa chỉ :

 A1,A0 nối ngỏ ra IC 74573.

Trong quá trình xuất Data, khi đã đúng địa chỉ, và

chân /WR được chuyển xuống mức 0, lúc đó Data được xuất bởi

8255.

Trong quá trình nhận Data về, khi đã đúng địa chỉ, và chân /

RD chuyển mức thì Data được nhận về từ 8255.

PA6

PC6

PA0 AD2

A0 AD7

PC5 AD5

5 36

9 8

35 6

4 3 2 1 40 39 38 37

18 19 20 21 22 23 24 25

14 15 16 17 13 12 11 10

7

D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7

RD WR

A0 A1

RESET CS

PA0 PA1 PA2 PA3 PA4 PA5 PA6 PA7

PB0 PB1 PB2 PB3 PB4 PB5 PB6 PB7

PC0 PC1 PC2 PC3 PC4 PC5 PC6 PC7

GND /CS1

4) Khối giao tiếp Vi xử lý và RAM(62256):

RAM dung lượng 32K ngoại có địa chỉ truy xuất

8000H->FFFFH.

8 đường địa chỉ (D1->D8) nối đến P0 vi xử lí, (A0-A7) nối (Q0->Q7)

IC 74573, (A9->A14 nối P2.0->P2.6 vi xử lí), /WE nối /WR, /0E nối /RD vi xử lí Tín hiệu chọn địa chỉ lấy từ chân 6 IC 7400 , đưa vào

chân /CE, với điều kiện ngỏ vào 4, 5 IC 7400 cùng nối P2.7(A15).

22 27

11 12 13 15 16 17 18 19 28

A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 A12 A13 A14

CE

OE WE

D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 VCC

AD1

A14 A3

JP14

1 2 3 4

A8

AD4 A6

A12 A15

10

12 13

A

CLR

QA QC VCC

VCC

VCC

D13

AD7 D2

AD7 GND

CS1

AD9

AD3 AD5

AD10

AD1

D8

AD11 CS1

D5

D12

AD10 COUNTER

D12

D10 C2

AD0

AD15 AD15

D10

JP4

1

AD1 D9

AD14 D15

D6 GND

19 17 15 13

2 4 6 8

OE GND LE

1Q 3Q 5Q 7Q

1D 3D 5D 7D

AD11

CS2

AD13

D5 D4

COUNTER

VCC

D6

AD9 CS2

AD11 AD14

D2 C3

C1

AD2

AD8 AD9

D7 D7

19 17 15 13

2 4 6 8

OE GND LE

1Q 3Q 5Q 7Q

1D 3D 5D 7D

7

A

CLR

QA QC VCC

AD0

D11

D4

D3 D0

AD12 D1

IC1393B

13

12

11 9 14

7

A

CLR

QA QC VCC

AD10

VCC D0

Gồm 2 IC 74393, 2 IC chốt 74573 Mạch chỉ có tác dụng đếm lên, khi tràn tự động trở về 0 Ngỏ Counter đưa xung cần đếm vào Ngỏ CLR có nhiệm vụ xóa tất cả ngỏ ra 74393 về 0, tích cực mức 0 có dạng xung, 2 ngỏ vào chốt CS1, CS2 có nhiệm vụ lấy đúng 1 giá trị tại 1 thời điểm, cả 2 chân ở mức 0

khi chốt

Chú ý: Cần phải mắc thêm điện trở kéo lên ở ngỏ ra 2 IC

74573, tránh nhiễu khi đọc vào Ngỏ ra mạch đếm nối vào Port A,B của 8255.

6) Khối hiển thị:

o Gồm 6 LED 7 đoạn, IC 74247 giải mã từ số BCD sang mã

LED 7 đoạn.

o 1 IC giải mã địa chỉ 74138 Các Transistor(Tr) C828 kéo

LED Mạch được thiết kế theo phương pháp quét không chốt, quét vòng 6 led ,chu kì quét 1 LED không lớn hơn 20mS,

đảm bảo cho LED không có hiện tượng nháy.

o Các tín hiệu thực hiện việc quét LED chứa trong BUS truyền

8 bit hay chứa trong 1 thanh ghi Với 4 bit thấp chứa Data cần xuất, 4 bit này phải là số BCD, 3 bit cao chứa thông tin về vị trí LED cần quét Toàn bộ nội dung trong thanh ghi này là

Data và vị trí 1 LED tại 1 thời điểm xác định.

o Data được đưa đến JP1 ,4 bit thấp được đưa đến ngỏ vào có

tên 1, 2, 4, 8 IC 74247 ngỏ ra IC này gồm 8 Bit tương ứng mã

LED 7 đoạn, sau đó 8 ngỏ ra có tên này được đến tương ứng

với tên mỗi LED 3 bit cao kế tiếp đưa đến chân ABC IC

74138 theo thứ tự bit Tại 1 thời điểm thì trong tất cả Ngỏ ra

chỉ có 1 ngỏ ra mức 0, do đó ta đã có thể cung cấp Data cho 1 Led nào đó mà không sợ phải có sự cùng Data cho nhiều

led ,Vì dòng ngỏ ra IC74138 không đủ cho việc kéo Led, nên

Ta phải dùng thêm các Transistor (Tr) để kéo Led Vì phải kéo 6 led nên ta cần đến 6 transistor Sáu ngỏ ra 6 Tr này nối đến chân nguồn dương của LED 7 đoạn Anot Chung.

o Chú ý: Trong quá trình lắp mạch vào ta phải xác định đúng

chân của các Transitor (ECB) tránh trường hợp mắc nhầm

chân dẫn đến mạch không chạy mặc dù ta thiết kế đúng Tùy từng loại IC mà thứ tự chân khác nhau Trên thị trường có một

số loại Tr thôâng dụng mà ta cần phải nắm rỏ tránh việc đáng tiếc xảy ra Ở đây trình bày một vài Tr thông dụng

7) Khối bàn phím:

o Gồm sáu phím, 1 đầu phím nối Mass, 1 đầu phím nối nguồn,

chọn 1 điểm tùy ý để lấy Data sao cho khi phím nhấn thì điểm này xuống Mức 0 Sáu điểm cần chọn nối vào JP2

8) Khối Mạch động lực :

o Khối này gồm các Tr nối Darlington mục đích tăng dòng ngỏ

ra, có các Optron cách li các cấp điện áp Aùp sử dụng gồm áp 5V, 24V, mạch được nối sao cho cặp Darlington tầng cuối

thay phiên đóng ngắt , ngỏ ra cuối này có điện áp thay đổi tùy

vào sai lệch thời gian dẫn mỗi Tr trong 1 chu kì T cố định.

o Điện áp đưa vào PC0, giả sử tại 1 thời điểm PC0 mức 1, lúc đó Q1 dẫn, Q2 ngắt vì điện áp mức 0 do phải qua cổng đảo Q1 dẫn , Optron 1 dẫn, cặp Darlington phía trên dẩn, kéo ngỏ

ra lên áp 24V Giả sử tại 1 thời điểm PC0 mức 0, lúc đó Q2 dẫn do phải qua cổng đảo, Q1 ngắt vì điện áp mức 0 Q2 dẫn,

Optron 2 dẫn, cặp Darlington dưới dẩn, kéo ngỏ ra xuống 0V.

o Quá trình cứ tiếp diễn như vậy trong 1 chu kì, ta có áp ra là ápbiến đổi Mà đối tượng sử dụng áp này là động cơ 1 chiều, do đó cần phải xác định chu kì đóng ngắt thích hợp, sao cho động

cơ nhìn điện áp này là điện áp 1 chiều với các điều kiện cho phép

220 4N35 1 2

4 0

Q7 D718

Q3 828

R1

10k

0

D4 N5404

R10 120k

+5v

Udk1

D1 4007

R8

1k U13A

7404

R3 220

D2 4007 +5v

0

R7 120K

R4 1K

00

Q4 A617

+24V

4N35 1 2

4

D3 N5404

R3 220

Q1 C828

00

Q5 D718

9) Mạch đóng ngắt dao:

R8 1k R2

10k

01

D2 4007

Q6 H1061

Udk2

220 4N35

1 2

4

R5

01 0

Q3 828

R10 120k

PC4

+110v

o Mô hình dao cắt là 1 Relay 110V do đó ta thiết kế 1 mạch

điều

khiển Relay này Khi Relay đóng tương ứng với dao cắt, ngược

lại dao không cắt

o Để đóng ngắt Relay này ta điều khiển đóng ngắt 1 Reley có cấp điện áp nhỏ hơn, Relay này cần áp 12V Vì áp Udk2 lấy từ PC4 8255 mức áp TTL nên không thể điều khiển trực

tiếp , mà phải qua Optron cách ly 2 cấp điện áp Vì Relay

12v có dòng lớn nên ta không thể dùng C828 điều khiển mà

phải dùng Tr có dòng lớn hơn H1061 Khi áp Udk2 mức thấp

Q1 ngắt, Relay 12V ngắt, dao cắt Khi Khi áp Udk2 mức cao

Q1 ngắt, Relay 12V ngắt, dao kéo lên

Trong hệ điều khiển vị trí 1 đại lượng điều khiển (lượng đặt

hàm nhảy cấp, hàm tuyền tính hoặc hàm tuyến tính từng đoạntheo thời gian, hàm Parabol và hàm điều hoà Tuỳ thụoc vào lượngđiều khiển mà ta có hệ truyền động điều khiển vị trí cho cơ cấuchuyển dịch và hệ truyền động điều khiển vị trí theo chế độ bám

Trong hệ thống điều khiển vị trí chuyển dịch trong các chỉtiêu chất lượng chung người ta quan tâm nhiều đến độ tác độngnhanh của hệ Điều này có liên quan đến giãn đồ tối ưu về tốc độ

(t), gia tốc a(t) và vị trí (t) Để xây dựng hệ điêu khiển người tadựa trên quy luật tối ưu tác động nhanh truyền động điện trênnghiên cứu quỹ đạo pha chuyển động

II. Điều khiển vị trí dùng các vòng phản hồi :

Nếu theo phương pháp này thì việc điều khiển vị trí sử dụng bavòng phản hồi : vùng vị trí ở vòng ngoài cùng tạo tín hiệu đặt chovòng tốc độ, ngỏ ra vòng tốc độ lại là tín hiệu đặt cho vòng dòngđiện

Tín hiệu vị trí được xác định từ bộ giải mã vị trí là tín hiệu hồitiếp cho vòng vị trí được khuếch đại rồi trở thành giá trị đặt chovòng tốc độ.

Tín hiệu sai lệch tốc độ được điều khuếch đại bởi bộ khuếch đạicó giới hạn (II) rồi trở thành giá trị đặt cho vòng dòng điện

Sai lệch dòng điện (dưới dạng điện áp đặt ) được khuếch đạibởi bộ khuếch đại (III) rồi đưa vào điều khiển bộ biến đổi tạo điện ápphần ứng thích hợp Việc đưa thêm vòng dòng điện vào có tác dụngtránh sự tăng giảm dòng điện quá áp khi khởi động và khi sai lệchvận tốn lớn

III. Thuật toán điều khiển PID:

Nhiều năm trước đây, bộ điều khiển PID được xem là bộ điều khiển lý tưởng đối với các đối tượng có mô hình liên tục Bộ PID thực sự là bộ điều khiển động mà việc thay đổi các tham số của bộ điều khiển có khả năng làm thay đổi đặc tính động và tĩnh của hệ thống điều khiển tự động

Bộ điều khiển PID thực chất làthiết bị điều khiển thực hiện luật điều khiển được mô tả bằng phương trình sau :

(

1)()

0

t e d

t e t

e t

t I

( 6.1 )

Trong đó e(t) là tín hiệu vào, u(t) là tín hiệu ra của bộ điều

Đối với hệ thống có độ dự trữ ổn định lớn, nếu muốn tăng độ chính xác điều khiển ta chỉ cần tăng hệ số khuếch đại của luật điềukhiển tỉ lệ [7]

Hệ thống sẽ không có sai lệch tĩnh khi tín hiệu vào là hàm

không Luật điều khiển tích phân còn gọi là điều khiển chậm sau vìsai số điều khiển được tích lũy cho đến khi đủ lớn thì quyết định điều khiển mới được đưa ra

Tăng khả năng tác động nhanh của hệ, giảm bớt thời gian quá điều chỉnh bằng cách thay đổi hằng số thời gian của luật điều khiển vi phân, còn được gọi là điều khiển vượt trước

Luật điều khiển trong phương trình (6.1) thường còn được biểu diễn dưới dạng hàm truyền đạt như sau:

p

P P

i D

I P

sử dụng rộng rãi trong công nghiệp PID số được mô tả qua phương trình vi sai phân sau:

e r e

r e r u

6.3 )hoặc bằng hàm truyền dạt gián đoạn:

1

2 2

1 1 0

1 )

Một trong những ứng dụng của bộ điều khiển PID trong điều khiển thích nghi và điều khiển mờ là thường xuyên phải chỉnh lại các tham số của nó cho phù hợp với sự thay đổi không biết trước của đối tượng cũng như của môi trường nhằm đảm bảo được các chỉ tiêu chất lượng đã đề ra cho hệ thống Nếu như ta đã tự động hóa được công việc thay đổi tham số này thì bộ điều khiển PID đó sẽ làmột bộ điều khiển bền vững với mọi tác động của nhiễu nội cũng như nhiễu ngoại lên hệ thống

Cũng chính vì vậy mà các thiết bị điều khiển quá trình như DSC Disbute Control system, PLC Programable Logic Control, PSC Process Control System của các hãng sản xuất thiết bị tự động trên

thế giới không thể thiếu được module điều khiển PID hoặc cứng hoặc mềm.

Để sử dụng tốt các module này, người thiết kế phải nắm được các phương pháp chọn luật điều khiển và các tham số cho bộ điều

Bộ điều khiển PID vi tích phân tỷ lệ rất hay dùng trong các hệthống điều khiển công nghiệp vì nó có ưu điểm sau : PID là sự kếthợp những ưu điểm của 3 khâu P, PI , PD trước hết ta cần tìm hiểuchức năng của từng khâu :

1. Điều khiển PID liên tục :

Điều khiển PID là cấu trúc điều khiển thông dụng nhất trongcác quy trình điều khiển đầu ra của điều khiển là tổng hợp của bathành phần:

hệ thống thực với giá trị tham chiếu (giá trị đặt)

sai số

Hàm điều khiển :

) ( ) ( ) ( )

(

1 ) ( )

d

de T d e T t e K u t

tín hiệu xác thực

Một vài quy trình điều khiển đặt biệt là quy trình cũ có khoảngtỷ lệ đặt thay vì độ lợi điều khiển Khoảng tỷ lệ được xác định làPB=100/K định nghĩa chỉ áp dụng khi K là không thứ nguyên Công thức của hàm điều khiển không chỉ giới hạn thực tế ở đầu

ra Điều khiển sẽ đạt trạng thái bão hoà khi ngõ ra đạt giới hạn vật

sau :

Phần tích phân của hàm điều khiển được dùng để khử sai sốcủa trạng thái ổn định Chức năng của nó có thể được giải thíchbằng trực giác như sau : Giả sử hệ thống ở trạng thái ổn định vìvậy tất cả các tín hiệu đều là hằng số, đặt biệt là e(t) và u(t)

mặt khác u(t) có thể thay đổi Điều này chỉ có thể xảy ra nếu e(t)bằng 0

Hàm điều khiển cũng có thể được biểu diễn theo phép biếnđổi Laplace như sau :

) ( ) ( ) ( ) ( )

s T

s E s T T s T K s E S T S T K s

) ( ) 1

( ) ( 1

1 )

) ( 1

1 1 ) ( ) ( ) ( ) (

1

s T

s T s T K s U s U s U s U

f

d D

giới hạn là KN ở tần số cao Hàm PID được viết lại như sau :

 ( 1 ) 1  ( ) )

( ) 1

1 1

1s T s U s K T s T s T s T T s E s

Đây là trường hợp đặt biệt của điều khiển thông thường Chia

f

T

s s s

R( )  2 

f I f

f

d

T T

K s T T K s T

T K s T s

Đặc tính giới hạn của điều khiển PID : điều khiển PID được ápdụng thành công trong hầu hết các tiến trình điều khiển

Thời trễ : Thời trễ luôn xãy ra trong thực tế Thời rễ làm chp

thông tin của quá trình điều khiển truền tới bộ điều khiển trễ hơn sovới mong muốn, do đó thông tin bị mất ý nghĩa Thời trễ giới hạnđặt tính của hệ thống nào có thời trễ được điều khiển bởi PIDthường hoạt động châm hơn

2. Dạng rời rạc của bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển trong hệ thống số cần được rời rạc ở một vàimức Bộ điều khiển liên tục sẽ được rời rạc ở dạng số thích hợp Trong việc thiết kế bộ điều khiển liên tục, thì chính nó cũng đượcrời rạc Cho hệ số lấy mẫu ngắn bên trong thời gian vi phân có thểđược xấp xỉ bởi một sai phân có giới hạn và tích phân qua việc lấytổng Chúng ta sẽ quan tâm mỗi dạng ở một thời điểm, sai số đượctính toán ở mỗi khoảng lấy mẫu

e(kh) = u(kh) – y(kh)Chu kỳ lấy mẫu h được xem như một hằng số và những sựbiến đổi tín hiệu trong suốt thời gian lấy mẫu thì không quan tâm

3. Sự hiệu chỉnh thực tế của bộ điều khiển :

Một chu kỳ lấu mẫu quá dài có thể ảnh hưởng đến việc điềukhiển hồi tiếp như bị nhiễu Một trường hợp đặt biệt là nếu chu kỳlấu mẫu lâu hơn thời gian đáp ứng của quá trình thì nhiễu có thểảnh hưởng đến quá trình xử lý và sẽ mất trước khi bộ điều khiểncó thể nhận được một hoạt động chính xác vì vậy một điều rấtquan trọng là quan tâm đến động học và đặc tính nhiễu cũng ảnhhưởng đến sự lựa chọn chu kỳ lấy mẫu

Trong việc xử lý tín hiệu mục đích là lấy mẫu tín hiệu vàphục hồi nó từ dạng thời gian rời rạc Lý thuyết lấy mẫu khôngxem thời gian tính toán là mối quan tâm để làm cấu trúc lại thờigian, tín hiệu được lấy mẫu có thể mất thời gian khá lâu Nói thêmnữa là ta giả sử tín hiệu được chu kỳ hoá Trong những ứng dụngđiều khiển các tín hiệu thường không theo chu kỳ và thời gian tínhtoán cho việc cấu trúc trúc lại tín hiệu bị giới hạn

4. Chức năng cụ thể của các thành phần trong PID:

Khâu hiệu chỉnh tích phân tỷ lệ (P)

Được đưa vào hệ thống nhằm làm giảm sai số xác lập, với đầuvào thay đổi theo hàm nấc sẽ gây vọt lố cao do đó vị trí sẽ khôngđúng theo yêu cầu

Đây là bộ điều khiển mà biến đặt tỷ lệ với độ sai lệch từđiểm đặt bên trong dãy tỷ lệ cho phạm vi vị trí đặt

Khi vị trí hiện tại thấo hơn mức giới hạn thấp nhất của dãytỷ lệ, biến đặt là 100% Khi vị trí trong dãy tỷ lệ, biến đặt giảmdần tỷ lệ với độ lệch và giảm 50% Khi vị trí hiện tại bằng vớiđiểm đặt và không có lệch Khi đó khâu P cho phép điều khiển vịtrí phẳng với nhấp nhô nhỏ hơn điều khiển ON_OFF

Thiết bị ngỏ ra dạng xung ở trạng thái ON_OFF có thể dùngthiết bị ngõ ra của bộ điều khiển vị trí Những ngõ ra này gồm :Relay output, SSR(solid State Relay)output và voltage Output Nếunhư thiết bị này dùng để lặp trạng thái ON_ OFF trong dải tỷ lệ ở

chu kỳ relay ngõ ra từ lúc ON tới OFF với vị trí điều khiển bằngđiểm đặt Một chu kỳ từ ON tới OFF của thiết bị ngõ ra được gọi làchu kỳ tỷ lệ và hoạt động điều khiển theo chu kỳ tỷ lệ được gọi làhoạt động điều khiển chia tỷ lệ thời gian

Khâu điều khiển vi phân D:

Được đòi hỏi phải bù, được thực hiện đúng với biến tỷ lệ, mứcnghiên của độ lệch được chỉ ra ở hình dưới đây:

Bước đáp ứng :

Tỷ số thời gian : tỷ số thời gian là số biểu diễn độ dài của

quá trình hoạt động Đây là thời gian đòi hỏi biến đặt của tỷ sốhoạt động đạt được giống như biến đặt trong hoạt động hiệu chỉnhkhi xảy ra thay đổi độ dốc trong độ lệch Tuỳ theo tỷ số thời gian :nếu số thời gian dài hơn , vi phân linh hoạt hơn

Trường hợp độ lệch xảy ra đột ngột trong bộ chia tỷ lệ Trướctiên On hoặc OFF thời gian của Output Relay kéo dài bằng việcchỉnh đến điểm đặt sớm hơn Vì hiệu ứng của điều khiển này tươngtự như tỷ số hoạt động được xem như là hiệu ứng vi phân

Khâu tích phân I:

Điều khiển hoạt động I: Độ lệch tăng bởi sự tương quan

giữa vị trí đặt của hệ điều khiển và vị trí hiện tại và giữ sau khi hệthống điều khiển đạt trạng thái bền Sự lệch này gọi là sai số Nếunhư sai số xảy ra trong bộ điều khiển mà chỉ thực hiện điều khiểntỷ lệ thì nó thiếu chính xác Giảm và loại sai số để vị trí điều khiểnhợp với điểm đặt

Thời gian Reset :

Thời gian reset là số diễn tả quá trình hoạt động reset Đâylà thời gian đòi hỏi biến bộ điều khiển tích phân bằng với biến đặtbộ điều khiển tỷ lệ khi độ lệch lấy thay đổi từng bước Do đó thờigian reset ngắn, ảnh hưởng rất nhiều đến hoạt động Reset Tuynhiên thời gian reset quá ngắn mà thực hiện quá nhanh có thể gây

ra hunting

Khâu tích phân tỷ lệ (PI) :

Khâu tích phân tỷ lệ trở thành vô sai Muốn tăng chính xáccủa hệ thống ta phaỉo tăng hệ số khuếch đại Song đối với hệ thốngthực sẽ bị hạn chế và sự có mặt của khâu PI là bắt buộc

Khâu PID :

Các bộ hiệu chỉnh PID được ứng dụng nhiều dưới dạng thiết kếđiều khiển hay thuật toán phần mềm

s T s T K

s

i p

1 ( ) (

s

K K s

) ( )

( ) (

1 ) ( )

(

5.1 Xác định các tham số cho bộ điều khiển PID :

Luật điều khiển thường đươcï chọn trên cơ sở đã xác định đượcmô hình toán học của đối tượng phải phù hợp với đối tượng cũng như thõa mãn các yêu cầu của bài toán thiết kế

Trong trường hợp mô hình toán học của dối tượng không xác định được có thể luật điều khiển va øcác tham số của bộ điều khiển theo phương pháp thục nghiệm, hệ thống phải đảm bảo thoã mãn một số điều kiện

5.1.1 Phương pháp Reinisch

Phương pháp thiết kế thuật điều khiển của Reinisch dựa trên

cơ sở mô hình toán học của đối tượng đã xác định một cách tường minh Mô hình động học của đối tượng được đưa về 2 dạng cơ bản sau:

1) Dạng khâu nguyên hàm với mô hình đặc

trưng :

( 6.5 )

T e bp P

1

) 1

(

) 1 ( )

(

=

)

1(

)1(

p

T e

Với những điều kiện hạn chế giống như (6.5)

Để thuận lợi cho việc thiết kế hệ thống với luật điều khiển I cho đối tượng dạng 1 và không có luật điều khiển I cho đối tượng 2, Reinisch đã đề nghị đưa hàm truyền phải có của hệ hở về dạng gần đúng sau:

) 1

(

1 )

(

2

pT p