Điều khiển động cơ bằng giải thuật PID

Điều khiển động cơ bằng giải thuật PID code mô phỏng layout

Báo cáo đồ án TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM KHOA KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT MÁY TÍNH o0o ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ LUẬN LÍ ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ PID Thiết kế mạch điều khiển động PID Trang Báo cáo đồ án Phụ lục nội dung: Thiết kế mạch điều khiển động PID Trang Báo cáo đồ án Phụ lục hình ảnh: Thiết kế mạch điều khiển động PID Trang Báo cáo đồ án Chương 0: Lời nói đầu Học kì 112 chúng em được học môn Đồ án môn học Thiết Kế Luận Lí với mục đích củng cố kiến thức và giúp sinh viên tiếp cận thức tế Nhóm chúng em thực hiện đề tài thiết kế mạch điều khiển động PID Cấu trúc báo cáo bao gồm: - Chương I: Giới thiệu đề tài Chương II: Giới thiệu linh kiện sử dụng Chương III: Hiện thực phần cứng Chương IV: Hiện thực phần mềm Chương V: Tổng kết Thiết kế mạch điều khiển động PID Trang Báo cáo đồ án Chương I: Giới thiệu đề tài Một số khái niệm a Điều khiển động DC Là ứng dụng của điều khiển tự động DC Motor được dùng nhiều nhất hệ thống tự động (ví dụ robot) b Khái niệm Servo Dùng để hệ thống hồi tiếp DC servo motor là động DC có điều khiển hồi tiếp c Bộ điều khiển PID Một điều khiển PID là chế phản hồi vòng điều khiển (bộ điều khiển) tổng quát được sử dụng rộng rãi hệ thống điều khiển công nghiệp Một điều khiển PID tính toán giá trị "sai số" là hiệu số giá trị đo thông số biến đổi và giá trị mong muốn Bộ điều khiển thực hiện giảm tối đa sai số cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào Tuy nhiên, để đạt được kết tốt nhất, thông số PID sử dụng tính toán phải điều chỉnh theo tính chất của hệ thốngtrong kiểu điều khiển là giống nhau, thông số phải phụ thuộc vào đặc thù của hệ thống Giải thuật PID a Giải thuật tính toán điều khiển PID Bao gồm thông số riêng biệt, đó nó được gọi là điều khiển ba khâu: giá trị tỉ lệ, tích phân và đạo hàm, viết tắt là P, I, và D Giá trị tỉ lệ xác định tác động của sai số hiện tại, giá trị tích phân xác định tác động của tổng sai số khứ, và giá trị vi phân xác định tác động của tốc độ biến đổi sai số Tổng chập của ba tác động này dùng để điều chỉnh trình thông qua phần tử điều khiển vị trí của van điều khiển hay nguồn của phần tử gia nhiệt Nhờ vậy, giá trị này có thể làm sáng tỏ về quan hệ thời gian: P phụ thuộc vào Thiết kế mạch điều khiển động PID Trang Báo cáo đồ án sai số hiện tại, I phụ thuộc vào tích lũy sai số khứ và D dự đoán sai số tương lai, dựa vào tốc độ thay đổi hiện Bằng cách điều chỉnh số giải thuật của điều khiển PID, điều khiển có thể dùng thiết kế có yêu cầu đặc biệt Đáp ứng của điều khiển có thể được mô tả dưới dạng độ nhạy sai số của điều khiển, giá trị mà điều khiển vượt lố điểm đặt và giá trị dao động của hệ thống Lưu ý là công dụng của giải thuật PID điều khiển không đảm bảo tính tối ưu ổn định cho hệ thống Vài ứng dụng có thể yêu cầu sử dụng hai khâu tùy theo hệ thống Điều này đạt được cách thiết đặt đội lợi của đầu không mong muốn về Một điều khiển PID được gọi là điều khiển PI, PD, P I nếu vắng mặt tác động bị khuyết Bộ điều khiển PI phổ biến, đáp ứng vi phân nhạy đối với nhiễu đo lường, trái lại nếu thiếu giá trị tích phân có thể khiến hệ thống không đạt được giá trị mong muốn Hình Cơ chế hoạt động PID Thiết kế mạch điều khiển động PID Trang Báo cáo đồ án b Giải thuật điều khiển PID PID là cách viết tắt của từ Propotional (tỉ lệ), Integral (tích phân) và Derivative (đạo hàm).Tuy xuất hiện rất lâu đến PID là giải thuật điều khiển được dùng nhiều nhất ứng dụng điều khiển tự động Đề tài này điều khiển tốc độ của động DC dùng giải thuật PIDcó thể được giải thích sau: Gọi F là lực quay động Ban đầu động vận tốc 0, nhiệm vụ đặt là điều khiển lực F (một cách tự động) để làm quay động đạt tới tốc độ đặt trước với yêu cầu: chính xác (accurate), nhanh (fast response), ổn định (small overshot) Một điều rất tự nhiên, nếu vận tốc hiện của động rất xa vận tốc mong muốn, hay nói cách khác sai số (error) lớn, chúng ta cần tác động lực F lớn để nhanh chóng đưa vận tốc động về tới vận tốc đặt trước Một cách đơn giản để công thức hóa ý tưởng này là dùng quan hệ tuyến tính: F=Kp*e (1) Trong đó Kp là số dương nào đó mà chúng ta gọi là hệ số P (Propotional gain), e là sai số cần điều khiển tức độ chênh lệch vận tốc đặt trước với vận tốc hiện của động Mục tiêu điều khiển là đưa e tiến về càng nhanh càng tốt Rõ ràng nếu Kp lớn F lớn và động rất nhanh chóng tiến về vận tốc đặt trước Tuy nhiên, lực F lớn gia tốc cho động rất nhanh (định luật II của Newton: F=ma) Khi động đến vận tốc đặt trước (tức e=0), lực F=0 (vì F=Kp*e=F=Kp*0) quán tính tốc độ động tiếp tục tăng, sai số e lại trở nên khác 0, giá trị sai số lúc này được gọi là overshot (vượt quá) Lúc này, sai số e là số âm, lực F lại xuất hiện với chiều ngược lại để hãm tốc độ động về lại tốc độ đặt trước Nhưng lần nữa, Kp lớn nên giá trị lực F lớn và có thể kéo tốc độ động về thấp tốc độ đặt trước Quá trình cứ tiếp diễn, tốc độ động cứ dao động quanh tốc độ đặt trước Có trường hợp tốc độ dao động càng ngày xàng xa tốc độ đặt trước Bộ điều khiển lúc này được nói là không ổn định Một đề xuất nhằm giảm overshot của động là sử dụng thành phần “thắng” điều khiển Sẽ rất lý tưởng nếu tốc độ xa điểm O (tốc độ Thiết kế mạch điều khiển động PID Trang Báo cáo đồ án đặt trước), điều khiển sinh lực F lớn tốc độ động tiến gần đến điểm O thành phần “thắng” giảm tốc độ động lại Chúng ta đều biết vật dao động quanh điểm vật đó có vận tốc cao nhất tâm dao động (điểm O) Nói cách khác, gần điểm O sai số e của tốc độ động thay đổi nhanh nhất (cần phân biệt: e thay đổi nhanh nhất e lớn nhất) Mặt khác, tốc độ thay đổi của e có thể tính đạo hàm của biến này theo thời gian Như vậy, tốc độ động từ ban đầu tiến về gần O, đạo hàm của sai số e tăng giá trị ngược chiều của lực F (vì e giảm nhanh dần) Nếu sử dụng đạo hàm làm thành phần “thắng” có thể giảm được overshot của động Thành phần “thắng” này chính là thành phần D (Derivative) điều khiển PID mà chúng ta khảo sát Thêm thành phần D này vào điều khiển P hiện tại, chúng ta thu được điều khiển PD sau: F=Kp*e + Kd*(de/dt) (2) Trong đó (de/dt) là vận tốc thay đổi của sai số e và Kd là số không âm gọi là hệ số D (Derivative gain) Sự hiện diện của thành phần D làm giảm overshot của động cơ, vận tốc động tiến gần về O, lực F gồm thành phần Kp*e > =0 (P) và Kd*(de/dt) [...]... kế mạch điều khiển động cơ PID Trang 32 Báo cáo đồ án b Mạch điều khiển và hiển thị Hình 25 Mạch điều khiển Thiết kế mạch điều khiển động cơ PID Trang 33 Báo cáo đồ án Hình 26 Mạch hiển thị Thiết kế mạch điều khiển động cơ PID Trang 34 Báo cáo đồ án Ngoài ra còn có mạch nguồn, led báo có nguồn, loa (để cảnh báo động cơ quá tốc độ) và các nút bấm (reset, tăng, giảm, đảo chiều động cơ) Thiết... LCD Thiết kế mạch điều khiển động cơ PID Trang 22 Báo cáo đồ án b Chức năng của các chân Hình 17 Các chân của LCD Thiết kế mạch điều khiển động cơ PID Trang 23 Báo cáo đồ án c Tập lệnh LCD Hình 18 Tập lênh LCD Thiết kế mạch điều khiển động cơ PID Trang 24 Báo cáo đồ án 7 Vi Hình 19 Tập lệnh LCD (tt) Điều Khiển 8951 a Giới thiệu cấu trúc phần cứng 8951 Đặc điểm và chức năng hoạt động của các IC... đầu vào từ người dùng Module Vi điều khiển có nhiệm vụ chính là điều khiển Mạch cầu H, thông qua Mạch cầu H có thể điều khiển được Động cơ Module Động cơ có một đường tín hiệu hồi tiếp, đường hồi tiếp này dùng để hiệu chỉnh các tín hiệu đưa ra từ module Vi điều khiển - Hai nguồn dùng để duy trì hoạt động của mạch Thiết kế mạch điều khiển động cơ PID Trang 31 Báo cáo đồ án 2 Mạch... (hoạt động trên bit đơn) 210 vị trí nhớ có thể định vị bit 4 μs cho hoạt động nhân hoặc chia Thiết kế mạch điều khiển động cơ PID Trang 26 Báo cáo đồ án b Sơ đồ khối Thiết kế mạch điều khiển động cơ PID Trang 27 Hình 20 Sơ đồ khối 9851 Báo cáo đồ án c Sơ đồ chân Thiết kế mạch điều khiển động cơ PID Hình 21 Sơ đồ chân 8951 Trang 28 Báo cáo đồ án d Chức năng các chân của 8951 8951 có tất cả 40 chân... PID Trang 19 Báo cáo đồ án Hình 13 Pha 1 của động cơ 1 chiều Thiết kế mạch điều khiển động cơ PID Trang 20 Báo cáo đồ án - Pha 2: Rotor tiếp tục quay Hình 14 Pha 2 của động cơ 1 chiều Pha 3: Bộ phận chỉnh điện sẽ đổi cực sao cho từ trường giữa stator và rotor cùng dấu, trở lại pha 1 Hình 15 Pha 3 của động cơ 1 chiều - Cơ chế sinh lực quay của động cơ điện một chiều: + Khi có một dòng điện... MOSFET kênh P dùng cho các khóa phía trên Thiết kế mạch điều khiển động cơ PID Trang 17 Hình 11 Ví dụ MOSFET kênh N điều khiển động cơ Báo cáo đồ án Ban đầu MOSFET không được kích, không có dòng điện trong mạch, điện áp chân S bằng 0 Khi MOSFET được kích và dẫn, điện trở dẫn DS rất nhỏ so với trở kháng của motor nên điện áp chân S gần bằng điện áp nguồn là 12V Do yêu cầu của MOSFET, để... Nguyên lí hoạt động của mạch: Q1 và Q4 cùng dẫn Dòng điện qua motor theo chiều từ Q1 sang Q4, động cơ quay Khi Q2 và Q3 dẫn, động cơ quay theo chiều ngược lại Hình 5 Mạch cầu H Thiết kế mạch điều khiển động cơ PID Trang 13 Báo cáo đồ án Chương II: Giới thiệu linh kiện sử dụng 1 IC HC00A a Cấu trúc CMOS của cổng HC00A b Kí chân trị Hình 6 Cấu trúc của Cmos 2 EL 817 quang, mạch lực khiển - hiệu... zener trên sơ đồ điện: Hình 9 Kí hiệu của zenner Thiết kế mạch điều khiển động cơ PID Trang 15 Báo cáo đồ án 4 Fet IRF 540, IRF9540 MOSFET là viết tắt của cụm Meta Oxide Semiconductor FieldEffect Transistor tức Transisor hiệu ứng trường có dùng kim loại và oxit bán dẫn Thiết kế mạch điều khiển động cơ PID Trang 16 Báo cáo đồ án - Cơ bản, đối với MOSFET kênh N, nếu điện áp chân G lớn hơn... Hình 4 Hai kênh cảm biến của encoder Thiết kế mạch điều khiển động cơ PID Trang 12 Báo cáo đồ án b Mạch cầu H - Mạch công suất Mạch gồm 4 con FET mắc theo cặp thuận nghịch hoạt động không đồng thời giống như hình chữ H Mạch có thời gian đáp ứng nhanh hơn so với mạch công suất dùng relay nên thường được sử dụng cho robot tự động, động cơ PID Mạch phải đảm bảo nguyên tắc Q1 dẫn thì Q3 ngắt... mạch nguồn, led báo có nguồn, loa (để cảnh báo động cơ quá tốc độ) và các nút bấm (reset, tăng, giảm, đảo chiều động cơ) Thiết kế mạch điều khiển động cơ PID Trang 35 Báo cáo đồ án 3 Hình 27 Các phần phụ Mạch thực tế các module Thiết kế mạch điều khiển động cơ PID Trang 36 ... thống không đạt được giá trị mong muốn Hình Cơ chế hoạt động PID Thiết kế mạch điều khiển động PID Trang Báo cáo đồ án b Giải thuật điều khiển PID PID là cách viết tắt của từ Propotional (tỉ... mạch điều khiển động PID Trang 32 Báo cáo đồ án b Mạch điều khiển hiển thị Hình 25 Mạch điều khiển Thiết kế mạch điều khiển động PID Trang 33 Báo cáo đồ án Hình 26 Mạch hiển thị Thiết kế mạch điều. .. mạch điều khiển động PID Trang 37 Báo cáo đồ án Hình 31 Mạch cầu H (lớp bottom) Thiết kế mạch điều khiển động PID Trang 38 Báo cáo đồ án Chương IV: Hiện thực phần mền Giải thuật Hình 32 Giải thuật