ỨNG DỤNG PID TRONG ĐIỀU KHIỂN CON LẮC NGƯỢC

ỨNG DỤNG PID TRONG ĐIỀU KHIỂN CON LẮC NGƯỢC

http://www.ebook.edu.vn 1 CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề Trong giảng dạy, có rất nhiều phương pháp để điều khiển tốc độ động cơ DC nhưng thuật toán PID tỏ ra hiệu quả nhất, thường được dùng minh họa cho các ví dụ thiết kế hệ thống trong môn học điều khiển tự động. Luật điều khiển PID là mộ t thuật toán điều khiển dễ và đơn giản ở các khía cạnh: lý thuyết đơn giản, dễ chế tạo, dễ áp dụng, dễ sử dụng . mà vẫn đạt hiệu quả là đáp ứng được việc điều khiển một quá trình nào đó ở giá trị mong muốn nên được dùng nhiều trong công nghiệp như điều khiển nhiệt độ, áp suất, lưu lượng v.v . Con lắ c ngược được ứng dụng rất nhiều trong kỹ thuật và có thể sử dụng thuật toán PID để điều khiển hệ thống này. Vì vậy nhóm chọn đề tài nghiên cứu là “ỨNG DỤNG PID TRONG ĐIỀU KHIỂN CON LẮC NGƯỢC”. Mô hình con lắc ngược có hai mô hình chính là Rotary và Liner, trong đề tài này nhóm điều khiển mô hình Liner. 1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước Bộ điều khiển PID hiện nay có hai loại: analog và digital. Các bộ đi ều khiển PID có trên thị trường của các hãng lớn thường được đóng gói thành sản phẩm hoàn chỉnh, khi lắp đặt vào hệ thống không cần phải làm gì thêm ngoài việc thiết lập các thông số hoạt động. Công trình nghiên cứu về thiết kế bộ điều chỉnh PID số trong các tài liệu nghiên cứu ở nước ngoài chủ yếu là thiết kế hoàn chỉnh một module điều khiển duy nhất từ thành phầ n xử lý tín hiệu, xử lý và tính toán trung tâm, công suất v.v . Bên cạnh đó, phần mềm (chương trình điều khiển) trên máy tính chủ yếu vẫn là giao diện kiểu Terminal. http://www.ebook.edu.vn 2 Trong nước cũng có nhiều đề tài nghiên cứu và ứng dụng bộ điều khiển PID, nhưng phổ biến vẫn là dạng PID analog, bộ điều khiển PID số vẫn còn ít và chưa thật hoàn chỉnh. http://www.ebook.edu.vn 3 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Lý thuyết điều khiển tự động. 2.1.Khái niệm: a.Điều khiển. Là quá trình thu tập thông tin, xử lí thông tin và tác động lên hệ thống để đáp ứng hệ thống thõa yêu cầu đặt ra. Điều khiển tự động là quá trình điều khiển không có sự can thiệp của con người. b.Hệ thống điều khiển. Gồm ba thành phần c ơ bản: Bộ điều khiển, Đối tượng điều khiển, Thiết bị đo. Như hình sau : Bộ điều khiển Đối tượng điều khiển Thiết bị đo Bộ so e(t) u(t) z(t) y(ht) y(t)r(t) Thiết bị điều khiển Hình 2.1: cấu trúc cơ bản của hệ thống diều khiển. http://www.ebook.edu.vn 4 Trong đó : • r(t): tín hiệu vào. • e(t) : tín hiệu sai lệch. • u(t) : tín hiệu điều khiển. • z(t): tín hiệu nhiễu. • y(t) : tín hiệu ra. • y ht (t) : tín hiệu hồi tiếp c. Bộ điều khiển. Dùng tín hiệu sai lệch e để tạo tín hiệu điều khiển u. Thuật toán để xác định u(t) gọi là thuật toán điều khiển. Bộ điều khiển liên tục có thể thực hiện bằng cơ cấu cơ khí, thiết bị khí nén, mạch điện RLC, mạch khuyếch đại thuật toán. Bộ điều khi ển số thực chất là các chương trình phần mềm chạy trên vi xử lí hay máy tính. d. Các nguyên tắc điều khiển. ¾ Nguyên tắc giữ ổn định. Giữ tín hiệu ra bằng tín hiệu vào. Có ba nguyên tắc điều khiển giữ ổn định. http://www.ebook.edu.vn 5 ¾ Điều khiển bù nhiễu. Đối tượng điều khiển u(t) z(t) y(t)r(t) Bộ điều khiển Hình 2.2: sơ đồ diều khiển bù nhiễu. Hệ thống lường trước nhiễu để tính toán, bù trừ sai số trước khi nhiễu ảnh hưởng đến đối tượng. Vì không thể lường hết các nhiễu nên điều khiển bù nhiễu chất lượng không cao. ¾ Điều khiển san bằng sai lệch. Bộ điều khiển Đối tượng điều khiển Thiết bị đo e(t) u(t) z(t) y(t)r(t) Hình 2.3: Sơ đồ điều khiển cân bằng sai lệch. http://www.ebook.edu.vn 6 Tín hiệu ra y(t) được đo và phản hồi về so sánh với tín hiệu vào r(t). Bộ điều khiển sử dụng độ sai lệch vào-ra để tính toán tín hiệu điều khiển u(t). Nguyên tắc này có thể triệt tiêu các nhiễu không biết trước và không đo được. Tuy nhiên, nó điều khiển sau khi nhiễu đã thực sự ảnh hưởng đến đối tượng. ¾ Điều khiển phối hợp. Bộ điều khiển Đối tượng điều khiển Thiết bị đo e(t) u(t) z(t) y(t)r(t) Hình 2.4: sơ đồ điều khiển phối hợp. ¾ Nguyên tắc điều khiển theo chương trình. Tín hiệu ra thay đổi theo một hàm thời gian định trước. http://www.ebook.edu.vn 7 ¾ Nguyên tắc điều khiển thích nghi. Đối tượng điều khiển u(t) z(t) y(t)r(t) Bộ điều khiển Chỉnh định Hình 2.5: sơ đồ điều khiển thích nghi Khi cần điều khiển các đối tượng phức tạp, có thông số dễ bị thay đổi, hoặc nhiều đối tượng đồng thời mà phải đảm bảo cho một tín hiệu có giá trị cực trị, hay một chỉ tiêu tối ưu nào đó. 2.2.Bộ điều chỉnh PID liên tục. a.Sơ đồ khối: e G(s) y Kp Ki/s K D .s Bộ PID r Hình 2.6: sơ đồ khối bộ điều khiển PID liên tục http://www.ebook.edu.vn 8 b. Phương trình vi phân: Hình 2.7: đường đặc tính động học bộ PID Trong đó: • KP : hệ số khuyếch đại. • KI : tốc độ tích phân. • KD: hằng số thời gian vi phân. • TI: thời gian hiệu chỉnh. • TD:thời gian tác động sớm. http://www.ebook.edu.vn 9 c.Kí hiệu PID: Hình 2.8: kí hiệu bộ PID d.Hàm truyền : 2 dpi d Ks Ks K Ki G(s) Kp K s ss ++ =++ = e.Đặc tính quá độ : Hình 2.9: biểu đồ đặc tính quá độ của bộ PID Khi không có thành phần I,D ta được bộ điều khiển P. Tương tự ta có bộ điều khiển PI, PD. http://www.ebook.edu.vn 10 f. So sánh các khâu hiệu chỉnh PI, PD, PID. Hình 2.10: đáp ứng quá độ hệ thống ¾ Nhận xét : • Khâu PI tốc độ đáp ứng nhanh, giảm thời gian quá độ nhưng độ vọt lố tăng. • Khâu PD giảm độ vọt lố, không ảnh hưởng sai số và giảm dao động. • Khâu PID với thông số thích hợp có thể hiệu chỉnh để hệ thống ổn định với sai s ố xác lập bằng 0, độ vọt lố và thời gian quá độ đạt yêu cầu mong muốn. [...]...Ưu điểm của bộ PID: • e(t) lớn : thông qua up(t), tín hiệu diều khiển u(t) càng lớn • e(t) chưa bằng 0: thông qua uI(t), PID vẫn còn tạo tín hiệu điều khiển • e(t) thay đổi lớn : thông qua uD(t), phản ứng của u(t) càng nhanh 2.3 Bộ điều chỉnh PID số (rời rạc) a.Sơ đồ khối r(t) e(t) e(k) T PID số u(k) ZOH y(t) G(s) Hình 2.11: sơ đồ khối bộ PID rời rạc b.Phương trình vi phân PID liên tục Rời rạc... nghĩa: Động cơ điện một chiều (DC) đã được sử dụng trong công nghiệp trong nhiều năm qua Cùng với các bộ điều khiển DC, động cơ điện một chiều cung cấp sự điều khiển rất chính xác Động cơ điện một chiều được sử đụng ở những nơi yêu cầu moment mở máy lớn hoặc yêu cầu điều chỉnh tốc độ bằng phẳng và phạm vi rộng như băng tải, thang máy, máy ép, những ứng dụng trong ngành hàng hải, cán vật liệu, giấy, cao... + (Rư + Rf)*Iư Trong đó: Uư : đệin áp phần ứng (V) Eư : sức điện động phần ứng (V) Rư : điện trở mạch phần ứng (Σ) Rf : điện trở phụ trong mạch phần ứng (Σ) Iư : dòng điện trong mạch phần ứng (A) o Rư = rư + rcf + ri + rct Trong đó: rư : điện trở cuộn dây phần ứng rcf : điện trở cuộn dây cực từ phụ ri : điện trở cuộn bù rct : điện trở tiếp xúc của chổi điện Sức điện động Eư của phần ứng động cơ được... Giả thiết phản ứng phần ứng được bù đủ từ thông thông Ф = const, thì các phương trình đặc tính cơ điện và phương trình đặc tính cơ là tuyến tính Đồ thị của chúng được biểu diễn trên hình 5, 6 16 http://www.ebook.edu.vn ω ωo ω dm I DM I NM I Hình 3.5: Đặc tính cơ điện của động cơ DC kích từ độc lập Hình 3.6: Đặc tính cơ của động cơ DC kích từ độc lập Ứng dụng -Robot -Điều khiển X,Y -Dùng trong cơ khí... nhau: Tiny, AVR và Mega Cấu trúc cơ bản của vi điều khiển AVR được thể hiện ở hình 4.2 26 http://www.ebook.edu.vn Hình 4.2 Cấu trúc của Vi điều khiển AVR 27 http://www.ebook.edu.vn 4.2 Cấu trúc AVR 4.2.1.Các tính năng chính: Microcontroller sử dụng chíp ATMega32 của Atmel, tần số thạch anh 16MHz RJ45 socket sử dụng lọai tích hợp biến áp Giao tiếp Ethernet sử dụng chip ENC28J60 MAC/PHY của Microchip, provides... hoàn toàn tương tự Thanh ghi điều khiển ngắt chung – GICR (General Interrupt Control Register) (trên các chip AVR cũ, như các chip AT90Sxxxx, thanh ghi này có tên là thanh ghi mặt nạ ngắt thông thường GIMSK, bạn tham khảo thêm datasheet của các chip này nếu cần sử dụng đến) GICR cũng là 1 thanh ghi 8 bit nhưng chỉ có 2 bit cao (bit 6 và bit 7) là được sử dụng cho điều khiển ngắt, cấu trúc thanh ghi... D3 12V 5 3 CON1 GND 2 1 OUT 3 R11 560 2 J2 6 5V C7 C8 10uF 16V 10uF 16V POWER LED 5V R12 1k D5 DIR LED D4 R13 3k3 4 DIR 1 R14 330 3 U9 PC817 2 DIR 1 D2 R1 3 2 Title Size B Date: Document Number Monday , May 17, 2010 Rev . toán PID để điều khiển hệ thống này. Vì vậy nhóm chọn đề tài nghiên cứu là “ỨNG DỤNG PID TRONG ĐIỀU KHIỂN CON LẮC NGƯỢC”. Mô hình con lắc. http://www.ebook.edu.vn 2 Trong nước cũng có nhiều đề tài nghiên cứu và ứng dụng bộ điều khiển PID, nhưng phổ biến vẫn là dạng PID analog, bộ điều khiển PID số vẫn