ỨNG DỤNG PID TRONG ĐIỀU KHIỂN CON LẮC NGƯỢC

ỨNG DỤNG PID TRONG ĐIỀU KHIỂN CON LẮC NGƯỢC

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 một 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 lắc 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 điều 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 phần

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

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

Đối tượngđiều khiển

Thiết bị điều khiển

Hình 2.1: cấu trúc cơ bản của hệ thống diều khiển

Trong đó :

¾ Điều khiển bù nhiễu

Đối tượngđiều khiểnu(t)

z(t)

y(t)

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 tượngđiều khiểnThiết bị đo

z(t)

y(t)r(t)

Hình 2.3: Sơ đồ điều khiển cân bằng sai lệch

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 tượngđiều khiểnThiết bị đo

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

¾ Nguyên tắc điều khiển thích nghi

Đối tượngđiều khiểnu(t)

z(t)

y(t)

điều khiểnChỉnh 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

KD.s

Bộ PIDr

Hình 2.6: sơ đồ khối bộ điều khiển PID liên tục

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

f So sánh các khâu hiệu chỉnh PI, PD, PID

¾ Ưu điểm của bộ PID:

lớn

hiệu điều khiển

Hình 2.11: sơ đồ khối bộ PID rời rạc

b.Phương trình vi phân PID liên tục

Rời rạc hóa phương trình vi phân bộ điều chỉnh PID liên tục, thu được bộ điều chỉnh PID số như sau:

U(t) thay bằng UK=U(k)

CHƯƠNG 3 CÁC THIẾT BỊ 3.1.Động cơ DC

3.1.1.Định 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 su…

Động cơ sevor DC là động cơ DC thông thường có hồi tiếp encorder hoặc tachometer

Hình 3.1: động cơ DC servo

Cấu tạo chung của động cơ DC gồm: vỏ, trục, ổ bi, phần cảm (stato), phần ứng (roto), cổ góp và chổi điện

Hình 3.2: cấu tạo động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập

Nguồn điện một chiều DC tác động lên cuộn ứng qua cổ góp Cường độ từ trường không thay đồi Tốc độ động cơ chỉ có thể điều khiển thông qua dòng roto Có thể đảo chiều chuyển động bằng cách đảo chiều dòng điện qua roto

Hình 3.3: Động cơ DC từ tường vĩnh cửu

N : số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng

a : số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng

Τ : tốc độ góc rad/s

a

pN K

R R K

Đây là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ

Mặt khác moment điện từ của động cơ được xác định bởi:

3.2.Encoder:

+ 1 chân GND

hay dây trung tính)

b.Encoder tiếp xúc:

Điểm tiếp xúc thực tế của loại Encoder này là giữa đĩa và đọc thông qua chổi than Loại này có nhược điểm là tạo ma sát, hao mòn, bụi bẩn do mụi than, xuất hiện điện trợ tiếp xúc, gây ra rung động … làm giảm độ chính xác và tuổi thọ

Độ phân giãi của Encoder phụ thuộc vào đường rãnh và độ chính xác nhỏ nhất của một rãnh có thể có được trên đĩa, độ phân giải có thể đạt 10 rãnh trên đĩa Độ phân giãi có thể tăng lên bằng cách ghép nhiều tầng đĩa hoặc dùng bộ dếm 9lên xuống cho trạng thái cao nhất của bit

c.Encoder từ trường:

Đối với Encoder từ trường thì đĩa quay của nó được tráng một lớp vật liệu từ, trong

đó những vạch mẫu không được phủ.Các vạch này được đọc bằng một đầu đọc nam châm.Rõ ràng với ưu điểm này thì Encoder từ trường có tuổi thọ cao hơn Encoder tiếp xúc

Hầu hết Encoder được sản xuát với độ chính xác cao, một Segment có bề dáy xấp

xỉ 12 micros Độ phân giải của Encoder quang thông thường có thể đạt đến 14 bits

e.Bộ giải mã tuyệt đối:

tuyệt đối của trục Loại này không cần bộ đếm để đếm xung mà vẫn có thể biết góc quay của trục thiết bị mã hóa

Hình 3.9: Đĩa Encoder quang

Cũng giống như nhiều loại Encoder khác, bộ giải mã tuyệt đối gồm một đĩa tròn, trên đó có những khoảng trong suất và đục Ánh sáng có thể xuyên qua những phần trong suất đến bộ cảm biến quang, khi đĩa quay thì bộ cảm biến bật lên 1 và phần ánh sáng bị chặn bởi phần đục làm cảm biến quang xưống 0 Như vậy cảm biến quang sẽ tạo thành những xung tuần tự

trục xam như góc tọc độ Khi trục của thiết bị mã hóa quay về tọa độ góc này thì góc quay

có thể được hiển thị trên bộ chỉ thị của máy Tín hiệu đầu ra của thiết bị mã hóa không bị ảnh hưởng bởi nhiễu của thiết bị đóng, ngắt và không yêu cầu điều chỉnh góc quay chính xác Hơn nữa, thậm chí nếu tín hiệu mã hóa đầu ra khộng thể đọc vì trục quay quá nhanh, thì góc quay chính xác được ghi khi tốc độ quay giảm xuống, hoặc ngay khi nguồn cho thiết bị mả hóa bị ngắt Thêm nữa, mã hóa sẽ không hoạt động do sự rung động của các thiết bị sử dụng nó

Loại thiết bị mã hóa tuyệt đối, có độ phân giải cao hơn và cho ra các giá trị thay đổi trong phạm vi rộng hơn so với thiết bị mã hóa tăng dần

f Thiết bị mã hóa tăng dần:

Hình 3.10: Thiết bị mã hóa tăng dần trong Encoder

hóa này không có xung ra khi trục không làm việc Do đó cần có một bộ đếm để đếm xung ra

Thiết bị mã hóa ch biết vị trí của trục quay bằng số xung được đếm Dạng thiết bị

mã hóa này chỉ có 1 hay 2 kênh nhõ ra:

Loại 1 chiều (chỉ có đầu kênh A) là loại chỉ sinh ra xung khi trục quay

Loại 2 chiều (có đầu ra kênh A và B) cũng có thể cho biết chiều của trục quay, nghĩa là thuận chiều kim đồng hồ Ngoài ra còn có đầu dây trung tính (xung Z) cho mỗi vòng quay, có nghĩa là nếu quay được 1 vòng thì xung Z lên 1

(A)

g Quay thuận chiều kim đồng hồ:

Hình 3.11: Các kênh tín hiệu ra của Encoder

Hình 3.12: Các kênh tín hiệu ra của Encoder khi động cơ quay thuận

h.Quay ngược chiều kim đồng hồ:

Hình 3.13: Các kênh tín hiệu ra của Encoder khi động cơ quay nghịch

J4 DIPSOC-14x2

1

2 4 6 7

8

9 10

11 12 14

28 25

22

21 20

19 16 PC6(RESET)

PD0 (RXD)PD1 (TXD)PD2 (INT0) PD4 (XCK/T0) VCC

GND

PB6 (XTAL1/TOSC1) PB7 (XTAL2/TOSC2)

PD5 (T1) PD6 (AIN0) PB0 (ICP1)

PC5 (ADC5/SCL) PC4 (ADC4/SDA) PC3 (ADC3) PC0 (ADC0)

GND

AREF AVCC

PB5 (SCK) PB4 (MISO) PB3 (MOSI/OC2) PB2 (SS/OC1B PB1 OC1A

Thursday , October 08, 2009 Title

Size Document Number Rev

C12 0.1uF

SW3 BUT1

R11 1K

INTERRUPTS INTERFACE

1 4

R14 1K

TXD_232

T1 PD6

COM1

1 7 4

C19 104

+5V

OC1A SCK

SW2 BUT2

SW1

RESET

SW4 BUT4

R20 38K

PC5

PD6 ADC0

R13 22K

J6

PWM INTERFACE

1 4

RXD_RF

PD7

JP2

1 2

J2

MODULE ISP LED SEGMEN

6 3

RS232

MOSI

T0

R9 10K

R3 4.7K

R10 1K

R12 22K

PC4

PB6

C9 0.1u

SCK

INT0

X1 7.372M

+ C16 47uF/6V3

PB0

R6 390

R8 22K

C6 18p

C1

104

Hình 3.14: Mạch nguyên lý ATMEGA8

U9 PC817

DIR

D4 POWER LED

+

C1 4.7u

D5 DIR LED

R5 4.7R

PWM

Q2 IRF3205

D2

DIODE

R3 4.7k

Q1 IRF540

5V

5V

+ C2 4.7u

Q3 IRF540

12V

J1

MOTOR

1 24V

R7 4.7R

D3 12V

R10 680

R11 560

24V

R12 1k

R8 220R

12V

C7 10uF 16V

+ C3 4.7u

R13 3k3

U3

IR 2184

8 1

3.5.Kết cấu cơ khí

Hình 3.16: Phần cứng của cơ khí của con lắc ngược

3.6 Mạch Điều Khiến

Hình 3.17: Mạch điều khiển

CHƯƠNG 4 VÀI NÉT VỀ AVR VÀ PHẦN MỀM CODEVISIONAVR 4.1 Tổng Quan AVR

Vi điều khiển AVR do hãng Atmel ( Hoa Kì ) sản xuất được gới thiệu lần đầu

năm1996 AVR có rất nhiều dòng khác nhau bao gồm dòng Tiny AVR ( như AT tiny 13, ATtiny 22…) có kích thước bộ nhớ nhỏ, ít bộ phận ngoại vi, rồi đến dòng AVR ( chẳn hạn AT90S8535, AT90S8515,…) có kích thước bộ nhớ vào loại trung bình và mạnh hơn

là dòng Mega ( như ATmega32, ATmega128,…) với bộ nhớ có kích thước vài Kbyte đến vài trăm Kb cùng với các bộ ngoại vi đa dạng được tích hợp trên chip, cũng có dòng tích hợp cả bộ LCD trên chip ( dòng LCD AVR ) Tốc độ của dòng Mega cũng cao hơn so với các dòng khác Sự khác nhau cơ bản giữa các dòng chình là cấu trúc ngoại vi, còn nhân

thì vẫn như nhau, Hình 4.1 Đặt biệt, năm 2008, Atmel lại tiếp tục cho ra đời dòng AVR

mới là XmegaAVR, với những tính năng mạnh mẽ chưa từng có ở các dòng AVR trước đó

Có thể nói XmegaAVR là dòng MCU 8 bit mạnh mẽ nhất hiện nay

Hình4.1 Các dòng AVR khác nhau: Tiny, AVR và Mega

Cấu trúc cơ bản của vi điều khiển AVR được thể hiện ở hình 4.2

Hình 4.2 Cấu trúc của Vi điều khiển AVR

Nguồn cung cấp sử dụng DC Adaptor 7 đến 12V DC

Các OI không sử dụng của ATMega32 được đưa ra ngoài, sẵn sàng kết nối với thiết bị

ngoại vi khác ngoài ra còn cung cấp sẵn ngõ ISP để nạp chương trình chip MCU

Đa số linh kiện SMD được sử dụng cho kích thước nhỏ gọn Led báo nguồn và Led chỉ báo Ethernet tích hợp sẵn rất tiện lợi theo dõi

4.2.2 Các thanh ghi chính của VDK :

Thanh ghi trạng thái - SREG (STATUS REGISTRY)

nhớ là 0x005F (thường đây là vị trí cuối cùng của vùng nhớ I/O) là một trong số các thanh ghi quan trọng nhất của AVR, vì thế mà tôi dành phần này để giới thiệu về thanh ghi này Thanh ghi SREG chứa 8 bit cờ (flag) chỉ trạng thái của bộ xử lí, tất cả các bit này đều bị

Thanh ghi MCUCR chứa các bits cho phép chúng ta chọn 1 trong 4 MODE trên

cho các ngắt ngoài Dưới đây là cấu trúc thanh ghi MCUCR được trích ra từ datasheet của chip atmega8

MCUCR là một thanh ghi 8 bit nhưng đối với hoạt động ngắt ngoài, chúng ta chỉ

quan tâm đến 4 bit thấp của thanh ghi này (4 bit cao dùng cho Power manager và Sleep Mode), 4 bit thấp là các bit Interrupt Sense Control (ISC), 2 bit ISC11, ISC10 dùng cho INT1 và ISC01, ISC00 dùng cho INT0 Hãy nhìn vào bảng tóm tắt bên dưới để biết chức năng của các bit trên, đây là bảng “chân trị” của 2 bit ISC11, ISC10 Bảng chân trị cho các bit ISC01, ISC00 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 như bên dưới (trích datasheet)

Bit 7 – INT1 gọi là bit cho phép ngắt 1(Interrupt Enable), set bit này bằng 1 nghĩa

bạn cho phép ngắt INT1 hoạt động, tương tự, bit INT0 điều khiển ngắt INT0

Thanh ghi cờ ngắt chung – GIFR (General Interrupt Flag Register) có 2 bit INTF1

và INTF0 là các bit trạng thái (hay bit cờ - Flag) của 2 ngắt INT1 và INT0, nếu có 1 sự kiện ngắt phù hợp xảy ra trên chân INT1, bit INTF1 được tự động set bằng 1 (tương tự cho trường hợp của INTF0), chúng ta có thể sử dụng các bit này để nhận ra các ngắt, tuy nhiên điều này là không cần thiết nếu chúng ta cho phép ngắt tự động, vì vậy thanh ghi này thường không được quan tâm khi lập trình ngắt ngoài Cấu trúc thanh ghi GIFR được trình bày trong hình ngay bên dưới

Các thanh ghi khai báo

I/O

-

4.3 CODEVISIONAVR

4.3.1 Giới thiệu phần mềm CodeVisionAVR:

Trình biên dịch CodeVisionAVR là một trong rất nhiều trình biên dịch C hỗ trợ cho vi điều khiển AVR của Atmel Không như các trình biên dịch khác được điều chỉnh cho phù hợp với tập lệnh AVR, CodeVisionAVR được viết chỉ dành riêng cho AVR Do đó, chương trình tạo ra bởi CodeVisionAVR luôn có sự chính xác cao và không bỏ phí bất kỳ chức năng nào của AVR So với các trình biên dịch khác, CodeVisionAVR tạo ra đoạn

mã có dung lượng nhỏ hơn nhưng hiệu quả hơn Hơn nữa, CodeVisionAVR có thành phần CodeWizard – một công cụ hỗ trợ tạo code vô cùng hiệu quả đổi với người lập trình CodeVisionAVR bao gồm gần như toàn bộ các thành phần của ngôn ngữ ANSI C có thể dùng trong cấu trúc AVR Chương trình còn tích hợp thêm vài chức năng khác để hỗ trợ cho cấu trúc đặc biệt của AVR và những yêu cầu của hệ thống nhúng

CodeVision hỗ trợ chương trình nạp trực tiếp cho vi điều khiển AVR theo tiêu chuẩn SPI, qua cổng COM, I2C, cổng máy in và cổng USB Chức năng Terminal cho phép người lập trình có thể thực hiện việc giao tiếp giữa máy tính với vi điều khiển qua cổng COM

Trong các thư viện sẵn có của CodeVision, ngoài các thư viện chuẩn của ngôn ngữ C, còn có các thư viện hỗ trợ đặc biệt như sau:

CodeVision còn có chức năng tự động tạo mã chương trình (Code Wizard), cho phép tạo ra các chương trình con với các chức năng đặc biệt, giúp người lập trình tiết kiệm thời gian và có được những đoạn chương trình con có độ chính xác và chuẩn mực cao Các

- Khởi tạo ngõ vào/ra

sự khác biệt với các phần mềm chạy trên nền Windows Do đó, người dùng dễ dàng làm quen và sử dụng CodeVision một cách thành thạo

Các thao tác quan trọng trong khi sử dụng CodeVision:

Thực hiện thao tác File/New, màn hình xuất hiện hộp thoại:

Hình 4.3 – Hộp thoại New File

Nhấn chọn Source và chọn OK, màn hình soạn thảo sẽ hiện ra với tên file là untiltled.c Người lập trình có thể lưu file với tên khác tùy chọn

Nhấn File/New, xuất hiện hộp thoại:

Hình 4.4 – Hộp thoại New File

Chọn Project và OK, xuất hiện hộp thoại tiếp theo:

Việc tạo project bằng CodeWizard:

Chọn File/New, sau đó chọn Project Khi xuất hiện hộp thoại Confirm như trên thì chọn Yes để vào CodeWizard Xuất hiện khung lựa chọn như sau:

Hình 4.6 – Cửa sổ CodeWizard

Các Tab xuất hiện để người lập trình chọn lựa, từ loại chip, tần số xung clock đến việc thiết lập các ứng dụng của AVR như: LCD, ngõ vào / ra, ngắt, timer, counter, giao tiếp I2C, SPI, 1 wire, 2 wire, analog comparator, USART…

Sau khi thiết lập các thông số theo ý muốn, nhấn File