HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ THU THẬP DỮ LIỆU NHIỀU KÊNH

1 Tham khảo: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ THU THẬP DỮ LIỆU NHIỀU KÊNH I.u cầu: Khảo sát làm mơ hình hai lò nhiệt dung vi điều ểnPIC 16F877A giao tiếp máy tính Nhận dạng hàm truyền lò nhiệt dùng đáp ứng n ấc hệ hở ZieglerNichols Điều khiển thu thập lệu đồng thời lò nhiệt theo phương pháp on/off PID s ố Viết chương trình VB6.0, chương trình CCS cho PIC Cảm biến nhiệt độ l LM35 II Phần l ý thuyết chuẩn bị: Thuật tốn PID số: Bộ điều khiển PID (A proportional integral derivative controller) điều khiển sử dụng kỹ tht điều khiển theo vòng lặp có hồi tiếp sử dụng rộng rãi hệ thống điều khiển tự động Một điều khiển PID cố gắng hiệu chỉnh sai lệch tín hiệu ngõ ngõ vào sau đưa một tín hiệu điều khiển để điều chỉnh q trình cho phù hợp 1.1 Hàm truyền đạt Hàm truyền khâu PID liên tục là:   GC (s ) = K p 1 + + Td s   Ti s  Với e(t) đầu vào, u(t) đầu thì:  de(t )  u (t ) = K p e(t ) + ∫ e(t )dt + Td Ti dt   Hay viết dạng khác: K GC (s ) = K p + i + Td s s Với: – Kp độ lợi khâu tỷ lệ (Proportional gain) – Ki độ lợi khâu tích phân (Integral gain) – Kd độ lợi khâu vi phân (Derivative gain) Hướng dẫn thí nghiệm điều khiển tự độ (bổ sung)-©Huỳnh Minh Ngọc Việc hiệu chỉnh thơng số KP, KI, KD làm tăng chất lượng điều khiển Ảnh hưởng thơng số lên hệ thống sau: Thời gian Thời gian q Đáp ứng vòng kín Vọt lố Sai sơ xác lập tăng độ Kp Giảm Tăng Thay đổi nhỏ Giảm Ki Giảm Tăng Tăng Loại bỏ Kd Thay đổi nhỏ Giảm Giảm Thay đổi nhỏ Chú ý mối liên hệ khơng xác hồn tồn Kp, Ki, Kd phụ thuộc vào Biến đổi điều khiển PID liên tục dạng PID số Bộ điều khiển PID có hàm truyền dạng liên tục sau: K G( s) = K p + i + K d s s Có phương pháp để biến đổi Z hàm truyền z −1 T z −1 Phương pháp biến đổi Z ngược: s = zT z −1 Phương pháp hình thang : s = T z +1 Phương pháp biến đổi Z thuận: s = Áp dụng phương pháp biến đổi ngược cho khâu vi phân biến đổi hình thang cho khâu tích phân ta có hàm truyền sau: G(z ) = K p + K iT `  z +  K d  z −   +    z −1 T  z  Viết lại G(z) ta có: KT K   K T K d  −1  K d  −   K p + i + d  + − KP + i − z +  z T   T  T    G (z ) = − z −1 Đặt: a0 = K p + K iT K d + T ; a1 = − K P + KiT K d − T ; a2 = Kd T Ta có: G (z ) = a0 + a1 z −1 + a2 z −2 − z −1 Từ đó, ta tính tín hiệu điều khiển u(k) tín hiệu vào e(k) sau: u (k ) = G ( z )e(k ) = a0 + a1 z −1 + a2 z −2 e(k ) − z −1 Áp dụng tính chất dời thời gian theo biến đổi Z ta có: u (k ) = u (k − 1) + a0e(k ) + a1e(k − 1) + a2 e(k − 2) Hướng dẫn thí nghiệm điều khiển tự độ (bổ sung)-©Huỳnh Minh Ngọc 1.2Tìm thơng số cho điều khiển PID Tìm thơng số cho điều khiển PID theo phương pháp Zeigler-Nichols Thơng số Bộ ĐK Kp Ti Td Kp T/(L*K) Vơ Ki 0,9T/(L*K) L/3 Kd 1,2T/(L*K) 2L 0,5L 2.H àm truyền lò điện mơ hình Ziegler-Nichols: Lò nhiệt có đầu vào điện áp (hay cơng suất) cung cấp cho dây điện trở ngõ nhiệt độ bên lò Để lập hàm truyền lò nhiệt ta phải khảo sát phương trình vi phân mơ tả quan hệ nhiệt độ lượng Đây tốn phức tạp muốn mơ tả xác hàm truyền phi tuyến hệ thống Một cách gần đúng, ta xem mơi trường nung đồng chất, đẳng nhiệt Từ phương trình cân lượng : điện cung cấp dùng để bù vào lượng nhiệt truyền bên ngồi tích nhiệt vào mơi trường nung, ta tính hàm truyền lò bậc nhất, có dạng sau: Trong : P: cơng suất cung cấp θ: độ tăng nhiệt nhiệt độ ngõ so với nhiệt độ mơi trường K: hệ số tỉ lệ cho biết quan hệ vào chế độ xác lập T: thời hằng, thể qn tính nhiệt hệ thống Mơ hình hàm truyền cho thấy q trình q độ với đầu vào hàm nấc có dạng hàm mũ Thực tế cho thấy mơ hình gần đúng, hệ thống có bậc cao q trình q độ đầu vào hàm nấc khơng vọt lố, có dạng hình sau cho nhiệt độ đầu Hướng dẫn thí nghiệm điều khiển tự độ (bổ sung)-©Huỳnh Minh Ngọc Theo Ziegler-Nichols hệ thống biểu diễn dạng hàm truyền sau : Hướng dẫn thí nghiệm điều khiển tự độ (bổ sung)-©Huỳnh Minh Ngọc bao gồm khâu qn tính hệ số khuếch đại K thời T, khâu trễ thời gian L, thơng số có th lấy kẻ tiếp tuyến điểm uốn cho đồ thị q độ hàm nấc hình vẽ bên Hệ số khuếch đại K tính sau : K= nhietdoxaclap %congsuat Khi nhiệt độ ban đầu khác khơng, K tính từ độ tăng nhiệt độ ngõ so với mơi trường Để áp dụng cho hệ tuyến tính, ta lấy khai triển Taylor eLS, hàm truyền trở nên : G ( s) = K (1 + Ls )(1 + Ts ) Tóm lại, Ziegler-Nichols xấp xỉ hàm truyền lò với hệ bậc có trễ hay hệ tuyến tính bậc hai, cho phép tìm hàm truyền thực nghiệm vẽ q trình q độ hệ thống với ngõ vào hàm nấc 3.Bộ điều khiển ON/OFF Sơ đồ khối W(k) W(k) u(k) Lò nhiệt y(k) Khâu relay Hình : Sơ đồ khối điều khiển nhiệt độ theo kiểu on/off Phương pháp điều khiển on/off hay gọi phương pháp đóng ngắt hay relay có trễ Cơ cấu chấp hành đóng nguốn cung cấp lượng mức tối đa cho dây đốt nóng nhiệt độ đặt W(k) lớn nhiệt độ đo y(k) Còn ngược lại mạch ngắt nguồn y(k)> w(k) Một vùng trễ đưa vào để hạn chế tần số đóng ngắt sơ đồ khối trên: nguồn đóng sai số e(k) lớn ngắt e(k) < - nhiệt độ y(k) se giao đơng quanh giá trị đặt w(k) cn gọi vùng trễ relay Hướng dẫn thí nghiệm điều khiển tự độ (bổ sung)-©Huỳnh Minh Ngọc -Ưu điểm điều khiển on/off: +Thiết bị tin cậy, đơn giản,chắc chắn hệ thống ln hoạt động với tải + Tính tốn thết kế phức tạp cân chỉnh dễ dàng - Nhược điểm sai số xác lập lớn hệ cân đơng quanh nhiệt độ đặt thay đổi theo tải.Khuyết điểm thay đổi giảm vùng trễ cách dùng phần tử đóng ngắt điện tử mạch cơng suất III.HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU NHIỀU KÊNH 3.1 Sơ đồ phần cứng: 3.1.1.Sơ đồ khối hệ thống Máy tính Vi xử lý Mạch cơng suất Bóng đèn Cảm biến Bóng đèn Cảm biến Máy tính:Dùng để tạo giao diện với người dùng, hiển thị giá trị nhiệt độ đo đồ thị thay đổi nhiệt độ đo, đồng thời nơi người dùng nhập giá trị nhiệt độ đặt máy tính sẻ gửi giá trị đặt xuống VXL nhận liệu từ VXL truyền lên sau tính tốn theo cơng thức PID số rời gửi giá trị delay xng cho VXL Vi xử lý:Trao đổi liệu với máy tính, chuyển đổi giá tri ADC từ chân AN0 AN1, xuất xung điều khiển đóng ngắt TRIAC Trong đồ án em sử dụng PIC16F877A Hướng dẫn thí nghiệm điều khiển tự độ (bổ sung)-©Huỳnh Minh Ngọc Mạch cơng suất:Cách ly điện áp phận chấp hành VXL, khuếch đại cơng suất, mạch bao gồm thành phần đồng pha thành phần đóng ngắt TRIAC Bóng đèn:Đốt nóng làm thay đổi nhiệt độ mơi trường bóng đèn dùng mơ hình bóng đèn sợi đốt 75W, 220 VAC Cảm biến:Đo lường giá trị nhiệt độ mơi trường đưa tín hiệu VXL, cảm biến dùng mơ hình cảm biến LM35 có phân giải 10mV/ 1độ C Độ xác cao, tính cảm biến nhiệt độ nhạy, nhiệt độ 25(0C) có sai số khơng q1% Với tầm đo từ 0(0C) đến 128(0C) , tín hiệu ngõ tuyến tính liên tục với thay đổi tínhiệu nhõ vào.* Thơng số kỹ thuật:- Tiêu tán cơng suất thấp - Dòng làm việc từ 400µA đến 5mA.- Dòng ngược 15mA.- Dòng thuận 10mA.- Độ xác: làm việc nhiệt độ 25(0C) với dòng làm việc 1mA điện áp ngõ từ 2,94V đến3,04V 3.1.2 Sơ đồmạch chi tiết: Cảm biến nhiệt độ LM35 DZ: Hướng dẫn thí nghiệm điều khiển tự độ (bổ sung)-©Huỳnh Minh Ngọc Hình dạng Hình : hình dạng cảm biến LM35 - LM35 cảm biến nhiệt độ analog, nhiệt độ xác định cách đo hiệu điện ngõ LM35: + Đơn vị nhiệt độ: °C + Có mức điện áp thay đổi trực độ C (10mV/*C) + Có hiệu cao, cơng suất tiêu thụ 60uA + Sản phẩm khơng cần phải canh chỉnh nhiệt độ sử dụng + Độ xác thực tế: 1/4°C nhiệt độ phòng 3/4°C ngồi khoảng -55°C tới 150°C + Chân +Vs chân cung cấp điện áp cho LM35DZ hoạt động (4—20V) + Chân Vout chân điện áp ngõ LM35DZ, đưa vào chân Analog ADC + Chân GND chân nối mass,lưu ý cần nối mass chân để tránh làm hỏng cảm biến làm giảm sai số q trình đo Hướng dẫn thí nghiệm điều khiển tự độ (bổ sung)-©Huỳnh Minh Ngọc Cảm biến LM35 thứ đưa tín hiệu Vo vào chân AN0 PIC 16F877A, để đo nhiệt độ từ lò (điều khiển PID) Cảm biến LM35 thứ hai đưa tín hiệu Vo vào chân AN1 PIC 16F877A, để đo nhiệt độ từ lò hai (điều khiển on/off ) Khối mạch vi xử lý PIC16F877A Đây board mạch đồ án Vi xử lý cấp nguồn , kết nối mạch reset , gắn thạch anh 4MHz, chân port đưa ngồi để kết nối với thiết bị ,các mạch khác thơng qua jack cắm Mạch xử lý thu thập liệu nhiệt độ từ cảm biến thơng qua mạch khuyếch đại ADC truyền lên máy tính Đồng thời nhận liệu điều khiển từ máy tính gửi xuống ,rồi sau xử lý xuất tin hiệu điều khiển mạch cơng suất Hình : mạch vi xử lý Hướng dẫn thí nghiệm điều khiển tự độ (bổ sung)-©Huỳnh Minh Ngọc 10 3.Mạch cơng suất mach tao xung vuong tu hinh sin mach cong suat den vcc on pid R4 on J4 J3 + v cc R1 rb0 - LM358 330 220VAC U4 U3 2 MOC3020 10VAC sin2 330 J1 CON2 330 R3 U1A U2 sin1 D2 Q1 TRIAC R2 DIODE LOAD CON2 1k J2 tx rx mach cong suat den CON2 v cc R6 pid J5 sin1 330 R5 C6 CON2 C7 J7 rb0 C1+ VCC C1C2+ V+ C2MAX232 CAP R1IN R2IN T1OUT T2OUT 13 14 16 C9 V- C10 10u MOC3020 C11 104 C8 10u CON2 Hướng dẫn thí nghiệm điều khiển tự độ (bổ sung)-©Huỳnh Minh Ngọc LOAD Q2 TRIAC CAP U6 COM PORT U5 T2IN T1IN R1OUT R2OUT vcc rx CAP U7 10 11 12 GND v cc 15 tx J6 sin2 330 P1 mach giao tiep RS232 CON2 24 kd = Val(Text3.Text) If x1 < 10 Or x1 > 100 Then MsgBox "gia tri nhap khong dung" Else Command2.Enabled = True End If If x2 < 10 Or x2 > 100 Then MsgBox "gia tri nhap khong dung" Else Command6.Enabled = True End If End Sub Private Sub Command8_Click() ' TAT LO1 MSComm1.Output = "m" 'goi ma nhan End Sub Private Sub Command9_Click() ' TAT LO2 MSComm1.Output = "y" 'goi ma nhan MSComm1.Output = Chr(10) End Sub Private Sub Form_Load() 'cho phep cong com hoat dong MSComm1.Settings = "9600,N,8,1" ' toc truyen,mac dinh,8 bit du lieu,1 bit stop MSComm1.CommPort = 'dung cong com thu MSComm1.RThreshold = 'nhan byte thi xay ngat MSComm1.SThreshold = MSComm1.PortOpen = True 'cho phep mo conng com MSComm1.OutBufferCount = Command6.Enabled = False Command2.Enabled = False mm.XGridNumber = 10 mm.YGridNumber = 10 End Sub Private Sub Command1_Click() ' KET NOI Label11.Caption = "ket noi khong cong" MSComm1.RThreshold = MSComm1.Output = "c" ' gui ma kiem tra ket noi 'gui ma ket noi xuong vxl 'kiem tra ma ket noi Hướng dẫn thí nghiệm điều khiển tự độ (bổ sung)-©Huỳnh Minh Ngọc 25 End Sub Private Sub Command2_Click() ' BAT LO1 x1 = Val(Text4.Text) 'nhiet dat pid y1 = Val(Text5.Text) ' nhiet do x2 = Val(Text6.Text) 'nhiet dat on/off y2 = Val(Text7.Text) 'nhiet do kp = Val(Text1.Text) ki = Val(Text2.Text) kd = Val(Text3.Text) MSComm1.Output = "k" 'goi ma bat lo End Sub Private Sub MSComm1_OnComm() dem = MSComm1.Input If m = Then m=0 y1 = Asc(dem) Text5.Text = y1 PID 'goi chuong trinh PID MSComm1.Output = "x" MSComm1.Output = Chr(40 - ketqua) ' goi gia tri de lay xuong VXL End If If m = Then y2 = Asc(dem) Text7.Text = y2 m=0 End If If dem = "c" Then Label11.Caption = "ket noi cong" m=0 End If If dem = "x" Then m=1 End If If dem = "y" Then m=2 End If End Sub Private Sub Timer1_Timer() y1 = Val(Text5.Text) y2 = Val(Text7.Text) h=h+1 Hướng dẫn thí nghiệm điều khiển tự độ (bổ sung)-©Huỳnh Minh Ngọc 26 Timer1.Enabled = True Timer1.Interval = 100 mm.AddElement mm.Element = mm.ElementLineColor = vbYellow mm.ElementWidth = mm.PlotXY h, y1, mm.AddElement mm.Element = mm.ElementLineColor = vbBlue mm.ElementWidth = mm.PlotXY h, y2, mm.SetRange 0, h, 30, 100 'cai dat gioi han cho hai truc End Sub Sub PID() Dim t As Single t = 0.02 'gia tri thoi gian lay mau bang voi thoi gian ngat EXT =20 ms x1 = Val(Text4.Text) y1 = Val(Text5.Text) kp = Val(Text1.Text) ki = Val(Text2.Text) kd = Val(Text3.Text) e2 = x1 - y1 A0 = kp + ki * t / + kd / t A1 = - kp + ki * t / - * kd / t A2 = kd / t delay = delay1 + A0 * e2 + A1 * e1 + A2 * e0 ketqua = delay If ketqua >= 40 Then ketqua = 40 ElseIf ketqua < Then ketqua = End If delay1 = delay e0 = e1 e1 = e2 End Sub Hướng dẫn thí nghiệm điều khiển tự độ (bổ sung)-©Huỳnh Minh Ngọc 27 Bài 5: Hiện thực hệ thống điều khiển nhiệt độ I.Mục tiêu: Khảo sát làm mơ hình lò nhiệt dung vi điều ểnPIC 16F877A/887 giao tiếp máy tính Nhận dạng hàm truyền lò nhiệt dùng đáp ứng n ấc hệ hở ZieglerNichols Điều khiển thu thập lệu nhiệt độ lò nhiệt theo phương pháp on/off PID s ố -Sử dụng chương trình VB6.0, chương trình CCS cho PIC Cảm biến nhiệt độ l LM35 II Cơ sở lý thuyết: 1.Sơ đồ khối: Hệ thống điều khiển nhiệt độ dung vi điều khiển PIC 16F877A/887 có giao tiếp máy tính Máy tính Vi điều khiển PIC16F877A/ 887 Mạch cơng suất Lò nhiệt ADC Cảm biến nhiệt LM35 Trong đó: -Máy tính: làm nhiệm vụ thu thập, hiển thị liệu, vẽ đồ thị nhiệt độ máy tính -Vi điều điều khiển 16F877A/887: làm nhiệm vụ đọc giá trị A/D từ cảm biến nhiệt LM35 gửi tín hiệu lên máy tính, ngồi vi điều khiển xuất tín hiệu điều khiển mạch cơng suất để đóng ngắt lò nhiệt Vi điều khiển nhận tín hiệu từ máy Hướng dẫn thí nghiệm điều khiển tự độ (bổ sung)-©Huỳnh Minh Ngọc 28 tính gửi xuống Máy tính giao tiếp với vi điều khiển thong qua IC Max232 PIC 16F877A/887 có ADC 10 bit bên với kênh ngõ vào -Mạch cơng suất: làm nhiệm vụ đóng ngắt lò nhiệt, sử dụngOpto-triac -Cảm biến nhiệt độ LM35: cảm biến nhiệt độ, chuyển tín hiệu nhiệt độ thành điện áp Độ nhạy 10mV/0C Ngõ cảm biến nhiệt đưa vào AN0(RA0) Bit RB1: điều khiển neon RB1=’1’: neon tắt, RB1=’0’: neon sáng Bit RB2: điều khiển quạt RB2=’1’: quạt tắt, RB2=’0’: quạt quay 2.H àm truyền lò điện mơ hình Ziegler-Nichols: Lò nhiệt có đầu vào điện áp (hay cơng suất) cung cấp cho dây điện trở ngõ nhiệt độ bên lò Để lập hàm truyền lò nhiệt ta phải khảo sát phương trình vi phân mơ tả quan hệ nhiệt độ lượng Đây tốn phức tạp muốn mơ tả xác hàm truyền phi tuyến hệ thống Một cách gần đúng, ta xem mơi trường nung đồng chất, đẳng nhiệt Từ phương trình cân lượng : điện cung cấp dùng để bù vào lượng nhiệt truyền bên ngồi tích nhiệt vào mơi trường nung, ta tính hàm truyền lò bậc nhất, có dạng sau: Trong : P: cơng suất cung cấp θ: độ tăng nhiệt nhiệt độ ngõ so với nhiệt độ mơi trường K: hệ số tỉ lệ cho biết quan hệ vào chế độ xác lập T: thời hằng, thể qn tính nhiệt hệ thống Mơ hình hàm truyền cho thấy q trình q độ với đầu vào hàm nấc có dạng hàm mũ Thực tế cho thấy mơ hình gần đúng, hệ thống có bậc cao q trình q độ đầu vào hàm nấc khơng vọt lố, có dạng hình sau cho nhiệt độ đầu Hướng dẫn thí nghiệm điều khiển tự độ (bổ sung)-©Huỳnh Minh Ngọc 29 Theo Ziegler-Nichols hệ thống biểu diễn dạng hàm truyền sau : Hướng dẫn thí nghiệm điều khiển tự độ (bổ sung)-©Huỳnh Minh Ngọc 30 bao gồm khâu qn tính hệ số khuếch đại K thời T, khâu trễ thời gian L, thơng số có th lấy kẻ tiếp tuyến điểm uốn cho đồ thị q độ hàm nấc hình vẽ bên Hệ số khuếch đại K tính sau : K= nhietdoxaclap %congsuat Khi nhiệt độ ban đầu khác khơng, K tính từ độ tăng nhiệt độ ngõ so với mơi trường Để áp dụng cho hệ tuyến tính, ta lấy khai triển Taylor eLS, hàm truyền trở nên : G ( s) = K (1 + Ls )(1 + Ts ) Tóm lại, Ziegler-Nichols xấp xỉ hàm truyền lò với hệ bậc có trễ hay hệ tuyến tính bậc hai, cho phép tìm hàm truyền thực nghiệm vẽ q trình q độ hệ thống với ngõ vào hàm nấc 3.Bộ điều khiển ON/OFF Sơ đồ khối W(k) W(k) u(k) Lò nhiệt y(k) Khâu relay Hình : Sơ đồ khối điều khiển nhiệt độ theo kiểu on/off Phương pháp điều khiển on/off hay gọi phương pháp đóng ngắt hay relay có trễ Cơ cấu chấp hành đóng nguốn cung cấp lượng mức tối đa cho dây đốt nóng nhiệt độ đặt W(k) lớn nhiệt độ đo y(k) Còn ngược lại mạch ngắt nguồn y(k)> w(k) Một vùng trễ đưa vào để hạn chế tần số đóng ngắt sơ đồ khối trên: nguồn đóng sai số e(k) lớn ngắt e(k) < - nhiệt độ y(k) se giao đơng quanh giá trị đặt w(k) cn gọi vùng trễ relay Hướng dẫn thí nghiệm điều khiển tự độ (bổ sung)-©Huỳnh Minh Ngọc 31 -Ưu điểm điều khiển on/off: +Thiết bị tin cậy, đơn giản,chắc chắn hệ thống ln hoạt động với tải + Tính tốn thết kế phức tạp cân chỉnh dễ dàng - Nhược điểm sai số xác lập lớn hệ cân đơng quanh nhiệt độ đặt thay đổi theo tải.Khuyết điểm thay đổi giảm vùng trễ cách dùng phần tử đóng ngắt điện tử mạch cơng suất 4.Bộ điều khiển PID số: Thuật tốn PID số: R + e Bộ điều khiển PID u Lò nhiệt - Trong đó: R: nhiệt độ đặt C: nhiệt độ E:sai lệch= r-c U: tín hiệu điều khiển Hàm truyền điều khiển PID số sau: Bộ điều khiển PID có hàm truyền dạng liên tục sau: G pid ( s ) = U (s) K = K p + i + K d s (1) E (s) s Hướng dẫn thí nghiệm điều khiển tự độ (bổ sung)-©Huỳnh Minh Ngọc c 32 Phương pháp đáp ứng nấc Ziegler-Nichols Một phương pháp đơn giản để xác định tham số điều khiển PID dựa liệu đáp ứng nấc Ziegler-Nichols Phương pháp dùng hai tham số bảng sau: Với a=K.L/T Bảng Kp Ti Td Bộ điều khiển P 1/a PI 0.9a L/0,3 PID 1.2/a 2L L/2 Có phương pháp để biến đổi Z hàm truyền (1) z −1 T z −1 Phương pháp biến đổi ngược: s = zT z −1 Phương pháp hình thang : s = T z +1 Phương pháp biến đổi thuận: s = Áp dụng phương pháp biến đổi ngược cho khâu vi phân biến đổi hình thang cho khâu tích phân ta có hàm truyền sau: G (z ) = U ( z) K T ` z +  Kd  z −  = Kp + i  +    z −1 T  z  E( z) Viết lại G(z) ta có: KT K   K T K d  −1  K d  −   K p + i + d  + − KP + i − z +  z T   T  T    ( ) G z = − z −1 Đặt: a0 = K p + Ta có: KiT K d + T ; G (z ) = a1 = − K P + KiT K d − T ; a2 = Kd T a0 + a1 z −1 + a2 z −2 − z −1 Từ đó, ta tính tín hiệu điều khiển u(k) tín hiệu vào e(k) sau: u (k ) = G ( z )e(k ) = a + bz −1 + cz −2 e(k ) − z −1 Áp dụng tính chất dời thời gian theo biến đổi Z ta có: u (k ) = u (k − 1) + a0e(k ) + a1e(k − 1) + a2 e(k − 2) Đặc trưng điều khiển P,I,D Hướng dẫn thí nghiệm điều khiển tự độ (bổ sung)-©Huỳnh Minh Ngọc 33 Điều khiển tỉ lệ (Kp) có ảnh hưởng làm giảm thời gian lên giảm khơng loại bỏ sai số xác lập Điều khiển tích phân (Ki) loại bỏ sai số xác lập làm đáp ứng q độ xấu Điều khiển vi phân (Kd) có tác dụng làm tăng ổn định hệ thống, giảm vọt lố cải thiện đáp ứng q độ Ảnh hưởng điều khiển Kp, Ki, Kd lên hệ thống vòng kín cho bảng sau Bảng Đáp ứng vòng Thời gian lên Vọt lố Thời gian xác kín Sai số xác lập lập Kp giảm Tăng Thay đổi nhỏ Giảm Ki giảm Tăng Tăng Loại bỏ Kd Thay đổi nhỏ Giảm Giảm Thay đổi nhỏ Chú ý mối liên hệ khơng xác hồn tồn Kp, Ki, Kd phụ thuộc vào Vì vậy, bảng dùng tham khảo xác định tham số Kp, Ki, Kd 5.Mơ phỏng: Lệnh Matlab: >>Kp=0.2577 >>Ki=0.00859 >>Kd=1.9327 >>T=0.06 >>simulink Mở tập tin dkpidnhdo.mdl Cho thời gian mơ 1000s Tiến hành mơ Sơ đồ Simulink: dkpidnhdo.mdl Hướng dẫn thí nghiệm điều khiển tự độ (bổ sung)-©Huỳnh Minh Ngọc 34 Đặt nhiệt độ: step có giá trị cuối 100 Chu kì lấy mẫu điều khiển PID số Ts=0.06 s Bộ giữbậc khơng có Ts=0.06s Bộ điều khiển PID số: Hướng dẫn thí nghiệm điều khiển tự độ (bổ sung)-©Huỳnh Minh Ngọc 35 Nhận xét đồ thị nhiệt độ ngõ Tính sai số xác lập, độ vọt lố, thời gian xác lập Thử lại với giá trị Kp,Ki,Kd khác Nhận xét III Thí nghiệm: Nh ận d ạng h àm truy ền l ò nhi ệt d ùng đ áp ứng n ấc h ệ h c ủaZiegler-Nichols Thực chương trình (tập tin exe) : Từ đặc tính q độ lò nhiệt thu từ thực nghiệm có dạng sau: Từ đồ thị suy Ta có L=15 T=145 K=45 Suy : Kp = 1,2T/(L*K) =0,2577 Ki = Kp/Ti = Kp/(2L) = 0,00859 Kd= Kp*Td = Kp*0,5*L =1,9327 Như hàm truyền lò nhiệt là: GLN ( s ) = 45 (1 + 15s )(1 + 145s ) Chọn chu kì lấy mẫu Ts=0,06s Điều khiểnon/off Giao diện chương trình Hướng dẫn thí nghiệm điều khiển tự độ (bổ sung)-©Huỳnh Minh Ngọc 36 Đặt nhiệt độ 500C, tiến hành điều khiển on/off Xem nhận xét đồ thị nhiệt độ Điều khiển PID Giao diện chương trình Cho chu kì lấy mẫu T=60 ms=0,06s Khảo sát hệ kín: Hướng dẫn thí nghiệm điều khiển tự độ (bổ sung)-©Huỳnh Minh Ngọc 37 a.Đặt nhiệt độ 500C, tiến hành điều khiển PID với tham số điều khiển PID(kp, Ki, Kd) lấy phần 3.1 Kp = 1,2T/(L*K) =0,2577 Ki = Kp/Ti = Kp/(2L) = 0,00859 Kd= Kp*Td = Kp*0,5*L =1,9327 theo phương pháp Ziegler-Nichol Nhận xét đồ thị nhiệt độ Tính độ vọt lố, thời gian xác lập, sai số xác lập b.Thử sai chọn lựa giá trị Kp, Ki, Kd khác Nhận xét đồ thị nhiệt độ b1.Khảo sát ảnh hưởng thong số Kp(Ki=0, Kd=0) tính độ vọt lố, sai số xác lập, thời gian xác lập ngõ theo bảng sau: KP 10 20 50 100 POT Exl txl Nhận xét chất lượng hệ thống thay đổi Kp thay đổi Giải thích B2 Thực khảo sát với điều khiển PI(Kp=2, Kd=0) tính độ vọt lố, sai số xác lập, thời gian xác lập ngõ theo bảng sau: KI 0.1 0.5 0.8 POT Hướng dẫn thí nghiệm điều khiển tự độ (bổ sung)-©Huỳnh Minh Ngọc 38 Exl txl Nhận xét chất lượng hệ thống thay đổi Ki thay đổi Giải thích So sánh chất lượng điều khiển PI với điều khiển P B3 Thực khảo sát hệ thống với điều khiển PID (Kp=2, Ki=2) tính độ vọt lố, sai số xác lập, thời gian xác lập ngõ theo bảng sau: KD 0.1 0.2 0.5 POT Exl txl Nhận xét chất lượng hệ thống thay đổi Kd thay đổi Giải thích So sánh chất lượng điều khiển PID với điều khiển P PI B4 Nhận xét ảnh hưởng khâu P, I, D lên chất lượng hệ thống c.Xem xét ảnh hưởng chu kì lấy mẫu Ts: IV Báo cáo kết quả: Sinh viên nộp báo cáo giảng viên nhận xét, đánh giá Hướng dẫn thí nghiệm điều khiển tự độ (bổ sung)-©Huỳnh Minh Ngọc [...]... LM35 II Cơ sở lý thuyết: 1.Sơ đồ khối: Hệ thống điều khiển nhiệt độ dung vi điều khiển PIC 16F877A/887 có giao tiếp máy tính Máy tính Vi điều khiển PIC16F877A/ 887 Mạch cơng suất Lò nhiệt ADC Cảm biến nhiệt LM35 Trong đó: -Máy tính: làm nhiệm vụ thu thập, hiển thị dữ liệu, vẽ đồ thị nhiệt độ trên máy tính -Vi điều điều khiển 16F877A/887: làm nhiệm vụ đọc giá trị A/D từ cảm biến nhiệt LM35 và gửi tín hiệu... dẫn thí nghiệm điều khiển tự độ (bổ sung)-©Huỳnh Minh Ngọc 27 Bài 5: Hiện thực hệ thống điều khiển nhiệt độ I.Mục tiêu: Khảo sát làm mơ hình lò nhiệt dung vi điều khi ểnPIC 16F877A/887 giao tiếp máy tính Nhận dạng hàm truyền lò nhiệt dùng đáp ứng n ấc hệ hở của ZieglerNichols Điều khiển và thu thập dữ lệu nhiệt độ lò nhiệt theo 2 phương pháp on/off và PID s ố -Sử dụng chương trình VB6.0, và chương trình... s)(1 + 320 s ) 2 Điều khiểnon/off Hướng dẫn thí nghiệm điều khiển tự độ (bổ sung)-©Huỳnh Minh Ngọc 18 Giao diện chương trình Đặt nhiệt độ là 500C, tiến hành điều khiển on/off Xem và nhận xét đồ thị nhiệt độ 3 Điều khiển PID Giao diện chương trình Cho chu kì lấy mẫu T=200 ms=0,2s Hướng dẫn thí nghiệm điều khiển tự độ (bổ sung)-©Huỳnh Minh Ngọc 19 a Đặt nhiệt độ là 500C, tiến hành điều khiển PID với các... ngắt điện tử ở mạch cơng suất 4.Bộ điều khiển PID số: Thu t tốn PID số: R + e Bộ điều khiển PID u Lò nhiệt - Trong đó: R: nhiệt độ đặt C: nhiệt độ ra E:sai lệch= r-c U: tín hiệu điều khiển Hàm truyền của bộ điều khiển PID số như sau: Bộ điều khiển PID có hàm truyền dạng liên tục như sau: G pid ( s ) = U (s) K = K p + i + K d s (1) E (s) s Hướng dẫn thí nghiệm điều khiển tự độ (bổ sung)-©Huỳnh Minh Ngọc... LM35 và gửi tín hiệu lên máy tính, ngồi ra vi điều khiển còn xuất tín hiệu điều khiển mạch cơng suất để đóng ngắt lò nhiệt Vi điều khiển còn nhận tín hiệu từ máy Hướng dẫn thí nghiệm điều khiển tự độ (bổ sung)-©Huỳnh Minh Ngọc 28 tính gửi xuống Máy tính giao tiếp với vi điều khiển thong qua IC Max232 PIC 16F877A/887 có ADC 10 bit bên trong với 8 kênh ngõ vào -Mạch cơng suất: làm nhiệm vụ đóng ngắt lò... thị nhiệt độ b Thử sai chọn lựa giá trị Kp, Ki, và Kd khác nhau Nhận xét đồ thị nhiệt độ.So sánh kết quả với phần a TÀI LIỆU THAM KHẢO 1 Trần Xn Trường ,Tài liệu sử dụng CCS tiếng việt 2 Nguyễn Văn Tình ,Tài liệu vi điều khiển PIC 16F877A 3 ThS Huỳnh Minh Ngọc ,Thí nghiệm điều khiển tự động 4.TS Nguyễn Thị Phương Hà, ThS.Huỳnh Thái Hồng, Lý thuyết điều khiển tự động 4 http://www.picvietnam.com 5.http://www.dientuvietnam.net... dụng cho hệ tuyến tính, ta lấy khai triển Taylor của eLS, hàm truyền trở nên : G ( s) = K (1 + Ls )(1 + Ts ) Tóm lại, Ziegler-Nichols xấp xỉ hàm truyền lò với hệ bậc nhất có trễ hay hệ tuyến tính bậc hai, và cho phép tìm hàm truyền bằng thực nghiệm khi vẽ q trình q độ hệ thống với ngõ vào là hàm nấc 3.Bộ điều khiển ON/OFF Sơ đồ khối W(k) W(k) u(k) Lò nhiệt y(k) Khâu relay Hình : Sơ đồ khối điều khiển. .. Phương Hà, ThS.Huỳnh Thái Hồng, Lý thuyết điều khiển tự động 4 http://www.picvietnam.com 5.http://www.dientuvietnam.net 6.Phạm Văn Ln ,MSSV: 08102571, Đồ án chun ngành: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ THU THẬP DỮ LIỆU NHIỀU KÊNH, lớp ĐHĐT4A, ngày 9 tháng 12-2012 Phụ l ục: 1 Chương trình vi xử lý PIC 16F877A dùng CCS C #include #device *=16 ADC=10 #priority INT_RDA,INT_EXT,INT_TIMER1 #fuses... có ảnh hưởng làm giảm thời gian lên và sẽ giảm nhưng khơng loại bỏ sai số xác lập Điều khiển tích phân (Ki) sẽ loại bỏ sai số xác lập nhưng làm đáp ứng q độ xấu đi Điều khiển vi phân (Kd) có tác dụng làm tăng sự ổn định của hệ thống, giảm vọt lố và cải thiện đáp ứng q độ Ảnh hưởng của mỗi bộ điều khiển Kp, Ki, Kd lên hệ thống vòng kín được cho ở bảng sau Bảng 2 Đáp ứng vòng Thời gian lên Vọt lố Thời... đơng quanh giá trị đặt w(k) và 2 cn được gọi là vùng trễ của relay Hướng dẫn thí nghiệm điều khiển tự độ (bổ sung)-©Huỳnh Minh Ngọc 31 -Ưu điểm của điều khiển on/off: +Thiết bị tin cậy, đơn giản,chắc chắn hệ thống ln hoạt động với mọi tải + Tính tốn thết kế ít phức tạp và cân chỉnh dễ dàng - Nhược điểm là sai số xác lập sẽ lớn do hệ chỉ cân bằng đơng quanh nhiệt độ đặt và thay đổi theo tải.Khuyết điểm