Nghiên cứu về PID và fuzzy logic toolkitcủa phần mềm labview tiến hành xây dựng giao diện giám sát tốc độ động cơ một chiều bằng phần mềm labview

LỜI CẢM ƠN Trong trình làm đồ án tốt nghiệp, tơi - sinh viên khoa Điện- Điện tử, cảm thấy trải nghiệm vơ hữu ích nghiệp học hỏi sinh viên nói riêng tất sinh viên làm đồ án tốt nghiệp đợt nói chung Để hồn thành đồ án này, ngồi cơng sức tơi, tơi xin cảm ơn tất thầy cố giáo khoa điện tạo điều kiện để tơi nghiên cứu tìm hiểu tất vấn đề liên quan đến đồ án tốt nghiệp Xin cảm ơn bạn bè ln sát cánh, góp ý, hỗ trợ tơi việc hồn thành đồ án Ngồi ra, khơng thể khơng nhắc đến người quan trọng- nói quan trọng nhất- PGS.TS TRẦN SINH BIÊN - người thầy với kiến thức kinh nghiệm uyên thâm, người với ân cần bảo Em xin cảm ơn thầy khơng quản khó nhọc, mệt mỏi để mang lại cho em kiến thức quan trọng để hồn thành đồ án Một lần nữa, xin cảm ơn tất người giúp tơi thực xong đồ án tốt nghiệp Xin chân thành cảm ơn Hải Phòng, ngày….tháng….năm 2016 Sinh viên Nguyễn Mạnh Quỳnh PHẦN MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Trong công nghiệp đại, thuật ngữ “đo lường điều khiển” trở nên quen thuộc, khơng phải mơ tả nhiều để hình dung mục đích tầm quan trọng Nhu cầu đo lường – điều khiển ngày phức tạp nhu cầu làm việc liên tục q trình sản xuất địi hỏi độ tin cậy thiết bị đo lường – điều khiển ngày cao Câu hỏi đặt làm để tăng suất, giảm thời gian chi phí cho ứng dụng thiết kế, điều khiển, kiểm tra, tạo ứng dụng linh hoạt có khả tích hợp dễ dàng với nhiều kiểu I/O khác phục vụ đắc lực đo lường điều khiển tự động cơng nghiệp đại Mục đích đề tài Nghiên cứu PID Fuzzy Logic Toolkitcủa phần mềm Labview.Tiến hành xây dựng giao diện giám sát tốc độ động chiều phần mềm Labview Đối tượng phạm vi nghiên cứu a Đối tượng nghiên cứu Trong đồ án tốt nghiệp này, em xin giới thiệu nét PID Fuzzy Logic Toolkit, ngơn ngữ lập trình LabVIEW để người hiểu sử dụng Bên cạnh đó, em ứng dụng ngơn ngữ lập trình để xây dựng chương trình giám sát tốc độ động DC b Phạm vi nghiên cứu Sử dụng card NI USB 9001 để giám sát tốc độ động DC Phương pháp nghiên cứu khoa học Trong đồ án em nghiên cứu lý thuyết PID Fuzzy Logic Toolkit phần mềm Labview Sau ứng dụng giao tiếp phần mềm Labview để điều khiển tốc độ động DC Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Đề tài thành công việc ứng dụng mơi trường lập trình LabVIEW thiết kế hệ thống điều khiển Cụ thể giám sát tốc độ động DC Với ưu điểm lập trình hiển thị thơng số dễ dàng, cho thấy điều giới nay, LabVIEW ứng dụng rộng rãi lĩnh vực đo lường, phân tích, mơ phỏng, Do việc nghiên cứu ứng dụng LabVIEW rộng rãi Việt Nam cần phải tiến hành thời gian sớm tốt DANH MỤC CÁC BẢNG STT Tên bảng Số trang Bảng Công thức P-Only (fast) 10 Bảng Công thức P-Only (normal) 10 Bảng Công thức P-Only (slow) 10 Bảng Công thức PI hay PID (fast) 10 Bảng Công thức PI hay PID (normal) 10 Bảng Công thức PI hay PID (slow) 10 Bảng Bảng luật hợp thành 34 Bảng Bảng thông số chung phần cứng card usb 9001 Bảng Cách sử dụng card usb 9001 43-44-45 45-46 DANH MỤC CÁC HÌNH STT Hình 1.1 Hinh 1.2 Hình 1.3 Hình 1.4 Hình 1.5 Hình 1.6 Hình 1.7 Hình 1.8 Hình 1.9 Hình 2.1 Hình 2.2 Hình 2.3 Hình 2.4 Hình 2.5 Hình 2.6 Hinh 2.7 Hình 2.8 Hình 2.9 Hình 2.10 Hình 2.11 Hình 2.12 Hình 2.13 Hình 2.14 Hình 2.15 Hình 2.16 Hình 2.17 Hình 2.18 Hình 2.19 Hình 2.20 Hình 2.21 Hình 2.22 Hình 2.23 Hình 2.24 Hình 2.25 Hình 2.26 Hình 3.1 Hình 3.2 Hình 3.3 Hình 3.4 Tên hình vẽ Hình ảnh phần mềm Labview Vai trị Labview Giao diện Labview Mô tả tên VI Thanh cơng cụ giao diện Sơ đồ PID Q trình điều khiển PID Chức điều khiển Cấu trúc chung điều khiển mờ Cấu tạo encorder quang Hoạt động encorder quang Cấu trúc điều khiển PID Thành phần P Thành phần I Thành phần D PID Khối điều khiển Labview Toolkit PID Khối The PID function Khối The PID advanced function Khối The PID autotuning function Khối The PID setpoint profile function Khối The PID control Input Filter function Khối The PID gain Schedule function Khối The PID output Rate Limiter function Khối The PID lead – lag function Khối The PID EGU to % function Khối The PID % to EGU function Khảo sát với hàm truyền H(s) Lưu đồ thuật tốn Chương trình mô Giao diện giám sát Sơ đồ điều khiển sử dụng PID mờ Hàm thuộc biến ngôn ngữ “e” Hàm thuộc biến ngôn ngữ biến thiên tốc độ “ d/dt” Hàm thuộc biến ngôn ngữ điện áp Sơ đồ cấu trúc mạch vịng tốc độ Mơ hình điều khiển Sơ đồ card giao tiếp Sơ đồ chân card Số trang 12 12 18 19 20 21 21 21 22 22 23 23 24 25 25 25 26 26 26 27 27 28 28 29 30 32 33 33 35 37 38 38 Hình 3.5 Hình 3.6 Hình 3.7 Hình 3.8 Hình 3.9 Hình 3.10 Hình 3.11 Sơ đồ mạch công suất Sơ đồ kết nối phần cứng Lưu đồ thuật toán Giao diện giám sát Front Panel Chương trinh mô Block Diagram Giao diện mô động DC Front Panel Chương trình mơ động DC Block Diagram 39 40 41 46 47 47 48 CHƯƠNG : GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM LABVIEW 1.1 Giới thiệu Labview 1.1.1 Labview “Labview (viết tắt Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench) môi trường ngôn ngữ đồ họa hiệu việc giao tiếp đa kênh người, thuật toán thiết bị Gọi Labview ngơn ngữ đồ họa hiệu cách thức lập trình, Labview khác với ngơn ngữ C (hay Python, Basic) điểm thay sử dụng từ vựng (từ khóa) cố định Labview sử dụng khối hình ảnh sinh động dây nối để tạo lệnh hàm hình Cũng khác biệt mà Labview giúp cho việc lập trình trở nên đơn giản hết, đặc biệt, Labview phù hợp kỹ sư, nhà khoa học, hay giảng viên Chính đơn giản, dễ học, dễ nhớ giúp cho Labview trở thành công cụ phổ biến ứng dụng thu thập liệu từ cảm biến, phát triển thuật toán, điều khiển thiết bị phịng thí nghiệm giới Hình 1.1: Hình ảnh phần mềm Labview Về ý nghĩa kỹ thuật, Labview dùng để lập trình chương trình (source code: mã nguồn) máy tính tương tự ngơn ngữ lập trình dựa chữ (text-based language) C, Python, Java, Basic Đồng thời, Labview hỗ trợ kỹ sư, nhà khoa học sinh viên, xây dựng (thực thi) thuật toán cách nhanh, gọn, sáng tạo, dễ hiễu nhờ khối hình ảnh có tính gợi nhớ cách thức hoạt động theo kiểu dòng liệu (data flow) từ trái qua phải Các thuật toán sau áp dụng lên mạch điện cấu chấp hành thực nhờ vào việc kết nối hệ thống thật với Labview thông qua nhiều chuẩn giao tiếp chuẩn giao tiếp RS232 (giao tiếp qua cổng COM), chuẩn USB, chuẩn giao tiếp mạng TCP/IP, UDP, chuẩn GPIB Vì Labview ngơn ngữ giao tiếp đa kênh.” [7] 1.1.2 Vai trò Labview - Kiểm tra, đo kiểm phân tích tín hiệu kỹ thuật (đo nhiệt độ, phân tích nhiệt độ ngày) - Thu thập liệu (Data Acquisition), (thu thập giá trị áp suất, cường độ, dòng điện,…) - Điều khiển thiết bị (điều khiển động DC, điều khiển nhiệt độ lò …) - Phân loại sản phẩm (dùng chương trình xử lý ảnh để phân biệt sản phẩm bị lỗi, phế phẩm) - Báo cáo cơng nghiệp (thu thập, phân tích liệu báo cáo cho người quản lý xa thông qua giao thức truyền TCP/IP môi trường mạng Ethernet) - Giao tiếp máy tính truyền dẫn liệu qua cổng giao tiếp (hỗ trợ hầu hết chuẩn giao tiếp USB, PCI, COM, RS-232, RS-485) Hình 1.2: Vai trị Labview 1.1.3 Các cơng cụ Labview “NI thêm vào Labview công cụ để đem lại tiện ích khác như: tạo báo cáo, phân tích nâng cao, thơng tin liên lạc sở liệu, phân tích âm rung động - Bộ công cụ kết nối sở liệu (Labview Database Connectivity Toolkit) - Bộ công cụ xử lý tín hiệu nâng cao (Labview Advanced Signal Processing Toolkit) - Bộ đo lường âm rung động (Labview Sound and Vibration Measurement Suite) - Bộ công cụ nhận dạng hệ thống (Labview System Identification Toolkit) - Bộ công cụ tương tác mô (Labview Simulation Interface Toolkit) - Bộ công cụ theo dõi thực thi thời gian thực (Labview Real-Time Execution Trace Toolkit) - Bộ công cụ kết nối Internet (Labview Internet Toolkit) - Bộ công cụ điều biến (Labview Modulation Toolkit) - Bộ công cụ điều khiển PID (Labview PID Control Toolkit) - Bộ công cụ thiết kế lọc số (Labview Digital Filter Design Toolkit).” [3] 1.1.4 Bảng giao diện (The Front panel) Front Panel giao diện mà người sử dụng hệ thống nhìn thấy Các VI bao gồm giao diện người dùng có tính tương tác mà gọi bảng giao diện, mơ mặt trước dụng cụ vật lý Bảng giao diện bao gồm núm, nút đẩy, đồ thị dụng cụ thị điều khiển khác Bạn nhập vào liệu sử dụng bàn phím chuột sau quan sát kết hình máy tính Vào Start>>All Programs>> National Instruments LabVIEW cửa sổ Labview xuất Bạn tiếp tục chọn Evaluate cửa sổ Getting Started xuất sau Bạn chọn Blank VI để hiển thị bảng giao diện bạn chọn New sau hộp thoại New xuất hộp thoại mặc định trở danh mục Blank VI Để hiển thị bảng giao diện bạn cần kích vào nút OK phía góc phải Cả hai cách để mở bảng giao diện để bạn xây dựng VI hoàn toàn Ngoài bạn mở bảng giao diện có sẵn Labview cách hộp thoại New, từ mục Create New, lựa chọn VI>>From template>>Tutorial (Getting Started)>>Generate and Display Và sau kích nút OK để hiển thị bảng giao diện Bảng giao diện xuất hình sau đây: 10 Họ DAQ Đọc tín hiệu Số kênh Tốc độ lấy mẫu Độ phân giải Trích mẫu đồng thời Ngưỡng điện áp lớn Độ xác Tín hiệu analog từ loại cảm biến Lĩnh vực ứng dụng đo điện áp Xuất tín hiệu PWM Số kênh Tốc độ cập nhật Độ phân giải Ngưỡng điện áp Tín hiệu điều khiển dịng điện Các chân xuất tín hiệu Số kênh Timing Logic Levels Ngưỡng điện áp Output Current Flow Dòng điện (Kênh/Tổng) Số đếm Độ phân giải Tần số nguồn xung lớn Độ rộng xung vào nhỏ Mức logic Ngưỡng cực đại Ứng dụng Cho phép thực nhớ tạm Tác động (Triggering) SE 142 S/s bits Không 0-5V 10mV(Vref=2.56V) Nhiệt độ, áp suất, lưu lượng Điều khiển tự động, công nghiệp 100 S/s bits 0.5 V 10Ma Software TTL 0.5V Sinking, sourcing 10mA/100mA 16 bits 250KHz us TTL 0.5 V Đo tốc độ từ encoder Có Digital Bảng 3.2: Cách sử dụng card usb 9001 Chân In put Kí hiệu ADC – ADC Giá trị 52 Mơ tả Nhận tín hiệu dạng tương tự Giá trị reset NA Input Pulse Input Dir (Vref 5V usb) Đếm xung cạnh lên(0-5V) Set đếm xung pulse đếm xuống Set đếm xung pulse đếm lên Tạo xung với tần số cố định hệ số xung thay đổi từ 0-255 tùy số đặt máy tính (xung 0-5v tổng trở 470 Ohm) Tín hiệu dạng số(0 5v Tổng trở 470 Ohm) tùy set máy tính Tín hiệu dạng số (0 5v), không sử dụng ADC0 Mass Lấy từ USB 5V Output PWM0 PWM1 Output SW0-SW2 SW3 Nguồn Nguồn GND +5v 53 5V 0 5V 3.3 Giao diện giám sát máy tính Hình 3.8: Giao diện giám sát Front Panel Hình 3.9: Chương trinh mơ Block Diagram 54 Hình 3.10: Giao diện mơ động DC Front Panel Hình 3.11: Chương trình mơ động DC Block Diagram 55 3.4 Kết Hình 3.12: Kết mơ 56 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Sau thời gian nỗ lực tìm hiểu, nghiên cứu với bảo tận tình hỗ trợ nhiều mặt thầy giáo PGS.TS TRẦN SINH BIÊN đồ án với đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng PID Fuzzi Logic Toolkit phần mềm Labview để giám sát tốc độ động DC” hoàn thành tiến độ với yêu cầu đặt Đồ án giải vấn đề: Nghiên cứu thành công công cụ PID Fuzzy Logic Toolkit phần mềm LabVIEW, khái quát chức nó, đưa lý thuyết sở giúp người hiểu sử dụng Đồng thời đồ án ưu, nhược điểm so với số ngơn ngữ lập trình mà ta hay sử dụng Xây dựng giao diện giám sát tốc độ động chiều phần mềm Laview Kiến nghị Đề tài thành công việc ứng dụng môi trường lập trình LabVIEW thiết kế hệ thống điều khiển Tuy nhiên mặt hạn chế: + Bộ điều khiển chưa làm việc yêu cầu đề + Do vấn đề thiết bị nên đồ án em chưa đạt kết tốt Trong trình thực đề tài, em cố gắng vận dụng kiến thức học để thực đề tài, cố gắng nhiều kiến thức em cịn hạn chế nên đề tài khơng tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận góp ý nhiệt tình thầy mơn để tập em hồn thiện 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO Ts.Nguyễn Bá Hải, Lập trình labview,Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 2010 Bùi Quốc Khánh, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghị, Điều chỉnh tự động truyền động điện, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 2004 www.dbm.com.vn www.luanvan.co www.dongco.net www.hocavr.com www.codientubkdn.com www.realcom.vn www.luanvan.net.vn 10 www.tailieu.tv 58 NHẬN XÉT TÓM TẮT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN Tinh thần thái độ, cố gắng sinh viên trình làm đồ án: Đánh giá chất lượng đồ án tốt nghiệp (so với nội dung yêu cầu đề mặt: lý luận, thực tiễn, chất lượng thuyết minh vẽ): Chấm điểm giảng viên hướng dẫn Hải Phòng, ngày tháng năm 2016 Giảng viên hướng dẫn 59 PGS.TS Trần Sinh Biên ĐÁNH GIÁ CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN Đánh giá chất lượng đồ án tốt nghiệp mặt: thu thập phân tích số liệu ban đầu, sở lý thuyết, vận dụng vào điều kiện cụ thể, chất lượng thuyết minh vẽ, mơ hình (nếu có), ý nghĩa khoa học thực tiễn đồ án: Chấm điểm giảng viên phản biện Hải Phòng, ngày 60 tháng năm 2016 Giảng viên phản biện 61 MỤC LỤC 62