Thiết kế bộ điều khiển PID số trên nền vi điều khiển PIC

Header Page of 161 Tr−êng ®¹i häc b¸ch khoa hμ néi Khoa ®iÖn Bé m«n ®iÒu khiÓn tù ®éng X\[ ]^W ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài:Thiết kế điều khiển PID số vi điều khiển PIC Giáo viên hướng dẫn : PGS.TS Phan Xuân Minh Sinh viên thực : Phạm Văn Cường Hoàng Văn Quân Lớp : ĐKTĐ1 Khoá : 49 Hà Nội - 2009 Footer Page of 161 Header Page of 161 Mục lục Lời mở đầu Lời cảm ơn Chương : Họ vi điều khiển PIC vi điều khiển PIC18F4520 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Vi điều khiển Pic18F4520 1.2.1 Tổ chức nhớ (Memory Organization) 13 1.2.2 x HARDWARE MULTIPLIER 22 1.2.3 Ngắt (Interrupts) 23 1.2.4 Cổng vào (I/O Port) 32 1.2.5 Bộ định thời (Timer) 33 1.2.6 Bộ truyền nhận liệu đồng (EUSART-Enhanced Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter) 37 1.2.7 Module chuyển đổi tưong tự sang số 10 bit (A/D) 50 Chương : Thiết kế điều khiển PID số 57 2.1 Thiết kế mô hình phần cứng mạch điều khiển 57 2.1.1 Yêu cầu thiết kế 57 2.1.2 Các khối chức kit điều khiển 58 a) Khối vi điều khiển trung tâm 58 b) Khối giao tiếp máy tính qua cổng nối tiếp .59 c) Khối bàn phím 60 d) Khối hiển thị LCD 2x16(2 dòng, 16cột) 61 e) Khối mạch động lực điều khiển 62 f) Khối nguồn 12V/5V 62 g) Các khối khác 63 2.2 Thiết kế phần mềm vi điều khiển PIC 64 2.2.1 Yêu cầu phần mềm 64 2.2.2 Giải thuật chương trình 65 a) Loop điều khiển 65 b) Thuật toán PID số 66 2.2.3 Thiết kế phần mềm điều khiển giám sát máy tính 69 2.3 Kit điều khiển 71 Chương : Ứng dụng điều khiển PID số điều khiển động chiều .72 3.1 Đối tượng điều khiển 72 3.1.1 Thông số kĩ thuật 72 Footer Phạm Page Văn ofCường 161 - Hoàng Văn Quân Lớp ĐKTĐ1-K49 Header Page of 161 3.1.2 Nhận dạng mô hình động học động điện chiều 72 3.1.3 Thu thập dừ liệu vào/ra động điện chiều từ thựcnghiệm 72 3.1.4 Nhận dạng động điên chiều Toolbox Identification cảu Matlab 74 3.1.5 Đánh giá chất lượng mô hình 76 3.2 Thiết kế luật điều khiển PID 77 3.2.1 Phương pháp Ziegler-Nichols1 77 3.2.2 Phương pháp IMC 77 3.2.3 Mô đánh giá chất lượng điều khiển 78 3.3 Thiết bị chấp hành(IC L298) 78 3.4 Cảm biến (Encoder) 81 3.5 Hệ thống điều khiển 84 3.6 Một số hình ảnh Kit điều khiển động sử dụng vi điều khiển PIC 86 3.7 :Kết thực nghiệm 87 3.8 So sánh kết mô thực tế 88 Kết luận 89 Tài liệu tham khảo 91 Phụ lục Code phần mềm 92 Footer Phạm Page Văn ofCường 161 - Hoàng Văn Quân Lớp ĐKTĐ1-K49 Header Page of 161 MỤC LỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đồ khối kiến trúc vi điều khiển PIC18F4520 Hình 1.2 Sơ đồ chân vi điều khiển Pic18F4520 10 Hình 1.3: Tổ chức nhớ chương trình 13 Hình 1.5: Clock/Instruction Cycle 15 Hình 1.6 Instruction Pipeline Flow 15 Hình 1.7 Instruction In Program Memory 16 Hình 1.8 Sơ đồ cấu trúc nhớ liệu Pic18F4520 16 Hình 1.9 Sơ đồ cấu trúc ghi Pic18F4520 17 Hình 1.10 Pic 18 Interrup logic 23 Hình 2.1 Mô hình khối mạch điều khiển 57 Hinh 2.2.Sơ đồ khối vi điều khiển trung tâm 58 Hinh 2.3 Mạch nạp cho vi điều khiển trung tâm 58 Hinh 2.4 Khối giao tiếp máy tính Max232 59 Hình 2.5 : Cấu tạo cổng COM 59 Hinh 2.6 Modul bàn phím 60 Bảng sơ lược chức LCD 2x16 61 Hình 2.7 Khối hiển thị LCD 62 Hinh 2.8 Khối thiết bị chấp hành 62 Hình 2.9 Sơ đồ khối nguồn 62 Sơ đồ nguyên lý kit điều khiển 63 Sơ đồ mạch in hai lớp 64 Hình 2.10 Lưu đồ loop điều khiển 65 Hình 2.11 Lưu đồ hàm ngắt dùng tạo chu lì trích mẫu 66 Hình 2.12 Sơ đồ điều khiển PID số 67 Hình 2.13 Chống bão hào tích phân 68 Hình 2.14 Giao diện giao tiếp PC 69 Hình 3.1 Động sủ dụng đồ án 72 Hinh 3.2 Sơ đồ thu thập liệu nhận dạng 72 Hình 3.2 Đặc tính thu thập liệu nhận dạng 73 Hình 3.3Chọn đầu vào mô hình nhận dạng đối tượng 75 Hình 3.4Phương thức nhận dạng đánh giá mô hình thu 75 Hình 3.5 Đặc tính độ đối tượng sau nhận dang 76 Hình 3.6 Sai lệch mô hình nhận dạng 76 Footer Phạm Page Văn ofCường 161 - Hoàng Văn Quân Lớp ĐKTĐ1-K49 Header Page of 161 Hình 3.7 Mô Simulink phương pháp điều khiển 78 Hình 3.9 Đặc tính mô 78 Hình 3.10 Sơ đồ chân L298 79 Hình 3.11: Các chế độ L298 80 Hình 3.12 : Sơ đồ giải pháp 81 Hình 3.13 : Mô hình1 - En coder quang tương đối 81 Hình 3.14 : Phương thức hoạt động Encoder quang tương đối 82 Hình 3.15 : Mô hình -En coder quang tương đối 82 Hình 3.16 : Sơ đồ xung En coder quang tương đối(mô hình 2) 83 Hình 3.17 Sơ đồ hệ thốngđiều khiển động 84 Hình 3.18 Cấu trúc hệ thống điều khiển 84 Hình 3.19 Cấu trúc khối điều khiển động 85 Một số hình ảnh mạch điều khiển động chiều 86 Hình 3.20 Đặc tính với điều khiển PI 87 Hình 3.21 Đặc tính với đièu khiển PID 87 Hình 3.22 Hệ thống có nhiễu 88 Hình 3.23 Đặc tính hệ thống có thay đỏi giá trị đặt 88 Footer Phạm Page Văn ofCường 161 - Hoàng Văn Quân Lớp ĐKTĐ1-K49 Header Page of 161 Lời mở đầu Khoa học công nghệ đại có bước tiến nhanh xa theo thành tựu ứng dụng lĩnh vực dời sống, công nghiệp Kĩ thuật điều khiển tiến trình hoàn thiện lý thuyết tạo cho nhiều phát triển có ý nghĩa Bây nhắc tới điều khiển người dưòng hình dung đến xác, tốc độ xử lý thuật toán thông minh đồng nghĩa lượng chất xám cao Có thể nói lĩnh vực điều khiển công nghiệp điều khiển PID có ứng dụng kha rộng rãi, giả pháp đa chocác ứng dụng Analog Digital Thống kê cho thấy có tới 90% điều khiển sử dụng thực tế PID Rõ ràng có thiết kế chọn lựa thông số hợp lý cho điều khiển PID việc đạt tiêu chất lượng mong muốn khả thi Bộ điều khiển PID giúp người sử dụng dễ dàng tích hợp chọn luật điều khiển : tỉ lệ(P), tích phân(I), tỉ lệ tích phân(PI), tỉ lệ vi phân(PD)… cho phù hợp đối tượng điều khiển Nhiều trình công nghiệp việc sử dụng điều khiển PID thay khống chế nhiệt độ, mức, tốc độ…? Ngay lý thuyết điều khiển đại không cho ta hiệu cao điều khiển PID mang lại.Ngoài điều khiển PID ứng dụng nhiều điều khiển thích nghi,bền vững mang lại hiệu cao cấu chỉnh định Bài toán thiết kế điều khiển động chiều toán quen thuộc ngành điều khiển tự động Có thể thiết kế điều khiển cho đối tượng độngcơ điện chiều theo nhiều phương pháp :dùng PLC & biến tần, điện tử công suất, vi điều khiển… Mỗi phương pháp có ưu nhược điểm khác có mục đích ổn định điều khiển tốc độ động Ngày vi điều khiển phát triển sâu rộng ngày ứng dụng nhiều cài đặt thiết kế điều khiển cho đối tượng công nghiệp Trên sở muốn tìm hiểu lĩnh vực vi điều khiển chúng em chọn đề tài: Thiết kế điều khiển PID số vi điều khiểnPIC Vì khả thời gian có hạn nên tránh khỏi thiếu sót đồ án Do chúng em mong thầy cô bạn bè đóng góp xây dựng để đồ án chúng em hoàn thiện Hà Nội, ngày tháng năm 2009 Sinh viên Phạm Văn Cường Hoàng Văn Quân Lớp ĐKT1 - K49 Footer Phạm Page Văn ofCường 161 - Hoàng Văn Quân Lớp ĐKTĐ1-K49 Header Page of 161 Lời cảm ơn Đầu tiên chúng em xin chân thành gửi lời cảm ơn tới nhà truờng, khoa điện, môn ĐKTĐ, thầy cô dạy dỗ dìu dắt chúng em suốt năm học vừa qua để có kiến thức chuyên môn sở sau chúng em vào đời làm việc, sử dụng có ích cho xã hội Để thực thành công đồ án hướng dẫn, bảo tận tình PGS.TS Phan Xuân Minh, Người hướng dẫn tận tình , giúp chúng em định hướng, góp ý cung cấp ý tưởng dẫn tài liệu tiến trình thực đồ án Sự hướng dẫn cô yếu tố quan trọng để chúng em hoàn thành đồ án Cuối chúng em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến cha mẹ gia đình, người sát cánh chúng em, nuôi dưỡng chăm sóc chúng em tạo điều kiện tốt cho chúng em học tập để có kết ngày hôm Chúng em xin chân thành cảm ơn Footer Phạm Page Văn ofCường 161 - Hoàng Văn Quân Lớp ĐKTĐ1-K49 Header Page of 161 Vi điều khiển Pic Chương 1: Họ vi điều khiển PIC vi điều khiển PIC18F4520 1.1 Giới thiệu chung Ngày nay, ứng dụng vi điều khiển sâu vào đời sống sinh hoạt sản xuất người Thực tế hầu hết thiết bị điện có góp mặt vi điều khiển vi xử lí Ứng dụng vi điều khiển thiết kế hệ thống làm giảm chi phí thiết kế hạ giá thành sản phẩm đồng thời nâng cao tính ổn định thiết bị hệ thống Trên thị trường có nhiều họ vi điều khiển để lựa chọn như: 8051, Motola68HC, AVR, ARM, Pic…và có lẽ 8051 dòng mà làm quen nhiều môi trường đại học chọn dòng vi điều khiển Pic để thực ứng dụng phát triển không nguyên nhân sau: - Họ vi điều khiển Pic phát triển sử dụng phổ biến nước ta => việc tìm mua trao đổi kinh nghiệm thuận lợi - Giá thành dòng Pic không mắc - Các dòng Pic có đầy đủ tính để hoạt động độc lập - Là bổ sung hợp lý kiến thức ứng dụng cho họ vi điều khiển 8051 - Có hỗ trợ cao nhà sản xuất công cụ lập trình, trình biên dịch, mạch nạp Pic từ đơn giản tới phức tạp Không tính đa dạng đòng Pic không ngừng phát triển - Có nhiều phận ngoại vi chip, bao gồm: Cổng và/ra số, biến đổi ADC, nhớ EEFROM, định thời, điều chế độ rộng xung (PWM)… - Bộ nhớ chương trình nhớ liệu tích hợp chip Đây họ VĐK chế tạo theo kiến trúc RISC (Reduced Intruction Set Computer) có cấu trúc phức tạp Ngoài tính họ VĐK khác, tích hợp nhiều tính tiện lợi cho người thiết kế lập trình Pic18F4520 nằm dòng sản phẩm PIC18F2420/2520/4420/4520 nhà sản xuất Microchip với đặc điểm 28/40/44 -Pin Enhanced Flash Microcontrollers with 10Bit A/D and nanoWatt Technology Dòng sản phẩm có nhiều cải tiến đáng kể tính so dòng Pic trước : - Bộ nhớ chương trình tăng cường (16Kbytes for PIC18F2420/4420 devices and 32Kbytes for PIC18F2520/4520 devices) Footer Phạm Page Văn ofCường 161 - Hoàng Văn Quân Lớp ĐKTĐ1-K49 Header Page of 161 Vi điều khiển Pic - I/O ports (3 bidirectional ports on 28-pin devices, bidirectional ports on 40/44-pin devices) - Tăng cường modul CCP - Sử dụng công nghệ nanoWatl Dòng sản phẩm nói chung có nhiều tương đồng tính chia làm hai nhóm Pic18F2420/2520 với 28 chân Pic 18F4420/4520 với 40 44 chân ghép nối Phần chủ yếu tìm hiểu Pic18F4520 đặc điểm Pic khác thuộc dòng hoàn toàn tương tự với kí hiệu tương ứng Trong đồ án quan tâm chủ yếu Pic18F4520 loại PDIP sử dụng mạch thiết kế 1.2 Vi điều khiển Pic18F4520 Vi điều khiển Pic18F4520 có đặc điểm bản: - Sử dụng công nghệ nanoWatl: Hiệu cao, tiêu thụ lượng - Kiến trúc RISC ¾ 75 lệnh mạnh, hầu hết lệnh thực bốn chu kì xung ¾ Tốc độ thực lên tới 10 triệu lệnh 1s với tần số 40Mhz ¾ Có nhân cứng - Các nhớ chương trình liệu cố định ¾ 32 Kbytes nhớ flash có khả tự lập trình hệ thống thực 100.000 lần ghi/xóa ¾ 256 bytes EEPROM thực 1.000.000 lần ghi/xóa¾ 256 bytes SRAM - Những ngoại vi tiêu biểu ¾ định thời/bộ đếm bit với chế độ tỉ lệ đặt trước chế độ so sánh ¾ Bộ đếm thời gian thực với tạo dao động riêng biệt ¾ kênh PWM ¾ 13 kênh ADC 10 bit ¾ Bộ truyền tin nối tiếp USART khả trình ¾ Watchdog Timer khả trình với tạo dao động bên riêng biệt ¾ Bộ so sánh tương tự - Các đặc điểm đặc biệt khác ¾ Power on Reset dò Brown out khả trình Footer Phạm Page Văn ofCường 161 - Hoàng Văn Quân Lớp ĐKTĐ1-K49 Header Page 10 of 161 Vi điều khiển Pic ¾ Bộ tạo dao động RC định cỡ bên ¾ Các nguồn ngắt bên bên - I/O kiểu đóng gói ¾ 32 đường I/O khả trình ¾ Đóng gói 40-pin PDIP, 44-lead TQFP, 44-pad MLF Hình 1.1 Sơ đồ khối kiến trúc vi điều khiển PIC18F4520 Cường Footer Phạm Page Văn 10 of 161 - Hoàng Văn Quân Lớp ĐKTĐ1-K49 Header Page 97 of 161 #pragma config #pragma config #pragma config #pragma config Phụ lục – Code phần mềm MCLRE=ON PBADEN=OFF LVP=OFF PWRT=ON long vc=0; long w=0; long pc=0,ic=0,dc=0; char p_h=0,p_l=0,i_h=0,i_l=0,d_h=0,d_l=0; char mode=0; char w_h=0,w_l=0; //============================================= char flag=0; char co_tocdo=0; char timer0_flag=0; //============================================= float u_p=0,u_i=0,u_d=0,k_p=0,k_i=0; //long u=0,v=0; float u=0,v=0; float e=0; float pre_e=0; float sum_e=0; float tocdothuc=0; float pre_tocdothuc=0; float pre_ui=0; float pre_u=0; unsigned long counter=0,dienap=0; unsigned long tocdodat=0; unsigned int dutycycle=0; //============================================= unsigned char temp,msg[35]; unsigned int j=0; unsigned int jlcd=0; unsigned short long k=0; unsigned int k_usart=0; char pad=0; Cường Footer Phạm Page Văn 97 of 161 - Hoàng Văn Quân Lớp ĐKTĐ1-K49 96 Header Page 98 of 161 Phụ lục – Code phần mềm char message[35]; char pvcm[32]={"\1 Pham Van Manh \n My Brother "}; void delay10ms (void) { Delay10KTCYx(10); } void delay500ms (void) { Delay10KTCYx(500); } void counter1_isr(void); void counter2_isr(void); void usart_isr(void); void keypad_isr(void); void timer0_isr(void); void pvc(void) { e= tocdodat - tocdothuc; u_p =pc*e; u_i=pre_ui + 0.0457*ic*pre_e ; u_d=dc*(e-pre_e)/0.0457; u= (u_p+u_i+u_d/10)/12800; pre_e=e; pre_ui=u_i; if(u>=11.8) { u=11.8; sum_e -= e; } if(u=0 && pad