Đề tài nghiên cứu về pid và fuzzy trên nền tảng công cụ labview giúp cho việc học tập ,làm đồ án đề tài môn học. Điều chỉnh tốc độ động cơ so sánh được kết quả đáp ứng với bộ điều chỉnh pid và fuzzy và hệ thống đáp ứng tốt nhất có thể. Đề tài gồm nội dung 3 chương: chương 1. giới thiệu chung về phần mềm labview chương 2.ứng dụng bộ điều chỉnh pid và fuzzy chương 3.thiết kế giao diện mô phỏng và điều khiển trực tiếp trên phần mềm labview.
ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ GIÁM SÁT TRỰC TIẾP TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC TRÊN PHẦN MỀM LABVEIW SỬ DỤNG THUẬT TOÁN PID VÀ FUZZY LOGIC CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM LAPVIEW I.1 Tổng quan phần mềm Labview 1.1.1 Giới thiệu chung 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 nghiên cứu 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 tốn, điều khiển thiết bị phòng thí nghiệm giới Hình 1.1 Biểu tượng phần mềm Lapview Trong Labview xây dựng giao diện người sử dụng việc thiết lập công cụ đối tượng Giao diện người sử dụng hiểu front panel sau đưa code vào sơ đồ khối để điều khiển đối tượng front panel Sơ đồ khối hiểu lưu đồ thuật tốn Labview tích hợp đầy đủ chức giao tiếp với phần cứng GPIB, VXI, PXI, RS-232, RS-485, thiết bị thu nhận liệu Lapview xây dựng đặc trưng cho việc kết nối ứng dụng bạn với Wed ứng dụng sử dụng Labview Wed Server chuẩn mạng TCP/IP Active X 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 công 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 trò Labview I.2 Các khối chức toán 1.2.1 Khối Control Design and Simulation Control Design q trình liên quan đến việc phát triển mơ hình tốn học mơ tả hệ thống vật lý, phân tích mơ hình để tìm hiểu đặc điểm động họ, tạo điều khiển để đạt đặc tính động định Simulation Module trình liên quan đến việc sử dụng phần mềm để tái tạo phân tích hành vi hệ thống động Bạn sử dụng q trình mơ để giảm chi phí phát triển sản phẩm cách đẩy mạnh phát triển sản phẩm Bạn sử dụng trình mơ để cung cấp nhìn sâu sắc vào hành vi hệ thống động, bạn khơng thể tái tạo thuận tiện phòng thí nghiệm Tất VI liên quan đến mô-đun công cụ đặt thiết kế điều khiển mơ Toolkit: • Simulation Module (mơ phỏng) Các mơ Palette LabVIEW: Các tính bảng mơ bao gồm: • Control and Simulation Loop (Kiểm sốt mơ vòng) - Bạn phải đặt tất chức mô Control & Simulation Vòng hệ thống phụ mơ Control & Simulation Vòng có Node Input (phía bên trái góc) Node Output (góc bên phải) Sử dụng nút Input để cấu hình thơng số mơ theo chương trình Bạn cấu hình thơng số tương tác cách sử dụng cấu hình mơ thơng số hộp thoại Truy cập hộp thoại cách nhấp đúp vào nút Input cách kích chuột phải vào biên giới chọn Configure Simulation Parameters từ menu chuột phải • Continuous Function Linear Systems (Liên tục chức tuyến tính hệ thống) - Sử dụng chức tuyến tính Hệ thống liên tục để đại diện cho hệ thống tuyến tính liên tục phương trình vi phân sơ đồ mơ Integrator -Tích hợp tín hiệu đầu vào liên tục sử dụng phương trình vi phân thường (ODE) giải bạn định cho mơ Derivative-Đạo hàm tín hiệu đầu vào liên tục sử dụng phương trình vi phân thường (ODE) giải bạn định cho mô Transport delay- Trì hỗn tín hiệu đầu vào số lượng thời gian bạn định Transfer function- Thực mơ hình hệ thống dạng hàm truyền Bạn xác định mơ hình hệ thống cách xác định Tử số mẫu số phương trình hàm truyền State-Space- Thực mơ hình hệ thống dạng khơng gian trạng thái Bạn xác định mơ hình hệ thống cách xác định ma trận đầu vào, đầu ra, tiểu bang truyền trực tiếp • Signal arithmetic functions (Chức tín hiệu số học) - Sử dụng chức tín hiệu số học để thực phép tính số học tín hiệu hệ thống mơ • Design Control(Thiết kế kiểm sốt) Design Control q trình liên quan đến việc phát triển mơ hình tốn học mơ tả hệ thống vật lý, phân tích mơ hình để tìm hiểu đặc điểm động toán, tạo điều khiển để đạt đặc tính động định Các Thiết kế kiểm soát Palette LabVIEW: LabVIEW PID and Fuzzy Logic Toolkit NI LabVIEW PID Fuzzy Logic Toolkit thêm thuật toán điều khiển để LabVIEW Bằng cách kết hợp chức điều khiển logic PID mờ cơng cụ với hàm tốn học logic phần mềm LabVIEW, bạn nhanh chóng phát triển chương trình điều khiển tự động Bạn tích hợp cơng cụ kiểm sốt với sức mạnh thu thập liệu PID control (Kiểm sốt PID) • Hiện nay, tỉ lệ-Integral-Derivative (PID) thuật toán thuật toán điều khiển phổ biến sử dụng ngành công nghiệp.Thông thường, người sử dụng PID để điều khiển trình bao gồm hệ thống sưởi làm mát hệ thống, theo dõi mức chất lỏng,dòng điều khiển kiểm sốt áp lực Trong điều khiển PID, bạn phải xác định biến trình điểm đặt Biến trình tham số hệ thống bạn muốn kiểm soát, chẳng hạn nhiệt độ, áp suất, tốc độ dòng chảy, điểm đặt giá trị mong muốn cho tham số bạn kiểm soát Một điều khiển PID xác định giá trị đầu điều khiển, chẳng hạn sức mạnh nóng vị trí van Bộ điều khiển áp dụng giá trị sản lượng điều khiển hệ thống, thúc đẩy q trình biến giá trị điểm đặt • The PID function - Output range: Dải giá trị đầu - Setpoint: Giá trị thiết lập - Process variable: Giá trị biến điều chỉnh có vòng phản hồi - PID gains: Bộ tham số điều khiển PID - dt(s): Vi phân thời gian, giá trị thiết lập thời gian đáp ứng nhỏ - Reinitialize: Tham số bên dùng để thiết lập giá trị điều khiển PID trở giá trị mặc định - Output: giá trị tín hiệu đầu - dt out(s): giá trị đầu dt(s) thiết lập Hàm PID thực chức điều khiển hình thức tính tổng song song.PID khơng có lọc, bị ảnh hưởng nhiễu PID không thiết lập chế độ tay, điều gây khó khăn để sử dụng hiệu chỉnh khởi động • The PID advanced function - Manual control: Thiết lập giá trị điều khiển tay - Auto (T): Đây chức tiên tiến điều khiển PID Lựa chọn chế độ điều khiển tự động hay tay, tự động True, tay False - Setpoint range: dải giá trị đặt - Beta: Giá trị để thay đổi tải, nằm khoảng từ đến 1, lấy giá trị mặc định - Linearity: độ tuyến tính đáp ứng lỗi Hàm PID advanced hàm PID nâng cao ngồi đặc điểm giống với PID function, PID advanced thiết lập chế độ tay Có hai chế độ điều khiển tự động hay tay Và giá trị tín hiệu điều khiển tay không ảnh hưởng bạn lựa chọn chế độ điều khiển tự động Chính mà PID advanced sử dụng phổ biến • The PID autotuning function - Autotuning parameters: Tham số tự điều chỉnh - Autotune: Khi bắt đầu yêu cầu tự động điều chỉnh tham số có giá trị True, đầu vào chịu điều chỉnh học giá trị mặc định False - Tuning completed: lấy giá trị đầu để quay trở lại phản hồi với tham số PID - PID gains out: Giá trị tham số điều khiển sau tự động điều chỉnh Điều chỉnh tự động cách thay đổi chế độ ON/OFF Rơle Thông tin điều chỉnh dùng để tính tốn tham số điều khiển • The PID setpoint profile function - Setpoint profile: Thiết lập giá trị đặt đầu vào hàm thời gian - Profile complete: Hoàn chỉnh giá trị đặt thời gian - Elapsed time(s): Thời gian chạy thiết lập giá trị thời gian đặt số hàm tuyến tính • The PID control Input Filter function Đầu vào tín hiệu đưa qua lọc, sau cho qua phép đo để giảm thiểu nhiễu tác động • The PID gain Schedule function - Gain scheduling value: Giá trị đầu vào tham số PID quy trình khuếch đại The PID gain Schedule function cài đặt nhiều tham số PID khác PID gain Schedule • The PID output Rate Limiter function - Input (Controller output): Giá trị đầu vào - Initial output: Giá trị đầu ban đầu - Output rate (EGU/min): Xác định tỷ lệ tối đa thay đổi điều khiển đầu The PID output Rate Limiter function sử dụng cần giới hạn tốc độ biến thiên đầu ra, chẳng hạn tính tốn tín hiệu điều khiển • The PID lead – lag function Thực với đối tượng có hàm truyền mà tử số mẫu sỗ dạng bậc Sử dụng hàm PID lead – lag tín hiệu điều khiển cho trước cách ly có nhiều tín hiệu điều khiển • The PID EGU to % function - Maximum (EGU): Xác định giá trị lớn đầu vào (tương ứng với 100%) - Input (EGU): Giá trị đầu vào - Minimum(EGU): Xác định giá trị nhỏ đầu vào (tương ứng với 0%) - % span: Trả lại giá trị đầu tín hiệu phép đo The PID EGU to % function sử dụng đòi hỏi xác tín hiệu phép • The PID % to EGU function GPID(s) = KP + + KDs “Các tham số KP, KI,KD, chỉnh định theo điều khiển mờ riêng biệt dựa sai lệch e(t) đạo hàm de(t) Có nhiều phương pháp khác để chỉnh định PID dựa phiếm hàm mục tiêu, chỉnh định trực tiếp, chỉnh định theo Zhao, Tomizuka Isaka Nguyên tắc chung bắt đầu với giá trị K P, KI,KD, theo Zeigler-Nichols, sau dựa vào đáp ứng thay đổi dần để tìm hướng chỉnh định thích hợp.” Xây dựng kế hoạch giám sát Khi xây dựng kế hoạch giám sát, phải phác thảo sơ đồ bao gồm trình vật lý kiểm soát yếu tố van đo lường Thêm thông tin phản hồi từ trình tính tốn cần thiết, sau sử dụng VI công cụ này, kết hợp với mơn tốn logic VI chức LabVIEW, dịch sơ đồ vào sơ đồ khối Các yếu tố thiếu từ đơn giản VI thơng số vòng lặp tự động-đến-chuyển tay Xây dựng hệ thống mờ Chúng ta sử dụng PID Fuzzy Logic Toolkit để thiết kế mờ hệ thống theo hai cách: Sử dụng hệ thống thiết kế mờ cách sử dụng Fuzzy Logic VI Chương mô tả làm để sử dụng hệ thống mờ người thiết kế để thiết kế hệ thống mờ Chọn Công cụ »Thiết kế điều khiển Mô »Hệ thống Fuzzy Designer để khởi động hệ thống mờ Tạo biến ngôn ngữ Bước việc thiết kế hệ thống mờ với hệ thống thiết kế Fuzzy tạo đầu vào đầu biến ngôn ngữ cho hệ thống d.Cấu trúc mờ hàm thuộc Bộ Fuzzy thiết kế gồm đầu vào: sai lệch e(t) vi phân sai lệch de(t) ba đầu ba tham số PID: K’P, K’I, K’D Việc xây dựng hàm thuộc , khoảng giá trị biến vật lý biến ngôn ngữ dựa vào đoán Với đầu vào Fuzzy ta lập hàm thuộc ứng với biến ngôn ngữ: e(t)={NB,NS,NE,PS,PB} de(t)={DF,DS,MT,IS,IF} K’P, K’I, K’D ={SM,MS,ME,MB,BG} Trong đó: - NB âm lớn, NS âm nhỏ, NE 0, PS dương nhỏ, PB dương lớn DF giảm nhanh, DS giảm chậm, MT trì, IS tăng chậm, IF tăng nhanh SM nhỏ, MS nhỏ vừa, ME bình thường, MB lớn vừa, BG lớn Hình 2.12 Hàm thuộc biến ngơn ngữ “e” Hình 2.13 Hàm thuộc biến ngôn ngữ biến thiên tốc độ “ d/dt” Hình 2.14 Hàm thuộc biến ngơn ngữ điện áp Khoảng giá trị biến vật lý cho hàm thuộc sai lệch e(t) dựa vào khoảng giá trị tín hiệu đo Ở tín hiệu đo số xung encoder khoảng chu kỳ trích mẫu Ts nên ta lấy khoảng giá trị e(t) [-4;4] Khoảng nhỏ mục đích tự động điều chỉnh để có tham số PID phù hợp Khoảng giá trị biến vật lý cho hàm thuộc vi phân sai lệch de(t) ta dựa vào khoảng giá trị đo Ở với Ts = 25,6 ms ta chọn khoảng giá trị [-156; 156] Còn lại đầu K’P, K’I, K’D có dạng giống dạng chuẩn nên hàm thuộc ta lấy khoảng giá trị biến [0;1] Thiết lập luật Nếu Thì (If Then ) Bài tốn đặt có tín hiệu vào tín hiệu ta xây dựng theo mệnh đề MISO Bảng 2.1: Bảng luật hợp thành e(t) d/dt NB NS ZE PS PB DF BG BG BG BG MB DS BG MB MB MB ME MT MB ME ME ME MS IS ME MS MS MS SM IF MS SM SM SM SM Bộ điều khiển PID mờ có tham số KP, KI, KD nằm khoảng [KPmin ,KPmax], [KImin ,KImax], [KDmin ,KDmax].Ta đổi dạng tắc sau: K’P= K’I= K’D= CHƯƠNG THIẾT KẾ GIAO DIỆN MÔ PHỎNG VÀ GIÁM SÁT TRỰC TIẾP ĐỘNG CƠ DC TRÊN MÁY TÍNH 3.1 Giao tiếp máy tính 3.1.1 Arduino Uno Arduino Uno hội đồng quản trị vi điều khiển dựa ATmega328 Nó có 14 chân kỹ thuật số đầu vào / đầu (trong sử dụng đầu PWM), ngõ vào analog, 16 MHz cộng hưởng gốm, kết nối USB, jack cắm điện, tiêu đề ICSP, nút Reset Nó chứa tất thứ cần thiết để hỗ trợ vi điều khiển; đơn giản kết nối với máy tính cáp USB với chuyển đổi AC- DC nguồn DC để cấp điện cho Arduino Hình 3.1.Arduino Uno mặt trước sau Uno khác với tất bảng trước chỗ khơng sử dụng chip điều khiển FTDI USB-to-sê-ri Thay vào đó, có tính Atmega16U2 (Atmega8U2 lên đến phiên R2) lập trình chuyển đổi USB-to-sê-ri.Trên board có nút reset, ngõ kết nối với máy tính qua cổng USB ngõ cấp nguồn sử dụng jack 2.1mm lấy lượng trực tiếp từ AC-DC adapter hay thông qua ắc-quy nguồn Khi làm việc với Arduino board, số thuật ngữ sau cần lưu ý: • Flash Memory: nhớ ghi được, liệu không bị tắt điện Về vai trò, ta hình dung nhớ ổ cứng để chứa liệu board Chương trình viết cho Arduino lưu Kích thước vùng nhớ thông thường dựa vào vi điều khiển sử dụng, ví dụ ATmega8 có 8KB flash memory Loại nhớ chịu khoảng 10,000 lần ghi / xố RAM: tương tự RAM máy tính, bị liệu ngắt điện bù lại tốc độ đọc ghi xố nhanh Kích thước nhỏ Flash Memory nhiều lần • EEPROM: dạng nhớ tương tự Flash Memory có chu kì ghi / xố cao - khoảng 100,000 lần có kích thước nhỏ Để đọc / ghi liệu ta dùng thư viện EEPROM Arduino • Ngồi ra, board Arduino cung cấp cho ta pin khác pin cấp nguồn 3.3V, pin cấp nguồn 5V, pin GND Thông số kỹ thuật Vi điều khiển ATmega328 họ 8bit Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ cấp qua cổng USB) Tần số hoạt động 16 MHz Dòng tiêu thụ 30mA khoảng Điện áp vào khuyên dùng Điện áp vào giới hạn 7-12V DC 6-20V DC Số chân Digital I/O Số chân Analog 14 (6 chân hardware PWM) (độ phân giải 10bit) Dòng tối đa chân I/O Dòng tối đa (5V) 30 mA 500 mA Dòng tối đa (3.3V) 50 mA Bộ nhớ flash 32 KB (ATmega328) SRAM KB (ATmega328) EEPROM KB (ATmega328) 3.1.2 Lập trình điều khiển Arduino với Labview - Cài đặt gói LINX trình quản lý gói VI - Kiểm tra cài đặt LABVIEW/LINX: Tool -> Labview Hacker -> LINX -> LINX Firmware Wizard, thiết lập cài đặt cần thiết cho Arduino phù hợp (chỉ lần) 3.2 Thiết kế giao diện mô giám sát trực tiếp dộng phần mềm Labview 3.2.1 Yêu cầu xây dựng Hình 3.2 Sơ đồ cấu trúc mơ hình Chọn động chiều có thơng số sau: Tham số động : + Công suất đm Pđm =65 (W) + Uđm =12 (V) + Dòng điện định mức Idm = 1.03 (A) + Tốc độ định mức rđm = 2400 Vòng/phút 3.2.2 Thiết kế giao diện mô động phần mềm Labview Phương pháp thuật tốn PID Giao diện Phương pháp thuật toán Fuzzy logic Luật điều khiển mờ Fuzzy Giao diện 3.2.3 Thiết tkế giao diện sá trực tiếp nhúng arduino phần mềm Labview Phương pháp thuật tốn PID Giao diện Phương pháp điều khiển Fuzzy logic Luật điều khiển mờ Giao diện Phương pháp điều khiển PID & Fuzzy logic Kết luận: - Hệ thống thiết kế dùng hiệu chỉnh PID cho phép điều khiển nhiều vị trí đặt …Tuy nhiên so với lý thuyết chay mơ chất lượng hệ thống nhiều hạn chế sai số xác lập - Ảnh hưởng thông số PID đến hệ thống sau: Kd không ảnh hưởng nhiều đến hệ thống, chênh lệch Ki thiết kế mô lớn, Ki tăng làm tăng độ vọt lố, giảm sai số xác lập, tăng Ki lớn giá trị tối ưu hệ thống ổn định Tác động Kp nâng cao chat lượng đáp ứng chọn giá trị thích hợp - Điều khiển luyện Fuzzy đáp ứng luật điều khiển điều kiện đầu vào tương ứng với xung đầu KẾT LUẬN CHUNG Sau thời gian nỗ lực tìm hiểu, nghiên cứu với bảo tận tình hỗ trợ nhiều mặt thầy giáo Ths.Hồ Sỹ Phương 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 TÀI LIỆU TAM KHẢO Nguyễn Hoa Lư, Lê Văn Chương, Giáo trình lý thuyết điều khiển tự động hệ tuyến tính, NXB Ðại học Vinh, 2017 Introduction to control system tech nology(Roert N.Bateson) Website http://labview.hocdelam.org/vn/ ; http://www.ni.com/ Programming Arduino with LabVIEW Lập trình Labview -Ts Nguyễn Bá Hải, Nxb Đại học Quốc gia TPHCM ... cụ dùng cần thiết Labview • CHƯƠNG ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU CHỈNH PID VÀ ĐIỀU KHIỂN MỜ FUZZY TRONG ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ 2.1 Xây dựng mơ hình tốn học động 2.1.1 Cấu tạo động dc Động điện chiuề thiết. .. dụng kỹ thuật hiệu chỉnh PID mềm (dựa phần mềm), sở thiết kế PID mờ hay PID thích nghi.” [9] Sơ đồ điều khiển sử dụng PID mờ Hình 2.11 Sơ đồ điều khiển sử dụng PID mờ Mơ hình tốn điều khiển PID. .. đáp ứng yêu cầu toán điều khiển “rõ ràng” “chính xác” 2.3.2 Luật điều khiển mờ FUZZY “Có thể nói lĩnh vực điều khiển, PID xem giải pháp đa cho ứng dụng điều khiển analog digital Việc thiết kế PID