thiet ke che tao bo dieu khien pid so

NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN 1 ........................................ 1 NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN 2 ........................................ 2 NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN .............................................. 3 LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................................... 10 LỜI CÁM ƠN .................................................................................................................... 11 PHẦN 1: CƠ SỞ LÝ LUẬN ............................................................................................. 12 1. Lý do chọn đề tài .................................................................................................. 12 2. Mục đích nghiên cứu............................................................................................ 12 3. Nhiệm vụ nghiên cứu ........................................................................................... 12 4. Phƣơng pháp nghiên cứu ..................................................................................... 13 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài .................................................................... 13 6. Bố cục của đề tài .................................................................................................. 13 PHẦN 2: NỘI DUNG ....................................................................................................... 14 Chƣơng 1: Điều khiển động cơ điện một chiều ................................................................. 14 1.1. Đại cƣơng về động cơ điện một chiều ................................................................. 14 1.1.1. Cấu tạo .......................................................................................................... 14 1.1.2. Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều.......................................... 14 1.1.3. Các phƣơng trình cơ bản của động cơ điện một chiều. ................................ 15 1.1.4. Phân loại động cơ điện 1 chiều ..................................................................... 18 1.1.5. Ứng dụng của động cơ điện 1 chiều ............................................................. 19 1.2. Sơ đồ khối điều khiển .......................................................................................... 19 1.3. Các phƣơng pháp điều chỉnh động cơ DC ........................................................... 20 1.3.1. Phƣơng pháp điều chỉnh điện áp phần ứng................................................... 20 1.3.2. Phƣơng pháp điều chỉnh từ thông kích từ ..................................................... 21 1.3.3. Điều chỉnh hỗn hợp điện áp phần ứng và từ thông kích từ .......................... 22 1.3.4. Phƣơng pháp thay đổi điện trở phần ứng...................................................... 23 1.4. Mô tả toán học cho động cơ điện một chiều ( khi kể đến Mms=f.ω ). ............ 24 1.4.1. Chế độ xác lập của động cơ điện một chiều ................................................. 24 1.4.2. Chế độ quá độ của động cơ điện một chiều .................................................. 25 1.5. Các hệ truyền động động cơ điện một chiều ........................................................ 30 5 1.5.1. Hệ thống truyền động máy phát_ động cơ một chiều (F-Đ). ....................... 30 1.5.2. Hệ thống chỉnh lƣu_ động cơ một chiều (van – động cơ). .......................... 32 1.5.3. Các hệ truyền động điều chỉnh xung áp_ động cơ (XA_Đ). ........................ 35 Chƣơng 2: Thuật toán điều khiển PID ............................................................................... 37 2.1. Giới thiệu chung. ..................................................................................................... 37 2.2. Lý thuyết điều khiển bộ điều chỉnh PID số ......................................................... 37 2.2.1. Xấp xỉ thành phần P ...................................................................................... 38 2.2.2. Xấp xỉ thành phần I ....................................................................................... 38 2.2.3. Xấp xỉ thành phần D ..................................................................................... 38 2.2.4. Xấp xỉ luật PID ............................................................................................. 39 2.3. Các phƣơng pháp thiết kế bộ điều chỉnh PID số ................................................. 41 Chƣơng 3: Vi điều khiển PIC 18F4550 và phần mềm Labview ....................................... 48 3.1. Vi điều khiển PIC 18F4550.................................................................................. 48 3.1.1. Giới thiệu chung ........................................................................................... 48 3.1.2. Vi điều khiển Pic 18F4550 ........................................................................... 49 3.2. Lập trình trong môi trƣờng LABVIEW ............................................................... 54 3.2.1. Khái quát chung về phần mềm Labview ...................................................... 54 3.2.2. Kĩ thuật lập trình Labview ............................................................................ 55 3.3. PID trong LabView .............................................................................................. 56 3.3.1. Cấu tạo của PID trong LabView ................................................................... 56 3.3.2. Toolkit PID ................................................................................................... 57 Chƣơng 4: Thiết kế hệ truyền động động cơ điện một chiều ............................................ 62 4.1. Yêu cầu thiết kế ................................................................................................... 62 4.2. Tính toán bộ điều chỉnh PID cho động cơ DC ..................................................... 62 4.2.1. Phân tích chất lƣợng hệ thống ở chế độ tĩnh ................................................ 63 4.2.2. Tổng hợp mạch vòng dòng điện và mạch vòng tốc độ ................................. 70 4.2.3. Xây dựng đƣờng đặc tính của hệ thống kín .................................................. 77 4.2.4. Kiểm tra chất lƣợng hệ thống ....................................................................... 80 4.3. Tính toán bộ điều chỉnh PID cho động cơ sử dụng trong mô hình ...................... 83 4.4. Thiết kế mạch điều khiển động cơ ....................................................................... 90 4.4.1. Khối nguồn (15V) ......................................................................................... 90 4.4.2. Thiết kế mạch điều khiển .............................................................................. 91 6 4.4.3. Thiết kế mạch lực ......................................................................................... 92 4.4.4. Thiết kế giao diện điều khiển Labview ........................................................ 95 4.4.5. Lƣu đồ thuật toán .......................................................................................... 96 4.5. Kết quả đạt đƣợc .................................................................................................. 97 Chƣơng V: Kết luận và kiến nghị .................................................................................... 100 5.1. Kết luận .............................................................................................................. 100 5.2. Kiến nghị ............................................................................................................ 100 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................... 101 PHỤ LỤC ........................................................................................................................ 102

1 NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN 1 ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… Hưng Yên, ngày tháng năm 2012 Cán bộ hƣớng dẫn 1 2 NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN 2 ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… Hưng Yên, ngày tháng năm 2012 Cán bộ hƣớng dẫn 2 3 NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… Hưng Yên, ngày tháng năm 2012 Giáo viên phản biện 4 MỤC LỤC NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN 1 1 NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN 2 2 NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN 3 LỜI NÓI ĐẦU . 10 LỜI CÁM ƠN 11 PHẦN 1: CƠ SỞ LÝ LUẬN . 12 1. Lý do chọn đề tài 12 2. Mục đích nghiên cứu 12 3. Nhiệm vụ nghiên cứu . 12 4. Phƣơng pháp nghiên cứu . 13 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài 13 6. Bố cục của đề tài 13 PHẦN 2: NỘI DUNG . 14 Chƣơng 1: Điều khiển động cơ điện một chiều . 14 1.1. Đại cƣơng về động cơ điện một chiều . 14 1.1.1. Cấu tạo 14 1.1.2. Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều 14 1.1.3. Các phƣơng trình cơ bản của động cơ điện một chiều. 15 1.1.4. Phân loại động cơ điện 1 chiều . 18 1.1.5. Ứng dụng của động cơ điện 1 chiều . 19 1.2. Sơ đồ khối điều khiển 19 1.3. Các phƣơng pháp điều chỉnh động cơ DC . 20 1.3.1. Phƣơng pháp điều chỉnh điện áp phần ứng . 20 1.3.2. Phƣơng pháp điều chỉnh từ thông kích từ . 21 1.3.3. Điều chỉnh hỗn hợp điện áp phần ứng và từ thông kích từ 22 1.3.4. Phƣơng pháp thay đổi điện trở phần ứng 23 1.4. Mô tả toán học cho động cơ điện một chiều ( khi kể đến Mms = f. ). 24 1.4.1. Chế độ xác lập của động cơ điện một chiều . 24 1.4.2. Chế độ quá độ của động cơ điện một chiều 25 1.5. Các hệ truyền động động cơ điện một chiều 30 5 1.5.1. Hệ thống truyền động máy phát_ động cơ một chiều (F-Đ). . 30 1.5.2. Hệ thống chỉnh lƣu_ động cơ một chiều (van – động cơ). 32 1.5.3. Các hệ truyền động điều chỉnh xung áp_ động cơ (XA_Đ). 35 Chƣơng 2: Thuật toán điều khiển PID . 37 2.1. Giới thiệu chung. . 37 2.2. Lý thuyết điều khiển bộ điều chỉnh PID số . 37 2.2.1. Xấp xỉ thành phần P 38 2.2.2. Xấp xỉ thành phần I . 38 2.2.3. Xấp xỉ thành phần D . 38 2.2.4. Xấp xỉ luật PID . 39 2.3. Các phƣơng pháp thiết kế bộ điều chỉnh PID số . 41 Chƣơng 3: Vi điều khiển PIC 18F4550 và phần mềm Labview . 48 3.1. Vi điều khiển PIC 18F4550 48 3.1.1. Giới thiệu chung . 48 3.1.2. Vi điều khiển Pic 18F4550 . 49 3.2. Lập trình trong môi trƣờng LABVIEW . 54 3.2.1. Khái quát chung về phần mềm Labview 54 3.2.2. Kĩ thuật lập trình Labview 55 3.3. PID trong LabView 56 3.3.1. Cấu tạo của PID trong LabView . 56 3.3.2. Toolkit PID . 57 Chƣơng 4: Thiết kế hệ truyền động động cơ điện một chiều 62 4.1. Yêu cầu thiết kế . 62 4.2. Tính toán bộ điều chỉnh PID cho động cơ DC . 62 4.2.1. Phân tích chất lƣợng hệ thống ở chế độ tĩnh 63 4.2.2. Tổng hợp mạch vòng dòng điện và mạch vòng tốc độ . 70 4.2.3. Xây dựng đƣờng đặc tính của hệ thống kín 77 4.2.4. Kiểm tra chất lƣợng hệ thống . 80 4.3. Tính toán bộ điều chỉnh PID cho động cơ sử dụng trong mô hình 83 4.4. Thiết kế mạch điều khiển động cơ . 90 4.4.1. Khối nguồn (15V) . 90 4.4.2. Thiết kế mạch điều khiển 91 6 4.4.3. Thiết kế mạch lực . 92 4.4.4. Thiết kế giao diện điều khiển Labview 95 4.4.5. Lƣu đồ thuật toán 96 4.5. Kết quả đạt đƣợc 97 Chƣơng V: Kết luận và kiến nghị 100 5.1. Kết luận 100 5.2. Kiến nghị 100 TÀI LIỆU THAM KHẢO . 101 PHỤ LỤC 102 7 MỤC LỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Đặc tính cơ các loại động cơ DC . 17 Hình 1.2: Động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập 18 Hình 1.3: Động cơ điện 1 chiều kích từ nối tiếp . 18 Hình 1.4: Động cơ điện 1 chiều kích từ song song . 18 Hình 1.5: Động cơ điện 1 chiều kích từ hỗn hợp 19 Hình 1.6: Sơ đồ khối điều khiển số . 19 Hình 1.7: Các đặc tính cơ khi điều chỉnh điện áp phần ứng của động cơ DC 20 Hình 1.8: Đặc tính cơ và cơ điện khi giảm từ thông kích từ động cơ điện một chiều 21 Hình 1.9: Giới hạn momen và tốc độ khi điều chỉnh hỗn hợp điện áp phần ứng và từ thông 22 Hình 1.10: Đặc tính động cơ DC khi đƣa thêm điện trở phụ vào phần ứng . 23 Hình 1.11: Sơ đồ thay thế của động cơ điện một chiều . 24 Hình 1.12: Sơ đồ đồ cấu trúc đầy đủ của động cơ điện một chiều 26 Hình 1.13: Đƣờng đặc tính tuyến tính hóa 26 Hình 1.14: Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hóa 27 Hình 1.15: Sơ đồ cấu trúc khi từ thông không đổi 28 Hình 1.16: Các sơ đồ cấu trúc thu gọn 29 Hình 1.17: Sơ đồ nguyên lý hệ thống máy phát động cơ. . 30 Hình 1.18: Đặc tính cơ hệ F_Đ. . 31 Hình 1.19: Đặc tính cơ của động cơ trong chế độ hãm ngƣợc 32 Hình 1.20: Sơ đồ nối dây và sơ đồ thay thế của chỉnh lƣu hình tia 3 pha . 33 Hình 1.21: Đồ thị thời gian chế độ dòng điện liên tục 34 Hình 1.22: Sơ đồ nguyên lý của bộ điều chỉnh xung áp loại A . 35 Hình 2.1 Sơ đồ bộ điều khiển PID số 39 Hình 2.2. Chống bão hòa tích phân . 40 Hình 2.3. Điều khiển bằng bộ điều khiển PID 41 Hình 2.4: Đặc tính yêu cầu sau điều chỉnh của bộ điều khiển PID . 45 Hình 2.5. Các dạng đặc đặc tính của y(t) theo phƣơng pháp Ziegler-Nichols 1 45 Hình 2.6. Các dạng đặc đặc tính của y(t) theo phƣơng pháp Ziegler-Nichols 2 46 Hình 3.1 Sơ đồ khối kiến trúc vi điều khiển PIC18F4550 50 8 Hình 3.2 Sơ đồ chân vi điều khiển Pic18F4550 51 Hình 3.3. Ví dụ sơ đồ khối bộ điều khiển PID sử dụng hàm toán học . 57 Hình 3.4. Ví dụ sơ đồ khối bộ điều khiển PID trong bộ công cụ . 61 Hình 4.1: Sơ đồ khối phần cứng mạch điều khiển 62 Hình 4.2: Sơ đồ mạch nguyên lý khối nguồn 90 Hình 4.3: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển . 91 Hình 4.4: Sơ đồ nguyên lý mạch lực . 94 Hình 4.5: Giao diện Block Diagram 95 Hình 4.6: Giao diện điều khiển Front panel 96 Hình 4.7: Đặc tính điều khiển tốc độ khi không tải 97 Hình 4.8: Đặc tính điều khiển tốc độ khi có tải . 97 Hình 4.9: Sơ đồ nguyên lý toàn bộ mạch 98 Hình 4.10: Sơ đồ mạch in toàn bộ mạch . 99 Hình 4.11: Sơ đồ bố trí toàn bộ linh kiện trong mạch . 99 9 MỤC LỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1. Bảng yêu cầu chất lƣợng cho các tham số điều khiển theo phƣơng pháp Ziegler- Nichols 1 . 45 Bảng 2.2. Bảng yêu cầu chất lƣợng cho các tham số điều khiển theo phƣơng pháp Ziegler- Nichols 2 . 46 Bảng 2.3. Bảng yêu cầu chất lƣợng cho các tham số điều khiển theo phƣơng pháp Chien- Hrones-Reswick . 47 10 LỜI NÓI ĐẦU Khoa học công nghệ hiện đại đã có những bƣớc tiến nhanh và xa đi theo đó là những thành tựu ứng dụng trong mọi lĩnh vực đời sống, công nghiệp. Kĩ thuật điều khiển trong tiến trình hoàn thiện lý thuyết cũng tạo cho mình nhiều phát triển có ý nghĩa. Bây giờ khi nhắc tới điều khiển con ngƣời dƣờng nhƣ hình dung đến sự chính xác, tốc độ xử lý và thuật toán thông minh đồng nghĩa là lƣợng chất xám cao hơn. Có thể nói lĩnh lực điều khiển và trong công nghiệp thì bộ điều khiển PID có ứng dụng khá rộng rãi, một giải pháp đa năng cho các ứng dụng cả Analog cũng nhƣ Digital. Thống kê cho thấy có tới hơn 90% các bộ điều khiển sử dụng trong thực tế. Rõ ràng nếu có thiết kế và lựa chọn thông số hợp lý cho bộ điều khiển PID thì việc đạt đƣợc chỉ tiêu chất lƣợng mong muốn và khả thi bộ điều khiển PID cũng giúp cho ngƣời sử dụng dễ dàng tích cũng nhƣ chọn các luật điều khiển nhƣ: tỉ lệ (P), tích phân (D), tỉ lệ tích phân (PI), tỉ lệ vi phân (PD),… sao cho phù hợp với các đối tƣợng điều khiển. Nhiều quá trình trong công nghiệp việc sử dụng bộ điều khiển PID là không thể thay thế nhƣ khống chế nhiệt độ, mức, tốc độ…? Ngay cả những lý thuyết điều khiển thích nghi, bền vững vẫn mang lại hiệu quả cao trong các cơ cấu chỉnh định. Bài toán thiết kế và điều khiển động cơ điện một chiều là bài toán cơ bản và quen thuộc trong ngành điều khiển tự động. Có thể thiết kế cho đối tƣợng động cơ điện một chiều theo nhiều phƣơng pháp nhƣ: dùng PLC và biến tần, điện tử công suất, vi điều khiển… Mỗi phƣơng pháp có ƣu và nhƣợc điểm khác nhau nhƣng đều có mục đích ổn định và điều khiển đƣợc tốc độ động cơ. Ngày nay vi điều khiển phát triển sâu rộng và ngày càng ứng dụng nhiều trong cài đặt thiết kế bộ điều khiển cho các đối tƣợng công nghiệp. Trên cơ sở muốn tìm hiểu về lĩnh vực vi điều khiển chúng em chọn đề tài tốt nghiệp: “ THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID SỐ” dƣới sự hƣớng dẫn nhiệt tình của cô Nguyễn Phƣơng Thảo và thầy Đỗ Công Thắng, cùng với sự nỗ lực của các thành viên trong nhóm chúng em đã hoàn thành đề tài đƣợc giao. Hƣng Yên, ngày… tháng…. năm 2012 Nhóm đồ án! . điện một chiều kích từ song song: cuộn dây kích từ đƣợc mắc song song với phần ứng. Hình 1.4: Động cơ điện 1 chiều kích từ song song 19 - Động cơ điện. phụ thuộc vào dòng kích từ qua cuộn song song, trong khi độ dốc đặc tính cơ phụ thuộc vào sự phối hợp giữa cuộn song song và cuộn nối tiếp. Động 18 cơ