Nghiên cứu điều khiển chính xác vị trí hệ thống cơ khí​

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM - LƯU HOÀNG HIỆP NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN CHÍNH XÁC VỊ TRÍ HỆ THỐNG CƠ KHÍ LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : Kỹ thuật Cơ Điện Tử Mã số ngành: 60520114 TP HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM - LƯU HOÀNG HIỆP NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN CHÍNH XÁC VỊ TRÍ HỆ THỐNG CƠ KHÍ LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : Kỹ thuật Cơ Điện Tử Mã số ngành: 60520114 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS.NGUYỄN TẤN TIẾN TP HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2014 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM Cán hướng dẫn khoa học : PGS.TS.NGUYỄN TẤN TIẾN Luận văn Thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Công nghệ TP HCM ngày 25 tháng 01 năm 2014 Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: TT Họ tên PGS.TS Trần Thu Hà TS Nguyễn Thanh Phương TS Nguyễn Duy Anh TS Võ Tường Quân TS Nguyễn Viễn Quốc Chức danh Hội đồng Chủ tịch Phản biện Phản biện Ủy viên Ủy viên, Thư ký Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau Luận văn sửa chữa (nếu có) Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV TRƯỜNG ĐH CƠNG NGHỆ TP HCM PHỊNG QLKH – ĐTSĐH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc TP HCM, ngày 25 tháng 01 năm 2014 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Lưu Hoàng Hiệp Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 14/01/1977 Nơi sinh: Tp Hồ Chí Minh Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ Điện Tử MSHV: 1241840005 I- Tên đề tài: NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN CHÍNH XÁC VỊ TRÍ HỆ THỐNG CƠ KHÍ II- Nhiệm vụ nội dung: a Nghiên cứu tổng quan vấn đề liên quan b Mơ hình hóa hệ khí có độ rơ c Thiết kế điều khiển khử rơ d Mô hệ điều khiển e Thực nghiệm kết luận III- Ngày giao nhiệm vụ: 12/06/2013 IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 30/12/2013 V- Cán hướng dẫn: PGS.TS.Nguyễn Tấn Tiến CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu Luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tơi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực Luận văn cảm ơn thơng tin trích dẫn Luận văn rõ nguồn gốc Học viên thực Luận văn Lưu Hoàng Hiệp ii LỜI CÁM ƠN Xin chân thành cảm ơn: Thầy Nguyễn Tấn Tiến, giảng viên hướng dẫn, tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi để đề tài hoàn thành Các bạn sinh viên tập thể lớp Cơ Điện Tử có giúp đỡ thiết thực động viên trình thực đề tài Và xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình người thân hỗ trợ tất điều kiện để đề tài hoàn thành tốt đẹp Lưu Hoàng Hiệp iii TÓM TẮT Mục tiêu luận án thiết kế điều khiển khử rơ Bộ điều khiển dùng vi điều khiển dsPIC30F4011 hãng Microchip, cụ thể vi điều khiển dsPIC30F4011 Bộ điều khiển điều khiển xác vị trí di chuyển bàn trượt Bộ điều khiển khử rơ thiết kế để điều khiển hệ thống đạt giá trị mong muốn cách nhanh chóng, giảm độ vọt lố đến mức tối thiểu, hệ thống hoạt động ổn định sai số mức tối thiểu Đồng thời, trình hoạt động hệ thống giám sát qua máy tính để người điều khiển quan sát có định điều khiển thuận tiện hợp lý Nội dung đề tài bao gồm chương sau: Chương 1: Nghiên cứu tổng quan vấn đề liên quan Chương 2: Mơ hình hóa hệ khí có độ rơ Chương 3: Thiết kế điều khiển khử rơ Chương 4: Mô hệ điều khiển Chương 5: Thực nghiệm kết luận iv ABSTRACT The objective of this thesis is to design the controller de-trailers This controller using microcontroller Microchip's dsPIC30F4011, namely dsPIC30F4011 microcontroller The controller can control the exact location of the moving slide The controller is designed to de-relay control system can achieve the desired value quickly, reducing to a minimum overshoot, stable operating system and minimum errors At the same time, the operation of the monitoring system is also through to the control PC can be observed as well as the decision to conveniently control and reasonable Content topics include the following: Chapter 1: Research overview of related issues Chapter 2: Modeling system has a mechanical relay Chapter 3: Designing the controller de-trailers Chapter 4: Simulation of control systems Chapter 5: Experiments and conclusions v MỤC LỤC Lời cam đoan i Lời cảm ơn .ii Tóm tắt luận án iii Abstract iv Mục lục v Danh sách hình vii Danh mục từ viết tắt, kí hiệu viii Danh sách bảng ix MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Mục đích đề tài Đối tượng phạm vi nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu 1.3 Backlash hiệu chỉnh CHƯƠNG : MƠ HÌNH HĨA HỆ CƠ KHÍ CĨ ĐỘ RƠ 2.1 Mơ hình hóa hệ thống 10 2.2 Đặc tính độ rơ (backlash) 14 2.3 Mơ hình hóa rơ 16 CHƯƠNG : THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN KHỬ RƠ 3.1 Giới thiệu điều khiển PID 18 3.2 Thiết kế điều khiển PID 19 3.3 Hiệu chỉnh điều khiển 23 3.4 Sơ đồ kết nối hệ thống điều khiển 24 3.5 Lưu đồ điều khiển hệ thống 24 CHƯƠNG : MÔ PHỎNG HỆ ĐIỀU KHIỂN 4.1 Mơ hệ thống khơng có điều khiển 25 4.2 Mơ hệ thống có điều khiển P theo phương pháp Ziegler-Nichols 26 4.3 Mô hệ thống có điều khiển PI theo phương pháp Ziegler-Nichols 27 4.4 Mô hệ thống có điều khiển PID theo phương pháp Ziegler-Nichols 28 vi CHƯƠNG : THỰC NGHIỆM VÀ KẾT LUẬN 5.1 Mơ hình thực nghiệm hệ thống 29 5.2 Tìm độ rơ hệ thống khí cần điều khiển 30 5.3 Kết nhận thực nghiệm ba thông số bảng 5.1 31 5.4 Kết luận hướng phát triển đề tài 33 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC 20 Ziegler Nichols đưa phương pháp xác định thông số tối ưu PID dựa đồ thị hàm độ đối tượng dựa giá trị tới hạn thu qua thực nghiệm 3.2.1 Tính tốn hàm truyền hệ thống Để đánh giá ảnh hưởng rơ đến chất lượng hệ thống điều khiển khí từ tìm giải pháp khắc phục, ta tiến hành khảo sát hệ truyền động có rơ có sơ đồ khối hình 3.4 Trong khối dẫn động động chiều có thơng số cho bảng 3.1, tải khâu qn tính có hàm số truyền Bảng 3.1 Hằng số hệ thống Ke Ki Ti Te T 0,65 0,80166 0,0013 0,0377 0,05 𝐻(𝑠) = 𝐾𝑒 0,65 = 𝑇𝑠 + 0,05𝑠 + (3.6) Hàm truyền động có dạng: 𝐺 (𝑠 ) = 𝐾𝑖 0,80166 = 𝑇𝑖 𝑇𝑒 𝑠 + 𝑇𝑖 𝑠 + 0,0013𝑠 + 0,0377𝑠 + (3.7) 3.2.2 Các phương pháp xác định tham số điều khiển PID Phương pháp Ziegler-Nichols Phương pháp Ziegler-Nichols pháp thực nghiệm để xác định tham số điều khiển P, PI, PID cách dự vào đáp ứng độ đối tượng điều khiển Tùy theo đặc điểm đối tượng, Ziegler Nichols đưa hai phương pháp lựa chọn tham số điều khiển: Phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất: Phương pháp áp dụng cho đối tượng có đáp ứng tín hiệu vào hàm nấc có dạng chữ S nhiệt độ lò nhiệt, mực chất lỏng, gas, áp lực… 21 Phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai : Phương pháp áp dụng cho đối tượng có khâu tích phân lý tưởng hệ truyền động dùng động DC Clock r simout r Step Kth K toi han = 3.8 0.80166 0.65 den(s) Dong co DC 0.05s+1 Bo truyen dong vitme dai oc n To Workspace n Hình 3.3 Sơ đồ mô xác định số khuếch đại tới hạn Thay điều khiển PID hệ kín khuếch đại (hình 3.6) Tăng hệ số khuếch đại tới giá trị tới hạn kth để hệ kín chế độ biên giới ổn định, tức đồ thị có dạng dao động điều hòa Suy kth = 3,8 Xác định chu kỳ Tth dao động hình 3.6 Suy Tth = 0,20 Hình 3.4 Đồ thị đầu vào – đầu hệ thống biên giới ổn định Scope 22 Thông số điều khiển chọn theo bảng sau: Bảng 3.2 Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ Thông số Kp Ti Td P 0,5kth  PI 0,45kth 0,83Tth PID 0,6kth 0,5Tth 0,125Tth Bộ điều khiển Thay kth = 3,8 Tth = 0,2 Bảng 3.3 Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ Thông số Kp Ti Td P 1,9  PI 1,71 0,166 PID 2.28 0,100 0,025 Bộ điều khiển Với 𝐾𝑖 = 𝐾𝑝 𝑇𝑖 𝐾𝑑 = 𝐾𝑝 𝑇𝑑 Bảng 3.4 Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ Thông số Kp Ki Kd P 1,9  PI 1,71 10,30 PID 2.28 22,8 0,057 Bộ điều khiển 23 3.3 Hiệu chỉnh điều khiển Việc hiệu chỉnh phù hợp thông số Kp, Ki Kd làm tăng chất lượng điều khiển Bảng 3.5 Ảnh hưởng thông số hiệu chỉnh điều khiển Đ.ứng vòng kín T gian tăng Vọt lố (C.L response) (Rise time) (Overshoot) Giảm Tăng Kp Giảm Tăng Ki Ít thay đổi Giảm Kd T gian độ (Settling time) Ít thay đồi Tăng Giảm Sai số xác lập (Steady-state err.) Tăng Không xác định Thay đối Để khử rơ trình bày hình 1.5 Ta đặt encoder bàn trượt đề tài sử dụng thước quang có độ xác 5µm Khi động đảo chiều quay chuyển động tịnh tiến vitme đưa chạy từ vị trí A B B Encoder A Tiến /dừng Motor B Encoder A Bắt đầu quay lùi Motor Encoder không đếm xung Rơ Hình 3.5 Đáp ứng nấc hệ kín k = kth Lúc động quay bàn trượt đứng yên Tại vị trí này, xung từ thước quang không xuất bàn trượt đứng yên Giải sai số rơ từ vị trí A B chạy tiếp xúc phía bên trái bàn trượt lại phát sinh sai số rơ hao mòn thành phần khí Lúc ta phải cập nhật lại số xung đặt số xung xuất từ thước quang lần Từ điều khiển PID tính tốn lại lần để đưa xung PWM điều khiển động chạy số xung đặt 24 3.4 Sơ đồ kết nối hệ thống điều khiển Driver RS232 PWM Vi điều khiển dspic30f4011 QEI UART Hình 3.6 Sơ đồ kết nối hệ thống điều khiển 3.5 Lưu đồ điều khiển hệ thống Bắt đầu Nhập thông số giá trị đặt, kp, ki, kd Bộ điều khiển Xử lý thông số kp, ki, kd Và xuất tín hiệu điều khiển Hệ thống khí Kết thúc Hình 3.7 Lưu đồ điều khiển hệ thống Encoder 25 Chương : Mô hệ điều khiển 4.1 Mơ hệ thống khơng có điều khiển: Clock Xung 0.80166 0.0013s +0.0377s+1 r Dong co DC Vi tri dat 0.65 0.05s+1 simout y1 To Workspace Bo truyen dong vitme dai oc Scope1 r Backlash 0.80166 0.65 0.0013s +0.0377s+1 Dong co DC1 0.05s+1 y1 Bo truyen dong vitme dai oc1 Hình 4.1 a) Mơ hệ thống khơng có điều khiển Hình 4.1 b) Đáp ứng đầu hệ thống khơng có điều khiển PID, giá trị đặt 700 xung đầu hệ thống 300 26 4.2 Mô hệ thống có điều khiển P theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai : Kp = 1,9 r(t) Vi tri dat P(s) Bo dieu khien P 0.80166 0.65 den(s) 0.05s+1 Ban truot Dong co DC Clock simout y To Workspace S cope3 P(s) v u Bo dieu khien P Backlash 0.80166 0.65 den(s) 0.05s+1 Ban truot1 Dong co DC1 y Hình 4.2 a) Mơ hình đầu hệ thống có điều khiển P backlash =1,1 Hình 4.2 b)Đáp ứng đầu hệ thống có điều khiển P chưa đạt vị trí đặt 27 4.3 Mơ hệ thống có điều khiển PI theo phương Ziegler-Nichols thứ hai : Kp = 1,7; Ki = 10,30 r(t) Vi tri dat PI(s) Bo dieu khien PI 0.80166 0.65 den(s) 0.05s+1 Ban truot Dong co DC Clock simout y To Workspace S cope3 PI(s) v u Bo dieu khien PI Backlash 0.80166 0.65 den(s) 0.05s+1 Ban truot1 Dong co DC1 y Hình 4.3 a) Mơ hình đầu hệ thống có điều khiển PI backlash =1,1 Hình 4.3 b)Đáp ứng đầu hệ thống khí có điều khiển PI gần đạt vị trí đặt 28 4.4 Mơ hệ thống có điều khiển PID theo phương Ziegler-Nichols thứ hai : Kp = 2,28, Ki = 22,8, Kd = 0,025 r(t) Vi tri dat PID(s) Bo dieu khien PID 0.80166 0.65 den(s) 0.05s+1 Ban truot Dong co DC Clock simout y To Workspace S cope3 PID(s) v u Bo dieu khien PI Backlash 0.80166 0.65 den(s) 0.05s+1 Ban truot1 Dong co DC1 y Hình 4.4 a) Mơ hình đầu hệ thống có điều khiển PID backlash =1,1 Hình 4.4 b)Đáp ứng đầu hệ thống khí có điều khiển PID có vọt lố 29 Chương : Thực nghiệm kết luận 5.1 Mơ hình thực nghiệm hệ thống Gồm động – hộp giảm tốc – khớp nối – visme – đai ốc – Bộ điều khiển vị trí – thước quang – nguồn – máy vi tính cài giao diện điều khiển Để thực nghiệm việc tác giả làm xác định độ rơ hệ thống khí theo hình 5.2 Từ kết mơ chương mục đích đề tài Ta dễ dàng nhìn thấy đáp ứng điều khiển PI phù hợp để điều khiển xác vị trí hệ thống khí khơng có độ vọt lố Bàn trượt DC motor Bộ nguồn Thước quang MCU & Driver Hình 5.1 Mơ hình thực nghiệm hệ thống khí 30 5.2 Tìm độ rơ hệ thống khí cần điều khiển Hình 5.2 Vị trí xung đặt giá trị xung từ encoder hồi tiếp Ta đặt encoder bàn trượt đề tài sử dụng thước quang có độ xác 5µm, cho động quay trái khoảng thời gian quay phải khoảng thời gian sau dừng Số xung đặt 274 có rơ nên sai lệch 315 : Ta có số xung sai lệnh 315 – 274 = 41 Từ ta tính độ rơ 41 x 5µm = 205 µm 31 Áp dụng phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai cho mơ hình Thơng số điều khiển chọn theo bảng sau: Bảng 5.1: Thông số Kp, Ki, Kd hệ thống Thông số Kp Ki Kd P 4,9  PI 4,410 0,007 PID 5,880 0,004 0,001 5.3 Kết nhận thực nghiệm ba thơng số bảng 5.1 Hình 5.3 Đáp ứng hệ thống khí với điều khiển P chưa vị trí đặt Nhận xét :  Ta có số xung sai lệnh 639 – 626 = 13  Suy độ rơ 13 x 5µm = 65 µm 32 Hình 5.4 : Đáp ứng hệ thống khí với điều khiển PI khơng có vọt lố Nhận xét :  Ta có số xung sai lệnh 548 – 548 =  Suy độ rơ x 5µm = µm Hình 5.5 : Đáp ứng hệ thống khí với điều khiển PID có vọt lố 33 Nhận xét :  Ta có số xung sai lệnh 1461 – 1460 =  Suy độ rơ x 5µm = µm Như điều khiển PI đạt mục đích đề tài Độ rơ giảm từ 205 µm xuống µm 5.3 Kết luận hướng phát triển đề tài 5.3.1 Kết luận Sau thời gian thực hiện, đề tài hoàn tất với kết sau: – Xây dựng mơ hình hệ khử rơ – Hồn thành mạch điện điều khiển cho toàn hệ thống – Hoàn thành chương trình điều khiển vi điều khiển dspic30f0411 – Hồn thành chương trình điều khiển giám sát máy tính – Tính tốn điều chỉnh điều khiển PID vị trí Tuy nhiên đề tài số hạn chế: Chương trình giám sát dạng thử nghiệm, chưa hoàn thiện chức cần có 5.3.2 Hướng phát triển đề tài Nghiên cứu thơng số ảnh hưởng độ xác hệ thống khí lại độ biến dạng,… Xây dựng điều khiển vị trí khác mà thông số minh chứng qua thực nghiệm qua mơ hình hóa Đó xây dựng hàm GI(s) xác định nhận dạng hệ thống, hàm chứa tồn thơng số lại ảnh hưởng đến độ xác 34 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Huỳnh Thái Hoàng – Nguyễn Thị Phương Hà Lý thuyết điều khiển tự động NXB ĐH Quốc Gia TP.HCM 2005 [2] Ngô Diên Tập Vi Điều Khiển với Lập Trình C Nhà xuất Khoa Học Kỹ Thuật 2006 [3] MattiasNordin & Per-OlofGutman Controlling Mechanical Systems with Backlash - A Survey [4] Jonathan W Valvano Embedded Microcomputer Systems – Real Time Interfacing 2006 [5] Aaron Millerand Jerry Lee Ford, Jr Microsoft Visual C++ 2005 Express Edition Programming for the Absolute Beginner [6] Gang Tao & Petar V Kokotovic Continuous-time Adaptive Control of Systems with Unknown Backlash [7] Crescencio Hernandez-Rosales, Ricardo Femat-Flores, Griselda Quiroz-Compean Make a PI controller on an 8-bit micro 2006 [8] Dspic30f4011 Data Ref Manual Một số Website: - www.en.wikipedia.com - www.Microchip.com - www.embedded.com - http://support.steema.com - www.msdn.com ... khiển xác vị trí hệ thống khí ” Mục đích đề tài Mục đích đề tài nghiên cứu điều khiển xác hệ thống khí Đối tượng phạm vi nghiên cứu  Hệ thống điều khiển truyền động có độ rơ  Mơ hình hóa hệ khí...  Nghiên cứu lý thuyết điều khiển xác vị trí  Thiết kế điều khiển khử rơ  Mô hệ điều khiển  Thực nghiệm kết luận 2 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Nghiên cứu, ứng dụng lý thuyết điều khiển. .. CHƯƠNG : MƠ PHỎNG HỆ ĐIỀU KHIỂN 4.1 Mơ hệ thống khơng có điều khiển 25 4.2 Mô hệ thống có điều khiển P theo phương pháp Ziegler-Nichols 26 4.3 Mơ hệ thống có điều khiển PI theo phương