Đồ án: Điều khiển và giám sát mực nước dùng DSP

Việc nghiên cứu thành công đề tài mang lại nhiều ý nghĩa sâu sắc. Bất kỳ một ứng dụng hay thử nghiệm cụ thể nào cũng dựa trên những cơ sơ lý thuyết khoa học có sẵn hay giả định khoa học. Kết quả của đề tài này một lần nữa đã kiểm chứng được lý thuyết, chứng minh tính đúng đắn và tính ưu việt của luật điều khiển PID và Logic Mờ. Về thực tiễn, sau khi nghiên cứu thành công đề tài, sinh viên là người trực tiếp thụ hưởng được nhiều thành quả nhất. Quá trìnhthực hiện đề tài là một lần trải nghiệm thực tế vô cùng bổ ích. Lý thuyết điều khiển tự động đã được củng cố thêm, bên cạnh đó môi trường công nghiệp cũng gần gũi hơn thể hiện qua tiêu chí lựa chọn từng phương pháp và thiết bị cụ thể.

www.dienvietnam.vn PHẦN A i www.dienvietnam.vn BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT Độc lập – Tự – Hạnh phúc TP HỒ CHÍ MINH ****** -KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ -****** NHIỆM VỤ CỦA ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Giáo viên hướng dẫn: Họ tên sinh viên: Lớp: Chuyên ngành: Hệ: Niên khoá: TS.Nguyễn Minh Tâm Nguyễn Thanh Tùng 061180B Công Nghệ Điện Tự Động Đại học quy 2006 - 2011 MSSV: 06118030 Mã ngành: 118 Tên đề tài: ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT MỰC NƯỚC DÙNG DSP Nhiệm vụ nội dung: Từ mục đích nghiên cứu ứng dụng vào thực tiễn với việc sử dụng thiết bị sẵn nhóm thực đề tài đặt nhiệm vụ cụ thể là:  Tìm hiểu KIT DSP  Thiết lập cấu hình DSP  Thiết lập mơ hình mơ hệ bồn nước đơn  Thiết kế giao diện phần mềm Visual Basic  Kết nối DSP với Visual Basic  Liên kết phần mềm Matlab CCStudio  Tìm hiểu thuật tốn điều khiển PID Logic Mờ Ngày giao nhiệm vụ:………………………………………………… Ngày hoàn thành:…………………………………………………… Ngày … tháng … năm 2011 Giáo viên hướng dẫn TS Nguyễn Minh Tâm Ngày … tháng … năm 2011 Chủ nhiệm môn TS Nguyễn Minh Tâm ii www.dienvietnam.vn NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Giáo viên hướng dẫn: Họ tên sinh viên: Lớp: Chuyên ngành: Hệ: Niên khoá: TS.Nguyễn Minh Tâm Nguyễn Thanh Tùng 061180B Công Nghệ Điện Tự Động Đại học quy 2006 - 2011 MSSV: 06118030 Mã ngành: 118 Tên đề tài : Điều Khiển Và Giám Sát Mực Nước Dùng DSP Nhận xét giáo viên hướng dẫn: Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2012 Giáo viên hướng dẫn TS.Nguyễn Minh Tâm iii www.dienvietnam.vn NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Giáo viên hướng dẫn: Họ tên sinh viên: Lớp: Chuyên ngành: Hệ: Niên khoá: TS.Nguyễn Minh Tâm Nguyễn Thanh Tùng 061180B Công Nghệ Điện Tự Động Đại học quy 2006 - 2011 MSSV: 06118030 Mã ngành: 118 Tên đề tài : Điều Khiển Và Giám Sát Mực Nước Dùng DSP Nhận xét giáo viên phản biện: Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2012 Giáo viên phản biện iv www.dienvietnam.vn LỜI MỞ ĐẦU Khoa học kỹ thuật giới ngày phát triển mạnh mẽ Với mục đích phục vụ sống người để ngày phát triển tốt Khoa học kỹ thuật đem lại nhiều tiện ích thiết thực cho sống người ngày Góp phần khơng thể thiếu để mang lại thành tựu to lớn phát triển khơng ngừng tự động hố Trong năm gần hệ thống tự động đóng vai trị quan trọng việc phát triển tiến kỹ thuật công nghệ văn minh đại Việc nghiên cứu ứng dụng học vào thực tế sống điều cần thiết vai trị làm chủ cơng nghệ Để góp phần tạo nên tảng ban đầu vững cho việc học tập, tìm hiểu kỹ thuật điều khiển tự động, nhóm thực lựa chọn nghiên cứu đề tài: “ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT MỰC NƯỚC DÙNG DSP” Với việc ứng dụng thiết bị vào điều khiển hệ thống bơm nước tự động Ngoài việc hoàn thành đồ án tốt nghiệp với công việc cịn có ý nghĩa sâu sắc sinh viên thực Một lần sinh viên trải nghiệm thực tế, kiến thức học từ ghế nhà trường giúp hình thành sản phẩm cơng nghiệp Trong q trình tiến hành khơng thể khơng gặp khó khăn vấp phải, kích thích sinh viên tư để tìm phương án tối ưu trao đổi thảo luận lẫn nhằm mục đích hình thành thói quen hợp tác làm việc nhóm phương pháp làm việc hiệu Tuy nhiên hạn chế kinh nghiệm thực tế thời gian thực nên việc thực đề tài khơng thể tránh khỏi thiếu sót Do mong bảo thêm quý thầy cô đóng góp bạn sinh viên Xin chân thành cảm ơn! Sinh Viên thực đề tài Nguyễn Thanh Tùng v www.dienvietnam.vn LỜI CẢM ƠN Nhóm thực xin gửi lời cảm ơn đến Ban lãnh đạo, thầy cô Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM truyền thụ kinh nghiệm quý báu, tạo điều kiện cho sinh viên tham gia làm đồ án tốt nghiệp Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn đến thầy Nguyễn Minh Tâm, giảng viên khoa Điện – Điện tử, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM góp ý, hướng dẫn, cung cấp tài liệu, chia sẻ kinh nghiệm quý báu, tạo điều kiện tốt cho nhóm hồn thành đồ án Đồng gửi lời cảm ơn bạn sinh viên lớp Điện Tự Động thầy cô môn tự động động viên, giúp đỡ góp ý kiến cho nhóm để hồn thành tốt đồ án Xin chân thành cảm ơn! Sinh Viên thực đề tài Nguyễn Thanh Tùng vi www.dienvietnam.vn TÓM TẮT ĐỀ TÀI Mục tiêu đề tài dùng DSP điều khiển dùng Visual Basic giám sát mực nước bồn, đồng thời nghiên cứu thuật toán PID Logic Mờ điều khiển máy bơm ổn định mực nước Từ kiến thức học nhóm kết nối hồn thiện mơ hình thực nghiệm, tạo nhìn tổng quan cho bạn sinh viên việc ứng dụng thiết bị tự động hoá vào sản xuất Đề tài hoàn thành với nội dung sau: Sử dụng phần mềm Matlab viết chương trình cho DSP , DSP điều khiển ổn định mực nước máy tính kết nối DSP qua cổng USB qua chuẩn RS 232 dùng phần mềm Visual Basic để hiển thị mực nước Hệ thống điều khiển giám sát mực nước bao gồm: bồn chứa nước, bồn bồn chứa nước bơm lên có gắn cảm biến áp xuất để đo mực nước, kit DSP để điều khiển máy tính để giám sát Ngồi ra, tất hoạt động, trạng thái hệ thống phân tích giám sát giao diện Visual Basic hình máy tính Sinh Viên thực đề tài Nguyễn Thanh Tùng vii www.dienvietnam.vn MỤC LỤC Trang PHẦN A: GIỚI THIỆU Trang bìa i Nhiệm vụ đồ án ii Nhận xét giáo viên hướng dẫn iii Nhận xét giáo viên phản biện iv Lời mở đầu v Lời cảm ơn vi Tóm tắt đề tài vii PHẦN B: NỘI DUNG CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục tiêu đề tài 1.3 Giới hạn đề tài nghiên cứu 1.4 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 1.5 Nội dung đề tài CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Mơ tả tổng qt xử lý tín hiệu số DSP F28335PGE 2.2 Lý thuyết điều khiển thuật toán PID 2.2.1 Giới thiệu chung 2.2.2 Thuật toán điều khiển PID 2.2.2.1 Mô tả hiệu chỉnh PID 2.2.2.2 Khâu tỉ lệ 10 2.2.2.3 Khâu tích phân 11 2.2.2.4 Khâu vi phân 12 2.2.3 Phương pháp lựa chọn thông số cho điều khiển PID 14 viii www.dienvietnam.vn 2.2.3.1 Phương pháp Ziegler- Nichols thứ 14 2.2.3.2 Phương pháp Ziegler- Nichols thứ hai 16 2.2.4 Bảng tham số điều khiển PID 17 2.3 Lý thuyết điều khiển mờ……………………………………………… 18 2.3.1 Tập mờ……………………………………………………………….…18 2.3.1.1 Tập cổ điển tập mờ……………………………………………….18 2.3.1.2 Các hàm liên thuộc thường dùng …………….….………………………….19 2.3.3 Suy luận mờ ………………… …………… ………….………… 21 2.3.4 Luật hợp thành mờ………….…………………………….…………21 2.3.4.1 Định nghĩa luật hợp thành………………….………….……….…21 2.3.4.2 Các luật hợp thành mờ…………………………….…………… 22 2.3.5.2 Phương pháp trọng tâm (CoG)……………………………………22 2.3.5 Các phương pháp giải mờ……………………………….…………….22 2.3.5.1 Phương pháp điểm cực đại……………………… ………………22 2.3.5.3 Phương pháp độ cao …………………….……………………… 23 2.3.5.2 Phương pháp trọng tâm (CoG)……………………………………24 CHƯƠNG III: THIẾT KẾ MƠ HÌNH BỒN NƯỚC ĐƠN 3.1 Giới thiệu mơ hình…………………………………………………… 26 3.2 Mơ hình hệ thống điều khiển bồn nước …… ……………………… 28 3.3 Thiết kế phần cứng………… …………………………………………29 3.3.1 Cảm biến đo mức nước………………….…………………………29 3.3.2 Mạch công suất điều khiển máy bơm…… ………………………31 3.4 Các cách thiết lập mơ hình bồn nước …………………………………34 3.5 Phương trình tốn học………….……… …………………………… 35 CHƯƠNG IV: XÂY DỰNG MƠ HÌNH 4.1 Giới thiệu 38 4.2 Thiết kế mơ hình phần cứng 39 4.2.1 Mơ hình bồn nước 39 4.2.2 Giao tiếp cảm biến siêu âm với DSP 39 ix www.dienvietnam.vn 4.2.3 Thiết lập cấu hình phần mềm CCStudio ……………………… 40 4.3 Sơ đồ tổng quát luận văn tốt nghiệp…………… ……………….44 4.3.1 Sử dụng thuật toán Mờ điều khiển mực nước………… ………… 44 4.3.2 Sử dụng thuật toán PID điều khiển mực nước………………….…….46 4.4 Mơ mơ hình điều khiển mực nước……….………………….…….47 CHƯƠNG V: KẾT QUẢ THỰC HIỆN 5.1 Mô hình thực nghiệm 48 5.2 Kết đạt thực tế 50 5.3 Nhận xét 51 CHƯƠNG VI: KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 6.1 Kết luận 53 6.2 Hướng phát triển đề tài 54 PHẦN C: PHỤ LỤC LIỆT KÊ HÌNH VẼ Hình Trang Hình 2.1a: Đế DSP F28335 Hình 2.1b: Nhân DSP F28335 Hình 2.1c: Board mạch DSP TMS320F28335 Hình 2.2: Sơ đồ khối điều khiển PID Hình 2.3: Biến đặt PID bước Hình 2.4: Biến đặt xảy đường dốc Hình 2.5: Đồ thị ảnh hưởng khâu tỷ lệ 10 Hình 2.6: Đồ thị ảnh hưởng khâu tích phân 12 x www.dienvietnam.vn ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trong menu tab Family chọn C28xx xổ xuống chọn F28335 XDS100 USB Emulator sau save and quit chế độ ta chọn hình 4.3 sau: Hình 4.3: Chọn F2812 XDS510 Emulator CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG MƠ HÌNH 41 www.dienvietnam.vn ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Khi chương trình CCStudio V3.3 bắt đầu khởi động chọn Debug->Connect xuất hình làm việc hình 4.4 Hình 4.4: Kết nối với board DSP TMS320F28335 CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG MƠ HÌNH 42 www.dienvietnam.vn ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Như kết nối CCS với board mạch eZdspF2812 Để nạp chương trình vào phần cứng chọn File -Load Program, chọn thư mục Debug, chọn file luanvan.out hình 4.5 Hình 4.5: Load chương trình xuống - Chạy chương trình: Debug Run, bạn thấy LED DS2 báo đỏ Đọc chương trình hiểu điều dễ dàng Ngồi số trình sau thường sử dụng: - Dừng lại trình chạy real time: Debug → Halt - Có thể reset lại CPU cách vào Debug → Reset CPU, Debug → Restart - Nhảy lại đầu chương trình: Debug → Go Main CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG MƠ HÌNH 43 www.dienvietnam.vn ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 4.3 Sơ đồ tổng quát luận văn tốt nghiệp: 4.3.1 Sử dụng thuật toán Logic Mờ điều khiển mực nước: Hình 4.6: Chương trình giải thuật Logic Mờ Hình 4.7a: xây dựng khối vào CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG MƠ HÌNH 44 www.dienvietnam.vn ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 4.7b: xây dựng khối vào Hình 4.8: xây dựng luật Logic Mờ CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG MƠ HÌNH 45 www.dienvietnam.vn ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 4.3.2 Sử dụng thuật tốn PID điều khiển mực nước: Hình 4.9: Chương trình giải thuật PID Hình 4.10: Rời rạc PID CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG MƠ HÌNH 46 www.dienvietnam.vn ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 4.4: Mơ mơ hình điều khiển mực nước: Hình 4.11: Mơ bồn nước CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG MƠ HÌNH 47 www.dienvietnam.vn ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC HIỆN CỦA ĐỀ TÀI 5.1 Mô hình thực nghiệm Hình 5.1: Mơ hình tổng thể đồ án CHƯƠNG IV: KẾT QUẢ THỰC HIỆN CỦA ĐỀ TÀI 48 www.dienvietnam.vn ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 5.2 Kết đạt chạy thực tế  Kết chay thuật điều khiển Logic Mờ: Hình 5.2: đồ thị đáp ứng mực nước Hình 5.3: Giao diện quan sát hệ thống từ Visual CHƯƠNG V: KẾT QUẢ THỰC HIỆN CỦA ĐỀ TÀI 49 www.dienvietnam.vn ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP  Kết chay thuật điều khiển Pid : Kp=45, Ki=80, Kd=0.1 Hình 5.4: Đồ thị đáp ứng mực nước Hình 5.5: Giao diện quan sát hệ thống từ Visual CHƯƠNG V: KẾT QUẢ THỰC HIỆN CỦA ĐỀ TÀI 50 www.dienvietnam.vn ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP  Kết chạy mô phỏng: Hình 5.6: Đồ thị mơ đáp ứng mực nước CHƯƠNG V: KẾT QUẢ THỰC HIỆN CỦA ĐỀ TÀI 51 www.dienvietnam.vn ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 5.3 Nhận xét kết  Mơ hình hoạt động gần giống u cầu đặt cho hệ thống  Các trình vận hành hệ thống thực mô đầy đủ  Việc điều khiển giám sát hệ thống đơn giản dễ thao tác Tốc độ động điều khiển từ PWM qua mạch công suất mực nước đo điều khiển qua khâu PID Logic Mờ nên ổn định, sai lệch giá trị đặt giá trị thực khơng nhiều  Mơ hình hoạt động chưa ý thơng số chương trình chưa thật hồn hảo Càng lên cao độ ổn định giảm, mực nước dao động nhiều  Qua kết từ hai đồ thị mực nước điều khiển thuật toán điều khiển Logic Mờ ổn định PID Khi thay đổi mực nước hay thơng số bồn thuật tốn Logic Mờ ổn định PID  Khi mực nước đặt lên cao mực nước giao động nhiều CHƯƠNG V: KẾT QUẢ THỰC HIỆN CỦA ĐỀ TÀI 52 www.dienvietnam.vn ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Nội dung chương 6.1 Kết luận 6.2 Hướng phát triển C hương trình bày kết đạt luận văn hướng phát triển kết hợp điều khiển trượt rời rạc để hệ thống đạt yêu cầu ổn định tốt 53 www.dienvietnam.vn ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 6.1 Kết luận Trong thời gian thực luận văn, người viết đạt kết sau:  Tìm hiểu lý thuyết điều khiển PID Logic Mờ, từ dẫn luật điều khiển cho hai trường hợp PID Logic Mờ  Khảo sát đối tượng hệ bồn nước đơn  Xây dựng thuật tốn mơ Matlab cho điều khiển  Thiết kế xây dựng mơ hình thí nghiệm bồn nước đơn  Giao tiếp máy tính hệ bồn nước đơn thơng qua kit DSP  Thực thí nghiệm để thu thập thơng số mơ hình bồn nước  Xây dựng chương trình điều khiển hệ bồn nước đơn phần mềm Matlab 54 www.dienvietnam.vn ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 6.2 Hướng phát triển  Do thời gian thực luận văn có hạn nên bên cạnh việc thi cơng mơ hình thật hệ bồn nước, giải thuật luận văn dừng lại việc xây dựng điều khiển PID Logic Mờ Nhược điểm phương pháp tính ổn định chưa cao, để khắc phục tượng này, người viết chỉnh định thông số điều khiển làm trơn hóa tín hiệu hồi tiếp từ sensor, kết hợp lý thuyết logic mờ  Hướng phát triển đề tài kết hợp Logic Mờ với PID  Với phương pháp điều khiển kết hợp Mờ PID để thay đổi thông số van xả đối tượng bồn nước luật điều khiển có khả điều khiển hệ thống hoạt động trạng thái ổn định 55 ... hiển thị mực nước Hệ thống điều khiển giám sát mực nước bao gồm: bồn chứa nước, bồn bồn chứa nước bơm lên có gắn cảm biến áp xuất để đo mực nước, kit DSP để điều khiển máy tính để giám sát Ngồi... TẮT ĐỀ TÀI Mục tiêu đề tài dùng DSP điều khiển dùng Visual Basic giám sát mực nước bồn, đồng thời nghiên cứu thuật toán PID Logic Mờ điều khiển máy bơm ổn định mực nước Từ kiến thức học nhóm... lựa chọn nghiên cứu đề tài: “ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT MỰC NƯỚC DÙNG DSP? ?? Với việc ứng dụng thiết bị vào điều khiển hệ thống bơm nước tự động Ngoài việc hoàn thành đồ án tốt nghiệp với cơng việc