điều khiển vị trí của dộng cơ một chiều

STT Nội dung Cấu trúc điều khiển Thiết bị thực tế để thực cấu trúc điều khiển xây dựng Sơ đồ đấu cho thiết bị xây dựng Xây dựng mơ hình đối tượng động cơ, biến đổi Tính tốn điều khiển PID Chứng minh chất lượng điều khiển với giá trị PID tính Đánh giá chất lượng điều khiển Khai báo PID cho thiết bị chọn Trình bày 10 Tính LOGIC lập luận Điểm Chương Giới thiệu đề tài yêu cầu thiết bị thực 1.1 Giới thiệu đề tài Động chiều thành phần quan trọng hệ thống công nghiệp, hệ thống khí, rơ bơt thơng minh sản phẩm gia dụng… Với phát triển khoa học kỹ thuật nghành điện tử học điều khiển , công nghệ vi xử lý tạo điều kiện cho việc điều khiển động trở nên thuận tiện song đặt vấn đề địi hỏi phải nghiên cứu hồn thiện hệ điều khiển , đáp ứng yêu cầu ngày cao thực tế phù hợp với xu phát triển khoa học công nghệ Trong thực tế nay, động chiều ứng dụng nhiều lĩnh vực đời sống khoa học : dây chuyền sản xuất công nghiệp, hệ thống lắp ráp ô tô,công nghệ hàng không vũ trụ … Bài tốn điều khiển vị trí động chiều tốn bản, điển hình ngành điện tử tự động hóa.Phương pháp điều khiển vị trí sử dụng rộng rãi Chúng ta bắt gặp sản xuất công nghiệp đại điển điều khiển tay máy robot hệ thống sản xuất: robot gắp,phôi,hàn ,khoan ,lắp ráp,phun sơn… Hình 1.1 Bobot gắp Hình 1.2 Robot hàn Qua tìm hiểu muốn thực hành nhóm chúng tơi chọn đề tài điều khiển vị trí dộng chiều cho tập lớn học phần Điều khiển hệ điện 1.2 Thiết bị thực Với đề tài thiết bị cần tập trung nghiên cứu gồm có Arduino UNO R3, động chiều 12VDC , mạch cầu H,máy tính cài đặt matlap 1.2.1Giới thiệu Arduino UNO R3 Vi điều khiển Điện áp hoạt động ATmega328 họ 8bit 5V DC (chỉ cấp qua 1.2.1.1 cổng USB) Thông Tần số hoạt dộng 16 MHz Dòng tiêu thụ khoảng 30mA số Điện áp vào khuyên 7-12V DC arduino dùng Điện áp vào giói hạn 6-20V DC Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM) Số chân Analog (độ phân giải 10bit) Dòng tối đa 30 mA chân I/O Dòng tối đa (5V) 500 mA Dòng tối đa (3.3V) 50 mA Bộ nhớ flash 32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bootloader Hình 1.3.Card Arduino UNO R3 1.2.1.2 Vi điều khiển Hình 1.4.Chip atmega Arduino UNO sử dụng vi điều khiển họ 8bit AVR ATmega8, ATmega168, ATmega328 Bộ não xử lí tác vụ đơn giản điều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm trạm đo nhiệt độ - độ ẩm hiển thị lên hình LCD 1.2.1.3.Năng lượng chân lượng Arduino UNO cấp nguồn 5V thơng qua cổng USB cấp nguồn ngồi với điện áp khuyên dùng 7-12V DC giới hạn 6-20V Thường cấp nguồn pin vng 9V hợp lí bạn khơng có sẵn nguồn từ cổng USB Nếu cấp nguồn vượt ngưỡng giới hạn trên, bạn làm hỏng Arduino UNO • GND (Ground): cực âm nguồn điện cấp cho Arduino UNO Khi bạn dùng thiết bị sử dụng nguồn điện riêng biệt chân phải nối với • 5V: cấp điện áp 5V đầu Dòng tối đa cho phép chân 500mA • 3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu Dịng tối đa cho phép chân 50mA • Vin (Voltage Input): để cấp nguồn cho Arduino UNO, bạn nối cực dương nguồn với chân cực âm nguồn với chân GND • IOREF: điện áp hoạt động vi điều khiển Arduino UNO đo chân Và dĩ nhiên ln 5V Mặc dù bạn khơng lấy nguồn 5V từ chân để sử dụng chức khơng phải cấp nguồn • RESET: việc nhấn nút Reset board để reset vi điều khiển tương đương với việc chân RESET nối với GND qua điện trở 10KΩ 1.2.1.4 cổng vào Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc xuất tín hiệu Chúng có mức điện áp 0V 5V với dòng vào/ra tối đa chân 40mA Ở chân có điện trở pull-up từ cài đặt vi điều khiển ATmega328 (mặc định điện trở không kết nối) Một số chân digital có chức đặc biệt sau: • chân Serial: (RX) (TX): dùng để gửi (transmit – TX) nhận (receive – RX) liệu TTL Serial Arduino Uno giao tiếp với thiết bị khác thông qua chân Kết nối bluetooth thường thấy nói nơm na kết nối Serial không dây Nếu không cần giao tiếp Serial, bạn không nên sử dụng chân không cần thiết • Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, 11: cho phép bạn xuất xung PWM với độ phân giải 8bit (giá trị từ → 8-1 tương ứng với 0V → 5V) hàm analogWrite() Nói cách đơn giản, bạn điều chỉnh điện áp chân từ mức 0V đến 5V thay cố định mức 0V 5V chân khác • Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) Ngoài chức thơng thường, chân cịn dùng để truyền phát liệu giao thức SPI với thiết bị khác • LED 13: Arduino UNO có đèn led màu cam (kí hiệu chữ L) Khi bấm nút Reset, bạn thấy đèn nhấp nháy để báo hiệu Nó nối với chân số 13 Khi chân người dùng sử dụng, LED sáng Arduino UNO có chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit (0 → 210-1) để đọc giá trị điện áp khoảng 0V → 5V Với chân AREF board, bạn để đưa vào điện áp tham chiếu sử dụng chân analog Tức bạn cấp điện áp 2.5V vào chân bạn dùng chân analog để đo điện áp khoảng từ 0V → 2.5V với độ phân giải 10bit Đặc biệt, Arduino UNO có chân A4 (SDA) A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với thiết bị khác 1.3 Phần mềm matlab 1.3.1 Giới thiệu Hình 1.5 Giao diện phần mềm matlab a Định nghĩa Là phần mềm cung cấp mơi trường tính tốn số lập trình, cơng ty MathWorks thiết kế MATLAB cho phép tính tốn số với ma trận, vẽ đồ thị hàm số hay biểu đồ thơng tin, thực thuật tốn, tạo giao diện người dùng liên kết với chương trình máy tính viết nhiều ngơn ngữ lập trình khác b Tổng quan cấu trúc liệu Matlab, ứng dụng Dữ liệu Dữ liệu Matlab thể dạng ma trận (hoặc mảng - tổng quát), có kiểu liệu liệt kê sau đây: · Kiểu đơn single, kiểu có lợi nhớ liệu địi hỏi byte nhớ hơn, kiểu liệu khơng sử dụng phép tính tốn học, độ xác · Kiểu double kiểu kiểu thông dụng biến Matlab · Kiểu Sparse · Kiểu uint8, uint8, uint16, uint64 · Kiểu char ví dụ “Hello” · Kiểu cell · Kiểu Structure Trong Matlab kiểu liệu double kiểu mặc định sử dụng phép tính số học Ứng dụng Matlab tạo điều kiện thuận lợi cho: · Các khoá học toán học · Các kỹ sư, nhà nghiên cứu khoa học · Dùng Matlab để tính toán, nghiên cứu tạo sản phẩm tốt sản xuất Toolbox công cụ quan trọng Matlab Công cụ Matlab cung cấp cho phép bạn ứng dụng kỹ thuật để phân tích, thiết kế, mơ mơ hình Ta tìm thấy toolbox mơ trường làm việc · Mạng nơron · Logic mờ · Simulink Hệ thống Matlab Hệ thống giao diện Matlab chia thành phần: • Mơi trường phát triển Đây nơi đặt công cụ, phương tiện giúp sử dụng lệnh file, ta liệt kê số sau + Desktop + Command Window + Command History + Browsers for viewinghelp • Thư viện, hàm toán học bao gồm cấu trúc tính tổng, sin cosin atan, atan2 etc , phép tính đơn giản đến phép tính phức tạp tính ma trận nghich đảo, trị riêng, chuyển đổi fourier, laplace, symbolic library • Ngơn ngữ Matlab Đó ngôn ngữ cao ma trận mảng, với dòng lệnh, hàm, cấu trúc liệu vào, lập trình hướng đối tượng • Đồ hoạ Matlab Bao gồm câu lệnh thể đồ họa môi trường 2D 3D, tạo hình ảnh chuyển động, cung cấp giao diện tương tác người sử dụng máy tính • Giao tiếp với ngôn ngữ khác Matlab cho phép tương tác với ngôn ngữ khác C, Fortran … CHƯƠNG GIỚI THIỆU BỘ ĐIỀU KHIỂN, XÂY DỰNG MÔ HÌNH CẤU TRÚC VÀ TỔNG HỢP MẠCH VỊNG ĐIỀU KHIỂN GÓC QUAY 2.1 Khái quát điều khiển PID Cấu trúc điều khiển PID gồm ba thành phần: • • • Khâu khuếch đại: P Khâu tích phân: I Khâu vi phân: D Khi sử dụng thuật toán PID thiết phải chọn chế độ làm việc P,I hay D sau đặt tham số cho chế độ chọn Tổng quát có ba thuật toán P, PI, PID KP 1/TIS UP TDS U UI UD Hình 2.1 Mơ PID Bộ điều khiển PID có cấu trúc đơn giản, dễ sử dụng nên sử dụng rộng rãi điều khiển đối tượng SISO theo nguyên lý hồi tiếp Bộ PID có nhiệm vụ đưa sai lệch e(t) hệ thống cho qt độ thỏa mãn yêu cầu chất lượng: • Nếu sai lệch tĩnh e(t) lớn thơng qua thành phần u p(t), • tín hiệu điều chỉnh u(t) lớn Nếu e(t) chưa thơng qua thành phần u I(t), PID • cịn tạo tín hiệu điều chỉnh Nếu thay đổi sai lệch e(t) lớn thơng qua u D(t), phản ứng thích hợp u(t) nhanh w e PID u Đối tượng điều khiển y Hình 2.2 Mạch vịng tốc độ Bộ điều khiển PID mơ tả mơ hình vào-ra: U(t)=kp[e(t)+] Trong đó: e(t)-tín hiệu đầu vào u(t)-tín hiệu đầu kp-hệ số khuếch đại TI-hằng số tích phân TD-hằng số vi phân Từ mơ hình vào –ra, ta có hàm truyền đạt PID: R(s)=kp(1++TDs) Có nhiều phương pháp xác định tham số điều khiển PID: • • • Phương pháp Ziegler-Nichols Phương pháp modul tối ưu Phương pháp tối ưu đối xứng 2.2 Các phương pháp xác định tham số điều khiển PID 2.2.1.Phương pháp modul tối ưu Là phương pháp lựa chọn tham số điều khiển PID cho đối tượng có đáp ứng tín hiệu vào hàm nấc có dạng hình chữa S Xét hệ thống điều khiển kín hình Bộ điều khiển R(s) điều khiển cho đối tượng S(s) w R(s) e S(s) y Hình 2.3 Mạch vịng tốc độ u Tiêu chuẩn modul tối ưu sử dụng để tổng hơp BĐK với hàm kín tồn hệ phải thỏa mãn dạng: F= Hàm truyền hệ kín có đặc điểm sau: • • • Vơ sai cấp theo tín hiệu điều khiển Độ chỉnh 8.6% Hẹ có dao động Ta có: F = => R = Suy ra,bộ điều khiển tổng hợp theo tiêu chuẩn modul tối ưu có dạng: R= Nên đối tượng điều khiển S có dạng: S= Với Ti số thời gian nhỏ  1+p Với = T1+T2+…+Tn Khi đối tượng : S= 2.2.2.Phương pháp modul tối ưu đối xứng Việc thiết kế PID theo phương pháp có nhược điểm đối tượng S(s) phải ổn định, hàm độ h(t) phải từ có dạng hình chữ S Trong trường hợp chọn tham số PID theo nguyên tắc modul tối ưu đối xứng Tổng hợp điều khiển theo phương pháp hệ vô sai cấp hàm truyền kín mong muốn hệ đạt thoản mãn dạng: F= Ta có: F = => R = Suy ra,bộ điều khiển tổng hợp theo tiêu chuẩn modul tối ưu đối xứng có dạng: R= Khi tổng hợp theo phương pháp này, độ điều chỉnh lại lên đến 43% Vì vậy, để giảm độ điều chỉnh người ta mắc thêm vào lọc tín hiệu điều khiển với hàm truyền: Flọc = 2.3.Cấu trúc điều khiển vị trí φsp U PWM Bộ biến đổi PID Động Biến trở φ φ ADC Hình 2.4 Cấu trúc điều khiển 2.4 Liệt kê thiết bị thực tế để thực cấu trúc điều khiển xây dựng • • • • Arduino UNO Động điện chiều 12VDC có giảm tốc Mạch cầu H Laptop cài đặt Matlab • • Biến trở Adapter nguồn 9V THIẾT BỊ THỰC TẾ ĐỂ THỰC HIỆN CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN ĐÃ XÂY DỰNG Ardui no uno R3 Cầu H Động giảm tốc Biến trở Hình 2.5 Thiết bị thực tế triển khai đề tài 2.5 SƠ ĐỒ ĐẤU CHO THIẾT BỊ THỰC: Hình 2.6 Sơ đồ đấu nối mạch thực 2.6 Xây dựng mơ hình đối tượng Hình 2.7.Mơ hình động điện chiều Hình 2.8.Mơ hoạt động động điện chiều 2.7.Tính tốn giá trị ‫ ٭‬Chọn: Tbd=0.0015 s T φ=0.3 s 2.7.1Động cơ: Pđm=0.5 W Uđm=12 V Iđm=0.035 A Nđm=10 v/ph Ru=0.0966 Ω Lu=0.0062 H J=1.2 Tốc độ góc: ω = rad/s Từ thông; K ϕ=Cu= =11.4 Momen định mức: Mđm= K ϕ Iđm=0.4 N.m Hằng số thời gian phần ứng: Tư==0,066 s Hàm truyền động cơ: G(s)= = 2.7.2.Bộ biến đổi: Chọn Udat=10 V Kbd= =22 Wbbd== 2.7.3.Bộ điều khiển vị trí Khai báo cho điều khiển PID P=4 I=3 D=0 Hình 2.7.Khai báo cho PID 2.7.4.Đo Chọn Tđ=0.1 Có Uv=300 Ur=90 Vậy hệ số khuếch đại khâu đo: k==0.3 CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ 4.1 MÔ PHỎNG Hình 3.1.Mơ hệ thống thực chạy realtime 4.2 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ Đã điều chỉnh tay robot theo góc phi mong muốn cịn sai số dao động nhiều quay điểm đặt tính toán điều khiển chưa tuyệt đối động có moomen qn tính lớn Hình 3.2.Đồ thị góc phản hồi hình 3.3.Hình ảnh mạch hồn chỉnh ... tơi chọn đề tài điều khiển vị trí dộng chiều cho tập lớn học phần Điều khiển hệ điện 1.2 Thiết bị thực Với đề tài thiết bị cần tập trung nghiên cứu gồm có Arduino UNO R3, động chiều 12VDC , mạch... C, Fortran … CHƯƠNG GIỚI THIỆU BỘ ĐIỀU KHIỂN, XÂY DỰNG MƠ HÌNH CẤU TRÚC VÀ TỔNG HỢP MẠCH VỊNG ĐIỀU KHIỂN GĨC QUAY 2.1 Khái quát điều khiển PID Cấu trúc điều khiển PID gồm ba thành phần: • • •... phương pháp lựa chọn tham số điều khiển PID cho đối tượng có đáp ứng tín hiệu vào hàm nấc có dạng hình chữa S Xét hệ thống điều khiển kín hình Bộ điều khiển R(s) điều khiển cho đối tượng S(s) w