Thuật toán Fuzzy động đem lại chất lượng điều khiển tốt cả khi giá trị đặt thay đổi, đồng thời khi không có ảnh hưởng của nhiễu thì thuật toán này là thuật toán hiệu quả [r]
(1)THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH TRÊN NỀN DSPIC33F DESIGN OF AN INTELLIGENT CONTROLLER BASED ON DSPIC33F
Phạm Xuân Khánh
Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
Nguyễn Việt Hưng, Phạm Tuấn Anh Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
TĨM TẮT
Bài báo trình bày thiết kế điều khiển thông minh dsPIC33F Microchip Nhiều thuật toán điều khiển dựa lý thuyết điều khiển kinh điển đại cài đặt Bố cục báo có thể chia thành phần Phần 1: Cơ sở lý thuyết thiết kế điều khiển, trình bày cụ thể thuật toán cài đặt: PID, mờ động, PID-Fuzzy Intervention PID-Fuzzy Self – Tunning Phần 2: Cơ sở thiết kế phần cứng điều khiển, đưa ưu điểm dòng DSPIC33F modules cần thiết cho ứng dụng công nghiêp Phần 3: Ứng dụng điều khiển thiết kế cho đối tượng thực bình mức, tất thuật tốn cài đặt có xét đến ảnh hưởng nhiễu, qua thể ưu nhược điểm thuật toán khả ứng dụng đa dạng điều khiển Từ thiết kế phần cứng phần mềm điều khiển, kết thực nghiệm chứng tỏ khả thay hiệu điều khiển cho điều khiển chuyên dụng có công nghiệp
ABSTRACT
The paper presents the design of an intelligent controller based on dsPIC33F (Microchip) Several Control Algorithms, based on conventional and modern theory, are installed The paper includes three main parts Part 1: Theoretical basis, focusing on introduction of four Algothims: PID, Dynamic Fuzzy, PID – Fuzzy Intervention, and PID – Fuzzy Self – Tunning Part 2: Hardware basis, stating noticeable advantages of DSPIC 33F Microcontroller and the design of modules, necessary for industrial purpose Part 3: Implementation of this controller for water level system All Algorithms, introduced above, are built up and cases under impacts of noise are considered Experimental results proved strong and weak points of Algorithms and flexible ability of the controller for diverse applications In general, the design of Software and Hardware of the Controllers, and experimental results have shown the Controller’s capability for control applications in which other controllers are used
Chữ viết tắt
I Integral
PD Proportional – Derivative PI Proportional – Integral
PID Proportional - Integral - Derivative PWM Pulse Width Modulation
I ĐẶT VẤN ĐỀ
Phương pháp điều khiển kinh điển PID phương pháp áp dụng phổ biến điều khiển công nghiệp Sự phổ biến tính đơn giản phương pháp yêu cầu chất lượng điều khiển không cao hệ thống Phương pháp điều khiển thông minh, mà mờ đại diện tiêu biểu khai thác ứng dụng khả hoạt động cách độc lập kết hợp với thuật toán PID để đem lại chất lượng cao cho hệ thống điều khiển
Thiết kế điều khiển thơng minh có khả thực thuật toán PID, Fuzzy động, PID-Fuzy Intervention, PID-Fuzzy Self-tunning hướng hứa hẹn tương lai
Để xây dựng điều khiển vậy, thiết kế phần cứng đòi hỏi việc sử dụng dòng vi điều khiển có dung lượng nhớ lớn, tần số hoạt động cao yêu cầu cần thiết khác ngoại vi Dòng dsPIC33F - dòng vi điều khiển mạnh Microchip với nhiều tính ưu việt - lựa chọn phù hợp, đáp ứng yêu cầu
II CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN 2.1 Thuật toán điều khiển PID
(2)Ưu điểm lớn đem lại ứng dụng rộng rãi cho thuật toán tính đơn giản cấu trúc nguyên lý làm việc Với hệ thống làm việc mơi trường bị ảnh hưởng nhiễu, thông số đối tượng thay đổi nhỏ trình làm việc u cầu độ xác ổn định khơng cao PID giải pháp điều khiển hữu hiệu
Hình Hệ điều khiển thực thuật toán PID
2.2 Thuật toán điều khiển mờ động
Thuật toán mờ động[1,3] thuật toán kết hợp hệ kinh điển hệ mờ, cụ thể kết hợp thuật toán điều khiển mờ thành phần P, I, D Các thành phần P, D thường thành phần sai lệch đầu vào, I thành phần đầu điều khiển mờ Một số cấu trúc hệ thực thuật toán mờ động
Thuật tốn mờ động PD
Hình Hệ điều khiển thực thuật toán mờ PD
Thuật tốn mờ động PI
Hình Hệ điều khiển thực thuật toán mờ PI
Thuật tốn mờ động I
Hình Hệ điều khiển thực thuật toán mờ I
2.3 Thuật toán điều khiển PID-Fuzzy Intervention
Sơ đồ tổng quát hệ thực thuật toán PID-Fuzzy Intervention [4]:
Hình Hệ điều khiển thực thuật toán PID-Fuzzy Intervention
Dựa sơ đồ tổng qt này, có nhiều thuật tốn khác hình thành Nhóm tác giả báo tập trung vào thuật tốn hệ mờ cho phép cải thiện chất lượng điều khiển tượng Windup xảy ra:
Hình Hệ điều khiển thực thuật toán PID-Fuzzy Intervention bù windup
Khi xảy tượng windup, tín hiệu điều khiển PID có giá trị lớn giá trị bão hòa tiếp tục tăng tác động khâu tích phân, điều tiềm tàng khả gây điều chỉnh lớn tăng thời gian độ Bộ mờ bù windup có tác dụng giảm thiểu ảnh hưởng tượng Khi xảy windup, sai lệch tín hiệu điều khiển PID giá trị bão hòa đưa vào mờ bù, mờ bù đưa tín hiệu bù đến đầu PID, tác động làm cải thiện đáng kể chất lượng điều khiển 2.4 Thuật toán điều khiển PID-Fuzzy Self-tunning [5]
(3)Sơ đồ tổng quát hệ thống điều khiển tham số PID chỉnh định hệ mờ:
Hình Hệ điều khiển chỉnh định tham số PID bằng hệ mờ
Phương pháp chỉnh định nhóm tác giả thực phương pháp chỉnh định mờ Zhao, Tomizuka Isaka:
Với giả thiết tham số Kp, Kd bị chặn, tức:
Kp[Kp_Min,Kp_Max] ; Kd[Kd_Min, Kd_Max]
Các tham số chuẩn hóa theo cơng thức:
_
; [0,1]
_ _
Kp Kp Min
kp kp
Kp Max Kp Min _ ; [0,1] _ _
Kd Kd Min
kd kd
Kd Max Kd Min
Bộ chỉnh định có hai đầu vào e(t) de(t)/dt ba đầu kp, kd α
2
;
Kp Kp
Ki
Ki Kd Kd
Bên chỉnh định mờ theo phương pháp Zhao, Tomizuka, Isaka:
Hình Bên chỉnh định mờ
Luật điều khiển để chỉnh định thực dựa phân tích đáp ứng bước tiêu biểu q trình
Hình Đáp ứng bước tiêu biểu trình
Khi bắt đầu khởi động, khoảng thời gian a, lúc cần tín hiệu điều khiển lớn để tín hiệu tăng nhanh, suy lúc KP lớn, KD nhỏ, KI lớn ( lớn) Xung quanh khoảng thời gian b ta muốn tín hiệu điều khiển nhỏ để không điều chỉnh, nghĩa KP nhỏ, KD lớn KI lớn ( lớn).Các tác động điều khiển xung quanh khoảng thời gian c d tương tự a b
III CẤU TRÚC PHẦN CỨNG
3.1 Giới thiệu vi điều khiển dsPIC33F [6] Microchip hãng sản xuất vi điều khiển lớn giới nay, dòng DSC( Digital signal controllers) 16 bits sản phẩm thu hút nhiều quan tâm nhà phát triển Như tên gọi nó, theo cách hiểu đó, dịng sản phẩm kết hợp vi xử lý tín hiệu số DSP vi điều khiển dsPIC33F, dòng DSC mạnh Microchip, sở hữu nhiều đặc tính ưu việt phù hợp cho ứng dụng xây dựng điều khiển:
Tần số hoạt động lên tới 40MIPS
Tiêu thụ lượng thấp: điện áp nguồn cấp cỡ 3.0-3.6V
CPU tính DSC cho phép thực phép tính tốn phức tạp cách nhanh chóng
Có đầy đủ ngoại vi cần thiết dòng vi điều khiển khác: Cổng và/ra số, định thời, ADC, PWM, UART,…đặc biệt có hỗ trợ kênh DMA phần cứng
(4)Hỗ trợ tính In-circuit Debug and Programging đem đến tiện dụng to lớn cho nhà phát triển hệ thống
Có nhiều cơng cụ hỗ trợ lập trình ngơn ngữ C với thư viện phong phú dễ sử dụng
3.2 Bộ điều khiển
Hình 10 Sơ đồ cấu trúc điều khiển
Khối xử lý trung tâm vi điều khiển dspic33F
Đầu vào số: Digital & Counter
Đầu vào tương tự: 20mA, 4-20mA, 0-5V, 0-10V
Đầu số: Digital & PWM
Đầu tương tự: 20mA, 4-20mA, 0-5V, 0-10V
Bàn phím cho phép nhập tham số, chế độ điều khiển trực tiếp điều khiển
LCD cho phép thị tham số q trình thiết lập bước đầu biến trình
Giao tiếp RS232 cho phép điều khiển kết nối với máy tính, truyền nhận tham số, chế độ điều khiển thị trình điều khiển
Nhờ thiết kế đa dạng đầu vào theo chuẩn cơng nghiệp trên, điều khiển có khả giao tiếp với nhiều loại thiết bị cảm biến chấp hành khác
Chương trình vi điều khiển viết phần mềm MPLAB 8.0, C30 (Microchip) theo sơ đồ khối sau:
Hình 11 Sơ đồ khối thuật toán vi điều khiển
Phần giao diện người dùng viết phần mềm Visual C++ 6.0 (Microsoft) Hình vẽ sau minh họa cửa sổ giao diện chính:
Hình 12 Cửa sổ giao diện chương trình giao diện người dùng
IV HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC
(5)biến đổi tuyến tính tín hiệu thành tín hiệu điện áp đưa vào ADC dsPIC33F
Cơ cấu chấp hành van tỉ lệ điều khiển theo phương pháp PWM
Hình 13 Đối tượng điều khiển mức nước
V KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
Nhóm tác giả tiến hành thí nghiệm sở khảo sát đáp ứng hệ thống với thuật toán điều khiển khác nhua thay đổi giá trị đặt đồng thời có xem xét đến ảnh hưởng nhiễu:
5.1 Kết
Hình 14 Thuật tốn PID Fuzzy động Setpoint=80mm, không nhiễu
Hình 15 Thuật tốn PID, Fuzy động Setpoint=120mm, khơng nhiễu
Hình 16 Thuật tốn PID PID-FUZZY Intervention;Setpoint=120mm, không nhiễu
(6)5.2 Nhận xét
Thuật tốn PID có chất lượng điều khiển phụ thuộc vào giá trị đặt, hình vẽ H.14, H.15, H.16, H 17, thay đổi giá trị đặt, chất lượng điều khiển dần giá trị đặt tăng dần, đồng thời chịu ảnh hưởng rõ nhiễu
Thuật toán Fuzzy động đem lại chất lượng điều khiển tốt giá trị đặt thay đổi, đồng thời khơng có ảnh hưởng nhiễu thuật tốn thuật toán hiệu nhất: gần triệt tiêu điều chỉnh giảm thời gian độ Tuy nhiên thuật tốn khơng đem lại chất lượng tốt nhiễu tác động
Thuật toán PID-Fuzzy Intervention cải thiện đáng kể chất lượng điều khiển trường hợp xảy tượng Windup, dẫn đến điều chỉnh lớn hệ thống (H 16)
Thuật tốn PID-FUZZY Self-Tunning có khả đem lại chất lượng điều khiển tốt khơng có ảnh hưởng nhiễu, mặt khác thể ưu điểm so với thuật toán khác trường hợp hệ thống có nhiễu tác động (H 17, đường nét đứt)
VI KẾT LUẬN
Bộ điều khiển thiết kế dựa dòng vi điều khiển DSC dsPIC33F cho phép tăng hiệu tính tốn, mặt khác lại có khả kết nối vào theo chuẩn cơng nghiệp phổ biến, qua góp phần đem lại khả điều khiển đa dạng đối tượng cơng nghiệp có chu kỳ điều khiển lớn nhỏ khác nhau,,
Bộ điều khiển thông minh (thực thuật toán PID, Fuzzy động, PID-Fuzzy Intervention, PID-Fuzzy Self-tunning) có khả ứng dụng linh hoạt, cho chất lượng điều khiển tốt thay đổi giá trị đặt hệ thống chịu ảnh hưởng nhiễu Điều khắc phục hạn chế điều khiển PID kinh điển, thường không đem lại chất lượng mong muốn hệ thống có giá trị đặt thay đổi khoảng rộng có nhiễu tác động
Phương pháp điều khiển mờ độc lập kết hợp với phương pháp điều khiển PID kinh điển dựa vi điều khiển mạnh, dsPIC33F hứa hẹn khả xây dựng điều khiển công nghiệp tương lai
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1 Phan Xuân Minh, Nguyễn Doãn Phước; Lý thuyết điều khiển mờ; NXB KHKT, 2004
2 Aidan O’Dwyer; Handbook of PI and PID Controller Tuning Rules; Imperial College Press, 2003 K M Passino, Stephen Yurkovich; Fuzzy Control; Addison Wesley
4 E Chakir El Alaoui, H Ayad and S Doubabi; Fuzzy Anti-Windup Schemes for PID Controllers; ISSN 0973-4562 Volume Number (2006) pp 295-306 International Journal of Applied Engineering Research
5 L X Wang; A course in Fuzzy Systems and Control; Prentice Hall International, Inc Microchip Technology Incorporated; dsPIC33F Family Data Sheet; DS70165A, 2005 Nguyễn Doãn Phước; Lý thuyết điều khiển tuyến tính; NXB KHKT, 2002