Dieu khien dong co DC PID

Khóa luận tốt nghiệp Trường ĐHKTTN-ĐHQGHN LỜI MỞ ĐẦU Điều khiển lĩnh vực quan trọng đời sống xã hội, kinh tế quốc dân, khoa học kỹ thuật, công nghiệp v.v… Bất vị trí nào, cơng việc người tiếp cận với điều khiển Nó khâu quan trọng cuối định thành bại hoạt động Kĩ thuật điều khiển tiến trình hồn thiện lý thuyết tạo cho nhiều phát triển có ý nghĩa Hiện nhắc tới điều khiển người dường hình dung đến xác, tốc độ xử lý thuật tốn thơng minh đồng nghĩa lượng chất xám cao Có thể nói lĩnh vực điều khiển cơng nghiệp điều khiển PID có ứng dụng rộng rãi, giải pháp đa cho ứng dụng Analog Digital Thống kê cho thấy có tới 90% điều khiển sử dụng thực tế PID Rõ ràng có thiết kế chọn lựa thông số hợp lý cho điều khiển PID việc đạt tiêu chất lượng mong muốn khả thi Bộ điều khiển PID giúp người sử dụng dễ dàng tích hợp chọn luật điều khiển : tỉ lệ(P), tích phân(I), tỉ lệ tích phân(PI), tỉ lệ vi phân(PD)… cho phù hợp đối tượng điều khiển Nhiều q trình cơng nghiệp việc sử dụng điều khiển PID thay khống chế nhiệt độ, mức, tốc độ… Ngay lý thuyết điều khiển đại không cho ta hiệu cao điều khiển PID mang lại.Ngoài điều khiển PID ứng dụng nhiều điều khiển thích nghi,bền vững mang lại hiệu cao cấu chỉnh định Ngày động điện chiều ứng dụng nhiều lĩnh vực khoa học & đời sống như: Trong dây chuyền sản xuất, ô tô điện, tàu thủy, máy bay… Bài toán thiết kế điều khiển động chiều toán quen thuộc ngành điều khiển tự động Có thể thiết kế điều khiển cho đối tượng động điện chiều theo nhiều phương pháp :dùng PLC & biến tần, điện tử công suất, vi điều khiển… Mỗi phương Nguyễn Văn Tiến Bộ Môn Vô Tuyến Điện Tử Khóa luận tốt nghiệp Trường ĐHKTTN-ĐHQGHN pháp có ưu, nhược điểm khác chung mục đích điều khiển tốc độ động cơ.Trên sở muốn tìm hiểu thuật tốn PID em xin chọn đề tài : Điều khiển động DC với giải thuật PID Nội dung khóa luận gồm có 03 chương: Chương I: Lý thuyết điều khiển tự động & thuật toán PID Chương II: Mạch mô với Proteus Chương III: Thực nghiệm kết đạt Vì khả thời gian có hạn nên khơng tránh khỏi thiếu sót đề tài Do em mong thầy bạn bè đóng góp xây dựng để đề tài em hoàn thiện Nguyễn Văn Tiến Bộ Mơn Vơ Tuyến Điện Tử Khóa luận tốt nghiệp Trường ĐHKTTN-ĐHQGHN CHƯƠNG I: LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG, VÀ THUẬT TOÁN PID CƠ BẢN Điều khiển tự động đóng vai trị quan trọng phát triển khoa học kỹ thuật Lĩnh vực hữu hiệu khắp nơi từ hệ thống phi thuyền không gian, hệ thống điều khiển tên lửa, máy bay không người lái, người máy, tay máy quy trình sản xuất đại, đời sống hàng ngày: Điều khiển nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ v.v … 1.1 Những khái niệm bản[1] 1.1.1 Điều khiển (control) Là tập hợp tất tác động có mục đích nhằm điều khiển q trình hay trình theo quy luật hay chương trình cho trước 1.1.2 Điều khiển học (Cybernctics) Là khoa học nghiên cứu trình điều khiển truyền thơng máy móc, sinh vật kinh tế Điều khiển học mang đặc trưng tổng quát phân chia thành nhiều lĩnh vực khác như: toán điều khiển, điều khiển học kỹ thuật, điều khiển học sinh vật (phỏng sinh vật: bionics), điều khiển học kinh tế 1.1.3 Lý thuyết điều khiển tự động (Theory of control) Là sở lý thuyết điều khiển học kỹ thuật Điều khiển tự động thuật ngữ trình điều khiển đối tượng kỹ thuật mà khơng có tham gia người (automatic) ngược lại với q trình điều khiển tay (manual) 1.1.4 Hệ thống điều khiển tự động (Automatic control system) Tập hợp tất thiết bị, kỹ thuật nhằm đảm bảo điều khiển tự động trình gọi hệ thống điều khiển tự động Nguyễn Văn Tiến Bộ Môn Vô Tuyến Điện Tử Khóa luận tốt nghiệp Trường ĐHKTTN-ĐHQGHN 1.2 Các thành phần hệ thống điều khiển tự động Một hệ thống điều khiển gồm có thành phần là: - Đối tượng điều khiển (Object device) - Thiết bị điều khiển (Controler device) - Thiết bị đo lường (Measuring device) Sơ đồ tổng quát x(t) y(t) O C z(t) M Hình 1.1- Sơ đồ tổng quát hệ thống điều khiển tự động Các tín hiệu tác động hệ thống u(t) : tín hiệu vào (input) y (t): tín hiệu (output) x(t) : tín hiệu điều khiển tác động lên đối tượng (O) e(t) : sai lệch điều khiển z(t) : tín hiệu phản hồi 1.3 Các nguyên tác điều khiển bản[2] Có nguyên tắc điều khiển 1.3.1 Nguyên tắc điều khiển theo sai lệch (hình 1.2) u(t) Nguyễn Văn Tiến x(t) e(t) y(t) O C Bộ Môn Vơ Tuyến Điện Tử Khóa luận tốt nghiệp Trường ĐHKTTN-ĐHQGHN z(t) M Hình 1.2- Sơ đồ nguyên tắc điều khiểntheo sai lệch Tín hiệu y(t) đưa so sánh với tín hiệu lối vào u(t) nhằm tạo nên tín hiệu tác động lên đầu vào điều khiển C nhằm tạo nên tín hiệu điều khiển đối tượng O 1.3.2 Nguyên tắc điều khiển theo phương pháp bù nhiễu (Hình 1.3) K u(t) e(t) y(t) x(t) O C Hình 1.3- Sơ đồ nguyên tắc điều khiển bù nhiễu Nguyên tắc bù nhiễu sử dụng thiết bị bù K để giảm ảnh hưởng nhiễu nguyên nhân trực tiếp gây hậu cho hệ thống 1.3.3 Nguyên tắc điều khiển theo sai lệch bù nhiễu(hình 1.4) K u(t) y1(t) x(t) e(t) C O y(t) z(t) M Hình 1.4- Sơ đồ nguyên tắc điều khiển hỗn hợp Nguyên tắc điều khiển hỗn hợp phối hợp nguyên tắc trên, vừa có hồi sai lệch vừa có thiết bị để bù nhiễu Nguyễn Văn Tiến Bộ Mơn Vơ Tuyến Điện Tử Khóa luận tốt nghiệp Trường ĐHKTTN-ĐHQGHN 1.3.4 Nguyên tắc điều khiển theo chương trình Ngun tắc mục đích giữ tín hiệu u=u(t) theo chương trình định sẵn.Để tính tín hiệu theo chương trình, cần phải sử dụng thiết bị có lưu trữ chương trình lớn Hai thiết bị thơng dụng chứa chương trình điều khiển là: -PLC(Programmable Logic Contronler) -CNC(Computerized Numerical Contronler) 1.4 Phân loại hệ thống ĐKTĐ [3] 1.4.1 Phân loại theo đặc điểm tín hiệu - Tín hiệu ổn định -Tín hiệu theo chương trình 1.4.2 Phân loại theo số vịng kín - Hệ hở: Là hệ khơng có vịng kín - Hệ kín: Có nhiều loại hệ vịng kín, hệ nhiều vịng kín … 1.4.3 Phân loại theo khả quan sát tín hiệu a) Hệ thống liên tục - Quan sát tất trạng thái hệ thống theo thời gian - Mơ tả tốn học: Phương trình đại số, phương trình vi phân, hàm truyền b) Hệ thống không liên tục Quan sát phần trạng thái hệ thống Nguyên nhân Nguyễn Văn Tiến Bộ Mơn Vơ Tuyến Điện Tử Khóa luận tốt nghiệp Trường ĐHKTTN-ĐHQGHN - Do đặt tất cảm biến - Do không cần đặt đủ cảm biến Trong hệ thống không liên tục người ta chia làm hai loại + Hệ thống gián đoạn - Là hệ thống mà ta quan sát trạng thái hệ thống theo chu kỳ T Về chất hệ thống dạng hệ thống liên tục + Hệ thống với kiện gián đoạn -Đặc trưng kiện không chu kỳ -Quan tâm đến kiện, tác động 1.4.4 Phân loại theo mơ tả tốn học - Hệ tuyến tính: Đặc tính tĩnh tất phần tử có hệ thống tuyến tính - Hệ phi tuyến: Có đặc tính tĩnh phần tử hàm phi tuyến - Hệ thống tuyến tính hóa: Tuyến tính hóa phần hệ phi tuyến với số điều kiện cho trước để có hệ thống tuyến tính gần 1.5 Nhiệm vụ lý thuyết điều khiển tự động Để khảo sát thiết kế hệ thống điều khiển tự động người ta thực bước sau: a) Dựa u cầu thực tiễn, mơ hình vật lý ta xây dựng mơ hình tốn học dựa quy luật, tượng, quan hệ đối tượng vật lý Mơ hình tốn học hệ thống xây dựng từ mơ hình tốn học phần tử riêng lẻ Nguyễn Văn Tiến Bộ Mơn Vơ Tuyến Điện Tử Khóa luận tốt nghiệp Trường ĐHKTTN-ĐHQGHN b) Dựa lý thuyết ổn định, ta khảo sát tính ổn định hệ thống Nếu hệ thống khơng ổn định ta thay đổi đặc tính hệ thống cách đưa vào khâu bổ (compensation) hay thay đổi thay đổi tham số hệ để hệ thành ổn định c) Khảo sát chất lượng hệ theo tiêu đề ban đầu Nếu hệ không đạt tiêu chất lượng ban đầu, ta thực bổ hệ thống d) Mơ hệ thống máy tính để kiểm tra lại thiết kế e) Thực mơ hình mẫu (prototype) kiểm tra thiết kế thực nghiệm f) Tinh chỉnh lại thiết kế để tối ưu hóa tiêu chất lượng hạ thấp giá thành nều có yêu cầu g) Xây dựng hệ thống thực tế 1.6 Thuật toán PID số[4] 1.6.1 Quy luật tỷ lệ (P) - Tín hiệu điều khiển quy luật tỷ lệ hình thành theo cơng thức x = Kp e (1.1) Trong Kp hệ số khuếch đại quy luật Theo tính chất khâu khuếch đại ta thấy tín hiệu khâu ln ln trùng pha với tín hiệu vào Điều nói lên ưu điểm khâu khuếch đại có tác động nhanh Vì vậy, công nghiệp quy luật tỷ lệ làm việc ổn định với đối tượng Tuy nhiên, nhược điểm khâu tỷ lệ hệ số tỷ lệ Kp lớn độ vọt lố cao, hệ thống ổn định sử dụng với đối tượng tĩnh, hệ thống điều khiển tồn sai lệch tĩnh Để giảm sai lệch tĩnh phải tăng hệ số khuếch đại đó, tính dao động hệ thống tăng lên làm cho hệ thống ổn định Nguyễn Văn Tiến Bộ Mơn Vơ Tuyến Điện Tử Khóa luận tốt nghiệp Trường ĐHKTTN-ĐHQGHN Trong công nghiệp quy luật tỷ lệ thường dùng cho hệ thống cho phép tồn sai lệch tĩnh Để giảm sai lệch tĩnh, quy luật tỷ lệ thường hình thành theo biểu thức x = x0 + Kp e (1.2) Trong x0 điểm làm việc hệ thống Tác động điều khiển ln giữ cho tín hiệu điều khiển thay đổi xung quanh giá trị sai lệch Hình (1.5) mơ tả trình điều khiển với hệ số Kp khác Hình 1.5- Quá trình điều khiển với hệ số Kp khác 1.6.2 Quy luật tích phân (I) Trong quy luật tích phân, tín hiệu điều khiển xác định theo biểu thức (1.3) Trong Ki = 1/Ti gọi số tích phân Nguyễn Văn Tiến Bộ Mơn Vơ Tuyến Điện Tử Khóa luận tốt nghiệp Trường ĐHKTTN-ĐHQGHN Từ công thức ta thấy giá trị điều khiển x đạt giá trị xác lập (quá trình điều khiển kết thúc) e = Như ưu điểm quy luật tích phân triệt tiêu sai lệch tĩnh Xét đặc tính khâu tích phân, tín hiều ln chậm pha so với tín hiệu vào góc Điều có nghĩa quy luật tích phân có tác động chậm Do tác động chậm mà công nghiệp, hệ thống điều khiển tự động sử dụng quy luật tích phân ổn định Vì mà quy luật sử dụng cơng nghiệp 1.6.3 Quy luật tỷ lệ - tích phân (Proportional Integral) Để hệ thống vừa có tác động nhanh, vừa triệt tiêu sai lệch dư, người ta kết hợp quy luật tỷ lệ với quy luật tích phân để tạo quy luật tỷ lệ - tích phân Tín hiệu điều khiển xác định theo cơng thức x = Kp e + Trong đó: = Kp (e+ ) (1.4) Kp hệ số khuếch đại Ti = Kp/Ki số thời gian tích phân - Hàm truyền đạt quy luật tỷ lệ tích phân có dạng W(p) = Kp (1+ ) - Hàm truyền tần số quy luật PI W(j ) = Kp (1-j Nguyễn Văn Tiến 10 ) Bộ Môn Vơ Tuyến Điện Tử Khóa luận tốt nghiệp Trường ĐHKTTN-ĐHQGHN Hình 3.2- Khối Driver L298 3.1.3 Khối logic Hình 3.3- Khối logic mạch Các đường kích cầu IC L298N IN1 IN2 phải đặt trạng thái ngược nhau.Bằng cách tránh trường hợp mà transistor bên kích lúc(ngắn mạch) Vì thiết kế mạch logic phụ với ngõ vào PWM Nguyễn Văn Tiến 33 Bộ Mơn Vơ Tuyến Điện Tử Khóa luận tốt nghiệp Trường ĐHKTTN-ĐHQGHN DIR.Trong PWM dùng để điều khiển vận tốc DIR dùng để điều khiển hướng động cơ.Hai ngõ hai đường điều khiển IN1 IN2.Vì khối logic thiết kế 3.1.4 Khối nguồn Hình 3.4-Khối nguồn Chúng ta sử dụng IC7805 dùng để chuyển nguồn từ +12V sang +5V 3.2 Thực Nghiệm Động mà sử dụng loại dùng với điện áp +12V độ phân giải 300 xung/vòng Việc điều khiển vận tốc động thực thông qua button mạch Dưới hình ảnh trạng thái vận tốc đạt Nguyễn Văn Tiến 34 Bộ Môn Vô Tuyến Điện Tử Khóa luận tốt nghiệp Trường ĐHKTTN-ĐHQGHN Hình 3.5 – Hình ảnh mạch thực tế Hình 3.6 – Động đạt tốc độ 2xung/25ms Nguyễn Văn Tiến 35 Bộ Mơn Vơ Tuyến Điện Tử Khóa luận tốt nghiệp Trường ĐHKTTN-ĐHQGHN Hình 3.8 – Động đạt tốc độ 7xung/25ms Hình 3.9 – Động đạt tốc độ 10xung/25ms Nguyễn Văn Tiến 36 Bộ Mơn Vơ Tuyến Điện Tử Khóa luận tốt nghiệp Trường ĐHKTTN-ĐHQGHN Hình 3.10 – Động đạt tốc độ 15xung/25ms Với mạch thiết kế đạt 15 mức vận tốc khác Vận tốc Desired: số xung/25ms.Từ ta suy số vịng mà động quay 1s - Gọi số vòng mà động đạt 1s V - Gọi số xung/25ms mà động đạt A Như số vòng mà động đạt 1s tính cơng thức (vịng/s) Từ ta tính số vịng/1s động Nguyễn Văn Tiến 37 Bộ Mơn Vơ Tuyến Điện Tử Khóa luận tốt nghiệp Trường ĐHKTTN-ĐHQGHN Với xung/25ms số vịng/1s động Với 10 xung/25ms số vịng/1s đạt Với 15xung/25ms số vong/1s đạt Như động ta có tốc độ tối thiểu tần số 133.33 Hz tốc độ tối đa tần số kHz Nguyễn Văn Tiến 38 Bộ Mơn Vơ Tuyến Điện Tử Khóa luận tốt nghiệp Trường ĐHKTTN-ĐHQGHN KẾT LUẬN Sau trình học tập nghiên cứu, giúp đỡ, bảo tận tình thầy hướng dẫn thầy cô môn Vật Lý Vô Tuyến, với mục tiêu đề tài “Điều khiển động DC motor với giải thuật PID”, kết thu em hoàn thành mục tiêu đề với nội dung sau: - Tìm hiểu lý thuyết điều khiển tự động thuật tốn PID - Tìm hiểu viết chương trình chạy thành cơng cho vi điều khiển Atmega32 - Thực việc chạy mô thiết kế thành công phần mạch thực nghiệm Kết đạt thỏa mãn yêu cầu toán khả đáp ứng nhanh xác khoảng tần số từ 133.33 – 2kHz Ý nghĩa quan trọng đề tài việc ứng dụng thành công giải thuật PID vào thực tế việc điều khiển động điện chiều, với nhiều ứng dụng thực tế dây chuyền sản xuất, ô tô điện, tàu thủy, máy bay… Tuy nhiên, hạn chế đề tài đáp ứng số mức vận tốc đặt trước mà thôi, với vận tốc chưa đáp ứng Các vấn đề cần thực để phát triển thêm đề tài là: - Phần cứng Mạch thực nghiệm sử dụng kết nối với máy tính qua cổng COM cổng USB để khống chế tốc độ điều khiển Mạch thực nghiệm hiển thị tốc độ thực tế LCD - Phần mềm Viết lại chương trình cho vi điều khiển để thực kết nối với máy tính hiển thị tốc độ thực tế Nguyễn Văn Tiến 39 Bộ Môn Vô Tuyến Điện Tử Khóa luận tốt nghiệp Trường ĐHKTTN-ĐHQGHN TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phạm Xuân Minh, “Giáo trình lý thuyết điều khiển tự động”,NXB Giáo Giục, 2008 [2] Lê Vũ Hà, “Kỹ thuật điều khiển”, NXB ĐHQG Hà Nội, 2006 [3] Khoa điện, ĐHBK Hà Nội, “Lý thuyết điều khiển tự động” [4] Học Viện Cơng Nghệ Bưu Chính Viễn Thơng, “Cơ sở điều khiển tự động” , 2006 [5] www.atmel.com/atmel/acrobat/doc2503.pdf [6] http://www.vinamain.com/2010/05/dong-co-dien-mot-chieu.html [7] http://www.hocavr.com/index.php/app/dcservo Nguyễn Văn Tiến 40 Bộ Môn Vơ Tuyến Điện Tử Khóa luận tốt nghiệp Trường ĐHKTTN-ĐHQGHN PHỤ LỤC P1 Code chương trình: Điều khiển động DC với giải thuật PID #include #include #include #include #include #include "myLCD.h" #ifndef cbi #define cbi(port, bit) (port) &= ~(1