6. Bố cục của đề tài
3.2. Lập trình trong môi trƣờng LABVIEW
3.2.1. Khái quát chung về phần mềm Labview
Labview (Virtual Instrument Engineering Wordbech) là một môi trƣờng phát triển dựa trên ngôn ngữ lập trình đồ họa, thƣờng đƣợc sử dụng cho mục đích: Đo lƣờng, kiểm tra, xử lý và điều khiển các tham số của thiết bị.
Labview là một ngôn ngữ lập trình đa năng, giống nhƣ các ngôn ngữ lập trình hiện đại khác. Labview gồm có các thƣ viện thu nhận dữ liệu, một loạt các thiết bị điều khiển, phân tích dữ liệu, biểu diễn và lƣu trữ dữ liệu. Nó còn có các công cụ phát triển đƣợc thiết kế riêng cho việc nối ghép và điều khiển thiết bị.
Labview khác với các ngôn ngữ thông thƣờng ở điểm cơ bản là: Các ngôn ngữ lập trình khác thƣờng dùng trên cơ chế dòng lệnh, trong khi đó Labview dùng ngôn ngữ lập trình Graphical để tạo ra các chƣơng trình ở dạng sơ đồ khối.
55
3.2.2. Kĩ thuật lập trình Labview
a) Khởi động chương trình
Nhấp vào biểu tƣợng biểu tƣợng Labview nhƣ hình bên. Ta có
đƣợc giao diện bên hình (a) dƣới.
Vào File/New VI để vào môi trƣờng lập trình hình (b) + Front Panel: giao diện với ngƣời sử dụng
+ Block Diagram: Giao diện dạng sơ đồ khối cung cấp mã nguồn
b) Công cụ lập trình
Việc lập trình trên Labview cần sử dụng các bản: Tools Palette, Controls Panelette, Functions Palette, các bản đó cung cấp các chức năng để ngƣời sử dụng có thể tạo và thay đổi trên Front Panel và Block Diagram
Tool Panel:
Tool Panel xuất hiện trên cả Front Panel và Diagram. Bảng này cho phép ngƣời sử dụng có thể xác lập các chế độ làm việc đặc biệt của con trỏ chuột. Khi lựa chọn một công cụ, biểu tƣơng của con trỏ sẽ đƣợc thay đổi theo biểu tƣợng của con trỏ đó.
Nếu thiết lập chế độ tự động lựa chọn công cụ và ngƣời sử dụng di chuyển con trỏ qua các đối tƣợng trên Front Panel hoặc Block Diagram, Labview sẽ tựu động lựa chọn công cụ phù hợp trên bảng tool palette.
Để truy cập vào Tool Palette ta chọn Menu: Window/Show Tools palette.
56 Bảng điều khiển chỉ duy nhất xuất hiện
trên front Panel. Bảng điều khiển chứa các bộ điều khiển (control) và các bộ hiển thị (Indicator). Bảng điều khiển đƣợc minh họa hình sau:
Bảng điều khiển đƣợc sử dụng để thiết kế cấu trúc mặt hiển thị gồm các thiết bị: các công tắc, các loại đèn, các loại màn hình hiển thị… Với bảng điều khiển này, ngƣời sử dụng có thể
chọn các thiết bị chuẩn do hãng cung cấp. Bảng điều khiển dùng để cung cấp dữ liệu đầu vào và hiển thị kết quả đầu ra.
3.3. PID trong LabView
3.3.1. Cấu tạo của PID trong LabView
Bộ điều khiển PID gồm ba thành phần: tỷ lệ (P), tích phân (I), và vi phân (D) nối song song với nhau. Do đó ta có thể sử dụng các hàm toán học có sẵn trong LabVIEW để xây dựng nó.
Thành phần tỷ lệ P đƣợc biểu diễn nhƣ sau:
Thành phần tích phân I:
Thành phần vi phân D:
Bộ điều khiển PID đƣợc thiết kế là tổng của ba thành phần P, I, D, Từ đây ta thiết kế bộ điều khiển PID trên LabVIEW với đối tƣợng có hàm truyền H(s) (hình 3.3).
Từ sơ đồ khối ta nhận thấy khi đầu vào là hàm 1(t) qua bộ điều khiển PID đến đối tƣợng, tín hiệu đầu ra của đối tƣợng đƣợc đƣa ra hiển thị đồng thời quay trở lại so sánh với tín hiệu đặt.
57
Hình 3.3. Ví dụ sơ đồ khối bộ điều khiển PID sử dụng hàm toán học
3.3.2. Toolkit PID
PID nằm trong công cụ Control Design & simulation đã tích hợp sẵn thuật toán tạo sự thuận lợi cho ngƣời sử dụng. Sự mô tả hàm chức năng của PID nhƣ hình vẽ sau:
Sau đây chúng ta sẽ đi tìm hiểu chức năng của từng khối cũng nhƣ sơ đồ đầu vào, đầu ra của các hàm trong PID.
The PID function (PID.vi)
- Output range: Dải giá trị đầu ra. - Setpoint: Giá trị thiết lập.
- Process variable: Giá trị của biến điều chỉnh khi có vòng phản hồi. - PID gains: Bộ tham số của bộ điều khiển PID.
58 - dt(s): Vi phân của thời gian, giá trị này đƣợc thiết lập khi thời gian đáp ứng là nhỏ
hoặc bằng 0.
- Reinitialize: Tham số bên trong dùng để thiết lập giá trị của bộ điều khiển PID trở về giá trị mặc định.
- Output: giá trị tín hiệu đầu ra.
- dt out(s): giá trị đầu ra khi dt(s) đƣợc thiết lập.
Hàm PID thực hiện chức năng điều khiển dƣới hình thức tính tổng hoặc song song. PID không có bộ lọc, vì vậy sẽ bị ảnh hƣởng bởi nhiễu. PID không đƣợc thiết lập ở chế độ bằng tay, điều này gây khó khăn để sử dụng trong hiệu chỉnh và khởi động.
The PID advanced function
- Manual control: Thiết lập giá trị điều khiển bằng tay
- Auto ?(T): Đây là chức năng tiên tiến của bộ điều khiển PID. Lựa chọn chế độ điều khiển tự động hay bằng tay, nếu tự động là True, nếu bằng tay là False.
- Setpoint range: dải giá trị đặt.
- Beta:Giá trị để thay đổi tải, nằm trong khoảng từ 0 đến 1, lấy giá trị mặc định là 1. - Linearity: độ tuyến tính của đáp ứng lỗi
Hàm PID advanced là hàm PID nâng cao bởi vì ngoài những đặc điểm giống với PID function, PID advanced đƣợc thiết lập ở chế độ bằng tay. Có hai chế độ điều khiển là tự động hay và bằng tay.Và giá trị tín hiệu điều khiển bằng tay sẽ không ảnh hƣởng khi bạn lựa chọn chế độ điều khiển tự động. Chính vì vậy mà PID advanced đƣợc sử dụng phổ biến.
59 The PID autotuning function
- Autotuning parameters: Tham số tự điều chỉnh
- Autotune: Khi bắt đầu yêu cầu tự động điều chỉnh tham số này có giá trị là True, khi đầu vào chịu sự điều chỉnh của cơ học thì giá trị đƣợc mặc định là False.
- Tuning completed: có thể lấy giá trị đầu ra này để quay trở lại phản hồi với các bộ tham số PID.
- PID gains out: Giá trị các tham số của bộ điều khiển sau khi tự động điều chỉnh
Điều chỉnh tự động bằng cách thay đổi chế độ ON/OFF của Rơle. Thông tin của sự điều chỉnh đó dùng để tính toán các tham số của bộ điều khiển.
The PID setpoint profile function
- Setpoint profile: Thiết lập các giá trị đặt đầu vào của hàm thời gian. - Profile complete: Hoàn chỉnh giá trị đặt của thời gian.
- Elapsed time(s): Thời gian chạy.
Thiết lập giá trị thời gian đặt là một hằng số hoặc là một hàm tuyến tính. The PID control Input Filter function
Đầu vào của tín hiệu đƣợc đƣa qua bộ lọc, sau đó sẽ cho qua phép đo để giảm thiểu nhiễu tác động.
60 The PID gain Schedule function
- Gain scheduling value: Giá trị đầu vào các tham số PID của quy trình khuếch đại. The PID gain Schedule function có thể cài đặt nhiều bộ tham số PID khác nhau trong PID gain Schedule.
The PID output Rate Limiter function
- Input(Controller output): Giá trị đầu vào. - Initial output: Giá trị đầu ra ban đầu
- Output rate (EGU/min): Xác định tỷ lệ tối đa các thay đổi của điều khiển đầu ra. The PID output Rate Limiter function sử dụng khi cần giới hạn tốc độ biến thiên đầu ra, chẳng hạn nhƣ tính toán tín hiệu điều khiển.
The PID lead – lag function
Thực hiện với đối tƣợng có hàm truyền mà tử số và mẫu sỗ dạng bậc nhất. Sử dụng hàm PID lead – lag khi tín hiệu điều khiển cho trƣớc và cách ly khi có nhiều tín hiệu điều khiển.
The PID EGU to % function
61 - Input(EGU): Giá trị đầu vào
- Minimum(EGU): Xác định giá trị nhỏ nhất của đầu vào (tƣơng ứng với 0%). - % span: Trả lại giá trị đầu ra của tín hiệu phép đo.
The PID EGU to % function sử dụng khi đòi hỏi sự chính xác của tín hiệu phép đó. The PID % to EGU function
- Coerce output to range: Phạm vi giá trị đầu ra lớn hơn 100% và nhỏ hơn 0% là đúng hay sai?
- % span: phần trăm giá trị đầu vào của tín hiệu đo.
The PID % to EGU function sử dụng khi đòi hỏi sự chính xác của tín hiệu điều chỉnh của bộ điều khiển PID.
Trong mƣời khối PID trên, chỉ có ba khối: The PID function, The PID advanced function, The PID autotuning function là có chức năng điều khiển đối tƣợng, các khối PID còn lại dùng để hỗ trợ ba khối PID trên.
Khi khảo sát với đối tƣợng có hàm truyền H(s) nhƣ trên sử dụng bộ điều khiển PID. Sơ đồ khối nhƣ hình vẽ dƣới đây:
Hình 3.4. Ví dụ sơ đồ khối bộ điều khiển PID trong bộ công cụ
Nhƣ vậy cùng để điều khiển đối tƣợng với bộ điều khiển PID sẽ có những cách thiết lập khác nhau. Sử dụng PID với ý nghĩa hiểu rõ bản chất từng thành phần trong đó thì chúng ta sẽ sử dụng phƣơng pháp lựa chọn các hàm toán học trong labVIEW. Sử dụng PID với mục đích nhanh, tính ứng dụng thƣc tế cao chúng ta sẽ sử dụng toolkit của nó.
62
Chƣơng 4: Thiết kế hệ truyền động động cơ điện một chiều
4.1. Yêu cầu thiết kế
Khi thiết kế một kit điều khiển thành phần trung tâm là vi điều khiển để cho phép có thể cài đặt nhiều thuật toán điều khiển thì trƣớc tiên yêu cầu vi điều khiển phải tính toán nhanh, dung lƣợng bộ nhớ lớn hoặc có thể mở rộng đƣợc bộ nhớ với dòng chip Pic mới thì cơ bản đáp ứng yêu cầu này. Bên cạnh đó Kit điều khiển cũng phải có khả năng Giao tiếp với nhiều đối tƣợng và thiết bị cảm biến khác nhau, hiển thị các tham số chế độ hoạt động đồng thời có khả năng giao tiếp với máy tính thực hiện chức năng điều khiển giám sát…Trên cơ sở đó việc thiết kế kit điều khiển trong đồ án thiết kế phải đảm bảo chức năng: Kit có các đầu vào tƣơng tự theo tiêu chuẩn công nghiệp 0-20mA, 4-20mA, 0- 10V và đầu vào đo điện trở, bên cạnh đó là các đầu vào số cho phép thu thập các giá trị logic số, đếm xung, nhận tín hiệu ngắt từ bên ngoài.
Khối vi xử lý Khối giao tiếp
máy tính
Khối nguồn
Động cơ
Hình 4.1: Sơ đồ khối phần cứng mạch điều khiển
Cấu tạo của kit điều khiển: Ở đây các đầu vào- ra tƣơng tự là các tín hiệu chuẩn điều khiển 0-20mA, 4-20mA, 0-10V còn các đầu vào ra số là các tín hiệu logic hoặc xung số. Khối vi điều khiển trung tâm là thành phần quan trọng nhất của kit nó giám sát thu thập xử lý dữ liệu từ cảm biến và cơ cấu chấp hành để điều khiển truyền thông nối tiếp với máy tính.
4.2. Tính toán bộ điều chỉnh PID cho động cơ DC
Chọn động cơ điện một chiều thực tế có các thông số sau:
𝑈đ𝑚=220V; 𝑛đ𝑚=1300(v/p); 𝐼đ𝑚=8,8A; 𝑅ư=2Ω; 𝐿ư=0,04H; 𝜂=84%; f =50Hz ;
𝐶𝑢 = 1,3𝑁. 𝑚. 𝐴−1; hằng số thời gian điện cơ 𝑇𝑐 = 1𝑠; hằng số thời gian điện từ 𝑇ư =
63 Xây dựng mạch vòng dòng điện và mạch vòng tốc độ điều khiển động cơ thỏa mãn yêu cầu sau:
1. Tín hiệu dòng: Imax = 120 A; 𝛿𝑚𝑎𝑥 ≤ 30%∞; 𝑡𝑞đ < 2𝑠; N≤ 3
2. Tín hiệu tốc độ: D=30/1; 𝑆𝑡=3%;
4.2.1. Phân tích chất lƣợng hệ thống ở chế độ tĩnh
Ta có công suất định mức của động cơ:
𝑃đ𝑚 = 𝜂. 𝑈đ𝑚. 𝐼đ𝑚 = 0,84.220.8,8 = 1626,24𝑊
a) Khảo sát chất lượng tĩnh của hệ hở
Khi chƣa xét đến phản hồi âm dòng có ngắt và âm tốc độ tác động: Vẽ đƣờng đặc tính cơ tự nhiên: Từ phƣơng trình đặc tính cơ: 𝜔 = 𝑈ư 𝑘Ф− 𝑅ư (𝑘Ф)2. 𝑀 Ta có: 𝑘Ф =𝑈ư−𝐼ư.𝑅ư ω = 9,55.𝑈ư−𝐼ư.𝑅ư n = 9,55.220−8,8.2 1300 = 1.5 Momen định mức: 𝑀đ𝑚 = 𝑘Ф. Iđm = 1,5 . 8,8 = 13,2Nm
Xét 2 điểm đặc biệt đi qua phƣơng trình đặc tính cơ tự nhiên: + Điểm không tải lý tƣởng: A (M=0, 𝜔 = 𝜔0)
Tốc độ không tải lý tƣởng 𝜔0 thì M=0 nên 𝜔0 =𝑈đ𝑚
𝑘Ф =220 1.5 = 146,67 (rad/s) Mà 𝑛0 = 9,55𝜔0 Nên: 𝑛0 = 9,55.𝑈đ𝑚 𝑘Ф = 9,55.220 1,5 = 1400 𝑣/𝑝
Tọa độ điểm A(0; 146,67)
+ Điểm làm việc định mức: B (M=𝑀đ𝑚, 𝜔 = 𝜔đ𝑚) Tốc độ định mức: 𝜔đ𝑚 =𝑛đ𝑚
9,55 =1300
9,55 = 136,13 (rad/s)
Tọa độ điểm B (13,2; 136,13)
Từ 2 điểm A và B ta vẽ đƣợc đƣờng đặc tính cơ tự nhiên (đƣờng 1). Vẽ đƣờng đặc tính cơ thấp nhất
Dải điều chỉnh D đƣợc tính theo công thức: 𝐷 = 𝑛𝑚𝑎𝑥
𝑛𝑚𝑖𝑛 = 30 Vậy: 𝑛𝑚𝑖𝑛 = 𝑛𝑚𝑎𝑥: 30 = 1300: 30 = 43,333 𝑣/𝑝 Ta có: ∆𝑛 = 𝑛0𝑚𝑎𝑥 − 𝑛𝑚𝑎𝑥 = 1400 − 1300 = 100𝑣 𝑝 Hay ∆𝑛 = 𝑛0𝑚𝑖𝑛 − 𝑛𝑚𝑖𝑛 Nên 𝑛0𝑚𝑖𝑛 = ∆𝑛 + 𝑛𝑚𝑖𝑛 = 100 + 43,33 = 143,33(𝑣 𝑝) Suy ra: 𝜔0𝑚𝑖𝑛 = 𝜔𝑚𝑖𝑛 + ∆𝜔đ𝑚 = 11,95 + 3,6 = 15,5 (𝑟𝑎𝑑 𝑠 )
64 Điểm không tải lý tƣởng 𝐴1 (M = 0, 𝜔 = 𝜔0𝑚𝑖𝑛) = (0; 15,5)
Điểm làm việc định mức của đƣờng đặc tính cơ thấp nhất:
𝐵1 = (M = 𝑀đ𝑚, 𝜔 = 𝜔đ𝑚)=( 13,2; 11,95)
Từ điểm 𝐴1; 𝐵1 ta có đƣờng đặc tính cơ thấp nhất ( đƣờng 2)
Ta vẽ đƣợc đƣờng đặc tính cơ khi chƣa có khâu phản hồi âm dòng có ngắt và âm tốc độ. w(t) M(t) 0 13,2 đm M đm w 0 w 146.67 136,13 (1) (2) 11,95 15,5
Sai lệch tĩnh lớn nhất ( ứng với đƣờng đặc tính cơ thấp nhất)
𝑆𝑡 = ∆𝑛𝑚𝑖𝑛
𝑛𝑚𝑖𝑛 + ∆𝑛𝑚𝑖𝑛 =
100
100 + 43.33 = 0,69 = 69%
So với đề bài yêu cầu sai lệch tĩnh cho phép 𝑆𝑡=3% thì nó đã vƣợt quá.
Nhận xét:
- Để thỏa mãn dải điều chỉnh D=30/1 thì sai lệch tĩnh của hệ thống lại trở nên quá lớn so với yêu cầu, không thỏa mãn một trong số những chỉ tiêu chất lƣợng quan trọng của hệ thống là sai lệch tĩnh. Tất nhiên, có thể dễ dàng suy ra điều ngƣợc lại.
- Khả năng quá tải: 𝐾𝑀
𝐾𝑀𝑚𝑎𝑥 =𝑀𝑚𝑎𝑥 𝑀đ𝑚 = 165 13,2 = 12 𝐾𝑀𝑚𝑖𝑛 =𝑀𝑚𝑖𝑛 𝑀đ𝑚 = 16,88 13,2 = 1,3
Nhƣ vậy: khi thỏa mãn dải điều chỉnh D thì khả năng quá tải của hệ thống bị suy giảm mạnh.
65 Khi hệ thống hở thì chất lƣợng tĩnh của hệ thống rất kém. Vì vậy, chúng ta cần thực hiện điều khiển hệ thống bằng hệ kín có phản hồi âm tốc độ và phản hồi âm dòng có ngắt nhằm thỏa mãn 2 yêu cầu: Chất lƣợng tĩnh của hệ và bảo vệ dòng điện.
b) Tính các hệ số khuếch đại của hệ kín
Chọn máy phát tốc có số liệu sau:
Chọn hệ thống kín gồm phản hồi âm tốc độ và phản hồi âm dòng có ngắt. Mã hiệu 𝑃đ𝑚(W) 𝑈đ𝑚(V) 𝐼đ𝑚(A) n(v/p) 𝑅ư𝛴(Ω)
32/1YU 115 230 0.5 1000 7,34
Hệ số truyền của máy phát tốc:
𝐾𝐹 =𝑈𝐹𝑇
𝑛𝐹𝑇 =
230
1000 = 0,23
Tỷ số truyền của bộ truyền:
𝑖 = 𝑛𝐹𝑇
𝑛𝐷𝐶 =
1000
1300= 0,769
Điện áp của máy FT đƣợc đƣa vào bộ KĐ trung gian nên chỉ lấy 1 phần qua triết
áp 𝑈𝑇 ≤ 12(𝑉). Hệ số khuếch đại: 𝛾 = 𝑈𝑇 𝑈𝐹𝑇 = 12 230 = 0,052
Tính hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại trung gian:
Để tính đƣợc hệ số khuếch đại trung gian ta phải xác định đƣợc hệ số của chúng. Sơ đồ khối của cả hệ thống với các khâu phản hồi tốc độ, phản hồi âm dòng có ngắt.
66 Để xác định đƣợc hệ số khuếch đại của khâu trung gian ta chỉ xét khi động cơ làm việc ổn định ( tức là có khâu âm tốc độ tác động) khi đó sơ đồ khối của hệ thống nhƣ hình vẽ (hình 1.16).
Trong đó:
𝐾𝜔: là hệ số khuếch đại tốc độ
𝐾𝑖: là hệ số khuếch đại dòng điện
𝐾𝜋: là hệ số khuếch đại của bộ biến đổi
𝐾Đ: là hệ số khuếch đại của động cơ
𝛾: là hệ số phản hồi âm tốc độ: 𝛾 = 0,052
Phƣơng trình đặc tính cơ điện:
𝑛 = (𝑈𝑐𝑑. 𝐾𝜔. 𝐾𝑖. 𝐾𝜋 − 𝐼ư𝑅ư𝛴). 𝐾Đ 1 + 𝛾. 𝐾𝜔. 𝐾𝑖. 𝐾𝜋. 𝐾Đ Đặt K=𝐾𝜔. 𝐾𝑖. 𝐾𝜋. 𝐾Đ => 𝑛 = 𝑈𝑐𝑑. 𝐾 − 𝐼ư𝑅ư𝛴. 𝐾Đ 1 + 𝛾. 𝐾 Độ sụt tốc độ ứng với đặc tính cơ thấp nhất: ∆𝑛 = 𝑆𝑡. 𝑛0𝑚𝑖𝑛 = 𝑆𝑡.𝑛0𝑚𝑎𝑥 𝐷 Mặt khác ta có: 𝑆𝑡 =𝑛0𝑚𝑎𝑥 − 𝑛0𝑚𝑖𝑛 𝑛0𝑚𝑎𝑥 = 1 −