a) Sơ đồ khối của bộ điều khiển
50
Luận văn cao học – 2009
b) Mờ hoỏ cỏc thụng số đầu vào và đầu ra
Bộ điều khiển mờ gồm 2 đầu vào là tớn hiệu sai lệch và sự thay đổi của sai lệch, đầu ra của bộ điều khiển là tớn hiệu điều khiển ∆u . Cả hai đầu vào e và ∆e
đều được xỏc định trong khoảng [-1 1] và đều được mờ hoỏ theo kiểu tam giỏc cõn và tuõn thủ theo quy tắc mờ đó đưa ở hỡnh 4.2
51
Đầu ra của hệ thống cũng được mờ hoỏ theo luật giống như đầu vào
c) Thuật toỏn mờ cho tớn hiệu điều khiển
Đầu vào và đầu ra của bộ điều khiển mờ được hợp thành với nhau thụng qua thuật toỏn được cung cấp ở bảng hình 4.4a và được thiết kế trong Matlab như sau:
52
Luận văn cao học – 2009
4.2.2 Bộ điều khiển mờ tạo tớn hiệu cho hệ số tự chỉnh α
a) Sơ đồ khối cho bộ điều khiển
b) Mờ hoỏ đầu vào và đầu ra cho bộ điều khiển
Đối với bộ điều khiển tạo hệ số tự chỉnh α cũng giống như bộ điều khiển tạo tớn hiệu điều khiển cũng cú 2 đầu vào là sai lệch (e) và sư thay đổi của sai lệch
(∆e ). Mờ hoỏ 2 đầu vào này cũng giống như khi ta mờ hoỏ 2 đầu vào cho bộ điều khiển mờ tạo tớn hiệu điều khiển. Trong bộ điều khiển mờ tạo hệ số tự chỉnh này chỉ khỏc là đầu ra α của bộ điều khiển được xỏc định trong khoảng [0 1] và được mờ húa như sau:
53
c) Thuật toỏn cho khõu tạo hệ số tự chỉnh α
Đầu vào và đầu ra của bộ điều khiển mờ được hợp thành với nhau thụng qua thuật toỏn được cung cấp ở bảng 4.4 b và được thiết kế trong Matlab như sau:
54
Luận văn cao học – 2009
4.3 Cỏc kết quả mụ phỏng đạt được 4.3.1 Hệ thống tuyến tớnh bậc 2 * Hàm truyền của hệ thống :
+ L là thời gian chết của hệ thống. Trong hệ thống này ta sẽ mụ phỏng hệ thống với 4 giỏ trị thời gian chết khỏc nhau: L=0; 0.1; 0.2; 0.3
+ Ta sẽ mụ phỏng hệ thống với bộ điều khiển mờ tự chỉnh và cú sự so sỏnh với bộ điều khiển mờ truyền thống
+ Tai thời điểm t=40s ta sẽ thờm một tải vào hệ thống và quan sỏt sự thay đổi của hệ thống
+ Trong trường hợp này ta chọn cỏc hệ số tỷ lệ như sau:
Ge = 0.9 G∆e = 1.3
Gu = 0.6 (Đối với bộ điều khiển mờ tự chỉnh) Gu = 0.2 (Đối với bộ điều khiển mờ truyền thống) *) Kết quả mụ phỏng
+) Khi L = 0.1
Hỡnh 4.6: Đỏp ứng của hệ thống tuyến tớnh bậc 2 khi L = 0.1 cho FPIC (--) và STFPIC (___)
55
+) Khi L = 0.2
Hỡnh 4.7: Đỏp ứng của hệ thống tuyến tớnh bậc 2 khi L = 0.2 cho FPIC (--); STFPIC (__): hệ số tự chỉnh α (….)
và tớn hiệu điều khiển u (-.--.-) +) Khi L = 0.3
Hỡnh 4.8: Đỏp ứng của hệ thống tuyến tớnh bậc 2 khi L = 0.3 cho FPIC (--) và STFPIC (___)
56
Luận văn cao học – 2009 * Bảng tổng kết kết quả mụ phỏng L Gu 0 0.2 0.6 0.1 0.2 0.6 0.2 0.2 0.6 0.3 0.2 0.6
Bảng 4.1: Kết quả đỏp ứng của hệ thống tuyến tớnh bậc 2 cú trễ
* Nhận xột
Từ cỏc kết quả mụ phỏng ta nhõn thấy rằng bộ điều khiển mờ tự chỉnh tốt hơn so vơi bộ điều khiển mờ truyền thống. Nú đặc biệt mạnh sau cỏc điểm ngắt (Trờn hỡnh là thời điểm t = 40s). Với bộ điều khiển mờ tự chỉnh ta đó làm giảm được độ quỏ điều chỉnh, thời gian điều chỉnh của hệ thống.
4.3.2 Hệ thống ổn định cận biờn * Hàm truyền của hệ thống e−Ls G p (s) = s(s +1)
+ L là thời gian chết của hệ thống. Trong hệ thống này ta sẽ mụ phỏng hệ thống với 4 giỏ trị thời gian chết khỏc nhau: L=0; 0.1; 0.2; 0.3
+ Ta sẽ mụ phỏng hệ thống với bộ điều khiển mờ tự chỉnh và cú sự so sỏnh với bộ điều khiển mờ truyền thống, cỏc bộ điều khiển PI và PID thụng thường.
Luận văn cao học – 2009
+ Trong trường hợp này ta chọn cỏc hệ số tỷ lệ như sau: Ge = 0.75 G∆e = 2 Gu = 0.66 Gu = 0.22 * Kết quả mụ phỏng + Khi L = 0.1
Hệ thống cú tải ở thời điểm t = 45s
Hỡnh 4.9: Đỏp ứng của hệ thống ổn định cận biờn khi L = 0.1 cho FPIC (--); STFPIC (___)
+) Khi L = 0.2
58
Hỡnh 4.10: Đỏp ứng của hệ thống ổn định cận biờn khi L = 0.2 cho FPIC (--); STFPIC (___) và khõu PI (….) (Kp = 1.55, T i = 3.00)
Hỡnh 4.11: Đỏp ứng của hệ thống ổn định cận biờn khi L = 0.2 cho FPIC (--); STFPIC (___) và khõu PID (….)
(Kp = 2.07, Ti = 1.80, Td = 0.45)
59
Luận văn cao học – 2009
Hỡnh 4.12: Đỏp ứng của hệ thống ổn định cận biờn khi L = 0.2 cho khõu PI (Kp = 0.5, Ti = 3.00) và khõu PID (….)
(Kp = 0.7, Ti = 1.80, Td = 0.45) +) Khi L = 0.3
Hỡnh 4.13: Đỏp ứng của hệ thống ổn định cận biờn khi L = 0.3 cho FPIC (--); STFPIC (___)
60
* Bảng tổng hợp kết quả mụ phỏng L Kp hoặc Gu 1.55 2.07 0.2 0.22 0.66 0.5 0.7 0 0.22 0.66 0.1 0.22 0.66 0.3 0.22 0.66
Bảng 4.2: Kết quả đỏp ứng của hệ ổn định cận biờn
* Nhận xột
Đối với cỏc bộ điều khiển PI, PID thụng thường cũng như bộ điều khiển mờ truyền thống thỡ độ quỏ điều chỉnh của hệ thống ổn định cận biờn là rất lớn, cũn đối với bộ điều khiển tự chỉnh của chỳng ta với cỏc tham số ổn định ta đó làm cho độ quỏ điều chỉnh nằm trong dải cho phộp. Từ đõy thấy rừ được ưu điểm của hệ thống mờ tự chỉnh so với cỏc hệ thống khỏc.
4.4 áp Dụng bộ điều khiển mờ tự chỉnh cho điều chỉnh nhiệt độ
4.4.1 Nhận dạng lũ điện trở
Trên thực tế việc khảo sát mô hình toán của lò sấy trong thực tế là rất khó khăn nên trong đồ án này sẽ khảo sỏt và mụ phỏng đặc tớnh của lũ điện trở tại phũng thớ nghiệm
61
Luận văn cao học – 2009
Hỡnh 4.14: Đường đặc tớnh đối tượng lũ điện trở ghi trờn mỏy Với đặc tớnh đối tượng cho trước như hỡnh vẽ:
- Giới hạn thang đo: 0 ữ 10V (tương ứng với 00 C ữ 1000 C)
- Tốc độ mỏy ghi: 10 mm/h (tương ứng với 1mm/6s)
- Đỏp ứng đầu vào 3V ữ 5V
- Đỏp ứng đầu ra 47,50C ữ 640C (tương ứng với 4,75V ữ 6,4V)
Từ đồ thị đưa về dạng so chuẩn ta xỏc định được trễ vận chuyểnτ0 = 12(s) 4.4.2 Xỏc định mụ hỡnh đối tượng của hệ thống
1(t) W1 ( p) Hỡnh 4.15: Mụ hỡnh đối tượng Hàm truyền đạt: WDT (s) = W1(s).e− τ0s Ta cú thể xỏc định W1( p) từ hàm y1 (t) : Xỏc định hàm so chuẩn σ(t ) : Ta cú h( ∞) = h 1 ( ∞ ) 62 download by : skknchat@gmail.com
Từ điểm 0,7 kẻ song song với trục t cắt đường đặc tớnh tại điểm A.
- Từ điểm A kẻ song song với trục σ(t) cắt trục t tại điểm t7 .
- Chia t7 làm 3 phần băng nhau và lấy điểm t3 .
- Từ điểm t3 kẻ song song với trục σ(t) cắt đường đặc tớnh tại điểm B.
- Từ B kẻ song song với trục t cắt trục σ (t) tại σ(t3 ) Hàm so chuẩn được xỏc định :
σ(t3 ) = y(t 3 )
= 0,33 y(∞)
Ta nhận thấy rằng 0,31< σ(t3) .Vậy đối tượng đó cho là khõu quỏn tớnh bậc nhất cú trễ.
Hàm truyền đạt của đối tượng cú dạng :
W(s) =
Xỏc định cỏc thụng số của hàm truyền đạt: Do đú hệ số khuếch đại: Kdt =
Xỏc định trễ dung lượng τ và hằng số thời gian T
Đối tượng là khõu bậc nhất cú trễ nờn hàm so chuẩn được mụ tả dạng:
(t) σ Chọn hai điểm A và B trờn đồ thị: σA = 0,2 → tA = 54(s) σB = 0,8 → tB = 276(s) 1− σ A = e 1 − σB = e 63
ln(1 − σB ) ln(1 − σA ) ln(1 − σB) t B.ln(1− σ A )− τ1.ln(1− σ A ) = tA .ln(1− σB ) − τ1.ln(1− σB ) ln(1− σA ) − ln(1− σB ) = tB Thay vào hàmσ(t) ta cú: T =ln 1 τ1 =
Do đú hàm truyền đạt của khõu quỏn tớnh bậc nhất cú trễ là: W1
(s) = Hàm truyền đạt của đối tượng được xỏc định bởi:
W
DT =
Vậy hàm truyền đạt của hệ thống là:
WDT = 0.82e−30s
4.4.3 Phương phỏp Ziegler – Nichols để xỏc định tham số cho bộ điều khiển PID truyền thống
a Phương phỏp Ziegler – Nichols I
Luật P PI PID
Bảng 4.3: Tham số bộ điều khiển theo phương phỏp Ziegler – Nichols I Đối với đối tượng là lũ điện trở cú hàm truyền:
0.82e−30s
W
Thỡ bảng thụng số cho cỏc bộ điều khiển là: Luật P PI PID TD 15
Bảng 4.4: Tham số bộ điều khiển theo phương phỏp Ziegler – Nichols I cho đối tượng lũ điện trở
b Phương phỏp Ziegler – Nichols II
Phương phỏp này tớnh cỏc tham số của bộ điều khiển dựa trờn Kth và Tth
a) Xỏc định Kth và Tth > Gh=tf(0.82,[160 1]) Transfer function: 0.82 --- 160 s + 1 > Gh.inputdelay=30 Transfer function: 0.82 exp(-30*s) * --- 65 download by : skknchat@gmail.com
Luận văn cao học – 2009 160 s + 1 > Gh_app=pade(Gh,3) Transfer function: -0.82 s^3 + 0.328 s^2 - 0.05467 s + 0.003644 --- 160 s^4 + 65 s^3 + 11.07 s^2 + 0.7778 s + 0.004444 > rlocus(Gh_app) Hỡnh 4.16: Xỏc định Kth Vậy Kth của hàm xấp xớ là: 11,9
Sau khi xỏc định được Kth của hàm xấp xỉ Gh_app, thay vào đối tượng để hiệu chỉnh lại tham số Kth để hệ kớn của đối tượng ở chế độ biờn giới ổn định tức là h(t) cú dạng dao động điều hoà:
Hỡnh 4.17: Sơ đồ mụ phỏng khi Kth = 11 66
Với Kth = 11 thỡ hệ kớn cú dạng dao động điều hoà:
Hỡnh 4.18: Đặc tớnh hằng số tới hạn Từ đồ thị tỡm được Tth = 110
Luật tớnh toỏn bộ tham số theo phương phỏp Ziegler – Nichols II Luật
P PI PID
Bảng 4.6: Tham số bộ điều khiển theo phương phỏp Ziegler – Nichols II Đối với đối tượng là lũ điện trở cú hàm truyền:
W
DT
Thỡ bảng thụng số cho cỏc bộ điều khiển là: Luật
P PI PID
Bảng 4.6: Tham số bộ điều khiển theo phương phỏp Ziegler – Nichols II cho đối tượng lũ điện trở
67
Luận văn cao học – 2009
4.4.4 Kết quả mụ phỏng
+ Trong trường hợp này ta chọn cỏc hệ số tỷ lệ như sau: Ge = 0.35
G∆e = 20 Gu = 0.33 Gu = 0.11
Hỡnh 4.19: Đỏp ứng của hệ thống lũ điện trở cho FPIC (--); STFPIC (___) Và bộ PID chọn theo phương phỏp Ziegler –
Nichols I
Luận văn cao học – 2009
Hỡnh 4.20: Đỏp ứng của hệ thống lũ điện trở cho FPIC (--); STFPIC (___) Và bộ PID chọn theo phương phỏp Ziegler – Nichols II
* Nhận xột
Qua kết quả mụ phỏng ta thấy đỏp ứng của hệ thống mờ tự chỉnh là tốt hơn so với cỏc bộ điều khiển PID truyền thống chọn theo phương phỏp Ziegler – Nichols
69
Ch ơng V
thiết kế hệ thống lò xấy gỗ tự động Mô hình lò xấy gỗ tự động trong thực tế
Hình 5.1: Mô hình lò xấy gỗ tự động
Từ mô hình trên và khảo sát thực tế ta nhận thấy một lò xấy đ ợc chia làm 3 phần cơ bản
• Hệ thống điều khiển
• Hệ thống công suất
• Vỏ lò và hệ thống van phun ẩm, cửa thoát ẩm.
Trong ch ơng này của đồ án sẽ đề xuất các ph ơng án thiết kế các phần trên 5.1 Thiết kế hệ thống điều khiển :
Nhiệm vụ của hệ thống điều khiển lò xấy gỗ tự động là thu thập tất cả các thông số của lò xấy nh : Độ ẩm môi tr ờng ( EMC ), nhiệt độ môi tr ờng ( Temperature ), độ ẩm thanh gỗ ( Timber moisture ) từ hệ thống đầu đo cảm ứng .
70
Luận văn cao học – 2009
Các thông số này đ ợc đ a về bộ vi xử lý trung tâm để tính toán tạo ra các tín hiệu điều khiển giúp lò xấy hoạt động theo đúng các chế độ xấy đã cài đặt tr ớc . Ngày nay cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật có rất nhiều bộ điều khiển số với tốc độ xử lý cao có khả năng đáp ứng đ ợc yêu cầu trên . Trong phạm vi bản luận
văn này em xin đề xuất sử dụng họ vi xử lý MSP430 của hãng Texas Intruments làm vi xử lý trung tâm. Trong phần tiếp theo ta sẽ tìm hiểu thêm về họ MSP430.
5.1.1 Tổng quan về MSP 430
MSP430 là loại vi điều khiển tiết kiệm năng lượng 16 bit- RISC với cấu trỳc tiờn tiến và được cài đặt nhiều thiết bị ngoại vi. Trong cấu trỳc của MSP430 cú sử dụng bộ định thời nõng cao và thiết kế đặc trưng , chỳng hỗ trợ cho nhau cao độ để thực hiện chương trỡnh một cỏc hiệu quả và linh hoạt. Cấu trỳc này được gọi là “ Von Neumann” , trong đú tất cả chương trinh, bộ nhớ dữ liệu, và cỏc thiết bị ngoại vi đều sử dụng một cấu trỳc Bus chung. RISC cú nghĩa là “ Reduced instruction set computer” . Chỉ cú 27 lệnh cơ bản , tuy nhiờn thụng qua cụng nghệ kết hợp cỏc lệnh cơ bản mà nú được mở rộng thành 51 lệnh. Cỏc lệnh cơ bản được đưa vào phần cứng , trong khi cỏc lệnh mụ phỏng được hỡnh thành bởi hợp ngữ ( Chương trỡnh mà dịch hợp ngữ và chuyển thành mó mỏy ) .
Các đặc điểm cơ bản của MSP 430 :
8K bytes bộ nhớ ch ơng trình (Flash) với khả năng lập trình trong hệ thống.
Sử dụng nguồn nuôi thấp 3.3V tiết kiệm điện năng tiêu thụ
512 bytes EEPROM, 1K byte SRAM, 32 thanh ghi mục đích dùng chung, 32 đ ờng vào/ra mục đích dùng chung.
Brownreset là chức năng Reset VDK khi nguồn cấp tới hạn thấp Hai Timer 16-bit có thể sử dụng linh hoạt ở các chế độ khác nhau . Hỗ trợ đầy đủ các ngắt trong và ngắt ngoài.
71
Giao diện SCI với một bộ thu/phát (USART) lập trình đ ợc có thể hoạt động ở hai chế độ: đồng bộ và không đồng bộ, nên rất linh hoạt và hữu ích trong nhiều ứng dụng truyền thông.
Giao diện SPI hỗ trợ truyền thông đồng bộ ở khoảng cách gần. Hỗ trợ giao diện hai dây (TWI – Two-wire Interface).
Tích hợp sẵn các bộ chuyển đổi t ơng tự số (ADC-12 bit ) và bộ chuyển đổi Số t ơng tự (DAC)
Tích hợp sẵn tập lệnh điều khiển LCD với 80 lệnh cơ bản
Từ những đặc tính trên cho ta thấy chíp MSP 430 cung cấp cho ta toàn bộ các tài nguyên trên chíp giúp cho ng ời lập trình dễ dàng hơn trong quá trình lập trình mà vẫn đảm bảo hoàn thành nhiệm vụ đề ra.Bên cạnh đó nó còn cung cấp cho ta nhiều giao diện truyền thông có thể lựa chọn linh hoạt phù hợp với những ứng dụng cao về tốc độ xử lý cũng truyền thông với thế giới bên ngoài
Sơ đồ cấu trỳc của MSP430 được biểu diễn như hỡnh vẽ :
Hỡnh 5.2 : Sơ đồ cấu trỳc MSP430 Trong đó :
Khối xử lý trung tõm CPU
72
Luận văn cao học – 2009
Khối xử lý trung tõm của cỏc dũng là tương tự nhau . Theo trờn, nú là CPU 16bit RISC. Nú bao gồm một ALU 16 Bit, 16 thanh ghi và lệnh logic điều khiờn. Cỏc thanh ghi được sắp xếp như hỡnh 1.2a. Cú 4 thanh ghi với chức năng đặc biệt là : Program counter, stack pointer,status register và constant generator. Cỏc thanh ghi cũn lại cú cựng chức năng ghi
ễ nhớ chương trỡnh và ụ nhớ dữ liệu
Sơ đồ bộ nhớ được biểu diễn trờn hỡnh 1.2. Cú tất cả 64KB bộ nhớ địa chỉ trống được chia ra từ 0000H đến 0FFFFH. Cỏc thanh ghi cú chưc năng đặc biệt địa chỉ khối thiết bị ngoại vi được đỏnh giỏ trị từ 0 đến 01FFH . Cỏc địa chỉ ụ nhớ từ 0200H đến 0FFFFH được sủ dụng dể lưu giữ dữ liệu và mó chương trỡnh . Cỏc
ụ nhớ cú địa chỉ từ 0FFE0H đến 0FFFFH được dành cho cỏc vector ngăt