Thông số thu được khi thay đổi thông số K2

Một phần của tài liệu Báo cáo thực tập điều khiển tự động Trần Đức Thiện (Trang 103)

K2 1/300 1/200 1/10 1/50 POT 14.872 0.01 0 0 s s e 0 0 0 0 r T 0.524 0.832 1.891 4.311 s s T 3.22 2.89 7.2 14.3 5.2.3 Nhận xét:

1) Khi K1 thay đổi

Khi K1 tăng hệ thống sẽ có xu hướng - Giảm thời gian lên (tương đối ít). - Độ vọt lố tăng cao.

- Tăng dao động hệ thống, nếu tăng lớn quá có thể làm mất ổn định.

- Thời gian quá độ có giảm tuy nhiên với thơng số trong phần này thời gian để hệ xác lập theo tín hiệu điều khiển rất lâu

1) Khi K2 thay đổi

Khi K1 tăng hệ thống sẽ có xu hướng - Thời gian lên tăng ( tương đối ít) - Độ vọt lố giảm và gần như biến mất

Chương 6. KHẢO SÁT BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CHO HỆ THÍ NGHIỆM ĐỘNG CƠ DC

6.1 MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM

Bài thí nghiệm tập trung vào tìm hiểu ngun lý hoạt động của các thiết bị trong mơ hình thí nghiệm động cơ một chiều; Thiết lập các chương trình điều khiển vịng hở khơng quan sát, có quan sát và hồi tiếp âm; Tìm hiểu chương trình nhúng giải thuật điều khiển PID cho mơ hình động cơ; Khảo sát sự ảnh hưởng của các thông số bộ điều khiển PID lên chất lượng điều khiển của hệ thống.

6.2 YÊU CẦU CHUẨN BỊ 6.2.1 Chuẩn bị cơ sở lý thuyết 6.2.1 Chuẩn bị cơ sở lý thuyết

1) Encoder là gì? Có bao nhiêu loại encoder?

Encoder hay còn gọi là bộ mã hóa, là một bộ cảm biến chuyển động cơ học tạo ra tín hiệu kỹ thuật số đáp ứng với chuyển động. Là một thiết bị cơ điện có khả năng làm biến đổi chuyển động thành tín hiệu số hoặc xung. Encoder là thành phần quan trọng của động cơ, giúp chúng ta đọc được tốc độ và vị trí của động cơ, nhờ các xung vng có tần số thay đổi phụ thuộc vào tốc độ của động cơ.

Gồm 2 loại chính: Encoder tuyệt đối và Encoder tương đối.

2) Chỉ ra sự khác nhau giữa encoder tuyệt đối và tương đối?

Encoder tuyệt đối (adsolute encoder): tín hiệu ta nhận được từ Encoder cho biết chính

xác vị trí của Encoder mà người sử dụng khơng phải xử lý thêm gì cả. Encoder tuyệt đối (adsolute encoder) sử dụng đĩa theo mã nhị phân hoặc mã Gray. Encoder kiểu tuyệt đối thường có kết cấu bao gồm những phần như sau:

- Bộ phát ánh sáng (LED): Một bộ thu ánh sáng nhạy với ánh sáng phát ra (photosensor)

- Đĩa mã hóa (có chứa dải băng mang tín hiệu): Đĩa mã hóa ở encoder được chế tạo từ vật liệu trong suốt đảm bảo, mặt đĩa chia thành các góc đều nhau cùng các đường trịn đồng tâm và bán kính thường giới hạn các góc hình thành bởi các phân tố diện tích.Tập hợp các phân tố diện tích có cùng giới hạn bởi 2 vòng tròn đồng tâm thường được gọi là dải băng.

Encoder tương đối (incremental encoder): loại thiết bị này sẽ phát ra tín hiệu tăng dần

- Đĩa mã hóa bao gồm một dãy băng tạo xung, thường được chia thành nhiều lỗ bằng nhau và được cách đều nhau.

- Chất liệu có thể là trong suốt để giúp ánh sáng chiếu qua.

- Là Encoder chỉ có 1,2 hoặc tối đa 3 vịng lỗ, và thường có thêm một lỗ định vị.

3) Trình bày cách tính góc quay của động cơ từ số xung của encoder.

Thông thường Encoder có 2 tín hiệu xung A và B giúp chúng ta xác định chiều quay của động cơ. Tín hiệu khe Z là tín hiệu chỉ xuất ra khi động cơ quay được một vòng. Để xác định chiều quay của động cơ. Khi đèn LED phát tín hiệu. Hai pha A và B có nhiệm vụ thu tín hiệu. A và B sẽ tạo ra các xung vng bật tắt theo trình tự. Sự chênh lệch tần số xung giữa A và B ta có thể phân biệt được chiều quay của động cơ.

Tốc độ nghĩa là qng đường đi (góc quay,vịng quay) trên thời gian rất ngắn.Vì vậy dùng encoder quy về số xung trên thời gian chẳng hạn như số lượng xung trên 200ms

Quy trình sẽ như sau:

Đọc số lượng xung/200ms rồi reset HSC về 0 rồi lặp lại. Khi đó đơn vị v/n (xung/200ms)

Chuyển sang phút:Nx5x60(xung/phút)

Chuyển sang v/p hay RPM:Nx5x60/1000(vòng/phút)

4) Mạch câu H là gì?

Mạch cầu H là một trong những mạch có cơng suất cơ bản và được ứng dụng rộng rãi. Chúng được ứng dụng để điều khiển động cơ điện DC và động cơ bước 2 cặp cực. Trên thực tế có nhiều loại mạch cầu H khác nhau cho các đối tượng khác nhau. Sự khác nhau phụ thuộc nhiều vào khả năng điều khiển cầu H. Đặc biệt các yếu tố về dịng điện, thơng số áp điều khiển, tần số… đều ảnh hưởng đến việc chọn linh kiện cho cầu H

6.2.2 Chuẩn bị phần thực hành

1) Cài đặt thư viên Arduino Simulink vào phần mềm MATLAB

- Bước 1: Ở thẻ Home trong giao diện Matlab ta chọn vào Add-Ons. Cửa sổ Add-On Explorer sẽ hiện lên.

- Bước 2: Trong phần Search của cửa số Add-On Explorer ta nhập từ khóa “Simulink support package for arduino hardware”. Thơng tin về tool ta cần sẽ hiện ra.

- Bước 3: Nhấn vào tool đó và nhấn Install để cài đặt

Hình 6.2: Thư viện Arduino Simulink đã được cài vào phần mềm MATLAB 2) Thư viện cho module động cơ 2) Thư viện cho module động cơ

- Bước 1: Vào Matlab Simulink để tải Device Driver, nhấn Add-Ons - Bước 2: Add Device Driver

- Bước 3 Giải nén file Drivers Guide vừa tải

- Bước 4: Sau khi giải nén xong, truy cập vào file SYS/encoder_arduino_test.slx - Bước 5: Mở file Encoder_arduino_test bằng Simulink và sử dụng

Hình 6.3: Sơ đồ tổng quan khối điều khiển PID động cơ

Sơ đồ tổng quan động cơ được mơ tả trong Hình 6.3 Chương trình từ máy tính thơng qua khối điều khiển để điều khiển động cơ. Encoder đọc số xung và phản hồi về khối điều khiển để điều chỉnh công suất động cơ phù hợp.

Hình 6.4: Sơ đồ nối dây mơ hình PID động cơ

Trong Hình 6.4 là sơ đồ nối dây của mơ hình động cơ, trong đó sử dụng vi điều khiển trung tâm là Arduino mega 2560. Mega 2560 sẽ điều khiển mạch công suất L298H để điều khiển động cơ sau đó nhận tín hiệu phản hồi về từ encoder. Nguồn tổ ong 12V cấp cho mạch cơng suất L298N

Hình 6.6: Thơng số khối Saturation

Hình 6.7: Thơng số khối Encoder Code Matlab khối L298

function [ENA,INT1,INT2]=L298(u) ENA=abs(u); if u<0 INT1=1;INT2=0; elseif u>0 INT1=0;INT2=1; else INT1=0;INT2=0; end end

Code Matlab khối Calib

function out = cal(int1) % Pulse: 7 xung, 180 hop so out = (int1*2*pi)/2160;

6.3 YÊU CẦU THỰC HIỆN

6.3.1 Xây dựng bộ điều khiển vịng hở

Hình 6.8 trình bày chương trình bộ điều khiển vịng hở trên MATLAB Simulink. Tín hiệu đặt gồm có hai loại tín hiệu là hằng số và sine. Như trình bày ở phần trên, khối MATLAB Function được sử dụng để chuyển tín hiệu đặt có thể âm hoặc dương thành các tín hiệu cung cấp lần lượt cho các khối PWM (7) và Digital Output (36,38). Lưu ý: Thông qua về thực hiện bộ điều khiển vòng hở sẽ giúp cho chúng ta kiểm tra được mạch cơng suất và bđộng cơ hoạt động có tốt hay khơng?

6.3.2 Xây dựng bộ điều khiển hồi tiếp PID

Hình 6.9: Sơ đồ khối bộ điều khiển vịng kín PID

Hình 6.9 trình bày chương trình bộ điều khiển hồi tiếp PID cho động cơ DC. Tín hiệu ngõ đặt là hàm step với biên độ là 200. Tín hiệu đặt được so sánh với tín hiệu ngõ ra của khối encoder sau khi đã được chuyển đổi từ số xung sang độ.

6.3.3 Khảo sát bộ điều khiển PID

 Cơ sở lý thuyết:

1) Cách xác định các thông số POT, Exl, Txl, Tr

Thông số độ vọt lố phần trăm POT (%):

Hình 6.10:Độ vọt lố phần trăm max max (%) xl100% xl C C POT C   (6.1)

Với: Cmax là giá trị cục đại của đáp ứng ngõ ra C(t), Cxl là giá trị xác lập của đáp ứng ngõ ra C(t)

Thời gian quá độ

Thời gian quá độ (Tqđ): là thời gian cần thiết để sai lệch giữa đáp ứng của hệ thống và

giá trị xác lập của nó khơng vượt qua exl, thường chọn exl=2% hoặc 5%

Hình 6.11: Thời gian quá độ

Thông số giá trị sai số Exl

0 ( ) ( ) 1 ( ) ( ) lim ( ) xl s R s E s G s H s E sE s     (6.2)

Với: r( )t là giá trị đặt của hệ thống.

Thông số thời gian Txl (s)

Txl là thời gian tại giá trị bằng 0.98Cxl hay 1.02Cxl

Với Tr2 là thời gian tại giá trị bằng 0.9Cxl, Tr1 là thời gian tại giá trị bằng 0.1Cxl 2) Kết nối Module với máy tính, nạp chương trình vào Arduino.

Chọn Module Configuration Parameters  chọn Slover Fix-step=0.01 Trong mục Hardware Implementation, chọn ArduioMega2560

Trong mục Target hardware resources  Chọn Manually và chọn chân COM để kết nối Module với máy tính.

3) Khảo sát Yêu cầu:

- Vẽ các đáp ứng của ngõ ra động cơ DC ứng với các thông số bộ điều khiển khác nhau.

- Vẽ các đáp ứng của tín hiệu điều khiển ứng với các thơng số bộ điều khiển khác nhau.

- Lập bảng xác định các thông số chất lượng bộ điều khiển ứng với các thông số bộ điều khiển khác nhau.

Hình 6.13: Xây dựng mơ hình khảo sát PID động cơ trên Simulink a) Khảo sát đáp ứng ngõ ra của hệ thống với Ki=0, Kd=0, và thay đổi Kp a) Khảo sát đáp ứng ngõ ra của hệ thống với Ki=0, Kd=0, và thay đổi Kp Tiến hành khảo sát ta thu được các đồ thị sau

Hình 6.16: Đáp ứng bộ điều khiển PID động cơ khi thay đổi Ki Bảng 6-1: Bảng khảo sát đáp ứng ngõ ra của động cơ khi thay đổi Kp Bảng 6-1: Bảng khảo sát đáp ứng ngõ ra của động cơ khi thay đổi Kp

Kp 0.5 1 2 4 5 10

POT (%) 0 0 0 0 0 4

Ess (Deg/s) 60.6 27.5 7 -5.6 -6.3 0

Tr(s) 1.9 1.3 1.14 1.1 1.09 1.03

Txl(s) 2.88 1.88 1.54 1.48 1.43 1.6

Nhận xét: Khi tăng Kp thì sẽ làm giảm sai số xác lập nhưng lại làm tăng độ vọt lố.

Hình 6.19: Đáp ứng bộ điều khiển PID động cơ khi thay đổi Ki Bảng 6-2: Bảng khảo sát đáp ứng ngõ ra của động cơ khi thay đổi Ki Bảng 6-2: Bảng khảo sát đáp ứng ngõ ra của động cơ khi thay đổi Ki

Ki 0.1 0.2 0.5 1 1.5 2

POT (%) 0 9,3 10.85 18.7 26.25 34.4

Ess (Deg/s) 8.5 0,6 0 1.2 0 1.8

Tr(s) 1.122 1.18 1.05 1.051 1.051 1.056

Txl(s) 1.499 40.8 15.6 11.662 2.59 9.34

Nhận xét: Khi tăng Ki thì làm cho hệ thống triệt tiêu sai số xác lập nhưng lại làm tăng độ vọt lố và thời gian xác lập.

Hình 6.22: Đáp ứng bộ điều khiển PID động cơ khi thay đổi Kd Bảng 6-3: Bảng khảo sát đáp ứng ngõ ra của động cơ khi thay đổi Kd Bảng 6-3: Bảng khảo sát đáp ứng ngõ ra của động cơ khi thay đổi Kd

Kd 0.1 0.2 0.5 1 1.5 2

POT (%) 0.0462 0.0466 3.4 0 0 6.85

Ess (Deg/s) -16.5 -14.7 -2.7 0 0 0

Tr(s) 1.364 1.371 1.267 1.676 1.627 1.293

Txl(s) 1.887 1.901 1.749 2.912 4.512 1.828

Nhận xét: Khi tăng KD thì làm cho hệ thống giảm độ vọt lố nhưng lại làm tăng thời.

6.3.4 Thiết kế bộ điều khiển PID

Yêu cầu:

- Vẽ các đáp ứng của ngõ ra động cơ DC. - Vẽ các đáp ứng của tín hiệu điều khiển.

- Xác định các thông số POT, Ess, Tr và Tss trên hình vẽ. a) Trường hợp 1

 POT <5%.

 Ess < 1.

 Tr <1.1.

 Tss<1.4.

Lựa chọn các thông số: Kp=60, Ki=0.2, Kd=0.3 ta thu được các biểu đồ

Hình 6.23: Đáp ứng ngõ ra của hệ thống với Kp=60, Ki=0.2, Kd=0.3

max 208 200 .100% 4% 5% 200 xl xl y y POT y       int 200.4 200 0.4 1 xl setpo xl Eyy     s 102% s xl

Ty hoặc Txl 98%yxl. Ta thấy điểm thấp nhất lọt vào trong đồ thị là

197.598.75%yxl(không phải điểm thời gian xác lập). Vậy điểm còn lại là 204.1 102% yxl

(thõa điểm thời gian xác lập). Vậy thời gian xác lập là 1.2s1.4s

Với yxl 200thì thời gian lên là khoảng thời gian từ (t y20) t t y( 180)

1.08 0.13 0.95( ) 1.1( )

r

Hình 6.24: Sai số của hệ thống với Kp=60, Ki=0.2, Kd=0.3

Hình 6.25: Đáp ứng bộ điều khiển PID với Kp=60, Ki=0.2, Kd=0.3 b) Trường hợp 2 b) Trường hợp 2

 POT = 0%.

 Ess < 0.5.

 Tr < 1.

Lựa chọn các thông số: Kp = 80 , Ki=0.2, Kd=1.1 ta thu được các biểu đồ

Hình 6.26: Đáp ứng ngõ ra của hệ thống với Kp=80, Ki=0.2, Kd=1.1

max 200 200 .100% 0% 200 xl xl y y POT y      int 200 200 0 0.5 xl setpo xl Eyy     s 102% s xl

Ty hoặc Txl 98%yxl. Ta thấy điểm cao nhất lọt vào trong đồ thị là

200 100% yxl(không phải điểm thời gian xác lập). Vậy điểm còn lại là 19698%yxl(thõa điểm thời gian xác lập). Vậy thời gian xác lập là 1.3s2s

Với yxl 200thì thời gian lên là khoảng thời gian từ (t y20) t t y( 180)

1.2 0.2 1( ) 2( )

r

t    ss

Như vậy chất lượng điều khiển đáp ứng tiêu chí ban đầu

Hình 6.28: Đáp ứng bộ điều khiển PID với Kp=80, Ki=0.2, Kd=1.1  Nhận xét:  Nhận xét:

Việc tìm thơng số PID dựa vào các chất lượng cho trước sẽ tốn nhiều thời gian và số lần thử để tìm ra thơng số phù hợp, Vì thế muốn có được thơng số PID mong muốn cần phải tìm hiểu và nắng bắt được xu hướng của hệ khi thay đổi các thông số Kp Ki Kd.

6.4 CÂU HỎI MỞ

Trình bày ảnh hưởng của của các thông số bộ điều khiển PID lên các chất lượng của hệ thống (POT, Ess, Tr, Tss).

- Khâu P: Khi tăng KP thì sẽ làm giảm sai số xác lập nhưng lại làm tăng độ vọt lố. - Khâu I: Khi tăng KI thì làm cho hệ thống triệt tiêu sai số xác lập nhưng lại làm tăng

độ vọt lố và thời gian xác lập.

- Khâu D: Khi tăng KD thì làm cho hệ thống giảm độ vọt lố nhưng lại làm tăng thời gian xác lập

Chương 7. KHẢO SÁT BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHO HỆ THÍ NGHIỆM ĐỘNG CƠ DC

7.1 MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM

Bài thínghiệm tập trung vào tìm hiểu việc thiết kế bộ điều khiển mờ cho đối tượng là mơ hình động cơ một chiều. Khảo sát sự ảnh hưởng của các thông số độ lợi tiền xử lý và hậu xử lý trong bộ điều khiển mờ lên các chỉ tiêu chất lượng điều khiển như độ vọt lố, thời gian lên, sai số xác lập, và thời gian xác lập

7.2 YÊU CẦU CHUẨN BỊ

7.2.1 Thiết kế bộ điều khiển Fuzzy PD cho mơ hình động cơ DC

Mơ hình thí nghiệm bao gồm động cơ DC có tích hợp encoder, mạch cơng suất L298, và board điều khiển Arduino Mega. Chương trình điều khiển được thiết kế trên MATLAB

Simulink. Sau đó chương trình này được nhúng xuống board Arduino Mega thông qua chế độ External mode. Chế độ này cho phép người sử dụng có thể giám sát các thơng số của cảm biến và điều chỉnh các thông số bộ điều khiển theo thời gian thực. Sơ đồ khối của mơ hình thí nghiệm được miêu tả Hình 7.1

Hình 7.2: Sơ đồ bộ điều khiển mờ Xây dựng mơ hình mơ phỏng

Một phần của tài liệu Báo cáo thực tập điều khiển tự động Trần Đức Thiện (Trang 103)

Tải bản đầy đủ (PDF)

(147 trang)