Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất

Thông số Kp Ti Ti

P T2/(kT1) - -

PI 0.9T2/(kT1) T1/0,3 -

PID 1.2 T2/(kT1) 2T1 0.5T1

Dựa vào Bảng 4-7 ta thành lập được hệ số PID như sau:

2 1 1 1 4 100 1.2 1.2 0.024 250 20 2 2 20 40 0.5 0.5 20 10 1 1 ( ) (1 ) 0.024 6 10 40 0.024 10 0.24 p i d C P I D P D I p I I D p D T K kT T T T T G s K K K s K T s s T s K K T K K T                               (4.21)

Hình 4.30: Đáp ứng nhiệt độ với bộ điều khiển PID được thiết kế theo hàm truyền được mơ tả bởi một khâu qn tính và một khâu trễ

 Hàm truyền lò nhiệt bởi hai khâu qn tính. Lị nhiệt có hàm truyền như sau

1 2 ( ) (1 )(1 ) 250 ( ) (1 100s)(1 20s) K G s T s T s G s       (4.22) Mô tả hệ thống:

Hình 4.31: Hệ thống với hai khâu qn tính

Hình 4.32: Đáp ứng ngõ ra của hệ thống với hai khâu quán tính

Dựa vào thơng số PID được tính theo phương pháp Ziegler-Nichols ở cơng thức (4.21) ta có đáp ứng hệ thống như sau

Hình 4.34: Đáp ứng nhiệt độ với bộ điều khiển PID được thiết kế theo hàm truyền được mơ tả bởi hai khâu qn tính

Đánh giá chất lượng của hệ thống:

 Hệ thống có một khâu qn tính và một khâu trễ:

- Hệ thống vẫn hoạt động ổn định nhưng có thời gian trễ T1. Đáp ứng ngõ ra của hệ thống có thời gian trễ khoảng 20s là do ban đầu khi cung cấp nhiệt độ thì nhiệt độ tăng dần theo đường cong ở đáp ứng hệ thống nên xấp xỉ gần đúng là một đường thẳng.

 Hệ thống có hai khâu qn tính:

- Hệ thống hoạt động ổn định và đáp ứng ngõ ra gần giống với thực tế hơn so với hệ thống có một khâu qn tính và một khâu trễ.

Chương 5. THỰC HIỆN MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ KHIỂN MỜ

5.1 MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM

Dùng simulink để mô phỏng bộ điều khiển mờ điều khiển nhiệt độ của phòng bằng cách thay đổi vận tốc quạt.

5.2 YÊU CẦU THỰC HIỆN

5.2.1 Xây dựng chương trình mơ phỏng bộ điều khiển mờ điều khiển nhiệt độ trên Simulink Simulink

Bước 1: Trên giao việc làm việc Commad windows ta gõ từ khoá “Fuzzy” lúc này cửa sổ xây dựng bộ điều khiển hiện ra

Hình 5.1: Giao điện làm việc của chương trình mơ phỏng điều khiển mờ

Hình 5.2: Chọn số lượng ngõ vào và quy tắc mờ

Để điều khiển tự động máy điều hòa nhiệt độ bằng kỹ thuật logic mờ, người ta dùng hai cảm biến: Trong phòng là cảm biến nhiệt Ti, bên ngoài là cảm biến nhiệt To. Việc điều hịa nhiệt độ thơng qua điều khiển tốc độ quạt làm lạnh máy điều hòa.

Nhập các thơng số đề bài đã cho ta có Tầm nhiệt độ quan tâm là 00 oC50oC

Chọn các biến ngơn ngữ: Ti, To: {Rất lạnh, Lạnh, Vừa, Nóng, Rất nóng} tương ứng với các nhiệt độ{15,20,25,30,35}

Ti ,To:{Lạnh, Vừa, Nóng) tương ứng với {20, 25, 300C) Tốc độ quạt là v[600 vòng/phút]

V: {Zero, Chậm, Trung bình, Nhanh, Max) tương ứng với {0, 150, 300, 450, 600 vịng/phút}

Hình 5.3: Chọn các biến ngơn ngữ: Ti {Rất lạnh, Lạnh, Vừa, Nóng, Rất nóng} tương ứng với các nhiệt độ{15,20,25,30,35}

Hình 5.5: Chọn ngõ ra các biến giá trị Zero, Chậm, Trung bình, Nhanh, Max tương ứng với {0, 150, 300, 450, 600 vịng/phút}

Ta có bảng quy luật mờ theo kinh nghiệm được biểu diễn trong bảng Bảng 5-1: Bảng quy luất mờ được xây dựn trên kinh nghiệm To

Ti Rất lạnh Lạnh Vừa Nóng Rất nóng

Rất lạnh Zero Zero Zero Chậm TB

Lạnh Zero Chậm Chậm TB Nhanh

Vừa Zero Chậm TB Nhanh Max

Nóng Chậm TB Nhanh Nhanh Max

Hình 5.8: Xây dựng mơ phỏng bộ điều khiển mờ điều khiển tốc độ quạt điều hoà nhiệt độ Kết quả thu được ở nhiệt độ Ti=27 và To=35 ta tìm được giá trị tốc độ quạt là 510 vịng/ phút.

5.2.2 Xây dựng chương trình mơ phỏng bộ điều khiển mờ điều khiển vị trí động cơ trên Simulink cơ trên Simulink

Hàm truyền của DC motor với ngõ vào là điện áp và ngõ ra là vị trí khi khơng có tải

    3 2 ( ) ( ) T a a m a m a m a m b T K s V s L H s R J L B s R B K K s       (5.1)

Khi sử dụng động cơ 3.7kW, 240V, 1750 rpm, thông số của động cơ sẽ là như sau:

11.4( ) a R   ,La 0.1214(H),  2 0.02215 m J  kgm ,Bm 0.002953Nm rad/ ,   1.28 / T K  Nm A ,Kb 0.0045Vs rad/ 

Tiến hành xây dựng file trên phần mềm

Hình 5.9: Xây dựng file điều khiển vị trí động cơ trên Simulink Hàm mờ ngõ vào và ra đã chuẩn hóa từ -1 tới 1

Hình 5.12: Các tập mờ ngõ ra của bộ điều khiển mờ Phương pháp mờ hóa và suy diễn mờ là Max-min.

Phương pháp giải mờ là: phương pháp tính tốn trọng tâm. Các luật mờ được tóm tắt như sau:

Bảng 5-2: Bảng thành lập các quy luật mờ U(t) DE(t) U(t) DE(t) NB NS Z PS PB E(t) NB NB NB NS NS Z NS NB NS NS Z PS Z NS NS Z PS PS PS NS Z PS PS PB PB Z PS PS PB PB

Hình 5.13: Bảng xem trước giá trị tìm được với hệ thống mờ điều khiển vị trí động cơ

a) Chọn K3=240, K2=0. Thay đổi thông số K1 khảo sát độ vọt lố, sai số xác lập, thời gian lên, thời gian xác lập.

Hình 5.14: Xây dựng bộ điều khiển mờ vị trí động cơ với K3=240, K2=0 Với K1 là các giá trị thay đổi gồm {1/500;1/300;1/200;1/100} ta xây dựng như sau Với K1 là các giá trị thay đổi gồm {1/500;1/300;1/200;1/100} ta xây dựng như sau Code Matlab

%% Ve Do Thi figure();

hold on; plot(vitri.time,vitri.signals.values); hold on; xlabel('Time(s)'); ylabel('Speed(rpm)'); grid on;

Hình 5.15 Đáp ứng ngõ ra (0<t<30) K2 = 0, K3 = 240, K1 thay đổi

Bảng 5-3: Thông số thu được khi thay đổi thông số K1 K1 1/500 1/300 1/200 1/100 K1 1/500 1/300 1/200 1/100 POT 87 92 93 94.2 s s e 0 0 0 0 r T 0.693 0.562 0.414 0.391 s s T 100 120 180 >200

b) Chọn K3=240, K1=1/100. Thay đổi thông số K1 khảo sát độ vọt lố, sai số xác lập, thời gian lên, thời gian xác lập.

Hình 5.17: Xây dựng bộ điều khiển mờ vị trí động cơ với K3=240, K1=1/100 Với K1 là các giá trị thay đổi gồm {1/300;1/200;1/100;1/150} ta xây dựng như sau: Với K1 là các giá trị thay đổi gồm {1/300;1/200;1/100;1/150} ta xây dựng như sau: Code Matlab

%% Programmed by Phan Minh Dien %% Khoi dong clc; close all; %% Ve Do Thi figure(); plot(k21.time,k21.signals.values); hold on; plot(k22.time,k22.signals.values); hold on; plot(k23.time,k23.signals.values); hold on; plot(k24.time,k24.signals.values); hold on; plot(vitri.time,vitri.signals.values);

Hình 5.18: Đáp ứng ngõ ra (0<t<30) K1 = 1/100, K3 = 240, K2 thay đổi

Bảng 5-4: Thông số thu được khi thay đổi thông số K2 K2 1/300 1/200 1/10 1/50 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 cịn 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 dòng điện, thông 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”. Thông 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: Thơng qua về thực hiện bộ điều khiển vịng 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