Bài tập lớn môn Điều Khiển Số ĐHHH

BÀI TẬP LỚN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ VÀ ỨNG DỤNG MỤC LỤC Chương 1 Khảo sát mô hình động cơ 14D 3001 2 1 1 Giới thiệu về động cơ 14D – 3001 2 1 2 Xác định mô hình đối tượng trên miền z 5 1 3 Khảo sát đáp ứng đầu ra khi đầu vào của đối tượng là hàm 7 bước nhảy đơn vị 7 Chương 2 Thiết kế bộ điều khiển PID 9 2 1 Thiết kế bộ điều khiển PID liên tục 9 2 2 Xấp xỉ bộ điều khiển PID sang miền thời gian gián đoạn và 11 khảo sát đáp ứng 11 Chương 3 Thực thi bộ điều khiển số 17 3 1 Thực thi bộ điều khiển PID.

MỤC LỤC

Chương 1 Khảo sát mô hình động cơ 14D-3001 2

1.1 Giới thiệu về động cơ 14D – 3001 2

1.2 Xác định mô hình đối tượng trên miền z 5

1.3 Khảo sát đáp ứng đầu ra khi đầu vào của đối tượng là hàm 7

bước nhảy đơn vị 7

Chương 2 Thiết kế bộ điều khiển PID 9

2.1 Thiết kế bộ điều khiển PID liên tục 9

2.2 Xấp xỉ bộ điều khiển PID sang miền thời gian gián đoạn và 11

khảo sát đáp ứng 11

Chương 3 Thực thi bộ điều khiển số 17

3.1 Thực thi bộ điều khiển PID gián đoạn sử dụng cấu trúc trực 17

tiếp kinh điển 17

3.2 Cách thức thực thi bộ điều khiển PID trên vi điều khiển 19

3.3 Thực thi bộ điều khiển PID trên vi điều khiển 20

Ch ương 1 ng 1 Kh o sát mô hình đ ng c 14D-3001 ảo sát mô hình động cơ 14D-3001 ộng cơ 14D-3001 ơng 1

Hình 1.1: Đ ng c RHS 14-6002 trong th c t ộng cơ RHS 14-6002 trong thực tế ơ RHS 14-6002 trong thực tế ực tế ế

* C u t o c a đ ng c servo:ấu tạo của động cơ servo: ạo của động cơ servo: ủa động cơ servo: ộng cơ servo: ơ servo:

Hình 1.2: C u t o đ ng c servo ấu tạo động cơ servo ạo động cơ servo ộng cơ RHS 14-6002 trong thực tế ơ RHS 14-6002 trong thực tế

1, Đ ng c ; 2, B n m ch ; 3, dây dộng cơ servo: ơ servo: ản mạch ; 3, dây dương nguồn ; 4, Dây tín hiệu ạo của động cơ servo: ươ servo:ng ngu n ; 4, Dây tín hi u ồn ; 4, Dây tín hiệu ệu

5, Dây âm ngu n ; 6, Đi n th k 7, Đ u ra (bánh răng) ; 8, C c u ch pồn ; 4, Dây tín hiệu ệu ế kế 7, Đầu ra (bánh răng) ; 8, Cơ cấu chấp ế kế 7, Đầu ra (bánh răng) ; 8, Cơ cấu chấp ầu ra (bánh răng) ; 8, Cơ cấu chấp ơ servo: ấu tạo của động cơ servo: ấu tạo của động cơ servo:

hành ;

9, V ; 10, Chíp đi u khi n ỏ ; 10, Chíp điều khiển ều khiển ển

Đ ng c RH 14D-6002 là đ ng c m t chi u do hãng Harmonic c a Nh tộng cơ servo: ơ servo: ộng cơ servo: ơ servo: ộng cơ servo: ều khiển ủa động cơ servo: ật

s n xu t Đây là đ ng c đản mạch ; 3, dây dương nguồn ; 4, Dây tín hiệu ấu tạo của động cơ servo: ộng cơ servo: ơ servo: ược thiết kế nhỏ gọn, truyền động chính xác,c thi t k nh g n, truy n đ ng chính xác,ế kế 7, Đầu ra (bánh răng) ; 8, Cơ cấu chấp ế kế 7, Đầu ra (bánh răng) ; 8, Cơ cấu chấp ỏ ; 10, Chíp điều khiển ọn, truyền động chính xác, ều khiển ộng cơ servo:momen l n và có g n s n encoder.ớn và có gắn sẵn encoder ắn sẵn encoder ẵn encoder

 Nguyên lý ho t đ ng:ạo của động cơ servo: ộng cơ servo:

 Đ ng c servo động cơ servo: ơ servo: ược thiết kế nhỏ gọn, truyền động chính xác,c thi t k đ quay có gi i h n mà không ph i quay ế kế 7, Đầu ra (bánh răng) ; 8, Cơ cấu chấp ế kế 7, Đầu ra (bánh răng) ; 8, Cơ cấu chấp ển ớn và có gắn sẵn encoder ạo của động cơ servo: ản mạch ; 3, dây dương nguồn ; 4, Dây tín hiệu liên t c nh đ ng c DC hay đ ng c bục như động cơ DC hay động cơ bước ư ộng cơ servo: ơ servo: ộng cơ servo: ơ servo: ướn và có gắn sẵn encoder.c

 Các tham s c b n c a đ ng c đố cơ bản của động cơ được trình bày trong bảng 1.1 ơ servo: ản mạch ; 3, dây dương nguồn ; 4, Dây tín hiệu ủa động cơ servo: ộng cơ servo: ơ servo: ược thiết kế nhỏ gọn, truyền động chính xác,c trình bày trong b ng 1.1ản mạch ; 3, dây dương nguồn ; 4, Dây tín hiệu

 Ki u ch y : Liên t cển ạo của động cơ servo: ục như động cơ DC hay động cơ bước

 Kích thích : Nam châm vĩnh c uửu

 Cách đi n : l p Fệu ớn và có gắn sẵn encoder

 Đi n tr cách đi n : 100M ệu ở cách điện : 100M Ω ệu Ω

 Nhi t đ môi trệu ộng cơ servo: ường : -10 ~ +40ng : -10 ~ +40oC

 Nhi t đ l u tr : -20 ~ +60ệu ộng cơ servo: ư ữ: -20 ~ +60 oC

 Đ m môi trộng cơ servo: ẩm môi trường : 20 ~ 80 % ( không ngưng tụ ) ường : -10 ~ +40ng : 20 ~ 80 % ( không ng ng t )ư ục như động cơ DC hay động cơ bước

 Đ rung : 2.5g (5 ~ 400HZ)ộng cơ servo:

 Shock : 30g (11ms)

 Bôi tr n : D u nh n (SK-1A)ơ servo: ầu ra (bánh răng) ; 8, Cơ cấu chấp ờng : -10 ~ +40

 Đ u ra : M t bíchầu ra (bánh răng) ; 8, Cơ cấu chấp ặt bích

B ng 1.1: Thông s đ ng c RH 14D-3001ản mạch ; 3, dây dương nguồn ; 4, Dây tín hiệu ố cơ bản của động cơ được trình bày trong bảng 1.1 ộng cơ servo: ơ servo:

Thông số cơ bản của động cơ được trình bày trong bảng 1.1 Đ n vơ servo: ị ĐC RH14-3001

Công su t đ u ra (sau h p s )ấu tạo của động cơ servo: ầu ra (bánh răng) ; 8, Cơ cấu chấp ộng cơ servo: ố cơ bản của động cơ được trình bày trong bảng 1.1 W 12.3

T c đ đ nh m c nố cơ bản của động cơ được trình bày trong bảng 1.1 ộng cơ servo: ị ức N rpm 30

Mômen hãm liên t cục như động cơ DC hay động cơ bước In-lb 39

Dòng đ nhỉnh A 2.1

Mômen c c đ i đ u ra Tực đại đầu ra T ạo của động cơ servo: ầu ra (bánh răng) ; 8, Cơ cấu chấp m In-lb 69

T c đ c c đ iố cơ bản của động cơ được trình bày trong bảng 1.1 ộng cơ servo: ực đại đầu ra T ạo của động cơ servo: rpm 50

H ng s mômen (Kằng số mômen (K ố cơ bản của động cơ được trình bày trong bảng 1.1 T) In-lb/A 43

H ng s đi n B.E.M.F ( nhằng số mômen (K ố cơ bản của động cơ được trình bày trong bảng 1.1 ệu ản mạch ; 3, dây dương nguồn ; 4, Dây tín hiệu

hưở cách điện : 100M Ωng c a t c đ đ n sđđ ph nủa động cơ servo: ố cơ bản của động cơ được trình bày trong bảng 1.1 ộng cơ servo: ế kế 7, Đầu ra (bánh răng) ; 8, Cơ cấu chấp ầu ra (bánh răng) ; 8, Cơ cấu chấp

H ng s th i gian c khíằng số mômen (K ố cơ bản của động cơ được trình bày trong bảng 1.1 ờng : -10 ~ +40 ơ servo: ms 8.5

Đ d c đ c tính cộng cơ servo: ố cơ bản của động cơ được trình bày trong bảng 1.1 ặt bích ơ servo: In-lb/rpm 4.6

H s momen nh t ( Bf)ệu ố cơ bản của động cơ được trình bày trong bảng 1.1 ớn và có gắn sẵn encoder In-lb/rpm 0.62

T s truy nỷ số truyền ố cơ bản của động cơ được trình bày trong bảng 1.1 ều khiển 1:R 1:100

T i tr ng hản mạch ; 3, dây dương nguồn ; 4, Dây tín hiệu ọn, truyền động chính xác, ướn và có gắn sẵn encoder.ng tâm lb 55

T i tr ng hản mạch ; 3, dây dương nguồn ; 4, Dây tín hiệu ọn, truyền động chính xác, ướn và có gắn sẵn encoder.ng tr cục như động cơ DC hay động cơ bước lb 44

Công su t đ ng cấu tạo của động cơ servo: ộng cơ servo: ơ servo: W 20

T c đ đ nh m c đ ng cố cơ bản của động cơ được trình bày trong bảng 1.1 ộng cơ servo: ị ức ộng cơ servo: ơ servo: rpm 3000

Đi n tr ph n ngệu ở cách điện : 100M Ω ầu ra (bánh răng) ; 8, Cơ cấu chấp ức Ω 4.7

Đi n c m ph n ngệu ản mạch ; 3, dây dương nguồn ; 4, Dây tín hiệu ầu ra (bánh răng) ; 8, Cơ cấu chấp ức mH 1.6

Dòng kh i đ ngở cách điện : 100M Ω ộng cơ servo: A 0.31

Dòng không t iản mạch ; 3, dây dương nguồn ; 4, Dây tín hiệu A 0.61

 Các phươ servo:ng trình bi n đ i c a đ ng c DC :ế kế 7, Đầu ra (bánh răng) ; 8, Cơ cấu chấp ổi của động cơ DC : ủa động cơ servo: ộng cơ servo: ơ servo:

 Phươ servo:ng trình m ch ph n ng :ạo của động cơ servo: ầu ra (bánh răng) ; 8, Cơ cấu chấp ức

U = R I + L ư ư

i t

Hình 1.3:Mô hình kh o sát đ i t ảo sát đối tượng ối tượng ượng ng

Khai báo trong Mfile:

Gs là hàm truy n đ t c a đ ng c trên mi n s, đ bi n đ i sang mi n giánều khiển ạo của động cơ servo: ủa động cơ servo: ộng cơ servo: ơ servo: ều khiển ển ế kế 7, Đầu ra (bánh răng) ; 8, Cơ cấu chấp ổi của động cơ DC : ều khiển

đo n ta s d ng l nh czd (Gs,Time ,zoh).ạo của động cơ servo: ửu ục như động cơ DC hay động cơ bước ệu

Gz = c2d (Gs , 0.1, ‘zoh’)

K t qu ta đế kế 7, Đầu ra (bánh răng) ; 8, Cơ cấu chấp ản mạch ; 3, dây dương nguồn ; 4, Dây tín hiệu ược thiết kế nhỏ gọn, truyền động chính xác,c:

1.385 z^3 - 1.329 z^2 - 0.002285 z - 4.32e-21

Gz = z^4 - 1.245 z^3 + 0.2728 z^2 - 6.385e-18 z - 1.189e-35

-Kh o sát đáp ng đ u ra khi đ u vào c a đ i t ảo sát mô hình động cơ 14D-3001 ứng đầu ra khi đầu vào của đối tượng là hàm ầu ra khi đầu vào của đối tượng là hàm ầu ra khi đầu vào của đối tượng là hàm ủa đối tượng là hàm ối tượng là hàm ượng là hàm ng là hàm

b ước nhảy đơn vị c nh y đ n v ảo sát mô hình động cơ 14D-3001 ơng 1 ị

Khai báo trong M-file:

Đáp ng đ u ra có d ng:ức ầu ra (bánh răng) ; 8, Cơ cấu chấp ạo của động cơ servo:

Hinh 1.4:Đáp ng đ u ra khi đ u vào là hàm b ứng đầu ra khi đầu vào là hàm bước nhay đơn vị ầu ra khi đầu vào là hàm bước nhay đơn vị ầu ra khi đầu vào là hàm bước nhay đơn vị ước nhay đơn vị c nhay đ n v ơ RHS 14-6002 trong thực tế ị

Ch ương 1 ng 2 Thi t k b đi u khi n PID ết kế bộ điều khiển PID ết kế bộ điều khiển PID ộng cơ 14D-3001 ều khiển PID ển PID

Yêu c u: Thi t k b đi u khi n PID liêHn t c phù h p v i d i tầu ra (bánh răng) ; 8, Cơ cấu chấp ế kế 7, Đầu ra (bánh răng) ; 8, Cơ cấu chấp ế kế 7, Đầu ra (bánh răng) ; 8, Cơ cấu chấp ộng cơ servo: ều khiển ển ục như động cơ DC hay động cơ bước ợc thiết kế nhỏ gọn, truyền động chính xác, ớn và có gắn sẵn encoder ố cơ bản của động cơ được trình bày trong bảng 1.1 ược thiết kế nhỏ gọn, truyền động chính xác,ng saocho th i gian xác l p < 0.5s.ờng : -10 ~ +40 ật

Hình 2.1:Mô hình m ch vòng t c đ s d ng b đi u khi n PID t ạo động cơ servo ối tượng ộng cơ RHS 14-6002 trong thực tế ử dụng bộ điều khiển PID tương tự ụng bộ điều khiển PID tương tự ộng cơ RHS 14-6002 trong thực tế ều khiển PID tương tự ển PID tương tự ươ RHS 14-6002 trong thực tế ng t ực tế

PID turn

Hình 2.2:C a s PID turn ử dụng bộ điều khiển PID tương tự ổ PID turn

Hinh2.3: Tham s c a b đi u khi n khi ch y PID turn ối tượng ủa bộ điều khiển khi chạy PID turn ộng cơ RHS 14-6002 trong thực tế ều khiển PID tương tự ển PID tương tự ạo động cơ servo

Hình 2.4:Đáp ng đ u ra t c đ ứng đầu ra khi đầu vào là hàm bước nhay đơn vị ầu ra khi đầu vào là hàm bước nhay đơn vị ối tượng ộng cơ RHS 14-6002 trong thực tế

Hình 2.5: Đáp ng đ u ra là dòng đi n ứng đầu ra khi đầu vào là hàm bước nhay đơn vị ầu ra khi đầu vào là hàm bước nhay đơn vị ện

 Nh n xét :B đi u khi n PID mà ta ch n cho đáp ng đ u ra có th i gianật ộng cơ servo: ều khiển ển ọn, truyền động chính xác, ức ầu ra (bánh răng) ; 8, Cơ cấu chấp ờng : -10 ~ +40xác l p kho ng 0.2s, đ quá đi u ch nh tật ản mạch ; 3, dây dương nguồn ; 4, Dây tín hiệu ộng cơ servo: ều khiển ỉnh ươ servo:ng đ i nh nh v y đã th a ố cơ bản của động cơ được trình bày trong bảng 1.1 ỏ ; 10, Chíp điều khiển ư ật ỏ ; 10, Chíp điều khiển mãn yêu c u đ t ra là th i gian xác l p < 0.5s.ầu ra (bánh răng) ; 8, Cơ cấu chấp ặt bích ờng : -10 ~ +40 ật

X p x b đi u khi n PID sang mi n th i gian gián đo n và ấp xỉ bộ điều khiển PID sang miền thời gian gián đoạn và ỉ bộ điều khiển PID sang miền thời gian gián đoạn và ộng cơ 14D-3001 ều khiển PID ển PID ều khiển PID ời gian gián đoạn và ạn và

kh o sát đáp ng ảo sát mô hình động cơ 14D-3001 ứng đầu ra khi đầu vào của đối tượng là hàm

 Ta có b đi u khi n PID trên mi n th i gian liên t c:ộng cơ servo: ều khiển ển ều khiển ờng : -10 ~ +40 ục như động cơ DC hay động cơ bước

K R= P = 0.1527: Là h s t lệu ố cơ bản của động cơ được trình bày trong bảng 1.1 ỷ số truyền ệu

T C = K I R= 0.0524:Là h ng s th i gian ch m sauằng số mômen (K ố cơ bản của động cơ được trình bày trong bảng 1.1 ờng : -10 ~ +40 ật

T V= K D R = -0.0111:Là h ng s th i gian vằng số mômen (K ố cơ bản của động cơ được trình bày trong bảng 1.1 ờng : -10 ~ +40 ược thiết kế nhỏ gọn, truyền động chính xác,t trướn và có gắn sẵn encoder.c

 S d ng x p x thành ph n I theo phửu ục như động cơ DC hay động cơ bước ấu tạo của động cơ servo: ỉnh ầu ra (bánh răng) ; 8, Cơ cấu chấp ươ servo:ng pháp hình ch nh t và thành ữ: -20 ~ +60 ật

ph n D b c 1 ta có:ầu ra (bánh răng) ; 8, Cơ cấu chấp ật

i C

T T

2

V R

Thay vào công th c (2.4) ta đức ược thiết kế nhỏ gọn, truyền động chính xác,c hàm truy n b đi u khi n trên mi n r iều khiển ộng cơ servo: ều khiển ển ều khiển ờng : -10 ~ +40

r c:ạo của động cơ servo:

Hình 2.6: Mô hình m ch vòng đi u ch nh t c đ s d ng b đi u khi n PID ạo động cơ servo ều khiển PID tương tự ỉnh tốc độ sử dụng bộ điều khiển PID ối tượng ộng cơ RHS 14-6002 trong thực tế ử dụng bộ điều khiển PID tương tự ụng bộ điều khiển PID tương tự ộng cơ RHS 14-6002 trong thực tế ều khiển PID tương tự ển PID tương tự

sối tượng

Hình 2.7:Đáp ng đ u ra t c đ khi không t i ứng đầu ra khi đầu vào là hàm bước nhay đơn vị ầu ra khi đầu vào là hàm bước nhay đơn vị ối tượng ộng cơ RHS 14-6002 trong thực tế ảo sát đối tượng

Hình 2.8:Đáp ng đ u ra dòng đi n khi đ ng c ch y không t i ứng đầu ra khi đầu vào là hàm bước nhay đơn vị ầu ra khi đầu vào là hàm bước nhay đơn vị ện ộng cơ RHS 14-6002 trong thực tế ơ RHS 14-6002 trong thực tế ạo động cơ servo ảo sát đối tượng

Hình 2.10: Đáp ng đ u ra dòng đi n khi đ ng c ch y v i t i ứng đầu ra khi đầu vào là hàm bước nhay đơn vị ầu ra khi đầu vào là hàm bước nhay đơn vị ện ộng cơ RHS 14-6002 trong thực tế ơ RHS 14-6002 trong thực tế ạo động cơ servo ớc nhay đơn vị ảo sát đối tượng

Nh n xét : nhìn vào đáp ng đ u ra c a h khi ta thi t k x p x b đi uật ức ầu ra (bánh răng) ; 8, Cơ cấu chấp ủa động cơ servo: ệu ế kế 7, Đầu ra (bánh răng) ; 8, Cơ cấu chấp ế kế 7, Đầu ra (bánh răng) ; 8, Cơ cấu chấp ấu tạo của động cơ servo: ỉnh ộng cơ servo: ều khiển khi n PID sang mi n th i gian gián do n thì ta th y đáp ng có nó tển ều khiển ờng : -10 ~ +40 ạo của động cơ servo: ấu tạo của động cơ servo: ức ươ servo:ng

đ i ch t lố cơ bản của động cơ được trình bày trong bảng 1.1 ấu tạo của động cơ servo: ược thiết kế nhỏ gọn, truyền động chính xác,ng và có d ng tạo của động cơ servo: ươ servo:ng đươ servo:ng v i đáp ng đ u ra c a h khi sớn và có gắn sẵn encoder ức ầu ra (bánh răng) ; 8, Cơ cấu chấp ủa động cơ servo: ệu ửu

d ng b đi u khi n PID tục như động cơ DC hay động cơ bước ộng cơ servo: ều khiển ển ươ servo:ng t Đi u này ch ng t vi c tính toán thi tực đại đầu ra T ều khiển ức ỏ ; 10, Chíp điều khiển ệu ế kế 7, Đầu ra (bánh răng) ; 8, Cơ cấu chấp

k b PID gián đo n là tế kế 7, Đầu ra (bánh răng) ; 8, Cơ cấu chấp ộng cơ servo: ạo của động cơ servo: ươ servo:ng đ i chính xác.ố cơ bản của động cơ được trình bày trong bảng 1.1

Ch ương 1 ng 3 Th c thi b đi u khi n s ực thi bộ điều khiển số ộng cơ 14D-3001 ều khiển PID ển PID ối tượng là hàm

Th c thi b đi u khi n PID gián đo n s d ng c u trúc tr c ực thi bộ điều khiển số ộng cơ 14D-3001 ều khiển PID ển PID ạn và ử dụng cấu trúc trực ụng cấu trúc trực ấp xỉ bộ điều khiển PID sang miền thời gian gián đoạn và ực thi bộ điều khiển số

ti p kinh đi n ết kế bộ điều khiển PID ển PID

B đi u khi n PID có hàm truy n đ t d ng:ộng cơ servo: ều khiển ển ều khiển ạo của động cơ servo: ạo của động cơ servo:

D(z) =

1

1 ( )

1

n j

n z

j j

a z U

1

n j z

n z

z

j j

a z R

j j z

U

a z R

E

b z R

T công th c (3.4) và (3.5) ta có s đ kh i th c thi b đi u khi n PID theo& ức ơ servo: ồn ; 4, Dây tín hiệu ố cơ bản của động cơ được trình bày trong bảng 1.1 ực đại đầu ra T ộng cơ servo: ều khiển ển

c u trúc tr c ti p kinh đi n có d ng : ấu tạo của động cơ servo: ực đại đầu ra T ế kế 7, Đầu ra (bánh răng) ; 8, Cơ cấu chấp ển ạo của động cơ servo:

a2 Z

Hình 3.2: S đ c u trúc PID ơ RHS 14-6002 trong thực tế ồ cấu trúc thực thi bộ điều khiển theo cấu trúc trực tiếp kinh ấu tạo động cơ servo

Cách th c th c thi b đi u khi n PID trên vi đi u khi n ứng đầu ra khi đầu vào của đối tượng là hàm ực thi bộ điều khiển số ộng cơ 14D-3001 ều khiển PID ển PID ều khiển PID ển PID

Enter

Read setpoint Read output Calculate error

Calculate output

Update variable

Return from interrupt

Hinh 3.3:Ch ươ RHS 14-6002 trong thực tế ng trình chính Hình 3.4:Trình

Enter

Read reference,sk

Initialize A/

D

Initialize Timer interrupt

Wait for interrupt