(TIỂU LUẬN) điều KHIỂNTỐC độ ĐỘNG cơ sử DỤNG PID số

LỜI TỰAMục đích đề tài là ĐIỀU KHIỂNTỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG PID SỐ, tuy đây là một đề tài khá quen thuộc nhưng điển khác biệt so với những đề tài trước là sử dụng là sử dụng ngôn ngữ lập

LỜI TỰA

Mục đích đề tài là ĐIỀU KHIỂNTỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG PID SỐ,

tuy đây là một đề tài khá quen thuộc nhưng điển khác biệt so với những đề tài trước là

sử dụng là sử dụng ngôn ngữ lập trình là C thông qua chương trình CodevisionAVR

C compiler để lập trình cho vi xử lý ATMega16 nhằm mục đích tối ưu hóa những khả

năng của ATMega16

Đồ án thực hiện đề tài gồm 5

►

►

Phần I: giới thiệu hệ thống điều khiển tốc độ động cơ Phần II : Phần cứng

Phần III : Thiết kế khối hiệu chỉnh PID bằng giải thuật phần

mềm

►

khảo

Xin chân thành cảm ơn cô Nguyễn Thị Phương Hà, người đã gợi

ý và hướng

dẫn tôi thực hiện đề tài này

Dù đã cố gắng rất nhiều nhưng trong quá trình thực hiện không thể tránh có sai

sót, tôi mong được sự góp ý để có thể hoàn thiện tốt hơn

Người thực hiện

Nguyễn Quốc Huy

ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG PID

NH

Ậ N XÉT, Đ ÁNH GIÁ C Ủ A GIÁO VIÊN

…

…

…

………

………

………

… … … ………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

MỤC LỤC

Lời tựa

Nhận xét của giáo

viên

Mục lục

1 2 3 Phần I : Giới thiệu hệ thống điều khiển tốc độ

động cơ

Phần II : Phần cứng

4 5 1

2 3 4 5 6 7

.Cấu trúc tổng quát

.Khối xử lý trung tâm

.Khối hiển thị Khối cảm biến Khối công suất Khối bàn phím Khối cấp nguồn

5 6 8 8 9 10 10 12 17 19

Phần III : Giải thuật mờ thiết kế bộ điều khiển PID

cho động cơ

Phần IV: Phần mềm

Phần V : Tài liệu tham khảo

ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG PID

TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC

Động cơ điện một chiều trong dân dụng thường là các dạng động

cơ hoạt động

với điện áp thấp, dùng với những tải nhỏ Trong công nghiệp, động cơ điện một chiều

được sử dụng ở những nơi yêu cầu moment mở máy lớn hoặc yêu cầu thay đổi tốc độ

trong phạm vi rộng

Một phần quan trọng của động cơ điện một chiều là bộ phận chỉnh lưu, nó có

nhiệm vụ là đổi chiều dòng điện trong cuộn rotor trong khi chuyển động quay của

rotor là liên tục Thông thường bộ phận này là bộ phận gồm có một bộ

cổ góp và một

bộ chổi than tiếp xúc với cổ góp Đây cũng chính là nhược điểm chính của động cơ

điện một chiều: cổ góp làm cho cấu tạo phức tạp, đắt tiền, kém tin cậy

và nguy hiểm

trong môi trường dễ nổ, khi sử dụng phải có nguồn điện một chiều kèm theo hoặc bộ

chỉnh lưu

Hiện nay có một số xu hướng trong điều khiển động cơ Trong một số trường

hợp, vấn đề cần quan tâm chỉ đơn giản là điều khiển tốc độ, gia tốc, mômen hoặc các

thuộc tính khác của động cơ trên cơ sở tín hiệu điều khiển đầu vào là

từ phía con

người, chẳng hạn như qua bảng điều khiển Việc điều khiển bằng tay như vậy thuộc về

phạm trù điều khiển vòng hở Trong một số trường hợp khác, động cơ phải tự động

đưa ra các đáp ứng với các tác động thời gian thực Các đáp ứng đối với các tác động

này được quan sát và các điều chỉnh cần thiết được tự động tạo ra Vì vậy, nó tạo ra

một môi trường điều khiển kín Các điều khiển vòng lặp kín như vậy được gọi là hệ

tùy động servo, hay chỉ đơn giản là servo

Điều khiển servo là một quá trình xử lý tín hiệu liên quan đến điều khiển động

cơ trên cơ sở động học của các tín hiệu vào như vị trí, tốc độ hay

mômen Trong quá

khứ người ta sử dụng các mạch tương tự để thực hiện điều khiển servo, nhưng khả

năng thích nghi của các bộ vi xử lý tín hiệu số (DSP) đã tạo ra một công nghệ cho sự

lựa chọn trong nhiều ứng dụng Khi dải thông cho điều khiển tốc độ và mômen đơn

giản là hẹp một cách tương đối nếu so sánh với mã hóa tiếng nói, MCUs thường đủ

nhanh các việc xử lý DSP nhỏ nhặt Trong một số trường hợp, mặc dù chúng phải dựa

vào các bảng tra (look-up tables) để cho các kết quả xấp xỉ, nhưng MCUs không có

tốc độ để thực hiện những thuật toán điều khiển nâng cao được cần

PHẦN II : PHẦN CỨNG

1.CẤU TRÚC TỔNG QUÁT :

Board điều khiển được thiết kế nhằm mục đích diều khiển động

cơ có công suất

ATMega16

●Khối hiển thị : sử dụng LCD 16x2 giao tiếp với PORTA của

vi xử

lý

●Khối cảm biến : Encoder nối trực tiếp vào trục Motor để xác định

tốc độ

Khối công suất : có khả năng điều khiển Motor dùng nguồn DC

4V

● 2

●Khối bàn phím : gồm 4 phím nhấn và 4 công tắc on-of dùng để

điều khiển và thiết lập các thông số cho bộ điều khiển tốc

độ Chức năng của từng phím được thiết lập bằng phần mềm

●Khối cấp nguồn : nguồn chính cung cấp điền áp 5V,12V,

và 24V

dùng để cung cấp cho mạch điều khiển và mạch công suất

Sơ đồ mô tả

mạch :

Khối hiển thị LCD

Khối cấp

Xử lý trung tâm

Khối công

:

2.KHỐI XỬ LÍ TRUNG TÂM :

ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG PID

Đóng vai trò bộ điều khiển trung tâm, chịu trách nhiệm về tất cả các họat động

của mạch Board mạch chủ với bộ xử lí trung tâm là ATMega16 cung cấp mộ công cụ

có thể thực hiện điều khiển theo bất kì phương pháp nào, chỉ cần có giải thuật và

chuyển đổi thành chương trình nạp vào bộ nhớ của ATMega16

Vi điều khiển ATMega16 được chọn vì MCU này có những ưu điểm trong việc

điều khiển động cơ, cụ thể là bộ 2 timer 8 bit và 1 timer 16 bit tất cả đều có bộ chia tần

và PWM (Pulse Width Modulation)

Tổng quan về ATMega16:

ATMega16 là một vi điều khiển 8 bit do hãng ATMEL sản xuất, được chế tạo

theo công nghệ low-power CMOS, khả năng tiêu thụ công suất thấp,

xử lý nhanh với

16KB Flash(In-System Self-Programmable Flash) Thiết bị này được chế tạo bằng

cách sử dụng kĩ thuật bộ nhớ không bốc hơi mật độ cao của ATMEL Flash In-System

cho phép bộ nhớ được lập trình bởi một lập trình viên bình thường Bằng cách kết nối

một CPU 8 bit với một bộ nhớ Flash 16KB trên một chip đơn,

ATMega16 là một

MCU mạnh, cung cấp một bộ điều khiển với sự linh động cao và giá thành cạnh tranh

đối với nhiều ứng dụng dùnh MCU 8 bit

Sơ đồ chân và các đặc điểm chủ yếu củ

●

●

●

●

●

●

●

●

16KB Flash Rom có khả năng ghi/xóa 10.000 lần

In-System Programming sử dụng On-chip Boot Program

2 timer 8bit và 1 timer 16bit tất cả đều có bộ chia tần

4 kênh PWM (Pulse Width Modulation)

8 kênh biến đổi ADC 10bit

6 chế độ tiết kiệm nguồn

21 nguồn ngắt cho phép lập trình linh hoạt

32 đường I/O lập trình được (4 Port)

Tần số hoạt động từ : 0 Hz đến 16MHz

Mô tả sơ đồ mạch

:

ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG PID

Vi điều khiển ATMega16 sử dụng thạch anh định tần 4Mhz,

lệnh sẽ chiếm thời

đó có nguồn Power-on reset và External reset dùng

nút nhấn SW1

3.KHỐI HIỂN THỊ :

Sử dụng LCD 16x2 giao tiếp với vi xử lý qua PORTA và gaio tiếp

ở chế độ 4

bit vì vậy chỉ sử dụng 7 chân I/O của vi xử lý nhưng vẫn có khả năng hiển thị tốc độ

động cơ cũng như các thông số khác liên quan đến việc điều chỉnh hay cài đặt ban đầu

cho bộ điều khiển

4.KHỐI CẢM BIẾN :

Sử dụng 1 Encoder loại Incremental encoder 100 xung trên một vòng gắn trực

tiếp vào trục động cơ, tín hiệu ngỏ ra của encoder là dạng xung vuông

mà ứng với mỗi

lần động cơ quay đủ một còng thì số xung xuất ra là 100 Ngỏ ra của encoder sẽ được

nối vào chân INT0 của MCU ATMega16

5.KHỐI CÔNG SUẤT :

Dùng OPTO(PC817)-MOSFET(IRF540) để đảm bảo hai yêu cầu là cách ly về

điện và đáp ứng tần số cao trong đóng ngắt

Sử dụng cặp Transistor bù D468 và B562 là mạch điều khiển điện áp ở chân G

của MOSFET đảm bảo ép MOSFET có thể đóng ngắt đúng như tín hiệu điều khiển

Nguồn cấp cho mạch công suất là 12VDC nhưng nguồn cấp cho động

cơ là 24VDC

OPTO được nối vào chân OC0(PB3) của ATMega16, OC0 là chân

chuyên dụng của

ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG PID

6.KHỐI BÀN PHÍM :

Gồm 4 phím nhấn và 4 switch được kết nối trực tiếp vào PORTC như hình vẽ :

Các nút nhấn và switch được sử dụng để cài đặt các thông số cần thiết cho bộ

điều khiển tốc độ động cơ, đồng thờ cũng được dùng để ra lệnh hiển thị trạng thái của

các thông số PID thay đổi khi thực hiện điều khiển

7.KHỐI CẤP NGUỒN :

Khối cấp nguồn cung cấp nguồn DC 5V cho mạch điều khiển và 12V, 24V cho

mạch công suất Khối cấp nguồn sử dụng 3 loại IC ổn áp là LM7824, LM7812, và

LM7805 cùng với Transistor kéo dòng là Q2SA1302

KHOI NGUON

J9 1 OUT_24

24V

J8 OUT_12

D9

12V D1

BRIDGE

D1N4007

0

C10

4.7-2W

C9

2200uF/35V

C12 0.1uF

0 D8

D1N4007 D1N4007D12 0 8200uF/50V C8

560

Q1

Q2SA1015

2.2K

0

2.2K LED

LED LED

0

0

BỘ HIỆU CHỈNH PID CHO ĐỘNG CƠ

Sơ lượt về bộ PID mờ

:Có thể nói trong lĩnh vực điều khiển, bộ PID được xem như một giải pháp đa

năng cho các ứng dụng điều khiển Analog cũng như Digital Theo một nghiên cứu cho

thấy có khoảng hơn 90% các bộ điều khiển được sử dụng hiện nay

là bộ điều khiển

PID Bộ điều khiển PID được thiết kế tốt có khả năng điều khiển hệ thống với chất

lượng quá độ tốt (đáp ứng nhanh, độ vọt lố thấp) và triệt tiêu được sai

số xác lập

Việc thiết kế bộ PID kinh điển thường dựa trên phương pháp Zeigler-Nichols,

Ofererin, reinish… Tuy nhiên nếu đối tượng điều khiển là phi tuyến thì

bộ điều khiển

PID kinh điển không thẻ đảm bảo chất lượng điều khiển tại mọi thời điểm làm việc

Do đó để điều khiển các đối tượng phi tuyến này nay người ta

thướng ùng kĩ thuật

hiệu chỉnh PID mềm (dựa trên phần mềm), đây chính là cơ sở cuủa thiết kế PID mờ

hay PID thích nghi

Sơ đồ điều khiển dùng PID

mờ :

BỘ CHỈNH ĐỊNH MỜ

de dt

THIẾT BỊ CHỈNH ĐỊNH

Mô hình tính toán của bộ

PID :

∫

u(t) = K e(t) + K e(x)dx

t

1 1 de(t)

∫

u(t) = K P [e(t) +

e(x)dx +

]

T I 0 T D dt

K

I s

G PID (s) = K + + KP D s

I

T D

K I =α p α =

K D

ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG PID

dựa tr7en sai lệch e(t) và đạo hàm de(t) Có nhiều phương pháp khác nhau để hcỉnh

định bộ PID như à dựa trên phiếm hàm mục tiêu, chỉnh định trực tiếp, chỉnh định theo

, K , K theo

P I D

Zeigler-Nichols, sau đó dựa vào đáp ứng và thay đổi dần để tim ra hướng chỉnh định

:

lên, do vậy chọn

●

●

a và b

1

Khi giá trị tuyệt đối của sai lệch lớn ta cần có tín hiệu điều khiển mạnh để đưa

nhanh sai lệch về 0 Dựa theo nguyên tắc này ta có ma trện

quan hệ chỉnh định

K , K ,α đều có dạng gần đối xứng qua đường chéo chính hoặc

trục phụ

P I

Các buớc thiết kế :

.Xác định biến ngôn

ngữ :

Đầu vào : 2 biến

1

●

+Sai lệch : ET = Đo –

ET(i)

=

với T là chu kí lấy mẫu

T

●Dầu ra : 3

biến+

+ +

phân

K , K , K

∈[0,1]P D I

●Số lượng biến ngôn

ngữ :

ET =

{âm,zero,dương};

DET =

{âm,zero,dương};

3}={L1,l2,l3};

●ET ∈[−10,+10], DET

∈[−10,+10]

μ

ET

0 C

μ

DET

μ

1

ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG PID

μ

2

:

N U M Z

Z M Z

P Z M U

Z

:

DET

N Z M U

Z M U

P U M Z

Z

:

α

Z P

L1 L2 L3

L1 L3 L1

L3 L2 L1 3.Chọn luật và giải

mờ :

+Chọn luật hợp thành theo quy tắc

Max-Min

+Giải mờ theo phương pháp

độ cao

Mô hình bộ điều khiển PID sử dụng giải thuật phần

mềm :

du

Bộ điều

Bộ mờ 2

Bộ mờ 3

K

D

de(t)

dt

α

Nhận xét : sau khi tiến hành thực nghiệm với hệ thống thực thì ta thấy thuật

toán mờ tính toán các thông số PID cho kết quả khá tốt, khi áp dụng cho bộ điều khiển

PI thì độ vọt lố tối đa là 15% và thời gian xác lập tốc đa là 1.5s Vì bộ nhớ và khả năng

tính toán của vi điều khiển ATMEga16 còn hạn chế nên luật hợp thành

mờ chỉ có 3x3

và tầm điều khiển là: ET[-10;+10], DET[-10;+10]; nếu ta tăng luật hợp thành mờ lên

5x5 hoăc 7x7 thì tầm điều khiển sẽ được mở rộng và chất lượng hệ thống sẽ tăng lên

ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG PID

PHẦN IV : PHẦN MỀM

Lưu đồ giải thuật :

STAR

OCR0 = 180 toc_do_dat = 160

delay 1s

F SW1= = 1

T toc_do_do = pulse_new – pulse_old

ET_old = ET_new ET_new = toc_do_do – toc_do_dat

DET = ET_new – ET_old

T

ET = = 0 F

Mờ hóa ET, DET

Tính K , K ,αP D

Tính K I

Điều xung

thích :

Chương trình cho vi điều khiển ATMega16 được viết bằng ngôn ngữ C sau đó

độ động cơ,

trong đó timer0 được thiết lập ở mode Phase Correct PWM và giá trị thanh ghi

OCR0 sẽ được cập nhật để điều chỉnh tốc độ động cơ Xung ngỏ ra OC0 sẽ có tần số

được tính theo công thức :

chương trình

ngắt, trong đó timer0 được thiết lập ở mode CTC(Clear Time on

Compare match) và

ngắt Output compare A match đuợc thực thi mỗi khi giá trị của thanh ghi TCNT1 bằng

giá trị thanh ghi OCR1A Ta sẽ thiết lập sao cho thời gian ngắt là 10ms,

cứ sau mỗi

10ms chương trình ngắt sẽ thực thi và tính toán ET và DET Tần số ngắt có thể tính

theo công

thức :

ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG PID

+Sử dụng ngắt INT0(external interupt) để nhận tín hiệu từ

encoder trả về sau

đó tăng dần biến đếm pulse, cứ sau mỗi 10ms chương trình ngắt

timer1 sẽ truy cập vào

quay trởi lại và

chờ kết thúc 10ms rồi tiếp tục xác định lại tốc độ động cơ.Nếu ET khác

0 thì ta sẽ thực

gọi hàm mờ

+

Sau đó ta sẽ thực hiện tính toán giá trị điện áp U ngỏ ra thông qua giải thuật

bộ điều khiển PI cập nhật vào thanh ghi OCR0 của timer0 và từ đó

sẽ quyết định độ

một cách khá

dễ dàng và cho kết quả khá tốt, tuy bộ điều khiển PID sẽ cho kết quả tốt hơn nhưng do

khả năng của Vi xử lí ATMega16 bị hạn chế trong khi đó giải thuật thực hiện bộ PID

số khá phức tạp đò hỏi phải có bộ nhớ lập trình lớn và khả năng xử lý mạnh vì vậy nên

tôi lựa chọn bộ diều khiển PI vì giải thuật lập trình không quá phức tạp phù hợp với

ATMega16.Tuy bộ điều khiển PI cho độ vọt lố khoảng 15% khi sai số ET lớn và thời

gian xác lập khá lớn nhưng vẫn đảm bảo yêu cầu chất lượng và ổn định của hệ thống

[1] Nguyễn Thị Phương Hà, Lý thuyết điều khiển hiện đại, Nhà xuất bản Đại

Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh, 2007

2] Hugh Jack, Automating Munufacturing Systems, GNU Free Documentation

License, 2007

[

[3] Karl Johan Astrom and Bjorn Wittenmark, Adaptive

Control,

Addision-Wesley Publishing Company,

1989[4] Frank L.Lewis and Vassilis L.Syrmos, Optimal Control, Jonh

Wiley &

Sons,Inc ,

1995[5] Tống Văn On, Thíết kế hệ thống với họ 8051, Nhà xuất bản

Phương Đông,

2005

[6] J.Harris, Fuzzy Logic Applications in Engineering Science, Published by

Springer,

2006[7] Michael A.Johnson and Mohammad H.Moradi, PID Control,

Springer, 2005