HƯỚNG dẫn THÍ NGHIỆM điều KHIỂN THÍCH NGHI tốc độ ĐỘNG cơ DC

HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG HƯỚNG DẪN THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC Thực hiện: Bộ môn Điều khiển Tự động Trườn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

HƯỚNG DẪN

THÍ NGHIỆM

ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC

Thực hiện: Bộ môn Điều khiển Tự động

Trường đại học: Bách khoa TP HCM

TP HCM, tháng 2, 2008

Dạng tài liệu Hướng dẫn thí nghiệm

Tiêu đề ĐIỀU KHIỂN THÍCH

NGHI TỐC ĐỘ ĐỘNG

CƠ DC

Ngày Trang Hình vẽ Bảng

18.02.2008 12

6 9

Coding VerdanaUnicode

Khoa Điện – Điện tử

Bộ môn Điều khiển Tự động

Hướng dẫn

Thực hiện

Cố vấn

Giảng dạy

Trương Đình Châu Nguyễn Đức Hoàng Bùi Thanh Huyền

Lê Quang Thuần Nguyễn Đức Hoàng

MỤC LỤC

3 CẤU TRÚC KẾT NỐI CÁC THÀNH PHẦN CỦA BÀI THÍ NGHIỆM 6

1 MỤC ĐÍCH

Bài thí nghiệm giúp sinh viên làm quen với điều khiển tốc độ động cơ DC, sử dụng các

bộ điều khiển PI, PID thường và PID thích nghi Trên cơ sở các kết quả nhận được ở trạng thái quá độ và xác lập, sinh viên nhận ra các ưu điểm của bộ điều khiển PID thích nghi so với bộ điều khiển PI và PID thường

Ngoài ra, bài thí nghiệm còn giúp sinh viên biết cách viết chương trình thực hiện thuật toán điều khiển và giao diện dùng công cụ lập trình Microsoft Visual C++ 6.0 trên cơ cở hệ thống máy tính, card PCI 1711 và đối tượng động cơ

2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 ĐIỀU KHIỂN PID THƯỜNG

2.1.1 SƠ ĐỒ ĐIỀU KHIỂN

Sơ đồ điều khiển được thể hiện qua hình 1

Động cơ DC

Bộ điều khiển PID

Hình 1

2.1.2 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC

Bộ điều khiển PID rời rạc có hàm truyền như sau:

1 1

( ) ( )

( ) 1

U z

G z

−

+ +

= =

−

Trong đó:

Tham khảo thêm phần lý thuyết ở bài thí nghiệm lò nhiệt để hiểu hơn về bộ điều khiển PID

2.2 ĐIỀU KHIỂN PID THÍCH NGHI

2.2.1 SƠ ĐỒ ĐIỀU KHIỂN

Sơ đồ điều khiển được thể hiện ở hình 2

Động cơ DC

PID Thích nghi

e1(k)

e2(k)

Hình 2

2.2.2 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC

Các kết quả thí nghiệm cho thấy, bộ điều khiển PID thích nghi cho chất lượng tốt hơn so với bộ điều khiển PID truyền thống ở những điều kiện hoạt động khác nhau

Các ngỏ vào bộ điều khiển PID thích nghi là e1(k), e2(k) và ngỏ ra là u(k) Ta nhận thấy, ngỏ vào bộ điều khiển PID thích nghi phụ thuộc vào e1(k) và e2(k) trong khi ở bộ điều khiển PID truyền thống thì ngỏ ra chỉ phụ thuộc vào e1(k) Ngỏ ra e2(k) có thể được tìm như sau:

2( ) ( ) ( )

Lấy biến đổi Z hai vế ta được:

2( ) ( ) ( )

2( ) ( ) 1 * ( )1

1

z

−

+ +

= −

−

Hàm mục tiêu toàn phương được tạo ra dựa vào cực tiểu E2(z) theo các tham số điều khiển:

2

1 ( , , )

2

2

1

z

−

Lấy đạo hàm riêng bậc nhất theo các tham số điều khiển:

2

0

2

1

2

2

J

 + + 

∂  −   −  − 

∂ = −   +   

∂  −   −  − 

∂ = −   +   

∂  −   −  − 

Sử dụng xấp xỉ bậc nhất, gradient âm là tích của tốc độ đặt (W) và sai số tốc độ (E1) Thông thường sử dụng E1 và E2 cho kết quả hội tụ tốt hơn Do đó, phương pháp gradient chỉnh sửa được sử dụng để cập nhật các tham số PID

2 1 ( 1) ( ) ( ) ( )

Trong đó: n = 0, 1, 2

β : kích thước bước (tốc độ thích nghi)

an(k+1) : các hệ số điều khiển tại thời điểm k+1

an(k) : các hệ số điều khiển tại thời điểm k

e2(k) : ngỏ vào tại thời điểm k [w(k)-u(k)]

e1(k-n): sai số tại thời điểm k

Để làm nổi bật chất lượng bộ PID thích nghi ở trạng thái quá độ và xác lập, các bộ điều khiển PI và PID thường cũng được thực thi Công thức sau đây được sử dụng để tìm RMSE (Root Mean Square Error) :

1 ( ) ( )

N k

RMSE

N

=

−

= ∑

Trong đó:

RMSE : căn trung bình bình phương sai số tốc độ (trị hiệu dụng)

w(k) : tốc độ đặt (vòng/phút)

y(k) : tốc độ thực (vòng/phút)

3 CẤU TRÚC KẾT NỐI CÁC THÀNH PHẦN CỦA BÀI THÍ NGHIỆM

Sơ đồ cấu trúc kết nối các thành phần của bài thí nghiệm như hình 3, gồm các thành phần sau:

• Máy tính: có nhiệm vụ thu thập, hiển thị và điều khiển thích nghi động cơ trong thời gian thực

• Card PCI-1711: giao tiếp giữa máy tính và đối tượng vật lý, có nhiệm vụ đọc tín hiệu xung rồi truyền về máy tính và xuất tín hiệu điều khiển ra bên ngoài

• Ngoài ra giữa card PCI-1711 và động cơ DC có hai mạch giao tiếp: mạch ‘khuếch đại’ biến đổi điện áp điều khiển DC từ 0 ÷ 5V sang điện áp DC -24 ÷ +24V để cấp cho động cơ, mạch ‘Encoder-Counter’ xử lý tín hiệu xung đọc về từ động cơ (đếm xung từ encoder)

PC, Windows XP

PCI-1711

Thu thập, hiển thị và điều khiển thích nghi động

cơ trong thời gian thực

Khuyếch đại

Động cơ DC

AO

DI

Điều khiển (Voltage)

Số xung

Hình 3

4 THÍ NGHIỆM

Sinh viên tạo giao diện điều khiển PID thích nghi có dạng như hình 4

Hình 4

Khi nhấn nút ‘Setting’ thì một hộp thoại xuất hiện để nhập các giá trị A0, A1, A2, kích thước bước β, thời gian lấy mẫu và tốc độ đặt Các giá trị mặc định được chọn như trên hình 5

Hình 5

Khi nhấn nút ‘Result’ một hộp thoại xuất hiện hiển thị các kết quả: độ vọt lố, thời gian xác lập, thời gian lên, sai số xác lập và giá trị RMSE (hình 6)

Hình 6

Khi nhấn nút ‘Run’ thì điều khiển tốc độ động cơ Vẽ đồ thị tốc độ đặt, đo, điện áp đồng thời hiển thị các giá trị tốc độ đặt, đo, sai số, điện áp điều khiển và thời gian chạy lên màn hình ở từng thời điểm lấy mẫu

Khi nhấn nút ‘Stop’ thì chỉ dừng động cơ còn những điều khiển khác thì giữ nguyên

Yêu cầu:

Sinh viên tự viết chương trình điều khiển trên cơ sở thuật toán đã cung cấp Sau đó thực hiện theo trình tự sau

• Bước 1: Trước hết sinh viên tiến hành thí nghiệm với tốc độ đặt là 1000 (v/p) Điều

chỉnh các tham số Kp, Ki đối với bộ điều khiển PI; Kp, Ki, Kd đối với bộ điều khiển PID thường và

ao, a1, a2 đối với bộ điều khiển PID thích nghi đến khi đạt kết quả theo như mong muốn thì ghi kết quả ra bảng 3 Sau đó, thay đổi tốc độ đặt rồi thí nghiệm lần lượt đối với các bộ điều khiển

tương ứng (Lưu ý: không thay đổi các tham số đã điều chỉnh).

Gợi ý:

Encoder đọc tốc độ động cơ có 720(xung/vòng) Bộ đếm 16 bit được sử dụng để đọc xung (Tham khảo phụ lục 3 để biết cách viết chương trình đọc tín hiệu xung)

Các tín hiệu phải đổi về điện áp trước khi áp dụng các công thức tính toán

Để dừng động cơ xuất tín hiệu điều khiển U = 2.5V ra kênh AO.0

Cho biết quan hệ giữa điện áp và tốc độ động cơ như sau:

Khi 0.0 ≤ U < 2.4 : U = (2720.0-ω)/1133.8

Khi 2.4 ≤ U ≤ 2.6 : ω = 0

Khi 2.6 < U ≤ 5.0 : U = (2952.0-ω)/1135.4

4.1 THÍ NGHIỆM VỚI TỐC ĐỘ ĐẶT 200 (v/p)

Bảng 1

Bộ điều khiển

Thời gian lên(s)

Thời gian xác lập(s)

Độ vọt lố(%)

Sai số xác lập (v/p)

RMSE

PI PID PID thích nghi

4.2 THÍ NGHIỆM VỚI TỐC ĐỘ ĐẶT 500 (v/p)

Bảng 2

Bộ điều khiển

Thời gian lên(s)

Thời gian xác lập(s)

Độ vọt lố(%)

Sai số xác lập (v/p)

RMSE (v/p) PI

PID PID thích nghi

4.3 THÍ NGHIỆM VỚI TỐC ĐỘ ĐẶT 1000 (v/p)

Bảng 3

Bộ điều khiển

Thời gian lên(s)

Thời gian xác lập(s)

Độ vọt lố(%)

Sai số xác lập (v/p)

RMSE (v/p) PI

PID PID thích nghi

4.4 THÍ NGHIỆM VỚI TỐC ĐỘ ĐẶT 1500 (v/p)

Bảng 4

Bộ

điều khiển

Thời gian lên(s)

Thời gian xác lập(s)

Độ vọt lố(%)

Sai số xác lập (v/p)

RMSE (v/p) PI

PID

PID thích nghi

4.5 THÍ NGHIỆM VỚI TỐC ĐỘ ĐẶT 2000 (v/p)

Bảng 5

Bộ

điều khiển

Thời gian lên(s)

Thời gian xác lập(s)

Độ vọt lố(%)

Sai số xác lập (v/p)

RMSE (v/p) PI

PID

PID thích nghi

4.6 THÍ NGHIỆM VỚI TỐC ĐỘ ĐẶT -200 (v/p)

Bảng 6

Bộ

điều khiển

Thời gian lên(s)

Thời gian xác lập(s)

Độ vọt lố(%)

Sai số xác lập (v/p)

RMSE (v/p) PI

PID

PID thích nghi

4.7 THÍ NGHIỆM VỚI TỐC ĐỘ ĐẶT -1000 (v/p)

Bảng 7

điều khiển

Thời gian lên(s)

Thời gian xác lập(s)

Độ vọt lố(%)

Sai số xác lập (v/p)

RMSE (v/p) PI

PID

PID thích nghi

4.8 THÍ NGHIỆM VỚI TỐC ĐỘ ĐẶT -1500 (v/p)

Bảng 8

Bộ

điều khiển

Thời gian lên(s)

Thời gian xác lập(s)

Độ vọt lố(%)

Sai số xác lập (v/p)

RMSE (v/p) PI

PID

PID thích nghi

4.9 THÍ NGHIỆM VỚI TỐC ĐỘ ĐẶT -2000 (v/p)

Bảng 9

Bộ

điều khiển

Thời gian lên(s)

Thời gian xác lập(s)

Độ vọt lố(%)

Sai số xác lập (v/p)

RMSE (v/p) PI

PID

PID thích nghi

5 BÁO CÁO

 Báo cáo chương trình điều khiển (chỉ cần đoạn chương trình đọc tín hiệu xung, xử lý tín hiệu, tính tín hiệu điều khiển và xuất tín hiệu điều khiển).(3đ)

 Báo cáo các hình vẽ và bảng số liệu thu được.(3đ)

 So sánh chất lượng (sai số xác lập, thời gian xác lập, độ vọt lố, RMSE…) của các bộ điều khiển PI, PID thường và PID thích nghi khi tốc độ đặt thay đổi.(4đ)

6 TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 S.Paramasivam and R.Arumugam Real time DSP-based adaptive controller implementation for 6/4 pole switched reluctance motor drive

Lưu ý:

 Sinh viên phải chuẩn bị kĩ bài trước khi vào thí nghiệm (viết chương trình tạo các giao diện như trong phần III) (xem các phụ lục)

 Nếu không có bài chuẩn bị hoặc chuẩn bị sơ sài sẽ không được vào thí nghiệm

 Nếu các nhóm báo cáo giống nhau thì sẽ nhận 40% số điểm