CHƯƠNG 1 THIẾT kế và vận HÀNH mô HÌNH máy đo và cắt CHIỀU dài

Bộ điều khiển mô hình máy cắt dùng để điều khiển 1 động cơ điện 1 chiều cùng với con lăn kéo chiều dài đối tượng cần cắt được cuộn trong Robbin , động cơ chạy với tốc độ tùy thuộc chiều

Thiết kế và vận hành mô hình

máy đo và cắt chiều dài.

I.Giới thiệu chung:

1.1.Sơ đồ nguyên lý mô hình máy đo và cắt chiều dài:

1.2 Bộ điều khiển mô hình máy cắt dùng để điều khiển 1 động cơ điện

1 chiều cùng với con lăn kéo chiều dài đối tượng cần cắt được cuộn trong Robbin , động cơ chạy với tốc độ tùy thuộc chiều dài, thời gian cài đặt Điều khiển 1 dao cắt để cắt đối tượng khi động cơ đã kéo đúng chiều dài Trong

quá trình mô hình vận hành tín hiệu phản hồi được lấy về từ Encoder đưa

vào bộ điều khiển xử lý, xuất tín hiệu điều khiển động cơ và dao cắt

1.3 Bộ điều khiển sử dụng điện áp +5V lấy từ điện áp 220v(50Hz) qua bộ chỉnh lưu áp

1.4 Động cơ điện 1 chiều để kéo đối tượng sử dụng áp+ 24V, kích tư ø+ 24V, vì động cơ củ nên thông số không đầy đủø Một dao cắt được làm từ Role sử dụng áp +110V

1.5.Ngoài ra trong mô hình còn sử dụng hệ thống hãm bằng cơ khí gắn liền với Robbin

II.Nguyên lí làm việc:

1.1 Nguyên lí làm việc của thiết bị điều khiển mô hình máy cắt mô tả trong hình dưới đây:

Hình 2: Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển máy đo và cắt Trong đó:

Udk1: Điện áp điều khiển mạch động lực động cơ, có dạng áp xung với chu kì T cố định, T1 thay đổi tùy NFP

Udk2 : Điện áp điều khiển Relay đóng ngắt dao.

NFP : Sốxung phản hồi về từ Encoder.

NSP : Số xung đặt tương ứng với chiều dài cần cắt.

Umax : Điện áp cung cấp cho mạch động lực điều khiển

động cơ

Vi trí đặt : Chiều dài, thời gian cần đo và cắt đối tượng

Khối hiển thị, bàn phím: khối hiển thị hiển thị chiều dài, số lần cắt Khối bàn phím nhập chiều dài, thời gian thực hiện 1 lần cắt

Khối điều khiển: Nhận tín hiệu từ Bàn phím, số xung NFP phản hồi từ Encoder Đồng thời xuất tín hiệu điều khiển Led 7 đoạn, tín hiệu Udk1, Udk2 điều khiển động cơ, dao cắt.

1.2.Điều khiển động cơ: Nguyên lí điều khiển theo sai lệch của bộ điều

khiển được thực hiện trong khối điều khiển Các tín hiệu được tổng hợp bằng phương trình sau:

max

100 _

U

EN KP CYCLE

Trong đó:

Kp: hệ số khuyếch đại tỉ lệ theo phương pháp điều khiển vòng kín PID mà trong trường hợp này ta chỉ sử dụng khâu P Hệ số KP

phụ thuộc vào đặc tính động cơ

EN : Sai số giữa tín hiệu đặt và tín hiệu phản hồi.

DUTY_CYCLE : Ta gọi là chu kì nhiệm vụ Nó được định

nghĩa như sau:

T

T CYCLE

Tín hiệu điều khiển Udk1 được tạo ra nhờ bộ điều khiển số Nó có dạng xung với tần số T cố định Biên độ thay đổi giữa 2 mức 0V, 5V Khi DUTY_CYCLE thay đổi thì áp ra mạch động lực Udc cung cấp cho động

cơ thay đổi khi đó tốc độ động cơ thay đổi theo

Dựa vào biểu thức (1), Kp không đổi , DUTY_CYCLE thay đổi theo

EN :

EN = 0, DUTY_CYCLE = 0 , Udc =0 , động cơ dừng.

EN=NSP, DUTY_CYCLE = 100 , Udc= Umax , động cơ hoạt

động ở chế độ định mức

Ta có: UdcU maxT T1 (4)

1.3 Điều khiển dao cắt: Dao cắt đóng ngắt theo Udk2.

Udk2 là tín hiệu số giống như Udk1 , khi DUTY_CYCLE = 0, Udk2

=0, Relay hở, dao cắt đóng xuống Khi DUTY_CYCLE > 0, Relay đóng

dao được kéo lên

1.4 Đặc tuyến điều khiển độâng cơ có dạng sau:

Điều khiển đo chiều dài thực chất là điều khiển vị trí Điều khiển cho động cơ quay tới góc quay xác định mà không có vọt lố do tính chất của máy

Đặc tuyến cần điều khiển có dạng sau:

Có rất nhiều phương pháp điều khiển để đạt được đặc tính mong muốn

như hình 3, đạt độ chính xác cao mà giá thành lại rẻ, như phương pháp PID

tương tự, số, điều khiển mờ v.v Phương pháp PID bằng thực nghiệm của Zeigler và Nichols , đòi hỏi cần có các thiết bị đo chính xác và các điều kiện nghiêm ngặt đưa hệ thống vào chế độâ dao động lúc đó chúng ta mới xác định các thông số của bộ điều khiển, nếu ta biết đối tượng ta là gì thì rất dễ dàng điều khiển Phương pháp điều khiển mờ ta không cần xác định đối tượng của ta như thế nào, ta chỉ cần dựa vào kinh nghiệm điều khiển đối tượng, ta thành lập bộ luật điều khiển và tùy thuộc vào tình huống mà hệ thống đưa ra 1 luật trong bộ luật điều khiển đối tượng Bộ điều khiển càng chính xác nếu người điều khiển có nhiều kinh nghiệm Các phương pháp này được trình bày chi tiết hơn ở chương sau Do hạn chế về thời gian, thiết bị đo,

kinh nghiệm với luận văn này chỉ sử dụng phương pháp điều khiển P số Phương pháp P số ta phải xác định KP trong biểu thức (1) Khi KP đã xác định ta có giá trị DUTY_CYCLE thay đổi theo EN.

Điều cần quan tâm lúc này là làm thế nào để xác định KP.

Ta có:

0  DUTY_CYCLE  100U KPmax.NSP

Mà ta có 0  DUTY_CYCLE  100 mới có nghĩa với tín hiệu điều khiển Udk1 do đó:

max

100

U

NSP KP

 1 hay KP U max NSP

KP U max NSP (4)

Dựa vào (4) ta có nhận xét sau:

NSP càng lớn nếu KP càng nhỏ Nếu vị trí đặt càng nhỏ mà NSP càng lớn thì sai số càng nhỏ Do dó thông thường hệ số KP rất nhỏ Để tiến hành điều khiển ta chọn 1 vài hệ số KP tùy chọn nào đó đưa vào bộ điều

khiển cho mạch hoạt động quan sát ngõ ra nếu có sai số thì ta tiến hành thay

đổi hệ số KP sao cho đạt kết quả với sai số cho phép Ta có đặc tuyến

DUTY_CYCLE có dạng sau:

ta định nghĩa :

'

1 ' '

T

T T HSTGG  

Trong đó HSTGG :Hệ số thời gian giảm

T’ : Thời gian đặt cho mỗi lần cắt

T’1 : Thời gian mà ta gán DUTY_CYCLE là hằng số lớn hơn 0

Dựa vào đặc tuyến này ta có thể hình dung quá trình điều rất rõ ràng

Giả sử ta chọn DUTY_CYCLE = 100 trong khoảng thời gian T’1, Khi thời gian còn xa T’ thì ta cho động cơ hoạt động với điện áp định mức nghĩa là chạy với tốc độ cho phép tối đa Khi thời gian lớn hơn T’1 và tiến gần đến T’ nghĩa là gần đến giá trị mong muốn, thì ta tiến hành giảm

DUTY_CYCLE theo qui luật nào đó để khi đến giá trị đặt thì

DUTY_CYCLE = 0, lúc đó động cơ dừng Tùy vào đặc tính động cơ như thế

nào mà ta chọn HSTGG hay hệ số góc K cho phù hợp.

Tại t=0 tacó DUTY_CYCLE:

D= 100U KPmax.NSP Tại t=T’1

max

100 1

U

EN KP

max

100 1

U

NFP KP D

d   

max

100

) 1 ' ' ( max

100

'

U EN KP

T T U

NFP KP

T

Từ ( 5) ta có:

NFP NSP

NFP HSTGG



Từ (5) và (7) ta có:

NSP

HSTGG U

d KP

100

) 1

.(

max

Trong đó:

d1 :Ta chọn tùy ý tùy thuộc vào thời gian đặt, tốc độ kéo đối

tượng

HSTGG: Phụ thuộc vào quán tính của động cơ.

0  d1  100, 0  HSTGG  1

Ví dụ: Ta muốn động cơ quay đến giá trị 5000 xung tính theo ngõ ra

Encoder , trong thời gian 5 giây

Ta có: T’=5s, NSP=5000xung, Umax=24V, xác định KP ?

Giải:

Chọn d1=100, HSTGG=0.5.

KP=(100*24(1+0.5))/(100*5000) = 36/5000 (V/vòng)

Với các số liệu trên thì quá trình điều khiển diễn ra như sau

Trong thời gian 2,5s đầu tiên động cơ chạy với tốc độ tương ứng áp đặt vào 24V 2,5s còn lại tốc độ động cơ sẽ giảm cho đến khi dừng hẳn thì lúc này thời gian cũng vừa đủ 5s

Như đã trình bày sử dụng phương pháp điều khiển số khâu P

Lưu đồ giải thuật khâu hiệu chỉnh P:(trình bày phần sau).

Chương trình điều khiển được viết bằng ngôn ngữ máy cho vi xử lý 8952

Điện áp Udk1 được lấy từ PC0 của 8255 kết nối với Vi xử lý Điện áp

này được đưa đến mạch động lực điều khiển điện áp cung cấp cho động cơ

Udk1 có dạng hình 2, được tạo ra bằng phần mềm có lưu đồ giải thuật (trình

bày phần sau)

NFP số xung phản hồi về qua mạch đếm xung số xung chứa tối đa trong 2 byte, ngõ ra mạch đếm xung đưa vào PortA(byte thấp) và

PortB(Byte cao) 8255 Sau đó đưa vào vi xử lí thông qua mạch chốt

Lưu đồ giải thuật đọc xung phản hồi( trình bày phần sau)

Dữ liệu cần đặt được lấy vào thông qua các phím nhấn Lưu đồ giải thuật đọc 1 phím nhập dữ liệu vào (trình bày phần sau):

Sau khi đã có các dữ liệu vào ta tiến hành tính toán đưa ra

DYTU_CYCLE, tạo áp Udk1, đồng thời ta cũng cho hiển thị chiều dài, số

lượng cần cắt trong quá trình hoạt động Chương trình thực hiện nhiều công

việc cùng lúc ,vừa phải đếm xung phản hồi, vừa tạo áp Udk1 liên tục, vừa

phải hiển thị Led, đồng thời phải thường xuyên phải kiểm tra phím nhấn Lưu đồ giải thuật toàn bộ chương trình :

III.Các lưu đồ giải thuật điều khiển hệ thống:

Dựa vào các lưu đồ này ta tiến hành thiết kế mạch cứng và viết chương trình điều khiển