Đồ án: Điều khiển và giám sát mực nước dùng DSP

Việc nghiên cứu thành công đề tài mang lại nhiều ý nghĩa sâu sắc. Bất kỳ một ứng dụng hay thử nghiệm cụ thể nào cũng dựa trên những cơ sơ lý thuyết khoa học có sẵn hay giả định khoa học. Kết quả của đề tài này một lần nữa đã kiểm chứng được lý thuyết, chứng minh tính đúng đắn và tính ưu việt của luật điều khiển PID và Logic Mờ. Về thực tiễn, sau khi nghiên cứu thành công đề tài, sinh viên là người trực tiếp thụ hưởng được nhiều thành quả nhất. Quá trìnhthực hiện đề tài là một lần trải nghiệm thực tế vô cùng bổ ích. Lý thuyết điều khiển tự động đã được củng cố thêm, bên cạnh đó môi trường công nghiệp cũng gần gũi hơn thể hiện qua tiêu chí lựa chọn từng phương pháp và thiết bị cụ thể.

Trang 1

i

PHẦN A

Trang 2

NHIỆM VỤ CỦA ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Giáo viên hướng dẫn: TS.Nguyễn Minh Tâm

Họ và tên sinh viên: Nguyễn Thanh Tùng MSSV: 06118030

ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT MỰC NƯỚC DÙNG DSP

2 Nhiệm vụ và nội dung:

Từ mục đích chính là nghiên cứu ứng dụng vào thực tiễn với việc sử dụng các thiết

bị sẵn nhóm thực hiện đề tài đã đặt ra các nhiệm vụ cụ thể là:

 Tìm hiểu KIT DSP

 Thiết lập cấu hình DSP

 Thiết lập mô hình và mô phỏng hệ bồn nước đơn

 Thiết kế giao diện trên phần mềm Visual Basic

 Kết nối DSP với Visual Basic

 Liên kết phần mềm Matlab và CCStudio

 Tìm hiểu thuật toán điều khiển PID và Logic Mờ

3 Ngày giao nhiệm vụ:………

4 Ngày hoàn thành:………

Ngày … tháng … năm 2011 Ngày … tháng … năm 2011

Trang 3

iii

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Chuyên ngành: Công Nghệ Điện Tự Động Mã ngành: 118

Tên đề tài : Điều Khiển Và Giám Sát Mực Nước Dùng DSP

Nhận xét của giáo viên hướng dẫn:

Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2012

Giáo viên hướng dẫn

TS.Nguyễn Minh Tâm

Trang 4

iv

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Chuyên ngành: Công Nghệ Điện Tự Động Mã ngành: 118

Tên đề tài : Điều Khiển Và Giám Sát Mực Nước Dùng DSP

Nhận xét của giáo viên phản biện:

Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2012

Giáo viên phản biện

Trang 5

v

LỜI MỞ ĐẦU

Khoa học kỹ thuật thế giới ngày càng phát triển mạnh mẽ Với mục đích là phục vụ

cuộc sống của con người để ngày càng được phát triển tốt hơn Khoa học kỹ thuật

đem lại nhiều tiện ích thiết thực hơn cho cuộc sống con người ngày nay Góp phần

không thể thiếu để mang lại những thành tựu to lớn là sự phát triển không ngừng của

tự động hoá Trong những năm gần đây các hệ thống tự động đóng vai trò quan trọng

trong việc phát triển và sự tiến bộ của kỹ thuật công nghệ và văn minh hiện đại

Việc nghiên cứu và ứng dụng những gì đã học vào thực tế cuộc sống là một điều rất

cần thiết trong vai trò làm chủ công nghệ hiện nay Để góp phần tạo nên nền tảng ban

đầu vững chắc cho việc học tập, tìm hiểu kỹ thuật điều khiển tự động, nhóm thực hiện

đã lựa chọn nghiên cứu đề tài: “ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT MỰC NƯỚC

DÙNG DSP” Với việc ứng dụng các thiết bị vào điều khiển hệ thống bơm nước tự

động

Ngoài việc hoàn thành đồ án tốt nghiệp với những công việc trên đây thì nó còn có ý

nghĩa sâu sắc đối với mỗi sinh viên thực hiện Một lần nữa sinh viên được trải nghiệm

thực tế, những kiến thức học được từ ghế nhà trường sẽ giúp hình thành những sản

phẩm công nghiệp Trong quá trình tiến hành không thể không gặp những khó khăn

vấp phải, do đó kích thích sinh viên tư duy để tìm ra phương án tối ưu và trao đổi thảo

luận lẫn nhau nhằm mục đích hình thành thói quen hợp tác làm việc nhóm và phương

pháp làm việc hiệu quả

Tuy nhiên do hạn chế về kinh nghiệm thực tế và thời gian thực hiện nên việc thực

hiện đề tài không thể tránh khỏi những thiếu sót Do đó rất mong sự chỉ bảo thêm của

quý thầy cô cũng như những đóng góp của các bạn sinh viên

Xin chân thành cảm ơn!

Sinh Viên thực hiện đề tài

Nguyễn Thanh Tùng

Trang 6

vi

LỜI CẢM ƠN

Nhóm thực hiện xin gửi lời cảm ơn đến Ban lãnh đạo, các thầy cô trong Khoa Điện

– Điện tử, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM đã truyền thụ những kinh

nghiệm quý báu, và tạo điều kiện cho sinh viên được tham gia làm đồ án tốt nghiệp

Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn đến thầy Nguyễn Minh Tâm, giảng viên khoa Điện

– Điện tử, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM đã góp ý, hướng dẫn,

cung cấp tài liệu, và chia sẻ những kinh nghiệm quý báu, tạo mọi điều kiện tốt nhất

cho nhóm hoàn thành đồ án

Đồng gửi lời cảm ơn các bạn sinh viên lớp Điện Tự Động và những thầy cô trong

bộ môn tự động đã động viên, giúp đỡ và góp ý kiến cho nhóm để hoàn thành tốt

đồ án này

Xin chân thành cảm ơn!

Trang 7

vii

TÓM TẮT ĐỀ TÀI

Mục tiêu chính của đề tài là dùng DSP điều khiển và dùng Visual Basic giám sát mực

nước trong bồn, đồng thời nghiên cứu thuật toán PID và Logic Mờ điều khiển máy

bơm ổn định mực nước Từ những kiến thức đã học nhóm đã kết nối hoàn thiện mô

hình thực nghiệm, tạo một cái nhìn tổng quan cho các bạn sinh viên về việc ứng dụng

các thiết bị tự động hoá vào sản xuất Đề tài này đã hoàn thành với nội dung như sau:

Sử dụng phần mềm Matlab viết chương trình cho DSP , DSP thì điều khiển và ổn

định mực nước và máy tính kết nối DSP qua cổng USB qua chuẩn RS 232 dùng phần

mềm Visual Basic để hiển thị mực nước Hệ thống điều khiển và giám sát mực nước

bao gồm: bồn 1 chứa nước, bồn 2 là bồn chứa nước được bơm lên có gắn cảm biến áp

xuất để đo mực nước, bộ kit DSP để điều khiển và máy tính để giám sát Ngoài ra, tất

cả các hoạt động, các trạng thái của hệ thống đều được phân tích và giám sát ở giao

diện của Visual Basic trên màn hình máy tính

Trang 8

viii

MỤC LỤC

Trang PHẦN A: GIỚI THIỆU

Trang bìa i

Nhiệm vụ đồ án ii

Nhận xét của giáo viên hướng dẫn iii

Nhận xét của giáo viên phản biện iv

Lời mở đầu v

Lời cảm ơn vi

Tóm tắt đề tài vii

PHẦN B: NỘI DUNG CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu của đề tài 2

1.3 Giới hạn đề tài nghiên cứu 2

1.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2

1.5 Nội dung đề tài 3

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Mô tả tổng quát bộ xử lý tín hiệu số DSP F28335PGE 4

2.2 Lý thuyết điều khiển thuật toán PID 8

2.2.1 Giới thiệu chung 8

2.2.2 Thuật toán điều khiển PID 8

2.2.2.1 Mô tả hiệu chỉnh PID 9

2.2.2.2 Khâu tỉ lệ 10

2.2.2.3 Khâu tích phân 11

2.2.2.4 Khâu vi phân 12

2.2.3 Phương pháp lựa chọn thông số cho bộ điều khiển PID 14

Trang 9

ix

2.2.3.1 Phương pháp Ziegler- Nichols thứ nhất 14

2.2.3.2 Phương pháp Ziegler- Nichols thứ hai 16

2.2.4 Bảng tham số của bộ điều khiển PID 17

2.3 Lý thuyết điều khiển mờ……… 18

2.3.1 Tập mờ……….…18

2.3.1.1 Tập cổ điển và tập mờ……….18

2.3.1.2 Các hàm liên thuộc thường dùng ……….….……….19

2.3.3 Suy luận mờ ……… ……… ………….………… 21

2.3.4 Luật hợp thành mờ………….……….…………21

2.3.4.1 Định nghĩa luật hợp thành……….………….……….…21

2.3.4.2 Các luật hợp thành mờ……….……… 22

2.3.5.2 Phương pháp trọng tâm (CoG)………22

2.3.5 Các phương pháp giải mờ……….……….22

2.3.5.1 Phương pháp điểm cực đại……… ………22

2.3.5.3 Phương pháp độ cao ……….……… 23

2.3.5.2 Phương pháp trọng tâm (CoG)………24

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ MƠ HÌNH BỒN NƯỚC ĐƠN 3.1 Giới thiệu mơ hình……… 26

3.2 Mơ hình hệ thống điều khiển bồn nước …… ……… 28

3.3 Thiết kế phần cứng………… ………29

3.3.1 Cảm biến đo mức nước……….………29

3.3.2 Mạch cơng suất điều khiển máy bơm…… ………31

3.4 Các cách thiết lập mơ hình bồn nước ………34

3.5 Phương trình tốn học………….……… ……… 35

CHƯƠNG IV: XÂY DỰNG MƠ HÌNH 4.1 Giới thiệu 38

4.2 Thiết kế mơ hình phần cứng 39

4.2.1 Mơ hình bồn nước 39

4.2.2 Giao tiếp giữa cảm biến siêu âm với DSP 39

Trang 10

x

4.2.3 Thiết lập cấu hình trên phần mềm CCStudio ……… 40

4.3 Sơ đồ tổng quát của luận văn tốt nghiệp……… ……….44

4.3.1 Sử dụng thuật toán Mờ điều khiển mực nước………… ………… 44

4.3.2 Sử dụng thuật toán PID điều khiển mực nước……….…….46

4.4 Mô phỏng mô hình điều khiển mực nước……….……….…….47

CHƯƠNG V: KẾT QUẢ THỰC HIỆN 5.1 Mô hình thực nghiệm 48

5.2 Kết quả đạt được khi thực tế 50

5.3 Nhận xét 51

CHƯƠNG VI: KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 6.1 Kết luận 53

6.2 Hướng phát triển đề tài 54

PHẦN C: PHỤ LỤC LIỆT KÊ HÌNH VẼ Hình Trang Hình 2.1a: Đế DSP F28335 4

Hình 2.1b: Nhân DSP F28335 5

Hình 2.1c: Board mạch DSP TMS320F28335 5

Hình 2.2: Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID 8

Hình 2.3: Biến đặt PID từng bước 9

Hình 2.4: Biến đặt khi xảy ra đường dốc 9

Hình 2.5: Đồ thị ảnh hưởng của khâu tỷ lệ 10

Hình 2.6: Đồ thị ảnh hưởng của khâu tích phân 12

Trang 11

xi

Hình 2.7: Đồ thị ảnh hưởng của khâu vi phân 13

Hình 2.8: Đáp ứng nấc của hệ vòng hở 15

Hình 2.9: Sơ đồ bộ điều khiển vòng kín 16

Hình 2.10: Hàm singleton 19

Hình 2.11: Hàm tam giác 19

Hình 2.12: Hàm hình thang 20

Hình 2.13: Giải mờ theo phương pháp điểm cực đại 19

Hình 2.14: Giải mờ theo phương pháp trọng tâm 19

Hình 2.15: Giải mờ theo phương pháp trọng tâm 19

Hình 3.1: Cơ cấu của hệ bồn nước đơn 25

Hình 3.2: Hệ thống điều khiển bồn nước 28

Hình 3.3: Hình dáng, sơ đồ chân và thông số MPXV5004 29

Hình 3.4: Lắp đặt MPXV5004 dùng đo mức nước 30

Hình 3.5: Mạch lọc RC cho MPXV5004 30

Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lý mạch ứng dụng MPXV5004 31

Hình 3.7: Thi công cảm biến đo mức nước 31

Hình 3.8: Mạch tạo nguồn 5V 32

Hình 3.9: Dịch mức cho cảm biến 32

Hình 3.10: Mạch công suất motor bơm 32

Hình 3.11: Board công suất motor bơm 33

Hình 3.12: Các cách thiết lập khác nhau từ mô hình bồn nước 34

Hình 4.1: Sơ đồ thiết kế của hệ thống 39

Hình 4.2: Khởi động chương trình Code Composer Studio Setup 40

Hình 4.3: Chọn F2812 XDS510 Emulator 41

Hình 4.4: Kết nối được với board DSP TMS320F28335 41

Hình 4.5: Load chương trình xuống 43

Hình 4.6: Chương trình chính của giải thuật Logic Mờ 44

Hình 4.7a: xây dựng khối vào ra 44

Hình 4.7b: xây dựng khối vào ra 45

Trang 12

xii

Hình 4.8: xây dựng luật Logic Mờ 45

Hình 4.9: Chương trình chính của giải thuật PID 46

Hình 4.10: Rời rạc PID 46

Hình 5.1: Mô hình tổng thể đồ án 48

Hình 5.2: đồ thị đáp ứng mực nước 49

Hình 5.3: Giao diện quan sát hệ thống từ Visual 49

Hình 5.4: : Đồ thị đáp ứng mực nước 50

Hình 5.5: Giao diện quan sát hệ thống từ Visual 50

Trang 13

xiv

LIỆT KÊ CHỮ VIẾT TẮT

1 CPU Central Processing Unit

Trang 14

PHẦN B

Trang 15

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN

1.1 Đặt vấn đề

Các thiết bị và hệ thống điều khiển tự động đã và đang được ứng dụng rộng rãi

trong công nghiệp Cùng với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ điện tử,

bên cạnh việc đẩy mạnh phát triển của công nghệ thông tin, các giải pháp

truyền thông trong mạng công nghiệp cũng không ngừng được đầu tư và phát

triển Vì vậy, việc tăng cường sức cạnh tranh cho nền kinh tế nước nhà nói

chung và ngành công nghiệp nói riêng, tự động hoá các dây chuyền sản xuất là

điều không thể thiếu trong công cuộc phát triển hiện nay

Việc ứng dụng các thiết bị tự động nói trên vào việc điều khiển tốc độ ổn định

nhiệt, mực nước và ấp suất…… đã phổ biến rộng rãi với nhiều mục đích và

quy mô khác nhau Hầu hết các ứng dụng này đều được giải quyết bởi các bài

tán toán ổn định hệ thống với chất lượng tốt nhất bằng thuật toán PID hay

Logic Mờ

Như chúng ta đã biết, DSP là một kit điều khiển đối tượng phi tuyến và tuyến

tính có các ưu điểm là bền vững đối với nhiễu và sự thay đổi của các thông số

nên đã được ứng dụng rộng rãi trong lãnh vực điều khiển như: điều khiển tốc

độ động cơ, điều khiển tay máy, máy bay… Chính vì vậy, Kit DSP đã và đang

là đề tài nghiên cứu của nhiều nhà khoa học

Xuất phát từ nhu cầu thực tế nêu trên, tôi quyết định chọn đề tài “Điều khiển

và giám sát mực nước dùng DSP ” để thực hiện đồ án tốt nghiệp Đây là đề tài

nghiên cứu hướng vào ứng dụng cụ thể

Trang 16

1.2 Mục tiêu của đề tài

Sau khi xác định được đối tượng, chủ thể nghiên cứu và giới hạn phạm vi nghiên

cứu, việc xác định mục tiêu sẽ là bước quan trọng kế tiếp nhằm định hướng đúng

đắn cho quy trình thực hiện đề tài Mục tiêu cụ thể được thể hiện như sau:

 Tìm hiểu giao tiếp máy tính với DSP

 Sử dụng phần mềm Visual Basic giám sát bồn nước

 Nhận dạng hệ bồn nước đơn

 Nghiên cứu DSP điều khiển và ổn định mực nước

 Tìm hiểu thuật toán điều khiển PID và Logic Mờ

1.3 Giới hạn đề tài nghiên cứu

Do hạn chế về thời gian, trang thiết bị và kiến thức chuyên môn nên nhóm nghiên

cứu chỉ nghiên cứu trong giới hạn sau:

- Tìm hiểu bộ kit DSP TMDSCNCD28335PGF

- Thiết kế giao diện giám sát trên phần mềm Visual Basic

- Viết chương trình điều khiển cho hệ thống từ Matlab

- Mô phỏng được hoạt động của hệ thống

- Viết thuật toán PID và Logic Mờ điều khiển mực nước trên Matlab

1.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Việc nghiên cứu thành công đề tài mang lại nhiều ý nghĩa sâu sắc Bất kỳ một

ứng dụng hay thử nghiệm cụ thể nào cũng dựa trên những cơ sơ lý thuyết khoa

học có sẵn hay giả định khoa học Kết quả của đề tài này một lần nữa đã kiểm

chứng được lý thuyết, chứng minh tính đúng đắn và tính ưu việt của luật điều

khiển PID và Logic Mờ Về thực tiễn, sau khi nghiên cứu thành công đề tài,

Trang 17

sinh viên là người trực tiếp thụ hưởng được nhiều thành quả nhất Quá trình

thực hiện đề tài là một lần trải nghiệm thực tế vô cùng bổ ích Lý thuyết điều

khiển tự động đã được củng cố thêm, bên cạnh đó môi trường công nghiệp cũng

gần gũi hơn thể hiện qua tiêu chí lựa chọn từng phương pháp và thiết bị cụ thể

1.5 Nội dung đề tài

Chương 1: Tổng quan

Chương này trình bày vắn tắt quá trình thực hiện đề tài cũng như toàn bộ nội dung

của đề tài

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương này trình bày cơ sở lý thuyết về Kit DSP, thuật toán PID và Logic Mờ

Chương 3: Thiết kế mô hình bồn nước đơn

Chương này trình bày sơ lược về các thiết lập và cách xây dựng mô hình và thiết lập

phương trình toán học của bồn nước

Chương 4: Xây dựng mô hình

Chương này trình bày về thiết kế của hệ thống bồn nước, cách kết nối mạng, xây

dựng giao diện điều khiển, thiết lập các thông số, phần mềm và các thiết bị sử dụng

Đồng thời nghiên cứu giải thuật điều khiển và vận hành hệ thống

Chương 5: Kết quả thực nghiệm

Chương này tổng kết đánh giá những kết quả thu được khi chạy mô phỏng hệ thống

trên mô hình, phân tích đánh giá tính ổn định của hệ thống thông qua những thông

số trong chương trình DSP

Chương 6: Kết luận

Chương này nêu những ưu và khuyết của đề tài, khẳng định những đóng góp của đề

tài vào thực tiễn Đồng thời cũng đưa ra các đề nghị hướng phát triển cho đề tài

Trang 18

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1/ MÔ TẢ TỔNG QUÁT BỘ XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ DSP

TMDSCNCD320F28335PGF

Giới thiệu chung về F28335PGF ControlCARD

Luận văn của tôi được xây dựng trên nền DSP , board mạch được sử dụng là F28335PGF

ControlCARD như hình 2.1

Hình 2.1a: Đế DSP F28335

Trang 19

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5

Hình 2.1b: Nhân DSP F28335

Hình 2.1c: Board mạch DSP TMS320F28335

Bộ công cụ này được dùng trong các lĩnh vực sau:

- Robot

- Các cơ cấu chấp hành bằng điện và thuỷ lực

- Điều khiển servo các truyền động ổ đĩa (disk drive)

- Điều khiển truyền động điện

Trang 20

- Điều khiển các phương tiện cơ giới

- Điều khiển trấn động tích cực

- Trong các máy CNC

- Và nó cũng rất thích hợp cho các tác vụ có liên quan đến xử lý tín âm thanh nhận dạng tiếng nói người nói biến văn bản thành tiếng nói âm thanh, kỹ

thuật âm thanh

- Xử lý ảnh :thu nhận và khôi phục ảnh làm nổi đường biên, lọc nhiễu, nhận dạng, mắt người máy , hoạt hình các kỹ xảo về hình ảnh, bản đồ…

- Viễn thông: Xử lý tín hiệu thoại và tín hiệu hình , truyền dữ liệu, khử xuyên kênh , truyền hình số…

- Quân sự : truyền thông bảo mật, xử lý tín hiệu rada, dẫn đường tên lửa

- Y học: não đồ, điện tim, chụp X quang, chụp CT(Computed Tomography Scans)

 F28335PGF ControlCARD có những đặc điểm như sau:

Trang 21

Đầu vào tương tự:

- 16 ADC đầu vào ( 0-3v)

- Jack cắm tai nghe và jack phone

- Kết nối với board mạch qua TI DSP EMULATOR XDS510-USB2.0

- Chân kết nối RS232

Về các thông tin cũng như các công cụ hổ trợ cho board mạch, có thể tham khảo thêm tại

địa chỉ http://www.ti.com/product/tms320f28335

Trang 22

2.2 LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN DÙNG THUẬT TOÁN PID

2.2.1 Giới thiệu chung

Bộ hiệu chỉnh PID (vi tích phân tỷ lệ) ngày nay được sử dụng rất nhiều trong các hệ

thống điều khiển Trên thực tế, hầu hết các bộ điều khiển nói chung và PLC nói

riêng đều tích hợp thuật toán PID bên trong nó, nhờ đó làm tăng chất lượng đáp ứng

của hệ thống giúp cho việc điều khiển được tối ưu hơn

Trong một bộ điều khiển PID thường gồm 3 thành phần:

 Thành phần tỉ lệ (Kp) có tác dụng làm tăng tốc độ đáp ứng của hệ, và làm

giảm, chứ không triệt tiêu sai số xác lập của hệ (steady-state error)

 Thành phần tích phân (Ki) có tác dụng triệt tiêu sai số xác lập, làm tăng đáp

ứng của hệ thống nhưng cũng dễ mất ổn định

 Thành phần vi phân (Kd) làm tăng độ ổn định hệ thống, giảm độ vọt lố và

làm thay đổi tốc độ đáp ứng của hệ thống

2.2.2 Thuật toán điều khiển PID:

Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID được thể hiện hình 2.6:

Hình 2.2 Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID

Việc điều khiển PID được dựa trên thông số MV:

Trang 23

Trong đó:

Pout là phần tỉ lệ của ngõ ra ,

Iout là phần tích phân của ngõ ra,

Dout là phần vi phân của ngõ ra

2.2.2.1 Mô tả hiệu chỉnh PID :

Hiệu chỉnh PID là kết hợp điều chỉnh tỷ lệ P, Reset I, Rate D, kết quả tốt nhất đạt

được khi hiệu chỉnh PID thực hiện trên hệ thống điều khiển có thời gian dài Trong

ba khâu, P cho phép thực hiện trên hệ thống điều khiển tự do hunting trong khi

dùng tự động đúng offset Hơn nữa, thay đổi biến đặt nhanh đúng trong D gây bởi

nhiễu ngoài Ảnh hưởng qua lại của ba hoạt động điều khiển này sẽ cho được điều

khiển tối ưu Hình 2.7 đưa ra biến đặt của PID từng bước thay đổi độ lệch xảy ra và

hình 2.8 chỉ ra biến đặt khi xảy ra đường dốc thay đổi trong độ lệch

Hình 2.3 Biến đặt PID từng bước

Hình 2.4 Biến đặt khi xảy ra đường dốc

Trang 24

2.2.2.2 Khâu tỉ lệ:

Đồ thị PV theo thời gian, ba giá trị Kp (Ki và Kd là hằng số) Đồ thị ảnh hưởng của

khâu tỷ lệ như hình 2.9

Khâu tỷ lệ (đôi khi còn được gọi là độ lợi) làm thay đổi giá trị đầu ra, tỉ lệ với giá trị

sai số hiện tại Đáp ứng tỉ lệ có thể được điều chỉnh bằng cách nhân sai số đó với

một hằng số K p, được gọi là độ lợi tỉ lệ

Hình 2.5: Đồ thị ảnh hưởng của khâu tỷ lệ

Khâu tỉ lệ được cho bởi:

(2.2)

Trong đó:

Pout: Thừa số tỉ lệ của đầu ra,

K p: Độ lợi tỉ lệ, thông số điều chỉnh,

e: Sai số = SP – PV,

t: Thời gian hay thời gian tức thời (hiện tại)

Độ lợi của khâu tỉ lệ lớn là do thay đổi lớn ở đầu ra mà sai số thay đổi nhỏ Nếu độ

lợi của khâu tỉ lệ quá cao, hệ thống sẽ không ổn định Ngược lại, độ lợi nhỏ là do

đáp ứng đầu ra nhỏ trong khi sai số đầu vào lớn, và làm cho bộ điều khiển kém

Trang 25

nhạy, hoặc đáp ứng chậm Nếu độ lợi của khâu tỉ lệ quá thấp, tác động điều khiển

có thể sẽ quá bé khi đáp ứng với các nhiễu của hệ thống

2.2.2.3 Khâu tích phân:

Đồ thị PV theo thời gian, tương ứng với 3 giá trị Ki (Kp và Kd không đổi) Đồ thị

ảnh hưởng của khâu tích phân như hình 2.10

Khâu tích phân giúp giữ cho hệ thống sau khi đã xác lập đạt trạng thái bền Sự sai

lệch hay sai số giữa vị trí đặt và vị trí hiện tại được giảm xuống và có thể loại bỏ

hoàn toàn với khâu điều khiển tích phân

Thừa số tích phân được cho bởi:

(2.3)

Trong đó:

Iout: thừa số tích phân của đầu ra,

K i: độ lợi tích phân, 1 thông số điều chỉnh,

e: sai số = SP – PV,

t: thời gian hoặc thời gian tức thời (hiện tại),

τ: một biến tích phân trung gian

Khâu tích phân (khi cộng thêm khâu tỉ lệ) sẽ tăng tốc chuyển động của quá trình tới

điểm đặt và khử số dư sai số ổn định với một tỉ lệ chỉ phụ thuộc vào bộ điều khiển

Tuy nhiên, vì khâu tích phân là đáp ứng của sai số tích lũy trong quá khứ, nó có thể

khiến giá trị hiện tại vọt lố qua giá trị đặt (ngang qua điểm đặt và tạo ra một độ lệch

với các hướng khác) Để tìm hiểu thêm các đặc điểm của việc điều chỉnh độ lợi tích

phân và độ ổn định của bộ điều khiển

Trang 26

Hình 2.6: Đồ thị ảnh hưởng của khâu tích phân

2.2.2.4 Khâu vi phân:

Đồ thị PV theo thời gian, như hình 2.11 Với 3 giá trị Kd (Kp and Ki không đổi)

Tốc độ thay đổi của sai số quá trình được tính toán bằng cách xác định độ dốc của

sai số theo thời gian (tức là đạo hàm bậc một theo thời gian) và nhân tốc độ này với

độ lợi tỉ lệ K d

Tác dụng của khâu vi phân là khi đưa vào hệ thống, nó sẽ làm giảm độ vọt lố nhưng

đồng thời kéo dài thời gian Khâu này được đòi hỏi phải bù với biến đặt tỉ lê

Thừa số vi phân được cho bởi:

(2.4)

Trong đó:

Dout: Thừa số vi phân của đầu ra,

K d: Độ lợi vi phân, một thông số điều chỉnh,

e: Sai số = SP – PV,

t: Thời gian hoặc thời gian tức thời (hiện tại)

Trang 27

Khâu vi phân làm chậm tốc độ thay đổi của đầu ra bộ điều khiển và đặc tính này là

đáng chú ý nhất để đạt tới điểm đặt của bộ điều khiển Từ đó, điều khiển vi phân

được sử dụng để làm giảm biên độ vọt lố được tạo ra bởi thành phần tích phân và

tăng cường độ ổn định của bộ điều khiển hỗn hợp Tuy nhiên, phép vi phân của một

tín hiệu sẽ khuếch đại nhiễu và do đó khâu này sẽ nhạy hơn đối với nhiễu trong sai

số, và có thể khiến quá trình trở nên không ổn định nếu nhiễu và độ lợi vi phân đủ

lớn Do đó một xấp xỉ của bộ vi sai với băng thông giới hạn thường được sử dụng

hơn Chẳng hạn như mạch bù sớm pha

Hình 2.7: Đồ thị ảnh hưởng của khâu vi phân

Tóm tắt:

Khâu tỉ lệ, tích phân, vi phân được cộng lại với nhau để tính toán đầu ra của bộ điều

khiển PID Định nghĩa rằng u(t) là đầu ra của bộ điều khiển, biểu thức cuối cùng

của giải thuật PID là:

(2.5)

Trong đó các thông số điều chỉnh là:

 Độ lợi tỉ lệ K p

Trang 28

Giá trị càng lớn thì đáp ứng càng nhanh do đó sai số càng lớn, bù khâu tỉ lệ càng

lớn Một giá trị độ lợi tỉ lệ quá lớn sẽ dấn đến quá trình mất ổn định và dao động

 Độ lợi tích phân K i

Giá trị càng lớn kéo theo sai số ổn định bị khử càng nhanh Đổi lại là độ vọt lố càng

lớn: bất kỳ sai số âm nào được tích phân trong suốt đáp ứng quá độ phải được triệt

tiêu tích phân bằng sai số dương trước khi tiến tới trạng thái ổn định

 Độ lợi vi phân K d

Giá trị càng lớn càng giảm độ vọt lố, nhưng lại làm chậm đáp ứng quá độ và có thể

dẫn đến mất ổn định do khuếch đại nhiễu tín hiệu trong phép vi phân sai số

 Bảng tóm tắt

Bảng 2.1 Ảnh hưởng các thông số Kp, Ki, Kd

2.2.3 Phương pháp lựa chọn thông số cho bộ điều khiển PID:

Có nhiều phương pháp để lựa chọn thông số cho bộ điều khiển PID Trong đề tài

này nhóm thực hiện đã lựa chọn phương pháp Ziegler- Nichols

2.2.3.1 Phương pháp Ziegler- Nichols thứ nhất

Phương pháp này dựa trên đáp ứng quá độ của hệ hở, nó được áp dụng cho các đối

tượng có đáp ứng dạng chữ S đối với tín hiệu vào là hàm nấc như hình 2.12

Trang 29

Hình 2.8: Đáp ứng nấc của hệ vòng hở

Hàm truyền của hệ thống:

( ) 1

Trang 30

2.2.3.2 Phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai

Hình 2.9: Sơ đồ bộ điều khiển vòng kín

Phương pháp này dùng cho bộ điều khiển PID trong hệ kín bằng cách cho Ki = 0 và

Kd = 0, tức đối tượng điều khiển có dạng tuyến tính, sau đó tăng Kp lên cho đến khi

hệ nằm ở biên giới ổn định tức là hệ kín trở thành khâu dao động điều hòa Lúc đó ta

có Kgh và chu kỳ của dao động đó là Tgh Tham số cho bộ điều khiển PID chọn theo

Trang 31

2.2.4 Bảng tham số của bộ điều khiển PID

Bảng 2.4 Bảng tham số của bộ điều khiển PID

Trang 32

2.3 LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN MỜ (fuzzy)

2.3.1 Tập mờ (fuzzy set)

2.3.1.1 Tập cổ điển và tập mờ

Tập cổ điển (classical set) sử dụng giá trị 0 và 1 để biểu diễn 2 trạng thái

đối lập của các sự vật Cho X là một tập bất kì, A là tập con của X và x là phần

tử của X: A X, x X fA(x) sẽ biểu diễn mối quan hệ giữa x và A như sau:

A x khi x

f A

0

1 )

Khi đó kí hiệu: fA(x): X  0,1

Biểu diễn tập A thông qua hàm fA(x) sẽ là:

x f x  x X

Trong lý thuyết tập mờ, A là tập con trên tập nền X, A(x) sẽ biểu diễn mức

độ liên thuộc của x vào A như sau:

x nếu 1

(x) A 0

A x nếu 0

(x) A

A x nếu 1

(x) A μ μ

μ

(2.3)

 A(x): mức độ liên thuộc

 A: hàm liên thuộc Khi đó kí hiệu: fA(x): X  0,1

Tập mờ A được biểu diễn thông qua hàm liên thuộc A nhưsau:

Như vậy, khi X [0,1] được thay bằng X  0,1 thì tập con mờ A sẽ trở

thành tập con cổ điển

Trang 33

2.3.1.2 Các hàm liên thuộc thường dùng

Có nhiều hàm liên thuộc, nhưng trong kỹ thuật điều khiển mờ, 3 hàm liên

thuộc thường được sử dụng là: hàm singleton, hàm tam giác, hàm hình thang

 Hàm singleton: được xác định bởi tham số a:

axnếu 1a)(x;

; (

b c

x c a b

a x c

b a x

A

Hình 2.11: Hàm tam giác

 Hàm hình thang: được xác định bởi 4 tham số {a, b, c, d}

Trang 34

, , ,

; (

c d

x d a b

a x d

c b a x

A

Hình 2.12: Hàm hình thang

Chỉ tiêu của hàm liên thuộc:

 Độ cao (hgh(A)):

X x

A x



 sup ( ) hgh(A) 

 Miền xác định (S): SX (tập nền)

S={xX,A(x)>0}

 Miền tin cậy (T): TX

T={xX,A(x)=1}

2.3.2 Luật mờ (fuzzy rule)

Luật mờ là một mệnh đề Nếu…thì… có dạng:

Nếu (mệnh đề điều kiện) thì (mệnh đề kết quả )

Ví dụ: Nếu  là A thì  là B

 , : gọi là biến ngôn ngữ

 A, B: gọi là biến giá trị

Một biến ngôn ngữ có thể có nhiều giá trị ngôn ngữ khác nhau là các tập

mờ được biểu diễn bởi các hàm liên thuộc

Miền xác định Miền tin cậy

x

 A (x)

hgh(A)

1

Định dạng
Số trang	69
Dung lượng	33,55 MB