Giáo trình phân tích quy trình nghiên cứu phần mềm ứng dụng lập trình chăm sóc cây trồng p8

Tham khảo tài liệu ''giáo trình phân tích quy trình nghiên cứu phần mềm ứng dụng lập trình chăm sóc cây trồng p8'', khoa học tự nhiên, nông - lâm phục vụ nhu cầu học tập, nghiên cứu và làm việc hiệu quả

Khi thiết lập thông số cho chip ta phải căn cứ vào tính năng của chip mà bạn đang dùng và yêu cầu điều khiển mà điền thông số vào cột Value của Global Resource

Hình 3-18: Cửa sổ kết nối chân và thông số cho chip

4 Kết nối các User Module

Việc kết nối các User Module được thực hiện thông qua các đầu vào ra của các khối chức năng nắm giữ các User Module và thông qua một đường bus chung

5 Xuất thiết kế thành file

Khi cấu hình xong ta tiến hành xuất thiết kế thành file bằng cách:

- Chọn Menu Config>>Export Design

- Trong trường Designed Name điền tên của file định xuất ra

- Trong trường Description điền thông tin miêu tả về thiết kế

- Trong trường Version điền phiên bản của thiết kế

Sau đó nhấn OK là bạn đã hoàn tất việc cấu hình chip

3.4.5 Trình soạn thảo ứng dụng - Application Editor

Để vào trình soạn thảo(Viết code gọi lệnh điều khiển các khối chức năng)

ta nhấn nút Sau đó bạn nhấn vào Source files kích đúp vào main.c để viết lệnh sau dòng // Insert your main routine code here

Hình 3-19: Cửa sổ lập chương trình

Sau khi viết code xong ta nhấn F7 để dịch chương trình Nếu không có lỗi thì ta tiến hành dịch chương trình sang file.hex để phục vụ cho việc nạp chip

Ta vào menu Program>>Write Hex file Sau đó đặt tên file, định vị file và nhấn OK là ta đã có file.hex

3.5 Bộ điều khiển PID số

3.5.1 Thiết kế luật điều khiển PID số

1 Luật điều khiển tỷ lệ : Proportional (P)

Hình 3 - 20 : Hệ kín với luật điều khiển tỷ lệ

r(t): Tín hiệu đầu vào của hệ thống

y(t): Tín hiệu đầu ra của hệ thống

u(t): Tín hiệu điều khiển tác động lên đối tượng

e(t): Tín hiệu sai lệch điều khiển

Khi đó sai lệch e(t) = r(t) - y(t) là đầu vào của bộ điều khiển và u(t) là đầu

ra của bộ điều khiển thì quan hệ giữa đầu vào và đầu ra của luật điều khiển

được biểu diễn theo phương trình sau

u(t) = kP.e(t) (3 - 1) Trong đó KP là tham số của luật điều khiển Hỗn hợp các đối tượng công nghiệp đều được điều khiển theo luật này Bởi luật điều khiển tương đối đơn giản nhưng lại có thể thay đổi cả chất lượng động và chất lượng tĩnh của hệ thống Khi ta thay đổi giá trị kP dẫn đến sự thay đổi hệ số khuyếch đại của hệ

hở, điều đó dẫn đến sự thay đổi vị trí của điểm cực và điểm không của hệ Khi

kP thay đổi cũng làm chất lượng của hệ thống ở chế độ xác lập thay đổi:

= )

(t

∞

→

t

s.E(s) = lim

∞

→

t 1 ( )

) (

s w K

s R s

dt P

+ (3 - 2)

1 Luật điều khiển tích phân: Integral(I)

u(t)

Kp

e(t)

r(t)

_

Đối tượng

điều khiển

y(t)

u(t)

9

u(t)

s

T I 1

e(t)

r(t)

_

Đối tượng

điều khiển

y(t)

u(t)

9

Hình 3 - 21: Hệ kín với luật điều khiển tích phân

Với tín hệu đầu vào của bộ điều khiển là sai lệch e(t) và tín hiệu đầu ra u(t) ta có thể biểu diễn luật điều khiển tích phân bằng phương trình sau:

u(t) = ∫t

I

d e

T1 0 ( τ ) τ (3 - 3) hoặc u(t) = kI∫t e d

0 ).

( τ τ (3 - 4)

Tham số của luật điều khiển là TI được gọi là hằng số thời gian tích phân hay KI là hệ số tích phân Khi sử dụng luật điều khiển tích phân độ dự trữ ổn định của hệ kín sẽ giảm đi, theo tiêu chuẩn ổn định của Nyquist sai lệch tĩnh sẽ giảm vì hàm truyền của hệ hở lúc đó là:

w0 = wDK(s) - wdt =

s

T I

1

wdt(s) (3 - 5)

và sai lệch của hệ là:

δ(t) = lim

∞

→

t

) (

1 1

) (

s w s T

s R s

dt I

∞

→

).

(

s w T

s s R T

dt I

I

+ (3 - 6)

Điều khiển tích phân hay còn gọi là phương pháp điều khiển theo tích luỹ sai lệch điều khiển chậm sau Phương pháp điều khiển này có ưu điểm

là ít chịu ảnh hưởng của nhiễu và làm tăng độ chính xác của hệ hở ở chế độ xác lập

3 Luật điều khiển vi phân : Derivative(D)

Hình 3 - 22:Hệ kín với luật điều khiển vi phân

Luật vi phân được biểu diễn theo phương trình sau:

u(t)

TDS

e(t)

r(t)

_

Đối tượng

điều khiển

y(t)

u(t)

9

u(t) = TD

dt

t

de )( (3 - 7)

Trong đó TD là hằng số thời gian vi phân Luật điều khiển vi phân có tác dụng làm giảm thời gian quá độ của hệ Do đó người ta gọi đây là luật

điều khiển vượt trước Quyết định điều khiển được đưa ra trên cơ sở đạo hàm của sai lệch Nhược điểm của luật này là ở phương pháp lấy thông tin này vì nếu đối tượng chịu ảnh hưởng của nhiễu biến thiên thì luật sẽ ra quyết định theo nhiễu do đó luật điều khiển với các đối tượng có nhiễu là hằng số hoặc ít bị nhiễu

4 Luật điều khiển PID

Đây là bộ điều khiển tích hợp của ba luật điều khiển trên vì thế nó sẽ tích luỹ được tất cả điểm mạnh của các luật trên và khắc phục những hạn chế của từng luật cụ thể

• Thành phần khuyếch đại (P) có tốc xử lý tín hiệu nhanh, có độ ổn

định cao, thời gian điều khiển ngắn Nhưng hạn chế của quy luật này

là khi hệ thống ở trạng thái xác lập luôn tồn tại sai lệch tĩnh

• Thành phần tích phân (I) có ưu điểm là triệt tiêu được sai lệch tĩnh nhưng tốc độ xử lý tín hiệu còn chậm

• Thành phần vi phân (D) có tác dụng làm tăng nhanh tốc độ tác động của tín hiệu điều khiển nhưng bên cạnh đó luật điều khiển này có độ quá điều chỉnh lớn

Sơ đồ cấu trúc của luật điều khiển:

Hình 3 - 22: Hệ kín với luật điều khiển PID

Luật điều khiển PID đã đưa sai lệch e(t) của hệ thống về 0 sao cho quá trình quá độ thoả mãn các yêu cầu cơ bản về chất lượng:

• Nếu sai lệch e(t) càng lớn thì thông qua thành phần tỷ lệ, tín hiệu

điều chỉnh u(t) càng lớn( Vai trò khuyếch đại)

• Nếu sai lệch e(t) chưa bằng 0 thì thông qua thành phần tích phân, bộ

điều khiển PID vẫn còn tín hiệu điều chỉnh(vai trò của bộ tích phân)

• Nếu có sự thay đổi của sai lệch e(t) càng lớn thì thông qua thành phần vi phân phản ứng thích hợp của tín hiệu điều chỉnh u(t) sẽ càng nhanh(vai trò của vi phân)

Luật điều khiển PID được biểu diễn bằng phương trình sau:

U(t)= kP[ e(t) + ∫t

I

d e

T1 0 ( τ ) τ TD.e(t)] (3 - 8) Trong đó e(t) là tín hiệu đầu vào, u(t) là tín hiệu đầu ra kP được gọi là hệ

số khuếch đại, TI là hằng số thời gian tích phân và TD là hằng số thời gian vi phân Chất lượng của hệ thống phụ thuộc vào các tham số kP, TI, TD Muốn hệ thống làm việc ổn định thì ta phải chọn các bộ tham số trên sao cho phù hợp Hàm truyền của luật điều khiển PID được biểu diễn dưới dạng cộng có dạng như sau:

WPID+(s) = kP[1+

s

T.I

1 +TD.s] (3 - 9)

Hoặc dưới dạng nhân như sau:

WPID(s) =

s T

s T s T k

I

D I

P

.

) 1 )(

1 (

*

*

*

Trong đó: kP =

I

D I

P

T

T T

k

*

*

*

(3 - 11)

TI = TI* + TD* (3- 12)

TD = * *

*

*

D I

D I

T T

T T

+ (3 - 13)

5 Thiết kế luật điều khiển PID số

Yêu cầu của thiết kế được dặt ra là bộ PID số phải có tính linh hoạt cao, có giao diện thân thiện, người sử dụng có thể dễ dàng lựa chọn ra bộ PID phù hợp với đối tượng điều khiển của mình, thời gian xử lý nhanh để làm tăng tính thời gian thực cho thiết bị điều khiển

a) Luật điều khiển tỷ lệ số

Đây là luật điều khiển đơn giản trong đó dãy u(k) được tính từ dãy e(k) theo công thức:

u(k) = kP e(k) k = 0, 1, 2, … (3 - 14)

b) Luật điều khiển tích phân số

Từ công thức số 3 ta có phương trình sai phân:

u(k) =

I

T

Trong đó T là thời gian trích mẫu (Sample Time)

c.) Luật điều khiển vi phân số

Kp

Hình 3 – 23 Cấu trúc luật P số

u(k-1)

e(k)

T/Ti

Hình 3 – 24 Cấu trúc luật I số

+ +

D

u(k)

e(k)

e(k-1)

u(k)

TD/T

Hình 3 – 25 Cấu trúc luật D số

+

-

D

Thường các bộ điều khiển theo luật vi phân số được cài đặt theo các phương trình sai phân sau:

T [e(k) + u(k-1)] (3 - 16)

d) Luật điều khiển PID số

Từ cấu trúc PID số trên ta có:

T

u k k e k u k e k e k

T

= + ư + ư ư (3 - 17)

I

= + ư ư + + ư (3 - 18)

I

= + + ư ư + ư (3 - 19) Luật điều khiển PID số trong công thức trên được lựa chọn để cài đặt cho bộ điều khiển của chip trên công nghệ PsoC

6 Cách xác định thông số của bộ PID

a) Phương pháp Ziegler Nichol(cho PID)

1

2

T

T

(3 - 20)

Ti = 2T1 (3 - 21)

Td = 0.5T2 (3 - 22)

Với T1 và T2 được xác định từ hàm truyền hở của động cơ

Hình 3 - 27 : Đặc tính tốc độ hàm truyền hở của động cơ

b) Phương pháp Jassen và Offerein

Thực nghiệm được tiến hành theo các bước sau:

* Cho hệ thống làm việc ở biên giới ổn định

- Điều khiển đối tượng theo luật P (T ặ 0 và Ti ặ ∞)

- Xác định hệ số kpth

* Cho hệ thống làm việc với luật PI

- Cho hệ làm việc với luật PI và với hệ số kp = 0,45 kpth, Ti tuỳ chọn

- Giảm hàm số thời gian tích phânTi cho đến khi hệ thống làm việc

ở biên giới ổn định Xác định hằng số Ti ở chế độ này Ti = Tith

* Chọn luật điều khiển PID

- Cho hệ thống làm việc theo luật PID với kp = kpth- ξ ( ξ đủ nhỏ),

Td và Ti tuỳ chọn

- Tăng hằng số thời gian vi phân cho đến khi hệ thống đạt được quá điều chỉnh cực đại lớn nhất σmax= max Xác định Td max Chọn TD =

3 1 TDMAX và Ti = 4,5TD

- Giảm kp cho đến khi hệ thống đạt được đặc tính động học mong muốn

3.5.2 Tổng hợp hệ thống điều khiển

1 Để tổng hợp hệ thống điều khiển trước tiên ta phải nắm được mô hình toán học của hệ thống điều khiển bằng cách mô hình hoá đối tượng đó lên Trong thực tế có hai phương pháp mô hình hoá:

- Phương pháp lý thuyết

- Phương pháp thực nghiệm

Phương pháp lý thuyết là phương pháp thiết lập mô hình dựa trên các

định luật có sẵn về quan hệ vật lý bên trong và quan hệ giao tiếp với hệ thống bên ngoài của đối tượng Các mối quan hệ này được biểu diễn bằng các phương trình toán hoc

Trong trường hợp các thông số của đối tượng không đủ đảm bảo cho chúng ta tiến hành tổng hợp thành một hệ thống hoàn chỉnh thì chúng ta phải

áp dụng phương pháp thực nghiệm bằng cách tiến hành thử hệ thống với một loạt các tín hiệu đầu vào và ghi nhận các thông số đầu ra sao cho kết quả thử nghiệm phải phù hợp với yêu cầu của phương pháp lý thuyết đề ra

Trong điều kiện của đề tài chúng tôi tiến hành tổng hợp hệ thống bằng phương pháp thực nghiệm với tín hiệu đầu vào x(t) là nhiệt độ không khí còn tín hiệu đầu ra là thời gian vận hành máy bơm Qua đó ta tiến hành làm mạch

và cho chạy thử với các bộ thông số PID từ đó chọn ra bộ PID phù hợp với đối tượng điều khiển

3.6 Kết luận chương III

Thông qua chương III đã lựa chọn và giới thiệu chương trình điều khiển chip trên công nghệ PsoC và so sánh hiệu quả, tính tiện dụng và kinh tế khi sử dụng chip trên công nghệ PsoC với các loại chip thông thường và các phương pháp điều khiển khác.Tiến hành lựa chọn thuật điều khiển hệ thống sao cho hợp lý và hiệu quả phù hợp với từng đối tượng điều khiển

Chương 4 Thiết kế và thi công bộ điều khiển hệ thống

4.1 Sơ đồ khối của bộ điều khiển