Giám sát và điều khiển góc quay của tấm pin năng lượng mặt trời, thu năng lượng để diều khiển mức nước dùng pid

Chúng ta có thể biết đến một số các thiết bị kỹ thuật như thiết bị tự động, thiết bị trong văn phòng và các thiết bị dùng ở trong các hộ gia đình dùng các bộ vi điều khiển.. Muốn vận hàn

KHOA CÔNG NGH Ệ ĐIỆN

PHI ẾU GIAO ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

1 H ọ tên nhóm sinh viên được giao đề tài

Nguyễn Xuân Thủy Mssv: 15080551

Thu được năng lượng để điều khiển mực nước dùng PID

Giảng viên hướng dẫn Tp.hcm, ngày 20 tháng 3 năm 2019

Sinh viên

Trưởng bộ môn

NH ẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

TP Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2019

CHỮ KÍ CỦA GVHD

(Kí và ghi rõ họ tên)

ii

NH ẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

TP Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2019

CHỮ KÍ CỦA GVPB

(Kí và ghi rõ họ tên)

M ỤC LỤC

PHI ẾU GIAO ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i

NH ẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ii

NH ẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN iii

M ỤC LỤC iv

DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH vii

DANH SÁCH CÁC B ẢNG BIỂU x

L ỜI MỞ ĐẦU xi

CHƯƠNG 1 DẪN NHẬP 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Gi ải quyết vấn đề 4

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 6

2.1 Nguyên lí ho ạt động của hệ thống 6

2.2 B ộ điều khiển PID 6

2.2.1 Khâu t ỉ lệ: 8

2.2.2 Khâu tích phân: 9

2.2.3 Khâu vi phân: 10

2.2.4 Phương trình động học của hệ thống 14

2.2.5 Hàm truy ền 16

2.2.6 Hàm quá độ 17

2.3 Pin năng lượng Mặt Trời 18

2.4 Điều khiển động cơ bước step 19

2.4.1 Phân lo ại theo rotor của động cơ bước 19

2.4.2 Phân lo ại theo cực của động cơ bước 19

2.4.3 Phân lo ại theo số pha của động cơ 20

2.4.4 Cách điều khiển động cơ step 20

CHƯƠNG 3 GIỚI THIỆU VỀ LABVIEW 22

3.1 Gi ới thiệu LabView 22

3.1.1 LabView là gì 22

3.1.2 Các kh ả năng chính của LabView 22

3.1.3 Môi trường phát triển LabView 22

iv

3.1.6 Hi ển thị 23

3.1.7 Điều khiển 23

3.1.8 Giao ti ếp với thiết bị ngoại vi 24

3.2 Nh ững khái niệm cơ bản của LabView 24

3.2.1 VI (Vitual Instrument) Thi ết bị ảo 24

3.2.2 Front Panel 24

3.2.3 Block Diagram 25

3.3 L ập trình trên LabView 26

3.3.1 Kh ởi tạo chương trình 26

3.3.2 Các công c ụ lập trình 27

CHƯƠNG 4 TỔNG QUAN VỀ CARD NI-6001 33

4.1 Gi ới thiệu về card NI-6001 33

4.2 Thông s ố kĩ thuật card NI-6001 35

4.2.1 Thông s ố chung 35

4.2.2 Đọc tín hiệu Analog 35

4.2.3 Xu ất tín hiệu Analog 35

4.2.4 Các chân xu ất/nhập tín hiệu số 36

4.2.5 B ộ đếm và bộ hẹn giờ 36

4.2.6 Tín hi ệu vào ra 37

4.2.7 Đầu vào tương tự 38

4.2.8 Đầu ra tương tự 41

4.2.9 Tín hi ệu số DIO 42

4.2.10 Ngu ồn +5V 44

CHƯƠNG 5 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG 46

5.1 Thi ết bị 46

5.1.1 Pin M ặt trời 46

5.1.2 Ngu ồn điện 47

5.1.3 M ạch giảm áp 47

5.1.4 M ạch hạ áp con chip buck của XL4016E1 48

5.1.5 M ạch cầu H 48

5.1.6 Động cơ step 50

ở 51

5.1.9 Công t ắt hành trình 52

5.1.10 B ạc đạn 52

5.1.11 B ộ giảm tốc 52

5.1.12 C ảm biến siêu âm US-016 53

5.1.13 Bơm HC-2203 55

5.2 Thi công ph ần cứng 55

5.2.1 Sơ đồ phần cứng và sơ đồ đấu dây của điều hướng pin Mặt Trời 55

5.2.2 Sơ đồ phần cứng và sơ đồ đấu dây của điều khiển mức nước 56

5.2.3 Điều hướng pin Mặt Trời 59

5.2.4 B ồn nước 59

5.3 Lưu đồ giải thuật 60

5.3.1 Lưu đồ giải thuật của góc quay pin Mặt Trời 60

5.3.2 Lưu đồ giải thuật của PID mức nước 60

5.4 Giao di ện 61

5.4.1 T ấm pin điều khiển 62

5.4.2 B ồn nước 63

5.5 Chương trình 64

5.5.1 Chương trình điều khiển góc quay tấm Pin Mặt Trời 64

5.5.2 Chương trình PID điều khiển ổn định mức nước 64

5.5.3 Các kh ối trong chương trình 66

5.6 K ết quả thực nghiệm 70

5.6.1 K ết quả điều khiển góc quay tấm pin Mặt Trời 70

5.6.2 K ết quả điều khiển mức nước 71

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN 74

6.1 K ết quả đạt được 74

6.2 Ưu điểm – nhược điểm 74

6.3 Hướng phát triển 74

vi

DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1 1 Trạm xe buýt chiếu sáng tự động 1

Hình 1 2 Ô tô chạy bằng năng lượng Mặt Trời 2

Hình 1 3 Ứng dụng nuôi tôm 3

Hình 1 4 Ứng dụng vào đèn đường 4

Hình 2 1 Bộ PID 6

Hình 2 2 Đáp ứng khâu tỉ lệ Kp 8

Hình 2 3 Đáp ứng khâu tỉ lệ Ki 9

Hình 2 4 Đáp ứng khâu tỉ lệ Kd 10

Hình 2 5 Sơ đồ khối của hệ hở 12

Hình 2 6 Đáp ứng của hệ hở 12

Hình 2 7 Sơ Đồ khối của hệ kín 13

Hình 2 8 Đáp ứng của hệ kín 13

Hình 2 9 Mô phỏng bồn nước 15

Hình 2 10 Pin Mặt Trời 18

Hình 2 11 Động cơ bước 19

Hình 2 12 Động cơ bước đơn cực 19

Hình 2 13 Động cơ bước lưỡng cực 20

Hình 2 14 Phương pháp điều khiển động cơ bước bằng cách băm xung 21

Hình 3 1 Giao tiếp Labview với thiết bị ngoại vi 24

Hình 3 2 Front Panel 25

Hình 3 3 Block Diagram 26

Hình 3 4 Bảng công cụ 27

Hình 3 5 Bảng điều khiển 28

Hình 3 6 Các điều khiển và dụng cụ chỉ thị số 29

Hình 3 7 Các điều khiển và dụng cụ chỉ thị kiểu logic 30

ần phần cứng card NI-6001 34

Hình 4 3 Sơ đồ khối 36

Hình 4 4 Các chân vào ra của card NI-6001 USB [10] 37

Hình 4 5 Mạch tín hiệu Analog Input 38

Hình 4 6 Kết nối với DAQ Device 39

Hình 4 7 Một ví dụ về đo tín hiệu ±10V 40

Hình 4 8 Phạm vi tín hiệu vào tương tự 40

Hình 4 9 Kết quả cắt bớt sau khi đo vượt quá ± 10 V 41

Hình 4 10 Mạch tín hiệu Analog Output 41

Hình 4 11 Đầu ra tương tự kết nối với tải 42

Hình 4 12 Một ví dụ kết nối với tải 43

Hình 4 13 Nguồn +5V 44

Hình 4 14 Sơ đồ kết nối với tải 45

Hình 5 1 Tấm pin 46

Hình 5 2 Nguồn điện 47

Hình 5 3 Mạch giảm áp 47

Hình 5 4 Mạch hạ áp - buck XL4016E1 48

Hình 5 5 Mạch cầu H 49

Hình 5 6 Động cơ step 50

Hình 5 7 Đai truyền 51

Hình 5 8 Quang trở 51

Hình 5 9 Công tắc hành trình 52

Hình 5 10 Bạc đạn 52

Hình 5 11 Bộ giảm tốc 53

Hình 5 12 Cảm biến siêu âm US-016 54

Hình 5 13 Bơm HC-2203 55

Hình 5 14 Sơ đồ kết nối phần cứng 55

Hình 5 15 Sơ đồ đấu dây kết nối 56

Hình 5 16 Sơ đồ phần cứng điều khiển mức nước 57

viii

ặt trời 59

Hình 5 19 Mô hình bồn nước 59

Hình 5 20 Sơ đồ giải thuật của điều chỉnh hướng Tấm pin 60

Hình 5 21 Sơ đồ giải thuật bồn nước 61

Hình 5 22 Giao diện điều hướng tấm Pin 62

Hình 5 23 Giao diện bồn nước 63

Hình 5 24 Code điều hướng tấm Pin 64

Hình 5 25 Đồ thị hàm quá dộ 65

Hình 5 26 Code điều khiển mức nước 66

Hình 5 27 Khối tạo xung 66

Hình 5 28 Khối start 66

Hình 5 29 Nút on-off 67

Hình 5 30 Thời gian delay 67

Hình 5 31 Khối Write 67

Hình 5 32 Khối And 67

Hình 5 33 Khối bằng 68

Hình 5 34 Khối DAQ 68

Hình 5 35 Khối PID 68

Hình 5 36 Khối tạo dang xung 69

Hình 5 37 Khối lấy mẫu 69

Hình 5 38 Khối lấy trung bình mẫu 69

Hình 5 39 Kết quả dạng sóng của hệ thống khi chưa ổn định 70

Hình 5 40 Kết quả dạng sóng của hệ thống khi ổn định 70

Hình 5 41 Mức nước ổn định khi van xả lớn 71

Hình 5 42 Kết quả đáp ứng có sai số của hệ thống 71

Hình 5 43 Mức nước khi van xả vừa 72

Hình 5 44 Kết quả ổn định của hệ thống 72

Hình 5 45 Mức nước khi van xả nhỏ 73

Hình 5 46 Kết quả đáp ứng có sai số của hệ thống 73

DANH SÁCH CÁC B ẢNG BIỂU

Bảng 2 1 Đáp ứng điều chỉnh khi tăng các thông số PID 11

Bảng 2 2 Bộ thông số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất 12

Bảng 2 3 Bộ Thông số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai 14

Bảng 4 1 Thông số chung 35

Bảng 4 2 Đọc tín hiệu Analog 35

Bảng 4 3 Xuất tín hiệu Analog 35

Bảng 4 4 Các chân xuất - nhập tín hiệu số 36

Bảng 4 5 Bộ đếm và bộ hẹn giờ 36

Bảng 4 6 Các chân vào ra của card NI-6001 USB 37

x

L ỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, cùng với sự phát triển kinh tế, khoa học công nghệ Nên các ngành kĩ thuật điều khiển tự động đang đóng một vai trò rất quan trọng để đưa con người bước sang kỷ nguyên mới Trong số đó, ta không thể không nói đến kỹ thuật vi điều khiển

Kỹ thuật vi điều khiển được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực kỹ thuật, đời sống và

xã hội Chúng ta có thể biết đến một số các thiết bị kỹ thuật như thiết bị tự động, thiết

bị trong văn phòng và các thiết bị dùng ở trong các hộ gia đình dùng các bộ vi điều khiển Muốn vận hành các thiết bị một cách tự động này, con người cũng càng hoàn thiện các chuẩn giao tiếp để kết nối chúng lại với nhau thực hiện việc trao đổi thông tin, điều khiển cơ cấu chấp hành một cách thuận lợi hơn

Với những kiến thức đã được học và kiến thức cập nhật, cùng với sự nghiên

cứu, hướng dẫn của cô giáo Nhóm đã thực hiện tìm hiểu và nghiên cứu xây dựng mô hình điều hướng pin Mặt Trời, thu thập năng lượng điều khiển mức nước ứng dụng module USB 6001 và phần mềm LABVIEW

Qua đó giúp mở rộng kiến thức và điều quan trọng là biết cách làm việc nhóm chuẩn bị kỹ năng để trở thành một kỹ sư tự động hóa trong tương lai

Trạm xe buýt chiếu sáng tự động:

Hình 1 1 Tr ạm xe buýt chiếu sáng tự động

Ý tưởng này bắt đầu được đưa ra thực hiện tại Florence - Italia Vào ban đêm,

những trạm xe buýt này trở thành những công trình chiếu sáng công cộng hết sức thu hút và sang trọng Ngoài ra, trong trạm xe buýt, còn cài đặt thêm hệ thống cho phép người đợi xe kết nối wifi và sử dụng điện thoại truy cập Internet miễn phí trong lúc

chờ đợi

Ôtô chạy bằng năng lượng Mặt Trời:

Hình 1 2 Ô tô ch ạy bằng năng lượng Mặt Trời

Là sản phẩm của các nhà sản xuất ôtô Thụy Sĩ từng được trưng bày trong triển lãm xe ôtô tại Geneva Chiếc ôtô này được phủ bởi một lớp film quang điện mỏng cho phép hấp thụ năng lượng từ Mặt Trời và có thể giúp nó vận hành liên tục trong 20 phút

Tuy chỉ có thể tích trữ và cung cấp năng lượng trong một thời gian ngắn, song loại xe được đánh giá là thân thiện với môi trường này đang được các nhà khoa học tại nhiều

quốc gia trên thế giới nghiên cứu phát triển

Ứng dụng năng lượng Mặt Trời vào nuôi tôm:

Hình 1 3 Ứng dụng nuôi tôm Ứng dụng năng lượng Mặt Trời trong thời gian gần đây được các hộ nuôi tôm ở hai tỉnh Bạc Liêu và Cà Mau áp dụng Kết quả cho thấy, việc ứng dụng năng lượng

Mặt Trời để nuôi tôm là một giải pháp bảo vệ môi trường ao nuôi, giảm chi phí sản

xuất, tăng lợi nhuận cho người nuôi Hệ thống tạo khí oxy bằng năng lượng Mặt Trời

sẽ giúp giảm thiểu sự ô nhiễm và các chất gây bẩn trong ao hồ nuôi trồng thủy sản

Giải pháp này loại bỏ khả năng gây ô nhiễm từ các nguồn năng lượng khác như dầu Diesel, khí nén,…Khi sử dụng cho nuôi tôm công nghiệp thì hoàn toàn không sử dụng

hệ thống quạt vận hành bằng dầu Diesel hoặc điện, qua đó sẽ giảm được chi phí sản

xuất cho người nuôi tôm Theo tính toán của nhà sản xuất, trên diện tích ao nuôi khoảng 0,5 ha, nếu dùng máy chạy dầu Diesel để vận hành dàn quạt, chi phí sản xuất trung bình mỗi vụ nuôi khoảng 30 triệu đồng Còn nếu dùng hệ thống tạo khí oxy được ứng dụng bằng năng lượng Mặt Trời, chi phí sản xuất sẽ không đáng kể do không tốn chi phí nhiên liệu, máy và nhiều dụng cụ khác

Ứng dụng năng lượng Mặt Trời vào trụ đèn đường, đèn giao thông:

Hình 1 4 Ứng dụng vào đèn đường

Vận hành hệ thống đèn giao thông năng lượng Mặt Trời thay vì điện năng để

tạo môi trường xanh sạch đang là xu hướng phổ biến tại nhiều quốc gia trên thế giới Không chỉ tiết kiệm điện, nguồn năng lượng thay thế này còn giúp hạn chế tình trạng

tắc nghẽn giao thông mỗi khi mất điện đồng thời giảm nạn trộm cắp dây cáp điện

Những tấm pin mặt trời rộng 3,6 m2 được đặt nghiêng góc để đảm bảo hiệu suất tối đa trong việc thu nhận ánh nắng, có thể cung cấp điện năng để đèn hoạt động liên tục

1.2 Gi ải quyết vấn đề

Hiện nay, hầu hết các hệ thống pin Mặt Trời đều đặt các tấm Solar trên một giá

đỡ cố định, hiệu suất không cao Chính vì thế đã nảy sinh vấn đề là làm sao để mặt của các tấm pin luôn hướng vuông góc với ánh sáng Mặt Trời để đạt hiệu suất cao nhất

Hệ thống bơm ổn định mức được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp nói chung và ngành công nghiệp chất lỏng nói riêng như hóa chất, nước uống đóng chai,

dầu ăn, sản xuất xi măng, sản xuất giấy, sản xuất điện năng,…Đặc biệt trong hệ thống cung cấp nước cho hộ dân, khu chung cư, nhà cao tầng

Nhu cầu sử dụng nước trong khu công nghiệp, khu dân cư rất khác nhau trong các thời điểm của ngày (cao điểm và thấp điểm), yêu cầu đặt ra là phải giải quyết được

việc tự động ổn định áp suất trên đường ống nước cấp, mức nước trên bồn chứa, và tiết

kiệm năng lượng cho hệ thống cấp nước

Từ những nhu cầu rất thực tiễn trên, nhóm đã tiến hành thực hiện đề tài là điều khiển hướng của tấm pin để thu năng lượng mặt trời, từ đó lấy năng lượng từ tấm pin

để điều khiển mức nước cho hệ bồn đơn

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

học) về hệ thống điều khiển thì bộ điều khiển PID là sẽ bộ điều khiển tốt nhất Tuy nhiên, để đạt được kết quả tốt nhất, các thông số PID sử dụng trong tính toán phải điều

chỉnh theo tính chất của hệ thống trong khi kiểu điều khiển là giống nhau, các thông số

phải phụ thuộc vào đặc thù của hệ thống

Giải thuật tính toán bộ điều khiển PID bao gồm 3 thông số riêng biệt, do đó đôi khi nó còn được gọi là điều khiển ba khâu: các giá trị tỉ lệ, tích phân và đạo hàm, viết

tắt là P, I, và D Giá trị tỉ lệ xác định tác động của sai số hiện tại, giá trị tích phân xác định tác động của tổng các sai số quá khứ, và giá trị vi phân xác định tác động của tốc

độ biến đổi sai số Tổng chập của ba tác động này dùng để điều chỉnh quá trình thông qua một phần tử điều khiển như vị trí của van điều khiển hay bộ nguồn của phần tử gia nhiệt Nhờ vậy, những giá trị này có thể làm sáng tỏ về quan hệ thời gian: P phụ thuộc vào sai số hiện tại, I phụ thuộc vào tích lũy các sai số quá khứ, và D dự đoán các sai

số tương lai, dựa vào tốc độ thay đổi hiện tại

Bằng cách điều chỉnh 3 hằng số trong giải thuật của bộ điều khiển PID, bộ điều khiển có thể dùng trong những thiết kế có yêu cầu đặc biệt Đáp ứng của bộ điều khiển

có thể được mô tả dưới dạng độ nhạy sai số của bộ điều khiển, giá trị mà bộ điều khiển vọt lố điểm đặt và giá trị dao động của hệ thống Lưu ý là công dụng của giải thuật PID trong điều khiển không đảm bảo tính tối ưu hoặc ổn định cho hệ thống Vài ứng dụng có thể yêu cầu chỉ sử dụng một hoặc hai khâu tùy theo hệ thống Điều này đạt được bằng cách thiết đặt độ lợi của các đầu ra không mong muốn về 0 Một bộ điều khiển PID sẽ được gọi là bộ điều khiển PI, PD, P hoặc I nếu vắng mặt các tác động bị khuyết Bộ điều khiển PI khá phổ biến, do đáp ứng vi phân khá nhạy đối với các nhiễu đo lường, trái lại nếu thiếu giá trị tích phân có thể khiến hệ thống không đạt được giá trị mong muốn

2.2.1 Khâu t ỉ lệ:

Hình 2 2 Đáp ứng khâu tỉ lệ Kp Khâu tỉ 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 Kp, được gọi là độ lợi tỉ lệ

Khâu tỉ lệ được cho bởi:

Pout = Kp e(t) trong đó:

Pout: Thừa số tỉ lệ của đầu ra

Kp: 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 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 Khâu tích phân:

Phân phối của khâu tích phân (đôi khi còn gọi là reset) tỉ lệ thuận với cả biên độ sai số lẫn quảng thời gian xảy ra sai số Tổng sai số tức thời theo thời gian (tích phân sai số) cho ta tích lũy bù đã được hiệu chỉnh trước đó Tích lũy sai số sau đó được nhân với độ lợi tích phân và cộng với tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển Biên độ phân

phối của khâu tích phân trên tất cả tác động điều chỉnh được xác định bởi độ lợi tích phân, Ki

Hình 2 3 Đáp ứng khâu tỉ lệ Ki

Thừa số tích phân được cho bởi:

Iout = Ki∫ 𝑒(𝜏𝑜𝑡 )𝑑𝜏 Trong đó:

I out: 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: 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)

2.2.3 Khâu vi phân:

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 Kd Biên bộ của phân phối khâu vi phân (đôi khi được gọi là tốc độ) trên tất cả các hành vi điều khiển được giới hạn bởi độ lợi vi phân Kd

Thừa số vi phân được cho bởi: Dout = Kd d

Trong đó:

Dout: Thừa số vi phân của đầu ra

kd: Độ lợi vi phân, một thông số điều chỉnh

e: Sai số = SP - PV

t: Thời gian hoặc thời gian tức thời (hiện tại) Khâu vi phân làm chậm tốc độ thay đổi của đầu ra bộ điều khiển và đặc tính này là đang 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

Hình 2 4 Đáp ứng khâu tỉ lệ Kd

Tổng kết:

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:

𝑢(𝑡) = 𝑀𝑉(𝑡) = 𝐾𝑝𝑒(𝑡) + 𝐾𝑖� 𝑒(τ)dτ + 𝐾𝑡 𝑑𝑑𝑡 𝑒(𝑡) 𝑑

0

Trong đó các thông số điều chỉnh theo bảng dưới đây:

B ảng 2 1 Đáp ứng điều chỉnh khi tăng các thông số PID

Đáp ứng vòng

kín

Th ời gian lên V ọt lố Th ời gian xác lập Sai s ố xác lập

KD Thay đổi nhỏ Giảm Giảm Thay đổi nhỏ

Chỉnh định tham số bộ điều khiển PID:

Do từng thành phần của bộ PID có những ưu nhược điểm khác nhau, và không

thể đồng thời đạt được tất cả các chỉ tiêu chất lượng một cách tối ưu, nên cần lựa chọn,

thỏa hiệp giữa các yêu cầu chất lượng và mục đích điều khiển Việc lựa chọn tham số cho bộ điều khiển PID cũng phụ thuộc vào đối tượng điều khiển và các phương pháp xác định thông số Tuy nhiên kinh nghiệm cũng là một yếu tố quan trọng trong khâu

này

Có nhiều phương pháp để lựa chọn tham số cho bộ điều khiển PID Ở đây chỉ trình bày về hai phương pháp phổ biến hay được dùng, đó là phương pháp Ziegler – Nichols và phương pháp thử sai

Phương pháp Ziegler-Nichols:

Ziegler và Nichols đưa ra hai phương pháp thực nghiệm để xác định tham số bộ điều khiển PID Phương pháp thứ nhất dùng mô hình quán tính bậc nhất của đối tượng

điều khiển Phương pháp thứ hai không cần đến mô hình toán học của đối tượng nhưng chỉ áp dụng cho một số đối tượng nhất định

Phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất:

Xác định thông số của bộ điều khiển PID dựa vào đáp ứng của hệ hở:

Hình 2 5 Sơ đồ khối của hệ hở

Phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai:

Phương pháp này thay bộ điều khiển PID trọng hệ kín bằng bộ khuếch đại, sau

đó tang K cho đến khi hệ nằm ở biên giới ổn định, tức là hệ kín trở thành khâu dao động điều hòa Lúc này ta có Kgh và chu kì của dao động đó là Tgh

Hình 2 7 Sơ Đồ khối của hệ kín

Hình 2 8 Đáp ứng của hệ kín

Tham số cho bộ điều khiển PID chọn theo bảng sau:

B ảng 2 3 Bộ Thông số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai

• Chọn Kp trước: thử bộ điều khiển P với đối tượng, điều chỉnh Kp sao cho thời gian đáp ứng đủ nhanh, chấp nhận vọt lố nhỏ

• Thêm thành phần Kd để loại vọt lố, tăng Kd từ từ, thử nghiệm và chọn giá trị thích hợp Sai số xác lập có thể sẽ xuất hiện

• Thêm thành phần Ki để giảm sai số xác lập Nên tăng Ki từ bé đến lớn để giảm sai số xác lập đồng thời không để cho vọt lố xuất hiện trở lại

2.2.4 Phương trình động học của hệ thống

Sơ đồ bồn chứa nước một đầu vào – một đầu ra (SISO) được cho trên hình 2.9

Lưu lượng nước thay đổi Q (t) bơm vào bể; Lưu lượng nước 1 Q (t) dẫn ra khỏi bể qua 2

van xả có thiết diện ngang a đặt gần đáy bể; V(t), H(t) – thể tích và mức nước trong bể

Ở trạng thái cân bằng động Q (t)1 =Q (t)2 , mức nước trong bể H(t) không thay đổi Sự thay đổi lưu lượng dòng vào Q (t) 1 và lưu lượng dòng ra Q (t) s2 ẽ ảnh hướng đến thể tích chất lỏng V(t) trong bể, tức mức nước H(t) trong bể thay đổi theo

Hình 2 9 Mô ph ỏng bồn nước

Giả sử rằng thiết diện ngang S của bể là không đổi, phương trình cân bằng khối

lượng viết cho bể 2.9 có dạng:

Biểu diễn H(t) = H0+ ∆H(t); trong đó Q1=Q10 + ∆Q (t)1 trong đó H0 là giá trị định

mức của nước trong bể, Q10 là thành phần không đổi, ứng với trạng thái xác lập, H(t)∆

và ∆Q (t)1 - các thành phần thay đổi của mức nước và lưu lượng dòng vào

Do thành phần Q (t)2 =a 2gH(t)không tuyến tính hay phi tuyến Nên ta cần tuyến tính hóa nó, bằng cách phân tích thành chuỗi Taylor và bỏ qua số hạng dư bậc cao, ta có phương trình

(1.3)

Giả thiết rằng thành phần thay đổi của điện áp cấp vào động cơ

∆𝑄1(𝑡) = 𝑘 𝑢(𝑡) Trong đó k – hệ số tỷ lệ Thay giá trị của ∆Q (t)1 vào phương trình (1.1) ta có

𝑆𝑑∆𝐻(𝑡)𝑑𝑡 = 𝑘𝑢(𝑡) − 𝑎�2𝐻𝑔0 ∆𝐻(𝑡) (1.4) Đặt x(t) = H(t)∆ - đại lượng ra, ta có phương trình động học của hệ thống:

S T

g a H

Vậy ta có dạng phương trình động học của hệ thống:

(t)

(t) u(t)+ =

Lấy ảnh Laplace hai vế phương trình (1.8) ta cóL{(Tp+1)x(t)}=L{Ku(t)}, với điều kiện không ban đầu cho trước x(0)=0, ta có:

trong đó, X(s)=L{x(t)}, U(s)=L{u(t)}

Vậy ta thu được hàm truyền ở dạng ảnh Laplace như sau:

X(s) KW(s)

KH(s)

2.3 Pin năng lượng Mặt Trời

Hệ thống pin năng lượng mặt trời thường được lắp đặt trên các mái nhà hoặc ở các bãi đất trống hay những vùng đất hoang mạc lớn, nơi có thời gian chiếu sáng nhiều trong ngày

2.4 Điều khiển động cơ bước step

Hình 2 11 Động cơ bước

2.4.1 Phân lo ại theo rotor của động cơ bước

• Loại 1: động cơ bước có rotor được tác động bằng dây quấn hoặc nam châm vĩnh cữu

• Loại 2: động cơ bước có rotor không được tác động nhưng có phần từ cảm ứng,

phản kháng – còn gọi là động cơ bước thay đổi từ trở

• Loại 3: động cơ bước có cấu tạo rotor kết hợp cả 2 loại trên

2.4.2 Phân lo ại theo cực của động cơ bước

• Loại 1: động cơ bước đơn cực, có thể bao gồm cả động cơ bước loại nam châm vĩnh cửu hoặc động cơ bước loại hỗn hợp Nhưng ở các cuộn dây luôn có đầu trung tâm được nối ra từ chính giữa mỗi cuộn dây

Hình 2 12 Động cơ bước đơn cực

• Loại 2: động cơ bước lưỡng cực, có thể bao gồm cả động cơ bước loại nam châm vĩnh cửu hoặc động cơ bước loại biến từ trở Nhưng ở các cuộn dây sẽ không có đầu dây nối ra từ trung tâm

Hình 2 13 Động cơ bước lưỡng cực

2.4.3 Phân lo ại theo số pha của động cơ

• Loại 1: động cơ bước 2 pha, là loại động cơ bước 4 dây, động cơ bước 6 dây

hoặc động cơ bước 8 dây

• Loại 2: động cơ bước 3 pha, là loại động cơ bước 3 dây hoặc động cơ bước 4 dây

• Loại 3: động cơ bước 5 pha, là loại động cơ bước có 5 dây hoặc động cơ bước

10 dây

2.4.4 Cách điều khiển động cơ step

Trường hợp động cơ bước chỉ cần chạy ở tốc độ thấp: sử dụng phương pháp điều khiển cấp điện áp trực tiếp, chính nội trở cuộn dây của động cơ sẽ tạo ra một dòng điện và giới hạn dòng điện này phụ thuộc vào điện áp cấp trực tiếp cho động cơ bước

Trường hợp động cơ bước chạy ở tốc độ cao: nếu tiếp tục sử dụng phương pháp

cấp điện áp trực tiếp thì lực kéo (moment) sẽ bị giảm nghiêm trọng vì đặc tuyến cảm

của cuộn dây sẽ kìm hãm khả năng của dòng điện

Một thực tế ở cách điều khiển động cơ bước bằng cách cấp điện trực tiếp sẽ làm cho động cơ và mạch điều khiển động cơ bước rất nóng

Trường hợp cần cải thiện và nâng cao hiệu suất của động cơ ở tốc độ thấp và

cần tăng tốc độ cao thì nên sử dụng phương pháp điều khiển băm xung Cách điều khiển động cơ bước dựa vào băm xung nhằm duy trì tần số không đổi, theo nguyên tắc

duy trì dòng điện qua các cuộn dây của động cơ không đổi với mọi cấp độ Cách điều khiển này còn gọi là điều khiển theo dòng điện

Thực tế điều khiển cho thấy, cách điều khiển động cơ bước bằng cách băm xung sẽ giúp cho động cơ bước chạy mạnh hơn, êm hơn, và ít nóng hơn

Hình 2 14 P hương pháp điều khiển động cơ bước bằng cách băm xung

CHƯƠNG 3 GIỚI THIỆU VỀ LABVIEW

3.1 Gi ới thiệu LabView

LabView (Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench) là một

phần mềm máy tính được phát triển bởi National Instruments LabView dùng trong

hầu hết các phòng thí nghiệm, lĩnh vực khoa học kỹ thuật như tự động hóa, điều khiển, điện tử, cơ điện tử, hàng không, hóa sinh, điện tử y sinh ở các nước đặc biệt là Mỹ, Hàn quốc, Nhật Bản

3.1.1 LabView là gì

Ngôn ngữ lưu đồ đồ họa của LabView hấp dẫn các kỹ sư và nhà khoa học trên toàn thế giới như một phương pháp trực giác hơn trong việc tự động hóa các hệ thống

đo lường và điều khiển Ngôn ngữ lưu đồ kết hợp với I/O gắn liền và điều khiển giao

diện người sử dụng tương tác cùng đèn chỉ báo làm cho LabView trở thành một sự lựa

chọn lý tưởng cho kĩ sư và nhà khoa học

3.1.2 Các kh ả năng chính của LabView

LabView được biết đến như là một ngôn ngữ lập trình với khái niệm hoàn toàn khác so với các ngôn ngữ lập trình truyền thống như ngôn ngữ C, Pascal Bằng cách

diễn đạt cú pháp thông qua các hình ảnh trực quan trong môi trường soạn thảo, LabView đã được gọi với tên khác là lập trình G (viết tắt của Graphical) Hiện tại ngoài phiên bản LabView cho các hệ điều hành Window, Linux, hãng NI đã phát triển các module LabView cho máy hỗ trợ cá nhân (PDA)

3.1.3 Môi trường phát triển LabView

Phát triển nhanh với công nghệ Express: sử dụng Express VIs và I/O nhanh chóng tạo ra các ứng dụng đo lường phổ biến mà không cần lập trình Hàng nghìn chương trình minh họa, kiểu module và phân cấp, trợ giúp tích hợp, thư viện giao diện người sử dụng kéo và thả hàng nghìn chức năng lập sẵn, ngôn ngữ được biên dịch để

thực hiện nhanh hơn Đến phát triển lớn, theo hướng nhóm (team-oriented): ngôn ngữ

mở, gỡ rối bằng đồ họa tích hợp, phân phối ứng dụng đơn giản, nhiều công cụ phát triển cấp cao, công cụ phát triển nhóm, điều khiển mã nguồn, quản lý đích Thu thập, phân tích và hiển thị lập sẵn Thu thập: môi trường LabView mở tương thích với mọi

phần cứng đo với các trợ giúp tương tác, tạo mã nguồn và khả năng kết nối tới hầu hết

mọi thiết bị đo, nên bạn có thể dễ dàng kết hợp những ứng dụng LabView mới vào các

hệ thống hiện tại Bất chấp mọi yêu cầu của phần cứng, LabView cung cấp một giao

diện để kết nối tới I/O một cách dễ dàng

3.1.4 Các tín hi ệu đo được với LabView

Nhiệt độ, sức căng, độ rung, âm thanh, điện áp, dòng, tần số, ánh sáng, điện trở, xung, thời gian (giai đoạn), tín hiệu số, thu thập tín hiệu từ các thiết bị bên ngoài như

cảm biến nhiệt độ, hình ảnh từ webcam, vận tốc của động cơ,

3.1.5 Phân tích

Tính năng phân tích mạnh mẽ, dễ sử dụng là điều không thể thiếu cho ứng dụng

phần mềm LabView có hơn 500 chức năng lập sẵn để trích xuất thông tin hữu ích từ

dữ liệu thu nhận được, phân tích các phép đo và xử lý tín hiệu Các chức năng phân tích tần số, phát tín hiệu, toán học, chỉnh lý đường cong, phép nội suy cho phép bạn

nhận được số liệu thống kê quan trọng từ dữ liệu của mình Dù thuật toán cơ bản có

phức tạp đến đâu đi nữa thì công cụ phân tích LabView vẫn rất dễ sử dụng Hơn 15 Express VIs làm giảm độ phức tạp của việc phân tích phép đo trong ứng dụng của bạn qua hộp thoại cấu hình tương tác để xem trước kết quả phân tích Mô phỏng và xử lý các tín hiệu thu nhận được để phục vụ các mục đích nghiên cứu hay mục đích của hệ

thống mà người lập trình mong muốn

3.1.6 Hi ển thị

Xây dựng các giao diện người dùng một cách nhanh chóng và thẩm mỹ hơn nhiều so với các ngôn ngữ khác như Visual Basic, Matlab Hiện thị dữ liệu bao gồm các chức năng: trực quan, tạo báo cáo và quản lý dữ liệu LabView bao gồm các công

cụ trực quan giúp hiển thị dữ liệu hấp dẫn, trong đó có các tiện ích vẽ biểu đồ và đồ thị cùng các công cụ trực quan 2D,3D cài sẵn Người sử dụng có thể nhanh chóng cấu hình lại các thuộc tính của phần hiển thị như màu sắc, kích cỡ phông, kiểu đồ thị , phóng to thu nhỏ và quay quét (pan) đồ thị khi đang chạy Thêm vào đó, ta có thể xem

và điều khiển VIs qua Internet bằng LabView Đối với việc tạo báo cáo, NI cung cấp

một số tùy chọn như công cụ tạo tài liệu, báo cáo dạng HTML, báo cáo dạng Word/Excel và báo cáo tương tác với NI DIA

3.1.7 Điều khiển

LabView đã tích hợp nhiều công cụ và tính năng hơn giúp kỹ sư điều khiển tự động dễ dàng thực hiện các bài toán về điều khiển Cho phép thực hiện các thuật toán điều khiển như PID, Logic mờ (Fuzzy), một cách nhanh chóng thông qua các chức

năng tích hợp sẵn trong LabView Cho phép kết hợp với nhiều ngôn ngữ truyền thống như C, C++

3.1.8 Giao ti ếp với thiết bị ngoại vi

Giao tiếp với các thiết bị ngoại vi thông qua nhiều chuẩn giao tiếp thông qua các cổng giao tiếp: RS232, RS485, USB, PCI, Enthernet

Hình 3 1 Giao ti ếp Labview với thiết bị ngoại vi

3.2 Nh ững khái niệm cơ bản của LabView

3.2.1 VI (Vitual Instrument) Thi ết bị ảo

Lập trình LabView được thực hiện trên cơ sở là các thiết bị ảo (VI) Các đối tượng trong các thiết bị ảo được sử dụng để mô phỏng các thiết bị thực, nhưng chúng được thêm vào bởi phần mềm Các VI tương tự như các hàm trong lập trình bằng ngôn

ngữ

3.2.2 Front Panel

Front panel là một panel tương tự như panel của thiết bị thực tế Ví dụ các nút

bấm, nút bật, các đồ thị và các bộ điều khiển Từ Front Panel người dùng chạy và quan sát kết quả có thể dùng chuột, bàn phím để đưa dữ liệu vào sau đó cho chương trình

chạy và quan sát Front Panel thường gồm các bộ điều khiển (Control) và các bộ hiển

thị (Indicator) Control là các đối tượng được đặt trên Front Panel để cung cấp dữ liệu cho chương trình Nó tương tự như đầu vào cung cấp dữ liệu Indicator là đối tượng được đặt trên Front Panel dùng để hiện thị kết quả, nó tương tự như bộ phận đầu ra của chương trình

cuối chỉ mất đi sau khi loại bỏ đối tượng tương ứng trên Front panel Cấu trúc của một Block Diagram gồm các thiết bị đầu cuối (Terminal), nút (Node) và các dây nối (wire)

Hình 3 3 Block Diagram

3.3 L ập trình trên LabView

3.3.1 Kh ởi tạo chương trình

LabView có hải cửa sổ là bảng giao diện (front panel), sơ đồ khối (block diagram) Người dùng thao tác trên cả hai cửa sổ trên Giao diện của Front Panel giống như giao diện sử dụng của các thiết bị vật lý, Front Panel chủ yếu là một tổ hợp các Control và Indicator Control mô phỏng các thiết bị đầu vào của máy và cung cấp dữ

liệu cho Block Diagram Indicator mô phỏng các thiết bị đầu ra của máy để hiện thị các dữ liệu thu được hay được phát ra từ Block Diagram của VI Có thể đặt các Control hay Indicator lên Front Panel thông qua bảng Control Cửa sổ Diagram có các Block Diagram của VI là mã nguồn cho đồ họa VI Xây dụng Block Diagram bằng cách nối với nhau các đối tượng gửi hay nhận dữ liệu, thực hiện các hàm cụ thể, điều khiển quá trình truyền Phần Diagram thể hiện những đối tượng chính của chương trình: các Node, Terminal và dây nối Để khởi tạo một chương trình trong LabView ta

có thực hiện như sau: chọn File, lựa chọn NEW VI, đây là cách nhanh chóng và dễ

thao tác nhất, khi đó sẽ xuất hiện đồng thời hai cửa sổ Front Panel và Block Diagram, khi đó ta sẽ thao tác trên hai cửa sổ trên để lập trình hoặc giải quyết các yêu cầu bài toán

3.3.2 Các công c ụ lập trình

Các công cụ lập trình trên LabView bao gồm các công cụ để tạo ra các thiết bị

ảo Nó gồm các công cụ trong bảng giảo diện và các công cụ trong sơ đồ khối

Tools Palette là một bảng mà ta có thể sử dụng để soạn thảo và gỡ lỗi các VI

Ta sử dụng phím <TAB> tới bảng thông qua các công cụ sử dụng thông thường trên

bảng mẫu Nếu Tools Palette không xuất hiện, ta chọn View >> Show Tools Palette

để hiển thị

Hình 3 4 Bảng công cụ

Bảng điều khiển (Controls Palette) bao gồm một đồ thị, bảng nổi và tự động mở

ra khi khởi động LabView Ta sử dụng bảng này để dặt các điều khiển và các dụng cụ

chỉ thị trên bảng giao diện của một VI Mỗi biểu tượng lớp trên chứa đựng các bảng

mẫu con Nếu Controls Palette không xuất hiện, ta có thể mở bằng cách chọn View >> Show Controls Palette từ menu của bảng giao diện

Hình 3 5 B ảng điều khiển Các điều khiển và dụng cụ chỉ thị số (Numeric Controls and Indicator) Hai đối tượng số được sử dụng thông dụng nhất đó là Digital Control – điều khiển số và Digital Indicator – chỉ thị số