(Đồ án tốt nghiệp) thiết kế bộ điều khiển vị trí động cơ DC SERVO giao tiếp HMI

Để ảm bảo chính xácchuyển ộng bàn máy, tín hiệu phản hồi phải ược cấp liên tục cho mạch iều khiển.Trong công nghiệp thiết bị mạch phản hồi của ộng cơ Servo DC thường sử dụng là cảm biến

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ

THUẬT TP.HCM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ

DC SERVO - GIAO TIẾP HMI (PHỤC VỤ VHO

GIẢNG DẠY)

GVHD: ThS DƯƠNG THẾ PHONG SVTH: HUỲNH VIỆT LUÂN

MSSV: 11146064 SVTH: PHẠM VIỆT TRÌNH MSSV: 11146126

SKL004166

Tp Hồ Chí Minh, tháng 1/2016

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ DC

SERVO - GIAO TIẾP HMI (phục vụ cho giảng dạy)

SVTH : HUỲNH VIỆT LUÂNMSSV : 11146064

SVTH : PHẠM VIỆT TRÌNH MSSV : 11146126

GVHD: Ths DƯƠNG THẾ PHONG

Tp Hồ Chí Minh, tháng 1 năm 2016

i

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Giảng viên hướng dẫn: DƯƠNG THẾ PHONG

Ng y nhận ề tài:

MSSV: 11146064MSSV: 11146126Lớp: 111462ĐT: 0942558992Ngày nộp ề tài:

TRÍ ĐỘNG CƠ DC SERVO - GIAO

TIẾP HMI( phục vụ cho giảng dạy)

2 Các số liệu, tài liệu ban ầu: Tham khảo

các hệ thống, ề tài, mô hình từ các khóa

trước ể lại

3 Nội dung thực hiện ề t i:

 Thiết kế, thi công panel iều khiển

arduino ể iều khiển ộng cơ DC

4 Sản phẩm: Mô hình Panel iều khiển

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

*** PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Ngành: Công nghệ kỹ thuật Cơ Điện Tử

TIẾP HMI( phục vụ cho giảng dạy)

Họ v tên Giáo viên hướng dẫn: DƯƠNG THẾ PHONG

NHẬN XÉT

1 Về nội dung ề tài & khối lượng thực hiện:

2 Ưu iểm:

3 Khuyết iểm:

4 Đề nghị cho bảo vệ hay không?

T.p Hồ Chí Minh ngày tháng năm 20…

Giáo viên hướng dẫn (Ký & ghi rõ họ tên)

iii

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

*** PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ và tên Sinh viên:HUỲNH VIỆT LUÂN MSSV: 11146064 PHẠM VIỆT TRÌNH MSSV: 11146126 Ngành: Công nghệ kỹ thuật Cơ Điện Tử Tên ề tài: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ DC SERVO - GIAO TIẾP HMI( phục vụ cho giảng dạy) Họ và tên Giáo viên phản biện: NGUYỄN MINH KHAI NHẬN XÉT 1 Về nội dung ề tài & khối lƣợng thực hiện:

2 Ƣu iểm:

3 Khuyết iểm:

4 Đề nghị cho bảo vệ hay không?

5 Đánh giá loại:

6 Điểm:……….(Bằng chữ: )

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20…

LỜI CẢM ƠN

Lời ầu tiên chúng tôi xin chân thành cảm ơn ến quý Thầy, Cô trường Đại Học

Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, những người ã trực tiếp giảng dạy,truyền ạt không chỉ những kiến thức chuyên ngành bổ ích mà còn là những kiến thức

xã hội quý báu Đó chính là những nền tảng cơ bản, là những hành trang vô cùng quýgiá, l bước ầu tiên cho chúng tôi bước vào sự nghiệp sau n y trong tương lai Cùngvới ó l sự hỗ trợ ầy ủ về cơ sở vật chất cũng như môi trường nghiên cứu ã tạo

iều kiện cho chúng tôi mở mang kiến thức và có góc nhìn mới về khoa học kỹ thuật

Đề t i ược hoàn thành là nhờ sự hỗ trợ rất lớn từ giáo viên hướng dẫn Chúngtôi xin gởi lời cám ơn chân th nh nhất ến thầy Ths.Dương Thế Phong, giảng viên Bộmôn Cơ iện tử, khoa Cơ khí chế tạo máy, trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật ThànhPhố Hồ Chí Minh Người ã tận tình quan tâm, giúp ỡ chúng tôi trong thời gian qua,giải áp những thắc mắc v hướng dẫn cho chúng tôi những kiến thức lý thuyết cũngnhư hỗ trợ thiết bị kỹ thuật, khuyến khích chúng tôi những lúc gặp khó khăn trongquá trình thực hiện ề tài

Đồng thời chúng tôi cũng gửi lời cảm ơn tới tập thể kĩ thuật viên của công ty Tựộng hóa S5 ã tận tình giúp ỡ, hỗ trợ kiến thức chuyên môn ể chúng tôi hoàn thành ề ti

Chúng con xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc ến ba mẹ ã luôn bên cạnh, hỗ trợ,ộng viên, khuyến khích chúng con ho n th nh ề tài này

Xin cảm ơn tất cả bạn bè, những người ã ồng hành cùng tôi trong suốt quãngường ại học cũng như trong suốt thời gian thực hiện ề tài

Tp Hồ Chí Minh, ng y tháng năm 2016

Người thực hiệnHuỳnh Việt LuânPhạm Việt Trình

v

TÓM TẮT ĐỀ TÀI

Hiện nay, cùng với sự phát triển công nghệ kỹ thuật là sự ra ời của hàng loạtsản phẩm tự ộng hóa nhằm áp ứng nhu cầu ng y c ng tăng của thị trường Sản phẩm tựộng hóa ngày một cải tiến ể cải thiện hiệu quả trong lao ộng, thông qua những hệthống thông minh tiện lợi v tương tác hiệu quả với người dùng Việc tạo ra một thiết

bị có thể cùng một lúc sử dụng thiết bị iều khiển thông minh PLC, giám sát, giao tiếpược với người dùng thông qua HMI xử lý và vận h nh cơ cấu áp ứng là

một b i toán áng ược quan tâm Ngoài việc tạo ra một bộ iều khiển thông minh, thìviệc thiết kế, lắp ặt ể các thiết bị thành một khối thống nhất, hoàn chỉnh dễ sử dụngcũng góp phần l m nên ưu iểm cho một sản phẩm công nghệ Vì vậy, thiết kế và chếtạo một Panel iều khiển thông minh sẽ giúp giải quyết ược vấn ế trên

Trong phạm vi ề tài này, chúng tôi sẽ cung cấp những cơ sở lý thuyết cần có, ồng thời

trình bày các giải thuật v phương án thiết kế thi công cho một “Panel điều khiển

động cơ DC servo” Đồ án này ngoài việc ứng dụng trong công tác giảng dạy và

nghiên cứu trong môi trường ại học, còn có thể ứng dụng ể iều khiển tốc ộ và

vị trí của ộng cơ công suất lớn hơn trong công nghiệp

Currently, along with the development of digital technology, a series ofautomatic products “have been born” to meet the needs of growing market They areincreasingly innovated to improve labor efficiency through a system that is soconvenient, intelligent and effectively interacts with users The creation of a devicethat can simultaneously use intelligent control equipment PLC, surveillance, evencommunicate with the users through the HMI processing and operational structure issuch a concerned problem Besides creating an intelligent controller, designing andinstalling equipments to form them into a united, completed, and easy for using alsocontribute to advantages of technology products Therefore, designing andmanufacturing a smart control panel will help solve this problem

Within the scope of this topic, we will provide the required theoretical basis

and also present the algorithms and design options for the construction of a "Panel

DC servo motor control." This project is applied for not only teaching and

researching in university environment but also for speed and position controlling ofthe larger industrial capacity engine

vii

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN v

TÓM TẮT ĐỀ TÀI vi

ABSTRACT vii

MỤC LỤC viii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT x

DANH MỤC HÌNH ẢNH xi

DANH MỤC BẢNG BIỂU xiii

Chương 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Đặt vấn ề: 1

1.2 Lý do chọn ề tài: 1

1.3 Mục tiêu ề tài: 1

1.4 Giới hạn ề tài: 1

1.5 Tình hình nghiên cứu: 2

1.6 Ý nghĩa thực tiễn: 2

1.7 Mô tả hệ thống: 2

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

2.1 LÝ THUYẾT VỀ ĐỘNG CƠ: 4

2.1.1 Động cơ bước 4

2.1.2 Động cơ servo 9

2.2 CÁC GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ 14

2.2.1 Điều khiển ON/OFF: 14

2.2.2 Điều khiển mờ(fuzzy): 14

2.2.3 Bộ iều khiển PID: 16

Chương 3: THIẾT KẾ - THI CÔNG PANEL ĐIỀU KHIỂN 25

3.1 Thiết kế Panel iều khiển: 25

3.2 Thi công – lắp ặt các thiết bị kĩ thuật vào hệ thống: 25

3.2.1 Thông số các thiết bị ược sử dụng: 25

3.2.2 Thi công Panel iều khiển 31

Chương 4: GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN - LẬP TRÌNH PHẦN MỀM 32

4.1 Hệ thống iều khiển: 32

4.1.1 Sơ ồ các khối iều khiển: 32

4.1.2 Chức năng từng khối: 32

4.1.3 Giải thuật iều khiển: 33

4.2 Lập trình phần mềm: 37

4.2.1 STEP 7-micro/WIN: 37

4.2.2 Touchwin Edit Tool: 40

4.2.3 Arduino Software (IDE): 40

Chương 5: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 43

5.1 Thực nghiệm và chạy thử: 43

5.2 Kết quả: 46

5.3 Kết luận: 46

5.4 Hướng phát triển: 47

TÀI LIỆU THAM KHẢO 48

PHỤ LỤC 49

Phụ lục A: Chương trình iều khiển trong STEP 7-micro/WIN 49

Phụ lục B: Thiết kế giao diện HMI trên Touchwin Edit Tool 51

Phụ lục C: Chương trình cho VĐK Arduino Mega 2560 56

Phụ lục D: Bản thiết kế Panel iều khiển 62

Phụ lục E: Nguyên tắc hoạt ộng của Encoder 67

ix

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

PWM: Pulse Width Modulation.

PLC: Programmable Logic

HMI: Human Machine Interface

IDE: Integrated Development Environment

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1 Động cơ bước 4

Hình 2.2 Các bộ phận cấu th nh nên ộng cơ bước 5

Hình 2.3 Động cơ bước trở từ 5

Hình 2.4 Động cơ bước nam châm vĩnh cửu 6

Hình 2.5 Động cơ bước lai 6

Hình 2.6 Sơ ồ quấn dây lưỡng cực 7

Hình 2.7 Ký hiệu trên sơ ồ nguyên lý 7

Hình 2.8 Sơ ồ quấn dây ơn cực 8

Hình 2.9 Ký hiệu trên sơ ồ nguyên lý 8

Hình 2.10 Ký hiệu ộng cơ bước a năng trên sơ ồ nguyên lý 8

Hình 2.11 Động cơ servo 10

Hình 2.12 Cấu tạo ộng cơ Servo DC chổi than 11

Hình 2.13 Vectơ từ trường cố ịnh vectơ dòng v momen ộng cơ 11

Hình 2.14 Sơ ồ khối của hệ iều khiển ộng cơ DC 12

Hình 2.15 Động cơ AC servo 13

Hình 2.16 Sơ ồ iều khiển tốc ộ ộng cơ AC 13

Hình 2.17 Cấu trúc bộ iều khiển mờ 14

Hình 2.18 Nguyên lý iều khiển mờ 15

Hình 2.19 Sơ ồ khối của bộ iều khiển PID 17

Hình 2.20 Xấp xỉ ạo hàm của biến sai số e 23

Hình 2.21 Xấp xỉ tích phân của biến sai số e 24

Hình 3.1 PLC S7-200 CPU 222 26

Hình 3.2 HMI Touchwin 765TH-M 27

Hình 3.3 Arduino Mega 2560 28

Hình 3.4 Linh kiện của Arduino Mega 2560 29

Hình 3.5 Mạch cầu H 29

Hình 3.6 Động cơ DC Servo 30

Hình 3.7 Các thiết bị ược lắp ặt trong Panel 31

Hình 4.1 Sơ ồ khối bộ iều khiển 32

Hình 4.2 Giao diện dò tìm PID 33

Hình 4.3 Lưu ồ thuật toán PID 34

Hình 4.4 Xác ịnh hệ số khuếch ại tới hạn 34

Hình 4.5 Xung 2 kênh A và B 36

Hình 4.6 Bánh răng mô tơ pulley GT2 37

Hình 4.7 Truyền nhận dữ liệu giữa PLC và HMI 39

Hình 4.8 C i ặt cho HMI 39

Hình 4.9 Giao diện của HMI 40

Hình 4.10 Sketch 41

Hình 4.11 Chu trình hoạt ộng của Arduino 42

xi

Hình B.1 Khởi tạo dự án 52

Hình B.2 Chọn thiết bị sử dụng 52

Hình B.3 Giao diện thiết kế 53

Hình B.4 Đặt tên cho dự án 53

Hình B.5 C i ặt các thông số cho HMI 54

Hình B.6 Thiết lập nút nhấn 54

Hình B.7 Thiết lập ô nhập tốc ộ và vị trí 55

Hình B.8 Thiết lập các Label 55

Hình E 0.1 Optical Encoder 67

Hình E 0.2 Hai kênh A và B lệch pha trong encoder 68

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Các phương pháp thiết kế bộ iều khiển PID 20

Bảng 2.2 Ảnh hưởng của mỗi bộ iều khiển KP, KI và KD. 21

Bảng 3.1 Thông số cơ bản v ặc iểm kỹ thuật của PLC S7-200 26

Bảng 3.2 Các thông số cơ bản của HMI Touchwin 765TH-M 28

Bảng 4.1 Thông số bộ iều khiển theo thực nghiệm 35

Bảng 5.1 Giá trị các thông số thực nghiệm: 43

Bảng 5.2 Giá trị các thông số thực nghiệm: 44

Bảng 5.3 Giá trị các thông số thực nghiệm: 45

xiii

Chương 1: TỔNG QUAN1.1 Đặt vấn đề:

Trong bối cảnh hiện nay, nền công nghiệp và sản phẩm tự ộng hóa ngày càng phát triển mạnh mẽ và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực Các sản phẩm tự ộnghóa ng y c ng thông minh hơn, hiểu quả hơn v hết sức tiện lợi cho người sử dụng Nhưvậy, ngoài việc ưa ra những giải thuật tối ưu cho sản phẩm, nhà sản xuất còn

phải thiết kế ra một giao diện hay Panel iều khiển ẹp, tiện lợi, dễ sử dụng ể phát huy tốt nhất ưu iểm của sản phẩm công nghệ của mình

Trên thực tế, tất cả những hệ thống – dây chuyền sản xuất ều ược vận hành từ những bộ iều khiển thông minh, hiện ại v tương tác với người dùng một cách trực

quan Mặc dù vậy, việc nghiên cứu và thiết kế nên những bộ iều khiển như vậy còn có nhiều hạn chế Đặc biệt l khá khó khăn với những sinh viên còn trên ghế nhà trường, chưa có nhiều cơ hội làm quen với các thiết bị công nghiệp như PLC, HMI, v các giải thuật iều khiển

1.2 Lý do chọn đề tài:

Những hệ thống tự ộng hóa nói chung và các sản phẩm ơn lẻ nói riêng ềucần có những cách vận h nh v iều khiển tương ứng Một trong những vấn ề cơ bảncủa iều khiển l iều khiển ược tốc ộ và vị trí của ộng cơ Ngoài ra, những dâychuyền sản xuất của nước ta thường ược iều khiển, giám sát bằng HMI ồng thờikết nối và truyên nhận dữ liệu qua PLC cũng l vấn ề rất quan trọng

Không những vậy, thiết kế ược bộ iều khiển ộng cơ cũng giúp ích cho việcnghiên cứu, dạy và học cho cả giảng viên lẫn sinh viên trong quá trình giảng dạy Vìvậy nhóm quyết ịnh chọ ề t i: “THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ DCSERVO – GIAO TIẾP HMI( phục vụ cho giảng dạy)” ể l m ề tài nghiên cứu và thicông cho ồ án tốt nghiệp năm nay

1.3 Mục tiêu đề tài:

Đề t i ược thực hiện với những mục tiêu sau:

 Thiết kế, iều khiển ộng cơ DC servo.

 Thiết kế thi công panel iều khiển.

 Tìm các thông số PID.

 Thiết kế giao diện iều khiển trên HMI

1.4 Giới hạn đề tài:

Trong thực tế nền sản xuất, “THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC

SERVO” nói riêng v lĩnh vực thiết kế, thi công tủ iện công nghiệp nói chung òi hỏi kiến thức tổng hợp từ các ngh nh cơ iện tử, iện- iện tử, công nghệ thông tin,… Đề tài của chúng tôi chỉ tập trung nghiên cứu những vấn ề cơ bản sau:  Thiết kế, thi công Panel iều khiển

 Điều khiển vị trí ộng cơ v tìm các thông số KP, KD, KI

 Xây dựng giao diện trên HMI.

1.5 Tình hình nghiên cứu:

Trên thực tế, sau khi chọn và quyết ịnh phát triển ề tại, nhóm cũng có gặp nhiềutrở ngại Về chủ quan, kiến thức có hạn cũng như những tài liệu tham khảo còn hạnchế làm cho thời gian nghiên cứu và thì công kéo dài Về khách quan, một số thiết

bị khá mới lạ, chưa ược học hỏi trong chương trình, cùng với ó l giá cả các thiết bịkhá cao, cũng như một số phần mềm mới chưa ược tìm hiểu kỹ trong quá trình học.Mặc dù vậy, với sự hỗ trợ thiết bị và chỉ dẫn tận tình của Giảng viên hướng dẫn Th.SDương Thế Phong cùng với sự tìm tòi nghiên cứu trên mạng cũng như những tài liệucủa những n anh i trước, nhóm ã ho n th nh tương ối ược yêu cầu ề ra của ề t i Qua ó,cũng giúp cho các bạn trong nhóm hiểu biết nhiều hơn về những kiến thức mới

1.6 Ý nghĩa thực tiễn:

Đề tài nghiên cứu ã giúp cho chúng ta hiểu sâu sắc hơn về kỹ thuật thiết kế, thicông panel iều khiển trong công nghiệp Cơ cấu chấp hành của ộng cơ DC Servo.Nắm vững ược cấu trúc, hoạt ộng phát xung của PLC cũng như cách thức xây dựngmột hệ thống thu thập dữ liệu Giao tiếp và truyền nhận dữ liệu của HMI với PLC

Qua ề tài này, chúng ta có thể ứng dụng ể xây dựng một hệ thống iều khiển

tự ộng phức tạp hơn, cơ cấu chấp h nh quy mô hơn Ngo i ra cũng có thể ứng dụngtrong việc dạy học môn Servo, iều khiển tự ộng, và mạng truyền thông trong côngnghiệp

1.7 Mô tả hệ thống:

Toàn bộ ồ án ược mô tả theo sơ ồ sau:

2

MÀN HÌNH CẢMỨNG

BỘ ĐIỀU KHIỂN

PLC

DRIVER ĐIỀUKHIỂN DC SERVO

ĐỘNG CƠ DC SERVO

BỘ TRUYỀN ĐỘNG

 Màn hình cảm ứng: Hiển thị giao diện người dùng, cho phép nhập vào các tín hiệu iều khiển

 PLC: Xử lý tín hiệu từ HMI và xuất ra tín hiệu iều khiển

 Driver: Điều khiển hoạt ộng của ộng cơ, ồng thời ọc tín hiệu trả về

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

như phù hợp với chương trình giảng dạy ở môi trường ại học Đó l ộng cơbước v ộng cơ Servo

2.1.1 Động cơ bước

2.1.1.1 Giới thiệu:

Động cơ bước là một thiết bị cơ iện chuyển ổi các xung iện thành nhữngchuyển ộng cơ học rời rạc Trục của ộng cơ bước quay những bước tăng rờirạc khi các xung iện iều khiển ược áp ến nó theo một trình tự hợp lí Sựquay của các ộng cơ liên hệ trực tiếp với các xung ược áp vào Trình tự củacác xung áp vào quan hệ trực tiếp với hướng quay của trục ộng cơ Tốc ộquay của trục ộng cơ quan hệ trực tiếp với tần số các xung vào và chiều dàivòng quay thì liên hệ trực tiếp với số lượng các xung ược áp vào

Hình 2.1 Động cơ bước.

2.1.1.2 Phân loại động cơ bước.

Động cơ bước có thể ược phân loại dựa theo cấu trúc hoặc cách quấn các cuộn dây trên stator

Dựa theo cấu trúc rotor, ộng cơ bước ược chia thành 3 loại:

Dựa theo cách quấn dây trên stator, ộng cơ bước ược chia thành 2 loại:

4

- Động cơ bước ơn cực.

Hình 2.2 Các bộ phận cấu thành nên động cơ bước.

Động cơ bước trở từ biến thiên:

Các ộng cơ bước từ trở biến thiên có rotor bằng thép mềm, rotor quay khicác răng trên rotor bị hút bởi các răng iện từ trên stator Các rotor bằng thép cóquán tính nhỏ hơn các loại khác Điều n y cho phép nó áp ứng nhanh hơn Tuynhiên, vì rotor không có từ tính nên không có lực từ dư khi ộng cơ không cònược cấp iện và rotor có thể quay tự do

Hình 2.3 Động cơ bước trở từ.

Động cơ bước nam châm vĩnh cửu

Các ộng cơ bước nam châm vĩnh cửu chứa rotor nam châm vĩnh cửu có mômen duy trì khi ộng cơ không còn ược cấp iện Mỗi răng nam châm vĩnh cửuược ịnh hướng theo trục với các cực nam và bắc thay ổi

Hình 2.4 Động cơ bước nam châm vĩnh cửu.

Động cơ bước lai.

Các ộng cơ bước lai kết hợp các ặc iểm rotor của ộng cơ bước từ trở biếnthiên và ộng cơ nam châm vĩnh cửu Một nam châm vĩnh cửu nhỏ hơn ược bọcxung quanh trục ộng cơ Nó khác với ộng cơ bước nam châm vĩnh cửu ở chỗ

có một ầu rotor là cực bắc còn ầu rotor ối diện là cực nam Răng rotor ượccắt thành hai chén lõi thép ược gắn chặt trên mỗi ầu Động cơ bước lai chỉ sử

dụng phương pháp cấu tạo thứ hai Các ộng cơ bước lai cónhiều răng hơn v có mô men lớn hơn Các góc bước tiêu biểu là 0,90 và 1,80

Hình 2.5 Động cơ bước lai.

Động cơ bước lưỡng cực.

Mỗi pha chứa một cuộn dây duy nhất Bằng cách ảo dòng iện trong các cuộndây, cực tính iện từ cũng bị ảo

6

Hình 2.6 Sơ đồ quấn dây lưỡng cực.

Hình 2.7 Ký hiệu trên sơ đồ nguyên lý.

Động cơ bước đơn cực.

Một kiểu quấn dây phổ biến khác là quấn dây ơn cực Nó bao gồm hai cuộn dâytrên một cực ƣợc kết nối sao cho khi một cuộn dây ƣợc cấp năng lƣợng thì cựcbắc nam châm ƣợc tạo ra, khi cuộn dây còn lại ƣợc cấp năng lƣợng thì cực namƣợc tạo ra Cách quấn dây kiểu n y ƣợc gọi l ơn cực bởi vì cực tính iện,

tức là dòng iện, từ mạch lái ến các cuộn dây không bao giờ bị ảo chiều Thiết kế n

y cho phép l m ơn giản mạch iện tử lái Tuy nhiên, mô men sinh ra bị giảm khoảng30% so với quấn dây kiểu lƣỡng cực

Hình 2.8 Sơ đồ quấn dây đơn cực.

Hình 2.9 Ký hiệu trên sơ đồ nguyên lý.

Một số ộng cơ bước ược quấn hai cuộn dây tách biệt trên một pha, chẳng hạn loại ra 8 dây Người dùng có thể tùy chọn cách nối lưỡng cực hay ơn cực choộng cơ n y Chúng ược gọi l các ộng cơ bước a năng

Hình 2.10 Ký hiệu động cơ bước đa năng trên sơ đồ nguyên lý.

2.1.1.3 Những ưu điểm và nhược điểm của động cơ bước.

Các ưu điểm:

 Góc quay của ộng cơ tỉ lệ với xung vào

8

 Động cơ có mô men to n phần khi dừng lại (nếu các cuộn dây ược cấp năng

lượng)

 Định vị chính xác và có khả năng lặp lại sự chuyển ộng vì các ộng cơ bước

có ộ chính xác 3%-5% bước và sai số n y không tích lũy từ bước này sang

bước kế tiếp Đáp ứng khởi ộng/dừng/ ảo chiều tuyệt vời

 Rất tin cậy vì không có các chổi than tiếp xúc trong ộng cơ

 Đáp ứng của các ộng cơ ối với các xung số ưa v o cung cấp sự iều khiển

vòng hở, l m ơn giản sự iều khiển và giảm giá thành

 Có khả năng ạt ược sự quay ồng bộ ở tốc ộ thấp với tải ược ghép trực tiếp với

trục ộng cơ

 Một phạm vi rộng các tốc ộ quay có thể ược thực hiện khi tốc ộ tỉ lệ với tần

số của các xung vào

Các nhược điểm:

 Động cơ l m việc không ều, ặc biệt là ở tốc ộ thấp ( iều khiển ầy bước)

 Tiêu thụ dòng iện không phụ thuộc vào tải

 Không có phản hồi nên có thể xảy ra các sai số

(Trích dẫn từ bài viết “Động cơ bước(step motor)” trên trang web

9

Hình 2.11 Động cơ servo.

Động cơ servo có nhiều kiểu dáng v kích thước, ược sử dụng trong nhiều máykhác nhau, từ máy tiện iều khiển bằng tay cho tới các mô hình máy bay và xe hơi Ứngdụng mới nhất của ộng cơ servo l trong các robot…

2.1.2.2 Phân loại động cơ Servo:

Động có Servo có 2 loại: servo DC và servo AC

2.1.2.3 Động cơ Servo DC:

Động cơ Servo DC có 2 loại: ộng cơ 1 chiều có chổi than v ộng cơ 1 chiềukhông có chổi than

2.1.2.3.1 Động cơ Servo DC có chổi than:

- Động cơ servo dòng một chiều DC chổi than gồm 4 thành phần cơ bản: statorcủa ộng cơ DC là một nam châm vĩnh cửu, cuộn dây phần ứng lắp trên roto Trong quátrình hoạt ộng, từ trường cố ịnh ược sinh ra từ nam châm vĩnh cửu gắn trên

stator tương tác với dòng từ sinh ra từ cuộn dây trên roto khi có dòng iện chạy qua nó.Quá trình tương tác ó sinh ra moment tác ộng lên trục roto Moment này biểu diễntheo phương trình:

Hình 2.12 Cấu tạo động cơ Servo DC chổi than.

- Công thức (2.1) cho thấy phần tử sinƟ ảnh hưởng tới moment trên trục ộng cơ Hình1.2 chỉ ra quan hệ giữa vectơ từ trường cố ịnh v vectơ dòng qua phần ứng

moment trên trục ộng cơ tăng dần từ Ө = 00 và lớn nhất khi góc Ɵ =900 có nghĩa lkhi vectơ từ trường cố ịnh vuông góc với vectơ dòng phần ứng, moment trên trục ộng

cơ l lớn nhất khi và khi Ɵ = 00 vectơ dòng phần ứng song song với vectơ từ trường

cố ịnh, tại ó moment trên trục là nhỏ nhất Để ảm bảo moment trên trục ộng cơ luôn

ạt ược giá trị lớn nhất cần thiết phải iều khiển chuyển mạch cấp iện cho cuộn dâyroto sao cho vectơ dòng phần ứng luôn luôn vuông góc với từ trường cố ịnh Với cách

iều khiển quá trình cấp iện như trên, mômen ộng cơ sẽ biến thiên tỉ

lệ với dòng cấp cho cuộn dây phần ứng

Hình 2.13 Vectơ từ trường cố định vectơ dòng và momen động cơ

Servo DC.

- Ưu iểm của ộng cơ Servo DC chổi than l ơn giản trong iều khiển và giá thànhsản phẩm rẻ Tuy nhiên sử dụng chuyển mạch cơ khí gây ra ồn, tăng nhiệt ộ trên vànhgóp và quán tính rôto cao khi giảm tốc ộ Để khắc phục các nhược iểm trên người ta ã

sử dụng ông cơ Servo DC không chổi than

2.1.2.3.2 Động cơ Servo DC không có chổi than:

Động cơ Servo DC không có chổi than ược sử dụng phổ biến trong máy công

cụ iều khiển số Cấu trúc của nó về cơ bản giống như ộng cơ Servo DC chổi than

nhưng khác ở chổ các cuộn pha của ộng cơ lắp trên Stato v Rôto l nam châm vĩnhcửu Rôto ược chế tạo từ vật liệu ferit hoặc samari coban Rôto làm từ vật liệu samaricoban có khả năng tập trung từ cao và từ dư thấp Nhưng giá th nh rôto loại này caohơn nhiều so với khi rôto làm từ vật liệu ferit Vì vậy, nó chỉ dùng ể chế tạo rôto choộng cơ công suất lớn Tương tự như ộng cơ xoay chiều, từ trường quay trong ộng cơ

DC không chổi than ược sinh ra nhờ mạch iều khiển thứ tự cấp dòng cho các cuộnpha Cuộn dây pha của ộng cơ không chuyển ộng vì vậy có thể sử dụng chuyểnmạch bằng iện tử nên loại trừ bằng những nhược iểm tồn tại trong ộng cơ

DC Servo chổi than

Điều khiển các trục máy công cụ iều khiển số òi hỏi iều khiển chính xác cả về vị trí

và tốc ộ Vì vậy, ộng cơ Servo DC không chổi than cần phải có mạch phản hồi, tínhhiệu phản hồi là tốc ộ quay trục ộng cơ hoặc vị trí góc trục Để ảm bảo chính xácchuyển ộng bàn máy, tín hiệu phản hồi phải ược cấp liên tục cho mạch iều khiển.Trong công nghiệp thiết bị mạch phản hồi của ộng cơ Servo DC thường sử dụng là

cảm biến tốc ộ (Tachometer) chổi than hoặc không có chổi than, sensorhiệu ứng Hall, resolver, synchro và encoder

Động cơ

TachometerEncoder

Hình 2.14 Sơ đồ khối của hệ điều khiển động cơ DC.

- Hệ iều khiển Servo kiểu tương tự là sử dụng mạch iện ể thực hiện bù sai số vịtrí và tốc ộ Hệ gồm 4 cụm iều khiển cơ bản: máy tính iều khiển vị trí, iều khiển tốc ộ vộng cơ một chiều không chổi than Mối quan hệ giữa các cụm iều khiển chỉ rõ trong hìnhvới tín hiệu phản hồi vị trí từ bộ biến ổi encoder hoặc Sesolver qua mạch phản hồi ể hồisinh ra sai số tốc ộ và sai số ược ưa ến hệ iều khiển tốc ộ ể sử lí cho phù hợp với vị trí

Hệ iều khiển tốc ộ chứa mạch phản hồi tốc ộ sinh ra từ Tachometer Tín hiệu ược so sánhvới tín hiệu ược ưa ra từ hệ

iều khiển vị trí v sinh ra iện áp và dòng phù hợp bù cho sai số vị trí và tốc ộ.

12

2.1.2.4 Động cơ AC Servo:

Hình 2.15 Động cơ AC servo.

- Nhờ sự phát triển vượt bậc của công nghệ iều khiển iện, hiện nay chuyển ộngchạy dao trong máy công cụ iều khiển số dùng khá phổ biến ộng cơ AC Servo

- Nhưng nhược iểm của ộng cơ AC Servo l hệ iều chỉnh tốc ộ ộng cơ phức tạp

v ắt tiền so với ộng cơ DC Hệ iều khiển tốc ộ ộng cơ AC Servo dựa trên cơ sở biến ổitần số Tốc ộ ộng cơ ược xác ịnh theo tần số nguồn Một trong những phương pháp iềukhiển tốc ộ ộng cơ AC Servo l biến ổi dòng xoay chiều thành dòng một chiều nhờ bộchỉnh lưu 3 pha, sau ó biến ổi dòng 1 chiều thành dòng xoay chiều nhưng ở tần số ã ượclựa chọn Sơ ồ khối ơn giản hệ iều khiển tốc ộ ộng cơ AC Servo

cơ

Hình 2.16 Sơ đồ điều khiển tốc độ động cơ AC.

(Trích dẫn từ bài viết “So sánh động cơ DC và AC Servo” trên trang web

www.thegioicnc.com )

2.1.3 Lý do chọn động cơ

Sau khi phân tích v ánh giá ưu nhược iểm của các loại ộng cơ trên Nhóm nhậnthấy ộng cơ DC Servo có nhiều ưu iểm phù hợp cho việc nghiên cứu và chế

tạo Panel iều khiển Ngo i ặc trưng l những hệ hồi tiếp vòng kín, khi quay tín hiệuhồi tiếp ược trả về bộ iều khiển tiện lợi cho việc iều khiển và giám sát DC Servocũng có nhiều kiểu dáng kích thước và công suất tương ứng Hơn thế nữa, DC Servocũng phù hợp với chương trình giảng dạy vì khá ơn giản trong iều khiển, v ược sửdụng phổ biến trong các công cụ iều khiển số hiện nay trên thị trường.

2.2 CÁC GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ

2.2.1 Điều khiển ON/OFF:

Điều khiển on/off là chế ộ iều khiển ơn giản nhất, ược sử dụng từ khá lâu và vẫn còn ược ứng dụng khá nhiều trong các ngành khác nhau

Ưu iểm của bộ iều khiển n y l ơn giản, dễ hiểu Tuy nhiên, vì quá ơn giảnnên nó không có ộ chính xác cao, có ộ trễ lớn Nguyên lý hoạt ộng của bộ iềukhiển on/off l tác ộng ầu ra của ối tượng so sánh với giá trị ặt

Bộ iều khiển n y thường ược ứng dụng trong những hệ thống iều khiểnnhiệt

2.2.2 Điều khiển mờ(fuzzy):

2.2.2.1 Giới thiệu:

Trong những năm gần ây, lý thuyết logic mờ ã có nhiều áp dụng thành côngtrong lĩnh vực iều khiển Bộ iều khiển dựa trên lý thuyết logic mờ gọi là bộ iều khiển

mờ Trái với kỹ thuật iều khiển kinh iển, kỹ thuật iều khiển mờ thích hợp với

các ối tượng phức tạp, không xác ịnh m người vận hành có thể iều khiển bằngkinh nghiệm Đặc iểm của bộ iều khiển mờ là không cần biết mô hình toán học mô

tả ặc tính ộng của hệ thống mà chỉ cần biết ặc tính của hệ thống dưới dạng các phátbiểu ngôn ngữ Đồng thời chất lượng của bộ iều khiển mờ phụ thuộc rất nhiều vàokinh nghiệm của người thiết kế

2.2.2.2 Cấu trúc bộ điều khiển mờ:

 Khâu mờ hóa: có nhiệm vụ chuyển ổi một giá trị rõ ầu vào thành một vectorgồm các ộ phụ thuộc của giá trị rõ ó theo các giá trị mờ ã ịnh nghĩa chobiến ngôn ngữ ầu vào.

 Khâu thực hiện luật hợp thành: có tên gọi là thiết bị hợp thành, xử lý vector và

cho ra giá trị mờ của biến ngôn ngữ ầu ra

 Khâu giải mờ: có nhiệm vụ chuyển ổi tập mờ thành một giá trị ngõ ra chấp nhậnƣợc cho ối tƣợng (tín hiệu iều chỉnh)

2.2.2.3 Nguyên lý điều khiển mờ:

Luật iều khiển

THIẾT BỊ ĐO

Hình 2.18 Nguyên lý điều khiển mờ.

Các nguyên lý thiết kế hệ thống iều khiển mờ:

 Giao diện ầu vào gồm các khâu: mờ hóa, các khâu hiệu chỉnh nhƣ tỉ lệ, tích phân, vi phân…

 Thiết bị hợp thành: sự triển khai luật hợp thành mờ

15

 Giao diện ầu ra gồm: khâu giải mờ và các khâu trực tiếp với ối tượng.

2.2.2.4 Kết luận về điều khiển mờ:

* Ưu điểm:

- Đảm bảo ược tính ổn ịnh của hệ thống mà không cần khối lượng tính toán lớn

và phức tạp trong khâu thiết kế như các loại iều khiển cổ iển như PID, iều chỉnh sớm trễpha

- Có thể tổng hợp bộ iều khiển với hàm truyền ạt phi tuyến bất kỳ

- Giải quyết ược các b i toán iều khiển phức tạp, các b i toán m trước ây

chưa giải quyết ược như: hệ iều khiển thiếu thông tin, thông tin không chính xác haynhững thông tin mà sự chính xác của nó chỉ nhận thấy giữa các quan hệ của chúng vớinhau v cũng chỉ có thể mô tả ược bằng ngôn ngữ Như vậy iều khiển mờ ã sao chụpược phương thức xử lý thông tin của con người và ta có thể tận dụng ược các tri thức,kinh nghiệm của con người v o trong quá trình iều khiển

* Khuyết điểm:

- Cho ến nay, các lý thuyết nghiên cứu về iều khiển mờ vẫn còn chưa ược hoànthiện Vì vậy việc tổng hợp bộ iều khiển mờ hoạt ộng một cách hoàn thiện thì không

ơn giản

- Chính vì tính phi tuyến của hệ mờ mà ta không thể

của lý thuyết hệ tuyến tính cho hệ mờ Và vì thế những kết

hầu như khó ạt ược

áp dụng những thành tựu luận tổng quát cho hệ mờ

* Từ những ưu khuyết điểm của bộ điều khiển mờ ta rút ra kết luận:

- Không bao giờ thiết kế bộ iều khiển mờ ể giải mà

có thể dễ dàng thực hiện bằng các bộ iều khiển kinh

quyết một bài toán tổng hợpiển thoả mãn yêu cầu ặt ra

- Việc sử dụng bộ iều khiển mờ cho các hệ thống cần ộ an toàn cao vẫn còn bịhạn chế do yêu cầu chất lượng và mục ích của hệ thống chỉ có thể xác ịnh v ạt

ược qua thực nghiệm

- Bộ iều khiển mờ phải ược phát triển qua thực nghiệm

- Do có khả năng iều chỉnh ược tính ổn ịnh và bền vững khi lượng thông tin thuthập không chính xác nên các bộ cảm biến có thể chọn loại rẻ tiền và không cần ộchính xác cao

2.2.3 Bộ điều khiển PID:

Có thể nói trong lĩnh vực iều khiển, bộ iều khiển PID ược xem như l mộtgiải pháp a năng cho các ứng dụng iều khiển Analog cũng như Digital Theo mộtnghiên cứu cho thấy: hơn 90% các bộ iều khiển trong công nghiệp sử dụng là bộ iềukhiển PID Nếu ược thiết kế tốt, bộ iều khiển PID có khả năng iều khiển hệ thống

áp ứng tốt các chỉ tiêu chất lượng như áp ứng nhanh, thời gian quá ộ ngắn, ộ quáiều chỉnh thấp, triệt tiêu ược sai lệch tĩnh Vì vậy, nhóm chúng tôi quyết ịnh dùnggiải thuật PID ể iều khiển trong ồ án này

16

2.2.3.1 Giới thiệu:

Bộ iều khiển PID là một bộ iều khiển vòng kín ƣợc sử dụng rộng rãi trong côngnghiệp Sử dụng bộ iều khiển PID ể iều chỉnh sai lệch giữa giá trị o ƣợc của hệ thống(process variable) với giá trị ặt (setpoint) bằng cách tính toán v iều chỉnh giá trị iềukhiển ở ngõ ra

u p: thừa số tỉ lệ của ầu ra

K p: ộ lợi tỉ lệ, thông số iều chỉnh

e: sai số= SP-PV

t: thời gian hay thời gian tức thời.

Tác ộng của thành phần tích phân ơn giản là tín hiệu iều khiển tỉ lệ tuyến tínhvới sai lệch iều khiển Ban ầu, khi sai lệch lớn thì tín hiệu iều khiển lớn Sai lệch giảmdần thì tín hiệu iều khiển cũng giảm dần Khi sai lệch e( )=0 thì up=0 Một vấn ề là khi

sai lệch ổi dấu thì tín hiệu iều khiển cũng ổi dấu

Thành phần P có ƣu iểm l tác ầu của quá trình quá ộ.

ộng nhanh v ơn giản Hệ số tỉ lệ

càng

ó th nh phần P có vai trò lớn trong giai oạn 17

Tuy nhiên, khi hệ số tỉ lệ càng lớn thì sự thay ổi của tín hiệu iều khiển càngmạnh dẫn ến dao ộng lớn, ồng thời làm hệ nhạy cảm hơn với nhiễu o Hơn nữa, ối với

ối tượng không có ặc tính tích phân thì sử dụng bộ P vẫn tồn tại sai lệch tĩnh

số tức thời theo thời gian (tích phân sai số) cho ta tích lũy bù ã ược hiệu chỉnh trước

ó Tích lũy sai số sau ó ược nhân với ộ lợi tích phân và cộng với tín hiệu ầu racủa bộ iều khiển Biên ộ phân phối của khâu tích phân trên tất cả tác ộng iều chỉnh ượcxác ịnh bởi ộ lợi tích phân, Ki

Khâu I ược tính theo công thức: ui= Ki. ʃ0t e(t)dt (2.2)

bất kể sai lệch ó l nhỏ hay lớn Do ó, ở trạng thái xác lập, sai lệch bị triệt tiêu e( )=0.

Đây cũng l ưu iểm của thành phần tích phân

Nhược iểm của thành phần tích phân là do phải mất một khoảng thời gian ể ợi

e( ) về 0 nên ặc tính tác ộng của bộ iều khiển sẽ chậm hơn Ngo i ra, th nh phần tích

phân ôi khi còn l m xấu i ặc tính ộng học của hệ thống, thậm chí có thể làm mất ổn ịnh

Người ta thường sử dụng bộ PI hoặc PID thay vì bộ I ơn thuần vừa ể cải thiện tốc ộ áp ứng, vừa ảm bảo yêu cầu ộng học của hệ thống

2.2.3.2.3 Khâu D:

Khâu D cộng thêm tốc ộ thay ổi sai số vào giá trị iều khiển ở ngõ ra Nếu sai sốthay ổi nhanh thì sẽ tạo ra thành phần cộng thêm vào giá trị iều khiển Điều này cảithiện áp ứng của hệ thống, giúp trạng thái của hệ thống thay ổi nhanh chóng

v mau chóng ạt ược giá trị mong muốn Biên ộ của phân phối khâu vi phân ( ôikhi ược gọi là tốc ộ) trên tất cả các h nh vi iều khiển ược giới hạn bởi ộ lợi vi phân,

Kd

Khâu D ược tính theo công thức: ud= Kd e(t) (2.3)

Một ưu iểm nữa là thành phần vi phân giúp ổn ịnh một số quá trình mà bìnhthường không ổn ịnh ược với các bộ P hay PI

Nhược iểm của thành phần vi phân là rất nhạy với nhiễu o hay của giá trị ặt

do tính áp ứng nhanh nêu ở trên

2.2.3.2.4 Tổng hợp ba khâu – Bộ điều khiển PID:

Bộ iều khiển PID là cấu trúc ghép song song giữa 3 khâu P, I và D Khâu tỉ lệ,

tích phân, vi phân ược cộng lại với nhau ể tính toán ầu ra của bộ iều khiển PID Định

nghĩa rằng u(t) l ầu ra của bộ iều khiển, biểu thức cuối cùng của giải thuật PID là:

u(t) = Kp.e(t) + Ki ʃ t e(t)dt + K e(t)

ịnh

Độ lợi vi phân,K d :

19

Giá trị càng lớn càng giảm ộ vọt lố, nhưng lại làm chậm áp ứng quá

ộ và có thể dẫn ến mất ổn ịnh do khuếch ại nhiễu tín hiệu trong phép vi phân sai số

2.2.3.3 Thiết kế bộ điều khiển PID:

Luật iều khiển thường ược chọn trên cơ sở ã xác ịnh ược mô hình toán học của

ối tượng phải phù hợp với ối tượng cũng như thỏa mãn yêu cầu của bài toán

thiết kế Có nhiều phương pháp khác nhau ể iều chỉnh vòng lặp PID Những phương pháp hữu hiệu nhất thường bao gồm những triển khai của vài dạng mô hình xử lý, sau

ó chọn P, I, và D dựa trên các thông số của mô hình ộng học Các phương pháp iều chỉnh thủ công tương ối không hiệu quả lắm, ặc biệt nếu vòng lặp có thời gian áp ứng ược tính bằng phút hoặc lâu hơn

Lựa chọn phương pháp thích hợp sẽ phụ thuộc phần lớn vào việc có hay khôngvòng lặp có thể iều chỉnh "offline", v áp ứng thời gian của hệ thống Nếu hệ thống

có thể thực hiện offline, phương pháp iều chỉnh tốt nhất thường bao gồm bắt hệ thốngthay ổi ầu vào từng bước, tín hiệu o lường ầu ra là một hàm thời gian, sử dụng

áp ứng n y ể xác ịnh các thông số iều khiển

Ziegler-Nichols Phương pháp online Phương Làm rối loạn quá trình, một

iều chỉnh nhiều lần

bao gồm phân tích các van và cảmbiến cho phép mô phỏng trướckhi tải xuống ể thực thi

phương pháp offline Chỉ tốt

ối với quá trình bậc một

Bảng 2.1 Các phương pháp thiết kế bộ điều khiển PID.

2.2.3.3.1 Điều chỉnh thủ công:

Nếu hệ thống phải duy trì trạng thái online, một phương pháp iều chỉnh là thiết

ặt giá trị ầu tiên của và bằng không Tăng dần cho ến khi ầu ra của vòng iềukhiển dao ộng, sau ó có thể ược ặt tới xấp xỉ một nửa giá trị ó ể ạp ạt ược

áp ứng "1/4 giá trị suy giảm biên ộ" Sau ó tăng ến giá trị phù hợp sao cho ủ thờigian xử lý Tuy nhiên, quá lớn sẽ gây mất ổn ịnh Cuối cùng, tăng , nếu cần thiết, cho

ến khi vòng iều khiển nhanh có thể chấp nhận ược nhanh chóng lấy lại ược giá trị

ặt sau khi bị nhiễu Tuy nhiên, quá lớn sẽ gây áp ứng dư v vọt lố.Một iều chỉnh

20

cấp tốc của vòng iều khiển PID thường hơi quá lố một ít khi tiến tới iểm ặt nhanhchóng; tuy nhiên, v i hệ thống không chấp nhận xảy ra vọt lố, trong trường hợp ó, tacần một hệ thống vòng kín giảm lố, thiết ặt một giá trị nhỏ hơn một nửa giá trị gây radao ộng.

Bảng 2.2 Ảnh hưởng của mỗi bộ điều khiển K P , K I và K D.

nhỏ

Nếu ối tượng có dạng lý tưởng mô tả thì từ ồ thị h m h(t) ó ta ọc ra ược:

- K là giá trị giới hạn h(∞)=lim h(t)

- Thời gian trễ L là khoảng thời gian mà tín hiệu ra h(t) chưa có phản ứng ngay

với tín hiệu tác ộng 1(t) tại ầu vào

- T là thời gian cần thiết sau L ể tiếp tuyến của h(t) ạt ược giá trị K

2.2.3.3.3 Phần mềm điều chỉnh PID:

Hầu hết các ứng dụng công nghiệp hiện ại không còn iều chỉnh vòng iềukhiển sử dụng các phương pháp tính toán thủ công như trên nữa Thay v o ó, phầnmềm iều chỉnh PID và tối ưu hóa vòng lặp ược dùng ể ảm báo kết quả chắc chắn.Những gói phần mềm này sẽ tập hợp dữ liệu, phát triển các mô hình xử lý, v ề xuấtphương pháp iều chỉnh tối ưu V i gói phần mềm thậm chí còn có thể phát triển việciều chỉnh bằng cách thu thập dữ liệu từ các thay ổi tham khảo Điều chỉnh PID bằngtoán học tạo ra một xung trong hệ thống, v sau ó sử dụng áp ứng tần số của hệthống iều khiển ể thiết kế các giá trị của vòng iều khiển PID Trong những vònglặp có thời gian áp ứng kéo dài nhiều phút, nên chọn iều chỉnh bằng toán học, bởi vìviệc thử sai thực tế có thể kéo dài nhiều ng y ể tìm iểm ổn ịnh cho vòng lặp Giá trịtối ưu thì khó tìm hơn V i bộ iều khiển số còn có chức năng tự iều chỉnh, trong ónhững thay ổi rất nhỏ của iểm ặt cũng ược gửi tới quá trình, cho phép bộ iềukhiển tự mình tính toán giá trị iều chỉnh tối ưu Các dạng iều chỉnh khác cũng ượcdùng tùy theo tiêu chuẩn ánh giá kết quả khác nhau Nhiều phát minh hiện nay ãược nhúng sẵn vào trong các module phần mềm và phần cứng ể iều chỉnh PID

2.2.3.4 Các hạn chế của điều khiển PID:

Trong khi các bộ iều khiển PID có thể ược dùng cho nhiều b i toán iềukhiển, v thường ạt kết quả như ý mà không cần bất kỳ cải tiến hay thậm chí iềuchỉnh nào, chúng có thể rất yếu trong vài ứng dụng, v thường không cho ta iều khiểntối ưu Khó khăn cơ bản của iều khiển PID là nó là một hệ thống phản hồi, với cácthông số không ổi, và không có tin tức trực tiếp về quá trình, v do ó tất cả kết quả

là phản ứng và thỏa hiệp trong khi iều khiển PID là bộ iều khiển tốt nhất mà khôngcần mô hình iều khiển, kết quả tốt hơn có thể ạt ược bằng cách kết hợp với một môhình iều khiển Cải tiến quan trọng nhất là kết hợp iều khiển nuôitiến với kiến thức

về hệ thống, và sử dụng PID chỉ ể iều khiển sai số Thay v o ó, PID có thể ượccải tiến bằng nhiều cách, như thay ổi các thông số (hoặc là lập chương trình ộ lợitrong nhiều trường hợp sử dụng khác nhau hoặc cải tiến thích nghi chúng dựa trên kếtquả), cải tiến o lường (tốc ộ lấy mẫu cao hơn, v chính xác, và lọc thông thấp nếucần thiết) hoặc nối tầng nhiều bộ iều khiển PID với nhau

Các bộ iều khiển PID, khi sử dụng ộc lập, có thể cho kết quả xấu khi ộ lợivòng PID buộc phải giảm vì thế hệ iều khiển không xảy ra vọt lố, dao ộng hoặc rungquanh giá trị iểm ặt iều khiển Chúng cũng khó khan khi xuất hiện phi tuyến, cóthể cân bằng sự iều tiết chống lại áp ứng thời gian, không phản ứng lại việc thay ổi

h nh vi iều khiển (do ó, quá trình thay ổi sau khi nó ược hâm nóng), và bị trễtrong áp ứng với các nhiễu lớn

2.2.3.5 Bộ điều khiển PID số:

Công thức của bộ iều khiển PID trình bày trong (3.1) là dạng hàm liên tục củabiến e, trong ó có cả thành phần tuyến tính, ạo hàm và tích phân Tuy nhiên, hệ

22

thống máy tính v vi iều khiển lại là hệ thống số Vì bộ iều khiển PID ta xây dựng sẽ là

bộ iều khiển số, chúng ta cần xấp xỉ công thức của bộ iều khiển này theo các khoảngthời gian rời rạc Rõ ràng thời gian lấy mẫu càng nhỏ (tấn số cao) thì việc hiệu

chỉnh càng tiến gần ến sự “liên tục” v chất lượng iều khiển sẽ tốt hơn Trong các bộiều khiển số, thời gian lấy mẫu là một yếu tố rất quan trọng Cần tính toán ể thờigian này không quá lớn nhưng cũng ừng quá nhỏ, vì như thế sẽ hao phí thời gian thựcthi Trước hết, thành phần P tương ối ơn giản vì ó l quan hệ tuyến tính Kp*e,

chúng ta chỉ cần áp dụng trực tiếp công thức này mà không cần bất kỳ xấp xỉ nào Tiếp

ến là xấp xỉ cho ạo hàm của biến e Vì thời gian lấy mẫu cho các bộ iều khiển

thường rất bé nên có thể xấp xỉ ạo hàm bằng sự thay ổi của e trong 2 lần lấy mẫu liên tiếp:

Hình 2.20 Xấp xỉ đạo hàm của biến sai số e.

Thành phần tích phân ược xấp xỉ bằng diện tích vùng giới hạn bởi h m ườngbiểu diễn của e và trục thời gian Do việc tính toán tích phân không cần quá chính xác,chúng ta có thể dùng phương pháp xấp xỉ ơn giản nhất là xấp xỉ hình chữ nhật (sai sốcủa phương pháp n y cũng lớn nhất)

Hình 2.21 Xấp xỉ tích phân của biến sai số e.

Tích phân của biến e ƣợc tính bằng tổng diện tích các hình chữ nhật tại mỗithời iểm ang xét Mỗi hình chữ nhật có chiều rộng bằng thời gian lấy mẫu h vàchiều cao là giá trị sai số e tại thời iểm ang xét Tổng quát:

Tổng hợp các xấp xỉ, công thức của bộ iều khiển PID số ƣợc trình bày:

2.2.4 Lý do chọn giải thuật PID:

Từ những cơ sở lý thuyết trên, cùng với thực nghiệm ã chứng minh những ƣuiểm vƣợt trội của bộ iều khiển PID nhƣ:

- Điều khiển với ộ chính xác cao

- Tiết kiệm năng lƣợng tối a

- Đảm bảo sự ổn ịnh của hệ thống

24