intTypePromotion=1
zunia.vn Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z zunia.vn zunia.vn
ADSENSE
 » 
 » 

Luận văn: "Điều khiển vận tốc động cơ DC dùng bộ điều khiển PID"

Chia sẻ: Vongthe Sam | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:9

Thêm vào BST
Báo xấu
599
lượt xem 219
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

trong đó e(t) là tín hiệu ngõ vào, u(t) là tín hiệu ngõ ra của bộ điều  khiển.  Tuy nhiên, đối với Vi Điều khiển nói chung, việc tính toán các thành...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn: "Điều khiển vận tốc động cơ DC dùng bộ điều khiển PID"

  1. Điều khiển vận tốc động cơ DC dùng bộ điều khiển PID.    Cơ sở Lý thuyết    1. Thuật điều khiển PID và việc rời rạc hóa nó:    Trong miền thời gian, bộ điều khiển PID được mô tả bằng mô hình vào  ra:   t de (t ) U (t ) = K P e (t ) + K i ∫ e (t )dt + K d dt   0 trong đó e(t) là tín hiệu ngõ vào, u(t) là tín hiệu ngõ ra của bộ điều  khiển.  Tuy nhiên, đối với Vi Điều khiển nói chung, việc tính toán các thành  phần P,I,D‐ nói cách khác là tính các tích phân hay đạo hàm trong công  thức trên là không thực hiện được. Lý do: CPU không thể tính toán  chính xác tới mức Δ t =0, nghĩa là không liên tục.    Do đó, ta chỉ có thể tính toán gần đúng bằng cách ta cho Δ t= ε rất  nhỏ nhưng lớn hơn 0.     Để tìm hệ thức PID rời rạc ,ta xét đồ thị sau đây:     V e2 e1 e0 1 2 0 t (s) Δt       Chú thích: ‐ đường chấm gạch biểu diễn vận tốc cần thiết v_set.              ‐ đường gạch gạch biểu diễn vận tốc thực tế của động cơ.  3
  2. Điều khiển vận tốc động cơ DC dùng bộ điều khiển PID.            ‐ đường gạch đậm là đồ thị rời rạc hóa của vận tốc động  cơ.          ‐ Δt là thời gian lấy mẫu.                  Thành phần tích phân:  e(t) dt  = lim Δt ‐‐> 0 ( Σ e(t) Δt ) . Do đó khi lấy gần đúng Δt = ε >0, ta có:       e(t) dt ≅ Σ e(i) Δt , i=0,1,2,3…    Thành phần vi phân:    de(t)/ dt = lim Δt ‐‐> 0 {[ e(t2) ‐ e(t1) ] /  Δt }. Do đó khi lấy gần đúng Δt = ε >0,  ta có:    de(t)/ dt = [e(i+1) ‐ e(i)]/ Δt , i= 0,1,2,3…      Tóm lại, ta có:   u(i)= Kp *e + Kd* [e(i+1) ‐ e(i)]/ Δt + Ki* Σ e(i) Δt      Đặt   e_delta (i+1)= e(i +1) ‐ e(i)     e_sum (i+1) = Σ e(i) = e_sum (i) + e (i+1)     Trong công thức trên, thời gian sampling time Δt là rất nhỏ, ta bỏ  qua Δt. Sau này, khi tìm các hệ số Kd, Ki bằng thực nghiệm, Kd và Ki  lúc đó đã bao gồm cả Δt.    Khi đó, công thức trên được viết lại như sau:             u(i)= Kp * e +  Ki * e_sum + Kd* delta_e         điều kiện biên: u(0) = duty >0.         2. Đối tượng điều khiển:  Đối tượng điều khiển là vận tốc động cơ DC ( đc). Ta biết vận tốc  động cơ DC phụ thuộc dòng điện hay điện áp mà ta cấp cho nó (dĩ  nhiên phải nằm trong khoảng cho phép của đc). Cụ thể ở đây sử  dụng đc 24VDC, do đó điện áp cấp không được quá 24V. Tuy nhiên,  việc cấp áp cho đc trong một khoảng rộng từ 0 đến 24V là khó khăn.  4
  3. Điều khiển vận tốc động cơ DC dùng bộ điều khiển PID. Do đó ta điều khiển vận tốc theo xung PWM (Pulse Width  Modulation), cụ thể là duty cycle.     Vậy các ngõ vào và ra của bộ điều khiển PID như sau:  Ngõ vào: e= vận tốc hiện tại (v_cur) ‐ vận tốc thiết lập (v_set)  Ngõ ra: u = %duty cycle    Phụ thuộc giữa %duty và vận tốc đc gần như tuyến tính nên  để đơn giản, ta giả sử nó hoàn toàn tuyến tính. Vậy, ta có thể điều  khiển vận tốc đc thông qua %duty.    3.Sơ đồ mạch: Giới thiệu các thành phần trong mạch và chức năng:  • Vi điều khiển chính của mạch điều khiển là PIC 16F88 của  Microchip. PIC 16F88 có 7 kênh ADC 10bit, 1 PWM để điều  khiển đc.     Do đó, ta sử dụng 4 kênh ADC dùng để nhập dữ liệu ( hệ số PID  chỉnh bằng tay và vận tốc mong muốn). Chân ADC nối với một cầu phân  áp bằng biến trở. Giá trị biến trở làm thay đổi điện áp dạng analog trên  chân ADC, và PIC lấy điện áp đó chuyển thành giá trị digital. Việc tính  toán cụ thể xin xem phần 5 của báo cáo này.    PWM (Pulse Width Modulation) là một module mở rộng của PIC  16F88. Nó có chức năng tạo ra một dãy xung có %duty và tần số xác định.  Các giá trị %duty và tần số của xung hoàn toàn có thể hiệu chỉnh bằng  phần mềm.  Tần số f = 1/T duty Chu kỳ T       Chân T0CLKI của PIC16F88 là chân vào của xung clock bộ định thời  0. Chân này được nối với dây tín hiệu của encoder. Timer0 lúc này có chức  năng counter đếm số xung phát từ encoder. Timer1 sẽ định thời trong 1  khoảng thời gian. Khi Timer1 tràn, ta lấy giá trị của Timer0. Dựa vào giá trị  5
  4. Điều khiển vận tốc động cơ DC dùng bộ điều khiển PID. này, có thể tính được vận tốc đc ở thời điểm này. Phần tính toán xem mục  5.  • Driver điều khiển đc là chip L293 của Texas Instruments. Chip  này có các đặc điểm sau:    Dòng tối đa 1A, quá dòng 1.2 A.    Điện áp tối đa là 33V.    Có thể lái cùng lúc 2 đc DC. Tuy nhiên, ta chỉ sử dụng 1 cầu H để  điều khiển 1 đc. Ta chọn cầu H1 có các chân ngõ vào là chân enable 1/2EN,  chân chọn chiều quay 1A, 2A. Các chân ra là 1Y, 2Y. Chân 1/2EN được nối  với chân cấp xung PWM của PIC 16F88.   • Chip 74LS06 là cổng NOT . Mục đích để khuyếch đại xung  clock của encoder trước khi đưa vào T0CLKI.    • Mạch sử dụng 2 nguồn: 5V cho các chip hoạt động và 24V cho  động cơ.  Do cách đấu dây dưới đây, ta có chân RB2 của PIC16F88 =0/1 thì  đc quay thuận/ nghịch chiều kim đồng hồ.      Sau đây là sơ đồ mạch được vẽ bằng OrCAD 9.2. Thứ tự chân IC,  cách nối dây cụ thể, công dụng của các chân đặc biệt xin xem trên sơ đồ  mạch này. 6
  5. Điều khiển vận tốc động cơ DC dùng bộ điều khiển PID. R3 R4 100 R5 VCC R6 100 100 VCC 100 VCC VCC Dong co Dieu J3 VCC_CIRCLE He so Kd He so Ki He so Kp chinh Bien tro toc do mong D2 2 1 2/3=Open/Close--->quay trai/quay phai. muon C4 D1 1/4=Open/Close--->PID tu dong./bang VCC D4 D3 R1 Encoder Encoder R feedback J1 U16 1=mass 4 3 SW DIP-2 2=fase A VCC 17 6 S1 RA0/AN0 RB0/INT/CCP1 3=5V 18 7 3 2 1 RA1/AN1 RB1/SDI/SDA 1 8 VCC RA2/AN2 RB2 R2 2 9 RA3/AN3 RB3/CCP1/PGM 1K 3 10 RA4/AN4/TOCKI RB4/SCK/SCL 11 1 2 RB5 VCC 16 12 OSC1/CLKIN RB6/AN5/T1CLKI VCC_CIRCLE 15 13 OSC2/CLKOUT RB7/AN6 4 MCLR/RA5/Vpp SW1 14 VDD Tu 30 pico x 2 Reset VCC PIC16F88 C1 U2 U15 7 Vs s 8 12 13 VCC2 4 16 Y1 GND VCC1 5 10 11 4MHz GND 12 9 5 GND 3/4EN tay. 13 1 8 9 GND 1/2EN PWM 14 15 6 5 C2 Quay phai 4Y 4A 11 10 3Y 3A /Quay 6 7 4 3 2Y 2A 3 2 trai 1Y 1A 2 1 L293 14 7406 VCC_CIRCLE J2 VCC 1= 5V 1 2=24V 2 PHAN HANG DUY THAI 20202382 3 3= mass Title DC Motor controller sche. Nguon Size Document Number Rev Wonbinbk@gmail.com B v ersion2 by Date: Wednesday , April 27, 2005 Sheet 1 of 1 7
  6. Điều khiển vận tốc động cơ DC dùng bộ điều khiển PID.   Mạch có 2 chế độ hoạt động: tự động và bằng tay.  Chế độ tự động: các hệ số Kp, Ki, Kd được lập trình sẵn. Các hệ số này có được sau  quá trình thực nghiệm theo phương pháp thứ hai của Ziegler‐Nichols. (thực tế có  thể xem như đây là phương pháp giả Ziegler‐Nichols. Lí do : việc xác định chu kì  của dao động khi đối tượng bị dao động theo phương pháp Ziegler‐nichols là rất  khó lấy được một cách chính xác)    Chế độ bằng tay: các hệ số Kp, Ki, Kd có được từ các biến trở , do người dùng điều  chỉnh tùy ý.  Trong cả hai chế độ, vận tốc được thiết lập thông qua biến trở.    4.Sơ lược về giải thuật lập trình :  Các ký hiệu:  Kp, Ki, Kd lần lượt là các hệ số Kp,Ki, Kd.  Kp_t,  Ki_t,  Kd_t  lần  lượt  là  các  giá  trị  tìm  được  từ  thực  nghiệm.  e2 là sai lệch hiện tại (trong lúc đang xét).  e1 là sai lệch ngay trước đó.  e_sum  là  tổng  của  tất  cả  các  sai  lệch  từ  lúc  bắt  đầu  đến  thời  điểm đang xét.  e_del là hiệu số của hai sai lệch e2 và e1, hay nói cách khác, đó  là độ biến thiên sai lệch.  V_set là tốc độ được thiết lập qua biến trở.  V_cur là tốc độ hiện tại đọc được từ encoder.  Duty là số phần trăm duty cycle của xung PWM cần cung cấp.  Ban đầu:   Duty phải có một giá trị khác 0, mục đích để động cơ thắng lực quán  tính.      e1=e2=0      e_sum =0      e_del= 0        Theo đó ta có lưu đồ sau:  8
  7. Điều khiển vận tốc động cơ DC dùng bộ điều khiển PID. Start PIN_B2 =1 Quay No Quay phải trái ? Yes PIN_B2 = 0 Quay trái No Kp, Ki, Kd lấy từ các PID tự biến trở vào động ? (xem phần tính toán) Yes Kp= Kp_t; Ki= Ki_t; Kd= Kd_t; Lấy tốc độ yêu cầu (v_set) từ biến trở Lấy tốc độ từ encoder (v_cur) Tính toán các thông số : e2= v_set- v_cur ; e_sum= e2 + e1; e_del= e2 - e1; e1=e2; duty= duty + Kp*e2 + Ki*e_sum + Kd*e_del; // Day la he thuc tinh PID roi rac. Xuất xung PWM với duty tính được 9
  8. Điều khiển vận tốc động cơ DC dùng bộ điều khiển PID.   5.Một số tính toán trong lập trình  a. Đọc và tính giá trị từ biến trở:    • Vi  Điều  khiển  PIC16F88  của  Microchip  ™  có  tất  cả  7  kênh  ADC  10  bit,  nằm trên các chân  AN0 đến AN6.   • Biến trở sử dụng trong mạch là loại Volume 10KΩ, các biến trở hạn dòng  có trị số rất nhỏ (330Ω) nên có thể bỏ qua khi tính toán.  • Resolution của ADC là 10bit= 1024. Giá trị ADC đọc vào là từ 0   1023  • Với  các  biến  trở điều  chỉnh  giá  trị  Kp,  Ki,  Kd,  ta  gán  giá  trị  tương ứng  là  0 100.  Như  vậy,  bước  thay đổi  nhỏ  nhất  là  100/1024  =  0.0976. Điều  này  có nghĩa là Kx = giá trị đọc từ ADC * 0.0976.  • Tương  tự  như  vậy,  với  biến  trở  thiết  lập  tốc  độ,  ta  gán  giá  trị  tốc  độ  tương ứng  là  0   300  vòng  /  phút.  Bước  thay đổi  nhỏ  nhất  là  300/  1024=  0.293. Nghĩa là tốc độ v_set = giá trị đọc từ ADC * 0.293.    b. Đọc và tính vận tốc thực sự của động cơ từ encoder:    Ta sử dụng Timer0 ở chế độ counter với xung clock có được từ encoder.  Timer1 ở chế độ timer 16bit.   Encoder 200 xung/vòng    Trước tiên đếm số xung trong 1000μs: timer1 sẽ tràn sau 1000 μs,  trong thời gian đó, timer0 đếm số xung nhận được. Khi timer1 tràn,  chương trình thực hiện ngắt. Giá trị từ Timer0 chính là số xung trong 1000  μs. Ta gọi giá trị này là T0.    Như vậy, số vòng/ phút= (số xung/200)/ (60* 1000) ms                   = (số xung/ms ) * 12.106     hay vận tốc đc v_cur      = T0* 12.106 (vòng/ phút)         c. Hệ thức PID cuối cùng:               duty= duty + Kp*e2 + Ki*e_sum + Kd*e_del      10
  9. Điều khiển vận tốc động cơ DC dùng bộ điều khiển PID.   6. Cách điều chỉnh các hệ số:  (Phần này được tham khảo trực tiếp từ trang web http://www.acroname.com/brainstem/ref/h/i/iA.html)      Đầu tiên ta chỉnh cho Kp =1 và Kd, Ki=0. Nghĩa là chỉ điều khiển P.  Sau đó  ta  tăng  Kp  lên  dần  dần,  và  quan  sát động  cơ.  Khi  thấy động ʺdao  độngʺ,  nghĩa  là  nó  lúc  nhanh  lúc  chậm,  ta  lấy  Kp  tại  đó  nhân  với  0.6  để  tính toán. Nghĩa là Kp_t= 0.6 * Kp_dao động.    Sau đó  ta  tăng  Kd  lên  dần  dần  (giữ  nguyên  Kp),  nếu  Kd  quá  lớn  sẽ  làm động  cơ  bị  dao động  mạnh.  Giảm  Kd  lại  cho đến  khi động  cơ  hết  dao  động.    Điều chỉnh Ki là  khó nhất, bắt đầu từ giá trị rất nhỏ, ví dụ lấy Ki= 1/  Kd  chẳng  hạn.  Hệ  số  Ki  không  cần  lớn  vì  động  cơ  tự  nó  đã  chứa  thành  phần  Ki  (thể  hiện  ở  moment  quán  tính,  hay  sức  ì  của  động  cơ).  Do  đó,  thường với đối tượng điều khiển là nhiệt độ hay động cơ (các đối tượng có  quán tính) thì chỉ cần bộ điều khiển PD là đủ.    Bảng sau chỉ rõ các ảnh hưởng của Kp,Ki,Kd đến các đặc tính của hệ  thống:      Đáp ứng của hệ thống  Thời  gian  Vọt lố  Thời  gian  ổn  Sai  lệch  so  với  trạng  tăng  định  thái bền  KP  Giảm  Tăng  Ít thay đổi  Giảm  KI  Giảm  Tăng  Tăng  Triệt tiêu  KD  Ít thay đổi  Tăng  Tăng  Ít thay đổi      Ta thấy phương pháp này có nhiều nhược điểm như: không có cơ sở  toán  học  vững  chắc,  không  tối ưu  (vì  tất  cả đều  chọn  hết  sức  ngẫu  nhiên  trong một vùng giá trị nào đó). Tuy vậy , động cơ có thể có đáp ứng tốt, và  độ  quá điều  chỉnh  theo  như  website  trên đưa  ra  là  không  quá  25%  (trong  khi phương pháp khác thì thường có độ quá điều chỉnh (hay vọt lố) chừng  40%). Đáp ứng  của động  cơ  sẽ  càng ʺtốtʺ  nếu  thời  gian  lấy  mẫu  PID  càng  nhỏ.           11
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.15: Bộ Đồ Án Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Cơ Khí
65 tài liệu
2431 lượt tải
THÔNG TIN
TRỢ GIÚP
HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG
Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2