Luận án tiến sĩ: Điều khiển tốc độ động cơ DC bằng PID - Nghiên cứu và ứng dụng

Trương Ngọc Anh :GVHD 2 Đồ án Đỗ 1 Huy Duy :SVTH luan an Trương Ngọc Anh :GVHD 2 Đồ án LỜI NÓI ĐẦU Đất nước ta đang trong thời kì công nghiệp hóa , hiện đại hóa. Nền kinh tế ngày càng phát triển mạnh mẽ , đời sống nhân dân ngày càng được nâng cao. Qua đó nhu cầu của ngừơi dân cũng tăng theo, điều đó đòi hỏi các nhà máy sản xuất phải nâng cao năng suất và đảm bảo cả về mặt chất lượng. Để làm được điều đó các nhà máy phải ngày càng nâng cao về mặt tự động hóa.

Trong các dây chuyền sản xuất tự động thì động cơ DC là một cơ cấu điều khiển hữu hiệu. Động cơ DC được sử dụng rộng rãi trong các dây chuyền sản xuất tự động , ngoài ra động cơ DC còn được ứng dụng trong các thiết bị điều khiển chính xác, ví dụ như điều khiển robot… Trong quá trình học ở trường sinh viên cần phải vận dụng được các kiến thức đã học vào thưc tế. Đồ án môn học “ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC DÙNG PID” là một trong những kết quả của sự vận dụng những kiến thức đã học của sinh viên Đại Học ngành điện tử vào thực tế. Qua đó giúp cho mỗi sinh viên có thể hiểu rõ hơn những gì đã học ở lý thuyết mà chưa có dịp để ứng dụng vào thực tế.

LỜI CẢM ƠN Đỗ 2 Huy Duy :SVTH luan an Trương Ngọc Anh :GVHD 2 Đồ án Dù Em đã có nhiều cố gắng trong quá trình thực hiện đồ án này, tuy nhiên cũng không thể tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong Thầy cùng các bạn thẳng thắn đóng góp ý kiến để đồ án môn học của em được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn Thầy Trương Ngọc Anh đã tận tình chỉ bảo và hướng dẫn , Đồng cảm ơn đến các bạn trong lớp 081011 đã góp ý cho mình trong quá trình thực hiện đồ án. MỤC LỤC PHẦN I.

GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1. Giới thiệu sơ lược các module của mạch 2. Giới thiệu về thuật toán PID 3. Phương án thực hiện 4.

Sơ đồ nguyên lý mạch Đỗ 3 Huy Duy :SVTH luan an Trương Ngọc Anh :GVHD 2 Đồ án 5. Các bước vận hành mạch 6. Giới hạn đề tài 7. Hướng phát triển đề tài PHẦN II.

NỘI DUNG CHƯƠNG 1: Giới thiệu linh kiện CHƯƠNG 2: Thiết kế mạch 1. KHỐI ĐIỀU KHIỂN 2. KHỐI HIỂN THỊ 3. KHỐI CÔNG SUẤT CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ LƯU ĐỒ KHỐI VÀ VIẾT CODE CHƯƠNG4: THI CÔNG 1.

Sơ đồ linh kiện PHẦN III. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 1. Hướng phát triển (nêu hướng phát triển của đề tài) 3. Phụ lục:Code chương trình Đỗ 4 Huy Duy :SVTH luan an Trương Ngọc Anh :GVHD 2 Đồ án PHẦN I: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.

GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC CÁC MODULE CỦA MẠCH  Yêu cầu đặt ra: Lập trình C cho PIC16f877a điều khiển ổn định tốc độ động cơ DC dùng phương pháp PID. Tốc độ đặt trước động cơ được nhập từ nút nhấn, tốc độ tức thời hồi tiếp từ động cơ được hiển thị trên LCD 16x2.  Tóm tắt hướng thực hiện đề tài: + Sử dụng vi điều khiển PIC làm vi điều khiển trung tâm. Dùng phần mềm CCS để lập trình và biên dịch.

+ Xây dựng khối nút nhấn gồm 6 nút nhấn để điều khiển tốc độ và chiều động cơ, đồng thời có thêm một nút nhấn để reset VĐK. + Hiển thị tốc độ động cơ dùng màn hình LCD 16x2 lập trình ở chế độ 8 bit. + Dùng IC L298 và IC cổng logic 7408 và 7414 để làm cơ cấu lái và đệm coâng suaát cho ñoäng cô. + Duøng keânh PWM ccp1 ñeå thay ñoåi toác ñoä cho ñoäng cô.

+ Ñoái töôïng ñieàu khieån laø ñoäng cô DC 12V coù tích hôïp encoder + Khoái nguoàn cung caáp cho maïch söû duïng IC7805 oån ñònh 5V caáp cho vi ñieàu khieån vaø khoái nguoàn duøng IC7812 taïo ñieän aùp 12V caáp cho ñoäng cô DC. GIỚI THIỆU VỀ THUẬT TOÁN PID: - Một bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (bộ điều khiển PID) là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển (bộ điều khiển) tổng quát được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp – bộ điều khiển PID được sử dụng phổ biến nhất trong số các bộ điều khiển phản hồi. Một bộ điều khiển PID tính toán một giá trị "sai số" là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt mong muốn. Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào.

Trong trường hợp không có kiến thức cơ bản về quá trình, bộ điều khiển PID là bộ điều khiển tốt nhất. [1] 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. Đỗ 5 Huy Duy :SVTH luan an Trương Ngọc Anh :GVHD 2 Đồ án - 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 đội 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. Đỗ 6 Huy Duy :SVTH luan an Trương Ngọc Anh :GVHD 2 Đồ án :Giải thuật điều khiển PID tốc độ PID là cách viết tắt của các từ Propotional (tỉ lệ), Integral (tích phân) và Derivative (đạo hàm). Tuy xuất hiện rất lâu nhưng đến nay PID vẫn là giải thuật điều khiển được dùng nhiều nhất trong các ứng dụng điều khiển tự động. Đề tài này điều khiển tốc độ của động cơ DC dùng giải thuật PID có thể được giải :thích như sau Gọi F là lực quay động cơ.

Ban đầu động cơ ở vận tốc bằng 0, nhiệm vụ đặt ra là điều khiển lực F (một cách tự động) để làm quay động cơ đạt tới tốc độ đặt trước với các yêu cầu: chính xác (accurate), nhanh (fast response), ổn định .(small overshot) Một điều rất tự nhiên, nếu vận tốc hiện tại của động cơ rất xa vận tốc mong muốn, hay nói cách khác sai số (error) lớn, chúng ta cần tác động lực F lớn để nhanh chóng đưa vận tốc động cơ về tới vận tốc đặt trước. Một cách đơn giản :để công thức hóa ý tưởng này là dùng quan hệ tuyến tính F=Kp*e (1) Trong đó Kp là một hằng số dương nào đó mà chúng ta gọi là hệ số P (Propotional gain), e là sai số cần điều khiển tức độ chênh lệch giữa vận tốc đặt trước với vận tốc hiện tại của động cơ. Mục tiêu điều khiển là đưa e tiến về 0 càng nhanh càng tốt. Rõ ràng nếu Kp lớn thì F cũng sẽ lớn và động cơ rất nhanh chóng tiến về vận tốc đặt trước.

Tuy nhiên, lực F quá lớn sẽ gia tốc cho động cơ rất nhanh (định luật II của Newton: F=ma). Khi động cơ đã đến vận tốc đặt trước (tức e=0), thì tuy lực F=0 (vì F=Kp*e=F=Kp*0) nhưng do quán tính tốc độ động cơ vẫn tiếp tục tăng, sai số e lại trở nên khác 0, giá trị sai số lúc này được gọi là overshot (vượt quá). Lúc này, sai số e là số âm, lực F lại xuất hiện nhưng với chiều ngược lại để hãm tốc độ động cơ về lại tốc độ đặt trước. Nhưng một lần nữa, do Kp lớn nên giá trị lực F cũng lớn và có thể kéo tốc độ động cơ về thấp hơn tốc độ đặt trước.

Quá trình cứ tiếp diễn, tốc độ động cơ cứ mãi dao động quanh tốc độ đặt trước. Có trường hợp tốc độ dao động càng ngày xàng xa tốc độ đặt trước. Bộ điều khiển lúc này được nói là không ổn định. Một đề xuất nhằm giảm overshot của động cơ là sử dụng một thành phần “thắng” trong bộ điều khiển.

Sẽ rất lý tưởng nếu khi tốc độ đang ở xa điểm O (tốc độ đặt trước), bộ điều khiển sinh ra lực F lớn nhưng khi tốc độ động cơ đã tiến gần đến điểm O thì thành phần “thắng” sẽ giảm tốc độ động cơ lại. Chúng ta đều biết khi một vật dao động quanh 1 điểm thì vật đó có vận tốc cao nhất ở tâm dao động (điểm O). Nói một cách khác, ở gần điểm O sai số e của tốc độ động cơ thay đổi nhanh nhất (cần phân biệt: e thay đổi nhanh nhất không phải e lớn nhất). Mặt khác, tốc độ thay đổi của e có thể tính bằng đạo hàm của biến này theo thời gian.

Như vậy, khi tốc độ động cơ từ ban đầu tiến về gần O, đạo hàm của sai số e tăng giá trị nhưng ngược chiều của lực F (vì e đang giảm nhanh dần). Nếu sử Đỗ 7 Huy Duy :SVTH luan an Trương Ngọc Anh :GVHD 2 Đồ án dụng đạo hàm làm thành phần “thắng” thì có thể giảm được overshot của động cơ.