Chương 1: Giới thiệu sơ lược tổng quan về đề tài. − Tổng quan đề tài − Mục tiêu đề tài − Cấu trúc quyển đồ án − Kế hoạch thực hiện Chương 2: Lý thuyết cơ bản. − Lý thuyết cơ bản − Các thiết bị và phần mềm sử dụng Chương 3: Thiết kế sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lý. − Sơ đồ khối của hệ thống − Sơ đồ nguyên lý Chương 4: Chương trình điều khiển.
− Lưu đồ giải thuật chương trình LabVIEW Chương 5: Kết quả đạt được và hướng phát triển. − Kết quả đạt được − Hướng phát triển 2 1.4 Kế hoạch thực hiện Bảng 1.1: Kế hoạch thực hiện TT Công việc Thời gian Người thực hiện Mua thiết bị, Nguyễn Vĩnh Khang 1 21/11/2022→06/12/2022 linh kiện Mai Thái Ngọc Nguyễn Vĩnh Hảo Tìm hiểu Nguyễn Vĩnh Khang 2 Arduino Mega 28/11/2022→03/12/2022 Mai Thái Ngọc 2560 Nguyễn Vĩnh Hảo Tìm hiểu và xây dựng giải Nguyễn Vĩnh Khang 3 05/12/2022→10/12/2022 thuật PID Mai Thái Ngọc Nguyễn Vĩnh Hảo Nguyễn Vĩnh Khang 4 Viết báo cáo 12/12/2022→17/12/2022 Mai Thái Ngọc Nguyễn Vĩnh Hảo 3 Chương 2 Lý thuyết cơ bản 2.1 Giải thuật PID Bộ điều khiển PID (Proportional Integral Derivative) là một bộ điều khiển vòng kín được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Bộ điều khiển PID còn có tên gọi khác là bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ. Sử dụng bộ điều khiển PID để điều chỉnh sai số giữa giá trị đo được của hệ thống (process variable) với giá trị đặt (setpoint) bằng cách tính toán và điều chỉnh giá trị điều khiển ở ngõ ra.
Được dùng nhiều nhất trong các ứng dụng điều khiển tự động với yêu cầu chính xác, nhanh, ổn định.1: Sơ đồ hệ thống dùng bộ điều khiển PID Một bộ điều khiển PID gồm 3 thành phần: P (proportional) – tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với sai số (error – e), I (integral) – tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với tích phân theo thời gian của sai số và D (derivative) – tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với vi phân theo thời gian của sai số. Thành phần P tạo ra tín hiệu điều khiển tỉ lệ với giá trị của sai số. Việc này được thực hiện bằng cách nhân sai số e với hằng số Kp – gọi là hằng số tỉ lệ. Thành phần P được tính theo công thức: P( out ) = Kp * e (2.1) Kp càng lớn thì đáp ứng ngõ ra của hệ thống cũng càng nhanh, nhưng nếu Kp lớn sẽ làm cho giá trị ngõ ra có hiện tượng vọt lố và Kp quá lớn sẽ làm cho hệ thống mất ổn định.
4 Thành phần I được sử dụng để cộng thêm các sai số trước đó vào giá trị điều khiển. Việc tính tổng các sai số được thực hiện liên tục cho đến khi giá trị đo được bằng với giá trị đặt và kết quả là khi hệ cân bằng thì sai số bằng 0. Thành phần I được tính theo công thức: t I out = Ki.2) 0 Trong đó I(out) là giá trị ngõ ra của khâu I, Ki là hệ số tích phân, ∫edt là tích phân của biến e theo thời gian. Thành I được kết hợp với thành phần P để tạo thành bộ điều khiển PI giúp cho hệ thống có thể triệt tiêu được sai số xác lập.
Nếu chỉ sử dụng thành phần I thì đáp ứng của hệ thống sẽ rất chậm và thường bị dao động. Thành phần D được dùng để cộng thêm tốc độ sai số vào giá trị điều khiển ở ngõ ra nếu sai số thay đổi nhanh thì sẽ tạo ra thành phần cộng thêm vào giá trị điều khiển. Điều này cải thiện đáp ứng của hệ thống, giúp hạn chế hiện tượng vọt lố của hệ thống. Công thức tính thành phần D: de(t ) D( out ) = Kd * (2.3) dt Trong đó D(out) là giá trị ngõ ra của khâu D, Kd là hệ số vi phân.
Thành phần D thường đi chung với thành phần P tạo thành bộ PD hoặc đi chung với bộ PI tạo thành bộ PID. Bộ PID hoàn chỉnh sẽ được tính theo công thức: t de(t ) U (t ) = Kp * e + Kd * + Ki * e( )d (2.4) dt 0 Như vậy, chúng ta đã có thể hiểu được chức năng của từng thành phần trong bộ điều khiển PID. Tùy vào mục đích và đối tượng điều khiển mà bộ điều khiển PID có thể được lượt bớt để trở thành bộ điều khiển P, PI hoặc PD. Công việc chính của người thiết kế bộ điều khiển PID là chọn các hệ số Kp, Kd và Ki sao cho bộ điều khiển hoạt động tốt và ổn định.
5 Bộ điều khiển ổn định là bộ điều khiển có: độ vọt lố thấp, thời gian xác lập nhanh, sai số xác lập nhỏ. Ba khâu điều chỉnh: Khâu tỉ lệ (P): Xác định tác động của sai số hiện tại, giúp sai số nhỏ. Phụ thuộc vào 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 hệ số tỉ lệ.5) Trong đó: P(out): thừa số của tỉ lệ đầu ra Kp: hệ số tỉ lệ, thông số điều chỉnh e: sai số =SP- PV t: thời gian Hình 2.2: Đáp ứng của khâu tỉ lệ Hệ số của khâu tỉ lệ lớn là do thay đổi lớn ở đầu ra mà sai số thay đổi nhỏ.
Nếu hệ số của khâu tỉ lệ quá cao, hệ thống sẽ không ổn định. Ngược lại, hệ số 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 Hệ số của khâu tỉ lệ quá thấp, tác động điều khiển có thể sẽ quá bé khi đáp ứng với các nhiễu của hệ thống. Khâu tích phân (I): Xác định tác động của tổng các sai số quá khứ, loại bỏ sai lệch tĩnh.
Phụ thuộc vào tích lũy các sai số quá.6) 0 Trong đó: I(out): thừa số tích phân của đầu ra Ki: độ lợi cũa tích phân, thông số điều chỉnh e: sai số = SP-PV t: thời gian 𝜏: biến tích phân trung gian Hình 2.3: Đáp ứng của khâu tích phân 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. Khâu vi phân (D): Xác định tác động của tốc độ biến đổi sai số, giảm khuynh hướng giao động.7) dt Trong đó: D(out): thừa số vi phân của đầu ra Kd: độ lợi vi phân, thông số điều chỉnh e: sai số = SP-PV t: thời gian 7 Hình 2.4: Đáp ứng của khâu vi phân 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.2 Một số phương pháp xác định thông số PID 2.1 Phương pháp Ziegler – Nichols cho hệ tác động chậm Hình 2.5: Đáp ứng hàm nấc hệ hở 8 Phương pháp Ziegler – Nichols chỉ cho ta một thông số tương đối chứ không hoàn toàn chính xác.2: Các tham số PID theo phương pháp Ziegler – Nichols cho hệ tác động chậm Kp TI TD P T2 ∞ 0 T1 K I 0.2 Phương pháp dò thủ công Chọn Kp trước: thử bộ điều khiển P với đối tượng thật (hoặc mô phỏng) điều chỉnh Kp sao cho thời gian đáp ứng đủ nhanh, chấp nhận overshot nhỏ. Thêm thành phần D để loại overshot, tăng Kd từ từ, thử nghiệm và chọn giá trị thích hợp. Steady state error (sai số trạng thái tĩnh) có thể sẽ xuất hiện.
Thêm thành phần I để giảm steady state error. Nên tăng Ki từ bé đến lớn để giảm steady state error (sai số trạng thái tĩnh) đồng thời không để cho overshot xuất hiện trở lại. Bảng sau cho ta thấy rõ ảnh hưởng của các thông số đến hệ thống điều khiển bằng PID dùng phương pháp dò thủ công: Bảng 2.3: Ảnh hưởng của ba thông số điều khiển của bộ điều khiển PID Thời gian Thời gian Sai số Tăng lên Vọt lố xác lập xác lập P Giảm Tăng Ít thay đổi Giảm I Giảm Tăng Tăng Triệt tiêu D Ít thay đổi Giảm Giảm Ít thay đổi 9 2.3 Xây dựng hàm truyền cho lò nhiệt Hàm truyền của lò nhiệt được xác định bằng phương pháp thực nghiệm. Từ khi bắt đầu cung cấp năng lượng đầu vào cho lò nhiệt, nhiệt độ của lò bắt đầu tăng lên từ từ.
Sau một thời gian nhiệt độ lò đạt đến giá trị bảo hòa. Đáp ứng của một lò nhiệt có công suất ngõ vào P [%] = 100 [%].6: Đáp ứng của lò nhiệt Xác định tọa độ điểm uốn: Điểm uốn của một đồ thị là điểm có hệ số gia tốc tín hiệu a=0 hay nói cách khác độ dốc của tiếp tuyến liên tục trên đồ thị đổi chiều từ giảm dần sang tăng dần hoặc ngược lại.7: Đặc tính của điểm uốn 10 Xác định 𝑇1 , 𝑇2 , K Hình 2.5 Kết luận hàm truyền lò nhiệt: K 252 G(s) = = (2.9) (T1T2 ) S + (T1 + T2 ) S + 1 (100*190) S + (100 + 190) S + 1 2 2 Sau khi tìm được hàm truyền tiến hành chạy mô phỏng trên Mathlab để kiểm tra từ lý thuyết: 11 Hình 2.9: Hàm truyền mô phỏng Từ kết quả mô phỏng tiến hành kiểm tra hàm truyền thực tế và hàm truyền mô phỏng được kết quả như hình: Hình 2.10: So sánh kết quả hai hàm truyền 2.3 Phương pháp điều chế độ rộng xung PWM Phương pháp điều xung PWM (Pulse Width Modulation) là phương pháp điều chỉnh điện áp ra tải, hay nói cách khác là phương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông, dẫn đến sự thay đổi điện áp ra.11: Xung PWM Điều chế độ rộng xung sử dụng một sóng xung hình chữ nhật có độ rộng được điều chế dẫn đến sự biến thiên của giá trị trung bình của dạng sóng. Nếu chúng ta xem xét một sóng xung f (t) , với chu kỳ T, giá trị thấp ymin , giá trị cao y max giá trị trung bình của dạng sóng đó được cho bởi: 1 T T 0 y= f (t)dt (2.10) Vì f (t) là một sóng xung, giá trị của nó là y max trong khoảng 0 t DT và ymin trong khoảng DT t T. Biểu thức trở thành: 1 T T 0 y= f (t)dt (2.18) Biểu thức sau này có thể khá đơn giản trong nhiều trường hợp trong đó ymin = 0 thì y = D.
Từ đó, rõ ràng là giá trị trung bình của tín hiệu ( y ) trực tiếp phụ thuộc vào D % dutycycle. T Pulse Width Dutycycle = on .19) TPWM Period Với: • Duty Cycle là tỷ lệ phần trăm mức cao [%]. • Period là chu kỳ xung [Hz].