CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Viết sách luận văn. Báo cáo đề tài tốt nghiệp.3 GIỚI HẠN Trong thời gian thực hiện đề tài là có hạn, với lượng kiến thức truyền đạt trong suốt khóa học và khả năng có hạn, nhóm thực hiện đề tài giải quyết được những vấn đề sau: - Thiết lập được giao diện để điều khiển động cơ và hiển thị trạng thái hoạt động của động cơ lên giao diện để quản lý. - Xác định được 3 thông số: Kp, Kd, Ki chuẩn nhất của bộ PID để tốc độ ngõ ra bằng với giá trị tốc độ đặt như mong muốn ban đầu.
- Đảo được chiều quoay động cơ quoay thuận và quoay nghịch. - Điều khiển được nhìu động cơ với công suất khác nhau. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 3 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương2.1 GIỚI THIỆU Điều khiển tự động đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của khoa học và kỹ thuật lĩnh vực này hữu hiệu khắp nơi từ hệ thống phi thuyền không gian, hệ thống điều khiển tên lửa, máy bay không người lái, người máy, tay máy trong các quy trình sản xuất hiện đại, và ngay cả trong đời sống hàng ngày: Điều khiển nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ v.v … Theo mong muốn của đề tài là dùng giải thuật PID để điều khiển tốc độ của động cơ và đảo chiều quoay của động cơ, theo như mong muốn trong phạm vi đề tài có sử dụng khối vi điều khiển STM32F103VET6, khối mạch cầu H để điều khiển động cơ DC.
Module STM32F103VET6 đã và đang được sử dụng rất rộng rãi trên thế giới ngày càng chứng tỏ được sức mạnh của mạch thông qua vô số ứng dụng độc đáo của người dùng trong cộng đồng nguồn mở (open-source) trong khi đó module cầu H được thiết kế tối ưu giá thành thấp phục vụ cho việc đảo chiều quoay của động cơ, sau đây chúng ta sẽ tìm hiểu từng khối module củng như hoạt động của chúng phục vụ cho việc thực hiện đề tài.2 NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN 2.1 Điều khiển (control) Là tập hợp tất cả các tác động có mục đích nhằm điều khiển một quá trình này hay quá trình khác. Theo một quy luật hay một chương trình cho trước.2 Điều khiển học (cybernctics) Là khoa học nghiên cứu những quá trình điều khiển và truyền thông máy móc, sinh vật và kinh tế điều khiển học mang đặc trưng tổng quát và được phân chia thành nhiều lĩnh vực khác nhau như: toán điều khiển, điều khiển học kỹ thuật, điều khiển học sinh vật (phỏng sinh vật: bionics), điều khiển học kinh tế. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 4 do an CHƯƠNG 2.3 Lý thuyết điều khiển tự động Là cơ sở lý thuyết của điều khiển học kỹ thuật điều khiển tự động là thuật ngữ chỉ quá trình điều khiển một đối tượng trong kỹ thuật mà không có sự tham gia của con người (automatic) nó ngược lại với quá trình điều khiển ở chế độ tay (manual).4 Hệ thống điều khiển tự động (Automatic control system) Tập hợp tất cả các thiết bị kỹ thuật nhằm đảm bảo điều khiển tự động một quá trình nào đó được gọi là hệ thống điều khiển tự động 2.3 CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG Một hệ thống điều khiển gồm có 3 thành phần cơ bản đó là: - Đối tượng điều khiển (Object device) - Thiết bị điều khiển (Controler device) - Thiết bị đo lường (Measuring device) Sơ đồ tổng quát: u(t) x(t) y(t) e(t) C O z(t) M Hình 2.1: Sơ đồ tổng quát hệ thống điều khiển tự động. Các tín hiệu tác động trong hệ thống: u(t) : tín hiệu vào (input) y(t) : tín hiệu ra (output) BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 5 do an CHƯƠNG 2.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT x(t) : tín hiệu điều khiển tác động lên đối tượng (O) e(t) : sai lệch điều khiển z(t) : tín hiệu phản hồi 2.4 CÁC NGUYÊN TẮC ĐIỀU KHIỂN CƠ BẢN Có 3 nguyên tắc điều khiển cơ bản: 2.1 Nguyên tắc điều khiển theo sai lệch u(t) e(t) x(t) y(t) C O z(t) M Hình 2.2: sơ đồ nguyên tắc điều khiển theo sai lệch Tín hiệu y(t) được đưa ra so sánh với tín hiệu lối vào u(t) nhằm tạo nên tín hiệu tác động lên đầu vào bộ điều khiển C nhằm tạo nên tín hiệu điều khiển đối tượng O.2 Nguyên tắc điều khiển phương pháp bù nhiễu K e(t) x(t) u(t) y(t) C O Hình 2.3 : Sơ đồ nguyên tắc điều khiển bù nhiễu Nguyên tắc bù nhiễu là sử dụng thiết bị bù K để giảm ảnh hưởng của nhiễu là nguyên nhân trực tiếp gây ra hậu quả cho hệ thống BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 6 do an CHƯƠNG 2.3 Nguyên tắc điều khiển theo sai lệch và bù nhiễu K y1(t) u(t) e(t) x(t) y(t) C O z(t) M Hình 2.4: Sơ đồ nguyên tắc điều khiển theo sai lệch và bù nhiễu Nguyên tắc điều khiển hỗn hợp là phối hợp cả 2 nguyên tắc trên, vừa có hồi tiếp theo sai lệch vừa có các thiết bị để bù nhiễu.5 THUẬT TOÁN PID SỐ 2.1 Quy luật tỉ lệ P Tín hiệu điều khiển trong quy luật tỷ lệ được hình thành theo công thức: x = KP.1) Trong đó KP là hệ số khuếch đại của quy luật, theo tính chất của khâu khuếch đại thì ta thấy rằng tín hiệu ra của khâu luôn luôn trùng pha với tín hiệu vào điều này nói lên rằng ưu điểm của khâu khuếch đại là có tác động nhanh vì vậy trong công nghiệp quy luật tỷ lệ làm việc ổn định với mọi đối tượng. Tuy nhiên, nhược điểm của khâu tỷ lệ là khi hệ số tỷ lệ Kp càng lớn thì độ vọt lố càng cao, hệ thống kém ổn định và khi sử dụng với các đối tượng tĩnh, hệ thống điều khiển luôn tồn tại sai lệch tĩnh. Để giảm sai lệch tĩnh thì phải tăng hệ số khuếch đại nhưng khi đó, tính dao động của hệ thống sẽ tăng lên và có thể làm cho hệ thống mất ổn định BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 7 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Trong công nghiệp quy luật tỷ lệ thường được dùng cho những hệ thống cho phép tồn tại sai lệch tĩnh để giảm sai lệch tĩnh, quy luật tỷ lệ thường được hình thành theo biểu thức: x = x0 + Kp .2) Trong đó x0 là điểm làm việc của hệ thống tác động điều khiển luôn giữ cho tín hiệu điều khiển thay đổi xung quanh giá trị sai lệch Hình 2.5: Qúa trình điều khiển với các hệ số Kp khác nhau 2.2 Quy luật tích phân (I) Trong quy luật tích phân, tín hiệu điều khiển được xác định theo biểu thức 1 x = K i ∫ e dt = .3) Ti Trong đó Ki = 1/Ti gọi là hằng số tích phân BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 8 do an CHƯƠNG 2.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT Từ công thức này ta thấy giá trị điều khiển x chỉ đạt được giá trị xác lập (quá trình điều khiển đã kết thúc) khi e = 0, như vậy ưu điểm của quy luật tích phân là triệt tiêu sai lệch tĩnh. Xét đặc tính của khâu tích phân, tín hiệu ra của nó luôn chậm pha so với tín hiệu vào 1 góc π/2 điều này có nghĩa là quy luật tích phân có tác động chậm do sự tác động chậm mà trong công nghiệp, hệ thống điều khiển tự động sử dụng quy luật tích phân kém ổn định. Vì vậy mà quy luật này hiện nay ít được sử dụng trong công nghiệp 2.3 Quy luật tỉ lệ tích phân Để hệ thống vừa có tác động nhanh, vừa có thể triệt tiêu được sai lệch dư, người ta kết hợp quy luật tỷ lệ với quy luật tích phân để tạo ra quy luật tỷ lệ - tích phân, tín hiệu điều khiển được xác định theo công thức: 1 x = KP .4) Ti Trong đó: KP là hệ số khuếch đại Ti = Kp/Ki là hằng số thời gian tích phân - Hàm truyền đạt của quy luật tỷ lệ tích phân có dạng: 1 W (p) = Kp (1+ ) 𝑇𝑖 p - Hàm truyền tần số của quy luật PI 1 W (j𝜔) = Kp (1-j ) Tj .ω BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 9 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Như vậy khi khi ω = 0 thì ϕ (ω) = −π/ 2, còn khi ω = ∞ thì ϕ (ω) = 0.
Tín hiệu chậm pha so với tín hiệu vào một góc trong khoảng từ -π/2 đến 0 phụ thuộc vào các tham số Kp, Ti và tần số tín hiệu vào. Rõ ràng, về tốc độ tác động thì quy luật PI chậm hơn quy luật tỷ lệ nhưng lại nhanh hơn quy luật tích phân.6 Ảnh hưởng khâu hiệu chỉnh tỷ lệ-tích phân với các hằng số thời gian Thời gian tích phân càng nhỏ độ vượt mức càng cao 2.4 Quy luật tỉ lệ vi phân Tác động điều khiển của quy luật PID được hình thành theo công thức: BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 10 do an CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT de de x = Kp.5) dt dt Trong đó: KP là hệ số khuếch đại Td = KP/ K d: hằng số thời gian vi phân Có thêm thành phần vi phân làm tăng tốc độ tác động hệ thống Hàm truyền đạt của quy luật tỉ lệ - vi phân có dạng: W (p) = KP (1+Td.p) - Hàm truyền tần số của quy luật PD W (jω) = KP (1+ jTd) - Đặc tính pha tần: ϕ (ω) = arctg (Td .ω) Như vậy khi ω thay đổi từ 0 đến ∞ thì đặc tính PT sẽ thay đổi từ 0 đến π/2, ta có thể khẳng định tốc độ tác động của quy luật PD còn nhanh hơn cả quy luật tỉ lệ, thời gian vi phân càng lớn thì đáp ứng càng nhanh. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 11 do an CHƯƠNG 2.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.7: Ảnh hưởng khâu hiệu chỉnh tỷ lệ-vi phân với các hằng số thời gian 2.5 Quy luật điều khiển tỉ lệ vi tích phân (Proportional Integral Derivative) Để tăng tốc độ tác động của quy luật PI, trong thành phần của nó người ta ghép thêm thành phần vi phân và nhận được quy luật điều khiển tỉ lệ vi tích phân.Tác động điều khiển được tính toán theo công thức: de 1 de x = KP .6) dt Ti p dt Trong đó: KP là hệ số khuếch đại Ti = KP/Ki là hằng số thời gian tích phân Td = K P / K d hằng số thời gian vi phân - Hàm truyền đạt của quy luật tỉ lệ-vi tích phân có dạng: 1 W (P) = KP (1+ + Td. p) Ti p - Hàm truyền tần số của khâu PID: BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 12 do an CHƯƠNG 2.