Đồ Án Thiết kế chế tạo bộ điều khiển PID số hiển thị giao diện điều khiển LABVIEW

PHẦN 1: CƠ SỞ LÝ LUẬN . 12

1. Lý do chọn đề tài 12

2. Mục đích nghiên cứu 12

3. Nhiệm vụ nghiên cứu . 12

4. Phương pháp nghiên cứu . 13

5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài 13

6. Bố cục của đề tài 13

PHẦN 2: NỘI DUNG . 14

Chương 1: Điều khiển động cơ điện một chiều . 14

1.1. Đại cương về động cơ điện một chiều . 14

1.1.1. Cấu tạo 14

1.1.2. Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều 14

1.1.3. Các phương trình cơ bản của động cơ điện một chiều. 15

1.1.4. Phân loại động cơ điện 1 chiều . 18

1.1.5. Ứng dụng của động cơ điện 1 chiều . 19

1.2. Sơ đồ khối điều khiển 19

1.3. Các phương pháp điều chỉnh động cơ DC . 20

1.3.1. Phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng . 20

1.3.2. Phương pháp điều chỉnh từ thông kích từ . 21

1.3.3. Điều chỉnh hỗn hợp điện áp phần ứng và từ thông kích từ 22

1.3.4. Phương pháp thay đổi điện trở phần ứng 23

1.4. Mô tả toán học cho động cơ điện một chiều ( khi kể đến Mms=f.ω ). 24

1.4.1. Chế độ xác lập của động cơ điện một chiều . 24

1.4.2. Chế độ quá độ của động cơ điện một chiều 25

1.5. Các hệ truyền động động cơ điện một chiều 30

5

1.5.1. Hệ thống truyền động máy phát_ động cơ một chiều (F-Đ). . 30

1.5.2. Hệ thống chỉnh lưu_ động cơ một chiều (van – động cơ). 32

1.5.3. Các hệ truyền động điều chỉnh xung áp_ động cơ (XA_Đ). 35

Chương 2: Thuật toán điều khiển PID . 37

2.1. Giới thiệu chung. . 37

2.2. Lý thuyết điều khiển bộ điều chỉnh PID số . 37

2.2.1. Xấp xỉ thành phần P 38

2.2.2. Xấp xỉ thành phần I . 38

2.2.3. Xấp xỉ thành phần D . 38

2.2.4. Xấp xỉ luật PID . 39

2.3. Các phương pháp thiết kế bộ điều chỉnh PID số . 41

Chương 3: Vi điều khiển PIC 18F4550 và phần mềm Labview . 48

3.1. Vi điều khiển PIC 18F4550 48

3.1.1. Giới thiệu chung . 48

3.1.2. Vi điều khiển Pic 18F4550 . 49

3.2. Lập trình trong môi trường LABVIEW . 54

3.2.1. Khái quát chung về phần mềm Labview 54

3.2.2. Kĩ thuật lập trình Labview 55

3.3. PID trong LabView 56

3.3.1. Cấu tạo của PID trong LabView . 56

3.3.2. Toolkit PID . 57

Chương 4: Thiết kế hệ truyền động động cơ điện một chiều 62

4.1. Yêu cầu thiết kế . 62

4.2. Tính toán bộ điều chỉnh PID cho động cơ DC . 62

4.2.1. Phân tích chất lượng hệ thống ở chế độ tĩnh 63

4.2.2. Tổng hợp mạch vòng dòng điện và mạch vòng tốc độ . 70

4.2.3. Xây dựng đường đặc tính của hệ thống kín 77

4.2.4. Kiểm tra chất lượng hệ thống . 80

4.3. Tính toán bộ điều chỉnh PID cho động cơ sử dụng trong mô hình 83

4.4. Thiết kế mạch điều khiển động cơ . 90

4.4.1. Khối nguồn (15V) . 90

4.4.2. Thiết kế mạch điều khiển 91

6

4.4.3. Thiết kế mạch lực . 92

4.4.4. Thiết kế giao diện điều khiển Labview 95

4.4.5. Lưu đồ thuật toán 96

4.5. Kết quả đạt được 97

Chương V: Kết luận và kiến nghị 100

5.1. Kết luận 100

5.2. Kiến nghị 100

TÀI LIỆU THAM KHẢO . 101

PHỤ LỤC 102



LỜI NÓI ĐẦU

Khoa học công nghệ hiện đại đã có những bước tiến nhanh và xa đi theo đó là những thành tựu ứng dụng trong mọi lĩnh vực đời sống, công nghiệp. Kĩ thuật điều khiển trong tiến trình hoàn thiện lý thuyết cũng tạo cho mình nhiều phát triển có ý nghĩa. Bây giờ khi nhắc tới điều khiển con người dường như hình dung đến sự chính xác, tốc độ xử lý và thuật toán thông minh đồng nghĩa là lượng chất xám cao hơn. Có thể nói lĩnh lực điều khiển và trong công nghiệp thì bộ điều khiển PID có ứng dụng khá rộng rãi, một giải pháp đa năng cho các ứng dụng cả Analog cũng như Digital. Thống kê cho thấy có tới hơn 90% các bộ điều khiển sử dụng trong thực tế. Rõ ràng nếu có thiết kế và lựa chọn thông số hợp lý cho bộ điều khiển PID thì việc đạt được chỉ tiêu chất lượng mong muốn và khả thi bộ điều khiển PID cũng giúp cho người sử dụng dễ dàng tích cũng như chọn các luật điều khiển như: tỉ lệ (P), tích phân (D), tỉ lệ tích phân (PI), tỉ lệ vi phân (PD), sao cho phù hợp với các đối tượng điều khiển. Nhiều quá trình trong công nghiệp việc sử dụng bộ điều khiển PID là không thể thay thế như khống chế nhiệt độ, mức, tốc độ ? Ngay cả những lý thuyết điều khiển thích nghi, bền vững vẫn mang lại hiệu quả cao trong các cơ cấu chỉnh định. Bài toán thiết kế và điều khiển động cơ điện một chiều là bài toán cơ bản và quen thuộc trong ngành điều khiển tự động. Có thể thiết kế cho đối tượng động cơ điện một chiều theo nhiều phương pháp như: dùng PLC và biến tần, điện tử công suất, vi điều khiển Mỗi phương pháp có ưu và nhược điểm khác nhau nhưng đều có mục đích ổn định và điều khiển được tốc độ động cơ. Ngày nay vi điều khiển phát triển sâu rộng và ngày càng ứng dụng nhiều trong cài đặt thiết kế bộ điều khiển cho các đối tượng công nghiệp. Trên cơ sở muốn tìm hiểu về lĩnh vực vi điều khiển chúng em chọn đề tài tốt nghiệp: “ THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID SỐ” dưới sự hướng dẫn nhiệt tình của cô Nguyễn Phương Thảo và thầy Đỗ Công Thắng, cùng với sự nỗ lực của các thành viên trong nhóm chúng em đã hoàn thành đề tài được giao. Hưng Yên, ngày tháng . năm 2012

Nhóm đồ án!




PHẦN 1: CƠ SỞ LÝ LUẬN

1. Lý do chọn đề tài

Có thể nói trong lĩnh vực điều khiển và trong công nghiệp thì bộ điều khiển PID có ứng dụng khá rộng rãi, một giải pháp đa năng cho các ứng dụng cả Analog cũng như Digital. Thống kê cho thấy có tới hơn 90% các bộ điều khiển sử dụng trong thực tế là PID. Rõ ràng nếu có thiết kế và lựa chọn các thông số hợp lý cho bộ điều khiển PID thì việc đạt được các chỉ tiêu chất lượng mong muốn là khả thi. Bộ điều khiển PID cũng giúp người sử dụng dễ dàng tích hợp cũng như chọn các luật điều khiển như: tỉ lệ (P), tích phân (I), tỉ lệ tích phân (PI), tỉ lệ vi phân (PD) sao cho phù hợp với các đối tượng điều khiển. Nhiều quá trình trong công nghiệp việc sử dụng bộ điều khiển PID là không thể thay thế như khống chế nhiệt độ, mức, tốc độ ? Ngay cả những lý thuyết điều khiển hiện đại cũng không cho ta những hiệu quả cao như bộ điều khiển PID mang lại. Ngoài ra bộ điều khiển PID còn ứng dụng nhiều trong điều khiển thích nghi, bền vững vẫn đem lại hiệu quả cao trong các cơ cấu chỉnh định. Đặc biệt, trong các trường Đại Học và Cao Đẳng trong cả nước thì việc sử dụng những công nghệ của khoa học kỹ thuật để chế tạo ra các mô hình có khả năng ứng dụng cao trong cuộc sống luôn là điều mong mỏi của các thầy cô mà còn là niềm mong đợi của rất nhiều sinh viên khoa Điện_ Điện Tử trường ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN. Xuất phát từ nhu cầu thực tế về sự phát triển của khoa học kỹ thuật, cùng với những tính ưu việt mà bộ điều khiển PID số đem lại chúng em được nhận đề tài tốt nghiệp: “THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID SỐ”. Chúng em đã có thời gian nghiên cứu, tìm hiểu và thực hiện đề tài, đến nay đã hoàn thành các nội dung đề tài yêu cầu.

2. Mục đích nghiên cứu

 Tìm hiểu và thiết kế bộ điều khiển PID.

 Khảo sát và thi công mạch.

 Kiểm tra và đánh giá bộ điều khiển.

 Nghiên cứu giải thuật và các chương trình ứng dụng trên bộ điều khiển PID.

3. Nhiệm vụ nghiên cứu

Với nội dung đề tài chúng em đi tìm hiểu và nghiên cứu những nội dung sau:

 Tìm hiểu về luật điều khiển PID

 Tìm hiểu về vi điều khiển PIC 18F4550 phần cứng và các tập lệnh điều khiển.

13

 Tìm hiểu về ngôn ngữ lập trình C, CCS

 Tìm hiểu về phần mềm labview và kết nối máy tính.

 Thiết kế mạch phần cứng và phần mềm.

 Hoàn thiện sản phẩm đảm bảo yêu cầu mỹ thuật và kỹ thuật.

4. Phương pháp nghiên cứu

 Tham khảo và tổng hợp tài liệu trong nước và của nước ngoài.

 Tiến hành và thực nghiệm trên panel và phần mềm hỗ trợ mô phỏng.

 Theo dõi, đánh giá và nhận xét các thông số thực nghiệm.

 Xử lý số liệu, tính toán thiết kế, viết báo cáo.

5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài

Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ góp phần hoàn thiện phương pháp điều khiển khắc phục được một số nhược điểm của các phương pháp điều khiển kinh điển, từ đó mở ra tiềm năng áp dụng cài đặt vào các thiết bị điều khiển trong công nghiệp làm nâng cao hơn nữa chất lượng điều khiển cho động cơ điện một chiều.

6. Bố cục của đề tài

 Phần 1: Cơ sở lý luận: lý do chọn đề tài, mục đích, nhiệm vụ, phương pháp nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài.

 Phần 2: Nội dung

- Chương 1: Điều khiển động cơ điện một chiều

+ Giới thiệu về động cơ điện một chiều + Sơ đồ khối điều khiển động cơ điện một chiều + Các phương pháp điều chỉnh động cơ DC + Mô tả toán học động cơ điện một chiều + Các hệ truyền động động cơ điện một chiều

- Chương 2: Thuật toán điều khiển PID

+ Lý thuyết điều khiển bộ điều chỉnh PID tương tự + Lý thuyết điều khiển bộ điều chỉnh PID số + Các phương pháp thiết kế bộ điều chỉnh PID số

- Chương 3: Giới thiệu vi điều khiển PIC 18F4550 và phần mềm Labview.

- Chương 4: Hệ truyền động động cơ điện một chiều

+ Thi công mạch phần cứng, mạch điều khiển + Chương trình điều khiển

- Chương 5: Ứng dụng tính toán các thông số điều khiển động cơ DC.