23
1 Hướng dn thí nghim điu khin tđộng-©Hunh Minh Ngc Bài 9: Điu khin tchnh dung phương pháp đặt cc để điu khin nhit độ. 8.1.Mc tiêu: -Tìm hiu phương pháp điu khin thích nghi tchnh (STR: self tuning regulator) dung phương pháp đặt cc. -Nhn dng mô hình lò nhit dung đáp ng nc hhvà suy ra hàm truyn đạt lò nhit. -So sánh phương pháp điu khin PID svi bđiu khin tchnh. -Làm quen vi mô hình lò đin thc tế, cách lp trình cho vi điu khin P89V51RD2 và viết giao din dùng phn mm Matlab và Simulink. 8.2. Ni dung 8.2.1. Cơ slý thuyết 8.2.1.1 Bđiu khin tchnh STR : 8.2.1.1.1 Ý tưởng cơ bn: Trong hthng thích nghi, người ta gisrng tham sđiu khin được điu chnh liên tc. Điu này có nghĩa là tham sđiu khin thay đổi theo quá trình. Tuy nhiên, vic phân tích các tính cht hi tn định đối vi các hthng như vy là khó. Để đơn gin bài toán, người ta gisrng quá trình có các tham slà hng snhưng không biết. Khi biết được quá trình, thtc thiết kế xác định mt tp hp các tham sđiu khin mong mun. Bđiu khin thích nghi phi hi tvcác giá trtham snày ngay ckhi quá trình không biết. Bđiu khin vi tính cht này được gi là tchnh, bi vì nó tinh chnh bđiu khin đến cht lượng mong mun. Bđiu khin tchnh (STR) da vào ý tưởng tách ước lượng tham schưa biết ra khi thiết kế bđiu khin. Ý tưởng này được minh ha Hình A3.1. Tham schưa biết được ước lượng trc tuyến, sdng các phương pháp ước lượng đệ quy. Các tham sước lượng được coi như đúng, nghĩa là không xét đến độ không chc chn. Điu này được gi là Nguyên lý Tương đương Chc chn. Nhiu sơ đồ ước lượng khác nhau có thđược sdng, chng hn như bình phương cc tiu, bình phương cc tiu mrng,… Các phương pháp thiết kế thđược sdng là thay đổi cc tiu, bình phương tuyến tính, đặt cc và mô hình tham chiếu. Phương pháp thiết kế được chn phthuc vào yêu cu cht lượng vòng kín và điu khin thc tế. Dưới đây là bđiu khin tchnh định đặt cc. Khi “Ước lượng” tượng trưng cho ước lượng trc tuyến tham squá trình sdng các thut toán bình phương cc tiu. Khi “Thiết kế” tượng trưng cho li gii trc tuyến đối vi bài toán thiết kế cho hthng vi tham sđã biết. Đây được gi là bài toán thiết kế cơ bn. Khi “Bđiu khin” tính toán tín hiu điu khin tcác tham sđược tính toán khi trước. Đôi khi thut toán STR được đơn gin bng cách tham shóa li và ước lượng trc tiếp các tham sbđiu khin, không cn phi ước lượng các tham squá trình.

Bài 9: iu khi n t ch nh dung ph ươ ng pháp t c c iu khi …...3 Hư ng d n thí nghi m i u khi n t ng-©Hu ỳnh Minh Ng c Và thông th ư ng ta c ũng hay thay t l 1/t công

  • Upload
    others

  • View
    1

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Bài 9: iu khi n t ch nh dung ph ươ ng pháp t c c iu khi …...3 Hư ng d n thí nghi m i u khi n t ng-©Hu ỳnh Minh Ng c Và thông th ư ng ta c ũng hay thay t l 1/t công

1

Hướng dẫn thí nghiệm điều khiển tự động-©Huỳnh Minh Ngọc

Bài 9: Điều khiển tự chỉnh dung phương pháp đặt cực để điều khiển nhiệt độ.

8.1.Mục tiêu:

-Tìm hiểu phương pháp điều khiển thích nghi tự chỉnh (STR: self tuning regulator)

dung phương pháp đặt cực.

-Nhận dạng mô hình lò nhiệt dung đáp ứng nấc hệ hở và suy ra hàm truyền đạt lò

nhiệt.

-So sánh phương pháp điều khiển PID số với bộ điều khiển tự chỉnh.

-Làm quen với mô hình lò điện thực tế, cách lập trình cho vi điều khiển P89V51RD2

và viết giao diện dùng phần mềm Matlab và Simulink.

8.2. Nội dung

8.2.1. Cơ sở lý thuyết

8.2.1.1 Bộ điều khiển tự chỉnh STR : 8.2.1.1.1 Ý tưởng cơ bản:

Trong hệ thống thích nghi, người ta giả sử rằng tham số điều khiển được điều chỉnh liên tục. Điều này có nghĩa là tham số điều khiển thay đổi theo quá trình. Tuy nhiên, việc phân tích các tính chất hội tụ và ổn định đối với các hệ thống như vậy là khó. Để đơn giản bài toán, người ta giả sử rằng quá trình có các tham số là hằng số nhưng không biết. Khi biết được quá trình, thủ tục thiết kế xác định một tập hợp các tham số điều khiển mong muốn. Bộ điều khiển thích nghi phải hội tụ về các giá trị tham số này ngay cả khi quá trình không biết. Bộ điều khiển với tính chất này được gọi là tự chỉnh, bởi vì nó tinh chỉnh bộ điều khiển đến chất lượng mong muốn.

Bộ điều khiển tự chỉnh (STR) dựa vào ý tưởng tách ước lượng tham số chưa biết ra khỏi thiết kế bộ điều khiển. Ý tưởng này được minh họa ở Hình A3.1.

Tham số chưa biết được ước lượng trực tuyến, sử dụng các phương pháp ước lượng đệ quy. Các tham số ước lượng được coi như đúng, nghĩa là không xét đến độ không chắc chắn. Điều này được gọi là Nguyên lý Tương đương Chắc chắn. Nhiều sơ đồ ước lượng khác nhau có thể được sử dụng, chẳng hạn như bình phương cực tiểu, bình phương cực tiểu mở rộng,… Các phương pháp thiết kế có thể được sử dụng là thay đổi cực tiểu, bình phương tuyến tính, đặt cực và mô hình tham chiếu. Phương pháp thiết kế được chọn phụ thuộc vào yêu cầu chất lượng vòng kín và điều khiển thực tế. Dưới đây là bộ điều khiển tự chỉnh định đặt cực.

Khối “Ước lượng” tượng trưng cho ước lượng trực tuyến tham số quá trình sử dụng các thuật toán bình phương cực tiểu. Khối “Thiết kế” tượng trưng cho lời giải trực tuyến đối với bài toán thiết kế cho hệ thống với tham số đã biết. Đây được gọi là bài toán thiết kế cơ bản. Khối “Bộ điều khiển” tính toán tín hiệu điều khiển từ các tham số được tính toán ở khối trước. Đôi khi thuật toán STR được đơn giản bằng cách tham số hóa lại và ước lượng trực tiếp các tham số bộ điều khiển, không cần phải ước lượng các tham số quá trình.

Page 2: Bài 9: iu khi n t ch nh dung ph ươ ng pháp t c c iu khi …...3 Hư ng d n thí nghi m i u khi n t ng-©Hu ỳnh Minh Ng c Và thông th ư ng ta c ũng hay thay t l 1/t công

2

Hướng dẫn thí nghiệm điều khiển tự động-©Huỳnh Minh Ngọc

Hình 8.1: Sơ đồ khối bộ tự chỉnh định

Phương pháp ước lượng tham số bình phương tối thiểu (LS-Least Square).

Giả sử ta cần ước lượng một mô hình như sau: ̂y (t)= A(q

− 1) . y ( t− 1)+ B (q

− 1) . u( t− 1)

Như đã giới thiệu ở trên A và B là các đa thức của q-1, toán tử dịch về trước. ̂y là giá trị dự đoán của hệ thống. Tiếp theo để viết mô hình về dạng tuyến tính ta đặt như sau:

Như vậy mô hình hệ thống có thể viết dưới dạng biểu thức vector như sau:

Phương pháp bình phương tối thiểu bắt đầu từ tiêu chí sau:

Phương pháp bình phương tối thiểu phát biểu rằng nếu ta có thể dự đoán một bộ tham số làm chỉ tiêu trên trở thành tối thiểu thì bộ tham số đó là giá trị hội tụ về giá trị thực của tham số. Và từ các công trình nghiên cứu khác, quá trình ước lượng các thông số sẽ được thực hiện một cách qui hồi như sau:

Page 3: Bài 9: iu khi n t ch nh dung ph ươ ng pháp t c c iu khi …...3 Hư ng d n thí nghi m i u khi n t ng-©Hu ỳnh Minh Ng c Và thông th ư ng ta c ũng hay thay t l 1/t công

3

Hướng dẫn thí nghiệm điều khiển tự động-©Huỳnh Minh Ngọc

Và thông thường ta cũng hay thay tỉ lệ 1/t ở công thức thứ 2 bằng các dãy số giảm chậm hơn tỉ số 1/t nhằm tiêu trừ ảnh hưởng của các thông số quá cũ.

Và đặc biệt đối với các hệ thống có thông thay đổi chậm theo thời gian ta thường sử dụng dãy số , tương ứng với hệ số quên cấp số nhân. Khi đó biểu thức thứ 3 sẽ được viết dưới dạng .

8.2.1.1.2 Bộ điều khiển hai bậc tự do:

Hình 8.2: Bộ điều khiển hai bậc tự do

Xét quá trình được mô tả bởi hệ thống một ngõ vào, một ngõ ra (SISO) :

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )1 1 1A q y k B q u k C q e k− − −= +

Và bộ điều khiển hai bậc tự do :

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )1 1 1P q u k R q w k Q q y k− − −= −

Trong đó :

( )

( )

( )

1 1 2 ...0 1 2

1 1 2 ...0 1 2

1 1 2 ...0 1 2

npP q p p q p q p qnp

nqQ q q q q q q q qnq

nrR q r r q r q r qnr

−− − −= + + + +

−− − −= + + + +

− − − −= + + + +

np, nq, nr là bậc của các đa thức P, Q, R tương ứng.

Page 4: Bài 9: iu khi n t ch nh dung ph ươ ng pháp t c c iu khi …...3 Hư ng d n thí nghi m i u khi n t ng-©Hu ỳnh Minh Ng c Và thông th ư ng ta c ũng hay thay t l 1/t công

4

Hướng dẫn thí nghiệm điều khiển tự động-©Huỳnh Minh Ngọc

Bộ điều khiển này gồm có thành phần nuôi tiến (feedforword) với hàm truyền

( )( )

1

1

R q

P q

− và thành phần hồi tiếp (feedback) với hàm truyền

( )( )

1

1

Q q

P q

− . Do đó, nó có

hai bậc tự do. Sơ đồ khối của hệ thống vòng kín được minh họa ở Hình A3.2. Khử u(k) ta được đáp ứng vòng kín :

( ) ( ) ( )BR CP

y k w k e kAP BQ AP BQ

= ++ +

Trong đó AP + BQ là đa thức đặc trưng vòng kín. Mong muốn có đáp ứng vòng kín:

( ) ( )Bmy k w km Am

=

Từ đó, ta có (giả sử e(k)=0):

BBR m

AP BQ Am=

+

Một cách tổng quát, ( ) ( )deg degAP BQ Am+ > . Suy ra, BR và AP + BQ có

thừa số chung A0, gọi là đa thức quan sát.

Theo như mong muốn, chỉ khử bỏ các zero ổn định. Do đó, phân tích B thành B+B-.

Trong đó: B+ : chứa các zero ổn định và bị khử B- : chứa các zero không ổn định và không bị khử

Từ đó, ta có:

0

0

A BB mBR B B RmAP BQ A A AAP B B Qm m

+ −= ⇔ =+ −+ +

Suy ra:

1P P B+=

Do đó:

1 0AP B Q A Am−+ =

Page 5: Bài 9: iu khi n t ch nh dung ph ươ ng pháp t c c iu khi …...3 Hư ng d n thí nghi m i u khi n t ng-©Hu ỳnh Minh Ng c Và thông th ư ng ta c ũng hay thay t l 1/t công

5

Hướng dẫn thí nghiệm điều khiển tự động-©Huỳnh Minh Ngọc

Điều kiện để bộ điều khiển nhân quả:

( ) ( )

( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( )

deg deg

deg deg

deg deg deg deg

deg 2deg deg deg 10

Q P

R P

A B A Bm m

A A B Am

− ≥ −

+≥ − − −

8.2.1.1.3 Các thuật toán đặt cực: Thuật toán 3: Thiết kế đặt cực với tất cả zero không bị khử

Các dữ liệu cho: đa thức A, B Các chỉ tiêu chất lượng: đa thức Am, Bm, A0

Các điều kiện tương thích: B chia hết Bm

deg(Am)-deg(Bm) ≥ deg(A)-deg(B) deg(A0) ≥ 2deg(A) - deg(Am) – 1 Bước 1. Giải phương trình: AP + BQ = A0Am

Bước 2. Tính 0BmR AB

=

Bước 3. Tính luật điều khiển

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )1 1 1P q u k R q w k Q q y k− − −= −

Trong đó đa thức R có thể được tính theo 2 cách sau: Cách 1. Độ lợi DC

Đặt '0 0R r A= →

( ) ( ) ( ) ( )

''0 00

0

Br ABR By k w k w k r w k

AP BQ A A Am m= = =

+

Để ngõ ra bám theo ngõ vào ở trạng thái xác lập thì:

( )

( )

1'0 1

A qmrB q

==

=

Cách 2. Ý tưởng nguyên lý mô hình mội:

Page 6: Bài 9: iu khi n t ch nh dung ph ươ ng pháp t c c iu khi …...3 Hư ng d n thí nghi m i u khi n t ng-©Hu ỳnh Minh Ng c Và thông th ư ng ta c ũng hay thay t l 1/t công

6

Hướng dẫn thí nghiệm điều khiển tự động-©Huỳnh Minh Ngọc

( ) ( ) ( )

( ) ( )

( )1

e k w k y k

BRw k w k

AP BQ

BRw k

D

= −

= −+

= −

Với D = ama0 Gọi F là đa thức phát sinh của w(k) , tức là Fw(k)=[0] Ví dụ nếu w(k) là hàm nấc thì: 11F q−= − Còn nếu w(k) là hàm sine thì: 1 2

0 )1 2cos( q qF Tω − −+= −

Để sai số xác lập bằng 0, thì D -BR = FS với S là đa thức bất kỳ. Vì

( ) ( )

( ) ( )

[ ]0

D BRe k w k

D

FS Sw k Fw k

D D

− =

= =

=

Giải phương trình này sẽ được R.

8.2.1.2 Bộ điều khiển PID: 8.2.1.2.1 Giới thiệu:

Bộ điều khiển PID được sử dụng rất rộng rãi trong thực tế để điều khiển nhiều loại đối tượng khác nhau như nhiệt độ lò nhiệt, tốc độ động cơ, mực chất lỏng trong bồn chứa.… Theo các báo cáo thì hơn 98% các quá trình trong công nghiệp sử dụng bộ điều khiển PID. Lý do bộ điều khiển này được sử dụng rộng rãi như vậy là nó có khả năng triệt tiêu sai số xác lập, tăng đáp ứng quá độ, giảm độ vọt lố nếu các tham số bộ điều khiển được chọn lựa thích hợp. Do sự thông dụng của nó nên nhiều hãng sản xuất thiết bị điều khiển đã cho ra đời các bộ điều khiển thương mại rất thông dụng. Thực tế các phương pháp thiết kế bộ điều khiển PID dùng quỹ đạo nghiệm số, giản đồ Bode hay phương pháp giải tích rất ít được sử dụng do sự khó khăn trong việc xây dựng hàm truyền đối tượng. Phương pháp phổ biến nhất để chọn tham số bộ điều khiển PID thương mại hiện nay là phương pháp Ziegler-Nichols.

Bộ điều khiển PID có hàm truyền như sau: Trong miền liên tục:

( ) i

p d

KK s

sG s K += +

Trong miền rời rạc:

Page 7: Bài 9: iu khi n t ch nh dung ph ươ ng pháp t c c iu khi …...3 Hư ng d n thí nghi m i u khi n t ng-©Hu ỳnh Minh Ng c Và thông th ư ng ta c ũng hay thay t l 1/t công

7

Hướng dẫn thí nghiệm điều khiển tự động-©Huỳnh Minh Ngọc

11 10

10

1) (1 )

2 1( i d

p

K T KqK q

q TG q

− −

+= + + −

Dưới đây là sơ đồ bộ điều khiển PID.

Hình 8.3: Sơ đồ khối bộ điều khiển PID

Công thức tính tín hiệu điều khiển u(k) từ sai số e(k):

1( ) ( ) ( ) ( )

0d

k du k K e k e s ds T e kp T dt

i

= + +∫

Trong đó :

u(k): tín hiệu điều khiển e(k): là sai số được định nghĩa e(k) = w(k) – y(k) w(k): là tín hiệu đặt y(k): là ngõ ra 8.2.1.2.2 Phương pháp đáp ứng quá độ:

Nhiều mô hình công nghiệp có đáp ứng nấc như Hình A3.4

Page 8: Bài 9: iu khi n t ch nh dung ph ươ ng pháp t c c iu khi …...3 Hư ng d n thí nghi m i u khi n t ng-©Hu ỳnh Minh Ng c Và thông th ư ng ta c ũng hay thay t l 1/t công

8

Hướng dẫn thí nghiệm điều khiển tự động-©Huỳnh Minh Ngọc

Hình 8.4: Đáp ứng nấc của một quá trình công nghiệp tiêu biểu

Đáp ứng này có thể xấp xỉ bằng hàm truyền sau :

( )1

k LsG s eZN Ts

−=+

Trong đó :

k là độ lợi tĩnh L là thời gian trễ T là hằng số thời gian

Chú ý :

L

Ta k=

Một cách đơn giản để xác định các tham số của bộ điều khiển PID là dựa vào đáp ứng nấc được Ziegler-Nichols phát triển. Phương pháp này chỉ sử dụng hai tham số như Bảng A3.1 sau.

Bộ điều khiển Kp Ti Td P 1/a PI 0.9/a L/0,3

PID 1.2/a 2L L/2 Bảng 8.1

Quy luật này được phát triển bởi các mô phỏng thực nghiệm nhiều hệ thống

khác nhau. Nó có nhược điểm là hệ thống vòng kín vọt lố nhiều. Có thể chỉnh sửa các tham số để có kết quả tốt hơn.

8.2.1.3.Thiết kế phần cứng Sơ đồ khối phần cứng:

Page 9: Bài 9: iu khi n t ch nh dung ph ươ ng pháp t c c iu khi …...3 Hư ng d n thí nghi m i u khi n t ng-©Hu ỳnh Minh Ng c Và thông th ư ng ta c ũng hay thay t l 1/t công

9

Hướng dẫn thí nghiệm điều khiển tự động-©Huỳnh Minh Ngọc

Hình 8.5: Sơ đồ khối phần cứng Sơ đồ nguyên lý mạch giao tiếp:

PC

VDK P89V51RD2

Mạch ADC Mạch công suất

AC110V

Cảm biến nhiệt độ

Điện trở đốt nóng

MAX232

Page 10: Bài 9: iu khi n t ch nh dung ph ươ ng pháp t c c iu khi …...3 Hư ng d n thí nghi m i u khi n t ng-©Hu ỳnh Minh Ng c Và thông th ư ng ta c ũng hay thay t l 1/t công

10

Hướng dẫn thí nghiệm điều khiển tự động-©Huỳnh Minh Ngọc

Hình 8.6: Sơ đồ nguyên lý mạch giao tiếp máy tính

Vi điều khiển P89V51RD2:

Phần cơ sở lý thuyết đã trình bày về vi điều khiển P89V51RD2. Ở đây chỉ xin nói thêm về chức năng của IC này.

Page 11: Bài 9: iu khi n t ch nh dung ph ươ ng pháp t c c iu khi …...3 Hư ng d n thí nghi m i u khi n t ng-©Hu ỳnh Minh Ng c Và thông th ư ng ta c ũng hay thay t l 1/t công

11

Hướng dẫn thí nghiệm điều khiển tự động-©Huỳnh Minh Ngọc

Vi điều khiển thực hiện nhận mã lệnh từ PC gởi xuống và gửi lên PC các mã lệnh để cho PC phản hồi trạng thái của mạch giao tiếp về PC. Ngoài ra vi điều khiển thực hiện các ngắt Timer để gửi mẫu tín hiệu nhiệt độ về PC theo chu ky lấy mẫu T0 do PC gửi xuống. Vi mạch giao tiếp MAX 232:

Vi mạch MAX 232 của hãng MAXIM là một vi mạch chuyên dùng trong giao diện nối tiếp với máy tính. Chúng có nhiệm vụ chuyển đổi mức TTL ở lối vào thành mức +10V hoặc –10V ở phía truyền và các mức +3…+15V hoặc -3…-15V thành mức TTL ở phía nhận.

Hình 8.7: IC MAX232

Vi mạch MAX 232 có hai bộ đệm và hai bộ nhận. Đường dẫn điều khiển lối vào CTS, điều khiển việc xuất ra dữ liệu ở cổng nối tiếp khi cần thiết, được nối với chân 9 của vi mạch MAX 232. Còn chân RST (chân 10 của vi mạch MAX) nối với đường dẫn bắt tay để điều khiển quá trình nhận. Thường thì các đường dẫn bắt tay được nối với cổng nối tiếp qua các cầu nối, để khi không dùng đến nữa có thể hở mạch các cầu này. Cách truyền dữ liệu đơn giản nhất là chỉ dùng ba đường dẫn TxD, RxD và GND (mass). Cảm biến nhiệt độ:

Thang nhiệt độ động học tuyệt đối: Thang Kelvin: Đơn vị là oK. Trong thang Kelvin này người ta gán cho nhiệt độ của điểm cân bằng của ba trạng thái nước-nước đá-hơi một giá trị số bằng 273,15 oK. Thang Celcius: Đơn vị là oC. Quan hệ giữa nhiệt độ Celcius và Kelvin được định nghĩa bởi công thức: T(oC)=T(oK)-273,15 Thang Fahrenheit: Đơn vị là oF

Page 12: Bài 9: iu khi n t ch nh dung ph ươ ng pháp t c c iu khi …...3 Hư ng d n thí nghi m i u khi n t ng-©Hu ỳnh Minh Ng c Và thông th ư ng ta c ũng hay thay t l 1/t công

12

Hướng dẫn thí nghiệm điều khiển tự động-©Huỳnh Minh Ngọc

T(oC)={T(oF)-32}*5/9 T(oF)=T(oC)*9/5 +32 Các phương pháp đo nhiệt độ: Nhiệt độ là một đại lượng không điện, đo nhiệt độ được chia thành nhiều dãi: đo nhiệt độ thấp, đo nhiệt độ trung bình và đo nhiệt độ cao. Việc đo nhiệt độ được tiến hành nhờ các dụng cụ chuyên biệt như: nhiệt điện trở bán dẫn, nhiệt điện trở kim loại, cảm biến thạch anh, cặp nhiệt điện hoặc nhiệt điện kế kim loại. Việc sử dụng các IC cảm biến nhiệt để đo nhiệt độ là một phương pháp thông dụng được sử dụng trong bài báo cáo đồ án này, nên ở đây chỉ giới thiệu về IC cảm biến nhiệt. Cảm biến LM35: LM35 là IC cảm biến nhiệt độ có độ chính xác cao, 10mV/oC. Ở 25oC nó có sai số là không quá 1%. Với tầm đo từ -55oC – 150oC, tín hiệu ngõ ra tuyến tính liên tục với những thay đổi nhiệt độ ở ngõ vào. Thông số kỹ thuật: LM35 có độ biến thiên theo nhiệt độ: 10mV/1oC. Độ chính xác cao, tính năng cảm biến nhiệt độ rất nhạy, ở nhiệt độ 25oC nó có sai số khộng quá 1%. Tầm đo từ -55oC – 150oC, tín hiệu ngõ ra tuyến tính liên tục với những thay đổi của tín hiệu ngõ vào. Thông số kỹ thuật:

� Ngõ ra điện áp. � Độ nhạy là 10 mV/1oC. � Phạm vi hoạt động: -55oC – 150oC. � Ở nhiệt độ 25oC sai số không quá 1%. � Áp làm việc từ 4 – 30 V.

Đặc tính điện:

� Theo thông số của nhà sản xuất LM35, quan hệ giữa nhiệt độ và điện áp ra như sau:

� Vout = 0,01*ToC � Vậy ứng với tầm hoạt động từ 0oC – 100oC ta có sự biến thiên

điện áp ngõ ra là: � Ở 0oC thì Vout = 0V � Ở 5oC thì Vout = 0.05V � Ở 100oC thì Vout = 1V

Khối biến đổi ADC (IC ADC0809):

Page 13: Bài 9: iu khi n t ch nh dung ph ươ ng pháp t c c iu khi …...3 Hư ng d n thí nghi m i u khi n t ng-©Hu ỳnh Minh Ng c Và thông th ư ng ta c ũng hay thay t l 1/t công

13

Hướng dẫn thí nghiệm điều khiển tự động-©Huỳnh Minh Ngọc

ADC0809 là IC để chuyển đổi tương tự sang số dùng kỹ thuật CMOS bao gồm tám kênh làm việc độc lập với nhau để lựa chọn đầu vào từ IN0 – IN7 và giá trị nhiệt độ sẽ được xuất ra dưới dạng 8 nhị phân 8 bit D0 – D7.

Hình 8.8: IC ADC0809

Sơ đồ chân: IN0 – IN7: 8 ngõ vào tương tự. A0 – A2: giải mã chọn một trong 8 ngõ vào. D0 – D8: ngõ ra song song 8 bit. ALE: cho phép chốt địa chỉ. START: xung bắt đầu chuyển đổi. CLK: xung đồng hồ cho IC hoạt động. REF(+): điện thế tham chiếu (+). REF(-): điện thế tham chiếu (-). VCC: nguồn cung cấp. EOC: báo kết thúc chuyển đổi. OE: cho phép đọc dữ liệu sau chuyển đổi. GND: chân nối đất.

Nguyên lý hoạt động: Kích hoạt chân ALE (Address Latch Enable) cho phép chốt địa chỉ. Cần cấp một xung thấp lên cao để chốt địa chỉ. Sau khi kích xung START thì bộ chuyển đổi bắt đầu hoạt động ở cạnh xuống của xung START, ngõ ra EOC (End Of Conversion) sẽ xuống mức thấp sau khoảng 8 xung clock tính từ cạnh xuống cảu xung START. Lúc này bít có trọng số lớn nhất (MSB) được đặt lên mức 1, tất cả các bit còn lại xuống mức 0, đồng thời tạo giá trị điện thế Vref/2, điện thế này được so sánh với điện thế vào Vin. Nếu Vin>Vref/2 thì bit MSB vẫn ở mức 1.

Page 14: Bài 9: iu khi n t ch nh dung ph ươ ng pháp t c c iu khi …...3 Hư ng d n thí nghi m i u khi n t ng-©Hu ỳnh Minh Ng c Và thông th ư ng ta c ũng hay thay t l 1/t công

14

Hướng dẫn thí nghiệm điều khiển tự động-©Huỳnh Minh Ngọc

Nếu Vin<Vref/2 thì bit MSB xuống mức 1. Tương tự như vậy bit kế tiếp MSB được đặt lên 1 và tạo ra điện thế có giá trị

Vref/4 và cũng so sánh với điện áp ngõ vào Vin. Quá trình cứ tiếp tục cho đến khi xác định được bit cuối cùng. Khi đó chân EOC lên mức 1 báo cho biết quá trình chuyển đổi đã hoàn tất. Để đọc được dữ liệu thì set bit OE (Output Enable) lên mức 1. Trong quá trình chuyển đổi khi có xung START tác động thì ADC sẽ ngưng chuyển đổi.

Các bit A2A1A0 để định địa chỉ cổng vào tương tự theo bảng sau:

A2 A1 A0 Ngõ vào được

chọn 0 0 0 IN1 0 0 1 IN2 0 1 0 IN3 0 1 1 IN4 1 0 0 IN5 1 0 1 IN6 1 1 0 IN7 1 1 1 IN8

Bảng 8.2: Ngõ vào analog tương ứng với giá trị ÀA1A0

Mạch cấp xung đồng hồ cho ADC0809:

Hình 8.9: Mạch dao động cấp xung đồng hồ cho ADC0809

Trong ADC0809 không có đồng hồ riêng và do vậy phải cấp xung đồng bộ ngoài đến chân CLK. Mặc dù tốc độ chuyển đổi phụ thuộc vào tần số xung đồng hồ được nối đến CLK nhưng nó không nhanh hơn 100ms. Tần số dao động của mạch: f = 0,7/(R*C)

Độ phân giải của ADC0809 là: ( )

( ) ( )

256*( )N in ref

ref ref

V V

V V

+ −

−=

Page 15: Bài 9: iu khi n t ch nh dung ph ươ ng pháp t c c iu khi …...3 Hư ng d n thí nghi m i u khi n t ng-©Hu ỳnh Minh Ng c Và thông th ư ng ta c ũng hay thay t l 1/t công

15

Hướng dẫn thí nghiệm điều khiển tự động-©Huỳnh Minh Ngọc

Nếu lấy chân Vref(+) = 5V, chân Vref(-) =0V thì độ phân giải của ADC0809 là 0,0196 V/byte.

Mạch công suất:

Opto-triac MOC3020: Để tạo vùng cách ly giữa hệ thống điều khiển và mạch công suất.

Triac BT136: Mạch công suất dùng BT136 để kích thay đổi nhiệt độ của lò. BT136 có thể chịu được dòng điện từ 4-25A, còn MOC3020 có thể chịu được

điện áp tới 400V nhưng dòng chỉ được 1,2A nên phải dùng thêm BT136 để có thể điều khiển được tải có công suất lớn.

Page 16: Bài 9: iu khi n t ch nh dung ph ươ ng pháp t c c iu khi …...3 Hư ng d n thí nghi m i u khi n t ng-©Hu ỳnh Minh Ng c Và thông th ư ng ta c ũng hay thay t l 1/t công

16

Hướng dẫn thí nghiệm điều khiển tự động-©Huỳnh Minh Ngọc

8.2.1.4.Lưu đồ giải thuật

2.1 Lưu đồ giải thuật chương trình cho vi điều khiển:

Hình 8.10: Trạng thái ban đầu của VDK hoặc khi được RESET

Hình 8.11: Chương trình phục vụ ngắt Timer0 của VDK

- Ngắt port nối tiếp tích cực. - Khởi tạo giá trị cho TH0 & TL0, Timer1

(baudrate là 9600) và port nối tiếp. - Khởi tạo PCA cho chế độ điều rộng xung. - Trạng thái lò nhiệt State=OFF.

START

Có ngắt T0

- ALE tích cực - START tích cực - OE tích cực - Chờ EOC lên mức tích cực � hoàn tất chuyển đổi ADC

Điều khiển chân ALE, START và OE trở về không tích cực

Gửi giá trị nhiệt độ dạng nhị phân lên PC

Page 17: Bài 9: iu khi n t ch nh dung ph ươ ng pháp t c c iu khi …...3 Hư ng d n thí nghi m i u khi n t ng-©Hu ỳnh Minh Ng c Và thông th ư ng ta c ũng hay thay t l 1/t công

17

Hướng dẫn thí nghiệm điều khiển tự động-©Huỳnh Minh Ngọc

Hình 8.12: Lưu đồ chương trình phục vụ ngắt port nối tiếp của VDK 2.2 Lưu đồ giải thuật chương trình Matlab:

Các mã được dùng để giao tiếp PC với VDK: Mã #255: Mã kiểm tra kết nối. Mã #254: Mã vận hành. Mã #254: Mã ngừng vận hành.

SBUF = #253 STOP

- Ngắt Timer0 không tích cực. - STATE = 0. - Gửi mã #253 lên PC

Đ

S

Đ

Đ

S

S

- Ngắt Timer0 tích cực. - Trạng thái lò nhiệt State=ON.

State=ON CCAP4H=SBUF

Có ngắt port nối tiếp

SBUF = #255 LINK

SBUF = #254 RUN

Gửi mã #255 lên PC

SBUF=252 SAMPLE

SAMPLE=1

- SAMPLE = 1. - Gửi mã #252 lên PC.

- Nhận T0 do PC gửi xuống. - Gửi mã #251 lên PC. - SAMPLE=0.

END

Đ

Đ

Đ

S

S

S

Page 18: Bài 9: iu khi n t ch nh dung ph ươ ng pháp t c c iu khi …...3 Hư ng d n thí nghi m i u khi n t ng-©Hu ỳnh Minh Ng c Và thông th ư ng ta c ũng hay thay t l 1/t công

18

Hướng dẫn thí nghiệm điều khiển tự động-©Huỳnh Minh Ngọc

Mã #252: Mã thiết lập trạng thái sẵn sàng cho VDK để nhận thời gian lấy mẫu từ PC gửi xuống.

Mã #251: Mã xác nhận rằng VDK đã nhận thời gian lấy mẫu.

Hình 8.13: Trạng thái ban đầu khi mở giao diện chạy thực

Mở cửa sổ giao diện chạy thực

- Các nút LINK, HELP và CLOSE sáng.

- Nút START, STOP mờ. - Tất cả các điều khiển trong phần cài

đặt thông số đều được cho phép.

Page 19: Bài 9: iu khi n t ch nh dung ph ươ ng pháp t c c iu khi …...3 Hư ng d n thí nghi m i u khi n t ng-©Hu ỳnh Minh Ng c Và thông th ư ng ta c ũng hay thay t l 1/t công

19

Hướng dẫn thí nghiệm điều khiển tự động-©Huỳnh Minh Ngọc

Nhập thông số vào giao diện

Nhấn nút START

- Nạp vào các thông số cố định cho bộ điều khiển. - Gửi mã #252 xuống VDK.

Xảy ra sự kiện TimerFcn

Hủy sự kiện TimerFcn

Nhận được mã #252

Thông báo “KHÔNG THỂ KẾT NỐI PC VÀ VDK”

Gửi giá trị thời gian lấy mẫu

Khởi tạo sự kiện TimerFcn

Đ

Đ S

S

Page 20: Bài 9: iu khi n t ch nh dung ph ươ ng pháp t c c iu khi …...3 Hư ng d n thí nghi m i u khi n t ng-©Hu ỳnh Minh Ng c Và thông th ư ng ta c ũng hay thay t l 1/t công

20

Hướng dẫn thí nghiệm điều khiển tự động-©Huỳnh Minh Ngọc

Hình 8.14: Trạng thái khi nhấn nút VẬN HÀNH

Xảy ra sự kiện TimerFcn

Nhận được mã #251

Khởi tạo sự kiện TimerFcn

Hủy sự kiện TimerFcn

Gửi mã #254

Thông báo “KHÔNG THỂ KẾT NỐI PC VÀ VDK”

Hiện thông báo “HỆ THỐNG LÒ NHIỆT ĐANG VẬN HÀNH”

- Làm mờ nút START. - Làm sáng nút STOP.

Đ

Đ S

S

Page 21: Bài 9: iu khi n t ch nh dung ph ươ ng pháp t c c iu khi …...3 Hư ng d n thí nghi m i u khi n t ng-©Hu ỳnh Minh Ng c Và thông th ư ng ta c ũng hay thay t l 1/t công

21

Hướng dẫn thí nghiệm điều khiển tự động-©Huỳnh Minh Ngọc

Hình 8.15: Sự kiện BytesAvailable

Xảy ra sự kiện ByteAvailableFcn

Nhận nhiệt độ yk do VDK gửi lên đưa vào

Cập nhật giá trị Nhiệt độ đặt wk được nhập từ giao diện

Nhận dạng tham số đối tượng: tính Theta và ma trận C

Thiết kế bộ điều khiển: tính P, Q, R

Tính toán tín hiệu điều khiển uk

Gửi giá trị uk xuống VDK

Đưa giá trị uk, yk, wk lên đồ thị

Page 22: Bài 9: iu khi n t ch nh dung ph ươ ng pháp t c c iu khi …...3 Hư ng d n thí nghi m i u khi n t ng-©Hu ỳnh Minh Ng c Và thông th ư ng ta c ũng hay thay t l 1/t công

22

Hướng dẫn thí nghiệm điều khiển tự động-©Huỳnh Minh Ngọc

Hình 8.16: Trạng thái khi nhấn nút KIỂM TRA KẾT NỐI

Nhấn LINK

Mở cổng COM

Gửi mã #255

Khởi tạo sự kiện TimerFcn

Xảy ra sự kiện TimerFcn

Hủy sự kiện TimerFcn

Nhận được mã #255

- Hiện thông báo “KẾT NỐI THÀNH CÔNG”.

- Làm mờ nút LINK, làm sáng nút START.

Thông báo “KHÔNG THỂ KẾT NỐI PC VÀ VDK”

Đ S

S Đ

Page 23: Bài 9: iu khi n t ch nh dung ph ươ ng pháp t c c iu khi …...3 Hư ng d n thí nghi m i u khi n t ng-©Hu ỳnh Minh Ng c Và thông th ư ng ta c ũng hay thay t l 1/t công

23

Hướng dẫn thí nghiệm điều khiển tự động-©Huỳnh Minh Ngọc

Hinh 8.17: Trạng thái khi nhấn nút NGỪNG

Nhấn STOP

Hủy sự kiện ByteAvailableFcn

Gửi mã #253

Thiết lập sự kiện TimerFcn

Xảy ra sự kiện TimerFcn

Hủy sự kiện TimerFcn

Nhận được mã #253

Thông báo “KHÔNG THỂ KẾT NỐI PC VÀ VDK”

Đóng cổng COM

Thông báo “HỆ THỐNG LÒ NHIỆT ĐÃ NGƯNG VẬN HÀNH HÀNH”

- Làm sáng nút LINK. - Làm mờ nút STOP.

Đ

Đ

S

S