1 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 suy hàm truyền đạt lò nhiệt -So sánh phương pháp điều khiển PID số với điều khiển tự chỉnh -Làm quen với mô hình lò điện thực tế, cách lập trình cho vi điều khiển P89V51RD2 viết giao diện dùng phần mềm Matlab 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 bản: Trong hệ thống thích nghi, người ta giả sử tham số điều khiển điều chỉnh liên tục Điều có nghĩa tham số điều khiển thay đổi theo trình Tuy nhiên, việc phân tích tính chất hội tụ ổn định hệ thống khó Để đơn giản toán, người ta giả sử trình có tham số số Khi biết trình, thủ tục thiết kế xác định tập hợp tham số điều khiển mong muốn Bộ điều khiển thích nghi phải hội tụ giá trị tham số trình Bộ điều khiển với tính chất gọi tự chỉnh, tinh chỉnh điều khiển đến chất lượng mong muốn Bộ điều khiển tự chỉnh (STR) dựa vào ý tưởng tách ước lượng tham số chưa biết khỏi thiết kế điều khiển Ý tưởng minh họa Hình A3.1 Tham số chưa biết ước lượng trực tuyến, sử dụng phương pháp ước lượng đệ quy Các tham số ước lượng coi đúng, nghĩa không xét đến độ không chắn Điều gọi Nguyên lý Tương đương Chắc chắn Nhiều sơ đồ ước lượng khác sử dụng, chẳng hạn bình phương cực tiểu, bình phương cực tiểu mở rộng,… Các phương pháp thiết kế sử dụng thay đổi cực tiểu, bình phương tuyến tính, đặt cực mô hình tham chiếu Phương pháp thiết kế chọn phụ thuộc vào yêu cầu chất lượng vòng kín điều khiển thực tế Dưới điều khiển tự chỉnh định đặt cực Khối “Ước lượng” tượng trưng cho ước lượng trực tuyến tham số trình sử dụng thuật toán bình phương cực tiểu Khối “Thiết kế” tượng trưng cho lời giải trực tuyến toán thiết kế cho hệ thống với tham số biết Đây gọi toán thiết kế Khối “Bộ điều khiển” tính toán tín hiệu điều khiển từ tham số tính toán khối trước Đôi thuật toán STR đơn giản cách tham số hóa lại ước lượng trực tiếp tham số điều khiển, không cần phải ước lượng tham số trình Hướng dẫn thí nghiệm điều khiển tự động-©Huỳnh Minh Ngọc Hình 8.1: Sơ đồ khối tự chỉnh định Phương pháp ước lượng tham số bình phương tối thiểu (LS-Least Square) Giả sử ta cần ước lượng mô sau: ̂y (t )= A(q− 1) y ( t− 1)+ B (q− 1) u( t− 1) Như giới thiệu A B đa thức q-1, toán tử dịch trước ̂y giá trị dự đoán hệ thống Tiếp theo để viết mô hình dạng tuyến tính ta đặt sau: Như mô hình hệ thống viết dạng biểu thức vector sau: Phương pháp bình phương tối thiểu tiêu chí sau: Phương pháp bình phương tối thiểu phát biểu ta dự đoán tham số làm tiêu trở thành tối thiểu tham số giá trị hội tụ giá trị thực tham số Và từ công trình nghiên cứu khác, trình ước lượng thông số thực cách qui hồi sau: Hướng dẫn thí nghiệm điều khiển tự động-©Huỳnh Minh Ngọc Và thông thường ta hay thay tỉ lệ 1/t công thức thứ dãy số giảm chậm tỉ số 1/t nhằm tiêu trừ ảnh hưởng thông số cũ Và đặc biệt 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 biểu thức thứ viết dạng 8.2.1.1.2 Bộ điều khiển hai bậc tự do: Hình 8.2: Bộ điều khiển hai bậc tự Xét trình mô tả hệ thống ngõ vào, ngõ (SISO) : A q −1 y ( k ) = B q −1 u ( k ) + C q −1 e ( k ) ( ) ( ) ( ) Và điều khiển hai bậc tự : P q −1 u ( k ) = R q −1 w ( k ) − Q q −1 y ( k ) ( ) ( ) ( ) Trong : −np P q −1 = p + p q −1 + p q −2 + + pnp q −nq Q q −1 = q + q q −1 + q q −2 + + qnq q R q −1 = r + r q −1 + r q −2 + + rnr q −nr ( ) ( ) ( ) np, nq, nr bậc đa thức P, Q, R tương ứng Hướng dẫn thí nghiệm điều khiển tự động-©Huỳnh Minh Ngọc Bộ điều khiển gồm có thành phần nuôi tiến (feedforword) với hàm truyền − R q Q q −1 thành phần hồi tiếp (feedback) với hàm truyền Do đó, có P q −1 P q −1 ( ) ( ) ( ) ( ) hai bậc tự Sơ đồ khối hệ thống vòng kín minh họa Hình A3.2 Khử u(k) ta đáp ứng vòng kín : y (k ) = BR CP w(k ) + e(k ) AP + BQ AP + BQ Trong AP + BQ đa thức đặc trưng vòng kín Mong muốn có đáp ứng vòng kín: B ym ( k ) = m w ( k ) Am Từ đó, ta có (giả sử e(k)=0): B BR = m AP + BQ Am Một cách tổng quát, deg ( AP + BQ ) > deg ( Am ) Suy ra, BR AP + BQ có thừa số chung A0, gọi đa thức quan sát Theo mong muốn, khử bỏ zero ổn định Do đó, phân tích B thành B+B- Trong đó: B+ : chứa zero ổn định bị khử B- : chứa zero không ổn định không bị khử Từ đó, ta có: A Bm B BR B+ B− R = m⇔ = AP + BQ Am AP + B + B −Q A0 Am Suy ra: P = P B+ Do đó: AP + B −Q = A Am Hướng dẫn thí nghiệm điều khiển tự động-©Huỳnh Minh Ngọc Điều kiện để điều khiển nhân quả: deg ( Q ) ≤ deg ( P ) deg ( R ) ≤ deg ( P ) deg ( Am ) − deg ( Bm ) ≥ deg ( A ) − deg ( B ) deg A ≥ 2deg ( A ) − deg B + − deg ( Am ) − ( ) ( ) 8.2.1.1.3 Các thuật toán đặt cực: Thuật toán 3: Thiết kế đặt cực với tất zero không bị khử Các liệu cho: đa thức A, B Các 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) – Bước Giải phương trình: AP + BQ = A0Am B Bước Tính R = m A B Bước Tính luật điều khiển P q −1 u ( k ) = R q −1 w ( k ) − Q q −1 y ( k ) ( ) ( ) ( ) Trong đa thức R tính theo cách sau: Cách Độ lợi DC Đặt R = r ' A → 0 Br ' A BR B y(k ) = w ( k ) = 0 w ( k ) = r' w k Am ( ) AP + BQ Am A Để ngõ bám theo ngõ vào trạng thái xác lập thì: A ( q = 1) r' = m B ( q = 1) Cách Ý tưởng nguyên lý mô hình mội: Hướng dẫn thí nghiệm điều khiển tự động-©Huỳnh Minh Ngọc e(k ) = w(k ) − y (k ) BR = w(k ) − w(k ) AP + BQ  BR  = 1 − w(k ) D   Với D = ama0 Gọi F đa thức phát sinh w(k) , tức Fw(k)=[0] Ví dụ w(k) hàm nấc thì: F = − q −1 Còn w(k) hàm sine thì: F = − cos(ωT0 )q −1 + q −2 Để sai số xác lập 0, D -BR = FS với S đa thức Vì  D − BR  e(k ) =   w(k )  D   FS  S =  w ( k ) =    Fw ( k )   D  D = [ 0] Giải phương trình R 8.2.1.2 Bộ điều khiển PID: 8.2.1.2.1 Giới thiệu: Bộ điều khiển PID sử dụng rộng rãi thực tế để điều khiển nhiều loại đối tượng khác nhiệt độ lò nhiệt, tốc độ động cơ, mực chất lỏng bồn chứa.… Theo báo cáo 98% trình công nghiệp sử dụng điều khiển PID Lý điều khiển sử dụng rộng rãi có khả triệt tiêu sai số xác lập, tăng đáp ứng độ, giảm độ vọt lố tham số điều khiển chọn lựa thích hợp Do thông dụng nên nhiều hãng sản xuất thiết bị điều khiển cho đời điều khiển thương mại thông dụng Thực tế phương pháp thiết kế điều khiển PID dùng quỹ đạo nghiệm số, giản đồ Bode hay phương pháp giải tích sử dụng khó khăn việc xây dựng hàm truyền đối tượng Phương pháp phổ biến để chọn tham số điều khiển PID thương mại phương pháp Ziegler-Nichols Bộ điều khiển PID có hàm truyền sau: Trong miền liên tục: G ( s) = K p + Ki + Kd s s Trong miền rời rạc: Hướng dẫn thí nghiệm điều khiển tự động-©Huỳnh Minh Ngọc G ( q −1 ) = K p + KiT0 + q −1 K d + (1 − q −1 ) −1 1− q T0 Dưới sơ đồ điều khiển PID Hình 8.3: Sơ đồ khối điều khiển PID Công thức tính tín hiệu điều khiển u(k) từ sai số e(k):   1k d u (k ) = K p e(k ) + ∫ e( s )ds + Td e(k )  Ti dt   Trong : u(k): tín hiệu điều khiển e(k): sai số định nghĩa e(k) = w(k) – y(k) w(k): tín hiệu đặt y(k): ngõ 8.2.1.2.2 Phương pháp đáp ứng độ: Nhiều mô hình công nghiệp có đáp ứng nấc Hình A3.4 Hướng dẫn thí nghiệm điều khiển tự động-©Huỳnh Minh Ngọc Hình 8.4: Đáp ứng nấc trình công nghiệp tiêu biểu Đáp ứng xấp xỉ hàm truyền sau : k − Ls G (s) = e ZN Ts + Trong : k độ lợi tĩnh L thời gian trễ T số thời gian Chú ý : a=k L T Một cách đơn giản để xác định tham số điều khiển PID dựa vào đáp ứng nấc Ziegler-Nichols phát triển Phương pháp sử dụng hai tham số Bảng A3.1 sau Bộ điều khiển P PI PID Kp Ti 1/a 0.9/a L/0,3 1.2/a 2L Bảng 8.1 Td L/2 Quy luật phát triển mô thực nghiệm nhiều hệ thống khác Nó có nhược điểm hệ thống vòng kín vọt lố nhiều Có thể chỉnh sửa tham số để có kết tốt 8.2.1.3.Thiết kế phần cứng Sơ đồ khối phần cứng: Hướng dẫn thí nghiệm điều khiển tự động-©Huỳnh Minh Ngọc PC MAX232 VDK P89V51RD2 Mạch ADC Mạch công suất AC110V Cảm biến nhiệt độ Điện trở đốt nóng Hình 8.5: Sơ đồ khối phần cứng Sơ đồ nguyên lý mạch giao tiếp: Hướng dẫn thí nghiệm điều khiển tự động-©Huỳnh Minh Ngọc 10 Hình 8.6: Sơ đồ nguyên lý mạch giao tiếp máy tính Vi điều khiển P89V51RD2: Phần sở lý thuyết trình bày vi điều khiển P89V51RD2 Ở xin nói thêm chức IC Hướng dẫn thí nghiệm điều khiển tự động-©Huỳnh Minh Ngọc 11 Vi điều khiển thực nhận mã lệnh từ PC gởi xuống gửi lên PC mã lệnh PC phản hồi trạng thái mạch giao tiếp PC Ngoài vi điều khiển thực ngắt Timer để gửi mẫu tín hiệu nhiệt độ PC theo chu ky lấy mẫu T0 PC gửi xuống Vi mạch giao tiếp MAX 232: Vi mạch MAX 232 hãng MAXIM vi mạch chuyên dùng giao diện nối tiếp với máy tính Chúng có nhiệm vụ chuyển đổi mức TTL lối vào thành mức +10V –10V phía truyền mức +3…+15V -3…-15V thành mức TTL phía nhận Hình 8.7: IC MAX232 Vi mạch MAX 232 có hai đệm hai nhận Đường dẫn điều khiển lối vào CTS, điều khiển việc xuất liệu cổng nối tiếp cần thiết, nối với chân vi mạch MAX 232 Còn chân RST (chân 10 vi mạch MAX) nối với đường dẫn bắt tay để điều khiển trình nhận Thường đường dẫn bắt tay nối với cổng nối tiếp qua cầu nối, để không dùng đến hở mạch cầu Cách truyền liệu đơn giản dùng ba đường dẫn TxD, RxD GND (mass) Cảm biến nhiệt độ: Thang nhiệt độ động học tuyệt đối: Thang Kelvin: Đơn vị oK Trong thang Kelvin người ta gán cho nhiệt độ điểm cân ba trạng thái nước-nước đá-hơi giá trị số 273,15 oK Thang Celcius: Đơn vị oC Quan hệ nhiệt độ Celcius Kelvin định nghĩa công thức: T(oC)=T(oK)-273,15 Thang Fahrenheit: Đơn vị oF Hướng dẫn thí nghiệm điều khiển tự động-©Huỳnh Minh Ngọc 12 T(oC)={T(oF)-32}*5/9 T(oF)=T(oC)*9/5 +32 Các phương pháp đo nhiệt độ: Nhiệt độ đại lượng không điện, đo nhiệt độ chia thành nhiều dãi: đo nhiệt độ thấp, đo nhiệt độ trung bình đo nhiệt độ cao Việc đo nhiệt độ tiến hành nhờ dụng cụ chuyên biệt như: nhiệt điện trở bán dẫn, nhiệt điện trở kim loại, cảm biến thạch anh, cặp nhiệt điện nhiệt điện kế kim loại Việc sử dụng IC cảm biến nhiệt để đo nhiệt độ phương pháp thông dụng sử dụng báo cáo đồ án này, nên giới thiệu IC cảm biến nhiệt Cảm biến LM35: LM35 IC cảm biến nhiệt độ có độ xác cao, 10mV/oC Ở 25oC có sai số không 1% Với tầm đo từ -55oC – 150oC, tín hiệu ngõ tuyến tính liên tục với thay đổi nhiệt độ ngõ vào Thông số kỹ thuật: LM35 có độ biến thiên theo nhiệt độ: 10mV/1oC Độ xác cao, tính cảm biến nhiệt độ nhạy, nhiệt độ 25oC có sai số khộng 1% Tầm đo từ -55oC – 150oC, tín hiệu ngõ tuyến tính liên tục với thay đổi tín hiệu ngõ vào Thông số kỹ thuật: Ngõ điện áp Độ nhạy 10 mV/1oC Phạm vi hoạt động: -55oC – 150oC Ở nhiệt độ 25oC sai số không 1% Áp làm việc từ – 30 V Đặc tính điện: Theo thông số nhà sản xuất LM35, quan hệ nhiệt độ điện áp sau: Vout = 0,01*ToC Vậy ứng với tầm hoạt động từ 0oC – 100oC ta có biến thiên điện áp ngõ là: Ở 0oC Vout = 0V Ở 5oC Vout = 0.05V Ở 100oC Vout = 1V Khối biến đổi ADC (IC ADC0809): Hướng dẫn thí nghiệm điều khiển tự động-©Huỳnh Minh Ngọc 13 ADC0809 IC để chuyển đổi tương tự sang số dùng kỹ thuật CMOS bao gồm tám kênh làm việc độc lập với để lựa chọn đầu vào từ IN0 – IN7 giá trị nhiệt độ xuất dạng nhị phân bit D0 – D7 Hình 8.8: IC ADC0809 Sơ đồ chân: IN0 – IN7: ngõ vào tương tự A0 – A2: giải mã chọn ngõ vào D0 – D8: ngõ song song bit ALE: cho phép chốt địa START: xung bắt đầu chuyển đổi CLK: xung đồng hồ cho IC hoạt động REF(+): điện tham chiếu (+) REF(-): điện tham chiếu (-) VCC: nguồn cung cấp EOC: báo kết thúc chuyển đổi OE: cho phép đọc liệu sau chuyển đổi GND: chân nối đất Nguyên lý hoạt động: Kích hoạt chân ALE (Address Latch Enable) cho phép chốt địa Cần cấp xung thấp lên cao để chốt địa Sau kích xung START chuyển đổi bắt đầu hoạt động cạnh xuống xung START, ngõ EOC (End Of Conversion) xuống mức thấp sau khoảng xung clock tính từ cạnh xuống cảu xung START Lúc bít có trọng số lớn (MSB) đặt lên mức 1, tất bit lại xuống mức 0, đồng thời tạo giá trị điện Vref/2, điện so sánh với điện vào Vin Nếu Vin>Vref/2 bit MSB mức Hướng dẫn thí nghiệm điều khiển tự động-©Huỳnh Minh Ngọc 14 Nếu Vin[...]... 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. .. 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 Hướng dẫn thí nghiệm điều khiển tự động-©Huỳnh... 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... 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 Hướng dẫn thí nghiệm điều khiển tự động-©Huỳnh Minh Ngọc 16... 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): Hướng dẫn thí nghiệm điều khiển tự động-©Huỳnh Minh Ngọc 13 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... thuật chương trình cho vi điều khiển: START - 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 Hình 8.10: Trạng thái ban đầu của VDK hoặc khi được RESET 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... 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 Hình 8.15: Sự kiện BytesAvailable Hướng dẫn thí nghiệm điều khiển tự động-©Huỳnh Minh Ngọc 22 Nhấn... OE trở về không tích cực Gửi giá trị nhiệt độ dạng nhị phân lên PC Hình 8.11: Chương trình phục vụ ngắt Timer0 của VDK Hướng dẫn thí nghiệm điều khiển tự động-©Huỳnh Minh Ngọc 17 Có ngắt port nối tiếp Đ SBUF = #253 STOP - Ngắt Timer0 không tích cực - STATE = 0 - Gửi mã #253 lên PC S Đ Gửi mã #255 lên PC SBUF = #255 LINK S Đ SBUF = #254 RUN - Ngắt Timer0 tích cực - Trạng thái lò nhiệt State=ON S Đ SBUF=252... 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... mẫu Hướng dẫn thí nghiệm điều khiển tự động-©Huỳnh Minh Ngọc 20 Khởi tạo sự kiện TimerFcn Xảy ra sự kiện TimerFcn Đ S Hủy sự kiện TimerFcn Thông báo “KHÔNG THỂ KẾT NỐI PC VÀ VDK” Nhận được mã #251 Đ S Gửi mã #254 Hiện thông báo “HỆ THỐNG LÒ NHIỆT ĐANG VẬN HÀNH” - Làm mờ nút START Làm sáng nút STOP Hình 8.14: Trạng thái khi nhấn nút VẬN HÀNH Hướng dẫn thí nghiệm điều khiển tự động-©Huỳnh Minh Ngọc 21