28 Chương CÁC ỨNG DỤNG VỚI CARD HDL USB 9090 3.1 Giới thiệu card HDL USB 9090 Card USB HDL 9090 card thu thập liệu xuất tín hiệu điều khiển đa hệ HDL 9001 Ngoài chức có HDL 9001 thu thập liệu từ cảm biến, điều khiển ON/OFF, điều chế xung PWMv.v.v HDL 9001 có chức Digital Input giúp bạn ứng dụng linh hoạt Với tính vượt trội tốc độ cao ADC cao lần xác lần so với HDL 9001, card USB 9090 lựa chọn tối ưu cho ứng dụng thu thập liệu điều khiễn bạn 29 Hình 3.1 Card HDL USB 9090 Bảng 3.1 Mô tả cụ thể chân tín hiệu card HDL 9001 Ký hiệu Mô tả GND Ground chân mát VCC Nguồn 5V lấy từ USB CNT+/CNTChân đếm Counter DI1-DI4 Tín hiệu dạng số – 5V SW1-SW4 Tín hiệu dạng số – 5V Xếp đếm xung đếm lên (5V) hay đếm DIR xuống (0V) PULSE Đếm xung tín hiệu 5V PWM1Xuất tín hiệu PWM để điều khiển PWM2 ADC1Nhận tín hiệu vào tương tự (Anolog) –5V ADC6 3.2 Cách kết nối thiết bị USB HDL 9090 vào máy tính Loại Nguồn Nguồn Input Input Output Input Input Output Input 30 Bảng 3.2 Mô tả chân hàm USB HDL 9090 để lập trình Chân USB Card SW1-SW4 Loại Control Mô tả Tạo control chân để chọn thiết bị USB HDL Control 9090 Nối giá trị Boolean (TRUE – FALSE) vào chân để phần cứng HDL 9090 xuất tín hiệu số tương PWM1-PWM2 Control ứng (TRUEL 5V, FALSE 0V) Nối giá trị số nguyên – 500 vào để phần cứng xuất PWM Frequency Control xung PWM có duty cycle tương ứng – 100% Nối giá trị từ 3000 – 60000 vào để chọn tần số tín hiệu (3-60kHz) DI1-DI4 PWM card xuất Indicator Gía trị tín hiệu số đọc từ chân DI1 – DI4 ADC1-ADC6 card Gía trị mặc định TRUE (5V) Indicator Gía trị ADC (0 – 1023) đọc từ chân ADC Encoder tương ứng card Indicator Giá trị encoder 0-100000 31 Máy tính cần cài NI VISA phiên 3.1 hay cao Sau thực bước sau: Bước 1: Không cắm HDL 9090 vào máy Chọn Start >> All Programs >> National Instruments >> VISA >> Dr ier Wizard Bước 2:Chọn Other … khung Device List >> Next Chọn USB >> Next Lúc cắm dây USB HDL 9090 váo máy Chọn Yes 32 Nhập 9090 vào khung USB Manufacturer ID (Vendor ID) Nhập 0001 vào khung USB Model Code (Product ID) Chọn Next Bước 3: Nhập HDL-9090 vào prefix có sẵn) Chọn Next khung vào khung Instrument Prefix (thay cho chữ 33 Chọn mục hình (Install the generated files on this computer) Click Finish Lúc card HDL 9090 cài nhận dạng NI MAX Xin chờ vài phút để trình hoàn tất Bước 4:Mở MAX 34 Chọn mục Device & Interface: Lúc thiết bị HDL USB 9090 nhận biết Lưu ý: Card USB HDL 9090 khác vào máy, Found new hardWare Wizard yêu cầu Install driver cho card khác Chỉ cần chọn Yes, Ok card nhận biết MAX thực thao tác 3.3 Các ứng dụng card HDL USB 9090 Hướng dẫn thu thập tín hiệu analog, đọc tín hiệu encoder phát xung PWM với card USB HDL 9090 Nối cảm biến vào card, thu thập tín hiệu analog card HDL 9090 Thực nối dây encoder vào card phát xung PWM để điều khiển động Phần cứng bao gồm: card USB HDL 9090, biến trở cảm biến nhiệt độ LM35, động với encoder, motor drive để điều khiển động (dùng thí nghiệm đa HDL 9000) 35 Kiểm tra phần mềm card HDL 9090 vào máy tính - LabVIEW 2009 - NI VISA- Thư viện kèm theo card HDL 9090 - Thực kết nối card HDL 9090 vào máy tính theo hướng dẫn, kết nối HDL 9090’ Khi card nhận biết MAX hình sau 36 3.2 Sơ đồ chân card USB HDL 9090 3.3.1 Đọc tín hiệu từ Encoder - Trong động thường có gắn encoder để đọc góc quay, vòng quay động Encoder xuất tín hiệu xung card HDL đếm số xung Từ số xung tính số vòng góc quay tùy theo thống số encoder (ví dụ vòng = 100 xung) - Encoder có dây nối: VCC, GND, Channel A Channel B Nối dây VCC GND tương ứng vào HDL 9090 Dây Channel nối vào chân PULSE (chân 17) dây Channel B nối vào chân DIR (chân 16) 37 Hình 3.3 Sơ đồ kết card 9090 Encoder - Lúc bạn lập trình chương trình đọc Encoder đơn giản Trước tiên ta làm theo bước để block diagram sau - Bây Right click lên chân Envoder hàm chọn create>>indicator 38 -Chương trình hoàn thành Chọn thiết bị USB HDL 9090 trông ô USB card chạy chương trình Dùng tay xoay động thấy giá trị Encoder thay đổi tương ứng 3.3.2Phát Xung PWM để điều khiển động 39 Hình 3.4 Cách nối dây Card HDL 9090 moto driver - Khi dùng thí nghiệm đa HDL 9000 có dây cần nối là: • Nối chân PWM1(chân 20) Card HDL 9090 chân PWM moto driver • Nối chân SW1(chân 11) Card HDL 9090 chân DIR moto driver • Nối chân GND Card HDL 9090 chân BRE moto driver 40 - Các dây lại nối mass, nguồn nối nối motor driver động DC Kiểm tra lại kết nối cho xác cấp nguồn cho driver động - Để phát xung điều khiển động cần thêm vào chương trình đọc encoder để viết • Right click thư viện HDL 9090, chân PWM Frequency, chọn create >> control • Right click chân PWM1, chọn create>> control • Right click chân SW1, chọn create>> control 41 - Chương trình hoàn thành Front Panel chương trình điều khiển sửa lại cho đẹp cách dùng control trượt - Chọn thiết bị HDL 9090 ô USB card chạy chương trình Bạn nhập giá trị PWM Frenquency từ 3000 đến 6000 nhập giá trị PWM1 0-500 - Động chạy nhanh hay chậm tùy vào giá trị PWM1 Khi muốn đảo chiều động cơ, click vào nút SW1 quan sát đảo chiều 3.4 Lý thuyết điều khiển PID Có thể nói điều khiển PID (viết tắt của: Proportional–Integral–Derivative Controller) điều khiển phổ biến quan trọng thiết bị hệ thống công nghiệp từ đĩa CD tới vận tốc xe ô tô thực thuật toán PID.), hệ thống lái tự động robot, ô tô, lò nhiệt, vv 42 Hình 3.5 Sơ đồ điều khiển động DC theo thuật toán PID Điều khiển PID gì? Bộ điều khiển PID (Proportional–Integral–Derivative Controller) hiệu chỉnh có phản hồi nhằm làm giá trị sai lệch tín hiệu điều khiển không Bộ PID có ba thành phần: proportional - tỷ lệ, integral - tích phân, derivative - đạo hàm), ba thành phần có vai trò đưa sai lệch không Tính chất tác động thành phần có đặc điểm riêng khảo sát chi tiết phần sau Tín hiệu phản hồi (feedback signal) thường tín hiệu thực đo cảm biến Giá trị sai lệch hiệu tín hiệu đặt (setpoint) trừ cho tín hiệu phản hồi - PID điều khiển thông dụng công nghiệp tính dễ áp dụng, mang lại chất lượng điều khiển ổn định cho hệ thống Cụ thể, điều khiển PID thường sử dụng điều khiển động DC, robot, hệ thống ô tô, điều khiển áp xuất, băng truyền, vv 43 Ví dụ: Bài điều khiển động giả sử dùng để điều khiển vị trí đầu gắn kim loại trượt không ma sát bề mặt để di chuyển từ A đến B 3.6 Cơ cấu cần điều khiển vị trí 3.4.1 Bản chất toán học thuật toán PID Sơ đồ hệ thống PID 44 Hình 3.7 Bộ PID điều khiển vị trí Một điều khiển PID có sơ đồ hình Trong điều khiển PID, sai lệch tính hiệu giá trị đặt điểm đặt (Set point (measured value hệ thống ) trừ cho giá trị thực tế đo ) Hoạt động hệ thống điều khiển vị trí Bộ PID đọc hiểu giá trị mà người điều khiển mong muốn (gọi giá trị đặt, vị trí B có tọa độ xB=20cm), thường người điều khiển đưa giá trị đặt vào điều khiển PID thông qua GUI (Graphical user interface - giao diện người dùng đồ họa) Bộ điều khiển PID tính sai lệch e, qua PID thành tín hiệu điều khiển u(t), sai lệch sau tính toán truyền hệ thống thực thông qua card vào/ra (I/O) card Hocdelam USB-9001 NI 6009 tín hiệu lúc tín hiệu điện áp gọi u(t)2 Sau đó, tín hiệu khuếch đại nhờ Driver (ví dụ Motor driver) để tăng tín hiệu đủ công suất điều khiển cấu chấp hành (động DC), gọi tín hiệu U(t) Tín hiệu điều khiển động điều khiển cấu 5, động quay kim loại trược theo phương X đầu di chuyển dần từ A tới B Hoàn thành vòng điều khiển 45 Sau điều khiển PID liên tục thực lại việc tính toán sai lệch vị trí đặt (vị trí B) so với giá trị vị trí thực tế (measured signal) đầu (nhờ vào đo vị trí gắn với động cơ), Nếu giá trị sai lệch điều khiển PID tiếp tục phát tín hiệu để quay độ động giá trị thực tế dộng trùng khớp với giá trị đặt Tức sai lệch Chừng sai lệch điều khiển PID hoạt động để hiệu chỉnh tín hiệu điều khiển Bản chất toán học PID giải thích công thức sau Giá trị tín hiệu đưa vào động tính là: : tín hiệu điều khiển, tín hiệu PID sinh ra, (thường tín hiệu - qua module công suất) vào hệ thống (động chiều) Có đơn vị phụ thuộc phần cứng, điều khiển động chiều 24V thông qua module công suất Motor driver 24V có đơn vị Volt : Khâu tỷ lệ - : hệ số tỷ lệ, tích phân vi phân PID - sai lệch thời điểm - : Diện tích S tạo đường cong giá trị thực tế đường thẳng giá - trị đặt, cận thời điểm trước sau vòng điều khiển hay nói cách khác K đơn vị thời gian trích mẫu trích (thường thời gian mẫu bé khoảng ms chí nano giây) Vậy tích phân từ → t sai lệch nhân với thời gian lấy mẫu tổng hợp sai lệch từ 46 hệ thống bắt đầu điều khiển tới thời điểm hệ thống hoạt động Hình 3.8 Mô tả giá trị đặt, giá trị đo diện tích sai lệch − Các hệ số không âm: Tức : Tốc độ thay đổi sai lệch thời điểm − Ý nghĩa hệ số gain PID tăng hệ số Với giá trị , tăng độc lập , tín hiệu điều khiển tăng tăng đồng nghĩa điện áp tác động vào động chiều tăng lên, điện áp tăng làm làm giảm nhanh có nghĩa hiệu giá trị đặt giá trị đo giảm nhanh Khi ta gọi khả đáp ứng thống nhanh Đáp ứng hệ thống xem nhanh thời gian cần thiết để tín hiệu đầu hệ thống đạt tới giá trị đặt nhỏ Tuy nhiên, lớn, hệ thống không ổn định có tượng giá trị đo hệ thống vượt giá trị đặt, gọi vọt lố (overshoot) có tác dụng làm tăng tốc độ đáp ứng làm tăng điện áp (U(t)) đặt vào động Đồng thời khâu làm sai lệch tỉnh (steady-state error) trở 47 nhờ vào đặc tính cộng dồn sai lệch phép toán tích phân Sai lệch tỉnh sai lệch sau tín hiệu đầu hệ thống ổn định Khâu D có tác dụng làm ổn định hệ thống Khi đổi dấu tức giá trị phản hồi lớn giá trị setpoint, khâu D có tác dụng làm giảm tín hiệu điều khiển Phương pháp định thông số (Các hệ số gain) thủ công thường dựa vào việc thử nghiệm thông số Ta xác lập hệ số Kp, không Sau tăng dần Kp vọt lố đạt gấn 1,5 lần giá trị đặt Hiệu chỉnh cho sai lệch tỉnh không Và hiệu chỉnh cho hệ thống giảm rung lắc Ngoài bạn thực việc chọn hệ số phương pháp tìm hệ số Zigler–Nichols Phương pháp chỉnh PID (Phương pháp Ziegler–Nichols) Dạng khiển điều Kp Ki P 0.50Ku PI 0.45K 1.2Kp / Pu PID 0.60Ku 2Kp / Pu Kd KpPu / Ku: Giá trị Kp làm cho hệ thống ổn định 150% Pu: Khoảng thời gian dao động tín hiệu đo 48 Cao phương pháp xác định hệ số tay phương pháp xác định gain Kp, Ki, Kd tự động cập nhật tập sách tác giả 3.4.2 Điều khiển PID cho động DC Để thực hành điều khiển PID, chọn card Hocdelam USB 9001, sơ đồ mạch điện Hình 3.9 Sơ đồ kết nối phần cứng điều khiển PID động DC 49 Sơ đồ mạch điện kết nối phần cứng điều khiển PID động DC Hình 3.10 Kết lập trình P control cho động DC 50 Hình 3.11 Giao diện người dùng điều khiển P cho động DC Đáp ứng vị trí động DC theo thuật toán P tốt Thời gian đáp ứng 0.2 giây với Sai lệch tiến tới không sau 0.5 giây Đường màu trắng giá trị đặt, đường màu đỏ giá trị đáp ứng (giá trị đo từ Encoder), màu vàng sai lệch Hình 3.12 Đáp ứng vị trí động DC ... khả đáp ứng thống nhanh Đáp ứng hệ thống xem nhanh thời gian cần thiết để tín hiệu đầu hệ thống đạt tới giá trị đặt nhỏ Tuy nhiên, lớn, hệ thống không ổn định có tượng giá trị đo hệ thống vượt... Proportional–Integral–Derivative Controller) điều khiển phổ biến quan trọng thiết bị hệ thống công nghiệp từ đĩa CD tới vận tốc xe ô tô thực thuật toán PID.), hệ thống lái tự động robot, ô tô, lò nhiệt, vv 42 Hình... dụng, mang lại chất lượng điều khiển ổn định cho hệ thống Cụ thể, điều khiển PID thường sử dụng điều khiển động DC, robot, hệ thống ô tô, điều khiển áp xuất, băng truyền, vv 43 Ví dụ: Bài điều khiển