Đề tài: Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động cơ DC sử dụng bộ điều khiển PID và PID mờ (Fuzzy-PID)

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Trung tâm Đào tạo Tài năng và Chất lượng cao ĐỒ ÁN I Đề tài: Thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ động cơ DC sử dụng bộ điều khiển PID và PID mờ (Fuzzy-PID) Giảng viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Cảnh Quang Sinh viên thực hiện: Lớp: Đặng Đức Công – 20101181 Đặng Thái Giáp – 20101443 KSTN – ĐKTĐ – K55 Hà Nội, tháng 6 năm 2013 MỤC LỤC Trang Danh mục bảng và hình vẽ 3 Lời cảm ơn 4 Tóm tắt đồ án 5 Chương I: Khái quát đề tài 6 1.1. Đặt vấn đề 6 1.2. Hướng giải quyết 7 Chương II: Động cơ điện một chiều và phương pháp điều khiển tốc độ 8 2.1. Đặc tính của động cơ điện một chiều 8 2.1.1. Mô hình toán học động cơ dc sử dụng nam châm vĩnh cửu 8 2.1.2. Phương pháp nhận dạng trực tuyến mô hình động cơ 9 2.2. Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ 10 Chương III: Bộ điều khiển PID kinh điển và bộ điều khiển Fuzzy-PID 11 3.1. Bộ điều khiển PID 11 3.1.1. Lý thuyết về bộ điều khiển pid 11 3.1.2. Chỉnh định tham số bộ điều khiển PID 13 3.1.3. Bộ điều khiển PID số 15 3.2. Bộ điều khiển Fuzzy-PID 16 3.2.1. Lý thuyết điều khiển mờ 16 3.2.2. Bộ điều khiển Fuzzy-PID 21 Chương IV: Thiết kế hệ thống điều khiển 29 4.1. Phần cứng chuẩn bị và phần mềm sử dụng 29 4.1.1. Mạch phần cứng 29 4.1.2. Chương trình phần mềm 30 4.2. Giải quyết vấn đề điều khiển 30 4.2.1. Định hướng chương trình 30 4.2.2. Phác thảo giải thuật 31 4.3. Kết quả mạch chạy thực thế 36 Chương V: Kết luận và hướng phát triển 37 5.1. Kết quả thu được 37 5.2. Một số đề xuất và hướng phát triển đề tài 37 Tài liệu tham khảo và Tài liệu đính kèm 39 2 Danh mục bảng và hình vẽ Hình 2.1. Động cơ DC sử dụng nam châm vĩnh cửu Hình 2.2. Nguyên lý điều chế độ rộng xung PWM Hình 3.1. Sơ đồ khối của hệ điều khiển vòng kín Hình 3.2: Xác định tham số của đặc tính quá tính Bảng 3.1: Lựa chọn tham số bộ PID theo Ziegler-Nichols 1 Hình 3.3: Miền xác định và miền tin cậy của tập mờ Hình 3.4: Một số dạng hàm thuộc Hình 3.5: Ví dụ về liên hệ giữa biến môn ngữ và biến vật lý Hình 3.6: Giải mờ theo phương pháp cực đại Hình 3.7: Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển mờ Hình 3.8: Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển mờ-PID Hình 3.9: Cấu trúc của khối mờ Hình 3.10: Các hàm thuộc của sai lệch e(t) Hình 3.11: Các hàm thuộc của vi phân sai lệch de(t) Hình 3.12: Các hàm thuộc của biến ra 𝐾�,𝐾� ,𝐾 � Hình 3.13: Bảng luật hợp thành mờ Hình 3.14: Bảng luật hợp thành mờ Hình 3.15: Sơ đồ khối bộ điều khiển F – PID Hình 3.16: So sánh đáp ứng của bộ PID(Z-N1) và F – PID Hình 3.17: So sánh đáp ứng của bộ PID(Tuning Toolbox) và F – PID Hình 3.18: Bảng đánh giá chất lượng các bộ điều khiển Hình 4.1: Sơ đồ nguyên lý mạch phần cứng Hình 4.2: Đọc Encoder Hình 4.3: Lưu đồ giải thuật điều chế xung PWM Hình 4.4: Chương trình quét phím ma trận Hình 4.5: Thuật toán Fuzzy-PID Hình 4.6: Ví dụ về xây dựng hàm thuộc cho tập mờ e(t) Hình 4.7: Ví dụ về luật hợp thành Hình 4.8: Ví dụ về phương pháp giải mờ cực đại 3 LỜI CẢM ƠN Kính gửi đến thầy NGUYỄN CẢNH QUANG lời cảm ơn chân thành sâu sắc, cảm ơn thầy đã tận tình giúp đỡ, chỉ dạy chúng em trong suốt quá trình hoàn thành đồ án môn học này. Chân thành cảm ơn các quý thầy cô của trường Đại học Bách Khoa Hà Nội nói chung, của Viện Điện và bộ môn Điều Khiển Tự Động nói riêng đã tận tình giảng dạy, trạng bị cho chúng em những kiến thức bổ ích, quý báu. Hà Nội, tháng 6 năm 2013 Nhóm thực hiện đồ án 4 TÓM TẮT ĐỒ ÁN Nhiệm vụ của đề tài là sử dụng giải thuật PID và Fuzzy-PID ứng dụng trên vi điều khiển để điều chỉnh, ổn định tốc độ động cơ, đồng thời so sánh giữa lý thuyết và chất lượng thực tế của hai bộ điều khiển này. Đề tài được thực hiện như sau: Trướctiên,sửdụng giảithuật PID số, ứngdụng trênvi điềukhiển 8-bit AT89S52 là nhân điều khiển trung tâm, MATLAB là chương trình xử lý trung gian, phần công suất sử dụng Driver tích hợp L298 để điều chỉnh tốc độ động cơ đạt giá trị đặt (Set point) nhập vào từ trước, khi không tải và có tải. Cụ thể, Encoder quang sẽ đưa xung phản ánh tốc độ động cơ về vi điều khiển, sau đó vi điều khiển sẽ tính toán tốc độ hiện tại để hiển thị và thực hiện giải thuật điều khiển PID để điều chế độ rộng xung (PWM – Pulse Width Modulation) điều khiển động cơ thông qua driver L298. Cũng với cáchthực hiện tương tựtrên, sửdụng giảithuật Fuzzy-PID cho bộ điều khiển. Ngoài những nội dung như trên, ta cần xây dựng thư viện các hàm cho bộ điều khiển dựa trên lý thuyết về Logic mờ (Fuzzy Logic) để điều chỉnh tham số cho bộ điều khiển. Kết quả đạt được thỏa mãn khá tốt các yêu cầu đã đề ra: + Xây dựng được bộ điều khiển PID và Fuzzy-PID trên nền vi điều khiển 8-bit AT89S52. + Đo, điều chỉnh ổn định tốc độ động cơ DC. Đáp ứng tốc độ khá nhanh khi khởi động, không tải và có tải. + Hệ thống ổn định, thời gian đáp ứng nhanh, độ quá điều chỉnh khá nhỏ. Kiến thức cơ bản cần có: Lý thuyết điều khiển kinh điển, Lý thuyết điều khiển hiện đại, Điện tử cơ bản, Vi điều khiển, Điện tử công suất, Mô phỏng MATLAB, Kỹ thuật lập trình ngôn ngữ C. 5 ... - tailieumienphi.vn