Đồ án Thiết kế bộ điều khiển PID số trên nền vi điều khiển PIC

Tr−êng ®¹i häc b¸ch khoa hμ néi Khoa ®iÖn Bé m«n ®iÒu khiÓn tù ®éng X\[ ]^W ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài:Thiết kế bộ điều khiển PID số trên nền vi điều khiển PIC Giáo viên hướng dẫn : PGS.TS Phan Xuân Minh Sinh viên thực hiện : Phạm Văn Cường Hoàng Văn Quân Lớp : ĐKTĐ1 Khoá : 49 Hà Nội 5 - 2009 Phạm Văn Cường - Hoàng Văn Quân. Lớp ĐKTĐ1-K49 1 Mục lục Lời mở đầu .......................................................................................... 5 Lời cảm ơn........................................................................................... 6 Chương 1 : Họ vi điều khiển PIC và vi điều khiển PIC18F4520 ..........................7 1.1 Giới thiệu chung .......................................................................................... 7 1.2 . Vi điều khiển Pic18F4520 ......................................................................... 8 1.2.1. Tổ chức bộ nhớ (Memory Organization) ........................................... 13 1.2.2. 8 x 8 HARDWARE MULTIPLIER ................................................... 22 1.2.3. Ngắt (Interrupts) ................................................................................. 23 1.2.4. Cổng vào ra (I/O Port)........................................................................ 32 1.2.5. Bộ định thời (Timer) .......................................................................... 33 1.2.6. Bộ truyền nhận dữ liệu đồng bộ (EUSART-Enhanced Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter)..................................... 37 1.2.7. Module chuyển đổi tưong tự sang số 10 bit (A/D) ............................ 50 Chương 2 : Thiết kế bộ điều khiển PID số...........................................................57 2.1 Thiết kế mô hình phần cứng mạch điều khiển........................................... 57 2.1.1. Yêu cầu thiết kế .................................................................................. 57 2.1.2. Các khối chức năng trên kit điều khiển.............................................. 58 a) Khối vi điều khiển trung tâm....................................................................................58 b) Khối giao tiếp máy tính qua cổng nối tiếp ...............................................................59 c) Khối bàn phím ..........................................................................................................60 d) Khối hiển thị LCD 2x16(2 dòng, 16cột) ..................................................................61 e) Khối mạch động lực điều khiển................................................................................62 f) Khối nguồn 12V/5V..................................................................................................62 g) Các khối khác ...........................................................................................................63 2.2 Thiết kế phần mềm trên nền vi điều khiển PIC ......................................... 64 2.2.1. Yêu cầu phần mềm ............................................................................. 64 2.2.2. Giải thuật chương trình ...................................................................... 65 a) Loop điều khiển........................................................................................................65 b) Thuật toán PID số.....................................................................................................66 2.2.3. Thiết kế phần mềm điều khiển và giám sát trên máy tính ................. 69 2.3 Kit điều khiển............................................................................................. 71 Chương 3 : Ứng dụng bộ điều khiển PID số điều khiển động cơ một chiều.......72 3.1 Đối tượng điều khiển ................................................................................. 72 3.1.1. Thông số kĩ thuật ................................................................................ 72 Phạm Văn Cường - Hoàng Văn Quân. Lớp ĐKTĐ1-K49 2 3.1.2. Nhận dạng mô hình động học của động cơ điện một chiều ............... 72 3.1.3. Thu thập dừ liệu vào/ra của động cơ điện một chiều từ thựcnghiệm. 72 3.1.4. Nhận dạng động cơ điên một chiều bằng Toolbox Identification cảu Matlab........................................................................................................... 74 3.1.5. Đánh giá chất lượng mô hình ............................................................. 76 3.2 Thiết kế luật điều khiển PID...................................................................... 77 3.2.1. Phương pháp Ziegler-Nichols1 .......................................................... 77 3.2.2. Phương pháp IMC .............................................................................. 77 3.2.3. Mô phỏng và đánh giá chất lượng bộ điều khiển............................... 78 3.3 Thiết bị chấp hành(IC L298) ..................................................................... 78 3.4 Cảm biến (Encoder) ................................................................................... 81 3.5 Hệ thống điều khiển................................................................................... 84 3.6 Một số hình ảnh về Kit điều khiển động cơ sử dụng vi điều khiển PIC .. 86 3.7 :Kết quả thực nghiệm................................................................................. 87 3.8 So sánh kết quả mô phỏng và thực tế ........................................................ 88 Kết luận ............................................................................................. 89 Tài liệu tham khảo ............................................................................. 91 Phụ lục Code phần mềm.................................................................... 92 Phạm Văn Cường - Hoàng Văn Quân. Lớp ĐKTĐ1-K49 3 MỤC LỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đồ khối kiến trúc vi điều khiển PIC18F4520 ............................................. 9 Hình 1.2 Sơ đồ chân vi điều khiển Pic18F4520........................................................... 10 Hình 1.3: Tổ chức bộ nhớ chương trình ....................................................................... 13 Hình 1.5: Clock/Instruction Cycle................................................................................ 15 Hình 1.6 Instruction Pipeline Flow .............................................................................. 15 Hình 1.7 Instruction In Program Memory.................................................................... 16 Hình 1.8 Sơ đồ cấu trúc bộ nhớ dữ liệu Pic18F4520 ................................................... 16 Hình 1.9 Sơ đồ cấu trúc thanh ghi của Pic18F4520 ..................................................... 17 Hình 1.10 Pic 18 Interrup logic .................................................................................... 23 Hình 2.1 Mô hình khối mạch điều khiển...................................................................... 57 Hinh 2.2.Sơ đồ khối vi điều khiển trung tâm ............................................................... 58 Hinh 2.3 Mạch nạp cho vi điều khiển trung tâm .......................................................... 58 Hinh 2.4 Khối giao tiếp máy tính Max232................................................................... 59 Hình 2.5 : Cấu tạo cổng COM...................................................................................... 59 Hinh 2.6 Modul bàn phím ............................................................................................ 60 Bảng sơ lược chức năng LCD 2x16 ............................................................................. 61 Hình 2.7 Khối hiển thị LCD ......................................................................................... 62 Hinh 2.8 Khối thiết bị chấp hành.................................................................................. 62 Hình 2.9 Sơ đồ khối nguồn........................................................................................... 62 Sơ đồ nguyên lý kit điều khiển..................................................................................... 63 Sơ đồ mạch in hai lớp................................................................................................... 64 Hình 2.10 Lưu đồ loop điều khiển................................................................................ 65 Hình 2.11 Lưu đồ hàm ngắt dùng tạo chu lì trích mẫu................................................. 66 Hình 2.12 Sơ đồ bộ điều khiển PID số ......................................................................... 67 Hình 2.13 Chống bão hào tích phân ............................................................................. 68 Hình 2.14. Giao diện giao tiếp PC................................................................................ 69 Hình 3.1 Động cơ sủ dụng trong đồ án......................................................................... 72 Hinh 3.2 Sơ đồ thu thập dữ liệu nhận dạng .................................................................. 72 Hình 3.2 Đặc tính thu thập dữ liệu nhận dạng............................................................. 73 Hình 3.3Chọn đầu vào và mô hình nhận dạng của đối tượng ...................................... 75 Hình 3.4Phương thức nhận dạng và đánh giá mô hình thu được ................................. 75 Hình 3.5 Đặc tính quá độ đối tượng sau khi nhận dang ............................................... 76 Hình 3.6 Sai lệch mô hình nhận dạng........................................................................... 76 Phạm Văn Cường - Hoàng Văn Quân. Lớp ĐKTĐ1-K49 4 Hình 3.7 Mô phỏng trên Simulink các phương pháp điều khiển ................................ 78 Hình 3.9 Đặc tính mô phỏng ........................................................................................ 78 Hình 3.10 Sơ đồ chân L298.......................................................................................... 79 Hình 3.11: Các chế độ của L298 .................................................................................. 80 Hình 3.12 : Sơ đồ giải pháp.......................................................................................... 81 Hình 3.13 : Mô hình1 - En coder quang tương đối ...................................................... 81 Hình 3.14 : Phương thức hoạt động Encoder quang tương đối.................................... 82 Hình 3.15 : Mô hình 2 -En coder quang tương đối ...................................................... 82 Hình 3.16 : Sơ đồ xung của En coder quang tương đối(mô hình 2) ............................ 83 Hình 3.17 Sơ đồ hệ thốngđiều khiển động cơ .............................................................. 84 Hình 3.18 Cấu trúc hệ thống điều khiển....................................................................... 84 Hình 3.19 Cấu trúc khối điều khiển động cơ................................................................ 85 Một số hình ảnh mạch điều khiển động cơ một chiều.................................................. 86 Hình 3.20 Đặc tính với bộ điều khiển PI...................................................................... 87 Hình 3.21 Đặc tính với bộ đièu khiển PID................................................................... 87 Hình 3.22 Hệ thống khi có nhiễu................................................................................. 88 Hình 3.23 Đặc tính khi hệ thống có thay đỏi giá trị đặt ............................................... 88 Phạm Văn Cường - Hoàng Văn Quân. Lớp ĐKTĐ1-K49 5 Lời mở 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 dời 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 dưòng 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 trong lĩnh vực điều khiển và trong công nghiệp thì bộ điều khiển PID có ứng dụng kha rộng rãi, một giả pháp đa năng chocác 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 chọn lựa 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 đối 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 mang lại hiệu quả cao trong các cơ cấu chỉnh định. Bài toán thiết kế và điều khiển động cơ một chiều là bài toán cơ bản và quen thuộc trong ngành điều khiển tự động. Có thể thiết kế điều khiển cho đối tượng độngcơ điện một chiều theo nhiều phương pháp như :dùng PLC & 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: Thiết kế bộ điều khiển PID số trên nền vi điều khiểnPIC. Vì khả năng và thời gian có hạn nên không thể tránh khỏi những thiếu sót trong đồ án. Do vậy chúng em rất mong được thầy cô và bạn bè đóng góp xây dựng để đồ án của chúng em được hoàn thiện hơn. Hà Nội, ngày tháng năm 2009 Sinh viên Phạm Văn Cường Hoàng Văn Quân Lớp ĐKT1 - K49 Phạm Văn Cường - Hoàng Văn Quân. Lớp ĐKTĐ1-K49 6 Lời cảm ơn Đầu tiên chúng em xin chân thành gửi lời cảm ơn tới nhà truờng, khoa điện, bộ môn ĐKTĐ, các thầy cô đã dạy dỗ và dìu dắt chúng em trong suốt 5 năm học vừa qua để có được những kiến thức chuyên môn cơ sở sau này chúng em có thể vào đời làm việc, sử dụng có ích cho xã hội. Để thực hiện thành công đồ án là sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của PGS.TS Phan Xuân Minh, Người đã hướng dẫn tận tình , giúp chúng em định hướng, góp ý và cung cấp ý tưởng cũng như chỉ dẫn tài liệu và các tiến trình thực hiện đồ án .Sự hướng dẫn của cô là một yếu tố quan trọng để chúng em có thể hoàn thành đồ án này . Cuối cùng chúng em xin chân thành gửi những lời cảm ơn sâu sắc đến cha mẹ và gia đình, những người luôn sát cánh cùng chúng em, nuôi dưỡng chăm sóc chúng em tạo điều kiện tốt nhất cho chúng em học tập để có kết quả như ngày hôm nay. Chúng em xin chân thành cảm ơn Vi điều khiển Pic Phạm Văn Cường - Hoàng Văn Quân. Lớp ĐKTĐ1-K49 7 Chương 1: Họ vi điều khiển PIC và vi điều khiển PIC18F4520 1.1 Giới thiệu chung Ngày nay, những ứng dụng của vi điều khiển đã đi sâu vào đời sống sinh hoạt và sản xuất của con người. Thực tế hiện nay là hầu hết các thiết bị điện hiện nay đều có sự góp mặt của vi điều khiển và vi xử lí. Ứng dụng vi điều khiển trong thiết kế hệ thống làm giảm chi phí thiết kế và hạ giá thành sản phẩm đồng thời nâng cao tính ổn định của thiết bị và hệ thống. Trên thị trường hiện nay có nhiều họ vi điều khiển để lựa chọn như: 8051, Motola68HC, AVR, ARM, Pic…và có lẽ 8051 là dòng mà chúng ta được làm quen nhiều nhất trong môi trường đại học nhưng tại sao chúng ta chọn dòng vi điều khiển Pic để thực hiện ứng dụng và phát triển không ngoài những nguyên nhân sau: - Họ vi điều khiển Pic phát triển và sử dụng phổ biến ở nước ta => việc tìm mua và trao đổi kinh nghiệm là hết sức thuận lợi. - Giá thành các dòng Pic là không quá mắc. - Các dòng Pic có đầy đủ tính năng để hoạt động độc lập. - Là sự bổ sung hợp lý về kiến thức cũng như ứng dụng cho họ vi điều khiển 8051 - Có sự hỗ trợ cao của nhà sản xuất về các công cụ lập trình, trình biên dịch, mạch nạp Pic từ đơn giản tới phức tạp. Không những vậy các tính năng đa dạng của các đòng Pic không ngừng được phát triển. - Có nhiều bộ phận ngoại vi ngay trên chip, bao gồm: Cổng và/ra số, bộ biến đổi ADC, bộ nhớ EEFROM, bộ định thời, bộ điều chế độ rộng xung (PWM)… - Bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu được tích hợp ngay trên chip. Đây là họ VĐK được chế tạo theo kiến trúc RISC (Reduced Intruction Set Computer) có cấu trúc khá phức tạp. Ngoài các tính năng như các họ VĐK khác, nó còn tích hợp nhiều tính năng mới rất tiện lợi cho người thiết kế và lập trình. Pic18F4520 nằm trong dòng sản phẩm PIC18F2420/2520/4420/4520 của nhà sản xuất Microchip với đặc điểm 28/40/44 -Pin Enhanced Flash Microcontrollers with 10- Bit A/D and nanoWatt Technology. Dòng sản phẩm này có nhiều cải tiến đáng kể về tính năng so các dòng Pic trước đó như : - Bộ nhớ chương trình được tăng cường (16Kbytes for PIC18F2420/4420 devices and 32Kbytes for PIC18F2520/4520 devices). Vi điều khiển Pic Phạm Văn Cường - Hoàng Văn Quân. Lớp ĐKTĐ1-K49 8 - I/O ports (3 bidirectional ports on 28-pin devices, 5 bidirectional ports on 40/44-pin devices). - Tăng cường modul CCP. - Sử dụng công nghệ nanoWatl Dòng sản phẩm này nói chung có nhiều sự tương đồng về tính năng nhưng có thể chia làm hai nhóm Pic18F2420/2520 với 28 chân và Pic 18F4420/4520 với 40 hoặc 44 chân ghép nối. Phần này chủ yếu chúng ta tìm hiểu Pic18F4520 nhưng những đặc điểm các Pic khác thuộc dòng này sẽ hoàn toàn tương tự với các kí hiệu tương ứng. Trong đồ án chúng ta quan tâm chủ yếu Pic18F4520 loại PDIP sử dụng trong mạch thiết kế. 1.2 . Vi điều khiển Pic18F4520 Vi điều khiển Pic18F4520 có các đặc điểm cơ bản: - Sử dụng công nghệ nanoWatl: Hiệu năng cao, tiêu thụ năng lượng ít - Kiến trúc RISC ¾ 75 lệnh mạnh, hầu hết các lệnh thực hiện trong bốn chu kì xung. ¾ Tốc độ thực hiện lên tới 10 triệu lệnh trong 1s với tần số 40Mhz ¾ Có bộ nhân cứng . - Các bộ nhớ chương trình và dữ liệu cố định ¾ 32 Kbytes bộ nhớ flash có khả năng tự lập trình trong hệ thống có thể thực hiện được 100.000 lần ghi/xóa ¾ 256 bytes EEPROM có thể thực hiện được 1.000.000 lần ghi/xóa- ¾ 256 bytes SRAM - Những ngoại vi tiêu biểu ¾ 4 bộ định thời/bộ đếm 8 bit với các chế độ tỉ lệ đặt trước và chế độ so sánh. ¾ Bộ đếm thời gian thực với bộ tạo dao động riêng biệt ¾ 2 kênh PWM ¾ 13 kênh ADC 10 bit ¾ Bộ truyền tin nối tiếp USART khả trình ¾ Watchdog Timer khả trình với bộ tạo dao động bên trong riêng biệt ¾ Bộ so sánh tương tự - Các đặc điểm đặc biệt khác ¾ Power on Reset và dò Brown out khả trình Vi điều khiển Pic Phạm Văn Cường - Hoàng Văn Quân. Lớp ĐKTĐ1-K49 9 ¾ Bộ tạo dao động RC được định cỡ bên trong ¾ Các nguồn ngắt bên trong và bên ngoài - I/O và các kiểu đóng gói ¾ 32 đường I/O khả trình ¾ Đóng gói 40-pin PDIP, 44-lead TQFP, và 44-pad MLF Hình 1.1 Sơ đồ khối kiến trúc vi điều khiển PIC18F4520 Vi điều khiển Pic Phạm Văn Cường - Hoàng Văn Quân. Lớp ĐKTĐ1-K49 10 Sơ đồ chân của các vi điều khiển Pic18F4420/4520 Hình 1.2 Sơ đồ chân vi điều khiển Pic18F4520 Sau đây là giới thiệu cấu tạo chân loại 40 chân (40 Pin PDIP): • Chân 1( MCLR /VPP/RE3) : - MCLR là đầu vào Master Clear (reset) hoạt động ở mức thấp dể reset toàn bộ thiết bị. - VPP dùng để thay đổi điện áp đầu vào. - RE3 đầu vào số. Các chân thuộc cổng vào ra Port A • Chân 2(RA0/AN0):với RA0 là cổng vào ra số, AN0 là đầu vào tương tự Input0. • Chân 3(RA1/AN1): RA1 là cổng vào ra số, AN1 là đầu vào tương tự Input1. • Chân 4(RA2/AN2/VREF+): RA2 là cổng vào ra số, AN2 là đầu vào tương tự Input2. VREF+ đầu vào tương tự chuyển đổi A/D điện áp tham chiếu(mức thấp), còn CVREF là đầu ra tương tự để so sánh điện áp chuẩn. •