Tự động điều chỉnh tốc độ hỗn hợp dòng khí bằng bộ điều chỉnh đa vòng

nh u(t), sau đó đo tín hiệu ra y(t). Người ta mô tả hệ thống bằng một mô hình tham số và dùng phương pháp bình phương tối thiểu để hiệu chỉnh sao cho đánh giá của véc tơ tham số trùng với véc tơ tín hiệu ra của hệ thống. Ngày nay, nhận dạng tham số được ứng dụng rất rộng dãi nhất là trong điều khiển số. Nhận dạng tham số dùng để nhận dạng các hệ thống phức tạp, trong trường hợp này hệ thống được gọi là “Hộp đen”. Vì vậy phương pháp nhận dạng tham số còn có tên là nhận dạng hộp đen. Do trong đề tài này đối tượng của chúng tôi là cả hệ thống thí nghiệm quá trình sấy. Đây là một đối tượng tương đối phức tạp, mà ở đó sự hiểu biết giữa - 58 - các mối quan hệ vật lý bên trong và bên ngoài không rõ dàng. Nên để xây dựng mô hình toán học cho hệ thống, chúng tôi sử dụng phương pháp nhận dạng bằng thực nghiệm. Vì thế, sau đây chúng tôi chỉ giới thiệu phương pháp xây dựng mô hình toán học cho hệ thống bằng phương pháp thực nghiệm. 4.1.2. Nhận dạng đối tượng bằng thực nghiệm + Phương pháp nhận dạng Đối tượng có hai loại cơ bản là đối tượng có tính tự cân bằng và đối tượng không tự cân bằng, nên sẽ có hai thuật toán để xác định hàm truyền. Do giới hạn của đề tài nên ở đây ta chỉ xét đối tượng có tính tự cân bằng và phương pháp xác định hàm truyền tương ứng. Tính tự cân bằng là khả năng của đối tượng sau khi có nhiễu tác động phá vỡ trạng thái cân bằng thì nó sẽ tự hiệu chỉnh để trở lại trạng thái cân bằng mà không có sự tác động từ bên ngoài, đối tượng tự cân bằng được gọi là đối tượng tĩnh. Đường quá độ của đối tượng tự cân bằng được biểu diễn ở Hình 4.1. Hình 4.1. Đường cong quá độ của đối tượng tự cân bằng Để xác định đặc tính động học của đối tượng điều khiển, trong trường hợp này, ta sử dụng phương pháp thực nghiệm chủ động bằng cách đặt ở đầu vào đối tượng một nhiễu bậc thang và ghi lại phản ứng của nó ở đầu ra. Dựa vào phản ứng này ta có thể xác định được hàm truyền của đối tượng. - 59 - Dạng tổng quát hàm truyền của đối tượng có tính tự cân bằng được mô tả như sau: o odt -τ sW = W (s).e Trong đó τo được gọi là thời gian trễ vận chuyển nó là khoảng thời gian kể từ thời điểm phát tín hiệu vào cho đến thời điểm tín hiệu ra bắt đầu thay đổi. Nhiệm vụ của ta ở đây là phải xác định hàm truyền Wo(s). Chuyển trục tung sang toạ độ t = τo ta sẽ nhận được đường quá độ h1(t) trong hệ toạ độ mới, h1(t) chính là đường quá độ của phần tử có hàm truyền đạt là Wo(s). Tổng quát hàm truyền đạt của đối tượng được xác định bởi: m m 1 o 1 m 1 o n n 1 o 1 n 1 b s b s ... b s 1W (s) a s a s ... a s 1 − −− − + + + += + + + + (n > m) Xong thông thường trong thực tế khâu tĩnh có đường quá độ như h1(t) có hàm truyền đạt lấy gần đúng ở một trong các dạng sau: + Khâu quán tính bậc nhất: dto K W (s) 1 Ts = + + Khâu quán tính bậc nhất có trễ: dto τsK .e W (s) 1 Ts − = + + Khâu quán tính bậc hai: dto 1 2 K W (s) (1 T s)(1 T s) = + + + Khâu quán tính bậc hai có trễ: dto 1 2 τsK .e W (s) (1 T s)(1 T s) − = + + Việc chọn hàm truyền đạt của đối tượng xác định theo các bước sau: - 60 - * Xây dựng hàm so chuẩn σ(t) từ đường quá độ h1(t). 1 1 h (t) σ(t) h ( ) = ∞ Với h1(∞) là trị số xác lập của h1(t). - Xác định t7 sao cho σ(t7) = 0,7 - Xác định t3 = t7/3 từ đó xác định σ(t3) + Nếu σ(t3) > 0,31 thì đối tượng lấy gần đúng là khâu quán tính bậc nhất có trễ. dt o τsK .e W (s) 1 Ts − = + + Nếu 0,195 ≤ σ(t3) ≤ 0,31 thì đối tượng lấy gần đúng là khâu quán tính bậc hai. dt o 1 2 K W (s) (1 T s)(1 T s) = + + + Nếu σ(t3) ≤ 0,195 thì đối tượng lấy gần đúng là khâu quán tính bậc hai có trễ. dt o 1 2 τsK .e W (s) (1 T s)(1 T s) − = + + Hệ số truyền của đối tượng được xác định theo công thức: dt h( )K A ∞= A – Biên độ của xung bậc thang Các giá trị thời gian τ, T, T1, T2 có các thuật toán xác định gần đúng dựa trên đường quá độ h1(t). Trong phần này sẽ không nêu ra tất cả các phương pháp đó mà chỉ trường hợp cụ thể của đối tượng điều khiển được nghiên cứu trong đề tài này là hệ thống thí nghiệm. Mặt khác do điều kiện phòng thí nghiệm thiếu thốn về trang thiết bị đo đạc tốc độ gió, nên để tiến hành làm thực nghiệm xác định hàm truyền là hết sức - 61 - khó. Vì vậy sau đây chúng tôi chỉ nêu ra được cơ sở lý thuyết của phương pháp sẽ thực hiện làm thực nghiệm. + Xác định mô tả động học - Bước 1: Xác định đường quá độ h(t) bằng thực nghiệm. Trước hết khởi động đồng thời các bộ phận trong hệ thống thí nghiệm sấy như bộ phận tạo nhiệt, tạo ẩm. Sau đó đặt một điện áp có tần số nhất định vào động cơ quạt là U = 220V, f = 50Hz, tương ứng với tốc độ đặt đầu vào là lớn nhất. Đồng thời cùng lúc đó khởi động máy ghi để ghi lại sự thay đổi của tốc độ hỗn hợp dòng khí sấy ở đầu ra hệ thống. Sử dụng tốc độ kế để đo vận tốc đầu ra. Ta sẽ dừng việc lấy kết quả khi nào hệ thống ở trạng thái ổn định. - Bước 2: Chọn dạng hàm truyền đạt Theo đồ thị xác định được giá trị thời gian trễ vận chuyển kéo dài là khoảng thời gian tính từ gốc toạ độ đền thời điểm bắt đầu có phản ứng đầu ra của hệ thống. Trừ thời gian vận chuyển phần còn lại của đường h(t) là h1(t). Từ đồ thị ta đi xác định các giá trị h1(∞)→ 0,7h1(∞) = h1(t7) biết được giá trị của h1(t7) từ đồ thị ta suy ra được giá trị t7. Chuyển đổi ngược hàm truyền đạt sang miền thời gian ta được hàm chuẩn σ(t). + Xác định σ(t3) Ta sẽ đi xác định t3 bằng các công thức sau đây: t3 = t7/3 → h1(t3) Suy ra σ(t3) = 3 h(t ) h( )∞ Sau đó ta so sánh giá trị σ(t3) với 0,31 và 0,195. Khi đó hàm truyền đạt của đối tượng sẽ được chọn tuỳ thuộc vào kết quả so sánh của σ(t3) với 0,31 và 0,195. - 62 - - Bước 3: Xác định các thông số của hàm truyền đạt. Để thuận tiện cho việc tính toán tiếp theo ta ghép toàn bộ mạch điều khiển tần số vào với cơ cấu chấp hành là biến tần cùng động cơ để tạo thành đối tượng điều chỉnh. Tín hiệu vào của mạch điều khiển biến tần là tần số của xung 0 – 5V, tương ứng với tần số cấp cho động cơ 0 – 50Hz, và tốc độ hỗn hợp dòng khí sẽ là 0 – 1m/s. + Xác định hệ số khuyếch đại K, hằng số thời gian T và trễ dung lượng τ. Tuỳ thuộc vào dạng của hàm truyền đạt tìm được ở phần trên mà việc xác định các tham số của đối tượng cũng khác nhau. Sau đây ta nêu ra một vài phương pháp thực hiện xác định các tham số của các đối tượng quen thuộc. * Nếu đối tượng là khâu quán tính bậc nhất - Kẻ đường tiếp tuyến với h(t) tại t = 0. - Xác định giao điểm của tiếp tuyến với đường K = h(∞). - Để thuận lợi cho việc kẻ tiếp tuyến được chính xác ta tìm điểm trên đường quá độ có tung độ h(t) = 0,632K. - Hoành độ giao điểm của điểm vừa xác định được chính là hằng số thời gian T. * Nếu đối tượng là bậc nhất có trễ Cách xác định tương tự như trên chỉ khác tiếp tuyến được kẻ xuất phát tại điểm có t = τ ( τ là thời gian trễ). * Đối tượng thuộc khâu quán tính tích phân bậc nhất - Kẻ đường tiệm cận htc(t) với h1(t) tại t = ∞. - Xác định T là giao điểm của htc(t) với trục thời gian t. - Xác định góc nghiêng α của htc(t) với trục hoành rồi tính K = tgα. * Đối tượng là khâu quán tính bậc n - Dựng đường tiệm cận htc(t) với h(t). - Xác định góc nghiêng α của htc(t) và tính K = tgα. - 63 - - Xác định giao điểm của htc(t) với trục hoành và tính tc TT= n Ngoài các đối tượng nêu trên, còn một số đối tượng nữa không nói đến và các phương pháp nêu trên chỉ là hướng thực hiện cách xác định các tham số cho đối tượng chứ chưa đưa ra cách tìm cụ thể. - Bước 4: Khảo sát độ chính xác hàm truyền tìm được Với hàm truyền tìm được ở trên bằng cách khảo sát bằng simulink với đầu vào là hàm 1(t) và quan sát tín hiệu đầu ra ta nhận được đường cong lý thuyết. So sánh giữa hai đường quá độ của hàm tìm thực nghiệm và theo lý thuyết tìm được, sau đó tính sai số bình phương giữa hai đường h1(t) và hlt(t) theo công thức: n 2 1lti=1 [h (t)-h (t)] σ = (n-1) ∑ Cách xác định sai số bình phương được thực hiện bằng việc tính tổng bình phương hiệu các tung độ tại các điểm có tung độ khác nhau và chia trung bình, sau đó lấy căn bậc hai ta sẽ được sai số cần tìm. Trong phần trên chỉ viết công thức. Từ đó đánh giá được độ chính xác của hàm truyền tìm được thông qua giá trị sai số. 4.2. TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU CHỈNH 4.2.1. Phương pháp tổng hợp bộ điều khiển kinh điển Sau khi đã xác định và xây dựng được mô hình toán học của đối tượng thì việc tiếp theo tổng hợp hệ thống là tổng hợp bộ điều chỉnh. Việc tổng hợp bộ điều chỉnh với mục đích can thiệp vào đối tượng nhằm đạt được chất lượng mong muốn và đảm bảo quá trình công nghệ. Trong phần này chúng tôi giới thiệu phương pháp tổng hợp bộ điều chỉnh PID. Bộ điều chỉnh PID bao gồm ba thành phần: khuyếch đại tỷ lệ P, tích phân I và vi phân D. - 64 - Phương trình thời gian mô tả bộ điều chỉnh PID: u(t) = Kp[e(t) + i 1 T ∫e(t)dt + TD de(t) dt ] Với: Kp hệ số khuyếch đại tỉ lệ. Ti hằng số thời gian tích phân. TD hằng số thời gian vi phân. e(t) tín hiệu vào bộ điều chỉnh. u(t) tín hiệu ra bộ điều chỉnh. Hình 4.4. Hệ thống điều khiển tự động Bộ PID được sử dụng rất rộng rãi, là cơ sở để thiết kế các bộ điều khiển khác. Lý do là tính đơn giản của nó kể cả về cấu trúc lẫn nguyên lý làm việc, người sử dụng nó rất linh hoạt, ví dụ như dễ dàng tích hợp các luật điều khiển như luật P, luật PI, luật PD. Hơn nữa bộ điều khiển PID luôn là phần tử không thể thay thế trong các quá trình tự động điều khiển như tự động khống chế nhiệt độ, mức, tốc độ vv. Ngay cả khi lý thuyết điều khiển tự động hiện đại ra đời, việc ứng dụng vào việc thiết kế các bộ điều khiển như bộ điều khiển mờ, bộ điều khiển NƠRON, bộ điều khiển bền vững, bộ điều khiển thích nghi, thì việc kết hợp giữa các phương pháp điều khiển hiện đại và bộ điều khiển PID kinh điển vẫn đem lại những hiệu quả bất ngờ mà không bộ điều khiển nào có khả năng đem lại. Qui luật của bộ điều khiển PID kinh điển. + Luật P: Làm tăng tín hiệu điều khiển u(t), nhưng không khử được sai lệch tĩnh của hệ. - 65 - + Luật I: Luôn có xu thế làm cho sai lệch tĩnh e(t) = 0, nhưng lại làm tăng quá trình quá độ của hệ. + Luật D: Dự đoán trước xu hướng thay đổi của hệ, phản ứng nhanh nhậy với sự thay đổi đó, tức làm tăng khả năng tác động nhanh của hệ. Như vậy ta thấy việc kết hợp hài hoà giữa 3 tham số Kp, Ti, TD sẽ cho ra một bộ điều khiển mong muốn. Hơn nữa việc xử lý tín hiệu trong vi điều khiển là số nên ta phải số hoá mô hình bộ điều khiển PID. Ở trong hệ gián đoạn, đầu vào e(t) được thay bằng dãy {ek} có chu kỳ trích mẫu là TS, khi đó thuật toán PID số được xây dựng như sau: Thành phần khuếch đại up(t) = Kpe(t) được thay bằng ukP= Kpek Thành phần tích phân ui(t) = tp 0i K e(τ)dτ T ∫ được xấp xỉ bằng: uki = kp S ii=1i K T e T ∑ Thành phần vi phân uD(t) = p D de(t)K T dt được thay bằng: ukD = p D k k-1 S K T (e -e ) T Thay các công thức xấp xỉ trên vào: uk = ukP + uki + ukD ta thu được mô hình không liên tục của bộ PID số kS D pk k i k k-1i=1 Si T Tu =K [e + e + (e -e ) T T∑ ] - 66 - 1. Phương pháp thiết kế bộ điều khiển PID ở miền thời gian Ở đây chỉ nêu ra phương pháp sẽ chọn để áp dụng vào đối tượng này và một vài phương pháp hay sử dụng. + Phương pháp Ziegler – Nichols thứ nhất. Phương pháp này áp dụng cho mô hình bậc nhất có trễ của đối tượng, đối tượng phải ổn định, không có dao động và hàm quá độ phải có dạng hình chữ S. Cụ thể đối tượng được mô tả bởi mô hình toán học dưới đây. dt 1 -τsK.eW 1 T s = + Ziegler – Nichols đã xác định các tham số Kp, Ti, TD của bộ điều khiển như sau. * Nếu sử dụng bộ điều khiển khuếch đại Wdk = Kp thì chọn KP = 1 T Kτ . * Nếu sử dụng bộ điều khiển PI với p idk i K (1 Ts) W Ts += thì chọn 1 p 0,9TK Kτ = và i 10τT 3= . * Nếu sử dụng bộ PID với p Ddk i 1W K (1 T s) Ts = + + thì chọn 1p 0,5TK Kτ= , iT 2τ= , D τT 2= . 2. Phương pháp thiết kế bộ điều chỉnh PID ở miền tần số. Nguyên tắc thiết kế ở miền tần số. Một trong những yêu cầu đối với hệ thống kín hình trên mô tả bởi: o k o W (s)W (s) 1 W (s) = + Với Wo(s) = Wdk(s). Wdt(s) - 67 - Hình 4.5. Điều khiển với bộ điều khiển PID Là hệ thống luôn đáp ứng y(t) giống như tín hiệu lệnh được đưa vào hệ thống x(t) tại mọi điểm tần số hoặc ít ra thời gian quá độ để y(t) bám vào x(t) càng ngắn càng tốt. Nói cách khác bộ điều khiển lý tưởng Wdk(s) cần phải mang đến cho hệ thống khả năng │Wk(jω)│=1 ω∀ . Nhưng thực tế, vì nhiều lí do mà yêu cầu Wdk(s) thoả mãn kW (s) khó đáp ứng. Nên bộ điều khiển Wdk(s) thoả mãn │Wk(jω)│=1 trong dải tần số thấp có độ rộng càng lớn càng tốt. ● Phương pháp tối ưu môdun. Như việc phân tích phương pháp điều khiển ở miền tần số ta nhận thấy. Đối với một hệ thống kín, khi tần số tiến đến vô hạn thì môđun của đặc tính tần số biên độ phải tiến đến không. Vì thế đối với dải tần số thấp hàm truyền phải đạt được điều kiện │Wk(jω)│=1. Hàm chuẩn tối ưu mô đun là hàm có dạng: MC 2 2 σ σ 1F (s) 1 2τ s 2τ s = + + Tiêu chuẩn tối ưu môđun hiệu chỉnh lại đặc tính tần số chỉ ở vùng tần số thấp và không bảo đảm trước được tính ổn định của hệ thống. Do đó sau khi ứng dụng tiêu chuẩn tối ưu môđun cần phải kiểm tra sự ổn định của hệ. Đặc tính tần số và đặc tính quá độ của hàm chuẩn tối ưu môđun có dạng. - 68 - Hình 4.6. a) Đặc tính tần số; b) Đặc tính quá độ * Trường hợp hệ hữu sai có hàm truyền. 1 o 1 2 KS (s) (1 T s)(1 T s) = + + trong đó T2 > T1 Để hệ có hàm truyền F(s) = FMC(s) thì ta phải có: o MC o R(s).S (s) F (s) 1 R(s).S (s) =+ → MC o MC F (s) R(s) S (s) 1 F (s)⎡ ⎤⎣ ⎦ = − → o σ σ 1R(s) S (s)2τ s(1 τ s) = + - 69 - Hình 4.7. Cấu trúc hệ thống Nếu chọn bộ điều chỉnh PI o 1 TsR(s) KT s += thì ta chỉ bù được hằng số thời gian lớn 1+Ts = 1+T2s. Khi đó hàm truyền hở của hệ sẽ là: 1 1 o o o o1 2 1 K K1 Ts 1F (s) R(s).S (s) . . KT s (1 T s)(1 T s) KT s 1 T s += = =+ + + Hàm truyền kín của hệ là: 1 o 2oo 11 1 1 1 K 1F(s) KT TKTKT s(1 T s) K 1 s sK K = =+ + + + Để F(s) = FMC(s) thì ta phải có KTo = 2KT1 thay vào biểu thức trên ta sẽ có 2 2 1 1 1F(s) 1 2T s 2T s = + + . Như vậy nếu hệ có cấu trúc như Hình 4.7 thì theo tiêu chuẩn tối ưu môđun và nếu chọn bộ điều chỉnh có cấu trúc PI thì hàm truyền của nó sẽ có dạng 2 1 1 1 T sR(s) 2K T s += và đặc tính quá độ của hệ sẽ có các thông số đặc trưng như Hình 4.8. * Trường hợp hệ có hàm truyền u0 ' ii 1 KS (s) (1 T s) = = +∏ - 70 - Hình 4.8. Đặc tính quá độ của hệ thống Trong đó Ti’ là các hằng số thời gian nhỏ, bằng phương pháp thực hiện tương tự như trên ta tìm được bộ điều chỉnh có cấu trúc tích phân như sau: i 1R(s) 2KTs = với u 'i ii 1T T== ∑ * Nếu hàm truyền của hệ có dạng o u2 ' k ik 1 1S (s) (1 T s). (1 T s) i 1= = + +∏ ∏= Tức là hàm truyền có dạng là tích của hai trường hợp trên cũng tương như trên ta sẽ có bộ điều chỉnh PID. 2 kk 1 i (1 T s) 1R(s) . K 2Ts = +∏= * Nếu hàm truyền có dạng o u ' ii 1 KS (s) s(1 Ts) (1 T s) = = + +∏ thì có bộ điều chỉnh PD i 1 TsR(s) 2KT += . * Nếu o u ' ii 1 KS (s) s (1 T s) = = +∏ thì có bộ điều chỉnh tỷ lệ i 1R(s) 2KT = . - 71 - Như vậy tuỳ vào hàm truyền đạt của đối tượng So(s) mà bằng các bộ điều chỉnh R(s) ta có được hệ có hàm truyền dạng tối ưu môđun. Trong các trường hợp trên, giá trị hằng số thời gian Tσ là nhỏ, nên có thể coi kết quả có hàm truyền dạng quán tính: 2 2 σσ σ 1 1F (s) 1 2T s1 2T s 2T s = = ++ + Và quá trình quá độ ứng với hàm quán tính gần đúng này là đường nét đứt trên Hình 4.8. ● Phương pháp tối ưu đối xứng Phương pháp này thường được áp dụng để tổng hợp các bộ điều chỉnh trong mạch có yêu cầu vô sai cấp cao, nó cũng được áp dụng có hiệu quả để tổng hợp các bộ điều chỉnh theo quan điểm nhiễu loạn. Hàm chuẩn tối ưu đối xứng có dạng: σ DX 2 2 3 3 σ σ σ 1 4τ sF (s) 1 4τ s 8τ s 8τ s += + + + Để nghiên cứu ý nghĩa của tiêu chuẩn tối ưu đối xứng ta xét hệ thống có hàm truyền So(s) là dạng vô sai cấp một nhưng lại dùng bộ điều chỉnh kiểu PI: o 1 o o o 1 i K1 T sF (s) R(s).S (s) . KT s sT (1 Ts) += = + Trong đó Ti là tổng các hằng số thời gian nhỏ. Khai triển biểu thức trên ta có. o1 2 3 o o o1 1 1 i K (1 T s)F (s) 1 K T s KT T s KT T Ts += + + + - 72 - Hình 4.9. Đặc tính quá độ của hàm tối ưu đối xứng Áp dụng điều kiện của tiêu chuẩn tối ưu môđun ta tìm được các phương trình hệ số của phương trình đặc tính như sau. (K1To)2 – 2K1KToT1 = 0 (KToT1)2 – 2K1To2KT1Ts = 0 Giải hệ phương trình trên ta tìm được s1 1 2K TK T = ; T1 = 4Ts. Hàm truyền của hệ sẽ là: s2 2 3 3 s s s 1 4TF(s) 1 4T s 8T s 8T s += + + + Đây là hàm truyền dạng tối ưu đối xứng với τσ = Ts. Trong trường hợp hàm truyền của đối tượng có chứa khâu quán tính thứ hai với hằng số thời gian lớn T2. 1o s1 2 KS (s) sT (1 T s)(1 T s) = + + Áp dụng cách tìm bộ điều chỉnh R(s) với hàm chuẩn tối ưu đối xứng ta tìm được bộ điều chỉnh có dạng PID. Tương tự như vậy nếu đối tượng có dạng vô sai cấp 2 thì dễ dàng tìm được bộ điều chỉnh là khâu tỷ lệ. - 73 - 4.2.2. Thuật toán điều khiển tốc độ Tốc độ gió được tạo ra nhờ các quạt thổi vào buồng trộn và buồng sấy. Các quạt này đựợc cấp nguồn từ các bộ biến tần, để thay đổi được tốc độ động cơ quạt ta đi thay đổi tần số nguồn cung cấp cho nó. Mặt khác với giá trị tần số đặt đầu vào bất kỳ trong khoảng từ 0 – 50 Hz , hệ thống biến tần sẽ đảm bảo được tính ổn định ở giá trị đó. Vì thế trong đồ án này để điều khiển tốc độ gió tức điều khiển tốc độ của động cơ, ta đi điều khiển giá trị tần số đặt vào biến tần. Như vậy việc điều khiển tốc độ gió bây giờ trở thành việc điều khiển tần số đầu ra của bộ điều chỉnh. Đây là giá trị đặt cho các bộ biến tần, giá trị này phụ thuộc vào tín hiệu của cảm biến phản ánh giá trị vận tốc đầu ra của hệ thống. 4.2.3. Xác định tham số bộ điều chỉnh Sau khi đã xác định được hàm truyền của đối tượng và bằng các phương pháp tổng hợp bộ điều chỉnh ta đã xác định được bộ điều chỉnh cần thiết cho hệ thống. Việc tiếp thao ta phải xác định các tham số bộ điều chỉnh sao cho phù hợp với yêu cầu điều khiển. Việc xác định các thông số của bộ điều chỉnh sẽ phụ thuộc vào đáp ứng quá độ mà ta tìm được. Do điều kiện không làm thực nghiệm được để xác định hàm truyền đối tượng. Nên việc xác định các thông số cho bộ điều chỉnh cũng chỉ nêu được về mặt lý thuyết. 4.3. KHẢO SÁT HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ GIÓ Qua các bước trên ta đã tìm được mô hình toán học của đối tượng, cùng với việc tìm được qui luật điều chỉnh. Đồng thời xác định được các tham số của bộ điều chỉnh hợp lý theo lý thuyết. Chúng ta tiến hành thí nghiệm mô phỏng xác định đặc tính của hệ thống xem ứng với các thông số của bộ điều chỉnh ta tổng hợp được. Ở đây sẽ sử dụng phần mềm MATLAB 6.5 để mô phỏng. Bằng việc xây dựng sơ đồ cấu trúc trên Simulink, chúng ta nhập các giá trị thông số điều - 74 - chỉnh với đầu vào là hàm bậc thang 1(t) ta sẽ thu được đặc tính quá độ điều chỉnh. 4.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 Ở chương 4 ta đã tìm hiểu được một số phương pháp nhận dạng đối tượng điều khiển. Áp dụng phương pháp nhận dạng thực nghiệm cho hệ thống thí nghiệm quá trình sấy để xác định hàm truyền của nó. Từ đó nghiên cứu các phương pháp tổng hợp bộ điều khiển PID. Xong do điều kiện về trang thiết bị nên trong chương này chỉ nêu được phương pháp giải quyết bài toán chứ chưa tìm được số liệu thực tế. - 75 - CHƯƠNG V XÂY DỰNG THIẾT KẾ SƠ ĐỒ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 5.1. CẤU TRÚC SƠ ĐỒ MẠCH Mục đích lắp mạch điều khiển để điều khiển tốc độ hỗn hợp dòng khí trong quá trình thí nghiệm. Mạch bao gồm các khối sau: - Khối xử lý trung tâm - Khối giao tiếp bằng bàn phím - Khối cảm biến tốc độ - Khối hiển thị tốc độ Hình 5.1. Sơ đồ khối tổng quát mạch điều khiển 5.1.1. Khối xử lý trung tâm. Đây là khối quan trọng nhất trong bản mạch, nó có nhiệm vụ tính toán, xử lý toàn bộ các hoạt động của mạch. Để nó có thể hoạt động theo ý muốn ta cần nạp vào nó chương trình điều khiển. Ở đây ta sử dụng vi điều khiển AT89C51. *Vi điều khiển AT89C51 AT89C51 là một vi điều khiển 8 bit được chế tạo theo công nghệ CMOS, có chất lượng cao, công suất thấp với 4 KB Flash PEROM (Programmable and Erasable Read Only Memory). Thiết bị này được chế tạo bằng cách sử dụng kỹ - 76 - thuật bộ nhớ không bốc hơi mật độ cao của Atmel và tương thích với chuẩn công nghiệp MCS-51 về tập lệnh và các chân ra. AT89C51 là một vi điều khiển mạnh, cung cấp một sự linh động cao và giải pháp về giá cả đối với nhiều ứng dụng vi điều khiển. *Các đặc trưng chủ yếu của AT89C51 - Tương thích hoàn toàn với họ MCS-51 của Intel. - Bộ nhớ chương trình 4 KB thuộc loại Flash Memory. - Độ bền: 1000 lần ghi/xoá. - Tần số hoạt động: 0Hz đến 24MHz. - 3 chế độ khoá bộ nhớ. - 128 x 8 bit RAM nội. - 32 đường I/O lập trình được (4 port). - 2 Timer/Counter 16bit. - 6 nguồn ngắt. - Giao tiếp nối tiếp lập trình được. - Chế độ hạ nguồn và chế độ nhàn rỗi tiêu tốn công suất thấp. * Sơ đồ chân Hình 5.2. Sơ đồ chân vi điều khiển AT89C51 - 77 - * Sơ đồ khối Hình 5.3. Sơ đồ khối vi điều khiển AT89C51 • Mô tả chức năng các chân: Vcc: chân cung cấp điện áp nguồn 5V cho chip. GND: chân nối đất. Port 0: Từ chân 32 đến chân 39 (P0.0 đến P0.7). Port 0 có hai chức năng, trong các thiết kế cỡ nhỏ không dùng bộ nhớ mở rộng nó có chức năng như các đường I/O, đối với các thiết kế lớn có bộ nhớ ngoài, Port 0 trở thành bus địa chỉ và bus dữ liệu đa hợp. Để có thể vừa làm đầu vào, vừa làm đầu ra thì mỗi chân phải được nối tới một điện trở 10KΩ kéo lên bên ngoài. Sở dĩ như vậy là vì Port 0 có dạng cực máng hở, đây là điểm khác biệt so với các Port 1, 2, 3. Port 1: Từ chân 1 đến chân 8 trên chip. Port 1 chỉ có chức năng xuất nhập nên nó được dùng để giao tiếp với thiết bị ngoại vi. - 78 - Port 2: Từ chân 21 đến chân 28. Port 2 cũng có hai công dụng, hoặc làm nhiệm vụ xuất nhập hoặc làm nhiệm vụ là byte địa chỉ cao của bus địa chỉ 16bit cho các thiết kế có bộ nhớ ngoài. Port 3: Từ chân 10 đến chân 17, Port 3 ngoài chức năng xuất nhập nó còn có nhiều chức năng riêng. Mỗi chân có chức năng riêng liên quan đến các đặc trưng cụ thể của vi điều khiển. Bảng 5.1. Chức năng của các chân của Port 3 Bit Tên Địa chỉ bit Chức năng P3.0 RxD B0H Chân nhận dữ liệu của Port nối tiếp P3.1 TxD B1H Chân phát dữ liệu của Port nối tiếp P3.2 INT0 B2H Ngõ vào ngắt ngoài 0 P3.3 INT1 B3H Ngõ vào ngắt ngoài 1 P3.4 T0 B4H Ngõ vào của bộ định thời/đếm 0 P3.5 T1 B5H Ngõ vào của bộ định thời/đếm 1 P3.6 WR B6H Điều khiển ghi bộ nhớ dữ liệu ngoài P3.7 RD B7H Điều khiển đọc bộ nhớ dữ liệu ngoài Chân cho phép bộ nhớ chương trình PSEN (Program Store Enable). PSEN là tín hiệu xuất trên chân 29. Đây là tín hiệu điều khiển cho phép ta truy xuất bộ nhớ chương trình ngoài. Chân này thường nối với chân cho phép xuất OE (Output Enable) của EPROM hoặc ROM để cho phép đọc các byte lệnh. PSEN ở mức logic 0 trong thời gian tìm – nạp lệnh. Ngược lại, khi thực thi một chương trình chứa ở ROM nội thì nó được duy trì ở mức logic 1. ALE (Address Latch Enable) - chân cho phép chốt địa chỉ: AT89C51 sử dụng chân 30, chân xuất tín hiệu cho phép chốt địa chỉ ALE để giải đa hợp bus dữ liệu và bus địa chỉ. Khi Port 0 được sử dụng làm bus địa chỉ/bus dữ liệu đa hợp, chân ALE xuất tín hiệu để chốt địa chỉ (byte thấp của địa chỉ 16bit) vào một thanh ghi ngoài trong suốt 1/2 đầu của chu kỳ bộ nhớ. Sau khi - 79 - điều này đã được thực hiện, các chân của Port 0 sẽ xuất/nhập dữ liệu hợp lệ trong suốt 1/2 thứ hai của chu kỳ bộ nhớ. Tín hiệu ALE có tần số bằng 1/6 tần số của mạch dao động bên trong chip vi điều khiển và có thể được dùng làm xung Clock cho phần còn lại của hệ thống. EA (External Access) – chân truy xuất bộ nhớ ngoài: Ngõ vào này (chân 31 của AT89C51) có thể được nối tới 5V (lôgic 1) hoặc với GND (logic 0). Nếu chân này nối lên 5V thì AT89C51 thực thi chương trình trong ROM nội. Nếu chân này nối tới GND (và chân PSEN cũng ở logic 0), chương trình cần thực thi chương trình chứa ở bộ nhớ ngoài. Chân RST(RESET): Ngõ vào RST (chân 9) là ngõ vào xoá chính của AT89C51 để thiết lập lại trạng thái ban đầu cho hệ thống hay gọi tắt là reset hệ thống. Khi ngõ vào này được treo lên mức logic 1 tối thiểu 2 chu kỳ máy, các thanh ghi bên trong của chip được nạp lại các giá trị thích hợp cho việc khởi động lại hệ thống. Hoạt động RESET được thể hiện bởi hai sơ đồ mạch sau: Ở cả hai mạch này, khi ta cấp nguồn cho chip thì nó sẽ tự động được Reset. Lý do là lúc này tụ C1 và C2 được coi là ngắn mạch nên tại chân 9 của AT89C51 sẽ có điện áp mức cao (logic 1) trong khoảng thời gian vừa đủ để AT89C51 RESET mạch nội bộ, nghĩa là nó khởi tạo giá trị ban đầu cho các +5V RST R1 100 R2 10K C1 10uReset Manual reset +5V RST R3 10K C2 10u Power-on reset - 80 - thanh ghi đặc biệt SFR và đặt bộ đếm chương trình PC (Program Counter) trỏ đến địa chỉ 00h của bộ nhớ chương trình. Do tụ C1 được nạp với hằng số thời gian t = C1.R2 nên điện áp trên chân RST của AT89C51 giảm dần đến giá trị nhỏ hơn 0,5V thì quá trình RESET kết thúc. Các chân XTAL1 và XTAL2: Vi điều khiển AT89C51 có một bộ dao động trên chip nhưng vẫn cần một bộ đồng hồ bên ngoài để kích hoạt. Bộ dao động thạch anh bên ngoài thường được nối tới các chân vào XTAL1 (chân 19) và XTAL2 (chân 18). Sơ đồ nối dao động ngoài như sau: Ở đây ta cần hai tụ 33p và một bộ dao động thạch anh (thường dùng bộ dao động có tần số 11,0592MHz). * Tổ chức bộ nhớ. AT89C51 có không gian bộ nhớ riêng cho chương trình và dữ liệu. Cả hai bộ nhớ chương trình và dữ liệu đều đặt bên trong chip, tuy nhiên ta có thể mở rộng bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu bằng cách sử dụng các chip nhớ bên ngoài với dung lượng tối đa là 64K cho bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu. + Bộ nhớ chương trình ROM Có không gian cực đại là 64KB được đánh địa chỉ từ 0000h ÷ FFFFh. Trong đó có 4KB là bộ nhớ nội trú nằm trong chíp được đánh địa chỉ từ 0000h ÷ 0FFFh, còn 60KB mở rộng được đặt địa chỉ từ 1000h ÷ FFFFh. Tuỳ thuộc vào dung lượng chương trình mà bộ nhớ được thêm vào theo kích thước phù hợp. XTAL2 XTAL1 CRYSTAL C3 33p C4 33p - 81 - Trong quá trình điều khiển việc lựa chọn bộ nhớ ROM nằm trong hay bên ngoài hoặc sử dụng cả hai, được thực hiện bằng cách nối đến chân EA. Ở vi điều khiển 8051 thì chân EA được nối tới dương nguồn Vcc. Trình tự thực hiện chương trình trong ROM. Sau khi nạp chương trình vào ROM thông qua bộ đốt ROM hay cổng COM, Chương trình sẽ có địa chỉ bắt đầu từ 0000h. Để xác định vị trí lệnh thực hiện bộ vi điều khiển sử dụng thanh ghi chương trình(bộ đếm chương trình PC), thanh ghi này có độ dài 16 bit. Khi 8051 được bật nguồn, bộ đếm chương trình PC có nội dung 0000h. Lúc này chương trình sẽ nạp lệnh trong ROM có địa chỉ 0000h. Sau đó bộ đếm chương trình tăng lên trỏ đến lệnh tiếp theo được thiết lập trong ROM. + Bộ nhớ dữ liệu RAM Trong vi điều khiển 8051 bộ nhớ dữ liệu RAM có kích thước 128 byte được định địa chỉ từ 00h ÷ 7Fh, nhưng ở một số như 8052 thì có 256 byte RAM. 128 byte RAM trong 8051 được chia thành từng nhóm như sau: Hình 5.4. Tổ chức RAM của 8051 - 82 - - Từ ngăn nhớ 00h đến 1Fh, tổng cộng 32 byte, được dành làm các băng thanh ghi và ngăn xếp. - Từ ngăn nhớ 20h đến 2Fh, tổng cộng có 16 byte, được làm bộ nhớ đọc/ghi định địa chỉ được theo bit. - Từ ngăn nhớ 30h đến 7Fh, tổng cộng 80 byte được dùng để lưu thông tin khi đọc và khi ghi. * Các thanh ghi chức năng đặc biệt Là các thanh ghi đảm nhận các chức năng khác nhau trong bộ vi điều khiển, chúng nằm bên trong vi xử lí chiếm vùng không gian nhớ là 128byte có địa chỉ từ 80h ÷ FFh. + Thanh ghi tích luỹ(thanh ghi chứa ACC) Trong lập trình nó được viết tắt là thanh ghi A, đây là thanh ghi quan trọng nhất trong bộ vi điều khiển dùng để lưu trữ các toán hạng thực hiện các phép toán, đồng thời nó còn lưu trữ kết quả phép toán. Thanh ghi này có địa chỉ 0E0h và có kích thước 8bit. + Thanh ghi B Thường được sử dụng khi thực hiện các phép toán nhân, chia. Đối với các lệnh khác có thể xem thanh ghi B là thanh ghi tạm thời có địa chỉ 0F0h. + Thanh ghi con trỏ ngăn xếp SP Khi bắt đầu thực hiện lệnh con trỏ SP trỏ đến đỉnh Stack, giá trị của nó sẽ thay đổi tự động khi thực hiện các lệnh PUSH và POP. Khác với bộ vi xử lí đa năng, ở bộ vi điều khiển khi ta thực hiện lệnh PUSH dữ liệu vào ngăn xếp thì giá trị của con trỏ ngăn xếp tăng lên và ngược lại khi ta thực hiện lệnh POP giá trị của con trỏ ngăn xếp sẽ giảm đi. Ngăn xếp có thể đặt ở bất kỳ vị trí nào trong RAM, nhưng thông thường sau khi ta khởi động lại hệ thống, con trỏ ngăn xếp sẽ mặc định trỏ đến địa chỉ khởi - 83 - đầu 07h, ngăn xếp bắt đầu từ địa chỉ 08h. Còn nếu trong quá trình lập trình ta muốn thay đổi vị trí của Stack ta phải gán giá trị địa chỉ mới vào thanh ghi SP. + Thanh ghi DPTR Là thanh ghi 16bit gồm hai thanh ghi có độ dài 8bit hợp thành đó là thanh ghi byte cao DPH và thanh ghi byte thấp DPL. Con trỏ dữ liệu có thể sử dụng như một thanh ghi 16bit hoặc hai thanh ghi 8bit độc lập: - DPH có địa chỉ 82h - DPL có địa chỉ 83h + Từ trạng thái chương trình(thanh ghi cờ PSW) Là thanh ghi 8bit có địa chỉ 0D0h mỗi bit đảm nhiệm một chức năng cụ thể. Chức năng các bit thể hiện Bit 7 6 5 4 3 2 1 0 Tên CY AC F0 RS1 RS0 OV - P - Cờ nhớ CY: cờ này sẽ được thiết lập khi có nhớ từ bit D7 và là kết quả của lệnh cộng hoặc trừ 8bit. Có thể thiết lập trực tiếp cờ CY lên 1 hoặc xoá về 0 bằng lệnh “SETB” và “CLR”. - Cờ nhớ phụ AC: cờ này báo có nhớ từ bit D3 sang D4 ở phép cộng ADD hoặc trừ SUB. - Cờ bậc P: cờ bậc(cờ chẵn lẻ) phản ánh số bit 1 trong thanh ghi A là chẵn hay lẻ. Nếu thanh ghi A chứa một số chẵn các bit 1 thì P=0 còn chứa một số lẻ bit 1 thì P=1. - Cờ tràn OV: cờ được thiết lập mỗi khi kết quả của phép tính số có dấu quá lớn làm cho bit cao bị tràn vào bit dấu. - Cờ không F0: cờ này có thể cho người sử dụng tự định nghĩa một trạng thái nào đó trong lập trình điều khiển. - RS1, RS2 là các cờ chỉ ra địa chỉ băng thanh ghi ta sử dụng. Trong bộ nhớ dữ liệu của vi điều khiển 8051 có một vùng nhớ gọi là vùng nhớ băng thanh - 84 - ghi. Có 4 băng thanh ghi được đánh số từ 0→ 3 trong mỗi băng thanh ghi lại có 8 thanh ghi đều được gọi tên từ R0→ R7. Trong lập trình có thể sử dụng tên R0→R7 để truy cập đến vùng nhớ đó. + Các thanh ghi Port: Các Port xuất nhập của 89C51 bao gồm Port 0 tại địa chỉ 80H, Port 1, 2, 3 tương ứng tại các địa chỉ là 90H, A0H và B0H. Các Port 0, 2, 3 không được dùng để xuất nhập nếu ta sử dụng bộ nhớ ngoài hoặc có một số đặc tính đặc biệt của 89C51 được sử dụng. Tất cả các Port đều định địa chỉ từng bit nhằm cung cấp các khả năng giao tiếp mạnh. + Các thanh ghi định thời: AT89C51 có hai bộ đếm/định thời (timer/counter) 16bit để định các khoảng thời gian hoặc để đếm các sự kiện. Bảng 5.2. Các thanh ghi chức năng đặc biệt của bộ định thời SFR của bộ định thời Mục đích Địa chỉ Định địa chỉ bit TCON Điều khiển 88H Có TMOD Chọn chế độ 89H Không TL0 Byte thấp của bộ định thời 0 8AH Không TL1 Byte thấp của bộ định thời 1 8BH Không TH0 Byte cao của bộ định thời 0 8CH Không TH1 Byte cao của bộ định thời 1 8DH Không Thanh ghi chế độ định thời TMOD (Timer Mode register): nằm tại địa chỉ 89H. TMOD chứa hai nhóm 4bit dùng để thiết lập chế độ hoạt động cho bộ định thời 0 và bộ định thời 1. TMOD không được định địa chỉ từng bit. TMOD được nạp một lần bởi phần mềm ở thời điểm bắt đầu của một chương trình để khởi động chế độ hoạt động của bộ định thời. - 85 - Bảng 5.3. Chức năng của các bit trong thanh ghi TMOD Bit Tên Timer Mô tả 7 GATE 1 Bit điều khiển cổng. Khi được set lên 1, bộ định thời chỉ hoạt động trong khi INT1 ở mức cao 6 C/T 1 Bit chọn chức năng đếm hoặc định thời: 1 = đếm sự kiện. 0 = định thời trong một khoảng thời gian. 5 M1 1 Bit chọn chế độ thứ nhất 4 M0 1 Bit chọn chế độ thứ hai 3 GATE 0 Bit điều khiển cổng cho bộ định thời 0 2 C/T 0 Bit chọn chức năng đếm hoặc định thời cho bộ định thời 0 1 M1 0 Bit chọn chế độ thứ nhất 0 M0 0 Bit chọn chế độ thứ hai Thanh ghi điều khiển định thời TCON (Timer Control register): chứa các bit điều khiển và trạng thái của bộ định thời 0 và 1 được thể hiện như sau: - 86 - Bảng 5.4. Chức năng các bit trong thanh ghi TCON Bit Ký hiệu Địa chỉ bit Mô tả TCON.7 TF1 8FH Cờ tràn của bộ định thời 1. Cờ này được set bởi phần cứng khi có tràn, được xoá bởi phần mềm hoặc bởi phần cứng khi bộ vi xử lý trỏ đến trình phục vụ ngắt TCON.6 TR1 8EH Bit điều khiển của bộ định thời 1. Bit này được set hoặc được xoá bởi phần mềm để điều khiển bộ định thời hoạt động hay ngưng hoạt động TCON.5 TF0 8DH Cờ tràn của bộ định thời 0 TCON.4 TR0 8CH Bit điều khiển hoạt động của bộ định thời 0 TCON.3 IE1 8BH Cờ ngắt bên ngoài 1 (kích khởi cạnh). Cờ này được set bởi phần cứng khi có cạnh âm (xuống) xuất hiện trên chân INT1, được xoá bởi phần mềm, hoặc phần cứng khi CPU trỏ đến trình phục vụ ngắt TCON.2 IT1 8AH Cờ ngắt bên ngoài 1(kích khởi cạnh hoặc mức) Cờ này được set hoặc xoá bởi phần mềm khi xảy ra cạnh âm (xuống) hoặc mức thấp tại chân ngắt ngoài TCON.1 IE0 89H Cờ ngắt bên ngoài 0(kích khởi cạnh). TCON.0 IT0 88H Cờ ngắt bên ngoài 0 (kích khởi cạnh hoặc mức) + Các thanh ghi của Port nối tiếp: Bên trong AT89C51 có một Port nối tiếp để truyền thông với các thiết bị nối tiếp như các thiết bị đầu cuối hoặc modem, hoặc để giao tiếp với các IC khác có mạch giao tiếp nối tiếp. Một thanh ghi được gọi là bộ đệm dữ liệu nối tiếp SBUF (Serial Data Buffer) ở địa chỉ 99H lưu trữ - 87 - dữ liệu truyền đi và nhận dữ liệu về. Việc ghi lên bộ đệm SBUF sẽ nạp dữ liệu để truyền và việc đọc SBUF sẽ lấy dữ liệu đã nhận được. Các chế độ hoạt động khác nhau của Port nối tiếp được lập trình thông qua thanh ghi điều khiển Port nối tiếp SCON (Serial Port Control register) ở địa chỉ 98H, thanh ghi này được định địa chỉ từng bit và được tóm tắt như sau: Bảng 5.5. Chức năng các bit trong thanh ghi SCON Bit Ký hiệu Địa chỉ Mô tả SCON.7 SM0 9FH Bit 0 chọn chế độ của Port nối tiếp SCON.6 SM1 9EH Bit 1 chọn chế độ của Port nối tiếp SCON.5 SM2 9DH Bit 2 chọn chế độ của Port nối tiếp Bit này cho phép truyền thông đa xử lý ở các chế độ 2 và 3; bit RI sẽ không được tích cực nếu bit thứ 9 nhận được là 0 SCON.4 REN 9CH Cho phép thu. Bit này phải được set để nhận được ký tự SCON.3 TB8 9BH Bit phát 8. Bit thứ 9 được phát ở các chế độ 2 và 3; được set và xoá bởi phần mềm SCON.2 RB8 9AH Bit thứ 8. Bit thứ 9 nhận được SCON.1 TI 99H Cờ ngắt phát. Cờ này được set ngay khi kết thúc việc phát một ký tự; được xoá bởi phần mềm SCON.0 RI 98H Cờ ngắt thu. Cờ này được set ngay khi kết thúc việc thu một ký tự; được xoá bởi phần mềm + Các thanh ghi ngắt: Ngắt là sự xảy ra của một điều kiện – một sự kiện - làm cho chương trình hiện hành bị tạm ngưng trong khi điều kiện được phục vụ bởi một chương trình khác. Các ngắt đóng vai trò quan trọng trong việc thiết kế - 88 - và thực hiện các ứng dụng của bộ vi điều khiển. AT89C51 có một cấu trúc ngắt với 2 mức ưu tiên và 5 nguyên nhân ngắt. Các ngắt bị vô hiệu hoá sau khi reset hệ thống và sau đó được cho phép bằng cách ghi vào thanh ghi cho phép ngắt IE (Interrupt Enable register) ở địa chỉ A8H. Mỗi bit của thanh ghi này cho phép hoặc không cho phép từng nguyên nhân ngắt riêng rẽ, ngoài ra nó còn có một bit toàn cục cho phép hoặc không cho phép tất cả các ngắt. Chi tiết thanh ghi này được mô tả như sau: Bảng 5.6. Chức năng các bit trong thanh ghi IE Bit Ký hiệu Địa chỉ bit Mô tả (0: không cho phép; 1: cho phép) IE.7 EA AFH Cho phép/ không cho phép toàn cục. IE.6 - AEH Không sử dụng. IE.5 ET2 ADH Cho phép ngắt do bộ định thời 2 IE.4 ES ACH Cho phép ngắt do Port nối tiếp. IE.3 ET1 ABH Cho phép ngắt do bộ định thời 1 IE.2 EX1 AAH Cho phép ngắt từ bên ngoài (ngắt ngoài 1). IE.1 ET0 A9H Cho phép ngắt do bộ định thời 0 IE.0 EX0 A8H Cho phép ngắt từ bên ngoài (ngắt ngoài 0). Mỗi một nguyên nhân ngắt được lập trình riêng rẽ để có một trong hai mức ưu tiên thông qua thanh ghi chức năng đặc biệt được định địa chỉ bit, thanh ghi ưu tiên ngắt IP (Interrupt Priority). Thanh ghi này có địa chỉ là B8H. Thanh ghi này có đặc điểm như sau: - 89 - Bảng 5.7. Chức năng các bit trong thanh ghi IP Bit Ký hiệu Địa chỉ bit Mô tả (1: mức cao; 0: mức thấp) IP.7 - - Không sử dụng. IP.6 - - Không sử dụng. IP.5 PT2 BDH Ưu tiên cho ngắt cho bộ định thời 2. IP.4 PS BCH Ưu tiên cho ngắt do Port nối tiếp. IP.3 PT1 BBH Ưu tiên cho ngắt do bộ định thời 1. IP.2 PX1 BAH Ưu tiên cho ngắt do bên ngoài (ngắt ngoài 1). IP.1 PT0 B9H Ưu tiên cho ngắt do bộ định thời 0. IP.0 PX0 B8H Ưu tiên ngắt do bên ngoài (ngắt ngoài 0). Khi hệ thống được thiết lập lại trạng thái ban đầu, thanh ghi IP sẽ mặc định tất cả các ngắt ở mức ưu tiên thấp. + Thanh ghi điều khiển nguồn: Thanh ghi điều khiển nguồn PCON (Power Control register) có địa chỉ là 87H chứa các bit điều khiển được cho trong bảng sau: - 90 - Bảng 5.8. Chức năng các bit trong thanh ghi PCON Bit Ký hiệu Mô tả 7 SMO D Bit tăng gấp đôi tốc độ baud, bit này khi set làm cho tốc độ baud tăng 2 lần ở các chế độ 1, 2 và 3 của Port nối tiếp. 6 - Không định nghĩa. 5 - Không định nghĩa. 4 - Không định nghĩa. 3 GF1 Bit cờ đa mục đích. 2 GF0 Bit cờ đa mục đích. 1 PD Nguồn giảm; thiết lập để tích cực chế độ nguồn giảm, chỉ ra khỏi chế độ bằng reset. 0 IDL Chế độ nghỉ; thiết lập để tích cực chế độ nghỉ, chỉ ra khỏi chế độ bằng một ngắt hoặc reset hệ thống. PCON không được định địa chỉ bit. Chế độ nguồn giảm: Lệnh thiết lập bit PD bằng 1 sẽ là lệnh sau cùng được thực thi trước khi đi vào chế độ nguồn giảm. Ở chế độ nguồn giảm: - Mạch dao động trên chip ngừng hoạt động. - Mọi chức năng ngừng hoạt động. - Nội dung của RAM trên chip được duy trì. - Các chân Port duy trì mức logic của chúng. - ALE và PSEN được duy trì ở mức thấp. Trong suốt thời gian chế độ nguồn giảm, Vcc có điện áp 2V. Cần phải giữ cho Vcc không thấp hơn sau khi đạt được chế độ nguồn giảm và cần phục hồi - 91 - Vcc = 5V tối thiểu 10 chu kỳ dao động trước khi chân RST đạt mức thấp lần nữa. Chế độ nghỉ: Lệnh thiết lập bit IDL bằng 1 là lệnh sau cùng được thực thi trước khi đi vào chế độ nghỉ. Ở chế độ nghỉ, tín hiệu Clock nội được khoá không cho đến CPU nhưng không khoá đối với chức năng ngắt, định thời và Port nối tiếp. Trạng thái của CPU được duy trì và nội dung của tất cả các thanh ghi cũng không đổi. Các chân Port cũng được duy trì các mức logic của chúng. ALE và PSEN được giữ ở mức cao. 5.1.2. Khối giao tiếp bằng bàn phím Sử dụng bốn phím trong đó 1 phím dùng để Reset còn 3 phím sử dụng cho việc đặt giá trị tốc độ ban đầu. Nút ấn SW1 dùng để Reset lại mạch. Nút ấn SW2, SW3 và SW4 dùng để đặt tốc độ hỗn hợp dòng khí theo ý muốn, chúng được nối đến các chân P2.5, P2.6. P2.7 của vi xử lí, tốc độ có thể tăng hoặc giảm tuỳ theo ý muốn của người làm thí nghiệm. Các tụ từ C1 đến C4 có tác dụng chống nhiễu. 5V SW1 1 2 SW2 1 2 SW3 1 2 SW4 1 2 R1 8.2K R2 8.2K R3 8.2K R4 8.2K C1 104 C2 104 C3 104 C4 104 RESET P2.7 P2.5 P2.6 Hình 5.5. Sơ đồ nối ghép bàn phím - 92 - 5.1.3. Khối cảm biến * Sơ đồ khối Hình 5.6. Sơ đồ khối cảm biến Khối cảm biến có nhiệm vụ đưa tín hiệu phản ánh giá trị vận tốc dòng khí ở đầu ra hệ thống, để đưa vào vi xử lí để so sánh với tín hiệu đặt. Lúc này vi xử lí có nhiệm vụ xử lí tính toán và đưa ra tín hiệu điều khiển thích hợp đáp ứng được yêu cầu mong muốn. 5.1.4. Khối hiển thị Khối hiện thị có tác dụng hiển thị giá trị tốc độ hỗn hợp dòng khí đặt và giá trị đo được thực tế từ hệ thống. Giúp người khi làm thí nghiệm quan sát cùng một lúc hai giá trị vận tốc từ đó đánh giá được sự làm việc của hệ thống. - 93 - Ở đây ta sử dụng LED 7 đoạn để hiển thị, ta dùng hai cặp LED một cặp dùng hiển thị giá trị đặt, cặp còn lại dùng hiển thị giá trị đo. Mỗi giá trị đo chỉ hiển thị tối đa hai số và ngầm hiểu đơn vị là (cm/s). Để hiển thị bằng đèn led, người thường dùng ba phương pháp là: phương pháp quét, phương pháp chốt và kết hợp cả hai phương pháp này. Trong thiết kế này chúng tôi sử dụng phương pháp quét. Để hiển thị chữ số hoặc ký tự nào ta cung cấp tín hiệu đến các chân của đầu nối. Các led trong thiết kế này được chọn loại chung Anode. Muốn cho led nào sáng ta đưa chân tương ứng với nó tại cổng J2 lên cao đồng thời đưa chân tương ứng với nó tại cổng J1 xuống thấp. Muốn hiển thị đúng chữ số hoặc ký tự ta phải giải mã led. Hình 5.7. Sơ đồ mạch hiển thị tốc độ Thật vậy giả sử ta cần hiển thị số 0 thì byte tín hiệu chuyển đến cổng J1 sẽ là: 11000000 (C0h) nếu cần hiển thị số 1 thì byte tín hiệu cần chuyển đến cổng J1 sẽ là 11111001 (F9h)… Tương ứng với các số tiếp theo ta xác định byte tín hiệu tương tự cụ thể số 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 sẽ là: 10100100 (A4h); 10110000 (B0h); 10011001 (99h); 10010010 (92h); 10000010 (82h); 11111000 (F8h); 10000000 (80h); 10010000 (90h). - 94 - 5.2. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG Sơ đồ khối của mạch Hình 5.8. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển Khối nguồn có nhiệm vụ cung cấp điện áp nuôi cho toàn mạch. Ba phím ấn sử dụng để đặt giá trị tốc độ cần làm thí nghiệm, trong đó có 1 phím tăng, 1 phím giảm và một phím OK. Tuỳ theo mục đích sử dụng của người làm thí nghiệm mà có thể đặt bất kì một giá trị tốc độ nào nằm trong khoảng 0 ÷ 1m/s. Để thực hiện được điều này người làm thí nghiệm sử dụng hai phím tăng giảm để đặt giá trị. Giá trị đặt được thông qua chương trình viết bên trong vi xử lí sẽ hiển thị trên LED, khi nào giá trị đặt đúng với yêu cầu ta chọn phím OK. - 95 - Sau khi ấn phím OK chương trình trong vi xử lý sẽ tự động tính toán và phát ra một tần số xung tác động đến đầu vào là tín hiệu đặt cho bộ biến tần điều khiển động cơ quạt hoạt động. Cùng lúc này tín hiệu ra của cảm biến tốc độ đặt ở đầu ra của hệ thống sẽ được phản hồi trở về đầu vào của vi xử lí. Tín hiệu này được vi xử lí tính toán và hiển thị trên LED đây là giá trị tốc độ thực tế đo được. Đồng thời tín hiệu này được so sánh với tín hiệu đặt ban đầu. Sau thời gian quá độ thì giá trị vận tốc đo được có giá trị bằng với giá trị đặt ban đầu. Và trạng thái làm việc này của hệ thống sẽ được giữ ổn định trong quá trình làm thí nghiệm. Nếu như có nhiễu tác động vào hệ thống làm cho vị trí trạng thái ổn định của hệ mất đi có thể tăng hoặc giảm. Dẫn đến giá trị sai lệch giữa giá trị đặt và giá trị đo được khác không. Sai số này được qua bộ điều chỉnh PID số viết trên vi điều khiển 8051 với các thông số tìm được ở chương 4. Lúc này nhờ luật điều khiển đó mà vi điều khiển sẽ xử lí, tính toán và phát tín hiệu điều khiển tác động vào hệ biến tần sao cho triệt tiêu được sai lệch giữa giá trị đặt và đo. Và hệ thống sẽ được giữ ổn định và trở lại trang thái ban đầu. 5.3. THUẬT TOÁN VÀ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN * Lưu đồ thuật toán Chương trình chính Khởi tạo các giá trị. Bộ định thời 0 được dùng để đo tần số xung vào. Bộ định thời 1 dùng để tính thời gian trích mẫu. Bộ định thời 2 dùng để tính tần số xung ra. Ngắt ngoài 0 dùng để phục vụ khi có phím ấn. Ngắt ngoài 1 dùng để xác định sườn xuống của xung vào. Hiển thị vận tốc hiện tại trong buồng sấy - 96 - timer1. Chương trình này thực hiện khi đã đến thời gian trích mẫu Lưu vận tốc hiện tại đo được Tính sai số Thực hiện bộ điều khiển PID,đầu ra lưu vào biến output. Rồi nạp cho thanh ghi TH2 Kết thúc ext0. Hàm này thực hiện khi có phím ấn Lưu phím ấn vào biến key. Nếu là phím tăng thì tăng biến dữ liệu lên 1 Nếu là phím giảm thì giảm biến dữ liệu xuống 1 Nếu là phím OK thì thoát khỏi vòng lặp Kết thúc timer2. Hàm này được dùng để kích xung ra Tăng biến đếm lên, nếu biến đếm = output thì lấy đảo trên chân P3.0 đồng thời gán biến đếm bằng 0 Kết thúc - 97 - * Chương trình điều khiển #include unsigned int time=1; unsigned int input=0; unsigned int count,dem,u2,u1,y,y1,output,saiso,input_1,cout; char dulieu=5,key; char temp; unsigned int trich_mau; void timer0(void) interrupt 1// cu sau 100us lai thuc hien ham nay, no chi viec tang thoi gian len mot gia tri. { time++; } char quet(void)//Ham nay se cho phim duoc an, va tra ve gia tri phim duoc an { ext1. Ngắt ngoài 1 ngắt này được dùng để phát hiện sườn xuống ở đầu vào Lưu giá trị thời gian(biến timer) và tính để chuyển từ f sang v. Sau đó cho biến timer = 0 để cho chu kỳ tiếp theo Kết thúc timer0. Hàm này thực hiện để tính thời gian cho xung vào Cứ sau 100us thì tăng biến time lên 1 giá trị Kết thúc - 98 - while(P2&0x0E==0x0E); return P2&0x0E; } void timer1(void) interrupt 3//Cu sau 100us lai thuc hien ham nay. { if(trich_mau++ >=5000)//tang bien trich mau len, neu no bang 5000 co nghia la 0.5s {//thi thuc hien doan chuong trinh sau. input_1=input;//luu gia tri van toc hien tai lai saiso=dulieu-input_1;//Tinh sai so. output=75*u2-10*u1-5*saiso+y;//tinh bo dieu khien PID voi cac thong so: K=40. Ki=30, Kd=10 u1=u2;//Sau khi da roi rac hoa, voi thoi gian trich mau la 0.5s. u2=saiso; y=y1; y1=output; output=output/0.005; } } void timer2(void) interrupt 5//Ham nay duoc thuc hien khi da den thoi diem kich xung dau ra. { if(dem++>=output) { P3_0=~P3_0; dem=0; } } void ext0(void) interrupt 0//Ham nay duoc thuc hien khi co bat ky phim nao duoc an. { key=quet();//Luu gia tri phim duoc an. while(key!=0x80)//Kiem tra xem co phai phim OK hay khong? {//Neu khong thi kiem tra if(key==0x40)//Neu la phim tang thi dulieu++;//Tang if (key==0x20)//Neu la phim giam thi giam dulieu--; for(cout=1;cout<=100;cout++)//Tre 100us de cho phim an tiep theo. wait(); key=quet();//Cho phim an tiep theo. - 99 - } } void ext1(void) interrupt 2//Khi co suon xuong cua xung vao no se thuc hien { input=10000/(50*time);//chuyen tu tan so sang van toc theo ham v=0.02*f, vi bien time la chu ky, don vi la 100us cho nen cong thuc phai duoc tinh nhu tren. time=0;//gan bien time =0 } void wait(void){ ; } void main(void) { char shift; unsigned int temp1; TH0=-92; TL0=-92; TH2=-92; TMOD=0x22; TCON|=0x04; TR1=1; TR2=1; IE=0xAF; while (1) { temp1=input_1; //Hien thi gia tri dau vao. for(shift=1;shift<=8;shift<<=1) { temp=temp1%10; temp1=temp1/10; switch(temp) { case 0: P1=0x40; break; case 1: P1=0x79; break; case 2: P1=0x24; break; case 3: P1=0x30; - 100 - break; case 4: P1=0x19; break; case 5: P1=0x12; break; case 6: P1=0x02; break; case 7: P1=0x78; break; case 8: P1=0x00; break; case 9: P1=0x10; break; } P2=shift; for(count=1;count<100;count++) wait(); } } } 5.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG V Bằng cơ sở lý thuyết cũng như yêu cầu điều khiển của bài toán trong chương 5 này ta đã xây dựng được mạch điều khiển tốc độ gió. Tìm hiểu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của thiết bị điều khiển sử dụng là vi điều khiển AT89C51. Xây dựng thuật toán và lập trình điều khiển từ đó khảo sát hoạt động của mạch. Xong do kỹ năng lập trình cũng như điều kiện ban đầu không tìm được tham số của bộ điều chỉnh. Vì vậy với chương trình điều khiển trên chỉ đáp ứng được một phần nhất định nào đó của yêu cầu bài toán. - 101 - KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ Sau một thời gian nghiên cứu bằng cố gắng và nỗ lực của bản thân, cùng với sự giúp đỡ tận tình chỉ bảo của thầy Nguyễn Văn Đường và các thầy cô trong bộ môn Điện kỹ thuật, đến nay đề tài tốt nghiệp của tôi đã hoàn thành. Trong quá trình làm và nghiên cứu chúng tôi đưa ra một số kết luận và đề nghị như sau: 1. KẾT LUẬN - Về nhận thức bản thân sinh viên sau khi làm đồ án tốt nghiệp đã biết được phương pháp để thực hiện một báo cáo khoa học hoàn chỉnh. - Từ đó chúng tôi đã hoàn thành được các nội dung trong đồ án của mình. - Đã bắt tay vào làm thực tế chế tạo thành công mô hình vật lý của hệ thống thí nghiệm quá trình sấy. - Áp dụng phương pháp điều khiển hiện đại là điều khiển đa vòng cho hệ tự động điều chỉnh tốc độ gió. - Tính toán và thiết kế được cơ cấu chấp hành là biến tần và mạch điều khiển. Sử dụng khối điều khiển trung tâm là vi xử lí. - Áp dụng và học hỏi được nhiều kiến thức về điều khiển tự động trong quá trình làm đồ án. - Mạch sau khi lắp giáp đã chạy được. 2. ĐỀ NGHỊ Do thời gian có hạn nên trong quá trình xây dựng cả phần cứng lẫn phần mềm cho hệ thống thí nghiệm quá trình sấy vẫn chưa được hoàn chỉnh. Vì vậy để cho hệ thống được hoàn thiện hơn chúng tôi có một vài đề nghị sau: - Tiếp tục cho khoá sau nghiên cứu nhằm tạo được hệ thống hoàn chỉnh hơn. - Nếu có thể thì phát triển để áp dụng vào vào thực tiễn. - Sử dụng các vi điều khiển có tính năng cao hơn trong áp dụng thực tế để đạt được sự ổn định cao. - 102 - - Điều khiển được nhiều được các tham số đầu vào theo mong muốn. - Có giao tiếp với máy tính để tự động điều chỉnh tốc độ hỗn hợp dòng khí. - Tính được lượng ẩm bốc ra từ nông sản sấy bằng cách cân đo. Trên là những vấn đề mà hiện nay nhóm chúng tôi chưa thực hiện được nên rất mong những đề nghị trên được các thầy cô tham khảo và cho ý kiến.