CHƯƠNG 1 THIẾT kế và vận HÀNH mô HÌNH máy đo và cắt CHIỀU dài

Chương1:
Thiết kế và vận hành mô hình
máy đo và cắt chiều dài.
I.Giới thiệu chung:
1.1.Sơ đồ nguyên lý mô hình máy đo và cắt chiều dài:

1.2. Bộ điều khiển mô hình máy cắt dùng để điều khiển 1 động cơ điện
1 chiều cùng với con lăn kéo chiều dài đối tượng cần cắt được cuộn trong
Robbin , động cơ chạy với tốc độ tùy thuộc chiều dài, thời gian cài đặt. Điều
khiển 1 dao cắt để cắt đối tượng khi động cơ đã kéo đúng chiều dài. Trong
quá trình mô hình vận hành tín hiệu phản hồi được lấy về từ Encoder đưa
vào bộ điều khiển xử lý, xuất tín hiệu điều khiển động cơ và dao cắt.
1.3. Bộ điều khiển sử dụng điện áp +5V lấy từ điện áp 220v(50Hz) qua
bộ chỉnh lưu áp .


1.4. Động cơ điện 1 chiều để kéo đối tượng sử dụng áp+ 24V, kích tư ø+
24V, vì động cơ củ nên thông số không đầy đủø. Một dao cắt được làm từ
Role sử dụng áp +110V.
1.5.Ngoài ra trong mô hình còn sử dụng hệ thống hãm bằng cơ khí gắn
liền với Robbin.
II.Nguyên lí làm việc:
1.1 Nguyên lí làm việc của thiết bò điều khiển mô hình máy cắt mô
tả trong hình dưới đây:

Hình 2: Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển máy đo và cắt.
Trong đó:
Udk1: Điện áp điều khiển mạch động lực động cơ, có dạng
áp xung với chu kì T cố đònh, T1 thay đổi tùy NFP
Udk2 : Điện áp điều khiển Relay đóng ngắt dao.
NFP : Sốxung phản hồi về từ Encoder.

NSP : Số xung đặt tương ứng với chiều dài cần cắt.


Umax : Điện áp cung cấp cho mạch động lực điều khiển
động cơ.
Vi trí đặt : Chiều dài, thời gian cần đo và cắt đối tượng.
Khối hiển thò, bàn phím: khối hiển thò hiển thò chiều dài, số
lần cắt. Khối bàn phím nhập chiều dài, thời gian thực hiện 1 lần cắt.
Khối điều khiển: Nhận tín hiệu từ Bàn phím, số xung NFP
phản hồi từ Encoder. Đồng thời xuất tín hiệu điều khiển Led 7 đoạn, tín
hiệu Udk1, Udk2 điều khiển động cơ, dao cắt.
1.2.Điều khiển động cơ: Nguyên lí điều khiển theo sai lệch của bộ điều
khiển được thực hiện trong khối điều khiển. Các tín hiệu được tổng hợp
bằng phương trình sau:
DUTY _ CYCLE =

100 KP.EN
U max

(1)

Trong đó:
Kp: hệ số khuyếch đại tỉ lệ theo phương pháp điều khiển
vòng kín PID mà trong trường hợp này ta chỉ sử dụng khâu P. Hệ số KP
phụ thuộc vào đặc tính động cơ.
EN : Sai số giữa tín hiệu đặt và tín hiệu phản hồi.
EN =NSP – NFP.

(2)

DUTY_CYCLE : Ta gọi là chu kì nhiệm vụ. Nó được đònh
nghóa như sau:
DUTY _ CYCLE =

100T 1
T

(3)

Tín hiệu điều khiển Udk1 được tạo ra nhờ bộ điều khiển số. Nó có dạng
xung với tần số T cố đònh. Biên độ thay đổi giữa 2 mức 0V, 5V. Khi
DUTY_CYCLE thay đổi thì áp ra mạch động lực Udc cung cấp cho động
cơ thay đổi khi đó tốc độ động cơ thay đổi theo.
Dựa vào biểu thức (1), Kp không đổi , DUTY_CYCLE thay đổi theo
EN :


EN = 0, DUTY_CYCLE = 0 , Udc =0 , động cơ dừng.
EN=NSP, DUTY_CYCLE = 100 , Udc= Umax , động cơ hoạt
động ở chế độ đònh mức.
Ta có:

Udc =

U max T 1
T

(4)

1.3. Điều khiển dao cắt: Dao cắt đóng ngắt theo Udk2.

Udk2 là tín hiệu số giống như Udk1 , khi DUTY_CYCLE = 0, Udk2
=0, Relay hở, dao cắt đóng xuống. Khi DUTY_CYCLE > 0, Relay đóng
dao được kéo lên.
1.4. Đặc tuyến điều khiển độâng cơ có dạng sau:
Điều khiển đo chiều dài thực chất là điều khiển vò trí. Điều khiển
cho động cơ quay tới góc quay xác đònh mà không có vọt lố do tính chất
của máy.
Đặc tuyến cần điều khiển có dạng sau:


Có rất nhiều phương pháp điều khiển để đạt được đặc tính mong muốn
như hình 3, đạt độ chính xác cao mà giá thành lại rẻ, như phương pháp PID
tương tự, số, điều khiển mờ v.v. Phương pháp PID bằng thực nghiệm của
Zeigler và Nichols , đòi hỏi cần có các thiết bò đo chính xác và các điều kiện
nghiêm ngặt đưa hệ thống vào chế độâ dao động lúc đó chúng ta mới xác
đònh các thông số của bộ điều khiển, nếu ta biết đối tượng ta là gì thì rất dễ
dàng điều khiển. Phương pháp điều khiển mờ ta không cần xác đònh đối
tượng của ta như thế nào, ta chỉ cần dựa vào kinh nghiệm điều khiển đối
tượng, ta thành lập bộ luật điều khiển và tùy thuộc vào tình huống mà hệ
thống đưa ra 1 luật trong bộ luật điều khiển đối tượng. Bộ điều khiển càng
chính xác nếu người điều khiển có nhiều kinh nghiệm. Các phương pháp này
được trình bày chi tiết hơn ở chương sau. Do hạn chế về thời gian, thiết bò đo,
kinh nghiệm với luận văn này chỉ sử dụng phương pháp điều khiển P số.
Phương pháp P số ta phải xác đònh KP trong biểu thức (1) . Khi KP đã
xác đònh ta có giá trò DUTY_CYCLE thay đổi theo EN.
Điều cần quan tâm lúc này là làm thế nào để xác đònh KP.
Ta có:


0≤

DUTY_CYCLE ≤

100 KP.NSP
.
U max

Mà ta có 0 ≤ DUTY_CYCLE ≤ 100 mới có nghóa với tín hiệu điều
khiển Udk1 do đó:
100 KP.NSP
U max
≤ 1 hay KP ≤
.
U max
NSP
U max

KP ≤ NSP .

(4)

Dựa vào (4) ta có nhận xét sau:
NSP càng lớn nếu KP càng nhỏ. Nếu vò trí đặt càng nhỏ mà NSP
càng lớn thì sai số càng nhỏ. Do dó thông thường hệ số KP rất nhỏ. Để tiến
hành điều khiển ta chọn 1 vài hệ số KP tùy chọn nào đó đưa vào bộ điều
khiển cho mạch hoạt động quan sát ngõ ra nếu có sai số thì ta tiến hành thay
đổi hệ số KP sao cho đạt kết quả với sai số cho phép. Ta có đặc tuyến
DUTY_CYCLE có dạng sau:

ta đònh nghóa :
HSTGG =

T '−T '1
T'

Trong đó HSTGG :Hệ số thời gian giảm
T’ : Thời gian đặt cho mỗi lần cắt
T’1 : Thời gian mà ta gán DUTY_CYCLE là hằng số lớn hơn 0.
Dựa vào đặc tuyến này ta có thể hình dung quá trình điều rất rõ ràng.
Giả sử ta chọn DUTY_CYCLE = 100 trong khoảng thời gian T’1,
Khi thời gian còn xa T’ thì ta cho động cơ hoạt động với điện áp đònh mức
nghóa là chạy với tốc độ cho phép tối đa. Khi thời gian lớn hơn T’1 và tiến
gần đến T’ nghóa là gần đến giá trò mong muốn, thì ta tiến hành giảm
DUTY_CYCLE theo qui luật nào đó để khi đến giá trò đặt thì


DUTY_CYCLE = 0, lúc đó động cơ dừng. Tùy vào đặc tính động cơ như thế
nào mà ta chọn HSTGG hay hệ số góc K cho phù hợp.
DUTY_CYCLE:

Tại t=0 tacó
D=

100 KP.NSP
U max

d1 =

100 KP.EN

U max

Tại t=T’1

d1 − D = −

K =−

(5)

100 KP.NFP
U max

T'
(T '−T '1)
=−
100.KP.NFP.U max
100.KP.EN .U max

(6)

Từ ( 5) ta có:
HSTGG =

NFP
NSP − NFP

(7)

Từ (5) và (7) ta có:

KP =

d1.U max .(1 + HSTGG )
100.NSP

(8)

Trong đó:
d1 :Ta chọn tùy ý tùy thuộc vào thời gian đặt, tốc độ kéo đối
tượng.
HSTGG: Phụ thuộc vào quán tính của động cơ.
0 ≤ d1 ≤ 100,

0 ≤ HSTGG ≤ 1


Ví dụ: Ta muốn động cơ quay đến giá trò 5000 xung tính theo ngõ ra
Encoder , trong thời gian 5 giây .
Ta có: T’=5s, NSP=5000xung, Umax=24V, xác đònh KP ?
Giải:
Chọn d1=100, HSTGG=0.5.
KP=(100*24(1+0.5))/(100*5000) = 36/5000 (V/vòng).
Với các số liệu trên thì quá trình điều khiển diễn ra như sau.
Trong thời gian 2,5s đầu tiên động cơ chạy với tốc độ tương ứng áp đặt
vào 24V. 2,5s còn lại tốc độ động cơ sẽ giảm cho đến khi dừng hẳn thì lúc
này thời gian cũng vừa đủ 5s.
Như đã trình bày sử dụng phương pháp điều khiển số khâu P
Lưu đồ giải thuật khâu hiệu chỉnh P:(trình bày phần sau).
Chương trình điều khiển được viết bằng ngôn ngữ máy cho vi xử lý

8952.
Điện áp Udk1 được lấy từ PC0 của 8255 kết nối với Vi xử lý. Điện áp
này được đưa đến mạch động lực điều khiển điện áp cung cấp cho động cơ.
Udk1 có dạng hình 2, được tạo ra bằng phần mềm có lưu đồ giải thuật (trình
bày phần sau).
NFP số xung phản hồi về qua mạch đếm xung số xung chứa tối đa
trong 2 byte, ngõ ra mạch đếm xung đưa vào PortA(byte thấp) và
PortB(Byte cao) 8255. Sau đó đưa vào vi xử lí thông qua mạch chốt.
Lưu đồ giải thuật đọc xung phản hồi( trình bày phần sau).
Dữ liệu cần đặt được lấy vào thông qua các phím nhấn. Lưu đồ giải
thuật đọc 1 phím nhập dữ liệu vào (trình bày phần sau):
Sau khi đã có các dữ liệu vào ta tiến hành tính toán đưa ra
DYTU_CYCLE, tạo áp Udk1, đồng thời ta cũng cho hiển thò chiều dài, số
lượng cần cắt trong quá trình hoạt động. Chương trình thực hiện nhiều công
việc cùng lúc ,vừa phải đếm xung phản hồi, vừa tạo áp Udk1 liên tục, vừa
phải hiển thò Led, đồng thời phải thường xuyên phải kiểm tra phím nhấn.
Lưu đồ giải thuật toàn bộ chương trình :
III.Các lưu đồ giải thuật điều khiển hệ thống:
Dựa vào các lưu đồ này ta tiến hành thiết kế mạch cứng và viết chương
trình điều khiển.