|
Xem toàn bộ: Lập
tŕnh LabVIEW - Tác giả: TS. Nguyễn Bá Hải Bài 10: Các ứng
dụng với card Hocdelam USB 9001 và HDL-9000 Học xong bài này, bạn
sẽ nắm được: -
Thông số kỹ thuật
của card Hocdelam USB-9001 và HDL-9000 -
Cách thu thập dữ liệu
nhanh chóng với Card Hocdelam-USB 9001 -
Điều khiển vận
tốc và vị trí động cơ DC theo thuật toán
PID sử dụng bộ thí nghiệm đa năng HDL-9000 10.1 Giới thiệu card Hocdelam USB-9001 Card
giao tiếp máy tính đa năng giá rẻ Hocdelam USB 9001 có chức năng tương
đương các card thu thập dữ liệu USB do các
hăng nước ngoài sản xuất có trên thị trường
trong và ngoài nước như NI USB 6008/6009-Hoa kỳ,
Advantech – Đài Loan, vv. Card Hocdelam USB-9001 có thể dùng
để giao tiếp với máy tính qua cổng USB dựa
theo chuẩn RS232. Đặc biệt, đây là sản phẩm
phần cứng do Hocdelam Group sản xuất và lập
tŕnh thư viện đầy đủ và dễ sử dụng
hơn những sản phẩm trên thị trường. Với
card này, người sử dụng được hỗ
trợ tài liệu tiếng Việt đầy đủ
và hỗ trợ trực tuyến thông qua kho ví dụ mẫu
tại website http://labview.hocdelam.org để nhanh chóng xây dựng
các ứng dụng của ḿnh. -
Xem ví dụ LabVIEW mẫu:
CD> Bai 10> Vi du
Hocdelam-9000 PI.vi
để biết cách lập tŕnh PID điều khiển
động cơ DC. Và Video clip demo: CD/Demo/DC motor control.
H́nh 10.1 Điều
khiển vị trí động cơ DC theo thuật toán PID Một
ví dụ khác là sử dụng card Hocdelam USB 9001 để
điều khiển một mobile robot như h́nh 10.2. Chi tiết
về lập tŕnh Robot 3D và điều khiển PID vận
tốc robot sẽ được cập nhật trong lần
tái bản tiếp theo của cuốn sách này.
H́nh 10.2 Thu thập
dữ liệu từ các cảm biến vào máy tính phục
vụ điều khiển mobile robot Bạn
cũng có thể sử dụng card Hocdelam USB-9001 để
thực hiện bài toán điều khiển vận tốc
động cơ DC thường gặp trong công nghiệp.
H́nh 10.3 Điều
khiển vận tốc động cơ DC theo thuật
toán PID Tới bày này, bạn đă có
thể nghĩ đến việc tự trang bị cho
ḿnh một bộ dụng cụ học tập, nghiên cứu
LabVIEW giá thành thấp (hỗ trợ giáo dục) như
sau:
H́nh 10.4 Bộ
dụng cụ học tập và nghiên cứu LabVIEW giá thấp 10.2 Các ứng dụng với Card
Hocdelam USB-9001 Phần này lần lượt
hướng dẫn các bạn thực hiện xây dựng
các ứng dụng thực tế với card Hocdelam USB-9001
gồm: -
Thu thập dữ
liệu từ các cảm biến nhiệt độ, biến
trở, ánh sáng, khoảng cách, vv. -
Điều
khiển động cơ DC theo thuậ toán P trong bộ
PID. -
Điều
khiển hệ thống làm mát Để thực hiện
một ứng dụng với LabVIEW, ta phải: 1-Kết nối phần cứng
cần thiết, 2-cài đặt phần mềm cần
thiết, và 3-tiến hành lập tŕnh. 10.2.1 Phần cứng Trường hợp 1: Bạn sử dụng card
Hocdelam USB-9001 -
Kết nối
phần cứng theo sơ đồ h́nh
10.15: Nối chân Vout (chân giữa của biến trở,
hoặc chân Vout của cảm biến LM35 vào chân ADC 1 của
card Hocdelam USB-9001)
H́nh 10.5: Cách kết nối biến trở
vào mạch điện Trường hợp 1: Nếu
bạn sử dụng bộ thí nghiệm đa năng
HDL-9000 Bộ thí nghiệm đa năng HDL-9000 là một gói
giải pháp toàn diện giá thành thấp (gồm phần cứng, phần mềm tiếng Việt,
bài giảng soạn sẵn, và kho thư viện ví dụ
mẫu) trong kỹ thuật dùng đào tạo đo
lường cảm biến, điều khiển thiết
bị theo thuật toán PID, Fuzzy logic, điều khiển
và giám sát qua mạng Internet, vv. trong các ngành cơ điện
tử, ô tô, tự động hóa, vật lư, vv. Hiện tại
đă có hơn 400 lượt người và doanh nghiệp
trong và ngoài nước sử dụng bộ thí nghiệm
này. Xem h́nh 10.16.
H́nh
10.6 Bộ thí nghiệm đa năng HDL-9000 Để đo cảm
biến nhiệt độ hoặc biến trở với
HDL-9000, bạn nối cảm biến vào mạch điện
như h́nh dưới 10.17
H́nh 10.7
Kết nối cảm biến vào bộ thí nghiệm
đa năng HDL-9000 Tới đây, bạn đă
hoàn tất phần cứng, giờ hăy bắt tay thực
hiện việc cài đặt phần mềm. 10.2.2
Phần mềm Khi giao tiếp ta cần cài đặt một số
phần mềm như sau: NI
VISA, Hocdelam USB-9001 Driver. Bạn
có thể tải các phần mềm này trên website:
http://labview.hocdelam.org >Mục tài liệu. Cài đặt NI-VISA (là công cụ
để LabVIEW hiểu được các cổng giao tiếp,
ở đây ta dùng cổng USB). Mở CD kèm theo sách bạn
sẽ thấy NI-VISA theo đường dẫn: CD> Phan mem> NI VISA 4.2. (Các
h́nh hướng dẫn cài đặt sẽ không
được đặt tên) 1.
Giải nén
2.
Chọn OK
3.
Chọn
Unzip để giải nén.
4.
Sau khi giải nén chọn Run WinZip rồi chọn Next
5.
Chọn Next
6.
Chọn Next
7.
Chọn Next
8.
Sau khi chờ cài đặt xong, bạn
chọn Finish
Cài đặt Hocdelam USB 9001
Driver để card Hocdelam USB-9001 có thể giao tiếp
được với máy tính (Hệ điều hành) của
bạn. Nếu
máy tính của bạn là Windows XP -
Bạn vào CD>
Phan mem> 002 Hocdelam USB 9001 Driver> Giải nén Hocdelam USB
9001 Driver Windows XP.rar -
Chạy file: DRVINSTSE.EXE -
Chương tŕnh tự động cài
đặt trong vài giây là hoàn thành. Bạn
thấy hộp thoại sau xuất hiện và tự biến
mất nhanh trên màn h́nh th́ quá tŕnh cài đặt đă thành
công.
Nếu
máy tính của bạn là Windows -
Bạn vào CD>
Phan mem> 002 Hocdelam USB 9001 Driver> Giải nén Hocdelam USB
9001 Windows7 Driver.rar -
Chạy file: Hocdelam USB 9001 Windows7
Driver.exe và làm theo hướng dẫn. Chọn Next khi hộp thoại sau xuất hiện.
Chọn Finish để kết thúc việc cài đặt.
Đến đây bạn đă hoàn thành công việc
chuẩn bị. Giờ ta bắt tay vào lập tŕnh LabVIEW
để thu thập dữ liệu từ một biến
trở hoặc một cảm biến nhiệt độ
LM35. 10.2.3
Đo nhiệt độ LM35 Mục tiêu ta phải thu thập
được tín hiệu từ cảm biến nhiệt
độ lên máy tính và vẽ một đồ thị của
cảm biến này theo thời gian thực (thời gian
đo)
H́nh 10.8: Kết quả đạt
được Hăy
cùng bắt tay vào thực hiện việc lập tŕnh Bước 1: Kiểm tra cổng
kết nối của card giao tiếp với máy tính Kiểm tra xem máy
tính đă nhận card chưa. -
RC lên My computer> Chọn Tab Hardware>
Chọn vào Port.
Card đă nhận
đúng khi và chỉ khi có ḍng chữ tô xanh trong h́nh.
-
Kiểm tra
cảm biến xem c̣n tốt không o
Cấp nguồn
5V cho cảm biến. Để chân Vout tự do. o
Đo Vout bằng
đồng hồ đo điện. Khi đo, xoay biến
trở th́ bạn thấy Vout sẽ thay đổi
tương ứng với sự thay đổi của vị
trí biến trở. Bước 2: Lập tŕnh
thu thập dữ liệu -
Để
lập tŕnh thu thập dữ liệu ta tại file mới
bằng cách click vào File> New
Chọn
select a VI
Chọn
IO Library Hocdelam USB 9001 – 2009.
-
Right click lên
Card port> Create control
Tạo Indicator ở
ADC1 (Tín hiệu đầu ra của biến trở phải
được nối với chân ADC 1 của card Hocdelam
USB 9001).
Tạo While loop như h́nh
Chỉnh sửa lại
front panel cho tiện dùng và quan sát.
Kiểm tra số cổng COM của Card Hocdelam USB
9001.
Chọn card phù hợp
Việc
cần làm tiếp theo là chuyển
tín hiệu của vi điều khiển (0-255) thành tín hiệu điện áp (0-5Volt). Ta biết rằng, độ phân giải
của kênh ADC của card Hocdelam USB-9001 là 8bit nên giá trị
từ 0 đến 5Volt của cảm biến sẽ
được chia thành 28=256 giá trị (tức từ
0 đến 255). Do vậy ta có công thức chuyển giá trị
số thành giá trị điện áp thực như sau:
Như vậy,
Bạn đă hoàn thành tốt bài toán thu
thập dữ liệu từ biến trở hoặc cảm
biến nhiệt độ lên máy tính. Cùng chương
tŕnh này, bạn có thể thay thế cảm biến nhiệt
độ hoặc biến trở, đồng thời
thay đồng hồ bằng một cột chỉ thị
nhiệt độ như h́nh
10.16. để tiện quan sát. Thảo luận về data flow, kiểu
dữ liệu và kết nối phần cứng Trước khi kết thúc phần này,
chúng ta hăy cùng thảo luận về data flow (ḍng dữ liệu),
và kiễu dữ liệu trong LabVIEW. Data flow LabVIEW thực thi các lệnh từ trái qua phải.
Để quan sát điều này, bạn chọn h́nh bóng
đèn bên cạnh nút Pause, sau đó chạy chương
tŕnh. Bạn sẽ thấy các “hạt” tín hiệu chạy
từ trái qua phải.
Kiểu
dữ liệu là công cụ để gán “dăi giá
trị” cho một biến nào đó. Có nhiều loại kiểu
dữ liệu với số bit khác nhau. Số bit càng cao
th́ biến gán với kiểu dữ liệu đó càng có
giá trị lớn. Đôi khi, cần phải thay đổi
kiểu dữ liệu để giá trị đo
được hiển thị ra một cách chính xác. Lưu ư: Trong LabVIEW, dây hoặc control,
hoặc indicator màu xanh th́ có giá trị là Unsigned 8 bit. Tức
giá trị tối đa của các khối này là 255).
Lưu ư khi làm việc với phần
cứng trong LabVIEW là
trước khi khởi động phần mềm LabVIEW,
ta phải cắm card USB vào máy. Nếu LabVIEW đang
được mở và card chưa cắm th́ ta tắt
LabVIEW đi và cắm card vào, sau đó khởi động
LabVIEW lên. Nếu đă làm đúng hết các bước mà
bạn không giao tiếp được phần cứng
để đọc tín hiệu từ cảm biến th́
hăy liên lạc supports@hocdelam.org
hoặc labview.help@gmail.com để được hỗ
trợ. 10.3
Điều khiển PID động cơ DC 10.3.1
Lư thuyết điều khiển PID Có
thể nói bộ điều khiển PID (viết tắt
của: Proportional–Integral–Derivative Controller) là một trong những
bộ điều khiển phổ biến và quan trọng
nhất trong các thiết bị và hệ thống công nghiệp
từ ở đĩa CD tới vận tốc xe ô tô
đều được thực hiện bởi các thuật
toán PID. Tài liệu này đó dùng điều khiển các hệ
thống vật lư như động cơ DC (Xem h́nh 10.9),
hệ thống lái tự động trên robot, ô tô, ḷ nhiệt,
vv.
H́nh 10.9 Sơ
đồ điều khiển động cơ DC theo thuật
toán PID Điều
khiển PID là ǵ? Bộ điều
khiển PID (Proportional–Integral–Derivative Controller) là một bộ
hiệu chỉnh có phản hồi nhằm làm giá
trị sai lệch của một tín hiệu đang
được điều khiển bằng không. Bộ
PID có ba thành phần: proportional - tỷ lệ, integral - tích
phân, và derivative - đạo hàm), ba thành phần này đều
có vai tṛ đưa sai lệch về không. Tính chất tác
động của mỗi thành phần có đặc
điểm riêng được khảo sát chi tiết
trong phần sau.
Tín hiệu phản hồi (feedback signal) thường là
tín hiệu thực được đo bằng cảm
biến. Giá trị sai lệch là hiệu của tín
hiệu đặt (setpoint) trừ cho tín hiệu phản
hồi. -
PID là bộ điều khiển thông dụng nhất trong
công nghiệp v́ tính dễ áp dụng, và mang lại chất
lượng điều khiển ổn định cho hệ
thống. Cụ thể, bộ điều khiển PID
thường sử dụng trong điều khiển
động cơ DC, robot, các hệ thống trong ô tô,
điều khiển áp xuất, băng truyền, vv. Ví dụ:
Bài điều khiển động cơ trong h́nh 10.9
được giả sử được dùng để
điều khiển vị trí của đầu 1 gắn
trên thanh kim loại trượt không ma sát trên bề mặt
3 để thanh di chuyển từ A đến B như h́nh 10.10.
H́nh 10.10 Cơ cấu cần điều khiển vị
trí 10.3.2 Bản chất
toán học của thuật toán PID Sơ đồ của hệ thống trong h́nh 10.9
được vẽ lại thành h́nh 10.11.
H́nh 10.11 Bộ PID
điều khiển vị trí Một
bộ điều khiển PID có sơ đồ như
h́nh trên. Trong bộ
điều khiển PID, sai lệch
Hoạt
động của hệ thống điều khiển vị
trí. Bộ
PID này sẽ đọc và hiểu giá trị mà người
điều khiển mong muốn (gọi là giá trị
đặt, ở đây là vị
trí của B có tọa
độ xB=20cm), thường người điều
khiển đưa giá trị đặt vào bộ điều
khiển PID thông qua GUI (Graphical user interface - giao diện
người dùng đồ họa). Bộ điều khiển
PID sẽ tính sai lệch e, và qua bộ PID thành tín hiệu
điều khiển u(t)1 tính
theo công thức 10.2, sai lệch sau khi tính toán được
truyền ra ngoài hệ thống thực thông qua card vào/ra
(I/O) như card Hocdelam USB-9001 hoặc NI 6009 ở đây tín
hiệu lúc này là tín hiệu điện áp và được
gọi là u(t)2. Sau đó,
tín hiệu này được khuếch đại nhờ
một bộ Driver (ví dụ Motor driver) để tăng
tín hiệu đủ công suất điều khiển
cơ cấu chấp hành (động cơ DC), gọi là
tín hiệu U(t). Tín hiệu
điều khiển động cơ sẽ điều khiển
cơ cấu 5, khi động
cơ quay th́ thanh kim loại trược theo phương
X và đầu 1 di chuyển
dần từ A tới B. Hoàn thành một ṿng điều
khiển. Sau đó bộ điều khiển
PID sẽ liên tục thực hiện lại việc tính
toán sai lệch của vị trí đặt (vị trí B) so
với giá trị vị trí thực tế (measured signal) của
đầu 1 (nhờ vào bộ đo vị trí gắn với
động cơ), Nếu giá trị sai lệch vẫn
c̣n th́ bộ điều khiển PID tiếp tục phát ra
tín hiệu để quay độ động cơ cho tới
khi giá trị thực tế của dộng cơ trùng khớp
với giá trị đặt. Tức khi đó sai lệch
sẽ bằng 0. Chừng nào c̣n sai lệch th́ bộ
điều khiển PID c̣n hoạt động để
hiệu chỉnh tín hiệu điều khiển. Bản
chất toán học của bộ PID sẽ được
giải thích trong công thức 10.2. Giá
trị tín hiệu đưa vào động cơ
được tính là:
-
-
-
-
-
H́nh 10.12 Mô tả
giá trị đặt, giá trị đo được và
diện tích sai lệch -
Các hệ số luôn không âm: Tức -
Ư nghĩa các hệ số gain trong bộ PID khi
tăng các hệ số -
Với cùng một
giá trị -
-
Phương
pháp định bộ thông số Ngoài ra bạn
c̣n có thể thực hiện việc chọn các hệ số
này bằng phương pháp t́m các hệ số của Zigler–Nichols như bảng 10.1. Bảng
10.1: Phương pháp chỉnh PID (Phương pháp Ziegler–Nichols)
-
Ku:
Giá trị Kp làm cho hệ thống mất ổn định
150%. - Pu: Khoảng thời gian dao động của tín hiệu đo được. Cao
hơn phương pháp xác định các hệ số bằng
tay th́ c̣n phương pháp xác định bộ gain Kp, Ki,
và Kd tự động sẽ được cập nhật
ở các tập sách tiếp theo cùng tác giả. 10.3.4
Thực hành điều khiển PID cho động cơ
DC Để thực hành bộ điều khiển
PID, chúng tôi chọn card Hocdelam USB 9001, phần cứng hoàn
thiện như h́nh 10.13 và sơ
đồ mạch điện h́nh
10.14.
H́nh 10.13 Sơ đồ kết nối
phần cứng điều khiển PID động cơ
DC
H́nh 10.14 Sơ đồ mạch điện
kết nối phần cứng điều khiển PID
động cơ DC Thuật toán điều khiển
động cơ DC trong LabVIEW được lưu
dưới dạng File CD>Bai
10> DC motor P control.vi
H́nh 10.23 Kết quả lập tŕnh P
control cho động cơ DC
H́nh 10.16 Giao diện người dùng
điều khiển P cho động cơ DC Đáp ứng của vị trí động cơ DC
theo thuật toán P khá tốt. Thời gian đáp ứng là
0.2 giây với
H́nh 10.17 Đáp ứng của vị trí
động cơ DC Do giới hạn cuốn sách này chỉ đề cập
các vấn đề cơ bản nhất trong LabVIEW nên
để mở rộng và tự lập tŕnh được
bài toán PID, bạn hăy đọc bài “Điều khiển động cơ DC theo thuật
toán PID cho mọi người, TS. Nguyễn Bá Hải” tại
website LabVIEW Hocdelam theo đường dẫn : http://labview.hocdelam.org>
Nghiên cứu> Báo khoa học Qua CD kèm theo sách, tác giả cũng tặng ví dụ mẫu
điều khiển PI cho các bạn tự t́m hiểu và
khám phá. BD của bài toán điều khiển PI được
cho ở h́nh 10.26. Xem ví dụ mẫu
tại CD> Bai 10> Vi du
Hocdelam-9000 PI.vi
H́nh 10.26 Điều khiển khâu PI vị
trí động cơ DC
Bài
tập: Câu 1: Thực hành
đo lường cảm biến nhiệt độ LM35
vào máy tính và vẻ đồ thị nhiệt độ dựa
vào card Hocdelam USB-9001. Câu 2: Thu thập
tín hiệu từ một Encoder vào máy tính qua card Hocdelam
USB-9001. (Gợi ư: Xem ví dụ mẫu: CD> Bai 10> Doc encoder.vi) Câu 3: Thực hành điều
khiển khâu P cho động cơ DC (vị trí và vận
tốc). Câu 4: Hăy mô tả hoạt
động của bộ điều khiển PID và cách chọn
các hệ số trong bộ điều khiển. Câu 5: Thực hành lập
tŕnh điều khiển khâu PI vị trí động CD Câu 6: Hăy giải thích tại
sao khâu I trong bộ điều khiển PID có thể khử
được sai lệch tỉnh của hệ thống? Câu 7: Bạn cần nắm
một số thuật ngữ tiếng Anh trong điều
khiển tự động trong h́nh sau (hăy sử dụng
từ điển để tra từ).
Nguồn h́nh: Wikipedia) Tham
khảo bài 10 [1] Wikipedia.org [2] Controls.ame.nd.edu/ame437/S2003/hw1 [3] TS. Nguyễn Bá Hải, “Điều khiển PID vị
trí động cơ DC với LabVIEW”, Hocdelam Group, 2009. [4] TS. Nguyễn Bá Hải, Thạc Sĩ Ngô Hải Bắc,
PGS. TS. Jee-Hwan Ryu “Điều khiển bền vững
động cơ DC” Hội thảo khoa học quốc tế
URAI, |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Chân tín hiệu của cảm biến. Ví dụ:
Nếu là biến trở th́ chân tín hiệu chính là chân ở
giữa. Hai chân nguồn 
là hai chân b́a của biến trở.
) trừ cho giá trị thực tế đo
được (measured value của hệ thống
).
: tín hiệu điều khiển, là tín hiệu
do bộ PID sinh ra, (thường tín hiệu này đi qua một
module công suất) và đi vào hệ thống (động
cơ một chiều). Có đơn vị phụ thuộc
phần cứng, như đối với điều khiển
động cơ một chiều 24V thông qua module công suất
là một Motor driver 24V th́ 
: Khâu tỷ lệ.
: các hệ số tỷ lệ, tích phân và vi
phân của bộ PID
sai lệch tại thời điểm hiện
tại. 
: Diện tích S
tạo bởi đường cong giá trị thực tế (xem h́nh 1.21), đường
thẳng giá trị đặt,
và các cận là thời điểm trước và sau một
ṿng điều khiển (cũng chính là thời gian thực
hiện hết một ṿng lặp toàn bộ chương
tŕnh điều khiển K
trong đồ thị 10.12) hay nói cách khác K chính là đơn vị thời gian trích mẫu
: Tốc độ thay đổi của sai
lệch tại thời điểm hiện tại.
độc lập nhau
, th́ tín hiệu điều khiển 
bằng không. Sau đó tăng dần Kp cho tới
khi vọt lố đạt bằng gấn 1,5 lần giá
trị đặt. Hiệu chỉnh 
. Sai lệch tiến tới không sau 0.5 giây.
Xem h́nh 10.17. Đường
màu trắng là giá trị đặt, đường màu
đỏ là giá trị đáp ứng (giá trị đo
được từ Encoder), màu vàng là sai lệch.
