Lời Mở Đầu Trong q trình cơng nhgiệp hóa- đại hóa đất nƣớc Tự động hóa yếu tố thiếu công nghiệp đại Nói đến tự động hóa máy tính công cụ hỗ trợ đắc lực thiếu đƣợc nhiều lĩnh vực, đặc biệt đo lƣờng điều khiển Việc ứng dụng máy tính vào kỹ thuật đo lƣờng điều khiển đem lại nhiều kết đầy tính ƣu việt Các thiết bị, hệ thống đo lƣờng điều khiển ghép nối với máy tính có độ xác cao, thời gian thu thập liệu ngắn Nhƣng điều đáng quan tâm mức độ tự động hóa việc thu thập xử lý kết đo, kể việc lập bảng thống kê, đồ họa, nhƣ in kết Để đo lƣờng điều khiển hệ thống ngồi thiết bị ghép nối với máy tính, cịn có Smột chƣơng trình nạp vào máy tính để xử lý điều khiển trình hoạt động hệ thống Việc ứng dụng máy tính vào hệ thống truyền động điều khiển tốc độ, vị trí ngày phổ biến Ví dụ nhƣ dây truyền lắp ráp sản phẩm kỹ thuật cao, việc gia cơng sản phẩm có hình dạng, kích thƣớc đƣợc vẽ trƣớc máy tính, cấu truyền động cho tay máy, ngƣời máy, cấu ăn dao máy cắt gọt kim loại quay anten, kính viễn vọng, hệ thống bám, tùy động,… LabVIEW ngơn ngữ lập trình chun nghiệp lĩnh vực tự động hóa, mơi trƣờng lập trình cho phép tạo chƣơng trình sử dụng kí hiệu đồ họa giúp tạo lên giao diện chƣơng trình chuyên nghiệp Nó chứa đựng nhiều khả năng, sức mạnh phát triển thực thi ứng dụng tự động hóa: đo lƣờng, thu thập, phân tích, xử lí liệu Thế giới thiết bị ảo labVIEW gần gũi liên kết chặt chẽ với giới điều khiển tự động thực CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGƠN NGỮ LẬP TRÌNH LAVIEW 1.1 Giới thiệu LABVIEW LABVIEW (viết tắt nhóm từ Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench) phần mềm máy tính đƣợc phát triển công ty National Instruments, Hoa kỳ LABVIEW cịn đƣợc biết đến nhƣ ngơn ngữ lập trình với khái niệm hồn tồn khác so với ngơn ngữ lập trình truyền thống nhƣ ngơn ngữ C, Pascal Bằng cách diễn đạt cú pháp thông qua hình ảnh trực quan mơi trƣờng soạn thảo, LABVIEW đƣợc gọi với tên khác lập trình G (viết tắt Graphical, nghĩa đồ họa) - LABVIEW (Virtual Instrument Engineering Workbench) môi trƣờng phát triển dựa ngơn ngữ lập trình đồ hoạ, thƣờng đƣợc sử dụng cho mục đích đo lƣờng, kiểm tra, đánh giá, xử lý, điều khiển tham số thiết bị - LABVIEW ngơn ngữ lập trình đa năng, giống nhƣ ngơn ngữ lập trình đại khác LABVIEW gồm có thƣ viện thu nhận liệu, loạt thiết bị điều khiển, phân tích liệu, biểu diễn lƣu trữ liệu Nó cịn có cơng cụ phát triển đƣợc thiết kế riêng cho việc nối ghép điều khiển thiết bị - LABVIEW khác với ngơn ngữ lập trình thông thƣờng điểm là: ngôn ngữ lập trình khác thƣờng dùng chế dịng lệnh, LABVIEW dùng ngơn ngữ lập trình Graphical để tạo chƣơng trình dạng sơ đồ khối - Trong LABVIEW ta xây dựng giao diện ngƣời sử dụng việc thiết lập công cụ đối tƣợng Giao diện ngƣời sử dụng đƣợc hiểu nhƣ front panel sau ta đƣa code vào sơ đồ khối để điều khiển đối tƣợng front panel Sơ đồ khối hiểu giống nhƣ lƣu đồ thuật tốn - LABVIEW đƣợc tích hợp đầy đủ chức giao tiếp với phần cứng GPIB, VXI, PXI, RS-232, RS-485, thiết bị thu nhận liệu LABVIEW xây dựng đặc trƣng cho việc kết nối ứng dụng ta với Web sử dụng LABVIEW Web Server và, chuẩn mạng TCP/IP Active X - LABVIEW đƣợc dùng nhiều phịng thí nghiệm, lĩnh vực khoa học kỹ thuật nhƣ tự động hóa, điều khiển, điện tử, điện tử, hàng khơng, hóa sinh, điện tử y sinh, Hiện phiên LABVIEW cho hệ điều hành Windows, Linux, Hãng NI phát triển mô-đun LABVIEW cho máy hỗ trợ cá nhân (PDA) Các chức LABVIEW tóm tắt nhƣ sau: Thu thập tín hiệu từ thiết bị bên nhƣ cảm biến nhiệt độ, hình ảnh từ webcam, vận tốc động cơ, Giao tiếp với thiết bị ngoại vi thông qua nhiều chuẩn giao tiếp thông qua cổng giao tiếp: RS232, RS485, USB, PCI, Ethernet Mô xử lý tín hiệu thu nhận đƣợc để phục vụ mục đích nghiên cứu hay mục đích hệ thống mà ngƣời lập trình mong muốn Xây dựng giao diện ngƣời dùng cách nhanh chóng thẩm mỹ nhiều so với ngôn ngữ khác nhƣ Visual Basic, Matlab, Cho phép thực thuật toán điều khiển nhƣ PID, Logic mờ (Fuzzy Logic), cách nhanh chóng thơng qua chức tích hợp sẵn LABVIEW Cho phép kết hợp với nhiều ngôn ngữ lập trình truyền thống nhƣ C, C++, 1.2 Giao diện LABVIEW a) Front panel: Là giao diện ngƣời sử dụng Ví dụ sau minh họa front panel Front panel - Xây dựng front panel với điều khiển (controls) hiển thị (Indicators), chúng đƣợc sử dụng với chức vào liệu Các điều khiển bao gồm núm (knobs), nút ấn (push buttons), mặt đồng hồ thiết bị vào liệu khác Control đối tƣợng đƣợc đặt Front Panel để cung cấp liệu cho chƣơng trình Nó tƣơng tự nhƣ đầu vào cung cấp liệu b) Block Diagram: Là sơ đồ khối :Block Diagram VI sơ đồ đƣợc xây dựng mơi trƣờng LABVIEW, gồm nhiều đối tƣợng hàm khác để tạo câu lệnh để chƣơng trình thực Block Diagram mã nguồn đồ hoạ VI Các đối tƣợng Front Panel đƣợc thể thiết bị đầu cuối Block Diagram, loại bỏ thiết bị đầu cuối Block Diagram Các thiết bị đầu cuối sau loại bỏ đối tƣợng tƣơng ứng Front panel Block Diagram Cấu trúc Block Diagram gồm thiết bị đầu cuối (Terminal), Nút (Node) dây nối (wire) -Terminal: cổng mà liệu truyền qua Block Diagram Front panel, Node Block Diagram Các Terminal nằm dƣới dạng Icon Function -Nodes: phần tử thực chƣơng trình, chúng tƣơng tự nhƣ mệnh đề, tốn tử, hàm chƣơng trình ngơn ngữ lập trình thơng thƣờng -Wires: dây nối liệu node 1.3 Các Thanh công cụ a)Thanh công cụ front panel: Sử dụng nút ấn công cụ dùng để chạy tạo VI Thanh công cụ xuất front panel có dạng nhƣ sau: Thanh cơng cụ Front panel Trong đó: Kích nút Run dùng để chạy VI, lúc VI chạy trạng thái nút ấn thay đổi theo VI khơng có lỗi trạng thái có dạng nhƣ sau: Khi nút ấn Run trạng thái có nghĩa VI ta bị lỗi mà ta cần phải xử lý Để tìm lỗi ta kích đúp vào nút để hiển thị danh sách toàn lỗi VI ta Kích vào nút Run Continuously để chạy VI liên tục muốn hủy hay dừng lại Ta ấn tiếp nút lệnh để không cho phép chạy liên tục Trong lúc VI chạy, nút hủy bỏ hoạt động xuất ta ấn vào biểu tƣợng chƣơng trình chạy dừng Với ý nên tránh dùng nút lệnh để dừng VI, ta khơng biết trạng thái VI Ta nên thiết kế chƣơng trình dừng VI ví dụ ta sử dụng chuyển mạch front panel Kích vào nút lệnh Pause để tạm dừng chƣơng trình VI chạy Khi ta kích vào nút lệnh Pause LABVIEW làm sáng vị trí ta dừng hoạt động sơ đồ khối Khi ta muốn chạy tiếp chƣơng trình ta ấn lại nút lệnh Dùng để thiết lập font cho VI bao gồm kích thƣớc, kiểu loại, màu sắc Dùng để xếp đối tƣợng thẳng hàng bao gồm đƣờng thẳng đứng, mép trên, trái … Dùng để phân bổ đối tƣợng … Lựa chọn Reorder ta có đối tƣợng gối lên ta muốn định nghĩa đối tƣợng đứng trƣớc hay đứng sau Việc lựa chọn đối tƣợng với việc định vị vị trí sau di chuyển lên phía trƣớc hay di chuyển phía sau… b)Thanh công cụ Block Diagram Thanh công cụ Block Diagram Kích vào nút lệnh Highlight Execution ta thấy luồng liệu chạy sơ đồ khối Khi ta kích lại nút lệnh q trình bị dừng lại Kích vào nút lệnh Step into dùng để lặp bƣớc vịng lặp, subVI Kích vào nút lệnh Step over dùng để bỏ qua vòng lặp subVI Kích vào nút lệnh Step out dùng để nhảy ngồi vịng lặp subVI c Bảng điều khiển Palettes Việc lập trình LABVIEW cần sử dụng bảng: Tools Palette, Controls Palette, Functions Palette, bảng cung cấp chức để ngƣời sử dụng tạo thay đổi giao diện Front Panel Block Diagram Tools Palettes Tools Palettes xuất Front Panel Block Diagram Bảng cho phép ngƣời sử dụng xác lập chế độ làm việc đặc biệt trỏ chuột Khi lựa chọn công cụ, biểu tƣợng trỏ đƣợc thay đổi theo biểu tƣợng cơng cụ Nếu thiết lập chế độ tự động lựa chọn công cụ ngƣời sử dụng di chuyển trỏ qua đối tƣợng Front Panel Block Diagram, LABVIEW tự động lựa chọn công cụ phù hợp bảng Tools Palette Để truy cập vào Tools palette ta chọn Menu: ViewTools palette Các công cụ Tools palette gồm có: Tool panel Operating tool: Dùng để thay đổi giá trị điều khiển lựa chọn văn điều khiển Positioning tool: Dùng để lựa chọn, di chuyển, thay đổi kích thƣớc đối tƣợng Labeling tool: Dùng để soạn thảo văn dạng text tạo nhãn Wiring tool: Dùng để nối đối tƣợng lại với sơ đồ khối Object shortcut menu: Dùng để truy cập vào đối tƣợng cách kích chuột trái Scrolling tool Breakpoint tool: Dùng để thiết lập điểm dừng VI, functions, nút, dây nối, cấu trúc lệnh để dừng hoạt động vị trí Probe tool: Dùng để tạo đầu dò dây nối sơ đồ khối Việc sử dụng Probe tool dùng để kiểm tra giá trị trung gian VI Color copy tool: Dùng để copy màu cho việc paste việc sử dụng Coloring tool Coloring tool: Dùng để tơ màu cho đối tƣợng Nó hiển thị việc thiết lập màu sắc mặt trƣớc mầu 1.4 Các bảng điều khiển bảng chức Các bảng điều khiển bảng chức bảng đối tƣợng đƣợc sử dụng để tạo VI Để sử dụng đối tƣợng bảng ta kích vào đối tƣợng vào đặt vào front panel sơ đồ khối Sử dụng nút dẫn bảng Controls bảng Functions để xác định tìm kiếm điều khiển, VI hàm Ta làm cách kích chuột phải vào biểu tƣợng VI bảng chọn Open VI từ menu phím tắt để mở VI e Bảng điều khiển (Controls Palette) -Bảng điều khiển xuất Front panel Bảng điều khiển chứa điều khiển (control) hiển thị (Indicator) Bảng điều khiển đƣợc minh họa nhƣ hình dƣới Bảng điều khiển -Bảng điều khiển đƣợc sử dụng để ngƣời sử thiết kế cấu trúc mặt hiển thị gồm thiết bị ví dụ: cơng tắc, loại đèn, loại hình hiển thị…Với bảng điều khiển này, ngƣời sử dụng chọn thiết bị chuẩn hãng sản xuất cung cấp - Bảng điều khiển dùng để cung cấp liệu đầu vào hiển thị kết đầu CHƢƠNG 4: CARD GIAO TIẾP MÁY TÍNH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC SERVO TRÊN LABVIEW 4.1 CARD GIAO TIẾP MÁY TÍNH a) Giới thiệu CARD USB – 9001 : Thông số chung Cổng kết nối USB (chuẩn giao tiếp RS232) Hỗ trợ hệ điều hành Windows Kiểu đo kênh đo điện áp (ADC) đếm xung từ loại encoder (đếm lên xuống tùy theo chiều quay encoder) Điều khiển · kênh xuất tín hiệu số · kênh xuất tín hiệu điều chế xung (PWM) Họ DAQ Đọc tín hiệu Analog Số kênh SE Tốc độ lấy mẫu 142S/s Độ phân giải bits 36 Trích mẫu đồng thời Không Ngƣỡng điện áp giới hạn tới V lớn Độ xác 10 mV (Vref=2.56V) Tín hiệu analog từ Nhiệt độ, áp xuất, lƣu lƣợng vv loại cảm biến Lĩnh vực ứng dụng đo điện áp Điều khiển tự động, tơ, cơng nghiệp Xuất tín hiệu PWM Số kênh Tốc độ cập nhật 100 S/s Độ phân giải bits Ngƣỡng điện áp V Tín hiệu điều khiển dịng điện 10 mA (dịng ngắn mạch) Các chân xuất tín hiệu số 37 Số kênh Timing Software Logic Levels TTL Ngƣỡng điện áp V Bộ lọc vào lập trình đƣợc No Output Current Flow Sinking, Sourcing Dòng điện (Kênh/Tổng) 10 mA/100 mA Bộ đếm xung Số đếm (đếm lên đếm xuống) Độ phân giải 16 bits Tần số nguồn xung lớn 250 KHz Độ rộng xung vào nhỏ us Mức logic TTL 38 Ngƣỡng cực đại V Ứng dụng Đo tốc độ động từ Encoder, đo xung, vv Cho phép thực nhớ tạm Yes Tác động (Triggering) Digital Kích thƣớc card Hocdelam USB - 9001 Dài 10 cm Rộng cm Cao 2.5 cm Đầu nối vào Dễ dàng mở tua vít Chất liệu vỏ hộp Nhựa Nhiệt độ bảo quản Dƣới 65 độ C Chiều dài cable nối Lớn 500mm dài 1000mm 39 b) Cách sử dụng: Chân Kí Hiệu Giá Mơ tả Giá trị trị Reset Input ADC0 -ADC5 Nhận tín hiệu dạng tƣơng tự(analog) Vref 5v USB 2.55v set máy tính NA Input PULSE Đếm xung cạnh lên (0-5v) Input DIR Set đếm xung PULSE đếm xuống 5v 5V Set đếm xung PULSE đếm lên Output PWM0 PWM1 Tạo xung với tần số cố định hệ số xung thay đổi từ 0-255 tùy số đặt máy tính (xung 0-5v tổng trở 470 Ohm) Output SW0-SW2 Tính hiệu dạng số(0 5v Tổng trở 470 Ohm) tùy set máy tính SW3 Tính hiệu dạng số (0 5v), không sử dụng ADC0 Nguồn GND Mass Nguồn +5v Lấy từ USB 5v Sơ đồ chân: o ADC0-ADC5: trả giá trị chuyển đổi chân ADC tƣơng ứng (0-255) o DAC0-DAC1: đặt giá trị ngõ chân PWM cho chân DAC tƣơng ứng (0255) o SW0-SW3: đặt giá trị cho ngõ số (TRUE-FALSE) o PULSE: trả giá trị số xung đếm từ chân PULSE (giá trị từ 0-65635) 40 3638 Các chức Card USB - 9001 4.2 Thiết kế hệ thống điều khiển LABVIEW thông qua Card USB – 9001: Mơ hình điều khiển sử dụng card USB-9001: 3739 Mơ hình điều khiển Trong đó: + Phần giao diện ngƣời dùng: đƣợc tạo máy tính ngơn ngữ LabVIEW + Card USB-9001: đóng vai trị giao tiếp với máy tính qua cổng USB Nó nhận lệnh điều khiển từ máy tính, xử lý - tạo xung PWM để ổn định tốc độ xác định chiều quay cho Motor DC 41 + Motor Driver 3A-DCS: modul công suất mắc theo kiểu mạch cầu chữ H, để cấp dòng đảo chiều quay cho motor DC + Encoder: đƣa xung hồi tiếp Card USB-9001, để ổn định tốc độ theo luật PID Hình 40 sơ đồ kết nối phần cứng cụ thể Card USB-9001, Motor Driver 3ADCS với Motor DC Encoder 3840 Sơ đồ nối phần cứng Card Motor Driver 42 4.3 Sơ đồ nguyên lý hệ thống: Hình 41 Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển 43 4.4 Kết đạt đƣợc Hình 42 Kết đạt đƣợc Đƣờng màu xanh dƣơng vận tốc đặt Đƣờng màu vàng vận tốc thực động Đƣờng màu xanh lục sai số vận tốc đặt vận tốc thực e(t) Theo kếêt ta thấy: -Đƣờng màu vàng tiến tới đƣờng màu xanh dƣơng ( vận tốc động tiến tới giá trị đặt) - Đƣờng màu xanh lục tiến không (sai số điểm đặt vận tốc thực giảm không để tiến tới ổn định) 44 Kết Luận: - Bằng phƣơng pháp điều khiển ta không cần thi công nhiều mạch phức tạp, dễ dàng kiểm tra,sữa chữa thay đổi hệ thống điều khiển hệ thống cũ có sai sót chƣa nhƣ mong muốn ngƣời điều khiển - Chi phí ban đầu lớn (so với hệ thống điều khiển Motor DC khác ) cho mua quyền phần mềm phần cứng NI - Tính động kém, khơng thể làm việc môi trƣờng khắc nhiệt - Ngƣời dùng phải có kiến thức máy tính , phần mềm phần cứng tính thơng dụng Tài liệu tham khảo: 1) Phạm Minh Hà, Kỹ thuật mạch điện tử 2) Lƣơng Ngọc Hải, Giáo trình kỹ thuật xung số 3) Getting Stared With LabVIEW – Author (Apache Software Foundation) 4) LabVIEW Fundamentals - Author (Apache Software Foundation) 5) LabVIEW Quick Reference Card – National Instruments Corporation 6) LabVIEW Advanced I, hãng National Instrument 7) LabVIEW Basics I + Basics II Course Manual National Instrument 45 8) PCI – 1710/1710 HG Multifunction DAS card for PCI bus user’s Manual 9) LabVIEW Tutorial Manual - National Instruments Corporation 10) 11) 12) 46 http://vietnam.ni.com/ http://hoiquandientu.com/ http://hocdelam.org/site1/ MỤC LỤC Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ NGƠN NGỮ LẬP TRÌNH LABVIEW 1.1 Giới thiệu LABVIEW 1.2 Giao diện LABVIEW 1.3 Các công cụ 1.4 Các bảng điều khiển chức 1.5 Cấu trúc hoạt động vòng lặp 12 1.6 Chuyển đổi số 15 1.7 Hoạt động cấu trúc lựa chọn 16 1.8 Các dạng biểu đồ song 17 Chƣơng : ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC SERVO 19 2.1 Cấu tạo động DC SERVO 19 2.2 Nguyên lý điều khiển động DC SERVO 21 2.3 Nguyên lý điêu xung 28 Chƣơng : THUẬT TOÁN PID 30 3.1 Khái quát điều khiển PID 30 3.2 Các phƣơng pháp xác định tham số 31 3.3 Thuật toán điều khiển 34 CHƢƠNG 4: CARD GIAO TIẾP MÁY TÍNH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIÊU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC SERVO TRÊN MÁY TÍNH 36 4.1 Card giao tiếp máy tính 36 4.2 Thiết kế hệ thống điều khiển LABVIEW thong qua Card giao tiếp 41 4.3 Sơ đồ nguyên lý hệ thống 43 KẾT LUẬN 43 47 48 49 50 ... cho điều khiển phù hợp .Với kết cấu phần cứng đặc tính điều khiển điều khiển tốc độ 33 điều khiển PI số thích hợp cả, ta dùng thêm khâu vi phân liên quan tới điều khiển vị trí Do ứng dụng vi điều. .. Thuật toán điều khiển 34 CHƢƠNG 4: CARD GIAO TIẾP MÁY TÍNH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIÊU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC SERVO TRÊN MÁY TÍNH 36 4.1 Card giao tiếp máy tính 36 4.2 Thiết kế hệ thống điều khiển LABVIEW. .. Chƣơng : ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC SERVO 19 2.1 Cấu tạo động DC SERVO 19 2.2 Nguyên lý điều khiển động DC SERVO 21 2.3 Nguyên lý điêu xung 28 Chƣơng : THUẬT TOÁN PID 30 3.1 Khái quát điều khiển PID