Mdhibiti wa PID VHDL: Hatua 10

2024 Mwandishi: John Day | [email protected]. Mwisho uliobadilishwa: 2024-01-30 12:51

Mradi huu ulikuwa mradi wangu wa mwisho kumaliza Shahada yangu ya Shahada ya kwanza kutoka Taasisi ya Teknolojia ya Cork. Mafunzo haya yamegawanywa katika sehemu mbili ya kwanza itashughulikia mwili kuu wa nambari ya PID ambayo ndio kusudi kuu la mradi na sehemu ya pili inashughulikia kuingiliana kwa nambari ambayo ilitekelezwa kwenye bodi ya maendeleo ya Basys 3 na kisha kuingiliwa na mpira wa ping pong ushuru wa ushuru. Rig ya kinadharia na iliyojengwa imeonyeshwa kwenye picha zilizoambatanishwa.

Vifaa

Uigaji

Suite ya Ubunifu wa Vivado

Utekelezaji (katika mabano ndio yaliyotumika kwa mradi wangu)

• Bodi ya FPGA ambayo inaweza kuingiza na kutoa ishara za Dijiti / Analog (Basys 3)
• mfumo ambao unadhibitiwa na chanzo kimoja cha maoni (Ping Pong Ball Levitation Rig)

Ngazi

• Tube ya Polycarbonate
• Shabiki wa 5V
• Sensorer ya IR
• Msingi uliochapishwa wa 3D
• 1k Resistors
• Breadboard na 5V na GND Rail

Hatua ya 1: Nadharia ya Udhibiti wa Msingi

Nilidhani kuwa kuongeza katika nadharia fulani ya kimsingi ya kudhibiti itampa mtu yeyote ambaye angependa kujaribu na kutekeleza nambari hii msingi mzuri wa kuanza.

Mchoro ulioambatanishwa ni mpangilio wa mtawala mmoja wa kitanzi.

r- Je, ni kumbukumbu. Hii huamua ni wapi mtawala anatakiwa kwenda.

e-Je, kosa. Hii ndio tofauti kati ya thamani kwenye sensa yako na rejeleo lako. mf. e = r- (d + pato la sensa).

K-Huyu ndiye mtawala. Mdhibiti anaweza kujumuishwa na maneno matatu. Maneno haya ni P, mimi na D. Vifungu vyote vitatu vina vizidishi vinavyoitwa Kp, Ki na Kd. Maadili haya huamua majibu ya mdhibiti.

• P-sawia. Kidhibiti cha madhubuti cha P kitakuwa na pato sawia na kosa la sasa. Kidhibiti cha P ni rahisi kutekeleza na kufanya kazi haraka lakini haitawahi kufikia thamani uliyoweka (kumbukumbu).
• Mimi-Jumuishi. Mdhibiti muhimu kabisa atajumuisha hitilafu ya hapo awali ambayo mwishowe itafikia rejeleo linalohitajika. Kidhibiti hiki kwa ujumla ni polepole sana kutekeleza. Kuongeza kwa muda wa P kutapunguza wakati uliochukuliwa kufikia kumbukumbu. Wakati ambao pembejeo inachukuliwa sampuli lazima izingatiwe muda muhimu umeunganishwa kwa kuzingatia wakati.
• D-inayotokana. Neno linalotokana litakuwa na pato ambalo linategemea kiwango cha mabadiliko ya makosa. Neno hili kwa ujumla hutumiwa na neno P au kwa muda wa PI. Kwa kuwa hii ni sawa na kiwango cha mabadiliko ya makosa basi moja ya kelele itakuwa na kelele yake iliyoongezwa ambayo inaweza kusababisha mfumo kutokuwa na utulivu. Wakati lazima pia uzingatiwe kwani neno linalotokana pia linahusiana na wakati.

U- Hii ni ishara ya kudhibiti. Ishara hii ni pembejeo kwa rig. Katika kesi ya mradi huu u ni pembejeo ya ishara ya PWM kwa shabiki kubadili kasi.

G- Huu ndio mfumo ambao unadhibitiwa. Mfumo huu unaweza kuigwa kihisabati katika Kikoa cha S au Z. Mifumo inaweza kuwa kwa mpangilio wa nth lakini kwa mtu anayeanza na kudhibiti mfumo wa agizo la kwanza labda unapaswa kudhaniwa kwani hii ni rahisi sana kuhesabu. The is a Plethora of information on modeling system to be found online. Kulingana na wakati wa sampuli ya sensai mfano wa mfumo huo ni tofauti au unaendelea. Hii ina athari kubwa kwa mtawala kwa hivyo utafiti kwa wote unashauriwa.

d- Huu ni usumbufu ambao umeongezwa kwenye mfumo. Usumbufu ni nguvu za nje ambazo mfano wa mfumo haujali. Mfano rahisi wa hii itakuwa drone ambayo ungetaka kuelea kwa mita 5 upepo mkali unakuja na kudondosha drone mita 1 mtawala ataweka tena drone baada ya usumbufu kutokea. Hii inajulikana kama usumbufu kwani upepo hauwezi kurudiwa kwa hivyo hii haiwezi kuigwa.

Ili kurekebisha mdhibiti kuna sheria nyingi sana kutaja lakini zingine nzuri ambazo nilianza nazo ni Cohen Coon na Zieger Nichols.

Uundaji wa mfumo kwa ujumla ni sehemu muhimu zaidi bila mfano sahihi mtawala ambayo imeundwa haitajibu kama inavyotaka.

Inapaswa kuwa na habari ya kutosha hapa kuelewa jinsi mtawala anavyofanya kazi pamoja na utafiti wa kibinafsi na nambari iliyo chini ya mtawala na mchanganyiko wowote wa maneno hayo matatu yanaweza kutekelezwa.

Hatua ya 2: Kuandika Nambari ya PID

Kanuni ya msingi ya nambari inayopatikana kwenye kiunga kifuatacho ilichukuliwa na kurekebishwa kwani nambari hii haikufanya kazi lakini ilikuwa na kanuni nyingi sawa ambazo zilitoa mwanzo mzuri. PID halisi Nambari hiyo ilikuwa na makosa kadhaa kama vile

• Operesheni inayoendelea - mtawala amerithi urithi kwa hivyo mtawala alipaswa kusanidiwa ili kuhesabu tu maneno yote 3 wakati pembejeo mpya ilipatikana. Kazi karibu na uigaji huu ilikuwa kuangalia ikiwa ingizo lilikuwa limebadilika tangu mara ya mwisho. hii inafanya kazi tu kuiga nambari inayofanya kazi kwa usahihi.
• Wakati wa Mfano haukuwa na athari kwa neno la ujumuishaji na linalotokana - Mdhibiti pia hakufikiria wakati ambao sampuli hiyo ilichukuliwa, kwa hivyo thamani inayoitwa mgawanyiko kwa wakati iliongezwa ili kuhakikisha kuwa maneno muhimu na yanayotokana yanafanya kazi juu ya sahihi muda.
• Hitilafu inaweza kuwa ya kutuma tu - wakati wa kuhesabu kosa pia kulikuwa na shida kwani kosa haliwezi kuwa na maana hasi wakati ishara ya maoni ilikuwa imezidi thamani ya kumbukumbu ambayo mtawala ataendelea kuongeza pato wakati inapaswa kupungua.
• Thamani za kupata maneno 3 zilikuwa nambari - kwa uzoefu wangu siku zote niligundua kuwa maadili ya maneno 3 katika kidhibiti kuwa nambari za kuelea kila wakati kwa sababu Basys 3 haina nambari ya alama inayoelea maadili yalipaswa kupewa nambari ya hesabu na Thamani ya dhehebu ambayo inaweza kutumika kama kazi karibu kuzidi shida hii.

Nambari imeambatanishwa hapa chini kuna mwili kuu wa nambari na benchi ya kujaribu kuiga nambari hiyo. Folda ya zip ina msimbo na benchi tayari katika Vivado ili iweze kufunguliwa kuokoa muda. pia kuna jaribio la mfano la nambari ambayo inaonyesha matokeo ya kufuatilia kumbukumbu hii inathibitisha kuwa nambari inafanya kazi kama ilivyokusudiwa.

Hatua ya 3: Jinsi ya Kurekebisha kwa Mfumo wako

Kwanza sio mifumo yote ni sawa lazima ichunguze pembejeo na matokeo ya mfumo. Kwa upande wangu pato la rig yangu ambayo ilinipa thamani ya msimamo ilikuwa ishara ya analog na pembejeo kutoka kwa mfumo ilikuwa ishara ya PWM. Maana yake kuwa ubadilishaji wa ADC ulihitajika. Kwa bahati nzuri Basys 3 imejengwa katika ADC kwa hivyo hii haikuwa shida pato la sensa ya IR ilipaswa kupunguzwa hadi 0V-1V kwani hii ndio upeo wa juu wa ADC ya ndani. Hii ilifanywa kwa kutumia mzunguko wa mgawanyiko wa voltage ambao ulitengenezwa kutoka kwa vipinga 1k vilivyowekwa kama kipinga cha 3k mfululizo na kipinga 1k. Ishara ya Analog sasa ilikuwa ndani ya ADC. Ingizo la PWM kwa shabiki linaweza kuongozwa moja kwa moja na pato la bandari ya PMOD kwenye Basys 3.

Hatua ya 4: Kuchukua Faida ya I / O kwenye Basys 3

Kuna idadi ya I / O kwenye Basys 3 ambayo iliruhusu utatuzi rahisi wakati nambari ilikuwa ikiendesha. I / O ilianzishwa kama ifuatayo.

• Onyesho la Sehemu Saba - Hii ilitumika kuonyesha thamani ya rejeleo na thamani kwenye ADC kwa volts. Nambari mbili za kwanza za onyesho la sehemu saba zinaonyesha tarakimu mbili baada ya mahali pa decimal ya thamani ya ADC kwani dhamana ni kati ya 0-1V. Nambari tatu na nne kwenye onyesho la sehemu saba zinaonyesha thamani ya kumbukumbu katika volts hii pia inaonyesha tarakimu mbili za kwanza baada ya mahali pa decimal kwani masafa pia ni kati ya 0-1V.
• LED 16 - LED zilitumika kuonyesha thamani ya pato ili kuhakikisha kuwa pato lilikuwa linajaa na pato lilikuwa likibadilika kwa usahihi.

Hatua ya 5: Kelele juu ya Pato la Sensorer ya IR

Kulikuwa na kelele juu ya pato la sensa ili kurekebisha shida hii kizuizi cha wastani kiliwekwa kwani hii ilikuwa ya kutosha na inahitajika kazi kidogo sana kukamilisha.

Hatua ya 6: Mpangilio wa Jumla wa Kanuni

Kuna kipande kimoja cha nambari ambacho hakijazungumzwa bado. Nambari hii ni kigawanya saa kinachoitwa kichocheo. nambari hii ndogo husababisha msimbo wa ADC kuchukua sampuli. nambari ya ADC inachukua kiwango cha juu cha 2us kukamilisha kwa hivyo basi pembejeo ya sasa na pembejeo ya hapo awali ni wastani. 1us baada ya wastani huu wa wastani mtawala anahesabu P, I na D masharti. mpangilio zaidi wa msimbo na ujumuishaji umeonyeshwa kwenye mchoro wa unganisho la muda mfupi.

Hatua ya 7: Upimaji

Nambari hiyo ilipelekwa kwenye Basys 3 na jibu lifuatalo lilirekodiwa. kumbukumbu ilibadilika kati ya maadili 2. ambayo ni kesi katika msimbo wa mradi uliokamilishwa ulioambatanishwa. Video iliyoambatanishwa inaonyesha jibu hili kwa wakati halisi. Machafu huoza kwa kasi katika sehemu ya juu ya bomba kwani mtawala alikuwa ameundwa kwa mkoa huu lakini mtawala haifanyi kazi zaidi chini ya bomba kwani mfumo hauna laini.

Hatua ya 8: Marekebisho ya Kuboresha Mradi

Mradi ulifanya kazi kama ilivyokusudiwa lakini kuna marekebisho kadhaa ambayo ningefanya ikiwa mradi ungeongezwa.

• Tekeleza kichujio cha dijiti ili kupunguza kabisa kelele
• weka nambari ya ADC, Msimbo wa wastani na nambari ya ujumuishaji ili kuchochea mtiririko.
• tumia sensorer tofauti kwa maoni kwani jibu lisilo la kawaida la sensor hii lilisababisha shida anuwai na mradi huu lakini hiyo ni zaidi kwa upande wa kudhibiti sio upande wa kuweka alama.

Hatua ya 9: Kazi ya Ziada

Katika kipindi cha majira ya joto niliandika nambari ya mtawala wa kuteleza na kutekeleza marekebisho niliyopendekeza kwa mtawala mmoja wa kitanzi cha PID.

Marekebisho yaliyofanywa kwa mtawala wa kawaida wa PID

· Kiolezo cha kichungi cha FIR kinatekelezwa coefficients lazima ibadilishwe ili kufikia masafa ya kukatwa unayotaka. Utekelezaji wa sasa ni kichungi cha bomba 5 cha bomba.

Wakati wa nambari umewekwa ili kichungi kieneze sampuli mpya na wakati pato liko tayari muda muhimu utasababishwa ambayo itamaanisha nambari inaweza kubadilishwa ili ifanye kazi kwa vipindi tofauti vya wakati bila juhudi ndogo ya kubadilisha msimbo.

· Kikubwa cha kitanzi kinachoendesha programu pia kimepunguzwa kwani hii kwa kitanzi ilichukua mizunguko 7 hapo awali hii ilipunguza kasi ya juu ya uendeshaji wa Mdhibiti lakini kwa kupunguza kitanzi t 4 inamaanisha kuwa kizuizi kikuu cha nambari kinaweza kufanya kazi ndani ya mizunguko 4 ya saa.

Upimaji

Mdhibiti huyu alijaribiwa na kutekelezwa kama ilivyokusudiwa sikuchukua picha za uthibitisho huu kwani sehemu hii ya mradi ilikuwa tu kuweka akili inafanya kazi. Nambari ya kujaribu pia kama benchi ya majaribio itapatikana hapa ili uweze kujaribu programu kabla ya utekelezaji.

Kwa nini utumie mtawala wa kuteleza

Mdhibiti wa kuteleza hudhibiti sehemu mbili za mfumo. Katika kesi hii mtawala wa kuteleza atakuwa na kitanzi cha nje ambacho ni kidhibiti ambacho kina maoni kutoka kwa sensa ya IR. Kitanzi cha ndani kina maoni kwa njia ya wakati kati ya kunde kutoka kwa tachometer ambayo huamua kasi ya kuzunguka kwa shabiki. Kwa kutekeleza udhibiti, majibu bora yanaweza kupatikana nje ya mfumo.

Je! Mtawala wa kuteleza hufanya kazije?

Kitanzi cha nje cha mtawala kitalisha thamani kwa muda kati ya vidonge hadi kwa mtawala wa kitanzi cha ndani. Mdhibiti huyu ataongeza au kupunguza mzunguko wa ushuru kufikia wakati unaohitajika kati ya kunde.

Utekelezaji wa marekebisho kwenye rig

Kwa bahati mbaya, sikuweza kutekeleza marekebisho haya kwenye rig kwani sikuwa na ufikiaji wake. Nilijaribu mdhibiti mmoja wa kitanzi uliyorekebishwa ambao hufanya kazi kama ilivyokusudiwa. Bado sijamjaribu mtawala wa kuteleza bado. Nina hakika mtawala atafanya kazi lakini inaweza kuhitaji marekebisho kidogo kufanya kazi kama ilivyokusudiwa.

Upimaji

Sikuweza kujaribu mtawala kwani ilikuwa ngumu kuiga vyanzo viwili vya kuingiza. Shida pekee ninayoweza kuona na mtawala wa kuteleza ni kwamba wakati kitanzi cha nje kinajaribu kuongeza setpoint iliyotolewa kwa kitanzi cha ndani kwamba hatua kubwa zaidi ni RPS ya chini kwa shabiki lakini hii inaweza kurekebishwa kwa urahisi. chukua hatua iliyowekwa kutoka kwa thamani ya juu ya ishara ya kuweka (4095 - setpoint - tacho_result).

Hatua ya 10: Hitimisho

Kwa jumla kazi ya mradi kama nilivyokusudia wakati mradi ulianza kwa hivyo ninafurahi na matokeo. Asante kwa kuchukua muda kusoma jaribio langu la kukuza mtawala wa PID katika VHDL. Ikiwa mtu yeyote anajaribu kutekeleza utofauti wa hii kwenye mfumo na anahitaji usaidizi wa kuelewa nambari ya mawasiliano nitajibu ASAP. Mtu yeyote ambaye anajaribu kazi ya ziada ambayo ilikamilishwa lakini haijatekelezwa tafadhali wasiliana nami kwa mkono wowote. Napenda kufurahi sana ikiwa mtu yeyote anayeitekeleza ananijulisha jinsi inavyokwenda.