Chương 1: Tổng quan đề tài Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương 3: Thiết kế mô hình điều khiển động cơ DC theo mô hình RCP Chương 4: Thực nghiệm mô hình động cơ điện DC Chương 5: Kết luận và hướng phát triển 2 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Quy trình truyền thống Quy trình thiết kế của hầu hết các dự án kỹ thuật đều trải qua bốn bước cơ bản theo trình tự: yêu cầu và thông số kỹ thuật, thiết kế, triển khai và thử nghiệm. Tuy nhiên, quy trình này thường gặp phải một số hạn chế nhất định.1 Quy trình thiết kế truyền thống Trước hết, thông tin thiết kế được truyền tải và quản lý thông qua tài liệu văn bản. Tuy nhiên, tài liệu văn bản thường khó hiểu và dễ dẫn đến sai sót khi giải thích.
Thêm vào đó, các thông số thiết kế này có thể thay đổi do được bổ sung hoặc chỉnh sửa trong quá trình thực hiện dự án. Sự thay đổi này đòi hỏi phát triển và kiểm tra lại, tạo ra một vòng lặp (thay đổi yêu cầu, phát triển và thử nghiệm) không hiệu quả và thường ảnh hưởng đáng kể đến thời gian phát triển và thử nghiệm. Một hạn chế lớn khác là việc biên soạn code thủ công từ các tài liệu về yêu cầu thông số kỹ thuật. Việc này vừa tốn thời gian, vừa dễ gây ra lỗi khi triển khai trên mô hình thực tế và rất khó để đảm bảo rằng các thay đổi được thực hiện chính xác.
Cuối cùng, trong cách tiếp cận thiết kế “thủ công” truyền thống này, việc tạo ra mẫu thử nghiệm trong giai đoạn phát triển ban đầu rất khó khăn và tốn kém. Do các giai đoạn ở phía sau trong hướng phát triển truyền thống này chỉ có thể được thực hiện khi các giai 3 đoạn trước đã hoàn thành nên các lỗi thiết kế và yêu cầu thường chỉ được phát hiện muộn trong chu trình thiết kế, gây ra chậm trễ, tốn kém và thậm chí là phải bắt đầu quy trình phát triển lại từ đầu. Model Based System Design (MBSD) Model Based System Design, hay thiết kế hệ thống dựa trên mô hình khắc phục những khó khăn và thiếu sót của cách tiếp cận truyền thống. Thay vì sử dụng các tài liệu kỹ thuật mơ hồ, phương pháp này sử dụng các mô hình toán học được xây dựng từ các khối cấp hệ thống.
Với phương pháp này, việc thiết kế có thể được mô phỏng và tinh chỉnh liên tục cho đến khi đáp ứng được các yêu cầu. Sau khi thiết kế được tối ưu và kiểm thử, các kỹ sư có thể tự động tạo code từ mô hình đó, loại bỏ nhu cầu viết code thủ công và tránh được các lỗi phát sinh từ quá trình này. Kiểm thử và xác nhận kết quả được thực hiện liên tục trong suốt quá trình phát triển bằng cách tích hợp các bài kiểm tra vào mô hình ở mọi giai đoạn. Việc kiểm chứng và mô phỏng liên tục này giúp phát hiện sớm các lỗi tại thời điểm các lỗi này dễ khắc phục và ít tốn kém hơn.
Phương pháp này thường được minh họa bằng quy trình thiết kế hình chữ V (hay V-Model). Điểm nối bật của V-Model là sử dụng mô phỏng xuyên suốt tất cả các giai đoạn của thiết kế: từ mô phỏng ở giai đoạn đầu (giai đoạn yêu cầu) đến mô phỏng thời gian thực (real-time) để tạo mẫu thử và thiết kế điều khiển nhanh chóng, và để kiểm thử và xác nhận thông qua một quy trình trong phương pháp Model Based System Design là Hardware – in – the – Loop (Mô phỏng phần cứng trong vòng lặp kín). Do đó, vòng lặp xác định yêu cầu, thiết kế, triển khai và kiểm thử được đẩy nhanh đáng kể.2 V-model và mô hình MBSD Modelling (Mô hình hóa), Simulation (Mô phỏng), Validation (Đánh giá kết quả) là 3 yếu tố chính của MBSD. Ngoài ra khi ứng dụng phương pháp này, kỹ sư sẽ có lợi thế về phần viết code vì phương pháp này có sử dụng các phần mềm hỗ trợ chức năng tự tạo code (Auto Code Generation).
Ở bước mô hình hóa, các kỹ sư phải biểu diễn hệ thống dưới dạng mô hình toán học. Khi đã mô hình hóa xong hệ thống, tiến hành kiểm tra bằng mô phỏng và đánh giá đầu ra nhiều lần trước khi đến phần tự động tạo code (quá trình này còn được gọi là MIL – Model- in-the-Loop). Sau khi hoàn thành kiểm tra mô hình thì phần code sẽ được tạo bằng các công cụ như Simulink Coder, Ecoder, AUTOSAR ERTL,. Tại phần mô phỏng hệ thống (Simulation), kỹ sư sẽ quan sát xem phần cứng hoăc phần mềm có thể thực hiện được các tác vụ chỉ định sẵn với phần code vừa được tạo hay không.
Model – in – the – Loop Trong phương pháp MBSD, bước đầu tiên được sử dụng là mô phỏng phần mềm trong vòng lặp (MIL). Tại giai đoạn này, các kỹ sư tạo ra các mô hình mô phỏng của cả hệ thống (đối tượng điều khiển) và bộ điều khiển của hệ thống đó. Sau khi xây dựng các mô 5 hình này, tiến hành chạy mô phỏng để kiểm tra xem hệ thống sẽ hoạt động như thế nào trong thực tế. Giai đoạn này thực hiện hoàn toàn trên máy tính mà không cần sử dụng bộ điều khiển hay đối tượng điều khiển thực nào.3 Quy trình mô phỏng MIL MIL thưởng được sử dụng trong giai đoạn đầu, quá trình này cho phép các kỹ sư kiểm tra hiệu suất dự đoán của hệ thống và thiết kế các thuật toán điều khiển trong môi trường mô phỏng an toàn.
Nói cách khác, MIL tạo ra môi trường ảo để thử nghiệm các thuật toán điều khiển khác nhau bằng cách sử dụng các mô hình của hệ thống và bộ điều khiển thực tế. Điều này giúp xác định các chức năng và thành phần của hệ thống trước khi chế tạo. Để đảm bảo mô hình mô phỏng chính xác so với thực tế, các kỹ sư có thể sử dụng các mức độ phức tạp khác nhau của mô hình. Software – in – the – Loop (SIL) Software – in – the – Loop là bước tiếp theo trong quy trình MBSD.
Ở giai đoạn này, thay vì sử dụng các khối điều khiển được mô phỏng thì các kỹ sư nghiên cứu sẽ sử dụng code được tạo từ mô hình. Phần code này được tạo tự động, các kỹ sư có thể linh hoạt lựa chọn ngôn ngữ lập trình (C, C++,VHDL,…). Phần code được tạo sẽ trở thành một thư viện có thể tái sử dụng, được tích hợp lại vào mô hình bằng các hàm tùy chỉnh (chẳng hạn như S-function trong Simulink). Mục đích của giai đoạn này là hướng đến việc mô phỏng nhanh hơn do thay thế các khối mô phỏng bằng phần code được tạo từ mô hình và khả năng xác minh xem phần code được tạo đó có hoạt động giống hệt với mô hình gốc hay không.
Nói cách khác, giai đoạn này đảm bảo thuật toán điều khiển hoạt động theo cùng một cách trong cả mô phỏng và trong bộ điều khiển thực tế. 6 Giống như MIL, quá trình mô phỏng SIL không liên quan đến các phần cứng của bộ điều khiển hay đối tượng điều khiển. Toàn bộ quá trình đều diễn ra trên môi trường máy tính.4 Quy trình SIL 2. Process – in – the – Loop (PIL) Quá trình PIL sẽ tạo code cho toàn bộ mô hình hoặc một phần cụ thể trong mô hình.
Sau đó, phần code đó sẽ được biên dịch và nhúng vào một bộ điều khiển và bộ điều khiển đó sẽ đóng vai trò là thuật toán điều khiển trong quá trình mô phỏng. Bộ điều khiển sẽ giao tiếp trực tiếp với mô hình mô phỏng của đối tượng điều khiển thực tế. Trong suốt quá trình mô phỏng, các tín hiệu sẽ được gửi đến code nhúng trên bộ điều khiển tại mỗi bước mô phỏng. Điểm khác biệt giữa PIL với SIL và MIL là quá trình PIL không liên quan đến phần cứng thực tế hay giao diện giao tiếp.
Thay vào đó, quy trình này sử dụng một bộ target processor hoặc một trình mô phỏng để mô phỏng lại hành vi của bộ xử lý đó. Phần mềm được nhúng vào target processor sau đó sẽ được kiểm tra với mô hình hệ thống điều khiển và sau đó được sử dụng lại trong suốt quá trình mô phỏng. Cách tiếp cận này giúp tiết kiệm thời gian bằng cách bỏ qua giai đoạn phát triển trong môi trường phần mềm và thử nghiệm phần code lên phần cứng thực tế riêng biệt. Cả hai 7 quá trình mô phỏng SIL và PIL giúp các kỹ sư xác định và sửa các lỗi trong code sớm hơn nhiều trong quá trình phát triển.5 Quy trình PIL 2.
Hardware – in – the - Loop Trong quá trình Hardware-in-the-Loop, các phần mềm nhúng sẽ được kiểm thử với phần cứng thực tế (bộ controller) trong khi đối tượng điều khiển vẫn nằm trong môi trường mô phỏng và cho phản hồi thực tế. Bước mô phỏng HIL cần bao gồm mô phỏng các cảm biến và cơ cấu chấp hành nếu chúng được sử dụng trong hệ thống thực tế. Mục đích của việc làm này là cung cấp giao diện giữa mô phỏng của đối tượng điều khiển và hệ thống nhúng (bộ điều khiển) đang được kiểm thử. Việc kiểm tra và phát triển trong giai đoạn HIL cần sử dụng các bộ điều khiển điện tử nhúng (các bộ điều khiển cung cấp khả năng mô phỏng thời gian thực), bộ điều khiển phần cứng và phần mềm liên quan được kết nối với mô hình mô phỏng toán học của đối tượng điều khiển, được thực thi trên mô phỏng thời gian thực.
Để kết nối mô hình thời gian thực với bộ điều khiển phần cứng thực tế, mô phỏng thời gian thực nhận các tín hiệu điện từ bộ điều khiển nhúng dưới dạng lệnh điều khiển cơ cấu chấp hành để điều khiển đối tượng điều khiển và biến đổi các tín hiệu này thành các biến vật lý kết nối với mô hình đối 8 tượng điều khiển. Mô hình của đối tượng điều khiển tính toán các biến vật lý đại diện cho đầu ra của đối tượng điều khiển mà được chuyển đổi thành tín hiệu điện đại diện cho điện áp tạo ra bởi các cảm biến cung cấp cho bộ điều khiển.6 Qui trình HIL 2. Động cơ điện DC 2. Khái niệm Động cơ một chiều DC (Direct Current Motors) là động cơ điều khiển điện áp 1 chiều.
Đầu ra của đông cơ thường gồm hai dây (dây nguồn - VCC và dây nối đất - GND). DC motor là động cơ quay một chiều với cơ năng quay liên tục. Động cơ DC sẽ bắt đầu quay khi cung cấp năng lượng cho nó, chuyển hoá điện năng thành cơ năng. Hầu như đa số các động cơ DC sẽ quay với cường độ RPM rất cao ( số vòng quay/ phút).