CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Lịch sử phát triển lý thuyết điều khiển Định nghĩa điều khiển: Điều khiển là quá trình thu nhập thông tin, xử lý thông tin và tác động lên hệ thống để đáp ứng của hệ thống “gần” với mục đích định trước. Điều khiển tự động là quá trình điều khiển không cần sự tác động của con người.1 Điều khiển kinh điển (classical control) Lý thuyết điều khiển kinh điển (trước 1960) mô tả hệ thống trong miền tần số (phép biến đổi Fourier) và mặt phẳng s (phép biến đổi Laplace). Do dựa trên các phép biến đổi này, lý thuyết điều khiển kinh điển chủ yếu áp dụng cho hệ thống tuyến tính bất biến theo thời gian, mặc dù có một vài mở rộng để áp dụng cho hệ phi tuyến, thí dụ phương pháp hàm mô tả. Lý thuyết điều khiển kinh điển thích hợp để thiết kế hệ thống một ngõ vào – một ngõ ra (SISO: single-input/single-output), rất khó áp dụng cho các hệ thống nhiều ngõ vào – nhiều ngõ ra (MIMO: multi-input/multi-ouput) và các hệ thống biến đổi theo thời gian.
Các phương pháp phân tích và thiết kế hệ thống trong lý thuyết điều khiển kinh điển gồm các phương pháp Nyquist, Bode, và phương pháp quỹ đạo nghiệm số. Để thiết kế hệ thống dùng phương pháp Nyquist và Bode cần mô tả hệ thống dưới dạng đáp ứng tần số (đáp ứng biên độ và đáp ứng pha), đây là một thuận lợi vì đáp ứng tần số có thể đo được bằng thực nghiệm. Mô tả hệ thống cần để thiết dùng phương pháp quỹ đạo nghiệm số là hàm truyền, hàm truyền cũng có thể tính được từ đáp ứng tần số. Hàm truyền của các hệ thống phức tạp được tính bằng cách sử dụng sơ đồ khối hay sơ đồ dòng tín hiệu.
Mô tả chính xác đặc tính động học bên trong hệ thống là không cần thiết đối với các phương pháp thiết kế kinh điển, chỉ có quan hệ giữa ngõ vào và ngõ ra quan trọng. Các khâu hiệu chỉnh đơn giản như hiệu chỉnh vi tích phân tỉ lệ PID (Proportional Integral Derivative), hiệu chỉnh sớm trễ pha,… thường được sử dụng trong các hệ thống điều khiển kinh điển. Ảnh hưởng của các khâu hiệu chỉnh này đến biểu đồ Nyquist, biểu đồ Bode và quỹ đạo nghiệm số có thể thấy được dễ dàng, nhờ đó có thể dễ dàng lựa chọn được khâu hiệu chỉnh thích hợp.2 Điều khiển hiện đại (modern control) Từ khoảng năm 1960 đến nay 8 Downloaded by EBOOKBKMT VMTC (nguyenphihung1009@gmail.com) lOMoARcPSD|2935381 Kỹ thuật thiết kế hệ thống điều khiển hiện đại dựa trên miền thời gian. Mô tả toán học dùng để phân tích và thiết kế hệ thống là phương trình trạng thái.
Mô hình không gian trạng thái có ưu điểm là mô tả được đặc tính động học bên trong hệ thống (các biến trạng thái) và có thể dễ dàng áp dụng cho hệ MIMO và hệ thống biến đổi theo thời gian. Lý thuyết điều khiển hiện đại ban đầu được phát triển chủ yếu cho hệ tuyến tính, sau đó được mở rộng cho hệ phi tuyến bằng cách sử dụng lý thuyết của Lyapunov. Bộ điều khiển được sử dụng chủ yếu trong thiết kế hệ thống điều khiển hiện đại là bộ điều khiển hiện đại là bộ điều khiển hồi tiếp trạng thái. Tùy theo cách tính vector hồi tiếp trạng thái mà ta có phương pháp phân bố cục, điều khiển tối ưu, điều khiển bền vững,… Với sự phát triển của lý thuyết điều khiển số và hệ thống rời rạc, lý thuyết điều khiển hiện đại rất thích hợp để thiết kế các bộ điều khiển là các chương trình phần mềm chạy trên vi xử lý và máy tính số.
Điều này cho phép thực thi được các bộ điều khiển có đặc tính động phức tạp hơn cũng như hiệu quả hơn so với các bộ điều khiển đơn giản như PID hay sớm trễ pha trong lý thuyết điều khiển kinh điển.3 Điều khiển thông minh (intelligent control) Điều khiển kinh điển và điều khiển hiện đại, gọi chung là điều khiển thông thường (conventional control) có khuyết điểm là để thiết kế được hệ thống điều khiển cần phải biết mô hình toán học của đối tượng. Trong khi đó thực tế có những đối tượng điều khiển rất phức tạp, rất khó hoặc không thể xác định được mô hình toán. Các phương pháp điều khiển thông minh như điều khiển mờ, mạng thần kinh nhân tạo, thuật toán di truyền mô phỏng/bắt chước các hệ thống thông minh sinh học, về nguyên tắc không cần dùng mô hình toán học để thiết kế hệ thống, do đó có khả năng ứng dụng thực tế rất lớn. Khuyết điểm của điều khiển mờ là quá trình thiết kế mang tính thử sai, dựa vào kinh nghiệm của chuyên gia.
Nhờ kết hợp logic mờ với mạng thần kinh nhân tạo hay thuật toán di truyền mà thông số bộ điều khiển mờ có thể thay đổi thông qua quá trình học hay quá trình tiến hóa, vì vậy khắc phụ được khuyết điểm thử sai. Hiện nay các bộ điều khiển thông thường kết hợp với các kỹ thuật điều khiển thông minh tạo nên các bộ điều khiển lai điều khiển các hệ thống phức tạp với chất lượng rất tốt.2 Thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển 9 Downloaded by EBOOKBKMT VMTC (nguyenphihung1009@gmail.com) lOMoARcPSD|2935381 Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển Chú thích các ký hiệu viết tắt: - r(t): tín hiệu vào, tín hiệu chuẩn - c(t): tín hiệu ra - cht(t): tín hiệu hồi tiếp - e(t): sai số - u(t): tín hiệu điều khiển Để thực hiện được quá trình điều khiển như định nghĩa ở trên, một hệ thống điều khiển bắt buộc gồm có ba thành phần cơ bản là thiết bị đo lường (cảm biến), bộ điều khiển và đối tượng điều khiển. Thiết bị đo lường có chức năng thu nhập thông tin, bộ điều khiển thực hiện chức năng xử lý thông tin, ra quyết định điều khiển và đối tượng điều khiển chịusự tác động của tín hiệu điều khiển. Hệ thống điều khiển trong thực tế rất đa dạng, sơ đồ khối trên là cấu hình của hệ thống điều khiển thường gặp nhất.3 Thiết kế bộ điều khiển 1.1 Phần loại thiết kế bộ điều khiển Thiết kế là toàn bộ quá trình bổ sung các thiết bi phần cứng cũng như thuật toán, phần mềm vào hệ cho trước để được hệ mới thỏa mãn yêu cầu về tính ổn định, độ chính xác, đáp ứng quá độ.
Có 2 cách thiết kế: Hiệu chỉnh nối tiếp: thêm các bộ điều khiển nối tiếp với hệ hở cho trước.2 Sơ đồ khối hiệu chỉnh nối tiếp 10 Downloaded by EBOOKBKMT VMTC (nguyenphihung1009@gmail.com) lOMoARcPSD|2935381 - Các bộ điều khiển thường được sử dụng: sớm pha, trễ pha, sớm trễ pha, P, PI, PD, PID. - Phương pháp thiết kế ở dạng này là phương pháp QĐNS, phương pháp biểu đồ Bode. • Điều khiển hồi tiếp trạng thái: Tất cả các trạng thái của hệ thống được phản hồi trở về ngõ vào.3 Sơ đồ khối hồi tiếp trạng thái - Khi đó, bộ điều khiển sẽ là: r(t) - Kx(t), với K = [ki k2. kn] lá vector hồi tiếp trạng thái.
- Phương pháp thiết kế: phân bô cực, LQR.2 Bộ điều khiển PID Hình 1.4 Sơ đồ khối PID Bộ điều khiển PID là bộ điều khiển hồi tiếp vòng kín, kết hợp ba bộ điều khiển vi phân, tích phân, tỉ lệ. Nó có chức năng điều khiển hệ thống đáp ứng nhanh, vọt lố thấp, sai số xác lập bằng không nếu chọn thông số phù hợp. Mục tiêu điều khiển của bộ PID là giảm độ vọt lố (POT), giảm thời gian xác lập (ts), triệt tiêu sai số xác lập và giảm dao động. 11 Downloaded by EBOOKBKMT VMTC (nguyenphihung1009@gmail.com) lOMoARcPSD|2935381 CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM VÀ PHẦN CỨNG 2.1 Giới thiệu về MATLAB/SIMULINK MATLAB/SIMULINK là một chương trình viết cho máy tính PC hoạt động trong môi trường MS-DOS và môi trường WINDOWS nhằm hỗ trợ cho lập trình, các tính toán khoa học và kỹ thuật được thiết kế với công ty “The MATHWORKS”.
Thuật ngữ MATLAB được viết tắt của hai từ MATRIX và LABORATORY. MATLAB được điều khiển với các tập lệnh, tác động qua bàn phím. Nó cho phép tính toán số với ma trận, vẽ đồ thị hàm số hay biểu đồ thông tin, thực hiện thuật toán, tạo các giao diện người dùng và liên kết với những chương trình máy tính viết trên nhiều ngôn ngữ lập trình khác. Matlab giúp đơn giản hóa việc giải quyết các bài toán tính toán kỹ thuật so với các ngôn ngữ lập trình truyền thống như C, C++, và Fortran.
Các câu lệnh trong MATLAB rất mạnh và có những vấn đề chỉ cần một câu lệnh là đủ giải quyết bài toán. Mô phỏng trong MATLAB sẽ cho ta hình ảnh tọa độ không gian hai chiều (2D) và ba chiều (3D).1 Phần mềm MATLAB & SIMULINK SIMULINK là một phần mềm mở rộng của MATLAB (1 Toolbox của Matlab) dùng để mô hình hóa, mô phỏng và phân tích một hệ thống động. Nó cho phép mô tả hệ thống tuyến tính, hệ phi tuyến, các mô hình trong miền thời gian liên tục, hay gián đoạn hoặc một hệ gồm cả liên tục và gián đoạn. MATLAB/SIMULINK được sử dụng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm xử lý tín hiệu và ảnh, truyền thông, thiết kế điều khiển tự động, đo lường kiểm tra, phân tích mô hình tài chính, hay tính toán sinh học.
Với hàng triệu kỹ sư và nhà khoa học làm việc trong môi trường công nghiệp cũng như ở môi trường hàn lâm, MATLAB/SIMULINK là ngôn ngữ của tính toán khoa học.2 Giới thiệu về board mạch ARM STM32F407 DISCOVERY 12 Downloaded by EBOOKBKMT VMTC (nguyenphihung1009@gmail.com) lOMoARcPSD|2935381 Board mạch STM32F407 Discovery là một loại kit thuộc họ vi điều khiển ARM. Dòng ARM Cortex KIT STM32F4 Discovery là một bộ xử lí thế hệ mới đưa ra một kiến trúc chuẩn cho nhu cầu đa dạng về công nghệ. Nó được ứng dụng vào rất nhiều thị trường khác nhau bao gồm các ứng dụng doanh nghiệp, mạng gia đình, cộng nghệ mạng không dây và các hệ thống ô tô. Board mạch STM32F407 Discovery có vi điều khiển chính là STM43F04VGT6 microcontroller tích hợp với chip 32-bit ARM Cortex-M4F, 1MB bộ nhớ Flash, 192Kb RAM.
Bo mạch tích hợp sẵn mạch nạp ST-LINK/V2 và các cảm biến khác như cảm biến gia tốc LIS302DL, bộ xử lý âm thanh MP45DT02, đèn LED thông báo trạng thái nguồn, nút nhấn, nút Reset.2 Board mạch ARM STM32F407 DISCOVERY 13 Downloaded by EBOOKBKMT VMTC (nguyenphihung1009@gmail.com) lOMoARcPSD|2935381 CHƯƠNG 3 HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG THƯ VIỆN WAIJUNG TRONG MATLAB/SIMLINK 3.1 Chuyển đổi tín hiệu Analog sang Digital và Digital sang Analog 3.1 Giới thiệu chân ADC, DAC 3.1 Số lượng chân Số chân ADC để đọc tín hiệu điện áp từ thiết bị bên ngoài và số chân DAC gửi tín hiệu điện áp đến thiết bị bên ngoài được thể hiện ở hình bên dưới: Hình 3.1 Số lượng chân mô-đun ADC 3.