Khóa luận tốt nghiệp Điều khiển tốc độ và vị trí motor điện một chiều qua vi điều khiển và vi tính

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
Nguyễn Văn Long
ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ VÀ VỊ TRÍ
MOTOR ĐIỆN MỘT CHIỀU
QUA VI ĐIỀU KHIỂN VÀ VI TÍNH
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY
Ngành: Công nghệ kỹ thuật Cơ điện tử
HÀ NỘI - 2013
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
Nguyễn Văn Long
ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ VÀ VỊ TRÍ
MOTOR ĐIỆN MỘT CHIỀU
QUA VI ĐIỀU KHIỂN VÀ VI TÍNH
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY

Ngành: Công nghệ kỹ thuật cơ điện tử
Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS Trần Quang Vinh
VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY, HANOI
UNIVERSITY OF ENGINEERING AND TECHNOLOGY
Nguyen Van Long
SPEED AND POSITION CONTROL DC MOTOR
USING MICROCONTROLER AND COMPUTER
Major: Mechatronics Engineering
Supervisor: Assoc. Prof. Dr. Tran Quang Vinh
HA NOI – 2013
ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ VÀ VỊ TRÍ MOTOR ĐIỆN MỘT CHIỀU
QUA VI ĐIỀU KHIỂN VÀ VI TÍNH
Nguyễn Văn Long
Khóa QH-2009-I/CQ , ngành Công nghệ Kỹ thuật cơ điện tử.

Tóm tắt Khóa luận tốt nghiệp:
Động cơ một chiều là một trong những thành phần rất quan trọng trong các hệ thống
công nghiệp, các hệ thống cơ khí, các robot thông minh và các sản phẩm gia dụng… Với sự
phát triển của khoa học kỹ thuật nhất là ngành điện tử học điều khiển, công nghệ vi xử lý đã
tạo điều kiện cho việc điều khiển động cơ trở nên thuận tiện hơn song cũng đặt ra vấn đề là
đòi hỏi phải nghiên cứu hoàn thiện các hệ điều khiển, đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của
thực tế cuộc sống và phù hợp với xu thế phát triển khoa học công nghệ.
Đã có nhiều công trình nghiên cứu về động cơ một chiều cũng như phương pháp, thuật
toán điều khiển để làm sao cho quá trình điều khiển được đơn giản hơn cũng như tốc độ đáp
ứng được nhanh hơn, tối ưu được độ chính xác của hệ thống và sự tiêu tốn năng lượng. Là
một đề tài khá phổ biến và “điều khiển động cơ một chiều” cũng bao hàm rất nhiều xử lí chi
tiết trong lĩnh vực tự động hóa như đo lường, điều khiển, truyền thông… nên việc nghiên
cứu về đề tài này sẽ giúp chúng ta cũng cố được kiến thức chuyên ngành của mình cũng
như áp dụng những kiến thức đã học vào trong thực tế.
Khóa luận “Điều khiển tốc độ và vị trí motor điện một chiều qua vi điều khiển và
vi tính” là sự tổng hợp những kiến thức liên quan đến động cơ một chiều và các phương
pháp điều khiển thích nghi. Thông qua việc mô phỏng trên matlab cũng như thiết kế lắp ráp
mạch điện thực tế sẽ giúp hiểu rõ hơn về cấu tạo, nguyên lí hoạt động và phương pháp điều
khiển động cơ một chiều qua đó cho phép có thể phát triển những ứng dụng phù hợp với
các yêu cầu cụ thể trong thực tiễn.
Từ khóa: động cơ một chiều, thuật toán PID
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan bản khóa luận tốt nghiệp này là công trình nghiên cứu thực sự
của cá nhân tôi, nội dung trong bài được thực hiện dựa trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết,
thực tiễn dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Trần Quang Vinh. Các số liệu và kết quả
trong đề tài là hoàn toàn trung thực.
Hà nội, ngày 15 tháng 5 năm 2013
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Văn Long
LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên cho phép em gửi lời cảm ơn tới nhà trường, khoa cơ học kĩ thuật và
tự động hóa, các thầy cô đã dạy dỗ và dìu dắt em trong suôt những năm học vừa qua
truyền thụ cho em những kiến thức về chuyên ngành cũng như các lĩnh vực liên quan
để sau này khi ra đời em có thể làm việc, đóng góp cho xã hội.
Trong thời gian qua em đã cố gắng rất nhiều để hoàn thành đề tài của minh, vì
hạn chế về mặt kiến thức và nội dung nghiên cứu khá rộng nên chắc chắn sẽ có nhiều
thiếu sót. Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Trần Quang Vinh đã giúp đở và tư vấn
cho em rất nhiều trong quá trình thực hiện đề tài. Sự hướng dẫn của thầy là một yếu tố
quan trọng để em có được khóa luận tốt nghiệp này.
Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn tới gia đinh, bạn bè cũng như các thành viên
trong lớp QH-2009-I/CQ-M đã luôn sát cánh và hỗ trợ em trong quá trình thực hiện
đề tài.
Em xin chân thành cảm ơn.
Hà nội, ngày 15 tháng 5 năm 2013
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Văn Long
MỤC LỤC
MỤC LỤC HÌNH ẢNH
CÁC KÍ HIỆU SỬ DỤNG
θ góc quay của trục động cơ
b hằng số ma sát nhớt của motor
e suất điện động phản hồi
J moment quán tính của rotor
Kt hằng số moment xoắn của động cơ
Ke hằng số suất điện động
Kp hệ số tỉ lệ
Ki hệ số tích phân
Kd hệ số vi phân
L điện cảm
R điện trở

s biến trong miền Laplace
T moment xoắn của trục động cơ
V điện áp vào
CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT
DC Direct Current
PID Poportional Integral Derivative
PWM Pulse Width Modulation
PIC Programmable Interface Controller
ADC Analo-to digital Converter
CCP Capture/Compare/PWM
I/O Input/Output
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Trong giai đoạn hiện nay nền khoa học kĩ thuật đã có những bước phát
triển đột phá nhất là trong lĩnh vực tự động hóa. Trước đòi hỏi ngày càng cao
của nhu cầu cuộc sống hiện nay việc điều khiển không chỉ đơn thần chỉ là đáp
ứng được những yêu cầu con người đặt ra mà còn đòi hỏi hệ thống phải có khả
năng thích nghi và hiểu được con người.
Là một sinh viên trong ngành đo lường điều khiển, việc nắm bắt được các
kiến thức liên quan đến lĩnh vực điều khiển tự động là rất quan trọng, điều đó
đòi hỏi sinh viên không những phải nắm chắc kiến thức chuyên ngành mà còn
phải tiếp cận với thực tế, nghiên cứu áp dụng những kiến thức mình đã học
được để trau dồi kĩ năng và kiến thức của mình. Chính vì thế em đã chọn cho
mình đề tài điều khiển động cơ như là một cách để tìm hiểu và tiếp cận đến lĩnh
vực đo lường điều khiển. Mặc dù đây không phải là một đề tài mới song lượng
kiến thức bao hàm ở đây rất nhiều. việc nghiên cứu và tìm hiểu về động cơ DC
và cách điều khiển nó không những giúp em củng cố được kiến thức mà qua đó
có thể làm sáng tỏ hơn những vần đề liên quan đến việc điều khiển động cơ. Từ
đó sẽ có những cải tiến giúp cho các cơ cấu sử dụng động cơ DC sẽ trở nên
thông minh và linh hoạt hơn. Việc nghiên cứu đề tài này cũng góp phần đưa ra

những hướng đi mới trong việc điều khiển động cơ, và tăng thêm khả năng ứng
dụng của động cơ DC trong thực tế.
Qua đề tài này em muốn hệ thống lại các kiến thức liên quan đến động cơ
điện một chiều, đồng thời làm sáng tỏ vấn đề này qua việc mô phỏng trên
matlab, để mọi người có thể dễ dàng hơn trong việc tìm hiểu và tiếp cận vấn đề
này.
2. Mục tiêu của đề tài
Nghiên cứu và xây dựng mô hình điều khiển động cơ một chiều dựa trên
thuật toán PID qua máy tính và vi điều khiển.
3. Phương hướng thực hiện đề tài
Đề tài được xây dựng dựa trên các kiến thức về động cơ điện một chiều và
lí thuyết điều khiển kết hợp với mô phỏng và thực tế theo trình tự sau.
- Tìm hiều và nghiên cứu về cấu tạo , nguyên lí hoạt động của động cơ điện
một chiều, xây dựng các phương trình động học của động cơ điện một
chiều.
11
- Tìm hiểu về thuật toán PID, cách thức điều khiển động cơ điện một chiều
bằng thuật toán PID.
- Mô phỏng bằng matlab về phương pháp điều khiển động cơ điện một chiều
bằng thuật toán PID từ đó lựa chọn các thông số phù hợp cho mô hình thực
tế.
- Triển khai xây dựng mô hình điều khiển động cơ bằng vi điều khiển PIC
16F877A.
4. Bố cục khóa luận
Nội dung bản khóa luận được phân thành các chương sau:
Chương 1. Mô hình hệ thống động cơ điện một chiều.
Chương 2. Phương pháp điều khiển động cơ điện một chiều bằng thuật toán
PID và kết quả mô phỏng.
Chương 3. Thiết kế và xây dựng hệ giám sát và điều khiển động cơ điện
một chiều.

12
CHƯƠNG 1. MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU
1.1. Khái quát về động cơ điện một chiều
Hiện nay động cơ điện một chiều được dùng rất phổ biến trong các hệ thống
truyền động điện chất lượng cao, dải công suất động cơ một chiều từ vài watt đến
hàng mê-ga watt. Đây là loại động cơ đa dạng và linh hoạt, có thể đáp ứng yêu
cầu mômen, tăng tốc, và hãm với tải trọng nặng. Động cơ điện một chiều cũng
dễ dàng đáp ứng với các truyền động trong khoảng điều khiển tốc độ rộng và đảo
chiều nhanh với nhiều đặc tuyến quan hệ mômen – tốc độ.
Trong động cơ điện một chiều, bộ biến đổi điện chính là các mạch chỉnh
lưu điều khiển. Chỉnh lưu được dùng làm nguồn điều chỉnh điện áp phần ứng
động cơ. Chỉnh lưu ở đây thường sử dụng chỉnh lưu cầu 3 pha.
1.1.1. Nguyên lí, cấu tạo động cơ điện một chiều
Giống như các loại động cơ điện khác, động cơ điện một chiều cũng gồm
có stator và rotor Động cơ điện một chiều gồm có stator, rotor, cổ góp và chổi
điện như trình bày trên hình 1.1. sau
Hình 1. 1 Mặt cắt ngang trục động cơ điện một chiều
Stator: còn gọi là phần cảm, gồm dây quấn kích thích được quấn tập trung
trên các cực từ stator. Các cực từ stator được ghép cách điện từ các lá thép kỹ
thuật điện được dập định hình sẵn có bề dày 0,5-1mm, và được gắn trên gông từ
bằng thép đúc, cũng chính là vỏ máy.
Rotor: còn được gọi là phần ứng, gồm lõi thép phần ứng và dây quấn phần
ứng. lõi thép phần ứng có hình trụ, được ghép từ các lá thép kỹ thuật điện ghép
cách điện với nhau. Dây quấn phần ứng gồm nhiều phần tử, được đặt vào các
13
rãnh trên lõi thép rotor. Các phần tử dây quấn rotor được nối tiếp nhau thông qua
các lá góp trên cổ góp. Lõi thép phần ứng và cổ góp được cố định trên trục rotor.
Cổ góp và chổi điện: làm nhiệm vụ đảo chiều dòng điện trong dây quấn
phần ứng.
1.1.2. Phân loại động cơ điện một chiều

Dựa vào hình thức kích từ, người ta chia động cơ điện một chiều thành các
loại sau:
Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Dòng điện kích từ được lấy từ nguồn
riêng biệt so với phần ứng. Trường hợp đặc biệt, khi từ thông kích từ được tạo ra
bằng nam châm vĩnh cữu, người ta gọi là động cơ điện một chiều kích thích vĩnh
cửu.
Động cơ điện một chiều kích từ song song: Dây quấn kích từ được nối song song
với mạch phần ứng.
Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: Dây quấn kích từ được mắc nối tiếp với
mạch phần ứng.
Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp: Dây quấn kích từ có hai cuộn, dây quấn
kích từ song song và dây quấn kích từ nối tiếp. Trong đó, cuộn kích từ song song
thường là cuộn chủ đạo. Hình 1.2 trình bày các loại động cơ điện một chiều.
Hình 1. 2 Các loại động cơ điện một chiều
a) Động cơ điện một chiều kích từ độc lập
b) Động cơ điện một chiều kích từ song song
c) Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp
d) Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp
14
1.1.3. Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
Ưu điểm cơ bản của động cơ điện một chiều so với các loại động cơ điện
khác là khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng, các bộ điều chỉnh tốc độ đơn giản,
dễ chế tạo. Do đó, trong điều kiện bình thường, đối với các cơ cấu có yêu cầu
chất lượng điều chỉnh tốc độ cao, phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng, người ta
thường sử dụng động cơ điện một chiều.
Đối với các hệ thống truyền động điện một chiều có yêu cầu điều chỉnh tốc
độ cao thường sử dụng động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Trong phạm vi
khóa luận này này, xét khả năng điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích
từ độc lập.
1.2. Mô hình hệ thống động cơ điện một chiều

1.2.1. Thiết lập vật lý
Động cơ điện một chiều là một thành phần quan trọng trong các cơ cấu
chấp hành. Nó có thể cung cấp trực tiếp chuyển động quay hoặc chuyển động
tinh tiến thông qua cơ cấu truyền động. Mạch điện tương đương của phần ứng và
phần thân tự do của rotor được thể hiện trong hình 1.2.1 dưới đây.
Hình 1. 3 Sơ đồ mạch điện động cơ một chiều
Trong ví dụ này, chúng ta giả sử đầu vào của hệ thống là nguồn điện áp (V)
áp dụng cho phần ứng của động cơ, đầu ra là tốc độ quay của trục d ( theta ) / dt.
Roto và trục coi như cố định với nhau. Giả thiết rằng đây là mô hình ma sát nhớt,
mô-men xoắn của lực ma sát ma sát tỉ lệ với vận tốc góc của trục.
15
Các thông số vật lý trong ví dụ này là:
(J) moment quán tính của rotor 0,01 kg.m ^ 2
(b) hằng số ma sát nhớt của motor 0,1 NMS
(Ke) hằng số suất điện động 0,01 V / rad / giây
(Kt) hằng số mô-men xoắn của động cơ 0,01 Nm / Amp
(R) điện trở 1 Ohm
(L) điện cảm 0,5 H
1.2.2. Phương trình hệ thống
Nhìn chung, mô-men xoắn được tạo ra bởi một động cơ một chiều tỷ lệ
thuận với dòng điện phần ứng và độ lớn của từ trường. Trong ví dụ này, chúng ta
sẽ giả định rằng từ trường là không đổi, do đó, mô-men xoắn động cơ chỉ tỷ lệ
thuận với dòng điện phần ứng i bởi hằng số K
t
như trong phương trình dưới đây.
Đây được coi là một cách điều khiển phần ứng động cơ điện một chiều.
Suất điện động phản hồi e tỷ lệ thuận với vận tốc góc của trục động cơ bởi
hằng số K
e
.

Trong đơn vị SI, mô-men xoắn động cơ và suất điện động phản hồi là như
nhau, có nghĩa là, K
t
= K
e
, do đó ta sẽ sử dụng K thay thế cho cả hai hằng số mô-
men xoắn động cơ và hằng số suất điện động phản hồi.
Từ hình trên, chúng ta có thể lấy đạo hàm các phương trình điều khiển sau
đây dựa trên định luật 2 Newton và định luật Kirchhoff về điện thế.
1.2.2.1. Hàm truyền
Áp dụng các biến đổi Laplace, các phương trình mô hình trên có thể được
thể hiện bằng biến Laplace s.
16
(1.1)
(1.2)
(1.3)
Bằng cách loại bỏ từ hai phương trình trên chúng ta có được hàm truyền
vòng hở sau, trong đó tốc độ quay được coi là đầu ra và điện áp phần ứng được
coi là đầu vào.
Trong trường hợp điều khiển vị trí thì vị trí trục động cơ được coi là đầu ra,
chúng ta có thể có được ví trí bằng cách tích phân tốc độ, vì thế chúng ta chỉ cần
chia hàm truyền trên cho s.
1.2.2.2. Không gian trạng thái
Ở dạng không gian trạng thái, các phương trình điều khiển trên có thể được
thể hiện bằng cách chọn tốc độ quay và dòng điện như các biến trạng thái. Một
lần nữa, điện áp phần ứng được coi là đầu vào và tốc độ quay được chọn là đầu
ra.
Tương tự với trường hợp điều khiển vị trí, chọn vị trí động cơ, tốc độ quay
và dòng điện là các biến trạng thái ta có.
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU BẰNG

THUẬT TOÁN PID VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
Mô hình tổng quát của một hệ điều khiển vòng kín có phản hồi như hình 2.1.
Hình 2. 1 Hệ thống điều khiển phản hồi kiểu vòng kín
Trong đó:
17
(1.4)
(1.5)
(1.6)
(1.7)
(1.8)
(1.9)
- x là tín hiệu vào mong muốn (điểm đặt)
- y là tín hiệu ra
- u tín hiệu điều khiển
- e là sai lệch giữa điểm đặt và tín hiệu ra
Với động cơ một chiều, có 2 loại điều khiển cần quan tâm:
- Điều khiển tốc độ trục quay motor tới một giá trị đặt trước (setting
speed)
- Điều khiển vị trí góc quay trục motor tới một giá trị đặt trước (setting
position/rotation angle)
Có nhiều phương pháp để điều khiển nhằm đảm bảo hệ thống đạt tới giá trị
đặt trước (điểm đặt) một cách tối ưu, ổn định: nghĩa là có thời gian đáp ứng
nhanh nhất và không quá lố… Bản khóa luận này chỉ quan tâm tới phương pháp
điều khiển PID là một phương pháp được sử dụng rất có hiệu quả hiện nay.
Dưới đây mô tả phương pháp điều khiển PID và kết quả mô phỏng trên
phần mềm matlab.
2.1 Phương pháp điều khiển PID
Xét một hệ điều khiển phản hồi như hình sau
Hình 2. 2 Mô hình điều khiển có phản hồi
Trong mô hình này:

r là giá trị tốc độ quay của motor cần đặt
18
là góc quay và vận tốc góc của motor
u là năng lượng (điện thế, dòng điện,…) đặt vào motor
Ở đây lối ra của bộ điều khiển C(s) là lối vào u của mô hình hệ thống P(s). trong
miền thời gian nếu tín hiệu điều khiển u(t) phụ thuộc vào sai lệch e(t) theo luật sau thì
bộ điều khiển được gọi là điều khiển PID:
Ở đây Kp, Ki, Kd lần lượt là các hệ số tỉ lệ, tích phân và vi phân.
Tín hiệu điều khiển u(t) được cấp tới mô hình hệ thống và một giá trị lối ra mới
nhận được. tín hiệu này sau đó được phản hồi trở lại và so sánh với giá trị đặt r để có
được một giá trị sai lệch mới. bộ điều khiển lại dung tín hiệu sai lệch mới này để tính
giá trị u một lần nữa và cứ như vậy.
Hàm truyền của bộ điều khiển PID được thiết lập bằng việc chuyển đổi Laplace
phương trình kể trên:
Trong Matlab có một hàm thực hiện luật điều khiển PID là : pid(kp,ki,kd)
Giải thuật điều khiển PID được dùng cho hầu hết các vòng điều khiển động cơ
trong công nghiệp cũng như những ứng dụng khác. Để cho vòng điều khiển làm việc
một cách tối ưu, các hệ số Kp,Ki, Kd phải được điều chỉnh một cách thích hợp. Có
một vài cách chỉnh các hệ số này trong đó phương pháp Ziegler – Nichols là khá phổ
biến [6]. Các bước điều chỉnh được thực hiện như sau:
1. Chọn điểm đặt mong muốn, đặt Ki, Kd bằng không; sau đó tăng Kp đến cực đại
đến khi xảy ra dao động
2. Nếu hệ dao động, chia Kp cho 2
3. Tăng dần Kd và quan sát đáp ứng của hệ. Chọn Kd sao cho đáp ứng được làm
nhụt nhanh.
4. Tăng từ từ Ki cho đến khi xảy ra dao động. Chọn giá trị bằng hoặc giá trị này.
2.2 Mô phỏng
2.2.1 Điều khiển vận tốc
19
(2.1)

(2.2)
Trong phần này chúng ta sẽ mô phỏng các nội dung sau:
- Điều khiển tỉ lệ
- Điều khiển PID
- Điều chỉnh vọt lố
Từ vấn đề chính ta có phương trình động lực học trong miền Laplace và
hàm truyền vòng hở của động cơ một chiều như sau.
Với một điểm đặt vận tốc 1 rad/sec, yêu cầu thiết kế đặt ra là:
- Thời gian đáp ứng ít hơn 2 giây
- Độ vọt lố ít hơn 5%
- Sai lệch tĩnh e(t) nhỏ hơn 1%
Chúng ta tạo m-file với các câu lệnh sau
J = 0.01;
b = 0.1;
K = 0.01;
R = 1;
L = 0.5;
s = tf('s');
P_motor = K/((J*s+b)*(L*s+R)+K^2);
Nhắc lại hàm truyền của một bộ điều khiển PID là
2.2.1.1 Điều khiển tỉ lệ
Đầu tiên chúng ta thử với bộ điều khiển tỉ lệ với hệ số khuếch đại là 100,
nghĩa là C(s)=100, để biết chức năng của hàm truyền vòng kín chúng ta sử dụng
câu lệnh ‘feedback’, chúng ta thêm đoạn mã sau vào cuối m-file.
20
(2.3)
(2.4)
Kp = 100;
C = pid(Kp);
sys_cl = feedback(C*P_motor,1);

Để kiểm tra giá trị trả về của điều khiển vòng kín ta thêm đoạn mã lệnh
dưới đây vào m-file và thực thi nó, ta sẽ có được đồ thị bên dưới, để xem một số
đặc tính của hệ thống, click chuột phải vào đồ thị chọn đặc tính từ menu trả về.
Hình dưới đã được thêm vào một số chú thích về thời gian đáp ứng, đỉnh đáp ứng
và trạng thái xác lập.
t = 0:0.01:5;
step(sys_cl,t)
grid
title('Step Response with Proportional Control')
21
Hình 2. 3 Kết quả mô phỏng với Kp=100
Từ đồ thị trên ta thấy sai lệch tĩnh và độ vọt lố quá lớn, chúng ta có thể
giảm sai lệch này bằng cách tăng hệ số khuếch đại Kp, tuy nhiên việc tăng giá trị
của Kp thường dẫn tới việc tăng độ vọt lố, vì thế có vẻ như không phải tất cả các
yêu cầu thiết kế có thể đáp ứng được đáp ứng với một bộ điều khiển tỉ lệ đơn
giản.
Thực tế này có thể được xác nhận bằng cách thử nghiệm với các giả trị khác
của Kp, tuy nhiên ta có thể sử dụng bộ công cụ thiết kế SISO bằng cách nhập
lệnh ‘sisotool(P_motor)’ sau đó theo dõi từng bước giá trị trả về qua đồ thị từ tab
‘Analysis Plots’ của cửa sổ ‘Control and Estimation Tools Manager’. Kết hợp
với việc kiểm tra hộp thoại ‘Real-Time Update’, ta có thể thay đổi được thông sô
điều khiển trong tab ‘Compensator Editor’ và xem kết quả ảnh hưởng qua giá trị
22
trả về của bộ điều khiển vòng kín. Qua đó thấy được điều khiển tỉ lệ không đủ để
đáp ứng yêu cẩu điều khiển, cần phải thêm các thành phần tích phân và vi phân
vào bộ điều khiển.
2.2.1.2 Điều khiển PID
Với bộ điều khiển PID thành phần tích phân sẽ giúp loại bỏ sai lệch tĩnh, và
thành phần vi phân sẽ làm giảm độ vọt lố. Chúng ta sẽ thử với bộ điều khiểm
PID có hệ số Ki và Kd nhỏ, chỉnh sửa m-file với các giá trị như sau, sau đó chạy

và đưa ra đồ thị bên dưới.
Kp = 75;
Ki = 1;
Kd = 1;
C = pid(Kp,Ki,Kd);
sys_cl = feedback(C*P_motor,1);
step(sys_cl,[0:1:200])
title('PID Control with Small Ki and Small Kd')
Hình 2. 4 Kết quả mô phỏng với kp=75, Ki=1, Kd=1
Từ đồ thị trên cho thấy sai lệch tĩnh đã thực sự dần về 0, tuy nhiên thời gian
để đạt được trạng thái ổn định là quá lớn so với yêu cẩu thiết kế là 2s.
2.2.1.3 Điều chỉnh độ vọt lố.
23
Trong trường hợp này phần đuôi dài trên đồ thị bước đáp ứng là kết quả của
việc chọn hệ số tích phân nhỏ dẫn tới việc tốn nhiều thời gian cho việc loại bỏ sai
lệch tĩnh. Quá trình này có thể được tăng tốc bằng cách tăng hệ số Ki. Quay lại
với m-file thay đổi giá trị Ki lên 200, chạy lại và ta có được đồ thị bên dưới.
Kp = 100;
Ki = 200;
Kd = 1;
C = pid(Kp,Ki,Kd);
sys_cl = feedback(C*P_motor,1);
step(sys_cl, 0:0.01:4)
grid
title('PID Control with Large Ki and Small Kd')
Hình 2. 5 Kết quả mô phỏng với Kp=100, Ki=200, Kd=1
Như mong muốn, sai lệch tĩnh đã được loại bỏ một cách nhanh chóng, tuy
nhiên Ki lớn đã làm cho độ vọt lố tăng lên rất nhiều. Hãy tăng Kd trong giới hạn
có thể để giảm độ vọt lố. Quay lại m-file thay đổi Kd lên 10, chạy và ta có được
đồ thị trả về như sau.

Kp = 100;
24
Ki = 200;
Kd = 10;
C = pid(Kp,Ki,Kd);
sys_cl = feedback(C*P_motor,1);
step(sys_cl, 0:0.01:4)
grid
title('PID Control with Large Ki and Large Kd')
Hình 2. 6 Kết quả mô phỏng với Kp=100, Ki=200, Kd=10
Như đã hi vọng việc tăng Kd đã làm giảm độ vọt lố, bây giờ chúng ta biết
nếu sử dụng bộ điều khiển PID với các thông số
Kp=100, Ki=200, và Kd=10 tất cả các yêu cầu thiết kế sẽ được đáp ứng.
2.2.2 Điều khiển vị trí
Các nội dung mô phỏng của phần này bao gồm:
- Điều khiển tỉ lệ.
25