Nghiên cứu thiết kế robot leo trụ
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2 MB, 63 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM
---------------------------
NGUYỄN THÀNH TRUNG
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ ROBOT LEO TRỤ
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : Kỹ Thuật Cơ Điện Tử
Mã số ngành : 60520114
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2015
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM
---------------------------
NGUYỄN THÀNH TRUNG
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ ROBOT LEO TRỤ
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : Kỹ Thuật Cơ Điện Tử
Mã số ngành : 60520114
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN THANH PHƯƠNG
TP. HỒ CHÍ MINH, Tháng 07 Năm 2015
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. Nguyễn Thanh Phương
Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại Học Công nghệ TP. HCM
ngày 16 tháng 08 năm 2015
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
TT
Họ và tên
Chức danh Hội đồng
1
PGS.TS.Lê Hữu Sơn
Chủ tịch
2
TS. Nguyễn Hùng
Phản biện 1
3
TS. Nguyễn Duy Anh
Phản biện 2
4
TS. Võ Hoàng Duy
5
PGS.TS.Ngô Cao Cường
Ùy viên
Ùy viên, Thư ký
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn sau khi Luận văn đã được
sửa chữa (nếu có).
Chủ Tịch Hội đồng đánh giá LV
TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM
PHÒNG QLKH – ĐTSĐH
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
TP. HCM, ngày..… tháng….. năm 20..…
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: NGUYỄN THÀNH TRUNG
Giới tính: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 23 / 11 /1977
Nơi sinh: Phú Thọ
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử
MSHV: 1341840020
I- Tên đề tài:
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
II- Nhiệm vụ và nội dung:
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
III- Ngày giao nhiệm vụ: …………………………………………………………….
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: ......................................................................................
V- Cán bộ hướng dẫn: Tiến sĩ, Nguyễn Thanh Phương
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)
KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)
i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ
công trình nào khác.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này
đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn
gốc.
Học viên thực hiện luận văn
Nguyễn Thành Trung
ii
LỜI CÁM ƠN
Luận văn tốt nghiệp là cơ hội để các sinh viên vận dụng những kiến thức mà
mình đã tích lũy được trong suốt quá trình học và quan sát thực tế. Tuy nhiên, cũng
còn nhiều hạn chế về kiến thức, kinh nghiệm thực tế cũng như thời gian nên mặc dù
rất nỗ lực, cố gắng nhưng cũng không tránh khỏi sai sót, và chưa bám sát vào thực
tiễn.
Trong luận văn này em rất mong nhận được sự nhận xét, góp ý từ các thầy cô
và các bạn. Để hoàn thành được luận văn này em xin kính gửi đến thầy TS. Nguyễn
Thanh Phương lòng biết ơn sâu sắc, thầy đã tận tình hướng dẫn em trong suốt thời
gian thực hiện luận văn.
Xin chân thành cảm ơn các quý thầy trong khoa Cơ - Điện - Điện Tử đã hết
lòng truyền đạt kiến thức và tạo mọi điều kiện để em hoàn thành luận văn này.
iii
TÓM TẮT LUẬN VĂN
Việc ứng dụng các loại robot khác nhau nhằm phục vụ con người trong sản
xuất và sinh hoạt đang ngày càng thu hút sự quan tâm nghiên cứu của nhiều nước
trên thế giới. Trong đề tài này sẽ trình bày nghiên cứu thiết kế robot leo trụ với
dạng leo liên tục bằng bánh xe với các động cơ DC.
Robot được thiết kế bằng 2 hệ thống độc lập. Một hệ thống tạo lực nén với
nhiệm vụ giữ robot di chuyển trên trụ và một hệ thống truyền động bằng bánh xe để
robot di chuyển trên trụ. Cơ cấu cơ khí được thiết kế bằng 1 khung với ba bộ nén
đặt lệch nhau một góc 1200, tạo ra một mặt phằng vuông góc với trụ và việc phân
tích tính toán lực sẽ đơn giản hơn. Bộ điều khiển PID thứ 1 sẽ được xây dựng để
điều khiển lực nén bằng cách điều khiển khoảng cách x của lò xo, giúp ổn định lực
nén và giữ robot ổn định trên trụ. Bộ điều khiển PID thứ 2 sẽ điều khiển, ổn định
tốc độ robot di chuyển trên trụ.
Các kết quả thực nghiệm trong việc thiết kế, chế tạo cơ khí và mạch điều
khiển của robot đã cho thấy robot leo được trên các trụ tròn, trụ côn.
iv
ABSTRACT
The application of different types of robots to serve people in production
and daily life is increasingly attracting the attention of researchers around the
world. This research will present a design study describing a kind of climing
robot that continuously climes a cylinder with wheels and DC motors.
The robot is designed with two independent systems. A system will
generate compressing force to keep the robot moving on the cylinder while
another system is a wheel drive system that makes the robot move on the
cylinder. The gas distribution mechanism is designed on a frame containing
three compressors put in a distance of 120 degree, creates a plane
perpendicular to the cylinder. This helps analyse the compressing force
simpler. The first PID controler is set up to control the compressing force by
adjusting the distance ‘x’ of springs. This will control the speed of the robot
movement on the cylinder.
The experimental results of designing, mechenical manufacturing as well
as controling board the in the research show that the robot can move on the
cylinder and cone.
v
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i
LỜI CÁM ƠN ............................................................................................................ ii
TÓM TẮT LUẬN VĂN ........................................................................................... iii
ABSTRACT .............................................................................................................. iv
MỤC LỤC ..................................................................................................................v
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................ viii
DANH MỤC CÁC BẢNG........................................................................................ ix
DANH SÁCH HÌNH ẢNH .........................................................................................x
CHƯƠNG I: ................................................................................................................1
TỔNG QUAN VỀ ROBOT LEO ...............................................................................1
1.1 Các khái niệm về robot di động, robot leo .......................................................1
1.2 Phân loại các loại robot leo trụ .........................................................................1
1.2.1 Phân loại theo kết cấu: ...............................................................................1
1.2.2 Đặc điểm thiết kế, chế tạo. ........................................................................2
1.2.2.1 Robot dạng rời rạc.............................................................................2
1.2.2.2 Robot dạng liên tục ...........................................................................3
1.2.2.3 Robot dạng rắn ..................................................................................4
1.3 Đặt vấn đề.........................................................................................................4
1.4 Phương pháp nghiên cứu ..................................................................................5
CHƯƠNG 2: ...............................................................................................................6
CƠ SỞ LÝ THUYẾT ..................................................................................................6
2.1 Cơ sở thuật toán PID: .......................................................................................6
2.1.1 Những kiến thức cơ sở về bộ điều khiển PID............................................6
2.1.2 Vai trò của các khâu tỉ lệ, tích phân, vi phân.............................................7
2.1.2.1 Khâu tỉ lệ ...........................................................................................7
2.1.2.2 Khâu tích phân ..................................................................................7
2.1.2.3 Khâu vi phân. ....................................................................................8
2.2 Vi điều khiển ATmega32 .................................................................................9
vi
2.2.1 Giới thiệu ATmega32 ................................................................................9
2.2.2 Các đặc tính của ATmega32:...................................................................10
2.2.3 Sơ đồ chân của ATmega32 ......................................................................11
2.3 Mạch cầu H (H-Bridge Circuit). ....................................................................12
2.4 Encoder : ........................................................................................................13
2.4.1 Cấu tạo chính của Encoder: .....................................................................13
2.4.2 Nguyên lý cơ bản: ....................................................................................15
2.5 Động cơ DC....................................................................................................16
2.5.1 Giới Thiệu ................................................................................................16
2.5.2 Cấu tạo: ....................................................................................................16
2.5.3 Nguyên lý hoạt động: ..............................................................................18
2.5.4 Điều khiển tốc độ động cơ DC: ...............................................................18
CHƯƠNG 3 ..............................................................................................................20
THIẾT KẾ TỔNG THỂ VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ....................................................20
3.1 Yêu cầu và chức năng robot ..........................................................................20
3.2 Phân tích thiết kê robot ..................................................................................20
3.2.1 Tính toán lực ............................................................................................20
3.2.2 Thiết kế bộ tạo lực nén ............................................................................22
3.2.3 Tính toán hệ thống chuyển động robot ....................................................24
3.3 Điều khiển robot .............................................................................................25
3.3.1 Lựa chọn phương pháp điều khiển ..........................................................25
3.3.2 Xác định bộ điều khiển hệ thống lực nén ................................................26
3.3.2.1 Xác định hàm truyền ........................................................................26
3.3.2.1 Thiết kế bộ điều khiển.....................................................................28
3.3.3 Xác định bộ điều khiển hệ thống di chuyển ............................................30
3.3.3.1 Xác định hàm truyền .......................................................................30
3.3.3.2 Thiết kế bộ điều khiển.....................................................................32
CHƯƠNG 4: .............................................................................................................35
CHẾ TẠO VÀ THỰC NGHIỆM..............................................................................35
vii
4.1 Chế tạo cơ khí.................................................................................................35
4.1.1 Bảng vẽ thiết kế .......................................................................................35
4.1.2 Hình ảnh sau khi chế tạo..........................................................................35
4.2 Thiết kế mạch điện .........................................................................................36
4.2.1 Yêu cầu ....................................................................................................36
4.2.2 Thiết kế mạch điều khiển, lựa chọn linh kiện.........................................37
4.2.2.1 Bo mạch vi điều khiển : ..................................................................37
4.2.2.2 Board mạch Arduino ........................................................................38
4.2.2.3 Khối công suất : ..............................................................................41
4.2.2.3.1 Optocoupler-NPN .....................................................................41
4.2.2.2 Rờ le ................................................................................................42
4.2.2.3 IC L298 ...........................................................................................43
4.2.3 Lưu đồ điều khiển robot ..........................................................................44
4.2.4 Robot sau khi chế tạo...............................................................................45
4.2.5 Kết quả thực nghiệm ................................................................................46
Đánh giá kết quả thực nghiệm ..................................................................................46
TỔNG KẾT ...............................................................................................................47
5.1 Kết quả đạt được ............................................................................................47
5.2 Kết quả chưa đạt được....................................................................................47
5.3 Hướng phát triển ............................................................................................47
TÀI LIỆU KHAM KHẢO ........................................................................................48
viii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
DC
Direct Current
PID
Proportional Integral Derivative
GND
Ground
LED
Light Emitting Diode
MCU
Microprocessor Control Unit
PWM
Pulse Width Modulation
USART
Universal Synchronous Asynchronous Receiver
VCC
Voltage Common Collector
ADC
Analog to Digital Converter
BJT
Bipolar Junction Transistor
MOSFET
Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor
VDC
Volts Direct Current
ix
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1 : Tác động của việc tăng một số thông số độc lập………………………….9
Bảng 2 : Thông số động cơ DC cho bộ nén..............................................................28
Bảng 3 : Thông số của động cơ DC cho hệ thống di chuyển....................................31
x
DANH SÁCH HÌNH ẢNH
Hình 1.1
Robot leo của SAITM Research Symposium on Engineering
2
Advancementsm2014
Hình 1.2
Novel Climbing Method of Pruning Robot ( Haruhisa
3
Kawasaki1, Suguru Murakami2, Hideki Kachi2)
Hình 1.3
Design of a pole climbing robot that uses a new clamping
3
principle ( Cengiz Yilmaz)
Hình 1.4
Robot rắn của Đại học Carnegie Mellon
4
Hình 2.2
Vai trò của khâu tỉ lệ trong bộ điều khiển PID
6
Hình 2.3
Vai trò của khâu tích phân trong bộ điều khiển PID
7
Hình 2.4
Vai trò của khâu vi phân trong bộ điều khiển PID
7
Hình 2.6
Sơ đồ chân của ATmega32
8
Hình 2.7
Nguyên lý hoạt động mạch cầu H
11
Hình 2.8
Một số loại encoder trên thị trường
12
Hình 2.9
Cấu tạo thực tế của encoder
13
Hình 2.1
Dạng sóng ngõ ra của LED thu
14
Hình 2.11
Cấu tạo đĩa quay trong encoder
14
Hình 2.12
Quá trình đọc Encoder
15
Hình 2.13
Một số loại động cơ trên thực tế
15
Hình 2.14
Cấu tạo động cơ điện một chiều
16
Hình 2.15
Nguyên lý hoạt động của động cơ DC
17
Hình 2.16
Điều khiển động cơ bằng PWM
18
Hình 3.1
Phân bố lực của Robot
19
Hình 3.2
Bộ tạo lực nén
20
Hình 3.3
Lò xo nén
22
xi
Hình 3.4
Phân tích lực bánh xe chuyển động
23
Hình 3.5
Bộ điều khiển lực nén
24
Hình 3.6
Bộ điều khiển tốc độ leo
26
Hình 3.7
Mô phỏng bộ điều khiển PID cho hệ thống nén
26
Hình 3.8
Đáp ứng G(s) của hệ thống nén
28
Hình 3.9
Đáp ứng khi có bộ điều khiển PID của hệ thống nén
29
Hình 3.10
Đáp ứng điều khiển của hệ thống nén
29
Hình 3.11
Mô phỏng bộ điều khiển PID cho hệ thống leo
32
Hình 3.12
Đáp ứng G(s) của hệ thống leo
33
Hình 3.13
Đáp ứng khi có bộ điều khiển PID của hệ thống leo
33
Hình 3.14
Đáp ứng điều khiển của hệ thống leo
34
Hình 4.1
Bản vẽ thiết kế hệ thống cơ khí
35
Hình 4.2
Robot leo trụ
35
Hình 4.3
Sơ đồ khối bộ điều khiển và kết nối
36
Hình 4.4
Sơ đồ nguyên lý hệ thống nén
37
Hình 4.5
Sơ đồ nguyên lý hệ thống leo
38
Hình 4.6
Bo mạch Arduino UNO
41
Hình 4.7
Sơ đồ nguyên lý Opto
42
Hình 4.8
Sơ đồ nguyên lý của Rờ le
42
Hình 4.9
Sơ đồ nguyên lý điều khiển động cơ DC
42
Hình 4.10
Sơ đồ nguyên lý điều khiển động cơ DC dùng L298
43
Hình 4.11
Lưu đồ điều khiển Robot
44
Hình 4.12
Robot leo trụ
45
Hình 4.13
Điều khiển nén của robot
45
Hình 4.14
Điều khiển leo của robot
45
Hình 4.15
Robot thực hiện leo trụ
46
1
CHƯƠNG I:
TỔNG QUAN VỀ ROBOT LEO
1.1
Các khái niệm về robot di động, robot leo
Robot di động là loại robot có thể di chuyển để thực hiện các chức năng đề
ra. Thông thường để thực hiện các di chuyển, người ta hay sử dụng các cơ cấu dạng
bánh, dạng xích, dạng chân,... . Robot di động hoạt động trong các phân xưởng,
trong nhà, trong các khu vực che kín,... .Nhìn chung được gọi là robot di động trong
nhà (Indoor Mobile Robot).
Trong những thập niên cuối thế kỉ XIX người ta quan tâm nhiều đến khả
năng leo trèo của các robot, phát sinh từ những yêu cầu làm việc trong các môi
trường độc hại, nguy hiểm hay những nơi khó tiếp cận để bảo vệ sức khỏe của con
người trong các nhiệm vụ mạo hiểm. Robot leo có khả năng thực hiện các nhiệm vụ
trên các cây, cột thẳng đứng, đáp ứng các yêu cầu trong công nghiệp hay quốc
phòng để thi hành các nhiệm vụ nguy hiểm như chặt cây, phun sơn cột, thực hiện
các công việc trên cao …. Như vậy với khả năng của robot leo sẽ không chỉ cho
phép chúng làm việc ở những nơi nguy hiểm với người công nhân mà còn loại bỏ
được những tốn kém do giàn giáo, phương tiện cơ giới.
1.2 Phân loại các loại robot leo trụ
1.2.1 Phân loại theo kết cấu:
Một trong những chức năng của kết cấu cơ robot leo là kết hợp được lực bám
dính để gắn robot vào trụ chắc chắn và di chuyển linh hoạt. Theo nghiên cứu thì
hiện có 3 dạng robot leo
-
Robot leo di chuyển dạng rời rạc.
-
Robot leo di chuyển dạng liên tục
-
Robot leo di chuyển dạng rắn
2
1.2.2 Đặc điểm thiết kế, chế tạo.
1.2.2.1 Robot dạng rời rạc
Robot được thiết kế trên ý tưởng giống như một người lên cột, phần tay
bám vào cột, phần thân sẽ di chuyển chân lên và phần chân bám vào cột và phần
thân đưa tay lên … và cứ liên tục như vậy mà leo lên cột.
Robot thường được thiết kế thành 2 khung cánh tay kẹp (1 trên + 1 dưới)
được liên kết bằng hệ thống thanh trượt. Các tay kẹp được giữ trên cột bằng các hệ
thống động cơ DC hoặc khí nén. Khi robot di chuyển một khung kẹp được điều
khiển để bám giữ robot trên trụ, khung kẹp còn lại sẽ được hệ thống truyền động
khác nâng di chuyển trên trụ. Cứ như thế Robot sẽ được di chuyển trên trụ một cách
rời rạc
Ưu khuyết điểm :
-
Robot leo có khả năng đối phó và thích nghi được nhiều bề mặt khác
nhau trên trụ, leo được trên trụ, trên cây…
-
Robot có khả năng vận chuyển được khối lượng lớn.
-
Tốc độ chậm và tiêu hao nhiều năng lượng.
-
Kết cấu cơ khí và điều khiển phức tạp.
Hình 1.1 Robot leo của SAITM Research Symposium on Engineering
Advancements 2014
3
1.2.2.2 Robot dạng liên tục
Robot được thiết kế leo liên tục trên trụ bằng các bánh xe. Các bánh xe được
bám vào trụ nhờ kết cấu bao xung quanh trụ và ép các bánh xe vào trụ, bánh xe sẽ
làm 2 nhiệm vụ là vừa giữ robot trên trụ và vừa di chuyển robot trên trụ.
Ưu khuyết điểm :
-
Thiết hợp cho các trụ tròn, cây …
-
Có thể leo nhanh và có khả năng leo cao.
-
Kết cấu cơ khí đơn giản.
-
Không thích hợp với các bề mặt cột thường xuyên thay đổi.
-
Hạn chế về khối lượng trên robot.
Hình 1.2: Novel Climbing Method of Pruning Robot ( Haruhisa
Kawasaki1, Suguru Murakami2, Hideki Kachi2, and Satoshi Ueki )
Hình 1.3 Design of a pole climbing robot that uses a new clamping
principle ( Cengiz Yilmaz)
4
1.2.2.3
Robot dạng rắn
Robot thiết kế với dạng như rắn, nó được kết cấu bằng các khớp nối di
chuyển không có bánh xe có gắn các camera và sensor điện tử, được kiểm soát
bằng một cần điều khiển, nó sẽ uốn éo với sự trợ giúp của các động cơ DC.
Ưu khuyêt điểm:
-
Robot leo có khả năng đối phó và thích nghi được nhiều bề mặt khác
nhau trên cột, leo được trên cột, trên cây, di chuyển qua các cành cây,
linh hoạt trong các môi trường leo thích hợp.
-
Tốc độ leo chậm, khó điều khiển được tốc độ.
-
Không mang được khối lượng lượng, thường chỉ để thực hiện các công
việc quan sát.
Hình 1.4 Robot rắn của Đại học Carnegie Mellon
1.3
Đặt vấn đề
Với mục tiêu thiết kế robot leo trụ tròn, trụ côn và với các phân tích các dạng
Robot leo trên, việc chế tạo một robot leo trụ có tính linh hoạt, di chuyển nhanh,
chính xác và tin cậy, không gây tốn nhiều năng lượng, không đòi hỏi sự phức tạp
khi lập trình và thiết kế mạch điều khiển....Tôi chọn phương án leo liên tục để chế
tạo robot leo trụ.
Với lựa chọn thiết kế robot leo liên tục trên trụ, mục tiêu đặt ra là phải điều
khiển được Robot giữ liên tục trên trụ và điều khiển được tốc độ di chuyển ổn định
5
trên trụ. Do đó robot sẽ được thiết kế trên hai hệ thống độc lập, một hệ thống tạo ra
lực nén và được điều khiển để luôn luôn tạo ra 1 lực F đủ lớn để giữ robot đứng yên
trên trụ và một hệ thống các bánh xe chuyển động được điều khiển đồng tốc để đưa
robot di chuyển đều trên trụ.
Mục tiêu của đề tài là thiết kế robot bằng 2 hệ thống độc lập. Điều khiển lực
nén và điều khiển tốc độ. Cụ thể:
-
Thiết kế hệ thống cơ khí robot, tính toán các lực cần thiết để nén và di
chuyển robot.
-
Xây dựng các hàm truyền động học cho hệ thống.
-
Xây dựng, lập trình thuật toán PID để điều khiển động cơ DC, điều
khiển hệ thống.
-
Tìm hiểu cách kết nối, điều khiển của các cảm biến vị trí, encoder, các
động cơ DC …
-
Thiết kế lựa chọn mạch vi xử lý, các mạch điều khiển công suất của
động cơ.
1.4
Thiết kế bản vẽ, xây dựng và lắp ráp mô hình thực để kiểm nghiệm.
Phương pháp nghiên cứu
-
Tiếp cận, xây dựng mô hình lý thuyết gồm có.
o Tiếp cận các mô hình cơ khí để lựa chọn thiết kế tối ưu.
o Tiếp cận lý thuyết điều khiển.
o Tiếp cận các lý thuyết mạch vi xử lý, cảm biến vị trí, encoder, động
cơ DC.
-
Tiếp cận, xây dựng mô hình thực:
o Thiết kế mô hình cơ khí.
o Phân tích và thiết lập hàm truyền.
o Mô phỏng hàm truyền bằng Matlab.
o Thiết kế mạch điều khiển.
o Chạy mô hình thực để kiểm nghiệm.
6
CHƯƠNG 2:
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1
Cơ sở thuật toán PID:
2.1.1 Những kiến thức cơ sở về bộ điều khiển PID
Bộ PID có nhiệm vụ đưa sai lệch e(t) của hệ thống về 0 sao cho quá trình
quá độ thỏa mãn các yêu cầu cơ bản về chất lượng:
- Nếu sai lệch e(t) càng lớn thì thông qua khâu khuếch đại, tín hiệu u(t) càng
lớn.
- Nếu sai lệch e(t) chưa bằng 0 thì thông qua khâu tích phân, PID vẫn còn
tạo tín hiệu điều chỉnh.
- Nếu thay đổi của sai lệch e(t) càng lớn thì thông qua thành phần vi phân,
phản ứng thích hợp của u(t) sẽ càng nhanh.
Bộ điều khiển PID được mô tả bằng mô hình vào-ra:
u(t) = kp ( e(t) +
+ Td
Ti
Hàm truyền đạt của bộ điều khiển PID
R(S) = Kp ( 1 +
TDS )
Hình 2.1 Điều khiển phản hồi vòng kín với bộ điều khiển PID
7
2.1.2 Vai trò của các khâu tỉ lệ, tích phân, vi phân
2.1.2.1 Khâu tỉ lệ
Giá trị càng lớn thì tốc độ đáp ứng càng nhanh, do đó sai số càng lớn, bù
khâu tỉ lệ càng lớn. Nếu độ lợi của khâu tỉ lệ quá cao, hệ thống sẽ không ổn định.
Ngược lại, độ lợi nhỏ là do đáp ứng đầu ra nhỏ trong khi sai số đầu vào lớn, và làm
cho bộ điều khiển kém nhạy, hoặc đáp ứng chậm. Nếu độ lợi của khâu tỉ lệ quá
thấp, tác động điều khiển có thể sẽ quá bé khi đáp ứng với các nhiễu của hệ thống.
Hình 2.2 Vai trò của khâu tỉ lệ trong bộ điều khiển PID
2.1.2.2 Khâu tích phân
Hình 2.3 Vai trò của khâu tích phân trong bộ điều khiển PID
8
Phân phối của khâu tích phân (đôi khi còn gọi là reset) tỉ lệ thuận với cả
biên độ sai số lẫn quảng thời gian xảy ra sai số. Tổng sai số tức thời theo thời gian
(tích phân sai số) cho ta tích lũy bù đã được hiệu chỉnh trước đó. Tích lũy sai số sau
đó được nhân với độ lợi tích phân và cộng với tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển.
Biên độ phân phối của khâu tích phân trên tất cả tác động điều chỉnh được xác định
bởi độ lợi tích phân. Giá trị càng lớn kéo theo sai số ổn định bị khử càng nhanh. Đổi
lại là độ vọt lố càng lớn: bất kỳ sai số âm nào được tích phân trong suốt đáp ứng
quá độ phải được triệt tiêu tích phân bằng sai số dương trước khi tiến tới trạng thái
ổn định.
2.1.2.3 Khâu vi phân.
Hình 2.4 Vai trò của khâu vi phân trong bộ điều khiển PID
Khâu vi phân làm chậm tốc độ thay đổi của đầu ra bộ điều khiển và đặc
tính này là đang chú ý nhất để đạt tới điểm đặt của bộ điều khiển. Từ đó, điều khiển
vi phân được sử dụng để làm giảm biên độ vọt lố được tạo ra bởi thành phần tích
phân và tăng cường độ ổn định của bộ điều khiển hỗn hợp. Tuy nhiên, phép vi phân
của một tín hiệu sẽ khuếch đại nhiễu và do đó khâu này sẽ nhạy hơn đối với nhiễu
9
trong sai số, và có thể khiến quá trình trở nên không ổn định nếu nhiễu và độ lợi vi
phân đủ lớn
Bảng 1 : Tác động của việc tăng một số thông số độc lập
Thời gian
Thời gian
Quá độ (
khởi động (
Oversho
Rise time)
ot)
Kp
Giảm
Tăng
Ki
Giảm
Tăng
Tăng
Kd
Giảm ít
Giảm ít
Giảm
Thông
số
2.2
xác lập (
Setling
sai số ổn định
Độ ổn định
Giảm
Giảm cấp
Giảm đáng kể
Giảm cấp
Về lý thuyết
Cải thiện
không tác động
nếu Kd nhỏ
time)
Thay đổi
nhỏ
Vi điều khiển ATmega32
2.2.1 Giới thiệu ATmega32
ATmega32 là vi điều khiển chuẩn CMOS 8 bit tiết kiệm năng lượng, được
chế tạo dựa trên cấu trúc AVR RISC (Reduced Instruction Set Computer), đây là
cấu trúc có tốc độ xử lý cao hơn nhiều so với cấu trúc CISC (Complex Instruction
Set Computer). Tần số hoạt động của vi điều khiển AVR bằng với tần số của thạch
anh, trong khi với họ vi điều khiển theo cấu trúc CISC như họ 8051 thì tần số hoạt
động bằng tần số thạch anh chia cho 12. Hầu hết các lệnh được thực thi trong một
chu kỳ xung nhịp, do đó ATmega32 có thể đạt được tốc độ xử lý đến một triệu lệnh
mỗi giây (với tần số 1MHz). Đặc điểm này cho phép người thiết kế có thể tiết kiệm
tối đa mức độ tiêu thụ năng lượng mà vẫn đảm bảo tốc độ xử lý.
10
2.2.2 Các đặc tính của ATmega32:
-
Hiệu năng cao, tiêu thụ ít năng lượng.
-
Kiến trúc RISC:
o 131 lệnh – hầu hết các lệnh thực thi trong một chu kỳ máy.
o 32 thanh ghi 8 bit đa năng.
o Tốc độ thực hiện lên tới 16 triệu lệnh trong 1 giây (tần số 16MHz).
-
Các bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu:
o 32Kbyte bộ nhớ Flash có khả năng tự lập trình trong hệ thống.
-
Có thể thực hiện được 10.000 lần ghi xóa.
o Vùng mã Boot tùy chọn với những bit khóa độc lập.
o Lập trình trong hệ thống bởi chương trình on-chip boot.
o Thao tác đọc ghi trong khi nghỉ.
o 1024 Byte EEPROM.
-
Ghép nối ngoại vi:
o 2 bộ định thời/bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số độc lập và chế độ so
sánh.
o 1 bộ định thời/bộ đếm 16 bit với bộ chia tần số, chế độ so sánh và
chế độ bắt mẫu (Capture).
o Bộ đếm thời gian thực với bộ dao động độc lập.
o Bốn kênh PWM.
o Bộ ADC 8 kênh 10 bit.
o Bộ truyền dữ liệu đồng bộ/bất đồng bộ USART.
o Bộ truyền dữ liệu chuẩn SPI.
o Watchdog timer khả trình với bộ dao động nội riêng biệt.
o Bộ so sánh Analog.
-
Các đặc điểm khác:
o Power-on Reset và phát hiện Brown-out khả trình.
o Bộ tạo dao động nội.
o Nguồn ngắt nội và ngoại.
