Nghiên cứu về PID và fuzzy logic toolkitcủa phần mềm labview tiến hành xây dựng giao diện giám sát tốc độ động cơ một chiều bằng phần mềm labview

LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình làm đồ án tốt nghiệp, đối với chính tôi - một sinh viên của
khoa Điện- Điện tử, cảm thấy đây là một trải nghiệm vô cùng hữu ích đối với sự
nghiệp học hỏi của một sinh viên nói riêng và tất cả sinh viên hiện đang làm đồ
án tốt nghiệp đợt 2 nói chung.
Để có thể hoàn thành được quyển đồ án này, ngoài công sức của chính tôi,
tôi xin cảm ơn tất cả các thầy cố giáo khoa điện đã tạo điều kiện hết sức để tôi
có thể nghiên cứu và tìm hiểu tất cả các vấn đề liên quan đến đồ án tốt nghiệp.
Xin cảm ơn các bạn bè đã luôn sát cánh, góp ý, hỗ trợ tôi trong việc hoàn thành
quyển đồ án này.
Ngoài ra, không thể không nhắc đến một người rất quan trọng- có thể nói
là quan trọng nhất- PGS.TS. TRẦN SINH BIÊN - một người thầy với kiến thức
và kinh nghiệm uyên thâm, một người với sự ân cần và chỉ bảo. Em xin cảm ơn
vì thầy đã không quản khó nhọc, mệt mỏi để có thể mang lại cho em những kiến
thức quan trọng nhất để có thể hoàn thành được quyển đồ án này.
Một lần nữa, tôi xin cảm ơn tất cả mọi người đã giúp tôi có thể thực hiện
xong quyển đồ án tốt nghiệp này. Xin chân thành cảm ơn.
Hải Phòng, ngày….tháng….năm 2016
Sinh viên

Nguyễn Mạnh Quỳnh

1


PHẦN MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong nền công nghiệp hiện đại, thuật ngữ “đo lường và điều khiển” đã
trở nên quá quen thuộc, sẽ không phải mô tả nhiều để có thể hình dung được
mục đích và tầm quan trọng của nó. Nhu cầu về đo lường – điều khiển ngày
càng phức tạp và nhu cầu làm việc liên tục của các quá trình sản xuất đòi hỏi độ

tin cậy của các thiết bị đo lường – điều khiển ngày càng cao. Câu hỏi đặt ra là
làm thế nào để tăng năng suất, giảm thời gian và chi phí cho các ứng dụng thiết
kế, điều khiển, kiểm tra, tạo ra các ứng dụng linh hoạt có khả năng tích hợp dễ
dàng với nhiều kiểu I/O khác nhau phục vụ đắc lực trong đo lường và điều khiển
tự động trong công nghiệp hiện đại.
2. Mục đích của đề tài
Nghiên cứu về PID và Fuzzy Logic Toolkitcủa phần mềm Labview.Tiến
hành xây dựng giao diện giám sát tốc độ động cơ một chiều bằng phần mềm
Labview.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
a. Đối tượng nghiên cứu
Trong đồ án tốt nghiệp này, em xin giới thiệu những nét cơ bản về PID
và Fuzzy Logic Toolkit, ngôn ngữ lập trình LabVIEW để mọi người có thể
hiểu được và sử dụng được nó. Bên cạnh đó, em sẽ ứng dụng ngôn ngữ lập trình
này để xây dựng chương trình giám sát tốc độ động cơ DC.
b. Phạm vi nghiên cứu
Sử dụng card NI USB 9001 để giám sát tốc độ động cơ DC.
4. Phương pháp nghiên cứu khoa học
Trong đồ án của mình em nghiên cứu lý thuyết về PID và Fuzzy Logic
Toolkit của phần mềm Labview. Sau đó ứng dụng giao tiếp giữa phần mềm
Labview để điều khiển tốc độ động cơ DC.

2


5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Đề tài đã thành công trong việc ứng dụng môi trường lập trình
LabVIEW trong thiết kế hệ thống điều khiển. Cụ thể là giám sát tốc độ động cơ
DC. Với ưu điểm lập trình và hiển thị thông số dễ dàng, nó cho chúng ta thấy
một điều là trên thế giới hiện nay, LabVIEW đã và đang được ứng dụng rộng rãi

trong các lĩnh vực như đo lường, phân tích, mô phỏng,... Do đó việc nghiên cứu
và ứng dụng LabVIEW rộng rãi ở Việt Nam hiện nay cần phải được tiến hành
trong thời gian càng sớm càng tốt.

3


DANH MỤC CÁC BẢNG
STT

Tên bảng

Số trang

Bảng 1

Công thức của P-Only (fast)

10

Bảng 2

Công thức của P-Only (normal)

10

Bảng 3

Công thức của P-Only (slow)

10

Bảng 4

Công thức PI hay PID (fast)

10

Bảng 5

Công thức PI hay PID (normal)

10

Bảng 6

Công thức PI hay PID (slow)

10

Bảng 7

Bảng luật hợp thành

34

Bảng 8

Bảng thông số chung phần cứng card usb 9001

Bảng 9

Cách sử dụng card usb 9001

43-44-45
45-46

DANH MỤC CÁC HÌNH

4


STT
Hình 1.1
Hinh 1.2
Hình 1.3
Hình 1.4
Hình 1.5
Hình 1.6
Hình 1.7
Hình 1.8
Hình 1.9
Hình 2.1
Hình 2.2
Hình 2.3
Hình 2.4
Hình 2.5
Hình 2.6
Hinh 2.7
Hình 2.8

Hình 2.9
Hình 2.10
Hình 2.11
Hình 2.12
Hình 2.13
Hình 2.14
Hình 2.15
Hình 2.16
Hình 2.17
Hình 2.18
Hình 2.19
Hình 2.20
Hình 2.21
Hình 2.22
Hình 2.23
Hình 2.24
Hình 2.25
Hình 2.26
Hình 3.1
Hình 3.2
Hình 3.3
Hình 3.4

Tên hình vẽ
Hình ảnh phần mềm Labview
Vai trò của Labview
Giao diện Labview
Mô tả tên của VI
Thanh công cụ giao diện
Sơ đồ bộ PID

Quá trình điều khiển PID
Chức năng điều khiển
Cấu trúc chung của điều khiển mờ
Cấu tạo encorder quang
Hoạt động của encorder quang
Cấu trúc bộ điều khiển PID
Thành phần P
Thành phần I
Thành phần D
PID trên Khối bộ điều khiển Labview
Toolkit PID
Khối The PID function
Khối The PID advanced function
Khối The PID autotuning function
Khối The PID setpoint profile function
Khối The PID control Input Filter function
Khối The PID gain Schedule function
Khối The PID output Rate Limiter function
Khối The PID lead – lag function
Khối The PID EGU to % function
Khối The PID % to EGU function
Khảo sát với hàm truyền H(s)
Lưu đồ thuật toán
Chương trình mô phỏng
Giao diện giám sát
Sơ đồ điều khiển sử dụng PID mờ
Hàm thuộc của biến ngôn ngữ “e”
Hàm thuộc của biến ngôn ngữ biến thiên tốc độ “ d/dt”
Hàm thuộc của biến ngôn ngữ điện áp
Sơ đồ cấu trúc mạch vòng tốc độ

Mô hình điều khiển
Sơ đồ card giao tiếp
Sơ đồ các chân của card
5

Số
trang
1
3
4
5
6
7
9
12
12
18
19
20
21
21
21
22
22
23
23
24
25
25
25

26
26
26
27
27
28
28
29
30
32
33
33
35
37
38
38


Hình 3.5
Hình 3.6
Hình 3.7
Hình 3.8
Hình 3.9
Hình 3.10
Hình 3.11

Sơ đồ mạch công suất
Sơ đồ kết nối phần cứng
Lưu đồ thuật toán
Giao diện giám sát trên Front Panel

Chương trinh mô phỏng trên Block Diagram
Giao diện mô phỏng động cơ DC trên Front Panel
Chương trình mô phỏng động cơ DC trên Block Diagram

6

39
40
41
46
47
47
48


CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM LABVIEW
1.1. Giới thiệu về Labview
1.1.1. Labview là gì
“Labview (viết tắt của Laboratory Virtual Instrumentation Engineering
Workbench) là môi trường ngôn ngữ đồ họa hiệu quả trong việc giao tiếp đa
kênh giữa con người, thuật toán và các thiết bị.
Gọi Labview là ngôn ngữ đồ họa hiệu quả vì về cách thức lập trình,
Labview khác với các ngôn ngữ C (hay Python, Basic) ở điểm thay vì sử dụng
các từ vựng (từ khóa) cố định thì Labview sử dụng các khối hình ảnh sinh
động và các dây nối để tạo ra các lệnh và các hàm như trong hình. Cũng chính
vì

sự

khác biệt này mà Labview đã giúp cho việc lập trình trở nên đơn giản hơn bao

giờ hết, đặc biệt, Labview rất phù hợp đối với kỹ sư, nhà khoa học, hay giảng
viên. Chính sự đơn giản, dễ học, dễ nhớ đã giúp cho Labview trở thành một
trong những công cụ phổ biến trong các ứng dụng thu thập dữ liệu từ các
cảm biến, phát triển các thuật toán, và điều khiển thiết bị tại các phòng thí
nghiệm trên thế giới.

7


Hình 1.1: Hình ảnh phần mềm Labview
Về ý nghĩa kỹ thuật, Labview cũng được dùng để lập trình ra các
chương trình (source code: mã nguồn) trên máy tính tương tự các ngôn ngữ
lập trình dựa trên chữ (text-based language) như C, Python, Java, Basic.
Đồng thời, Labview hỗ trợ các kỹ sư, nhà khoa học và sinh viên, xây
dựng (thực thi) các thuật toán một cách nhanh, gọn, sáng tạo, và dễ hiễu nhờ
các khối hình ảnh có tính gợi nhớ và cách thức hoạt động theo kiểu dòng dữ
liệu (data flow) lần lượt từ trái qua phải. Các thuật toán này sau đó được áp
dụng lên các mạch điện và cơ cấu chấp hành thực nhờ vào việc kết nối hệ
thống thật với Labview thông qua nhiều chuẩn giao tiếp như chuẩn giao tiếp
RS232 (giao tiếp qua cổng COM), chuẩn USB, chuẩn giao tiếp mạng TCP/IP,
UDP, chuẩn GPIB. Vì vậy Labview là một ngôn ngữ giao tiếp đa kênh.” [7]
1.1.2. Vai trò của Labview
- Kiểm tra, đo kiểm và phân tích tín hiệu trong kỹ thuật (đo nhiệt độ, phân
tích nhiệt độ trong ngày)
- Thu thập dữ liệu (Data Acquisition), (thu thập các giá trị áp suất, cường
độ, dòng điện,…)
- Điều khiển các thiết bị (điều khiển động cơ DC, điều khiển nhiệt độ trong
lò …)
- Phân loại sản phẩm (dùng chương trình xử lý ảnh để phân biệt sản phẩm
bị lỗi, phế phẩm)

- Báo cáo trong công nghiệp (thu thập, phân tích dữ liệu và báo cáo cho
người quản lý ở rất xa thông qua giao thức truyền TCP/IP trong môi trường
mạng Ethernet)
- Giao tiếp máy tính và truyền dẫn dữ liệu qua các cổng giao tiếp (hỗ trợ
hầu hết các chuẩn giao tiếp như USB, PCI, COM, RS-232, RS-485)

8


Hình 1.2: Vai trò của Labview
1.1.3. Các bộ công cụ Labview
“NI cũng thêm vào Labview các bộ công cụ để đem lại các tiện ích khác
nhau như: tạo báo cáo, phân tích nâng cao, thông tin liên lạc cơ sở dữ liệu,
phân
tích âm thanh và rung động.
- Bộ công cụ kết nối cơ sở dữ liệu (Labview Database Connectivity
Toolkit).
- Bộ công cụ xử lý tín hiệu nâng cao (Labview Advanced Signal
Processing Toolkit).
- Bộ đo lường âm thanh và rung động (Labview Sound and Vibration
Measurement Suite).
- Bộ công cụ nhận dạng hệ thống (Labview System Identification
Toolkit).
- Bộ công cụ tương tác mô phỏng (Labview Simulation Interface Toolkit).
- Bộ công cụ theo dõi thực thi thời gian thực (Labview Real-Time
Execution Trace Toolkit).
- Bộ công cụ kết nối Internet (Labview Internet Toolkit).

9

- Bộ công cụ điều biến (Labview Modulation Toolkit).
- Bộ công cụ điều khiển PID (Labview PID Control Toolkit).
- Bộ công cụ thiết kế bộ lọc số (Labview Digital Filter Design Toolkit).” [3]
1.1.4. Bảng giao diện (The Front panel)
Front Panel là giao diện mà người sử dụng hệ thống nhìn thấy. Các VI
bao gồm một giao diện người dùng có tính tương tác mà được gọi là bảng
giao diện, vì nó mô phỏng mặt trước của một dụng cụ vật lý. Bảng giao diện
có thể bao gồm các núm, các nút đẩy, các đồ thị và các dụng cụ chỉ thị và điều
khiển khác. Bạn nhập vào dữ liệu sử dụng bàn phím và chuột rồi sau đó quan
sát các kết quả trên màn hình máy tính.
Vào Start>>All Programs>> National Instruments LabVIEW một
cửa
sổ Labview xuất hiện. Bạn tiếp tục chọn Evaluate và cửa sổ Getting Started
sẽ xuất hiện ngay sau đó. Bạn chọn Blank VI để hiển thị bảng giao diện hoặc
bạn có thể chọn New và sau đó hộp thoại New xuất hiện và trong hộp thoại
đó
mặc định con trở ở danh mục Blank VI. Để hiển thị bảng giao diện bạn chỉ
cần
kích vào nút OK ở phía góc phải dưới. Cả hai cách trên đều để mở bảng giao
diện

mới

để

bạn

có

thể

xây

dựng

một

VI

mới

hoàn

toàn.

Ngoài ra bạn có thể mở một bảng giao diện có sẵn trong Labview bằng
cách trong hộp thoại New, từ mục Create New, lựa chọn VI>>From
template>>Tutorial (Getting Started)>>Generate and Display. Và sau đó
9
kích nút OK để hiển thị bảng giao diện. Bảng giao diện sẽ xuất hiện như hình
sau đây:

10


Hình 1.3: Giao diện Labview
Ta cũng có thể mở bảng giao diện của một VI có sẵn trong thư viện
Labview bằng cách trong hộp thoại bảng giao diện vào File>>Open sau đó
kích đúp vào các ví dụ có sẵn. Trong khi VI đang tải, một hộp thoại xuất hiện,

cái mà mô tả tên của VI hiện thời đang tải, tên của điều khiển cứng mà VI
được
định vị trên đó, các thư mục và các đường dẫn đang được tìm kiếm, và số
lượng
VI trong quá trình tải. Hộp thoại xuất hiện như hình bên dưới:

Hình 1.4: Mô tả tên của VI

11


Trong bảng giao diện bao gồm một thanh công cụ của các nút lệnh và các
dụng cụ chỉ báo trạng thái mà bạn sử dụng cho quá trình chạy và xử lý các VI.
Nó cũng bao gồm những tuỳ chọn phông và các tuỳ chọn phân phối và sắp
thành
hàng cho việc soạn thảo các VI.

Hình 1.5: Thanh công cụ giao diện
Trong đó:
1. Nút chạy chương trình (thanh không sáng – bị vỡ: lỗi, phải sửa lại chương
trình)
2. Nút chạy lặp
3.Nút dừng cưỡng ép chương trình
4.Nút tạm dừng
5. Text setting (màu sắc, định dạng, kích thước- phông)
6. Gióng đều đối tượng theo hàng dọc và ngang
7. Phân bố các đối tượng
8.Thay đổi kích thước các đối tượng
9. Lệnh bổ sung
10. Cửa sổ trợ giúp

1.2. PID và Fuzzy Logic Toolkit trên Labview
1.2.1.PID là gì?

12


Điều khiển PID là gì? Bộ điều khiển PID (Proportional – Intergal –
Derivative Controller) là bộ hiệu chỉnh có phản hồi nhằm làm giá trị sai lệch
của tín hiệu điều khiển bằng 0.

Hình 1.6: Sơ đồ bộ PID
Bộ PID có 3 thành phần :
- Proportional : Tỉ lệ
- Intergal : Tích phân
- Derivative : Đạo hàm
Cả 3 thành phần này đều có vai trò đưa giá trị sai lệch về 0.
- Tín hiệu phản hồi (feedback signal) thường là tín hiệu thực được đo bằng
cảm biến.
- Giá trị sai lệch (e) là hiệu của tín hiệu đặt (setpoint) và tín hiệu phản hồi.
- PID là bộ điều khiển thông dụng nhất trong công nghiệp vì tính dể áp dụng
và mang lại chất lượng điều khiển ổn định cho hệ thống. Cụ thể là bộ PID
thường được sử dụng trong điều khiển động cơ DC, robot, các hệ thống
trong ôtô, điều khiển áp suất, băng chuyền…
Hiện nay, thuật toán PID là thuật toán điều khiển thường được sử dụng
trong ngành công nghiệp. Thông thường, người sử dụng PID để kiểm soát quy
13


trình bao gồm hệ thống sưởi ấm và làm mát, giám sát mức chất lỏng, kiểm
soát dòng chảy, và kiểm soát áp lực. Trong điều khiển PID, chúng ta phải chỉ

định một biến quá trình và điểm đặt. Biến quá trình là tham số hệ thống bạn
muốn kiểm soát, chẳng hạn như nhiệt độ, áp suất, hoặc tỷ lệ dòng chảy, và các
điểm đặt là giá trị mong muốn cho các tham số bạn đang kiểm soát.
Một bộ điều khiển PID xác định một giá trị đầu ra điều khiển, chẳng hạn
như nóng điện hoặc vị trí của van. Bộ điều khiển áp dụng giá trị đầu ra điều
khiển với hệ thống, do đó thúc đẩy các quá trình diễn biến về phía điểm đặt
giá trị.
Bộ điều khiển PID so sánh điểm đặt (SP) để biến quá trình (PV) để có
được những lỗi (e): e(t) = SP – PV
Sau đó bộ điều khiển PID tính : u(t) = K c (
Khâu tỉ lệ được tính bằng công thức: up(t) = Kce
Khâu tích phân được tính: ui(t) =
Khâu vi phân được tính bằng công thức: uD(t) = KCTD
Trong các ứng dụng, thay đổi SP thường lớn hơn và nhanh hơn so với
tải, trong khi nhiễu phụ tải xuất hiện như là một sự khởi đầu chậm chạp của
các kiểm soát biến từ SP. PID điều chỉnh cho tốt tải xáo trộn phản ứng thường
là kết quả của các phản hồi SP với các dao động không thể chấp nhận. Tuy
nhiên, điều chỉnh cho phản ứng SP tốt thường mang lại chậm chạp phản ứng
tải-sự xáo trộn. Các yếu tố β, khi thiết lập để ít hơn một, làm giảm các vượt
SP-phản ứng mà không ảnh hưởng đến đáp ứng tải xáo trộn, cho thấy việc sử
dụng một thuật toán PID hai mức độ-tự do. Bằng trực giác, β là một chỉ số về
tầm quan trọng đáp ứng SP, từ số không đến một. Ví dụ, nếu bạn xem xét phản
ứng tải vòng quan trọng nhất hiệu suất, thiết β to 0.0. Ngược lại, nếu bạn
muốn biến quá trình để nhanh chóng làm theo sự thay đổi SP, thiết lập từ β
đến 1.
UP(k) = (Kceb(k))

14

(1.1)

Sử dụng tự động điều chỉnh để cải thiện hiệu suất. Thông thường, nhiều
bộ điều khiển được chỉnh kém. Kết quả là, một số điều khiển là quá nhanh và
một sốbộ điều khiển là quá chậm chạp. PID điều khiển rất khó để điều chỉnh
khi chúng ta không biết độ quá điều chỉnh hoặc rối loạn. Trong trường hợp
này, sử dụng tự động điều chỉnh. Trước khi chúng ta bắt đầu tự dò, chúng ta
phải thiết lập một sự ổn định để điều khiển, thậm chí nếu không chúng ta có
thể đúng cách điều chỉnh các điều khiển trên của riêng mình.
Hình 1.7 minh họa các thủ tục tự dò kích thích bởi sự tiếp sức tín hiệu
đặt thí nghiệm, kết nối một rơ le và một tín hiệu phản hồi thêm với điểm đặt.
Chú ý rằng PID Autotuning VI trực tiếp thực hiện điều này quá trình. Bộ điều
khiển hiện tại vẫn còn trong vòng lặp.

Hình 1.7: Quá trình điều khiển PID
Đối với hầu hết các hệ thống, các đặc tính phi tuyến tiếp sức tạo ra một
giới hạn chu kỳ, từ đó các thuật toán dò thông số xác định có liên quan thông
tin cần thiết cho PID điều chỉnh. Nếu bộ điều khiển hiện có tỷ lệ chỉ, các thuật
toán dò thông số xác định độ lợi tối thượng và cuối cùng kỳ Tu. Nếu mô hình
hiện tại là PI hoặc PID, các thuật toán dò động xác định thời gian chết và thời
gian Tp liên tục, đó là hai thông sốtrong mô hình không thể integral-plusdeadtime.
Trong thời gian điều chỉnh, quá trình vẫn trong tầm kiểm soát PID vòng
kín. Chúng ta không cần phải tắt các bộ điều khiển hiện có và thực hiện các thí
nghiệm dưới vòng hở điều kiện. Trong thí nghiệm rơle điểm đặt, tín hiệu SP
gương các SP cho PID người điều khiển.
PID Labview và Fuzzy Logic Toolkit sử dụng Ziegler và Nichols phương
pháp heuristic cho việc xác định các thông số của bộ điều khiển PID. Khi bạn
15

autotune, chọn một trong ba loại sau đây của các vòng lặp hiệu suất: nhanh
(1/4 tỷ lệ giảm xóc), bình thường (một số vượt qua), và chậm (ít vượt qua).
Tham khảo bảng điều chỉnh công thức sau cho mỗi loại thực hiện vòng lặp.
Bảng 1.1: Công thức của P-Only(fast)

Bảng 1.2: Công thức của P-Only(normal)

Bảng 1.3: Công thức của P-Only(slow)

Bảng 1.4: Công thức PI hay PID (fast)

Bảng 1.5:Công thức PI hay PID (normal)

16


Bảng 1.6:Công thức PI hay PID (slow)

PID VI và PID Lead-Lag VI trong Labview PID và mờ Logic Toolkit là
phụ thuộc thời gian. Một VI có thể có được thông tin thời gian hoặc từ một giá
trị mà bạn cung cấp để kiểm soát thời gian chu kỳ, dt, hoặc từ một thời gian
chẳng hạn như những người xây dựng vào PID VI. Nếu dt là ít hơn hoặc bằng
không, VI tính toán thời gian thông tin mới mỗi lần gọi nó. Tại mỗi cuộc gọi,
VI biện pháp thời gian kể từ khi cuộc gọi cuối cùng và sử dụng đó sự khác biệt
trong tính toán của nó. Nếu bạn gọi một VI từ một Vòng Trong khi đó sử dụng
một trong những thời gian Labview VI, nằm trên Time & Dialog Palette, bạn
có thể đạt được thời gian khá thường xuyên, và thủ môn nội bộ thời gian đền
bù cho các biến thể. Tuy nhiên, độ phân giải của Count Tick (ms) chức năng
được giới hạn tới 1 ms.
Nếu dt là một giá trị tích cực trong vài giây, VI sử dụng mà giá trị trong

các tính toán, bất kể thời gian trôi qua. National Instruments khuyến cáo bạn
sử dụng phương pháp này cho vòng nhanh, chẳng hạn như khi bạn sử dụng
mua lại phần cứng để thời gian các ứng dụng điều khiển đầu vào hoặc thời
gian thực. Tham khảo ví dụ VI nằm trong labview \ ví dụ \ kiểm soát \ pid \
prctrlex.llb thư mục cho các ví dụ của việc sử dụng thời gian với PID VI. nếu
bạncài đặt NI-DAQmx, bạn cũng có thể xem các ví dụ có liên quan trong
LabVIEW \ ví dụ \ DAQmx \ Control \ Control.llbdirectory. Theo lý thuyết điều
khiển, hệ thống điều khiển phải lấy mẫu một vật lý quá trình với một tốc độ
17


nhanh hơn khoảng 10 lần so với thời gian nhanh nhất liên tục trong quá trình
vật lý. Ví dụ, một hằng số thời gian của 60 s là điển hình cho một vòng điều
khiển nhiệt độ trong một hệ thống nhỏ. Trong trường hợp này, một chu kỳ
thời gian của khoảng 6 s là đủ. Đi xe đạp nhanh hơn cung cấp không có cải
tiến trong hiệu suất (Corripio 2000). Trong thực tế, chạy tất cả các kiểm soát
của bạn VI quá nhanh làm giảm các thời gian phản hồi của ứng dụng Labview
của bạn. Tất cả VI trong một vòng lặp thực hiện một lần mỗi lần lặp đồng thời
cùng một chu kỳ. Đến chạy nhiều kiểm soát VI với chu kỳ khác nhau và vẫn
chia sẻ dữ liệu giữa họ, ví dụ như trong một thác, bạn phải tách riêng thành
VI độc lập thời gian khi Loops. Hình 1.2.3 cho thấy một ví dụ về một timed khi
Loops.

Hình 1.8: Chức năng điều khiển
1.2.2. Fuzzy logic (logic mờ)
Điều khiển mờ là một cách hữu hiệu để mô tả một không gian đầu vào
(input space) tới một không gián đầu ra (output space).
Mục đích của điều khiển mờ là xây dựng một không gian tín hiệu ra
theo một không gian tín hiệu vào. Và cơ chế đầu tiên cho việc này là sử dụng
các luật if-then.

18


Hình 1.9: Cấu trúc chung của điều khiển mờ
-Thành lập logic mờ: đưa ra các nguyên lý cơ bản về lý thuyết mờ
-Đưa ra kết luận mờ: đưa ra phương pháp tìm tín hiệu đầu ra từ các tín hiệu
đầu vào
-Xây dựng hệ thống mờ với công cụ Fuzzy logic toolkit
Một hệ thống mờ là một hệ thống các biến có liên quan đến sử dụng
logic mờ.
Một người sử dụng điều khiển mờ được định nghĩa quy tắc để điều
khiển một hệ thống mờ dựa trên giá trị hiện tại của biến đầu vào.
Chúng ta có thể sử dụng các hệ thống mờ Designerand Logic Mờ VI để
thiết kế và hệ thống điều khiển mờ. Thiết kế một hệ thống mờ với hệ thống
thiết kế mờ, thông tin about the hệ thống Fuzzy.
Hệ thống mờ bao gồm ba phần chính: biến ngôn ngữ, thành viên chức
năng, và các quy tắc.
a.Các biến ngôn ngữ
Biến ngôn ngữ là đại diện cho các biến đầu vào và đầu ra các biến của
hệ thống bạn muốn kiểm soát. Đối với một lò sưởi, bạn có thể có hai biến ngôn
ngữ đầu vào, temperatureand hiện mong muốn nhiệt độ và biến ngôn ngữ
một đầu ra, khung cảnh nóng. Mỗi biến ngôn ngữ có một loạt các giá trị mong
đợi. Ví dụ, phạm vi nhiệt độ hiện tại có thể là 0-100 độ. Phạm vi của các mong
muốn temperaturemight là 50 đến 80 độ.
Một bộ điều khiển mờ đòi hỏi ít nhất một đầu vào biến ngôn ngữ và một
biến ngôn ngữ đầu ra.
b.Điều khoản và chức năng thành viên ngôn ngữ học
19

Về ngôn ngữ đại diện, hay nói cách khác chủng loại cho các giá trị của
một ngôn ngữ biến. Các biến ngôn ngữ nhiệt độ hiện tại và mong muốn nhiệt
độ từng có thể bao gồm các điều khoản về ngôn ngữ lạnh, trung bình, và nóng
bức. Các máy biến ngôn ngữ settingmight bao gồm các điều khoản về ngôn
ngữ off, thấp và cao. Chức năng số thành viên functionsare tương ứng với
ngôn ngữ điều kiện. Một hàm thành viên đại diện cho mức độ thành viên của
biến ngôn ngữ trong ngữ ngôn ngữ của họ. Mức độ thành viên là liên tục giữa
0 và 1, trong đó 0 là bằng 0% thành viên và 1 bằng 100% thành viên. Ví dụ,
các ngôn ngữ biến hiện nay temperaturemight có đầy đủ thành viên (1) trong
thời hạn ngôn ngữ nóng ở 100 độ, không có thành viên (0) trong thời hạn mà
ở 70 độ hoặc thấp hơn, và thành viên một phần ở mọi nhiệt độ từ 70 đến 100
độ.
c. Luật mờ
Luật mờ mô tả, các mối quan hệ giữa đầu vào và đầu ra biến ngôn ngữ
dựa trên các điều khoản ngôn ngữ của họ. Ví dụ, có lẽ bạn xác định các
nguyên tắc sau:
NẾU nhiệt độ hiện tại là lạnh và temperatureis mong muốn vừa phải,
THÌ cài đặt nóng và thiết lập thấp.
Các điều khoản "temperatureis hiện lạnh" và "temperatureis mong
muốn
vừa phải " là các tiền đề của quy định này. Các quy định cụ thể và liên kết cách
điều khiển logic mờ liên quan hai tiền đề để xác định giá trị thật cho các tiền
đề quy tắc tổng hợp. Mệnh đề "nóng settingis thấp " là hậu quả của quy tắc
này.
Một nguyên tắc điều khiển cho một hệ thống mờ. Các cơ sở quy tắc
tương đương để các chiến lược kiểm soát của bộ điều khiển.

20

CHƯƠNG 2: GIÁM SÁT TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU
2.1. Cấu tạo cơ bản động cơ một chiều
2.1.1. Cấu tạo động cơ một chiều
Động cơ điện 1 chiều là thiết bị ngoại vi được sử dụng rất rộng rãi do
điều khiển đơn giản, giá cả phải chăng. Mình mở luồng này để trao đổi về đặc
tính, các phương pháp điều khiển, mạch điều khiển phổ biến của động cơ điện
1 chiều.
“Động cơ điện một chiều là máy điện chuyển đổi năng lượng điện một
chiều sang năng lượng cơ. Máy điện chuyển đổi từ năng lượng cơ sang năng
lượng điện là máy phát điện.
Động cơ điện một chiều phân loại theo kích từ thành:
- Kích từ độc lập
- Kích từ song song
- Kích từ hỗn hợp
21


- Kích từ nối tiếp
Cấu tạo gồm 3 phần chính: stato (phần cảm), roto (phần ứng), phần
chỉnh lưu (chổi than và cổ góp).
- Stato của động cơ điện một chiều thường là một hoặc nhiều cặp nam
châm điện hoặc nam châm vĩnh cửu
- Rotor có các cuộn dây quấn và được nối với nguồn điện một chiều
- Bộ phận chỉnh lưu có nhiệm vụ đổi chiều dòng điện trong khi chuyển
động quay của rotor là liên tục” [8]
2.1.2. Nguyên lý làm việc
“Khi cho điện áp một chiều vào, trong dây quấn phần ứng có điện. Các
thanh dẫn có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực tác dụng làm rôto
quay, chiều của lực được xác định bằng quy tắc bàn tay trái. Khi phần ứng
quay được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn đổi chỗ cho nhau. Do có phiếu góp

chiều dòng điện dữ nguyên làm cho chiều lực từ tác dụng không thay đổi. Khi
quay, các thanh dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứng với suất điện động Eư chiều
của suất điện động được xác định theo quy tắc bàn tay phải, ở động cơ chiều
sức điện động Eư ngược chiều dòng điện Iư nên Eư được gọi là sức phản điện
động.” [4] Khi đó ta có phương trình:
U = Eư + Rư.Iư

(2.1)

2.2. Giám sát tốc độ động cơ một chiều
2.2.1.Khái niệm chung
“Thông thường, tốc độ quay của một động cơ điện một chiều tỷ lệ với
điện áp đặt vào nó, và ngẫu lực quay tỷ lệ với dòng điện. Điều khiển tốc độ của
động cơ có thể bằng cách điều khiển các điểm chia điện áp của bình ắc quy,
điều khiển bộ cấp nguồn thay đổi được, dùng điện trở hoặc mạch điện tử...
Chiều quay của động cơ có thể thay đổi được bằng cách thay đồi chiều nối dây
của phần kích từ, hoặc phần ứng, nhưng không thể được nếu thay đổi cả hai.
Thông thường sẽ được thực hiện bằng các bộ công tắc tơ đặc biệt (Công tắc
tơ đổi chiều).
22


Điện áp tác dụng có thể thay đổi bằng cách xen vào mạch một điện trở
nối tiếp hoặc sử dụng một thiết bị điện tử điều khiển kiểu chuyển mạch lắp
bằng Thyristor, transistor hoặc loại cổ điển hơn nữa bằng các đèn chỉnh lưu
hồ quang thủy ngân. Trong một mạch điện gọi là mạch băm điện áp, điện áp
trung bình đặt vào động cơ thay đổi bằng cách chuyển mạch nguồn cung cấp
thật nhanh. Khi tỷ lệ thời gian "on" trên thời gian "off" thay đổi sẽ làm thay
đổi điện áp trung bình. Tỷ lệ phần trăm thời gian "on" trong một chu kỳ
chuyển mạch nhân với điện áp cấp nguồn sẽ cho điện áp trung bình đặt vào

động cơ. Như vậy với điện áp nguồn cung cấp là 100V, và tỷ lệ thời gian On là
25% thì điện áp trung bình là 25V. Trong thời gian "Off", điện áp cảm ứng của
phần ứng sẽ làm cho dòng điện không bị gián đoạn, qua một đi ốt gọi là đi ốt
phi hồi, nối song song với động cơ. Tại thời điểm này, dòng điện của mạch
cung cấp sẽ bằng không trong khi dòng điện qua động cơ vẫn khác không và
dòng trung bình của động cơ vẫn luôn lớn hơn dòng điện trong mạch cung
cấp, trừ khi tỷ lệ thời gian "on" đạt đến 100%. Ở tỷ lệ 100% "on" này, dòng
qua động cơ và dòng cung cấp bằng nhau. Mạch đóng cắt tức thời này ít bị
tổn hao năng lượng hơn mạch dùng điện trở. Phương pháp này gọi là phương
pháp điều khiển kiểu điều biến độ rộng xung (pulse width modulation, or
PWM), và thường được điều khiển bằng vi xử lý. Đôi khi người ta còn sử dụng
mạch lọc đầu ra để làm bằng phẳng điện áp đầu ra và giảm bớt tạp nhiễu của
động cơ.
Vì động cơ điện một chiều kiểu nối tiếp có thể đạt tới mô men quay cực
đại từ khi vận tốc còn nhỏ, nó thường được sử dụng để kéo, chẳng hạn đầu
máy xe lửa hay tàu điện. Một ứng dụng khác nữa là để khởi động các loại
động cơ xăng hay động cơ điezen loại nhỏ. Tuy nhiên nó không bao giờ dùng
trong các ứng dụng mà hệ thống truyền động có thể dừng (hay hỏng), như
băng truyền. Khi động cơ tăng tốc, dòng điện phần ứng giảm (do đó cả
trường điện cũng giảm). Sự giảm trường điện này làm cho động cơ tăng tốc
23


cho tới khi tự phá hủy chính nó. Đây cũng là một vấn đề với động cơ xe lửa
trong trường hợp mất liên kết, vì nó có thể đạt tốc độ cao hơn so với chế độ
làm việc định mức. Điều này không chỉ gây ra sự cố cho động cơ và hộp số, mà
còn phá hủy nghiêm trọng đường ray và bề mặt bánh xe vì chúng bị đốt nóng
và làm lạnh quá nhanh. Việc giảm từ trường trong bộ điều khiển điện tử được
ứng dụng để tăng tốc độ tối đa của các phương tiện vận tải chạy bằng điện.
Dạng đơn giản nhất là dùng một bộ đóng cắt và điện trở làm yếu từ trường,

một bộ điều khiển điện tử sẽ giám sát dòng điện của động cơ và sẽ chuyển
mạch, đưa các điện trở suy giảm từ vào mạch khi dòng điện của động cơ giảm
thấp hơn giá trị đặt trước. Khi điện trở được đưa vào mạch, nó sẽ làm tăng
tốc động cơ, vượt lên trên tốc độ thông thường ở điện áp định mức. Khi dòng
điện tăng bộ điều khiển sẽ tách điện trở ra, và động cơ sẽ trở về mức ngẫu lực
ứng với tốc độ thấp.” [5]
2.2.2.Các phương pháp
Để điều khiển số vòng quay hay vận tốc động cơ thì chúng ta nhất thiết
phải đọc được góc quay của motor.
Một số phương pháp có thể được dùng để xác định góc quay của
motor bao gồm tachometer, hoặc dùng biến trở xoay, hoặc dùng encoder.
Trong đó 2 phương pháp đầu tiên là phương pháp analog và dùng optiacal
encoder (encoder quang) thuộc nhóm phương pháp digital.
Hệ thống optical encoder bao gồm một nguồn phát quang (thường là
hồng ngoại – infrared), một cảm biến quang và một đĩa có chia rãnh. Optical
encode

lại được chia thành 2 loại: encoder tuyệt đối (absolute optical

encoder) và encoder tương đối (incremental optical encoder). Trong đa số các
DC Motor, incremental optical encoder được dùng đa số.

24


Hình 2.1:Cấu tạo encorder quang
Encoder thường có 3 kênh (3 ngõ ra) bao gồm kênh A, kênh B và kênh I
(Index).
“Trong hình trên chú ý rằng có một lỗ nhỏ bên phía trong của đĩa quay
và một cặp phát-thu dành riêng cho lỗ nhỏ này. Đó là kênh I của encoder. Cứ

mỗi lần motor quay được một vòng, lỗ nhỏ xuất hiện tại vị trí của cặp phátthu, hồng ngoại từ nguồn phát sẽ xuyên qua lỗ nhỏ đến cảm biến quang, một
tín hiệu xuất hiện trên cảm biến. Như thế kênh I xuất hiện một “xung” mỗi
vòng quay của motor. Bên ngoài đĩa quay được chia thành các rãnh nhỏ và
một cặp thu-phát khác dành cho các rãnh này. Đây là kênh A của encoder,
hoạt động của kênh A cũng tương tự kênh I, điểm khác nhau là trong 1 vòng
quay của motor, có N “xung” xuất hiện trên kênh A. N là số rãnh trên đĩa và
được gọi là độ phân giải (resolution) của encoder. Mỗi loại encoder có độ
phân giải khác nhau, có khi trên mỗi đĩa chĩ có vài rãnh nhưng cũng có
trường hợp đến hàng nghìn rãnh được chia. Để điều khiển động cơ, ta phải
biết độ phân giải của encoder đang dùng. Độ phân giải ảnh hưởng đến

25