Thiết kế chế tạo bộ điều khiển PID ghép nối giữa máy tính và vi điều khiển PSoC dùng cho động cơ robot di động

TR

IăH CăQU CăGIAăHĨăN I
NGă IăH CăCỌNGăNGH

Nguy năNg căH i

THI TăK ăCH ăT OăB ă I UăKHI NăPIDăGHÉP
N IăGI AăMÁYăTệNHăVÀăVIă I UăKHI NăPSoCăă
DÙNG CHOăă NGăC ăROBOTăDIă
NG

LU NăV NăTH CăS

HàăN iă- 2008


TR

IăH CăQU CăGIAăHĨăN I
NGă IăH CăCỌNGăNGH

Nguy năNg căH i

THI TăK ăCH ăT OăB ă I UăKHI NăPIDăGHÉPă
N IăGI AăMÁYăTệNHăVÀăVIă I UăKHI NăPSoCăă
DỐNGăCHOăă NGăC ăROBOTăDIă
NG
Ngành : Côngăngh i năt -Vi năthông
Chuyênăngành:ăK ăthu tă i năt
Mưăs :ă60 52 70

LU NăV NăTH CăS
NG

IăH

NGăD NăKHOAăH C

PGS. TS. Tr năQuangăVinh

HàăN iă- 2008


L IăCAMă OAN
Tôiăđưăth căhi năđ ătàiălu năv năt tănghi p v iătênăđ ătàiălà:“Thi tăk ăch ăt oăb ă
đi uăkhi năPIDăghépăn iăgi aămáyătínhăvƠăviăđi uăkhi năPSoCădùngăchoăđ ngă
c ărobotădiăđ ng”.ăTôiăxinăcamăđoanăr ngăn iădungăđ căvi tătrongălu năv nălàă
hoànătoànătrungăth c,ăcácătàiăli uăthamăkh oăđ yăđ ăvàăcóăngu năg cărõăràng.ăN uă
có gì sai tôi xinăch uăhoànătoànătráchănhi m.
Hà N i 10/2008
Nguy năNg căH i


M CăL C
Trangăbìaăph
L iăcamăđoan
M căl c
Danhăm căcácăhìnhăv
M ă U
Ch

1

ngă1-T NGăQUANăV ăK ăTHU Tă I UăKHI N

3

1.1. Kháiăni m

3

1.2. Cácănguyênăt căđi uăkhi năt ăđ ng

4

1.2.1. Nguyênăt căgi ă năđ nh

4

1.2.2. Nguyênăt căđi uăkhi nătheoăch

ngătrình

5

1.3. Phơnălo iăh ăth ngăđi uăkhi n

5

1.4. Môăhìnhătoánăh căc aăh ăth ngă

6

1.4.1. Ph

ngătrìnhăviăphânăc aăcácăh ăth ngăv tălý

6

1.4.2. X păx ătuy nătínhăc aăcácăh ăth ngăv tălý

8

1.4.3. Phépăbi năđ iăLaplace

9

1.4.4. Hàmătruy năđ t c aăcácăh ăth ngătuy nătính

10

1.4.5. Ph

10

1.5. Ch tăl

ngătrìnhătr ngăthái

ngăc aăquáătrìnhăđi uăkhi n

11

1.5.1.

ánhăgiáăch tăl

ngă ăch ăđ ăxácăl pă

11

1.5.2.

ánhăgiáăch tăl

ngă ăquáătrìnhăquáăđ

12

1.6. Nơngăcaoăch tăl

ngăh ăth ngăđi uăkhi n

13

1.6.1. Hi uăch nhăs măphaăLead

13

1.6.2. Hi uăch nhătr ăphaăLeg

14

1.6.3. Hi uăch nhătr -s măphaăLeg-Lead

14

1.6.4.

i uăkhi năt ăl ăP

15

1.6.5.

i uăkhi năT ăl ă- Tích phân PI

15

1.6.6.

i uăkhi năT ăl ă- Vi phân PD

16


1.6.7.

Ch

ngă2-

i uăkhi năT ăl ă- Tích phân ậ Vi phân PID

16

NGăC ăM TăCHI UăVÀăNGUYểNăT Că I UăKHI Nă
PID CHO
NGăC ăM TăCHI U
18

2.1. C uăt oăvƠănguyênălýăho t đ ngăc aăđ ngăc ăm tăchi u

2.2.

2.3.

2.1.1. Gi iăthi uăv ăđ ngăc ăm tăchi u

18

2.1.2. C uăt oăđ ngăc ăm tăchi u

19

2.1.3. Nguyênălýălàmăvi căc aăđ ngăc ăm tăchi u

20

2.1.4. Phânălo iăđ ngăc ăm tăchi u

20

2.1.5. Côngăsu tăđi năt ăvàămomentăđi năt

21

Nguyênălýăđi uăkhi năđ ngăc ăm tăchi u
2.2.1.

ngăc ăm tăchi uăđi uăkhi nădòngăđi năc aăph nătr

2.2.2.

ngăc ăm tăchi uăđi uăkhi năb iăph nă ng

22
ng

i uăkhi năPIDăchoăđ ngăc ăm tăchi u

23
24
26

2.3.1. B ăđi uăkhi năPID

26

2.3.2. S ăđ ăđi uăkhi năPID

26

2.3.3.

Ch

18

i uăkhi nămôăt ăm tăchi uătheoălu tăPID

28

ngă3-XỂYăD NGăB ă I UăKHI NăPIDă NGăD NGăCHOă
ROBOTăDIă

NG

31

3.1. Thi tăk ăh ăth ngăđi uăkhi năđ ngăc ăchoărobotădiăđ ng.

31

3.1.1.

ngăc ăs ăd ngăchoărobotădiăđ ng

31

3.1.2. S ăđ ăh ăth ngăđ ngăc ăchoărobotădiăđ ng

31

3.1.3. Nguyênălýăđi uăkhi năđ ngăc ăb ngăm chăc uăH

32

3.1.4. Thi tăk ăm chăc uăHăđi uăkhi năđ ngăc ăb ngăviăm chăL289

33

3.2. Xơyăd ngăb ăđi uăkhi năPIDăchoăđ ngăc ăv iăviăđi uăkhi năPSoC
C8Y29466
3.2.1. S ăl

căv ădòngăviăđi uăkhi năPSoC.

35
35


3.2.2. Thi tăk ăb ăđi uăkhi năđ ngăc ăb ngăcácăxungăđi năcó đ ăr ng
bi năđ i

38

3.2.3. C uăt oăvàănguyênăt căho tăđ ngăc aăb ăl pămư đ ngăc ă
m tăchi u

39

3.2.4. Thi tăk ăb ăxácăđ nhăt căđ ăvàăchi uăquayăđ ngăc ăb ngă
cácăb ăđ m

41

3.2.5. S ăđ ăb ăđi uăkhi năPIDăđi uăkhi năđ ngăc .

42

3.2.6. Gi iăthu tăPIDăđi uăkhi năt căđ ăđ ngăc ătrongăth căt

42

3.3. Thi tăk ăch ngătrìnhăgiaoăti pătruy năthamăs ăchoăviăđi u
khi năđ ăxácăđ nhăcácăthamăs ăPID
3.3.1. Ch

ngătrìnhătruy năthamăs ăđi uăkhi năchoăb ăđi uăkhi năPID

3.3.2. Truy năn iăti păkhôngăđ ngăb ătheo chu năRS232
Ch

ngă4-M TăS ăK TăQU ăVÀăTH OăLU N

46
46
47
48

4.1. B ăPIDăđi uăkhi năđ ngăc ăm tăchi u.

48

4.2. M tăs ăk tăqu ăkh oăsátăquáătrìnhăđi uăkhi năPIDă ngăd ngăchoă
đ ngăc ăm tăchi u

49

4.2.1. Kh oăsátătínăhi uăPWMăđi uăkhi nămô-t

49

4.2.2. Kh oăsátăquáătrìnhăđi uăkhi năb ăPIDă ngăd ngăchoăđi uăkhi nă
đ ngăc

50

4.3. Th oălu n

52

K TăLU N

54

TÀIăLI UăTHAMăKH O

55

PH ăL CăA ậ Phépăbi năđ iăLaplace

56

PH ăL CăB ậ Cácăthôngăs ăc aămô-t ăm tăchi u

59

PH ăL CăC - Mƣăngu năcácăch

60

ngătrìnhăs ăd ngătrongălu năv n


DANHăM CăCÁCăHÌNHăV
Hình 1.1.

S đ c a h th ng đi u khi n

Hình 1.2.a. Ph

ng pháp bù tác đ ng bên ngoài

Hình 1.2.b. Ph

ng pháp đi u khi n theo sai l ch

Hình 1.2.b. Ph

ng pháp h n h p

Hình 1.3.

H th ng lò xo – v t c n

Hình 1.4.

H RLC

Hình 1.5.

H th ng g m m đ u vào và r đ u ra

Hình 1.6.

S đ m t h th ng đi u khi n vòng kín

Hình 1.7.

Các tiêu chí đánh giá ch t l

ng đi u khi n trong quá trình quá đ

Hình 1.8.

c tính logarit c a hi u ch nh s m pha (K = 1, T = 0.1, a = 5)

Hình 1.9.

c tính logarit c a hi u ch nh tr pha (K = 1, T = 0.1, a = 5)

Hình 1.10.

c tính logarit c a đi u khi n PI (K = 1, Ti = 0.1)

Hình 1.11.

c tính logarit c a đi u khi n PD (K = 1, Td = 10)

Hình 1.12.

c tính logarit c a đi u khi n PID

Hình 2.1.

M t s lo i đ ng c m t chi u trong th c t

Hình 2.2.

C u t o c a đ ng c m t chi u

Hình 2.3.

C u t o Roto đ ng c đi n m t chi u

Hình 2.4.

S đ nguyên lý làm vi c c a đ ng c đi n m t chi u

Hình 2.5.

S đ c a đ ng c m t chi u

Hình 2.6.

Mô hình s đ kh i c a đ ng c đi u khi n b i ph n tr

Hình 2.7.

Mô hình s đ kh i c a đ ng c đi u khi n b i ph n ng

Hình 2.8.

Minh h a tác d ng c a đi u khi n P

Hình 2.9.

Minh h a tác d ng c a đi u khi n I

Hình 2.10.

Minh h a tác d ng c a đi u khi n D

Hình 2.11.

S đ b đi u khi n PID

ng

Hình 2.12.

S đ đi u khi n t c đ mô-t m t chi u có m c t i

Hình 2.13.

S đ kh i c a h đi u khi n v trí tr c quay mô-t

Hình 3.1.

Môt s d ng cho robot di đ ng

Hình 3.2.

S đ h th ng đ ng c cho robot di đ ng

Hình 3.3.

S đ m ch c u H đi u khi n motor

Hình 3.4.

Vi m ch L289N

Hình 3.5.

N i song song hai m ch c u H c a vi m ch L289N

Hình 3.6.

M ch b o v cho vi m ch L289N

Hình 3.7.

M ch nguyên lý đi u khi n đ ng c

Hình 3.8.

S đ c u trúc vi đi u khi n PsoC

Hình 3.9.

Tín hi u PWM đi u khi n t c đ môt

Hình 3.10.

C u t o và tín hi u c a b gi i mã quang đ n kênh.

Hình 3.11.

C u t o và tín hi u c a b gi i mã quang hai kênh.

Hình 3.12

S đ chuy n tr ng thái c a b gi i mã quang 2 kênh

Hình 3.13.

S đ các b đ m đ đ c tín hi u gi i mã quang 2 kênh

Hình 3.14.

S đ các b đ m đ đ c tín hi u gi i mã quang 2 kênh trong PSoC

Hình 3.15.

S đ b đi u khi n PID cho đ ng c robot

Hinh 3.16.

R i r c hóa quá trình tính toán PID

Hình 3.17.

L u đ ch ng trình n p cho vi đi u khi n đ đi u khi n đ ng c
robot di đ ng

Hình 3.18.

Giao di n ch

Hình 4.1.

S đ b đi u khi n PID cho đ ng c m t chi u có giao ti p v i
máy tính

Hình 4.2.

M ch đi u khi n PID

Hình 4.3.

S ph thu c c a t c đ mô-t vào tín hiêu PWM

Hình 4.4.

ng trình giao ti p v i PSoC

i u khi n P v i v n t c đ t 720 vòng/phút


Hình 4.5.

i u khi n P,I v i KI = 0,1

Hình 4.6.

i u khi n P,I v i KI = 0,5

Hình 4.7.

i u khi n P,I v i KI = 3,5


M ă

U

Các ngăd ngărobotăvàoăcu căs ngăhi nănayăh uănh ăkhôngăcònălàăđi u m iă

m .ăCácărobotăđ că ngăd ngăr ngărưiătrongăs năxu tăcôngănghi p,ăph că v ăchoă
thámăhi m,ăyăh căvàătrongăr tănhi uăl nhăv căkhác.ăHi nănay,ăh uăh tăcácăh ăth ngă
t ăđ ngătrongăcôngănghi păđ uăcóăs ăgópăm tăc aăcácărobotăvàămangăl iăhi uăqu ă
h tăs cătoăl năv iă uăđi mănh :ăcungăc păkh ăn ngăđi uăkhi năchínhăxác,ăhi uăsu tă
caoăvàăcóăth ăt oăraă m tăh ăth ngăs năxu tă năđ nh.ăM tătrongănh ngăn căphátă
tri nă ngăd ngărobotăcôngănghi păđi năhìnhălàăNh tăB n.ă năcu iăn mă1995ăcóă
kho ngă 387.000ă robotă côngă nghi p đ căs ă d ngă t iă qu că giaă nàyă vàă cóă kho ngă
80.000ărobotăcôngănghi păđ căs ăd ngăt iăM ă ăcùngăth iăđi măđó.ă
Bênă c nhă cácă robotă đ că nghiênă c uă vàă ch ă t oă đ ă ngă d ngă trongă côngă
nghi p,ăcácărobotădiăđ ngăt ăqu nătr ă(hayălàărobotăthôngăminhănhânăt o)ăhi năc ngă
đangălàăm iăquanătâmăđ căbi tăc aăh uăh tăcácăphòngăthìănghi mărobotătrênăth ăgi iă
vìănh ngăkh ăn ngă ngăd ngătoăl năvàăhi uăqu ăc aănó.ăRobotădiăđ ngăt ăqu nătr ă
làărobotăcóăkh ăn ngăt ăho chăđ nhăđ ngăđiăvàăđ nhăv ăthôngătină(kh ăn ngăt ăl pă
b năđ ăvàăxácăđ nhăv ătríăchínhăxácăc aărobot)ătrongăquáătrìnhădiăchuy nătrongămôiă
tr ngănh măth căhi năm tănhi măv ăđưăđ căđ tăraăt ătr c.ăV iăkh ăn ngănàyă
robotă diă đ ngă t ă qu nă tr ă cóă th ă dùngă choă cácă nhi mă v ă thámă hi mă đ iă d ng,ă
khôngă gian…ă ho că ă nh ng n iă nguyă hi m,ă đ că h iă đ ă thayă th ă choă conă ng i.ă
M tărobotădiăđ ngăt ăqu nătr ăth ngăbaoăg m:ăcácăh ăth ngăc măbi năđ ăthuăth pă
thôngătinăv ămôiătr ngăxungăquanh,ăm tăb ăđi uăkhi nătrungătâmădùngăchoăvi că
ho chăđ nhăho tăđ ngăc aărobotăvàăm tăc ăc uăch păhành,ăđóălàăb ăph năgiúpărobotă
cóă th ă diă chuy nă ho că thaoă tácă trongă môiă tr ngă màă nóă ho tă đ ng,ă c ă th ă ăđâyă
th ngă làă cácă h ă th ngă mô-t ,ă đ că đi uă khi nă tr că ti pă t ă b ă đi uă khi nă trungă
tâm.
i uăkhi năchuy năđ ngăc aărobotăt ăqu nătr ăr tăquanătr ngăvìănóăquy tăđ nhă
robotăcóăth căhi năđúngăđ căchi năl căho chăđ nhăc aărobotănh măđ tăđ năđ că
m cătiêuăhayăkhông,ăvàăcôngăvi căchínhăc aăđi uăkhi năho tăđ ngăc aărobotăchínhă
làăđi uăkhi năh ăth ngămôt ăt oăraăcácăchuy năđ ngăc aărobot.
Vi căđi uăkhi năchuy năđ ngăc aărobotăg păph iănhi uătr ăng iănh :ăcácăc ă
c uăc ăkhíăkhóăcóăth ăđ căch ăt oăhoànătoànăchínhăxácăvàăđ iăx ng,ăb ăm tăcácă
môiă tr ngă chuy nă đ ngă cóă đ ă maă sátă khácă nhau,ă saiă s ă sinhă raă trongă quáă trìnhă

đi uăkhi n…ăd năđ năt căđ ăc aăcácămôt ăkhó năđ nhăvàăđ ngănh t.ăNh ngătr ă


TÀIăLI UăTHAMăKH O
Ti ngăVi t
1.

oànă H uă Ch c (2007), Thi t k ch t o b đi u khi n PID đi u khi n
m ch đi n, tr. 38-56,ăLu năv năTh căs ăkhoaăh căCôngăngh ă i năt ă- Vi nă
thông,ăTr ngă iăh căCôngăngh ă- iăh căQu căgiaăHàăN i,ăHàăN i.

2. LêăV ăHàă(2006),ăK thu t đi u khi n, NXBă
N i.

iăh căQu căgiaăHàăN i,ăHàă

3. Nguy năPhùngăQuangă(2006),ăMATLAB & SIMULINK dành cho k s đi u
khi n t đ ng, NXBăKhoaăh căvàăK ăthu t,ăHàăN i.
4. NgôăDiênăT pă(2004),ă o l
h căvàăK ăthu t,ăHàăN i.ă

ng và

i u khi n b ng máy tính, NXB Khoa

5. NgôăDiênăT pă(2005),ăK thu t ghép n i máy tính, NXBăKhoaăh căvàăK ă
thu t,ăHàăN i.ă
6. Tr nă Quangă Vinh,ă (2007),ă C u trúc máy vi tính, NXBă
HàăN i,ăHàăN i.

iă h că Qu că Giaă

7. Tr năQuangăVinh,ăV ăTu năAnh,ăPhùngăM nhăD ng,ăTr năHi uă(2006),ă
“Xâyă d ngă robotă diă đ ngă đ că d nă đ ngă b ngă cácă c mă bi nă siêuă âmă vàă
c măbi nă nhătoànăph ng”,ăTuy n t p h i ngh toàn qu c l n th 3 v C
đi n t , tr. 153-160.
8. Tr nă Quangă Vinh,ă Phùngă M nhă D ng,ă Tr nă Hi uă (2005),ă “Giámă sátă vàă
đi uăkhi nărobotădiăđ ngăquaăm ngăLANăvôătuy năvàăINTERNET”,ăT p chí
khoa h c, tr. 85-91.
Ti ngăAnh
9. Allen J. Stubberud, Ivan J. Williams, Joseph J. DiStefano (1994), Feedback
and Control Systems, McGraw-Hill.
10. Brian R. Hunt, Ronald L. Lipsman, Jonathan M. Rosenberg, Kevin R.
Coombes, John E. Osborn, Garrett J. Stuck (2006), A Guide to MATLAB:
For Beginners and Experienced Users, Cambridge University Press.
11. Chi-Tsong Chen (2006), Analog and Digital Control System Design:
Transfer-Function, State-Space, and Algebraic Methods, Oxford University
Press, USA.
12. Jan Axelson (1998), Serial Port Complete – Programming and Circuits for
RS-232 and RS-485 Links and Networks, Lakeview Research-Pap/Dsk
edition, USA.


13. Manfred Schleicher, Frank Blasinger (2004), Control Engineering-A Guide
for beginners, JUMO GmbH & Co. KG Fulda, Germany.
14. Patrick Marchand, O. Thomas Holland (2003), Graphic and GUIs with
MATLAB, Chapman & Hall/CRC.