ĐIỀU KHIỂN HỆ CON LẮC NGƯỢC QUAY BẰNG PID

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

ĐIỀU KHIỂN HỆ CON LẮC NGƯỢC QUAY BẰNG PID

Họ và tên sinh viên: NGUYỄN CÔNG CHÍNH
NGUYỄN VĂN VŨ
Ngành: ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
Niên khóa: 2005 - 2009

Tháng 07/2009


ĐIỀU KHIỂN HỆ CON LẮC NGƯỢC QUAY BẰNG PID

Tác giả

NGUYỄN CÔNG CHÍNH
NGUYỄN VĂN VŨ

Khóa luận được đệ trình để đáp ứng yêu cầu
cấp bằng Kỹ sư ngành
Điều khiển tự động

Giáo viên hướng dẫn:
ThS. ĐẶNG PHI VÂN HÀI
ThS. NGUYỄN VĂN CÔNG CHÍNH

Tháng 07 năm 2009

i


LỜI CẢM TẠ
Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến quý Thầy Cô trường Đại Học
Nông Lâm T.p Hồ Chí Minh, những người đã truyền đạt cho chúng em những kinh
nghiệm cũng như những bài học hết sức quý báu trong suốt thời gian chúng em học tại
trường.
Chúng em xin trân trọng gửi lời cảm ơn đến tất cả các Thầy, Cô Khoa Cơ Khí –
Công Nghệ và đặc biệt là các Thầy, Cô Bộ môn Điều khiển tự động như: thầy Lê Văn
Bạn, thầy Nguyễn Văn Công Chính, cô Đặng Phi Vân Hài,... đã tận tình hướng dẫn,
giúp đỡ, cũng như tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất để chúng em hoàn thành tốt luận
văn này.
Chúng em xin gửi lời cảm ơn đến tất cả những người bạn, những người anh em,
những người đã cùng gắn bó, cùng học tập và giúp đỡ cho chúng em trong suốt quãng
thời gian qua cũng như trong quá trình hoàn thành luận văn này.
Cuối cùng, chúng em xin cảm ơn gia đình, và đặc biệt là những bậc sinh thành
đã nuôi dưỡng và dạy dỗ chúng em khôn lớn nên người để chúng em có thể đứng vững
trên đôi chân của mình trên quãng đường đời trước mắt.

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2009
Nguyễn Công Chính
Nguyễn Văn Vũ

ii


TÓM TẮT
Thế giới đang chuyển mình mạnh mẽ bằng các cuộc cách mạng vô cùng vĩ đại
trong khoa học – kỹ thuật. Trong sự phát triển không ngừng ấy chúng ta không thể

không nhắc đến sự vươn lên nhanh chóng của nền công nghiệp tự động hóa. Tự động
hóa phát triển như là một quy luật tất yếu, nó là một đòn bẩy làm thúc đẩy sự phát triển
và làm cho cuộc sống của chúng ta ngày càng hoàn thiện hơn. Và đất nước của chúng
ta cũng không nằm ngoài quy luật chung ấy.
Để có thể thúc đẩy đất nước đi lên con đường công nghiệp hoá, hiện đại hóa thì chúng
ta không còn cách nào khác là tăng tỷ trọng công nghiệp, đầu tư vào lĩnh vực tự động
hóa. Để đáp ứng được nhu cầu cấp bách ấy chúng ta cần có các kiến thức vững vàng
về lý thuyết điều khiển. Vì thế chúng em đã tiến hành thiết kế, nghiên cứu đối tượng
điều khiển “Con lắc ngược quay”.
Với mục đích tạo ra một mô hình thí nghiệm phục vụ đắc lực cho việc áp dụng các
tính chất của lý thuyết điều khiển, chúng em đã tiến hành thực hiện đề tài và đã hoàn
thành tương đối tốt các yều cầu được đặt ra:
- Hệ thống truyền động cơ khí đã hoạt động tốt
- Các mạch điện tử hoạt động tốt
- Các phần mềm hoạt động tương đối ổn định
Hệ thống có thể được ứng dụng ngay trong phòng thí nghiệm để nâng cao khả năng
ứng dụng thực nghiệm cho sinh viên các khóa sau.
GVHD:

SVTH:

ThS. Đặng Phi Vân Hài

Nguyễn Công Chính

ThS. Nguyễn Văn Công Chính

Nguyễn Văn Vũ

iii

MỤC LỤC
Trang tựa........................................................................................................................ i
LỜI CẢM TẠ ...............................................................................................................ii
TÓM TẮT....................................................................................................................iii
T

MỤC LỤC ................................................................................................................... iv
DANH SÁCH CÁC BẢNG .......................................................................................vii
DANH SÁCH CÁC HÌNH........................................................................................viii
Chương 1.MỞ ĐẦU ..................................................................................................... 1
Chương 2. TRA CỨU TÀI LIỆU................................................................................. 2
2.1. Các hệ thống con lắc ngược............................................................................................... 2
2.2. Tra cứu lý thuyết điều khiển tự động ................................................................................ 4
2.2.1. Lịch sử phát triển của lý thuyết điều khiển................................................. 4
2.2.2. Khái niệm điều khiển .................................................................................. 5
2.2.3. Các thành phần cơ bản ................................................................................ 5
2.2.4. Các nguyên tắc điều khiển .......................................................................... 5
2.2.5. Mô tả toán học hệ thống điều khiển liên tục ............................................... 6
2.2.6. Khảo sát tính ổn định của một hệ thống tự động ........................................ 7
2.2.7. Bộ điều khiển PID....................................................................................... 8
2.3. Tìm hiểu phần mềm MATLAB 6.5 mô phỏng động học cho hệ thống điều khiển... 10
2.3.1. Phần mềm MATLAB 6.5.......................................................................... 10
2.3.2 Một số lệnh mô tả toán học hệ thống tự động............................................ 12
2.4. Giới thiệu chương trình Bascom -AVR.......................................................................... 13
2.5. Tìm hiểu về phần mềm VISUAL BASIC 6.0 lập trình giao tiếp nhận dữ liệu từ Vi
điều khiển qua cổng nối tiếp.................................................................................................... 15
2.5.1. Phần mềm VISUAL BASIC 6.0 ............................................................... 15
2.5.2. Giao tiếp qua cổng COM .......................................................................... 16

2.6. Tra cứu tài liệu về các linh kiện điện tử .......................................................................... 18
2.6.1 Opto-isolator TPL521 type GB.................................................................. 18
2.6.2. IC cổng NAND 74hc00............................................................................. 19
2.6.3 Transistor A1015........................................................................................ 19
iv


2.7. Tìm hiểu vi điều khiển AVR............................................................................................ 19
2.8. Tra cứu encoder................................................................................................................. 21
2.9. Tìm hiểu phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ DC bằng điều chế độ rộng xung
PWM ......................................................................................................................................... 22
Chương 3. PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN ................................................... 24
3.1. Phương pháp thực hiện đề tài........................................................................................... 24
3.1.1. Chọn phương pháp thiết kế phần cứng ..................................................... 24
3.1.2. Chọn phương pháp giao tiếp và truyền nhận ............................................ 24
3.1.3. Chọn phương pháp thiết kế mạch ............................................................. 24
3.1.4. Chọn phương pháp thiết kế giao diện và viết phần mềm điều khiển........ 24
3.2. Phương tiện thực hiện đề tài............................................................................................. 24
Chương 4. THỰC HIỆN ĐỀ TÀI .............................................................................. 26
4.1. Các bước thực hiện trong quá trình thiết kế và thực hiện đề tài ................................... 27
4.2. Thiết kế và chế tạo cơ khí của mô hình con lắc ngược quay ....................... 28
4.2.3. Mô hình toán học của hệ thống con lắc ngược quay.................................................. 31
4.3. Chọn các thiết bị được áp dụng trong đề tài................................................................... 33
4.3.1. Chọn Vi điều khiển ................................................................................... 33
4.3.2. Chọn Encoder............................................................................................ 33
4.3.3. Tính toán và chọn công suất cho động cơ................................................. 33
4.4. Thiết kế và thi công các bo mạch chính và bo mạch công suất để điều khiển động cơ
DC và để kết nối, truyền nhận dữ liệu điều khiển................................................................. 35
4.4.1. Thiết kế mạch nguyên lý của bo mạch chính............................................ 35
4.4.2. Thiết kế mạch nguyên lý bo mạch công suất ............................................ 39

4.5. Nguyên tắc điều khiển con lắc ngược............................................................................. 43
4.6. Chương trình lập trình điều khiển hệ con lắc ngược quay............................................ 44
4.6.1. Lưu đồ thuật toán của chương trình vi điều khiển .................................... 44
4.6.2. Chương trình Visual Basic giám sát thu thập dữ liệu ............................... 49
Chương 5. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ...................................................................... 51
5.1. Kết luận.............................................................................................................................. 51
5.2. Đề nghị............................................................................................................................... 51
PHỤ LỤC ................................................................................................................... 53
v


DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
PID

Proportional Integral Derivative

MIMO

Multi Input Multi Ouptput

SISO

Single Input Single Output

P

Proportional

I

Integral

D

Derivative

MATLAB

Matrix Laboratory

VOM

Volt Ohm Meter

DTR

Data Terminal Ready

PWM

Pulse Width Modulation

RAD

Rapid Application Development

RxD

Receive Data

TxD

Transmit Data

RTS

Request To Send

UART

Universal Asynchronous Receiver Transmitter

OOP

Object Oriented Programming

MOSFET

Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor

PWM

Pulse Width Modulation

vi


DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 2.1: Chức năng của các chân ở cổng nối tiếp.......................................................17
Bảng 2.1: Các đặc tính của PL521 ................................................................................18

Bảng 2.2: Bảng khuyến cáo chế độ hoạt động của 74HC00 .........................................19
Bảng 2.3: Đặc tính dòng và áp khi hoạt động của Transistor A1015 ...........................19

vii


DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 2.4: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển.......................................................................5
Hình 2.5: Tín hiệu vào và tín hiệu ra của hệ thống tự động ............................................6
Hình 2.6: Mạch điều khiển PID liên tục..........................................................................8
Hình 2.7: Sơ đồ khối hệ thống dùng bộ điều khiển PID liên tục ....................................8
Hình 2.8: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển rời rạc ...........................................................9
Hình 2.9: Cửa sổ MATLAB ..........................................................................................11
Hình 2.10: Giao diện chính của phần mềm Bascom – AVR.........................................13
Hình 2.11: Hộp thoại Options .......................................................................................14
Hình 2.12: Hộp thoại programmer ................................................................................15
Hình 2.13: Giao diện Visual Basic 6.0 ..........................................................................16
Hình 2.14: (a) Hình dáng thật bên ngoài .......................................................................20
(b) Sơ đồ vị trí chân tương ứng ...................................................................20
Hình 2.15: Hình incremental encoder ...........................................................................22
Hình 4.1: Sơ đồ khối hệ thống con lắc ngược quay ......................................................26
Hình 4.3: Mô hình thiết kế cơ khí của hệ con lắc ngược quay......................................28
Hình 4.4: Hình ảnh mô hình sau khi đã chế tạo xong ...................................................29
Hình 4.5: Hình ảnh mô hình đã chế tạo xong theo hướng nhìn từ trên xuống..............30
Hình 4.6: Qui định hệ tọa độ của hệ thống....................................................................31
Hình 4.9: Sơ đồ nguyên lý của mạch chính...................................................................35
Hình 4.10: Sơ đồ nguyên lý của khối nguồn .................................................................36
Hình 4.11: Sơ đồ nguyên lý của mạch nạp....................................................................36
Hình 4.12: Sơ đồ nguyên lý của khối encoder ..............................................................37
Hình 4.13: Sơ đồ nguyên lý của khối giao tiếp .............................................................37

Hình 4.14: Sơ đồ nguyên lý của khối vi điều khiển ......................................................38
Hình 4.15: Sơ đồ nguyên lý của khối port out ..............................................................38
Hình 4.16: Sơ đồ nguyên lý chung của mạch công suất ...............................................39
Hình 4.17: Sơ đồ nguyên lý của khối nguồn Motor ......................................................40
Hình 4.18: Sơ đồ nguyên lý của khối logic ...................................................................40
Hình 4.19: Sơ đồ nguyên lý của khối cầu H và opto cách ly ........................................41
viii


Hình 4.20: Board mạch chính........................................................................................42
Hình 4.21: Board mạch công suất .................................................................................43
Hình 4.22: Lưu đồ giải thuật chương trình viết cho Vi điều khiển ...............................45
Hình 4.23: Lưu đồ giải thuật chương trình đếm xung encoder .....................................46
Hình 4.24: Lưu đồ thuật toán xác định chiều quay của encoder ...................................47
Hình 4.25: Lưu đồ thuật toán phần tính toán điều chỉnh...............................................48
Hình 4.26: Lưu đồ thuật toán chương trình lập trình trên máy tính ..............................49
Hình 4.27: Giao diện chính chương trình giám sát .......................................................50
Hình 4.28: Đồ thị sai lệch con lắc khi cho dao động tự do ...........................................50

ix


Chương 1
MỞ ĐẦU

Ngày nay, đất nước đang tiến những bước ngày càng gần đến với nền công
nghiệp hóa và hiện đại hóa. Những ứng dụng của tự động hóa ngày càng được tăng lên
trong các quá trình sản xuất cũng như trong cuộc sống hằng ngày của chúng ta.
Để có thể tham gia vào các quá trình sản xuất tự động hóa cũng như có thể cải
tiến được những hệ thống này thì đòi hỏi đội ngũ kỹ thuật phải có trình độ cao, đặc

biệt là những khối kiến thức vững vàng về lý thuyết điều khiển. Nhưng một phần
không nhỏ các hạn chế là chúng ta không thể tiếp cận được các đối tượng điều khiển
phù hợp, đặc biệt là trong quá trình học tập tại các giảng đường đại học.
Với mục đích tạo ra một bộ thí nghiệm có thể sử dụng ngay để đáp ứng nhu
cầu thực nghiệm, chúng em đã tiến hành nghiên cứu và chế tạo mô hình con lắc
ngược quay.
Các nghiên cứu về điều khiển hệ thống con lắc ngược đã được tiến hành khá sớm.
Trên phương diện nghiên cứu các kỹ thuật điều khiển hệ thống thực, con lắc ngược
đại diện cho lớp các đối tượng điều khiển có mức độ phi tuyến phức tạp. Để có thể
hiểu thêm về các phương pháp điều khiển cũng như có một cái nhìn tổng quát về
điều khiển hệ thống thực tế chúng ta nên tìm hiểu và phân tích một cách chính xác
hệ thống thực như hệ thống con lắc ngược quay.
Đặc tính động học của hệ thống con lắc ngược quay rất gần với các quá trình vật
lý cụ thể như quá trình phóng tên lửa hoặc hoạt động của cần cẩu khi chuyển động và
đang nâng vật nặng v.v... Với hệ thống này thì chúng ta có thể thử nghiệm với nhiều
phương thức điều khiển khác nhau.
Xuất phát từ những yêu cầu trên chúng em đã tiến hành thực hiện đề tài:
“Điều khiển hệ con lắc ngược quay bằng PID”
1


Chương 2
TRA CỨU TÀI LIỆU

2.1. Các hệ thống con lắc ngược
Hệ thống con lắc ngược quay (Rotary Inverted Pendulum) là một hệ thống đại
diện cho một lớp đối tượng điều khiển có mức độ phi tuyến phức tạp trong lĩnh vực
điều khiển nói chung. Trong hệ thống này điều cần thiết nhất là chúng ta phải điều
khiển vận tốc của cánh tay để giới hạn góc lệnh thẳng đứng của cần lắc quanh một giá
trị xác lập.

Đã có khá nhiều nghiên cứu của nhiều chuyên gia về cân bằng hệ thống con lắc
ngược quay này dựa trên lý thuyết điều khiển tuyến tính. Luật điều khiển dựa trên điều
khiển năng lượng bằng cách sử dụng cân bằng tuần tự, để có thể gia tăng vị trí con lắc
từ thấp lên cao.
Một vài nhà nghiên cứu có thể kể ra đây với những phương án điều khiển khác
nhau như sau:
- Zhong và Rock sử dụng quan hệ tuyến tính để điều khiển độ lợi trong hệ thống có
hồi tiếp.
- Astrom và Furata điều khiển bằng phương pháp “Bang Bang”. Phương pháp này
cũng dựa vào năng lượng đưa vào hệ thống, tuy nhiên năng lượng này dưới dạng tín
hiệu gia giảm từng bước để cho hệ thống đạt được vị trí xác lập như mong muốn.
- Một phương pháp khác là điều khiển “Swing up” của Iraj HassanZadeh.
- Và một vài phương pháp khác: điều khiển mờ, điều khiển tối ưu, điều khiển bền
vững,...
Mô hình hệ thống con lắc ngược quay gồm có:
- Một bộ điều khiển
- Một cánh tay
- Một con lắc
2


- Cơ cấu chấp hành: động cơ DC
- Cảm biến: hai encoder
Một vài hệ thống con lắc ngược trên thực tế như:
- Hệ thống con lắc ngược gồm có một cart (xe di động thẳng) và một quả lắc

Hình 2.1: Hệ con lắc dạng cart - pole
-

Hệ thống con lắc ngược gồm quả lắc và cánh tay, cả hai cùng thực hiện chuyển

động quay.:
Cánh tay chuyển động trong mặt phẳn ngang

Hình 2.2: Hệ con lắc ngược quay 1 (nguồn từ internet)

3


- Hệ thống con lắc ngược quay có cánh tay quay trong mặt phẳng thẳng đứng

Hình 2.3: Hệ con lắc ngược quay 2 (nguồn từ internet)
2.2. Tra cứu lý thuyết điều khiển tự động
2.2.1. Lịch sử phát triển của lý thuyết điều khiển
Lý thuyết và kỹ thuật điều khiển tự động trong những năm gần đây đã có những
bước nhảy vọt nhờ sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật máy tính và công nghệ thông tin.
Đi từ lý thuyết điều khiển kinh điển (trước năm 1960) mô tả hệ thống trong
miền tần số (phép biến đổi Fourier) và mặt phẳng s (phép biến đổi Laplace). Nó thích
hợp để thiết kế hệ thống một ngõ vào - một ngõ ra (SISO), rất khó áp dụng cho các hệ
thống có nhiều ngõ vào - nhiều ngõ ra (MIMO) và các hệ thống biến đổi theo thời
gian. Các khâu hiệu chỉnh được sử dụng trong phương pháp này là hiệu chỉnh vi tích
phân tỉ lệ PID, hiệu chỉnh sớm trễ pha,...
Đến lý thuyết điều khiển hiện đại (khoảng năm 1960 đến nay), lý thuyết 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. Nó có ưu điểm là có thể dễ dàng áp dụng cho hệ
MIMO và hệ biến đổi theo thời gian. Bộ điều khiển được sử dụng trong thiết kế hệ
thống điều khiển hiện đại là bộ điều khiển hồi tiếp trạng thái.
Cả điều khiển kinh điển và điều khiển hiện đại (gọi chung là điều khiển thông
thường) có chung một khuyết điểm là để thiết kế được hệ thống điều khiển cần phải
biết được chính xác mô hình toán học của đối tượng. Để khắc phục điều này thì có một
trường phái điều khiển mới được ứng dụng ngày càng rộng rãi đối với những hệ thống

4


phức tạp không thể biết chính xác mô hình toán học đã ra đời, đó là lý thuyết điều
khiển thông minh với điều khiển mờ và mạng thần kinh nhân tạo. Một khuyết điểm
của điều khiển thông minh là mang tính thử sai và chủ yếu dựa vào kinh nghiệm của
các chuyên gia.
2.2.2. Khái niệm điều khiển
Điều khiển là quá trình thu thập 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.
2.2.3. Các thành phần cơ bản
Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển: bắt buộc gồm có ba thành
phần cơ bản là thiết bị đo lường, bộ điều khiển và đối tượng điều khiển. Thiết bị đo
lường có chức năng thu thập thông tin, bộ điều khiển thực hiện chức năng xử lý
thông tin, ra quyết định điều khiển và đối tượng điều khiển chịu sự tác động của tín
hiệu điều khiển.

Hình 2.4: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển
Trong đó: r(t) (reference input): tín hiệu vào, tín hiệu chuẩn
c(t) (controlled output): tín hiệu ra
cht(t): tín hiệu hồi tiếp
e(t) (error): sai số
u(t): tín hiệu điều khiển
2.2.4. Các nguyên tắc điều khiển
Nó được xem là kim chỉ nam để thiết kế hệ thống điều khiển đạt chất lượng cao
và có hiệu quả nhất.
5

Nguyên tắc thông tin phản hồi: theo nguyên tắc này có điều khiển bù nhiễu,
điều khiển san bằng sai lệch và phối hợp cả hai. Các hệ thống điều khiển chất lượng
cao thường là phối hợp cả điều khiển bù nhiễu và san bằng sai lệch.
Nguyên tắc đa dạng tương xứng
Nguyên tắc bổ sung ngoài
Nguyên tắc dự trữ
Nguyên tắc phân cấp
Nguyên tắc cân bằng nội
Phân loại điều khiển
Có nhiều cách phân loại hệ thống điều khiển tùy theo mục đích của sự phân loại.
- Phân loại theo phương pháp phân tích và thiết kế: hệ thống tuyến tính – phi
tuyến, hệ thống bất biến - hệ thống biến đổi theo thời gian.
- Phân loại theo tín hiệu trong hệ thống: hệ thống liên tục, hệ thống rời rạc.
- Phân loại theo mục tiêu điều khiển: điều khiển ổn định hóa, điều khiển theo
chương trình, điều khiển theo dõi, điều khiển thích nghi và điều khiển tối ưu.
2.2.5. Mô tả toán học hệ thống điều khiển liên tục
Có hai phương pháp để mô tả toán học hệ thống tự động đó là phương pháp
hàm truyền đạt và phương pháp không gian trạng thái. Phương pháp hàm truyền đạt
chuyển quan hệ phương trình vi phân thành quan hệ phân thức đại số nhờ phép biến
đổi Laplace, trong khi đó phương pháp không gian trạng thái biến đổi phương trình
vi phân bậc cao thành hệ phương trình vi phân bậc nhất thông qua việc đặt các biến
trạng thái.
2.2.5.1. Hàm truyền đạt
Định nghĩa: Hàm truyền của một hệ thống là tỉ số giữa biến đổi Laplace của tín hiệu ra
và biến đổi Laplace của tín hiệu vào khi điều kiện đầu bằng 0.

Hình 2.5: Tín hiệu vào và tín hiệu ra của hệ thống tự động

6

Ký hiệu: G ( s ) =

C (s)
được gọi là hàm truyền của hệ thống
R(s)

2.2.5.2. Các khâu hiệu chỉnh
Trong hệ thống tự động các khâu hiệu chỉnh thường là các bộ điều khiển đơn
giản được sử dụng để biến đổi hàm truyền đạt của hệ thống nhằm tăng tính ổn định,
cải thiện đáp ứng và giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu lên chất lượng của hệ thống. Có
hai dạng hiệu chỉnh là hiệu chỉnh tích cực và hiệu chỉnh thụ động.
- Hiệu chỉnh thụ động gồm: khâu tích phân bậc một, khâu vi phân bậc một, khâu
sớm pha, khâu trễ pha.
- Hiệu chỉnh tích cực gồm: khâu tỉ lệ P, khâu tích phân tỉ lệ PI, khâu vi phân tỉ lệ
PD và khâu vi tích phân tỉ lệ PID.
2.2.5.3. Đặc tính động học của hệ thống
- Đặc tính thời gian của hệ thống mô tả sự thay đổi tín hiệu ở đầu ra của hệ thống
khi tín hiệu ở đầu ra của hệ thống khi tín hiệu vào là hàm xung đơn vị hay hàm nấc
đơn vị.
- Đặc tính tần số của hệ thống là tỉ số giữa tín hiệu ra ở trạng thái xác lập và tín
hiệu vào là hình sin.
2.2.6. Khảo sát tính ổn định của một hệ thống tự động
Yêu cầu đầu tiên đối với một hệ thống điều khiển tự động là hệ thống phải giữ
được trạng thái ổn định khi chịu tác động của tín hiệu vào và chịu ảnh hưởng của
nhiễu lên hệ thống.
Ổn định là yêu cầu đầu tiên đối với một hệ thống điều khiển tự động, song chưa
phải đủ để hệ thống được sử dụng trong thực tế. Nhiều yêu cầu khác cũng không kém
phần quan trọng là hệ thống phải thỏa mãn cùng lúc các tiêu chuẩn về chất lượng như
là độ chính xác, độ ổn định, đáp ứng quá độ, độ nhạy, khả năng chống nhiễu,... Để

đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển có thể dùng các tiêu chuẩn như: sai số xác
lập, độ vọt lố, thời gian đáp ứng, độ dự trữ ổn định, tiêu chuẩn tích phân.
Như vậy:
Hệ con lắc ngược quay là một hệ phi tuyến, biến đổi theo thời gian, tín hiệu đặt
là vị trí zero của con lắc và zero của cánh tay. Tín hiệu hồi tiếp là dạng tín hiệu số, cho
nên bộ điều khiển là bộ điều khiển số chứ không phải bộ điều khiển lấy mẫu dữ liệu.
7


tín hiệu hồi tiếp là góc xoay của cánh tay và góc xoay của con lắc dưới dạng lượng
xung phát ra từ encoder.
2.2.7. Bộ điều khiển PID
- PID (Proportional Integral Derivative): khâu vi tích phân tỉ lệ
- Bộ điều khiển PID thì có hai loại là bộ điều khiển PID liên tục và bộ điều khiển
PID rời rạc.
- Bộ điều khiển PID liên tục:

Hình 2.6: Mạch điều khiển PID liên tục
- Hàm truyền của khâu PID là:
GPID ( s ) = K P +

trong đó: K P = −

KI
+ KDs
s

(2.1)

R1C1 + R2C2

1
; KI = −
; K D = −R2C1
R1C2
R1C2

Quan hệ trong miền thời gian giữa tín hiệu ra và tín hiệu vào của khâu PID là:
t

v0 (t ) = K P vi (t ) + K I ∫ vi (t ) dt + K D
0

dvi (t )
dt

(2.2)

Dựa vào biểu thức (2.1) ta thấy khâu vi tích phân tỉ lệ PID có đặc điểm là tín hiệu ra tỉ
lệ với tín hiệu vào, tích phân của tín hiệu vào và vi phân của tín hiệu vào.

Hình 2.7: Sơ đồ khối hệ thống dùng bộ điều khiển PID liên tục
8


- Bộ điều khiển PI, PD, PID rời rạc:
Với T là chu kỳ lấy mẫu thì rời rạc của các khâu PI, PD, PID lần lượt là:

Hình 2.8: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển rời rạc
KIT z + 1
2 z −1

K z −1
GPD ( z ) = K P + D
T z
K T z +1 KD z −1
GP I D ( z ) = K P + I
+
2 z −1 T z

GP I ( z ) = K P +

(2.3)

Từ phương trình (2.2) ta nhận thấy với các yêu cầu thiết kế về đáp ứng quá độ
và sai số xác lập thì chúng ta có thể chọn các thông số phù hợp cho bộ điều khiển PID
số được mô tả trong phương trình này.
- Tác dụng của các khâu hiệu chỉnh:
Khâu hiệu chỉnh tỉ lệ P:
Hàm truyền: G ( s) = K P
Dựa vào đặc tính thời gian và đặc tính tần số thì ta nhận thấy khi hệ số khuyếch
đại K P càng lớn thì sai số xác lập càng nhỏ, tuy nhiên khi K P tăng thì các cực của hệ
thống nói chung có xu hướng chuyển ra xa trục thực, điều đó có nghĩa là đáp ứng của
hệ thống càng dao động, độ vọt lố càng cao. Nếu K P tăng quá giá trị hệ số khuyếch đại
giới hạn thì hệ thống trở nên mất ổn định. Do đó nếu không thể có sai số của hệ thống
bằng 0 thì cũng không thể tăng hệ số khuyếch đại lên vô cùng.
Khâu hiệu chỉnh vi phân tỉ lệ PD:
Hàm truyền: G ( s) = K P + K D s = K P (1 + TD s)
Trong đó K D = K PTD , với TD là thời hằng vi phân của bộ điều khiển PD.
Khâu hiệu chỉnh PD có đặc điểm của khâu hiệu chỉnh sớm pha, nghĩa là làm
nhanh đáp ứng hệ thống, giảm thời gian quá độ. Tuy nhiên do hệ số khuyếch đại ở tần
9

số cao của khâu hiệu chỉnh PD là vô cùng lớn nên khâu hiệu chỉnh làm cho hệ thống
rất nhạy với nhiễu tần số cao.
Khâu hiệu chỉnh tích phân tỉ lệ PI:
Hàm truyền: G ( s ) = K P +
Trong đó K I =

KI
1
= K P (1 + )
s
TIs

KP
, với TI được gọi là thời hằng tích phân của bộ điều khiển PI.
TI

Khâu hiệu chỉnh PI có đặc điểm của khâu hiệu chỉnh trễ pha, nghĩa là làm chậm
đáp ứng quá độ, tăng độ vọt lố, giảm sai số xác lập. Do hệ số khuyếch đại của khâu PI
bằng vô cùng tại tần số bằng 0 nên khâu hiệu chỉnh PI làm cho sai số đối với tín hiệu
vào là hàm nấc của hệ thống không có khâu vi phân lý tưởng bằng 0. Ngoài ra do khâu
PI là một bộ lọc thông thấp nên nó còn có tác dụng triệt tiêu nhiễu tần số cao tác động
vào hệ thống.
Vậy chúng ta có thể đi đến nhận xét như sau:
Do khâu hiệu chỉnh PID có thể xem là khâu PI mắc nối tiếp với khâu PD nên nó
có các ưu điểm của khâu PI và PD. Nghĩa là khâu hiệu chỉnh PID cải thiện đáp ứng quá
độ (giảm vọt lố, giảm thời gian quá độ) và giảm sai số xác lập (nếu đối tượng không có
khâu vi phân lý tưởng thì sai số xác lập đối với tín hiệu vào là hàm nấc bằng 0).
2.3. Tìm hiểu phần mềm MATLAB 6.5 mô phỏng động học cho hệ thống điều

khiển
2.3.1. Phần mềm MATLAB 6.5
- MATLAB nguồn gốc từ chữ matrix laboratory, là ngôn ngữ máy tính dùng để
tính toán kỹ thuật. Ban đầu MATLAB được lập ra để giải quyết các phép tính trên ma
trận, và điều này khiến cho MATLAB được ứng dụng rất lớn trong nhiều ngành kỹ
thuật khác nhau so với các ngôn ngữ lập trình khác tính toán trên số vô hướng.
- MATLAB kết hợp tính toán với lập trình và đồ họa trong môi trường phát
triển tương tác, thời gian lập trình chỉ bằng một phần nhỏ so với thời gian lập trình
bằng các ngôn ngữ khác nhờ vào các hàm có sẵn
- MATLAB là sản phẩm của công ty The Mathworks Inc.
- Sức mạnh của MATLAB dựa trên các phần chính:

10


Môi trường phát triển: gồm các công cụ và tiện nghi giúp viết chương trình, sử
dụng các hàm MATLAB và các file.
Thư viện các hàm toán học của MATLAB: bao gồm từ các hàm sơ cấp như tính
tổng, sin, tính số phức cho đến các hàm phức tạp như hàm nghịch đảo ma trận, tính trị
riêng, biến đổi Fourier nhanh,...
Ngôn ngữ MATLAB: gồm các lệnh cấp cao xử lý mảng/ ma trận, lệnh rẽ
nhánh, lập vòng, xuất nhập, cấu trúc dữ liệu, lập trình đối tượng,...
Xử lý đồ họa: hiển thị dữ liệu ở dạng đồ họa hai chiều, ba chiều, hoạt hình, xử
lý ảnh và đặc biệt là cho phép viết giao diện đồ họa người dùng GUI (Graphical User
Interface).
Thư viện API của MATLAB: cho phép lập trình một cách dễ dàng thông qua
việc có thể liên kết và gọi các chương trình lập trình một cách dễ dàng.
Các hộp dụng cụ: là tập hợp các hàm MATLAB viết sẵn để giải quyết các vấn
đề thuộc về một chuyên nghành nào đó như xử lý tín hiệu, xử lý ảnh, điều khiển mờ,
mạng nơrôn,... Nhờ các toolbox này mà ứng dụng của MATLAB rất rộng.

Hình 2.9: Cửa sổ MATLAB
Giao diện cơ bản của MATLAB gồm các thành phần sau:
- Menu Bar: các trình đơn của MATLAB.
11


- Cửa sổ lệnh (Command Window): với dấu nhắc >> dùng để chạy các lệnh của
MATLAB, viết chương trình, chạy chương trình...
- Cửa sổ Lịch sử lệnh (Command History): liệt kê các lệnh đã sử dụng trước đó
kèm theo thời gian bắt đầu. Dùng cửa sổ lệnh để chép lại các lệnh vào cửa sổ Lệnh.
- Cửa sổ Thư mục hiện tại (Current History): cho biết thư mục hiện tại đang sử
dụng.
- Cửa sổ Không gian làm việc (Workspace: cho biết các biến được sử dụng trong
chương trình.
Các cửa sổ này có thể tắt hay bật từ menu View.
2.3.2 Một số lệnh mô tả toán học hệ thống tự động
Lệnh tf (transfer function): tạo ra hệ thống mô tả bởi hàm truyền
-

Cú pháp: G=tf(TS,MS) tạo ra hàm truyền G có tử số là đa thức TS, còn mẫu số là

đa thức MS.
Lệnh minreal: đơn giản hàm truyền
-

Cú pháp: G = minreal(G) triệt tiêu các thành phần giống nhau ở tử số và mẫu số để

được hàm truyền tối giản.
Lệnh series: tìm hàm truyền hệ thống nối tiếp

-

Cú pháp: G=series(G1,G2) hàm truyền G = G1*G2

Lệnh paralell: tìm hàm truyền hệ thống song song
-

Cú pháp: G=paralell(G1,G2) hàm truyền G = G1+G2

Lệnh feedback: tính hàm truyền của hệ thống hồi tiếp
-

Cú pháp: Gk=feedback(G,H) tính hàm truyền hệ thống nối tiếp âm

Gk = G/(1+G*H)
Lệnh ss: biến đổi mô tả toán học từ dạng hàm truyền về dạng phương trình trạng thái
- Cú pháp: PTTT=ss(G): biến đổi hàm truyền G đổi về dạng phương trình trạng thái.
Lệnh step: tính và vẽ đáp ứng nấc
-

Cú pháp: step(sys, t)

Lệnh impulse: tính và vẽ đáp ứng xung đơn vị
-

Cú pháp: impulse(sys,t)

Lệnh rlocus: vẽ quỹ tích nghiệm
-

Cú pháp: rlocus(sys,t)
12


2.4. Giới thiệu chương trình Bascom -AVR
Giao diện chính của chương trình:

Hình 2.10: Giao diện chính của phần mềm Bascom – AVR
- Các bước thực hiện trên Bascom để viết và nạp một chương trình cho Vi điều
khiển AVR họ Atmel.
Bước 1: Mở chương trình Bascom từ StartÆ ProgramÆMCS electronicsÆBascomAVR ta vào được giao diện chính như hình trên.
Bước 2: Tạo một chương trình mới bằng cách Click chuột vào biểu tượng

hoặc

vào Menu File Æ New một trang mới được tạo ra. Có thể bắt đầu đánh các lệnh vào
vùng viết chương trình. Sau khi hoàn tất chương trình chuyển qua bước 3.
Bước 3: Từ cửa sổ chương trình click chuột lên biểu tượng

hoặc vào menu

Program Æ Syntax check để kiểm tra chương trình có lỗi hay không. Sau khi kiểm tra
hoàn tất không có lỗi tiếp tục thực hiện bước 4.

13


Bước 4: Từ cửa sổ chương trình click chuột lên biểu tượng

hoặc vào menu Program

Æ Compiler để biên dịch chương trình từ ngôn ngữ lập trình thành ngôn ngữ máy dưới
dạng file.hex. Ta vào Menu Options Æ Programmer một hộp thoại xuất hiện bên dưới.

Hình 2.11: Hộp thoại Options
Chọn mạch nạp tương ứng với loại đang dùng Æ OK chuyển qua bước 5
Bước 5: Từ cửa sổ chương trình click chuột lên biểu tượng
Æ Send to chip một hộp thoại xuất hiện

14

hoặc vào menu Program


Hình 2.12: Hộp thoại programmer
Từ cửa sổ hộp thoại click chuột lên biểu tượng

để nạp cho vi điều khiển, sau

đó chương trình sẽ kiểm tra kết quả nạp nếu thấy dòng chữ Verify OK hiện lên thì đã
nạp thành công.
2.5. Tìm hiểu về phần mềm VISUAL BASIC 6.0 lập trình giao tiếp nhận dữ liệu
từ Vi điều khiển qua cổng nối tiếp
2.5.1. Phần mềm VISUAL BASIC 6.0
- Visual Basic là ngôn ngữ lập trình cấp cao 32 bit được sử dụng để viết các
chương trình chạy trong Windows. VB sử dụng kiểu lập trình hướng đối tượng, người
dùng lập trình trên các đối tượng với các thuộc tính của nó.
- Lập trình hướng đối tượng OOP (Object – Oriented Programming): Các thành
phần được phân thành các đối tượng (object) và viết cách ứng xử riêng cho từng đối
tượng sau đó kết hợp chúng lại thành chương trình.

15