thiết kế và ứng dụng PID Fuzzy điều khiển tốc độ động cơ dùng arduino và labview

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ GIÁM SÁT TRỰC TIẾP TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC TRÊN
PHẦN MỀM LABVEIW SỬ DỤNG THUẬT TOÁN PID VÀ FUZZY LOGIC


CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM LAPVIEW
I.1.

Tổng quan về phần mềm Labview
1.1.1. Giới thiệu chung
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 nghiên cứu 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.

Hình 1.1. Biểu tượng của phần mềm Lapview
Trong Labview chúng ta có thể xây dựng giao diện người sử dụng bằng việc thiết
lập các công cụ và các đối tượng. Giao diện người sử dụng được hiểu như là một front
panel rồi sau đó đưa code vào trong sơ đồ khối để điều khiển các đối tượng ở trên front
panel. Sơ đồ khối cũng có thể hiểu như một lưu đồ thuật toán.
Labview được tích hợp đầy đủ các chức năng giao tiếp với các phần cứng GPIB,
VXI, PXI, RS-232, RS-485, các thiết bị thu nhận dữ liệu. Lapview cũng xây dựng các
đặc trưng cho việc kết nối các ứng dụng của bạn với Wed ứng dụng sử dụng Labview
Wed Server và chuẩn mạng TCP/IP và Active X.

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).

Hình 1.2. Vai trò của Labview
I.2.
Các khối chức năng trong bài toán
1.2.1. Khối Control Design and Simulation
 Control Design là một quá trình liên quan đến việc phát triển mô hình toán
học mô tả một hệ thống vật lý, phân tích các mô hình để tìm hiểu về đặc điểm
năng động của họ, và tạo ra một bộ điều khiển để đạt được các đặc tính năng
động nhất định.
 Simulation Module là một quá trình liên quan đến việc sử dụng phần mềm để
tái tạo và phân tích hành vi của các hệ thống năng động. Bạn sử dụng quá trình
mô phỏng để giảm chi phí phát triển sản phẩm bằng cách đẩy mạnh phát triển
sản phẩm. Bạn cũng sử dụng quá trình mô phỏng để cung cấp cái nhìn sâu sắc
vào các hành vi của các hệ thống năng động, bạn không thể tái tạo thuận tiện

trong phòng thí nghiệm.
Tất cả VI liên quan đến các mô-đun và bộ công cụ được đặt trong thiết kế điều
khiển và mô phỏng Toolkit:

•

Simulation Module (mô phỏng)


Các mô phỏng Palette trong LabVIEW:

Các tính năng chính trong bảng mô phỏng bao gồm:
• Control and Simulation Loop (Kiểm soát và mô phỏng vòng) - Bạn phải đặt tất
cả các chức năng mô phỏng trong một Control & Simulation Vòng hoặc trong một
hệ thống phụ mô phỏng.

Control & Simulation Vòng có một Node Input (phía trên bên trái góc) và một
Node Output (góc trên bên phải). Sử dụng các nút Input để cấu hình các thông số
mô phỏng theo chương trình. Bạn cũng có thể cấu hình các thông số tương tác bằng
cách sử dụng cấu hình mô phỏng thông số hộp thoại. Truy cập hộp thoại này bằng
cách nhấp đúp vào nút Input hoặc bằng cách kích chuột phải vào biên giới và chọn
Configure Simulation Parameters từ menu chuột phải.
• Continuous Function Linear Systems (Liên tục chức năng tuyến tính hệ thống)
- Sử dụng chức năng tuyến tính Hệ thống liên tục để đại diện cho các hệ thống
tuyến tính liên tục của các phương trình vi phân trên sơ đồ mô phỏng.


Integrator -Tích hợp một tín hiệu đầu vào liên tục sử dụng các phương trình
vi phân thường (ODE) giải bạn chỉ định cho các mô phỏng.
Derivative-Đạo hàm một tín hiệu đầu vào liên tục sử dụng các phương

trình vi phân thường (ODE) giải bạn chỉ định cho các mô phỏng.

Transport delay- Trì hoãn tín hiệu đầu vào bằng số lượng thời gian bạn chỉ
định.
Transfer function- Thực hiện một mô hình hệ thống ở dạng hàm truyền.
Bạn xác định mô hình hệ thống bằng cách xác định Tử số và mẫu số của phương
trình hàm truyền.
State-Space- Thực hiện một mô hình hệ thống ở dạng không gian trạng
thái. Bạn xác định mô hình hệ thống bằng cách xác định các ma trận đầu vào, đầu
ra, tiểu bang và truyền trực tiếp.
• Signal arithmetic functions (Chức năng tín hiệu số học) - Sử dụng các chức
năng tín hiệu số học để thực hiện phép tính số học cơ bản về tín hiệu trong một hệ
thống mô phỏng

•

Design Control(Thiết kế kiểm soát)


Design Control là một quá trình liên quan đến việc phát triển mô hình toán
học mô tả một hệ thống vật lý, phân tích các mô hình để tìm hiểu về đặc
điểm năng động của bài toán, và tạo ra một bộ điều khiển để đạt được các
đặc tính năng động nhất định.
Các Thiết kế kiểm soát Palette trong LabVIEW:

LabVIEW PID and Fuzzy Logic Toolkit
NI LabVIEW PID và Fuzzy Logic Toolkit thêm thuật toán điều khiển để
LabVIEW. Bằng cách kết hợp các chức năng điều khiển logic PID và mờ trong bộ
công cụ này với các hàm toán học và logic trong phần mềm LabVIEW, bạn có thể
nhanh chóng phát triển các chương trình điều khiển tự động. Bạn có thể tích hợp

các công cụ kiểm soát với sức mạnh của thu thập dữ liệu.
 PID control (Kiểm soát PID)
•


Hiện nay, tỉ lệ-Integral-Derivative (PID) thuật toán là thuật toán điều khiển phổ
biến nhất được sử dụng trong ngành công nghiệp.Thông thường, người sử dụng
PID để điều khiển các quá trình bao gồm hệ thống sưởi và làm mát hệ thống, theo
dõi mức chất lỏng,dòng điều khiển và kiểm soát áp lực. Trong điều khiển PID, bạn
phải xác 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 tốc độ dòng chảy, và
các điểm đặt là giá trị mong muốn cho tham số bạn đang kiểm soát. Một bộ điều
khiển PID xác định một giá trị đầu ra điều khiển, chẳng hạn như sức mạnh nóng
hoặc vị trí van. Bộ điều khiển áp dụng giá trị sản lượng điều khiển hệ thống, do đó
thúc đẩy quá trình biến đối với giá trị điểm đặt.
•

The PID function

- Output range: Dải giá trị đầu ra.
- Setpoint: Giá trị thiết lập.
- Process variable: Giá trị của biến điều chỉnh khi có vòng phản hồi.
- PID gains: Bộ tham số của bộ điều khiển PID.
- dt(s): Vi phân của thời gian, giá trị này được thiết lập khi thời gian đáp ứng là nhỏ
hoặc bằng 0.
- Reinitialize: Tham số bên trong dùng để thiết lập giá trị của bộ điều khiển PID trở
về giá trị mặc định.
- Output: giá trị tín hiệu đầu ra.
- dt out(s): giá trị đầu ra khi dt(s) được thiết lập. Hàm PID thực hiện chức năng điều
khiển dưới hình thức tính tổng hoặc song song.PID không có bộ lọc, vì vậy sẽ bị ảnh

hưởng bởi nhiễu. PID không được thiết lập ở chế độ bằng tay, điều này gây khó khăn
để sử dụng trong hiệu chỉnh và khởi động.
•

The PID advanced function


- Manual control: Thiết lập giá trị điều khiển bằng tay
- Auto (T): Đây là chức năng tiên tiến của bộ điều khiển PID. Lựa chọn chế độ điều
khiển tự động hay bằng tay, nếu tự động là True, nếu bằng tay là False.
- Setpoint range: dải giá trị đặt.
- Beta: Giá trị để thay đổi tải, nằm trong khoảng từ 0 đến 1, lấy giá trị mặc định là 1.
- Linearity: độ tuyến tính của đáp ứng lỗi Hàm PID advanced là hàm PID nâng cao
bởi vì ngoài những đặc điểm giống với PID function, PID advanced được thiết lập ở
chế độ bằng tay. Có hai chế độ điều khiển là tự động hay và bằng tay. Và giá trị tín
hiệu điều khiển bằng tay sẽ không ảnh hưởng khi bạn lựa chọn chế độ điều khiển tự
động. Chính vì vậy mà PID advanced được sử dụng phổ biến.
•

The PID autotuning function

- Autotuning parameters: Tham số tự điều chỉnh
- Autotune: Khi bắt đầu yêu cầu tự động điều chỉnh tham số này có giá trị là True, khi
đầu vào chịu sự điều chỉnh của cơ học thì giá trị được mặc định là False.
- Tuning completed: có thể lấy giá trị đầu ra này để quay trở lại phản hồi với các bộ
tham số PID.
- PID gains out: Giá trị các tham số của bộ điều khiển sau khi tự động điều chỉnh Điều
chỉnh tự động bằng cách thay đổi chế độ ON/OFF của Rơle. Thông tin của sự điều
chỉnh đó dùng để tính toán các tham số của bộ điều khiển.

•

The PID setpoint profile function

- Setpoint profile: Thiết lập các giá trị đặt đầu vào của hàm thời gian.
- Profile complete: Hoàn chỉnh giá trị đặt của thời gian.
- Elapsed time(s): Thời gian chạy thiết lập giá trị thời gian đặt là một hằng số hoặc là
một hàm tuyến tính.
•

The PID control Input Filter function

Đầu vào của tín hiệu được đưa qua bộ lọc, sau đó sẽ cho qua phép đo để giảm
thiểu nhiễu tác động.
•

The PID gain Schedule function

- Gain scheduling value: Giá trị đầu vào các tham số PID của quy trình khuếch đại.
The PID gain Schedule function có thể cài đặt nhiều bộ tham số PID khác nhau trong
PID gain Schedule.

•

The PID output Rate Limiter function


- Input (Controller output): Giá trị đầu vào.
- Initial output: Giá trị đầu ra ban đầu

- Output rate (EGU/min): Xác định tỷ lệ tối đa các thay đổi của điều khiển đầu ra.
The PID output Rate Limiter function sử dụng khi cần giới hạn tốc độ biến thiên đầu
ra, chẳng hạn như tính toán tín hiệu điều khiển.
•

The PID lead – lag function

Thực hiện với đối tượng có hàm truyền mà tử số và mẫu sỗ dạng bậc nhất. Sử
dụng hàm PID lead – lag khi tín hiệu điều khiển cho trước và cách ly khi có nhiều tín
hiệu điều khiển
•

The PID EGU to % function

- Maximum (EGU): Xác định giá trị lớn nhất của đầu vào (tương ứng với 100%).
- Input (EGU): Giá trị đầu vào
- Minimum(EGU): Xác định giá trị nhỏ nhất của đầu vào (tương ứng với 0%).
- % span: Trả lại giá trị đầu ra của tín hiệu phép đo. The PID EGU to % function sử
dụng khi đòi hỏi sự chính xác của tín hiệu phép đó.
•

The PID % to EGU function


- Coerce output to range: Phạm vi giá trị đầu ra lớn hơn 100% và nhỏ hơn 0% là đúng
hay sai?
- %span: phần trăm giá trị đầu vào của tín hiệu đo.
The PID % to EGU function sử dụng khi đòi hỏi sự chính xác của tín hiệu điều
chỉnh của bộ điều khiển PID. Trong mười khối PID trên, chỉ có ba khối: The PID
function, The PID advanced function, The PID autotuning function là có chức năng

điều khiển đối tượng, các khối PID còn lại dùng để hỗ trợ ba khối PID trên. Khi khảo
sát với đối tượng có hàm truyền H(s) như trên sử dụng bộ điều khiển PID. Sơ đồ khối
như hình vẽ dưới đây:

Như vậy cùng để điều khiển đối tượng với bộ điều khiển PID sẽ có những cách
thiết lập khác nhau.Sử dụng PID với ý nghĩa hiểu rõ bản chất từng thành phần trong đó
thì chúng ta sẽ sử dụng phương pháp lựa chọn các hàm toán học trong Labview. Sử
dụng PID với mục đích nhanh, tính ứng dụng thưc tế cao chúng ta sẽ sử dụng toolkit
của nó.


 Fuzzy Logic(Lập luận mờ)

Triển khai bộ điều khiển logic mờ cho hệ thống mờ mà bạn chỉ định.Theo mặc
định, VI này thực hiện bộ điều khiển logic mờ cho hệ thống mờ đầu ra đơn đầu vào
(SISO). Bạn phải chọn thủ công đa hình bạn muốn sử dụng

Identification System(Hệ thống nhận dạng)
Các Identification System kết hợp các công cụ thu thập dữ liệu với các thuật
toán nhận dạng hệ thống cho mô hình nhà máy. Bạn có thể sử dụng hệ thống
nhận dạng Toolkit LabVIEW để tìm mô hình thực nghiệm từ các thông tin kích
thích phản ứng nhà máy thực sự.
Các Identification System Palette trong LabVIEW:

1.2.2. Khối MakerHub giao tiếp Arduino

Dễ dàng kết nối các thiết bị và ứng dụng của bạn bằng các thư viện nguồn
mở miễn phí của LabVIEW MakerHub cho các thiết bị như Arduino , Kinect , Bộ
điều khiển chuyển động Leap , v.v. Tạo các kết nối mới bằng cách sử dụng hỗ trợ
tích hợp cho TCP, HTTP và các thiết bị nối tiếp hoặc bằng cách gọi DLL hoặc

mã .net của bạn.
Các MakerHub trong LabVIEW:


•

Khối LINX
LINX cung cấp dễ dàng sử dụng LabVIEW VI để tương tác với các nền
tảng nhúng phổ biến như Arduino, chipKIT và myRIO. Sử dụng các VI cảm
biến tích hợp để bắt đầu nhận dữ liệu vào PC của bạn sau vài giây hoặc sử
dụng các VI ngoại vi để truy cập I / O kỹ thuật số, I / O tương tự, SPI, I2C,
UART, PWM và hơn thế nữa.

Khối Open: Ta có thể thấy khối có rất nhiều chân ra song để thiết lập cho việc
kết nối ta chỉ quan tâm tới một vài chân.
• Khối Close: Là khối để dóng một chương trình giao tiếp với Arduino.
• Khối Peripherals: Là khối giao tiếp với các thiết bị ngoại vi.gồm các tín hiệu
tương tự,tín hiệu số,xung PWM ...
•


•

•

Khối Sensor: Bao gồm các khối VI sensor thường dùng như: Cảm biến nhiệt
độ, cảm biến ánh sáng, LCD, led 7 thanh, led nhiều màu..

Khối Utilities: các khối tiện ích giao tiếp tần số wifi...

Khối Toolbox
Đây là các khối công cụ có thể dùng khi cần thiết trong Labview
•


CHƯƠNG 2. ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU CHỈNH PID VÀ ĐIỀU KHIỂN MỜ
FUZZY TRONG ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ
2.1.
Xây dựng mô hình toán học động cơ
2.1.1. Cấu tạo động cơ dc

Động cơ điện 1 chiuề 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
- 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”
2.1.2. Nguyên lý hoạt động
- 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
2.1.3. Phương trình toán học cơ bản động cơ DC
Sơ đồ động cơ DC:

u
B

Hình 2.1. Sơ đồ động cơ
Gia sử : Ф = const là từ thông
J là mômen quán tính qui về trục động cơ


B là hệ số ma sát ở trục
U,I là điện áp,dòng điện phần ứng
Phương trình quan hệ về điện áp phần ứng :
Suy ra :
Phương trình quan hệ về momen trên trục động cơ :
Thay (1.2) vào (1.1) ,ta được:



Biến đổi laplace ta có :





Đặt : ; ; ;
Khi đó có thể viết lại :


Hàm truyền đạt của động cơ DC là :

2.2.
Phương pháp tổng hợp bộ điều chỉnh PID
2.2.1. Tổng quan về bộ điều chỉnh PID

Bộ điều chỉnh PID (A proportional integral derivative controller) là bộ điều
chỉnh sử dụng kỹ thuật điều khiển theo vòng lặp trong kỹ thuât điều khiển theo vòng
lặp có hồi tiếp được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển tự động.
Một bộ điều chỉnh PID cố gắng hiệu chỉnh sai lệch giữa tín hiệu ngõ ra và ngõ
vào sau đó đưa ra một một tín hiệu điều khiển để điều chỉnh quá trình cho phù hợp.
Bộ điều chỉnh PID đã và đang được sử dụng rộng rãi để điều khiển các đối
tượng một đầu vào và một đầu ra bởi vì tính đơn giản của nó cả về cấu trúc lẫn nguyên
lý làm việc. Bộ điều chỉnh này làm việc rất tốt trong các hệ thống có quán tính lớn như


điều khiển nhiệt độ, điều khiển mức... và trong các hệ điều khiển tuyến tính hay có
mức độ phi tuyến thấp.
PID là một trong những lý thuyết cổ điển và cũ nhất dùng cho điều khiển tuy
nhiên nó vẫn ứng dụng rộng rãi cho đến ngày nay.
Cấu trúc của bộ điều chỉnh PID:

Hình 2.2.Cấu trúc của bộ điều chỉnh PID

2.2.2.

Hàm truyền

Xét 1 hệ thống có sơ đồ khối như sau:

Hình 2.3.Điều khiển hồi tiếp với bộ điều khiên PID
Biến e là thành phần sai lệch, là hiệu giữa giá trị tín hiệu vào mong muốn và tín
hiệu ra thực tế. Tín hiệu sai lệch (e) sẽ đưa tới bộ PID, và bộ điều khiển tính toán cả
thành phần tích phân lẫn vi phân của (e). Tín hiệu ra (u) của bộ điều khiển bằng:

,
trong đó:

e(t) – tín hiệu đầu vào
u(t) – tín hiệu đầu ra
kp - hệ số khuếch đại


TI - hằng số tích phân
TD - hằng số nhị phân
Lúc này đối tượng điều khiển có tín hiệu vào là (u), và tín hiệu ra la (Y). (Y)
được hồi tiếp về bằng các cảm biến để tiếp tục tính sai lệch (e). Và bộ điều khiển lại
tiếp tục như trên.
Từ mô hình vào ra trên ta có được hàm truyền đạt của bộ điều khiển PID:

2.2.3.

Đặc tính bộ điều chỉnh P,I,D
- Thành phần tỉ lệ (Kp) có tác dụng làm tăng tốc độ đáp ứng của hệ, và làm

giảm, chứ không triệt tiêu sai số xác lập của hệ (steady-state error)
- Thành phần tích phân (Ki) có tác dụng triệt tiêu sai số xác lập nhưng có thể
làm giảm tốc độ đáp ứng của hệ.
- Thành phần vi phân (Kd) làm tăng độ ổn định hệ thống, giảm độ vọt lố và cải
thiện tốc độ đáp ứng của hệ.
Ảnh hưởng của các thành phần Kp, Ki, Kd đối với hệ kín được tóm tắt trong
bảng sau:

Bảng 2.1. Ảnh hưởng của các thông số PID lên đối tượng
Đáp ứng

Thời gian

Sai số

xác lập

xác lập

Thời gian lên Vọt lố
vòng kín
kP

Giảm

Tăng

Thay đổi nhỏ

Giảm

kI

Giảm

Tăng

Tăng

Thay đổi nhỏ

kD

Thay đổi nhỏ Giảm

Giảm

Thay đổi nhỏ


i

- Lưu ý rằng quan hệ này không phải chính xác tuyệt đối vì Kp, Ki và Kd còn
J
phụ thuộc vào
nhau. Trên thực tế, thay đổi một thành phần có thể ảnh hưởng đến hai

thành phần còn lại. Vì vậy bảng trên chỉ có tác dụng tham khảo khi chọn Kp, Ki, Kd.
2.2.4. Các phương pháp tổng hợp bộ điều chỉnh bộ PID

Ziegler và Nichols đưa ra hai phương pháp thực nghiệm để xác định tham số bộ
điều khiển PID. Phương pháp thứ nhất dùng mô hình quán tính bậc nhất của đối tượng
điều khiển.
Phương pháp thứ hai không cần đến mô hình toán học của đối tượng nhưng chỉ
áp dụng cho một số lớp đối tượng nhất định.
 Phương pháp Zieger-Nichols
 Phương pháp Zieger-Nichols thứ nhất

Xác định thông số của bộ điều chỉnh PID dựa vào đáp ứng của hệ hở:

Hình 2.4. Sơ đồ khối của một hệ hở

Hình 2.5. Đáp ứng nấc của hệ hở có dạng S


Khi đó ta có bảng tính thông số của bộ PID là:

Hình 2.6. Sơ đồ khối của một hệ kín có bộ PID
Bộ điều chỉnh PID :

Bảng 2.2.Bảng tính các thông số PID theo Ziegler–Nichols thứ nhất
Thông số
kP

TI

TD

P

-

-

PI

T1/0.3

-

PID

2T1

0.5T1

Bộ điều khiển

 Phương pháp zieger-nichols thứ hai


Hình 2.7. Sơ đồ khối của hệ kín có bộ tỉ lệ P

Hình 2.8. Ðáp ứng của hệ kín khi
Phương pháp này thay bộ điều chỉnh PID trong hệ kín bằng bộ khuếch đại, sau
đó tăng k cho đến khi hệ nằm ở biên giới ổn định, tức là hệ kín trở thành khâu dao
động điều hòa. Lúc này ta có k gh và chu kì của dao động đó là T gh. Tham số cho bộ
điều khiển PIDchọn theo bảng sau:

Bảng 2.3.Bảng tính các thông số PID theo Ziegler–Nichols thứ 2
Bộ


Điều chỉnh
P

0.5Kth

-

-

PI

0.45Kth

o.85Kth

-

PID

0.6Kth

0.5Kth

0,125Kth

Phương pháp Chien – Hrones – Reswick

Phương pháp này cũng áp dụng cho cả đối tượng có đáp ứng với tín hiệu vào là

hàm số nấc có chữ S (hình 2.8) nhưng có thêm điều kiện

Hình 2.9. Ðáp ứng nấc của hệ thống thích hợp cho phương pháp Chien – Brones –
Reswick

Phương pháp Chien – Brones – Reswick đưa ra bốn cách xác định tham số bộ
điều khiển cho bốn yêu cầu chất lượng khác nhau.
- Yêu cầu tối ưu theo nhiễu và hệ kiến không có quá độ quá điều chỉnh:
Bảng 2.4 Các tham số PID theo phương pháp Chien – Brones – Reswick 1
Thôn
g số

BĐK


P

3b/10ak

-

-

PI

6b/10ak

4a

-

PID

19b/10ak

4a/5

21a/50

- Yêu cầu tối ưu theo nhiễu và hệ kín có độ quá điều chỉnh

không vượt quá

20% so với
Bảng 2.5. Các tham số PID theo phương pháp Chien – Brones – Reswick 2
Thông số

BĐK
P

3b/10ak

-

-

PI

7b/20ak

23a/10

-

PID

6b/5ak

2a

21a/50

- Yêu cầu tối ưu theo tín hiệu đặt trước và hệ kín không có độ quá điều chỉnh
Bảng 2.6. Các tham số PID theo phương pháp Chien – Brones – Reswick 3
Thôn
g số

BĐK
P

3b/10ak

-

-

PI

7b/20ak

6b/5

-

PID

3b/5ak

B

a/2


- Yêu cầu tối ưu theo tín hiệu đặt trước và hệ kín có độ quá điều chỉnh

không vượt quá 20% so với
Bảng 2.7. Các tham số PID theo phương pháp Chien – Brones – Reswick 4
Thông số

BĐK
P

7b/10ak

-

-

PI

6b/5ak

B

-

PID

19b/20ak

2b7/20

47a/100

2.3.
Phương pháp thuật toán điều khiển mờ FUZZY
2.3.1. Tổng quan về điều khiển mờ FUZZY

Một trong những ứng dụng mạnh mẽ nhất của logic mờ mà lần đầu tiên được
nhà toán học người Mỹ Zade đưa ra từ năm 1965 chính là bộ điều khiển mờ. Hoạt
động của một bộ điều khiển mờ phụ thuộc vào kinh nghiệm và phương pháp rút ra kết
luận theo tư duy của con người, sau đó được cài đặt vào máy tính trên cơ sở logic mờ.
Một bộ điều khiển mờ bao gồm 3 khối cơ bản: khối mờ hóa, thiết bị hợp thành
và khối giải mờ, ngoài ra còn có khối giao diện vào và giao diện ra:

Hình 2.10. Các khối chức năng của bộ điều khiển mờ.

- Khối mờ hóa có chức năng chuyển đổi mỗi giá trị rõ của biến ngôn ngữ đầu
vào thành vectơ µ có số phần tử bằng số tập mờ đầu vào.
- Thiết bị hợp thành mà bản chất của nó là sự triển khai luật hợp thành R được
xây dựng trên cơ sở luật điều khiển.


- Khối giải mờ có nhiệm vụ chuyển tập mờ đầu ra thành giá trị rõ y0 (ứng với
mỗi giá trị rõ đầu vào x0 để điều khiển đối tượng).
- Giao diện đầu vào thực hiện việc tổng hợp và chuyển đổi tín hiệu vào (từ
tương tự sang số), ngoài ra còn có thêm các khâu phụ trợ để thực hiện bài toán động
như tích phân, vi phân...
- Giao diện đầu ra thực hiện chuyển đổi tín hiệu ra (từ số sang tương tự) để điều
khiển đối tượng.
Nguyên tắc tổng hợp một bộ điều khiển mờ hoàn toàn dựa vào những phương
pháp toán học trên cơ sở định nghĩa các biến ngôn ngữ vào/ra và sự lựa chọn những
luật điều khiển. Do các bộ điều khiển mờ có khả năng xử lý các giá trị vào/ra biểu diễn
dưới dạng dấu phẩy động với độ chính xác cao nên chúng hoàn toàn đáp ứng được các
yêu cầu của một bài toán điều khiển “rõ ràng” và “chính xác”.
2.3.2.

Luật điều khiển mờ FUZZY
“Có thể nói trong lĩnh vực điều khiển, bộ PID được xem như một giải pháp đa

năng cho các ứng dụng điều khiển analog cũng như digital. Việc thiết kế bộ PID kinh
điển thường dựa trên phương pháp Zeigler-Nichols, Offerein, Reinish...Ngày nay
người ta thường sử dụng kỹ thuật hiệu chỉnh PID mềm (dựa trên phần mềm), đây
chính là cơ sở của thiết kế PID mờ hay PID thích nghi.” [9]
Sơ đồ điều khiển sử dụng PID mờ

Hình 2.11. Sơ đồ điều khiển sử dụng PID mờ

Mô hình toán của bộ điều khiển PID
U(t) = Kpe(t) + K1+ KD