Điều khiển hệ phi tuyến dùng giải thuật thông minh

TRƯỜNG ĐH. SƯ PHẠM KỸ THUẬT
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TP. HỒ CHÍ MINH
ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP Y SINH
Tp. HCM, ngày 20 tháng 03 năm 2018

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên:
Chuyên ngành:
Hệ đào tạo:
Khóa:

Nguyễn Thành Luân
Tạ Minh Giang
Điện tử công nghiệp
Đại học chính quy
2014

MSSV: 14141179
MSSV: 14141079
Mã ngành: 141
Mã hệ:
1
Lớp:
14141DT1A

I. TÊN ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN HỆ PHI TUYẾN DÙNG GIẢI THUẬT THÔNG
MINH
II. NHIỆM VỤ:

1. Các số liệu ban đầu:
Tìm hiểu các tài liệu hướng dẫn về PID, FUZZY, NEURAL. Tìm hiểu môi trường làm việc
Matlab Simulink và thư viện Waijung Blockset.
2. Nội dung thực hiện:
Tìm hiểu các linh kiện, thiết bị được sử dụng trong mô hình: STM32F407VG, Encoder
E50S8-5000, Encoder E50S8-1024, BLH Heli Emax 40A, biến tần VLT 2807 và phần
mềm Matlab/Simulink; cách thức truyền nhận dữ liệu; nghiên cứu giải thuật điều khiển
hiện đại; nghiên cứu xây dựng mô hình thuật toán cho mô hình trực thăng hai bậc tự do và
nhận dạng được mô hình điều khiển tốc độ động cơ; mô phỏng và lập trình hệ thống trên
Matlab/Simulink; tiến hành điều khiển mô hình; nhận xét kết quả thực tế.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:
06/03/2018
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 20/07/2018
V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:
ThS. Tạ Văn Phương
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH

i


TRƯỜNG ĐH. SƯ PHẠM KỸ THUẬT
TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

Tp. HCM, ngày 20 tháng 03 năm 2018

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên 1: Tạ Minh Giang ...................................................................................
Lớp: 14141DT1A ......................................................... MSSV: 14141079 .......................
Họ tên sinh viên 2: Nguyễn Thành Luân...........................................................................
Lớp: 14141DT1A ......................................................... MSSV: 14141179 .......................
Tên đề tài: Điều khiển hệ phi tuyến dùng giải thuật thông minh ......................................
...........................................................................................................................................
Xác nhận
Tuần/ngày
Nội dung
GVHD
Tuần 1
Gặp giảng viên hướng dẫn và trao đổi về đề
tài đồ án tốt nghiệp.
18/3-24/3
Tuần 2
Viết đề cương và lịch trình thực hiện đồ án tốt
nghiệp.
25/3-31/3
Tuần 3
Tìm hiểu đề tài và lựa chọn thiết bị.
1/4-7/4
Tuần 4

Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của đề tài.

8/4-14/4
Tuần 5

Thiết kế sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý.

15/4-21/4
Tuần 6,7

Tìm hiểu các giải thuật pid, fuzzy, neural

22/4-5/5
Tuần 8,9
6/5- 19/5
Tuần 10,11,12,13
20/5-16/6

Viết chương trình điều khiển động cơ ba pha
Viết chương trình điều khiển mô hình máy
bay trực thăng hai bậc tự do

Tuần 14,15,16
17/6-6/7

Viết báo cáo
GV HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ và tên)
ii


LỜI CAM ĐOAN
Đề tài này là do nhóm sinh viên Nguyễn Thành Luân và Tạ Minh Giang tự thực hiện,
do thầy Tạ Văn Phương hướng dẫn, dựa vào một số tài liệu trước đó và không sao chép từ

tài liệu hay công trình đã có trước đó.

Người thực hiện đề tài

Nguyễn Thành Luân

iii

Tạ Minh Giang


LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian thực hiện đề tài, những người thực hiện được sự giúp đỡ của gia đình,
quý thầy cô và bạn bè nên đề tài đã được hoàn thành. Những người thực hiện xin chân
thành gửi lời cảm ơn đến:
Thầy Tạ Văn Phương, giảng viên trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM đã
trực tiếp hướng dẫn và tận tình giúp đỡ tạo điều kiện để nhóm có thể hoàn thành tốt đề tài.
Những người thực hiện cũng xin chân thành cám ơn đến các thầy cô trong khoa Điện
- Điện tử của trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM đã tận tình dạy dỗ, chỉ bảo,
cung cấp cho những người thực hiện những kiến thức nền, chuyên môn làm cơ sở để hoàn
thành đề tài này.
Cảm ơn gia đình đã động viên và luôn luôn bên cạnh trong những lúc khó khăn nhất.
Xin gửi lời cảm ơn đến những người bạn sinh viên khoa Điện-Điện tử đã giúp đỡ
những người thực hiện đề tài để có thể hoàn thành tốt đề tài này.
Xin chân thành cảm ơn!

Người thực hiện đề tài:

Nguyễn Thành Luân

iv

Tạ Minh Giang


MỤC LỤC
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP .................................................................................... i
LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP .......................................................... ii
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................... iii
LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................................... iv
MỤC LỤC ........................................................................................................................... v
DANH SÁCH HÌNH ......................................................................................................... vii
DANH SÁCH BẢNG ......................................................................................................... xi
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................................................. xii
TÓM TẮT......................................................................................................................... xiii
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ............................................................................................. 1
1.1

ĐẶT VẤN ĐỀ : ..................................................................................................... 1

1.2

MỤC TIÊU: ........................................................................................................... 2

1.3

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU: ................................................................................. 3

1.4

GIỚI HẠN: ............................................................................................................ 3

1.5

BỐ CỤC: ................................................................................................................ 3

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................................. 5
2.1

TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH MÁY BAY TRỰC THĂNG HAI BẬC TỰ DO: 5

2.2

TỔNG QUAN VỀ PHẦN CỨNG: ........................................................................ 7

2.2.1

Kit STM32F407VG_disc1 discovery: ............................................................ 7

2.2.2

Encoder E50S8- 5000 (1024): ......................................................................... 8

2.2.3

Emax BL heli ESC: ....................................................................................... 10

2.2.4

Động cơ Brushless DC (BLDC): .................................................................. 11

2.2.5

Biến tần VLT 2807 195N1015:..................................................................... 13

2.2.6

Nguồn tổ ong 24V 5A: .................................................................................. 16

2.3

GIAO TIẾP UART: ............................................................................................. 16

2.4

HỆ ĐA BIẾN MIMO: .......................................................................................... 20

2.5

LÍ THUYẾT ĐIỀU KHIỀN: ................................................................................ 21

2.5.1

Thuật toán PID: ............................................................................................. 21

2.5.2

Thuật toán Fuzzy: .......................................................................................... 26

2.5.3

Thuật toán Neural: ......................................................................................... 33

CHƯƠNG 3.

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ .............................................................. 40
v


3.1

THIẾT KẾ SƠ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ THỐNG: .................................................... 40

3.2

MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG TRMS: ................................................................ 45

3.2.1

Mô hình toán học của hệ TRMS: .................................................................. 46

CHƯƠNG 4.

THI CÔNG HỆ THỐNG ..................................................................... 56

4.1

GIỚI THIỆU: ....................................................................................................... 56

4.2

MÔ HÌNH PHẦN CỨNG:................................................................................... 56

4.2.1

Mô hình TRMS: ............................................................................................ 56

4.2.2

Mô hình điều khiển tốc độ động cơ: ............................................................. 58

4.3

PHẦN MỀM LẬP TRÌNH: ................................................................................. 60

4.3.1

Giới thiệu Matlab: ......................................................................................... 60

4.3.2

Simulink: ....................................................................................................... 61

4.3.3

Thư viện waijung: ......................................................................................... 64

4.3.4

Tool box Fuzzy: ............................................................................................ 65

4.3.5

Toolbox neural và nhận dạng hệ thống: ........................................................ 69

4.4

MÔ HÌNH MÔ PHỎNG: ..................................................................................... 75

4.4.1

Mô hình máy bay trực thăng hai bậc tự do: .................................................. 75

4.4.2

Mô hình điều khiển tốc độ động cơ: ............................................................. 83

4.5

CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN: ...................................................................... 88

4.5.1

Chương trình điều khiển hệ TRMS: .............................................................. 88

4.5.2

Chương trình điều khiển tốc độ động cơ ba pha: .......................................... 89

CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ .................................................... 92

5.1

TÓM TẮT: ........................................................................................................... 92

5.2

KẾT QUẢ ĐÁP ỨNG CỦA HAI HỆ PHI TUYẾN: .......................................... 92

5.2.1

Kết quả đáp ứng của hệ TRMS. .................................................................... 92

5.2.2

Mô hình điều khiển tốc độ động cơ ba pha: .................................................. 96

CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .............................................. 99
6.1

KẾT LUẬN: ......................................................................................................... 99

6.2

HƯỚNG PHÁT TRIỂN:.................................................................................... 100

TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................. 101

vi

DANH SÁCH HÌNH
Hình
Trang
Hình 2. 1 Trực thăng EC_225. ............................................................................................ 5
Hình 2. 2 Lực nâng trực thăng lên. ...................................................................................... 6
Hình 2. 3 Hệ thống dẫn động giữa cánh quạt chính và cánh quạt đuôi. .............................. 6
Hình 2. 4 Kit STM32F407................................................................................................... 7
Hình 2. 5 Encoder E50S8-5000. .......................................................................................... 9
Hình 2. 6 Cấu tạo cơ bản của encoder. .............................................................................. 10
Hình 2. 7 Cấu tạo các chân kết nối BLH Heli Emax......................................................... 11
Hình 2. 8 Động cơ và cánh quạt Tarot. ............................................................................. 13
Hình 2. 9 Biến tần VLT 2807 195N1015. ......................................................................... 14
Hình 2. 10 Sơ đồ nguyên lý hoạt động biến tần. ............................................................... 15
Hình 2. 11 Nguồn tổ ong 24V. .......................................................................................... 16
Hình 2. 12 Hệ thống truyền dữ liệu bất đồng bộ. .............................................................. 17
Hình 2. 13 Định dạng của một ký tự truyền theo chuẩn RS-232. ..................................... 19
Hình 2. 14 Sơ đồ nguyên lí của hệ thống đa biến điển hình.............................................. 20
Hình 2. 15 Quan hệ ngõ vào và ra của hệ MIMO dùng ma trận hàm truyền. ................... 20
Hình 2. 16 Sơ đồ hệ thống điều khiển dùng PID............................................................... 22
Hình 2. 17 Điều khiển hồi tiếp với bộ điều khiển PID. ..................................................... 22
Hình 2. 18 Đáp ứng nấc của hệ khi

K  K gh

. .................................................................... 25

Hình 2. 19 Điều khiển trực tiếp. ........................................................................................ 26
Hình 2. 20 Điều khiển gián tiếp......................................................................................... 27
Hình 2. 21 Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ. ................................................................... 28
Hình 2. 22 Tập mờ ngõ ra của khâu mờ hóa. .................................................................... 28

Hình 2. 23 Các loại tập mờ ngõ vào và ngõ ra. ................................................................. 29
Hình 2. 24 Các đường đặc tính bị hạn chế bởi sự nội suy giữa các điểm đặc tính. .......... 30
Hình 2. 25 Những nguyên lý giải mờ. ............................................................................... 31
Hình 2. 26 Cấu trúc của một neural. .................................................................................. 34
vii


Hình 2. 27 Đồ thị hàm purelin. .......................................................................................... 35
Hình 2. 28 Đồ thị hàm hard limit. ..................................................................................... 35
Hình 2. 29 Đồ thị hàm logsig. ........................................................................................... 36
Hình 2. 30 Đồ thị hàm tansig............................................................................................. 36
Hình 2. 31 Mạng neural truyền thẳng. ............................................................................... 37
Hình 2. 32 Mạng neural hồi qui......................................................................................... 37
Hình 2. 33 Cấu trúc của mạng neural nhiều lớp. ............................................................... 38
Hình 3. 1 Sơ đồ khối của 2 hệ thống …………………………………………………….40
Hình 3. 2 Sơ đồ khối hệ thống thiết bị thực tế mô hình TRMS. ....................................... 41
Hình 3. 3 Sơ đồ khối hệ thống thiết bị thực tế mô hình động cơ. ..................................... 41
Hình 3. 4 Kết nối STLINK- và STM32F407 UART2 (Datasheet). .................................. 42
Hình 3. 5 Kết nối hai Encoder với vi điều khiển. .............................................................. 43
Hình 3. 6 Sơ đồ kết nối biến tần và động cơ. .................................................................... 44
Hình 3. 7 Sơ đồ tổng quát hệ TRMS. ................................................................................ 46
Hình 3. 8 Trọng lực của hệ. ............................................................................................... 47
Hình 3. 9 Momen lực đẩy và ma sát. ................................................................................. 48
Hình 3. 10 Momen của các lực trong mặt phẳng ngang. ................................................... 50
Hình 3. 11Hàm phụ thuộc lực đẩy vào tốc độ động cơ chính. .......................................... 52
Hình 3. 12 Hàm phụ thuộc tốc độ quay của động cơ và điện áp vào. ............................... 53
Hình 3. 13 Phương trình lực đẩy của động cơ đuôi........................................................... 53
Hình 3. 14 Hàm phụ thuộc tốc độ quay động cơ đuôi và áp. ............................................ 54
Hình 3. 15 Sơ đồ khối hệ thống TRMS. ............................................................................ 55
Hình 4. 1 Sơ đồ kết nối hệ thống điều khiển với mô hình TRMS ………………………57

Hình 4. 2 Hệ thống điều khiển mô hình TRMS thực tế. ................................................... 57
Hình 4. 3 Sơ đồ kết nối hệ thống điều khiển mô hình. ...................................................... 59
Hình 4. 4 Hệ thống điều khiển mô hình điều khiển tốc độ động cơ thực tế. ..................... 59
Hình 4. 5 Giao diện Matlab. .............................................................................................. 60
Hình 4. 6 Giao diện làm việc của Simulink....................................................................... 62
Hình 4. 7 Thư viện Simulink. ............................................................................................ 63
viii


Hình 4. 8 Thiết lặp miền mô phỏng. .................................................................................. 64
Hình 4. 9 Thư viện waijung blockset. ............................................................................... 65
Hình 4. 10 Giao diện ban đầu vủa fuzzy. .......................................................................... 66
Hình 4. 11 Thay đổi số lượng ngõ vào và ra. .................................................................... 66
Hình 4. 12 Tập mờ. ............................................................................................................ 67
Hình 4. 13 Luật mờ. ........................................................................................................... 68
Hình 4. 14 Gọi fuzzy vào chương trình. ............................................................................ 69
Hình 4. 15 Giao diện làm việc của tool ident. ................................................................... 70
Hình 4. 16 Chèn dữ liệu vào để nhận dạng. ...................................................................... 70
Hình 4. 17 Giao diện tool ident sau khi chèn dữu liệu. ..................................................... 71
Hình 4. 18 Chọn số cực và số zero của hệ thống cần nhận dạng. ..................................... 72
Hình 4. 19 Giao diện tool ident sau khi nhận dạng. .......................................................... 72
Hình 4. 20 Giao diện của tool NARMA_L2. .................................................................... 74
Hình 4. 21 Sơ đồ Simulink chi tiết cho hệ TRMS............................................................. 76
Hình 4. 22 Tập mờ đầu vào e(t) và de(t)/dt. ...................................................................... 77
Hình 4. 23 Tập mờ đầu ra u. .............................................................................................. 77
Hình 4. 24 Cấu trúc mô phỏng với bộ FUZZY/PID cho hệ thống TRMS. ....................... 79
Hình 4. 25 Mô phỏng đáp ứng góc Pitch........................................................................... 79
Hình 4. 26 Mô phỏng đáp ứng góc Yaw. .......................................................................... 80
Hình 4. 27 Mô phỏng đáp ứng góc Pitch khi góc đặt 10 độ. ............................................. 81
Hình 4. 28 Mô phỏng đáp ứng góc Yaw khi giá trị đặt 10 độ. .......................................... 81

Hình 4. 29 Mô phỏng đáp ứng góc Pitch khi góc đặt là sóng sin T=15s. ......................... 82
Hình 4. 30 Mô phỏng đáp ứng góc Yaw khi góc đặt là sóng sin T=15s. .......................... 83
Hình 4. 31 Cấu trúc mô phỏng với bộ NEURAL/FUZZY/PID cho hệ thống. ................. 83
Hình 4. 32 Tập mờ đầu vào e(t) de(t)/dt. ........................................................................... 84
Hình 4. 33 Tập mờ đầu ra u. .............................................................................................. 85
Hình 4. 34 Thông số huấn luyện Neural cho động cơ ba pha. .......................................... 86
Hình 4. 35 Mô phỏng đáp ứng PID khi ngõ vào là sóng sin. ............................................ 87
Hình 4. 36 Mô phỏng đáp ứng fuzzy khi ngõ vào là sin. .................................................. 87
ix


Hình 4. 37 Mô phỏng đáp ứng neural với giá trị đặt là sóng sin. ...................................... 88
Hình 4. 38 Code bộ điều khiển Fuzzy điều khiển hệ TRMS............................................. 88
Hình 4. 39 Giao diện điều khiển và quan sát trên PC. ...................................................... 89
Hình 4. 40 Code bộ điều khiển Fuzzy điều khiển tốc độ động cơ ba pha. ........................ 90
Hình 4. 41 Code bộ điều khiển Neural điều khiển tốc độ động cơ ba pha. ....................... 90
Hình 4. 42 Giao diện điều khiển và quan sát. .................................................................... 91
Hình 5. 1 Đáp ứng góc Pitch của hệ TRMS với giá trị đặt là sóng sin với T=15s ……...92
Hình 5. 2 Đáp ứng góc Pitch của hệ TRMS với giá trị đặt thay đổi liên tục. ................... 93
Hình 5. 3 Đáp ứng góc Pitch của hệ TRMS khi Yaw =10 độ. .......................................... 93
Hình 5. 4 Đáp ứng góc Yaw của hệ TRMS với giá trị đặt là sóng sin với T=15s. ........... 94
Hình 5. 5 Đáp ứng góc Yaw của hệ TRMS với giá trị đặt thay đổi liên tục. .................... 95
Hình 5. 6 Đáp ứng góc Yaw của hệ TRMS khi truc Pitch =10 độ. ................................... 95
Hình 5. 7 Đáp ứng động cơ khi giá trị đặt thay đổi theo hàm bước. ................................. 97
Hình 5. 8 Đáp ứng động cơ khi giá trị đặt thay đổi liên tục. ............................................. 97
Hình 5. 9 Điện áp điều khiển của từng bộ điều khiển. ...................................................... 98

x

DANH SÁCH BẢNG
Bảng

Trang

Bảng 2. 1 Một số nhóm lênh cơ bản được thực hiện trên biến tần. ................................... 15
Bảng 2. 2 Sơ đồ chân cổng COM. ..................................................................................... 18
Bảng 2. 3 Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols. ...................................... 25
Bảng 4. 1 Thông số bộ phận phản hồi (Encoder) ………………………………………..58
Bảng 4. 2 Bảng luật mờ của góc Pitch. ............................................................................. 78
Bảng 4. 3 Bảng luật mờ của góc Yaw. .............................................................................. 78
Bảng 4. 4 Bảng luật mờ của hệ thống điều khiển động cơ. ............................................... 85

xi


DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
MIMO: Multi Input Multi Output.
TRMS: Twin Rotor MIMO system.
PWM: Pulse Width Modulation.
PID: Proportional Intergator Derivative.
ESC: Electronic Speed Controller.
UART: Universal Asynchronous Receiver-Transmitter

xii


TÓM TẮT
Hệ thống điều khiển thông thường được thiết kế dựa vào mô hình toán học của đối
tượng. Đối tượng được mô hình hóa bằng những định luật vật lý, sau đó được lựa chọn và

thiết kế bộ điều khiển thích hợp. Những giải thuật điều khiển kinh điển gặp hạn chế đối với
hệ thống làm việc trong phạm vi rộng, độ phi tuyến cao, độ bất định lớn. Cùng với sự phát
triển của khoa học công nghệ, các đối tượng điều khiển có độ phức tạp ngày càng cao. Các
giải thuật thông minh ra đời giải quyết việc những bài toán phức tạp trong việc điều khiển
các đối tượng phi tuyến phức tạp.
Với đề tài: “Điều khiển hệ thống phi tuyến dùng giải thuật thông minh” được thực
nghiệm trên hai mô hình là điều khiển mô hình máy bay trực thăng hai bậc tự do (TRMS)
và điều khiển tốc độ động cơ ba pha. Nội dung đề tài tập trung thiết kế các bộ điều khiển
thông minh để điều khiển các mô hình có tính phi tuyến cao.
 Mô hình máy bay trực thăng hai bậc tự do có hai encoder ở hai trục tọa độ x và y để
đọc giá trị góc ở mỗi trục theo phương ngang và đứng. Để điều khiển vị trí góc thì
chúng ta thông qua điều khiển tốc độ của hai động cơ cánh quạt. Các thông số điều
khiển gửi từ monitor trên PC xuống vi điều khiển, trong đó có góc điều khiển hệ
thống. Giá trị hiện tại của encoder sẽ được phản hồi về cho vi điều khiển. Sau khi đọc
giá trị góc từ encoder của hai trục cùng với góc đặt trước ta có tín hiệu lỗi thông qua
bộ điều khiển sẽ quyết định tín hiệu điều khiển nhằm đưa tín hiệu lỗi về 0.
Hệ thống có chức năng như sau:
 Thiết lặp vị trí (góc) ban đầu.
 Có thể điều khiển giá trị góc đặt trong qua trình hoạt động.
 Nếu chịu ảnh hưởng của nhiễu, hệ thống sẽ tự quay lại vị trí đã được thiết lặp.
Trong đồ án này, nhóm sẽ xem xét giải quyết các vấn đề của mô hình trực thăng hai
bậc tự do này. Do trong quá trình hoạt động, sẽ bị ảnh hưởng của nhiễu và sự tác động qua
lại của hai trục, nên việc đọc góc của encoder không chính xác sẽ dẫn đến hệ thống dễ bị
mất tính ổn định, làm mất cân bằng.
xiii


Để tìm hiểu và giải quyết vấn đề này, chúng ta sử dụng giải thuật hiện đại để điều
khiển. Và so sánh kết quả của giải thuật này với các giải thuật cổ điển.
 Đối với hệ động cơ ba pha:

 Động cơ ba pha tốc độ trong phạm vi 1200 vòng/ phút được điều khiển thông qua
biến tần.
 Động cơ không có thông số chính xác về điện trở, điện kháng, hệ số trượt, số cặp
cực…
 Vi điều khiển đọc tín hiệu từ encoder chuyển đổi về giá trị tốc độ thông qua các
bộ điều khiển tính toán xuất giá trị điện áp điều khiển biến tần.

xiv


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ :
Hiện nay, hệ thống điều khiển tự động được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực từ
công nghiệp, kỹ thuật quân sự - hàng không đến hệ thống kinh tế-xã hội – y học nhằm tăng
năng suất, chất lượng, độ chính xác, độ ổn định, an toàn của hệ thống. Cùng với sự phát
triển của khoa học kỹ thuật, các hệ thống phi tuyến cao, phức tạp cũng phát triển không
ngừng. Để điều khiển các hệ thống đó các bộ điều khiển hiện đại và đặc biệt là điều khiển
thông minh ra đời và không ngừng phát triển. Trong đó, điều khiển mờ (Fuzzy) là một
trong những phương pháp điều khiển thông minh đơn giản, đạt hiệu quả cao, được ứng
dụng rộng rãi trong công nghiệp. Đặc điểm nổi bật của bộ điều khiển mờ là không cần biết
chính xác mô hình của đối tượng phức tạp cần điều khiển mà chỉ cần biết đặc tính của hệ
thống dựa vào kinh nghiệm điều khiển thực tế của người điều khiển từ đó xây dựng luật
mờ cho hệ thống. Trong những năm gần đây, mạng Neural nhân tạo (Artificial Neural
Network) phát triển mạnh mẽ, thực sự trở thành một cuộc cách mạng trong khoa học kỹ
thuật. Mạng Neural nhân tạo ứng dụng thành công trong việc giải quyết các bài toán phức
tạp trong khoa học kỹ thuật cao như dự báo, quản lý thông tin, nhận dạng, khoa học hình
sự, kỹ thuật quân sự, khoa học vũ trụ, tối ưu và thông minh hóa các các bộ điều khiển.
Và điển hình cho hệ thống phi tuyến là mô hình máy bay trực thăng hai bậc tự do

(TRMS) là một hệ thống nhiều ngõ vào nhiều ngõ ra MIMO. Máy bay trực thăng là phương
tiện gần gũi với con người và có cấu tạo phức tạp hơn máy bay phản lực khó điều khiển và
khả năng bay xa kém. Tuy nhiên, máy bay trực thăng có khả năng cơ động cao, có thể cất
cánh và hạ cánh không cần sân bay và có thể bay thẳng đứng. Tuy nhiên để giữ ổn định
trên không dưới tác động của ngoại lực như gió, trọng lực… là vấn đề thách thức lớn trong
hệ thống điều khiển.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

1


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
Động cơ điện xoay chiều ba pha cũng là một thiết bị được sử dụng làm nguồn động
lực cho các hệ thống trong công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải, trong đời sống
hằng ngày với ưu điểm cấu tạo đơn giản, giá thành thấp, hiệu suất làm cao. Tuy nhiên, tốc
độ của động cơ không tỉ lệ tuyến tính với tần số cũng như điện áp cấp cho động cơ do các
thông số của động cơ điện xoay chiều biến đổi theo thời gian và ảnh hưởng bởi nhiều yếu
tố nên việc điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều gặp nhiều khó khăn.
Để tìm hiểu rõ hơn về các giải thuật thông minh cũng như các hệ thống phi tuyến trên,
nhóm đã quyết định chọn đề tài: “Điều khiển hệ thống phi tuyến dùng giải thuật thông
minh”.

1.2 MỤC TIÊU:
 Mục tiêu chung:
 Nghiên cứu sử dụng phần mềm matlab R2013b, tìm hiểu SMT32F4, cách nhúng
giải thuật từ Matlab vào vi điều khiển.
 Tìm hiểu về các giải thuật điều khiển thông minh.
 Thiết kế bộ điều khiển PID, Fuzzy, mạng Neural trong hai mô hình phi tuyến là:
mô hình máy bay trực thăng hai bậc tự do và mô hình điều khiển động cơ ba pha.

 Đánh giá mức độ hiệu quả của các giải thuật điều khiển khác nhau.
 Mục tiêu mô hình máy bay trực thăng:
 Khảo sát và đánh giá tính phi tuyến của hệ Twin Rotor MIMO system.
 Mô phỏng kiểm nghiệm trên Matlab.
 Thiết kế bộ điều khiển để điều khiển vị trí góc của trục chính (Pitch) và góc của
trục đuôi (Yaw), đảm bảo hệ thống giữ ổn định góc khi có nhiễu tác động (nhiễu
tải và nhiễu gió).
 Mục tiêu mô hình điều khiển tốc độ động cơ ba pha:
 Nhận dạng được hệ thống.
 Mô phỏng kiểm nghiệm trên Matlab.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

2


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
 Thiết kế bộ điều khiển điều khiển được tốc độ động cơ với độ chính xác cao và
khả năng đáp ứng nhanh.

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU:
 NỘI DUNG 1: Nghiên cứu cài đặt, sử dụng phần mềm Matlab Simulink, thư viện
Waijung, Driver STlink32 trên máy tính.
 NỘI DUNG 2: Tìm hiểu cách sử dụng vi điều khiển STM32F4: cách kết nối, đọc
tín hiệu ADC, tín hiệu Encoder, xuất xung PWM, ADC, giao tiếp UART giữa máy
tính và STM32F4.
 NỘI DUNG 3: Tìm hiểu các linh kiện, thiết bị sử dụng trong hai mô hình điều
khiển.
 NỘI DUNG 4: Nghiên cứu giải thuật điều khiển thông minh.
 NỘI DUNG 5: Nghiên cứu xây dựng mô hình thuật toán cho mô hình trực thăng

hai bậc tự do và nhận dạng được mô hình điều khiển tốc độ động cơ.
 NỘI DUNG 6: Mô phỏng khả năng đáp ứng của hệ thống trên Matlab/Simulink.
 NỘI DUNG 7: Lập trình trên Matlab Simulink và nhúng giải thuật điều khiển vào
vi xử lí để điều khiển thực tế các hệ thống.
 NỘI DUNG 8: Tiến hành điều khiển trên mô hình thực tế.
 NỘI DUNG 9: Nhận xét kết quả và so sánh các giải thuật điều khiển.


NỘI DUNG 10: Bảo vệ đề tài tốt nghiệp.

1.4 GIỚI HẠN:
Ứng dụng giải thuật điều khiển PID, Fuzzy logic, Neural Network để điều khiển hai
đối tượng là hệ TRMS và động cơ xoay chiều 3 pha. Việc nghiên cứu thực hiện trên môi
trường mô phỏng Matlab Simulink, sau quá trình mô phỏng đạt được kết quả tốt tiến hành
việc nhúng giải thuật điều khiển vào vi xử để tiến hành kiểm nghiệm thực tế. Sau đó đánh
giá kết quả của từng giải thuật mang lại.

1.5 BỐ CỤC:
 Chương 1: Tổng Quan.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

3


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
Chương này trình bày về đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung
nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án.
 Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết.
Trong chương này trình bày về các lý thuyết có liên quan đến các vấn đề mà đề tài sẽ
dùng để thực hiện thiết kế, thi công cho đề tài.

 Chương 3: Tính Toán Và Thiết Kế.
Chương này giới thiệu tổng quan về các yêu cầu của đề tài và các tính toán, thiết kế
gồm những phần như: thiết kế sơ đồ khối hệ thống, sơ đồ nguyên lý toàn mạch, tính toán
thiết kế mạch.
 Chương 4: Thi Công Hệ Thống.
Viết chương trình cho hệ thống. Trình bày phần cơ khí, điện và chương trình mà học
viên thực hiện cho mô hình máy bay trực thăng hai bậc tự do. Thực hiện mô phỏng mô
hình.
 Chương 5: Kết Quả_Nhận Xét_Đánh Giá.
Trình bày về những kết quả đã được mục tiêu đề ra sau quá trình nghiên cứu thi công.
Từ những kết quả đạt được để đánh giá quá trình hoàn thành được bao nhiêu phần trăm.
 Chương 6: Kết Luận Và Hướng Phát Triển.
Chương này trình bày về những kết quả mà đồ án đạt được, những hạn chế, từ đó rút
ra kết luận và hướng phát triển để giải quyết các vấn đề tồn đọng để đồ án hoàn thiện hơn.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

4


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH MÁY BAY TRỰC THĂNG HAI BẬC TỰ
DO:
 Nguyên lí hoạt động của trực thăng:
Trong máy bay trực thăng, lực nâng sinh ra bằng cách điều khiển công suất của cánh
quạt gọi là rotor chính. Khi rotor chính của máy bay trực thăng quay sinh ra lực nâng và
momen phản ứng. Momen phản ứng này có xu hướng làm cho thân máy bay trực thăng
quay theo chiều ngược lại. Trên hầu hết các máy bay trực thăng, một cánh quạt nhỏ gần

đuôi mà gọi là rotor đuôi. Trên máy bay trực thăng cánh quạt đuôi cánh quạt chính quay
ngược chiều nhau, triệt tiêu momen phản ứng sinh ra.

Hình 2. 1 Trực thăng EC_225.
 Cánh quạt chính:
Nhiệm vụ của cánh quạt chính là tạo ra lực nâng để thắng trọng lực của máy bay để
nâng nó bay trong không khí. Lực nâng được tạo ra nhờ sự tương tác với khí quyển. Trong
quá trình quay cánh quạt tác dụng vào không khí một lực và ngược lại theo định luật 3
Newton. Không khí tác dụng lên cánh quạt một phản lực hướng lên trên. Do đó khi không
có không khí lực nâng này sẽ không còn - hay nói cách khác, không thể dùng máy bay trực
thăng để bay lên mặt trăng dù công suất của động cơ có lớn đến đâu. Vì giữa trái đất và
mặt trăng là chân không.
Bằng cách thay đổi mặt phẳng quay của cánh quạt, giúp trực thăng bay tiến lên phía
trước, lùi lại sau hay bay sang phải và trái.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

5


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2. 2 Lực nâng trực thăng lên.
 Cánh quạt đuôi:
Cánh quạt đuôi hết sức quan trọng vì theo định luật bảo toàn momen, xung lượng
khi cánh quạt chính quay theo chiều kim đồng hồ thì phần còn lại của máy bay sẽ có xu
hướng quay theo chiều ngược lại. Ngoài ra nhờ việc thay đổi công suất của cánh quạt đuôi
mà máy bay có thể chuyển hướng sang phải sang trái dễ dàng. Cánh quạt đuôi sẽ tạo ra
momen cân bằng với momen do cánh quạt chính gây ra. Cánh quạt đuôi được nối với cánh
quạt chính nhờ một hệ dẫn động như hình vẽ dưới đây.

Hình 2. 3 Hệ thống dẫn động giữa cánh quạt chính và cánh quạt đuôi.
Trong thiết kế, động cơ đuôi liên kết với động cơ chính thông qua hệ thống truyền
động trục và hộp số. Có nghĩa là khi động cơ chính quay thì động cơ đuôi sẽ quay theo tỉ
lệ nào đó. Với trực thăng loại rất nhỏ loại điện thì đó là điện áp cho mỗi động cơ. Tuy
nhiên, hệ thống cơ khí thì chất lượng điều khiển này không cao nên cần có một bộ điều
khiển điện tử sử dụng cảm biến để tăng tính hiệu quả ngay cả trong môi trường thực tế.
Đây là một trong những bài toán điều khiển máy bay trực thăng.
 Cấu tạo hệ Twin Rotor MIMO System (TRMS):
TRMS là mô hình của một máy bay trực thăng nhưng được đơn giản hóa. TRMS
được gắn với một trụ tháp và một đặc điểm rất quan trọng của nó là vị trí và vận tốc của

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

6


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
máy bay trực thăng được điều khiển qua sự thay đổi vận tốc của rotor. Với hai đầu vào
(điện áp cung cấp cho các rotor) và các đầu ra (các góc dọc và ngang, các vận tốc góc). Hệ
thống TRMS là một hệ thống được thiết kế dưới dạng mô hình máy bay hai cánh quạt. Một
cánh quạt được đặt theo phương ngang và một cánh quạt được đặt theo phương dọc được
sử dụng trong phòng thí nghiệm và có rất nhiều luật điều khiển được áp dụng để điều khiển
nó. Do tính phức tạp của quỹ đạo phi tuyến, sự ảnh hưởng của các khớp nối giữa các cánh
quạt, sự thay đổi của khí động lực học tác dụng lên cánh quạt do vậy vấn đề nghiên cứu bộ
điều khiển cho hệ thống TRMS là một thử thách, một vấn đề mới và phức tạp cho các đề
tài nghiên cứu về nó.
Twin Rotor MIMO System (TRMS) là một hệ phi tuyến nhiều đầu vào nhiều đầu
ra có hiện tượng xen kênh rõ rệt. Nó hoạt động giống như máy bay trực thăng nhưng góc
tác động của các rotors được xác định và các sức động lực học được điều khiển bởi các tốc
độ của các động cơ. Hiện tượng xen kênh được quan sát giữa sự hoạt động của các động

cơ, mỗi động cơ đều ảnh hưởng đến cả hai vị trí góc ngang và dọc (yaw angle và pitch
angle).

2.2 TỔNG QUAN VỀ PHẦN CỨNG:
2.2.1 Kit STM32F407VG_disc1 discovery:

Hình 2. 4 Kit STM32F407.
STM32F407 là vi điều khiển do hãng ST Microelectronic sản xuất dựa trên nền tảng
lõi vi xử lý ARM CortexR-M. Là một sản phẩm vi điều khiển 32 bit kết hợp các ưu điểm
về hiệu suất cao, khả năng xử lí thời gian thực, xử lí tín hiệu số, tiêu thụ ít năng lượng, hoạt

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

7


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
động điện áp thấp, trong khi duy trì khả năng tích hợp đây đủ và dễ dàng phát triển các ứng
dụng.
Các tính năng chính:
 Lõi FPU hỗ trợ xử lý tính toán dấu phẩy động, 1MB bộ nhớ Flash, 192 Kbyte
RAM.
 Nguồn điện cung cấp cho bảng mạch: thông qua USB hoặc từ một nguồn cung
cấp điện áp 5V bên ngoài.
 Có thể cung cấp nguồn 3.3V và 5V cho các ứng dụng.
 On-board ST-LINK/V2 trên STM32F4-DISCOVERY giúp nạp chương trình, gỡ
lỗi.
 Nguồn cấp từ cổng Mini USB qua các IC nguồn chuyển thành 3.3V để cấp cho
MCU.
 Có sẵn cảm biến gia tốc LIS302DL, ST MEMS motion sensor, 3-axis.

 Có sẵn bộ: CS43L22, audio DAC.
 Có nút nhấn và reset tích hợp.
 Có cổng Micro USB OTG.
 Có Led thông báo nguồn và tám Led trên board.
2.2.2

Encoder E50S8- 5000 (1024):

Ứng dụng chung của encoder: trong các bài toán đo tốc độ động cơ và đo vị trí,
trong các máy CNC dùng để xác định khoảng dịch chuyển của 1 đối tượng thông qua
đếm số vòng quay của trục...Các Encoder này có các đặc điểm sau đây:
 Encoder này có đường kính 50mm, loại trục E50S.
 Thích hợp để đo góc, vị trí, vòng quay, tốc độ, gia tốc và khoảng cách.
 Nguồn cấp: 5VDC.
 Độ phân giải: 5000 xung/vòng đối với E50S8-5000 và 1024 xung/vòng đối với
E50S8-1024.
 Pha ngõ ra: 6 pha.
 Tần số đáp ứng max: 300KHz.
 Ngõ ra: line driver.
 Trở kháng cách li min: 100MOhm.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

8


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
 Cấu trúc bảo vệ: loại cáp, kiểu giắc cắm: IP50 (tiêu chuẩn IEC), loại giắc cắm:
IP65 (tiêu chuẩn IEC).
 Kết nối: loại cáp, loại giắc cắm 250mm, loại giắc cắm (phía sau, phía bên cạnh).

Hình 2. 5 Encoder E50S8-5000.
Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của Encoder:
 Encoder thường có 3 kênh (3 ngõ ra) bao gồm kênh A, kênh B và kênh I (Index). Có
một lỗ nhỏ bên phía trong của đĩa quay và một cặp phát-thu dành riêng cho lỗ nhỏ
này như hình 2.6. Đó là kênh I của encoder. Cữ mỗi lần motor quay được một vòng,
lỗ nhỏ xuất hiện tại vị trí của cặp phát-thu, 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 một 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 của encoder. Mỗi loại encoder có độ phân giải khác nhau, có khi trên
mỗi đĩa chỉ có vài rãnh nhưng cũng có trường hợp đến hàng nghìn rãnh được chia. Để
đo tốc độ động cơ và giá trị đo của góc quay, cần phải biết độ phân giải của encoder
đang dùng. Độ phân giải ảnh hưởng đến độ chính xác điều khiển và cả phương pháp
điều khiển.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

9


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2. 6 Cấu tạo cơ bản của encoder.
 Kênh A và B lệch nhau 90o, kết hợp hai kênh này ta có thể xác định được vận tốc hay
góc và chiều quay của encoder.
2.2.3 Emax BL heli ESC:
Trong đồ án này, để điều khiển tốc độ động cơ, nhóm sử dụng bộ điều tốc Emax BL
heli ESC 50A. Nó có các đặc điểm cụ thể sau đây:

 Dựa trên BLHeli firmware, tối ưu hóa cho hiệu suất cao với tuyến tính và nhanh
hơn rất nhiều phản ứng tăng tốc.
 Đặc biệt thiết kế cho multirotors, tuyệt vời và tương thích với tuyến tính và nhanh
hơn rất nhiều phản ứng tăng tốc.
 Bảo vệ nhiều đặc trưng bao gồm Low-điện áp vut-off bảo vệ/over-nhiệt bảo
vệ/throttle mất tín hiệu bảo vệ.
 Cung cấp điện riêng cho MCU và BEC, tăng cường khả năng loại bỏ nhiễu sóng
từ của ESC.
 Tất cả các thông số có thể được lập trình thông qua sử dụng một chương trình thẻ
hoặc một máy phát, bao gồm thiết lập mặc định.
 Tốc độ tối đa: 210.000 rpm cho 2 cực, 70.000 rpm cho 6 cực, 35.000 rpm.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

10


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2. 7 Cấu tạo các chân kết nối BLH Heli Emax.
Cấu tạo: gồm năm dây:
 Dây 1 (màu đỏ): kết nối nguồn VCC= 24V.
 Dây 2 (màu đen): kết nối GND.
 Dây 3 gồm 3 dây nhỏ kết nối với vi điều khiển, 2 chân cấp nguồn và 1 chân kết
nối với chân PWM của vi điều khiển.
 Dây 4,5,6 kết nối với động cơ 3 pha, dây 4 và 6 có thể đổi vị trí cho nhau nhằm
mục đích đảo chiều động cơ.
2.2.4 Động cơ Brushless DC (BLDC):
 Động cơ BLDC là động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, thuộc nhóm động cơ xoay
chiều đồng bộ, có phần cảm là nam châm vĩnh cửu.

 Cấu tạo của động cơ BLDC:
 Stator: bao gồm lõi sắt (các lá thép kỹ thuật điện ghép lại với nhau) và dây quấn.
Cách quấn dây của BLDC khác so với cách quấn dây của động cơ điện xoay chiều
ba pha thông thường.
 Rotor: cấu tạo phổ biến của rotor cực lồi với các thanh nam châm gắn trên bề mặt.
 Cảm biến Hall: do đặc thù của sức phản điện động có dạng hình thang nên cấu
hình điều khiển thông thường của BLDC cần có cảm biến xác định vị trí cua từ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

11