Đồ án: Điều khiển và giám sát mực nước dùng DSP

www.dienvietnam.vn

PHẦN A

i


www.dienvietnam.vn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
TP HỒ CHÍ MINH
--------******-------KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ

-------******--------

NHIỆM VỤ CỦA ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Giáo viên hướng dẫn:
Họ và tên sinh viên:
Lớp:
Chuyên ngành:
Hệ:
Niên khoá:

TS.Nguyễn Minh Tâm
Nguyễn Thanh Tùng
061180B
Công Nghệ Điện Tự Động
Đại học chính quy

2006 - 2011

MSSV: 06118030
Mã ngành: 118

1. Tên đề tài:

ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT MỰC NƯỚC DÙNG DSP
2. Nhiệm vụ và nội dung:
Từ mục đích chính là nghiên cứu ứng dụng vào thực tiễn với việc sử dụng các thiết
bị sẵn nhóm thực hiện đề tài đã đặt ra các nhiệm vụ cụ thể là:
 Tìm hiểu KIT DSP
 Thiết lập cấu hình DSP
 Thiết lập mô hình và mô phỏng hệ bồn nước đơn
 Thiết kế giao diện trên phần mềm Visual Basic
 Kết nối DSP với Visual Basic
 Liên kết phần mềm Matlab và CCStudio
 Tìm hiểu thuật toán điều khiển PID và Logic Mờ
3. Ngày giao nhiệm vụ:…………………………………………………..
4. Ngày hoàn thành:……………………………………………………...
Ngày … tháng … năm 2011
Giáo viên hướng dẫn

TS. Nguyễn Minh Tâm

Ngày … tháng … năm 2011
Chủ nhiệm bộ môn

TS. Nguyễn Minh Tâm
ii

www.dienvietnam.vn

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Giáo viên hướng dẫn:
Họ và tên sinh viên:
Lớp:
Chuyên ngành:
Hệ:
Niên khoá:

TS.Nguyễn Minh Tâm
Nguyễn Thanh Tùng
061180B
Công Nghệ Điện Tự Động
Đại học chính quy
2006 - 2011

MSSV: 06118030
Mã ngành: 118

Tên đề tài : Điều Khiển Và Giám Sát Mực Nước Dùng DSP
Nhận xét của giáo viên hướng dẫn:
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................

............................................................................................................................................

Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2012
Giáo viên hướng dẫn

TS.Nguyễn Minh Tâm

iii


www.dienvietnam.vn

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Giáo viên hướng dẫn:
Họ và tên sinh viên:
Lớp:
Chuyên ngành:
Hệ:
Niên khoá:

TS.Nguyễn Minh Tâm
Nguyễn Thanh Tùng
061180B
Công Nghệ Điện Tự Động
Đại học chính quy
2006 - 2011

MSSV: 06118030
Mã ngành: 118

Tên đề tài : Điều Khiển Và Giám Sát Mực Nước Dùng DSP
Nhận xét của giáo viên phản biện:
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2012
Giáo viên phản biện

iv


www.dienvietnam.vn

LỜI MỞ ĐẦU

Khoa học kỹ thuật thế giới ngày càng phát triển mạnh mẽ. Với mục đích là phục vụ
cuộc sống của con người để ngày càng được phát triển tốt hơn. Khoa học kỹ thuật
đem lại nhiều tiện ích thiết thực hơn cho cuộc sống con người ngày nay. Góp phần
không thể thiếu để mang lại những thành tựu to lớn là sự phát triển không ngừng của
tự động hoá. Trong những năm gần đây các hệ thống tự động đóng vai trò quan trọng
trong việc phát triển và sự tiến bộ của kỹ thuật công nghệ và văn minh hiện đại.
Việc nghiên cứu và ứng dụng những gì đã học vào thực tế cuộc sống là một điều rất
cần thiết trong vai trò làm chủ công nghệ hiện nay. Để góp phần tạo nên nền tảng ban
đầu vững chắc cho việc học tập, tìm hiểu kỹ thuật điều khiển tự động, nhóm thực hiện

đã lựa chọn nghiên cứu đề tài: “ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT MỰC NƯỚC
DÙNG DSP”. Với việc ứng dụng các thiết bị vào điều khiển hệ thống bơm nước tự
động.
Ngoài việc hoàn thành đồ án tốt nghiệp với những công việc trên đây thì nó còn có ý
nghĩa sâu sắc đối với mỗi sinh viên thực hiện. Một lần nữa sinh viên được trải nghiệm
thực tế, những kiến thức học được từ ghế nhà trường sẽ giúp hình thành những sản
phẩm công nghiệp. Trong quá trình tiến hành không thể không gặp những khó khăn
vấp phải, do đó kích thích sinh viên tư duy để tìm ra phương án tối ưu và trao đổi thảo
luận lẫn nhau nhằm mục đích hình thành thói quen hợp tác làm việc nhóm và phương
pháp làm việc hiệu quả.
Tuy nhiên do hạn chế về kinh nghiệm thực tế và thời gian thực hiện nên việc thực
hiện đề tài không thể tránh khỏi những thiếu sót. Do đó rất mong sự chỉ bảo thêm của
quý thầy cô cũng như những đóng góp của các bạn sinh viên.
Xin chân thành cảm ơn!
Sinh Viên thực hiện đề tài
Nguyễn Thanh Tùng

v


www.dienvietnam.vn

LỜI CẢM ƠN
Nhóm thực hiện xin gửi lời cảm ơn đến Ban lãnh đạo, các thầy cô trong Khoa Điện
– Điện tử, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. HCM đã truyền thụ những kinh
nghiệm quý báu, và tạo điều kiện cho sinh viên được tham gia làm đồ án tốt nghiệp.
Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn đến thầy Nguyễn Minh Tâm, giảng viên khoa Điện
– Điện tử, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. HCM đã góp ý, hướng dẫn,
cung cấp tài liệu, và chia sẻ những kinh nghiệm quý báu, tạo mọi điều kiện tốt nhất
cho nhóm hoàn thành đồ án.

Đồng gửi lời cảm ơn các bạn sinh viên lớp Điện Tự Động và những thầy cô trong
bộ môn tự động đã động viên, giúp đỡ và góp ý kiến cho nhóm để hoàn thành tốt
đồ án này.
Xin chân thành cảm ơn!

Sinh Viên thực hiện đề tài

Nguyễn Thanh Tùng

vi


www.dienvietnam.vn

TÓM TẮT ĐỀ TÀI

Mục tiêu chính của đề tài là dùng DSP điều khiển và dùng Visual Basic giám sát mực
nước trong bồn, đồng thời nghiên cứu thuật toán PID và Logic Mờ điều khiển máy
bơm ổn định mực nước. Từ những kiến thức đã học nhóm đã kết nối hoàn thiện mô
hình thực nghiệm, tạo một cái nhìn tổng quan cho các bạn sinh viên về việc ứng dụng
các thiết bị tự động hoá vào sản xuất. Đề tài này đã hoàn thành với nội dung như sau:
Sử dụng phần mềm Matlab viết chương trình cho DSP , DSP thì điều khiển và ổn
định mực nước và máy tính kết nối DSP qua cổng USB qua chuẩn RS 232 dùng phần
mềm Visual Basic để hiển thị mực nước. Hệ thống điều khiển và giám sát mực nước
bao gồm: bồn 1 chứa nước, bồn 2 là bồn chứa nước được bơm lên có gắn cảm biến áp
xuất để đo mực nước, bộ kit DSP để điều khiển và máy tính để giám sát. Ngoài ra, tất
cả các hoạt động, các trạng thái của hệ thống đều được phân tích và giám sát ở giao
diện của Visual Basic trên màn hình máy tính.

Sinh Viên thực hiện đề tài

Nguyễn Thanh Tùng

vii


www.dienvietnam.vn

MỤC LỤC
Trang

PHẦN A: GIỚI THIỆU
Trang bìa ....................................................................................................... i
Nhiệm vụ đồ án ............................................................................................ ii
Nhận xét của giáo viên hướng dẫn............................................................... iii
Nhận xét của giáo viên phản biện ................................................................ iv
Lời mở đầu ................................................................................................... v
Lời cảm ơn .................................................................................................. vi
Tóm tắt đề tài ............................................................................................. vii

PHẦN B: NỘI DUNG
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
1.1 Đặt vấn đề............................................................................................. 1
1.2 Mục tiêu của đề tài................................................................................ 2
1.3 Giới hạn đề tài nghiên cứu .................................................................... 2
1.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ............................................... 2
1.5 Nội dung đề tài ..................................................................................... 3
CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Mô tả tổng quát bộ xử lý tín hiệu số DSP F28335PGE ......................... 4
2.2 Lý thuyết điều khiển thuật toán PID .................................................... 8

2.2.1

Giới thiệu chung .............................................................................. 8

2.2.2

Thuật toán điều khiển PID ............................................................... 8

2.2.2.1

Mô tả hiệu chỉnh PID .................................................................. 9

2.2.2.2

Khâu tỉ lệ .................................................................................. 10

2.2.2.3

Khâu tích phân.......................................................................... 11

2.2.2.4

Khâu vi phân ............................................................................ 12

2.2.3

Phương pháp lựa chọn thông số cho bộ điều khiển PID ................. 14
viii

www.dienvietnam.vn

2.2.3.1

Phương pháp Ziegler- Nichols thứ nhất .................................... 14

2.2.3.2

Phương pháp Ziegler- Nichols thứ hai ...................................... 16

2.2.4

Bảng tham số của bộ điều khiển PID ............................................. 17

2.3 Lý thuyết điều khiển mờ……………………………………………….....18
2.3.1 Tập mờ……………………………………………………………….…18
2.3.1.1 Tập cổ điển và tập mờ……………………………………………….18
2.3.1.2 Các hàm liên thuộc thường dùng …………….….………………………….19
2.3.3 Suy luận mờ …………………...……………..………….…………..21
2.3.4 Luật hợp thành mờ………….…………………………….…………21
2.3.4.1 Định nghĩa luật hợp thành………………….………….……….…21
2.3.4.2 Các luật hợp thành mờ…………………………….……………...22
2.3.5.2 Phương pháp trọng tâm (CoG)……………………………………22
2.3.5 Các phương pháp giải mờ……………………………….…………….22
2.3.5.1 Phương pháp điểm cực đại………………………..………………22
2.3.5.3 Phương pháp độ cao …………………….………………………..23
2.3.5.2 Phương pháp trọng tâm (CoG)……………………………………24
CHƯƠNG III: THIẾT KẾ MƠ HÌNH BỒN NƯỚC ĐƠN
3.1 Giới thiệu mơ hình……………………………………………………..26
3.2 Mơ hình hệ thống điều khiển bồn nước ……...………………………..28

3.3 Thiết kế phần cứng…………..…………………………………………29
3.3.1 Cảm biến đo mức nước………………….…………………………29
3.3.2 Mạch cơng suất điều khiển máy bơm……..………………………31
3.4 Các cách thiết lập mơ hình bồn nước …………………………………34
3.5 Phương trình tốn học………….………..……………………………..35

CHƯƠNG IV: XÂY DỰNG MƠ HÌNH
4.1 Giới thiệu ............................................................................................ 38
4.2 Thiết kế mơ hình phần cứng................................................................... 39
4.2.1

Mơ hình bồn nước.......................................................................... 39

4.2.2

Giao tiếp giữa cảm biến siêu âm với DSP ...................................... 39
ix


www.dienvietnam.vn

4.2.3 Thiết lập cấu hình trên phần mềm CCStudio ………………………..40
4.3

Sơ đồ tổng quát của luận văn tốt nghiệp……………....……………….44

4.3.1 Sử dụng thuật toán Mờ điều khiển mực nước…………...…………...44
4.3.2 Sử dụng thuật toán PID điều khiển mực nước………………….…….46
4.4

Mô phỏng mô hình điều khiển mực nước……….………………….…….47

CHƯƠNG V: KẾT QUẢ THỰC HIỆN
5.1

Mô hình thực nghiệm.......................................................................... 48

5.2

Kết quả đạt được khi thực tế ............................................................... 50

5.3

Nhận xét ............................................................................................. 51

CHƯƠNG VI: KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ
6.1

Kết luận .............................................................................................. 53

6.2

Hướng phát triển đề tài ....................................................................... 54

PHẦN C: PHỤ LỤC

LIỆT KÊ HÌNH VẼ
Hình

Trang

Hình 2.1a: Đế DSP F28335. .................................................................................. 4
Hình 2.1b: Nhân DSP F28335 ............................................................................... 5
Hình 2.1c: Board mạch DSP TMS320F28335 ......................................................... 5
Hình 2.2: Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID............................................................ 8
Hình 2.3: Biến đặt PID từng bước.......................................................................... 9
Hình 2.4: Biến đặt khi xảy ra đường dốc ................................................................ 9
Hình 2.5: Đồ thị ảnh hưởng của khâu tỷ lệ.............................................................. 10
Hình 2.6: Đồ thị ảnh hưởng của khâu tích phân ...................................................... 12
x


www.dienvietnam.vn

Hình 2.7: Đồ thị ảnh hưởng của khâu vi phân .................................................... 13
Hình 2.8: Đáp ứng nấc của hệ vòng hở ............................................................. 15
Hình 2.9: Sơ đồ bộ điều khiển vòng kín ............................................................. 16
Hình 2.10: Hàm singleton ................................................................................ 19
Hình 2.11: Hàm tam giác......................................................................................... 19
Hình 2.12: Hàm hình thang ..................................................................................... 20
Hình 2.13: Giải mờ theo phương pháp điểm cực đại................................................ 19
Hình 2.14: Giải mờ theo phương pháp trọng tâm ................................................ 19
Hình 2.15: Giải mờ theo phương pháp trọng tâm ................................................ 19

Hình 3.1: Cơ cấu của hệ bồn nước đơn ............................................................. 25
Hình 3.2: Hệ thống điều khiển bồn nước............................................................ 28
Hình 3.3: Hình dáng, sơ đồ chân và thông số MPXV5004 ................................... 29
Hình 3.4: Lắp đặt MPXV5004 dùng đo mức nước .............................................. 30
Hình 3.5: Mạch lọc RC cho MPXV5004 ............................................................ 30
Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lý mạch ứng dụng MPXV5004 ....................................... 31

Hình 3.7: Thi công cảm biến đo mức nước......................................................... 31
Hình 3.8: Mạch tạo nguồn 5V........................................................................... 32
Hình 3.9: Dịch mức cho cảm biến ..................................................................... 32
Hình 3.10: Mạch công suất motor bơm ............................................................. 32
Hình 3.11: Board công suất motor bơm............................................................. 33
Hình 3.12: Các cách thiết lập khác nhau từ mô hình bồn nước ............................ 34
Hình 4.1: Sơ đồ thiết kế của hệ thống ................................................................ 39
Hình 4.2: Khởi động chương trình Code Composer Studio Setup ......................... 40
Hình 4.3: Chọn F2812 XDS510 Emulator.......................................................... 41
Hình 4.4: Kết nối được với board DSP TMS320F28335...................................... 41
Hình 4.5: Load chương trình xuống .................................................................. 43
Hình 4.6: Chương trình chính của giải thuật Logic Mờ ....................................... 44
Hình 4.7a: xây dựng khối vào ra ....................................................................... 44
Hình 4.7b: xây dựng khối vào ra ....................................................................... 45
xi


www.dienvietnam.vn

Hình 4.8: xây dựng luật Logic Mờ .................................................................... 45
Hình 4.9: Chương trình chính của giải thuật PID ............................................... 46
Hình 4.10: Rời rạc PID.................................................................................... 46
Hình 5.1: Mô hình tổng thể đồ án ................................................................... 48
Hình 5.2: đồ thị đáp ứng mực nước ................................................................... 49
Hình 5.3: Giao diện quan sát hệ thống từ Visual ................................................ 49
Hình 5.4: : Đồ thị đáp ứng mực nước ................................................................ 50
Hình 5.5: Giao diện quan sát hệ thống từ Visual ................................................ 50

xii

www.dienvietnam.vn

LIỆT KÊ CHỮ VIẾT TẮT
1. CPU

Central Processing Unit

2. PID

Proportional-Integral-Derivative

3. ADC

Analog Digital Converter

4. I

Intergral

5. P

Propotional

6. D

Derivative

7.DSP

Digital Signal Process

xiv


www.dienvietnam.vn

PHẦN B


www.dienvietnam.vn

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN
1.1

Đặt vấn đề
Các thiết bị và hệ thống điều khiển tự động đã và đang được ứng dụng rộng rãi
trong công nghiệp. Cùng với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ điện tử,
bên cạnh việc đẩy mạnh phát triển của công nghệ thông tin, các giải pháp
truyền thông trong mạng công nghiệp cũng không ngừng được đầu tư và phát
triển. Vì vậy, việc tăng cường sức cạnh tranh cho nền kinh tế nước nhà nói
chung và ngành công nghiệp nói riêng, tự động hoá các dây chuyền sản xuất là
điều không thể thiếu trong công cuộc phát triển hiện nay.
Việc ứng dụng các thiết bị tự động nói trên vào việc điều khiển tốc độ ổn định
nhiệt, mực nước và ấp suất…….. đã phổ biến rộng rãi với nhiều mục đích và
quy mô khác nhau. Hầu hết các ứng dụng này đều được giải quyết bởi các bài

tán toán ổn định hệ thống với chất lượng tốt nhất bằng thuật toán PID hay
Logic Mờ.
Như chúng ta đã biết, DSP là một kit điều khiển đối tượng phi tuyến và tuyến
tính có các ưu điểm là bền vững đối với nhiễu và sự thay đổi của các thông số
nên đã được ứng dụng rộng rãi trong lãnh vực điều khiển như: điều khiển tốc
độ động cơ, điều khiển tay máy, máy bay… Chính vì vậy, Kit DSP đã và đang
là đề tài nghiên cứu của nhiều nhà khoa học.
Xuất phát từ nhu cầu thực tế nêu trên, tôi quyết định chọn đề tài “Điều khiển
và giám sát mực nước dùng DSP ” để thực hiện đồ án tốt nghiệp. Đây là đề tài
nghiên cứu hướng vào ứng dụng cụ thể.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1


www.dienvietnam.vn

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

1.2

Mục tiêu của đề tài

Sau khi xác định được đối tượng, chủ thể nghiên cứu và giới hạn phạm vi nghiên
cứu, việc xác định mục tiêu sẽ là bước quan trọng kế tiếp nhằm định hướng đúng
đắn cho quy trình thực hiện đề tài. Mục tiêu cụ thể được thể hiện như sau:
 Tìm hiểu giao tiếp máy tính với DSP
 Sử dụng phần mềm Visual Basic giám sát bồn nước
 Nhận dạng hệ bồn nước đơn

 Nghiên cứu DSP điều khiển và ổn định mực nước.
 Tìm hiểu thuật toán điều khiển PID và Logic Mờ

1.3

Giới hạn đề tài nghiên cứu

Do hạn chế về thời gian, trang thiết bị và kiến thức chuyên môn nên nhóm nghiên
cứu chỉ nghiên cứu trong giới hạn sau:

1.4

-

Tìm hiểu bộ kit DSP TMDSCNCD28335PGF

-

Thiết kế giao diện giám sát trên phần mềm Visual Basic

-

Viết chương trình điều khiển cho hệ thống từ Matlab

-

Mô phỏng được hoạt động của hệ thống

-

Viết thuật toán PID và Logic Mờ điều khiển mực nước trên Matlab.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Việc nghiên cứu thành công đề tài mang lại nhiều ý nghĩa sâu sắc. Bất kỳ một
ứng dụng hay thử nghiệm cụ thể nào cũng dựa trên những cơ sơ lý thuyết khoa
học có sẵn hay giả định khoa học. Kết quả của đề tài này một lần nữa đã kiểm
chứng được lý thuyết, chứng minh tính đúng đắn và tính ưu việt của luật điều
khiển PID và Logic Mờ. Về thực tiễn, sau khi nghiên cứu thành công đề tài,

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

2


www.dienvietnam.vn

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
sinh viên là người trực tiếp thụ hưởng được nhiều thành quả nhất. Quá trình
thực hiện đề tài là một lần trải nghiệm thực tế vô cùng bổ ích. Lý thuyết điều
khiển tự động đã được củng cố thêm, bên cạnh đó môi trường công nghiệp cũng
gần gũi hơn thể hiện qua tiêu chí lựa chọn từng phương pháp và thiết bị cụ thể.

1.5

Nội dung đề tài

Chương 1: Tổng quan
Chương này trình bày vắn tắt quá trình thực hiện đề tài cũng như toàn bộ nội dung
của đề tài.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương này trình bày cơ sở lý thuyết về Kit DSP, thuật toán PID và Logic Mờ
Chương 3: Thiết kế mô hình bồn nước đơn
Chương này trình bày sơ lược về các thiết lập và cách xây dựng mô hình và thiết lập
phương trình toán học của bồn nước
Chương 4: Xây dựng mô hình
Chương này trình bày về thiết kế của hệ thống bồn nước, cách kết nối mạng, xây
dựng giao diện điều khiển, thiết lập các thông số, phần mềm và các thiết bị sử dụng.
Đồng thời nghiên cứu giải thuật điều khiển và vận hành hệ thống.
Chương 5: Kết quả thực nghiệm
Chương này tổng kết đánh giá những kết quả thu được khi chạy mô phỏng hệ thống
trên mô hình, phân tích đánh giá tính ổn định của hệ thống thông qua những thông
số trong chương trình DSP.
Chương 6: Kết luận
Chương này nêu những ưu và khuyết của đề tài, khẳng định những đóng góp của đề
tài vào thực tiễn. Đồng thời cũng đưa ra các đề nghị hướng phát triển cho đề tài.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

3


www.dienvietnam.vn

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1/ MÔ TẢ TỔNG QUÁT BỘ XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ DSP

TMDSCNCD320F28335PGF
Giới thiệu chung về F28335PGF ControlCARD
Luận văn của tôi được xây dựng trên nền DSP , board mạch được sử dụng là F28335PGF
ControlCARD như hình 2.1

Hình 2.1a: Đế DSP F28335
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

4


www.dienvietnam.vn

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Hình 2.1b: Nhân DSP F28335

Hình 2.1c: Board mạch DSP TMS320F28335
Bộ công cụ này được dùng trong các lĩnh vực sau:
- Robot.
- Các cơ cấu chấp hành bằng điện và thuỷ lực.
- Điều khiển servo các truyền động ổ đĩa (disk drive).
- Điều khiển truyền động điện.

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

5


www.dienvietnam.vn

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
- Điều khiển các phương tiện cơ giới.
- Điều khiển trấn động tích cực.
- Trong các máy CNC
- Và nó cũng rất thích hợp cho các tác vụ có liên quan đến xử lý tín âm
thanh nhận dạng tiếng nói người nói biến văn bản thành tiếng nói âm thanh, kỹ
thuật âm thanh
- Xử lý ảnh :thu nhận và khôi phục ảnh làm nổi đường biên, lọc nhiễu, nhận
dạng, mắt người máy , hoạt hình các kỹ xảo về hình ảnh, bản đồ…
- Viễn thông: Xử lý tín hiệu thoại và tín hiệu hình , truyền dữ liệu, khử
xuyên kênh , truyền hình số…
- Quân sự : truyền thông bảo mật, xử lý tín hiệu rada, dẫn đường tên lửa..
- Y học: não đồ, điện tim, chụp X quang, chụp CT(Computed Tomography
Scans)
 F28335PGF ControlCARD có những đặc điểm như sau:
Đặc điiểm vật lý:
-

Nguồn nuôi 5V hoặc lấy trực tiếp từ cổng USB.

Bộ xử lý chính:
-

Nhân xử lý tín hiệu là TMS 320F28335 hoạt động ở 150Mhz

-

Tốc độ 150MIPS

Bộ nhớ:
-

68KB on chip RAM.

-

512KB on chip FLASH memory

-

2KB OTB ROM

Các ngắt điều khiển:
-

Các ngắt bởi timer, giao tiếp nối tiếp,ADC, PC chủ.

-

Ngắt đồng bộ PWM

-

16 chân ra PWM

Giao tiếp:
-

1 RS-485

-

1 RS-232

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

6


www.dienvietnam.vn

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Đầu vào tương tự:
-

16 ADC đầu vào ( 0-3v)

Đầu ra :
-

4 DA đầu ra

-

48 GPIO

Ngoài ra còn có:
-

3 chỉ thị đèn led( báo nguồn, run và lổi)

-

1 SCI 2.0

-

Jack cắm tai nghe và jack phone

-

Kết nối với board mạch qua TI DSP EMULATOR XDS510-USB2.0

-

Chân kết nối RS232

Về các thông tin cũng như các công cụ hổ trợ cho board mạch, có thể tham khảo thêm tại
địa chỉ />
CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

7


www.dienvietnam.vn

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

2.2

LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN DÙNG THUẬT TOÁN PID

2.2.1

Giới thiệu chung

Bộ hiệu chỉnh PID (vi tích phân tỷ lệ) ngày nay được sử dụng rất nhiều trong các hệ
thống điều khiển. Trên thực tế, hầu hết các bộ điều khiển nói chung và PLC nói
riêng đều tích hợp thuật toán PID bên trong nó, nhờ đó làm tăng chất lượng đáp ứng
của hệ thống giúp cho việc điều khiển được tối ưu hơn
Trong một bộ điều khiển PID thường gồm 3 thành phần:
 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, làm tăng đáp

ứng của hệ thống nhưng cũng dễ mất ổn định.
 Thành phần vi phân (Kd) làm tăng độ ổn định hệ thống, giảm độ vọt lố và

làm thay đổi tốc độ đáp ứng của hệ thống.
2.2.2

Thuật toán điều khiển PID:

Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID được thể hiện hình 2.6:

Hình 2.2 Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID
Việc điều khiển PID được dựa trên thông số MV:
(2.1)

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

8


www.dienvietnam.vn

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trong đó:
Pout là phần tỉ lệ của ngõ ra ,
Iout là phần tích phân của ngõ ra,
Dout là phần vi phân của ngõ ra.
2.2.2.1 Mô tả hiệu chỉnh PID :
Hiệu chỉnh PID là kết hợp điều chỉnh tỷ lệ P, Reset I, Rate D, kết quả tốt nhất đạt
được khi hiệu chỉnh PID thực hiện trên hệ thống điều khiển có thời gian dài. Trong
ba khâu, P cho phép thực hiện trên hệ thống điều khiển tự do hunting trong khi
dùng tự động đúng offset. Hơn nữa, thay đổi biến đặt nhanh đúng trong D gây bởi
nhiễu ngoài. Ảnh hưởng qua lại của ba hoạt động điều khiển này sẽ cho được điều
khiển tối ưu. Hình 2.7 đưa ra biến đặt của PID từng bước thay đổi độ lệch xảy ra và
hình 2.8 chỉ ra biến đặt khi xảy ra đường dốc thay đổi trong độ lệch.

Hình 2.3. Biến đặt PID từng bước

Hình 2.4 Biến đặt khi xảy ra đường dốc

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

9

www.dienvietnam.vn

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
2.2.2.2 Khâu tỉ lệ:
Đồ thị PV theo thời gian, ba giá trị Kp (Ki và Kd là hằng số). Đồ thị ảnh hưởng của
khâu tỷ lệ như hình 2.9.
Khâu tỷ lệ (đôi khi còn được gọi là độ lợi) làm thay đổi giá trị đầu ra, tỉ lệ với giá trị
sai số hiện tại. Đáp ứng tỉ lệ có thể được điều chỉnh bằng cách nhân sai số đó với
một hằng số Kp, được gọi là độ lợi tỉ lệ.

Hình 2.5: Đồ thị ảnh hưởng của khâu tỷ lệ
Khâu tỉ lệ được cho bởi:
(2.2)
Trong đó:
Pout: Thừa số tỉ lệ của đầu ra,
Kp: Độ lợi tỉ lệ, thông số điều chỉnh,
e: Sai số = SP – PV,
t: Thời gian hay thời gian tức thời (hiện tại).
Độ lợi của khâu tỉ lệ lớn là do thay đổi lớn ở đầu ra mà sai số thay đổi nhỏ. Nếu độ
lợi của khâu tỉ lệ quá cao, hệ thống sẽ không ổn định. Ngược lại, độ lợi nhỏ là do
đáp ứng đầu ra nhỏ trong khi sai số đầu vào lớn, và làm cho bộ điều khiển kém

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

10


www.dienvietnam.vn

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

nhạy, hoặc đáp ứng chậm. Nếu độ lợi của khâu tỉ lệ quá thấp, tác động điều khiển
có thể sẽ quá bé khi đáp ứng với các nhiễu của hệ thống.
2.2.2.3 Khâu tích phân:
Đồ thị PV theo thời gian, tương ứng với 3 giá trị Ki (Kp và Kd không đổi). Đồ thị
ảnh hưởng của khâu tích phân như hình 2.10.
Khâu tích phân giúp giữ cho hệ thống sau khi đã xác lập đạt trạng thái bền. Sự sai
lệch hay sai số giữa vị trí đặt và vị trí hiện tại được giảm xuống và có thể loại bỏ
hoàn toàn với khâu điều khiển tích phân.
Thừa số tích phân được cho bởi:

(2.3)

Trong đó:
Iout: thừa số tích phân của đầu ra,
Ki: độ lợi tích phân, 1 thông số điều chỉnh,
e: sai số = SP – PV,
t: thời gian hoặc thời gian tức thời (hiện tại),
τ: một biến tích phân trung gian.
Khâu tích phân (khi cộng thêm khâu tỉ lệ) sẽ tăng tốc chuyển động của quá trình tới
điểm đặt và khử số dư sai số ổn định với một tỉ lệ chỉ phụ thuộc vào bộ điều khiển.
Tuy nhiên, vì khâu tích phân là đáp ứng của sai số tích lũy trong quá khứ, nó có thể
khiến giá trị hiện tại vọt lố qua giá trị đặt (ngang qua điểm đặt và tạo ra một độ lệch
với các hướng khác). Để tìm hiểu thêm các đặc điểm của việc điều chỉnh độ lợi tích
phân và độ ổn định của bộ điều khiển.

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

11