Xây dựng hệ thống nhúng điều khiển thích nghi hệ thống động
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (5.25 MB, 126 trang )
Đại Học Quốc Gia Tp.Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------------
TRẦN HỒNG HUY
XÂY DỰNG HỆ THỐNG NHÚNG ĐIỀU KHIỂN
THÍCH NGHI HỆ THỐNG ĐỘNG
Chuyên ngành: TỰ ĐỘNG HÓA
Mã số ngành: 60.52.60
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2009
CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học : ………………………………………………………..
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 1 : …………………………………………………………….
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2 : …………………………………………………………….
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM
ngày ..... tháng …. năm 2009
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. ………………………………………………….
2. ………………………………………………….
3. ………………………………………………….
4. ………………………………………………….
5. ………………………………………………….
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Bộ môn quản lý chuyên ngành sau
khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV
Bộ môn quản lý chuyên ngành
TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA TP. HCM
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM
PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
----------------
---oOo--Tp. HCM, ngày
tháng 07 năm 2009
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: TRẦN HOÀNG HUY
Giới tính : Nam
Ngày, tháng, năm sinh : 29/10/1981.
Nơi sinh : LÂM ĐỒNG.
Chuyên ngành : TỰ ĐỘNG HÓA
MSHV: 01505345
I- TÊN ĐỀ TÀI : XÂY DỰNG HỆ THỐNG NHÚNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI HỆ
THỐNG ĐỘNG
II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG :
Tìm hiểu nguyên lý và cách thực hiện một hệ thống nhúng trên cơ sở chip DSP
Chạy mô phỏng trên Matlab với bộ điều khiển mờ và bộ điều khiển PID cho hệ
máy bay trực thăng đã mơ hình hóa
Nhúng bộ điều khiển mờ và bộ điều khiển PID lên kit phát triển eZdsp F2812
điều khiển cho hệ máy bay trực thăng đã mơ hình hóa bằng phần mềm Vissim.
III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : …03/2008
IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : …07/2009
V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : THẠC SĨ HUỲNH VĂN KIỂM
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Học hàm, học vị, họ tên và chữ ký)
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên xin chân thành cảm ơn thạc sĩ thầy Huỳnh Văn Kiểm, người đã tận tình
hướng dẫn tôi trong suốt thời gian thực hiện Luận Văn tốt nghiệp này.
Xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô bộ mơn Tự Động Hóa, khoa Điện – Điện tử
trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh đã tận tình truyền đạt kiến thức
cho tơi nói riêng và cho các học viên Cao Học Tự Động Hóa nói chung.
Cảm ơn gia đình và bạn bè, những người đã động viên cũng như giúp đỡ tôi suốt
quãng thời gian qua.
Tp Hồ Chí Minh, Tháng 07 năm 2009
Người thực hiện Luận Văn
Trần Hoàng Huy
TÓM TẮT
Các bộ điều khiển số nhúng đã đưa ra rất nhiều thuận lợi quan trọng cho việc thiết kế
điện tử. DSP rất tốt cho việc thực hiện các thuật toán điều khiển thời gian thực, và đã
được sử dụng một cách rộng rãi trong các bộ điều khiển số thực thi tốc độ cao trong
nhiều năm gần đây. DSP cho phép:
Cho phép điều khiển các hệ thống đa biến và phức tạp sử dụng các phương pháp
điều khiển thông minh hiện đại như là mạng neural và logic mờ.
Thực hiện điều khiển thích nghi, mà thuật tốn thích nghi một cách động để phù
hợp với nhiều sự biến đổi trong cư xử của hệ thống.
Giảm giá thành hệ thống bởi việc tận dụng các thuận lợi của việc tích hợp bộ
ngoại vi tích hợp dẫn đến giảm số lượng thiết bị và kích thước board.
Việc sử dụng các bộ điều khiển số với ngơn ngữ cấp cao có thể tránh được việc đầu tư
thời gian cho việc học các ngơn ngữ mới và sẽ đối mặt với khó khăn trong việc kiểm
tra và gỡ lỗi chương trình. DSP TI C28x bao gồm trình biên dịch C cấp cao và các thư
viện phần mềm mở rộng làm giảm thời gian phát triển của hệ thống.
Các phát triển gần đây trong phần mềm mô phỏng cũng cho phép người thiết kế tiếp
cận đến mơ hình xử lý số dấu chấm tĩnh, và tự động tạo các mã nguồn đã được tối ưu
mà có thể biên dịch và chạy trên các bộ xử lý phần cứng một cách trực tiếp từ môi
trường mô phỏng. Tiếp cận “hardware in the loop”này cho phép các thuật tốn điều
khiển đã được tạo bởi mơ hình được kích hoạt trên bộ xử lý thực như C28x trong suốt
q trình mơ phỏng, và gia tăng mức độ tin cậy thiết kế.
Việc sử dụng các hệ vận chuyển tự điều khiển càng ngày phổ biến và gia tăng một
cách mạnh mẽ trong thời gian gần đây. Máy bay trực thăng là một phương tiện hàng
không được điều khiển với nhiều đặc tính bay mà là một chủ đề đáng quan tâm trong
việc phát triển các hệ tự động bay. Đối tượng điều khiển của đề tài này là thực hiện
việc điều khiển bay tự động cho một trực thăng cỡ nhỏ.
ABSTRACT
Embedded digital controllers offer several important benefits to the electronic design
engineer. DSPs lend themselves well to implementing real-time control algorithms,
and have been widely used in high-performance digital controllers for many years
recently. A DSP allows to:
Enable control of multi-variable and complex systems using modern
intelligent methods such as neural networks and fuzzy logic.
Perform adaptive control, in which the algorithm dynamically adapts itself to
match variations in system behavior.
Reduce system cost by taking advantage of a rich integrated peripheral set to
minimize component count and board size.
The use of digital controllers is sometimes avoided on the expectation that the user is
obliged to invest time in learning new programming languages, and will face
difficulties in testing and de-bugging the code. The Texas Instruments C28x™ DSP
platform includes a high performance C compiler and an extensive set of software
libraries to minimize development effort. Recent developments in simulation software
also enable designers to model fixed-point digital processors, and to automatically
generate optimized source code which may be compiled and run on the target
processor directly from the simulation environment. This “hardware-in-the-loop”
approach enables the control algorithms generated by the model to be executed on a
real target processor such as the C28x during simulation, and increases the level of
design confidence. The ease with which control algorithms can be created and
modified in this manner can save months of development time and leads to earlier
error detection compared with traditional hand coding methods.
The use of autonomous vehicles, for a wide variety of applications, have been
increasing during the latest years. A helicopter is an aerial vehicle that proccess
several flying qualities which makes it an interesting subject for development of an
autonomous platform. The subject of this thesis is to enable autonomous flight for a
miniature helicopter.
-
1-
MỤC LỤC
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ .......................................................................... ii
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. iii
TÓM TẮT ................................................................................................................... iv
ABSTRACT ................................................................................................................. v
MỤC LỤC.................................................................................................................... 1
Phần I.
GIỚI THIỆU ............................................................................................. 9
1.
Hệ thống điều khiển thông minh và cơng nghệ tính tốn mềm ..........................9
2.
Quy trình từ mơ phỏng đến thực tiễn ...............................................................14
3.
Xu hướng điều khiển nhúng trong kĩ thuật tự động hóa ..................................16
4.
Mục tiêu nghiên cứu .........................................................................................17
Phần II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................. 18
1.
Hệ thống nhúng ................................................................................................18
1.1.
1.1.1.
Giao diện ..............................................................................................20
1.1.2.
Kiến trúc CPU ......................................................................................20
1.1.3.
Thiết bị ngoại vi ...................................................................................21
1.1.4.
Công cụ phát triển ................................................................................21
1.1.5.
Độ tin cậy .............................................................................................22
1.2.
Các kiến trúc phần mềm hệ thống nhúng ...................................................22
1.2.1.
Vịng lặp kiểm sốt đơn giản................................................................23
1.2.2.
Hệ thống ngắt điều khiển .....................................................................23
1.2.3.
Đa nhiệm tương tác..............................................................................23
1.2.4.
Đa nhiệm ưu tiên..................................................................................23
1.2.5.
Vi nhân (Microkernel) và nhân ngoại (Exokernel) ..............................24
1.2.6.
Nhân khối (monolithic kernels) ...........................................................24
1.3.
2.
Các đặc điểm ..............................................................................................19
Thiết kế các hệ nhúng .................................................................................25
Chip DSP – TMS320F2812..............................................................................27
-
2-
2.1.
Digital Signal Processor - DSP .................................................................27
2.2.
Digital Signal Controller (DSC) .................................................................29
2.3.
Kiến trúc TMS320F2812 ...........................................................................29
2.3.1.
Sơ đồ khối TMS320F2812 ...................................................................29
2.3.2.
CPU F2812 ...........................................................................................30
2.3.3.
Các đơn vị toán học F2812 ..................................................................32
2.3.4.
Truy xuất bộ nhớ dữ liệu ......................................................................33
2.3.5.
Cấu trúc Bus nội ...................................................................................34
2.3.6.
Đơn vị logic toán học atomic ALU - Atomic Arithmetic Logic Unit ..34
2.3.7.
Pipeline lệnh .........................................................................................35
2.3.8.
Bản đồ bộ nhớ ......................................................................................36
2.3.9.
Khối bảo mật mã lập trình ....................................................................37
2.3.10. Đáp ứng ngắt ........................................................................................38
2.3.11. Các chế độ hoạt động ...........................................................................39
2.3.12. Reset .....................................................................................................39
3.
Bộ điều khiển mờ..............................................................................................40
3.1.
Khái niệm cơ bản........................................................................................40
3.2.
Định nghĩa tập mờ ......................................................................................40
3.3.
Bộ điều khiển mờ .......................................................................................42
3.3.1.
Cấu trúc một bộ điều khiển mờ ............................................................42
3.3.2.
Phân loại các bộ điều khiển mờ ...........................................................42
3.3.3.
Nguyên lý điều khiển mờ .....................................................................43
3.4.
4.
Thiết kế bộ điều khiển mờ ..........................................................................43
Cơ sở và điều khiển trực thăng .........................................................................45
4.1.
Cánh quạt chính và điều khiển ...................................................................49
4.2.
Cánh quạt đuôi và điều khiển .....................................................................52
5.
Kit phát triển eZdspTM F2812 ...........................................................................54
6.
Code compose Studio IDE ...............................................................................55
-
7.
3-
6.1.1.
Lưu đồ thiết kế phần mềm....................................................................55
6.1.2.
Code composer studio cơ bản ..............................................................56
Điều khiển công nghiệp với Vissim .................................................................59
7.1.
Vissim đáp ứng nhu cầu thiết kế nhúng và thời gian thực .........................59
7.1.1.
Đáp ứng nhanh chóng thời gian đưa sản phẩm ra thị trường ...............59
7.1.2.
Đáp ứng việc kiểm nghiệm với thế giới thực .......................................59
7.2.
Tự động tạo mã chương trình C .................................................................60
7.2.1.
Tính hiệu quả của việc tự động tạo mã chương trình...........................62
7.2.2.
Các yêu cầu hệ thống ...........................................................................62
7.2.3.
Kết hợp việc tự động tạo mã với tự lập trình .......................................62
7.3.
Sơ lược về các bộ cơng cụ của Vissim .......................................................63
7.3.1.
Tiến trình tạo ngun mẫu nhanh chóng ..............................................63
7.3.2.
Mơ phỏng DSP trong vòng lặp (DSP-in- the-loop) .............................63
7.3.3.
VisSim/Code Composer Studio ...........................................................64
Phần III.
THIẾT KẾ HỆ THỐNG NHÚNG ..................................................... 65
1.
Lưu đồ thiết kế hệ nhúng ..................................................................................65
2.
Mơ hình hóa và mơ phỏng máy bay trực thăng điều khiển từ xa .....................68
2.1.
Giới thiệu mơ hình hóa trực thăng điều khiển từ xa của đại học M.I.T .....68
2.2.
Mơ hình hóa trực thăng điều khiển từ xa ...................................................71
2.3.
Thực hiện mơ hình máy bay trực thăng .....................................................77
3.
2.3.1.
Các điều khiển mơ hình máy bay .........................................................78
2.3.2.
Động học thân máy bay........................................................................79
Thiết kế bộ điều khiển bằng Matlab .................................................................91
3.1.
Bộ điều khiển tập trung mờ cho cánh quạt chính .......................................92
3.2.
Bộ điều khiển bàn đạp mờ cho cánh quạt đuôi ..........................................96
3.2.1.
Bộ điều khiển “ControlYawSpeed” .....................................................98
3.2.2.
Bộ điều khiển “HeadingFuzzy” .........................................................100
3.3.
Thiết kế bộ điều khiển PID ......................................................................104
-
3.4.
Thiết kế giao diện điều khiển ...................................................................105
3.4.1.
Bay điều khiển bằng tay .....................................................................105
3.4.2.
Bay điều khiển tự động ......................................................................106
3.5.
4.
4-
Chạy thử nghiệm và kết quả thu được......................................................107
3.5.1.
Thử nghiệm với bộ điều khiển mờ .....................................................107
3.5.2.
Thử nghiệm với bộ điều khiển PID ....................................................108
Nhúng bộ điều khiển PID vào chip DSP ........................................................110
Phần IV.
KẾT LUẬN ........................................................................................ 118
1.1.
Thảo luận ..................................................................................................118
1.2.
Hướng phát triển của đề tài ......................................................................118
Tài liệu tham khảo .................................................................................................. 119
TĨM TẮT LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ............................................................... 120
-
5-
Hình
Hình I-1: Mơ hình điều khiển thích nghi .....................................................................10
Hình I-2: Mơ hình điều khiển bền vững ......................................................................10
Hình I-3: Các yếu tố cấu thành hệ thống thông minh và mối liên hệ giữa chúng .......11
Hình I-4: Quy trình từ mơ phỏng đến thực tiễn ...........................................................14
Hình II-1: Mơ hình hoạt động của hệ thống nhúng .....................................................19
Hình II-2: Sơ đồ khối C281x .......................................................................................30
Hình II-3: Bộ dịch/ALU và bộ nhân C28x ..................................................................32
Hình II-4: Con trỏ, DP và bộ nhớ C28x.......................................................................33
Hình II-5: Cấu trúc bus nội ..........................................................................................34
Hình II-6: Đọc/hiệu chỉnh/ghi atomic c28x .................................................................35
Hình II-7: Pipeline C28x..............................................................................................35
Hình II-8: Bản đồ bộ nhớ TMS320F2812 ...................................................................36
Hình II-9: Vị trí của password trong Flash ..................................................................37
Hình II-10: Quản lý đáp ứng ngắt nhanh C28x ...........................................................38
Hình II-11: Hàm liên thuộc của một tập mờ ................................................................41
Hình II-12: Các dạng hàm thuộc trong logic mờ .........................................................41
Hình II-13: Cấu trúc bộ điều khiển mờ MISO.............................................................42
Hình II-14: Một hệ thống hoạt động với bộ điều khiển mờ.........................................43
Hình II-15: Minh họa hệ thống điều khiển trực thăng với bộ điều khiển mờ..............45
Hình II-16: Các khả năng có thể của một máy bay trực thăng lái tự động ..................46
Hình II-17: Các di chuyển pitch – roll – yaw của một trực thăng 2 cánh quạt............47
Hình II-18: 6 bậc tự do của trực thăng .........................................................................48
Hình II-19: Các bộ phận điều khiển trực thăng ...........................................................48
Hình II-20: Góc chỉnh điều khiển tập trung và độ lệch của phiến cánh quạt ..............49
Hình II-21: Vị trí điều khiển của Cyclic và các góc lệch của khung cánh quạt ..........50
Hình II-22: Cơ cấu cơ khí của ổ trục điều khiển bộ cánh quạt chính ..........................51
Hình II-23: Liên kết cơ khí từ cần điều khiển Cyclic/Collective đến swash-plate......51
Hình II-24: Kết nối từ cánh quạt chính đến cánh quạt đi ........................................52
Hình II-25: Cánh quạt đi và di chuyển Yaw ............................................................53
-
6-
Hình II-26: Các khối chính trên board eZdsp F2812 ...................................................54
Hình II-27: Code composer studio IDE .......................................................................55
Hình II-28: Lưu đồ thiết kế phần mềm trong CCS .....................................................55
Hình II-29: Lưu đồ mã chương trình và các định dạng tập tin ....................................56
Hình II-30: Biên dịch – GUI tùy chọn .........................................................................57
Hình II-31: Liên kết – GUI tùy chọn ...........................................................................58
Hình II-32: Lưu đồ dữ liệu trong chế độ trao đổi dữ liệu thời gian thực RTDX .........58
Hình II-33: Tạo mã C với tùy chọn “include VisSim communication interface” .......61
Hình II-34: Tạo mã C với tùy chọn ghi vào Flash .......................................................61
Hình II-35: Mơi trường tích hợp CCS .........................................................................64
Hình II-36: CCS mở project từ Vissim ........................................................................64
Hình III-1: Mơ phỏng bộ điều khiển và đối tượng ......................................................65
Hình III-2: Tạo nguyên mẫu nhanh .............................................................................66
Hình III-3: Thiết lập kiểm tra mã lập trình ..................................................................66
Hình III-4: Lưu đồ thiết kế và kiểm tra .......................................................................67
Hình III-5: Lưu đồ tương tác giữa mơi trường mơ phỏng và mơi trường thực ...........67
Hình III-6: Máy bay trực thăng X-Cell 60 ...................................................................69
Hình III-7: Trực thăng X-Cell 60 với các cảm biến ....................................................71
Hình III-8: Các lực và mơmen của máy bay trực thăng ..............................................73
Hình III-9: Mơ hình mơ phỏng máy bay trực thăng ....................................................78
Hình III-10: Hệ thống mơ hình máy bay trực thăng ....................................................80
Hình III-11: Hệ thống cánh quạt chính ........................................................................81
Hình III-12: Hệ thống cánh quạt đi ..........................................................................84
Hình III-13: Thực hiện các biểu thức Newton-Euler trong Simulink..........................89
Hình III-14: Bộ điều khiển mờ cho trực thăng ............................................................92
Hình III-15: Biểu đồ điều khiển độ cao .......................................................................92
Hình III-16: Ngõ vào Error của bộ điều khiển mờ vị trí..............................................93
Hình III-17: Ngõ vào RateOfError ..............................................................................94
Hình III-18: Ngõ ra MainRotorAngle ..........................................................................95
Hình III-19: Quan hệ mặt 3D của điều khiển độ cao ...................................................96
Hình III-20: Biểu đồ điều khiển hướng .......................................................................97
-
7-
Hình III-21: Ngõ vào YawSpeed .................................................................................98
Hình III-22: Ngõ ra TailAngle .....................................................................................99
Hình III-23: Mặt mờ TailAngle .................................................................................100
Hình III-24: Bộ điều khiển mờ cho ngõ vào Error ....................................................101
Hình III-25: Ngõ vào RateOfError ............................................................................102
Hình III-26: Ngõ ra TailAngle ...................................................................................102
Hình III-27: Mặt điều khiển góc lệch ........................................................................103
Hình III-28: Bộ điều khiển PID cho phần điều khiển độ cao của trực thăng ............104
Hình III-29: Sơ đồ khối mơ hình và điều khiển trong Matlab ...................................104
Hình III-30: GUI điều khiển mô phỏng máy bay trực thăng .....................................105
Hình III-31: GUI bay điều khiển bằng tay .................................................................106
Hình III-32: GUI bay điều khiển tự động ..................................................................107
Hình III-33: Thay đổi độ cao thử nghiệm ..................................................................108
Hình III-34: Điều khiển PID với Ki = 0.5, Kp = 0.4 và Kd = 0.02 ...........................108
Hình III-35: Điều khiển PID với Ki = 0.2, Kp = 0.1 và Kd = 0.015 .........................109
Hình III-36: Mơ hình trực thăng sau khi Import từ Matlab sang Vissim ..................110
Hình III-37: Bộ điều khiển PID được Import từ Matlab sang Vissim .......................110
Hình III-38: Mơ phỏng hệ với dấu chấm động cho bộ điều khiển trên Vissim .........111
Hình III-39: Xác lập số bit độ phân giải và độ chính xác cho các biến .....................111
Hình III-40: Chuyển sang chế độ dấu chấm tĩnh cho bộ điều khiển PID ..................112
Hình III-41: Kết quả với bộ điều khiển dấu chấm tĩnh ..............................................112
Hình III-42: Bộ cơng cụ tạo mã và biên dịch của Vissim .........................................113
Hình III-43: Xác lập các giá trị cho bộ điều khiển ....................................................116
Hình III-44: Điều khiển nhúng PID cho mơ hình trực thăng ....................................117
Hình III-45: Sơ đồ kết nối phần cứng ........................................................................117
-
8-
Bảng
Bảng II-1: Các thuật tốn DSP điển hình ....................................................................27
Bảng II-2: Các mode hoạt động C28x/C24x ...............................................................39
Bảng III-1: Các thông số của trực thăng X-Cell 60 .....................................................70
Bảng III-2: Quan hệ giữa gia tốc – vận tốc – độ di chuyển .........................................75
Bảng III-3: Quan hệ giữa gia tốc góc – vận tốc góc – góc ..........................................76
Bảng III-4: Bảng các biểu thức mơ tả lực và momen cánh quạt chính........................83
Bảng III-5: Bảng các biểu thức mô tả cánh quạt đuôi .................................................86
Bảng III-6: Quan hệ mờ giữa sai lệch và tốc độ biến thiên sai lệch độ cao ................96
Bảng III-7: Quan hệ mờ giữa sai lệch và tốc độ biến thiên sai lệch hướng...............103
-
Phần I.
1.
9-
GIỚI THIỆU
Hệ thống điều khiển thông minh và công nghệ tính tốn mềm
Hệ thống điều khiển thơng thường hiện nay được thiết kế dựa vào mơ hình tốn học
của hệ thống vật lý. Bằng kĩ thuật mơ hình hóa và/hoặc nhận dạng hệ thống, một mơ
hình tốn học mơ tả đặc tính động học của đối tượng điều khiển được đưa ra. Mơ hình
tốn học của hệ thống phải “đủ đơn giản” để có thể phân tích bằng lý thuyết điều
khiển thơng thường hiện có và “đủ chính xác” để có thể mơ tả được các đặc điểm
động học quan trọng của đối tượng, đặc biệt là trong miền lân cận điểm làm việc. Sau
khi chọn được mơ hình tốn học mơ tả đối tượng, các kĩ thuật thiết kế dựa vào mơ
hình được áp dụng để đưa ra mơ hình tốn học của bộ điều khiển thích hợp.([1])
Điều khiển tối ưu trong những năm 1950 – 1960, theo sau đó là các phương pháp điều
khiển ngẫu nhiên, thích nghi, phi tuyến từ sau năm 1969 đến phương pháp điều khiển
bền vững từ những năm 1980 đến nay, đã cung cấp cơ sở tốn học để có thể điều
khiển chính xác hơn hệ thống động phức tạp. Bộ điều khiển sau khi thiết kế sẽ được
thực thi bằng phần cứng và/hoặc phần mềm và nó dùng để điều khiển hệ thống vật lý.
Q trình thiết kế có thể phải lặp lại nhiều lần cho đến khi chất lượng của hệ thống
điều khiển đáp ứng yêu cầu.([1])
Một yếu tố gây khó khăn trong việc thiết kế các bộ điều khiển cho các hệ thống động
là sự bất định. Nếu hệ thống làm việc trong phạm vi hẹp, hệ thống có thể được xem là
tuyến tính và các yếu tố bất định khơng đáng kể thì các bộ điều khiển kinh điển.([1])
Khi miền làm việc của hệ thống càng rộng thì các đặc tính phi tuyến xuất hiện và các
yếu tố bất định càng gia tăng, trong trường hợp này phải sử dụng các phương pháp
hiện đại mới có thể thiết kế được bộ điều khiển đạt yêu cầu. Để đối phó với đặc tính
phi tuyến của đối tượng phải sử dụng bộ điều khiển phi tuyến và để đối phó với các
yếu tố bất định có thể dùng bộ điều khiển thích nghi hoặc bền vững.([1])
-
10 -
Bộ điều khiển thích nghi có các thơng số và/hoặc cấu trúc thay đổi thích ứng với sự
thay đổi của các yếu tố bất định nhằm đảm bảo chất lượng của hệ thống không đổi, là
tổng hợp các kĩ thuật nhằm tự động chỉnh định các bộ điều chỉnh trong mạch điều
khiển nhằm thực hiện hay duy trì ở một mức độ nhất định chất lượng của hệ khi thơng
số của q trình khơng biết trước hay thay đổi theo thời gian. Thơng thường một hệ
thống thích nghi được mơ tả như hình 1.1 gồm hai vịng: vịng hồi tiếp thơng thường
và vịng hồi tiếp thích nghi.([2])
Thích nghi
Xử lý
Hồi tiếp
Hình I-1: Mơ hình điều khiển thích nghi
giá trị
P0
PΔ
điều khiển
t (thời gian)
Hình I-2: Mơ hình điều khiển bền vững
-
11 -
Bộ điều khiển bền vững được thiết kế sao cho chất lượng của hệ thống không đổi khi
các yếu tố bất định nằm trong giới hạn cho phép. Như mơ tả trong hình 1.2 với P0 là
đường danh định mong muốn (nét mảnh) và PΔ là đường thực tế với một sai số Δ so
với đường danh định (nét đậm) thì bộ điều khiển bền vững cho phép hệ thống ổn định
khơng chỉ với mơ hình danh định mong muốn mà cịn ổn định với mơ hình có sai số Δ
so với mơ hình danh định (nét đứt)
Ngày nay, nhằm đáp ứng đòi hỏi cho các đối tượng điều khiển có tính phức tạp ngày
càng cao, hệ thống điều khiển thơng minh ra đời, có xu hướng kết hợp tất cả các vấn
đề không phụ thuộc phạm vi điều khiển thơng thường.
Đánh giá
tình huống
Hoạch định
và thực thi
Đánh giá
giá trị
Tình huống
cảm nhận được
Cập nhật
Xử lý
tín hiệu
Tín hiệu
vào dự báo
Hoạch định
kế hoạch
Kế hoạch
Mô hình
Cơ sở
dữ liệu
Trạng thái
Tín hiệu vào
quan sát
Phát sinh
hành vi
Yêu cầu
tác động
Cảm biến
Sự kiện
Chấp hành
Bên trong
Bên ngoài
Tác động
Môi trường
Hình I-3: Các yếu tố cấu thành hệ thống thông minh và mối liên hệ giữa chúng
-
12 -
Điều khiển thông minh là kĩ thuật điều khiển thay thế bộ não con người trong việc ra
quyết định, hoạch định chiến lược và học các chức năng mới. Nó là một lĩnh vực khoa
học liên ngành vì nó kết hợp lý thuyết từ các lĩnh vực khác nhau như tốn học, điều
khiển học, máy tính, trí tuệ nhân tạo. Khoa học máy tính và đặc biệt là trí tuệ nhân tạo
cung cấp phương pháp biểu diễn tri thức, phương pháp suy diễn dựa trên cơ sở tri
thức. Khái niệm và thuật tốn thích nghi trong lĩnh vực điều khiển giúp các bộ điều
khiển thơng minh thích nghi và học. Sự phát triển công nghệ chế tạo cảm biến, cơ cấu
chấp hành, cơng nghệ tính tốn và mạng thơng tin tạo điều kiện cần thiết để thực hiện
phần cứng hệ thống điều khiển thông minh.([1])
Cơ cấu hệ thống điều khiển thơng minh được minh họa như hình bên trên.
Các cấp độ thông minh của hệ thống (tối thiểu, trung bình, cao cấp) tùy thuộc vào các
yếu tố cấu thành sự thơng minh:
Khả năng tính tốn của bộ não (máy tính) của hệ thống.
Sự phức tạp, tinh vi của các thuật toán mà hệ thống sử dụng để xử lý thơng tin
từ cảm biến, mơ hình hóa đối tượng, phát sinh hành vi, đánh giá hoạt động,
truyền tin tồn cục.
Thơng tin mà hệ thống lưu trữ trong bộ nhớ.
Krishnakumar đã đề xuất cách phân loại điều khiển thông minh dựa khả năng tự cải
thiện của cấu trúc điều khiển:
Mức 0: điều khiển bền vững: tự cải thiện sai số bám là mục tiêu quan trọng của
nhiều kĩ thuật điều khiển. Để đạt được điều này, có thể thiết kế các bộ điều
khiển hồi tiếp bền vững với độ lợi bằng hằng số để cải thiện sai số khi thời gian
tiến đến vơ cùng.
Mức 1: điều khiển thích nghi: tự cải thiện thông số bộ điều khiển hướng tới mục
tiêu đạt được sai số bám (hoặc một mục tiêu nào đó liên quan đến sai số) tốt
hơn. Bộ điều khiển thông minh mức 1 thông thường là bộ điều khiển hồi tiếp
bền vững với các thơng số thích nghi giúp chất lượng điều khiển bù sai số của
hệ thống vẫn đảm bảo khi điều kiện làm việc thay đổi.
13 -
Mức 2: điều khiển tối ưu: tự cải thiện sai số bám hướng đến mục tiêu cực tiểu
hoặc cực đại một phiếm hàm theo thời gian (sai số tiến về 0 và chỉ số chất lượng
đạt cực trị). Bộ điều khiển thông minh mức 2 bên cạnh khả năng như mức 1
(bền vững + thích nghi) cịn phải có khả năng tối ưu hóa một hàm mục tiêu, mà
hàm mục tiêu này được hệ thống tự điều chỉnh tùy theo tình huống làm việc.
Mức 3: điều khiển hoạch định: bên cạnh khả năng của mức 2, bộ điều khiển
thông minh mức 3 cịn có khả năng tự cải thiện chức năng hoạch định. Chức
năng hoạch định bao gồm hoạch định các tình huống ngẫu nhiên, các tình huống
khẩn cấp, các tình huống lỗi.
Các cơng cụ tính tốn mềm phù hợp để thực thi các thuật tốn điều khiển thơng minh:
Mạng thần kinh (Neural Networks).
Logic mờ (Fuzzy Logic).
Giải thuật di truyền (Genetic Algorithm – GA).
Hệ thống lai: hệ thống kết hợp mạng thần kinh, logic mờ, giải thuật di truyền.
-
2.
14 -
Quy trình từ mơ phỏng đến thực tiễn
Trong phần này, giả sử rằng ta đã nắm vững được hoàn tồn đặc tính động học của đối
tượng cần điều khiển cùng với thuật toán tương ứng đi kèm với chúng, thì để một
nghiên cứu ứng dụng có thể đi từ lý thuỵết đến thực tế, chúng ta phải trải qua các
bước sau:
Khảo sát đối tượng
và thuật toán
Mô phỏng đối tượng
(bước 1)
và bộ điều khiển
Quá trình
mô phỏng
Y
Sử dụng đối tượng
(bước 2)
thực tế, mô phỏng bộ
điều khiển
Y
Quá trình
thực
N
N
Kiểm tra và chạy thử
(bước 3)
nghiệm trên thực tế
Y
N
Chế tạo và sản xuất
Hình I-4: Quy trình từ mơ phỏng đến thực tiễn
Bước 1: sau khi đã khảo sát đối tượng và thuật toán điều khiển cho chúng, một
cách đơn giản, và nhanh chóng để nhận biết được đáp ứng sơ bộ của đối tượng
với các tác nhân đầu vào thơng qua các thuật tốn điều khiển là chúng ta thực
-
15 -
hiện q trình mơ phỏng tồn bộ hệ thống từ đối tượng, tác nhân kích thích đầu
vào và thuật tốn trên các cơng cụ mơ phỏng (điển hình nhất trong các bài toán
điều khiển là sử dụng Matlab, Simulink, Control System Toolbox).Việc mô
phỏng được thực hiện trong thời gian khơng thực ở normal mode của Simulink,
q trình kéo dài nhiều giờ có thể mơ phỏng xong trong vịng vài giây, đối
tượng điều khiển và bộ điều khiển đều được thực hiện trên máy tính. ([3])
Bước 2: sau khi đã mơ phịng thành cơng, ta loại bỏ mơ hình đối tượng và thay
bằng các khối xuất nhập là các card giao tiếp. Real-time Widows Target (Rtwin)
và xPC target là hai giải pháp của Matlab nhằm điều khiển đối tượng thực tế
trong thời gian thực.Với Rtwin, đối tượng được ghép với máy tính thơng qua
các card giao tiếp. Đối với xPC target, máy tính chủ và máy tính đích ghép nối
với nhau qua cổng RS 232 hay mạng Ethernet, máy tính đích có các card giao
tiếp với đối tượng sẽ điều khiển đối tượng theo thời gian thực, các đáp ứng được
gởi lên máy chủ và các tinh chỉnh gởi xuống máy đích. Chương trình điều khiển
dạng mã thực thi, tạo ra bởi Real time Workshops và Visual C++, được RtWin
và xPC Target kết hợp với Simulink ở external mode để điều khiển đối tượng
trong thời gian thực. Cách thức điều khiển này gọi là Real time hardware in the
loop Simulation giúp khảo sát các đáp ứng và tinh chỉnh thông số trong thời
gian thực, thích hợp khi làm mẫu thử nghiệm.
Bước 3: sau khi thử nghiệm thành công ở bước 2 chúng ta dùng các bộ công cụ
để chuyển các dạng mã thực thi điều khiển sang các dạng mã thực thi cho các vi
mạch DSP hay FPGA. Sau đó tiến hành kiểm tra và chạy thực tế.
Hình 1.4 mơ tả một quy trình khép kín đi từ nghiên cứu đối tượng đến mô phỏng và
kiểm nghiệm kết quả trên thực tế. Trong đó, bước 1 và 2 như đã đề cập ở trên được
xếp vào quy trình mơ phỏng, cịn bước 3 được xếp vào quy trình thực. Nếu kết quả
của bước đầu được xác nhận là “Y” (thành cơng) thì sẽ tiến hành bước tiếp theo, cịn
nếu được xác nhận là “N” (thất bại) thì đều quay lại bước nghiên cứu đối tượng và
thuật toán.
-
3.
16 -
Xu hướng điều khiển nhúng trong kĩ thuật tự động hóa
Hệ thống nhúng đầu tiên là Apollo Guidance Computer (Máy tính Dẫn đường Apollo)
được phát triển bởi Charles Stark Draper tại phịng thí nghiệm của trường đại học
MIT. Hệ thống nhúng được sản xuất hàng loạt đầu tiên là máy hướng dẫn cho tên lửa
quân sự vào năm 1961. Nó là máy hướng dẫn Autonetics D-17, được xây dựng sử
dụng những bóng bán dẫn và một đĩa cứng để duy trì bộ nhớ. Khi Minuteman II được
đưa vào sản xuất năm 1996, D-17 đã được thay thế với một máy tính mới sử dụng
mạch tích hợp. Tính năng thiết kế chủ yếu của máy tính Minuteman là nó đưa ra thuật
tốn có thể lập trình lại sau đó để làm cho tên lửa chính xác hơn, và máy tính có thể
kiểm tra tên lửa, giảm trọng lượng của cáp điện và đầu nối điện.
Từ những ứng dụng đầu tiên vào những năm 1960, các hệ thống nhúng đã giảm giá và
phát triển mạnh mẽ về khả năng xử lý.
Vào giữa thập niên 80, kỹ thuật mạch tích hợp đã đạt trình độ cao dẫn đến nhiều thành
phần có thể đưa vào một chip xử lý. Các bộ vi xử lý được gọi là các vi điều khiển và
được chấp nhận rộng rãi. Với giá cả thấp, các vi điều khiển đã trở nên rất hấp dẫn để
xây dựng các hệ thống chuyên dụng. Đã có một sự bùng nổ về số lượng các hệ thống
nhúng trong tất cả các lĩnh vực thị trường và số các nhà đầu tư sản xuất theo hướng
này. Ví dụ, rất nhiều chip xử lý đặc biệt xuất hiện với nhiều giao diện lập trình hơn là
kiểu song song truyền thống để kết nối các vi xử lý. Vào cuối những năm 80, các hệ
thống nhúng đã trở nên phổ biến trong hầu hết các thiết bị điện tử và khuynh hướng
này vẫn còn tiếp tục cho đến nay.
Sức đẩy của công nghệ đưa công nghệ vi điện tử, các công nghệ vi cơ điện, công nghệ
sinh học hội tụ tạo nên các chip của công nghệ nano, là nền tảng cho những thay đổi
cơ bản trong công nghệ thông tin và truyền thông. Sức kéo của thị trường đòi hỏi các
thiết bị phải có nhiều chức năng thân thiện với người dùng, có mức độ thông minh
ngày càng cải thiện đưa đến vai trò và tầm quan trọng của các hệ thống nhúng ngày
càng cao trong nền kinh tế quốc dân. Các hệ nhúng được tích hợp trong các thiết bị đo
lường điều khiển và các sản phẩm cơ điện tử tạo nên đầu não và linh hồn của sản
phẩm.
-
4.
17 -
Mục tiêu nghiên cứu
Sử dụng các hệ thống nhúng trên nền các chip xử lý mạnh cho ngành điều khiển thực
sự đang phát triển mạnh mẽ, do đó việc tìm hiểu cách thức và nguyên lý thực hiện các
bộ điều khiển hiện đại trên các hệ thống nhúng là thực sự cần thiết và cũng chính là
yêu cầu đặt ra của đề tài này. Nhưng trong quá trình xem xét việc tìm hiểu chỉ giới
hạn cho các chip DSP với các khả năng tính tốn mạnh mẽ hỗ trợ các phép tốn số
học, bên cạnh đó các chip DSP ngày nay đã được tích hợp hầu hết các giao tiếp chuẩn,
đáp ứng khả năng thời gian thực cho hầu hết các ứng dụng điều khiển.
Song song với quá trình tìm hiểu là một tiếp cận ứng dụng bộ điều khiển mờ sử dụng
để điều khiển một đối tượng phi tuyến là hệ máy bay trực thăng. Các bước thiết kế sẽ
đáp ứng đúng trình tự tạo nên một bộ điều khiển trên nền hệ thống nhúng sử dụng
chip DSP nhằm tính chất minh họa. Đầu tiên là thiết kế bộ điều khiển và hệ đối tượng
mơ hình hóa trên Matlab, sau đó bộ điều khiển sẽ được chuyển đổi sang mã lập trình
C để tích hợp vào hệ thống nhúng, hệ thống nhúng này sơ bộ sẽ được kiểm tra bằng
cách kết nối trực tiếp vào máy tính để điều khiển hệ đối tượng đã mơ hình hóa trong
trường hợp hệ đối tượng thực tế bị hạn chế và khó thiết lập.
-
Phần II.
1.
18 -
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Hệ thống nhúng
Hệ thống nhúng (embedded system) được định nghĩa là một hệ thống chuyên dụng,
thường có khả năng tự hành và được thiết kế tích hợp vào một hệ thống lớn hơn để
thực hiện một chức năng chuyên biệt nào đó. Khác với các máy tính đa chức năng
(multi-purposes computers), ví dụ như máy vi tính cá nhân (PC), một hệ thống nhúng
thường chỉ thực hiện một hoặc một vài chức năng nhất định. Hệ thống nhúng bao gồm
cả thiết bị phần cứng và phần mềm, hầu hết đều phải thỏa mãn yêu cầu hoạt động theo
thời gian thực (real-time). Tùy theo tính chất và yêu cầu, mức độ đáp ứng của hệ
thống có thể phải là rất nhanh (ví dụ như hệ thống thắng trong xe hơi hoặc điều khiển
thiết bị trong nhà máy), hoặc có thể chấp nhận một mức độ chậm trễ tương đối (ví dụ
như điện thoại di động, máy lạnh, ti-vi).
Để có thể dễ hình dung, ta xem ví dụ sau đây: một chiếc xe hơi trung bình có khoảng
70-80 chip vi xử lý (micro controller unit), mỗi bộ vi xử lý đảm nhiệm một nhiệm vụ,
chẳng hạn như đóng mở cửa, điều khiển đèn tín hiệu, đo nhiệt độ trong/ngoài xe, hiển
thị giao diện người dùng (dashboard), điều khiển thắng (nếu dùng hệ thống thắng
điện).
Mỗi bộ phận như thế là một hệ thống nhúng, tất cả được thiết kế tích hợp vào một hệ
thống chung lớn hơn, chính là chiếc xe hơi. Một ví dụ khác gần gũi hơn với cuộc sống
hằng ngày, đó là những chiếc điện thoại di động. Các chức năng như điều khiển màn
hình hiển thị, máy nghe nhạc và radio, bộ cảm ứng chụp hình, kết nối với máy tính và
thiết bị ngoại vi, hoặc cao cấp hơn là kết nối với hệ thống định vị toàn cầu (GPS), tất
cả đều là những hệ thống nhúng được tích hợp chung vào chiếc điện thoại. Do tính
chất chuyên biệt của hệ thống nhúng và chúng thường được sản xuất với số lượng lớn
nên các nhà sản xuất thường yêu cầu phải tối ưu hóa chúng nhằm giảm thiểu kích
-
19 -
thước và chi phí sản xuất. Những yêu cầu đó đã đưa đến những khác biệt cơ bản trong
lĩnh vực viết phần mềm cho hệ thống nhúng so với các phần mềm thơng thường.
Hệ thống
nhúng
Hệ thống
nhúng
Hệ thống mẹ
Mơi trường
Hình II-1: Mơ hình hoạt động của hệ thống nhúng
1.1.
Các đặc điểm
Hệ thống nhúng thường có một số đặc điểm chung như sau:
Các hệ thống nhúng được thiết kế để thực hiện một số nhiệm vụ chun dụng
chứ khơng phải đóng vai trị là các hệ thống máy tính đa chức năng. Một số hệ
thống địi hỏi ràng buộc về tính hoạt động thời gian thực để đảm bảo độ an tồn
và tính ứng dụng; một số hệ thống khơng địi hỏi hoặc ràng buộc chặt chẽ, cho
phép đơn giản hóa hệ thống phần cứng để giảm thiểu chi phí sản xuất.
Một hệ thống nhúng thường không phải là một khối riêng biệt mà là một hệ
thống phức tạp nằm trong thiết bị mà nó điều khiển.
Phần mềm được viết cho các hệ thống nhúng được gọi là firmware và được lưu
trữ trong các chip bộ nhớ chỉ đọc (read-only memory) hoặc bộ nhớ flash chứ
không phải là trong một ổ đĩa. Phần mềm thường chạy với số tài nguyên phần
