(Luận văn thạc sĩ) nhận dạng tham số trong hệ thống điều khiển số tốc độ động cơ một chiều

i

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
---------------o0o-----------------

TRẦN MỸ HẠNH

NHẬN DẠNG THAM SỐ TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU
KHIỂN SỐ TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa
Mã số: 60520216
CB HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN THỊ MAI HƯƠNG

THÁI NGUYÊN- 2016
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




ii

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
---------------o0o-----------------

TRẦN MỸ HẠNH

NHẬN DẠNG THAM SỐ TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU

KHIỂN SỐ TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa
Mã số: 60520216
KHOA CHUYÊN MÔN

CB HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS. NGUYỄN THỊ MAI HƯƠNG

PHỊNG ĐÀO TẠO

THÁI NGUN- 2016
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




i

LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian thực hiện luận văn, tác giả đã nhận được sự quan tâm rất lớn của
nhà trường, các khoa, phịng ban chức năng, các thầy cơ giáo và đồng nghiệp.
Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Phòng Đào tạo, các giảng viên đã
tạo điều kiện cho tơi hồn thành luận văn này.
Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành nhất đến TS Nguyễn Thị Mai Hương, Đại
học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã tận tình hướng dẫn trong quá trình thực hiện luận
văn này.
Mặc dù đã rất cố gắng, song do trình độ và kinh nghiệm cịn hạn chế nên có thể

luận văn cịn những thiếu sót. Tác giả rất mong nhận được những ý kiến đóng góp từ các
thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn được hồn thiện và có ý nghĩa ứng
dụng trong thực tế.
Xin chân thành cảm ơn!
NGƯỜI THỰC HIỆN

Trần Mỹ Hạnh

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




ii

LỜI CAM ĐOAN
Họ và tên: Trần Mỹ Hạnh
Học viên: Lớp cao học K16 Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa.
Đơn vị cơng tác: Trường Trung cấp nghề Nam Thái Nguyên
Tên đề tài luận văn thạc sỹ: "Nhận dạng tham số trong hệ thống điều khiển
số tốc độ động cơ một chiều".
Chuyên ngành: Tự động hóa
Mã số học viên: TNU13860520216007
Sau 2 năm học tập, rèn luyện và nghiên cứu tại trường em lựa chọn thực hiện
đề tài tốt nghiệp: "Nhận dạng tham số trong hệ thống điều khiển số tốc độ động
cơ một chiều".
Được sự giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của cơ giáo TS Nguyễn Thị Mai
Hương và sự nỗ lực của bản thân đề tài đã được hồn thành.
Em xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của cá nhân em. Nội dung luận
văn chỉ tham khảo và trích dẫn các tài liệu đã được ghi trong danh mục tài liệu tham

khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác

Thái Nguyên, ngày

tháng

Học viên

Trần Mỹ Hạnh

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN



năm 2016


iii

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. i
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... ii
MỤC LỤC ................................................................................................................. iii
DANH MỤC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ .............................................................. vi
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
CHƯƠNG 1. NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ ĐỘNG CƠ MỘT
CHIỀU ........................................................................................................................3
1.1. Mơ hình động cơ một chiều .................................................................................3
1.2 Bộ điều khiển PID kinh điển .................................................................................4
1.2.1 Khái niệm ...........................................................................................................4

1.2.2 Dạng sai phân .....................................................................................................6
1.2.3 Dạng rời rạc ........................................................................................................6
1.3 Hàm nhạy và hàm bù nhạy ....................................................................................7
1.4. Các quy luật điều chỉnh ........................................................................................8
1.4.1. Quy luật điều chỉnh P ........................................................................................9
1.4.2 Quy luật điều chỉnh PI......................................................................................11
1.4.3 Quy luật điều chỉnh PD ....................................................................................12
1.4.4 Quy luật điều chỉnh PID ...................................................................................12
1.5 Quy trình chỉnh định tham số PID ......................................................................13
1.5.1 Chỉnh định tham số PID theo kinh nghiệm ......................................................13
1.5.2 Chỉnh định tham số PID theo phương pháp thực nghiệm ................................14
1.5.2.1 Chỉnh định tham số PID theo Ziegler-Nichols..............................................14
1.6. Sơ đồ khối bộ điều chỉnh PID động cơ một chiều bằng DSP - TMS320F28069...... 15
1.7. Giới thiệu TMS320F28069 ................................................................................16
CHƯƠNG 2.TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NHẬN DẠNG TRONG
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU ................24
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




iv

2.1. Những khái niệm cơ bản về nhận dạng ..............................................................24
2.1.1. Tại sao phải nhận dạng ....................................................................................24
2.1.2. Khái niệm nhận dạng trong hệ thống điều khiển. ...........................................26
2.2. Phân loại bài toán nhận dạng .............................................................................26
2.2.1. Phân loại theo tín hiệu vào/ra ..........................................................................26
2.2.2. Phân loại theo điều kiện tiến hành nhận dạng .................................................26
2.2.3. Phân loại theo lớp mơ hình thích hợp .............................................................27

2.2.4. Phân loại theo sai số giữa mơ hình và mơ hình thực ......................................27
2.2.5. Lớp mơ hình thích hợp của đối tượng điều khiển ...........................................29
2.3. Các phương pháp nhận dạng ..............................................................................29
2.3.1. Nhận dạng mơ hình hệ thống bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm.....29
2.3.1.1. Các khái niệm cơ bản về nhận dạng bằng quy hoạch thực nghiệm .............29
2.3.1.2. Nhận dạng mơ hình thống kê bằng phương pháp bình phương cực tiểu. ....31
2.3.1.3 Nhận dạng mơ hình thống kê tuyến tính 1 biến số........................................32
2.3.2. Nhận dạng mơ hình liên tục, tuyến tính có tham số từ mơ hình khơng tham số ....... 37
2.3.2.1. Những kết luận tổng quát để xác định tham số mơ hình từ hàm q độ h(t).........38
2.3.2.2. Các mơ hình đối tượng, hệ thống điều khiển thường gặp. ...........................42
2.3.2.3. Xác định tham số cho mơ hình PT1..............................................................43
2.3.2.4. Xác định tham số cho mơ hình IT1 và ITn....................................................45
2.3.3. Nhận dạng mơ hình tham số mơ hình ARMA ................................................46
2.3.3.1. Bài tốn nhận dạng mơ hình ARMA ...........................................................46
2.3.3.2. Bài tốn tương đương mơ hình chuẩn ..........................................................47
2.3.3.3. Nhận dạng tham số mơ hình AR theo phương pháp Yule –Walker ............48
2.3.3.3. Nhận dạng tham số mơ hình MA .................................................................49
2.3.3.4. Nhận dạng tham số mơ hình ARMA ...........................................................50
2.4. Điều khiển phản hồi ...........................................................................................53
2.4.1. Mơ hình động cơ một chiều có bộ điều khiển hồi tiếp ...................................53
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




v

2.4.2. Điều khiển dòng điện ......................................................................................56
2.4.3. Bộ điều khiển tốc độ .......................................................................................58
2.4.3.1. Ước lượng tốc độ .........................................................................................59

CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG THUẬT TOÁN NHẬN DẠNG CHO HỆ THỐNG
ĐIỀU KHIỂN SỐ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU ......................................................64
3.1. Phương pháp ước lượng tham số DMS-COL ....................................................64
3.1.1Bài toán ước lượng tham số đối với hệ phương trình đại số vi phân ................64
3.1.2 Phương pháp dị đa điểm trực tiếp (Direct Multiple Shooting - DMS) ..........65
3.1.3 Phương pháp xắp đặt các phần tử hữu hạn (Collocation on finite elementsCFE) ..........................................................................................................................67
3.1.4 Kết hợp phương pháp DMS và sắp xếp (DMS-COL) .....................................67
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ .........................................................................................70
4.1. Ước lượng tham số động cơ một chiều bằng phương pháp bình phương tối thiểu 70
4.2 Áp dụng phương pháp DMS-COL trong ước lượng tham số động cơ điện một
chiều: .........................................................................................................................74
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI.....................................77
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................78

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ
Hình 1.1: Mạch vịng điều khiển kinh điển .................................................................5
Hình 1.2: Mơ hình mơ phỏng với bộ điều khiển PID kinh điển .................................9
Hình 1.3: Đáp ứng của bộ điều khiển kiểu P ............................................................10
Hình 1.4: Đáp ứng của bộ điều khiển kiểu P với độ lợi lớn .....................................11
Hình 1.5: Đáp ứng của bộ điều khiển kiểu PI ...........................................................12
Hình 1.6: Đáp ứng của bộ điều khiển kiểu PD .........................................................12
Hình 1.7: Đáp ứng của bộ điều khiển kiểu PID ........................................................13
Hình 1.8: Đáp ứng của bộ điều khiển kiểu P ............................................................15

Hình 1.9: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển ................................................................16
Hình 1.10: Vi mạch TMS320F28069 – Texas Instruments ......................................17
Hình 1.11: PN/ PFP 80 chân .....................................................................................18
Bảng 1.1: Tính năng TMS320F28069 ......................................................................19
Hình 1.12: Sơ đồ khối Kit TMS320F28069..............................................................20
Hình 1.13: Các khối ngoại vi ....................................................................................22
Hình 2.1: Hệ thống chưa biết cấu trúc (hộp đen) ......................................................24
Hình 2.2. Sơ đồ cấu trúc hệ thống .............................................................................25
Hình 2.3: Sai lệch đầu ra ...........................................................................................27
Hình 2.4: Sai lệch tổng quát ......................................................................................28
Hình 2.5: Sai lệch đầu vào ........................................................................................28
Hình 2.6: Đường cong hồi quy thực nghiệm cần tìm ...............................................33
Hình 2.7: Các hàm quá độ của các hệ thống điều khiển ...........................................39
Hình 2.8: Hàm quá độ h(t) ........................................................................................43
Hình 2.9: Cách xác định T ........................................................................................45
Hình 2.10: Hàm quá độ h(t) ......................................................................................46
Hình 2.12: Tách mơ hình ARMA .............................................................................51
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




vii

Hình 2.13: Sơ đồ nhận dạng bị động mơ hình ARMA .............................................51
Hình 2.14. Cấu trúc hở của động cơ một chiều (optical Encoder: Encoder quang
học, Counter: bộ đếm) ...............................................................................................53
Hình 2.16. (a) Đầu ra của đầu đo cho trường hợp quay theo chiều kim đồng hồ. (b)
Trường hợp quay ngược chiều kim đồng hồ. ..............................................................55
Hình 2.17. Đồ thị θ(t) và đầu ra của encoder (2π/2000)N(t) ....................................56

Hình 2.18. Các khối của động cơ một chiều. ............................................................57
Hình 2.19 Mơ hình giảm bậc của động cơ một chiều. ..............................................58
Hình 2.20. Bộ điều khiển tốc độ đơn giản sử dụng cho động cơ một chiều. ............58
Hình 2.21. Đồ thị tốc độ được tính tốn bằng phương pháp sai phân lùi. Giới hạn sai
số là ( 2π/2000)/(0.0005)=6.28 rad/s .........................................................................61
Hình 3.1 . Phương pháp kết hợp DMS-COL ............................................................68
Bảng 4.1: Kết quả sau khi chạy chương trình như sau: ............................................73
Hình 4.1. Điện áp phần ứng (V) ................................................................................75
Hình 4.2. Biến đại số Y1ước lượng theo phương pháp DMS-COL ..........................75
Hình 4.3. Biến đại số Y1 ước lượng theo phương pháp bình phương tối thiểu .........76
Hình 4.4. Biến đại số Y2 ước lượng theo phương pháp DMS-COL .........................76
Hình 4.5. Biến đại số Y2 ước lượng theo phương pháp bình phương tối thiểu .........77

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




1

MỞ ĐẦU
Điều chỉnh tốc độ là một yêu cầu không thể thiếu được của hệ thống truyền
động điện. Về phương diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có một số ưu
điểm so với loại động cơ khác, khơng những nó có khả năng điều chỉnh tốc độ dễ
dàng mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời có thể đạt chất
lượng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng. Thực tế, có các phương pháp
điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều như sau:
- Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch phần ứng động cơ.
- Điều chỉnh điện trở mạch phần ứng động cơ.
- Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động cơ.

Cấu trúc phần lực của hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ điện một
chiều bao giờ cũng cần bộ biến đổi. Các bộ biến đổi này cấp cho mạch phần ứng
động cơ hoặc mạch kích từ động cơ.
Khi sử dụng hệ truyền động động cơ một chiều thường sử dụng hai mạch
vòng điều chỉnh (dòng điện, tốc độ), mặt khác các bộ điều khiển PID có thể được
dùng trong trường hợp này và thường đạt kết quả như ý mà không cần bất kỳ cải
tiến hay thậm chí điều chỉnh nào.Tuy nhiên, khó khăn cơ bản của điều khiển PID đó
là: nó một hệ thống phản hồi, với các thông số không đổi điều này khó phù hợp với
các hệ thống trong thực tế để cho chất lượng điều khiển là tối ưu. Bởi vậy để đạt
được kết quả tốt hơn có thể sử dụng bộ điều khiển PID số, vì trong bộ PID số của
mạch vòng dòng điện là loại tự chỉnh (autotuning).
Vấn đề đặt ra ở đây là khi sử dụng PID số là cần phải nhận dạng được các
tham số. Với yêu cầu cấp thiết trên, em xây dựng đề tài: ‟ Nhận dạng tham số trong
hệ thống điều khiển số tốc độ động cơ một chiều”
Mục tiêu nghiên cứu

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




2

Mục tiêu chính của đề tài là nhận dạng tham số trong hệ thống điều khiển số
tốc độ động cơ một chiều
Mục tiêu cụ thể là:
- Nghiên cứu hệ thống điều khiển số động cơ một chiều
- Xây dựng thuật toán nhận dạng cho hệ thống điều khiển số tốc độ động cơ
một chiều, thuật toán nhận dạng được phát triển trong đề tài này sẽ được cài đặt
trong bộ vi xử lý TMS320F28069

- Tiến hành mô phỏng để phân tích đánh giá chất lượng thực của hệ thống
nhằm tiếp tục phát triển hoàn thiện
Nội dung nghiên cứu
- Phần mở đầu
- Chương 1: Nghiên cứu hệ thống điều khiển số động cơ một chiều
- Chương 2: Tổng quan về các phương pháp nhận dạng trong hệ thống điều
khiển tốc độ động cơ một chiều
- Chương 3: Xây dựng thuật toán nhận dạng cho hệ thống điều khiển số tốc
độ động cơ một chiều
- Chương 4: Kế t quả

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




3

CHƯƠNG 1
NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU
Trong chương 1, tác giả sẽ đi trình bày về đối tượng điều khiển là động cơ điện
một chiều, đặc biệt là mơ hình tốn của đối tượng nhằm phục vụ cho việc áp dụng
các thuật toán điều khiển để điều khiển đối tượng. Đồng thời tác giả sẽ nghiên cứu
hệ thống điều khiển số động cơ một chiều
1.1. Mơ hình động cơ một chiều
Gọi góc quay của động cơ điện một chiều là θ, từ thông động cơ là Ф=const, n
là tốc độ động cơ, J là mômen quán tính, B là hệ số ma sát, R là điện trở phần ứng,
L là điện cảm phần ứng, Em là sức phản điện động của động cơ, Km là hệ số tỷ lệ
mômen, Ke là hệ số sức điện động và bằng hằng số. Ta có:
Em=Ke.n

(1.1)

Phương trình cân bằng điện áp:
(1.2)
Phương trình cân bằng mơmen:
(1.3)
Chuyển sang dạng tốn tử Laplace ta có:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




4

(1.4)
(1.5)
Khử i(s) từ các phương trình trên ta có:
(1.6)
Lưu ý

là tốc độ góc của động cơ, ta có hàm truyền:
(1.7)

Phương trình khơng gian trạng thái
Đặt

,

,

ta có:

Phương trình trạng thái có dạng:
(1.8)

1.2 Bộ điều khiển PID kinh điển
1.2.1 Khái niệm
Xét một mạch vịng điều khiển kinh điển có dạng như hình 1.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




5

Hình 1.1: Mạch vịng điều khiển kinh điển
Trong đó: Kc bộ điều khiển, , Gp đối tượng điều khiển, e(t) là sai số giữa tín
hiệu mong muốn (reference value), r(t) tín hiệu mong muốn, y(t) tín hiệu đo được,
uc(t) tín hiệu điều khiển, d(t) nhiễu
Có biểu thức e(t) = r(t) − y(t)

(1.9)

Luật điều khiển là thuật tính tốn tín hiệu điều khiển dựa trên các tham số hệ
thống và tín hiệu sai số và được biểu diễn như sau
(1.10)
Trong đó Kp là hệ số khuếch đại điều khiển (control gain), Ti và Td lần lượt là
các hệ số tích phân và vi phân.

Trong một số trường hợp phương trình (1.2) cịn được viết dưới dạng:
(1.11)
Trong đó:
, và

(1.12)

Ta cũng có thể viết phương trình (1.6) dưới dạng sau:
u(t) = P(t) + I(t) + D(t)
Với:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN



(1.13)


6

là thành phần tỷ lệ

(1.14)

là thành phần tích phân

(1.15)

là thành phần vi phân

(1.16)

1.2.2 Dạng sai phân
Cách thức đơn giản nhất để thực hiện bộ điều khiển PID số là sử dụng các
cơng thức xấp xỉ tích phân lùi (backward integral approximation)
(1.17)
và vi phân lùi (backward difference approximation)
(1.18)
Khi đó phương trình (1.2) trở thành
(1.19)

1.2.3 Dạng rời rạc
Để biểu diễn phương trình (1.2) dưới dạng rời rạc ta thực hiện biến đổi
Laplace để đưa nó về dạng:
(1.20)
Biến đổi z cho (1.20) ta được
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




7

(1.21)

1.3 Hàm nhạy và hàm bù nhạy
Với sơ đồ điều khiển trên hình 1.1 và cho r(t) = 0 ta có thể tính hàm truyền từ
d(t) đến y(t) như sau:
(1.22)
(1.23)

Hay:

(1.24)
Trong đó:

và
(1.25)

Tính tương tự hàm truyền từ r đến e, khơng quan tâm đến các đầu vào d và n ta có

(1.26)
Như vậy, hàm truyền từ d đến y cũng bằng hàm truyền từ r đến e và bằng S.
Hàm này đánh giá độ nhạy của đầu ra y đối với đầu vào d hay độ nhạy của đầu ra e
với đầu vào r.
Nếu kí hiệu hàm truyền từ r đến y là T thì, với cách tính tương tự như trên, các
bạn có thể dễ dàng suy ra được hàm truyền này bằng
(1.27)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




8

Hàm này đánh giá độ nhạy của đầu ra y theo đầu vào r.
Vì ta có thể dễ dàng suy ra được T +S = 1 nên có thể coi T là hàm bù nhạy của
y (hay e) với d (hay r). Ngược lại, S là hàm bù nhạy của y với r.
Trong thực tế người ta thường quan tâm đến độ nhạy của đầu ra y với đầu vào
d nên khi nói "độ nhạy" của hệ thống người ta ngầm hiểu là nói đến S. Vì vậy S
được nói ngắn gọn là hàm độ nhạy và T được gọi là hàm bù nhạy của S.

1.4. Các quy luật điều chỉnh
Để khảo sát ảnh hưởng của các tham số của bộ điều khiển PID trong một mạch
vòng điều khiển kinh điển như hình 1, ta xét một ví dụ cho một đối tượng có hàm
truyền như sau:

(1.28)
Xây dựng một mơ hình mơ phỏng như hình 1.2

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




9

Hình 1.2: Mơ hình mơ phỏng với bộ điều khiển PID kinh điển
Trên quan điểm về điều khiển thì ta mong có T càng lớn càng tốt để S nhỏ (vì
S+T = 1) do S thì biểu thị độ nhạy của đầu vào r đối với sai lệch điều chỉnh e. Khi S
nhỏ thì cũng đồng nghĩa với sai lệch nhỏ. Mà muốn S nhỏ thì L = G pKc phải lớn,
hay nói cách khác bộ điều khiển Kc phải có độ lợi lớn.
1.4.1. Quy luật điều chỉnh P
Tín hiệu ra của bộ điều khiển có dạng
(1.29)
Nghĩa là tín hiệu ra của bộ điều khiển ln trùng pha với tín hiệu vào.
Theo cơng thức (16) muốn có sai lệch nhỏ thì bộ điều khiển phải có độ lợi lớn,
nhưng nếu độ lợi lớn q thì tính dao động của hệ thống tăng lên và có thể dẫn tới
mất ổn định.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

10

Để khảo sát đáp ứng của hệ thống với quy luật điều chỉnh kiểu P ta sử dụng
với các tham số như sau:

một bộ điều khiển
Kp = 12.14
Ki = 0
Kd = 0

Đáp ứng của hệ thống có dạng như hình 1.3. Rõ ràng trong trường hợp này đáp
ứng của hệ thống khá nhanh, nhưng có dao động và sai lệch tĩnh khá lớn.

Hình 1.3: Đáp ứng của bộ điều khiển kiểu P
Khi tăng Kp lên 52.14 thì sai lệch tĩnh giảm, nhưng dao động của hệ thống
tăng lên như hình 1.4.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




11

Hình 1.4: Đáp ứng của bộ điều khiển kiểu P với độ lợi lớn
1.4.2 Quy luật điều chỉnh PI
Để triệt tiêu sai lệch tĩnh ta có thể sử dụng thêm một khâu tích phân để có
được một bộ điều khiển Kc với các tham số như sau:

Kp = 12.14
Ki = 100
Kd = 0
Đáp ứng của hệ thống có dạng như hình 1.5. Có thể thấy rõ trong trường hợp
này mặc dù thành phần tỷ lệ có giá trị nhỏ (12.14) nhưng sai lệch tĩnh đã tiến về
không. Tuy nhiên, do tác động chậm của khâu tích phân nên hệ thống có dao động
nhiều hơn.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




12

Hình 1.5: Đáp ứng của bộ điều khiển kiểu PI
1.4.3 Quy luật điều chỉnh PD
Để khảo sát đặc tính của hệ thống với bộ điều khiển kiểu PD ta thêm một khâu
đạo hàm trong thành phần của bộ điều khiển Kc.
Kp = 12.14
Ki = 0
Kd = 1.54
Đáp ứng của hệ thống có dạng như hình 1.6. Trong trường hợp này có thể thấy
hệ thống có đáp ứng khá nhanh và khơng có dao động. Tuy nhiên, hệ thống vẫn cịn
sai lệch tĩnh khá lớn.

Hình 1.6: Đáp ứng của bộ điều khiển kiểu PD
1.4.4 Quy luật điều chỉnh PID
Cuối cùng ta khảo sát đặc tính của hệ thống kín với bộ điều khiển kiểu PID với
các thành phần như sau:

Kp = 12.14
Ki = 100
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




13

Kd = 1.54
Đáp ứng của hệ thống có dạng như hình 1.7. Hệ thống có đáp ứng khá nhanh,
thời gian xác lập ngắn và khơng có sai lệch tĩnh.

Hình 1.7: Đáp ứng của bộ điều khiển kiểu PID
1.5 Quy trình chỉnh định tham số PID
1.5.1 Chỉnh định tham số PID theo kinh nghiệm
Việc chỉnh định các tham số PID theo kinh nghiệm không dựa trên các số liệu
đo đạc vật lý, vì vậy khó có thể đạt được chất lượng mong muốn và tùy thuộc vào
kinh nghiệm của người chỉnh. Với các phân tích trên đây ta có thể đưa ra quy trình
chỉnh định tham số của bộ điều khiển PID theo kinh nghiệm như sau:
• Chỉ cho thành phần P tác động.
• Chỉnh độ lợi của thành phần P sao cho hệ thống có đáp ứng nhanh và ở gần
biên giới dao động với tín hiệu vào là một hàm 1(t).
• Chỉnh lại độ lợi của thành phần P bằng khoảng 1/2 so với giá trị ở gần biên
giới ổn định.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

14

• Cho thành phần I tác động và điều chỉnh độ lợi của thành phần này sao cho
hệ thống kín có độ quá điều chỉnh và thời gian xác lập chấp nhận được.
1.5.2 Chỉnh định tham số PID theo phương pháp thực nghiệm
Phương pháp này còn được gọi là phương pháp Ziegler-Nichole thứ hai [2]
p.297.
• Chỉ cho thành phần P tác động.
• Chỉnh độ lợi của thành phần P tới giá trị Kpmax sao cho hệ kín có đáp ứng với
tín hiệu đặt 1(t) dưới dạng dao động điều hịa với chu kỳ Th (hệ ở trạng thái biên
giới ổn định).
• Nếu chỉ dùng bộ điều khiển kiểu P thì chọn Kp = 1/2Kpmax.
• Nếu dùng bộ điều khiển kiểu PI thì chọn Kp = 0.45Kpmax và Ki = 0.53Kpmax.
• Nếu dùng bộ điều khiển kiểu PID thì chọn Kp = 0.6Kpmax, Ki = 0.9Kpmax và Kd
= 0.054Kpmax.
1.5.2.1 Chỉnh định tham số PID theo Ziegler-Nichols
Việc chỉnh định tham số PID theo Ziegler-Nichols còn được gọi là phương pháp
tương tác quá trình là phương pháp chỉnh định vịng hở thực nghiệm. Phương pháp này
được phát triển với mục tiêu sao cho hệ kín có khả năng kháng nhiễu tốt [3].
Phương pháp này áp dụng cho các đối tượng có hàm truyền ổn định và được
xấp xỉ bởi một mơ hình bậc nhất có trễ:
(1.30)
Nếu đối tượng có đáp ứng quá độ như hình 8 thì việc xác định các tham số của
bộ điều khiển PID được thực hiện như sau:
• Xác định giá trị giới hạn:
(1.31)
• Xác định hồnh độ của giao điểm giữa h(t) và tiếp tuyến của nó tại điểm uốn.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

15

• T là hồnh độ giao điểm của tiếp tuyến với đường thẳng h(t) = k.
• Nếu chỉ dùng bộ điều khiển kiểu P thì chọn:
(1.32)
• Nếu dùng bộ điều khiển kiểu PI thì chọn:
và
• Nếu dùng bộ điều khiển kiểu PID thì chọn:
,

và

Hình 1.8: Đáp ứng của bộ điều khiển kiểu P
1.6. Sơ đồ khối bộ điều chỉnh PID động cơ một chiều bằng DSP TMS320F28069.
Thuâ ̣t toán nhâ ̣n da ̣ng tham số trong hê ̣ thố ng điề u hiể n số tố c đô ̣ đô ̣ng cơ
mô ̣t chiề u mà tác giả đang xây dựng sẽ được đề xuất để đưa vào hệ thống điều
chỉnh tốc độ động cơ một chiều được cài đặt trong bộ vi xử lý TMS320F28069.
Sơ đồ khối chức năng hệ thống điều khiển động cơ một chiều bằng DSP –
TMS320F28069 như hình 1.9
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




16

Hình 1.9: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển
Hệ thống lấy giá trị đặt nref do người sử dụng thiết lập từ lập trình. Giá trị thực

tế của động cơ đo được là tốc độ thông qua cảm biến (lấy tín hiệu qua máy phát
tốc), sau đó bộ điều khiển sẽ tính sai lệch e giữa giá trị đặt và giá trị phản hồi để
tính ra đầu ra của bộ điều khiển theo luật PID để xuất tín hiệu điều khiển đối tượng.
Hệ thống với thuật toán PID số sẽ có xu hướng ln đưa sai lệch e về giá trị 0, tức
là giá trị đạt được sau một thời gian sẽ bằng giá trị đặt. Do đó tốc độ của động cơ
ln ổn định.
1.7. Giới thiệu TMS320F28069
Hiện nay có nhiều giải pháp điều khiển số động cơ một chiều, nhưng nổi bật
nhất là sử dụng chip xử lý tín hiệu số - Digital Signal Processor (DSP), việc thực thi
thuật tốn trên kit DSP cũng có những đặc điểm nổi bật:
- DSP có khả năng thực hiện đa tác vụ từ điều khiển đến xử lý tín hiệu
- Để đạt được hiệu suất tối đa cho FPGA cần nhiều thời gian và kiến thức để
tối ưu, trong khi đó tốc độ xử lý của kit DSP chỉ phụ thuộc chủ yếu vào xung nhịp
của chip, do đó có thể đạt được hiệu suất cao hơn trong thời gian ngắn
- DSP sử dụng ngơn ngữ lập trình C, ASM tương đối phổ dụng, khơng địi hỏi
hiểu biết ngơn ngữ mơ phỏng phần cứng như FPGA, khi cần thay đổi, lập trình lại,

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN