2. Khóa luận tốt nghiệp SV:Hoàng Trọng Tư
ii
PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
1 Họ và tên sinh viên được giao đề tài
Hoàng Trọng Tư, MSSV:14069601
2 Tên đề tài
NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN CON LẮC NGƯỢC QUAY
3 Nội dung
Nội đung đề tài gồm các chương sau:
Chương 1. Giới thiệu.
Nội đung chương này sẽ giới thiệu sơ lược về các phương pháp điều khiển
hiện đại của hệ thống con lắc ngược quay, tổng quan về các câng trinh nghiên
cứu và mục tiêu của luận văn. Chương 1 cũng đề cập đến phương pháp nghiên
cứu của luận vẫn. Cuối chương này trình bày sơ lược nộỉ dung của luận văn.
Chương 2. Cơ sở lý thuyết các phương pháp điểu khiển.
Trình bày khái quát phương phảp điều khỉền được sử đụng trong luận văn
là phương pháp điều khiển mờ. Chương 2 là nền tảng cơ sở lý thuyết để xây đựng
thuật toán điều khiển cho hệ con lắc ngược quay.
Chương 3. Nghiên cứu thuật toán điều khiển hệ thống con lắc ngược quay
Chương này nghiên cứu mô hình toán học của con lắc ngược quay. Xây
đụng mô hỉnh mô phòng hệ con lắc ngược quay,giải thuật điều khiển swing-up
và giải thuật điều khiển cân bằng, ứng dụng mô phỏng trên Simulink của Matlab
để kiểm tra các giải thuật điều khiển.
Chương 4. Thiết kế và thi công mô hình con lắc ngược quay
Chương này trình bày thiết kế phần cứng mô hỉnh con lắc ngược
quay,cách nhúng giải thuật điều khiển từ Matlab xuống vỉ điều khiển điều khiển
mô hlnh con lắc ngược quay, chạy thử nghỉận mô hình và truyền sổ liệu lẽn máy
để vẽ đồ thị.
Chương 5. Kết luận và đánh giá
Chương này trình bày về những kểt quả đạt được trong luận vãn,ưu điểm
và nhục điểm của giãi thuật điều khiển, những đổng góp và đề xuất hướng phát
triển tiếp theo để hoàn thiện và mở rộng của luận văn cơ sở lý thuyết.
3. Khóa luận tốt nghiệp SV:Hoàng Trọng Tư
iii
4 Kết quả
Nghiên cứu xây dựng mô hình toán học hệ con lắc ngược quay có xét đến động
lực học của động cơ.
Hiểu được nguyên lý cân bằng của hệ thống
Nghiên cứu thiết kế giải thuật điều khiển mờ cho hệ con lắc ngược quay
dựa vào mô hình toán của nó.
Thiết kế phần cứng mô hình và thực nghiệm kiểm chứng.
Giảng viên hướng dẫn Tp. HCM, ngày tháng 06 năm 2018
Sinh viên
TƯ
HOÀNG TRỌNG TƯ
5. Khóa luận tốt nghiệp SV:Hoàng Trọng Tư
v
MỤC LỤC
MỤC LỤC ......................................................................................................................v
DANH MỤC CÁC BẢNG...........................................................................................vii
DANH MỤC CÁC HÌNH ...........................................................................................viii
CHƯƠNG I PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ...............................................................1
1.1 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu......................................................................1
1.2 Các nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố................................................1
1.3 Mục tiêu và đối tượng nghiên cứu ......................................................................2
1.4 Nhiệm vụ của đề tài.............................................................................................2
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT................................................................................2
2.1 Bộ điều khiển mờ cơ bản ....................................................................................3
2.1.1 Mờ hoá..........................................................................................................4
2.1.2 Sử dụng luật hợp thành.................................................................................5
2.1.3 Sử dụng các toán tử mờ - khối luật mờ.........................................................5
2.1.4 Giải mờ .........................................................................................................6
2.2 Nguyên tắc thiết kế bộ điều khiển mờ ................................................................8
2.2.1 Định nghĩa các biến vào/ra ...........................................................................9
2.2.2 Các định tập mờ............................................................................................9
2.2.3 Xây dựng các luật điều khiển .....................................................................10
2.2.4 Chọn thiết bị hợp thành ..............................................................................10
2.2.5 Chọn nguyên lý giải mờ..............................................................................10
2.2.6 Tối ưu..........................................................................................................11
2.3 Hướng dẫn về Matlab/Simulink,CCSv3.3 ........................................................11
2.4 Lập trình TMS320F28335 trên Simulink..........................................................17
CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH CON LẮC NGƯỢC QUAY.................................................23
3.1 Mô tả .................................................................................................................23
3.2 Mô hình động ....................................................................................................23
3.3 Chọn các biến yào-ra.........................................................................................25
3.4 Chuẩn hóa tập cơ sở của các biến vào-ra..........................................................26
6. Khóa luận tốt nghiệp SV:Hoàng Trọng Tư
vi
3.5 Chọn tập mờ cho các biến vào ..........................................................................26
3.6 Chọn tập mờ cho biến ra ....................................................................................28
3.7 Xây dựng tập luật mờ........................................................................................29
3.8 Mô phỏng bằng matlab......................................................................................31
3.9 Giải thuật nhúng................................................................................................32
3.10 Giải thích chương trình. ..................................................................................33
CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG ......................................................................42
4.1 Phần cứng..........................................................................................................42
4.1.1 Board mạch chính:......................................................................................42
4.1.2 Mạch công suất:..........................................................................................57
4.1.3 Mạch nguồn 24V/5A- 5V/1A .....................................................................60
4.1.4 Thiết bị đo vị trí và vận tốc ........................................................................61
4.2 Mô hình hoàn chỉnh. .........................................................................................63
CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN Và HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI .................................63
5.1 Kết quả đạt được ...............................................................................................63
5.2 Hạn chế..............................................................................................................64
5.3 Hướng phát triển của đề tài...............................................................................64
7. Khóa luận tốt nghiệp SV:Hoàng Trọng Tư
vii
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1 Thông số phương trình..................................................................................25
Bảng 5.1 Phân chia chức năng chân trên thanh ghi GPAMUX1 .................................51
Bảng 5.2 Phân chia chức năng chân trên thanh ghi GPAMUX2 .................................51
Bảng 5.3 Phân chia chức năng chân trên thanh ghi GPBMUX1 .................................52
Bảng 5.4 Phân chia chức năng chân trên thanh ghi GPBMUX2 .................................53
Bảng 5.5 Phân chia chức năng trên thanh ghi GPCMUX1 và GPCMUX2 .................53
Bảng 5.6 Thanh ghi điều khiển GPIO ..........................................................................54
Bảng 5.7 Các thanh ghi dữ liệu ....................................................................................54
8. Khóa luận tốt nghiệp SV:Hoàng Trọng Tư
viii
DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 2.1 Bộ điều khiến mờ cơ bản.................................................................................3
Hình 2.2 Một bộ điều khiển mờ động ............................................................................3
Hình 2.3 Hệ kín phản hồi âm và bộ điều khiến mờ........................................................6
Hình 2.4 Bộ điều khiển mờ PID.....................................................................................8
Hình 2.5 Màn hình khởi động Matlab ..........................................................................12
Hình 2.6 Cửa sổ thư viện Matlab .................................................................................13
Hình 2.7 Cửa sổ xây dựng mô hình..............................................................................14
Hình 2.8 Sơ đồ mô hình................................................................................................14
Hình 2.9 Kết nối các khối.............................................................................................15
Hình 2.10 Chạy mô phỏng............................................................................................15
Hình 2.11 khối Scope ...................................................................................................16
Hình 2.12 Cài đặt thời gian lấy mẫu............................................................................16
Hình 2.12 Cài đặt thời gian lấy mẫu............................................................................17
Hình 2.13 Biểu tượng phần mềm CCSV3.3.................................................................18
Hình 2.14 Cấu hình trên TMS320F28335....................................................................18
Hình 2.15 Kiểm tra kết nối giữa Matlab và CCS .........................................................19
Hình 2.16 Cửa sổ thư viện............................................................................................20
Hình 2.17 Cửa sổ thư viện............................................................................................21
Hình 2.17 Cửa sổ thư viện............................................................................................21
Hình 2.18 Biểu tượng phần mềm Terminal..................................................................22
Hình 2.19 Giao diện phần mềm Terinal .......................................................................22
Hình 3.1 Mô hình con lắc ngược quay .........................................................................23
Hình 3.2 Thiết lập các biến vào - ra trên FIS Editor của MatLAB ..............................26
Hình 3.3 Các tập mờ của alpha.....................................................................................27
Hình 3.4 Các tập mờ của alpha_dot .............................................................................27
Hình 3.5 Các tập mờ của beta.......................................................................................28
Hình 3.6: Các tập mờ của beta_dot ..............................................................................28
Hình 3.7 Các tập mờ của tô. .........................................................................................29
Hình 3.8 Fuzzy Logic ...................................................................................................31
Hình 3.9: Đáp ứng của con lắc thứ nhất đối vói tín hiệu xung vuông..........................31
9. Khóa luận tốt nghiệp SV:Hoàng Trọng Tư
ix
Hình 3.10 :Kết quả mô phỏng hệ điều khiển giữ can bằng con lắc quay.....................32
Hình 3.11 Chương trình nhúng.....................................................................................32
Hình 3.12 Cài đặt khối eQEP .......................................................................................33
Hình 3.13 Cài đặt xung trong khối eQEP.....................................................................34
Hình 3.14 Cài đặt dữ liệu vào/ra cho khối eQEP .........................................................34
Hình 3.15 Tính toán đỗi xung sang góc(độ).................................................................35
Hình 3.16 Tiền xử lý và hậu xử lý................................................................................35
Hình 3.17 Khối Khối MATLAB Function2.................................................................36
Hình 3.18 Chương trình cho phép điện áp ngõ ............................................................36
Hình 3.19 Khối DCX....................................................................................................37
Hình 3.19 Chương trình băm xung...............................................................................37
Hình 3.20 Khối ePWM.................................................................................................38
Hình 3.21 Cài đặt sô xung điều chế..............................................................................38
Hình 3.22 Chọn ePWMA .............................................................................................39
Hình 3.23 Khối DPIO DO............................................................................................39
Hình 3.24 Chọn GPIO1 trong khối DPIO DO .............................................................40
Hình 3.25 Chuyển đổi dữ liệu sang mã ASCII.............................................................40
Hình 3.26 khối S-Funtion Builder 4.............................................................................41
Hình 3.27 Cài dặt dữ liệu vào/ra cho khối S-Funtion Builder 4 ..................................41
Hình 3.28 Chương trình hiển thị lên Terminal.............................................................42
Hình 3.29 Buil chương trình xuống CCS.....................................................................42
Hình 4.1 Sơ đồ chân của F28335 .................................................................................43
Hình 4.2 Kit DSP F28335.............................................................................................43
Hình 4.3 Sơ đồ ngoại vi của TMS320F28335..............................................................44
Hình 4.4 Sơ đồ khối F28335 ........................................................................................45
Hình 4.5 Bộ xử lý trung tâm (CPU) .............................................................................45
Hình 4.6 Cấu trúc bus ngoại F28335............................................................................46
Hình 4.7 Cấu trúc bộ nhớ truy cập trực tiếp................................................................47
Hình 4.7 Tổ chức bộ nhớ..............................................................................................47
Hình 4.9 Sơ đồ tổng quát Kit DSP ...............................................................................48
Hình 4.10 Sơ đồ khối chân F28335..............................................................................50
Hình 4.11 Sơ đồ khối ePWM .......................................................................................55
Hình 4.12 Pha đồng bộ ePWM.....................................................................................56
10. Khóa luận tốt nghiệp SV:Hoàng Trọng Tư
x
Hình 4.13 Chế độ đếm thời gian cơ bản.......................................................................57
Bảng 4.8 Khối thanh ghi ADC .....................................................................................57
Hình 4.15 Nguyên lý hoạt động của mạch cầu H.........................................................59
Hình 4.16 Sơ đồ nguyên lý mạch công suất.................................................................59
Hình 4.14 Mạch cầu H..................................................................................................58
Hình 4.17 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn ......................................................................60
Hình 4.18 encoder.........................................................................................................61
Hình 4.19 sơ 2 kênh của encoder .................................................................................62
Hình 4.20 Động cơ DC servo .......................................................................................62
Hình 4.21 Mô hình thực tế............................................................................................63
11. Khóa luận tốt nhiệp SV:Hoàng Trọng Tư
Giới thiệu
Ngày nay, nền kinh tế của nước ta đang trên đà phát triển mạnh mẽ,đời sống của
người dân ngày càng nâng cao.Nhu cầu sử dụng điện năng trong đời sống sinh hoạt
cũng như trong các nghành công nghiệp,nông nghiệp và dịch vụ là tăng không ngừng.
Đây là cơ hội nhưng cũng là thách thức cho ngành điện với việc phát triển điện năng,
phục vụ nhu cầu của xã hội. Một yêu cầu thiết yếu đặt ra đó chính là việc cung cấp điện
một cách liên tục cho những nơi đặc biệt, những công ty xí nghiệp lớn, bệnh viện …và
xa hơn nữa là cung cấp điện năng cho sinh hoạt khi lưới điện quốc gia bị xảy ra sự cố.
Để thực hiện được việc này, yêu cầu đặt ra là phải có các trạm phát điện dự phòng cung
cấp điện ngay khi lưới điện quốc gia bị mất.Trạm phát điện dự phòng đã ra đời từ rất
lâu rồi và nó ngày càng khẳng định được vai trò cũng như tầm quan trọng trong việc
phát triển xã hội, nâng cao đời sống nhân dân,….Vì vậy đòi hỏi yêu cầu đào tạo kỹ sư
Điện tự động công nghiệp phải nắm vững kiến thức cơ bản của trạm phát điện dự
phòng.Sau thời gian học tập tại trường,được sự chỉ bảo hướng dẫn nhiệt tình của thầy
cô giáo trong ngành Điện tự động công nghiệp trường Đại học Công nghiệp Thành Phố
Hồ Chí Minh,em đã kết thúc khoá học và đã tích luỹ được vốn kiến thức nhất định.
Được sự đồng ý của nhà trường và thầy cô giáo trong khoa em được giao đề tài tốt
nghiệp: “Nghiên cứu điều khiển con lắc ngược quay”
Dựa và mô hình mô phỏng, tiến hành thiết kế và xây dựng mô hình thực ứng
dựng vào hệ con lắc ngược.
Khảo sát chi tiết các thành phần cấu tạo nên mô hình thực của hệ con lắc ngược
và thiết kế thi công mô hỉnh con lắc ngược quay.Xây dựng được mô hỉnh thực của hệ
con lắc ngược có nhúng thuật toán điều khiển sử dụng công nghệ tính toán mềm,giải
quyết được những trường hợp nhiễu hệ thống và thực hiện được giải thuật swing-up,
giải thuật giữ cân bằng được hệ con lắc ngược ở bất kì vị trí nào.
So sánh giữa kết quả lý thuyết và thực tiễn, ta tiến hành kiểm chúng lại vấn đề
của công trình rồi xây dụng hướng phát triển của công trình hoàn thiện hơn.Đồng thời,
mở rộng phạm vi úng dụng của giải thuật điều khiển trên tất cả hệ thống thiếu cơ cấu
truyền động.
12. Khóa luận tốt nhiệp SV:Hoàng Trọng Tư
Nội dung luận văn này nhằm đi sâu vào nghiên cứu hệ con lắc ngược và tồng
hợp các giải pháp điều khiển nó.Xây dựng mô hình mô phỏng hệ con lắc trên một số
giải pháp đó bằng phần mềm MATLAB để nghiên cứu đặc tính về đặc tính làm việc,
thời gian xác lập giải thuật đưa lên (swing- up) và giải thuật cân bằng hệ con lắc ngược
ờ vị trí hất kỉ. Đồng thời,dựa vào kết quà thu thâp được qua quá trình mô phỏng của giải
thuật điều khiển,ta tiến hành so sánh đánh giá ưu khuyết điển của các giải thuật mà
nhóm đã sử dụng trong luận vãn từ đó cải thiện thêm phương pháp điều khiển mô hình
con lắc ngược quay.
Khảo sát giải thuật giữ cân bằng cho hệ con lắc ngược ờ vị trí cân bằng,điều
khiển mờ trực tiếp.
Xây dựng giải thuật swing-up cho hệ con lắc ngược,truyền cho con lắc một năng
lượng đủ lớn cần thiết để làm cho con lắc ngược chuyển động đến vị trí mong muốn.
Thực hiện mô phỏng hệ con lắc ngược bằng giải thuật vừa đề xuất ờ ừên với tín
hiệu điều khiển và vị trí góc đặt khác nhau.Đồng thời thiết kế thi công mô hình thực của
hệ con lắc ngược vói thông số thích họp đã chọn được trong lúc mô phòng mô hình toán
của hệ con lắc ngược.
Khi đã chọn được thuật toán điều khiển tính toán mềm thích hợp và thi công
xong mô hình thực của hệ con lắc ngược,ta tiến hành thiết kế và xây dựng giải thuật
điều khiển hệ con lắc ngược có nhúng thuật toán điều khiển tính toán mềm để điều khiển
hệ con lắc ngược.Sau đó đem kết quả thu thập được từ việc ứng dựng thực tế kiểm
chứng lại.
13. Khóa luận tốt nhiệp SV:Hoàng Trọng Tư
1
CHƯƠNG I
PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN
1.1 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu
Con lắc ngược quay là hệ thống có cơ cấu chấp hành bên dưới (under-actuated),
tức là số lượng ngõ vào điều khiển ít hơn số lượng ngõ ra. Hệ thống được mô tả bao
gồm cánh tay (arm) và con lắc vật lý (pendulum). Cánh tay gắn với trục của động cơ,
con lắc có thể dao động tự do quanh cánh tay.Con lắc ngược quay thường được sử dụng
để nghiên cứu điều khiển hệ phi tuyến và trong một số lĩnh vực khác, bởi vì nó đơn giản
để phân tích động học và thử nghiệm mặc dù nó có độ phi tuyến cao và động lực kép
giữa hai thanh.
1.2 Các nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố
Đến nay đã có rất nhiều nghiên cứu sử dụng các thuật toán khác nhau để điều
khiển hệ thống con lắc ngược quay như điều khiển tuyến tính hóa, điều khiển phi
tuyến,điều khiển thông minh, …
[1] Zhongmin W. và các đồng nghiệp sử dụng bộ điều khiển PID với
phương pháp phi tuyến để điều khiển đưa con lắc từ vị trí cân bằng ổn định phía dưới
lên vị trí cân bằng không ổn định mới phía trên (swing-up) với góc lệch
khoảng 150 nhưng hệ thống con lắc ổn định sau thời gian khoảng 8,7s.
[2] Sukontanakarn V. và các công sự của ông đã sử dụng các giải thuật PD để
xác định vị trí và điều khiển mờ để giữ vị trí cân bằng cho hệ thống con lắc ngược quay
nhưng con lắc cân bằng chưa ổn định tuyệt đối do thiết kế bộ điều khiển và bàn đặt con
lắc bị rung khi điều khiển.
[3] Khalil Sultan đã nghiên cứu điều khiển con lắc đơn trên xe bằng phương pháp
PID kết hợp với mô phỏng Matlab để mô phỏng và giữ con lắc ở vị trí cân bằng thẳng
đứng với thời gian ổn định của con lắc khoảng 4.5s nhưng mới chỉ ở trong phòng thí
nghiệm
[4] Khanesar M.A. Sử dụng phương pháp điều khiển trượt phân cấp để điều khiển
ổn định cân bằng con lắc ngược nhưng việc xác định mặt trượt là rất khó và hệ
thống cân bằng ổn định trong thời gian khoảng 25s.
14. Khóa luận tốt nhiệp SV:Hoàng Trọng Tư
2
[5] William V. và các đồng nghiệp điều khiển cân bằng hệ thống con lắc ngược
bằng sử dụng mạng neural. Ở đây đã huấn luyện điều khiển để hệ cân bằng ổn định
thành công, tuy nhiên kết quả chưa được như mong muốn và thời gian ổn định chưa
cao.khiển PID cho con lắc ngược quay nhưng tác giả đã nghiên cứu xét ở cấp độ mô
men bỏ qua động học của động cơ.
1.3 Mục tiêu và đối tượng nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu
Tìm hiểu về hệ con lắc ngược quay và phương pháp cân bằng.
Áp dụng phương pháp điều khiển mờ đẻ điều khiển cân bằng cho hệ con lắc ngược
quay.
Đối tượng nghiên cứu
Hệ con lắc ngược quay.
Các giải thuật điều khiển mờ.
1.4 Nhiệm vụ của đề tài
Xây dựng mô hình toán học cho hê con lắc ngược quay.
Thiết kế bộ điều khiển mờ điều khiển cân bằng cho hệ.
Mô phỏng trên phần mềm Matlab/simulink.
CHƯƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Cho đến nay, điều khiển mờ đã khẳng định được vị trí khá quan trọng trong kỹ
thuật điều khiển hiện đại. Điều khiển mờ cho độ chính xác đáng kể và khả năng thực
hiện vì tínhđơn giản trong cấu trúc của hệ thống. Những ứng dụng rộng rãi của điều
khiển mờ như: điều khiển nhiệt độ, điều khiển giao thông vận tải, điều khiển trong các
lĩnh vực sản xuất hàng hóa công nghiệp, ...
Khi tổng hợp và thiết kế các bộ điều khiển theo phương pháp kinh ổn, chúng ta
có tlẻ gặp bế tắc khi bài toán có độ phức tạp đáng kể, độ phi tuyến lớn, thường xuyên
thay đổi trạng thái và cấu trúc của đối tượng, ... và khi thực hiện nó thì có thể phải chi
phí lớn mà độ tin cậy lại không cao. Có thể khắc phục những đặc điểm này khi thực
15. Khóa luận tốt nhiệp SV:Hoàng Trọng Tư
3
hiện thiết kế và thực hiện bộ điều khiển dựa trên cơ sở logic mờ. Các bộ điều khiển
được thiết kế trên cơ sở logic mờ được gọi là bộ điều khiển mờ. Chúng có chung ật đặc
điểm là làm việc theo nguyên tắc sao chép lại kinh nghiệm, tri thức của con người trong
quá trình điều khiển và vận hành các hệ thống máy móc.
2.1 Bộ điều khiển mờ cơ bản
Một bộ điều khiển mờ cơ bản thường bao gồm các khâu: fuzzy hóa, thiết bị hợp
thành (thiết bị thực hiện luật hợp thành) và khâu giải mờ. Một bộ điều khiển mờ chỉ
gồm 3 thành phần trên gọi là bộ điều khiển mờ cơ bản.
Hình 2.1 Bộ điều khiến mờ cơ bản
Hình 2.2 Một bộ điều khiển mờ động
Do bộ điều khiển mờ cơ bản chỉ có khả năng xử lý các giá trị tín hiệu hiện thời
nên nó thuộc nhóm các bộ điều khiển mờ tĩnh.Để mở rộng miền ứng dụng của chúng
vào các bài toán điều khiển động, các khâu động học cần thiết sẽ đuợc đua thêm vào bộ
điều khiển mờ cơ bản. Các khâu động đó chỉ có nhiệm vụ cung cấp thêm cho bộ điều
khiển mờ cơ bản các giá trị đạo hàm hay tích phân ủa tín hiệu. Cùng với những khâu
động bổ xung này, bộ điều khiển không còn là bộ điều khiển mờ cơ bản nữa mà đơn
thuần nó đuợc gọi là bộ điều khiển mờ.
Khâu mờ hoá: Có nhiệm vụ biến đổi giá trị rõ đầu vào thành một miền giá trị
16. Khóa luận tốt nhiệp SV:Hoàng Trọng Tư
4
mờ với hàm liên thuộc đã chọn ứng với biến ngôn ngữ đầu vào đã đuợc định nghĩa từ
truớc.
Khối hợp thành: Biến đổi các giá trị mờ của biến ngôn ngữ đầu vào thành các
giá trị mờ của biến ngôn ngữ đầu ra theo các luật hợp thành.
Khối luật mờ (suy luận mờ): Bao gồm tập các liật “NẾU ... THÌ ...” dựa vào
các luật mờ cơ bản, đuợc thiết kế và viết ra cho thích họp với từng biến và giá trị của
các biến ngôn ngữ theo quan hệ mờ vào/ra.
Khối luật mờ và khối họp thành là phần cốt lõi của bộ điều khiển mờ, vì nó có
khả năng mô phỏng những suy đoán của con nguời để đạt đuợc mục tiêu điều khiển
mong muốn nào đó.
Khối giải mờ: Biến đổi các giá trị mờ đầu ra thảnh các giá trị rõ để điều khiển
đối tuợng.
2.1.1 Mờ hoá
Các tín hiệu điều khiến (gồm tín hiệu điều khiến chủ đạo và các tín hiệu trạng
thái, ...) là các “tín hiệu rõ” nên đế bộ điều khiến mờ hiếu đuợc chúng thì các tín hiệu
đó cần đuợc mờ hoá.
Mờ hoá đuợc định nghĩa như là sự ánh xạ các giá trị thục X* eU thành tập các
giá trị mờ A xác định trên tập nền u. Nguyên tắc chung của việc thực hiện mờ hoá là
tập các giá trị thực đầu vào sẽ tạo ra tập mờ A với hàm thuộc có giá trị đủ rộng tại các
điểm rõ X* (Neu có nhiễu ở đầu vào thì việc mờ hoá sẽ góp phần khử nhiễu).
Việc mờ hoá phải tạo điều kiện đơn giản cho tính toán sau này.
Có nhiều phương pháp mờ hoá, nhung thông thuờng có thể dùng một trong ba
phương pháp sau:
Mờ hoả đơn trị (singleton): Từ các điểm giá trị thực x*eU, lấy các giá trị đơn
trị của tập mờ A.
Mờ hoả Gaus (Gaussian): Từ các điểm giá trị thực x*eU, lấy các giá trị trong
tập mờ A với hàm thuộc có dạng Gaus.
Mờ hoá hình tam giác (triangular): Từ các điểm giá trị thực x*eU, lấy các giá
trị của tập mờ A với hàm thuộc có dạng hĩnh tam giác hay hình thang.
Mờ hoá các đơn trị cho phép tính toán về sau rất đơn giản nhưng không khử đuợc
nhiễu đầu vào, mờ hoá Gaus hay mờ hoá hĩnh tam giác không những cho phép tính toán
17. Khóa luận tốt nhiệp SV:Hoàng Trọng Tư
5
về sau tuơng đối đơn giản mà còn đồng thời có thể khử nhiễu đầu vào.
2.1.2 Sử dụng luật hợp thành
Truớc khi áp dụng phương pháp hợp thành, cần phải xác định cẩn thận trọng số
của các luật. Mỗi luật đều có trọng số là một số duơng thuộc khoảng [0, 1], Nói chung
trọng số này thuơng là 1, trong quá trình hợp thành có thế thay đổi trọng số của nó tuỳ
theo các yếu tố khác hoặc giải bài toán tối ưu hoá trọng số.
Khi trọng số thích hợp đã đuợc xác định cho mỗi luật thì phương pháp hợp thành
đuợc thực hiện. Hệ quả là một tập mờ đuợc đại diện bởi một hàm thuộc gọi là tập mờ
đầu ra.
Có thê sử dụng các phương pháp hợp thành theo luật: max-MIN, max- PROD,
Zadeh, Lukasiewicz, Diene s-Rescher.
2.1.3 Sử dụng các toán tử mờ - khối luật mờ
Mỗi một đầu vào đã mờ hoá sẽ đuợc sử dụng trong mệnh đề tuơng ứng với mỗi
luật.
Nếu mệnh đề của luật có nhiều thành phần thì cần sử dụng các toán tử để thu
đuợc một con số đại diện cho kết quả của mệnh đề trong luật đó. Đầu vào của toán tử
mờ là hai hay nhiều hơn các giá trị liên thuộc từ các biến đầu vào đã đuợc mờ hoá. Đầu
ra là một giá trị thực.
Xét hệ mờ với nhiều đầu vào và một đầu ra, nếu có n đầu vào và m đầu ra thì ta
có thể tách ra thành m hệ, mỗi hệ có n đầu vào và một đầu ra.
Luật mờ cơ sở là luật chứa một tập các luật “NẾU ... THÌ ...” có dạng sau:
Rv (k) Nếu X1 là và ... và xn là Ak
thì y là Bk
Trong đó:
A* và Bk
là các tập mờ trong Ui e Rn
.
Nếu có m luật mờ cơ sở thì k = 1 ..m.
Luật mờ trên đuợc gọi là luật mờ chính tắc.
Từ luật mờ chính tắc, ta có một số mệnh đề khác:
Mệnh đề bộ phận:
Nếu là Ak
và ... và xm là A^ thì y là Bk
với m < n.
Mệnh đề hoặc:
18. Khóa luận tốt nhiệp SV:Hoàng Trọng Tư
6
Nếu X1 là AỊ và ... và xm là A^ hoặc xm+l là J4^+1 và ... và xn là A^
thì y là Bk
.
2.1.4 Giải mờ
Với bộ điều khiến mờ tổng hợp như trên cho dù với một hay nhiều luật điều khiển
(mệnh đề hợp thành), cũng chưa thể áp dụng đuợc trong điều khiển đối tuợng vì đầu ra
vẫn đang chỉ là giá trị mờ B.Một bộ điều khiến mờ hoàn chỉnh phải có thêm khâu giải
mờ.
Giải mờ là sự ánh xạ từ tập mờ B’ (đầu ra của khối hợp thảnh và suy luận mờ)
thành giá trị đầu ra rõ y.Như vậy nhiệm vụ của giải mờ là tìm một giá trị rõ ở đầu ra
làm đại diện cho tập mờ B’, đó chính là đại lượng điều khiển đối tượng.
Hình 2.3 Hệ kín phản hồi âm và bộ điều khiến mờ
Khi giải mờ cần chú ý:
Việc tính toán cần đơn giản: đây là đều quan trọng để giảm thời gian tính toán vì
các bộ điều khiển mờ thường đòi hỏi làm việc thời gian thực (real time).
Tính liên tục: một sự thay đổi nhỏ trong tập mờ B’ chỉ làm thay đổi nhỏ trong
kết quả giải mờ, nghĩa là không gây ra thay đổi đột biến giá trị giải mờ y
Tính hợp lý của kết quả: điểm rõ y’ là điểm đại diện của tập mờ B’, điều này có
thể cảm nhận trực giác tính hợp lý của kết quả khi đã có hàm thuộc của tập mờ B’.
Có 3 phương pháp giải mờ thường dùng là: phương pháp cực đại, phương pháp
trọng tâm và phương pháp trung bình tâm .
Về nguyên tắc, hệ thống điều khiến mờ cũng giống với các hệ thống điều khiển
bình thường khác. Sự khác biệt ở đây là bộ điều khiến mờ làm việc có tư duy như “bộ
não” dưới dạng trí tuệ nhân tạo. Chất lượng hoạt động của bộ điều khiến mờ phụ thuộc
vào kinh nghiệm và phương pháp rút ra kết luận theo tư duy con người, sau đó được cài
đặt trên máy tính trên cơ sở của logic mờ. Hệ thống điều khiến mờ do đó cũng có thế
19. Khóa luận tốt nhiệp SV:Hoàng Trọng Tư
7
coi như là một hệ thống neuron, hay đúng hơn là một hệ thống điều khiến được thiết kế
mà không cần biết trước mô hình toán học của đối tượng.
Hệ thống điều khiến mờ được thiết kế gồm các thảnh phần:
Giao diện đầu vào: Bao gồm khâu fuzzy hóa và các thành phần phụ trợ thêm để
thực hiện các bài toán động nhu tích phân, vi phân, ...
Thiết bị hợp thành: Bản chất của thành phần này là sự triển khai luật hợp thành
R đuợc xây dựng trên cơ sở luật điều khiển hay như trong một số các tài liệu khác còn
gọi là luật quyết định.
Giao diện đầu ra (khâu chấp hành): gồm khâu giải mờ và các khâu giao diện
trực tiếp với đối tuợng.
Nguyên lý tổng hợp bộ điều khiển mờ hoàn toàn dựa vào những phương pháp
toán học dựa trên cơ sở định nghĩa các biến ngôn ngữ (tập mờ) vào/ra và lựa chọn những
luật điều khiển theo kinh nghiệm.
Trong sơ đồ ở hĩnh vẽ trên, khâu đối tuợng đuợc điều khiển bằng đại luợng u là
tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển mờ.Vì các tín hiệu điều khiển đối tuợng là các “tín
hiệu rõ” nên tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển mờ truớc khi đua vào điều khiển đối
tuợng phải thông qua khâu giải mờ nằm trong bộ giao diện đầu ra.Tín hiệu ra y của đối
tuợng đuợc đo bằng cảm biến và đuợc xử lý sơ bộ truớc khi đưa vào bộ điều khiển.Các
tín hiệu này cũng là các “tín hiệu rõ”, do vậy để bộ điều khiển mờ có thể hiểu đuợc
chúng khi tín hiệu y và ngay cả tín hiệu đặt X cũng phải được mờ hóa thông qua khâu
mờ hóa trong bộ giao diện đầu vào.
Chất luợng của một hệ điều khiển không chỉ đuợc đánh giá qua độ chính xác của
hệ thống mà trong nhiều truờng hợp nguời ta còn quan đến các chỉ tiêu khác nhu độ dao
động, tính bền vững (robust), vấn đề tiết kiệm năng luợng, ...
Thành phần trọng tâm của bộ điều khiển mờ đó chính là hệ luật điều khiển, chúng
là tập các mệnh đề hợp thành cùng cấu trúc NẾU ... THÌ ... và nguyên tắc triển khai các
mệnh đề hợp thảnh đó có tên gọi là nguyên tắc max-MIN hay sum- MIN, ... Mô hình R
của luật điều khiến đuợc xây dụng theo một nguyên tắc triển khai đã chọn truớc và đuợc
gọi là luật hợp thành. Thiết bị thực hiện luật hợp thành trong bộ điều khiển gọi là thiết
bị hợp thành.
Trong nhiều truờng hợp, các thông tin về sai lệnh giữa tín hiệu chủ đạo X và tín
20. Khóa luận tốt nhiệp SV:Hoàng Trọng Tư
8
hiệu ra y chưa đủ đế tạo ra một hệ luật điều khiến. Với các bài toán điều khiến động, bộ
điều khiến mờ còn đòi hỏi phải có các thông tin về đạo hàm của sai lệnh hay tích phân
của sai lệnh để cung cấp thêm các đại luợng đầu vào cho thiết bị hợp thành. Hầu hết các
đại luợng này phải đuợc số hóa một cách phù hợp cho thiết bị hợp thành. Tuơng tự như
vậy với các giá trị ra của hệ thống, không phải trong truờng hợp nào cũng cần các tín
hiệu ra rõ mà có truờng hơp lại cần giá trị tích phân của tín hiệu ra.
Chúng ta có thể thiết kế bộ điều chỉnh theo luật p (Propotional - Tỉ lệ), theo luật
I (Integral - Tích phân) và theo luật D (Derivative - Vi phân) nhu sau:
Luật điều khiển P: uk - K.ek, trong đó K là hệ số khuếch đại.
Luật điều khiển I: uk+l -uk +—ek Ị trong đó TỊ là hằng số tích phân.
Luật điều khiển D: Uk + Ị - TD (ek +uk ), trong đó TD là hằng số vi phân.
Hình 2.4 Bộ điều khiển mờ PID
Hình vẽ trên là ví dụ đơn giản về một hệ điều khiển mờ PID. Sai lệch giữa tín
hiệu đặt và tín hiệu ra đuợc đưa vào bộ điều chỉnh theo luật p và D, sau đó đuợc đưa
vào bộ điều khiển mờ. Bộ điều chỉnh I đuợc dùng như một thiết bị chấp hành, đầu vào
lấy sau bộ giải mờ và đầu ra đuợc đưa tới đối tuợng.
2.2 Nguyên tắc thiết kế bộ điều khiển mờ
Như đã biết, chất luợng của bộ điều khiển mờ phụ thuộc rất nhiều vào kinh
nghiệm của nguời điều khiến. Nếu khéo léo trong tối ưu hóa hệ thống thì các bộ điều
khiến mờ cũng có thế làm việc ổn định, bền vững và có thế còn làm việc tốt hơn sự linh
hoạt của con nguời.
Các buớc cần thiết đế thiết kế và tổng hợp bộ điều khiến mờ:
- Định nghĩa tất cả các biến ngôn ngữ vào và ra.
- Định nghĩa tập mờ (giá trị ngôn ngữ) cho các biến vào/ra.
21. Khóa luận tốt nhiệp SV:Hoàng Trọng Tư
9
- Xây dụng các luật điều khiến (các mệnh đề hợp thành).
- Chọn thiết bị hợp thành (max-MIN hay sum-MIN).
-Chọn nguyên lý giải mờ.
-Tối ưu hóa hệ thống.
2.2.1 Định nghĩa các biến vào/ra
Định nghĩa các biến vào/ra cho một hệ thống điều khiển là quá trình xác định các
thành phần (đại luợng) đi vào và ra bộ điều khiển mờ. Các thành phần này chủ yếu là
được tách ra từ sai lệch giữa đại luợng đặt và giá trị thực ở đầu ra. Thành phần ra bộ
điều khiển mờ để đi tới đối tượng được điều khiển.
2.2.2 Các định tập mờ
Buớc tiếp theo là định nghĩa các biến ngôn ngữ vào/ra bao gồm số các tập mờ và
dạng hàm thuộc cho chúng. Để thực hiện đuợc việc này cần xác định:
Miền giá trị vật lý của các biến ngôn ngữ vào/ra
Ở đây ta cần xác định khoảng xác định của các biến ngôn ngữ cho các đầu vào
và ra. Ví dụ như giá trị đặt, giá trị thực ở đầu ra và sai lệch giữa các giá trị này, hoặc
thành phần thể hiện tốc độ biến đổi của sai lệch, ...
Số lượng tập mờ (lực lượng giá trị biến ngôn ngữ)
Về nguyên tắc, số luợng giá trị ngôn ngữ cho mỗi biến ngôn ngữ chỉ nên nằm
trong khoảng từ 3 đến 10 giá trị. Nếu số luợng giá trị ít hơn 3 thi ít có ý nghĩa vĩ không
thực hiện đuợc lấy vi phân. Nếu lớn hơn 10 thì con nguời khó có khả năng bao quát và
phản ứng. Ví dụ, đối với quá trình điều khiển nhiệt độ, có thể xác định các giá trị nhu
sau:
Nhiệt độ = {thấp, trung bình, cao}
Nhiệt độ = {thấp, hơi thấp, trung bình, hơi cao, cao}
Nhiệt độ = {rất thấp, hơi thấp, trung bình, hơi cao, rất cao}
Xác định hàm thuộc
Đây là công vệc rất quan trọng trong quá trình thiết kế và tống hợp bộ điều khiến
mờ vĩ quá trình làm việc của bộ điều khiến mờ rất phụ thuộc vào dạng và kiểu của hàm
thuộc. Nhưng thực tế lại không có một quy tắc nhất quán nào cho vấn đề chọn hàm
thuộc mà ở đây chỉ có một cách đơn giản là chọn hàm thuộc từ những dạng hàm đã biết
truớc và mô hình hóa nó cho đến khi nhận đuợc bộ điều khiến mờ làm việc như mong
22. Khóa luận tốt nhiệp SV:Hoàng Trọng Tư
10
muốn. Quá trình này thục hiện như một vòng lặp.
Cũng nên cần chọn các hàm thuộc có phần chồng lên nhau và phủ kín miền giá
trị vật lý đế trong quá trình điều khiến không xuất hiện “lỗ hống”. Trong truờng hợp với
một giá trị vật lý ngõ x0 của biến đầu vào mà tập mờ B’ ở đầu ra có độ cao bằng 0 và
bộ điều khiển không thể đưa ra một quyết định điều khiển nào đuợc gọi là hiện tuợng
“cháy nguyên tắc”, lý do là không định nghĩa đuợc nguyên tắc điều khiển phù hợp hoặc
là do các tập mờ của biến ngôn ngữ có những “lỗ hổng”.
Cũng như vậy, đối với các biến ra, các hàm thuộc dạng hình thang với độ xếp
chồng lên nhau rất nhỏ thuờng không phù hợp đối với bộ điều khiển mờ. Nó tạo ra vùng
“chết” trong trạng thái làm việc của bộ điều khiển. Trong một vài truờng hợp, chọn hàm
thuộc dạng hình thang hoàn toàn hợp lý đặc biệt khi sự thay đổi các miền giá trị của tín
hiệu vào không kéo theo sự thay đổi bắt buộc tuơng ứng cho mền giá trị của tín hiệu ra.
Nói chung nên chọn hàm thuộc sao cho miền tin cậy của nó chỉ có một phần tử, hay là
chỉ tồn tại một điểm vật lý có độ phụ thuộc bằng độ cao của tập mờ.
2.2.3 Xây dựng các luật điều khiển
Trong việc xây dựng các luật điều khiển (mệnh đề hợp thành), cần lưu ý vùng
xung quanh đếm không, không đuợc tạo ra các “lỗ hổng”, bởi vì khi gặp các lỗ hổng
xung quanh điểm làm việc bộ điều khiển sẽ không thể làm việc đúng như ta đã định sẵn.
Ngoài ra cần để ý rằng trong phần lớ n các bộ điều khiển, tín hiệu ra sẽ bằng không khi
tất cả các tín hiệu vào bằng không.
2.2.4 Chọn thiết bị hợp thành
Để chọn thiết bị hợp thành theo những nguyên tắc đã trình bày trong phần truớc,
ta có thể sử dụng một trong các công thức theo luật:
Luật max-MIN, max-PROD.
Công thức Lukasiewicz có luật sum-MIN, sum-PROD.
Công thức Einstein.
Tổng trực tiếp.
2.2.5 Chọn nguyên lý giải mờ
Các phương pháp xác đánh giá trị đầu ra mờ gọi là quá trình giải mờ hoặc mờ
hóa đã được trình bày trong phần trước. Phương pháp giải mờ đuợc chọn cũng ảnh
huởng đến độ phức tạp, tốc độ tính toán và trạng thái làm việc của toàn bộ hệ thống.
23. Khóa luận tốt nhiệp SV:Hoàng Trọng Tư
11
Thường trong thiết kế hệ thống điều khiến mờ, giải mờ bằng phương pháp điếm trọng
tâm có nhiếu ưu điểm hơn cả, bởi vì như vậy trong kết quả đều có sự tham gia của tất
cả các thành phần kết luận của các luật điều khiển (mệnh đề hợp thành).
2.2.6 Tối ưu
Sau khi bộ điều khiển mờ đã được tổng hợp, có thể ghép nối nó với đối tượng
điều khiển thực hoặc với một đối tượng mô phỏng để thử nghiệm. Trong quá trình thử
nghiệm cần đặc biệt kiểm tra xem nó có tồn tại “lỗ hổng” nào trong quá trình làm việc
không, tức là xác định xem tập các luật điều khiển được xây dựng có đẩy đủ hay không
để bổ xung.
Cấu trúc của hệ thống đơn giản, luật điều khiển chính là các mệnh đề họp thành
tri thức chuyên gia mang tính kinh nghiệm nên có thể thực hiện bộ điều khiển với những
hệ thống mà khó hoặc không thể xây dựng được mô hình toán học cho nó.
Theo nguyên tắc điều khiển bằng logic mờ, ta có thể có rất nhiều cách thực hiện
(cách lựa chọn) khác nhau tại các bước tính toán như chọn hàm thuộc, phép giao, phép
họp, phép hợp thành, giải mờ, ... nên cho ta nhiều kết quả khác nhau. Chất lượng của
hệ thống rất phụ thuộc vào kinh nghiệm của người thiết kế và không có một thuật toán
nào có thể tối ưu hoá được quá trình thiết kế này.
2.3 Hướng dẫn về Matlab/Simulink,CCSv3.3
MATLAB (Matrix Laboratory) là một phần mềm khoa học được thiết kế để cung
cấp
việc tính toán số và hiển thị đồ họa bằng ngôn ngữ lập trình cấp cao. MATLAB
cung cấp các tính năng tương tác tuyệt vời cho phép người sử dụng thao tác dữ liệu linh
hoạt dưới dạng mảng ma trận để tính toán và quan sát. Các dữ liệu vào của MATLAB
có thể được nhập từ "Command line" hoặc từ "mfiles", trong đó tập lệnh được cho trước
bởi MATLAB.MATLAB cung cấp cho người dùng các toolbox tiêu chuẩn tùy chọn.
Người dùng cũng có thể tạo ra các hộp công cụ riêng của mình gồm các "mfiles" được
viết cho các ứng dụng cụ thể.
Màn hình tiêu chuẩn sau khi khởi động Matlab:
24. Khóa luận tốt nhiệp SV:Hoàng Trọng Tư
12
Hình 2.5 Màn hình khởi động Matlab
Để sử dụng Simulink:
Ta gõ Simulink hoặc nhấp vào biểu tượng Simulink trên thanh công cụ.
Simulink là một công cụ trong Matlab dùng để mô hình, mô phỏng và phân tích
các hệ thống động với môi trường giao diện sử dụng bằng đồ họa. Việc xây dựng mô
hình được đơn giản hóa bằng các hoạt động nhấp chuột và kéo thả. Simulink bao gồm
một bộ thư viện khối với các hộp công cụ toàn diện cho cả việc phân tích tuyến tính và
phi tuyến. Simulink là một phần quan trọng của Matlab và có thể dễ dàng chuyển đổi
qua lại trong quá trình phân tích, và vì vậy người dùng có thể tận dụng được ưu thế của
cả hai môi trường.
Từ cửa sổ lệnh, đánh lệnh simulink và enter
Cửa sổ thư viện Simulink sẽ hiển thị:
25. Khóa luận tốt nhiệp SV:Hoàng Trọng Tư
13
Hình 2.6 Cửa sổ thư viện Matlab
Tạo một mô hình mới bằng cách:
Click vào icon New model hoặc gõ Ctrl-N:
Cửa sổ xây dựng mô hình xuất hiện:
26. Khóa luận tốt nhiệp SV:Hoàng Trọng Tư
14
Hình 2.7 Cửa sổ xây dựng mô hình
Tạo các khối: từ thư viện Simulink chọn khối cần dùng, nhấp chuột vào và kéo
ra ra cửa
Cửa sổ mô hình
Hình 2.8 Sơ đồ mô hình
Lưu trữ mô hình bằng lệnh Save (File Save) hoặc nhấp vào icon Save.
27. Khóa luận tốt nhiệp SV:Hoàng Trọng Tư
15
Dịch chuyển các khối đơn giản bằng cách nhấp vào khối đó và kéo thả
Nối tín hiệu: Đưa con chuột tới ngõ ra của khối (dấu “>”), khi đó con chuột sẽ
có dạng
“+”. Kéo rê chuột tới ngõ vào của một khối khác và thả ra để kết nối tín hiệu.
Hình 2.9 Kết nối các khối
Mô phỏng mô hình: Dùng lệ ặc nhấp
chuột vào
icon Start.
Hình 2.10 Chạy mô phỏng
28. Khóa luận tốt nhiệp SV:Hoàng Trọng Tư
16
Xem tín hiệu từ Scope: nhấp đôi vào khối Scope.
Hình 2.11 khối Scope
Chỉnh thông số của một khối bằng cách nhấp đôi vào khối cần chỉnh
Trước khi mô phỏng mô hình Simulink, chúng ta cần đặt các thông số mô
phỏng bằng
cách chọn menu Simulation Configuration Parameters.
Hình 2.12 Cài đặt thời gian lấy mẫu
29. Khóa luận tốt nhiệp SV:Hoàng Trọng Tư
17
Ở cửa sổ Configuration Parameters, chúng ta có thể đặt một số thông số như Start
time, Stop time (second – giây), và phương pháp giải Solver, Solver options,..
sau đó nhấn nút OK.
Hình 2.12 Cài đặt thời gian lấy mẫu
2.4 Lập trình TMS320F28335 trên Simulink.
Matlab phiên bản 2009 trở lên đã hỗ trợ rất nhiều và cụ thể các board mạch xử
lý
tín hiệu của Texas Instrument (TI) các dòng từ C2000 đến C6000…
Trên PC cần các phần mềm để biên soạn, biên dịch chương trình và download
chương trình xuống board qua cáp kết nối (có nhiều loại cáp tùy theo phần cứng).
Kết nối ngoại vi bên ngoài với board trung tâm theo mục đích lập trình.
Trong tài liệu này sẽ tiến hành soạn chương trình trên Simulink, biên dịch và
đổ kết quả xuống board mạch thực hiện một số khối sau: GPIO, đọc ADC điều
khiển PWM và truyền lên máy tính bằng chuẩn giao tiếp SCI (UART).
Yêu cầu
Phần mềm
Matlab 2009b trở lên.
CCS (Code Composer Studio) V3.3 trở lên (chú ý phiên bản tương thích nhau).
Cài thêm một số thư viện cho CCS: Flash API, C/C++ Header file… được cung
cấp đầy đủ trên trang chủ của TI.
30. Khóa luận tốt nhiệp SV:Hoàng Trọng Tư
18
Phần cứng
TMS320F28335 (trong tài liệu này), cáp XDS100 emulator.
Sau khi cài đặt đầy đủ ta tiến hành thiết lập và kiểm tra sự kết nối giữa các
phần mềm với nhau.
Khi cài CCS xong sẽ cho ta 2 phần mềm:
Hình 2.13 Biểu tượng phần mềm CCSV3.3
Đầu tiên ta cấu hình cho board mà ta đang làm TMS320F28335 bằng cách chạy
Setup CCStudio v3.3:
Hình 2.14 Cấu hình trên TMS320F28335
Chọn cụ thể board TMS320F28335 với cáp XDS100usb emulator rồi Save and
exit. Khi đó phần mềm CCS sẽ làm việc với board đã cài đặt.
31. Khóa luận tốt nhiệp SV:Hoàng Trọng Tư
19
Vì chúng ta lập trình trên Simulink, nên lập trình trên phần mềm CCS 3.3 chúng
ta không cần quan tâm nhiều.
Trước tiên chúng ta kiểm tra kết nối giữa Matlab và CCS (nhớ kết nối phần cứng
board với máy tính bằng cáp trong khi thực hiện) bằng các lệnh sau:
>> cc=ticcs % kiểm tra phần mềm CCS và board đang kết nối
>>checkEnvSetup(‘ccs’, ‘f28335’, ‘check’) % kiểm tra phần mềm, thư viện, và
các phần hỗ trợ biên dịch, nạp board: Flash API, DOS/BIOS, C/C++ header
file…
Hình 2.15 Kiểm tra kết nối giữa Matlab và CCS
32. Khóa luận tốt nhiệp SV:Hoàng Trọng Tư
20
Khi đó Matlab tự động gọi CCS mà ta không cần bật nó lên, tra các cấu hình và
hỗ trợ của phiên bản phần mềm.
Sau khi kiểm tra đúng đắn thì cơ bản ta đã xong phần cài đặt và tiến hành thiết
kế trên Simulink.
Thiết kế chương trình:
Tạo một file model mới.
Lấy trong Target Support Package => Supported Processor => Texas
Instruments C2000 => Target Preferences => F28335 eZdsp như các hình sau bỏ
vào file model mới tạo. Đường dẫn trên gồm tất cả các khối hỗ trợ cho các board
của TI cũng như một số hãng khác.
Hình 2.16 Cửa sổ thư viện
33. Khóa luận tốt nhiệp SV:Hoàng Trọng Tư
21
Hình 2.17 Cửa sổ thư viện
Trong Texas Instruments C2000 có nhiều khối hỗ trợ cho các module của
F28335 như sau:
Hình 2.17 Cửa sổ thư viện
34. Khóa luận tốt nhiệp SV:Hoàng Trọng Tư
22
Sử dụng phần mềm Terminal để hiển thị điện áp (V),góc con lắc và góc cánh tay.
Hình 2.18 Biểu tượng phần mềm Terminal
Hình 2.19 Giao diện phần mềm Terinal
35. Khóa luận tốt nhiệp SV:Hoàng Trọng Tư
23
2.5 Kết luận
Chương này cho chúng ta một cái nhìn tổng quát về cấu trúc của một bộ điều
khiển mờ cơ bản, nhiệm vụ của mỗi thành phần trong hệ thống. Trên cơ sở nguyên lý
điều khiển mờ, chương này cũng giới thiệu nguyên tắc tổng hợp một bộ điều khiển mờ.
Với bộ điều khiển mờ như vậy, nó cũng bộc lộ những ưu điểm và nhược điểm theo bản
chất của phương pháp điều khiển như:
CHƯƠNG 3
MÔ HÌNH CON LẮC NGƯỢC QUAY
3.1 Mô tả
Con lắc ngược quay gồm hãi phần:
Đĩa quay được điều khiển bởi một động cơ DC có trục theo phương thẳng đứng.
Như vậy, đĩa quay là mặt phẳng vuông gốc vối phương thẳng đứng.
Con lắc được gắn ở mép đĩa quay.
Sau đây là mô hình hệ thống con ỉẳc ngược quay:
Pendulum #1
Hình 3.1 Mô hình con lắc ngược quay
3.2 Mô hình động
Phương trình động học:
[
J0 + m1L1
2
sin2
β −m1L0l1cosβ
−m1L0l1cosβ J1 + m1l1
2 ] [
α̈
β̈]+
[
C0 +
1
2
m1l1
2
β̇sin2β m1L0l1
2
β̇sinβ +
1
2
m1l1
2
α̇sin2β
−
1
2
m1l1
2
α̇sin2β C1
] [
α̇
β̇ ]+[
0
−m1gl1sinβ
]=[
τ
0
]
37. Khóa luận tốt nhiệp SV:Hoàng Trọng Tư
25
Bảng 3.1 Thông số phương trình
Thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị
Moment quán tính của cánh tay J0 0.008591 Đơn vị
Moment quán tính của con lắc J1 0.00217 Kg.m2
Hệ số ma sát của cánh tay C0 0.006408 Kg-m/s2
Hệ số ma sát của con lắc C1 0.000158 Kg-m/s2
Khối lượng con lắc m1 0.0319 Kg
Chiều dài con lắc l1 0.1572 M
Khoảng cánh từ trục quay của cánh tay đến
trục quay cua con lắc
l2 0.137 M
Gia tốc trọng tường g 9.81 m/s2
Yêu cầu của ta là thiết kế bộ điều khiển để giữ thăng bằng con lắc thứ nhất dựng
đứng, con lắc thứ hai thì nằm huớng xuống đất, tín hiệu đặt chính là vị trí của đĩa quay.
Ta chọn sơ đồ điều khiển trực tiếp, nghĩa là ta so sánh vị trí của đĩa quay với tín
hiệu đặt để điều khiển sao cho độ sai lệch giữa 2 tín hiệu này giảm về 0, trong khi đó
vẫn phải giữ thăng bằng cho cho con lắc thứ nhất đứng thẳng và con lắc thứ hai nằm
hướng xuống đất.
Bộ điều khiển của chúng ta có dạng MISO (Multi Inpur – Single Output: nhiều
ngõ vào - một ngõ ra).
3.3 Chọn các biến yào-ra
Ta chọn 4 biến ngõ vào:
Độ sai lệch giữa tín hiệu đích và vị trí của phần đĩa quay (α).
Vận tốc góc của cánh tay (α’).
Vị trí của con lắc so với phương thẳng đứng (ß).
Vận tốc góc của con lắc (ß’).
Biến ra là moment quay cánh tay ,được định nghĩa 7 giá trị ngôn ngữ cho biến
là :
38. Khóa luận tốt nhiệp SV:Hoàng Trọng Tư
26
Hình 3.2 Thiết lập các biến vào - ra trên FIS Editor của MatLAB
3.4 Chuẩn hóa tập cơ sở của các biến vào-ra
Ta cần chuẩn hóa các tập cơ sở của các biến vào/ra về miền [-1 1], ta được các
giá trị độ lợi ứng với các biến vào ra:
Đối với ∆α=5
Đối với α=0.1
Đối với ∆β=0.01
Đối với β=0.001
Đối với U=10
3.5 Chọn tập mờ cho các biến vào
Về nguyên tắc, số lượng mỗi biến ngôn ngữ nên nằm trong khoảng từ 3 đán 10
giá trị. Nếu số lượng ít hơn 3 thì có ít ý nghĩa, còn nếu lớn hơn 10 thì con người khó có
khó năng bao quát Ta chọn 3 tập mờ (giá trị ngôn ngữ) cho mỗi biến vào: N, Z và P,
Các tập mờ này được phân hoạch mờ ưên tập cơ sở chuẩn hóa và hàm liên thuộc có
dạng tam giác vì chọn hàm liên thuộc dạng tam giác không những làm cho phép toán
về sau tương đối đơn giản mà còn đồng thời có thề khử nhiễu đầu vào.
39. Khóa luận tốt nhiệp SV:Hoàng Trọng Tư
27
Hình 3.3 Các tập mờ của alpha
Hình 3.4 Các tập mờ của alpha_dot
40. Khóa luận tốt nhiệp SV:Hoàng Trọng Tư
28
Hình 3.5 Các tập mờ của beta
Hình 3.6: Các tập mờ của beta_dot
3.6 Chọn tập mờ cho biến ra
41. Khóa luận tốt nhiệp SV:Hoàng Trọng Tư
29
Hình 3.7 Các tập mờ của ngõ ra.
3.7 Xây dựng tập luật mờ
Để xây dựng tập luật mờ, ta xét từng trường hợp, chẳng hạn như sau :
Nếu góc lệch của con lắc thứ nhất so với phương thẳng đứng (có chiều hướng
lên) là 0°, gia tốc góc của con lắc thứ nhất bằng 0 ; góc lệch của con lắc thứ hai so với
phương thẳng đứng (có chiều hướng lên) là 180°, gia tốc góc của con lắc thứ hai bằng
0, vị trí của đĩa quay nằm đúng vị trí cần đạt, vận tốc góc của đĩa quay bằng 0 thì ta
không phải kích hoạt động cơ. Như vậy luật mờ sẽ được viết như sau.
42. Khóa luận tốt nhiệp SV:Hoàng Trọng Tư
30
Bảng 3.2 Quy luật mờ
ST
T alpha alpha_dot beta beta_dot ԏ STT alpha alpha_dot beta beta_dot ԏ
1 NE NE NE NE NB 42 ZE ZE ZE PO PS
2 NE NE NE ZE NB 43 ZE ZE PO NE ZE
3 NE NE NE PO NM 44 ZE ZE PO ZE PS
4 NE NE ZE NE NB 45 ZE ZE PO PO PS
5 NE NE ZE ZE NM 46 ZE PO NE NE PE
6 NE NE ZE PO NS 47 ZE PO NE ZE NS
7 NE NE PO NE NM 48 ZE PO NE PO PS
8 NE NE PO ZE NS 49 ZE PO ZE NE ZE
9 NE NE PO PO ZE 50 ZE PO ZE ZE PS
10 NE ZE NE NE NB 51 ZE PO ZE PO PM
11 NE ZE NE ZE NM 52 ZE PO PO NE PS
12 NE ZE NE PO NS 53 ZE PO PO ZE PB
13 NE ZE ZE NE NM 54 ZE PO PO PO NM
14 NE ZE ZE ZE NS 55 PO NE NE NE NS
15 NE ZE ZE PO ZE 56 PO NE NE ZE ZE
16 NE ZE PO NE NS 57 PO NE NE PO NS
17 NE ZE PO ZE ZE 58 PO NE ZE NE ZE
18 NE ZE PO PO PS 59 PO NE ZE ZE PS
19 NE PO NE NE NM 60 PO NE ZE PO ZE
20 NE PO NE ZE NS 61 PO NE PO NE PS
21 NE PO NE PO ZE 62 PO NE PO ZE PM
22 NE PO ZE NE NS 63 PO NE PO PO NS
23 NE PO ZE ZE ZE 64 PO ZE NE NE ZE
24 NE PO ZE PO PS 65 PO ZE NE ZE PS
25 NE PO PO NE ZE 66 PO ZE NE PO ZE
26 NE PO PO ZE PM 67 PO ZE ZE NE PS
27 NE PO PO PO NB 68 PO ZE ZE ZE PM
28 ZE NE NE NE NB 69 PO ZE ZE PO PS
29 ZE NE NE ZE NM 70 PO ZE PO NE PM
30 ZE NE NE PO NS 71 PO ZE PO ZE PB
31 ZE NE ZE NE NM 72 PO ZE PO PO ZE
32 ZE NE ZE ZE NS 73 PO PO NE NE PS
33 ZE NE ZE PO ZE 74 PO PO NE ZE PM
34 ZE NE PO NE NS 75 PO PO NE PO PS
35 ZE NE PO ZE ZE 76 PO PO ZE NE PM
36 ZE NE PO PO PS 77 PO PO ZE ZE PB
37 ZE ZE NE NE NM 78 PO PO ZE PO PM
38 ZE ZE NE ZE NE 79 PO PO PO NE PM
39 ZE ZE NE PO ZE 80 PO PO PO ZE PB
40 ZE ZE ZE NE NS 81 PO PO PO PO PB
41 ZE ZE ZE ZE ZE
43. Khóa luận tốt nhiệp SV:Hoàng Trọng Tư
31
3.8 Mô phỏng bằng matlab
Hình 3.8 Fuzzy Logic
Hình 3.9: Đáp ứng của con lắc thứ nhất đối vói tín hiệu xung vuông
44. Khóa luận tốt nhiệp SV:Hoàng Trọng Tư
32
Hình 3.10 :Kết quả mô phỏng hệ điều khiển giữ can bằng con lắc quay
3.9 Giải thuật nhúng
Hình 3.11 Chương trình nhúng
45. Khóa luận tốt nhiệp SV:Hoàng Trọng Tư
33
3.10 Giải thích chương trình.
Cài đặt trong khối eQEP.
Hình 3.12 Cài đặt khối eQEP
46. Khóa luận tốt nhiệp SV:Hoàng Trọng Tư
34
Hình 3.13 Cài đặt xung trong khối eQEP
Hình 3.14 Cài đặt dữ liệu vào/ra cho khối eQEP
47. Khóa luận tốt nhiệp SV:Hoàng Trọng Tư
35
Hình 3.15 Tính toán đỗi xung sang góc(độ)
Hình 3.16 Tiền xử lý và hậu xử lý
48. Khóa luận tốt nhiệp SV:Hoàng Trọng Tư
36
Khối MATLAB Function2.
Hình 3.17 Khối Khối MATLAB Function2
Hình 3.18 Chương trình cho phép điện áp ngõ
49. Khóa luận tốt nhiệp SV:Hoàng Trọng Tư
37
Khối DCX
Hình 3.19 Khối DCX
Hình 3.19 Chương trình băm xung
50. Khóa luận tốt nhiệp SV:Hoàng Trọng Tư
38
Khối ePWM
Hình 3.20 Khối ePWM
Hình 3.21 Cài đặt sô xung điều chế
51. Khóa luận tốt nhiệp SV:Hoàng Trọng Tư
39
Hình 3.22 Chọn ePWMA
Khối DPIO DO
Hình 3.23 Khối DPIO DO
52. Khóa luận tốt nhiệp SV:Hoàng Trọng Tư
40
Hình 3.24 Chọn GPIO1 trong khối DPIO DO
Chuyển đổi dữ liệu ngõ ra thành mã ASCII.
Hình 3.25 Chuyển đổi dữ liệu sang mã ASCII
53. Khóa luận tốt nhiệp SV:Hoàng Trọng Tư
41
Hình 3.26 khối S-Funtion Builder 4
Hình 3.27 Cài dặt dữ liệu vào/ra cho khối S-Funtion Builder 4
54. Khóa luận tốt nhiệp SV:Hoàng Trọng Tư
42
Hình 3.28 Chương trình hiển thị lên Terminal
Dễ nạp chương trình xuống DSP bấm ctrl+b hoặc nhấn vào biểu tượng trên thanh
công cụ
Hình 3.29 Buil chương trình xuống CCS
CHƯƠNG 4
THIẾT KẾ PHẦN CỨNG
Chương này trình bày mô hình thiết kế phần cứng hệ con lắc ngược quay dựa
trên những số liệu đã nghiên cứu ở trên. Giới thiệu sơ lược các linh kiện và nguyên lý
làm việc của từng linh kiện.
Động cơ được sử dụng là động cơ DC V 24 có gắn encoder quang 1000
xung/vòng được nối với cánh tay thông qua một bánh răng và đai truyền, cả hai được
gá lắp vào mặt trên của mô hình.
Để đo vị trí và vận tốc góc của con lắc ngược ta dùng encoder 2000p/r.
4.1 Phần cứng
4.1.1 Board mạch chính:
Kit DSP F28335
55. Khóa luận tốt nhiệp SV:Hoàng Trọng Tư
43
Hình 4.1 Sơ đồ chân của F28335
Hình 4.2 Kit DSP F28335
Giới thiệu về bộ điều khiển số TMS320F28335 TMS320F28335 là một trong
những series mạnh nhất của dòng xử lý tín hiệu số 32 bit C2000 nằm trong nhóm sản
phẩm của hãng Texas Instruments. Được phát triển ở giai đoạn sau của thế hệ TMS320,
do đó TMS320F28335 được sử dụng rất rộng rãi hiện nay trong các phòng thí nghiệm,
trong ngành công nghiệp tự động hóa, robot, năng lương điện tử công suất và các lĩnh
56. Khóa luận tốt nhiệp SV:Hoàng Trọng Tư
44
vực cơ điện tử tiên tiến khác. TMS được trang bị lõi (core) hỗ trợ tính toán số thực với
dấu phẩy động (FPU). Với bộ nhớ là 68kb bộ nhớ RAM và 128kb bộ nhớ flash, tốc độ
hoạt động tối đa lên tới 150MHz với mỗi chu kỳ lệnh là 6.67ns, tốc độ xử lý cao cho
phép chúng ta nhúng các giải thuật điều khiển như PID, Fuzzy, LQD, Neural, …
Chức năng chính bao gồm các khối sau:
+ 16 kênh ADC 12bit (0 – 3V) cho phép thời gian chuyển đổi nhanh (tối đa 80ns).
+ 18 kênh PWM trong đó có 6 kênh tốc độ cao sử dụng chức năng truy cập bộ
nhớ trực tiếp DMA.
+ Có 96 ngắt, 88 chân giao tiếp vào ra GPIO.
+ 3 Timer 16bit và 32 bit cho phép thực hiện cả những chức năng bios/boot.
+ Có đầy đủ các chức năng giao tiếp UART, SPI, SCI và truyền thông eCAN, …
+ DSP có điểm thuận lợi nhúng các giải thuật là chúng ta có thể viết các giải
thuật này trên Matlab hoặc Psim rồi nhúng các giải thuật này xuống DSP.
+ Khả năng debug online, breakpoint giúp chạy chương trình từng bước, liên tục
hay có thể tạm dừng. Đồng thời có thể theo dõi các thanh ghi, giá trị biến, biểu thức bất
kỳ khi ta gọi trong khung hình biến và biểu thức. Ngoài ra còn có chức năng hiển thị
phân vùng bộ nhớ dưới dạng đồ thị.
Các chức năng của TMS320F28335 vô cùng phong phú và tối ưu giúp ta dễ dàng
lập trình cho các ứng dụng đòi tốc độ và chính xác.
Hình 4.3 Sơ đồ ngoại vi của TMS320F28335
57. Khóa luận tốt nhiệp SV:Hoàng Trọng Tư
45
Hình 4.4 Sơ đồ khối F28335
Bộ xử lý trung tâm
Hình 4.5 Bộ xử lý trung tâm (CPU)
CPU F2833x CPU có thể thực hiện hầu hết các lệnh để thực hiện thanh ghi đến
thanh ghi hoạt động và một loạt các lệnh được sử dụng phổ biến bởi vi điều khiển, ví
dụ đóng gói byte và giải nén và thao tác bit trong một chu kỳ đơn. Các kiến trúc cũng
58. Khóa luận tốt nhiệp SV:Hoàng Trọng Tư
46
được hỗ trợ bởi chế độ địa chỉ tối đa, điều này cho phép trình biên dịch cũng như người
lập trình lắp ráp để tạo ra các mã nhỏ gọn mà gần như tương ứng một - một với mã C.
F2833x có hiệu suất tính toán cao cho xử lý tín hiệu số như nhiệm vụ điều khiển
hệ thống thường được xử lý bởi các thiết bị vi điều khiển. Hiệu quả này cho phép loại
bỏ sự cần thiết của một bộ xử lý thứ hai trong nhiều hệ thống.
Ba bộ Timer 32bit có thể được sử dụng cho mục đích đúng thời gian chung hoặc
để tạo ra phần cứng điều khiển khoảng thời gian cho hệ điều hành thời gian thực. Quản
lý ngắt ngoại vi (PIE) cho phép ngắt phản ứng nhanh với các nguồn tín hiệu và các sự
kiện bên ngoài và bên trong. PIE xử lý vector ngắt riêng lẻ cho tất cả các nguồn và làm
giảm thời gian đáp ứng với một sự kiện bên ngoài, gọi là ngắt trễ, đến một mức tối thiểu.
Cấu trúc bus ngoại F28335
Hình 4.6 Cấu trúc bus ngoại F28335
32bit bus dữ liệu cho phép chu kỳ hoạt động 32bit đơn. Kiến trúc đa bus này
được biết đến như kiến trúc Harvard cho phép F28335 lấy một lệnh, đọc giá trị dữ liệu
đầu tiên và viết một giá trị dữ liệu thứ hai trong tất cả trong một chu kỳ xung duy nhất.
Các thanh ghi điều khiển các bộ phận ngoại vi được ánh xạ vào các vị trí cụ thể
trong không gian bộ nhớ dữ liệu và có thể được truy cập với một bộ nhớ ghi dữ liệu
bình thường hoặc chỉ thị đọc. Đối với những thanh ghi quan trọng có một số cơ chế bảo
mật được thực hiện để ngăn chặn sự sửa đổi do các sự cố xảy ra. Tất cả các phần bộ nhớ
trong được gắn cả hai bộ nhớ chương trình dữ liệu (gọi là mô hình bộ nhớ thống nhất).
Nó cho phép người thiết kế chọn một phần nhất định để được sử dụng như là code hoặc
như là một phần dữ liệu.
59. Khóa luận tốt nhiệp SV:Hoàng Trọng Tư
47
Điều khiển bộ nhớ truy cập trực tiếp (DMA).
Hình 4.7 Cấu trúc bộ nhớ truy cập trực tiếp
Tổ chức bộ nhớ
Hình 4.7 Tổ chức bộ nhớ
Sơ đồ khối tổng quát
60. Khóa luận tốt nhiệp SV:Hoàng Trọng Tư
48
Hình 4.9 Sơ đồ tổng quát Kit DSP
Xuất nhập dữ liệu số
Các kết cấu ngoại vi
Tất cả các thanh ghi ngoại vi được gộp chung lại với nhau được gọi là kết cấu
ngoại vi - PF0, PF1, PF2 và PF3. Các kết cấu này được ánh xạ chỉ trong bộ nhớ dữ liệu.
Kết cấu ngoại vi PF0 bao gồm thiết lập thanh ghi kiểm soát tốc độ nội của bộ nhớ nội
FLASH, cũng như các thiết lập thời gian cho các thiết bị bộ nhớ ngoài, các thanh ghi
đơn vị truy cập bộ nhớ trực tiếp, thanh ghi timer CPU core và khối điều khiển module
bảo mật. Flash là bộ nhớ nội bộ không khả biến, thường được sử dụng để lưu trữ mã
nguồn và dữ liệu mà phải xuất hiện lúc khởi động. Kết cấu ngoại vi PF1 chứa hầu hết
các thanh ghi điều khiển đơn vị ngoại vi, chẳng hạn như ePWM, ECAP, điều khiển số
Input / Output và khối thanh ghi CAN. CAN khu vực điều khiển mạng là một mạng
lưới được thành lập sử dụng rộng rãi bên trong xe có động cơ để xây dựng một mạng
61. Khóa luận tốt nhiệp SV:Hoàng Trọng Tư
49
lưới giữa các bộ điều khiển điện tử (ECU). Kết cấu ngoại vi PF2 kết hợp các thanh ghi
điều khiển hệ thống cốt lõi, bộ chuyển đổi tương tự số và tất cả các kênh truyền thông
khác ngoài McBSP, mà đã được phân bổ cho PF3.
Các ánh xạ chi tiết của thiết bị ngoại vi.
PF0
PIE: Cho phép ngắt PIE và thêm bảng vector PIE vào thanh ghi điều khiển
Flash: Chờ trạng thái thanh ghi Flash
XINTF: Thanh ghi giao diện ngoại
DMA: Thanh ghi DMA
Timers: Thanh ghi bộ định thời CPU-Timers 0, 1, 2.
CSM: Mã bảo vệ module thanh ghi KEY
ADC: Thanh ghi kết quả ADC (ánh xạ kép)
PF1
eCAN: Hộp thư eCAN và thanh ghi điều khiển
GPIO: Cấu hình GPIO MUX và thanh ghi điều khiển
ePWM: Thanh ghi điều chế độ rộng xung nâng cao (ánh xạ kép)
eCAP: Thanh ghi và module nâng cao sự bắt giữ
eQEP: Module và thanh ghi tăng cường mã hóa xung vuông
PF2
SYS: Thanh ghi điều khiển hệ thống
SCI: Điều khiển giao tiếp truyền thông nối tiếp và thanh ghi RX / TX
SPI: Điều khiển giao tiếp cổng nối tiếp và thanh ghi RX / TX
ADC: Trạng thái, điều khiển và thanh ghi kết quả ADC
I2C: Module và thanh ghi liên mạch tích hợp
XINT: Thanh ghi ngắt ngoài
PF3
McBSP: Thanh ghi cổng nối tiếp đa kênh đệm
ePWM: Module và thanh ghi tăng cường điều chế độ rộng xung
Bộ phận vào / ra số
Tất cả I/O được nhóm lại với nhau thành Ports, được gọi là GPIOA, GPIOB và
GPIOC. GPIO có nghĩa là đầu ra - đầu vào mục đích chung. F28335 có tổng cộng 88
62. Khóa luận tốt nhiệp SV:Hoàng Trọng Tư
50
chân I/O, bắt đầu từ GPIO0 đến GPIO87. Thiết bị đi kèm với rất nhiều bộ phận nội bổ
sung, không phải tất cả các tính năng có thể được kết nối với các chân riêng của gói
thiết bị cùng một lúc. Giải pháp là: multiplex. Điều này có nghĩa, một chân vật lý duy
nhất của thiết bị có thể được sử dụng cho đến 4 chức năng khác nhau và những người
lập trình quyết định chức năng được chọn. Sơ đồ khối của một chân vật lý của thiết bị
được cho như trong hình:
Hình 4.10 Sơ đồ khối chân F28335
Thuật ngữ Input Qualification đề cập đến một tùy chọn bổ sung cho các tín hiệu
đầu vào số tại các chân GPIO0 - GPIO63. Khi tính năng này được sử dụng, một xung
đầu vào phải dài hơn số chu kỳ đồng hồ quy định để trở thành tín hiệu đầu vào hợp lệ,
điều này giúp loại bỏ nhiễu đầu vào.
Nhóm thanh ghi GPxPUD có thể được sử dụng để vô hiệu hóa điện trở kéo lên
bên trong rời khỏi mức điện áp trôi hoặc trở kháng cao.
Khi một hàm I/O được chọn, sau đó nhóm thanh ghi GPxDIR xác định hướng
của các đầu vào hoặc đầu ra. Bù vào vị trí một bit bằng 0, cấu hình chung đường như
một đầu vào, thiết lập các vị trí bit cho 1 cấu hình các dòng như một đầu ra.
Một dữ liệu đọc từ dòng đầu vào được thực hiện với một tập các thanh ghi
GPxDAT.
Một dữ liệu vào ghi vào một dòng đầu ra cũng có thể được thực hiện với thanh
ghi GPxDAT. Ngoài ra, còn có nhiều hơn ba nhóm thanh ghi:
+ GPxSET
63. Khóa luận tốt nhiệp SV:Hoàng Trọng Tư
51
+ GPxCLEAR
+ GPxTOGGLE
Mục đích của các thanh ghi này là sử dụng kỹ thuật mặt nạ để cài đặt, xóa hoặc
chuyển đổi những dòng đầu ra, tương ứng với thiết lập bit 1 trong mặt nạ sử dụng.
Ví dụ, để xóa dòng GPIO5 về giá trị 0, ta có thể sử dụng lệnh:
GpioDataRegs.GPACLEAR.bit.GPIO5 = 0.
Phân chia các chân F28335
88 chân I/O được chia thành 3 cổng, chức năng riêng của từng chân được cho trong
các bảng sau.
PORTA (GPIO0 – GPIO31)
Bảng 4.1 Phân chia chức năng chân trên thanh ghi GPAMUX1
GPIO0 – GPIO15 được khai báo trên thanh ghi GPAMUX1
Bảng 4.2 Phân chia chức năng chân trên thanh ghi GPAMUX2
64. Khóa luận tốt nhiệp SV:Hoàng Trọng Tư
52
GPIO16 – GPIO31 được khai báo trên thanh ghi GPAMUX2.
PORTB (GPIO32 – GPIO63)
Bảng 4.3 Phân chia chức năng chân trên thanh ghi GPBMUX1
GPIO32 – GPIO47 được khai báo trên thanh ghi GPBMUX1
65. Khóa luận tốt nhiệp SV:Hoàng Trọng Tư
53
Bảng 4.4 Phân chia chức năng chân trên thanh ghi GPBMUX2
GPIO48 – GPIO63 được khai báo trên thanh ghi GPBMUX2
PORTC (GPIO64 – GPIO87)
Bảng 4.5 Phân chia chức năng trên thanh ghi GPCMUX1 và GPCMUX2
Phân chia chức năng chân trên PORTC (GPIO64 – 79 : GPCMUX1; GPIO80 –
87 : GPCMUX2)
Định tính nhập dữ liệu GPIO (GPIO Input Qualification
Tính năng này được thiết lập trên các chân từ GPIO0 – GPIO63 hoạt động như
66. Khóa luận tốt nhiệp SV:Hoàng Trọng Tư
54
một bộ lọc đầu vào thông thấp qua các tín hiệu đầu vào nhiễu, nó được điều khiển bởi
một cặp thanh ghi bổ sung.
Các thanh ghi điều khiển GPIO F28335
Bảng 4.6 Thanh ghi điều khiển GPIO
Các thanh ghi dữ liệu F28335
Bảng 7.7 Các thanh ghi dữ liệu
Điều chế độ rộng xung - PWM (Pulse Width Modulation)
Sơ đồ khối ePWM
67. Khóa luận tốt nhiệp SV:Hoàng Trọng Tư
55
Hình 4.11 Sơ đồ khối ePWM
ePWM là viết tắt của cụm từ enhanced Pulse Width Modulation có nghĩa là điều
chế độ rộng xung tăng cường. Mỗi đơn vị ePWM được kiểm soát bởi khối logic riêng
của nó. Khối logic này có thể tự động tạo ra các tín hiệu về các sự kiện thời gian khác
nhau và cũng yêu cầu các dịch vụ bị ngắt khác nhau từ hệ thống ngắt F28335 PIE, để
hỗ trợ các chế độ hoạt động của nó.
Một tính năng độc đáo của module ePWM là khả năng bắt đầu bộ chuyển đổi
tương tự - số (ADC) mà không cần thêm phần mềm tương tác, trực tiếp từ một sự kiện
phần cứng bên trong. Một vi điều khiển thông thường sẽ phải yêu cầu một dịch vụ ngắt
để làm như vậy; F28335 thực hiện điều này tự động.
Đơn vị cơ sở ePWM
Khối trung tâm của một đơn vị ePWM là một bộ định thời 16bit (thanh ghi
TBCTR), với tín hiệu SYSCLKOUT như thời gian cơ sở. Tùy vào việc khởi tạo các lõi
chạy với tần số 100MHz hoặc 150MHz, phụ thuộc vào xung đồng hồ bên ngoài của
F28335, tần số này thiết lập thời gian cơ bản cho tất cả các đơn vị ePWM.
Một prescaler clock (thanh ghi TBCTL, bit 7 – 12) có thể được sử dụng để giảm
tần số đếm đầu vào bằng một hệ số có thể lựa chọn từ 1 đến 1792.
Thanh ghi TBPRD xác định độ dài của một chu kỳ tín hiệu đầu ra, gấp nhiều lần
khoảng thời gian của tín hiệu đầu vào.
Một tính năng độc đáo của F28335 là "shadow" chức năng của thanh ghi hoạt
động, trong trường hợp của các đơn vị ePWM sẵn sàng để so sánh thanh ghi A, B và
68. Khóa luận tốt nhiệp SV:Hoàng Trọng Tư
56
thanh ghi chu kỳ. Đối với một số ứng dụng nó là cần thiết để thay đổi các giá trị bên
trong một so sánh hoặc thanh ghi chu kỳ, mỗi chu kỳ.
Pha đồng bộ ePWM
Hai tín hiệu phần cứng SYNCI (đồng bộ trong) và SYNCO (đồng bộ ra) có thể
được sử dụng để đồng bộ hóa các đơn vị ePWM với nhau. Ví dụ, chúng ta có thể xác
định một đơn vị ePWM như là một master để tạo ra một tín hiệu đầu ra SYNCO mỗi
khi truy cập bằng thời gian. Hai đơn vị ePWM hoặc nhiều hơn hơn có thể được khởi
tạo để nhận biết tín hiệu này như SYNCI và bắt đầu đếm ngay lập tức, mỗi khi chúng
nhận được tín hiệu này. Bằng cách đó, có thể thiết lập một bộ đồng bộ của 3 kênh
ePWM. Bằng cách sử dụng thanh ghi khác gọi là TBPHS, có thể tạo ra một sự lệch pha
giữa master, slave 1 và slave 2, thực sự cần thiết cho hệ thống điều khiển ba pha.
Hình 4.12 Pha đồng bộ ePWM
Trong hình trên, thanh ghi TBCNT của ePWM2 và ePWM3 được nạp sẵn với
một giá trị khởi đầu tương ứng với 120° và 240° tương ứng. ePWM1 đã được khởi tạo
như là master để tạo SYNCO mỗi lần bộ đếm thanh ghi bằng 0. Đặc tính pha đầu vào
được kích hoạt cho ePWM2 và ePWM3 hai kênh hoạt động như slave 1 và slave 2 và
sẽ được nạp vào bộ đếm thanh ghi TBCNT với những số được lưu trong thanh ghi pha
TBPHS tương ứng.
+ ePWM1 counts from 0 to 6000. TBPRD = 6000
69. Khóa luận tốt nhiệp SV:Hoàng Trọng Tư
57
+ ePWM2 register TBPHS = 2000
+ ePWM3 register TBPHS = 4000
Chế độ hoạt động định thời
thời Mỗi module ePWM có thể hoạt động ở một trong ba chế độ tính khác nhau,
được lựa chọn bởi bit 1 và 0 của thanh ghi TBCTL:
+ Chế độ đếm tiến
+ Chế độ đếm lùi
+ Chế độ đếm tiến lùi
Hình 4.13 Chế độ đếm thời gian cơ bản
Khối thanh ghi ADC
Ba thanh ghi điều khiển ADCTRL1 tới ADCTRL3 được sử dụng để thiết lập một
trong những điều kiện hoạt động khác nhau của các đơn vị ADC. Thanh ghi ADCST
bao gồm trạng thái hiện tại của ADC.
Bảng 5.8 Khối thanh ghi ADC
4.1.2 Mạch công suất:
Mạch cầu H là một mạch điện giúp đảo chiều dòng điện qua một đối tượng. Vì
70. Khóa luận tốt nhiệp SV:Hoàng Trọng Tư
58
hình dạng nó giống hình chữ H nên được gọi là mạch cầu H .
Hình 4.14 Mạch cầu H
Động cơ DC cần điều khiển có 2 đầu A và B . Dòng điện qua động cơ theo chiều
A đến B hoặc B đến A.
Thành phần chính tạo nên mạch cầu H chính là 4 “khóa” L1, L2 , R1 và R2 ( L :
Left, R : Right). Ở điều kiện bình thường 4 khóa này “mở”, mạch cầu H không
hoạt động.
Giả sử 2 khóa
L1 và R2 được “đóng lại” ( L2 và R1vẫn mở), dòng điện chạy từ V
qua khóa L1 đến đầu A và xuyên qua đối tượng đến đầu B của nó trước khi qua
khóa
R2 và về GND(như hình a). Như thế, dòng điện chạy qua đối tượng theo
chiều từ A đến B . Giả sử
R1 và L2 đóng trong khi L1 và R2 mở, dòng điện xuất
hiện chạy theo chiều từ B đến A (như trong hình b)
(V -> R1-> B -> A-> L2 -> GND). Vậy là chúng ta có thể dùng mạch cầu H để
đảo chiều dòng điện qua một “đối tượng” (hay cụ thể, đảo chiều quay động cơ).
71. Khóa luận tốt nhiệp SV:Hoàng Trọng Tư
59
Hình 4.15 Nguyên lý hoạt động của mạch cầu H
Thành phần chính của mạch cầu H chính là các “khóa”, việc chọn linh kiện để
làm các khóa này phụ thuộc vào mục đích sử dụng mạch cầu, loại đối tượng cần điều
khiển, công suất tiêu thụ của đối tượng, điều kiện của người thiết kế. Nhìn chung, các
khóa của mạch cầu H thường được chế tạo bằng rơle (relay), BJT (Bipolar Junction
Transistor) hay MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor).Trong
luận văn này, mạch cầu H được sử dụng là IC L298 được tích hợp sẵn 2 cầu H trong
IC.Trong IC tích hợp 2 cầu H , mỗi cầu chịu được dòng tối đa 2A. Nếu nối chung các
chân có cùng chức năng của 2 cầu lại với nhau thì được dòng tối đa là 4A.
Hình 4.16 Sơ đồ nguyên lý mạch công suất
72. Khóa luận tốt nhiệp SV:Hoàng Trọng Tư
60
4.1.3 Mạch nguồn 24V/5A- 5V/1A
Hình 4.17 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn
Đây là dạng mạch nguồn ổn định điện áp đầu ra với công suất lớn. Sử dụng IC
ổn áp IC7824 và transitor công suất để khuếch đại dòng.Đối với những mạch chỉ sử
dụng 78 thì công suất rất bé ( ~1A) không đủ dòng để cấp cho động cơ do vậy để nâng
công suất lên ta kết hợp với transitor và các linh kiện khác để nâng công suất của bộ
nguồn.
Nhiệm vụ của IC7824trong mạch dùng để ổn định giá trị điện áp đầu ra là 24V
cố định.Với dòng đầu ra của IC7824 là 1A.
Nhiệm vụ của transitor TIP2955 là một transitor công suất với dòng Iec lớn dùng
để cấp dòng đầu ra cho tải.
Nguyên lý của mạch :
Nhìn trên mạch chúng ta thấy được điện áp đầu ra luôn ở mức 24V do IC7824
ổn áp mức điện áp ổn định. Transitor TIP2955 luôn được mở và cấp dòng ra tải tức là
tăng thêm dòng ra tải do IC7824 có dòng đầu ra thấp. Điện áp đỉnh sau bộ chỉnh lưu có
độ lớn: Ud 24 2 1,5 hay có độ lớn U V d 32,5 .
Do điện trở công suất nên điện áp đặt trên các điện trở là :
U V V V r 32,5 24 0,6V 7,9 (0.6 là điện áp sụt trên transitor và điện áp tại chân
E của transitor là 24V do IC7824 tạo ra) Điện áp đặt trên con trở R2 khi mạch hoạt động
khoảng 7,9V. Nên vậy IC7824 luôn ổn định điện áp đầu ra là 24V và TIP2955 mắc song
73. Khóa luận tốt nhiệp SV:Hoàng Trọng Tư
61
song nên kích dòng cho đầu ra đạt được 5A . Dòng đầu ra bao gồm các dòng đầu ra của
IC7812và dòng ra của con TIP2955. Cầu chì 5A bảo vệ quá tải . Đầu ra 24VDC một
phần được đưa qua IC7805 để tạo ra điện áp 5V cung cấp cho mạch điều khiển. Có 2
led báo nguồn cho nguồn 24V và 5V .
4.1.4 Thiết bị đo vị trí và vận tốc .
Để đo vị trí và vận tốc của góc con lắc ta dùng 1 thiết bị gọi là encoder
Encoder có hình dạng như hình ….
Khối lượng 100g.
Nguồn 5-24VDC , hai pha A B , .
Hình 4.18 encoder
Nguyên lý cơ bản của encoder, đó là một đĩa tròn xoay, quay quanh trục. Trên
đĩa có các lỗ (rãnh). Người ta dùng một đèn led để chiếu lên mặt đĩa. Khi đĩa quay, chỗ
không có lỗ (rãnh), đèn led không chiếu xuyên qua được, chỗ có lỗ (rãnh), đèn led sẽ
chiếu xuyên qua. Khi đó, phía mặt bên kia của đĩa đặt một thiết bị thu. Với các tín hiệu
có, hoặc không có ánh sáng chiếu qua, người ta ghi nhận được đèn led có chiếu qua lỗ
hay không. Số xung đếm được và tăng lên nó tính bằng số lần ánh sáng bị cắt.
Như vậy là encoder sẽ tạo ra các tín hiệu xung vuông và các tín hiệu xung vuông
này được cắt từ ánh sáng xuyên qua lỗ. Nên tần số của xung đầu ra sẽ phụ thuộc vào
tốc độ quay của tấm tròn đó. Đối với encoder mình đang dùng thì nó có 2 tín hiệu ra
lệch pha nhau 90. Hai tín hiệu này có thể xác định được chiều quay của động cơ.
Đây là sơ đồ cấu tạo cơ bản bên trong của nó để tạo được xung vuông.
74. Khóa luận tốt nhiệp SV:Hoàng Trọng Tư
62
Hình 4.19 sơ 2 kênh của encoder
Để điều khiển co lắc thẳng đứng ta dùng 1 động cơ DC servo l511-012e18 có hồi
tiếp.
Hình 4.20 Động cơ DC servo
75. Khóa luận tốt nhiệp SV:Hoàng Trọng Tư
63
4.2 Mô hình hoàn chỉnh.
Hình 4.21 Mô hình thực tế
CHƯƠNG 5
KẾT LUẬN Và HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
5.1 Kết quả đạt được
Trong luận văn này học viên đã hoàn thành được những kết quả sau:
Nghiên cứu xây dựng mô hình toán học hệ con lắc ngược quay có xét đến động
lực học của động cơ.
Hiểu được nguyên lý cân bằng của hệ thống
Nghiên cứu thiết kế giải thuật điều khiển mờ cho hệ con lắc ngược quay
76. Khóa luận tốt nhiệp SV:Hoàng Trọng Tư
64
dựa vào mô hình toán của nó.
Thiết kế phần cứng mô hình và thực nghiệm kiểm chứng.
5.2 Hạn chế
Chưa khảo sát tác động của nhiễu ngoài.
Phần cơ khí không tốt nên ổn định hệ không lâu.
5.3 Hướng phát triển của đề tài
Thiết kế giải thuật điều khiển cho hệ có xét đến nhiễu ngoài.
Sửa lại phần cơ khí
Thiết kế hệ thống cân bằng ổn định tại vị trí bất kỳ.
77. Khóa luận tốt nhiệp SV:Hoàng Trọng Tư
65
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Zhongmin W., YangQuan C., Ning F., “Minimum-time swing-up of a rotary
inverted pendulum by interative impulsive control” American control
conference, 2004.
[2] Sukontanakarn V. and Parnichkun M., “Real-time optimal control for rotary
invented pendulum”, American Journal of Applied Sciences 6 (6) 1106-
1115, 2009;
[3] Khalil sultan, “Inverter pendulum – Analysis, design and implementation”,
IIEE Visionnaries-document version 1.0;
[4] Khanesaer M.A, “Sliding mode control of rotary inverted pendulum”,
Tehran, Ira, 2008;
[5] Williams V. and Matsuoka K. ”Learning to balance the inverted pendulum
using Neural networks”, IEEE conference on neural networks, 2012;
[6] Shah H., Tripathi S. “Rotary inverted pendulum”, university at Buffalo, 2009
[7] ET4-400, “inverted pendulum”, Department of Energy Technology, spring
semester of 2010;
[8] ET4-400, “inverted pendulum”, Department of Energy Technology, spring
semester of 2010;
[9] Nguyễn Thị Phương Hà, “Lý thuyết điều khiển nâng cao”, nhà xuất bản Đại
học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh, 2011;
[10] Nguyễn Doãn Phước, “Lý thuyết điều khiển nâng cao”, nhà xuất bản Khoa
học Kỹ thuật, 2007;
[11] Nguyễn Thanh Phương, “Giáo trình Cơ Sở Điều Khiển Tự Động” - Trường
ĐH Kỹ thuật Công Nghệ TP.HCM.;78
[12] Nguyễn Đức Thành, “Matlab và ứng dụng trong điều khiển”, nhà xuất bản
Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh, 2005.
78. Khóa luận tốt nhiệp SV:Hoàng Trọng Tư
66
LỜI CÁM ƠN
Luận văn được hoàn thành tại Trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM Trong
quá trình làm khóa luận tốt nghiệp em đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ để hoàn tất
luận văn.
Trước tiên em xin gửi lời cảm ơn chân thành thầy Nguyễn Ngọc Anh Tuấn đã
tận tình hướng dẫn, truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm cho tôi trong suốt quá trình thực
hiện luận văn tốt nghiệp này.
Xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô Khoa Công Nghệ Điện, Trường Đại Học
Công Nghiệp TP.HCM, những người đã truyền đạt kiến thức quý báu cho em suốt
trong thời gian học tập vừa qua.
Sau cùng xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè và các bạn sinh viên lớp
DHDKTD10B đã luôn động viên, giúp đỡ tôi trong quá trình làm luận luận văn. Đồng
thời xin giửi lời cám ơn đến các anh/chị đáp viên đã nhiệt tình tham gia trả lời câu hỏi
khảo sát giúp tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp này.
Một lần nữa, xin chân thành cảm ơn!
TP.HCM, ngày tháng 06 năm 2018
Sinh Viên
TƯ
HOÀNG TRỌNG TƯ
![[Type here]
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP](https://image.slidesharecdn.com/nghincuiukhinconlcngcquay-220420165519/85/Nghien-c-u-di-u-khi-n-con-l-c-ng-c-quay-pdf-1-320.jpg)
