Đề tài: Điều khiển hệ phi tuyến dùng giải thuật thông minh, 9đ

i
TRƯỜNG ĐH. SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TP. HỒ CHÍ MINH ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP Y SINH
Tp. HCM, ngày 20 tháng 03 năm 2018
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên: Nguyễn Thành Luân MSSV: 14141179
Tạ Minh Giang MSSV: 14141079
Chuyên ngành: Điện tử công nghiệp Mã ngành: 141
Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 1
Khóa: 2014 Lớp: 14141DT1A
I. TÊN ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN HỆ PHI TUYẾN DÙNG GIẢI THUẬT THÔNG
MINH
II. NHIỆM VỤ:
1. Các số liệu ban đầu:
Tìm hiểu các tài liệu hướng dẫn về PID, FUZZY, NEURAL. Tìm hiểu môi trường làm việc
Matlab Simulink và thư viện Waijung Blockset.
2. Nội dung thực hiện:
Tìm hiểu các linh kiện, thiết bị được sử dụng trong mô hình: STM32F407VG, Encoder
E50S8-5000, Encoder E50S8-1024, BLH Heli Emax 40A, biến tần VLT 2807 và phần
mềm Matlab/Simulink; cách thức truyền nhận dữ liệu; nghiên cứu giải thuật điều khiển
hiện đại; nghiên cứu xây dựng mô hình thuật toán cho mô hình trực thăng hai bậc tự do và
nhận dạng được mô hình điều khiển tốc độ động cơ; mô phỏng và lập trình hệ thống trên
Matlab/Simulink; tiến hành điều khiển mô hình; nhận xét kết quả thực tế.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 06/03/2018
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 20/07/2018
V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS. Tạ Văn Phương
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH

ii
TRƯỜNG ĐH. SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TP. HỒ CHÍ MINH ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP
Tp. HCM, ngày 20 tháng 03 năm 2018
LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên 1: Tạ Minh Giang...................................................................................
Lớp: 14141DT1A ......................................................... MSSV: 14141079.......................
Họ tên sinh viên 2: Nguyễn Thành Luân...........................................................................
Lớp: 14141DT1A ......................................................... MSSV: 14141179.......................
Tên đề tài: Điều khiển hệ phi tuyến dùng giải thuật thông minh ......................................
...........................................................................................................................................
Tuần/ngày Nội dung
Xác nhận
GVHD
Tuần 1
18/3-24/3
Gặp giảng viên hướng dẫn và trao đổi về đề
tài đồ án tốt nghiệp.
Tuần 2
25/3-31/3
Viết đề cương và lịch trình thực hiện đồ án tốt
nghiệp.
Tuần 3
1/4-7/4
Tìm hiểu đề tài và lựa chọn thiết bị.
Tuần 4
8/4-14/4
Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của đề tài.
Tuần 5
15/4-21/4
Thiết kế sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý.
Tuần 6,7
22/4-5/5
Tìm hiểu các giải thuật pid, fuzzy, neural
Tuần 8,9
6/5- 19/5
Viết chương trình điều khiển động cơ ba pha
Tuần 10,11,12,13
20/5-16/6
Viết chương trình điều khiển mô hình máy
bay trực thăng hai bậc tự do
Tuần 14,15,16
17/6-6/7
Viết báo cáo
GV HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ và tên)

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

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

v
MỤC LỤC
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ....................................................................................i
LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP..........................................................ii
LỜI CAM ĐOAN...............................................................................................................iii
LỜI CẢM ƠN.....................................................................................................................iv
MỤC LỤC ...........................................................................................................................v
DANH SÁCH HÌNH.........................................................................................................vii
DANH SÁCH BẢNG.........................................................................................................xi
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT .................................................................................xii
TÓM TẮT.........................................................................................................................xiii
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .............................................................................................1
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ : .....................................................................................................1
1.2 MỤC TIÊU: ...........................................................................................................2
1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU:.................................................................................3
1.4 GIỚI HẠN: ............................................................................................................3
1.5 BỐ CỤC:................................................................................................................3
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT.................................................................................5
2.1 TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH MÁY BAY TRỰC THĂNG HAI BẬC TỰ DO: 5
2.2 TỔNG QUAN VỀ PHẦN CỨNG:........................................................................7
2.2.1 Kit STM32F407VG_disc1 discovery: ............................................................7
2.2.2 Encoder E50S8- 5000 (1024):.........................................................................8
2.2.3 Emax BL heli ESC:.......................................................................................10
2.2.4 Động cơ Brushless DC (BLDC): ..................................................................11
2.2.5 Biến tần VLT 2807 195N1015:.....................................................................13
2.2.6 Nguồn tổ ong 24V 5A:..................................................................................16
2.3 GIAO TIẾP UART: .............................................................................................16
2.4 HỆ ĐA BIẾN MIMO:..........................................................................................20
2.5 LÍ THUYẾT ĐIỀU KHIỀN:................................................................................21
2.5.1 Thuật toán PID:.............................................................................................21
2.5.2 Thuật toán Fuzzy:..........................................................................................26
2.5.3 Thuật toán Neural:.........................................................................................33
CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ..............................................................40

vi
3.1 THIẾT KẾ SƠ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ THỐNG:....................................................40
3.2 MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG TRMS:................................................................45
3.2.1 Mô hình toán học của hệ TRMS: ..................................................................46
CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG.....................................................................56
4.1 GIỚI THIỆU:.......................................................................................................56
4.2 MÔ HÌNH PHẦN CỨNG:...................................................................................56
4.2.1 Mô hình TRMS: ............................................................................................56
4.2.2 Mô hình điều khiển tốc độ động cơ: .............................................................58
4.3 PHẦN MỀM LẬP TRÌNH: .................................................................................60
4.3.1 Giới thiệu Matlab: .........................................................................................60
4.3.2 Simulink: .......................................................................................................61
4.3.3 Thư viện waijung: .........................................................................................64
4.3.4 Tool box Fuzzy: ............................................................................................65
4.3.5 Toolbox neural và nhận dạng hệ thống:........................................................69
4.4 MÔ HÌNH MÔ PHỎNG:.....................................................................................75
4.4.1 Mô hình máy bay trực thăng hai bậc tự do: ..................................................75
4.4.2 Mô hình điều khiển tốc độ động cơ: .............................................................83
4.5 CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN:......................................................................88
4.5.1 Chương trình điều khiển hệ TRMS:..............................................................88
4.5.2 Chương trình điều khiển tốc độ động cơ ba pha:..........................................89
CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ....................................................92
5.1 TÓM TẮT:...........................................................................................................92
5.2 KẾT QUẢ ĐÁP ỨNG CỦA HAI HỆ PHI TUYẾN: ..........................................92
5.2.1 Kết quả đáp ứng của hệ TRMS.....................................................................92
5.2.2 Mô hình điều khiển tốc độ động cơ ba pha:..................................................96
CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN..............................................99
6.1 KẾT LUẬN:.........................................................................................................99
6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN:....................................................................................100
TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................................101

vii
DANH SÁCH HÌNH
Hình Trang
Hình 2. 1 Trực thăng EC_225. ............................................................................................5
Hình 2. 2 Lực nâng trực thăng lên.......................................................................................6
Hình 2. 3 Hệ thống dẫn động giữa cánh quạt chính và cánh quạt đuôi...............................6
Hình 2. 4 Kit STM32F407...................................................................................................7
Hình 2. 5 Encoder E50S8-5000...........................................................................................9
Hình 2. 6 Cấu tạo cơ bản của encoder...............................................................................10
Hình 2. 7 Cấu tạo các chân kết nối BLH Heli Emax.........................................................11
Hình 2. 8 Động cơ và cánh quạt Tarot. .............................................................................13
Hình 2. 9 Biến tần VLT 2807 195N1015..........................................................................14
Hình 2. 10 Sơ đồ nguyên lý hoạt động biến tần. ...............................................................15
Hình 2. 11 Nguồn tổ ong 24V. ..........................................................................................16
Hình 2. 12 Hệ thống truyền dữ liệu bất đồng bộ...............................................................17
Hình 2. 13 Định dạng của một ký tự truyền theo chuẩn RS-232. .....................................19
Hình 2. 14 Sơ đồ nguyên lí của hệ thống đa biến điển hình..............................................20
Hình 2. 15 Quan hệ ngõ vào và ra của hệ MIMO dùng ma trận hàm truyền....................20
Hình 2. 16 Sơ đồ hệ thống điều khiển dùng PID...............................................................22
Hình 2. 17 Điều khiển hồi tiếp với bộ điều khiển PID......................................................22
Hình 2. 18 Đáp ứng nấc của hệ khi ghK K
. ....................................................................25
Hình 2. 19 Điều khiển trực tiếp.........................................................................................26
Hình 2. 20 Điều khiển gián tiếp.........................................................................................27
Hình 2. 21 Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ....................................................................28
Hình 2. 22 Tập mờ ngõ ra của khâu mờ hóa. ....................................................................28
Hình 2. 23 Các loại tập mờ ngõ vào và ngõ ra..................................................................29
Hình 2. 24 Các đường đặc tính bị hạn chế bởi sự nội suy giữa các điểm đặc tính. ..........30
Hình 2. 25 Những nguyên lý giải mờ................................................................................31
Hình 2. 26 Cấu trúc của một neural...................................................................................34

viii
Hình 2. 27 Đồ thị hàm purelin...........................................................................................35
Hình 2. 28 Đồ thị hàm hard limit. .....................................................................................35
Hình 2. 29 Đồ thị hàm logsig. ...........................................................................................36
Hình 2. 30 Đồ thị hàm tansig.............................................................................................36
Hình 2. 31 Mạng neural truyền thẳng................................................................................37
Hình 2. 32 Mạng neural hồi qui.........................................................................................37
Hình 2. 33 Cấu trúc của mạng neural nhiều lớp................................................................38
Hình 3. 1 Sơ đồ khối của 2 hệ thống …………………………………………………….40
Hình 3. 2 Sơ đồ khối hệ thống thiết bị thực tế mô hình TRMS. .......................................41
Hình 3. 3 Sơ đồ khối hệ thống thiết bị thực tế mô hình động cơ. .....................................41
Hình 3. 4 Kết nối STLINK- và STM32F407 UART2 (Datasheet)...................................42
Hình 3. 5 Kết nối hai Encoder với vi điều khiển...............................................................43
Hình 3. 6 Sơ đồ kết nối biến tần và động cơ. ....................................................................44
Hình 3. 7 Sơ đồ tổng quát hệ TRMS. ................................................................................46
Hình 3. 8 Trọng lực của hệ................................................................................................47
Hình 3. 9 Momen lực đẩy và ma sát..................................................................................48
Hình 3. 10 Momen của các lực trong mặt phẳng ngang....................................................50
Hình 3. 11Hàm phụ thuộc lực đẩy vào tốc độ động cơ chính...........................................52
Hình 3. 12 Hàm phụ thuộc tốc độ quay của động cơ và điện áp vào................................53
Hình 3. 13 Phương trình lực đẩy của động cơ đuôi...........................................................53
Hình 3. 14 Hàm phụ thuộc tốc độ quay động cơ đuôi và áp. ............................................54
Hình 3. 15 Sơ đồ khối hệ thống TRMS.............................................................................55
Hình 4. 1 Sơ đồ kết nối hệ thống điều khiển với mô hình TRMS ………………………57
Hình 4. 2 Hệ thống điều khiển mô hình TRMS thực tế. ...................................................57
Hình 4. 3 Sơ đồ kết nối hệ thống điều khiển mô hình.......................................................59
Hình 4. 4 Hệ thống điều khiển mô hình điều khiển tốc độ động cơ thực tế......................59
Hình 4. 5 Giao diện Matlab. ..............................................................................................60
Hình 4. 6 Giao diện làm việc của Simulink.......................................................................62
Hình 4. 7 Thư viện Simulink.............................................................................................63

ix
Hình 4. 8 Thiết lặp miền mô phỏng...................................................................................64
Hình 4. 9 Thư viện waijung blockset. ...............................................................................65
Hình 4. 10 Giao diện ban đầu vủa fuzzy. ..........................................................................66
Hình 4. 11 Thay đổi số lượng ngõ vào và ra. ....................................................................66
Hình 4. 12 Tập mờ.............................................................................................................67
Hình 4. 13 Luật mờ............................................................................................................68
Hình 4. 14 Gọi fuzzy vào chương trình.............................................................................69
Hình 4. 15 Giao diện làm việc của tool ident....................................................................70
Hình 4. 16 Chèn dữ liệu vào để nhận dạng. ......................................................................70
Hình 4. 17 Giao diện tool ident sau khi chèn dữu liệu......................................................71
Hình 4. 18 Chọn số cực và số zero của hệ thống cần nhận dạng. .....................................72
Hình 4. 19 Giao diện tool ident sau khi nhận dạng. ..........................................................72
Hình 4. 20 Giao diện của tool NARMA_L2. ....................................................................74
Hình 4. 21 Sơ đồ Simulink chi tiết cho hệ TRMS.............................................................76
Hình 4. 22 Tập mờ đầu vào e(t) và de(t)/dt.......................................................................77
Hình 4. 23 Tập mờ đầu ra u...............................................................................................77
Hình 4. 24 Cấu trúc mô phỏng với bộ FUZZY/PID cho hệ thống TRMS........................79
Hình 4. 25 Mô phỏng đáp ứng góc Pitch...........................................................................79
Hình 4. 26 Mô phỏng đáp ứng góc Yaw. ..........................................................................80
Hình 4. 27 Mô phỏng đáp ứng góc Pitch khi góc đặt 10 độ..............................................81
Hình 4. 28 Mô phỏng đáp ứng góc Yaw khi giá trị đặt 10 độ...........................................81
Hình 4. 29 Mô phỏng đáp ứng góc Pitch khi góc đặt là sóng sin T=15s. .........................82
Hình 4. 30 Mô phỏng đáp ứng góc Yaw khi góc đặt là sóng sin T=15s...........................83
Hình 4. 31 Cấu trúc mô phỏng với bộ NEURAL/FUZZY/PID cho hệ thống. .................83
Hình 4. 32 Tập mờ đầu vào e(t) de(t)/dt............................................................................84
Hình 4. 33 Tập mờ đầu ra u...............................................................................................85
Hình 4. 34 Thông số huấn luyện Neural cho động cơ ba pha. ..........................................86
Hình 4. 35 Mô phỏng đáp ứng PID khi ngõ vào là sóng sin.............................................87
Hình 4. 36 Mô phỏng đáp ứng fuzzy khi ngõ vào là sin. ..................................................87

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

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

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

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

xiv
Để tìm hiểu và giải quyết vấn đề này, chúng ta sử dụng giải thuật hiện đại để điều
khiển. Và so sánh kết quả của giải thuật này với các giải thuật cổ điển.
 Đối với hệ động cơ ba pha:
 Động cơ ba pha tốc độ trong phạm vi 1200 vòng/ phút được điều khiển thông qua
biến tần.
 Động cơ không có thông số chính xác về điện trở, điện kháng, hệ số trượt, số cặp
cực…
 Vi điều khiển đọc tín hiệu từ encoder chuyển đổi về giá trị tốc độ thông qua các
bộ điều khiển tính toán xuất giá trị điện áp điều khiển biến tần.

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 1
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ :
Hiện nay, hệ thống điều khiển tự động được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực từ
công nghiệp, kỹ thuật quân sự - hàng không đến hệ thống kinh tế-xã hội – y học nhằm tăng
năng suất, chất lượng, độ chính xác, độ ổn định, an toàn của hệ thống. Cùng với sự phát
triển của khoa học kỹ thuật, các hệ thống phi tuyến cao, phức tạp cũng phát triển không
ngừng. Để điều khiển các hệ thống đó các bộ điều khiển hiện đại và đặc biệt là điều khiển
thông minh ra đời và không ngừng phát triển. Trong đó, điều khiển mờ (Fuzzy) là một
trong những phương pháp điều khiển thông minh đơn giản, đạt hiệu quả cao, được ứng
dụng rộng rãi trong công nghiệp. Đặc điểm nổi bật của bộ điều khiển mờ là không cần biết
chính xác mô hình của đối tượng phức tạp cần điều khiển mà chỉ cần biết đặc tính của hệ
thống dựa vào kinh nghiệm điều khiển thực tế của người điều khiển từ đó xây dựng luật
mờ cho hệ thống. Trong những năm gần đây, mạng Neural nhân tạo (Artificial Neural
Network) phát triển mạnh mẽ, thực sự trở thành một cuộc cách mạng trong khoa học kỹ
thuật. Mạng Neural nhân tạo ứng dụng thành công trong việc giải quyết các bài toán phức
tạp trong khoa học kỹ thuật cao như dự báo, quản lý thông tin, nhận dạng, khoa học hình
sự, kỹ thuật quân sự, khoa học vũ trụ, tối ưu và thông minh hóa các các bộ điều khiển.
Và điển hình cho hệ thống phi tuyến là mô hình máy bay trực thăng hai bậc tự do
(TRMS) là một hệ thống nhiều ngõ vào nhiều ngõ ra MIMO. Máy bay trực thăng là phương
tiện gần gũi với con người và có cấu tạo phức tạp hơn máy bay phản lực khó điều khiển và
khả năng bay xa kém. Tuy nhiên, máy bay trực thăng có khả năng cơ động cao, có thể cất
cánh và hạ cánh không cần sân bay và có thể bay thẳng đứng. Tuy nhiên để giữ ổn định
trên không dưới tác động của ngoại lực như gió, trọng lực… là vấn đề thách thức lớn trong
hệ thống điều khiển.

Động cơ điện xoay chiều ba pha cũng là một thiết bị được sử dụng làm nguồn động
lực cho các hệ thống trong công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải, trong đời sống
hằng ngày với ưu điểm cấu tạo đơn giản, giá thành thấp, hiệu suất làm cao. Tuy nhiên, tốc
độ của động cơ không tỉ lệ tuyến tính với tần số cũng như điện áp cấp cho động cơ do các
thông số của động cơ điện xoay chiều biến đổi theo thời gian và ảnh hưởng bởi nhiều yếu
tố nên việc điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều gặp nhiều khó khăn.
Để tìm hiểu rõ hơn về các giải thuật thông minh cũng như các hệ thống phi tuyến trên,
nhóm đã quyết định chọn đề tài: “Điều khiển hệ thống phi tuyến dùng giải thuật thông
minh”.
1.2 MỤC TIÊU:
 Mục tiêu chung:
 Nghiên cứu sử dụng phần mềm matlab R2013b, tìm hiểu SMT32F4, cách nhúng
giải thuật từ Matlab vào vi điều khiển.
 Tìm hiểu về các giải thuật điều khiển thông minh.
 Thiết kế bộ điều khiển PID, Fuzzy, mạng Neural trong hai mô hình phi tuyến là:
mô hình máy bay trực thăng hai bậc tự do và mô hình điều khiển động cơ ba pha.
 Đánh giá mức độ hiệu quả của các giải thuật điều khiển khác nhau.
 Mục tiêu mô hình máy bay trực thăng:
 Khảo sát và đánh giá tính phi tuyến của hệ Twin Rotor MIMO system.
 Mô phỏng kiểm nghiệm trên Matlab.
 Thiết kế bộ điều khiển để điều khiển vị trí góc của trục chính (Pitch) và góc của
trục đuôi (Yaw), đảm bảo hệ thống giữ ổn định góc khi có nhiễu tác động (nhiễu
tải và nhiễu gió).
 Mục tiêu mô hình điều khiển tốc độ động cơ ba pha:
 Nhận dạng được hệ thống.
 Mô phỏng kiểm nghiệm trên Matlab.

 Thiết kế bộ điều khiển điều khiển được tốc độ động cơ với độ chính xác cao và
khả năng đáp ứng nhanh.
1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU:
 NỘI DUNG 1: Nghiên cứu cài đặt, sử dụng phần mềm Matlab Simulink, thư viện
Waijung, Driver STlink32 trên máy tính.
 NỘI DUNG 2: Tìm hiểu cách sử dụng vi điều khiển STM32F4: cách kết nối, đọc
tín hiệu ADC, tín hiệu Encoder, xuất xung PWM, ADC, giao tiếp UART giữa máy
tính và STM32F4.
 NỘI DUNG 3: Tìm hiểu các linh kiện, thiết bị sử dụng trong hai mô hình điều
khiển.
 NỘI DUNG 4: Nghiên cứu giải thuật điều khiển thông minh.
 NỘI DUNG 5: Nghiên cứu xây dựng mô hình thuật toán cho mô hình trực thăng
hai bậc tự do và nhận dạng được mô hình điều khiển tốc độ động cơ.
 NỘI DUNG 6: Mô phỏng khả năng đáp ứng của hệ thống trên Matlab/Simulink.
 NỘI DUNG 7: Lập trình trên Matlab Simulink và nhúng giải thuật điều khiển vào
vi xử lí để điều khiển thực tế các hệ thống.
 NỘI DUNG 8: Tiến hành điều khiển trên mô hình thực tế.
 NỘI DUNG 9: Nhận xét kết quả và so sánh các giải thuật điều khiển.
 NỘI DUNG 10: Bảo vệ đề tài tốt nghiệp.
1.4 GIỚI HẠN:
Ứng dụng giải thuật điều khiển PID, Fuzzy logic, Neural Network để điều khiển hai
đối tượng là hệ TRMS và động cơ xoay chiều 3 pha. Việc nghiên cứu thực hiện trên môi
trường mô phỏng Matlab Simulink, sau quá trình mô phỏng đạt được kết quả tốt tiến hành
việc nhúng giải thuật điều khiển vào vi xử để tiến hành kiểm nghiệm thực tế. Sau đó đánh
giá kết quả của từng giải thuật mang lại.
1.5 BỐ CỤC:
 Chương 1: Tổng Quan.

Chương này trình bày về đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung
nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án.
 Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết.
Trong chương này trình bày về các lý thuyết có liên quan đến các vấn đề mà đề tài sẽ
dùng để thực hiện thiết kế, thi công cho đề tài.
 Chương 3: Tính Toán Và Thiết Kế.
Chương này giới thiệu tổng quan về các yêu cầu của đề tài và các tính toán, thiết kế
gồm những phần như: thiết kế sơ đồ khối hệ thống, sơ đồ nguyên lý toàn mạch, tính toán
thiết kế mạch.
 Chương 4: Thi Công Hệ Thống.
Viết chương trình cho hệ thống. Trình bày phần cơ khí, điện và chương trình mà học
viên thực hiện cho mô hình máy bay trực thăng hai bậc tự do. Thực hiện mô phỏng mô
hình.
 Chương 5: Kết Quả_Nhận Xét_Đánh Giá.
Trình bày về những kết quả đã được mục tiêu đề ra sau quá trình nghiên cứu thi công.
Từ những kết quả đạt được để đánh giá quá trình hoàn thành được bao nhiêu phần trăm.
 Chương 6: Kết Luận Và Hướng Phát Triển.
Chương này trình bày về những kết quả mà đồ án đạt được, những hạn chế, từ đó rút
ra kết luận và hướng phát triển để giải quyết các vấn đề tồn đọng để đồ án hoàn thiện hơn.

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH MÁY BAY TRỰC THĂNG HAI BẬC TỰ
DO:
 Nguyên lí hoạt động của trực thăng:
Trong máy bay trực thăng, lực nâng sinh ra bằng cách điều khiển công suất của cánh
quạt gọi là rotor chính. Khi rotor chính của máy bay trực thăng quay sinh ra lực nâng và
momen phản ứng. Momen phản ứng này có xu hướng làm cho thân máy bay trực thăng
quay theo chiều ngược lại. Trên hầu hết các máy bay trực thăng, một cánh quạt nhỏ gần
đuôi mà gọi là rotor đuôi. Trên máy bay trực thăng cánh quạt đuôi cánh quạt chính quay
ngược chiều nhau, triệt tiêu momen phản ứng sinh ra.
Hình 2. 1 Trực thăng EC_225.
 Cánh quạt chính:
Nhiệm vụ của cánh quạt chính là tạo ra lực nâng để thắng trọng lực của máy bay để
nâng nó bay trong không khí. Lực nâng được tạo ra nhờ sự tương tác với khí quyển. Trong
quá trình quay cánh quạt tác dụng vào không khí một lực và ngược lại theo định luật 3
Newton. Không khí tác dụng lên cánh quạt một phản lực hướng lên trên. Do đó khi không
có không khí lực nâng này sẽ không còn - hay nói cách khác, không thể dùng máy bay trực
thăng để bay lên mặt trăng dù công suất của động cơ có lớn đến đâu. Vì giữa trái đất và
mặt trăng là chân không.
Bằng cách thay đổi mặt phẳng quay của cánh quạt, giúp trực thăng bay tiến lên phía
trước, lùi lại sau hay bay sang phải và trái.

Hình 2. 2 Lực nâng trực thăng lên.
 Cánh quạt đuôi:
Cánh quạt đuôi hết sức quan trọng vì theo định luật bảo toàn momen, xung lượng
khi cánh quạt chính quay theo chiều kim đồng hồ thì phần còn lại của máy bay sẽ có xu
hướng quay theo chiều ngược lại. Ngoài ra nhờ việc thay đổi công suất của cánh quạt đuôi
mà máy bay có thể chuyển hướng sang phải sang trái dễ dàng. Cánh quạt đuôi sẽ tạo ra
momen cân bằng với momen do cánh quạt chính gây ra. Cánh quạt đuôi được nối với cánh
quạt chính nhờ một hệ dẫn động như hình vẽ dưới đây.
Hình 2. 3 Hệ thống dẫn động giữa cánh quạt chính và cánh quạt đuôi.
Trong thiết kế, động cơ đuôi liên kết với động cơ chính thông qua hệ thống truyền
động trục và hộp số. Có nghĩa là khi động cơ chính quay thì động cơ đuôi sẽ quay theo tỉ
lệ nào đó. Với trực thăng loại rất nhỏ loại điện thì đó là điện áp cho mỗi động cơ. Tuy
nhiên, hệ thống cơ khí thì chất lượng điều khiển này không cao nên cần có một bộ điều
khiển điện tử sử dụng cảm biến để tăng tính hiệu quả ngay cả trong môi trường thực tế.
Đây là một trong những bài toán điều khiển máy bay trực thăng.
 Cấu tạo hệ Twin Rotor MIMO System (TRMS):
TRMS là mô hình của một máy bay trực thăng nhưng được đơn giản hóa. TRMS
được gắn với một trụ tháp và một đặc điểm rất quan trọng của nó là vị trí và vận tốc của

máy bay trực thăng được điều khiển qua sự thay đổi vận tốc của rotor. Với hai đầu vào
(điện áp cung cấp cho các rotor) và các đầu ra (các góc dọc và ngang, các vận tốc góc). Hệ
thống TRMS là một hệ thống được thiết kế dưới dạng mô hình máy bay hai cánh quạt. Một
cánh quạt được đặt theo phương ngang và một cánh quạt được đặt theo phương dọc được
sử dụng trong phòng thí nghiệm và có rất nhiều luật điều khiển được áp dụng để điều khiển
nó. Do tính phức tạp của quỹ đạo phi tuyến, sự ảnh hưởng của các khớp nối giữa các cánh
quạt, sự thay đổi của khí động lực học tác dụng lên cánh quạt do vậy vấn đề nghiên cứu bộ
điều khiển cho hệ thống TRMS là một thử thách, một vấn đề mới và phức tạp cho các đề
tài nghiên cứu về nó.
Twin Rotor MIMO System (TRMS) là một hệ phi tuyến nhiều đầu vào nhiều đầu
ra có hiện tượng xen kênh rõ rệt. Nó hoạt động giống như máy bay trực thăng nhưng góc
tác động của các rotors được xác định và các sức động lực học được điều khiển bởi các tốc
độ của các động cơ. Hiện tượng xen kênh được quan sát giữa sự hoạt động của các động
cơ, mỗi động cơ đều ảnh hưởng đến cả hai vị trí góc ngang và dọc (yaw angle và pitch
angle).
2.2 TỔNG QUAN VỀ PHẦN CỨNG:
2.2.1 Kit STM32F407VG_disc1 discovery:
Hình 2. 4 Kit STM32F407.
STM32F407 là vi điều khiển do hãng ST Microelectronic sản xuất dựa trên nền tảng
lõi vi xử lý ARM CortexR-M. Là một sản phẩm vi điều khiển 32 bit kết hợp các ưu điểm
về hiệu suất cao, khả năng xử lí thời gian thực, xử lí tín hiệu số, tiêu thụ ít năng lượng, hoạt

động điện áp thấp, trong khi duy trì khả năng tích hợp đây đủ và dễ dàng phát triển các ứng
dụng.
Các tính năng chính:
 Lõi FPU hỗ trợ xử lý tính toán dấu phẩy động, 1MB bộ nhớ Flash, 192 Kbyte
RAM.
 Nguồn điện cung cấp cho bảng mạch: thông qua USB hoặc từ một nguồn cung
cấp điện áp 5V bên ngoài.
 Có thể cung cấp nguồn 3.3V và 5V cho các ứng dụng.
 On-board ST-LINK/V2 trên STM32F4-DISCOVERY giúp nạp chương trình, gỡ
lỗi.
 Nguồn cấp từ cổng Mini USB qua các IC nguồn chuyển thành 3.3V để cấp cho
MCU.
 Có sẵn cảm biến gia tốc LIS302DL, ST MEMS motion sensor, 3-axis.
 Có sẵn bộ: CS43L22, audio DAC.
 Có nút nhấn và reset tích hợp.
 Có cổng Micro USB OTG.
 Có Led thông báo nguồn và tám Led trên board.
2.2.2 Encoder E50S8- 5000 (1024):
Ứng dụng chung của encoder: trong các bài toán đo tốc độ động cơ và đo vị trí,
trong các máy CNC dùng để xác định khoảng dịch chuyển của 1 đối tượng thông qua
đếm số vòng quay của trục...Các Encoder này có các đặc điểm sau đây:
 Encoder này có đường kính 50mm, loại trục E50S.
 Thích hợp để đo góc, vị trí, vòng quay, tốc độ, gia tốc và khoảng cách.
 Nguồn cấp: 5VDC.
 Độ phân giải: 5000 xung/vòng đối với E50S8-5000 và 1024 xung/vòng đối với
E50S8-1024.
 Pha ngõ ra: 6 pha.
 Tần số đáp ứng max: 300KHz.
 Ngõ ra: line driver.
 Trở kháng cách li min: 100MOhm.

 Cấu trúc bảo vệ: loại cáp, kiểu giắc cắm: IP50 (tiêu chuẩn IEC), loại giắc cắm:
IP65 (tiêu chuẩn IEC).
 Kết nối: loại cáp, loại giắc cắm 250mm, loại giắc cắm (phía sau, phía bên cạnh).
Hình 2. 5 Encoder E50S8-5000.
Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của Encoder:
 Encoder thường có 3 kênh (3 ngõ ra) bao gồm kênh A, kênh B và kênh I (Index). Có
một lỗ nhỏ bên phía trong của đĩa quay và một cặp phát-thu dành riêng cho lỗ nhỏ
này như hình 2.6. Đó là kênh I của encoder. Cữ mỗi lần motor quay được một vòng,
lỗ nhỏ xuất hiện tại vị trí của cặp phát-thu, hồng ngoại từ nguồn phát sẽ xuyên qua lỗ
nhỏ đến cảm biến quang, một tín hiệu xuất hiện trên cảm biến. Như thế kênh I xuất
hiện một “xung” mỗi vòng quay của motor. Bên ngoài đĩa quay được chia thành các
rãnh nhỏ và một cặp thu-phát khác dành cho các rãnh này. Đây là kênh A của encoder,
hoạt động của kênh A cũng tương tự kênh I, điểm khác nhau là trong một vòng quay
của motor, có N “xung” xuất hiện trên kênh A. N là số rãnh trên đĩa và được gọi là
độ phân giải của encoder. Mỗi loại encoder có độ phân giải khác nhau, có khi trên
mỗi đĩa chỉ có vài rãnh nhưng cũng có trường hợp đến hàng nghìn rãnh được chia. Để
đo tốc độ động cơ và giá trị đo của góc quay, cần phải biết độ phân giải của encoder
đang dùng. Độ phân giải ảnh hưởng đến độ chính xác điều khiển và cả phương pháp
điều khiển.

Hình 2. 6 Cấu tạo cơ bản của encoder.
 Kênh A và B lệch nhau 90o
, kết hợp hai kênh này ta có thể xác định được vận tốc hay
góc và chiều quay của encoder.
2.2.3 Emax BL heli ESC:
Trong đồ án này, để điều khiển tốc độ động cơ, nhóm sử dụng bộ điều tốc Emax BL
heli ESC 50A. Nó có các đặc điểm cụ thể sau đây:
 Dựa trên BLHeli firmware, tối ưu hóa cho hiệu suất cao với tuyến tính và nhanh
hơn rất nhiều phản ứng tăng tốc.
 Đặc biệt thiết kế cho multirotors, tuyệt vời và tương thích với tuyến tính và nhanh
hơn rất nhiều phản ứng tăng tốc.
 Bảo vệ nhiều đặc trưng bao gồm Low-điện áp vut-off bảo vệ/over-nhiệt bảo
vệ/throttle mất tín hiệu bảo vệ.
 Cung cấp điện riêng cho MCU và BEC, tăng cường khả năng loại bỏ nhiễu sóng
từ của ESC.
 Tất cả các thông số có thể được lập trình thông qua sử dụng một chương trình thẻ
hoặc một máy phát, bao gồm thiết lập mặc định.
 Tốc độ tối đa: 210.000 rpm cho 2 cực, 70.000 rpm cho 6 cực, 35.000 rpm.

Hình 2. 7 Cấu tạo các chân kết nối BLH Heli Emax.
Cấu tạo: gồm năm dây:
 Dây 1 (màu đỏ): kết nối nguồn VCC= 24V.
 Dây 2 (màu đen): kết nối GND.
 Dây 3 gồm 3 dây nhỏ kết nối với vi điều khiển, 2 chân cấp nguồn và 1 chân kết
nối với chân PWM của vi điều khiển.
 Dây 4,5,6 kết nối với động cơ 3 pha, dây 4 và 6 có thể đổi vị trí cho nhau nhằm
mục đích đảo chiều động cơ.
2.2.4 Động cơ Brushless DC (BLDC):
 Động cơ BLDC là động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, thuộc nhóm động cơ xoay
chiều đồng bộ, có phần cảm là nam châm vĩnh cửu.
 Cấu tạo của động cơ BLDC:
 Stator: bao gồm lõi sắt (các lá thép kỹ thuật điện ghép lại với nhau) và dây quấn.
Cách quấn dây của BLDC khác so với cách quấn dây của động cơ điện xoay chiều
ba pha thông thường.
 Rotor: cấu tạo phổ biến của rotor cực lồi với các thanh nam châm gắn trên bề mặt.
 Cảm biến Hall: do đặc thù của sức phản điện động có dạng hình thang nên cấu
hình điều khiển thông thường của BLDC cần có cảm biến xác định vị trí cua từ

trường rotor so với các pha của cuộn dây stator. Để làm được điều đó người ta
dùng cảm biến hiệu ứng Hall, gọi tắt là Hall sensor. Cảm biến Hall này được gắn
trên stator của BLDC chứ không phải trên rotor.
 Phương pháp điều khiển: đóng ngắt các khóa mạch lực (IGBT hoặc MOSFET) để cấp
dòng điện vào cuộn dây stator dựa theo tín hiệu Hall sensor đưa về.
 Nguyên lý hoạt động của motor brushless: Động cơ có phần quay là nam châm vĩnh
cửu, phần đứng yên là cuộn dây tạo từ trường. Hoạt động của động cơ BLDC giống
như sự tương tác lực giữa nam châm vĩnh cửu và nam châm điện. Trong điều kiện
này cuộn dây A nạp năng lượng, các cực trái dấu của stator và rotor dược hút vào
nhau, làm cho chúng tiến lại gần nhau. Khi rotor tiến gần cuộn dây A, cuộn dây B nạp
đầy năng lượng kéo rotor tiến gần cuộn dây B, cuộn dây C được nạp đầy năng lượng
kéo rotor tiến gần cuộn dây C, và quá trình đó tiếp tục diễn ra làm cho rotor xoay.
 Ưu điểm:
 Mật độ từ thông khe hở không khí lớn.
 Tỷ lệ momen trên quán tính lớn (có thể tăng tốc nhanh).
 Vận hành nhẹ nhàng, dao động momen nhỏ.
 Momen điều khiển được ở vị trí bằng không.
 Vận hành ở tốc độ cao.
 Hiệu suất cao.
 Nhược điểm:
 Không tự đổi chiều dòng diện như động cơ DC thông thường.
 Nam châm sắt từ dễ từ hóa nhưng khả năng tích từ không cao, dễ bị khử từ và đặc
tính từ của nam châm bị giảm khi tăng nhiệt độ.

Hình 2. 8 Động cơ và cánh quạt Tarot.
 Các thông số của động cơ Tarot dùng trong báo cáo này:
 Đường kính ngoài động cơ: 58.5mm.
 Chiều cao động cơ: 32mm.
 Đường kính stator: 50mm.
 Đường kính trục: 4mm.
 Công suất tối đa: 700W.
 Trọng lượng động cơ: 171gam.
 Điện áp làm việc 24VDC.
 Chiều dài cánh chọn: 10 inch.
2.2.5 Biến tần VLT 2807 195N1015:

Hình 2. 9 Biến tần VLT 2807 195N1015.
Biến tần là thiết bị điện thay đổi tần số của dòng điện đặt lên cuộn dây bên trong động
cơ, từ đó thay đổi tốc độ động cơ một cách vô cấp, không cần dùng đến hộp số cơ khí.
 Ưu điểm của biến tần:
 Điều khiển tốc độ động cơ một cách vô cấp.
 Tăng tốc êm giúp giảm áp lực lên hệ thống cơ khí.
 Giảm dòng khởi động, có chế độ khởi động với momen cực đại cho băng tải.
 Tiết kiệm điện năng, bảo vệ quá tải, quá dòng, thấp áp, mất pha.
 Nguyên lý hoạt động của biến tần: Đầu tiên, nguồn điện xoay chiều một pha hay ba
pha được chỉnh lưu và lọc thành nguồn một chiều bằng phẳng. Công đoạn này được
thực hiện bởi bộ chỉnh lưu cầu diode và tụ điện. Nhờ vậy, hệ số công suất cosphi của
hệ biến tần đều có giá trị không phụ thuộc vào tải và có giá trị ít nhất 0.96. Điện áp
một chiều này được biến đổi (nghịch lưu) thành điện áp xoay chiều ba pha đối xứng.
Công đoạn này hiện nay được thực hiện thông qua hệ IGBT (transistor lưỡng cực có
cổng cách ly) bằng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM).

M
Bộ lọc Chỉnh lưu
Bộ lọc DC
Nghịchlưu
IGBT
3~
Hình 2. 10 Sơ đồ nguyên lý hoạt động biến tần.
 Các phương pháp điều khiển biến tần:
 Điều khiển trực tiếp (BOP): sử dụng các phím chức năng và màn hình hiển thị trên
biến tần để cấu hình các thông số cho biến tần và đưa ra nguồn lệnh.
 Điều khiển qua kết nối terminal: các lệnh điều khiển và lệnh tần số được biến tần
nhận từ vi điều khiển, PLC qua terminal.
 Điều khiển qua mạng truyền thông: Biến tần nhận tín hiệu điều khiển thông qua
các giao tiếp RS232, PROFINET DP …
 Thông số kỹ thuật:
 Điện áp đầu vào: 3 pha 380-480V, 50/60Hz.
 Tần số điều khiển: 1-1000Hz.
 Công suất tối đa đầu ra 1.7kVA.
 Một số lệnh cơ bản:
Bảng 2. 1 Một số nhóm lênh cơ bản được thực hiện trên biến tần.
STT Macro Chức năng
1 620 Reset biến về chế độ nhà máy (thông số mặc định)
2 002 Chọn chế độ terminal hoặc local
3 003 Chọn tần số bằng nút nhấn trên biến tần
4 207-208 Chọn thời gian đáp ứng
5 204-205 Chọn tần số Min và tần số Max
6 309-310 Chọn giới hạn ngõ vào analog
7 319 Chọn loại ngõ vào analog điều khiển tần số là dòng hoặc áp

2.2.6 Nguồn tổ ong 24V 5A:
Hình 2. 11 Nguồn tổ ong 24V.
 Điện áp đầu vào: AC 220V (Chân L và N).
 Điện áp đầu ra: DC 24V 5A (Chân dương V+, Chân Mass-GND: V-).
 Điện áp ra điều chỉnh: +/-10%.
 Phạm vi điện áp đầu vào: 85 ~ 132VAC / 180 ~ 264VAC.
 Bảo vệ quá tải.
 Bảo vệ quá áp.
 Bảo vệ nhiệt độ cao.
 Nhiệt độ hoạt động và độ ẩm: -10 ℃ ~ + 60 ℃, 20% ~ 90% RH.
 Nhiệt độ bảo quản, nhiệt độ: -20 ℃ ~ + 85 ℃, 10% ~ 95RH.
 Kích thước: 199 * 98 * 38mm.
 Trọng lượng: 0.52Kg.
 Tiêu chuẩn an toàn đáp ứng các yêu cầu của UL1012.
2.3 GIAO TIẾP UART:
UART là viết tắt của Universal Asynchronous Receiver – Transmitter có nghĩa là
truyền dữ liệu nối tiếp bất đồng bộ. UART là một mạch tích hợp được dùng trong truyền
thông nối tiếp (Serial communication) qua port nối tiếp của máy tính hay thiết bị ngoại vi.
UART lấy từng byte dữ liệu, chuyển dữ liệu từ song song sang nối tiếp và truyền tuần tự
từng bit riêng biệt lên kênh truyền nối tiếp. Tại phía nhận, một khối UART khác sẽ tập hợp

những bit nối tiếp nhận được lại thành các byte dữ liệu. Để làm được những việc như vậy,
bên trong UART có một thanh ghi dịch (shift register) đóng vai trò hỗ trợ chuyển đổi dữ
liệu từ dạng nối tiếp sang song song và ngược lại. UART hỗ trợ truyền thông bất đồng bộ
(asynchronous), nghĩa là dữ liệu truyền không phụ thuộc vào tín hiệu xung clock, do đó dữ
liệu được truyền từ bên gửi sang bên nhận mà không cần phải có dây tín hiệu xung clock
nối giữa bộ truyền và nhận. Những chip hiện đại tích hợp bộ UART hỗ trợ cả truyền thông
đồng bộ và bất đồng bộ, chúng được gọi là USART (Universal Synchronous/Asynchronous
Receiver/Transmitter).
Các khái niệm liên quan đến giao tiếp qua module UART gồm:
 Tốc độ baud (baud rate): số bit truyền trong 1 giây.
 Frame: là một khung dữ liệu gồm bit bắt đầu (start bit), bit kết thúc (stop bit), các
bit dữ liệu (data bits), bit kiểm lỗi (parity bit).
 Start bit: là bit đầu tiên trong frame được truyền đi, báo hiệu với bên nhận rằng
một frame dữ liệu đang tới.
 Data bits: là dữ liệu cần truyền đi, số bit dữ liệu không bắt buộc phải là 8 bit, LSB
(Least Significant Bit) sẽ được truyền trước.
 Parity bit: bit kiểm tra lỗi của dữ liệu truyền.
 Stop bit: bit chỉ báo gói dữ liệu đã được truyền xong.
Hình 2. 12 Hệ thống truyền dữ liệu bất đồng bộ.
Chuẩn RS-232 được phát triển bởi the Electronic Industry Association and the
Telecommunications Industry Association(EIA/TIA) là chuẩn truyền thông phổ biến nhất,
thường được gọi tắt là RS-232 thay vì EIA/TIA-232-E. Chuẩn này chỉ đề cập đến việc

truyền dữ liệu nối tiếp giữa một host (DTE-Data Terminal Equipment) và một ngoại vi
(DCE-Data Circuit-Terminating Equipment).
Phiên bản đầu tiên của RS-232 được định nghĩa vào năm 1962, do đó các mức logic
được định nghĩa khác với logic TTL. Ở ngõ ra của một mạch lái, mức cao (tương ứng với
logic 0) là một điện áp từ +5 đến +15 V, còn mức thấp (tương ứng với logic 1) là một điện
áp từ -5 đến -15 V. Tại ngõ vào của một bộ thu, mức cao được định nghĩa là từ +3 đến +15
V (gọi là space), và mức thấp được định nghĩa là từ -3 đến -15 V (gọi là mark).
Để giảm nguy cơ bị nhiễu giữa các tín hiệu kế cận, tốc độ thay đổi (slew rate) được
giới hạn tối đa là 30 V/μs, và tốc độ cũng được giới hạn tối đa là 20 kbps (kilobit per
second) (giới hạn này hiện đã được nâng lên nhiều lần).
Trở kháng nhìn bởi mạch lái được định nghĩa là từ 3 đến 7 kΩ. Tải dung tối đa của
đường truyền cũng được giới hạn là 2500 pF, và như vậy tùy thuộc vào loại cáp mà chiều
dài tối đa có thể được xác định từ điện dung trên đơn vị chiều dài của cáp.
Các tín hiệu RS-232 được định nghĩa tại DTE, theo bảng sau (chỉ nói đến các tín hiệu
của đầu nối 9 chân).
Bảng 2. 2 Sơ đồ chân cổng COM.
Chân số Chức năng Chiều thông tin
1 Data Carrier Detect (DCD) Từ DCE
2 Receive Data Line (RD) Từ DCE
3 Transmit Data Line (TD) Đến DCE
4 Data Terminal Ready (DTR) Đến DCE
5 Ground
6 Data Set Ready (DSR) Từ DCE
7 Request To Send (RTS) Đến DCE
8 Clear To Send (CTS) Từ DCE
9 Ring Indicate (RI) Từ DCE

Các hệ thống logic hiện nay chủ yếu sử dụng các chuẩn logic TTL hay CMOS, do đó
khi cần giao tiếp bằng chuẩn RS-232 sẽ phải dùng các mạch lái và thu (RS-232 driver và
receiver, hay RS-232 transceiver) để chuyển đổi giữa TTL/CMOS và RS-232 vật lý. Các
bộ transceiver hiện nay thường có sẵn các bơm điện tích (charge pump) để tạo ra các mức
áp RS-232 vật lý (phổ biến là +12 V và -12 V) từ một điện áp nguồn đơn cực giá trị nhỏ
(5V hay 3.3V).
Vì chuẩn RS-232 chỉ dành cho giao tiếp giữa DTE và DCE, do đó khi hai máy tính
(là các DTE) cần giao tiếp với nhau thông qua chuẩn RS-232 thì cần phải có các DCE
(chẳng hạn như modem) làm trung gian. Các DCE này là các ngoại vi nên có thể giao tiếp
trực tiếp với nhau thông qua một chuẩn nào đó.
 Hình minh họa định dạng của một ký tự (character) được truyền theo chuẩn RS-232.
Ở trạng thái nghỉ, các đường dữ liệu RS-232 ở trạng thái mark. Một ký tự luôn bắt
đầu bằng một bit start (là một space), sau đó các bit được truyền theo thứ tự bit từ
thấp đến cao (bit thấp nhất được truyền trước tiên), tiếp đến là một bit parity (nếu có),
và cuối cùng là một hay nhiều bit stop (là một mark). Phổ biến nhất là định dạng 8N1,
nghĩa là 8 bit dữ liệu, không có parity, và 1 bit stop.
Hình 2. 13 Định dạng của một ký tự truyền theo chuẩn RS-232.
Việc đọc một bit được truyền đến thường được thực hiện tại giữa bit, do đó các bộ
thu và phát thường sử dụng xung clock bằng 16 lần tốc độ baud (số bit truyền được trong
mỗi giây trên một đường tín hiệu). Bộ thu sẽ dò bit start, và sẽ đọc bit đầu tiên sau 24 chu
kỳ xung clock khi đã phát hiện được start bit, các bit sau đó sẽ được đọc sau mỗi 16 chu
kỳ xung clock.

Như có thể thấy, việc đồng bộ xung clock giữa phía thu và phía phát được thực hiện
ở mỗi bit start cho mỗi ký tự được truyền. Do đó, trong trường hợp xấu nhất là truyền 12
bit (1 bit start, 8 bit dữ liệu, 1 bit parity, và 2 bit stop), chúng ta có thể chấp nhận việc lệch
giá trị xung clock giữa phía thu và phía phát tối đa là khoảng 3% (tại bit cuối cùng sẽ bị
lệch 11x3 = 33%). Do đó, chúng ta không nhất thiết phải sử dụng các bộ dao động thật
chính xác để tạo xung clock cho các bộ thu phát RS-232. Hay nói cách khác, chúng ta
không cần độ sai lệch xung clock là 0% đối với giao tiếp RS-232.
Đa số các DTE và các DCE đều có các bộ truyền nhận bất đồng bộ đa dụng (UART-
Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) ở dạng module phần cứng, do đó chúng ta
thường không cần quan tâm đến các thao tác cấp thấp trong việc sử dụng giao tiếp RS-232.
Tuy nhiên, nếu phần cứng của thiết bị không hỗ trợ giao tiếp RS-232, chúng ta có thể sử
dụng một UART ngoài hay sử dụng phần mềm để giả lập một UART.
2.4 HỆ ĐA BIẾN MIMO:
Comparater Controller Acturors Plant
Feedback Sensors
Setpoints Error
Disturbances
Output
Sensor outputs
Hình 2. 14 Sơ đồ nguyên lí của hệ thống đa biến điển hình.
Quan hệ vào ra của hệ MIMO dùng ma trận hàm truyền:
SYSTEM
U1(s)
U2(s)
U3(s)
Un(s)
Y1(s)
Y2(s)
Y3(s)
Yn(s)
MIMO
Hình 2. 15 Quan hệ ngõ vào và ra của hệ MIMO dùng ma trận hàm truyền.
Và được thể hiện qua phương trình sau:

11 12 11 1
2 21 22 2 2
1 2
( ) ( ) ... ( )( ) ( )
( ) ( ) ( ) ... ( ) ( )
... ...... ... ... ...
( ) ( )( ) ( )... ( )
q
q
q pp p pq
G s G s G sY s U s
Y s G s G s G s U s
Y s U sG s G s G s
    
    
    
    
    
        
(2.1)
Mô tả hệ MIMO dùng phương trình trạng thái:
.
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
x t Ax t Bu t
y t Cx t Du t
  

 
(2.2)
Trong đó:
 Vector trạng thái:  1 2( ) ( ) ( ) ... ( )
T
nx t x t x t x t (2.3)
 Vector tín hiệu vào:  1 2u( ) ( ) ( ) ... ( )
T
nt u t u t u t (2.4)
 Vector tín hiệu ra:  1 2( ) ( ) ( ) ... ( )
T
ny t y t y t y t (2.5)
Chuyển đổi giữa ma trận hàm truyền và phương trình trạng thái:
 
1
( )G s C sI A B D

   (2.6)
Từ đó, ta có mô tả hệ thống thể hiện mối quan hệ giữa ma trận hàm truyền và phương trình
trạng thái như sau:
( )
A B
G s
C D
 
  
 
(2.7)
2.5 LÍ THUYẾT ĐIỀU KHIỀN:
2.5.1 Thuật toán PID:
Bộ điều khiển PID là bộ điều khiển vòng kín, được sử dụng rộng rãi trong công
nghiệp. Bộ điều khiển PID được sử dụng để điều chỉnh sai lệch giữa giá trị đo được của hệ
thống (Process Variable-PV). Với giá trị đặt (Set Point-SP) bằng cách tính toán và điều
chỉnh giá trị ở ngõ ra.
Một bộ điều khiển gồm 3 thành phần:
 P (Proportional): Tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với sai lệch (error).
 I (Integral): Tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với tích phân theo thời gian của sai lệch.
 D (Derivative): Tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với vi phân theo thời gian của sai lệch.

Process
u
F(s) X(s)
-
e
Hình 2. 16 Sơ đồ hệ thống điều khiển dùng PID.
Bộ điều khiển PID có cấu trúc đơn giản, dễ sử dụng nên sử dụng rộng rãi trong điều
khiển các đối tượng SISO theo nguyên lý hồi tiếp (hình 2.17). Bộ PID có nhiệm vụ đưa sai
lệch e(t) của hệ thống về 0 sao cho quá trình quá độ thỏa mãn các yêu cầu cơ bản về chất
lượng:
 Nếu sai lệch tĩnh e(t) càng lên thì thông qua thành phần uP (t), tín hiệu điều khiển
u(t) càng lớn .
 Nếu sai lệch e(t) chưa bằng 0 thì thông qua thành phần uI (t), PID vẫn còn tạo tín
hiệu điều chỉnh.
 Nếu thay đổi sai lệch động e(t) càng lớn thì thông qua thành phần uD (t), phản ứng
thích hợp của u(t) sẽ càng nhanh.
PID
y(t)
-
e(t)
Plant
K
feedback
Hình 2. 17 Điều khiển hồi tiếp với bộ điều khiển PID.
Thuật toán PID được biểu diễn trên miền thời gian như sau:

0
1 ( )
( ) ( ) (t) (t)
t
P D
I
de t
u t k e t e d
dt


 
   
 
 (2.8)
Trong đó:
e(t) –tín hiệu đầu vào.
u(t) –tín hiệu đầu ra.
Pk –hệ số khuếch đại.
I – hằng số tích phân.
D –hằng số vi phân.
Nếu ta coi các tín hiệu trong (2.8) là các biến chênh lệch, có nghĩa là hàm truyền đạt của
bộ điều khiển sẽ đựợc viết như sau:
1
( ) 1I
P D P D
I
K
C s K K S K S
S S


 
      
 
(2.9)
PK : Giá trị càng lớn thì đáp ứng càng nhanh do đó sai số càng lớn, bù khâu tỉ lệ
càng lớn. Một giá trị độ lợi tỉ lệ quá lớn sẽ dẫn đến quá trình mất ổn định và dao động.
IK : Giá trị càng lớn kéo theo sai số ổn định bị khử càng nhanh. Đổi lại là độ vọt lố
càng lớn: bất kỳ sai số âm nào được tích phân trong suốt đáp ứng quá độ phải được triệt
tiêu tích phân bằng sai số dương trước khi tiến tới trạng thái ổn định.
IK : Giá trị càng lớn càng giảm độ vọt lố, nhưng lại làm chậm đáp ứng quá độ và có
thể dẫn đến mất ổn định do khuếch đại nhiễu tín hiệu trong phép vi phân sai số.
Quy luật PID có ba tham số hiệu chỉnh Pk , I , D . Xét ảnh hưởng của ba tham số ta
thấy:
Khi D = 0 và I = ∞ quy luật PID trở thành quy luật P.
Khi D = 0 quy luật PID trở thành quy luật PI.
Khi I = ∞ quy luật PID trở thành quy luật PD.
Ưu điểm của quy luật PID là tốc độ tác động nhanh và có khả năng triệt tiêu sai lệch
tĩnh. Về tốc độ tác động, quy luật PID còn có thể nhanh hơn cả quy luật tỷ lệ. Điều đó phụ
thuộc vào thông số I , D .

Nếu ta chọn được tham số tối ưu thì quy luật PID sẽ đáp ứng được mọi yêu cầu về
điều chỉnh chất lượng của các quy trình công nghệ. Tuy nhiên, việc chọn được bộ ba thông
số tối ưu là rất khó khăn. Do đó trong công nghiệp, quy luật PID thường chỉ được sử dụng
khi đối tượng điều chỉnh có nhiều thay đổi liên tục và quy trình công nghệ đòi hỏi độ chính
xác cao mà quy luật PI không đáp ứng được.
Bộ điều khiển PID là thiết bị điều khiển được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực điều
khiển quá trình nhằm duy trì tính ổn định của hệ thống. Do vậy, nghiên cứu và tổng hợp
bộ điều khiển PID là một vấn đề cần thiết.
Trên cơ sở về mặt lý thuyết, nghiên cứu mô hình và thực nghiệm người ta đưa ra rất
nhiều tiêu chuẩn để lựa chọn thông số của bộ điều khiển theo yêu cầu của quá trình quá độ
cũng như xác lập. Có thể phân ra các chủng loại sau:
 Quá trình quá độ không dao động, thời gian điều khiển là nhỏ nhất.
 Quá trình quá độ có dao động khoảng 20%, thời gian điều khiển là nhỏ nhất.
 Quá trình quá độ có tích phân bình phương sai số điều khiển là nhỏ nhất (ISE):
2
1
0
( ) m inI e t dt

  (2.10)
 Quá trình quá độ có tích phân giá trị tuyệt đối của sai số điều khiển e(t) là nhỏ nhất
(IAE):
2
0
( ) m inI e t dt

  (2.11)
 Quá trình quá độ có tích phân giá trị tuyệt đối của sai số điều khiển e(t) nhân với
thời gian là nhỏ nhất (ITAE):
3
0
( ) * m inI e t t dt

  (2.12)
 Các phương pháp thiết kế bộ điều khiển PID:
Có nhiều phương pháp thiết kế bộ điều khiển PID và có thể được chia thành 2
phương pháp sau:
 Thiết kế bộ điều khiển trên cơ sở hàm quá độ h(t).

 Phương pháp Ziegler – Nichols.
 Phương pháp Chien – Hrones – Reswick.
 Phương pháp hằng số thời gian tổng của Kuhn.
 Thiết kế điều khiển ở miền tần số.
 Phương pháp tối ưu module.
 Phương pháp tối ưu đối xứng.
Ở đây chúng tôi chọn phương pháp thiết kế Ziegler – Nichols và được thực hiện bằng
cách thực nghiệm với hệ thống điều khiển. Dựa vào đáp ứng quá độ của hệ kín, áp dụng
cho các đối tượng có khâu tích phân lý tưởng. Tăng dần hệ số khuếch đại K của hệ kín cho
đến giá trị ghK khi đó đáp ứng ra của hệ kín ở trạng thái xác lập là dao động ổn định với
chu kì ghT .
0 t
c(t)
ℎ
1
Hình 2. 18 Đáp ứng nấc của hệ khi ghK K
.
Bảng 2. 3 Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols.
Thông số
Bộ ĐK
PK I D
P 0.5 ghK  0
PI 0.45 ghK 0.83 ghT 0
PD 0.6 ghK 0.5 ghT 0.125 ghT

2.5.2 Thuật toán Fuzzy:
Khi gặp các bài toán điều khiển mà đối tượng khó mô tả bởi một mô hình toán học
hoặc có thể mô tả được song mô hình của nó lại phức tạp và phi tuyến, hay có các tham số
thay đổi, đối tượng biến đổi chậm có trễ . . . thì logic mờ tỏ ra chiếm ưu thế rõ rệt. Ngay cả
ở những bài toán điều khiển đã thành công khi sử dụng nguyên tắc điều khiển kinh điển thì
việc áp dụng điều khiển logic mờ vẫn mang lại cho hệ thống sự cải tiến về tính đơn giản,
gọn nhẹ và nhất là không phải thay bằng bộ điều khiển khác khi tham số của đối tuợng bị
thay đổi trong một phạm vi khá rộng, điều này bộ điều khiển kinh điển không đáp ứng
được. Chính vì vậy trong đề tài này tôi sử dụng thuật toán mờ để điều khiển để phát huy
những ưu điểm của bộ điều khiển kể trên.
Trong điều khiển, thường có 2 sơ đồ điều khiển mờ thường gặp:
Điều khiển trực tiếp: Tín hiệu xuất ra của đối tượng điều khiển được so sánh với
tín hiệu đặt, nếu xuất hiện sai lệch thì bộ điều khiển sẽ xuất tín hiệu tác động vào đối tượng,
nhằm mục đích giảm sai lệch về 0. Đây cũng là phương pháp điều khiển mà chúng tôi đã
thực hiện đối với mô hình điều khiển động cơ.
Đối tượng điều
khiển
Bộ điều khiển
Fuzzy
-+
Giá trị đặt e Đáp ứng
u
Hình 2. 19 Điều khiển trực tiếp.
Điều khiển gián tiếp: Thông qua các quy tắc mờ để hiệu chỉnh thông số của các bộ
điều khiển tuyến tính trong sơ đồ điều khiển thích nghi. Nếu đối tượng phi tuyến thay đổi
điểm làm việc, để chất lượng điều khiển tốt thì thông số của bộ điều khiển cũng phải thay
đổi theo.

Bộ điều khiển khác
Đối tượng điều
khiển
Bộ điều khiển Fuzzy
Các thông số
-+
Giá trị đặt e Đáp ứng
u
Hình 2. 20 Điều khiển gián tiếp.
Khái niệm tập mờ:
Tập mờ là một tập hợp mà mỗi phần tử cơ bản của nó còn được gán thêm một giá trị
thực trong khoảng [0 1] để chỉ thị “độ phụ thuộc” của phần tử đó vào tập mờ đã cho. Khi
độ phụ thuộc bằng 0 thì phần tử cơ bản đó sẽ hoàn toàn không thuộc tập đã cho (xác suất
phụ thuộc bằng 0), ngược lại với độ phụ thuộc bằng 1, phần tử cơ bản sẽ thuộc tập hợp với
xác suất 100%.
Như vậy, bên cạnh phần tử x, để xác định xem x có thuộc tập mờ hay không còn cần
phải có thêm độ phụ thuộc ( )x . Nếu ký hiệu x là phần tử cơ bản và ( )x là độ phụ thuộc
của nó thì cặp [ , ( )]x x sẽ là một phần tử của tập mờ. Cho x chạy khắp trong tập hợp, ta sẽ
có hàm ( )x và hàm này được gọi là "hàm thuộc".
Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ:
Cấu trúc chung của một bộ điều khiển mờ gồm 6 khối: Khối tiền xử lí, khối mờ hoá,
khối phương pháp suy diễn, khối hệ quy tắc, khối giải mờ và khối hậu xử lí.

HỆ MỜ CƠ BẢN
Hình 2. 21 Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ.
 Khối tiền xử lí:
Tín hiệu vào bộ điều khiển thường là giá trị rõ từ các mạch đo, bộ tiền xử lý có chức
năng xử lý các giá trị đo này trước khi đưa vào bộ điều khiển mờ cơ bản.
Khối tiền xử lý có thể:
 Lượng tử hóa hoặc làm tròn giá trị đo.
 Chuẩn hóa hoặc tỉ lệ giá trị đo vào tầm giá trị chuẩn.
 Lọc nhiễu.
 Bộ mờ hóa:
Khối mờ hóa có chức năng biến đổi giá trị rõ sang giá trị ngôn ngữ, hay nói cách khác
là sang tập mờ, vì hệ qui tắc mờ chỉ có thể suy diễn trên các tập mờ.
A’1
μ(x)
x’ x
A’1
μ(x)
x’ x-1% +1%
A’1
x’ x
μ(x)
(a) (b) (c)
Hình 2. 22 Tập mờ ngõ ra của khâu mờ hóa.
(a) Tập mờ A’ khi tín hiệu vào x’ không có sai số, không có nhiễu.
(b) Tập mờ A’ khi tín hiệu vào x’ có sai số +-1%.

(c) Tập mờ A’ khi tín hiệu vào x’ có nhiễu phân bố theo Gauss.
 Hệ quy tắc mờ:
Hệ quy tắc: Hệ quy tắc mờ có thể xem là mô hình toán học biểu diễn tri thức, kinh
nghiệm của con người trong việc giải quyết các bài toán dưới dạng ngôn ngữ. Hệ quy tắc
mờ gồm các quy tắc có dạng nếu – thì. Trong đó mệnh đề điều kiện và mệnh đề kết luận
liên quan đến một hay nhiều biến ngôn ngữ. Do đó, có thể dùng hệ mờ để giải các bài toán
điều khiển một ngõ vào và một ngõ ra (SISO) hay nhiều ngõ vào và nhiều ngõ ra (MIMO).
Có hai loại quy tắc mờ phổ biến là quy tắc mờ Takagi – Sugeno và quy tắc mờ Mamdani.
Quy tắc mờ Mandani: sử dụng quy tắc MAX – MIN. Kết luận của quy tắc mờ
Mamdani là mệnh đề mờ:
ir : nếu ( 1x là 1iA

) và… và ( nx là niA

).
Thì ( 1y là 1iB

và … và ( ny là niB

).
Trong đó n là số tín hiệu vào, m là số tín hiệu ra, 1...i k , với k là số quy tắc.
Hình 2. 23 Các loại tập mờ ngõ vào và ngõ ra.

Hình 2. 24 Các đường đặc tính bị hạn chế bởi sự nội suy giữa các điểm đặc tính.
Quy tắc mờ Sugeno: Kết luận của quy tắc mờ Sugeno là hàm các tín hiệu vào của
hệ mờ. Tổng quát quy tắc Sugeno cho hệ mờ có nhiều ngõ vào và nhiều ngõ ra:
ir : nếu ( 1x là 1iA

) và … và ( nx là niA

).
Thì 1 1 1(x ,...,x )niy f và … và 1(x ,...,x )m nmiy f .
Một ví dụ điển hình:
1r : nếu ( 1x là 1A

) thì 1 1 1:l y c x d 
2r : nếu ( 2x là 2A

) thì 2 2 2:l y c x d 
Trong đó các thông số 1c , 2c , 1d và 2d được chọn sau hai đường thẳng 1l và 2l cắt nhau tại
điểm giữa của hai hàm liên thuộc tương ứng với hai biến ngôn ngữ 1A

và 2
A

của ngõ vào
x, n là số tín hiệu vào, m là số tín hiệu ra, 1...i k với k là số quy tắc.
 Phương pháp suy diễn: Phương pháp suy diễn là sự kết hợp các giá trị ngôn ngữ của
ngõ vào sau khi mờ hóa với hệ quy tắc để rút ra kết luận giá trị mờ của ngõ ra. Có hai
phương pháp suy diễn thường dùng trong điều khiển là MAX – MIN và MAX – PROD.

 Giải mờ:
Ngõ ra của bộ điều khiển mờ là các giá trị ngôn ngữ, hay nói cách khác là các tập mờ.
Trong khi đó các đối tượng điều khiển chỉ “hiểu” được các giá trị vật lý (giá trị rõ), vì vậy
cần phải chuyển các tập mờ ở ngõ ra bộ điều khiển mờ sang giá trị rõ. Quá trình này gọi là
giải mờ (defuzzification).
Giải mờ là quá trình xác định một giá trị rõ y0 nào đó từ tập nền của tập mờ B' để làm
đại diện cho B' (là tập mờ kết quả của hệ luật mờ).
Trong điều khiển thường sử dụng ba phương pháp giải mờ chính:
Điểm trung bình các cực đại: Giá trị rõ y0 là giá trị trung bình của các giá trị có độ
thỏa mãn cực đại của ' ( )B
y . Nguyên lý này thường được dùng khi miền dưới hàm ' ( )B
y
là một miền lồi và như vậy y0 cũng sẽ là giá trị có độ phụ thuộc lớn nhất. Trong trường hợp
B' gồm các hàm liên thuộc dạng đối xứng thì giá trị rõ y0 không phụ thuộc vào độ thỏa mãn
đầu vào của luật điều khiển.
Điểm cận trái/phải cực đại: Giá trị rõ y0 được lấy bằng cận trái/phải cực đại của
' ( )B
y . Giá trị rõ lấy theo nguyên lý cận trái/phải này sẽ phụ thuộc tuyến tính vào độ thỏa
mãn đầu vào của luật điều khiển hình 2.25.
Điểm trọng tâm: Phương pháp này sẽ cho ra kết quả y0 là hoành độ của điểm trọng
tâm miền được bao bởi trục hoành và đường ' ( )B
y . Đây là nguyên lý được dùng nhiều
nhất.
(a) (b)
(c)
Hình 2. 25 Những nguyên lý giải mờ.

(a) Nguyên lí trung bình các giá trị cực đại.
(b) Nguyên lí các giá trị cực đại trái/phải.
(c) Nguyên lí điểm trọng tâm.
Giống như một bộ điều khiển kinh điển, một hệ logic mờ cũng có thể có nhiều tín
hiệu vào và nhiều tín hiệu ra. Ta phân chia chúng thành các nhóm:
 Nhóm SISO có một đầu vào và một đầu ra.
 Nhóm MIMO có nhiều đầu vào và nhiều đầu ra.
 Nhóm SIMO có một đầu vào và nhiều đầu ra.
 Nhóm MISO có nhiều đầu vào và một đầu ra.
Do bản chất là một hệ thực hiện các luật mờ (kinh nghiệm điều khiển của con người)
trong đó các kinh nghiệm này lại thể hiện dưới dạng ngôn ngữ có các giá trị ngôn ngữ là
tập mờ nên một hệ logic mờ phải có các khâu cơ bản:
 Khâu Fuzzy hóa có nhiệm vụ chuyển đổi một giá trị rõ đầu vào x0 thành một vector
µ gồm các độ phụ thuộc của giá trị rõ đó theo các giá trị mờ (tập mờ) đã định nghĩa
cho biến ngôn ngữ đầu vào.
 Khâu thực hiện luật mờ, có tên gọi là quá trình suy diễn, xử lý vector  và cho ra
giá trị mờ B' của biến ngôn ngữ đầu ra.
 Khâu giải mờ, có nhiệm vụ chuyển đổi tập mờ B' thành một giá trị rõ y' chấp nhận
được cho đối tượng (tín hiệu điều chỉnh).
 Hậu xử lí: Giá trị rõ sau khi giải mờ cần phải được nhân với một hệ số tỷ lệ để trở
thành giá trị vật lý phù hợp với tín hiệu điều khiển.
Các bước thiết kế bộ điều khiển mờ:
 Bước 1: Xác định biến vào và ra của đối tượng.
 Bước 2: Chuẩn hóa biến vào, biến ra về miền giá trị [0 1] hay [-1 1] để thuận tiện
cho việc tính toán trên vi xử lý hoặc PLC.
 Bước 3: Định nghĩa các tập mờ trên tập cơ sở đã chuẩn hóa của các biến, gán cho
mỗi tập mờ một giá trị ngôn ngữ. Số lượng, hình dạng, tùy thuộc và từng đối tượng
cụ thể.

 Bước 4: Gán các quan hệ ở tập ngõ vào và tập ngõ ra để xây dựng hệ quy tắc mờ.
Bước này có thể thực hiện tốt nếu người thiết kế có kinh nghiệm về các phát biểu
ngôn ngữ mô tả đặc tính động của đối tượng và các hệ quy tắc mờ thông dụng.
 Bước 5: Chọn phương pháp suy diễn. Trong thực tế, người ta thường sử dụng
phương pháp suy diễn cục bộ nhằm đơn giản trong việc tính toán và áp dụng các
công thức hợp thành MAX – MIN, MAX – PROD.
 Bước 6: Chọn phương pháp giải mờ, thường chọn phương pháp giải mờ “thỏa
hiệp” như phương pháp trọng tâm, phương pháp trung bình trọng số.
2.5.3 Thuật toán Neural:
 Mạng nơron nhân tạo (Artifical Neural Networks) mô phỏng lại mạng noron sinh học
là một cấu trúc khối gồm các đơn vị tính toán đơn giản được liên kết chặt chẽ với
nhau trong đó các liên kết giữa các noron quyết định chức năng của mạng.
 Các đặc trưng cơ bản của mạng nơron.
 Gồm một tập các đơn vị xử lý (các noron nhân tạo).
 Trạng thái kích hoạt hay đầu ra của đơn vị xử lý.
 Liên kết giữa các đơn vị. Xét tổng quát, mỗi liên kết được định nghĩa bởi một
trọng số wjk cho ta biết hiệu ứng mà tín hiệu của đơn vị j có trên đơn vị k.
 Một luật lan truyền quyết định cách tính tín hiệu ra của từng đơn vị từ đầu vào của
nó.
 Một hàm kích hoạt, hay hàm chuyển (activation function, transfer function), xác
định mức độ kích hoạt khác dựa trên mức độ kích hoạt hiện tại.
 Một đơn vị điều chỉnh (độ lệch) (bias, offset) của mỗi đơn vị.
 Phương pháp thu thập thông tin (luật học - learning rule).
 Môi trường hệ thống có thể hoạt động.
 Các thành phần cơ bản của mạng nơron nhân tạo.
 Đơn vị xử lý: Còn được gọi là một nơron hay một nút (node), thực hiện một công
việc rất đơn giản: nó nhận tín hiệu vào từ các đơn vị phía trước hay một nguồn
bên ngoài và sử dụng chúng để tính tín hiệu ra sẽ được lan truyền sang các đơn vị
khác.

w
w
w
Neural j
= w xi
Inputs
Summations
Transfer
function
Weights
1j
ij
2j
ij
Output
bj
Hình 2. 26 Cấu trúc của một neural.
Mỗi ngõ vào liên quan đến trọng số (synaptic strength). Các ngõ vào có trọng số được
thêm vào và đi qua một hàm phi tuyến, được gọi là hàm kích hoạt. Giá trị của hàm này là
neural.
Tổng trọng số của các ngõ vào cho bởi:
1
w w
1
p
T
i i
i
x
z x b b

 
      
 

(2.13)
Với b là bias-trọng số từ ngõ vào và có giá trị không thay đổi.
Trong một mạng neural có ba kiểu đơn vị:
 Các đơn vị đầu vào (Input units), nhận tín hiệu từ bên ngoài.
 Các đơn vị đầu ra (Output units) gửi dữ liệu ra bên ngoài.
 Các đơn vị ẩn (Hidden units), tín hiệu vào (input) và ra (output) của nó nằm trong
mạng.
Mỗi đơn vị j có thể có một hoặc chiều đầu vào: x0, x1, x2,…, xn, nhưng chỉ có một
đầu ra zj. Một đầu vào tới một đơn vị có thể là dữ liệu từ bên ngoài mạng, hoặc đầu ra của
một đơn vị khác, hoặc là đầu ra của chính nó.
 Hàm kích hoạt: phần lớn các đơn vị trong mạng neural chuyển net input bằng cách sử
dụng một hàm vô hướng gọi là hàm kích hoạt, kết quả của hàm này là một giá trị gọi
là mức độ kích hoạt của đơn vị. Giá trị kích hoạt được đưa vào một hay nhiều đơn vị

khác, trừ đơn vị ngõ ra. Các hàm kích hoạt thường được bị ép vào một khoảng giá trị
xác định.
 Các hàm kích hoạt hay được sử dụng.
 Hàm purelin f(x)=x:
Hình 2. 27 Đồ thị hàm purelin.
 Hàm bước nhị phân (Hard limit function):
1,if 0
f( )
0,if 0
x
x
x

 

Hình 2. 28 Đồ thị hàm hard limit.
Hàm này được sử dụng trong các mạng chỉ có một lớp.

 Hàm logsig
1
f( )
1 x
x
e


thường được sử dụng cho các mạng được huấn luyện
bởi thuật toán lan truyền ngược, bời vì nó dễ lấy đạo hàm, do đó có thể giảm đáng
kể tính toán trong quá trình huấn luyện. Hàm này được sử dụng cho các chương
trình có đầu ra thuộc khoảng [0 1].
Hình 2. 29 Đồ thị hàm logsig.
 Hàm tagsig
1
( )
1
x
x
e
f x
e




 có thuộc tính tương tự như sigmoid đơn cực. Thường
đươc sử dụng cho các chương trình có đầu ra trong khoảng [-1 1].
Hình 2. 30 Đồ thị hàm tansig.
Các hàm chuyển của các đơn vị ẩn là cần thiết để biểu diễn sự phi tuyến vào trong
mạng. Vì nó mang tính chất phi tuyến làm cho các mạng nhiều tầng có khả năng rất tốt
trong biểu diễn các ánh xạ phi tuyến.

Đối với các đơn vị đầu ra, các hàm chuyển được chọn sao cho phù hợp với sự phân phối
của các giá trị đích mong muốn.
 Kiến trúc mạng neural: gồm nhiều neural liên kết lại với nhau. Các neural thường
được sắp xếp trong nhiều lớp. Mạng có thể có nhiều lớp hoặc một lớp.
 Mạng truyền thẳng: các neural được sắp xếp trong nhiều lớp. Thông tin chỉ truyền
theo một hướng, từ lớp vào đến lớp ra.
 Mạng hồi qui: các neural được sắp xếp trong một hay nhiều lớp và phản hồi được
thực hiện trong nội tại các neural hay với các neural khác trong cùng mạng hay
với các neural của các lớp trước.
Input
layer
Hidden Output
Outputs
Hình 2. 31 Mạng neural truyền thẳng.
Z
delay
input{
output
-1
Z-1
Z-1
Hình 2. 32 Mạng neural hồi qui.
 Huấn luyện mạng: chức năng của một mạng neural được quyết định bởi các thông
số sau: tình trạng mạng (số lớp, số đơn vị trên mỗi tầng, cách các lớp liên kết với
nhau) và các trọng số liên kết trong mạng. Các thuật toán sẽ quyết định giá trị của
trọng số. Quá trình điều chỉnh trọng số để mạng nhận biết được quan hệ giữa đầu vào
và đầu ra mong muốn được gọi là quá trình huấn luyện mạng.

 Có hai quá trình học:
 Học có giám sát: mạng được huấn luyện bằng cách cung cấp cho nó các cặp mẫu
đầu vào và đầu ra mong muốn. Sự khác biệt đầu ra thực tế so với các đầu ra mong
muốn được thuật toán sử dụng đẻ thích ứng các trọng số trong mạng.
 Học không giám sát: với cách học này, không có phản hồi từ môi trường để chỉ ra
rằng đầu ra của mạng là đúng. Mạng sẽ phải khám phá các đặc trưng, các điều
chỉnh, các mối tương quan, hay các lớp dữ liệu một cách tự động.
 Hàm mục tiêu: để huấn luyện một mạng và xem xét nó thực hiện tốt đến đâu, ta cần
xây dựng một hàm mục tiêu để cung cấp cách thức đánh giá khả năng. Việc chọn hàm
mục tiêu là rất quan trọng bởi vì hàm này thể hiện các mục tiêu thiết kế và quyết định
thuật toán huấn luyện có thể được áp dụng.
 Mạng neural nhiều lớp: bao gồm một lớp vào, một lớp ra và một số lớp ẩn.
Input
layer
Hidden
layer 2
Output
layer
Outputs
Hidden
layer 1
Inputs
Hình 2. 33 Cấu trúc của mạng neural nhiều lớp.
Có thể thực hiện một mạng động dùng mạng truyền thẳng tĩnh kết hợp với khâu phản
hồi. Ngõ ra của mạng được phản hồi về ngõ vào thông qua khâu trễ đơn vị 1
z
như hình
2.32.
Trong mạng nhiều lớp, cần phân biệt hai pha tính toán sau:
 Bước tính thuận: Từ các ngõ vào xi, i=1,…,n tính được các ngõ ra của lớp ẩn, rồi
dùng các giá trị này như là ngõ vào của lớp kế để tiếp tục tính,… để tìm được ngõ
ra của mạng.
 Chỉ định trọng số mạng: ngõ ra của mạng được so sánh với ngõ ra đích. Sai biệt
giữa hai giá trị này được gọi là sai số, và được dùng để chỉ định trọng số của mạng

lớp ra, lớp sau,… cho đến khi sai số giảm. Phương pháp tính toán này được gọi là
lan truyền ngược sai số.
 Cách huấn luyện neural:
Với X, D lần lượt là ngõ vào và đích của mạng
1
2
.
.
.
T
T
T
n
x
x
X
x
 
 
 
 
 
 
 
 
  
,
1
2
.
.
.
T
T
T
n
d
d
D
d
 
 
 
 
 
 
 
 
  
(2.14), (2.15)
Từ ngõ vào , 1,...,ix i N , hàm kích hoạt lớp ẩn, tính được ngõ ra như sau:
Wh
bZ X , bX [X 1] (2.16)
( )V Z (2.17)
Wo
bY V , bV [V 1] (2.18)
Tính sai số E D Y  (2.19)
Sai số này được dùng để chỉ định trọng số mạng thông qua phép tối thiểu hóa hàm tổng
bình phương sai số
21
(k)
2
kJ e
(2.20)
Giá trị trọng số được điều chỉnh theo công thức:
( )
w( 1) w( ) w( ) w( )
w( )
i i i i i
i
J k
k k k k
k


    
 (2.21)
Giá trị thay đổi trọng số:
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )
w ( ) ( )
w ( ) ( ) ( ) ( ) w ( ) ( )
i i i i i
i i
J k J k e k y k u k y k
k Ke k x
k e k y k u k k u k
  
     
   
      (2.22)
Giá trị này được viết lại
( )
w ( ) ( )sign( )
( )
i i i
y k
k Ke k x
u k


 
 (2.23)
Với i là tốc độ học có giá trị thuộc khoảng [0 1]. Giá trị này càng nhỏ, neural sẽ học càng
lâu và càng chính xác.

CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
3.1 THIẾT KẾ SƠ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ THỐNG:
Hệ thống gồm 6 khối ghép lại với nhau theo nhiều hướng tạo nên một hệ thống hoạt
động ổn định được trình bày trong sơ đồ khối hình 3.1 như sau:
KHỐI NGUỒN
KHỐI XỬ LÍ
TRUNG TÂM
KHỐI
CÔNG
SUẤT
HỆ PHI
TUYẾN
KHỐI ĐIỀU
KHIỂN VÀ
GIÁM SÁT
KHỐI PHẢN
HỒI
Hình 3. 1 Sơ đồ khối của 2 hệ thống.
Đối với hình 3.2 và 3.3 là hình ảnh thực tế của các khối trong sơ đồ hệ thống được
kết nối với nhau.

TRMS
ESC
Hình 3. 2 Sơ đồ khối hệ thống thiết bị thực tế mô hình TRMS.
PC
ĐỘNG CƠ
BIẾN TẦN
STM32F4 ENCODER
Hình 3. 3 Sơ đồ khối hệ thống thiết bị thực tế mô hình động cơ.

 Thiết kế sơ đồ khối:
 Khối xử lí trung tâm: thu thập dữ liệu từ các thiết bị và xử lí tất các thuật toán,
giải thuật điều khiển và xuất tín hiệu điều khiển. Hiện nay có rất nhiều vi xử lí hỗ
trợ Matlab nhúng giải thuật thuật vào vi điều khiển điển hình trong đó là Kit
STM32F4 thông qua thư viện lập trình Waijung Blockset. Kit STM32F4 có nhiệm
vụ đọc dữ liệu từ encoder trên mô hình rồi so sánh với giá trị đặt từ đó xuất tín
hiệu điều khiển hệ phi tuyến thông qua mạch công suất. Ngoài ra Kit còn hỗ trợ
Virtual COM giúp giao tiếp truyền nhận Serial với máy tính.
Hình 3. 4 Kết nối STLINK- và STM32F407 UART2 (Datasheet).
 Khối phản hồi: đo đạc các giá trị thực tế sau đó gửi về về vi điều khiển. Với yêu
cầu hệ thống các tín hiệu phản hồi về là góc quay của 2 mặt phẳng đứng và ngang
với độ chính xác cao nên phải chọn encoder có độ phân giải lớn. Encoder E50S8-
5000-6-L-5 với độ phân giải 5000 xung/vòng được dùng trong mô hình máy bay
trực thăng 2 bậc tự do.
Vị trí được tính toán theo công thức:

360.
.4e
N
X
R
 (3.1)
Trong đó:
eR : là độ phân giải của encoder.
X: vị trí.
N: số xung đọc được của encoder.
STM32F407
D13
D12
GND
Encoder
E50S8_5000
Black
White
Blue
Brown5V
STM32F407
B5
B4
5V
GND
Encoder
E50S8_5000
Black
White
Blue
Brown
Hình 3. 5 Kết nối hai Encoder với vi điều khiển.
Ngoài ra với mô hình điều khiển tốc độ động cơ Encoder E50S8-1024-6-L-
5 với độ phân giải 1024 xung/vòng được dùng đo tốc độ động cơ phản hồi về cho
vi điều khiển.
Tốc độ được tính toán theo công thức:
1.
60.
.4eT R
N
v  (3.2)
Trong đó: v là vận tốc động cơ (vòng/phút).
1T : là chu kỳ lấy mẫu (s).
eR : độ phân giải của encoder.
N: số xung đọc được của encoder.

 Khối điều khiển và giám sát: Hiển thị các thông số điều khiển của hệ thống, gửi
các thông số điều khiển xuống khối xử lí trung tâm thông qua giao tiếp truyền
nhận Serial với bộ xử lí trung tâm và nhận giá trị từ bộ xử lí trung tâm để hiển thị.
Khối này do máy tính thực hiện thông qua giao tiếp Serial với vi xử lí trên môi
trường làm việc Matlab Simulink.
 Khối công suất: Nhận dữ liệu điều khiển từ khối xử lí trung tâm và điều khiển tốc
độ động cơ.
o Mô hình máy bay trực thăng 2 bậc tự do: Nhận tín hiệu xung PWM với tần số
50Hz và Duty Cycle thay đổi thông qua giải thuật điều khiển để điều khiển tốc
độ động cơ ba pha không chổi than của mô hình máy bay trực thăng hai bậc tự
do. Khối này do BL Heli Emax 40A thực hiện.
o Mô hình điều khiển tốc độ động cơ: Nhận tín hiệu DAC của vi điều khiển với
điện áp thay đổi từ 0 đến 3.3V thông qua biến tần Danfos VLT2800 đã được
cài đặt giá trị ngõ vào phù hợp với vi điều khiển thông qua đó điều khiển tốc
độ động cơ.
Hình 3. 6 Sơ đồ kết nối biến tần và động cơ.
91 92 93 95
U V W PE
96 97 98 99
12
27
53
55
3M
PE
L3
L2
L1
PA4
GND
0 – 3.3V
+24V
20COM DI
COM AI
AI
STM32
INVERTER
DANFOS
L1 L2 L3 PE

Đề tài: Điều khiển hệ phi tuyến dùng giải thuật thông minh, 9đ

Đề tài: Điều khiển hệ phi tuyến dùng giải thuật thông minh, 9đ

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (20)

Similar to Đề tài: Điều khiển hệ phi tuyến dùng giải thuật thông minh, 9đ

Similar to Đề tài: Điều khiển hệ phi tuyến dùng giải thuật thông minh, 9đ (20)

More from Dịch vụ viết bài trọn gói ZALO: 0909232620

More from Dịch vụ viết bài trọn gói ZALO: 0909232620 (20)

Recently uploaded

Recently uploaded (20)

Đề tài: Điều khiển hệ phi tuyến dùng giải thuật thông minh, 9đ