Luận văn Thạc sỹ - Đề tài Nghiên cứu hệ thống có trễ (Two - Degree - of - freedom - control) và sự kết hợp Two - Degree - of - freedom - control và STR

Hệ thống có trễ thường xuất hiện trong các lĩnh vực kỹ thuật như mạng lưới truyền thông, quy trình trao đổi chất hay hệ thống điều khiển từ xa, … Tính trễ là một thuộc tính của các hệ thống vật lý, thể hiện ở việc đáp ứng của hệ thống chậm hơn so với những tác động đặt lên nó. Hệ thống có thể có nhiều dạng trễ khác nhau, đó có thể là trễ ở ngõ vào, trễ ở ngõ ra hay trễ ở các biến trạng thái. Tính trễ có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng của hệ thống, thời gian trễ càng lớn thì ảnh hưởng của khâu trễ lên hệ thống càng cao. Vì vậy, so với các hệ thống không có tính trễ thì việc thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống có trễ là một vấn đề phức tạp hơn hẳn, thời gian gần đây hệ thống có trễ nhận được nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu và đã có các công trình nghiên cứu liên quan nhằm thiết kế những bộ điều khiển cho hệ thống có trễ.Một trong những đối tượng có trễ phổ biến là hệ quạt gió tấm phẳng, thời gian trễ chính là khoảng thời gian luồng gió chuyển động từ quạt đến tấm phẳng. Nếu khoảng cách giữa quạt gió và tấm phẳng càng lớn thì thời gian trễ càng cao.

LUẬN VĂN THẠC SỸ

ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG CÓ TRỄ (TWO

– DEGREE –OF – FREEDOM – CONTROL) VÀ SỰ KẾT HỢP TWO – DEGREE –OF – FREEDOM – CONTROL

VÀ STR.

Thành phô Hồ Chí Minh

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Đặt vấn đề

Hệ thống có trễ thường xuất hiện trong các lĩnh vực kỹ thuật như mạng lưới truyền thông,quy trình trao đổi chất hay hệ thống điều khiển từ xa, … Tính trễ là một thuộc tính củacác hệ thống vật lý, thể hiện ở việc đáp ứng của hệ thống chậm hơn so với những tácđộng đặt lên nó Hệ thống có thể có nhiều dạng trễ khác nhau, đó có thể là trễ ở ngõ vào,trễ ở ngõ ra hay trễ ở các biến trạng thái Tính trễ có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượngcủa hệ thống, thời gian trễ càng lớn thì ảnh hưởng của khâu trễ lên hệ thống càng cao

Vì vậy, so với các hệ thống không có tính trễ thì việc thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống

có trễ là một vấn đề phức tạp hơn hẳn, thời gian gần đây hệ thống có trễ nhận được nhiều

sự quan tâm của các nhà nghiên cứu và đã có các công trình nghiên cứu liên quan nhằmthiết kế những bộ điều khiển cho hệ thống có trễ

Một trong những đối tượng có trễ phổ biến là hệ quạt gió tấm phẳng, thời gian trễ chính

là khoảng thời gian luồng gió chuyển động từ quạt đến tấm phẳng Nếu khoảng cách giữaquạt gió và tấm phẳng càng lớn thì thời gian trễ càng cao

Hình 1.1: Mô hình quạt gió tấm phẳng

Sau khi nghiên cứu sẽ áp dụng vào mô hình thật là hệ quạt gió tấm phẳng vì đây là hệthống có tính trễ ở ngõ vào rất cao, thời gian trễ lớn và là đối tượng tiêu biểu của hệthống có trễ Mục tiêu là điều khiển ổn định góc nghiêng của tấm phẳng và bám theo tínhiệu đặt mong muốn.

1.2 Các công trình nghiên cứu liên quan

Hệ thống có trễ là vấn đề đang được sự quan tâm từ nhiều nhà nghiên cứu trên thế giớinên có khá nhiều bài báo khoa học liên quan đến đề tài này, nhiều phương pháp và giảithuật điều khiển khác nhau được các tác giả áp dụng vào hệ thống có trễ Các bài viết tậptrung vào những nội dung sau:

 Điều khiển bền vững hệ thống phi tuyến không ổn định có trễ Các tài liệu thamkhảo số [13], [14], [15]

- Đối tượng được khảo sát là các hệ thống phi tuyến có trễ, nhiều phương phápkhác nhau được áp dụng để điều khiển bền vững hệ thống như điều khiển trượt,

sử dụng hệ mờ, …

- Tuy nhiên các bài báo chỉ thực hiện ổn định bền vững các biến trạng thái tạikhông mà không xây dựng thuật toán điều khiển để đáp ứng của đối tượng bámtheo tín hiệu đặt mong muốn

- Kết quả đạt được:

Hình 1.2: Đáp ứng của hệ thống với phương pháp điều khiển bền vững

 Điều khiển thích nghi hệ thống phi tuyến không ổn định có trễ Các tài liệu thamkhảo số [9], [10], [11], [12].

- Các bài báo thực hiện trên đối tượng phi tuyến không ổn định có trễ, đối tượngkhảo sát có phương trình trạng thái tổng quát Với điều kiện ban đầu kháckhông, các biến trạng thái sẽ tiến về không sau một thời gian ngắn

- Cũng như các tài liệu về điều khiển bền vững ở trên, các bài báo chỉ thực hiện

ổn định hóa các biến trạng thái tại không mà không xây dựng bộ điều khiển đểngõ ra hệ thống bám theo tín hiệu đặt mong muốn

- Kết quả đạt được:

Hình 1.3: Đáp ứng của hệ thống với phương pháp điều khiển thích nghi

 Sử dụng phương pháp Smith Predictor điều khiển hệ thống tuyến tính có trễ Cáctài liệu tham khảo số [16], [17], [18]

- Smith Predictor là bộ điều khiển được thiết kế cho các hệ thống có trễ, bộ điềukhiển có cấu trúc đơn giản nhưng hiệu quả cao Với đối tượng khảo sát là các

hệ thống tuyến tính có trễ, Smith Predictor có thể điều khiển ngõ ra đối tượngbám theo tín hiệu đặt mong muốn và khử nhiễu

- Kết quả đạt được:

Hình 1.4: Đáp ứng của hệ thống với phương pháp điều khiển Smith Predictor

 Thiết kế các bộ điều khiển cho hệ thống tuyến tính không ổn định có trễ Các tàiliệu tham khảo số [7], [8]

- Bài báo trình bày việc thiết kế mô hình điều khiển cho hệ thống tuyến tínhkhông ổn định có trễ, như phương pháp điều khiển Two-degree-of-freedom-control (được phát triển từ phương pháp Smith Predictor) và phương pháp điềukhiển mô hình nội, với khả năng điều khiển hệ thống bám theo tín hiệu đặtmong muốn và chống nhiễu cao

- Kết quả đạt được:

Hình 1.5: Đáp ứng của hệ thống với phương pháp điều khiển Two-degree-of-freedom-control

1.3 Phạm vi nghiên cứu

Hệ thống có trễ là một đề tài nghiên cứu mới và việc thiết kế bộ điều khiển cho đối tượng

có trễ sẽ khó khăn hơn các hệ thống không có tính trễ, các tài liệu tham khảo cũng cónhững khuyết điểm nhất định Sau một thời gian tìm hiểu, học viên quyết định chọn bộđiều khiển Two-degree-of-freedom-control làm đối tượng nghiên cứu Dựa vào lý thuyết

bộ điều khiển Two-degree-of-freedom-control, học viên sẽ áp dụng để điều khiển một đốitượng thật, cụ thể là hệ quạt gió tấm phẳng, và chứng minh được rằng hệ thống với bộđiều khiển sẽ đảm bảo tính ổn định

Các mục tiêu chính của đề tài bao gồm:

- Tìm hiểu và nghiên cứu các phương pháp điều khiển hệ thống có trễ, tập trung

vào phương pháp Two-degree-of-freedom-control.

- Kết hợp bộ điều khiển Two-degree-of-freedom-control với bộ điều khiển Tự

- Tổng kết, báo cáo và so sánh các kết quả đạt được

Trên cơ sở kết quả thu được từ mô phỏng và điều khiển thực nghiệm mô hình quạt giótấm phẳng, học viên sẽ tiến hành phân tích ưu khuyết điểm của các phương pháp điềukhiển để đưa ra phương pháp cải tiến nhằm đạt được bộ điều khiển tốt hơn

1.4 Tóm lược nội dung luận văn

Luận văn gồm 5 chương với cấu trúc như sau:

Chương 1: Giới thiệu tổng quan về hệ thống có trễ và các công trình nghiên cứu liên

quan, phân tích các ưu khuyết điểm của các giải thuật điều khiển cho hệ thống có trễ Từ

đó chọn ra bộ điều khiển được cho là tốt nhất đó là Two-degree-of-freedom-control đểtiến hành nghiên cứu và phát triển, sau đó sẽ áp dụng vào hệ quạt gió tấm phẳng để kiểmchứng

Chương 2: Trình bày chi tiết lý thuyết của bộ điều khiển

degree-of-freedom-control Từ đó nhận ra được khuyết điểm của bộ điều khiển, đó là bộ điều khiển degree-of-freedom-control được xây dựng dựa trên hàm truyền của đối tượng Nhưngthực tế ta không thể xác định được chính xác hàm truyền của hệ thống, cụ thể là mô hìnhquạt gió tấm phẳng, nên cũng không thể áp dụng bộ điều khiển vào đối tượng thật Đểkhắc phục khuyết điểm này, một giải pháp được đưa ra là chúng ta sẽ kết hợp bộ điều

Two-khiển Two-degree-of-freedom-control với bộ điều Two-khiển tự chỉnh định STR Bộ điều

khiển STR có nhiệm vụ cập nhật các thông số của mô hình toán của đối tượng, sau đó

đưa các thông số này vào bộ điều khiển Two-degree-of-freedom-control nhằm tạo ra tín

hiệu điều khiển chính xác cho đối tượng hoạt động đúng yêu cầu đặt ra

Chương 3: Tiến hành kết hợp 2 bộ điều khiển Two-degree-of-freedom-control và STR

lại với nhau Tuy nhiên, do bộ điều khiển STR được xây dựng ở miền rời rạc z trong khi

bộ điều khiển Two-degree-of-freedom-control lại được xây dựng ở miền liên tục s Vìvậy, trước tiên ta sẽ xây dựng lại bộ điều khiển Two-degree-of-freedom-control ở miền z,sau đó sẽ tiến hành xây dựng bộ điều khiển kết hợp và áp dụng vào hệ quạt gió tấmphẳng Nội dung tiếp theo sẽ trình bày sơ đồ mô phỏng Matlab/Simulink đã xây dựng cho

hệ thống

Chương 4: Sau khi đã có sơ đồ mô phỏng hoàn chỉnh, ta sẽ tiến hành thi công mô hình

quạt gió tấm phẳng và áp dụng bộ điều khiển ở Chương 3 vào mô hình thật Cấu trúc môhình quạt gió cánh phẳng và bộ điều khiển sẽ được trình bày trong chương này

Chương 5: Nội dung Chương 5 trình bày chi tiết các kết quả đạt được từ quá trình mô

phỏng và thực nghiệm Từ đó sẽ có được những đánh giá chính xác về độ tin cậy cũngnhư chất lượng của bộ điều khiển, và đưa ra hướng phát triển để hoàn thiện hơn nữa bộđiều khiển

Two-Sau khi đã tìm hiểu toàn bộ về lý thuyết bộ điều khiển Two-degree-of-freedom-control, tatiến hành áp dụng vào mô hình thật là hệ quạt gió tấm phẳng Lúc này ta sẽ nhận ra thuậttoán có một khuyết điểm lớn, đó là bộ điều khiển Two-degree-of-freedom-control đượcxây dựng dựa trên hàm truyền của đối tượng Nhưng thực tế chúng ta không thể xác địnhđược chính xác hàm truyền của hệ thống, cụ thể là mô hình quạt gió tấm phẳng, nên cũngkhông thể xây dựng bộ điều khiển chính xác.

Từ khuyết điểm đó, ta sẽ tiến hành kết hợp bộ điều khiển

Two-degree-of-freedom-control với bộ điều khiển tự chỉnh định STR Bộ điều khiển tự chỉnh định STR có

nhiệm vụ tự xác định mô hình toán của đối tượng, sau đó cập nhật các thông số của mô

hình toán hệ thống vào bộ điều khiển Two-degree-of-freedom-control nhằm tạo ra tín

hiệu điều khiển chính xác cho đối tượng hoạt động đúng yêu cầu đặt ra

Nội dung chương này sẽ trình bày về lý thuyết của 2 bộ điều khiển là bộ điều khiển tựchỉnh định STR và bộ điều khiển cho hệ thống có trễ Two-degree-of-freedom-control

2.2 Bộ điều khiển thích nghi tự chỉnh định STR

Để thiết kế được bộ điều khiển cho một đối tượng cụ thể thì cần phải có mô hình toán học

mô tả đối tượng đó Chẳng hạn đối với đối tượng có một tín hiệu vào, một tín hiệu ra thì

mô hình toán học thông dụng nhất là hàm truyền có dạng

1 1 1 1

( )

m m n n

mô hình vẫn còn được giữ nguyên

Điều này trong thực tế chỉ là lý tưởng, các mô hình toán đều chứa một sai lệch nhất định

so với đối tượng thật và trong quá trình làm việc, đối tượng cũng tự thay đổi, làm cho sailệch giữa mô hình và đối tượng càng lớn, dẫn đến độ sai lệch chất lượng so với chỉ tiêuthiết kế càng nhiều

Một bộ điều khiển trong quá trình làm việc có khả năng tự xác định lại mô hình toán học

mô tả đối tượng và tự chỉnh định lại bản thân nó cho phù hợp với sự thay đổi của đối

tượng được gọi là bộ điều khiển thích nghi tự chỉnh định STR.

Bộ điều khiển thích nghi tự chỉnh định đơn giản nhất là bộ thích nghi tự chỉnh tham số,

nó không thay đổi cấu trúc bộ điều khiển mà chỉ xác định lại các tham số ai (i = 1,2,…,n)

và bj (j = 1,2,…,m) của mô hình đối tượng để từ đó tự chỉnh định lại các tham số điềukhiển của chính mình cho phù hợp Nguyên tắc điều khiển STR được xếp vào nhóm điềukhiển thích nghi gián tiếp vì tham số bộ điều khiển được hiệu chỉnh gián tiếp qua kết quảcủa cơ cấu nhận dạng

Hình 2.1: Cấu trúc chung của bộ điều khiển STR

Sau đây ta sẽ xây dựng các công thức ước lượng trực tuyến thông số hàm truyền rời rạccủa đối tượng

Ta có:

1 1 1 1

( )( )

m m n n

φ(k) = [-y(k-1) … -y(k-n) u(k-1) … u(k-m)]T

Tham số ai, bj của G(z)

Xác định tham

số bộ điều khiển

Nhận dạng đối tượng

Thuật toán ước lượng bình phương tối thiểu đệ quy:

ˆ( ) ˆ( 1) ( ) ( )

ˆ( ) ( ) ( ) ( 1)

( 1) ( )( )

2.3 Bộ điều khiển Two-degree-of-freedom-control

Bộ điều khiển có thể áp dụng cho hệ thống có trễ và không ổn định, điều khiển hệ thốngbám theo tín hiệu đặt mong muốn và có khả năng khử nhiễu Nguyên lý hoạt động cơ bảncủa bộ điều khiển như sau: trước tiên, bộ điều khiển tỉ lệ hoặc bộ điều khiển vi phân-tỉ lệthông thường được sử dụng để ổn định hệ thống, sau đó bộ điều khiển bám được xâydựng dựa trên tiêu chuẩn tối thiểu bình phương sai số ISE (Integral-Squared-Error) giúp

hệ thống đạt được giá trị đặt mong muốn

Cấu trúc của bộ điều khiển như sau:

Hình 2.2: Bộ điều khiển Two-degree-of-freedom-control

Trong đó:

di f

y

do

+ +

– –

+

F

G C

G mo

- GP: mô hình của đối tượng

- Gmo: thành phần không phụ thuộc tính trễ của mô hình Gp

- C: bộ điều khiển bám theo tín hiệu đặt

- F: bộ ước lượng nhiễu

CG H

Không làm mất đi tính tổng quát của bộ điều khiển, ta khảo sát đối tượng có hàm truyền

cụ thể như sau:

( )

1

s P

C

ke C

2.3.2 Bộ điều khiển bám theo tín hiệu đặt C

Chuẩn ISE - min được sử dụng để thiết kế bộ điều khiển C, nghĩa là phải đạt được

2 2

min W s( )(1  H s r( ))

Với W(s) có thể được chọn là 1/s khi ngõ vào là hàm step

Ta khảo sát đối tượng có hàm truyền:

( )

1

s P

( )( )

( 1) ( )

vv vv

2 2

2

2

( ) ( )1

( )(1 ( )) 1

vv r

Theo tính trực giao của chuẩn H2:

2 2

( ) ( ) 1 ( ) ( )(1 ( ))

do do

P

y H

P

FG f

Dựa vào tiêu chuẩn tối ưu H2 của lý thuyết mô hình nội, hàm bù nhạy có dạng như sau:

1

1 ( )

( 1)

m i i

s i

λf: thông số điều chỉnh được

l: bậc tương đối của hệ thống.

m: số cực của hệ thống

ai được xác định từ phương trình (2.18) và (2.19)

Từ đó ta có bộ ước lượng nhiễu:

1.1

d

T F

1( )

( 1)

s d

1

( 1)

s s

f

a s

e s

Bộ ước lượng nhiễu:

1 2 1

( 1)( 1)( )

Do đó F sẽ có dạng F(s) = M(s)/s, tiến hành khai triển Maclaurin

( ) 2

i i

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG

QUẠT GIÓ TẤM PHẲNG

3.1 Mô hình hóa hệ thống quạt gió tấm phẳng

3.1.1 Mô tả cấu tạo phần cứng

Hình 3.1: Mô hình hệ quạt gió tấm phẳng

Hệ thống gồm 1 quạt (Fan) và 1 tấm phẳng (Plate) nhẹ có khả năng xoay quanh trục cốđịnh, quạt là động cơ DC 24V được điều khiển thông qua mạch cầu H bằng phương pháp

PWM Tín hiệu hồi tiếp về là góc quay tấm phẳng, góc quay được xác định bằng encoder,trục encoder trùng với trục quay của tấm phẳng.

3.1.2 Mô hình toán học

Sau khi tìm hiểu lý thuyết về các bộ điều khiển cho hệ thống có trễ, ta tiến hành mô hìnhhóa đối tượng quạt gió tấm phẳng nhằm mục đích xây dựng sơ đồ Matlab/Simulink vàkiểm tra chất lượng của các bộ điều khiển bằng phương pháp mô phỏng

Hình 3.2: Các thông số vật lý của hệ thống

Xét hệ thống quạt gió tấm phẳng với các thông số vật lý như sau:

θ

FM.g

Xét phương trình Euler – Lagrange có dạng như sau:

P : năng lượng tiêu hao

q : tọa độ theo từng biến Với hệ thống quạt gió tấm phẳng thì q chính là gócnghiêng θ

Xét các thành phần sau :

- Động năng của tấm phẳng :

212

(3.6)

sin( )2

f : hàm phi tuyến tượng trưng cho cánh quạt

Ta thu được phương trình vi phân đặc trưng cho hệ thống quạt gió tấm phẳng như sau :

1

sin( ) ( ( ))2

(3.12)

3.2 Thiết kế bộ điều khiển ứng dụng trong mô hình quạt gió tấm phẳng

Lý thuyết về bộ điều khiển Two-degree-of-freedom-control chỉ được xây dựng cho hệthống có hàm truyền xác định và không thay đổi trong suốt quá trình làm việc Như đã

trình bày ở Chương 2, ta không xác định được chính xác hàm truyền của hệ thống và các

thông số trong hàm truyền sẽ thay đổi theo điều kiện làm việc

Để khắc phục khuyết điểm này, ta sẽ kết hợp bộ điều khiển control và bộ điều khiển thích nghi tự chỉnh định STR lại với nhau Bộ điều khiển STR sẽcập nhật liên tục thông số của hệ thống, từ đó đưa về bộ điều khiển Two-degree-of-freedom-control để đưa ra tín hiệu điều khiển chính xác

Two-degree-of-freedom-Tuy nhiên, bộ điều khiển STR được xây dựng ở miền rời rạc z trong khi bộ điều khiểnTwo-degree-of-freedom-control lại được xây dựng ở miền liên tục s Vì vậy, trước tiên ta

sẽ xây dựng lại bộ điều khiển Two-degree-of-freedom-control ở miền rời rạc z, sau đó sẽtiến hành kết hợp 2 bộ điều khiển

3.2.1 Hàm truyền hệ quạt gió tấm phẳng ở miền z

Để xây dựng được bộ điều khiển cho hệ thống quạt gió tấm phẳng ở miền rời rạc z, trướctiên ta phải có hàm truyền của hệ ở miền z

Phương trình toán hệ quạt gió tấm phẳng:

1

sin( ) ( ( ))2

Gần đúng quan hệ giữa lực gió F và điện áp vào u của quạt bằng một hàm tuyến tính :

f(u(t – τs – 1 + k.G)) = K.u(t – τs – 1 + k.G) (3.13)Phương trình vi phân trở thành :

3.2.2 Xây dựng bộ điều khiển Two-degree-of-freedom-control ở miền z

Cấu trúc của bộ điều khiển như sau:

Hình 3.3: Cấu trúc bộ điều khiển ở miền z

Trong đó:

- GP: mô hình của đối tượng

di f

y

do

+ +

– –

+

F

G C

G mo

- Gmo: thành phần không phụ thuộc tính trễ của mô hình Gp.

- C: bộ điều khiển bám theo tín hiệu đặt

- F: bộ ước lượng nhiễu

a Bộ điều khiển ổn định G C

Hàm truyền hệ kín:

0

1 ( ) ( ) ( ) ( )

( )

1 ( ) ( ) 1 ( ) ( )

k mo P

1 ( ) ( )

P r

1 ( )

k r

Xét chuẩn Routh-Hurwith mở rộng, thay 1

1

w z

Vì quạt gió tấm phẳng là hệ ổn định nên ta có:

Chuẩn ISE - min được sử dụng để thiết kế bộ điều khiển C

Nghĩa là phải đạt được

 khi ngõ vào là hàm step

Ta đã có hàm truyền hệ quạt gió tấm phẳng:

vv

vv P

Như lý thuyết về bộ điều khiển Two-degree-of-freedom-control cho hệ liên tục đã giới

thiệu ở Chương 2, ta chọn bộ ước lượng nhiễu F có dạng như bộ điều khiển PID:

3.2.3 Bộ điều khiển thích nghi tự chỉnh định STR cho hệ quạt gió tấm phẳng

Hàm truyền hệ quạt gió tấm phẳng:

0

( )( )

( ) 1

k P

bộ điều khiển Two-degree-of-freedom-control

Từ hàm truyền của hệ ta suy ra:

φ(k) = [-y(k-1) -y(k-2) u(k-k0)]T

θ = [a1 a2 K]T

Thuật toán ước lượng bình phương tối thiểu đệ quy:

ˆ( ) ˆ( 1) ( ) ( )

ˆ( ) ( ) ( ) ( 1)

( 1) ( )( )

3.3 Mô phỏng Matlab – Simulink

Dựa vào cơ sở lý thuyết đã trình bày như trên, ta xây dựng được bộ điều khiển hoànchỉnh cho hệ thống quạt gió tấm phẳng với sơ đồ như sau:

Hình 3.4: Chương trình mô phỏng hệ quạt gió tấm phẳng

Ý nghĩa của các khối trong chương trình mô phỏng:

- Khối Fan and Plate: chứa mô hình toán của hệ quạt gió tấm phẳng

Hình 3.5: Mô hình toán hệ quạt gió tấm phẳng

Các thông số vật lý của hệ thống trong sơ đồ Simulink được chọn tương đương với môhình thật:

- Khối lượng tấm phẳng: M = 0,1 kg

- Chiều dài tấm phẳng: l = 0,3 m.

- Chiều ngang tấm phẳng: a = 0,2 m

- Hệ số ma sát ở trục quay: b = 0,01

- Hệ số tỉ lệ giữa lực gió và điện áp cấp vào motor: k = 0,0025

- Thời gian lấy mẫu: Ts = 10 ms

- Thời gian trễ: 10 chu kỳ

- Khối STR estimation: chính là bộ ước lượng trực tuyến các thông số của hàm truyền

hệ quạt gió tấm phẳng

Hình 3.6: Bộ ước lượng STR

- Khối Gc: Bộ điều khiển ổn định của Two-degree-of-freedom-control, với GC = K

- Khối G_mo: mô hình toán không phụ thuộc tính trễ, 2 1

dựng Các kết quả mô phỏng thu được sẽ được trình bày chi tiết ở Chương 5 cùng với

các kết quả từ thực nghiệm, giúp đọc giả có thể rút ra được những so sánh về kết quả môphỏng và thực nghiệm đạt được

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM

4.1 Mô hình cơ khí

Đây là mô hình hệ quạt gió tấm phẳng được sử dụng trong luận văn:

Hình 4.1: Mô hình quạt gió tấm phẳng

Mô hình hệ quạt gió tấm phẳng gồm các phần chính như sau:

Quạt Khối kẹp

Encoder Tấm

phẳng

a Quạt: Là động cơ DC 24V được điều khiển thông qua mạch cầu H bằng phương pháp

điều rộng xung PWM, có nhiệm vụ tạo lực gió tác động lên tấm phẳng

b Tấm phẳng: Được làm từ mica, có khối lượng nhẹ, có khả năng xoay quanh trục cố

định nhờ 2 bạc đạn gắn ở 2 thanh đỡ

c Encoder: Có nhiệm vụ đưa tín hiệu đo góc nghiêng của tấm phẳng về mạch điều

khiển, trục của encoder trùng với trục quay của tấm phẳng Mô hình sử dụng encoder loạiE6B2-CWZ6C của OMRON, với độ phân giải 360 xung/vòng trên 2 kênh tín hiệu A và Blệch nhau 900 Sử dụng chức năng Quadrature-count của khối đọc encoder eQEP trong

DSP, ta sẽ nhân độ phân giải lên 4 lần, tương ứng với 1440 xung/vòng.

d Khối kẹp: Được ốp trực tiếp vào trục quay của tấm phẳng, dùng để thay đổi ma sát ở

trục quay, tương ứng với ta thay đổi thông số vật lý b Khối kẹp được siết chặt hay thảlỏng sẽ tương ứng với ma sát lớn hay nhỏ Nhờ khối kẹp mà ta có thể kiểm tra bộ điềukhiển cho mô hình quạt gió tấm phẳng có hoạt động tốt khi thông số b bị thay đổi haykhông

4.2 Các mạch điện tử

a Vi điều khiển: Sử dụng board DSP 320F28335 dùng jtag 110USB của hãng Texas

Instrument DSP sẽ nhận tín hiệu từ encoder để xác định được góc nghiêng của tấmphẳng, từ đó bộ điều khiển sẽ tính ra điện áp cấp cho quạt gió và xuất xung PWM để điềukhiển motor

Hình 4.2: DSP 320F28335

b Mạch điều khiển: Có nhiệm vụ cấp nguồn 5V cho DSP hoạt động, đồng thời đưa tín

hiệu từ encoder về DSP và xung PWM từ DSP ra mạch công suất Mạch còn sử dụng ICchuyển mức 5V – 3V3 74LVC1T45 để đưa tín hiệu từ encoder về mức 3V3 và cấp vàoDSP

Hình 4.3: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển

c Mạch công suất: Sử dụng mạch cầu H để điều khiển tốc độ động cơ DC, qua đó điều

chỉnh góc nghiêng của tấm phẳng

Hình 4.4: Sơ đồ nguyên lý mạch công suất

4.3 Phần mềm – Lưu đồ giải thuật

Chương trình điều khiển trong luận văn không được viết trực tiếp bằng code C mà tậndụng thư viện Target for TI C2000 được tích hợp sẵn trong thư viện Simulink của Matlabliên kết với Code Compose Studio của TI Điều này cho phép người dùng dịch chươngtrình Simulink sang ngôn ngữ C rồi chuyển sang ngôn ngữ máy nạp cho vi điều khiển Nhìn chung, mô hình thực của hệ quạt gió tấm phẳng là một hệ gồm tấm phẳng quay tự

do quanh 1 trục cố định, một motor có gắn cánh quạt tạo ra lực gió tác động lên tấmphẳng, góc nghiêng của tấm phẳng sẽ được phản hồi về qua chuỗi xung encoder Để dễhình dung, ta có mô hình tổng quát của hệ thống như sau:

Hình 4.5: Nguyên lý hoạt động của mô hình

MCU: mạch điều khiển dùng DSP TMS320F28335, mạch điều khiển nhận tín hiệu từencoder, điều khiển điện áp của động cơ quạt gió theo phương thức PWM

Máy tính: giao tiếp với MCU thông qua chuẩn RS232, hiển thị tín hiệu đặt và đáp ứngbằng giao diện VB

Bộ điều khiển cho mô hình