Thiết kế chế tạo bộ điều khiển PID ghép nối giữa máy tính và vi điều khiển PSoC dùng cho động cơ robot di động

L IăCAMă OAN Tôiăđưăth căhi năđ ătàiălu năv năt tănghi p v iătênăđ ătàiălà:“Thi tăk ăch ăt oăb ă đi uăkhi năPIDăghépăn iăgi aămáyătínhăvƠăviăđi uăkhi năPSoCădùngăchoăđ ngă c ărobotădiăđ

IăH CăQU CăGIAăHĨăN I

N guy năNg căH i

THI TăK ăCH ăT OăB ă I UăKHI NăPIDăGHÉP

N IăGI AăMÁYăTệNHăVÀăVIă I UăKHI NăPSoCăă DÙNG CHOăă NGăC ăROBOTăDIă NG

LU NăV NăTH CăS

HàăN iă- 2008

IăH CăQU CăGIAăHĨăN I

Nguy năNg căH i

THI TăK ăCH ăT OăB ă I UăKHI NăPIDăGHÉPă

N IăGI AăMÁYăTệNHăVÀăVIă I UăKHI NăPSoCăă

Ngành : Côngăngh i năt -Vi năthông Chuyênăngành:ăK ăthu tă i năt

Mưăs :ă60 52 70

LU NăV NăTH CăS

PGS TS Tr năQuangăVinh

HàăN iă- 2008

L IăCAMă OAN

Tôiăđưăth căhi năđ ătàiălu năv năt tănghi p v iătênăđ ătàiălà:“Thi tăk ăch ăt oăb ă

đi uăkhi năPIDăghépăn iăgi aămáyătínhăvƠăviăđi uăkhi năPSoCădùngăchoăđ ngă

c ărobotădiăđ ng”.ăTôiăxinăcamăđoanăr ngăn iădungăđ căvi tătrongălu năv nălàă

hoànătoànătrungăth c,ăcácătàiăli uăthamăkh oăđ yăđ ăvàăcóăngu năg cărõăràng.ăN uă

có gì sai tôi xinăch uăhoànătoànătráchănhi m

Hà N i 10/2008

Nguy năNg căH i

M CăL C Trangăbìaăph

L iăcamăđoan

M căl c

D anhăm căcácăhìnhăv

1.2.1 Nguyênăt căgi ă năđ nh 4 1.2.2 Nguyênăt căđi uăkhi nătheoăch ngătrình 5

1.4.1 Ph ngătrìnhăviăphânăc aăcácăh ăth ngăv tălý 6 1.4.2 X păx ătuy nătínhăc aăcácăh ăth ngăv tălý 8 1.4.3 Phépăbi năđ iăLaplace 9 1.4.4 Hàmătruy năđ t c aăcácăh ăth ngătuy nătính 10 1.4.5 Ph ngătrìnhătr ngăthái 10

1.5.1 ánhăgiáăch tăl ngă ăch ăđ ăxácăl pă 11 1.5.2 ánhăgiáăch tăl ngă ăquáătrìnhăquáăđ 12

1.6 Nơngăcaoăch tăl ngăh ăth ngăđi uăkhi n 13

1.6.1 Hi uăch nhăs măphaăLead 13 1.6.2 Hi uăch nhătr ăphaăLeg 14 1.6.3 Hi uăch nhătr -s măphaăLeg-Lead 14 1.6.4 i uăkhi năt ăl ăP 15 1.6.5 i uăkhi năT ăl ă- Tích phân PI 15 1.6.6 i uăkhi năT ăl ă- Vi phân PD 16

1.6.7 i uăkhi năT ăl ă- Tích phân ậ Vi phân PID 16

Ch ngă2- NGăC ăM TăCHI UăVÀăNGUYểNăT Că I UăKHI Nă PID CHO NGăC ăM TăCHI U 18 2.1 C uăt oăvƠănguyênălýăho t đ ngăc aăđ ngăc ăm tăchi u 18

2.1.1 Gi iăthi uăv ăđ ngăc ăm tăchi u 18 2.1.2 C uăt oăđ ngăc ăm tăchi u 19 2.1.3 Nguyênălýălàmăvi căc aăđ ngăc ăm tăchi u 20 2.1.4 Phânălo iăđ ngăc ăm tăchi u 20 2.1.5 Côngăsu tăđi năt ăvàămomentăđi năt 21

2.2 Nguyênălýăđi uăkhi năđ ngăc ăm tăchi u 22

2.2.1 ngăc ăm tăchi uăđi uăkhi nădòngăđi năc aăph nătr ng 23 2.2.2 ngăc ăm tăchi uăđi uăkhi năb iăph nă ng 24

2.3.1 B ăđi uăkhi năPID 26 2.3.2 S ăđ ăđi uăkhi năPID 26 2.3.3 i uăkhi nămôăt ăm tăchi uătheoălu tăPID 28

Ch ngă3-XỂYăD NGăB ă I UăKHI NăPIDă NGăD NGăCHOă

3.1 Thi tăk ăh ăth ngăđi uăkhi năđ ngăc ăchoărobotădiăđ ng 31

3.1.1 ngăc ăs ăd ngăchoărobotădiăđ ng 31 3.1.2 S ăđ ăh ăth ngăđ ngăc ăchoărobotădiăđ ng 31 3.1.3 Nguyênălýăđi uăkhi năđ ngăc ăb ngăm chăc uăH 32 3.1.4 Thi tăk ăm chăc uăHăđi uăkhi năđ ngăc ăb ngăviăm chăL289 33

3.2 Xơyăd ngăb ăđi uăkhi năPIDăchoăđ ngăc ăv iăviăđi uăkhi năPSoC

3.2.1 S ăl căv ădòngăviăđi uăkhi năPSoC 35

3.2.2 Thi tăk ăb ăđi uăkhi năđ ngăc ăb ngăcácăxungăđi năcó đ ăr ng

3.2.3 C uăt oăvàănguyênăt căho tăđ ngăc aăb ăl pămư đ ngăc ă

3.2.4 Thi tăk ăb ăxácăđ nhăt căđ ăvàăchi uăquayăđ ngăc ăb ngă

3.2.5 S ăđ ăb ăđi uăkhi năPIDăđi uăkhi năđ ngăc 42 3.2.6 Gi iăthu tăPIDăđi uăkhi năt căđ ăđ ngăc ătrongăth căt 42

3.3 Thi tăk ăch ngătrìnhăgiaoăti pătruy năthamăs ăchoăviăđi u

3.3.1 Ch ngătrìnhătruy năthamăs ăđi uăkhi năchoăb ăđi uăkhi năPID 46

3.3.2 Truy năn iăti păkhôngăđ ngăb ătheo chu năRS232 47

4.2 M tăs ăk tăqu ăkh oăsátăquáătrìnhăđi uăkhi năPIDă ngăd ngăchoă

4.2.1 Kh oăsátătínăhi uăPWMăđi uăkhi nămô-t 49 4.2.2 Kh oăsátăquáătrìnhăđi uăkhi năb ăPIDă ngăd ngăchoăđi uăkhi nă

PH ăL CăC - Mƣăngu năcácăch ngătrìnhăs ăd ngătrongălu năv n 60

DANHăM CăCÁCăHÌNHăV Hình 1.1 S đ c a h th ng đi u khi n

Hình 1.2.a Ph ng pháp bù tác đ ng bên ngoài

Hình 1.2.b Ph ng pháp đi u khi n theo sai l ch

Hình 1.2.b Ph ng pháp h n h p

Hình 1.3 H th ng lò xo – v t c n

Hình 1.4 H RLC

Hình 1.5 H th ng g m m đ u vào và r đ u ra

Hình 1.6 S đ m t h th ng đi u khi n vòng kín

Hình 1.7 Các tiêu chí đánh giá ch t l ng đi u khi n trong quá trình quá đ

Hình 1.8 c tính logarit c a hi u ch nh s m pha (K = 1, T = 0.1, a = 5)

Hình 1.9 c tính logarit c a hi u ch nh tr pha (K = 1, T = 0.1, a = 5)

Hình 1.10 c tính logarit c a đi u khi n PI (K = 1, Ti = 0.1)

Hình 1.11 c tính logarit c a đi u khi n PD (K = 1, Td = 10)

Hình 1.12 c tính logarit c a đi u khi n PID

Hình 2.1 M t s lo i đ ng c m t chi u trong th c t

Hình 2.2 C u t o c a đ ng c m t chi u

Hình 2.3 C u t o Roto đ ng c đi n m t chi u

Hình 2.4 S đ nguyên lý làm vi c c a đ ng c đi n m t chi u

Hình 2.5 S đ c a đ ng c m t chi u

Hình 2.6 Mô hình s đ kh i c a đ ng c đi u khi n b i ph n tr ng

Hình 2.7 Mô hình s đ kh i c a đ ng c đi u khi n b i ph n ng

Hình 2.8 Minh h a tác d ng c a đi u khi n P

Hình 2.9 Minh h a tác d ng c a đi u khi n I

Hình 2.10 Minh h a tác d ng c a đi u khi n D

Hình 2.11 S đ b đi u khi n PID

Hình 2.12 S đ đi u khi n t c đ mô-t m t chi u có m c t i

Hình 2.13 S đ kh i c a h đi u khi n v trí tr c quay mô-t

Hình 3.1 Môt s d ng cho robot di đ ng

Hình 3.2 S đ h th ng đ ng c cho robot di đ ng

Hình 3.3 S đ m ch c u H đi u khi n motor

Hình 3.5 N i song song hai m ch c u H c a vi m ch L289N

Hình 3.6 M ch b o v cho vi m ch L289N

Hình 3.7 M ch nguyên lý đi u khi n đ ng c

Hình 3.8 S đ c u trúc vi đi u khi n PsoC

Hình 3.9 Tín hi u PWM đi u khi n t c đ môt

Hình 3.10 C u t o và tín hi u c a b gi i mã quang đ n kênh

Hình 3.11 C u t o và tín hi u c a b gi i mã quang hai kênh

Hình 3.12 S đ chuy n tr ng thái c a b gi i mã quang 2 kênh

Hình 3.13 S đ các b đ m đ đ c tín hi u gi i mã quang 2 kênh

Hình 3.14 S đ các b đ m đ đ c tín hi u gi i mã quang 2 kênh trong PSoC

Hình 3.15 S đ b đi u khi n PID cho đ ng c robot

Hinh 3.16 R i r c hóa quá trình tính toán PID

Hình 3.17 L u đ ch ng trình n p cho vi đi u khi n đ đi u khi n đ ng c

robot di đ ng

Hình 3.18 Giao di n ch ng trình giao ti p v i PSoC

Hình 4.1 S đ b đi u khi n PID cho đ ng c m t chi u có giao ti p v i

máy tính

Hình 4.2 M ch đi u khi n PID

Hình 4.3 S ph thu c c a t c đ mô-t vào tín hiêu PWM

Hình 4.4 i u khi n P v i v n t c đ t 720 vòng/phút

Hình 4.5 i u khi n P,I v i KI = 0,1

Hình 4.6 i u khi n P,I v i KI = 0,5

Hình 4.7 i u khi n P,I v i KI = 3,5

M ă U

Các ngăd ngărobotăvàoăcu căs ngăhi nănayăh uănh ăkhôngăcònălàăđi u m iă

m ăCácărobotăđ că ngăd ngăr ngărưiătrongăs năxu tăcôngănghi p,ăph căv ăchoă thámăhi m,ăyăh căvàătrongăr tănhi uăl nhăv căkhác.ăHi nănay,ăh uăh tăcácăh ăth ngă

t ăđ ngătrongăcôngănghi păđ uăcóăs ăgópăm tăc aăcácărobotăvàămangăl iăhi uăqu ă

h tăs cătoăl năv iă uăđi mănh :ăcungăc păkh ăn ngăđi uăkhi năchínhăxác,ăhi uăsu tă caoăvàăcóăth ăt oăraăm tăh ăth ngăs năxu tă năđ nh.ăM tătrongănh ngăn căphátă tri nă ngăd ngărobotăcôngănghi păđi năhìnhălàăNh tăB n.ă năcu iăn mă1995ăcóă kho ngă387.000ărobotăcôngănghi p đ căs ăd ngăt iăqu căgiaănàyăvàăcóăkho ngă 80.000ărobotăcôngănghi păđ căs ăd ngăt iăM ă ăcùngăth iăđi măđó.ă

Bênă c nhă cácă robotă đ că nghiênă c uă vàă ch ă t oă đ ă ngă d ngă trongă côngă nghi p,ăcácărobotădiăđ ngăt ăqu nătr ă(hayălàărobotăthôngăminhănhânăt o)ăhi năc ngă đangălàăm iăquanătâmăđ căbi tăc aăh uăh tăcácăphòngăthìănghi mărobotătrênăth ăgi iă vìănh ngăkh ăn ngă ngăd ngătoăl năvàăhi uăqu ăc aănó.ăRobotădiăđ ngăt ăqu nătr ă làărobotăcóăkh ăn ngăt ăho chăđ nhăđ ngăđiăvàăđ nhăv ăthôngătină(kh ăn ngăt ăl pă

b năđ ăvàăxácăđ nhăv ătríăchínhăxácăc aărobot)ătrongăquáătrìnhădiăchuy nătrongămôiă

tr ngănh măth căhi năm tănhi măv ăđưăđ căđ tăraăt ătr c.ăV iăkh ăn ngănàyă robotă diă đ ngă t ă qu nă tr ă cóă th ă dùngă choă cácă nhi mă v ă thámă hi mă đ iă d ng,ă khôngăgian…ăho că ănh ng n iănguyăhi m,ăđ căh iăđ ăthayăth ăchoăconăng i.ă

M tărobotădiăđ ngăt ăqu nătr ăth ngăbaoăg m:ăcácăh ăth ngăc măbi năđ ăthuăth pă thôngătinăv ămôiătr ngăxungăquanh,ăm tăb ăđi uăkhi nătrungătâmădùngăchoăvi că

ho chăđ nhăho tăđ ngăc aărobotăvàăm tăc ăc uăch păhành,ăđóălàăb ăph năgiúpărobotă cóăth ădiăchuy năho căthaoătácătrongămôiătr ngămàănóăho tăđ ng,ăc ăth ă ăđâyă

th ngălàăcácăh ăth ngămô-t ,ăđ căđi uăkhi nătr căti păt ăb ăđi uăkhi nătrungă

tâm

i uăkhi năchuy năđ ngăc aărobotăt ăqu nătr ăr tăquanătr ngăvìănóăquy tăđ nhă robotăcóăth căhi năđúngăđ căchi năl căho chăđ nhăc aărobotănh măđ tăđ năđ că

m cătiêuăhayăkhông,ăvàăcôngăvi căchínhăc aăđi uăkhi năho tăđ ngăc aărobotăchínhă làăđi uăkhi năh ăth ngămôt ăt oăraăcácăchuy năđ ngăc aărobot

Vi căđi uăkhi năchuy năđ ngăc aărobotăg păph iănhi uătr ăng iănh :ăcácăc ă

c uăc ăkhíăkhóăcóăth ăđ căch ăt oăhoànătoànăchínhăxácăvàăđ iăx ng,ăb ăm tăcácă môiătr ngăchuy năđ ngăcóăđ ămaăsátăkhácănhau,ăsaiăs ăsinhăraătrongăquáătrìnhă

đi uăkhi n…ăd năđ năt căđ ăc aăcácămôt ăkhó năđ nhăvàăđ ngănh t.ăNh ngătr ă

TÀIăLI UăTHAMăKH O

Ti ngăVi t

1 oànă H uă Ch c (2007), Thi t k ch t o b đi u khi n PID đi u khi n

m ch đi n, tr 38-56,ăLu năv năTh căs ăkhoaăh căCôngăngh ă i năt ă- Vi nă

thông,ăTr ngă iăh căCôngăngh ă- iăh căQu căgiaăHàăN i,ăHàăN i

2 LêăV ăHàă(2006),ăK thu t đi u khi n, NXBă iăh căQu căgiaăHàăN i,ăHàă

N i

3 Nguy năPhùngăQuangă(2006),ăMATLAB & SIMULINK dành cho k s đi u

khi n t đ ng, NXBăKhoaăh căvàăK ăthu t,ăHàăN i

4 NgôăDiênăT pă(2004),ă o l ng và i u khi n b ng máy tính, NXB Khoa

h căvàăK ăthu t,ăHàăN i.ă

5 NgôăDiênăT pă(2005),ăK thu t ghép n i máy tính, NXBăKhoaăh căvàăK ă

thu t,ăHàăN i.ă

6 Tr nă Quangă Vinh,ă (2007),ă C u trúc máy vi tính, NXBă iăh căQu căGiaă HàăN i,ăHàăN i

7 Tr năQuangăVinh,ăV ăTu năAnh,ăPhùngăM nhăD ng,ăTr năHi uă(2006),ă

“Xâyăd ngărobotădiăđ ngăđ căd năđ ngăb ngăcácăc măbi năsiêuăâmăvàă

c măbi nă nhătoànăph ng”,ăTuy n t p h i ngh toàn qu c l n th 3 v C

đi n t , tr 153-160

8 Tr nă Quangă Vinh,ă Phùngă M nhă D ng,ă Tr nă Hi uă (2005),ă “Giámă sátă vàă

đi uăkhi nărobotădiăđ ngăquaăm ngăLANăvôătuy năvàăINTERNET”,ăT p chí

khoa h c, tr 85-91

Ti ngăAnh

9 Allen J Stubberud, Ivan J Williams, Joseph J DiStefano (1994), Feedback and Control Systems, McGraw-Hill

10 Brian R Hunt, Ronald L Lipsman, Jonathan M Rosenberg, Kevin R Coombes, John E Osborn, Garrett J Stuck (2006), A Guide to MATLAB: For Beginners and Experienced Users, Cambridge University Press

11 Chi-Tsong Chen (2006), Analog and Digital Control System Design: Transfer-Function, State-Space, and Algebraic Methods, Oxford University Press, USA

12 Jan Axelson (1998), Serial Port Complete – Programming and Circuits for

RS-232 and RS-485 Links and Networks, Lakeview Research-Pap/Dsk edition, USA

13 Manfred Schleicher, Frank Blasinger (2004), Control Engineering-A Guide for beginners, JUMO GmbH & Co KG Fulda, Germany

14 Patrick Marchand, O Thomas Holland (2003), Graphic and GUIs with

MATLAB, Chapman & Hall/CRC