Nghiên cứu chế tạo và kiểm nghiệm card điều khiển thời gian thực trong điều khiển hệ truyền động

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 1 ADC Analog to Digital Converter, chuyển đổi tương tự - số 2 DAC Digital to Analog Converter, chuyển đổi số-tương tự 3 TBĐK Thiết bị điều khiển

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

TRẦN ĐỨC QUÂN

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ KIỂM NGHIỆM CARD ĐIỀU KHIỂN THỜI GIAN THỰC TRONG

ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG

HÓA

Thái Nguyên – 2016

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Trần Đức Quân

Sinh ngày: 26 tháng 03 năm 1986

Học viên lớp cao học khoá 16 – Kỹ thuật điều khiển và Tự động hoá - Trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên

Hiện đang công tác tại: Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên

Tôi cam đoan toàn bộ nội dung trong luận văn do tôi làm theo định hướng của giáo viên hướng dẫn, không sao chép của người khác

Các phần trích lục các tài liệu tham khảo đã được chỉ ra trong luận văn

Nếu có gì sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm

Tác giả luận văn

Trần Đức Quân

LỜI CẢM ƠN

Đề tài luâ ̣n văn thạc sĩ được hoàn thành tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Có được bản luận văn tốt nghiệp này, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp,

Khoa Điện, Phòng Đào tạo, và đặc biệt là thầy giáo TS Đỗ Trung Hải, Trưởng

khoa Điện đã trực tiếp hướng dẫn, dìu dắt, giúp đỡ tôi với những chỉ dẫn khoa học quý giá trong suốt quá trình triển khai, nghiên cứu và hoàn thành đề tài

“Nghiên cứu chế tạo và kiểm nghiệm card điều khiển thời gian thực trong điều khiển hệ truyền động”

Xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo, các nhà khoa học đã trực tiếp giảng dạy truyền đạt những kiến thức khoa học chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa cho bản thân tôi trong những năm tháng qua

Tuy nhiên, do có sự hạn chế về kiến thức nên Luận văn không tránh khỏi những thiếu sót Tôi rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy giáo, cô giáo và các nhà khoa học để tôi tiến bộ hơn

Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn các tập thể và cá nhân TS Đỗ Trung Hải đã hết lòng quan tâm, giúp đỡ, tạo điều kiện để tôi hoàn thành Luận văn

Trân trọng cám ơn./

Học viên

Trần Đức Quân

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU ix

1 Tính cấp thiết của đề tài ix

2 Mục tiêu nghiên cứu ix

3 Dự kiến các kết quả đạt được ix

4 Phương pháp nghiên cứu ix

5 Cấu trúc của luận văn ix

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN 1

1.1 Cơ sở lý thuyết về đo lường 1

1.1.1 Khái niệm đo lường 1

1.1.2 Lý thuyết đo lường cơ sở 2

1.1.3 Lý thuyết đo lường ứng dụng 3

1.1.4 Phân loại và cách thức thực hiện phép đo 4

1.1.5 Các đặc trưng cơ bản của kỹ thuật đo 5

1.2 Cơ sở lý thuyết xử lý số tín hiệu 9

1.3 Tổng quan về điều khiển tự động 11

1.3.1 Lịch sử ra đời 11

1.3.2 Các khái niệm cơ bản về điều khiển 12

1.3.3 Những nguyên tắc điều khiển cơ bản 16

1.4 Kết luận chương 1 18

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ CARD ĐIỀU KHIỂN 19

2.1 Thiết kế phần cứng 19

2.1.1 Yêu cầu về thiết kế phấn cứng 19

2.1.2 Khối vi xử lý trung tâm 20

2.1.3 Khối xử lý tín hiệu tương tự 24

2.1.4 Khối xử lý tín hiệu số 25

2.1.5 Khối mạch nguồn nuôi 26

2.1.6 Card điều khiển hoàn chỉnh 26

2.2 Phần mềm cho vi xử lý trung tâm AT91SAM3X8E 27

2.2.1 Ngôn ngữ lập trình cho AT91SAM3X8E 27

2.2.2 Thuật toán chương trình chính 28

2.2.3 Thuật toán chương trình con xử lý dữ liệu từ Matlab/Simulink 29

2.3 Phần mềm cho Matlab – Simulink 30

2.3.1 Khối cài đặt – CardTNUT Setup 31

2.3.2 Khối đọc tín hiệu tương tự 32

2.3.3 Khối xuất tín hiệu tương tự 32

2.3.4 Khối đọc tín hiệu số 33

2.3.5 Khối xuất tín hiệu số 33

2.3.6 Khối xuất tín hiệu PWM 33

2.3.7 Khối đọc tín hiệu từ bộ mã hóa xung encoder 34

2.3.8 Khối xuất tín hiệu điều khiều động cơ servo một chiều 34

2.3.10 Khối ghép nối module điều khiển 16 kênh PWM 12bits 35

2.3.11 Khối ghép nối module điều khiển 32 servo 35

2.3.12 Khối xuất xung điều khiển Thyristor 36

2.3.13 Khối giao tiếp nối tiếp 36

2.3.14 Khối bộ điều khiển PID online 37

2.3.15 Khối cài đặt tham số bộ điều khiển PID trên Card 37

2.4 Kết luận chương 2 38

CHƯƠNG 3 THỰC NGHIỆM 39

3.1 Hệ truyền động động cơ một chiều kích từ độc lập 39

3.1.1 Sơ đồ nguyên lý hệ truyền động động cơ một chiều kích từ độc lập 39

3.1.2 Tổng hợp hệ truyền động động cơ một chiều kích từ độc lập 40

3.1.3 Thực nghiệm điều khiển hệ truyền động động cơ một chiều 44

3.2 Hệ chuyển động robot nhện (Spider Robot) 45

3.2.1 Giới thiệu về hệ chuyển động robot nhện 45

3.2.2 Thuật toán điều khiển di chuyển robot nhện 46

3.2.3 Cấu trúc điều khiển hệ chuyển động robot nhện 52

3.2.4 Kết quả thực nghiệm điều khiển hệ chuyển động robot nhện 54

3.3 Hệ thống điều khiển robot đi theo quỹ đạo mê cung 55

3.3.1 Mô hình robot đi theo quỹ đạo mê cung 55

3.3.2 Cấu tạo của robot đi theo quỹ đạo mê cung 55

3.3.3 Sơ đồ nguyên lý hệ thống robot đi theo quỹ đạo mê cung 56

3.3.4 Cấu trúc điều khiển robot đi theo quỹ đạo mê cung 57

3.3.5 Thực nghiệm 58

3.4 Kết luận chương 3 60

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 61

Kết luận 61

Kiến nghị 62

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

1 ADC Analog to Digital Converter, chuyển đổi tương tự - số

2 DAC Digital to Analog Converter, chuyển đổi số-tương tự

3 TBĐK Thiết bị điều khiển

4 ĐTĐK Đối tượng điều khiển Bộ điều khiển

5 TBĐL Thiết bị đo lường

6 DC Direct current, dòng điện một chiều

7 AC Alternating current, dòng điện xoay chiều

8 PWM Pulse-width modulation, điều chế độ rộng xung

9 RISC Reduced instruction set computing, máy tính với tập lệnh

đơn giản hóa

10 CPU Central Processing Unit, bộ xử lí trung tâm

11 JTAG Joint Test Action Group, chuẩn nạp chương trình vi xử lý

12 SWD Serial Wire Debug, chuẩn nạp chương trình vi xử lý

DANH MỤC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU

Hình 1 1 Sơ đồ cấu trúc tổng quát hệ thống ĐKTĐ 14

Hình 1 2 Sơ đồ cấu trúc của nguyên tắc điều khiển theo sai lệch bám 16

Hình 1 3 Sơ đồ cấu trúc của nguyên tắc điều khiển theo tín hiệu nhiễu 16

Hình 1 4 Sơ đồ cấu trúc của nguyên tắc điều khiển theo tín hiệu nhiễu 17

Hình 1 5 Sơ đồ cấu trúc của nguyên tắc điều khiển thích nghi 17

Hình 2 1 Mô hình khối mạch điều khiển 20

Hình 2 2 Bộ vi xử lý Cortex-M3 22

Hình 2 3 Sơ đồ mạch vi xử lý trung tâm 23

Hình 2 4 Sơ đồ nguyên lý mạch nhận tín hiệu tương tự 24

Hình 2 5 Sơ đồ nguyên lý mạch xuất tín hiệu tương tự 25

Hình 2 6 Sơ đồ nguyên lý mạch nhận/xuất tín hiệu số 25

Hình 2 7 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn nuôi 26

Hình 2 8 Card điều khiển sau khi gia công 26

Hình 2 9 Giao diện phần mềm Atmel Studio 27

Hình 2 10 Lưu đồ thuật toán chương trình chính 28

Hình 2 11 Lưu đồ thuật toán chương trình con xử lý dữ liệu từ Simulink 29

Hình 2 12 Thư viện CardTNUT được cài vào Simulink 31

Hình 2 13 Khối CardTNUT Setup 31

Hình 2 14 Khối đọc tín hiệu tương tự 32

Hình 2 15 Khối xuất tín hiệu tương tự 32

Hình 2 16 Khối đọc tín hiệu số 33

Hình 2 17 Khối xuất tín hiệu số 33

Hình 2 18 Khối xuất tín hiệu PWM 33

Hình 2 19 Khối đọc tín hiệu từ bộ mã hóa xung encoder 34

Hình 2 20 Khối điều khiều động cơ servo 34

Hình 2 21 Khối điều khiển module 16PWM 35

Hình 2 22 Khối ghép nối module 32 servo 35

Hình 2 23 Khối xuất xung điều khiển Thyristor 36

Hình 2 24 Khối hỗ trợ giao tiếp nối tiếp 36

Hình 2 25 Khối PID online 37

Hình 2 26 Khối cài đặt tham số PID 37

Hình 3 1 Sơ đồ nguyên lý hệ truyền động động cơ một chiều 39 Hình 3 2 Cấu trúc điều khiển hệ truyền động động cơ một chiều kích từ độc lập 40

Hình 3 3 Dữ liệu tín hiệu điều khiển (volt) 41

Hình 3 4 Dữ liệu tín hiệu tốc độ quay động cơ (vòng/phút) 42

Hình 3 5 Đánh giá mô hình nhận dạng 43

Hình 3 6 Cấu trúc điều khiển hệ thống động cơ một chiều trên Matlab/Simulink 44 Hình 3 7 Đáp ứng hệ truyền động động cơ một chiều 45

Hình 3 8 Hình vẽ mô tả robot nhện 46

Hình 3 9 Lưu đồ thuật toán động tác Đứng tại vị trí cơ bản 47

Hình 3 10 Lưu đồ thuật toán động tác Tiến 48

Hình 3 11 Lưu đồ thuật toán động tác Quay trái 50

Hình 3 12 Lưu đồ thuật toán động tác di chuyển sang sang phải 51

Hình 3 13 Giao diện điều khiển Robot nhện 52

Hình 3 14 Cấu trúc điều khiển Robot nhện trên Simulink 53

Hình 3 15 Khối điều xuất tín hiệu điều khiển chân Robot nhện 53

Hình 3 16 Mô hình robot nhện 54

Hình 3 17 Mô hình robot đi theo quỹ đạo mê cung 55

Hình 3 18 Cấu tạo robot đi theo quỹ đạo mê cung 55

Hình 3 19 Sơ đồ nguyên lý dạng khối robot đi theo quỹ đạo mê cung 56

Hình 3 20 Sơ đồ nguyên lý mạch đệm 56

Hình 3 21 Cảm biến đo khoảng cách GP2D12 57

Hình 3 22 Minh họa robot đi theo quỹ đạo mê cung 58

Hình 3 23 Sơ đồ cấu trúc điều khiển robot đi theo quỹ đạo mê cung 58

Hình 3 24 Cấu trúc điều khiển robot đi theo quỹ đạo mê cung 58

Hình 3 25 Độ lệch robot so với tâm mê cung (bộ điều khiển P) 59

Hình 3 26 Độ lệch robot so với tâm mê cung (bộ điều khiển PID) 60

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong lĩnh vực điều khiển và tự động hóa, có rất nhiều thuật toán điều khiển từ kinh điển đến hiện đại đòi hỏi bộ điều khiển phải xử lý khối lượng công việc lớn, tính toán phức tạp Matlab là một phần mềm có khả năng tính toán và thực hiện tốt các thuật toán điều khiển Kết hợp Matlab và Card thu thập dữ liệu sẽ tạo ra bộ điều khiển rất linh hoạt, có khả năng thực hiện các thuật toán điều khiển trong lĩnh vực điều khiển tự động thể hiện qua các báo cáo [3], [8], [12], [13], [14], tuy nhiên giá thành card của các hãng thường rất cao Do đó đề xuất thiết kế card có khả năng thu thập và xuất tín hiệu ra đối tượng điều khiển để kiểm chứng các thuật toán điều khiển để phục vụ cho công tác giảng dạy và nghiên cứu là cần thiết Qua luận văn này sẽ giúp tôi có cơ sở và phương tiện để tiếp tục con đường nghiên cứu về lĩnh vực điều khiển và tự động hóa tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Vì vậy tôi chọn đề tài: “Nghiên

cứu chế tạo và kiểm nghiệm card điều khiển thời gian thực trong điều khiển hệ truyền động”

2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu, thiết kế card giao tiếp với máy tính trong điều khiển thời gian thực (giao tiếp bằng phần mềm MatLab)

3 Dự kiến các kết quả đạt được

Card điều khiển

4 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết về đo lường, chuyển đổi tín hiệu

- Nghiên cứu lý thuyết phân tích, thiết kế mạch xử lý tín hiệu số, giao tiếp với Matlab

- Áp dụng lý thuyết vào thực nghiệm

5 Cấu trúc của luận văn

Luận văn được chia làm 3 chương:

Chương 1 Cơ sở lý thuyết về đo lường và điều khiển

Chương 2 Thiết kế card điều khiển

Chương 3 Thực nghiệm

Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN 1.1 Cơ sở lý thuyết về đo lường [1]

1.1.1 Khái niệm đo lường

Theo – D.I.Mendeleev thì: “Khoa học bắt đầu từ khi người ta biết đo Một khoa học chính xác sẽ không có ý nghĩa nếu thiếu đo lường” Ngay từ thời xa xưa con người đã chú ý đến khái niệm đo lường, đó là một ngành khoa học chuyên nghiên cứu các phương pháp để đo các đại lượng khác nhau Và đã được các nhà khoa học ở mọi lĩnh vực quan tâm Đối với mỗi quốc gia việc phát triển đo lường bao giờ cũng phải bao gồm 2 lĩnh vực của đo lường đó là đo lường pháp quyền và

đo lường khoa học

- Đo lường pháp quyền liên quan đến vấn đề sau:

+ Xây dựng hệ thống pháp luật về đo lường

+ Xây dựng các tổ chức về đo lường để quản lý công tác đo lường trong cả nước

+ Xây dựng hệ thống chuẩn về đo lường

+ Kiểm định phương tiện đo

Đo lường pháp quyền là một lĩnh vực lớn đặt ra cho mỗi quốc gia để mọi hoạt động kinh tế, khoa học kỹ thuật, quốc phòng và đời sống xã hội luôn được đảm bảo về chất lượng và số lượng trong sản xuất thương mại cũng như trong giao dịch quốc tế Tuy nhiên với khoa học công nghệ ngày một phát triển với nhiều các phát minh sáng giá thì mỗi chúng ta nên quan tâm đến lĩnh vực đo lường thứ hai đó là Đo lường khoa học

Trong đo lường khoa học người ta chú ý đến vị trí và nội dung của đo lường trong hệ thống các ngành khoa học hiện đại: tập trung phân tích các ý tưởng, nguyên lý và phương hướng khoa học của nó được đặt dưới cái tên chung là “Lý

thuyết đo lường” Để hiểu rõ nội dung của đo lường khoa học trước tiên ta phải hiểu đo lường là gì và cơ sở để hình thành lý thuyết đo lường?

Đo lường như là một phương pháp đánh giá về định lượng của đối tượng vật chất và phi vật chất có tính biện chứng toàn diện, từ đó hình thành các hướng khác nhau của lý thuyết đo lường

Ví dụ, trong vật lý lượng tử khi thực hiện phép đo cần phải quan tâm đến việc đo các đại lượng có kích thước nhỏ, điều này hình thành lý thuyết đo lường

cơ học lượng tử Hay trong xã hội, tâm lý học, kỹ thuật hệ thống, điều khiển học…phải quan tâm đến đại lượng phi vật lý cần đo, điều này hình thành lý thuyết

đo lường tâm lý Trong đo lường học (metrology) người ta quan tâm đến sai số từ

đó hình thành lý thuyết về sai số Sai số cũng được coi là một dạng nhiễu trong kênh đo lường và từ đó hình thành lý thuyết đo lường thông tin Việc nghiên cứu

về phép đo như là một phương pháp nào đó để nhận được kết quả bằng số về giá trị của một đại lượng cần đo nào đó (vật lý hay phi vật lý) từ đó hình thành lý thuyết đo lường angôrit Như vậy lý thuyết đo lường là một khái niệm rất rộng nó bao quát nhiều lĩnh vực, nhiều hướng phát triển và mỗi hướng tuỳ thuộc vào điều kiện cụ thể của nó mà hình thành lý thuyết đo lường

1.1.2 Lý thuyết đo lường cơ sở

Lý thuyết đo lường cơ sở là những vấn đề nền tảng của đo lường Nó chính

là gốc để phát triển khoa học chính xác như vật lý, toán học, phi vật lý Trong lĩnh vực này quan tâm đến những đặc tính chung nhất, những quy luật của phép đo như là một phương pháp đánh giá định lượng các thông số của thế giới đối tượng Những phát minh về quy luật của phép đo luôn đem lại ảnh hưởng có tính quyết định đến nền khoa học chính xác Ví dụ, trong vật lý hiện đại phát minh nổi tiếng trong lĩnh vực đo lường là hệ thức bất định của Werner Heisenberg (Đức) về nguyên tắc nó hạn chế độ chính xác của phép đo lường cơ lượng tử trong vật lý lượng tử Trong toán học cũng vậy những phát minh toán học sẽ hỗ trợ cho quá trình đo lường một cách hiệu quả Ví dụ việc phát minh ra phương pháp biến đổi

Furiê nhanh đã giúp các nhà đo lường phân tích phổ một tín hiệu đo với một dải tần ngày càng cao và xác định được hàm mật độ phổ một cách nhanh chóng, mở

ra một phương pháp đo lường hiện đại, đó là đo lường toán học logic mà cốt lõi của nó là đo lường angôrit trong đó bao hàm cả việc gia công kết quả đo lường Đối với các đại lượng đo phi vật lý, lý thuyết đo lường cơ sở chú ý đến việc xác định các đặc trưng phi vật lý (ví dụ lượng thông tin hay các đặc trưng thống kê…) những phát minh về mặt toán học đã đặt cơ sở cho lý thuyết đo các đại lượng phi vật lý mà ta gọi đó là đo lường tâm lý

1.1.3 Lý thuyết đo lường ứng dụng

Lý thuyết đo lường ứng dụng tập trung nghiên cứu các phép đo trong thực

tế, các bài toán cụ thể được đặt ra cho kỹ thuật nói chung và kỹ thuật đo lường nói riêng Ví dụ việc nghiên cứu chế tạo các chuẩn đơn vị đo lường (trước đây là hệ một, hệ tuyệt đối Gause và ngày nay là hệ đo lường quốc tế SI Système International d'unités) để đảm bảo sự thống nhất đo lường trên toàn thế giới Xung quanh bài toán đó trong khoa học ngày nay hình thành một lĩnh vực được gọi là

đo lường học (Metrology)

Đo lường học là một môn khoa học về các phép đo, về phương pháp và phương tiện đo để đảm bảo cho các quá trình đo được thống nhất và các phương pháp nhằm đạt được độ chính xác yêu cầu

Đo lường học đóng vai trò to lớn trong việc xây dựng phương pháp thiết bị

đo và giải quyết hầu hết các bài toán đặt ra của kỹ thuật đo lường Khoa học và

kỹ thuật ngày càng phát triển, việc ứng dụng các thành tựu của máy tính và điều khiển học kỹ thuật trong đo lường đã làm xuất hiện một lĩnh vực mới trong đo lường ứng dụng đó là đo lường tự động

Nội dung của đo lường tự động đó là con người ít can thiệp vào các thao tác đo lường và xử lý thông tin mà hầu như các thao tác này là hoàn toàn tự động

Sự xuất hiện của các thiết bị đo thông minh, các hệ thống thông tin đo lường và

điều khiển thông minh, việc truyền tín hiệu đi xa bằng kỹ thuật số và các phương tiện hiện đại như cáp quang hay vô tuyến đã tạo ra các hệ thống đo và điều khiển

từ xa rất hiệu quả và tiện lợi Như vậy lý thuyết đo lường ứng dụng hiện đại bao gồm hai hướng phát triển hỗ trợ cho nhau là: đo lường học và đo lường tự động

Cả hai đều phản ánh quá trình quan trọng nhất trong kỹ thuật đo lường đó là quá trình vật lý (sử dụng những thành tựu của vật lý để hoàn thiện thiết bị đo và quá trình tự động hoá Sử dụng các phương pháp đo tự động trong điều khiển sản xuất công nghiệp)

Cùng với đo lường cơ sở, đo lường ứng dụng ngày càng phát triển tạo thành ngành kỹ thuật đo lường là một ngành khoa học công nghệ cao, nó có mặt ở khắp mọi nơi, ở mọi lĩnh vực của kinh tế quốc dân và đời sống xã hội Sự phát triển của

nó có ảnh hưởng rất lớn đến sự phát triển khoa học – kỹ thuật, đưa lại lợi ích to lớn cho xã hội

1.1.4 Phân loại và cách thức thực hiện phép đo

Để thực hiện một phép đo ta có thể thực hiện nhiều cách đo khác nhau, ta

có thể phân biệt các cách đo sau đây:

- Đo trực tiếp: là cách đo mà kết quả nhận được trực tiếp từ một phép đo duy nhất Cách đo này cho kết quả ngay Dụng cụ đo được sử dụng thường tương ứng với đại lượng cần đo Ví dụ: đo điện áp dựng Vônmét thì trên mặt thang đo

đã khắc độ sẵn bằng vôn Trên thực tế chủ yếu dựng phương pháp này

- Đo gián tiếp: là cách đo mà kết quả được suy ra từ sự phối hợp kết quả của nhiều phép đo dựng cách đo trực tiếp Ví dụ: khi đo dòng điện ta dùng Vônmét

và Ômmét sau đó dựng định luật Ôm để suy ra kết quả: I = U/R Tuy nhiên cách

đo này thường mắc phải sai số lớn là tổng các sai số của các phép đo trực tiếp

- Đo thống kê: để đảm bảo độ chính xác của phép đo nhiều khi người ta phải sử dụng cách đo thống kê tức là phải tiến hành đo nhiều lần, sau đó lấy giá

trị trung bình Cách đo này đặc biệt hữu hiệu khi tín hiệu đo là ngẫu nhiên hoặc khi cần kiểm tra độ chính xác của một dụng cụ đo

- Đo so sánh: là cách đo mà kết quả đạt được khi ta tiến hành so sánh đại lượng cần đo với mẫu Cách đo này hiện nay được dựng khá phổ biến vì nó có độ chính xác khá cao

Tuỳ thuộc vào các điều kiện cụ thể khác nhau mà chúng ta lựa chọn một phép đo sao cho phù hợp Lựa chọn được một phép đo tốt và phù hợp sẽ đem lại cho bạn một kết quả với độ chính xác cao

1.1.5 Các đặc trưng cơ bản của kỹ thuật đo

Để hiểu rõ hơn về ngành kỹ thuật đo lường ta nên quan tâm tới các đặc trưng của nó Đó là các yếu tố cần thiết không thể thiếu được trong kỹ thuật đo Những đặc trưng đó bao gồm: các đại lượng cần đo, điều kiện đo, phương pháp

đo, thiết bị đo, người quan sát hay các thiết bị thu nhận kết quả đo

1.1.5.1 Đại lượng đo

Là một thông số đặc trưng cho đại lượng vật lý cần đo Theo tính chất thay đổi của đại lượng đo có thể chia chúng thành hai loại đó là: đại lượng đo tiền định

và đại lượng đo ngẫu nhiên

- Đại lượng đo tiền định: là đại lượng đo đã biết trước quy luật thay đổi theo thời gian của chúng, nhưng một hoặc nhiều thông số của chúng chưa cần phải đo Đại lượng đo tiền định thường là tín hiệu một chiều hay xoay chiều hình sin hay xung vuông Các thông số cần được đo thường là: biên độ, tần số, góc pha, … của tín hiệu đo

- Đại lượng đo ngẫu nhiên: là đại lượng đo mà sự thay đổi theo thời gian không theo một quy luật nào cả Nếu ta lấy bất kỳ giá trị nào của tín hiệu thì ta đều nhận được đại lượng ngẫu nhiên Ta thấy trong thực tế số các đại lượng đo đều là ngẫu nhiên Tuy nhiên ở một chừng mực nào đó ta có thể giả thiết rằng suốt thời gian tiến hành một phép đo đại lượng đo phải không đổi hoặc thay đổi theo

quy luật đã biết (tức là đại lượng đo tiền định) hoặc tín hiệu phải thay đổi chậm

Vì thế nếu đại lượng đo ngẫu nhiên có tần số thay đổi nhanh sẽ không thể đo được bằng các phép đo thông thường Trong trường hợp này ta phải sử dụng một phương pháp đo đặc biệt đó là đo lường thống kê

Theo cách biến đổi đại lượng đo mà ta có thể chia thành đại lượng đo liên tục hay đại lượng đo tương tự (analog) và đại lượng đo rời rạc hay đại lượng đo

Theo bản chất của đại lượng đo ta có thể chia thành:

- Đại lượng đo năng lượng: là đại lượng đo mà bản thân nó mang năng lượng Ví dụ: sức điện động, điện áp, dòng điện…vv

- Các đại lượng đo thông số: đó là thông số của mạch điện như: điện trở, điện cảm, điện dung…vv

- Các đại lượng đo phụ thuộc vào thời gian như: chu kỳ tần số góc pha…

- Các đại lượng đo không điện: để đo được bằng phương pháp điện nhất thiết phải biến đổi chúng thành các đại lượng điện thông qua các bộ cảm biến Thông qua các bộ cảm biến mà ta nhận được tín hiệu Y tỷ lệ với đại lượng cần đo

X khi đó ta có:

Ta biết rằng tín hiệu đo là loại tín hiệu mang đặc tính thông tin về đại lượng

đo vì thế người ta có thể coi tín hiệu đo chính là đại lượng đo

1.1.5.2 Điều kiện đo

Thông tin đo lường bao giờ cũng gắn chặt với môi trường sinh ra đại lượng

đo Khi tiến hành phép đo ta phải tính tới ảnh hưởng của môi trường đến kết quả

đo và ngược lại khi dựng dụng cụ đo không để dụng cụ đo ảnh hưởng đến đối tượng đo Ngoài ra, ta phải chú ý đến môi trường bên ngoài có thể ảnh hưởng đến kết quả của phép đo Những yếu tố của môi trường là: nhiệt độ, độ ẩm của không khí, từ trường bên ngoài, độ rung, độ lệch áp suất so với áp suất trung bình, bụi bẩn Những yếu tố này phải ở trong điều kiện chuẩn Điều kiện tiêu chuẩn là điều kiện được quy định theo tiêu chuẩn quốc gia, là khoảng biến động của các yếu tố bên ngoài mà suốt trong khoảng đó dụng cụ đo vẫn đảm bảo độ chính xác quy định, đối với mỗi loại dụng cụ đo đều có khoảng tiêu chuẩn được ghi trong các đặc tính kỹ thuật của nó Trong thực tế ta thường phải tiến hành đo nhiều đại lượng cùng một lúc rồi lại phải truyền tín hiệu đo đi xa, tự động ghi lại và gia công thông tin đo Cho nên, cần phải tính đến các điều kiện đo khác nhau để tổ chức các phép

đo cho tốt nhất

1.1.5.3 Đơn vị đo

Để cho nhiều nước có thể sử dụng một hệ thống đơn vị duy nhất người ta

đã thành lập hệ thống đơn vị đo quốc tế SI – 1960 đã được thông qua ở hội nghị quốc tế về mẫu và cân Hệ đo lường quốc tế (viết tắt là SI từ tiếng Pháp) là hệ đo lường được sử dụng rộng rãi nhất Nó được sử dụng trong mọi hoạt động kinh tế, thương mại, khoa học, giáo dục và công nghệ của phần lớn các nước trên thế giới.Trong hệ thống đó các đơn vị được xác định như sau:

- Đơn vị chiều dài một (m)

- Đơn vị khối lượng là kilogam (kg)

- Đơn vị thời gian là giây (s)

- Đơn vị cường độ dòng điện là ampe (A)

- Đơn vị nhiệt độ là kelvin (K)

- Đơn vị cường độ ánh sáng là nền candela (Cd)

- Đơn vị số lượng vật chất là mol (mol)

Đó là 7 đơn vị cơ bản Ngoài ra còn có các đơn vị dẫn xuất cùng với một

bộ các tiền tố được suy ra từ các đơn vị cơ bản này

1.1.5.4 Phương pháp đo

Các phép đo được thực hiện bằng các phương pháp đo khác nhau phụ thuộc vào các phương pháp nhận thông tin đo và nhiều yếu tố đo như đại lượng đo lớn hay nhỏ, điều kiện đo, sai số, yêu cầu Phương pháp đo có thể có nhiều nhưng người ta đã phân thành 2 loại:

- Phương pháp đo biến đổi thẳng

- Phương pháp đo so sánh

Các phương pháp này đã được chế tạo thành các thiết bị đo để sử dụng trong thực tế

1.1.5.5 Người quan sát

Đó là người đo và gia công kết quả đo Nhiệm vụ của người quan sát khi

đo là phải nắm được phương pháp đo; am hiểu về thiết bị đo mà mình sử dụng, kiểm tra điều kiện đo, phán đoán về khoảng đo để chọn thiết bị đo cho phù hợp với sai số yêu cầu và phù hợp với điều kiện môi trường xung quanh Biết điều khiển quá trình đo để có được kết quả như mong muốn sau cùng là nắm được các phương pháp gia công kết quả đo để tiến hành gia công (có thể bằng tay hay sử dụng máy tính) số liệu thu được sau khi đo Biết xét đoán kết quả đo xem đã đạt yêu cầu hay chưa, có cần thiết phải đo lại hay không, hoặc phải đo nhiều lần theo phương pháp đo lường thống kê

1.1.5.6 Kết quả đo

Kết quả đo ở một mức độ nào đó có thể coi là chính xác Một giá trị như vậy được coi là giá trị ước lượng của đại lượng đo Nghĩa là giá trị được xác định

bởi thực nghiệm nhờ các thiết bị đo Giá trị này gần với giá trị thực mà ở một điều kiện nào đó có thể coi là thực Để đánh giá sai lệch giữa giá trị ước lượng và giá trị thực người ta sử dụng khái niệm sai số của phép đo: đú là hiệu giữa giá trị thực

và giá trị ước lượng Sai số của phép đo có vai trò quan trọng trong kỹ thuật đo lường Nó cho phép đánh giá phép đo có đạt yêu cầu hay không Có rất nhiều nguyên nhân gây nên sai số của phép đo như:

- Nguyên nhân đầu tiên phải kể đến là do phương pháp đo chưa hoàn thiện, chưa phù hợp với điều kiện thực tế

- Do có sự biến động của các điều kiện bên ngoài vượt ra ngoài các điều kiện tiêu chuẩn được quy định cho dụng cụ đo mà ta chọn

- Ngoài ra còn một số các yếu tố khác nữa như: sử dụng các dụng cụ đo không đảm bảo độ chính xác, do cách đọc của người quan sát hoặc do cách đặt dụng cụ không chính xác…

Kết quả đo là những con số kèm theo đơn vị đo hay những đường cong tự ghi, để ghi lại quá trình thay đổi của đại lượng đo theo thời gian Việc gia công kết quả đo theo một thuật toán (angôrit) nhất định bằng máy tính hay bằng tay để đạt được kết quả như mong muốn

1.2 Cơ sở lý thuyết xử lý số tín hiệu [7], [15]

Tín hiệu (một dòng thông tin được chuyển tải thông qua một đại lượng vật

lý nào đó, thường là điện áp hay dòng điện) có thể được xử lý theo một trong hai

cách: xử lý tương tự và xử lý số Ví dụ việc lọc thông thấp một tín hiệu dòng

điện, giải pháp tương tự sẽ dùng một mạch lọc (tích cực hay thụ động) để làm suy giảm các thành phần tần số không mong muốn và giữ lại các thành phần được quan tâm ở ngõ ra, trong khi giải pháp số sẽ chuyển tín hiệu dòng điện thành một chuỗi các giá trị tương ứng tại những thời điểm rời rạc, sử dụng các cơ cấu tính toán số để thực hiện việc lọc tần số, sau đó tái tạo lại tín hiệu đã được lọc ở ngõ

ra Việc chuyển đổi các giá trị tương tự thành chuỗi giá trị số được thực hiện bằng

các bộ chuyển đổi tương tự-số (ADC-Analog to Digital Converter), và việc chuyển đổi ngược lại được thực hiện bằng các bộ chuyển đổi số-tương tự (DAC-Digital to Analog Converter)

Như vậy, các hệ thống xử lý tương tự tín hiệu sử dụng các cơ cấu tính toán tương tự để thực hiện việc xử lý các tín hiệu tương tự, còn các hệ thống xử lý số

tín hiệu lại thực hiện việc xử lý các tín hiệu tương tự thông qua các cơ cấu tính

toán số Một điều cần nói là các thuật ngữ 'tương tự' và 'số' không thể hiện bản chất của việc xử lý, thuật ngữ chính xác hơn là 'liên tục' và 'rời rạc' (theo thời gian

và phạm vi biến đổi của tín hiệu) Chúng ta có các hệ thống xử lý liên tục tín hiệu với các cơ cấu tính toán tác động lên các tín hiệu liên tục (có độ lớn thay đổi một cách liên tục) đối lập với các hệ thống xử lý rời rạc tín hiệu sử dụng các cơ cấu tính toán tác động lên các tín hiệu rời rạc (có độ lớn thay đổi một cách rời rạc tại những thời điểm rời rạc) Tuy nhiên kể từ đây trở đi, nhóm tác giả vẫn dùng các thuật ngữ phổ thông là 'tương tự' và 'số' để thuận tiện cho người đọc

Việc xử lý số tín hiệu xem ra có vẻ phức tạp hóa vấn đề, nếu dựa vào ví dụ

đơn giản trên để đánh giá Tuy nhiên, có một số lý do khiến việc xử lý số tín hiệu vẫn được sử dụng:

- Tính linh hoạt: dữ liệu có thể được lấy mẫu và xử lý sau đó, cũng có thể

áp dụng nhiều thuật toán lên cùng một dữ liệu để tìm ra thuật toán thích hợp nhất

Độ phức tạp của thuật toán hầu hết chỉ bị giới hạn bởi bộ nhớ và tốc độ của bộ xử

lý, cũng như các thuật toán có thể được tạo sẵn để tự động thích nghi với môi trường

- Tính lập trình: Nhiều bộ xử lý ngày nay có thể được cấu hình lại (bằng cách lập trình phần mềm) để thực hiện nhiều tác vụ xử lý số tín hiệu khác nhau Chỉ cần thay đổi phần mềm để thực hiện một thuật toán khác Điều này cũng có nghĩa là chỉ cần một số lượng linh kiện tối thiểu để thực hiện các thuật toán xử lý rất phức tạp

- Tính lặp lại: Các chức năng của các hệ thống số dựa trên phần mềm hay phần cứng bên ngoài, do đó có thể lặp lại nhiều lần các thao tác đã được thực hiện

- Tính ổn định: Dữ liệu được lưu trữ và xử lý bằng phần cứng số do đó những ảnh hưởng của môi trường như nhiệt độ và sự lão hóa của linh kiện gặp phải trong xử lý tương tự là không có

- Nén dữ liệu: Dữ liệu có thể được nén để truyền đi với những khoảng cách

xa, tiết kiệm được chi phí truyền dữ liệu mà vẫn đảm bảo thông tin đầy đủ đến được điểm nhận

- Chi phí: Ứng dụng của các bộ xử lý số tín hiệu ngày càng trải rộng, và trong nhiều trường hợp, chi phí của việc hiện thực thuật toán số nhỏ hơn chi phí cho thuật toán tương tự

Hai thành phần cần thiết để một hệ thống xử lý số tín hiệu có thể giao tiếp với thế giới thực là DAC và ADC

1.3 Tổng quan về điều khiển tự động [4]

1.3.1 Lịch sử ra đời

Điều khiển tự động có lịch sử phát triển từ trước công nguyên, bắt đầu từ đồng hồ nước có phao điều chỉnh của Ktesibios ở Hy Lạp Hệ điều chỉnh nhiệt độ đầu tiên do Cornelis Drebbel (1572 - 1633) người Hà Lan sáng chế Hệ điều chỉnh mức đầu tiên là của Ivan Polzunov (1728 - 1766) người Nga Hệ điều chỉnh tốc

độ được ứng dụng trong công nghiệp đầu tiên là của James Watt (1736 - 1819)

Thời kỳ trước năm 1868 là thời kỳ chế tạo những hệ tự động theo trực giác Các công trình nghiên cứu lý thuyết bắt đầu từ Maxwell, đề cập đến ảnh hưởng của thông số đối với chất lượng của hệ, I.A Vysnhe gradsku với công trình toán học về các bộ điều chỉnh Chiến tranh thế giới thứ 2 đã đòi hỏi sự phát triển về lý thuyết và ứng dụng để có những máy bay lái tự động, những hệ điều khiển vị trí của các loại pháo, điều khiển tự động của các rađa…vv

Những năm 1950, các phương pháp toán học và phân tích đã phát triển và đưa vào ứng dụng nhanh chóng Ở Mỹ thịnh hành hướng nghiên cứu trong miền tần số với các công trình ứng dụng của Bode, Nyquist và Black ở các trung tâm thí nghiệm điện tín Trong khi ấy, ở Liên Xô (cũ) chú trọng lĩnh vực lý thuyết điều khiển và ứng dụng trong miền thời gian

Từ những năm 1980, máy tính số bắt đầu được sử dụng rộng rãi, cho phép điều khiển với độ chính xác cao các đối tượng khác nhau Với sự ra đời của vệ tinh, thời đại vũ trụ bắt đầu thì các hệ điều khiển ngày càng phức tạp hơn và đòi hỏi chất lượng ngày một cao Các phương pháp của Liapunoi, Minorsky cũng như

lý thuyết điều khiển tối ưu hiện đại của L.S Pontryagin (Liên Xô cũ) đã có ý nghĩa rất lớn Các nguyên tắc điều khiển thích nghi, điều khiển bền vững, điều khiển

mờ, các “Hệ thông minh”…vv đã ra đời và được áp dụng có hiệu quả vào thực tiện Rõ ràng là trong việc phân tích và tổng hợp các hệ điều khiển hiện nay, việc

sử dụng đồng thời miền tần số và miền thời gian là rất cần thiết

Ở Việt Nam, từ những năm 1960, đảng và nhà nước ta đã quan tâm đến việc đào tạo cán bộ và nghiên cứu khoa học trong lĩnh vực này Hiện nay, công nghệ tự động là một trong những hướng phát triển công nghệ mũi nhọn của đất nước trong tế kỷ 21 Nghị quyết 27CP của chính phủ về “Chương trình tự động hoá quốc gia” đã khẳng định vai trò quan trọng của ngành công nghệ này Những công trình công nghiệp lớn và trọng điểm hiện nay đều được tự động hoá - tự động điều khiển ở mức độ tương đối cao và chủ yếu là do các chuyên gia nước ngoài đảm nhiệm

1.3.2 Các khái niệm cơ bản về điều khiển

Điều khiển là một lĩnh vực quan trọng của đời sống xã hội, của nền kinh tế quốc dân, của khoa học kỹ thuật, của nền đại công nghiệp…vv Bất cứ ở vị trí nào, bất cứ làm một công việc gì mỗi người trong chúng ta đều tiếp cận với điều khiển Nó là khâu quan trọng cuối cùng quyết định sự thành bại trong mọi hoạt động của chúng ta

Nền đại công nghiệp hiện nay càng ngày càng được nâng cao mức độ tự động hoá với mục đích nâng cao năng suất lao động, giảm chi phí sản xuất, giải phóng con người ra khỏi những vị trí làm việc độc hại cho sức khoẻ…vv Để tiếp cận với nền đại công nghiệp có trình độ tự động hoá cao, mỗi chúng ta ngoài những kiến thức cơ bản về chuyên môn của mình, cần phải trang bị một số kiến thức cơ bản về điều khiển tự động

Trong khoa học tồn tại một ngành khoa học đã và đang phát triển mạnh mẽ gọi là điều khiển học Vậy câu hỏi đặt ra là: Điều khiển học là gì?

- Điều khiển học: là khoa học chuyên nghiên cứu về các quá trình thu thập,

xử lý tín hiệu và điều khiển trong mọi lĩnh vực đời sống xã hội, khoa học công nghệ, môi trường thiên nhiên,…vv Điều khiển học chia ra nhiều lĩnh vực khác nhau gồm điều khiển học toán học, điều khiển học sinh học, điều khiển học kỹ thuật, điều khiển học kinh tế…vv

- Điều khiển học kỹ thuật: là khoa học nghiên cứu về quá trình thu thập, xử

lý tín hiệu và điều khiển các quá trình và hệ thống thiết bị kỹ thuật Cơ sở lý thuyết của điều khiển học kỹ thuật là lý thuyết điều khiển tự động

Khái niệm điều khiển: Điều khiển là quá trình thu thập thông tin, xử lý

thông tin và tác động lên hệ thống theo một nguyên tắc, một quy luật nào đó để đáp ứng đầu ra của hệ thống thoả mãn được các yêu cầu đặt trước

Điều khiển tự động là quá trình điều khiển không cần sự tác động của con người

Lý thuyết điều khiển tự động là cơ sở lý thuyết dựa trên toán học nghiên cứu những nguyên tắc thành lập hệ tự động và các quy luật của các quá trình xảy

ra trong hệ để từ đó xây dựng được các hệ tối ưu hoặc gần tối ưu đồng thời nghiên cứu quá trình tĩnh và động của hệ thống đó

Dựa vào những phương pháp hiện đại của lý thuyết điều khiển tự động, chúng ta có thể lựa chọn được cấu trúc hợp lý của hệ thống và xác định được trị

số tối ưu của các thông số của hệ thống đồng thời đánh giá được tính ổn định và các chỉ tiêu chất lượng của hệ thống trong quá trình điều khiển

Hệ thống điều khiển là hệ thống được ghép bởi các thiết bị kỹ thuật nhằm

mục đích gia công quy luật biến đổi của tín hiệu đầu vào để tạo thành quy luật biến đổi của đại lượng vật lý đầu ra cần điều khiển nhằm thoả mãn các yêu cầu đặt trước

Một hệ thống không có sự tham gia trực tiếp của con người trong quá trình điều khiển được gọi là hệ thống điều khiển tự động

Một cách tổng quát hệ thống điều khiển tự động chủ yếu gồm 3 phần: thiết

bị điều khiển (TBĐK), đối tượng điều khiển (ĐTĐK)và thiết bị đo lường (TBĐL) Được mô tả như hinh vẽ:

Hình 1 1 Sơ đồ cấu trúc tổng quát hệ thống ĐKTĐ

Trong đó: r(t): Tín hiệu đầu vào (tín hiệu đặt),

y(t): Tín hiệu đầu ra, u(t): Tín hiệu điều khiển tác động lên đối tượng, d(t): Tín hiệu nhiễu loạn tác động vào hệ thống

- ĐTĐK: Đối tượng điều khiển (Cơ cấu chấp hành), có thể là các thiết bị

kỹ thuật, dây chuyền sản xuất, quy trình công nghệ… là mục tiêu điều khiển của con người trong các lĩnh vực khác nhau

ĐTĐK TBĐK u(t)

Các phần tử chấp hành thường dùng trong điều khiển tự động là các loại động cơ bước, động cơ DC, động cơ servo, động cơ AC, động cơ thuỷ lực khí nén…

Một loại đối tượng điều khiển cũng thường gặp khác trong công nghiệp là

hệ thống nhiệt, ví dụ như: lò nung trong dây truyền công nghiệp sản xuất gạch men lò sấy trong dây chuyền chế biến thực phẩm, hệ thống làm lạnh trong dây truyền chế biến thuỷ sản Yêu cầu điều khiển đối với hệ thống nhiệt thường là điều khiển ổn định nhiệt độ hoặc điều khiển theo chương trình

- TBĐK: Thiết bị điều khiển, là thiết bị gia công tín hiệu điều khiển, nó có nhiệm vụ tạo ra tín hiệu điều khiển tác động lên ĐTĐK theo một quy luật nào đó

để thoả mãn các yêu cầu công nghệ

- TBĐL: là thiết bị gia công tín hiệu phản hồi để đưa trở lại đầu vào của hệ thống

Thông thường các tín hiệu phản hồi lấy về là các tín hiệu không điện như: tốc độ quay, nhiệt độ, lực, ứng suất, quang thông… Do đó cần phải có các thiết bị

đo các tín hiệu đó và chuyển thành các tín hiệu điện tương ứng với tín hiệu đầu vào của hệ thống

Cấu trúc của thiết bị đo gồm có 3 phần chính: bộ phận chuyển đổi hay cảm biến, cơ cấu đo điện, và các sơ đồ mạch khuếch đại trung gian hay mạch gia công tín hiệu như mạch khuếch đại, chỉnh lưu ổn định

Các thiết bị đo tốc độ như DC Tachometer, AC Tachometer, Optical Tachometer Cảm biến nhiệt độ như Pt 56, Pt 100,Themorcouple…

Ngoài các thiết bị kể trên, để lấy tín hiệu phản hồi tốc độ và dòng điện người

ta còn sử dụng hệ thống máy phát tốc và máy biến dòng

1.3.3 Những nguyên tắc điều khiển cơ bản

1.3.3.1 Nguyên tắc điều khiển theo sai lệch

Là nguyên tắc mà tín hiệu điều khiển u(t) được thành lập dựa trên sự sai lệch của lượng ra thực tế (y(t)) so với lượng ra yêu cầu (tín hiệu đặt ở đầu vào r(t))

Sơ đồ cấu trúc của nguyên tắc điều khiển theo sai lệch như sau:

Hình 1 2 Sơ đồ cấu trúc của nguyên tắc điều khiển theo sai lệch bám

1.3.3.2 Nguyên tắc điều khiển theo tín hiệu nhiễu loạn (bù nhiễu)

Là nguyên tắc mà tín hiệu điều khiển u(t) được thành lập theo tín hiệu nhiễu tác động với mục đích để khử nhiễu ở đầu ra:

Những hệ thống được xây dựng theo nguyên tắc này là những hệ thống hở (không có phản hồi) Sơ đồ cấu trúc như sau:

Hình 1 3 Sơ đồ cấu trúc của nguyên tắc điều khiển theo tín hiệu nhiễu

Trong đó: TB1: là thiết bị để đo tín hiệu nhiễu,

TB2: là thiết bị để tạo ra tín hiệu điều khiển u(t)

ĐTĐK TBĐK u(t)

1.3.3.3 Nguyên tắc điều khiển hỗn hợp (theo sai lệch và bù nhiễu)

Là nguyên tắc mà tín hiệu điều khiển u(t) được thành lập dựa vào sự tổng hợp của hai phương pháp trên với

Sơ đồ cấu trúc tổng quát như sau:

Hình 1 4 Sơ đồ cấu trúc của nguyên tắc điều khiển theo tín hiệu nhiễu

1.3.3.4 Nguyên tắc điều khiển thích nghi

Là nguyên tắc mà tín hiệu điều khiển u(t) được thành lập có tính đến tất cả các yếu tố ảnh hưởng đến đại lượng cần điều khiển

Sơ đồ tổng quát của hệ điều khiển thích nghi như sau:

Hình 1 5 Sơ đồ cấu trúc của nguyên tắc điều khiển thích nghi

y(t) u(t)

Thiết bị phụ

Hệ thống chính

Chương 1 trình bày tìm hiểu tổng quan về cơ sở lý thuyết đo lường, xử lý

số tín hiệu và điều khiển tự động Trên cơ sở lý thuyết đó, tác giả thiết kế phần cứng card điều điều khiển có khả năng nhận được các tín hiệu điện phản ánh các đại lượng đo, xây dựng phần mềm cho card điều khiển có khả năng xử lý số tín hiệu và thực hiện chức năng của thiết bị điều khiển trong hệ thống điều khiển Các nội dung này được trình bày trong chương 2 của luận văn

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ CARD ĐIỀU KHIỂN 2.1 Thiết kế phần cứng

2.1.1 Yêu cầu về thiết kế phấn cứng

Khi thiết kế một card ứng dụng trong đo lường, điều khiển thời gian thực trước tiên yêu cầu vi xử lý trung tâm trên card phải có khả năng tính toán nhanh, dung lượng bộ nhớ lớn Bên cạnh đó, card điều khiển cũng phải có khả năng giao tiếp với nhiều đối tượng và thiết bị cảm biến khác nhau, hiển thị các tham số, chế

độ hoạt động và đồng thời có khả năng giao tiếp với máy tính thực hiện chức năng điều khiển giám sát Trên cơ sở đó việc thiết kế Card điều khiển trong luận văn được thiết kế với yêu cầu sau:

- Card có thể nhận/xuất các tín hiệu tương tự theo các chuẩn điện áp 0÷10VDC, 0÷20mA;

- Card có thể nhận/xuất các tín hiệu số có mức điện áp 0/24VDC, cho phép thu thập các giá trị logic số, đếm xung, nhận tín hiệu ngắt từ bên ngoài và xuất tín hiệu báo trạng thái, tín hiệu điều khiển PWM - Pulse-width modulation;

- Card có chức năng giao tiếp với máy tính, cụ thể phần mềm Matlab, với tốc độ cao, ít xảy ra lỗi;

- Card có chức năng hiện thị chế độ hoạt động, hoặc thông số, trạng thái;

- Card có chức năng cài đặt, thay đổi tham số và chế độ hoạt động;

- Card có khả năng mở rộng các chân vào/ra cho phép kết nối một số modul chức năng khác…

Như vậy mô hình các khối chức năng của card điều khiển có dạng:

Hình 2 1 Mô hình khối mạch điều khiển

2.1.2 Khối vi xử lý trung tâm

Khối vi xử lý trung tâm là trái tim của card điều khiển, có nhiệm vụ quản

lý, giám sát, điều khiển hoạt động toàn bộ các modul sử dụng trong card có nghĩa

là mọi hoạt động trong hệ thống dựa trên cơ sở của vi xử lý trung tâm Để đáp ứng yêu cầu đó có rất nhiều loại vi xử lý có thể đáp ứng được Tuy nhiên, do mức độ thường xuyên sử dụng và khả năng kinh tế của tác giả, vi xử lý trung tâm được chọn là vi xử lý AT91SAM3X8E do hãng Atmel chế tạo sản xuất dựa xây dựng trên bộ xử lý ARM Cortex-M3 (Advanced RISC Machine) [9]

Cấu trúc ARM (viết tắt từ tên gốc là Advanced RISC Machine) [10] là một loại cấu trúc vi xử lý 32 bit và 64 bit kiểu RISC (Reduced Instructions Set Computer - Máy tính với tập lệnh đơn giản hóa) được sử dụng rộng rãi trong các thiết kế nhúng Ngày nay, hơn 75% CPU nhúng 32-bit là thuộc họ ARM, điều này khiến ARM trở thành cấu trúc 32-bit được sản xuất nhiều nhất trên thế giới CPU ARM được tìm thấy khắp nơi trong các sản phẩm thương mại điện tử, từ thiết bị cầm tay cho đến các thiết bị ngoại vi máy tính, các hệ thống điều khiển Một nhánh nổi tiếng của họ ARM là các vi xử lý Xscale của Intel

Đầu vào

số Đầu vào tương tự

Cài đặt tham số

Hiển thị (Led,…)

2.1.2.1 Đặc điểm Bộ vi xử lý Cortex-M3 [10]

- Hiệu suất cao: Trung tâm của bộ vi xử lý Cortex-M3 là một lõi có cấu trúc đường ống tiên tiến 3 tầng Instruction Fetch, Instruction Decode và Instruction Execute, dựa trên kiến trúc Harvard, kết hợp nhiều tính năng mới mạnh mẽ như suy đoán việc rẽ nhánh, phép nhân được thực thi trong một chu kỳ và phép chia được thực hiện bằng phần cứng tạo nên một hiệu năng vượt trội Khi gặp một lệnh nhánh, tầng decode chứa một chỉ thị nạp lệnh suy đoán có thể dẫn đến việc thực thi nhanh hơn Bộ xử lý nạp lệnh dự định rẽ nhánh trong giai đoạn giải mã Sau

đó, trong giai đoạn thực thi, việc rẽ nhánh được giải quyết và bộ vi xử lý sẽ phân tích xem đâu là lệnh thực thi kế tiếp Nếu việc rẽ nhánh không được chọn thì lệnh tiếp theo đã sẵn sàng Còn nếu việc rẽ nhánh được chọn thì lệnh rẽ nhánh đó cũng

đã sẵn sàng ngay lập tức, hạn chế thời gian rỗi chỉ còn một chu kỳ

- Dễ sử dụng, phát triển ứng dụng nhanh chóng, hiệu quả: Tiêu chí quan trọng trong việc lựa chọn bộ vi xử lý là giảm thời gian và chi phí phát triển, đặc biệt là khả năng phát triển ứng dụng phải thật nhanh chóng và đơn giản Bộ vi xử

lý Cortex-M3 được thiết kế để đáp ứng mục tiêu trên Người lập trình không cần phải viết bất kì mã hợp ngữ nào (assembler code) hoặc cần phải có kiến thức sâu

về kiến trúc để tạo ra một ứng dụng đơn giản

- Giảm chi phí phát triển và năng lượng tiêu thụ: Bộ vi xử lý được thiết kế trên một diện tích nhỏ sẽ giảm chi phí đáng kể Bộ vi xử lý Cortex-M3 thực hiện điều này bằng cách cài đặt các lõi ARM nhỏ nhất từ trước đến nay, chỉ với 33.000 cổng (cổng có thể là NAND hoặc NOR… tuỳ vào công nghệ sản xuất) trong lõi trung tâm (0.18um G) và bằng cách kết hợp hiệu quả, chặt chẽ các thành phần trong hệ thống vi xử lý Bộ nhớ được tối giản bằng cách cài đặt bộ nhớ không thẳng hàng (unaligned), thao tác bit dễ dàng với kĩ thuật bit banding

Hình 2 2 Bộ vi xử lý Cortex-M3

- Tích hợp khả năng dò lỗi và theo vết trong lập trình: Công nghệ gỡ lỗi của

bộ vi xử lý Cortex-M3 được cài đặt trong chính phần cứng của nó (kết hợp với một vài thành phần khác) giúp gỡ lỗi nhanh hơn với các tính năng trace & profiling, breakpoints, watchpoints và bản vá lỗi giúp rút ngắn thời gian phát triển ứng dụng Ngoài ra, bộ vi xử lý còn cung cấp một mức nhìn cao hơn vào hệ thống thông qua cổng JTAG truyền thống hoặc cổng SWD (Serial Wire Debug) chỉ sử dụng 2 đường tín hiệu, thích hợp cho các thiết bị có kiểu đóng gói nhỏ gọn 2.1.2.2 Thông số vi xử lý AT91SAM3X8E [9]

Một lõi 32-bit, cho phép hoạt động trên 4 byte dữ liệu rộng trong một xung nhịp CPU duy nhất

2.1.2.3 Sơ đồ nguyên lý mạch xử lý trung tâm

Hình 2 3 Sơ đồ mạch vi xử lý trung tâm

TST 51 XOUT 35 XIN 36 XOUT32 49 XIN32 48 DHSDM 38 DFSDM 43 DHSDP 37 DFSDP 42 VBG 40

PA0 23 PA1 24 PA2 85 PA3 84 PA4 83 PA5 25 PA6 82 PA7 26 PA8 27 PA9 2 PA10 3 PA11 4 PA12 5 PA13 6 PA14 7 PA15 8 PA16 78 PA17 9 PA18 70 PA19 71 PA20 72 PA21 107 PA22 81 PA23 80 PA24 79 PA25 108 PA26 109 PA27 110 PA28 111 PA29 112

1k GND

D-XIN XOUT

XOUT32 XIN32

VBG

CANTX0 AD7 AD5 AD4 EXTINT PIN31 RX TX RXD2

TXD1 PIN24 AD0 SDA1 SCL1 PIN42 TXL AD2 MISO SPCK SS0/PWM10 SS1/PWM4

GND

PIN32

PWM11

PIN25 PIN27

PIN29 TXD0

RXL SS0/PWM10 PWM3 SS1/PWM4 SS1/PWM5

PWM5 PWM7 PWM9 PIN44 PIN46 PIN48 PIN50

PIN33 PIN35 PIN37 PIN39 PIN41

2.1.3 Khối xử lý tín hiệu tương tự

Khối xử lý tín hiệu tương tự gồm hai phần: mạch nhận tín hiệu tương tự, và mạch xuất tín hiệu tương tự Các tín hiệu tương tự này được xử lý bằng phương pháp số Khối ADC của AT91SAM3X8E có độ phân giải 12bits, có khả năng nhận điện áp từ 0÷3.3V, đặc biệt hỗ trợ DMA giúp tăng tốc độ trích mẫu ADC lến đến 80Msps, có khả năng nhận tín hiệu tương tự lên đến 42Mhz

(DMA (Direct memory access) là một kỹ thuật chuyển dữ liệu từ bộ nhớ đến ngoại vi hoặc từ ngoại vi đến bộ nhớ mà không yêu cầu đến sự thực thi của CPU, có nghĩa là CPU sẽ hoàn toàn độc lập với ngoại vi được hỗ trợ DMA mà vẫn đảm bảo ngoại vi thực hiện công việc được giao, tùy vào từng loại ngoại vi

mà DMA có sự hỗ trợ khác nhau)

Mạch nhận tín hiệu tương tự (thể hiện các đại lượng vật lí của hệ thống)

có thể nhận được tín hiệu điện áp 0÷10VDC hoặc 0÷20mA rồi biến đổi thành điện

áp 0÷3.3VDC để đưa vào bộ ADC của vi điều khiển AT91SAM3X8E

Tín hiệu điện áp 0÷10VDC được đưa vào chân (V+) và (V-), tín hiệu dòng điện 0÷20mA được đưa vào chân (AI) và (V-) sụt áp trên R5 (250Ω) thành tín hiệu điện áp 0÷5VDC), tín hiệu điện áp này được qua mạch khuếch đại vi sai (IC LM358-A) rồi qua mạch khuếch đại không đảo dấu (IC LM358-B) thành tín hiệu điện áp 0÷3.3VDC đưa vào chân nhận tín ADC của AT91SAM3X8E

Hình 2 4 Sơ đồ nguyên lý mạch nhận tín hiệu tương tự

Mạch xuất tín hiệu tương tự có thể xuất được tín hiệu điện áp 0÷10VDC

hoặc 0÷20mA để đưa đến các cơ cấu chấp hành Vi điều khiển AT91SAM3X8E

có sẵn 02 bộ ngoại vi DAC bên trong nhưng trong hệ thống vẫn sử dụng IC DAC chuyên dụng MCP4822 MCP4822 là IC chuyển đổi DAC 12bit (0÷4095), tín hiệu vào dạng giao tiếp nối tiếp chuẩn 3 dây ISP (CSI, SCK, SDI), 02 tín hiệu ra (VOUTA, VOUTB) dạng điện áp 0÷4095mV Tín hiệu điện áp này được đưa qua mạch khuếch đại tạo tín hiệu điện áp 0÷10VDC trên chân (VO1, VO2) và (GND); tín hiệu dòng điện 0÷20mA (trên chân (I+) và (I-)

Hình 2 5 Sơ đồ nguyên lý mạch xuất tín hiệu tương tự

2.1.4 Khối xử lý tín hiệu số

Hình 2 6 Sơ đồ nguyên lý mạch nhận/xuất tín hiệu số

2.1.5 Khối mạch nguồn nuôi

Hình 2 7 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn nuôi

2.1.6 Card điều khiển hoàn chỉnh

Từ sơ đồ nguyên lý các module ta thiết kế mạch in và gia công được phần cứng của card điều khiển

Hình 2 8 Card điều khiển sau khi gia công

2.2 Phần mềm cho vi xử lý trung tâm AT91SAM3X8E

2.2.1 Ngôn ngữ lập trình cho AT91SAM3X8E [9]

Để lập trình cho AT91SAM3X8E ta sử dụng trình biên dịch Atmel Studio

do hãng Atmel phát triển Atmel Studio hỗ trợ lập trình bằng ngôn ngữ C và ASM, biên dịch và gỡ lối cho các vi điều khiển của hãng Atmel

Hình 2 9 Giao diện phần mềm Atmel Studio

Chương trình AT91SAM3X8E trong card điều khiển được lập trình bằng ngôn ngữ C và theo cấu trúc gồm chương trình chính và các chương trình con

2.2.2 Thuật toán chương trình chính

Hình 2 10 Lưu đồ thuật toán chương trình chính

Bắt đầu

Khởi tạo các khối: RS232, PWM, TIMER, ngắt, …

Khởi tạo các giá trị ban đầu

Kiểm tra có dữ liệu từ Matlab?

Đọc và xử lý tín hiệu đầu vào tương tự

Đọc tín hiệu đầu vào số

Cập nhật dữ liệu, Thực hiện các chức năng theo yêu cầu từ Matlab