Nghiên cứu xây dựng mô hình vật lý và hệ điều khiển cánh tay robot hai bậc tự do_2

Về phương diện công nghiệp, tự động hóa là một công nghệ liên kết với sử dụng các hệ thống cơ khí, điện tử và hệ thống máy tính trong vận hành điều khiển quá trình sản xuất.. Trong ngành

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu

Quá trình phát triển về mọi mặt của con người luôn gắn liền với quá trình phát triển của khoa học công nghệ Sự phát triển về khoa học công nghệ là đòn bẩy giúp

cho một quốc gia có thể phát triển toàn điện và mạnh mẽ.Song song với quá trình phát

triển đó là yêu cầu ngày càng cao trong công việc về độ chính xác, tin cậy, khả năng

làm việc trong môi trường khắc nghiệt cường độ cao trong thời gian dài Robot ra đời

như là một giải pháp vô cùng hiệu quả để thực thi cácnhu cầu cấp thiếtđó của con

người.Qua thời gian, kỹ thuật Robot đã phát triển mạnh mẽ trên nhiều quốc gia, trong

nhiều các lĩnh vực ứng dụng trong cuộc sống và hứa hẹn sẽ là ngành kỹ thuật đi đầu

trong tương lai

Tự động hóa và kỹ thuật Robot là hai lĩnh vực có liên quan mật thiết đến nhau

Về phương diện công nghiệp, tự động hóa là một công nghệ liên kết với sử dụng các

hệ thống cơ khí, điện tử và hệ thống máy tính trong vận hành điều khiển quá trình sản

xuất Tuy nhiên việcđiều khiển chính xác được cánh tay robot đểđảm bảo cho quá

trình sản xuất được chính xác thì không hềđơn giản chút nào Với những kiến thứcđã

được học, tác giả mong muốn kiểm chứng vàđưa vào thực tiễn đểđiều khiển robot Do

đó, tác giảđã chọn đề tài“Nghiên cứu xây dựng mô hình vật lý và hệ điều khiển

cánh tay robot hai bậc tự do”.Đề tài sau khi hoàn thành có thể làm mô hình cho các

sinh viên thực tập môn điều khiển robot hoặc nghiên cứu quỹđạo chuyển động của

robot trong không gian

2 Mục đích nghiên cứu

- Tìm hiểu khái quát về robot công nghiệp, quá trình hình thành và phát triển,

các phương pháp điều khiển có thể sử dụng được Từđó tiến hành nghiên cứu, thiết kế

hệ điều khiển vị trí theo quỹ đạo mong muốn và xây dựng mô hình vật lý cánh tay

Robot hai bậc tự do

3 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu chính của đề tài là cánh tay robot 2 bậc tự do Nghiên cứu các phương pháp điều khiển robot và cách thứcđiều khiển cánh tay Robot hai bậc

tự do từ máy tính

- Phạm vi nghiên cứu thực hiện trên cơ sở lý luận, thiết kế xây dựng bộ điều khiển, mô phỏng lý thuyết điều khiển đã xây dựng được trên phần mềm Matlab

Simulink Sau đó xây dựng mô hình cánh tay robot 2 bậc tự do và xây dựng mô hình

điều khiển cho đối tượng thực

4 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết về robot và các vấn đề liên quan, đặc biệt là các phương pháp điều khiển Sau đó xây dựng mô hình mô phỏng của bộđiều khiển và tiến hành

mô phỏng Cuối cùng tiến hành xây dựng mô hình vật lý của cánh tay robot hai bậc tự

do cùng với hệđiều khiển cho đối tượng thực

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

a Ý nghĩa khoa học của đề tài

- Luận văn mang tính chất nghiên cứu, vận dụng các lý thuyết khoa học vào thực tế Từđó khẳngđịnh tính đúng đắn của lý thuyếtđiều khiển

b Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Từ những kết quả nghiên cứu có được củaluận văn, ta có thể ứng dụng vàphát triển nâng cao các kết quả vào việcđiều khiển cácRobot nhiều bậc tự do trong công

nghiệp

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP VÀCÁC PHƯƠNG

PHÁP ĐIỀU KHIỂN ROBOT 1.1 Giới thiệu chung về robot công nghiệp

1.1.1 Sơ lược quá trình phát triển của robot công nghiệp

Thuật ngữ “Robot” xuất phát từ tiếng Sec (Czech) “Robota” có nghĩa là công

việc tạpdịch trong vở kịch Rossum’s Universal Robots của Karel Capek, vào năm

1921 Trong vở kịch này, Rossum và con trai của ông ta đã chế tạo ra những chiếc

máy gần giống với con người để phục vụ con người Có lẽ đó là một gợi ý ban đầu

cho các nhà sáng chế kỹ thuật về những cơcấu, máy móc bắt chước các hoạt động cơ

bắp của con người

Đầu thập kỷ 60, công ty Mỹ AMF (American Machine and Foundry Company) quảngcáo một loại máy tự động vạn năng và gọi là “Người máy công nghiệp”

(Industrial Robot).Ngày nay người ta đặt tên người máy công nghiệp (hay robot công

nghiệp) cho những loại thiếtbị có dáng dấp và một vài chức năng như tay người được

điều khiển tự động để thực hiện một sốthao tác sản xuất

Về mặt kỹ thuật, những robot công nghiệp ngày nay, có nguồn gốc từ hai lĩnh vực kỹthuật ra đời sớm hơn đó là các cơ cấu điều khiển từ xa (Teleoperators) và các

máy công cụ điềukhiển số (NC – Numerically Controlled machine tool)

Dưới đây chúng ta sẽ điểm qua một số thời điểm lịch sử phát triển của người máy côngnghiệp Một trong những robot công nghiệp đầu tiên được chế tạo làrobot

Versatran của côngty AMF, Mỹ Cũng vào khoảng thời gian này ở Mỹ xuất hiện loại

robot Unimate -1900 đượcdùng đầu tiên trong kỹ nghệ ôtô

Tiếp theo Mỹ, các nước khác bắt đầu sản xuất robot công nghiệp: Anh -1967, Thuỵ Điển và Nhật -1968 theo bản quyền của Mỹ; CHLB Đức -1971; Pháp – 1972; ở

ý – 1973…

Tính năng làm việc của robot ngày càng được nâng cao, nhất là khả năng nhận biết và xử lý Năm 1967 ở trường Đại học tổng hợp Stanford (Mỹ) đã chế tạo ra mẫu

robot hoạt độngtheo mô hình “mắt-tay”, có khả năng nhận biết và định hướng bàn kẹp

theo vị trí vật kẹp nhờcác cảm biến Năm 1974 Công ty Mỹ Cincinnati đưa ra loại

robot được điều khiển bằng máy vitính, gọi là robot T3 (The Tomorrow Tool: Công

cụ của tương lai) Robot này có thể nâng được vật có khối lượng đến 40 Kg

Có thể nói, Robot là sự tổ hợp khả năng hoạt động linh hoạt của các cơ cấu điều khiển từxa với mức độ “tri thức” ngày càng phong phú của hệ thống điều khiển theo

chương trình sốcũng như kỹ thuật chế tạo các bộ cảm biến, công nghệ lập trình và các

phát triển của trí khônnhân tạo, hệ chuyên gia…

Trong những năm sau này, việc nâng cao tính năng hoạt động của robot không ngừngphát triển Các robot được trang bị thêm các loại cảm biến khác nhau để nhận

biết môi trườngchung quanh, cùng với những thành tựu to lớn trong lĩnh vực Tin học

– Điện tử đã tạo ra cácthế hệ robot với nhiều tính năng đăc biệt, số lượng robot ngày

càng gia tăng, giá thành ngày càng giảm Nhờ vậy, robot công nghiệp đã có vị trí quan

trọng trong các dây chuyền sản xuấthiện đại

Mỹ là nước đầu tiên phát minh ra robot, nhưng nước phát triển cao nhất trong lĩnh vựcnghiên cứu chế tạo và sử dụng robot lại là Nhật

1.1.2 Ứng dụng robot công nghiệp trong sản xuất

Từ khi mới ra đời robot công nghiệp được áp dụng trong nhiều lĩnh vực dưới góc độthay thế sức người Nhờ vậy các dây chuyền sản xuất được tổ chức lại, năng

suất và hiệu quảsản xuất tăng lên rõ rệt

Mục tiêu ứng dụng robot công nghiệp nhằm góp phần nâng cao năng suất dây chuyềncông nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của

sản phẩm đồngthời cải thiện điều kiện lao động Đạt được các mục tiêu trên là nhờ

vào những khả năng to lớncủa robot như: làm việc không biết mệt mỏi, rất dễ dàng

chuyển nghề một cách thành thạo, chịu được phóng xạ và các môi trường làm việc

độc hại, nhiệt độ cao,”cảm thấy” được cả từ trường và”nghe” được cả siêu

âm…Robot được dùng thay thế con người trong các trường hợptrên hoặc thực hiện

các công việc tuy không nặng nhọc nhưng đơn điệu, dễ gây mệt mỏi, nhầmlẫn

Trong ngành cơ khí, robot được sử dụng nhiều trong công nghệ đúc, công nghệ hàn, cắtkim loại, sơn, phun phủ kim loại, tháo lắp vận chuyển phôi, lắp ráp sản

phẩm…

Ngày nay đã xuất hiện nhiều dây chuyền sản xuất tự động gồm các máy CNC vớiRobot công nghiệp, các dây chuyền đó đạt mức tự động hoá cao, mức độ linh hoạt

cao…ởđây các máy và robot được điều khiển bằng cùng một hệ thống chương trình

Ngoài các phân xưởng, nhà máy, kỹ thuật robot cũng được sử dụng trong việc khai thácthềm lục địa và đại dương, trong y học, sử dụng trong quốc phòng, trong

chinh phục vũ trụ, trong công nghiệp nguyên tử, trong các lĩnh vực xã hội…

Rõ ràng là khả năng làm việc của robot trong một số điều kiện vượt hơn khả năng củacon người; do đó nó là phương tiện hữu hiệu để tự động hoá, nâng cao năng

suất lao động, giảm nhẹ cho con người những công việc nặng nhọc và độc hại Nhược

điểm lớn nhất củarobot là chưa linh hoạt như con người, trong dây chuyền tự động,

nếu có một robot bị hỏng cóthể làm ngừng hoạt động của cả dây chuyền, cho nên

robot vẫn luôn hoạt động dưới sự giám sát của con người

1.1.3 Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp

a Các thành phần chính của robot công nghiệp

Một robot công nghiệp thường bao gồm các thành phần chính như: cánh tay robot, nguồn động lực, dụng cụ gắn lên khâu chấp hành cuối, các cảm biến, bộ điều

khiển, thiết bịdạy học, máy tính các phần mềm lập trình cũng nên được coi là một

thành phần của hệthống robot Mối quan hệ giữa các thành phần trong robot như hình

1.3 [5]

Dụng cụ thao tác được gắn trên khâu cuối của robot, dụng cụ của robot có thể

có nhiềukiểu khác nhau như: dạng bàn tay để nắm bắt đối tượng hoặc các công cụ làm

việc như mỏhàn, đá mài, đầu phun sơn

Thiết bị dạy-học (Teach-Pendant) dùng để dạy cho robot các thao tác cần thiết theoyêu cầu của quá trình làm việc, sau đó robot tự lặp lại các động tác đã được dạy

để làm việc(phương pháp lập trình kiểu dạy học)

Các phần mềm để lập trình và các chương trình điều khiển robot được cài đặt trên máytính, dùng điều khiển robot thông qua bộ điều khiển (Controller) Bộ điều

khiển còn được gọilà Mođun điều khiển (hay Unit, Driver), nó thường được kết nối

với máy tính Một mođunđiều khiển có thể còn có các cổng Vào - Ra (I/O port) để

làm việc với nhiều thiết bị khác nhau như các cảm biến giúp robot nhận biết trạng thái

của bản thân, xác định vị trí của đối tượnglàm việc hoặc các dò tìm khác; điều khiển

các băng tải hoặc cơ cấu cấp phôi hoạt động phốihợp với robot

b Kết cấu của tay máy

Tay máy là thành phần quan trọng, nó quyết định khả năng làm việccủa robot Các kết cấu của nhiều tay máy được phỏng theo cấu tạo và chức năng của

tayngười; tuy nhiên ngày nay, tay máy được thiết kế rất đa dạng, nhiều cánh tay robot

có hìnhdáng rất khác xa cánh tay người Trong thiết kế và sử dụng tay máy, chúng ta

cần quan tâmđến các thông số hình - động học, là những thông số liên quan đến khả

năng làm việc củarobot như: tầm với (hay trường công tác), số bậc tự do (thể hiện sự

khéo léo linh hoạt củarobot), độ cứng vững, tải trọng vật nâng, lực kẹp

Các khâu của robot thường thực hiện hai chuyển động cơ bản:

 Chuyển động tịnh tiến theo hướng x, y, z trong không gian Descarde, thông

thườngtạo nên các hình khối, các chuyển động này thường ký hiệu là T (Translation)

hoặcP (Prismatic)

 Chuyển động quay quanh các trục x, y, z ký hiệu là R (Roatation).Tuỳ thuộc

vào số khâu và sự tổ hợp các chuyển động (R và T) mà tay máy có các kếtcấu khác

nhau với vùng làm việc khác nhau Các kết cấu thường gặp của Robot là robotkiểu toạ

độ Đề các, toạ độ trụ, toạ độ cầu, robot kiểu SCARA, hệ toạ độ góc (phỏng sinh)

1.2 Các phương pháp điều khiển robot kinh điển

1.2.1 Điều khiển tỉ lệ sai lệch (PE: Propotional Error)

Nhiệm vụ quan trọng đầu tiên của việc điều khiển robot là bảo đảm chođiểm tác động cuối E (End-effector) của tay máy dịch chuyển bám theo một quỹđạo định

trước Không những thế, hệ toạ độ gắn trên khâu chấp hành cuối cònphải đảm bảo

hướng trong quá trình di chuyển Giải bài toán ngược phương trìnhđộng học ta có thể

giải quyết về mặt động học yêu cầu trên Đó cũng là nội dungcơ bản để xây dựng

chương trình điều khiển vị trí cho robot

Tuy nhiên việc giải bài toán này chưa xét tới điều kiện thực tế khi robot làm việc, như là các tác động của momen lực, ma sát…Tuỳ theo yêu cầu nâng cao chất

lượng điều khiển mà ta cần tính đến ảnh hưởng của cácyếu tố trên, và theo đó,

phương pháp điều khiển cũng trở nên đa dạng và phongphú hơn

Nguyên tắc cơ bản của phương pháp này rất dễ hiểu; đó là làm cho hệthống thay đổi theo chiều hướng có sai lệch nhỏ nhất Hàm sai lệch có thể là ε =θd–θ(t), ở

đây θdlà góc quay mong muốn và θ(t) là giá trị quay thực tế của biếnkhớp, ta sẽ gọi θd

là “góc đặt” Khi ε = 0 thì khớp đạt được vị trí mong muốn.Nếu ε < 0, thì khớp đã di

chuyển quá mức và cần chuyển động ngược lại Như vậy, kiểu điều khiển chuyển

động này là luôn có chiều hướng làm cho sai lệch εxấp xỉ zero

Bên cạnh đó, chúng ta cũng cần quan tâm đến phần độ lớn, nghĩa là, chúng ta không những cần biết”làm cho động cơ chuyển động bằng cách nào?” mà còn cần

biết”cần cung cấp cho động cơ một năng lượng (mômen động) là bao nhiêu?” Để trả

lời câu hỏi này một lần nữa, chúng ta có thể dùng tín hiệu sai số ε = θd– θ Chúng ta

hãy áp dụng một tín hiệu điều khiển mà nó tỉ lệ với ε: [5, tr.103-105]

Qui luật này xác định một hệ điều khiển phản hồi và được gọi là hệ điềukhiển tỉ

lệ sai lệch

1.2.2 Điều khiển tỉ lệ - đạo hàm (PD: Propotional Derivative)

Phương pháp điểu khiển tỉ lệ sai lệch còn nhiều nhược điểm như: Hệ daođộng lớn khi ma sát nhỏ (tình trạng vượt quá) và ở trạng thái tĩnh, khi ε → 0 thìmomen

cũng gần bằng không, nên không giữ được vị trí dưới tác dụng của tải

Để khắc phục điều trên, có thể chọn phương pháp điều khiển tỉ lệ - đạohàm (PD), với lực tổng quát:

1.2.3 Điều khiển tỉ lệ - tích phân – đạo hàm(PID: Propotional Integral Derivative)

Hệ thống với cấu trúc luật điều khiển PD vẫn còn một số nhược điểm, không phù hợp với một số loại robot Một hệ thống điều khiển khác có bổ sungthêm tín hiệu

tốc độ đặtθ d và sai lệch tốc độ ε = θ d–θ (t)tác động vào khâukhuyếch đại Kd Phương

trình lực tác động lên khớp động có dạng: [5]

F = Ke ε + Kdε + Ki ε(t) dt0𝑡 (1.4) Với ε – sai số tốc độ ε = θ d–θ (t)

Như vậy, tuỳ theo cấu trúc đã lựa chọn của bộ điều khiển, ta đem đốichiếu các phương trình(1.2), (1.3) hoặc (1.4) với phương trình Lagrange – Euler, Từ đó nhận

được các phương trình của hệ điều khiển tương ứng Từ các phươngtrình này của hệ

điều khiển, cần xác định các hệ số tỉ lệ Ke, Kd, Ki để hệ hoạtđộng ổn định

0 thì phần tử cơ bản đó sẽ hoàn toàn không thuôc tập mờ đã chọn ngược lại với độ

phụ thuộc bằng 1, phần tửcơ bản đó sẽ thuộc tập hợp với xác suất 100%

Như vậy, tập mờ là tập của các cặp (x, (x)) Tập kinh điển X của phần tử x được gọi là tập nền của tập mờ Cho x chạy khắp trong tập hợp X ta sẽ có hàm (x) có

giá trị là số bất kỳ trong đoạn [0, 1], tức là:

Khi xây dựng bộ điều khiển mờ thì dạng (x) do người điều khiển tự định đoạt theo kinh nghiệm điều khiển Về nguyên tắc có thể sử dụng bất kỳ hàm nào thuộc

đoạn [0, 1] để làm hàm thuộc Chẳng hạn hàm trapmf, gbellmf, gaussmf, gauss2mf,

pimf, dsigmf, psigmf…

Tuy nhiên, trên thực sử dụng ba dạng hàm phổ biến sau: Hàm Singleton (Hàm Kroneecker), Hàm trimf (Hàm hình tam giác), Hàm trampf (Hàm hình thang) [4,

dụng các hàm liên thuộc sao cho khả năng tích hợp chúng là đơn giản Việc (x) có

giá trị là số bất kỳ trong đoạn [0, 1] là điều khác biệt cơ bản giữa tập kinh điển so với

tập mờ

Đối với tập kinh điển A, hàm thuộc (x) chỉ có hai giá trị

A(x) = 1 nếu x A

0 nếu x A

1.3.2 Cấu trúc bộ điều khiển mờ

Hệ điều khiển logic mờ đã được Mamdani và Asilian đề xướng cách đây hai thập kỷ Đến nay, điều khiển mờ đã là một phương pháp điều khiển nổi bật bởi tính

linh hoạt và thu được những kết quả khả quan trong nghiên cứu, ứng dụng lý thuyết

tập mờ, logic mờ và suy luận mờ Khác với kỹ thuật điều khiển thông thường, hệ điều

khiển logic mờ được dùng hiệu quả nhất trong các quá trình chưa xác định rõ, trong

điều kiện thiếu thông tin.Trong các trường hợp đó nó sử dụng các kinh nghiệm

chuyên gia trong thao tác để điều khiển mà không cần hiểu biết nhiều về các thông số

của hệ thống Ý tưởng cơ bản trong hệ điều khiển logic mờ là tích hợp các kinh

nghiêm chuyên gia trong thao tác vào các bộ điều khiển trong quá trình điều khiển,

quan hệ giữa các đầu vào và đầu ra của hệ điều khiển logic mờ được thiết lập thông

qua việc lựa chọn các luật điều khiển mờ trên các biến ngôn ngữ Luật điều khiển

IF-THEN là một cấu trúc câu điều kiện dạng Nếu-Thì trong đó có một số từ được đặc

trưng bởi các hàm liên thuộc liên tục Các luật mờ và các thiết bị suy diễn mờ là

những công cụ gắn liền với việc sử dụng kinh nghiệm chuyên gia trong việc thiết kế

các bộ điều khiển

Dưới đây ta xét cấu trúc cơ bản, phương pháp thiết kế, tính toán và phân tích các bộ điều khiển logic mờ và đưa ra một vài ứng dụng thực tiễn của hệ điều khiển

logic mờ ta thấy được điểm mạnh của hệ điều khiển logic mờ trong việc sử dụng các

tập mờ, các quan hệ mờ, các biến ngôn ngữ và các phép suy luận mờ

Trên hình 2.1 cho ta cấu trúc của một bộ điều khiển mờ cơ bản Trong sơ đồ mạch điều khiển có khâu đối tượng Đối tượng này được điều khiển bằng đại lượng u

là tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển mờ Vì các tín hiệu điều khiển đối tượng là các

“tín hiệu rõ”, nên tín hiệu ra của bộ điều khiển mờ trước khi đưa và điều khiển đối

tượng phải đưa qua khâu giải mờ Các tín hiệu ra y của đối tượng được đo bằng các

bộ cảm biến và được xử lý sơ bộ trước khi đưa vào bộ điều khiển Các tín hiệu này

cũng là các “tín hiệu rõ”, do vậy để bộ điều khiển mờ hiểu được chúng thì tín hiệu y

và ngay cả tín hiệu chủ đạo x phải được mờ hoá

Hình 1.2: Bộ điều khiển mờ cơ bản

Bộ điều khiển mờ có thể là SISO (Single Input Single Output), SIMO(Single input Multi Output), MISO (Multi Input Single Output), MIMO (Multi Input Multi

a: là biến ngôn ngữ đầu vào

b: là biến ngôn ngữ đầu ra

Ai: các giá trị của biếnngôn ngữ a

Bi: các giá trị của biếnngôn ngữ b (i = 1 n) + Với bộ điều khiển MISO:

Nếu a1 = A11; a2 = A12; , am = A1m; thì b = B1 Nếu a1 = A21; a2 = A22; , am = A2m; thì b = B2

Nếu a1 = An1; a2 = An2; , am = Anm; thì b = Bn + Với bộ điều khiển MIMO:

Nếu a1 = A11; a2 = A12; , am = A1m thì b1 = B11; b2 = B12; , bm = B1m

Nếu a1 = An1; a2 = An2; , am = Anm thì b1 = Bn1; b2 = Bn2; , bm = Bnm Luật hợp thành với SISO là luật hợp thành đơn, luật hợp thành với MIMO là luật hợp thành kép

Một hệ thống MIMO có thể được chia làm nhiều hệ thống MISO như hình vẽ sau:

Hình 1.3: Bộ điều khiển MIMO

Khi nghiên cứu về bộ điều khiển MIMO chỉ cần nghiên cứu bộ điều khiển MISO là đủ

1.3.3 Luật mờ cơ bản

Luật mờ cơ bản là tập hợp các luật mờ IF – THEN được xây dựng trên các biến ngôn ngữ, các luật này đặc trưng cho mối liên hệ giữa đầu vào và đầu ra của hệ, nó là

trái tim của hệ điều khiển logic mờ Các thành phần khác của hệ điều khiển logic mờ

sử dụng luật mờ cơ bản này làm công cụ để suy luận và đưa a các đáp ứng có hiệu

quả Đặc biệt một luật điều khiển chung cơ bản cho một hệ nhiều đầu vào, một đầu ra

(MISO) là:

R’: IF x là Ai và y là Bi, THEN z là Ci (2.1)

Đó là một tập của các luật IF- THEN như đã nêu trên

Trong đó x, y, z là các biến ngôn ngữ vào và ra của hệ điều khiển logic mờ

Ai, Bivà Ci là các giá trị ngôn ngữ trong miền giá trị mờ U, V và W

Ta gọi các luật trong công thức (2.1) là các luật IF- THEN mờ điều khiển vì chúng bao gồm nhiều loại khác nhau.Trong các trường hợp đặc biệt chúng được đưa

ra dưới dạng đặc biệt sau: [4, tr.25-29]

a) Luật Partial:

IF x là Ai và y là Bi THEN z là Ci. (2.2) Trong đó số điều khiển x, y nhỏ hơn n (n là số luật mờ IF- THEN)

b) Luật OR

IF m là Ai AND AND n là Bi OR p là Ci AND AND p là Di THEN q là Ei

(2.3) c) Luật mờ đơn

d) Luật Gradual Trong hệ thống mờ, kiến thức của con người được tích hợp vào các luật và bổ

đề 1 cho ta một phương pháp chung để thực hiện luật mờ cơ bản

Một biến dạng của luật mờ cơ bản là luật mà kết luận đưa ra là hàm của các biến trạng thái quá trình:

R’: IF x là Ai, AND AND y là Bi THEN z là  (x y), i 1 ,n (2.5) Trong đó  (x y) là hàm của các biến quá trình x y

Các luật điều khiển mờ trong các công thức (2.1) đến (2.5) đánh giá trạng thái của quá trình tại thời điểm t, hệ thống tính toán xử lý dữ liệu để đưa ra tín hiệu điều

khiển là hàm của các biến đầu vào f(x y) Một cách tổng quát, ta có thể nói rằng các

luật điều khiển mờ dùng các giá trị ngôn ngữ mờ đầu vào hoặc các giá trị rõ và giá trị

mờ đầu ra

1.3.4 Phương pháp tổng hợp bộ điều khiển mờ

a Nguyên tắc tổng hợp bộ điều khiển mờ

Khi thiết kế một bộ điều khiển mờ ta cần lưu ý rằng: Đối với các hệ thống dễ dàng tổng hợp được bằng bộ điều khiển kinh điển (P, PI, PD, PID) thoả mãn các yêu

cầu đặt ra thì không nên dùng bộ điều khiển mờ Bộ điều khiển mờ chỉ thích hợp khi

mô hình toán học của hệ thống không rõ ràng, có nhiều yếu tố phi tuyến và có nhiều

tham số thay đổi trong quá trình hoạt động Không nên thiết kế bộ điều khiển mờ cho

hệ thống cần độ an toàn cao ví dụ điều khiển phản ứng hạt nhân, công nghệ hoá chất

vì nhược điểm của nó là khó xác định độ ổn định của hệ thống Khi thiết kế, do

nguyên lý làm việc của bộ điều khiển mờ là sao chép lại kinh nghiệm điều khiển của

con người nên luôn phải nghĩ tới việc bổ xung cho bộ điều khiển mờ khả năng tự học

để thích nghi với sự thay đổi của đối tượng

b Các bước thực hiện khi xây dựng một bộ điều khiển mờ

- Định nghĩa tất cả các biến ngôn ngữ vào, ra (đây là các biến vào / ra của bộ điều khiển)

- Định nghĩa các tập mờ (các giá trị ngôn ngữ) cho từng biến vào và ra Sau

đó thực hiện công việc mờ hóa tức là xác định các hàm thuộc cho từng giá trị ngôn

ngữ đầu vào, ra

- Xây dựng luật hợp thành, chọn quy tắc thực hiện thiết bị hợp thành

- Chọn phương pháp giải mờ, tối ưu hệ thống

1.3.5 Điều khiển PID mờ [2, tr.190-193]

a Điều khiển PID mờ dùng hệ quy tắc mamdani

Theo lý thuyết điều khiền kinh điển, bộ điều khiển PID là bộ điều khiển có tín hiệu ra tỉ lệ tuyến tính với tín hiệu vào, vi phân tín hiệu vào và tích phân tín hiệu vào

nghiệp Một nghiên cứu cho thấy hơn 90% các bộ điều khiển được sử dụng hiện nay

là bộđiều khiển PID Tuy nhiên bộ điều khiển PID kinh điển chỉ khống chế tín hiệu ra

của đối tượng với chất lượng tốt nếu hệ thống làm việc trong miền tín hiệu nhỏ (hệ

tuyến tính) Nếu đối tượng điều khiển là phi tuyến thì bộ điều khiển PID kinh điển

không thể đảm bảo chất lượng điều khiển tại mọi thời điểm làm việc Do vậy, để điều

khiển các đối tượng phi tuyến ta cần sử dụng các bộ điều khiển PID mờ Thuật ngữ

PID mờ được hiểu theo nghĩa tín hiệu ra của bộ điều khiển tỷ lệ phi tuyến với tín hiệu

vào, với tích phân tín hiệu vào và vi phân tín hiệu vào theo quy luật xác định bởi hệ

quy tắc mờ

b Điều khiển PD mờ

Bộ điều khiển PD mờ là bộ điều khiển có tín hiệu ra của bộ điều khiển mờ cơ bản phụ thuộc vào tín hiệu cào và vi phân của tín hiệu vào Bộ điều khiển PD mờ có

thể điều khiển vô sai trong các trường hợp sau đây:

- Đối tượng có khâu tích phân lý tưởng, hoặc

- Ổn định hóa trạng thái của đối tượng xung quanh điểm cân bằng (𝑢 , 𝑥 ) trong

đó 𝑢 = 0

Với đối tượng không có khâu tích phân lý tưởng thì sử dụng bộ điều khiển PD

mờ không thể triệt tiêu sai số xác lập

c Điều khiển PI mờ

Có hai cách để thực hiện bộ điều khiển PI mờ Tín hiệu ra của bộ điều khiển có quan hệ phi tuyến với tín hiệu vào và tích phân tín hiệu vào Bộ điều khiển PI mờ nếu

thiết kế tốt có thể điều khiển đối tượng trong miền làm việc rộng với sai số xác lập

bằng 0 Tuy nhiên cũng cần để ý rằng, bộ điều khiển PI làm chậm đáp ứng của hệ

thống và quá trình quá độ có dao động

d Điều khiển PID mờ

Bộ điều khiển PID mờ có các ưu điểm của bồ điều khiển PI mờ và PD mờ, tức

là có thể điều khiển vô sai, thời gian đáp ứng nhanh, độ vọt lố thấp Thực tế, việc đưa

ra các quy tắc Mamdani mô tả quan hệ giữa vi phân của tín hiệu ra theo tín hiệu vào,

vi phân bậc 1 và vi phân bậc 2 của tín hiệu dựa vào kinh nghiệm chuyên gia cũng

không dễ dàng Do đó chỉ nên sử dụng bộ điều khiển PID mờ khi bộ điều khiển PI mờ

hoặc PD mờ không thể điều khiển đối tượng với chất lượng mong muốn

Một giải pháp khác để thực thi bộ điều khiển PID mờ là sử dụng bộ điều khiển

PI mờ ghép song song với bộ điều khiển PD mờ

Khi thực hiện bộ điều khiển PID mờ rời rạc thì phép tính vi phân được tính gần đúng

bằng phép sai phân, phép tính tích phân được thay thế bằng phép tính tổng (tích phân

lượng điều khiển (độ chính xác) mà ta cần tính đến ảnh hưởng của các yếu tố trên, và

theo đó, phương pháp điều khiển cũng trở nên đa dạng và phong phú hơn

Việc nắm rõ được các phương pháp điều khiển Robot là cơ sở kiến thức vững chắc và hết sức quan trọng trong quá trình nghiên cứu thiết kế cánh tay robot 2 hay

nhiều bậc tự do Điều khiển mờ cóưu điểm vượt trội trong việcđiều khiển đối tượng

khi mà ta chưa hoàn toàn nắm bắt được đối tượng Do đó tác giảđã lựa chọn phương

pháp này để giải quyết bài toánđiều khiển

CHƯƠNG II PHẦN MỀM MATLAB- SIMULINK VÀ CẠC GHÉP NỐI PCT

Giới thiệu chung về Matlab – Simulink 2010A

Matlab là một bộ chương trình phần mềm lớn được xây dựng để phục vụ vấn

đề giải quyết các bài toán phức tạp Matlab là tên viết tắt theo tiếng Anh của bộ công

cụ này, tên đầy đủ từ lúc mới được xây dựng là Matrix Laboratory Tức là bộ công cụ

được thiết kế để thí nghiệm giải quyết các bài toán liên quan tới matrận Từ khi vừa

mới ra đời, bộ công cụ này đã thể hiện được khả năng tuyệt vời và đã được ứng dụng

trong rất nhiều các lĩnh vực khác nhau, không chỉ riêng lĩnh vực tự động hóa điện

Do tính ưu việt của bộ công cụ nên những nhà thiết kế ra bộ công cụ này liên tục quan tâm phát triển Matlab theo thời gian Một phiên bản khá ổn định và được

nhiều người sử dụng đó là Matlab 6.5, ở phiên bản này thì dung lượng bộ cài đặt nhỏ

và đặc biệt là làm việc rất ổn định, không xảy ra các lỗi khi làm việc như những phiên

bản trước

Matlab phát triển hai lĩnh vực chính đó là lập và mô phỏng Lập trình trên matlab thì có thể thực hiện trực tiếp trên giao diện màn hình chính của matlab hoặc

lập trình trên m_file nếu như người làm muốn lưu lại kết quả Còn việc xây dựng mô

hình để mô phỏng đối tượng thì sẽ được xây dựng trên công cụ Simulink Cả lập trình

và mô phỏng đều có thể hiển thị cho ta các đặc tính giúp chúng ta đánh giá, quan sát

đáp ứng của đối tượng chúng ta muốn mô phỏng M_file và Simulink có thể hoạt

động độc lập nhưng cũng có thể hoạt động kết hợp với nhau

Nếu hoạt động độc lập thì với Simulink ta phải nhập các dữ liệu dưới dạng có trước, tất cả các biến không được dùng Còn nếu hoạt động kết hợp thì ta có thể dùng

biến trong mô hình mô phỏng trên Simulink bằng cách lập trình khai báo và tính toán

giá trị của các biến đó trên m_file, chạy m_file trước để lấy các thông số cho mô hình

Hình 2.1 Bộ công cụ Matlab – Simulink 2010A

Để cài đặt phần mềm ta kích đúp vào biểu tượng setup, sau đó hiện ra giao diện

để cài đặt (hình 2.2)

Đây là giao diện chính của matlab, nếu ta muốn lập trình trên m_file thì ta nhấn vào biểu tượng New trên góc trái phía trên giao diện, hoặc khi ta muốn mô phỏng đối

tượng thì ta sẽ gọi bộ công cụ Simulink ra bằng cách nhấn vào biểu tượng của

Simulink trên thanh công cụ, và ta có được công cụ Simulink như hình 2.4

Hình 2.4 Công cụ Simulink

2.2 Công cụ Fuzzy Logic Toolbox

2.2.1 Khái quát về Fuzzy Logic Toolbox

Fuzzy logic toolbox là một sự kết nối của các hàm được xây dựng trên môi trường tính toán số Nó cung cấp những công cụ cho bạn để tạo và chỉnh sửa hệ

matlab-thống mờ trong khuôn khổ của matlab, hoặc nếu cần bạn có thể mô phỏng trong

simulink, hoặc có thể xây dựng bằng tay một chương trình sau đó gọi tên trong

Có thể thay đổi cách thức làm việc của một vài hàm bằng cách sao chép và đổi tên trên mfile, sau đó thay đổi chương trình Bạn co thể mở rộng hộp công cụ bằng

cách thêm chương trình vào mfile

Thứ hai hộp công cụ cung cấp một số công cụ ảnh hưởng lẫn nhau, hỗ trợ bạn một vài hàm thông qua GUI, cùng với nền tảng công cụ GUI cung cấp một môi

trường để thiết kế hệ thống mờ, phân tích bổ sung

Loại công cụ thứ ba là cách cài đặt các khối sử dụng simulink Việc mô phỏng

sẽ được khảo sát trên simulink để thu được đặc tính của hệ thống

2.2.2 Xây dựng hệ thống với fuzzy logic toolbox

Để xây dựng hệ thống với fuzzy logic toolbox phải trả lời câu hỏi: có bao nhiêu biến đầu vào và đầu ra Chúng tên là gì

The membership function được sử dụng để định nghĩa hình dạng của tất cả các hàm thuộc của từng biến

The Rule Editor dùng để chỉnh sửa danh sách của các luật hợp thành được định nghĩa trên hệ thống

Surface Viewr dùng để hiển thị một trong các đầu ra phụ thuộc vào một hoặc hai đầu vào, nó vẽ biểu đồ bề mặt đầu ra của hệ thống

Fis Editor là một chương trình tạo lập bộ điều khiển mờ cơ bản, trong đó có cả chương trình tạo lập hàm liên thuộc, chương trình soạn thảo hàm liên thuộc

Fis Editor cho phép xác định số đầu vào, số đầu ra, đặt tên các biến vào, các biến ra

2.2.3 Khái quát về Realtime windows target

Real-time windows target là một giải pháp máy tính cho sự tạo nguyên mẫu và kiểm tra hệ thống thời gian thực Đây là một môi trường nơi mà bạn sử dụng máy tính

đơn lẻ như một máy chủ và một đích đến.Trong môi trường này, bạn sử dụng máy

tính để bàn, máy tính cá nhân của bạn với Matlab, Simulink và Stateflow để tạo ra các

dạng sử dụng các khối Simulink và sơ đồ Stateflow

Sau khi tạo ra một mô hình và mô phỏng nó với Simulink, bạn có thể sinh ra

mã thực thi được với Real-time workshop, Stateflow Coder và trình biện dịch Open

C/C++ Tiếp theo bạn có thể chạy các ứng dụng của bạn trong thời gian thực với các

tín hiệu trong khi chạy ứng dụng thời gian thực

- Tham số điều chỉnh: Sử dụng hộp hội thoại Block Parameter để thay đổi tham số cho ứng dụng của bạn trong khi nó chạy trong thời gian thực

2.2.4 Các ứng dụng đặc trưng cho Real-time windows target

- Điều khiển thời gian thực: Tạo một nguyên mẫu ban đầu của một máy tự động, máy tính là thiết bị ngoại vi và hệ thống điều khiển máy móc đo điểm

- Sự mô phỏng phần cứng trong chu kì thời gian thực: Tạo một nguyên mẫu của người điều khiển kếtnối 1 mô hình vật lý Tạo một nguyên mẫu của một đối tượng

kết nối với một bộ điều khiển thực

- Về vấn đề học tập: Dạy khái niệm và biện pháp cho việc mô hình hóa, mô phỏng, kiểm tra hệ thống thời gian thực và các dạng lặp

 Những đặc trƣng: Môi trường phần mềm Real-time windows target bao

gồm nhiều đặc trưng để giúp bạn tạo mô hình và kiểm tra các ứng dụng thời gian

thực

- Hạt nhân thời gian thực: Real-time windows target sử dụng một hạt nhân thời gian thực nhỏ để đảm bảo rằng các ứng dụng thời gian thực chạy trong thời gian

thực Hạt nhân thời gian thực chạy ở vành 0 trong máy tính và sử dụng bộ định thời

chứa trong PC như là nguồn thời gian

- Thời gian gián đoạn: Hạt nhân được chia thành các phần gián đoạn từ bộ định thời (xung) PC trước khi hệ thống vận hành Windows nhận nó Khối máy

thường được gọi tới hệ thống vận hành Windows Bởi vì điều đó mà bạn không thể sử

đắtcho máy tính PC- thích hợp Khi chạy các định dạng của bạn với thời gian thực,

Real-time windows target thu được dữ liệu trích mẫu từ một hoặc nhiều hơn các kênh

đầu vào, sử dụng dữ liệu như đầu vào cho các dạng sơ đồ khối của bạn, sử lý tín hiệu

ngay lập tức, và gửi nó quay lại với thế giới bên ngoài thông qua một kênh đầu ra trên

bảng đầu vào/ra của bạn

Bảng I/O Real-time windows targetthích hợp cho dải rộng của các bảng I/O

Danh sách sự thích hợp bảng I/O bao gồm ISA, PCI và PCMIA Điều nàybao gồm từ

tương tự sang số (A/D), từ số sang tương tự (D/A) đầu vào số, đầu ra số và đầu vào

các bộ điều khiển thích hợp Điều này cho phép định vị dễ dàng của các khối điều

khiển và các bảng I/O có cấu tạo đơn giản

Gắp và thả các khối điều khiển I/O vạn năng từ thư viện I/O, giống như là bạn

sẽ làm từ thư viện khối Simulink chuẩn Bạn kết nối một khối điều khiển I/O tới mô

hìnhcủa bạn ngay như bạn kết nối mọi khối Simulink chuẩn

Có thể thêm các thiết bị đầu vào/ra cho mô hình Simulink của bạn bằng việc sử

dụng các khối đk I/O từ thư viện”rtwinLab” được cung cấp với Real-time windows

target Thư viện này bao gồm các khối sau:

- Đầu vào tương tự

- Ra tương tự

- Vào số

- Ra số

- Đầu vào đếm

- Đầu vào mã hóa

Real-time windows target cung cấp các khối điều khiển cho hơn 200 bảng đầu vào/ra Những khối điều khiển này kết nối mô hình vật lý với ứng dụng thời gian thực

Mô hình Simulink: Tạo sơ đồ khối trên Simulink sử dụng các công đoạn gắp thả đơn giản và sau đó vào giá trị của khối tham số và lựa chọn một chuẩn lấy mẫu

Mô phỏng không thời gian thực: Simulink sử dụng một vectơ thời gian được tính cho bước nhảy mô hình Simulink Sau khi đầu ra được tính toán cho một giá trị

thời gian, Simulink ngay lập tức lặp lại quá trình tính toán cho giá trị thời gian tiếp

theo Việc sử lý này được lặp lại cho đến khi nó ảnh hưởng đến thời gian dừng

Bởi vì vectơ thời gian tính toán này không được kết nối với một xung phần cứng, đầu ra được tính toán với không thời gian thực nhanh như máy tính của bạn có

thể chạy Thời gian chạy mô phỏng có thể khác với thời gian thực

 Sự thực hiện thời gian thực

Sự thực hiện thời gian thực trên máy tính PC cuả bạn tạo một ứng dụng thời gian thực và sử dụng Simulink cho các mã bên ngoài

Ứng dụng thời gian thực Real-time workshop, Real-time windows Target và trình biên dịch Open Watcom C/C ++ tạo ra một sự thực thi được các mã hạt nhân có

thể chạy trên thời gian thực ứng dụng thời gian thực này sử dụng tham số sẵn có ban

đầu từ mô hình Simulink tại thời gian của sự hìnhthành mã

Nếu bạn sử dụng thời gian liên tục hợp thành trong mô hình của bạn và mã phát sinh với Real-time workshop bạn phải sử dụng một thuật toán tích phân bất định

Sự thực hiện thời gian thực Real-time windows target cung cấp một phần mềm cần thiết, nó sử dụng nguồn dự trữ thời gian thực trên phần cứng máy tính của bạn

Dựa trên sự lựa chọn trích mẫt định mức của bạn, Real-time windows target sử dụng

làm đứt quãng để nhảy ứng dụng của bạn trong thời gian thực tại một định mứcriêng

Với mỗi lần ngắt mới quá trình tính toán thực thi được tất cả khối đầu ra từ kiểu mẫu

của bạn

 Trình tự xử lý Trong môi trường Real-time windows target bạn sử dụng máy tính PC của bạn với MATLAB, SIMULINK, Real-time workshop và Real-time windows target

B1/ Thiết kế một hệ thống điều khiển: sử dụng MatLab và hộp công cụ hệ thống điều khiển để thiết kế và lựa chọn hệ số hệ thống cho bộ điều khiển của bạn

B2/ Tạo một mô hình Simulink: Sử dụng các khối Simulink tạo mô hình đồ họa cho hệ thống vật lý của bạn

B3/ Chạy mô phỏng với không có thời gian thực kiểm tra trạng thái mô hình của bạn trước khi bạn tạo một ứng dụng thời gian thực

B4/ Tạo một ứng dụng thời gian thực: Real-time workshop sinh ra mã C từ mô hình Simulink của bạn.Trình hiện dịch Open Watcom C/C ++ biên dịch mã C thành

sự thực thi được và chạy với hạt nhân Real-time windows target

B5/ Chạy một ứng dụng trong thời gian thực: Máy tính PC của bạn là một máy tính mục tiêu để chạy một ứng dụng thời gian thực

B6/ Phân tích và hiển thị dữ liệu tin hiệu: Sử dụng các hàm Matlab để vẽ dữ liệu, lưu tới Matlab work space hoặc là một ổ đĩa

c Khái niệm hệ thống:

Hiểu chi tiết hơn về Real-time workshop và Real-time windows target có thể giúp bạn khi tạo và chạy ứng dụng của bạn trên miền thời gian thực

 Mô hình bên ngoài Simulink

Mô hình bên ngoài yêu cầu một giao diện truyền thông để truyền các tham số bên ngoài tới Simulink và trên đầu thu cuối, giao thức truyền thông phải được sử dụng

để cho phép giá trị tham số mới và cài đặt chúng vào vị trí bộ nhớ riêng để sử dụng

trong ứng dụng thời gian thực Trong một vài Real-time workshop target như là Torna

cho Target, giao diện truyền thông sử dụng giao thức TCP/IP Trong trường hợp này

của Real-time windows target máy tính chủ cũng được phục vụ như một máy tính

đích đến Thành ra chỉ có bộ điều khiển các thiết bị ảo mới cần được thay đổi tham số

giữa khoảng trống nhớ và bộ nhớ của Matlab và Simulink, cái mà đã đạt được từ ứng

dụng thời gian thực

Sự thu thập tín hiệu: Bạn có thể thu và thể hiện các tín hiệu từ ứng dụng thời gian thực của bạn trong khi nó đang chạy Dữ liệu tín hiệu được phục hồi từ ứng dụng

trên miền thời gian thực và thể hiện giống như khối Simulink Scope bạn sử dụng cho

việc mô phỏng mô hình của bạn

Thay đổi tham số: Bạn có thể thay đổi các tham số trong sơ đồ khối Simulink của bạn và có các tham số mới qua một cách tự động tới các ứng dụng trên miền thời

gian thực Mô hình bên ngoài Simulink thay đổi tham số trong ứng dụng thời gian

thực trong khi nó đang chạy

 Vùng đệm dữ liệu và quá trình truyền tải dữ liệu

Ở mỗi khoảng trích mẫu của ứng dụng thời gian thực, kho tàng Simulinkcó liên quan các điểm dữ liệu trong bộ nhớ cho đến khi vùng đệm dữ liệu đã bị đầy.Một bộ

đệm dữ liệu đã đầy, Simulink ngừng quá trình bắt dữ liệu trong khi dữ liệu được

truyền trở lại Matlab thông qua mô hình bên ngoài Simulink Tuy nhiên ứng dụng thời

gian thực của bạn vẫn tiếp tục chạy

Dữ liệu được bắt với một gộ đệm là có liên quan khi một bộ đệm của dữ liệu được truyền đến Simulink, nó ngay lập tức được vẽ lên khối Simulink Scope hoặc có

thể được lưu vào Mat- file sử dụng đặc điểm lưu trữ dữ liệu của kiểu mẫu bên ngoài

Simulink

Với việc lưu trữ dữ liệu, mỗi bộ đệm của dữ liệu có thể được lưu vào Mat- file riêng của nó Tên của Mat-file có thể tự động ra tăng, cho phép bạn bắt và tự động lưu

nhiều bộ đệm dữ liệu Mặc dù các điểm trên bộđệm được liên quan đến nhau nhưng

thời gian yêu cầu truyền dữ liệu trở lại Simulink vẫn phải bị tạm ngừng cho bộ gom

dữ liệu đến khi toàn bộ bộ đệm đã được truyền và có thể kết quả trong những điểm

trích mẫu không thể tìm ra được giữa các bộ đệm dữ liệu

2.3 Card Advantech PCI 1711

PCI 1711 là một thẻ (Card) hay còn gọi là một thiết bị thu thập dữ liệu thông qua khe cắm PCI Đồng nhất thiết kế và các hàm hoàn chỉnh trong việc thu thập dữ

liệu và điều khiển Cung cấp các chức năng đặc biệt cho nhu cầu của người dùng

khác nhau Card PCI 1711 là thẻ 12 bit giá trị thấp cho thu thập dữ liệu đa chức

năng

Kèm theo card PCI 1711 là phần mềm Advantech geniDAQ là một môi trường ứng dụng toàn diện và linh hoạt, nó hỗ trợ các chức năng và tiện ích để phát

triển tất cả các ứng dụng tự động hóa trong Window NT, Window 98/95 và môi

trường Windows CE GeniDAQ cung cấp các biểu tượng cơ bản, bộ điều khiển

bằng chuột, hệ thống để thiết kế quá trình tự động và điều khiển thời gian thực, hệ

thống màn hình hiển thị, bộ hiện thị toán tử động

Các gói tin thì rất linh hoạt và dễ dàng để sử dụng Một thư viện bao gồm các khối chức năng cho phép thu thập thông tin và điều khiển theo các cách khác

nhau, các hàm toán học và hàm điều khiển trong công nghiệp được cung cấp một

cách đầy đủ để phục vụ tính năng của card Ngoài ra, Advantech GeniDAQ có thể

thực hiện đa nhiệm ở windows NT, 98/95 và windows CE Nó cung cấp một môi

trường công nghiệp an toàn và thời gian thực cho ứng dụng của người dùng

Advantech GeniDAQ cũng cung cấp một môi trường phát triển mở Dễ dàng liên kết với các ứng dụng khác qua DDE, OLE và qua mạng TCP/IP Để kết nối dữ

liệu, chức năng ODBC đã được đặt vào cho cổng SQL để mở rộng dữ liệu

GeniDAQ mở hệ thống thiết kế bảo đảm tích hợp dữ liệu của bạn với hệ thống dữ

liệu có sẵn ở bất kì nơi nào trong công ty của bạn Hơn nữa GeniDAQ đưa chuẩn

OPC trong công nghiệp để cung cấp đầu vào và đầu ra với thiết bị, bao gồm cả bộ

lập trình logic có thể lập trình được

2.3.1 Các tính năng card PCI1711

Thiết bị Advantech PCI 1711/1731 cung cấp cho người dùng hầu hết các yêu cầu tính toán và chức năng điều khiển như:

+ 16 kênh ngõ vào chuyển đổi tương tự/số

+ 12 bit chuyển đổi tương tự số với tần số lấy mẫu lên tới 100 kHz cho mỗi kênh

+ Có thể lập trình hệ số khuyếch đại cho từng kênh

+ 16 kênh ngõ vào số

+ 16 kênh ra số

+ 2 kênh chuyển đổi ngõ ra số/tương tự

+ Bộ đếm/định thời (Couter/Timer) có khả năng lập trình được

+ Tự động dò kênh và khuyếch đại

2.3.2 Các đặc trưng chính của card PCI 1711

a Bus PCI cắm-và-Chạy (Plug-and-Play):

PCI 1711 sử dụng một bộ điều khiển PCI để giao tiếp card tới Bus PCI Bộ điều

khiển này thực hiện đầy đủ các thông số kỹ thuật của Bus PCI Tất cả cấu hình có

mối quan hệ tới Bus như địa chỉ cơ bản, các ngắt tác động đều được điều khiển một

cách tự động bởi phần mềm Không cần chân cắm hay chuyển mạch cho cấu hình

người dùng

b Vòng quét các kênh và hệ số khuyếch đại tự động

PCI 1711 có một tính năng tự động quét kênh và hệ số khuyếch đại tự động bằng mạch vòng Mạch vòng này thay thế phần mềm để điều khiển trộn lẫn giữa

các kênh trong quá trình lấy mẫu tín hiệu SRAM trên mạch lưu trữ những giá trị

khuyếch đại khác nhau cho từng kênh VIệc kết hợp này giúp người sử dụng thực

hiện lấy mẫu nhiều kênh tốc độ cao cùng lúc

c Bộ nhớ vào trước ra trước FIFO (First-in-First-Out):

PCI 1711 cung cấp 1 bộ nhớ đệm FIFO, lưu trữ từ 1 lên tới 1K A/D mẫu

Tính năng quan trọng này cho phép việc chuyển dữ liệu nhanh hơn và thuận tiện

cho việc xử lý dữ liệu trong quá trình điều khiển

d Khả năng lập trình bộ đếm trên Board:

PCI 1711 bộ đếm lập trình được, thích hợp như bước khởi động cho chuyển đổi A/D Vi mạch bộ đếm là 1 82C54 hay tương đương, chứa 3 bộ đếm 16 bit với

xung 10 MHz Một trong 3 bộ đếm sử dung j như một bộ đếm sự kiện ngõ vào hay

phat xung Hai bộ khác kết hợp thành 1 bộ định thời 32 bit cho bước khởi động

Chú ý: Bước khởi động quy dịnh nhanh như thé nào cho chuyển đổi A/D sẽ thực thi trong chế độ khởi động bước

- Board kết nối: PCLD-8710, ADAM-3968

- Máy tính: Máy tính cá nhân hay trạm máy tính làm việc có khe cắm PCI (đang

Hình 2.5: Lưu đồ cài đặt

Advantech cung cấp nhiều cài đặt bộ đệm DLL, hỗ trợ bộ điều khiển thứ 3

và ứng dụng phần mềm giúp khai thác đầy đủ chức năng cho thẻ PCI:

+ DLL Driver (trong thành phần CD-ROM)

+ Bộ xử lý Labview

+ Advantech ActiveDAQ

+ Advantech GeniDAQ

2.3.4 Thiết bị phụ trợ

Advantech hỗ trợ hoàn chỉnh các thiết bị phụ trợ cho thẻ PCI 1711 Thiết bị phụ trợ bao gồm:

a Cáp nối: Cáp PCL 10168 được thiết kế riêng cho PCI 1711 nhằm mục đích

chống nhiễu cao Để thu được tín hiệu tốt hơn, các dây tín hiệu được xoắn lại như

một dây xoắn đôi (twisted-pair cable), giảm nhiễu do đường truyền và nhiễu từ một

tín hiệu khác Hơn nữa, các dây tín hiệu tương tự và số được bao bọc cách ly để

trung hoà giao thoa và nhiễu từ

b Bảng kết nối dây (Wiring Boards):

ADAM-3968 là bus mở rộng ngõ ra 68 chân Bộ phận này sẵn sàng kết nối thẻ

Advantech PC-Lab và cho phép truy cập vào từng chân của thẻ PCI 1711 một cách

dễ dàng và chính xác

PCLD 8710 một dãy ngõ vào ra trên board sử dụng được với bất kì một thẻ

PC-LabCards có 68 chân kết nối SCSI Bao gồm:

+ 2 dãy 20 chân ngõ vào ra số

+ Khoảng trống dự trữ trên Board kết nối với thiết bị như mạch tín hiệu số (bộ lọc

thông thấp, bộ giảm áp, mạch chia dòng)

+ Các ngõ vào dùng ngàm kẹp giúp cho kết nối vững chắc và đảm bảo

2.3.5 Cài đặt Driver

Cài đặt Driver trước khi lắp thẻ PCI 1711 vào hệ thống, việc này bảo đảm việc lắp

đặt suôn sẻ

Chương trình cài đặt 32-bit DLL cho PCI 1711 trong đĩa CD-ROM trong gói hàng

thẻ DAQ Làm theo các bước sau để cài đặt phần mềm điều khiển:

Bước 1: cho đĩa CD-Rom vào ổ đĩa

Bước 2: chương trình cài đặt sẽ tự chạy nếu như chức năng tự chạy trên hệ thống

được mở Lúc đó bạn sẽ thấy màn hình cài đặt như sau:

Hình 2.6: Giao diện cài đặt

Bước 3: chọn Advantech Device Manager

Bước 4: chọn Individual Driver

Bước 5: Chọn thông số kỹ thuật của card phù hợp mà ta có (card PCI1711)

Hình 2.7: Cài đặt Driver

2.3.6 Lắp đặt phần cứng

Sau khi cài đặt xong DLL Driver, tiến hành lắp thẻ PCI 1711 vào bất kì khe

cắm PCI nào trên máy tính Nếu không chắc chắn hãy xem sách chỉ dẫn sử dụng

máy tính hay tài liệu liên quan Làm theo các bước:

Bước 1: tắt máy tính và rút nguồn máy tính (phải tắt máy tính trước khi lắp thêm

hay gỡ bỏ các linh kiện máy tính)

Bước 2: gỡ miếng bảo vệ của máy tính

Bước 3: gỡ miếng bảo vệ khe ở đàng sau của máy tính

Bước 4: chạm vào phần kim loại trên bề mặt máy tính để trung hoà dòng điện

Bước 5: lắp thẻ PCI 1711 vào khe PCI Chỉ giữ trên gờ của thẻ và cẩn thận ấn vào

khe một cách chắc chắn Dùng lực vừa phải tránh làm hỏng thẻ

Bước 6: gắn cố định thẻ PCI trên rãnh phía sau máy tính bằng vít

Bước 7: gắn thiết bị tương thích với thẻ PCI

Bước 8: gắn lại miếng bảo vệ máy tính Kết nối lại các cáp đã gỡ ở bước 2

Bước 9: cắm nguồn và bật máy tính

Chú ý: trong trường hợp lắp thẻ mà không cài Driver trước, Window sẽ nhận thẻ

như một thiết bị không biết (unknown device) sau khi khởi động lại máy tính, và

nhắc bạn cung cấp Driver cần thiết Nên bỏ qua lời nhắc này (nhấn Cancel) và cài

đặt Driver

Sau khi lắp thẻ PCI 1711, ta có thể cấu hình cho thiết bị sử dụng chương trình

Advantech Device Manager Ta có thể kiểm tra thuộc tính thiết bị được cài đặt trên

hệ thống trong phần quản lý thiết bị (Device Manager)

2.3.7 Cài đặt thiết bị và điều chỉnh

Chương trình cài đặt thiết bị là một chương trình đa năng, cho phép cài đặt, tinh chỉnh và kiểm tra thiết bị, lưu trữ các cài đặt trên hệ thống Các cài đặt được

dùng khi gọi các định nghĩa APIs của Advantech Device Driver

a Thiết lập thiết bị:

Bước 1: để cài đặt các địa chỉ vào ra của thiết bị trên thẻ, ta chạy chương trình cài

đặt thiết bị Device Manager (bằng cách truy cập Start/Programs/Advantech

Automation/Device Manager/Advantech Device Manager)

Bước 2:Ta có thể cho hiển thị các thiết bị vừa được cài đặt ở trong hệ thống trên

hộp danh sách Installed Devices Nếu cả phần mềm và phần cứng đều được cài đặt

thành công thì ta sẽ nhìn thấy tên card PCI1711 trên danh sách của Installed

Devices

Hình 2.8: Hộp thoạiInstalledDevice

Bước 3: Ta chọn Setup để thiết lập cấu hình cho thiết bị Trên hộp thoại Device

Setting ta có thể thiết lập các thông số của 2 kênh điện áp ra tương tự

Hình 2.9: Hộp cài đạt thiết bị vào ra

Bước 4: Sau khi các thuộc tính được cài đặt xong, ta chọn nút test để kiểm tra phần

cứng

Hình 2.10: Hộp thoại test phần cứng

2.3.8 Kết nối tín hiệu

Việc bảo tồn tín hiệu là một yếu tố rất quan trọng trong việc chắc chắn rằng

dữ liệu trong hệ thống ứng dụng của chúng ta được gửi và nhận một cách chính

xác Việc kết nối tín hiệu chắc chắn sẽ có thể tránh được những nguy hiểm không

mong muốn tới máy tính và các thiết bị khác

a Kết nối ngõ vào ra

Kết nối vào ra trên PCI 1711 68 chân qua cáp chuyển 10168 Cáp

PCL-10168 thiết kế cho PCI 1711/1731 để giảm nhiễu tín hiệu đường dẫn tương

tự.Chân chuyển 68 chân cho kết nối vào ra cho PCI 1711\1731 được thấy ở hình

hình 2.11

Hình 2.11: Kết nối chân vào ra cho PCI 1711

b Kết nối ngõ vào tương tự

PCI 1711 cung cấp 16 ngõ vào đơn tương tự:

Kênh kết nối đơn:

Ngõ vào đơn điều chỉnh chỉ một dây tín hiệu cho mỗi kênh, và áp đo được (Vm) là

áp của dây nối chung mát Một nguồn không nối đất còn gọi là nguồn trôi Cách

đơn giản khi kết nối kênh đơn tới nguồn tín hiệu trôi Trong chế độ này, PCI 1711

cung cấp chuẩn mát cho nguồn trôi tín hiệu bên ngoài

Kết nối kênh đơn giữa nguồn tín hiệu trôi và ngõ vào cho PCI 1711/1731 như hình

2.12:

Hình 2.12: Kết nối kênh đơn ngõ vào

c Kết nối ngõ ra tương tự

PCI 1711 cung cấp 2 kênh ngõ ra tương tự D/A, DA0_OUT và DA1_OUT

Có thể dùng áp cung cấp trong của PCI 1711 -5V hoặc -10V tham chiếu để tạo ra

nguồn cung cấp từ 0 tới 5V hoặc từ 0 tới +10V cho ngõ ra D/A Ngoài ra còn tạo

giới hạn điện áp ngõ ra D/A thông qua tham chiếu ngoài, DA0_REF và DA1_REF

Giới hạn chuẩn lớn nhất của ngõ ra là +/-10V Ví dụ, kết nối nguồn ngoài 7V sẽ

tạo ngõ ra 0 tới 7V

Cách kết nối ngõ ra tương tự và chuẩn ngõ vào áp trong như hình 2.13