O slideshow foi denunciado.
Seu SlideShare está sendo baixado. ×

[Luận văn] Thiết kế bộ điều khiển số trong điều khiển chuyển động dsp digital signal processor

Anúncio
Anúncio
Anúncio
Anúncio
Anúncio
Anúncio
Anúncio
Anúncio
Anúncio
Anúncio
Anúncio
Anúncio
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
TẢI FILE KẾT BẠN ZALO: 0798568848 (30,000đ)
...
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
TẢI FILE KẾT BẠN ZALO: 0798568848 (30,000đ)
...
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
TẢI FILE KẾT BẠN ZALO: 0798568848 (30,000đ)
...
Anúncio
Anúncio
Anúncio
Anúncio
Anúncio
Anúncio
Anúncio
Anúncio
Anúncio
Anúncio

Confira estes a seguir

1 de 161 Anúncio

[Luận văn] Thiết kế bộ điều khiển số trong điều khiển chuyển động dsp digital signal processor

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
ĐỀ TÀI
NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG CARD ĐIỀU KHIỂN SỐ DSP ĐỂ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ TRONG ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG
Ngày nay với những thành tựu nổi bật trong công nghệ máy tính, chúng ta có thể thực hiện các bộ điều khiển số bằng máy tính để thay thế các bộ điều khiển truyền thống. Do vậy điều khiển số liên quan tới thuật toán điều khiển trong thiết bị điều khiển số, cụ thể là Card số và máy tính số. Chúng ta có thể tận dụng sự tiến bộ trong điều khiển logic và sự linh hoạt và mềm dẻo của điều khiển số thay vì việc thực hiện các bộ điều khiển tương tự truyền thống. Mặt khác chúng ta cũng cần sự giao diện kết nối giữa đối tượng điều khiển và máy tính

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
ĐỀ TÀI
NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG CARD ĐIỀU KHIỂN SỐ DSP ĐỂ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ TRONG ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG
Ngày nay với những thành tựu nổi bật trong công nghệ máy tính, chúng ta có thể thực hiện các bộ điều khiển số bằng máy tính để thay thế các bộ điều khiển truyền thống. Do vậy điều khiển số liên quan tới thuật toán điều khiển trong thiết bị điều khiển số, cụ thể là Card số và máy tính số. Chúng ta có thể tận dụng sự tiến bộ trong điều khiển logic và sự linh hoạt và mềm dẻo của điều khiển số thay vì việc thực hiện các bộ điều khiển tương tự truyền thống. Mặt khác chúng ta cũng cần sự giao diện kết nối giữa đối tượng điều khiển và máy tính

Anúncio
Anúncio

Mais Conteúdo rRelacionado

Mais de Khotailieu - Kiều My (20)

Mais recentes (20)

Anúncio

[Luận văn] Thiết kế bộ điều khiển số trong điều khiển chuyển động dsp digital signal processor

  1. 1. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn TẢI FILE KẾT BẠN ZALO: 0798568848 (30,000đ) NHẬN VIẾT THUÊ ĐỀ TÀI - trithucpanda.com ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc -----------***----------- THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG CARD ĐIỀU KHIỂN SỐ DSP ĐỂ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ TRONG ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG Học viên: Đinh Văn Nghiệp Lớp: CHK10 Chuyên ngành: Tự động hoá Người HD Khoa học:TS. Bùi Chính Minh Ngày giao đề tài: 01/02/2009 Ngày hoàn thành: 31/07/2009 KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC CB HƯỚNG DẪN TS. Bùi Chính Minh HỌC VIÊN Đinh Văn Nghiệp
  2. 2. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn TẢI FILE KẾT BẠN ZALO: 0798568848 (30,000đ) NHẬN VIẾT THUÊ ĐỀ TÀI - trithucpanda.com ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ----------------***---------------- LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG CARD ĐIỀU KHIỂN SỐ DSP ĐỂ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ TRONG ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG Ngành: TỰ ĐỘNG HÓA Mã số: Học viên: ĐINH VĂN NGHIỆP Người HD Khoa học: TS. BÙI CHÍNH MINH THÁI NGUYÊN 2009
  3. 3. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn TẢI FILE KẾT BẠN ZALO: 0798568848 (30,000đ) NHẬN VIẾT THUÊ ĐỀ TÀI - trithucpanda.com ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ----------------***---------------- LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG CARD ĐIỀU KHIỂN SỐ DSP ĐỂ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ TRONG ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG ĐINH VĂN NGHIỆP THÁI NGUYÊN 2009
  4. 4. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1 TẢI FILE KẾT BẠN ZALO: 0798568848 (30,000đ) NHẬN VIẾT THUÊ ĐỀ TÀI - trithucpanda.com LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Đinh Văn Nghiệp Sinh ngày 25 tháng 12 năm 1981 Học viên lớp cao học khoá 10 - Tự động hoá - Trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. Hiện đang công tác tại khoa Điện - Trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. Xin cam đoan: Đề tài “Nghiên cứu và ứng dụng Card điều khiển số DSP (Digital signal Processor) để thiết kế bộ điều khiển số trong điều khiển chuyển động” do thầy giáo TS. Bùi Chính Minh hướng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng. Tác giả xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng như nội dung trong đề cương và yêu cầu của thầy giáo hướng dẫn. Nếu sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước Hội đồng khoa học và trước pháp luật. Thái Nguyên, ngày 31 tháng 7 năm 2009 Tác giả luận văn Đinh Văn Nghiệp
  5. 5. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2 TẢI FILE KẾT BẠN ZALO: 0798568848 (30,000đ) NHẬN VIẾT THUÊ ĐỀ TÀI - trithucpanda.com LỜI CẢM ƠN Sau sáu tháng nghiên cứu, làm việc khẩn trương, được sự động viên, giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của thầy giáo TS. Bùi Chính Minh, luận văn với đề tài “Nghiên cứu và ứng dụng Card điều khiển số DSP (Digital signal Processor) để thiết kế bộ điều khiển số trong điều khiển chuyển động” đã hoàn thành. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến: Thầy giáo hướng dẫn TS. Bùi Chính Minh đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn này. Khoa đào tạo Sau đại học, các thầy giáo, cô giáo thuộc bộ môn Tự động hoá – Khoa Điện - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập cũng như quá trình nghiên cứu thực hiện luận văn. Trung tâm Thí nghiệm Trường đại học kỹ thuật Công Nghiệp, đặc biệt là các cán bộ phòng thí nghiệm tự động hoá đã tận tình giúp đỡ tác giả xây dựng hệ thực nghiệm. Toàn thể các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình và người thân đã quan tâm, động viên, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập và hoàn thành bản luận văn. Tác giả luận văn Đinh Văn Nghiệp
  6. 6. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3 TẢI FILE KẾT BẠN ZALO: 0798568848 (30,000đ) NHẬN VIẾT THUÊ ĐỀ TÀI - trithucpanda.com MỤC LỤC Nội dung Trang Trang phụ bìa Lời cam đoan 1 Lời cảm ơn 2 Mục lục 3 Danh mục các hình vẽ, đồ thị 6 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐIỀU KHIỂN SỐ 11 1.1. Lý thuyết về hệ điều khiển số 11 1.1.1. Cấu trúc điển hình của hệ điều khiển số 11 1.1.2. Cở sở của điều khiển số 21 1.1.2.1. Biến đổi Z 21 1.1.2.2 Tín hiệu và lấy mẫu tín hiệu trong hệ điều khiển số 24 1.2. Tổng hợp hệ điều khiển số 27 1.2.1. Lý luận chung. 27 1.2.2. Điều kiện để tổng hợp được bộ điều khiển số trong hệ. 29 1.2.3. Chọn tần số lấy mẫu. 30 1.2.4. Thiết kế bộ điều khiển số theo phương pháp liên tục. 32 1.2.4.1. Phương pháp vi phân 32 1.2.4.2. Bộ điều khiển số được xác định theo hàm truyền đạt 34 1.2.4.3. Phương pháp dùng biến đổi z 36 1.2.4.4. Tổng hợp bộ điều khiển có tính phần tử lưu giữ (ZOH) 37 1.2.5. Thiết kế bộ điều khiển số theo phương pháp trực tiếp 38 1.2.5.1. Phương pháp quỹ đạo nghiệm số trên mặt phẳng z. 38 1.2.5.2. Bù ảnh hưởng của khâu trễ 1.2.5.3. Hệ ổn định vô tận 40
  7. 7. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 4 TẢI FILE KẾT BẠN ZALO: 0798568848 (30,000đ) NHẬN VIẾT THUÊ ĐỀ TÀI - trithucpanda.com 1.2.6. Dùng matlab để tổng hợp hệ điều khiển số 41 1.3. Điều khiển số trong điều khiển chuyển động 41 1.3.1. Một số cấu trúc điều chỉnh được sử dụng 41 1.3.2. Thiết kế và mô phỏng hệ thống bằng máy tính 47 CHƯƠNG 2. GIỚI THIỆU CARD DSP DS1104 49 2.1. Giới thiệu chung 49 2.2. Cấu trúc phần cứng của DS1104 51 2.2.1. Cấu trúc tổng quan 51 2.2.2. Ghép nối với máy chủ (Host Interface) 53 2.2.3. Các thành phần chủ yếu của DS1104 59 2.2.3.1. Bộ xử lý tín hiệu số DSP TMS320F240. 59 2.2.3.2. Hệ con AD (Analog to Digital). 65 2.2.3.3. Hệ con DA (Digital to Analog). 67 2.2.3.4. Hệ con Vào/Ra số (Digital I/O) 70 2.2.3.5. Hệ con bộ mã hoá so lệch 73 2.2.3.6. Thanh ghi điều khiển vào ra IOCTL 75 2.2.3.7. Sơ đồ chân I/O Connector của DS1104 76 2.3. Phần mềm dSPACE 78 2.3.1. Cài đặt dSPACE 79 2.3.2. Các khối dSPACE trong Simulink 80 2.3.2.1. Các điều khiển vào/ra tương tự 81 2.3.2.2. Các điều khiển vào/ra số 81 2.4. Một số các tính năng cơ bản của Card DS1104 cho điều khiển 81 chuyển động. 2.4.1. Các điều khiển vị trí Encoder 81 2.4.2. Điều khiển PWM (Pulse Width Modulation) 82
  8. 8. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 5 TẢI FILE KẾT BẠN ZALO: 0798568848 (30,000đ) NHẬN VIẾT THUÊ ĐỀ TÀI - trithucpanda.com 2.5. Tạo ứng dụng với dSPACE và Simulink 88 2.5.1. Tạo ứng dụng với Control Desk 93 2.5.2. Hiển thị các điều khiển, quan sát với Instrumentation Management Tools. CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG HỆ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG SỬ DỤNG CARD DS 1104 3.1. Tổng hợp hệ điều khiển chuyển động vị trí DC servo(theo phương pháp tương tự) 94 100 100 3.1.1. Mô hình toán học của hệ 100 3.1.2. Cấu trúc hệ điều khiển vị trí và phương pháp tổng hợp các mạch vòng 3.1.3. Tính toán các thông số hệ điều khiển vị trí và cấu trúc hệ điều khiển vị trí 104 110 3.1.4. Mô phỏng hệ trên Matlab 114 3.2.Hệ điều khiển vị trí động cơ DC Servo dùng bộ điều khiển Fuzzy logic ứng dụng Card DS1104 115 3.3. Xây dựng hệ thống điều khiển chuyển động 121 3.3.1 Giới thiệu các thiết bị trong hệ thống thực 121 3.3.2. Lập trình điều khiển hệ 123 3.3.3. Các đặc tính thực nghiệm hệ điều khiển chuyển động 124 KÊT LUÂN VA KIÊN NGHI 129 TÀI LIỆU THAM KHẢO 129
  9. 9. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 6 TẢI FILE KẾT BẠN ZALO: 0798568848 (30,000đ) NHẬN VIẾT THUÊ ĐỀ TÀI - trithucpanda.com DANH MỤC CÁC BẢNG, HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Bảng 2.2. Mô tả thanh ghi trạng thái Bảng 2.3. Mô tả thanh ghi cài đặt Bảng 2.4. Các ngắt cứng của DSP Bảng 2.5. Quản lý các ngát cứng Bảng 2.6. Các địa chỉ thanh ghi của hệ con AD Bảng 2.7. Các địa chỉ thanh ghi của hệ con DA Bảng 2.8. Mô tả thanh ghi chế độ DA Bảng 2.9. Thanh ghi cổng vào/ra Bảng 2.10. Tên các chân của DS1104 trên P1A Bảng 2.11. Tên các chân của DS1104 trên P1B Bảng 2.12. Bảng mô tả các chân của DS1104 Bảng 2.13.Các điều khiển vị trí encoder của DS1104 Bảng 2.14. Tên các chân của các kênh phhát xung Bảng 2.15. Tên các xung PWM 3 pha Bảng 2.16.Tên của các kênh phát xung PWM 3 pha Bảng 2.17. Tên các xung PWM 3 pha vector Bảng 2.18.Tên của các kênh phát xung PWM 3vector Bảng 3.1. Các thông số cho trước Bảng 3.2. Luật điều khiển Hình 1.1. Cấu trúc hệ điều khiển số Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi số - tương tự trong hệ điều khiển số Hình 1.3. Sơ đồ nguyên lý bộ DAC Hình 1.4. Tín hiệu ra của bộ DAC Hình 1.5. Bộ biến đổi DAC với mạng điện trở Hình 1.6. Bộ biến đổi DAC dùng mạng điện trở R và 2R Hình 1.7. Sơ đồ nguyên lý chuyển đổi A/D Hình 1.8. Sơ đồ chuyển đổi A/D song song Hình 1.9. Sơ đồ chuyển đổi A/D theo phương pháp bù
  10. 10. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 7 TẢI FILE KẾT BẠN ZALO: 0798568848 (30,000đ) NHẬN VIẾT THUÊ ĐỀ TÀI - trithucpanda.com Hình 1.10. Bộ biến đổi A /D theo nguyên tắc servo Hình 1.11 : Hàm thời gian Hình 1.12. Tín hiệu liên tục Hình 1.13.Tín hiệu rời rạc Hình1.14:Bộ cắt mẫu Hình 1.15: Mối quan hệ quá trình gián đoạn và liên tục Hình 1.16 Hình 1.17 Hình 1.18 Hình 1.19 Hình 1.20 Hình 1.21 Hình 1.22 Hình 1.23 Hình 1.24 Hình 1.25 Hình 1.26. Cấu trúc cơ bản của điều chỉnh tốc độ quay Hình 1.27. Cấu trúc tối giản phục vụ thiết kế xấp xỉ Hình 1.28. Cấu trúc cơ bản điều chỉnh góc Hình 1.29. Cấu trúc cơ bản điều chỉnh góc tối giản Hình 1.30. Cấu trúc điều chỉnh bù sai số giá trị đặt Hình1.31. Cấu trúc điều chỉnh bù nhiễu Hình1.32. Cấu trúc điều chỉnh bù ngược Hình 1.33. Cấu trúc điều chỉnh bù xuôi bằng phương pháp mô hình Hình1.34. Các giai đoạn của một quá trình chuyển động Hình 1.35. Cấu trúc điều khiển tổng quát của một nhánh truyền động Hình 1.36.Các luật thông dụng nhằm điều khiển chính xác chuyển động Hình 1.37. Trình tự thiết kế và mô phỏng hệ thống bằng máy tính Hình 2.1- Card DS1104
  11. 11. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 8 TẢI FILE KẾT BẠN ZALO: 0798568848 (30,000đ) NHẬN VIẾT THUÊ ĐỀ TÀI - trithucpanda.com Hình 2.2. Sơ đồ khối của DS1104 Hình 2.3. Vi xử lý tín hiệu số DSP TMS320F240 Hình 2.4.Bản đồ bộ nhớ của DSP Hình 2.5.Bản đồ bộ nhớ ngoại vi của DSP TMS320F240 Hình 2.6. Sơ đồ khối của hệ con AD Hình 2.7. Định dạng dữ liệu của ADC 16-bit Hình 2.8. Định dạng dữ liệu của ADC 12-bit Hình 2.9. Mạch đầu vào của ADC Hình 2.10. Sơ đồ khối của hệ con DA Hình 2.11. Định dạng dữ liệu của DAC 12-bit Hình 2.12. Định dạng dữ liệu ở chế độ DA Hình 2.13. Mạch đầu ra của DAC Hình 2.14. Sơ đồ cấu trúc của giao diện encoder so lệch Hình 2.15. Mạch đầu vào của encoder Hình 2.18. Tạo nguồn 1,5V từ nguồn 5V Hình 2.16. Định dạng của thanh ghi IOCTL khi đọc Hình 2.17. Định dạng của thanh ghi IOCTL khi ghi Hình 2.18. Các khối của DS1104 Master PPC Hình 2.19. Các khối trong thư viện của DS1104 Hình 2.20. Tín hiệu encoder và giới hạn đếm Hình 2.21. Tín hiệu PWM của Card DS1104 Hình 2.22. Tín hiệu PWM ở chế độ đối xứng Hình 2.23. Tín hiệu PWM ở chế độ không đối xứng Hình 2.24. Điều chế xung PWM của Card DS1104 Hình 2.25. Điều chế vector không gian Hình 2.26. Các vector SPWM1, SPWM3, SPWM5 của DS1104 Hình 2.27. Lưu đồ thuật toán thực hiện một ứng dụng với Simulink và Control Desk: (a)- Bước 1; (b)- Bước 2 Hình 2.28. Ví dụ minh hoạ
  12. 12. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 9 TẢI FILE KẾT BẠN ZALO: 0798568848 (30,000đ) NHẬN VIẾT THUÊ ĐỀ TÀI - trithucpanda.com Hình 2.29. Thay đổi tham số khối Transfer Fcn Hình 2.30. Kết quả mô phỏng Hình 2.31. Cấu trúc điều khiển trên Matlab Simulink Hình 2.32. Downloading and Building Hình 2.33. Giao diện Control Desk Hình 2.34. Cửa sổ New Experiment Hình 2.35. Thẻ Variable Manager và các biến mô phỏng Hình 2.36. Cửa sổ New Layout Hình 2.37. Chọn Slider và vẽ hình chữ nhật trong Layout1 Hình 2.38. Thay đổi tham số của Slider Hình 2.9. Điều khiển Slider sau khi gán biến cần điều khiển Hình 2.40. Vẽ một Plotter để quan sát tín hiệu Hình 2.41.Thiết lập đặc tính cho đồ thị Hình 2.42. Thiết lập thông số quan sát Hình 2.43. Điều khiển sự thực thi của DSP (a) và điều khiển Animation (b) Hình 3.1.Sơ đồ cấu trúc chung của hệ điều chỉnh vị trí Hình 3.2. Sơ đồ mạch thay thế động cơ một chiều Hình 3.3. Sơ đồ mạch thay thế mạch điện phần ứng Hình 3.4. Mô hình tuyến tính hoá động cơ điện một Hình 3.5. Mô hình tuyến tính hoá động cơ điện một Hình 3.6. Mô hình tuyến tính hoá mô phỏng động cơ một chiều kích từ độc lập Hình 3.7. Sơ đồ khối mạch chỉnh lưu có điều khiển Hình 3.8. Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh dòng điện Hình 3.9 Hình 3.10: Sơ đồ cấu trúc của hệ điều chỉnh vị trí. Hình 3.11 Hình 3.12 Hình 3.13 Hình 3.14. Cấu trúc hệ điều khiển vị trí trong matlab Simulink
  13. 13. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 10 TẢI FILE KẾT BẠN ZALO: 0798568848 (30,000đ) NHẬN VIẾT THUÊ ĐỀ TÀI - trithucpanda.com Hình 3.15. Đặc tính mô phỏng hệ điều khiển chuyển động Hình 3.16. Cấu trúc hệ điều khiển vị trí với Card DS1104 Hình 3.17 Cấu trúc điều khiển mờ vị trí với Card DS1104 Hình 3.18. Hệ điều khiển mờ vị trí với Card DS1104 Hình 3.19. Hàm liên thuộc của biến sai lệch vị trí Hình 3.20. Hàm liên thuộc của biến thay đổi sai sốvị trí Hình 3.21. Hàm liên thuộc của tín hiệu điều khiển Hình 3.22. Surface luật điều khiển mờ Hình 3.23. Vi phân sai lệch vị trí Hình 3.24. Sai lệch vị trí Hình 3.25. Cấu trúc hệ điều khiển vị trí với bộ điều khiển mờ Hình 3.26. Mô phỏng luật điều khiển mờ Hình 3.27.Cấu trúc hệ thống thực nghiệm Hình 3.28.Card DS1104 trong hệ thực nghiệm Hình 3.29. Driver DC servo motor Hình 3.30.DC servo motor Hình 3.31. Chọn thời gian lấy mẫu cho hệ Hình 3.32. Chọn thời gian lấy mẫu cho hệ Hình 3.33. Màn hình ControlDesk với hệ thực nghiệm Hình 3.34.Chương trình điều khiển hệ thống thưc nghiệm Hình 3.35. Chương trình điều khiển hệ thống thưc nghiệm dùng bộ điều khiển mờ Bảng 2.1. Dung lượng các bộ nhớ của DS1104
  14. 14. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 11 TẢI FILE KẾT BẠN ZALO: 0798568848 (30,000đ) NHẬN VIẾT THUÊ ĐỀ TÀI - trithucpanda.com CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐIỀU KHIỂN SỐ 1.1. Lý thuyết về hệ điều khiển số. 1.1.1. Cấu trúc điển hình của hệ điều khiển số. Ngày nay với những thành tựu nổi bật trong công nghệ máy tính, chúng ta có thể thực hiện các bộ điều khiển số bằng máy tính để thay thế các bộ điều khiển truyền thống. Do vậy điều khiển số liên quan tới thuật toán điều khiển trong thiết bị điều khiển số, cụ thể là Card số và máy tính số. Chúng ta có thể tận dụng sự tiến bộ trong điều khiển logic và sự linh hoạt và mềm dẻo của điều khiển số thay vì việc thực hiện các bộ điều khiển tương tự truyền thống. Mặt khác chúng ta cũng cần sự giao diện kết nối giữa đối tượng điều khiển và máy tính. Cụ thể như: - các phép đo được thực hiện tại các thời điểm rời rạc - các dữ liệu cũng phải được rời rạc hoá để cho phép xử lý dữ liệu số Mặt khác các bộ điều khiển số có thể xử lý được dữ liệu rời rạc theo không gian và thời gian. Cách rời rạc hoá thường được thực hiện bằng cách lấy mẫu và sau đó là lượng tử hoá. Với hai đặc điểm này khiến hệ thống điều khiển số khác hẳn với các hệ thống thống điều khiển tuyến tính thông thường và hệ thống điều khiển thời gian bất biến. Chương trình điều khiển Đối tượng Máy tính số Hình 1.1: Cấu trúc hệ điều khiển số a. Bộ chuyển đổi số-tƣơng tự (D/A converter). Bộ chuyển đổi số-tương tự biển đổi một chuỗi các đại lượng u(kT) thành tín hiệu liên tục u(t) để điều khiển hệ thống. Bộ chuyển đổi D/A được mô phỏng bởi bộ lưu
  15. 15. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 12 TẢI FILE KẾT BẠN ZALO: 0798568848 (30,000đ) NHẬN VIẾT THUÊ ĐỀ TÀI - trithucpanda.com giữ, nhận ở thời điểm kT xung có biên độ tỷ lệ với trị số u(kT) có độ rộng rất bé so với T (tín hiệu lấy mẫu) và duy trì hằng số ấy suốt cả chu kì T. Như vậy đáp ứng với một chuỗi xung là một chuỗi bậc thang có độ dài T. Quá trình biến đổi này là tức thời và không có trễ. Bộ lưu giữ bậc không ở đây tương ứng với cơ cấu định hình với xung chữ nhật, hệ số lấp đầy =1. Những bộ lưu giữ bậc cao tạo nên những dạng sóng phức tạp hơn nhưng độ chính xác cao hơn. Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi số - tương tự trong hệ điều khiển số Nguyên tắc làm việc của DAC Chuyển đổi số tương tự là quá trình tìm lại tín hiệu từ n số hạng (n bits) đã biết của tín hiệu số. Bộ chuyển đổi số tương tự (DAC) tiếp nhận một mã số n bits song song ở đầu vào và biến đổi thành tín hiệu liên tục ở đầu ra. Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý bộ DAC Hình 1.4- Tín hiệu ra của bộ DAC
  16. 16. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 13 TẢI FILE KẾT BẠN ZALO: 0798568848 (30,000đ) NHẬN VIẾT THUÊ ĐỀ TÀI - trithucpanda.com Tín hiệu này được đưa qua bộ lọc thông thấp. Đầu ra của bộ lọc là tín hiệu tương tự UA biến thiên liên tục theo thời gian, là tín hiệu nội suy của Um. Vậy bộ lọc thông thấp đóng vai trò là bộ nội suy. Các đặc tính quan trọng của DAC - Độ phân giải: liên quan đến số bit của một DAC. Nếu số bit là m thì số trạng thái n tín hiệu của số nhị phân đưa vào là 2 n n và tín hiệu ra sẽ có 2 mức khác nhau, do đó độ phân giải là 1/ 2 . Độ phân giải càng bé thì tín hiệu đầu ra có dạng liên tục gần với thực tế. - Độ tuyến tính: Trong một DAC lý tưởng sự tăng tín hiệu số ở đầu vào sẽ tỷ lệ với sự tăng tín hiệu số ở đầu ra. - Độ chính xác của một DAC cho biết sự khác biệt giữa trị số thực tế của UA và trị số lý thuyết cho bởi một giá trị bất kỳ của tín hiệu số ở đầu vào. Sự sai khác này càng nhỏ thì độ chính xác càng cao. - Thời gian thiết lập: Khi tín hiệu số ở đầu vào của một DAC thay đổi, tín hiệu ở đầu ra không thể thay đổi ngay lập tức mà phải sau một khoảng thời gian nào đó gọi là thời gian thiết lập. Thời gian thiết lập phản ánh tính tác động nhanh của một DAC. Một số mạch DAC điển hình Biến đổi DAC với mạng điện trở trọng lƣợng Mạch gồm một nguồn điện áp chuẩn Uch, các bộ chuyển mạch và điện trở có giá trị R, R/2, R/4... và một mạch khuếch đại thuật toán. Khi một khoá điện nào đó được nối với nguồn điện thế chuẩn thì sẽ Hình 1.5. Bộ biến đổi DAC với mạng điện trở
  17. 17. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 14 TẢI FILE KẾT BẠN ZALO: 0798568848 (30,000đ) NHẬN VIẾT THUÊ ĐỀ TÀI - trithucpanda.com cung cấp cho bộ khuếch đại thuật toán dòng điện cường độ là: I = Uch (i=0…n-1) i R.2i Cường độ dòng điện này độc lập với các khóa còn lại, có thể thấy ngay bằng biên độ điện áp Ura phụ thuộc vào chỗ khoá nào được nối với Uch tức là phụ thuộc vào giá trị của bit tương ứng trong tín hiệu số đưa vào mạch chuyển đổi. Mạch có ưu điểm là đơn giản, nhưng nhược điểm là độ chính xác và tính ổn định của kết quả phụ thuộc nhiều vào trị số của các điện trở và khả năng biến thiên như nhau theo môi trường của các điện trở này. Chế tạo các điện trở theo đúng tỉ lệ chính xác như vậy thường khó khăn và tốn kém. Ngoài ra Ura còn phụ thuộc vào cả độ chính xác và tính ổn định của nguồn điện áp chuẩn. Bộ biển đổi D /A dùng mạng điện trở R và 2R Hình 1.6. Bộ biến đổi DAC dùng mạng điện trở R và 2R DAC với thang điện trở R - 2R khắc phục được một số nhược điểm của DAC mạng điện trở trọng lượng. Mạch chỉ gồm hai loại điện trở R và 2R với nhiều chuyển mạch (mỗi chuyển mạch cho 1 bitm) và một nguồn điện áp chuẩn Uch. Đại lượng cần tìm là Ith vào mạch khuếch đại khi có một số chuyển mạch nối với Uch. Lúc đó ta có: Ura=-Ith.Rf
  18. 18. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 15 TẢI FILE KẾT BẠN ZALO: 0798568848 (30,000đ) NHẬN VIẾT THUÊ ĐỀ TÀI - trithucpanda.com Xét tại chuyển mạch tương ứng với bit thứ i, nút tương ứng trên mạch là nút 2i . Khi bộ chuyển đổi đóng vào Uch thì điện thế tương đương tại nút 2i sẽ là Uch/ 2 và nguồn tương đương có nội trở là R (theo định lý Thevenin). Như vậy tại nút 2i+1 ta có nguồn tương đương trị số là Uch/ 4 và nội trở là R. Từ những kết quả trên ta suy ra rằng khi di chuyển về phía mạch khuếch đại thuật toán điện thế tại mỗi nút bằng nửa trị số của nút kế cận bên trái nó. Như vậy nếu từ nút thứ 2i đến nút 2n-2 có k nút (kể cả nút thứ 2n-2 ) thì điện thế tại nút 2n-2 do chuyển mạch 2i gây ra là Uch/ 2k và dòng điện t-ơng ứng là Uch/(2k.2R). Tại nút 2n-1 do đặc tính của khuếch đại thuật toán mà điện thế tại đây được coi là 0V. Tóm lại, một cách tổng quát ta có công thức để tính điện áp ra của một DAC n bit (từ B0 ữ Bn-1) với mạng điện trở R - 2R. U =-U Rf 2n-1 B +2n-2 B +...+20 B  ra ch 2n R Trong đó B0 ữ Bn-1 có giá trị 0 hoặc 1. n-i n-2 0 Các DAC theo phương pháp này phải dùng số điện trở khá lớn, ví dụ như DAC n bit thì phải dùng 2 (n-1) điện trở, trong khi theo phương pháp điện trở trọng lượng chỉ phải dùng n điện trở. Nhưng bù lại nó không rắc rối vì chỉ cần dùng có 2 loại điện trở mà thôi. Nên độ chính xác và tính ổn định của tín hiệu ra được đảm bảo. b. Bộ chuyển đổi tƣơng tự - số (A/D Converter) Quá trình chuyển đổi tương tự - số không thể tức thời, cần có thời gian trễ để biến đổi tín hiệu tương tự là một đại lượng vật lý (điện áp) ở đầu vào thành tín hiệu số ở đầu ra. Hình 1.7. Sơ đồ nguyên lý chuyển đổi A/D
  19. 19. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 16 TẢI FILE KẾT BẠN ZALO: 0798568848 (30,000đ) NHẬN VIẾT THUÊ ĐỀ TÀI - trithucpanda.com Bộ chuyển đổi A/D có ba chức năng: lấy mẫu (lượng tử hoá theo thời gian), lượng tử hoá theo mức và mã hoá (hệ nhị phân). Nguyên lý làm việc của ADC được minh hoạ trên sơ đồ khối. Tín hiệu tương tự UA được đưa đến mạch lấy mẫu, mạch này có hai nhiệm vụ: • Lấy mẫu những tín hiệu tương tự tại những thời điểm khác nhau và cách đều. Thực chất đây là quá trình rời rạc hoá tín hiệu về mặt thời gian. • Giữ cho biên độ tín hiệu tại các thời điểm lấy mẫu không thay đổi trong quá trình chuyển đổi tiếp theo (quá trình lượng tử hoá và mã hoáq). Quá trình lượng tử hoá thực chất là quá trình làm tròn số. Lượng tử hoá được thực hiện theo nguyên tắc so sánh tín hiệu cần chuyển với các tín hiệu chuẩn. Mạch lượng tử hoá làm nhiệm vụ rời rạc tín hiệu tương tự về mặt biên độ. Trong mạch mã hoá, kết quả lượng tử hoá được sắp xếp lai theo một quy luật nhất định phụ thuộc loại mã yêu cầu ở đầu ra bộ chuyển đổi. Nhiều loại ADC, quá trình lượng tử hoá và mã hoá xảy ra đồng thời, lúc đó không thể tách rời hai quá trình, phép lượng tử hoá và mã hoá được gọi chung là phép biến đổi AD. Các tham số cơ bản của ADC Các tham số cơ bản của bộ biến đổi ADC gồm dải biến đổi của điện áp tương tự ở đầu vào, độ chính xác của bộ chuyển đổi, tốc độ chuyển đổi. - Dải biến đổi của điện áp tín hiệu tương tự ở đầu vào là khoảng điện áp mà số từ 0 đến một số dương hoặc số âm nào đó, hoặc cũng có thể là điện áp hai cực tính: -UAUA. - Độ chính xác của ADC: Tham số đầu tiên đặc trưng cho độ chính xác của ADC là độ phân giải. Tín hiệu ở đầu ra của một ADC là các giá trị được sắp xếp theo một quy luật của một loại mã nào đó. Số các số hạng của mã số đầu ra (số bits trong từ mã nhị phâns) tương ứng với giải biến đổi của điện áp vào cho biết mức chính xác của phép chuyển đổi. Ví dụ một ADC có số bits ở đầu ra là n = 8 thì sẽ phân biệt được 28 mức trong dải biến đổi điện áp vào của nó. Như vậy trong thực tế dùng số
  20. 20. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 17 TẢI FILE KẾT BẠN ZALO: 0798568848 (30,000đ) NHẬN VIẾT THUÊ ĐỀ TÀI - trithucpanda.com bits để đánh giá độ chính xác của một ADC khi giải biến đổi điện áp vào là không đổi. Liên quan đến độ chính xác của một ADC còn có các tham số khác như: méo phi tuyến, sai số khuếch đại, sai số lệch không, sai số lượng tử hoá. - Tốc độ chuyển đổi cho biết số kết quả chuyển đổi trong một giây, được gọi là tần số chuyển đổi fc. Cũng có thể dùng tham số thời gian chuyển đổi Tc để đặc trưng cho tốc độ chuyển đổi. Với một ADC thường thì fc < 1/Tc vì giữa các lần chuyển đổi phải có một thời gian cần thiết để ADC phục hồi lại trạng thái ban đầu. Một ADC có tốc độ chuyển đổi cao thì độ chính xác giảm và ngược lại. Các phƣơng pháp chuyển đổi tƣơng tự - số : Có nhiều cách phân loại ADC, nhưng hay dùng hơn cả là phân loại theo quá trình chuyển đổi về mặt thời gian. Trong đồ án này chỉ giới thiệu một số phương pháp điển hình. Chuyển đổi A /D theo phƣơng pháp song song Nguyªn t¾c ho¹t ®éng. :Tín hiệu tương tự UA được đồng thời đưa đến các bộ so sánh từ S1 đến Sm. Điện áp chuẩn Uch được đưa đến đầu vào thứ 2 của các bộ so sánh qua thang điện trở R. Do đó các điện áp chuẩn đặt vào các bộ so sánh lân cận khác nhau một lượng không đổi và giảm dần từ S1 đến Sm. Đầu ra của các bộ so sánh có điện áp lớn hơn điện áp chuẩn lấy trên thang điện trở có mức logic "1", các đầu ra còn lại có mức logic "0". Các đầu ra của mạch so sánh được nối với mạch AND, một đầu mạch AND được nối với mạch tạo xung nhịp. Chỉ khi có xung nhịp đưa đến đầu vào AND thì các xung trên đầu ra của bộ so sánh mới đưa vào mạch nhớ Flip_Flop (FF). Như vậy cứ sau một khoảng thời gian bằng chu kỳ xung nhịp lại có một tín hiệu được biến đổi và đưa đến đầu ra. Xung nhịp đảm bảo quá trình so sánh kết thúc mới đưa xung nhịp vào bộ nhớ. Bộ mã hoá sẽ biến đổi tín hiệu và dưới dạng mã đếm thành mã nhị phân. Mạch biến đổi song song có tốc độ chuyển đổi nhanh nên được gọi là ADC nhanh nhưng kết cấu của mạch rất phức tạp ví dụ như ADC n bits cần phải dùng 2n -1 bộ so sánh. Vì vậy phương pháp này chủ yếu dùng trong các ADC có tốc độ chuyển đổi cao nhưng số bit nhỏ.
  21. 21. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 18 TẢI FILE KẾT BẠN ZALO: 0798568848 (30,000đ) NHẬN VIẾT THUÊ ĐỀ TÀI - trithucpanda.com Hình 1.8. Sơ đồ chuyển đổi A/D song song Chuyển đổi A /D theo phƣơng pháp bù Hình 1.9. Sơ đồ chuyển đổi A/D theo phương pháp bù Tại thời điểm ban đầu bộ đếm được đặt ở trạng thái không bởi xung Cl, như vậy đầu ra của nó cũng có tín hiệu không. Mạch so sánh thiết lập giá trị một tín hiệu nhịp H qua cổng AND được đưa vào mạch đếm. Mạch đếm làm việc cho ra tín hiệu số từ Q0…Qm-1 đồng thời qua bộ biến đổi D /A sẽ có điện áp U0 cho đến khi U0 = UA thì bộ so sánh lật giá trị, đầu ra của nó có giá trị 0 cổng AND sẽ khoá và bộ đếm sẽ dừng. Trên đầu ra bộ đếm Q0…Qm-1 ở dạng số tỉ lệ với điện áp vào UA, số này được xếp vào bộ ghi. Tiếp theo bộ đếm được xoá và chuẩn bị cho chu kỳ biến đổi tiếp
  22. 22. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 19 TẢI FILE KẾT BẠN ZALO: 0798568848 (30,000đ) NHẬN VIẾT THUÊ ĐỀ TÀI - trithucpanda.com maxA A f theo. Sau mỗi chu kỳ bộ ghi sẽ ghi số liệu mới của bộ đếm. Nếu như bộ đếm nhị phân có m bits thì điện áp vào cực đại UmaxA: U =2m -1 Điện áp U được lượng tử theo gia số: U = UmaxA A 2m -1 U Điện áp UA được diễn tả bằng phương trình: U = maxA N A 2m -1 Trong đó N là tổng số bước của bộ đếm và dung lượng của nó đầy sau khi kết thúc qúa trình đếm. Thời gian biến đổi: N TA = n ,Trong đó fn là tần số xung nhịp. Thời gian biến đổi phụ thuộc độ lớn điên áp. Tốc độ thay đổi điện áp có thể đạt giá trị cực đại.  dUA  = ΔUA = UAmax .ΔN . fn = UAmax f  dt  ΔT 2m -1 ΔN 2m -1 n  max Nếu tốc độ biến đổi điện áp UA lớn hơn tốc độ cực đại thì phát sinh sai số động của bộ biến đổi. Sai số tĩnh của bộ biến đổi là sai số lượng tử ± U. Để giảm thời gian biến đổi, ở bộ đếm nhị phân ta sử dụng mạch điều khiển chương trình. Bộ biến đổi A /D theo nguyên tắc servo Bộ biến đổi này có ba phần tử cơ bản: mạch so sánh, mạch đếm hai chiều và bộ biến đổi D /A. Hình 1.10. Bộ biến đổi A /D theo nguyên tắc servo
  23. 23. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 20 TẢI FILE KẾT BẠN ZALO: 0798568848 (30,000đ) NHẬN VIẾT THUÊ ĐỀ TÀI - trithucpanda.com Tín hiệu điện áp vào UA so sánh với điện áp ra D /A. Nếu UA > U0 thì bộ biến đếm đếm theo chiều tiến. Nếu UA < U0 thì bộ đếm đếm theo chiều lùi cho đến khi UA = U0 thì bộ đếm dừng, tương tự như cơ cấu servo. Tuy vậy tốc độ biến đổi điện áp vào UA luôn luôn phải nhỏ hơn tốc độ của bộ đếm và bộ biến đổi D /A. Nên thời gian biến đổi phụ thuộc vào tần số xung nhịp fH và phản ứng của bộ so sánh. c. Máy tính số hoặc bộ vi xử lý. Máy tính thực hiện các thuật toán như: dịch chuyển, cộng, nhân, lưu giữ: nó tạo nên tín hiệu điều khiển uk=u(kT) theo chu kì, là hàm của các đại lượng uk-1, uk-2, …uk-q ở các thời điểm trước đó và các đại lượng sai lệch ek-1, ek-2, …ek-q. Angorit mô tả hàm ấy có dạng tuyến tính như: n n u(mT)=bk e(m-k)T-ak u(m-k)T k=0 k=1 uk =a1uk-1 +a2uk-2 +...+aq uk-q +b0ek +b1ek-1 +...+bpek-p Yêu cầu là xác định các hệ số aj và bj sao cho đáp ứng của hệ số đối với đại lượng đặt xd(kT) là thích hợp mặc dù có nhiễu tác động đến hệ thống hay đến cảm biến. Trong angorit, sai lệch e(kT) xuất hiện đồng thời với điều khiển, đòi hỏi chu kì lượng tử hoá T đủ lớn (ít nhất là 20 lần ) so với thời gian tính u(kT). Thời gian lấy mẫu và thời gian biến đổi tín hiệu đều cần tính đến để chộ T. Chu kì lấy mẫu T ảnh hưởng rất lớn đối với chất lượng của hệ kín. Nếu T quá lớn hệ có thể mất ổn định. Nếu T và mức lượng tử hoá (mà quá trình phân tích không quan tâm đến) đủ bé thì tín hiệu số cũng như tín hiệu rời rạc có thể xem như liên tục. Ngày nay với sự phát triển vượt bậc của công nghệ thông tin, điện tử các nhà sản xuất đã tích hợp các hệ vi xử lý tín hiệu số để thay thế các máy tính trong hệ điều khiển số. Các hệ vi xử cùng với các bộ chuyển đổi A/D,D/A được tích hợp trên một Board đơn (Card). Có nhiều hãng đã sản xuất nhiều Card điều khiển số DSP để ứng dụng trong công nghiệp và nghiên cứu, điển hình là các Card DS1102,DS1104, DS1103, DS1105.
  24. 24. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 21 TẢI FILE KẾT BẠN ZALO: 0798568848 (30,000đ) NHẬN VIẾT THUÊ ĐỀ TÀI - trithucpanda.com  1.1.2. Cở sở của điều khiển số. 1.1.2.1. Biến đổi Z Khi phân tích hệ điều khiển tuyến tính liên tục thì ta dùng phép biến đổi Laplace lúc đó hàm truyền của hệ thống là tỷ số giữa hai đa thức theo biến t. Trong hệ điều khiển số thì hàm truyền của hệ thống không còn là một đa thức đại số theo p mà đa thức đại số theo eTp . Để đơn giản ta đặt eTp  z lúc đó hàm truyền của hệ thống trở thành đa thức đại số theo z. Ta có thể sử dụng các kết quả đã khảo sát ở hệ tuyến tính liên tục cho hệ điều khiển số. 1.1.2.1.1. Phép biến đổi z Cho tín hiệu rời rạc x(nT) thì biến đổi z của tín hiệu này sẽ là:  X(z)  x(nT)z n  Công thức trên được gọi là công thức biến đổi Z theo hai phía. Trong kỹ thuật điều khiển số ta thường dùng biến đổi Z theo một phía (0  +).  X(z)=X(nT)z n 0  Xét hàm liên tục f(t) có hàm rời rạc là: f(nT)=f(t)(t  nT) 0 Trong đó (t  nT) là xung Đirăc *    Biến đổi Laplace ta có: F(p)  f (nT)etp dt  f (t)(t  nT)etp dt 0 0 0 *    F(p)  f(nT)e nTp 0 Với Z = eTp  p = 1 lnZ T * F(p) =  p   1 ln Z  T   = F(z) = f(nt)z n 0
  25. 25. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 22 TẢI FILE KẾT BẠN ZALO: 0798568848 (30,000đ) NHẬN VIẾT THUÊ ĐỀ TÀI - trithucpanda.com  Biến đổi Z của hàm 1(t): f(t) = 1(t) f(nT) = 1(n) với T = 1  Z1(t) =  1(n)2 n 0 = 1 + 1  1 z z2 + … = z z  1
  26. 26. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 23 TẢI FILE KẾT BẠN ZALO: 0798568848 (30,000đ) NHẬN VIẾT THUÊ ĐỀ TÀI - trithucpanda.com  n = = Biến đổi Z của hàm f(t) = e-aT với a = const f(nT) = f(n) với T = 1 = e-na Zeat = ena zn = 1 + e-a z-1 + e-2a z-2 + ... 0  là cấp số nhân lùi vô hạn với q = e-n z-1 là công bội Vậy Zeat = 1 = 1 ea z z a a 1  q 1  1 ea z e z  1 z  e 1.1.2.1.2. Các tính chất của biến đổi Z a. Tính dịch gốc Nếu hàm f(n) có biến đổi Z là F(z) thì hàm f(n + 1) có ảnh là: ZF(z) – Zf(0) ( f(0) là điều kiện đầu ) Tổng quát: Zf(n  m = b. Tính chất tuyến tính m1 Zm F(z) - f ( j)z( mj ) j0 Nếu f1 (n)  F1 (z) vµ f2 (n)  F2 (z) thì: Za f (n)  b f (n) a F (z)  b F (z) 1 2 1 2 c. Giá trị đầu của hàm gốc rời rạc f (n  0)  f (0)  Lim F(z) z   Xuất phát từ biến đổi Z: Vì Z  f    f (n)z n 0  f (0)  f (1)z 1  ...  f (n)z n  Lim F(z)  f (0)  lim f (n) z  d. Giá trị cuối của hàm gốc rời rạc n0 limf(n)  lim(1  z 1 )Fz n z1
  27. 27. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 24 TẢI FILE KẾT BẠN ZALO: 0798568848 (30,000đ) NHẬN VIẾT THUÊ ĐỀ TÀI - trithucpanda.com m m Vì Zf (n  1)  f (n) lim f (n  1)  f (n)z n m n 0 Z F(z)  F(z)  lim f (n  1)  f (n)z n m n 0
  28. 28. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 25 TẢI FILE KẾT BẠN ZALO: 0798568848 (30,000đ) NHẬN VIẾT THUÊ ĐỀ TÀI - trithucpanda.com 0 lim(z  1)F(z)  f (0) limf (m  1)  f (0) z1 m  Lim f(n)  Lim(1  z 1 )F(z) n  e. Biến đổi Z của sai phân tiến ( f(n) ) Δf(n)=f(n+1)-f(n) z1 ZΔf(n)=Zf(n+1)-f(n)=Zf(n+1)-Zf(n) ÛZΔf(n)=zF(z)-zF(0)-F(z)=(z-1)F(z)-zf(0) Tương tự đối với sai phân cấp hai: Z2 f (n) (z 1) Zf (n) z f (0)  (z 1)2 F(z)  z(z 1)f (0)  z f (0) f. Biến đổi Z của sai phân lùi f (n)  f (n)  f (n 1) Zf (n) F(z)  z 1 F(z)  F(z)(1  z 1 ) 1.1.2.1.3. Biến đổi Z ngƣợc: Cho hàm F(z) tìm f(n). Có ba cách để thực hiện: a. Phân tích thành những phân thức đơn giản Phân tích thành những phân thức đơn giản sau đó sử dụng bảng ảnh gốc và các tính chất biến đổi Z sẽ được kết quả. b. Phân tích thành chuỗi luỹ thừa F(z)  f (n)z n  f  f (1)  f2 z z 2  ... Suy ra f(n) ở thời điểm lấy mẫu ta xác định được giá trị thời gian. c. Dùng phương pháp tích phân ngược e(nt) = 1  F(z)z  n 1 dz 2 j L Trong đó đường cong L lấy sao cho bao kín nghiệm (đường cong kín L là đường tròn đơn vị). Phương pháp này ít dùng.
  29. 29. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 26 TẢI FILE KẾT BẠN ZALO: 0798568848 (30,000đ) NHẬN VIẾT THUÊ ĐỀ TÀI - trithucpanda.com d. Sử dụng máy tính số Chuyển F(Z) thành phương trình sai phân, sau đó giải phương trình sai phân bằng máy tính.
  30. 30. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 27 TẢI FILE KẾT BẠN ZALO: 0798568848 (30,000đ) NHẬN VIẾT THUÊ ĐỀ TÀI - trithucpanda.com  1.1.2.1.4. Biến đổi Z phát triển Biến đổi Z phát triển là một công cụ để xác định hàm thời gian giữa các lần lấy mẫu khi mà số lần lấy mẫu không phải là số nguyên của tần số lấy mẫu. Trong trường hợp này ta thay phép biến đổi Z thông thường bằng cách thêm vào hệ thống dữ liệu lấy mẫu một sự trì hoãn thời gian tưởng tượng. Khi đó phép biến đổi này sẽ mô tả các chuỗi xung được làm rõ bởi các hàm thời gian, với bội số không nguyên của tần số lấy mẫu. Bằng cách thay đổi thời gian trễ ta có thể tìm được tín hiệu liên tục giữa các lần lấy mẫu. - Xét hàm thời gian như hình vẽ (Hình 1.11). Hàm được làm trễ một khoảng thời gian   giây. Nếu là số nguyên thì biến đổi Z của hàm e(t  T) là : e(t) Ze(t  T) z  E(z) Nếu chọn n  1    n thì sai số giữa (n- 1) n (n+1) t nT và T là : T  nT  T    n    Trong đó  là một số dương và 0    1. Hình 1.11 : Hàm thời gian Giả thiết E(p) là biến đổi Laplace của e(t) và E(p, ) là biến đổi laplace của e(t- T ) Le(t  T) E(p,   E(p) e Tp ) Thay   n   ta có: E(p, )  E(p) e nTp e Tp Biến đổi Z phát triển: E(z, )  z n ZE(p) e Tp  E(z, )  E n  Tz n
  31. 31. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 28 TẢI FILE KẾT BẠN ZALO: 0798568848 (30,000đ) NHẬN VIẾT THUÊ ĐỀ TÀI - trithucpanda.com 0 1.1.2.2 Tín hiệu và lấy mẫu tín hiệu trong hệ điều khiển số
  32. 32. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 29 TẢI FILE KẾT BẠN ZALO: 0798568848 (30,000đ) NHẬN VIẾT THUÊ ĐỀ TÀI - trithucpanda.com 1.1.2.2.1. Lấy mẫu tín hiệu Trong hệ điều khiển số luôn tồn tại hai loại tín hiệu là tín hiệu liên tục và tín hiệu rời rạc. Tín hiệu đưa vào máy tính là tín hiệu rời rạc, còn tín hiệu đưa vào đối tượng điều khiển và đối tượng đo lường là tín hiệu liên tục. Để tín hiệu đưa vào máy tính số ta phải biến đổi các tín hiệu đo lường vốn là liên tục thành tín hiệu rời rạc và nó được gọi là quá trình cắt mẫu tín hiệu. Xét một tín hiệu liên tục như hình vẽ (Hình 1.12): Ta giả thiết lấy mẫu tín hiệu ở những điểm cách đều nhau. Với cách lấy mẫu như thế thì hàm x(t) được mô tả bởi chuỗi các con số rời rạc x(0), x(T), x(2T), x(3T), …., x(nT). Nó mô tả các giá trị của hàm x(t) tại các thời điểm rời rạc về thời gian. Các giá trị của hàm tại các điểm khác như x ( 2 T) …. chỉ có thể có được nhờ phương pháp 5 nội suy. x(t) T 2T 3T … … nT t Hình 1.12. Tín hiệu liên tục x(nT) T 2T 3T … … nT t Hình 1.13.Tín hiệu rời rạc Trong thực tế các khâu điều khiển và đối tượng điều khiển thường là tương tự, vì vậy tín hiệu rời rạc sau khi lấy mẫu phải được xây dựng thành tín hiệu liên tục, trong suốt khoảng thời gian giữa hai lần lấy mẫu. Quá trình này được gọi là quá trình lưu giữ dữ liệu (Hold), có hai cách để lưu giữ dữ liệu đó là: lưu giữ bậc không và lưu giữ bậc một. 1.1.2.2.2. Các đặc tính lấy mẫu Một bộ lấy mẫu lý tưởng được mô tả như hình vẽ(H-21) sau:
  33. 33. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 30 TẢI FILE KẾT BẠN ZALO: 0798568848 (30,000đ) NHẬN VIẾT THUÊ ĐỀ TÀI - trithucpanda.com  x(t) x(nT) x(t) x(nT) Bé c¾t mÉu Hình1.14:Bộ cắt mẫu Với bộ cắt mẫu lý tưởng trên sẽ tạo ra một chuỗi xung đơn vị rời rạc từ hàm liên tục. Giả thiết thời gian đáp ứng của bộ cắt mẫu nhỏ hơn nhiều thời gian giữa hai lần lấy mẫu liên tiếp (chu kỳ lấy mẫu), khi đó giá trị rời rạc x(nT) chính là các giá trị của hàm khi bộ cắt mẫu đóng. Để mô tả toán học quá trình lấy mẫu ta có thể coi bộ lấy mẫu như một công cụ thực hiện phép nhân tín hiệu x(t) với hàm lấy mẫu (t). Việc này tương đương như việc điều chế tín hiệu, trong đó sóng mang là hàm (t) 0 T 2T t (t-nT) và ta có x(nT) =x(t).(t). Hàm lấy mẫu tốt nhất là chuỗi xung đơn vị, chuỗi xung này có bề rộng vô cùng hẹp, biên độ vô cùng lớn (chính là đạo hàm của hàm 1(t) ) nó là các hàm (t), (t-T), (t-2T), …(t-nT) Trong thực tế các bộ lấy mẫu vẫn có một khoảng thời gian tác động nhất định, do đó hàm lấy mẫu thực tế có một diện tích xác định khác một (diện tích A). Ta chỉ có thể coi các hàm lấy mẫu có diện tích bằng một khi thời gian lấy mẫu nhỏ hơn nhiều hơn so với hằng số thời gian của hệ thống (thường gặp trong thực tế). Giả thiết hàm lấy mẫu được mô tả bởi chuỗi xung đơn vị:  (t) = δ(t  nT) n  Trong đó: (t-nT) = 0 víi t  nT  víi t  nT d sao cho (t  nT) dt =1 chính là đạo hàm của dt 1(t-nT) * Khi đó hàm x(t) được điều chế như sau: x (t)    x(nT)(t  nT) n 
  34. 34. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 31 TẢI FILE KẾT BẠN ZALO: 0798568848 (30,000đ) NHẬN VIẾT THUÊ ĐỀ TÀI - trithucpanda.com   Trong đó: x(nT) là giá trị của hàm tại thời điểm lấy mẫu. Vì hàm (t-nT) chỉ có giá trị xác định tại thời điểm nT, do đó có thể thay x(nT) = x(t). Mặt khác, x(t) xác định từ thời điểm t = 0. *  Từ đó ta có: x(t) x(nt)(t  nT) n    1.2. Tổng hợp hệ điều khiển số 1.2.1. Lý luận chung. Hệ điều khiển số được tổng hợp theo hai hước chủ yếu: trong miền tần số và trong không gian trạng thái. Tổng hợp trong miền tần số chủ yếu dựa vào mô tả động học của hệ tầng bằng các biến đổi Laplace và Fourier (còn gọi là phương pháp tổng hợp dùng kỹ thuật biến đổi). Hướng thứ hai là tổng hợp hệ điều khiển số trong không gian trạng thái. Phương pháp dùng kỹ thuật biến đổi có các phương pháp gián tiếp (phương pháp tương tự) và phương pháp trực tiếp. Ở phương pháp gián tiếp, một bộ điều khiển liên tục lý tưởng Gc(s) được tổng hợp sau đó một tổ hợp “CAD - bộ điều khiển gián đoạn -DAC” được chọn sao cho tương ứng với Gc(s) như ở hình 1.15. Phương pháp này được những người quen dùng điều khiển tương tự ưa chuộng vì chỉ cần biến đổi từ kỹ thuật tương tự sang số. Tuy nhiên việc gián đoạn hoá bộ phận điều khiển sẽ cho kết quả kém chính xác vì: 1. Tín hiện liên tục dạng bậc thang từ phần tử lưu giữ không thể tạo nên tín hiệu lý tưởng u*(t). 2. Tín hiệu lý tưởng ấy phụ thuộc liên tục vào y(t), còn bộ điều khiển số chỉ đo được y(t) ở thời điểm lấy mẫu. Tuy nhiên, nếu so với phổ của các tín hiệu đầu vào, đầu ra mà chọn tần số lượng tử hoá đủ lớn, có thể chọn được bộ phận điều khiển gián đoạn gần như Gc(s). Phương pháp chọn giản đơn nhất là theo: Gc(z) = Gc(s)|s = (z-1))/T
  35. 35. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 32 TẢI FILE KẾT BẠN ZALO: 0798568848 (30,000đ) NHẬN VIẾT THUÊ ĐỀ TÀI - trithucpanda.com Một phương pháp chuẩn xác hơn: Gc(z) = Gc(s)s = 2(z-1))/T(z+1). Quá trình gián đoạn (đối với bộ điều khiển) Gc(z) Khối điều khiển, số (theo thời gian gián đoạn) DAC phần tử lưu giữ ADC phần tử lấy mẫu G1(s) Quá trình liên tục Bộ điều chỉnh liên tục (đối với quá trình) Hình 1.15: Mối quan hệ quá trình gián đoạn và liên tục Phương pháp thứ hai là phương pháp biến đổi đơn ứng (biến đổi kép, biế đổi Tustin) duy trì được điều kiện ổn định của hàm truyền: nếu Gc(s) ổn định thì Gc(z) cũng ổn định do phép biến đổi đã chuyển miền bên trong đường tròn đơn vị ở mặt phẳng z sang nửa mặt phẳng trái của s. Tuy nhiên điều đó không có nghĩa là nếu Gc(s) ổn định được quá trình thì bộ điều khiển gián đoạn “CAD - Gc(z) - DAC” cũng sẽ ổn định được quá trình. Do vậy sau khi chọn bộ phận điều khiển số cần đánh giá lại sai lệch và tính ổn định của hệ. Chú ý rằng phần tử lưu giữ bậc không tạo độ trễ trung bình là 1.16) cho nên bộ điều khiển Gc(s)e- sT/2 . T (như ở hình 2 Lương tử hoá có tần số lớn, khoảng 10 đến 20 lần tần số riêng của đối tượng. Ở phương pháp trực tiếp quá Hình 1.16
  36. 36. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 33 TẢI FILE KẾT BẠN ZALO: 0798568848 (30,000đ) NHẬN VIẾT THUÊ ĐỀ TÀI - trithucpanda.com n trình liên tục cùng với các phần tử lưu giữ và lấy mẫu được xem như một quá trình gián đoạn, tổng hợp trong miền z, cho phép khai thác tính năng mềm dẻo của máy tính mà phương pháp tương tự bị hạn chế. Tín hiệu liên tục ở đàu vào u(t) được xác định hoàn toàn bởi uk. Kết quả là y(t) = G1(s)u(t) và tín hiệu được lấy mẫu yk được xác định hoàn toàn bởi uk. Như vậy việc dùng bộ điều khiển gián đoạn để điều khiển một quá trình đã gián đoạn có đầu vào uk và đầu ra yk sẽ không cần đến sự xấp xỉ nào. Phương pháp trực tiếp cơ sở trên đáp ứng được xác định trước (áp đặt) đối với tín hiệu vào hay nhiễu nhất định, nhằm thoả mãn những yêu cầu đặt ra như độ chính xác, lượng quá điều chỉnh, thời gian quá độ hay những chỉ tiêu đặc trưng khác đối với hệ xung như ổn định vô tận, thời gian cực tiểu… Tuy nhiên cần chú ý rằng việc gián đoạn hoá sẽ làm mất khả năng quan sát được và điều khiển được đối tượng. Mặc dù điều này chỉ xảy ra khi T=       (r là  r    tần số riêng của đối tượng) và chỉ ở hệ đơn biến. Do đó cần chọn T< Ti để 2  T  tránhtrường hợp ngươcng T= n i . Như vậy tần số lượng tử hoá lớn còn là để loại  2r   trừ mất khả năng quan sát được và điều khiển được. Nếu đã ổn định được quá trình gián đoạn (nghĩa là xk  0) thì bảo đảm được sự ổn định của quá trình liên tục (nghĩa là x(t) 0). 1.2.2. Điều kiện để tổng hợp đƣợc bộ điều khiển số trong hệ. Ở hình 1.17 có sơ đồ khối của hệ xung mà máy tính số thực hiện chức năng của hệ điều hành Gc*(s). Hệ kín có hàm truyền Y *(s) G *(s)G(s) Wk*(s) = X *(s)  c 1 Gc *(s)G *(s) Hình 1.17 với G*(s) là phần không thay đổi của hệ xung
  37. 37. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 34 TẢI FILE KẾT BẠN ZALO: 0798568848 (30,000đ) NHẬN VIẾT THUÊ ĐỀ TÀI - trithucpanda.com Bộ điều khiển được xác định bởi: G*(s) = 1 Wk *(s) (*) G*(s) 1 Wk *(s) Gc*(s) có thể thực hiện được nếu bậc của mẫu số lớn hơn hoặc bằng bậc của tử số; nói cách khác tín hiệu ra không vượt trước tín hiệu vào. Nếu Wk*(s) = wke-kỹ thuật + wk+1e-(k+1)T +… và sau khi chia từ cho mẫu số của hàm truyền G*(s) ta có: G*(s) = gnenT n -(n+1)T +…. +g e W ekT  W e(k 1)T ... Biểu thức (*) có dạng : Gc*(s) = k k1 =Ck - ne-(k-n)T + Ck-n+1e-(k-n+1) +…. (gnenT ...)(1 WkekT ...) Điều kiện thực hiện được là k  n để tín hiệu ra của bộ điều khiển không thể có được khi chưa có tín hiệu vào. Như vậy, bậc của hàm truyền hệ kín mong muốn Wk*(s) không thấp hơn bậc của thành phần không biến đổi G*(s) của hệ. 1.2.3. Chọn tần số lấy mẫu. Việc chọn tần số lượng tử hoá 0 (hay thời gian lấy mẫu T) rất quan trọng. Nếu 0 quá bé sẽ có hiện tượng méo tín hiệu, mất lượng thông tin, giảm chất lượng, thậm chí còn có thể mất ổn định. Nếu chọn 0 quá lớn (hay T quá bé) một mặt hệ có đáp ứng gần với hệ liên tục mong muốn, tổng hợp theo phương pháp biến đổi, mặt khác đòi hỏi tốc độ tính phải nhanh, giá thành sẽ cao, tuy rằng hạn chế về phương diện này ngày càng giảm nhẹ do công nghệ và máy tín ngày càng phát triển. Việc chọn đúng tần số lượng tử hoá vẫn còn mang tính chất “nghệ thuật” hơn là tính chất khoa học. 1. Việc chọn tần số lượng tử hoá hợp lý trước tiên dựa vào bản chất của quá trình. - Các phản ứng hoá học là quá trình chậm có thời gian điều khiển tính bằng giờ. - Các quá trình nhiệt, thời gian điều khiển tính bằng phút. - Các hệ điều khiển tàu thuỷ chẳng hạn tác động vào cần lái đòi hỏi nhiều giây để dẫn tàu đúng hướng.
  38. 38. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 35 TẢI FILE KẾT BẠN ZALO: 0798568848 (30,000đ) NHẬN VIẾT THUÊ ĐỀ TÀI - trithucpanda.com  0 - Các quá trình cơ học tác động nhanh (như người máy chẳng hạn) thời gian ấy tính đến phần trăm của giây. Trong trường hợp thứ nhất chu kỳ lượng tử hoá T không phải bị giới hạn bởi công suất và tốc độ tính của máy. Trong trường hợp cuối những hạn chế về kinh tế (giá thành của máy tính chất lượng cao) lại đặt ra. Ngoài ra còn phải tính đến những khó khăn khác: Khi T  0 các mô hình của quá trình trở nên thô thiển (F = I, G = 0) tất cả các nghiệm cực đều bằng 1. Do đó việc tính toán các bộ điều khiển số có khó khăn. Các phương trình truy hồi trở nên kém chính xác ở thời gian thực, các phương pháp xây dựng hệ “ổn định vô tận”, “thời gian cực tiểu” không còn ý nghĩa. Do đó việc xác định T (hay 0) hợp lý là cần thiết, tuy rằng các khó khăn trên đều có biện pháp để khắc phục . 2. Tần số lượng tử hoá 0 được chọn phải thoả mãn định lý Kachenhicov . Khi có tín hiệu liên tục đã gián đoạn hoá cần được phục hồi thì tần số lượng tử hoá ít nhất phải gấp đôi tần số lớn nhất của tín hiệu ấy 0. Đối với hệ điều khiển kín, tần số lượng tử hoá không bé hơn hai lần dải thông tần cần thiết 0 mà dung lượng phổ tín hiệu vào phụ thuộc vào  nên: 0  2 b Đó là giới hạn thấp nhất có thế. Trong thực tế giới hạn này có thể quá thâp đối với đáp ứng thời gian chấp nhận được. Để đảm bảo độ chính xác cần thiết và tải của máy tính, thường được chọn: 4   0  20 b Hay T được chọn khoảng 1/10 hằng số thời gian bé nhất của đối tượng. Ở quá trình quá độ, khi lượng đạt được trị số xác lập với thời gian đáp ứng tm của hệ cần có 2 đến 4 chu kỳ lượng tử hoá T. 3. Trong nhiều trường hợp, cần có độ trơn cao đối với hàm quá độ. Mức độ trơn tuỳ thuộc vào đối tượng cụ thể; đối với động cơ điện, chu kỳ gián đoạn có thể lớn hơn đối với cơ cấu thừa hành thủy lực. Đôi khi giữa phần tử lưu giữ (ZOH) và cơ cấu thừa hành thuỷ lực có bộ lọc hạ tầng. Mức độ trơn còn tuỳ thuộc vào phạm vi ứng dụng của hệ. Đối với con người, tác động có ảnh hưởng trực tiếp, đòi hỏi
  39. 39. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 36 TẢI FILE KẾT BẠN ZALO: 0798568848 (30,000đ) NHẬN VIẾT THUÊ ĐỀ TÀI - trithucpanda.com  mức độ trơn cao hơn so với các thiết bị điều khiển vệ tinh không có người. Ví dụ với hệ có tm=1sec (giải thông tần là 0,5Hz) cần chọn 0 từ 3 đến 20Hz để đáp ứng trơn và hạn chế lượng quá điều chỉnh. Do đó cần chọn: 6   0  40 d Nhiễu tác động vào đối tượng rất đa dạng, từ nhiễu bậc thang đến ồn trắng (Whitenoise). Đối với tần số lượng tử hoá thì nhiễu ngẫu nhiên có tần số cao là có ảnh hưởng nhất. Một hệ liên tục chống nhiễu tốt là hệ có sai số đo nhiễu tạo nên là bé. Nếu dùng điều khiển số đối với hệ này thì chất lượng ấy sẽ giảm. Nếu tỷ số 0 càng bé thì sự suy giảm chất lượng do lượng tử hoá lớn khi có nhiễu là ồn trắng d tác động. Đối với hệ điều khiển có bộ quan sát thì tỷ số tối ưu 0  20. d Nếu chu kỳ lượng tử hoá lớn hơn thời gian đáp ứng của quá trình thì nhiễu sẽ tác động vào quá trình trước khi bộ điều khiển có tác động hiệu chỉnh. Do đó tần số lượng tử hoá được chọn trên cơ sở đánh giá động học của quá trình và nhiễu, động học của quá trình và khả năng của máy tính. Các bộ điều khiển trên thương trường với ít mạch vòng điều khiển có chu kỳ lượng tử hoá bé và cố định. 1.2.4. Thiết kế bộ điều khiển số theo phƣơng pháp liên tục. Phương pháp thông thường để thiết kế hệ điều khiển số là chọn bộ điều khiển Gc(s) cho hệ liên tục tương đương, rồi xấp xỉ hoá bộ điều khiển liên tục ấy với bộ lọc số cần tìm Gc(s) (hay Gc(z)). Có nhiều phương pháp để thực hiện. 1.2.4.1. Phƣơng pháp vi phân: Bộ điều khiển số được mô tả bằng phương trình lặp, rất gần với phương trình vi phân của bộ điều khiển tương tự. Ví dụ bộ điều khiển PID có hàm truyền và phương trình vi phân tương ứng. G (s)=k +k 1 +k s=  U(s)  c p i s d Es   (1-7)  t  de   u(t)=kpe(t)+ki e(t)dt+kd dt   0 
  40. 40. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 37 TẢI FILE KẾT BẠN ZALO: 0798568848 (30,000đ) NHẬN VIẾT THUÊ ĐỀ TÀI - trithucpanda.com   Có ba phương pháp xấp xỉ hoá tín hiệu liên tục e(t) thành tín hiệu gián đoạn e(kT). 1. Xấp xỉ sai phân hữu hạn bậc một đối với tích phân. a) Luật chữ nhật theo tích phân tiến Diện tích dưới đường cong e(t) được xấp xỉ bằng diện tích chữ nhật như ở hình 1.18. Tích phân của e(t) tại t=kT được xấp xỉ bởi: u(kT) = u[(k-1)T] + Te(kT) (1-8) Nếu lấy biến đổi z cho cả hai vế, hàm truyền của khâu tích phần gián đoạn là: Gi(z)  ki U(z)  k Tz (1-9) E(z) i z 1 b) Luật chữ nhật theo tích phân lùi Như ở hình 1.19 tích phân của e(t) tại t = Kt được xấp xỉ bởi: u(kT) = u[(k-1)T]+Te[(k-1)T (1-10) và hàm truyền của khâu tích phân gián đoạn là: Hình 1.19 Gi(z)  ki U(z) k T (1-11) Ez    i z 1 c) Luật hình thang theo tích phân giữa Diện tích dưới đường cong được xấp xỉ bằng hình thang như ở hình 1.20. u(kT) = u[(k-1)T] + T {e(kT)+e[(k-1)T]} 2 (1-12) Hàm truyền của khâu tích phân gián đoạn là: Hình 1.20 Gi(z) ki U(z)  k T z 1 (1-13) Ez i 2 z 1 2. Xấp xỉ sai phân hữu hạn bậc một đối với đạo hàm:
  41. 41. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 38 TẢI FILE KẾT BẠN ZALO: 0798568848 (30,000đ) NHẬN VIẾT THUÊ ĐỀ TÀI - trithucpanda.com i c p Đạo hàm của e(t) tại t=kT có thể được xấp xỉ theo sai phân lùi bằng cách xác định e(t) ở thời điểm t=kT và (k-1)T: de(t) dt tkT  1 (e(kT)  e(k 1)T ) T (1-14) Lấy biến đổi z cho cả hai vế ta có: u(z) = 1 (1 z1 )E(z)  z 1 E(z) T Tz Phương pháp xấp xỉ nói trên tương ứng với: Z = etS  1+Ts và s   z 1 T Tổng hợp thành phần tỷ lệ, tích phân và vi phân ta có bộ điều khiển PID với hàm truyền theo: a) Luật chữ nhật tích phân tiến:  kd    k  k kp  T  Tki z2  k  2 d z  d T T Gc(z) =     z(z 1) b) Luật chữ nhật tích phân lùi  kd    k  k Gc(z) = kp   T z2  Tk    kp  2 d z  d T  T z(z 1) c) Luật tích phân hình thang :  Tk k  Tk k  k kp  d z2  2  kp   d z  d Gc(z) =  2 T   2 z(z 1) T  T Sơ đồ khối để thực hiện bộ điều khiển PID gián đoạn như ở hình 1.21. 1.2.4.2. Bộ điều khiển số đƣợc xác định theo hàm truyền đạt Vì z = eTs nên hàm truyền đạt của bộ điều khiển số về nguyên tắc có thể được xác định bằng cách thay thế s = 1 ln(z). Tuy nhiên biểu thức xác định G (z) là siêu T việt . Để tổng hợp bộ điều khiển có thể dùng phương pháp khai triển ln(z) và chỉ giữ lại thành phần thứ nhất hoặc chỉ áp dụng biểu thức z=eTs ở nghiệm không của Gc(s). 1. Biến đổi tuyến tính kép:
  42. 42. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 39 TẢI FILE KẾT BẠN ZALO: 0798568848 (30,000đ) NHẬN VIẾT THUÊ ĐỀ TÀI - trithucpanda.com   . , 3  Khai triển ln(z) dưới dạng Ln(z) = 2  v  v  3   ...   |v| = 1 z1 1 1 z1 Và biểu thức s = bây giờ có dạng 1 ln(z) T s   2 1-z-1 2 z-1 . = . =w(z) T 1+z-1 T z+1 (1.15) w là đại lượng xấp xỉ của s. Hình 1.21 Phương pháp xấp xỉ này (phương pháp Tustin) tương ứng với phương pháp tích phân giữa - luật tích phân hình thang. (k-1)T kT u(kT) =  e(t)dt+  e(t)dt (1.16) 0 (k-1)T e(k-1)T+e(kT) từ đó: u(kT) = u[(k-1]+T 2 Biến đổi z của phương trình sai phân trên là: (1.17) u(z) = z -1u(z) + -1 (z -1+1) E(z)   u(z) T 1 z 1  T . z 1  (1.18) E(z) 2 1 z 2 z 1   Biểu thức (1-13) và (1.18) chỉ khác nhau ở hệ số ki mà bộ điều khiển tích phân đã được cho trước. 2. Phương pháp tương nghịch nghiệm cực và nghiệm không Như đã biết, nghiệm cực và nghiệm không sj của Gc(s) ánh xạ vào nghiệm cực và nghiệm không của Gc(z) tương ứng với zj = esjT còn hệ số khuyếch đại của Gc(z) thì thoả mãn điều kiện.
  43. 43. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 40 TẢI FILE KẾT BẠN ZALO: 0798568848 (30,000đ) NHẬN VIẾT THUÊ ĐỀ TÀI - trithucpanda.com G0(z)|z=1 = Gc(s)|a=0 (1.19) Nếu Gc(s) có nhiều nghiệm không khí   thì Gc(s)  0. Điều ấy tương ứng với Gc*(s) = 0 ở dải tần thứ nhất   0 , 0   và G (z) = 0   2 2   0 với z = 1. Vì vậy, để bậc của tử số và mẫu số như nhau, cần thâm nhân tử (z+1) ở (z+1)q-p mà q và p là bậc của mẫu số và tử số của Gc(s). 1.2.4.3. Phƣơng pháp dùng biến đổi z Ở phương pháp này, Gc(z) được xác định theo biến đổi z đối với Gc(s) sao cho hàm trọng lượng hay hàm quá độ của chúng như nhau. Ở đây phần tử lưu Hình 1.22 giữ (ZOH) chỉ tạo nên dạng bậc thang của hàm trọng lượng hay hàm quá độ, xấp xỉ với hàm liên tục tương ứng. Hệ kín sẽ cho chất lượng xấp xỉ kém. Ví dụ với hàm trọng lượng Gc(z) = cz{Gc(s)} hằng số c được xác định theo điều kiện (1.19). Đáp ứng tần số của bộ lọc số và tương tự khác nhau ở tần số cao nên phương pháp này chỉ dùng cho các bộ điều khiển có đáp ứng tắt nhanh ở tần số cao với thời gian lấy mẫu T bé để phổ ần chồng lên nhau. Hình 1.22 có đáp ứng tần của bộ lọc bậc hai nhằm so sánh các phương pháp xấp xỉ khác nhau nói trên. Chu kỳ lượng tử
  44. 44. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 41 TẢI FILE KẾT BẠN ZALO: 0798568848 (30,000đ) NHẬN VIẾT THUÊ ĐỀ TÀI - trithucpanda.com ob hoá T=1s là nhỏ so với chu kỳ riêng của bộ lọc T0=2 . Phương pháp xấp xỉ theo chư nhật về biên độ và pha đều khác xa với đáp ứng tương tự làm chuẩn. Hệ số khuếch đại tĩnh không còn như trước sau khi dùng biến đổi z ở đáp ứng hàm trọng lượng. Biến đổi z với cả phần tử lưu giữ (đáp ứng hàm quá độ) cho đáp ứng tốt về biên độ nhưng không tốt về pha do độ trễ T/2. Biến đổi tuyến tính kép biến dạng được áp đặt cùng biên độ ở tần số riêng r 1rad / sec về biên độ cũng như pha, nhưng ở tần số giới hạn π T cho kết quả chấp nhận được biên độ bằng không. Phương pháp tương thích nghiệm không và nghiệm cực có biên độ thấp hơn đáp ứng tương tự. Kết quả so sánh này giải thích vì sao biến đổi tuyến tính kép thường được dùng ở các bộ lọc số. 1.2.4.4. Tổng hợp bộ điều khiển có tính phần tử lƣu giữ (ZOH) Ở các phương pháp đã nêu trên, phần tử lưu giữ không được tính đến khi xác định Gc(z).Phần tử lưu giữ có thể thay thế bởi Gca(s) = e-Ts/2 vì tín hiệu ở đầu ra của nó chậm sau một thời gian T hoặc bởi G 2 Ts (s) = T 1+ Ts 2 suy ra từ Gob(s) = 1-e-Ts s và e-Ts = 1- 2 . 1+ Ts 2 Việc chọn bộ điều khiển tương tự để đặt trước G0a(s) G1(s) hay Gob(s), G1(s) được thực hiện như ở hệ liên tục. Tuy nhiên cần biết trước chu kỳ lượng tử hoá T. Một phương pháp khác được thực hiện theo các bước sau: * Tính phần không biến đổi của hệ :G(z) = (1-z-1 ) z G1(s)  s      * Dùng biến đổi tuyến tính kép bằng cách thay z bởi * Vẽ đường cong Bode L(*) và (*) . 2  wT 2 - wT để có G(w). * Chọn khâu hiệu chỉnh dạng Gc(w) = k ổn định và độ chính xác. w  a w  a chẳng hạn, thoả mãn điều kiện
  45. 45. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 42 TẢI FILE KẾT BẠN ZALO: 0798568848 (30,000đ) NHẬN VIẾT THUÊ ĐỀ TÀI - trithucpanda.com n * Gián đoạn hoá khâu hiệu chỉnh Gc(w) để có Gc(z) 1.2.5. Thiết kế bộ điều khiển số theo phƣơng pháp trực tiếp. Như đã nêu, phương pháp gián tiếp không khai thác hết khả năng linh hoạt của máy tính trong điều khiển số. Ví dụ các nghiệm không và nghiệm cực của thiết bị bù đều nằm trên phần âm của trục thực ở mặt phẳng s. Các nghiệm ấy tương ứng với phần dương của trục thực trên mặt phẳng z. Thế nhưng các bộ điều khiển số cho phép có nghiệm cực và nghiệm không ở cả phần âm và phần dương của trục thực trên mặt phẳng z nên điều kiện hạn ché được mở rộng hơn. Điều khiển số còn cho phép tổng hợp các bộ điều khiển có hàm truyền hệ kín mong muốn. 1.2.5.1. Phƣơng pháp quỹ đạo nghiệm số trên mặt phẳng z. Ở đây chỉ nêu những điểm chính. Hàm truyền của hệ gián đoạn kín được xác định bởi: G (z)G(z) G1(s)  Wk(z) = 0 1 G0 (z)G(z) với: G(z) = (1-z-1 )z    s   Phương trình đặc trưng : 1+Gc(z)G(z) = 0 Phương pháp quỹ đạo nghiệm số thường dùng để xác định thông số K ở cơ cấu điều khiển nên có thể viết phương trình đặc trưng dưới dạng: r (z-zi ) 1+K i=1 = 0 (z-pj) j=1 Mà pj và zi là nghiệm cực và nghiệm không của hệ xung hở. Từ đó: - K = n (z-pj) j=1 r (z-pi) i=1 Quỹ đạo nghiệm số của hệ gián đoạn được xây dựng theo những quy tắc tương tự như ở hệ liên tục.
  46. 46. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 43 TẢI FILE KẾT BẠN ZALO: 0798568848 (30,000đ) NHẬN VIẾT THUÊ ĐỀ TÀI - trithucpanda.com 1. Quỹ đạo nghiệm số đối xứng với trục thực và gồm có n nhánh xuất phát từ n nghiệm cực của phương trình đặc trưng khi K = 0; trong số đó r nhánh kết thúc ở r nghiệm không và n - r nhánh đi về vô tận khi K = . 2. Quỹ đạo tiệm cận khi K   (n - r) tia đối xứng tạo với trục hoành một góc π . n-r Để ổn định hệ thống, có thể dùng cơ cấu bù dạng: Gc(z) = K’ z-a z-b ; 0  b < a < 1 vậy K.Gc(z)G(z) = (z-a)(z+1) T2 K ;K=K' (z-b)(z-1)2 2 Bây giờ quỹ đạo nghiệm số sẽ có ba nhánh vì hệ có ba nghiệm cực p1 = p2 =1; p3 = b. Một nhánh đến nghiệm không z1 = -1, nhánh thứ hai đến z2 = a và nhánh thứ hai tiến đến - . Có thể có hai trường hợp: 1. Cả ba nghiệm đều thực nằm đồng thời trên hai đoạn thẳng của quỹ đạo [b, a] và [-1, -], trong trường hợp ấy hai nghiệm bé hơn -1 trên đoạn [-1, -] và hệ sẽ không ổn định. Hình 1.23 Hình 1.24 2. Khả năng để hệ ổn định là chỉ một nghiệm thực duy nhất nằm giữa a và b, hai nghiệm khác là nghiệm phức có môđun nhỏ hơn 1, nằm trong đường tròn đơn vị. Hình 1.25
  47. 47. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 44 TẢI FILE KẾT BẠN ZALO: 0798568848 (30,000đ) NHẬN VIẾT THUÊ ĐỀ TÀI - trithucpanda.com c 1.2.5.2. Bù ảnh hƣởng của khâu trễ . Nếu thành phần không biến đổi của hệ có trễ, trong trường hợp thời gian trễ là bội số của thời gian lấy mẫu.  = n0T; (n0 = 1, 2, 3, …_ G(z) = G1(z) z-n0 Ở hình 1.23 trường hợp a) khâu trễ nằm trong mạch vòng sẽ làm ảnh hưởng đến tính ổn định của hệ. Ở hình 1.24 trường hợp b) khâu trễ nằm ngòi mạch vòng và sẽ không ảnh hưởng đến hệ. yêu cầu đặt ra là tìm cơ cấu điều khiển Gc(z) sao cho ảnh hưởng của khâu trễ không còn nữa, nghĩa là ta có thể đẳng trị hai sơ khối ở hình 1.24 và 1.25. Gc (z)G1 (z)zn0  G1(z) zn0 1 G (z)G (z)zn0 1 G (z) c Từ đó 1 Gc (z) 1 1 n0  1 Gc (z)G1(z)z 1 G1(z) Hay Gc(z) + Gc(z)G1(z) = 1 + Cc(z) G1(z) z-n0 Gc(z) [1 + G1(z) (1-z-n0 )] = 1 Cuồi cùng ta xác định được: Gc(z) = 1 1 G (z)(1 zn0 ) Sơ đồ thực hiện cơ cấu điều khiển số như ở hình 1.24. Như vậy việc dùng cơ cấu điều khiển số như trên tương ứng với việc đưa phần tử trễ ra ngoài mạch hồi tiếp. Thật vậy vì: G (z)G (z) G (z) n WK(z) = c 1  1 z 0 Khi có trễ, hệ số khuyếch đại của 1 Gc (z)G1(z) 1 G1(z) hệ có thể lớn hơn so với hệ không có phần tử trễ nên nhiều khi không cần bù toàn bộ thời gian trễ mà chỉ cần một phần của nó. 1.2.5.3. Hệ ổn định vô tận. Hàm truyền của hệ xung kín có dạng
  48. 48. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 45 TẢI FILE KẾT BẠN ZALO: 0798568848 (30,000đ) NHẬN VIẾT THUÊ ĐỀ TÀI - trithucpanda.com WK(z) = Gc (z)G(z) 1+Gc (z)G(z) với E(z) = X(z) - Y(z) = X(z)[1-WK(z)] 1 W (z) Từ đó bộ điều khiển được xác định bởi: Gc(z) = G(z) . K 1 WK (z) chế: Việc chọn Gc(z) để đạt chất lượng mong muốn gặp phải những điều kiện hạn 1. Điều kiện thực hiện được đòi hỏi bậc của hệ kín lớn hơn hoặc bằng bậc của phàn liên tục quy đổi (kn): 2. Sai lệch ở trạng thái xác lập, theo (4-58b) và theo định lý tới hạn 3. Ổn định vô tận đạt được khi sai lệch ở trạng thái xác lập của các trị rời rạc bằng không, kể cả một thời điểm hữu hạn. 1.2.6. Dùng matlab để tổng hợp hệ điều khiển số - Tổng hợp theo đặc tính tần Bode - Tổng hợp theo quỹ đạo nghiệm số 1.3. Điều khiển số trong điều khiển chuyển động. 1.3.1. Một số cấu trúc điều chỉnh đƣợc sử dụng. 1-Khâu ĐC 2-Điều khiển mômen 3-Động cơ 4-Khâu đo Hình 1.26. Cấu trúc cơ bản của điều chỉnh tốc độ quay
  49. 49. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 46 TẢI FILE KẾT BẠN ZALO: 0798568848 (30,000đ) NHẬN VIẾT THUÊ ĐỀ TÀI - trithucpanda.com Hình 1.27. Cấu trúc tối giản phục vụ thiết kế xấp xỉ Hình 1.28. Cấu trúc cơ bản điều chỉnh góc Hình 1.29. Cấu trúc cơ bản điều chỉnh góc tối giản Hàm truyền đặc trưng của vòng điều chỉnh vị trí: Giả thiết giá trị đặt có dạng hàm dốc tuyến tính: Góc ra có dạng: Độ dư sai lệch góc:
  50. 50. 43 TẢI FILE KẾT BẠN ZALO: 0798568848 (30,000đ) NHẬN VIẾT THUÊ ĐỀ TÀI - trithucpanda.com ọc liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc Hình 1.30. Cấu trúc điều chỉnh bù sai số giá trị đặt Hình1.31. Cấu trúc điều chỉnh bù nhiễu
  51. 51. 44 TẢI FILE KẾT BẠN ZALO: 0798568848 (30,000đ) NHẬN VIẾT THUÊ ĐỀ TÀI - trithucpanda.com Số hóa bởi Trung tâm H -tnu.edu.vn
  52. 52. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 44 TẢI FILE KẾT BẠN ZALO: 0798568848 (30,000đ) NHẬN VIẾT THUÊ ĐỀ TÀI - trithucpanda.com Hình1.32. Cấu trúc điều chỉnh bù ngược Hình 1.33. Cấu trúc điều chỉnh bù xuôi bằng phương pháp mô hình
  53. 53. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 45 TẢI FILE KẾT BẠN ZALO: 0798568848 (30,000đ) NHẬN VIẾT THUÊ ĐỀ TÀI - trithucpanda.com Hình1.34. Các giai đoạn của một quá trình chuyển động Hình 1.35. Cấu trúc điều khiển tổng quát của một nhánh truyền động
  54. 54. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 46 TẢI FILE KẾT BẠN ZALO: 0798568848 (30,000đ) NHẬN VIẾT THUÊ ĐỀ TÀI - trithucpanda.com Hình 1.36.Các luật thông dụng nhằm điều khiển chính xác chuyển động
  55. 55. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 47 TẢI FILE KẾT BẠN ZALO: 0798568848 (30,000đ) NHẬN VIẾT THUÊ ĐỀ TÀI - trithucpanda.com 1.3.2. Thiết kế và mô phỏng hệ thống bằng máy tính. Hình 1.37. Trình tự thiết kế và mô phỏng hệ thống bằng máy tính Hình trên giới thiệu ví dụ khi sử dụng môi trường thiết kế trên nền MATLAB &
  56. 56. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 48 TẢI FILE KẾT BẠN ZALO: 0798568848 (30,000đ) NHẬN VIẾT THUÊ ĐỀ TÀI - trithucpanda.com Simulink với phần cứng có vi xử lý tín hiệu (Digital Signal Processor: DSP) của tập đoàn Texas Instruments. Sơ đồ chỉ ra rõ ràng: kết hợp với MATLAB và các Toolbox, ta có thể tiến hành các bước: Bƣớc 1: Xác định hàm truyền của đối tượng, thiết kế bộ điều chỉnh bằng lý thuyết. Bƣớc 2: Mô phỏng Offline để bước đầu xác định tham số của thuật toán ĐC. Bƣớc 3: Bổ xung thêm các khối xuất/nhập dữ liệu (ví dụ:các khối ADC hoặc DAC) vào sơ đồ cấu trúc vòng ĐC. Bƣớc 4: Sử dụng C-compiler tạo mã C để nạp xuống card hardware, cài xen với hệ thống phần mềm điều khiển theo ngắt. Xu hướng phát triển của ngành tự động hoá là người ta tận dụng triệt để những thành tựu khoa học kỹ thuật mới nhất. Trong đó có kỹ thuật điều khiển số, do có nhiều ưu điểm hơn hẳn kỹ thuật tương tự và có khả năng linh hoạt cao nên điều khiển số được ứng dụng ngày càng nhiều, đặc biệt là trong điều khiển chuyển động. - Ứng dụng kỹ thuật điều khiển số trong các hệ điều khiển chuyển động mang lại nhiều tính năng vượt trội so với kỹ thuật điều khiển chuyển động truyền thống như: linh hoạt trong việc thay đổi thông số bộ điều chỉnh khi yêu cầu công nghệ thay đổi, thay đổi các phương pháp điều khiển tiên tiến; tăng khả năng chống nhiễu. Tuy nhiên để thực hiện một bộ điều chỉnh số lại mất nhiều thời gian và gặp nhiều khó khăn. - Để ứng dụng kỹ thuật điều khiển số vào các hệ điều khiển chuyển động, hiện nay chủ yếu người ta sử dụng các hệ vi xử lý tín hiệu số (DSP), các máy tính số. - Trong công nghiệp các hệ điều khiển chuyển động số ứng dụng các máy tính, các Card điều khiển chuyên dụng có tích hợp hệ vi xử lý tín hiệu số(DSP). - Trong nghiên cứu, đặc biệt trong các trường đại học kỹ thuật việc nghiên cứu các hệ điều khiển số thường được thực hiện trên các Card điều khiển số đa năng như: DS 1102, DS 1104, DS 1103, DS 1105…
  57. 57. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 49 TẢI FILE KẾT BẠN ZALO: 0798568848 (30,000đ) NHẬN VIẾT THUÊ ĐỀ TÀI - trithucpanda.com CHƢƠNG 2. GIỚI THIỆU CARD DSP DS1104 2.1. Giới thiệu chung Để thực hiện được các thuật toán phức tạp trong các hệ thống sản xuất hiện đại, linh hoạt, các nhà sản xuất phải tự động hoá quá trình thiết kế, rút ngắn thời gian thử nghiệm, nhanh chóng đưa thiết bị vào sản xuất và đảm bảo tối ưu chất lượng sản phẩm. Điều này chỉ có được với sự trợ giúp của máy tính, qua các bước sau: - Trong giai đoạn phân tích: Mô phỏng thường được sử dụng để phân tích đối tượng, phục vụ cho việc thiết kế hệ thống. Cho phép giảm chi phí trong quá trình nghiên cứu khi chuẩn bị cho một sản phẩm mới. Đặc điểm của mô phỏng là máy tính cần có đủ thời gian cần thiết để tính toán tiến trình của hệ thống. Với mô hình đơn giản, kết quả tính toán nhanh và mô hình mô phỏng phản ánh được đặc điểm động học của đối tượng. Tuy nhiên, với mô hình phức tạp thì việc tính toán mất nhiều thời gian hơn. - Sau khi đã qua giai đoạn phân tích: Kiểm tra bộ điều chỉnh thiết kế để tìm ra thông số tối ưu trước khi đem đi sản xuất mạch cứng. Vì vậy, cần phải nối đối tượng thực với bộ điều chỉnh được mô phỏng bằng thời gian thực. Đặc điểm chính của mô phỏng thời gian thực là quá trình mô phỏng phải diễn ra nhanh như hệ thống thực đang chạy, do đó nó cho phép ta kết hợp mô phỏng và đối tượng thực. - Khi bộ điều khiển đã được mô phỏng: Để có thể điều khiển được đối tượng thực, ta bắt đầu sản xuất bộ điều chỉnh thực. Bước thử nghiệm cuối cùng, ta nối bộ điều chỉnh thực với mô hình của đối tượng (được mô phỏng bằng thời gian thực) để đảm bảo chắc chắn rằng bộ điều chỉnh không còn lỗi có thể dẫn đến phá hỏng đối tượng thực, kỹ thuật này được gọi là mô phỏng có phần cứng trong mạch vòng. Trong cả hai công đoạn trên thì mô phỏng thời gian thực là rất cần thiết. Tốc độ tính toán yêu cầu cho mô phỏng thời gian thực phụ thuộc vào đặc điểm của mô
  58. 58. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 50 TẢI FILE KẾT BẠN ZALO: 0798568848 (30,000đ) NHẬN VIẾT THUÊ ĐỀ TÀI - trithucpanda.com hình được mô phỏng. Với những mô hình phức tạp, số lượng phép tính lớn thì thời gian mô phỏng là vấn đề cần được quan tâm. Hình 2.1- Card DS1104 DS1104 là Card điều khiển số do hãng dSPACE của Đức sản xuất dựa trên bộ xử lý tín hiệu số DSP (Digital Signal Processor) dấu phẩy động (floating-point) thế hệ thứ ba, họ TMS320Cxx của hãng Texas Instruments (Mỹ). DS1104 được thiết kế đặc biệt để phát triển các bộ điều khiển số đa biến tốc độ cao và mô phỏng thời gian thực. Nó thường được dùng trong các lĩnh vực sau: - Robot. - Các cơ cấu chấp hành bằng điện và thuỷ lực. - Điều khiển servo các truyền động ổ đĩa (disk drive). - Điều khiển truyền động điện. - Điều khiển các phương tiện cơ giới. - Điều khiển trấn động tích cực. - Trong các máy CNC,… và nó cũng rất thích hợp cho các tác vụ có liên quan đến xử lý tín hiệu số nói chung. Hạt nhân của DS1104 là bộ xử lý tín hiệu số dấu phẩy động (floating-point)
  59. 59. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 51 TẢI FILE KẾT BẠN ZALO: 0798568848 (30,000đ) NHẬN VIẾT THUÊ ĐỀ TÀI - trithucpanda.com thế hệ thứ ba TMS320F240 của hãng Texas Instruments. Bộ xử lý tín hiệu số được
  60. 60. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 52 TẢI FILE KẾT BẠN ZALO: 0798568848 (30,000đ) NHẬN VIẾT THUÊ ĐỀ TÀI - trithucpanda.com bổ sung thêm một loạt thiết bị ngoại vi thường được sử dụng trong các hệ thống điều khiển số. Các bộ biến đổi tương tự-số và số-tương tự, một bộ xử lý tín hiệu số dựa trên các hệ con vào ra số và các giao diện cảm biến so lệch (incremental sensor) làm cho DS1104 trở thành một giải pháp bo mạch đơn lý tưởng cho một dải rộng các bài toán điều khiển số. DS1104 là Card được thiết kế theo chuẩn PC/AT, do đó nó có thể cắm vào máy tính qua cổng mở rộng ISA. Nó cũng có thể gắn vào hộp mở rộng dSPACE giao tiếp với máy tính. Hình 2.1 là hình dáng bên ngoài của DS1104. 2.2. Cấu trúc phần cứng của DS1104 2.2.1. Cấu trúc tổng quan DS1104 được xây dựng trên cơ sở vi xử lý tín hiệu số TMS320F240 của hãng Texas Instruments. ON-CHIP MEMORY (WORDS) Nguồn nuôi (V) Chu kì (ns) Số chân RAM FLASH EEPROM DATA DATA/PROG PROG 288 256 16K 5 20 PQ 132–P Bảng 2.1. Dung lượng các bộ nhớ của DS1104 Ngoài ra, nó còn có hệ con ngoại vi khác phục vụ cho các ứng dụng xử lý tín hiệu số, giao tiếp với máy tính và bên ngoài,… Bộ xử lý chính:  MPC8240, PowerPC 603e core, 250 MHz  32 kByte internal cache Timer:  Một bộ Timer ước lượng lấy mẫu, bộ đếm lùi 32 bit  Bốn bộ Timer đa mục đích, 32 bit  Độ phân dải 64 bit để đo thời gian
  61. 61. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 53 TẢI FILE KẾT BẠN ZALO: 0798568848 (30,000đ) NHẬN VIẾT THUÊ ĐỀ TÀI - trithucpanda.com Bộ nhớ:  32 Mbyte RAM DRAM (SDRAM)  8 Mbyte bộ nhớ Flash cho các ứng dụng Các ngắt điều khiển:  Các ngắt bởi timer, giao tiếp nối tiếp, DSP tớ, incremental encoder, ADC, PC chủ, 4 đầu vào từ bên ngoài.  Ngắt đồng bộ PWM Đầu vào tương tự:  4 kênh ADC, 16 bit, đa thành phần  Dải điện áp đầu vào 10V  Thời gian lấy mẫu 2us  Hệ số tín hiệu/ nhiễu >80 dB  4 kênh ADC , 12 bit  Dải điện áp 10V  Thời gian lấy mẫu 800ns  Hệ số tín hiệu/ nhiễu >65 dB Đầu ra tương tự:  8 kênh DAC, 16 bit, thời gian ổn định max 10us  Dải điện áp ra 10V Incremental Encoder:  2 đầu vào số, TTL hoặc RS422  Kênh encoder có độ phân dải 24 bit  Tần số xung max đầu vào là 1.65MHz. gấp 4 lần xung đếm tới 6.6MHz  Nguồn sensor 5V/0.5A Vào/ra số:  Vào/ra số 20 bit  Dòng ra 5mA
  62. 62. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 54 TẢI FILE KẾT BẠN ZALO: 0798568848 (30,000đ) NHẬN VIẾT THUÊ ĐỀ TÀI - trithucpanda.com Giao tiếp:  RS232, RS485 và RS422 Hệ con DSP tớ:  Texas Instruments’ DSP TMS320F240  4 kWord of dual-port RAM  3 pha đầu ra PWM, 4 đầu ra đơn PWM  14 bit vào/ra số Đặc điểm vật lý:  Nguồn nuôi 5 V, 2.5 A / -12 V, 0.2 A /12 V, 0.3 A  Yêu cầu cần có khe PCI 32 bit Hình 2.2. Sơ đồ khối của DS1104 2.2.2. Ghép nối với máy chủ (Host Interface): DS1104 ghép nối với máy chủ qua một khối gồm 4 cổng vào/ra (I/O port) 16- bit và 3 cổng vào/ra 8-bit. Giao diện vào/ra được sử dụng để thực hiện việc cài đặt
  63. 63. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 55 TẢI FILE KẾT BẠN ZALO: 0798568848 (30,000đ) NHẬN VIẾT THUÊ ĐỀ TÀI - trithucpanda.com cho bo mạch, tải chương trình xuống và truyền dữ liệu thời gian thực. Việc cài đặt bộ điều khiển bus kiểm tra và truyền dữ liệu cũng được thực hiện với giao diện vào/ra. Để đồng bộ hoá sự thực thi của DSP và các chương trình của máy chủ DS1104 sử dụng một cổng ngắt hai chiều để cho phép máy chủ có thể ngắt DSP và ngược lại. Giao diện vào/ra giữa máy chủ và DS1104 bao gồm một khối với 7 cổng vào/ra liên tiếp. Để chọn các địa chỉ cơ sở của khối này trong dải địa chỉ vào ra 64K của PC/AT (máy chủ), DS1104 sử dụng các chuyển mạch DIP (Dual In-line Package – vỏ hai hàng chân) gắn trên bo mạch. Giao diện với máy chủ của DS1104 chứa những thanh ghi có độ dài khác nhau (8 hoặc 16 bit). Khi truy cập vào một thanh ghi cụ thể thì phải sử dụng lệnh vào/ra tương ứng, chẳng hạn như muốn truy cập vào thanh ghi 8-bit thì phải sử dụng lệnh vào/ra 8-bit, còn muốn truy cập vào thanh ghi 16-bit thì phải dùng lệnh vào/ ra 16 bit. Nếu sử dụng các lệnh vào/ra 8-bit cho một thanh ghi rộng 16-bit thì kết quả sẽ bị lỗi. Nếu sử dụng ngôn ngữ cấp cao để lập trình cho các thanh ghi giao diện với máy chủ thì cần phải đảm bảo rằng chương trình dịch Compiler tạo ra các dòng lệnh chính xác. Một số thanh ghi giao diện với máy chủ phải được truy cập theo một thứ tự đặc biệt. Để ghi hoặc đọc bộ nhớ của DSP thì một trình tự đặc biệt là bắt buộc. a. Thanh ghi dữ liệu (Data Register): Địa chỉ Offset: 00H và 02H Thanh ghi dữ liệu là một thanh ghi đọc/ghi rộng 32 bit được sử dụng để truy cập vào các bộ nhớ off-chip (bên ngoài chip) của DSP. Các hoạt động ghi và đọc trên thanh ghi dữ liệu luôn được thực hiện tại vị trí bộ nhớ hiện đang được chọn bởi các thanh ghi địa chỉ LAR (Lower Address Register) và UAR (Upper Address Register). Vì máy chủ tại một thời điểm chỉ có thể truy cập 16 bit nên thanh ghi dữ liệu 32-bit được chia thành hai thanh ghi 16-bit: thanh ghi dữ liệu thấp hơn LDR (Lower Data Register) và thanh ghi dữ liệu cao hơn UDR (Upper Data Register). Để chuyển một từ dữ liệu 32-bit giữa bộ nhớ của máy chủ và của DSP cần có hai
  64. 64. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 56 TẢI FILE KẾT BẠN ZALO: 0798568848 (30,000đ) NHẬN VIẾT THUÊ ĐỀ TÀI - trithucpanda.com phép ghi hoặc đọc liên tiếp. Đầu tiên, 16 bit thấp hơn được truy cập bằng cách sử dụng LDR. Sau đó, 16 bit cao hơn được truy cập thông qua UDR. Mạch chuyển đổi độ rộng bus trên bo mạch (on-board) lưu trữ tạm thời giá trị 32-bit và thực hiện chỉ một truy cập 32-bit đơn vào bộ nhớ của DSP. Để mạch chuyển đổi độ rộng bus hoạt động chính xác thì thứ tự truy cập LDR-UDR như được mô tả ở trên là bắt buộc. Nội dung của các thanh ghi LAR và UAR phải không đổi trong một truy cập 32-bit. Vì các thiết bị ngoại vi trên bo mạch của DS1104 được sắp xếp trong bộ nhớ của DSP nên thanh ghi dữ liệu cũng có thể dùng để truy cập vào các thiết bị này. Thanh ghi dữ liệu có thể được truy cập thậm chí cả khi DSP dang chạy cho phép chuyển dữ liệu chạy thực giữa máy chủ và DSP. b. Thanh ghi địa chỉ (Address Register): Địa chỉ Offset: 04H và 06H Thanh ghi địa chỉ là một thanh ghi ghi/đọc có độ rộng 19-bit được sử dụng để chọn vị trí của bộ nhớ chương trình của DSP. Vị trí bộ nhớ mà thanh ghi địa chỉ đang trỏ tới có thể được ghi và đọc thông qua thanh ghi dữ liệu. Thanh ghi địa chỉ được xây dựng bằng hai thanh ghi, thanh ghi 16-bit chứa 16 bit địa chỉ thấp A0A15 (LAR) và một thanh ghi 3-bit chứa các bit địa chỉ cao A16A18 (UAR). Thanh ghi địa chỉ có một chế độ tự động tăng/giảm cho phép chuyển khối giữa bộ nhớ của máy chủ và của DSP. Muốn cho phép chế độ này thì bit AUTOEN trong thanh ghi cài đặt (Setup Register) phải được đặt lên 1. Sau đó bit UPDOWN sẽ chọn chiều đếm. Nếu chế độ tự động tăng/giảm được cho phép thì nội dung của thanh ghi địa chỉ sẽ được tự động tăng/giảm sau khi hoàn tất một phép ghi hoặc đọc thanh ghi dữ liệu 32-bit. Điều này cho phép truy cập liên tiếp các khối của bộ nhớ DSP mà không cần thay đổi thanh ghi địa chỉ cho mỗi lần chuyển. Để truy cập thanh ghi địa chỉ thấp LAR cần có một chỉ lệnh vào/ra máy chủ 16-bit, còn để truy cập vào thanh ghi địa chỉ cao UAR cần phải sử dụng một chỉ lệnh vào/ra máy chủ 8-bit. Để truy cập lần sau vào cùng một vị trí bộ nhớ thanh ghi địa chỉ chỉ cần được ghi một lần. Chế độ tự động tăng/giảm phải được loại bỏ (disable) cho những ứng dụng kiểu này. Năm bit cao của UAR không xác định khi đọc và có giá trị 0 khi ghi.

×