- 1 - Đồ án tốt nghiệp
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
“Xây dựng bộ điều khiển tốc độ động cơ một chiều sử dụng thuật toán PID ”
MỤC LỤC
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC 1
“Xây dựng bộ điều khiển tốc độ động cơ một chiều sử dụng thuật toán PID ” 1
MỤC LỤC
TÀI LIỆU THAM KHẢO
MỞ ĐẦU 3
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN 6
TỰ ĐỘNG 6
1.1. Khái niệm về kỹ thuật điều khiển tự động
1.2. Phân loại kỹ thuật điều khiển tự động
1.2.1. Phân loại hệ thống điều khiển kiểu vòng
1.2.2. Phân loại dựa trên mô tả toán học của hệ thống
1.2.3. Phân loại dựa trên ngõ vào - ngõ ra hệ thống
1.2.4. Phân loại theo chiến lược điều khiển
1.3. Hàm truyền
1.3.1. Mô hình toán học
1.3.2. Hàm truyền
1.3.2.1. Phép biến đổi Laplace 10
1.3.2.2. Định nghĩa hàm truyền 11
1.3.2.3. Cách tìm hàm truyền 11
1.4. Các mô hình biến trạng thái
1.4.1. Giới thiệu
1.4.2. Biến trạng thái của một hệ thống động
1.4.3. Phương trình vi phân của vector trạng thái
1.4.4. Đáp ứng theo thời gian rời rạc
1.5. Một số các kỹ thuật điều khiển và các hàm truyền tương ứng
1.5.1. Mạch bù
1.5.2. Sớm pha

3.3.1.1 Giới thiệu 50
3.3.1.2 Sơ đồ mắc nối 51
3.3.2 Bộ giao tiếp máy tính theo chuẩn RS–232
3.4 Vi mạch L298
3.4.1 Giới thiệu
3.4.2 Các giá trị định mức
3.4.3. Sơ đồ chân
3.4.4 Chức năng các chân
3.5 Vi điều khiển PSoC
3.5.1 Giới thiệu
3.5.2 Xây dựng bộ điều khiển PID cho động cơ một chiều bằng PsoC
3.5.2.1 Bộ đếm xung từ bộ lập mã quang để xác định vận tốc motor 66
3.5.2.2 Bộ điều chế độ rộng xung (PWM) điều khiển tốc độ motor 67
3.5.2.3 Bộ UART giao tiếp máy tính theo chuẩn RS-232 68
3.5.2.4 Module hiển thị LCD điều khiển 4 bit 69
Chương 4 72
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 72
4.1 Sơ đồ khối của bộ thí nghiệm
4.1.1 Sơ đồ khối
4.1.2 Chức năng của từng khối
4.2 Sơ đồ nguyên lý và nguyên tắc hoạt động của mạch thực tế
4.2.1 Mạch cầu H sử dụng L298/MULTIH
4.2.2 Mạch điều khiển PSoC( CY8C29x66 )
4.3. Khảo sát một số tham số của mạch điều khiển
4.3.1 Tín hiệu PWM:
Sinh viên thực hiện: Phạm Bá Hiếu
- 3 - Đồ án tốt nghiệp
4.3.2 Tín hiệu lập mã quang:
4.4. Kết quả và hướng phát triển
Tài liệu tham khảo 84

những hướng mới trong việc thiết kế hệ thống điều khiển tự động dùng cho công
nghiệp và trong đời sống hàng ngày. Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu GNSS
(Global Navigation Satellite System) cùng với các vệ tinh viễn thông
(Telecommunication Satellites) ngày càng mang lại nhiều ứng dụng thiết thực trong
việc phát triển hệ thống điều khiển tự động dùng trong nhiều lĩnh vực khác nhau và
có độ chính xác cao.
Việc nghiên cứu, chế tạo Robot là một vấn đề được thế giới quan tâm hiện
nay. Và để chế tạo ra một robot thì việc đầu tiên chúng ta cần làm, đó là tạo ra được
bộ điều khiển tốc độ các động cơ cỡ nhỏ đặt bên trong nó. Việc nghiên cứu thuật
toán PID trong điều khiển động cơ một chiều sẻ giúp chúng ta trong việc chế tạo các
Robot, máy móc, các thiêt bị tự động…hoạt động linh hoạt và chính xác hơn.
Với những ưu điểm, yêu cầu đặt ra như trên, tôi đã chọn đề tài: “Xây dựng
bộ điều khiển tốc độ động cơ một chiều sử dụng thuật toán PID ” gồm các nội
dung sau:
Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật điều khiển tự động.
Chương 2: Kỹ thuật điều PID và ứng dụng kỹ thuật điều khiển PID cho
động một chiều.
Chương 3: Xây dựng bộ điều khiển động cơ một chiều.
Chương 4: Kết quả và thảo luận.
Sinh viên thực hiện: Phạm Bá Hiếu
- 5 - Đồ án tốt nghiệp
Mặc dù đã có cố gắng nhưng những hạn chế và thiếu sót không thể tránh
khỏi. Kính mong được sự thông cảm và góp ý từ thầy cô và các bạn để các kết quả
được trình bày trong đồ án được hoàn thiện hơn.
Sau ba tháng nghiên cứu tại Khoa Vật Lý, Trường Đại Học Khoa Học Huế,
đồ án đã được hoàn thành. Để có thể đạt được những kết quả trên, một phần là nhờ
sự giúp đỡ của thầy cô, bạn bè và người thân.
Tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành đến thầy cô, bạn bè, người thân đã giúp đỡ
tôi hoàn thành đồ án tốt nghiệp này.
Đặc biệt cảm ơn thầy giáo Th.S Nguyễn Ngọc Hải, người đã trực tiếp hướng

Hệ thống điều khiển vòng hở sử dụng một bộ điều khiển nhằm điều khiển
một quá trình ứng với một yêu cầu xác định trước.
Sinh viên thực hiện: Phạm Bá Hiếu
- 7 - Đồ án tốt nghiệp
- Hệ thống điều khiển kiểu vòng kín (closed - loop):
Khác với hệ thống điều khiển kiểu vòng hở hệ thống điều khiển kiểu vòng
kín sử dụng thêm một giá trị đo của tín hiệu ra để so sánh với đáp ứng đầu ra được
mong muốn cho quá trình cần điều khiển. Giá trị đo này được gọi là tín hiệu phản
hồi (feedback signal).
Một hệ thống điều khiển phản hồi là một hệ thống điều khiển có khuynh
hướng duy trì một mối quan hệ được định trước giữa các giá trị biến thiên của hệ
thống bằng các phép so sánh giữa các giá trị này, sử dụng sự sai khác như một
phương thức điều khiển.
Hệ thống điều khiển phản hồi thường sử dụng hàm mô tả một mối quan hệ
xác định trước giữa tín hiệu ra và tín hiệu vào đối sánh để điều khiển quá trình.
Thường thì sự sai khác giữa tín hiệu ra của quá trình và tín hiệu vào đối sánh được
khuyếch đại và sử dụng để điều khiển quá trình sao cho sự sai khác liên tục giảm.
Khái niệm phản hồi được coi là nền tảng cho việc phân tích và thiết kế các hệ thống
điều khiển.
1.2.2. Phân loại dựa trên mô tả toán học của hệ thống
- Hệ thống liên tục: Hệ thống liên tục được mô tả bằng phương trình vi phân.
- Hệ thống rời rạc: Hệ thống rời rạc được mô tả bằng phương trình sai phân.
Sinh viên thực hiện: Phạm Bá Hiếu
- 8 - Đồ án tốt nghiệp
- Hệ thống tuyến tính: Hệ thống được mô tả bởi hệ phương trình vi phân/ sai
phân tuyến tính.
- Hệ thống phi tuyến: Hệ thống mô tả bởi hệ phương trình vi phân/ sai phân
phi tuyến.
- Hệ thống bất biến theo thời gian: hệ số của phương trình vi phân/ sai phân
mô tả hệ thống không đổi theo thời gian.

Phân tích hệ thống dựa và mô hình toán là phương trình vi phân gặp rất nhiều
khó khăn (ví dụ như biết tín hiệu vào, cần tính đáp ứng của hệ thống, rất khó để giải
phương trình vi phân). Thiết kế hệ thống dựa vào phương trình vi phân hầu như
không thể thực hiện được trong trường hợp tổng quát. Do đó cần các dạng mô tả
toán học khác giúp phân tích và thiết kế hệ thống tự động dễ dàng hơn. Đó là sử
dụng hàm truyền và phương trình trạng thái.
Sinh viên thực hiện: Phạm Bá Hiếu
Hệ thống tuyến tính bất
biến liên tục
r(t) c(t)
- 10 - Đồ án tốt nghiệp
1.3.2. Hàm truyền
1.3.2.1. Phép biến đổi Laplace
Khả năng xấp xỉ tuyến tính các hệ thống vật lý cho phép chúng ta xem xét tới
việc sử dụng biến đổi Laplace (Laplace transform). Phương pháp biến đổi Laplace
cho phép biến các phương trình vi phân tuyến tính thành các phương trình đại số dễ
giải hơn. Với phương pháp này, việc xác định đáp ứng của hệ thống theo thời gian
bao gồm những bước sau:
1. Thiết lập các phương trình vi phân mô tả hoạt động của hệ thống.
2. Áp dụng biến đổi Laplace cho các phương trình vi phân.
3. Giải các phương trình đại số thu được sau các phép biến đổi cho các biến cần
quan tâm.
Biến đổi Laplace tồn tại cho một phương trình vi phân nếu tích phân không
thực sự của biến đổi hội tụ. Nói một cách khác, điều kiện đủ để một hàm f(t) có biến
đổi Laplace là f(t) liên tục từng đoạn trong miền [0, ∞), và:

∞<>∃
∫
∞
−

nghĩa như sau:
Sinh viên thực hiện: Phạm Bá Hiếu
- 11 - Đồ án tốt nghiệp

∫
∞+
∞−
−
==
i
i
st
dsesF
πi
sFtf
σ
σ
)(
2
1
)]([)(
1
L
(1.3)
Ở đó
σ
được chọn sao cho tất cả các điểm cực (pole) của F(s) đều nằm bên
trái của đường biên của tích phân trong mặt phẳng phức, nghĩa là F(
σ
+i

1.4.1. Giới thiệu
Dùng biến đổi Laplace có thể mô tả hoạt động của các hệ thống phản hồi.
Tuy nhiên, cần phải nhớ rằng đáp ứng của hệ thống theo thời gian mới thực sự là
vấn đề được quan tâm chủ yếu.
Các phương trình vi phân mô tả một hệ thống điều khiển sẽ được xem xét và
một dạng phương trình thích hợp được chọn. Một tập các biến trạng thái được sử
dụng để biến đổi các phương trình vi phân thành hệ phương trình vi phân bậc nhất.
Các phương pháp tính toán ma trận sẽ được sử dụng để xác định đáp ứng theo thời
gian của một hệ thống điều khiển. Những phương pháp tính toán ma trận trong miền
thời gian cho phép chúng ta dễ dàng xây dựng giải thuật để giải các bài toán này
bằng máy tính. Một ưu điểm của mô hình biến trạng thái là nó cho phép mô hình
hóa cả các hệ thống phi tuyến, là điều mà các mô hình dựa trên biến đổi Laplace
không thể làm được.
Sử dụng biến đổi Laplace để biến các phương trình vi phân mô tả hệ thống
thành phương trình đại số của một biến phức s. Chúng ta có thể dễ dàng giải các
phương trình đại số này để thu được hàm truyền biểu diễn mối quan hệ giữa biến
vào và biến ra của hệ thống. Các phương pháp trong miền tần số đã và vẫn sẽ là
những công cụ vô cùng quan trọng trong kỹ thuật điều khiển. Tuy nhiên, những hạn
chế của các phương pháp trong miền tần số vẫn đòi hỏi chúng ta phải xem xét các
phương pháp giải phương trình vi phân biểu diễn hệ thống trong miền thời gian.
Các kỹ thuật trong miền tần số thường chỉ áp dụng cho các hệ thống tuyến
tính có tham số bất biến theo thời gian. Thêm nữa, khả năng áp dụng các kỹ thuật
này cho các hệ thống đa biến cũng rất hạn chế bởi vì hàm truyền chỉ biểu thị mối
quan hệ của một cặp biến vào-ra. Ngược lại, các kỹ thuật trong miền thời gian có thể
Sinh viên thực hiện: Phạm Bá Hiếu
- 13 - Đồ án tốt nghiệp
sử dụng được cho các hệ thống phi tuyến, các hệ thống biến đổi hay các hệ thống đa
biến.
Miền thời gian bao gồm cả đáp ứng và mô tả của một hệ thống theo đại lượng
thời gian, t. Biểu diễn trong miền thời gian của các hệ thống điều khiển là cơ sở của

nào trong tương lai.
Tập hợp các biến trạng thái được chọn không phải là một tập hợp duy nhất,
mà chúng ta có thể có nhiều lựa chọn khác nhau. Trong thực tế, người ta thường
chọn các biến trạng thái là những biến có thể đo đạc được một cách dễ dàng.
Một phương pháp khác để xây dựng mô hình của một hệ thống là sử dụng đồ
thị liên kết. Đồ thị liên kết có thể sử dụng được cho các hệ thống điện, cơ, thủy lực,
nhiệt cũng như các hệ thống kết hợp nhiều loại phần tử khác nhau. Đồ thị liên kết
sẽ sinh ra hệ phương trình dưới dạng biến trạng thái.
Các biến trạng thái của một hệ thống đặc trưng cho hoạt động của hệ thống
đó. Mối quan tâm chính của chúng ta là các hệ thống vật lý, trong đó các biến là
hiệu điện thế, cường độ dòng điện, vận tốc, vị trí, áp suất, nhiệt độ và các đại lượng
vật lý tương tự.
Sinh viên thực hiện: Phạm Bá Hiếu
- 14 - Đồ án tốt nghiệp
1.4.3. Phương trình vi phân của vector trạng thái
Trạng thái của một hệ thống tuyến tính mô tả được bởi một tập hợp các
phương trình vi phân bậc nhất của các biến trạng thái x
1
, x
2
, , x
N
. Các phương trình
vi phân này có thể biểu diễn dưới dạng tổng quát như sau:
dx
1
/dt = a
11
x
1

+ + a
2N
x
N
+ b
21
u
1
+ b
22
u
2
+ + b
2M
u
M
(1.4)
dx
N
/dt = a
N1
x
1
+ a
N2
x
2
+ + a
NN
x









+






















x
x
x
aaa
aaa
aaa
x
x
x
dt
d 2
1
21
22221
11211
2
1
21


2
1
x
(1.7)
u là vector của các biến vào:












=
M
u
u
u

2
1
u
(1.8)
Ma trận A có kích thước N×N và ma trận B có kích thước N×M là các ma trận
Sinh viên thực hiện: Phạm Bá Hiếu

−
=
(1.12)
Lấy biến đổi Laplace nghịch của phương trình (1.12), chúng ta có được biến
trạng thái x(t):
∫
−
+=
t
taat
dbuexetx
0
)(
)()0()(
ττ
τ
(1.13)
Nghiệm của phương trình tổng quát (1.6) cũng có dạng tương tự:
∫
−
+=
t
tt
deet
0
)(
)()0()(
ττ
τ
Buxx

−+=
t
dttt
0
)()()0()()(
τττ
BuΦxΦx
(1.16)
Tính Φ(t) theo công thức (1.16) khá phức tạp nếu không có máy tính, vì vậy
chúng ta sẽ tìm hiểu một phương pháp tính ma trận này một cách đơn giản hơn. Nếu
tất cả các biến vào của hệ thống đều bằng không, nghĩa là u(t) = 0, phương trình
(1.16) trở thành:
x(t) = Φ(t)x(0) (1.17)
Khi đó, phần tử
φ
ij
(t) của ma trận Φ(t) chính là đáp ứng của trạng thái x
i
(t) khi
tất cả các giá trị khởi đầu của các biến trạng thái đều bằng không, trừ x
j
(0) được đặt
bằng một, có nghĩa là:
φ
ij
(t) = x
i
(t)|
xj(0) = 1,
∀

tTt
dt
td )()()( xxx −+
=
(1.20)
nếu T là một giá trị rất nhỏ. Thay vào phương trình (1.6), chúng ta có:
BuAx
xx
+=
−+
T
tTt )()(
(1.21)
hay:
x(t + T) = TAx(t) + x(t) + TBu(t) = (TA + I)x(t) + TBu(t) (1.22)
Nếu giá trị khởi đầu x(0) đã biết, chúng ta có thể xác định giá trị của vector
trạng thái x(t) tại các thời điểm t = T, 2T, 3T, 4T bằng công thức đệ quy:
x[(k + 1)T] = (TA + I)x(kT) + TBu(kT) (1.23)
Phương pháp xấp xỉ theo thời gian rời rạc đặc biệt hữu ích đối với các hệ
thống phi tuyến. Trường hợp tổng quát nhất, hệ thống được biểu diễn ở dạng sau:
),,( t
dt
d
uxf
x
=
(1.24)
Sử dụng xấp xỉ (1.19), chúng ta có:
]),(),([
)()(

Chúng ta cũng đã nhận ra là việc có được đáp ứng hệ thống mong muốn
không chỉ đơn giản là điều chỉnh các tham số, mà trong nhiều tình huống đòi hỏi
phải xem xét lại cấu trúc và thiết kế lại hệ thống. Điều đó có nghĩa là, việc thiết kế
một hệ thống điều khiển bao gồm việc sắp đặt cấu trúc của hệ thống và lựa chọn các
phần tử và tham số phù hợp. Việc thay đổi hay điều chỉnh cấu trúc của hệ thống điều
khiển để đạt được hiệu suất phù hợp được gọi là bù (compensation). Bù là việc điều
chỉnh cấu trúc hệ thống nhằm sửa chữa những thiếu sót hay thiếu phù hợp.
Phương pháp bù thay đổi đáp ứng của hệ thống bằng cách thêm phần tử vào
cấu trúc của hệ thống phản hồi. Phần tử này sẽ cân bằng hoặc bù cho những thiếu
sót của hiệu suất. Thiết bị bù có thể là một thiết bị điện, cơ khí, thủy lực, khí hay
nhiều kiểu thiết bị hay mạch khác, được gọi là bộ bù (compensator). Thường thì
trong các hệ thống điều khiển, bộ bù là một mạch điện, vì thế còn thường được gọi
là mạch bù (compensation network). Hàm truyền của một bộ bù có dạng G
c
(s) =
Sinh viên thực hiện: Phạm Bá Hiếu
- 19 - Đồ án tốt nghiệp
E
ra
(s)/E
vào
(s), ở đó E
vào
(s) và E
ra
(s) là biến đổi Laplace của tín hiệu vào và ra của bộ
bù. Bộ bù có thể được đặt ở một vị trí phù hợp trong cấu trúc của hệ thống. Bộ bù
được đặt trên đường cấp tiếp (feedforward path) được gọi là bộ bù nối tiếp (cascade
compensator). Ngoài ra còn các sơ đồ bù khác như bù phản hồi (feedback
compensator), bù tín hiệu ra hay tải (output/load compensator), bù tín hiệu vào

−
−
=
N
j
j
M
i
i
c
ps
zsK
sG
1
1
)(
)(
)(
(1.28)
Khi đó, vấn đề cần giải quyết chỉ là lựa chọn các điểm cực và điểm không
của mạch bù. Để minh họa cho các thuộc tính của mạch bù, trước hết chúng ta sẽ
xem xét một mạch bù bậc nhất. Phương pháp bù được phát triển trên cơ sở của mạch
bù bậc nhất sau đó sẽ được mở rộng cho các mạch bù bậc cao hơn.
Xem xét mạch bù bậc nhất với hàm truyền như sau:
ps
zsK
sG
c
−
−

e
p
K
p
K
iiG








=








=
ωωω
(1.31)
Góc pha của G
c
(i
ω

ω
ω
ω
i
iK
pi
zipKz
pi
ziK
iG
c
(1.32)
ở đó K
1
= Kz/p,
α
= p/z và
τ
= −1/p. Góc pha của G
c
(i
ω
) khi đó sẽ là:
φ
(
ω
) = arctan(
αωτ
) − arctan(
ωτ

R
sV
sVsVCs
R
sVsV
=−+
−
(1.35)
hay:
)()()()1(
22121112
sVCsRRRRsVCsRR ++=+
(1.36)
Vì vậy, hàm truyền của mạch là:
CsRRRR
CsR
RR
R
CsRRRR
CsRR
sV
sV
sG
c
])([1
1)1(
)(
)(
)(
2121

=
α
, phương trình (1.37) trở thành:
s
s
sG
c
τ
ατ
α
+
+
⋅=
1
11
)(
(1.38)
Sinh viên thực hiện: Phạm Bá Hiếu
- 23 - Đồ án tốt nghiệp
Đó chính là hàm truyền (1.31) với K
1
= 1/
α
. Để loại trừ ảnh hưởng suy giảm
của mạch bù do thành phần 1/
α
< 1, chúng ta cần dùng thêm một mạch khuyếch đại
có hệ số khuyếch đại
α
, khi đó chúng ta sẽ có mạch bù với K

11
22222
=
+
−
+
τω
τ
τωα
ατ
(1.41)
Giải phương trình (1.41), chúng ta xác định được tần số
ω
m
:
zp
m
==
ατ
ω
1
(1.42)
Như vậy, giá trị lớn nhất của góc sớm pha là:
Sinh viên thực hiện: Phạm Bá Hiếu
- 24 - Đồ án tốt nghiệp
α
α
α
α
τ


=
=
mm
(1.43)
Phương trình (1.43) được sử dụng để tính tỷ số
α
giữa giá trị điểm cực và giá
trị điểm không của mạch bù để có được góc sớm pha mong muốn. Đồ thị của
φ
m
theo
α
được thể hiện trên hình I.8. Theo đồ thị, góc pha của mạch bù này có giá trị
khó có thể quá 70
o
. Vì vậy, nếu yêu cầu đưa ra là góc sớm pha lớn nhất phải lớn hơn
70
o
, chúng ta có thể phải sử dụng tới hai mạch bù nối tiếp.
1.5.3. Bộ điều khiển PD
Một dạng của mạch sớm pha được gọi là bộ điều khiển tỷ lệ-đạo hàm
(proportional-derivative controller, hay PD controller), vì phương trình của nó bao
gồm hai thành phần, tỷ lệ và đạo hàm, có dạng như sau:
dt
tdu
KtuKtu
DP
)(
)()(

τ
s, trong khi
α
lại phải khá lớn để thành phần
ατ
s không quá nhỏ. Hàm truyền của mạch sớm pha
khi đó có thể xấp xỉ được như sau:
sKK
sK
s
sK
sG
c
ατ
ατ
τ
ατ
11
11
1
)1(
1
)1(
)( +=
+
≅
+
+
=
(1.46)