1
CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Đặt vấn đề
Trong giảng dạy, có rất nhiều phương pháp để điều khiển tốc độ động cơ DC
nhưng thuật toán PID tỏ ra hiệu quả nhất, thường được dùng minh họa cho các ví dụ thiết
kế hệ thống trong môn học điều khiển tự động.
Luật điều khiển PID là mộ
t thuật toán điều khiển dễ và đơn giản ở các khía cạnh:
lý thuyết đơn giản, dễ chế tạo, dễ áp dụng, dễ sử dụng... mà vẫn đạt hiệu quả là đáp ứng
được việc điều khiển một quá trình nào đó ở giá trị mong muốn nên được dùng nhiều
trong công nghiệp như điều khiển nhiệt độ, áp suất, lưu lượng v.v...
Con lắ
c ngược được ứng dụng rất nhiều trong kỹ thuật và có thể sử dụng thuật toán
PID để điều khiển hệ thống này. Vì vậy nhóm chọn đề tài nghiên cứu là “ỨNG DỤNG
PID TRONG ĐIỀU KHIỂN CON LẮC NGƯỢC”.
Mô hình con lắc ngược có hai mô hình chính là Rotary và Liner, trong đề tài này
nhóm điều khiển mô hình Liner.
1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
Bộ điều khiển PID hiện nay có hai loại: analog và digital.
Các bộ đi
ều khiển PID có trên thị trường của các hãng lớn thường được đóng gói
thành sản phẩm hoàn chỉnh, khi lắp đặt vào hệ thống không cần phải làm gì thêm ngoài
việc thiết lập các thông số hoạt động.
Công trình nghiên cứu về thiết kế bộ điều chỉnh PID số trong các tài liệu nghiên cứu ở
nước ngoài chủ yếu là thiết kế hoàn chỉnh một module điều khiển duy nhất từ thành phầ
n
xử lý tín hiệu, xử lý và tính toán trung tâm, công suất v.v... Bên cạnh đó, phần mềm

Bộ
điều khiển
Đối tượng
điều khiển
Thiết bị đo
Bộ so
e(t) u(t)
z(t)
y(ht)
y(t)r(t)
Thiết bị điều khiển Hình 2.1: cấu trúc cơ bản của hệ thống diều khiển. 4
Trong đó :
• r(t): tín hiệu vào.
• e(t) : tín hiệu sai lệch.
• u(t) : tín hiệu điều khiển.
• z(t): tín hiệu nhiễu.
• y(t) : tín hiệu ra.
• y
ht
(t) : tín hiệu hồi tiếp

c. Bộ điều khiển.
Dùng tín hiệu sai lệch e để tạo tín hiệu điều khiển u. Thuật toán để xác định u(t)
gọi là thuật toán điều khiển.


Bộ
điều khiển
Đối tượng
điều khiển
Thiết bị đo
e(t) u(t)
z(t)
y(t)r(t) Hình 2.3: Sơ đồ điều khiển cân bằng sai lệch.
6
Tín hiệu ra y(t) được đo và phản hồi về so sánh với tín hiệu vào r(t). Bộ điều khiển
sử dụng độ sai lệch vào-ra để tính toán tín hiệu điều khiển u(t). Nguyên tắc này có thể
triệt tiêu các nhiễu không biết trước và không đo được. Tuy nhiên, nó điều khiển sau khi
nhiễu đã thực sự ảnh hưởng đến đối tượng.
¾ Điều khiển phối hợp. Bộ
điều khiển
Đối tượng
điều khiển
Thiết bị đo
e(t) u(t)
z(t)

G(s)
y
Kp
Ki/s
K
D
.s
Bộ PID
r

Hình 2.6: sơ đồ khối bộ điều khiển PID liên tục
8
b. Phương trình vi phân:
Hình 2.7: đường đặc tính động học bộ PID

Trong đó:
• KP : hệ số khuyếch đại.
• KI : tốc độ tích phân.
• KD: hằng số thời gian vi phân.
• TI: thời gian hiệu chỉnh.
• TD:thời gian tác động sớm.
Hình 2.10: đáp ứng quá độ hệ thống ¾ Nhận xét :
• Khâu PI tốc độ đáp ứng nhanh, giảm thời gian quá độ
nhưng độ vọt lố tăng.
• Khâu PD giảm độ vọt lố, không ảnh hưởng sai số và
giảm dao động.
• Khâu PID với thông số thích hợp có thể hiệu chỉnh để
hệ thống ổn định với sai s
ố xác lập bằng 0, độ vọt lố và thời gian quá độ đạt yêu
cầu mong muốn. 11
¾ Ưu điểm của bộ PID:
• e(t) lớn : thông qua up(t), tín hiệu diều khiển u(t) càng
lớn.
• e(t) chưa bằng 0: thông qua uI(t), PID vẫn còn tạo tín
hiệu điều khiển.
• e(t) thay đổi lớn : thông qua uD(t), phản ứng của u(t)
càng nhanh.

2.3. Bộ điều chỉnh PID số (rời rạc).
a.Sơ đồ khối.

r(t)
e(t)

Khâu vi phân:
DD
de(t)
U(t) K
dt
=
thay bởi
D
KK1
KD
ee
UK
T
−
−
=

Khâu tích phân:
I
KIK
UKe(t)dt=
∫
thay bởi
II
K1 K
KK1I
ee
UU KT
2
−

3.1.Động cơ DC
3.1.1.Định nghĩa:

Động cơ điện một chiều (DC) đã được sử dụng trong công nghiệp trong nhiều năm
qua. Cùng với các bộ điều khiển DC, động cơ điện một chiều cung cấp sự điều khiển rất
chính xác. Động cơ điện một chiều được sử đụng ở
những nơi yêu cầu moment mở máy
lớn hoặc yêu cầu điều chỉnh tốc độ bằng phẳng và phạm vi rộng như băng tải, thang máy,
máy ép, những ứng dụng trong ngành hàng hải, cán vật liệu, giấy, cao su…
Động cơ sevor DC là động cơ DC thông thường có hồi tiếp encorder hoặc
tachometer.

Hình 3.1: động cơ DC servo 14
Cấu tạo chung của động cơ DC gồm: vỏ, trục, ổ bi, phần cảm (stato), phần ứng
(roto), cổ góp và chổi điện Hình 3.2: cấu tạo động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập
Nguồn điện một chiều DC tác động lên cuộn ứng qua cổ góp. Cường độ từ trường
không thay đồi. Tốc độ động cơ chỉ có thể điều khiển thông qua dòng roto. Có thể đảo
chiều chuyển động bằng cách đảo chiều dòng điện qua roto Hình 3.3: Động cơ DC từ tường vĩnh cửu

+ R
f
)*I
ư

Trong đó:
U
ư
: đệin áp phần ứng (V)
E
ư
: sức điện động phần ứng (V)
R
ư
: điện trở mạch phần ứng (Σ)
R
f
: điện trở phụ trong mạch phần ứng (Σ)
I
ư
: dòng điện trong mạch phần ứng (A)
o R
ư
= r
ư
+ r
cf
+ r
i
+ r


Trong đó:
P : số đôi cực từ chính
N : số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng
a : số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng
Ф : từ thông kích từ dưới một cực (W
b
)
Τ : tốc độ góc rad/s

a
pN
K
π
2
=
: hệ số cấu tạo của động cơ
o
u
fu
u
I
K
RR
K
U
Φ
+
−
Φ

ω

Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện DC kích từ độc lập
Giả thiết phản ứng phần ứng được bù đủ từ thông thông Ф = const, thì các phương
trình đặc tính cơ điện và phương trình đặc tính cơ là tuyến tính. Đồ thị của chúng được
biểu diễn trên hình 5, 6 17

NM
I
dm
ω
o
ω
I
ω
DM
I

Hình 3.5: Đặc tính cơ điện của động cơ DC kích từ độc lập Hình 3.6: Đặc tính cơ của động cơ DC kích từ độc lập ¾ Ứng dụng.
-Robot.
-Điều khiển X,Y.


19
b.Encoder tiếp xúc:
Điểm tiếp xúc thực tế của loại Encoder này là giữa đĩa và đọc thông qua chổi than.
Loại này có nhược điểm là tạo ma sát, hao mòn, bụi bẩn do mụi than, xuất hiện điện trợ
tiếp xúc, gây ra rung động … làm giảm độ chính xác và tuổi thọ
Độ phân giãi của Encoder phụ thuộc vào đường rãnh và độ chính xác nhỏ nhất của
một rãnh có thể có được trên đĩa, độ phân giải có thể đạt 10 rãnh trên đĩ
a. Độ phân giãi có
thể tăng lên bằng cách ghép nhiều tầng đĩa hoặc dùng bộ dếm 9lên xuống cho trạng thái
cao nhất của bit
c.Encoder từ trường:
Đối với Encoder từ trường thì đĩa quay của nó được tráng một lớp vật liệu từ, trong
đó những vạch mẫu không được phủ.Các vạch này được đọc bằng một đầu đọc nam
châm.Rõ ràng với ưu điểm này thì Encoder từ trường có tuổi th
ọ cao hơn Encoder tiếp
xúc
d.Encoder quang:
Encoder quang là loại thông dụng nhất nhờ có độ chính xác cao và dùng ánh sáng
của bán dẫn. Encoder có ba bộ phận: đĩa segment có những phần trong suốt cho ánh sáng
đi qua và những phần không cho ánh sáng đi qua, một nguồn sáng cùng với một hệ thống
hỗ trợ chiếu sáng,bộ phận cảm biến ánh sáng
Hầu hết Encoder được sản xuát với độ chính xác cao, một Segment có bề dáy xấp
xỉ 12 micros. Độ phân giải của Encoder quang thông thường có th
ể đạt đến 14 bits. Hình 3.8:Một số Encoder quang

21
f. Thiết bị mã hóa tăng dần:
Hình 3.10: Thiết bị mã hóa tăng dần trong Encoder

Là loại thiết bị mã hóa có dãy xung ra phù hợp với góc của trục quay. Thiết bị mã
hóa này không có xung ra khi trục không làm việc. Do đó cần có một bộ đếm để đếm
xung ra
Thiết bị mã hóa ch biết vị trí của trục quay bằng số xung được đếm. Dạng thiết bị
mã hóa này chỉ có 1 hay 2 kênh nhõ ra:
Loại 1 chiều (chỉ có đầu kênh A) là loại chỉ sinh ra xung khi trục quay
Loạ
i 2 chiều (có đầu ra kênh A và B) cũng có thể cho biết chiều của trục quay,
nghĩa là thuận chiều kim đồng hồ. Ngoài ra còn có đầu dây trung tính (xung Z) cho mỗi
vòng quay, có nghĩa là nếu quay được 1 vòng thì xung Z lên 1
Khi đĩa quay theo chiều kim đồng hồ thì xung track 1 (B) trễ pha hơn xung track 2
(A) 22
g. Quay thuận chiều kim đồng hồ: Hình 3.11: Các kênh tín hiệu ra của Encoder Hình 3.12: Các kênh tín hiệu ra của Encoder khi động cơ quay thuận

7
8
9
10
11
12
13
14
28
27
26
25
24
23
22
21
20
19
18
17
16
15
PC6(RESET)
PD0 (RXD)
PD1 (TXD)
PD2 (IN T0)
PD3 (IN T1)
PD4 (XCK/T0)
VCC
GND

MODULE ATMEGA8
C
11Thursday , Oc tober 08, 2009
Tit le
Size Doc ument Num ber Rev
Date: Sheet
of
+5V
PD7
C18
470uF/ 25V
R5
390
R19
47K
ADC2
C10
0.1u
INT1
R4
4.7K
C12
0.1uF
MISO
PB7
C3
104
C5
18p
SW3

J11
EXT VREF
1
2
3
R18
47K
+5V
C4
104
J12
COMPARE INTERFACE
1
2
3
4
R14
1K
ADC2
ADC1
-+
D1
BD104(SMD)
1
4
3
2
+5V
J13
RS232_RXD SEL

12
9
11
10
13
8
14
7
C1+
C1-
C2+
C2-
VCC
GND
V+
V-
R1OUT
R2OUT
T1I N
T2I N
R1IN
R2IN
T1OU T
T2OU T
C11
0.1uF
+5V
+5V
JP6
1 2

104
+5V
ADC1
PB2
ADC0
TXD_232
R15
1K
SW1
RESET
SW4
BUT4
R20
38K
PB2
OC1A
RESET
PC4
T1
INT1
RXD_232
AIN_E
RXD
J3
ICIS P
1 2
3 4
5 6
7 8
9 10

L1
47uH
1
2
RF_EN
J1
ISP INTERFACE
6
5
4
3
2
1
PC5
PD6
ADC0
R13
22K
J6
PWM INTERFAC E
1
2
3
4
C2
104
+5V
OC1A
PB2
JP1

R3
4.7K
R10
1K
R12
22K
PC4
PB6
C9
0.1u
SCK
INT0
X1
7.372M
RESET
J17
PWR_JACK
3
2
1
+5V
SCK
C15
0.1u
J15
MODULE USB-RS232
1
2
3
4

PD7
+5V
MOSI
ADC0
R7
22K
C14
0.1u
U2 L78M05/TO220
1
2
3
VIN
GND
VOUT
+5V
J14
MODULE RF
1
2
3
4
5
6
C1
104
Hình 3.14: Mạch nguyên lý ATMEGA8

Q4
IRF540
DIR
D4
POWER LED
<Doc> <Rev
<Title>
B
11Monday , May 17, 2010
Tit le
Size Document Number Rev
Date: Sheet
of
R6
4.7R
5V
R2
4.7k
J4
CON1
1
PWM
5V
R9
3K3
+
C1
4.7u
U1A
4001

1
2
3
147
R14 330
+
C4
470u
Q1
IRF540
5V
5V
+
C2
4.7u
Q3
IRF540
12V
J1
MOTO R
1
2
24V
R7
4.7R
D3
12V
J2
MOTO R
1

C3
4.7u
R13
3k3
U3
IR 2184
3 4
8
1
5
2 6
7
COM LO
VB
IN
VCC
SD VS
HO
U8 78L05
3
2
1
OUT
GND
IN
Hình 3.15: Mạch nguyên lý mạch cầu H