TRƯỜNG ĐH. SƯ PHẠM KỸ THUẬT
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TP. HỒ CHÍ MINH
ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP Y SINH
Tp. HCM, ngày 20 tháng 03 năm 2018

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên:
Chuyên ngành:
Hệ đào tạo:
Khóa:

Nguyễn Thành Luân
Tạ Minh Giang
Điện tử công nghiệp
Đại học chính quy
2014

MSSV: 14141179
MSSV: 14141079
Mã ngành: 141
Mã hệ:
1
Lớp:
14141DT1A

I. TÊN ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN HỆ PHI TUYẾN DÙNG GIẢI THUẬT THÔNG
MINH
II. NHIỆM VỤ:

Tp. HCM, ngày 20 tháng 03 năm 2018

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên 1: Tạ Minh Giang ...................................................................................
Lớp: 14141DT1A ......................................................... MSSV: 14141079 .......................
Họ tên sinh viên 2: Nguyễn Thành Luân...........................................................................
Lớp: 14141DT1A ......................................................... MSSV: 14141179 .......................
Tên đề tài: Điều khiển hệ phi tuyến dùng giải thuật thông minh ......................................
...........................................................................................................................................
Xác nhận
Tuần/ngày
Nội dung
GVHD
Tuần 1
Gặp giảng viên hướng dẫn và trao đổi về đề
tài đồ án tốt nghiệp.
18/3-24/3
Tuần 2
Viết đề cương và lịch trình thực hiện đồ án tốt
nghiệp.
25/3-31/3
Tuần 3
Tìm hiểu đề tài và lựa chọn thiết bị.
1/4-7/4
Tuần 4

Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của đề tài.

8/4-14/4
Tuần 5

tài liệu hay công trình đã có trước đó.

Người thực hiện đề tài

Nguyễn Thành Luân

iii

Tạ Minh Giang


LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian thực hiện đề tài, những người thực hiện được sự giúp đỡ của gia đình,
quý thầy cô và bạn bè nên đề tài đã được hoàn thành. Những người thực hiện xin chân
thành gửi lời cảm ơn đến:
Thầy Tạ Văn Phương, giảng viên trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM đã
trực tiếp hướng dẫn và tận tình giúp đỡ tạo điều kiện để nhóm có thể hoàn thành tốt đề tài.
Những người thực hiện cũng xin chân thành cám ơn đến các thầy cô trong khoa Điện
- Điện tử của trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM đã tận tình dạy dỗ, chỉ bảo,
cung cấp cho những người thực hiện những kiến thức nền, chuyên môn làm cơ sở để hoàn
thành đề tài này.
Cảm ơn gia đình đã động viên và luôn luôn bên cạnh trong những lúc khó khăn nhất.
Xin gửi lời cảm ơn đến những người bạn sinh viên khoa Điện-Điện tử đã giúp đỡ
những người thực hiện đề tài để có thể hoàn thành tốt đề tài này.
Xin chân thành cảm ơn!

Người thực hiện đề tài:

Nguyễn Thành Luân


GIỚI HẠN: ............................................................................................................ 3

1.5

BỐ CỤC: ................................................................................................................ 3

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................................. 5
2.1

TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH MÁY BAY TRỰC THĂNG HAI BẬC TỰ DO: 5

2.2

TỔNG QUAN VỀ PHẦN CỨNG: ........................................................................ 7

2.2.1

Kit STM32F407VG_disc1 discovery: ............................................................ 7

2.2.2

Encoder E50S8- 5000 (1024): ......................................................................... 8

2.2.3

Emax BL heli ESC: ....................................................................................... 10

2.2.4

Động cơ Brushless DC (BLDC): .................................................................. 11


Thuật toán Neural: ......................................................................................... 33

CHƯƠNG 3.

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ .............................................................. 40
v


3.1

THIẾT KẾ SƠ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ THỐNG: .................................................... 40

3.2

MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG TRMS: ................................................................ 45

3.2.1

Mô hình toán học của hệ TRMS: .................................................................. 46

CHƯƠNG 4.

THI CÔNG HỆ THỐNG ..................................................................... 56

4.1

GIỚI THIỆU: ....................................................................................................... 56

4.2


4.3.5

Toolbox neural và nhận dạng hệ thống: ........................................................ 69

4.4

MÔ HÌNH MÔ PHỎNG: ..................................................................................... 75

4.4.1

Mô hình máy bay trực thăng hai bậc tự do: .................................................. 75

4.4.2

Mô hình điều khiển tốc độ động cơ: ............................................................. 83

4.5

CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN: ...................................................................... 88

4.5.1

Chương trình điều khiển hệ TRMS: .............................................................. 88

4.5.2

Chương trình điều khiển tốc độ động cơ ba pha: .......................................... 89

CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ .................................................... 92

DANH SÁCH HÌNH
Hình
Trang
Hình 2. 1 Trực thăng EC_225. ............................................................................................ 5
Hình 2. 2 Lực nâng trực thăng lên. ...................................................................................... 6
Hình 2. 3 Hệ thống dẫn động giữa cánh quạt chính và cánh quạt đuôi. .............................. 6
Hình 2. 4 Kit STM32F407................................................................................................... 7
Hình 2. 5 Encoder E50S8-5000. .......................................................................................... 9
Hình 2. 6 Cấu tạo cơ bản của encoder. .............................................................................. 10
Hình 2. 7 Cấu tạo các chân kết nối BLH Heli Emax......................................................... 11
Hình 2. 8 Động cơ và cánh quạt Tarot. ............................................................................. 13
Hình 2. 9 Biến tần VLT 2807 195N1015. ......................................................................... 14
Hình 2. 10 Sơ đồ nguyên lý hoạt động biến tần. ............................................................... 15
Hình 2. 11 Nguồn tổ ong 24V. .......................................................................................... 16
Hình 2. 12 Hệ thống truyền dữ liệu bất đồng bộ. .............................................................. 17
Hình 2. 13 Định dạng của một ký tự truyền theo chuẩn RS-232. ..................................... 19
Hình 2. 14 Sơ đồ nguyên lí của hệ thống đa biến điển hình.............................................. 20
Hình 2. 15 Quan hệ ngõ vào và ra của hệ MIMO dùng ma trận hàm truyền. ................... 20
Hình 2. 16 Sơ đồ hệ thống điều khiển dùng PID............................................................... 22
Hình 2. 17 Điều khiển hồi tiếp với bộ điều khiển PID. ..................................................... 22
Hình 2. 18 Đáp ứng nấc của hệ khi

K  K gh

. .................................................................... 25

Hình 2. 19 Điều khiển trực tiếp. ........................................................................................ 26
Hình 2. 20 Điều khiển gián tiếp......................................................................................... 27
Hình 2. 21 Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ. ................................................................... 28
Hình 2. 22 Tập mờ ngõ ra của khâu mờ hóa. .................................................................... 28

Hình 4. 2 Hệ thống điều khiển mô hình TRMS thực tế. ................................................... 57
Hình 4. 3 Sơ đồ kết nối hệ thống điều khiển mô hình. ...................................................... 59
Hình 4. 4 Hệ thống điều khiển mô hình điều khiển tốc độ động cơ thực tế. ..................... 59
Hình 4. 5 Giao diện Matlab. .............................................................................................. 60
Hình 4. 6 Giao diện làm việc của Simulink....................................................................... 62
Hình 4. 7 Thư viện Simulink. ............................................................................................ 63
viii


Hình 4. 8 Thiết lặp miền mô phỏng. .................................................................................. 64
Hình 4. 9 Thư viện waijung blockset. ............................................................................... 65
Hình 4. 10 Giao diện ban đầu vủa fuzzy. .......................................................................... 66
Hình 4. 11 Thay đổi số lượng ngõ vào và ra. .................................................................... 66
Hình 4. 12 Tập mờ. ............................................................................................................ 67
Hình 4. 13 Luật mờ. ........................................................................................................... 68
Hình 4. 14 Gọi fuzzy vào chương trình. ............................................................................ 69
Hình 4. 15 Giao diện làm việc của tool ident. ................................................................... 70
Hình 4. 16 Chèn dữ liệu vào để nhận dạng. ...................................................................... 70
Hình 4. 17 Giao diện tool ident sau khi chèn dữu liệu. ..................................................... 71
Hình 4. 18 Chọn số cực và số zero của hệ thống cần nhận dạng. ..................................... 72
Hình 4. 19 Giao diện tool ident sau khi nhận dạng. .......................................................... 72
Hình 4. 20 Giao diện của tool NARMA_L2. .................................................................... 74
Hình 4. 21 Sơ đồ Simulink chi tiết cho hệ TRMS............................................................. 76
Hình 4. 22 Tập mờ đầu vào e(t) và de(t)/dt. ...................................................................... 77
Hình 4. 23 Tập mờ đầu ra u. .............................................................................................. 77
Hình 4. 24 Cấu trúc mô phỏng với bộ FUZZY/PID cho hệ thống TRMS. ....................... 79
Hình 4. 25 Mô phỏng đáp ứng góc Pitch........................................................................... 79
Hình 4. 26 Mô phỏng đáp ứng góc Yaw. .......................................................................... 80
Hình 4. 27 Mô phỏng đáp ứng góc Pitch khi góc đặt 10 độ. ............................................. 81
Hình 4. 28 Mô phỏng đáp ứng góc Yaw khi giá trị đặt 10 độ. .......................................... 81

DANH SÁCH BẢNG
Bảng

Trang

Bảng 2. 1 Một số nhóm lênh cơ bản được thực hiện trên biến tần. ................................... 15
Bảng 2. 2 Sơ đồ chân cổng COM. ..................................................................................... 18
Bảng 2. 3 Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols. ...................................... 25
Bảng 4. 1 Thông số bộ phận phản hồi (Encoder) ………………………………………..58
Bảng 4. 2 Bảng luật mờ của góc Pitch. ............................................................................. 78
Bảng 4. 3 Bảng luật mờ của góc Yaw. .............................................................................. 78
Bảng 4. 4 Bảng luật mờ của hệ thống điều khiển động cơ. ............................................... 85

xi


DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
MIMO: Multi Input Multi Output.
TRMS: Twin Rotor MIMO system.
PWM: Pulse Width Modulation.
PID: Proportional Intergator Derivative.
ESC: Electronic Speed Controller.
UART: Universal Asynchronous Receiver-Transmitter

xii


TÓM TẮT
Hệ thống điều khiển thông thường được thiết kế dựa vào mô hình toán học của đối
tượng. Đối tượng được mô hình hóa bằng những định luật vật lý, sau đó được lựa chọn và

 Động cơ ba pha tốc độ trong phạm vi 1200 vòng/ phút được điều khiển thông qua
biến tần.
 Động cơ không có thông số chính xác về điện trở, điện kháng, hệ số trượt, số cặp
cực…
 Vi điều khiển đọc tín hiệu từ encoder chuyển đổi về giá trị tốc độ thông qua các
bộ điều khiển tính toán xuất giá trị điện áp điều khiển biến tần.

xiv


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ :
Hiện nay, hệ thống điều khiển tự động được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực từ
công nghiệp, kỹ thuật quân sự - hàng không đến hệ thống kinh tế-xã hội – y học nhằm tăng
năng suất, chất lượng, độ chính xác, độ ổn định, an toàn của hệ thống. Cùng với sự phát
triển của khoa học kỹ thuật, các hệ thống phi tuyến cao, phức tạp cũng phát triển không
ngừng. Để điều khiển các hệ thống đó các bộ điều khiển hiện đại và đặc biệt là điều khiển
thông minh ra đời và không ngừng phát triển. Trong đó, điều khiển mờ (Fuzzy) là một
trong những phương pháp điều khiển thông minh đơn giản, đạt hiệu quả cao, được ứng
dụng rộng rãi trong công nghiệp. Đặc điểm nổi bật của bộ điều khiển mờ là không cần biết
chính xác mô hình của đối tượng phức tạp cần điều khiển mà chỉ cần biết đặc tính của hệ
thống dựa vào kinh nghiệm điều khiển thực tế của người điều khiển từ đó xây dựng luật
mờ cho hệ thống. Trong những năm gần đây, mạng Neural nhân tạo (Artificial Neural
Network) phát triển mạnh mẽ, thực sự trở thành một cuộc cách mạng trong khoa học kỹ
thuật. Mạng Neural nhân tạo ứng dụng thành công trong việc giải quyết các bài toán phức
tạp trong khoa học kỹ thuật cao như dự báo, quản lý thông tin, nhận dạng, khoa học hình
sự, kỹ thuật quân sự, khoa học vũ trụ, tối ưu và thông minh hóa các các bộ điều khiển.
Và điển hình cho hệ thống phi tuyến là mô hình máy bay trực thăng hai bậc tự do

 Đánh giá mức độ hiệu quả của các giải thuật điều khiển khác nhau.
 Mục tiêu mô hình máy bay trực thăng:
 Khảo sát và đánh giá tính phi tuyến của hệ Twin Rotor MIMO system.
 Mô phỏng kiểm nghiệm trên Matlab.
 Thiết kế bộ điều khiển để điều khiển vị trí góc của trục chính (Pitch) và góc của
trục đuôi (Yaw), đảm bảo hệ thống giữ ổn định góc khi có nhiễu tác động (nhiễu
tải và nhiễu gió).
 Mục tiêu mô hình điều khiển tốc độ động cơ ba pha:
 Nhận dạng được hệ thống.
 Mô phỏng kiểm nghiệm trên Matlab.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

2


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
 Thiết kế bộ điều khiển điều khiển được tốc độ động cơ với độ chính xác cao và
khả năng đáp ứng nhanh.

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU:
 NỘI DUNG 1: Nghiên cứu cài đặt, sử dụng phần mềm Matlab Simulink, thư viện
Waijung, Driver STlink32 trên máy tính.
 NỘI DUNG 2: Tìm hiểu cách sử dụng vi điều khiển STM32F4: cách kết nối, đọc
tín hiệu ADC, tín hiệu Encoder, xuất xung PWM, ADC, giao tiếp UART giữa máy
tính và STM32F4.
 NỘI DUNG 3: Tìm hiểu các linh kiện, thiết bị sử dụng trong hai mô hình điều
khiển.
 NỘI DUNG 4: Nghiên cứu giải thuật điều khiển thông minh.
 NỘI DUNG 5: Nghiên cứu xây dựng mô hình thuật toán cho mô hình trực thăng

 Chương 3: Tính Toán Và Thiết Kế.
Chương này giới thiệu tổng quan về các yêu cầu của đề tài và các tính toán, thiết kế
gồm những phần như: thiết kế sơ đồ khối hệ thống, sơ đồ nguyên lý toàn mạch, tính toán
thiết kế mạch.
 Chương 4: Thi Công Hệ Thống.
Viết chương trình cho hệ thống. Trình bày phần cơ khí, điện và chương trình mà học
viên thực hiện cho mô hình máy bay trực thăng hai bậc tự do. Thực hiện mô phỏng mô
hình.
 Chương 5: Kết Quả_Nhận Xét_Đánh Giá.
Trình bày về những kết quả đã được mục tiêu đề ra sau quá trình nghiên cứu thi công.
Từ những kết quả đạt được để đánh giá quá trình hoàn thành được bao nhiêu phần trăm.
 Chương 6: Kết Luận Và Hướng Phát Triển.
Chương này trình bày về những kết quả mà đồ án đạt được, những hạn chế, từ đó rút
ra kết luận và hướng phát triển để giải quyết các vấn đề tồn đọng để đồ án hoàn thiện hơn.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

4


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH MÁY BAY TRỰC THĂNG HAI BẬC TỰ
DO:
 Nguyên lí hoạt động của trực thăng:
Trong máy bay trực thăng, lực nâng sinh ra bằng cách điều khiển công suất của cánh
quạt gọi là rotor chính. Khi rotor chính của máy bay trực thăng quay sinh ra lực nâng và
momen phản ứng. Momen phản ứng này có xu hướng làm cho thân máy bay trực thăng
quay theo chiều ngược lại. Trên hầu hết các máy bay trực thăng, một cánh quạt nhỏ gần

Hình 2. 3 Hệ thống dẫn động giữa cánh quạt chính và cánh quạt đuôi.
Trong thiết kế, động cơ đuôi liên kết với động cơ chính thông qua hệ thống truyền
động trục và hộp số. Có nghĩa là khi động cơ chính quay thì động cơ đuôi sẽ quay theo tỉ
lệ nào đó. Với trực thăng loại rất nhỏ loại điện thì đó là điện áp cho mỗi động cơ. Tuy
nhiên, hệ thống cơ khí thì chất lượng điều khiển này không cao nên cần có một bộ điều
khiển điện tử sử dụng cảm biến để tăng tính hiệu quả ngay cả trong môi trường thực tế.
Đây là một trong những bài toán điều khiển máy bay trực thăng.
 Cấu tạo hệ Twin Rotor MIMO System (TRMS):
TRMS là mô hình của một máy bay trực thăng nhưng được đơn giản hóa. TRMS
được gắn với một trụ tháp và một đặc điểm rất quan trọng của nó là vị trí và vận tốc của

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

6


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
máy bay trực thăng được điều khiển qua sự thay đổi vận tốc của rotor. Với hai đầu vào
(điện áp cung cấp cho các rotor) và các đầu ra (các góc dọc và ngang, các vận tốc góc). Hệ
thống TRMS là một hệ thống được thiết kế dưới dạng mô hình máy bay hai cánh quạt. Một
cánh quạt được đặt theo phương ngang và một cánh quạt được đặt theo phương dọc được
sử dụng trong phòng thí nghiệm và có rất nhiều luật điều khiển được áp dụng để điều khiển
nó. Do tính phức tạp của quỹ đạo phi tuyến, sự ảnh hưởng của các khớp nối giữa các cánh
quạt, sự thay đổi của khí động lực học tác dụng lên cánh quạt do vậy vấn đề nghiên cứu bộ
điều khiển cho hệ thống TRMS là một thử thách, một vấn đề mới và phức tạp cho các đề
tài nghiên cứu về nó.
Twin Rotor MIMO System (TRMS) là một hệ phi tuyến nhiều đầu vào nhiều đầu
ra có hiện tượng xen kênh rõ rệt. Nó hoạt động giống như máy bay trực thăng nhưng góc
tác động của các rotors được xác định và các sức động lực học được điều khiển bởi các tốc
độ của các động cơ. Hiện tượng xen kênh được quan sát giữa sự hoạt động của các động

 Có sẵn bộ: CS43L22, audio DAC.
 Có nút nhấn và reset tích hợp.
 Có cổng Micro USB OTG.
 Có Led thông báo nguồn và tám Led trên board.
2.2.2

Encoder E50S8- 5000 (1024):

Ứng dụng chung của encoder: trong các bài toán đo tốc độ động cơ và đo vị trí,
trong các máy CNC dùng để xác định khoảng dịch chuyển của 1 đối tượng thông qua
đếm số vòng quay của trục...Các Encoder này có các đặc điểm sau đây:
 Encoder này có đường kính 50mm, loại trục E50S.
 Thích hợp để đo góc, vị trí, vòng quay, tốc độ, gia tốc và khoảng cách.
 Nguồn cấp: 5VDC.
 Độ phân giải: 5000 xung/vòng đối với E50S8-5000 và 1024 xung/vòng đối với
E50S8-1024.
 Pha ngõ ra: 6 pha.
 Tần số đáp ứng max: 300KHz.
 Ngõ ra: line driver.
 Trở kháng cách li min: 100MOhm.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

8


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
 Cấu trúc bảo vệ: loại cáp, kiểu giắc cắm: IP50 (tiêu chuẩn IEC), loại giắc cắm:
IP65 (tiêu chuẩn IEC).
 Kết nối: loại cáp, loại giắc cắm 250mm, loại giắc cắm (phía sau, phía bên cạnh).

 Dựa trên BLHeli firmware, tối ưu hóa cho hiệu suất cao với tuyến tính và nhanh
hơn rất nhiều phản ứng tăng tốc.
 Đặc biệt thiết kế cho multirotors, tuyệt vời và tương thích với tuyến tính và nhanh
hơn rất nhiều phản ứng tăng tốc.
 Bảo vệ nhiều đặc trưng bao gồm Low-điện áp vut-off bảo vệ/over-nhiệt bảo
vệ/throttle mất tín hiệu bảo vệ.
 Cung cấp điện riêng cho MCU và BEC, tăng cường khả năng loại bỏ nhiễu sóng
từ của ESC.
 Tất cả các thông số có thể được lập trình thông qua sử dụng một chương trình thẻ
hoặc một máy phát, bao gồm thiết lập mặc định.
 Tốc độ tối đa: 210.000 rpm cho 2 cực, 70.000 rpm cho 6 cực, 35.000 rpm.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

10


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2. 7 Cấu tạo các chân kết nối BLH Heli Emax.
Cấu tạo: gồm năm dây:
 Dây 1 (màu đỏ): kết nối nguồn VCC= 24V.
 Dây 2 (màu đen): kết nối GND.
 Dây 3 gồm 3 dây nhỏ kết nối với vi điều khiển, 2 chân cấp nguồn và 1 chân kết
nối với chân PWM của vi điều khiển.
 Dây 4,5,6 kết nối với động cơ 3 pha, dây 4 và 6 có thể đổi vị trí cho nhau nhằm
mục đích đảo chiều động cơ.
2.2.4 Động cơ Brushless DC (BLDC):
 Động cơ BLDC là động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, thuộc nhóm động cơ xoay
chiều đồng bộ, có phần cảm là nam châm vĩnh cửu.