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 ......................................
...........................................................................................................................................
Tuần/ngày
Tuần 1
18/3-24/3
Tuần 2
25/3-31/3
Tuần 3

Xác nhận

Nội dung

GVHD

Gặp giảng viên hướng dẫn và trao đổi về đề
tài đồ án tốt nghiệp.
Viết đề cương và lịch trình thực hiện đồ án tốt
nghiệp.

Tìm hiểu đề tài và lựa chọn thiết bị.




LỜI CAM ĐOAN
Đề tài này là do nhóm sinh viên Nguyễn Thành Luân và Tạ Minh Giang tự thực
hiện, do thầy Tạ Văn Phương hướng dẫn, dựa vào một số tài liệu trước đó và không sao
chép từ 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.

2.2.3 Emax BL heli ESC: ....................................................................................... 10
2.2.4 Động cơ Brushless DC (BLDC): .................................................................. 11
2.2.5 Biến tần VLT 2807 195N1015: ..................................................................... 13
2.2.6 Nguồn tổ ong 24V 5A: .................................................................................. 16
2.3 GIAO TIẾP UART: ............................................................................................. 16
2.4 HỆ ĐA BIẾN MIMO: .......................................................................................... 20
2.5 LÍ THUYẾT ĐIỀU KHIỀN: ................................................................................ 21
2.5.1 Thuật toán PID: ............................................................................................. 21
2.5.2 Thuật toán Fuzzy: .......................................................................................... 26
2.5.3 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 MÔ HÌNH PHẦN CỨNG: ................................................................................... 56
4.2.1 Mô hình TRMS: ............................................................................................ 56
4.2.2 Mô hình điều khiển tốc độ động cơ: ............................................................. 58
4.3 PHẦN MỀM LẬP TRÌNH: ................................................................................. 60
4.3.1 Giới thiệu Matlab: ......................................................................................... 60
4.3.2 Simulink: ....................................................................................................... 61
4.3.3 Thư viện waijung: ......................................................................................... 64
4.3.4 Tool box Fuzzy: ............................................................................................ 65
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

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  Kgh

..................................................................................... 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 2. 23 Các loại tập mờ ngõ vào và ngõ ra................................................................................... 29
Hình 2. 24 Các đường đặc tính bị hạn chế bởi sự nội suy giữa các điểm đặc tính...............30
Hình 2. 25 Những nguyên lý giải mờ.................................................................................................... 31
Hình 2. 26 Cấu trúc của một neural....................................................................................................... 34
vii


Hình 2. 27 Đồ thị hàm purelin................................................................................................................. 35
Hình 2. 28 Đồ thị hàm hard limit............................................................................................................ 35
Hình 2. 29 Đồ thị hàm logsig................................................................................................................... 36
Hình 2. 30 Đồ thị hàm tansig.................................................................................................................... 36
Hình 2. 31 Mạng neural truyền thẳng.................................................................................................... 37
Hình 2. 32 Mạng neural hồi qui............................................................................................................... 37

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
Hình 4. 29 Mô phỏng đáp ứng góc Pitch khi góc đặt là sóng sin T=15s................................. 82
Hình 4. 30 Mô phỏng đáp ứng góc Yaw khi góc đặt là sóng sin T=15s................................... 83
Hình 4. 31 Cấu trúc mô phỏng với bộ NEURAL/FUZZY/PID cho hệ thống....................... 83
Hình 4. 32 Tập mờ đầu vào e(t) de(t)/dt............................................................................................... 84
Hình 4. 33 Tập mờ đầu ra u....................................................................................................................... 85
Hình 4. 34 Thông số huấn luyện Neural cho động cơ ba pha...................................................... 86
Hình 4. 35 Mô phỏng đáp ứng PID khi ngõ vào là sóng sin........................................................ 87
Hình 4. 36 Mô phỏng đáp ứng fuzzy khi ngõ vào là sin................................................................ 87
ix


Hình 4. 37 Mô phỏng đáp ứng neural với giá trị đặt là sóng sin................................................. 88
Hình 4. 38 Code bộ điều khiển Fuzzy điều khiển hệ TRMS........................................................ 88


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
thiết kế bộ điều khiển thích hợp. Những giải thuật điều khiển kinh điển gặp hạn chế đối
với hệ thống làm việc trong phạm vi rộng, độ phi tuyến cao, độ bất định lớn. Cùng với sự
phát triển của khoa học công nghệ, các đối tượng điều khiển có độ phức tạp ngày càng
cao. Các giải thuật thông minh ra đời giải quyết việc những bài toán phức tạp trong việc
điều khiển các đối tượng phi tuyến phức tạp.
Với đề tài: “Điều khiển hệ thống phi tuyến dùng giải thuật thông minh” được thực
nghiệm trên hai mô hình là điều khiển mô hình máy bay trực thăng hai bậc tự do (TRMS)
và điều khiển tốc độ động cơ ba pha. Nội dung đề tài tập trung thiết kế các bộ điều khiển
thông minh để điều khiển các mô hình có tính phi tuyến cao.
 Mô hình máy bay trực thăng hai bậc tự do có hai encoder ở hai trục tọa độ x và y để đọc
giá trị góc ở mỗi trục theo phương ngang và đứng. Để điều khiển vị trí góc thì chúng ta
thông qua điều khiển tốc độ của hai động cơ cánh quạt. Các thông số điều khiển gửi từ


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
(TRMS) là một hệ thống nhiều ngõ vào nhiều ngõ ra MIMO. Máy bay trực thăng là
phương tiện gần gũi với con người và có cấu tạo phức tạp hơn máy bay phản lực khó điều
khiển và khả năng bay xa kém. Tuy nhiên, máy bay trực thăng có khả năng cơ động cao,
có thể cất cánh và hạ cánh không cần sân bay và có thể bay thẳng đứng. Tuy nhiên để giữ
ổn định trên không dưới tác động của ngoại lực như gió, trọng lực… là vấn đề thách thức
lớn trong hệ thống điều khiển.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

1

 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
hai bậc tự do và nhận dạng được mô hình điều khiển tốc độ động cơ.
 NỘI DUNG 6: Mô phỏng khả năng đáp ứng của hệ thống trên Matlab/Simulink.
 NỘI DUNG 7: Lập trình trên Matlab Simulink và nhúng giải thuật điều khiển vào

vi xử lí để điều khiển thực tế các hệ thống.
 NỘI DUNG 8: Tiến hành điều khiển trên mô hình thực tế.
 NỘI DUNG 9: Nhận xét kết quả và so sánh các giải thuật điều khiển.
 NỘI DUNG 10: Bảo vệ đề tài tốt nghiệp.


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
đuôi mà gọi là rotor đuôi. Trên máy bay trực thăng cánh quạt đuôi cánh quạt chính quay
ngược chiều nhau, triệt tiêu momen phản ứng sinh ra.

Hình 2. 1 Trực thăng EC_225.
 Cánh quạt chính:
Nhiệm vụ của cánh quạt chính là tạo ra lực nâng để thắng trọng lực của máy bay để
nâng nó bay trong không khí. Lực nâng được tạo ra nhờ sự tương tác với khí quyển. Trong
quá trình quay cánh quạt tác dụng vào không khí một lực và ngược lại theo định luật 3

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 cơ,
mỗi động cơ đều ảnh hưởng đến cả hai vị trí góc ngang và dọc (yaw angle và pitch angle).

2.2 TỔNG QUAN VỀ PHẦN CỨNG:
2.2.1 Kit STM32F407VG_disc1 discovery:

Hình 2. 4 Kit STM32F407.
STM32F407 là vi điều khiển do hãng ST Microelectronic sản xuất dựa trên nền tảng lõi
vi xử lý ARM CortexR-M. Là một sản phẩm vi điều khiển 32 bit kết hợp các ưu điểm về hiệu
suất cao, khả năng xử lí thời gian thực, xử lí tín hiệu số, tiêu thụ ít năng lượng, hoạt

 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).

Hình 2. 5 Encoder E50S8-5000.
Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của Encoder:
 Encoder thường có 3 kênh (3 ngõ ra) bao gồm kênh A, kênh B và kênh I (Index). Có
một lỗ nhỏ bên phía trong của đĩa quay và một cặp phát-thu dành riêng cho lỗ nhỏ
này như hình 2.6. Đó là kênh I của encoder. Cữ mỗi lần motor quay được một vòng,
lỗ nhỏ xuất hiện tại vị trí của cặp phát-thu, hồng ngoại từ nguồn phát sẽ xuyên qua lỗ
nhỏ đến cảm biến quang, một tín hiệu xuất hiện trên cảm biến. Như thế kênh I xuất
hiện một “xung” mỗi vòng quay của motor. Bên ngoài đĩa quay được chia thành các
rãnh nhỏ và một cặp thu-phát khác dành cho các rãnh này. Đây là kênh A của encoder,
hoạt động của kênh A cũng tương tự kênh I, điểm khác nhau là trong một vòng quay
của motor, có N “xung” xuất hiện trên kênh A. N là số rãnh trên đĩa và được gọi là độ
phân giải của encoder. Mỗi loại encoder có độ phân giải khác nhau, có khi trên mỗi


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.
 Cấu tạo của động cơ BLDC:
 Stator: bao gồm lõi sắt (các lá thép kỹ thuật điện ghép lại với nhau) và dây quấn.
Cách quấn dây của BLDC khác so với cách quấn dây của động cơ điện xoay chiều
ba pha thông thường.
 Rotor: cấu tạo phổ biến của rotor cực lồi với các thanh nam châm gắn trên bề mặt.
 Cảm biến Hall: do đặc thù của sức phản điện động có dạng hình thang nên cấu
hình điều khiển thông thường của BLDC cần có cảm biến xác định vị trí cua từ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

11