55 - Nếu sử dụng bộ PI có hàm truyền p I 1 k1+ Ts ⎛⎞ ⎜⎟ ⎝⎠ thì chọn p 0,9T k= kL và I 10 T= L 3 - Nếu sử dụng bộ PID có hàm truyền pD I 1 k1+ +Ts Ts ⎛⎞ ⎜⎟ ⎝⎠ thì chọn p 1,2T k= kL , T I = 2.L, D L T= 2 Phương pháp hàm chuẩn tối ưu (tiêu chuẩn môđul tối ưu và tiêu chuẩn tối ưu đối xứng). Ta giả thiết rằng các mạch điều chỉnh của mỗi đại lượng có chứa một phần có các hằng số thời gian lớn (hằng số thời gian điện cơ, hằng số thời gian của cuộn dây kích từ…), và một phần có chứa các hằng số thời gian nhỏ (hằng số thời gian của các xen xơ, của mạch điều khiển transitor…). Đó là các thời gian thuần trễ bé hay thời gian trễ từ các bộ lọc. Hằng số thời gian bé chung được tính theo: ()()() n b1 b2 bn bK K=1 1+s.T 1+s.T 1+s.T = 1+s T ⎛⎞ ⎜⎟ ⎝⎠ ∑ (3.11) với n b bK K=1 T= T ∑ và hàm truyền tương ứng với một khâu quán tính có hằng số thời gian bằng tổng các thời gian trễ cộng lại. Nguyên tắc chung là bù đủ các hằng số thời gian lớn trong mạch hở và chỉ còn lại hằng số thời gian bé và chất lượng của hệ được xác định bởi chính một hằng số thời gian bé này. Do vậy, khi hệ có một hằng số thời gian lớn, chọn bộ điều chỉnh PI, Khi hệ có hai hằng số thời gian lớn, chọn bộ điều chỉnh 56 PID. Trong trường hợp số lượng các hằng số thời gian lớn lớn hơn hai, dùng phương pháp nối tiếp các bộ điều chỉnh hay kết hợp với các phương pháp khác. Hình 3.8 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển Nếu đối tượng có hàm truyền: ()() s n 0 K=1 b K k1 W(s)= 1+sT 1+sT ∏ Thì bộ điều chỉnh được chọn có dạng: () c n cK K=1 I 1 R(s) = 1+sT sT ∏ Thông số của bộ điều chỉnh được chọn theo điều kiện: n s = n c và T cK = T K Sau khi đã bù đủ, hệ hở có dạng: () h Ib k W(s)= sT 1+sT Hệ kín có hàm truyền: () k Ib h 11 W(s)= = 1 sT 1+ sT 1+ 1+ W(s) k (3.12) Khâu tích phân ở bộ điều chỉnh có chức năng triệt tiêu sai lệch tĩnh, và ở (3.12) chỉ cần xác địnhhằng số tích phân T I . 57 Bình phương môđul đặc tính tần hệ kín được xác định bởi: 2 kkk 2 II b 1 W(jω)=W(jω)W (-jω)= TT 1+ -2T ω + kk ⎛⎞ ⎜⎟ ⎝⎠ (3.13) Điều kiện để hệ tối ưu còn là môđul của đặc tính tần hệ kín với tần số bé là một hằng: k W(jω)1 ≈ (3.14) nghĩa là khi ω → 0, môđul đặc tính tần hệ hở k W(jω) →∞ , do đó trong hệ phải có khâu tích phân. Với tần số cao, điều kiện (3.14) không thể thoả mãn được, khi ω → ∞ thì k W(jω)0→ . Do đó tần số cắt càng lớn càng tốt. Từ điều kiện (3.14), nếu không quan tâm đến thành phần bậc cao của ω thì ở mẫu số của (3.13) thành phần thứ hai phải bằng 0, nghĩa là: I b T =2T k hay T I = 2k.T b Hàm truyền của hệ kín sau khi đã chọn bộ điều chỉnh có dạng: * k 22 b b 1 W(s)= 1+s2T +s 2T Lưu ý rằng T b là tổng của các thời gian trễ bé trong hệ, do đó không thể bù hằng số thời gian bé, vì đặc tính pha của khâu quán tính tương đương sẽ không tương đương với đặc tính pha của một khâu quán tính. Mặt khác, khi không có điều kiện bù đủ, mà cộng các hằng số thời gian bé còn lại vào T b thì độ tác động nhanh của hệ sẽ giảm rõ rệt và không còn là tối ưu. Phương pháp hàm tối ưu được tổng kết như ở Bảng 3.1. 58 n s Bộ điều chỉnh T m T v T I 1 PI; n I sT +1 sT T 1 2kT b 2 PID; ( ) ( ) nv I sT +1 sT +1 sT T 1 T 2 2kT b Bảng 3.1 Kết luận chương 3 Như vậy chương 3 đã nêu được các nguyên lý của cảm biến đo tốc độ và đã chế tạo được mạch cảm biến đo tốc độ theo nguyên lý đếm xung. Ngoài ra chương này còn nêu cách xây dựng hàm truyền của đối tượng 59 Chương 4 XÂY DỰNG THUẬT TOÁN VÀ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN BẰNG VI XỬ LÝ 8051 4.1 Giới thiệu về vi xử lý 8051 4.1.1 Giới thiệu về vi điều khiển Bộ vi điều khiển viết tắt là Micro-controller, là mạch tích hợp trên một chip có thể lập trình được, dùng để điều khiển hoạt động của một hệ thống. Theo các tập lệnh của người lập trình, bộ vi điều khiển tiến hành đọc, lưu trữ thông tin, xử lý thông tin, đo thời gian và tiến hành đóng mở một cơ cấu nào đó. Trong các thiết bị đi ện và điện tử dân dụng, các bộ vi điều khiển điều khiển hoạt động của TV, máy giặt, đầu đọc laser, điện thoại, lò vi-ba… Trong hệ thống sản xuất tự động, bộ vi điều khiển được sử dụng trong Robot, dây truyền tự động. Các hệ thống càng “thông minh” thì vai trò của hệ vi điều khiển càng quan trọng. 4.1.2 Lịch sử phát triển của các bộ vi điều khiển Bộ vi điều khiển thực ra là một loại vi xử lý trong tập hợp các bộ vi xử lý nói chung. Bộ vi điều khiển được phát triển từ bộ vi xử lý, từ những năm 70 do sự phát triển và hoàn thiện về công nghệ vi điện tử dựa trên kỹ thuật MOS (Metal-Oxide-Semiconductor), mức độ tích hợp của các linh kiện bán dẫn trong một chip ngày càng cao. Năm 1971 xuất hiện bộ vi xử lý 4 bit loạ i TMS1000 do công ty Texas Instruments vừa là nơi phát minh vừa là nơi sản xuất. Nhìn tổng thể thì bộ vi xử lý chỉ có chứa trên một chip những chức năng cần thiết để xử lí chương trình theo một trình tự, còn tất cả bộ phận phụ trợ khác cần thiết như: Bộ nhớ dữ liệu, bộ nhớ chương trình, bộ chuyển đổi AID, khối điều khiển, khối hiển 60 thị, điều khiển máy in, khối đồng hồ và lịch là những linh kiện nằm ở bên ngoài được nối vào bộ vi xử lý. Mãi đến năm 1976 công ty INTEL (Intelligen-Elictronics) mới cho ra đời bộ vi điều khiển đơn chip đầu tiên trên thế giới với tên gọi 8048. Bên cạch bộ xử lí trung tâm 8048 còn chứa bộ nhớ dữ liệu, bộ nhớ chương trình, bộ đếm và phát thời gian các cổng vào và ra Digital trên một chip. Các công ty khác cũng l ần lượt cho ra đời các bộ vi điều khiển 8 bit tương tự như 8048 và hình thành họ vi điều khiển MCS-48 (Microcontroller- Sustem-48). Đến năm 1980 công ty INTEL cho ra đời thế hệ thứ hai của bộ vi điều khiển đơn chip với tên gọi 8051. Và sau đó hàng loạt các vi điều khiển cùng loại với 8051 ra đời và hình thành họ vi điều khiển MCS-51. Đến nay họ vi điều khiển 8 bit MCS-51 đã có đến 250 thành viên và hầu hế t các công ty hàng đầu thế giới chế tạo. Đứng đầu là công ty INTEL và rất nhiều công ty khác như: AMD, SIEMENS, PHILIPS, DALLAS, OKI … Ngoài ra còn có các công ty khác cũng có những họ vi điều khiển riêng như: Họ 68HCOS Của công ty Motorola Họ ST62 Của công ty SGS-THOMSON Họ H8 Của công ty Hitachi Họ PIC Của công ty Microchip 4.1.3 Khảo sát bộ vi điều khiển 8051 IC vi điều khiển 8051 thuộc họ MCS-51 có các đặc điểm sau: - 4 Kbyte ROM (được lập trình bởi nhà sản xuất chỉ có ở 8051) - 128 Byte RAM - 4 Port I10 8 bit - Hai bộ định thời 16 bit - Giao tiếp nối tiếp - 64 KB không gian bộ nhớ chương trình mở rộng 61 - 64 KB không gian bộ nhớ dũ liệu mở rộng - Một bộ vi xử lý luận lí (thao tác trên các bit đơn) - 210 bit được địa chỉ hoá - Bộ nhân / chia 4μs a) Cấu trúc bên trong của 8051 Hình 4.1 Sơ đồ khối của IC vi điều khiển 8051 Phần chính của vi điều khiển 8051 là bộ xử lí trung tâm (CPU: Central Processing Unit) bao gồm: - Thanh nghi tích luỹ A. - Thanh ghi tích luỹ phụ B, dùng cho phép nhân và phép chia. - Đơn vị logic học (ALU: Arithmetic Logiccal Unit). 62 - Từ trạng thái chương trình (PSW: Progam Status Word). - Bốn băng thanh ghi. - Con trỏ ngăn xếp. - Ngoài ra còn có bộ nhớ chương trình, bộ giải mã lệnh, bộ điều khiển thời gian và logic. Đơn vị xử lí trung tâm nhận trực tiếp xung từ bộ dao động, ngoài ra còn có khả năng đưa một tín hiệu giữ nhịp từ bên ngoài. Chương trình đang chạy có thể cho dừng lại nhờ một khối đ iều khiển ngắt ở bên trong. Các nguồn ngắt có thể là: các biến cố ở bên ngoài, sự tràn bộ đếm định thời hoặc cũng có thể là giao diện nối tiếp. Hai bộ định thời 16 bít hoạt động như một bộ đếm. Các cổng (port0, port1, port2, port3) sử dụng vào mục đích điều khiển. Ở cổng 3 có thêm các đường dẫn điều khiển dùng để trao đổi vớ i một bộ nhớ ngoài, hoặc để đầu nối giao diện nối tiếp, cũng như các đường dẫn bên ngoài. Giao diện nối tiếp có chứa một bộ truyền và một bộ phận không đồng bộ, làm việc độc lập với nhau. Tốc độ truyền qua cổng nối tiếp có thể đặt trong dải rộng và được ấn định bằng một bộ định thời. Trong vi điều khiển 8051 có hai thành phần quan trọng khác đó là bộ nhớ và các thanh ghi: -Bộ nhớ gồm có bộ nhớ Ram và bộ nhớ Rom dùng để lưu trữ dữ liệu và mã lệnh. - Các thanh ghi sử dụng để lưu trữ thông tin trong quá trình xử lí. Khi CPU làm việc nó làm thay đổi nội dung của các thanh ghi. 63 b) Chức năng các chân vi điều khiển. Hình 4.2 Sơ đồ chân 8051 + Port0 : Là port có hai chức năng ở trên chân từ 32 đến 39 trong các thiết kế cỡ nhỏ (không dùng bộ nhớ mở rộng) có hai chức năng như các đường IO. Đối với các thiết kế cỡ lớn (với bộ nhớ mở rộng) nó được kết hợp kênh giữa các bus. + Port1: port1 là một port I/O trên các chân 1÷8. Các chân được kí hiệu P1.0, P1.1, P1.2 … có thể dùng cho các thiết bị ngoài nếu cần. Port1 không có chức . bộ vi điều khiển điều khiển hoạt động của TV, máy giặt, đầu đọc laser, điện thoại, lò vi-ba… Trong hệ thống sản xuất tự động, bộ vi điều khiển được sử dụng trong Robot, dây truyền tự động. . giao diện nối tiếp, cũng như các đường dẫn bên ngoài. Giao diện nối tiếp có chứa một bộ truyền và một bộ phận không đồng bộ, làm việc độc lập với nhau. Tốc độ truyền qua cổng nối tiếp có thể. để điều khiển hoạt động của một hệ thống. Theo các tập lệnh của người lập trình, bộ vi điều khiển tiến hành đọc, lưu trữ thông tin, xử lý thông tin, đo thời gian và tiến hành đóng mở một cơ