ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC DÙNG PHƯƠNG PHÁP PID GIAO TIẾP MÁY TÍNH QUA CỔNG USB

ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC DÙNG PHƯƠNG PHÁP PID GIAO TIẾP MÁY TÍNH QUA CỔNG USB DÙNG PIC18F. MÔ PHỎNG MATLAB, MÔ PHỎNG PROTEUS Lĩnh vực điều khiển tự động ngày càng phát triển, đặc biệt là điều khiển chính xác, đã trở thành một phần không thể thiếu của nền công nghiệp hiện đại. Phần lớn các loại máy móc, thiết bị dân dụng hay trong công nghiệp sử dụng động cơ điện, từ động cơ điện trong các máy công cụ, máy CNC, các cánh tay robot,… đến trong những thiết bị gia dụng như máy giặt, điều hòa, máy hút bụi, ngay cả trong máy vi tính

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ

- ĐỒ ÁN HỌC PHẦN 2B

ĐỀ TÀI:

ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC DÙNG PHƯƠNG PHÁP PID

GIAO TIẾP MÁY TÍNH QUA CỔNG USB

GVHD: Th.s Huỳnh Minh Ngọc SVTH: Nguyễn Trường An

MSSV: 12021871 Lớp: DHDTTD8

TP.Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2016

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ

Mssv: 12021871 Lớp: DHDTTD8

TP.Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2016

LỜI CAM ĐOAN

Chúng tôi giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định Dưới sự hướng dẫn

của Th.s Huỳnh Minh Ngọc

Người Thực Hiện

Kí Tên

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay,nền công nghiệp đang trên đà phát triển ngày càng cao, trong đó vấn đề điều khiển tự động được đặt lên hàng đầu trong quá trình nghiên cứu cũng như ứng dụng công nghệ mới vào trong sản xuất Nó đòi hỏi khả năng xử lý, mức độ hoàn hảo ,sự chínhxác của hệ thống ngày một cao hơn, để có thẻ đáp ứng được nhu cầu về số lượng, chất lượng, thẩm mỹ ngày càng cao của xã hội

Vì vậy dưới sự dẫn dắt của thầy Huỳnh Minh Ngọc em đã thực hiện đề tài:

“ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ DC DÙNG PHƯƠNG PHÁP PID GIAO TIẾP MÁY TÍNH QUA CỔNG USB” nhằm củng cố, vận dụng các kiến thức lý thuyết đã được học và trau dồi thêm kinh nghiệm thực tế

Do kiến thức còn hạn hẹp và thời gian thực hiện không được nhiều nên đề tài của

em còn nhiều sai sót, hạn chế Chúng em mong có sự góp ý và sửa chữa của thầy cô để đềtài có tính khả thi hơn về phương diện kinh tế cũng như kỹ thuật

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên chúng em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến nhà trường và cácthầy cô trong khoa điện tử đã tận tình dạy dỗ và dìu dắt chúng em trong suốt quãng thờigian học vừa qua, giúp chúng em có kiến thức chuyên môn làm đề tài đồ án 2B này

Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của thầy Huỳnh Minh Ngọc Thầy đã định hướng, góp ý và cung cấp ý tưởng cũng như chỉ dẫn về tài liệu

và các tiến trình thực hiện đề tài Sự hướng dẫn của thầy là yếu tố quan trọng để chúng

em có thể hoàn thành đề tài này

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn tất cả bạn bè đã luôn quan tâm giúp đỡ và tạođiều kiện thuận lợi để chúng tôi được học tập, nghiên cứu và hoàn thành đồ án này

Tôi xin chân thành cảm ơn !

Tp.Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2016

Sinh viên thực hiện:

Nguyễn Trường An

NHẬN XẾT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Tp.Hồ Chí Minh, ngày tháng năm

NHẬN XẾT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

i

Tp.Hồ Chí Minh, ngày tháng năm

Mục lục

47Tài liệu tham khảo 52

Danh Mục Hình Ảnh

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU

I Tính cấp thiết của đề tài

Lĩnh vực điều khiển tự động ngày càng phát triển, đặc biệt là điều khiển chính xác, đã trởthành một phần không thể thiếu của nền công nghiệp hiện đại Phần lớn các loại máy móc, thiết bị dân dụng hay trong công nghiệp sử dụng động cơ điện, từ động cơ điện trong các máy công cụ, máy CNC, các cánh tay robot,… đến trong những thiết bị gia dụng như máy giặt, điều hòa, máy hút bụi, ngay cả trong máy vi tính

II Mục đích nghiên cứu đề tài

Chế tạo thiết bị cầu độ chính xác cao, tiết kiệm năng lượng, tuổi thọ và chu kì bảo dưỡng dài.Một trong những yêu cầu cần được đáp ứng để đạt những chỉ tiêu trên đây là điều khiển được tốc độ động cơ điện một cách ổn định, đáp ứng nhanh, vận hành trơn tru khi xác lập và khi thay đổi trạng thái

Đối tượng và phương pháp nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là động cơ dc, bộ điều khiển pid, cách truyền nhận dư liệu của chuẩn usb Phần mền matlap để mô phỏng tốc độ động cơ

III Phạm vi nghiên cứu

Tìm hiểu hàm truyền bộ PID thử sai để điều khiển tốc độ

Xây dựng mô hình thực tế:

Dụng phần mền Mikro hoặc MPLAB để viết chương trình điều khiển

Dùng phần mền visual studio để viết giao diện người dùng trên nền C#

IV Phương pháp nguyên cứu

Các phương pháp nguyên cứu chủ yếu trong đề tài:

Phương pháp nghiên cứu trên lý thuyết: dựa vào các phương trình hàm truyền từ các nguồn tài liệu

Phương pháp mô phỏng: Sử dụng công cụ tính toán và mô phỏng trong phần mềm

MATLAB

Phương pháp thực nghiệm: Điều khiển trực tiếp trên mô hình cánh tay bậc tự do Sử dụng

vi điều khiển PIC 18f4550

1

CHƯƠNG 2 Cơ Sở Lý Thuyết

I Động cơ DC

Động cơ DC là động cơ điện hoạt động với dòng điện một chiều Động cơ điện một chiều ứng dụng rộng rãi trong các ứng dụng dân dụng cũng như công nghiệp Thông thường động cơ điện một chiều chỉ chạy ở một tốc độ duy nhất khi nối với nguồn điện, tuy nhiên vẫn có thể điều khiển tốc độ và chiều quay của động

cơ với sự hỗ trợ của các mạch điện tử cùng phương pháp PWM.

Động cơ điện một chiều trong dân dụng thường là các dạng động cơ hoạt động với điện áp thấp, dùng với những tải nhỏ Trong công nghiệp, động cơ điện một chiều được sử dụng ở những nơi yêu cầu moment mở máy lớn hoặc yêu cầu thay đổi tốc độ trong phạm vi rộng Ở đây ta chỉ nghiên cứu động cơ DC trong dân dụng chỉ hoạt động với điện áp 24V trở xuống

I.1 Cấu tạo động cơ

to quay liên tục và đúng chiều, một bộ cổ góp điện sẽ làm chuyển mạch dòng điện sau mỗi vị trí ứng với 1/2 chu kỳ Chỉ có vấn đề là khi mặt của cuộn dây song song

với các đường sức từ trường Nghĩa là lực quay của động cơ bằng 0 khi cuộn dây lệch 90o so với phương ban đầu của nó, khi đó Rô to sẽ quay theo quán tính.

Trong các máy điện một chiều lớn, người ta có nhiều cuộn dây nối ra nhiều phiến góp khác nhau trên cổ góp Nhờ vậy dòng điện và lực quay được liên tục và hầu như không bị thay đổi theo các vị trí khác nhau của Rô to.

I.2 Mô hình toán học DC sử dụng nam châm vĩnh cữu

hình 2 1 mô hình động cơTrong hình 2.1, J là mômen quán tính của rôto động cơ, B là hệ số tải, �m là tốc độ động

cơ (rpm), và Em , Im lần lượt theo thứ tự là điện áp và dòng điện nguồn cấp cho động cơ

Ta có: Mômen phát sinh trên trục động cơ Tm là:

Như vậy từ phương trình (2.5), để xác định được đáp ứng của tốc độ động cơ dưới dạng

mô hình hàm truyền đạt hoặc dạng hàm theo thời gian, ta cần xác định các thông số củađộng cơ như K (hệ số khuếch đại tĩnh động cơ), B, J và Từ đó ta xác định được hệ sốkhuếch đại và hằng số thời gian của mô hình động cơ

Ta sử dụng encoder để chuyển đổi từ số vòng quay của động cơ thành số xung với một hệ

số tỉ lệ nào đó, phụ thuộc vào độ phân giải của encoder Các xung này được đưa vào vi xử

lý và truyền lên máy tính, vẽ đồ thị đáp ứng vòng hở của mô hình động cơ Từ việc phântích đồ thị, sử dụng các phương pháp nhận dạng trong lý thuyết điều khiển, ta có mô hìnhxấp xỉ hàm truyền của động cơ

Vì lí do thời gian có hạn, nên phương pháp nhận dạng trực tuyến này không được đề cập

ở đây Tuy nhiên, đối với động cơ sử dụng trong Đồ án là động cơ nam châm vĩnh cửu,loại của Nidec UGFMED-D9MRI21, sử dụng điện áp định mức 24V, công suất 21W,encoder quang 400 xung/vòng

I.3 Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ

Động cơ DC dùng nam châm vĩnh cửu ta coi là có từ thông không đổi Phương trình (2.4) biểu diễn quan hệ giữa tốc độ động cơ với điện áp đặt vào hai đầu cuộn dây phần ứng Mặt khác, tác động về mặt cơ học của động cơ là tương đối nhanh

Do đó ta sử dụng phương pháp điều khiển điện áp phần ứng để thay đổi tốc độ động cơ DC, cụ thể là sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM – Pulse Width Modulation)

hình 2 2 nguyên lý điều chế độ rộng xung PWM

PWM (Pulse Width Modulation) là phương pháp điều chỉnh điện áp ra tải hay phương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông dẫn đến

sự thay đổi điện áp ra Các PWM khi biến đổi thì có cùng một tần số và khác nhau

về độ rộng của sườn dương hay sườn âm Đây là một kỹ thuật thường được sử dụng để kiểm soát tính năng của các thiết bị quán tính điện, áp dụng thực tế trong các thiết bị chuyển mạch điện tử hiện đại.

Tần số chuyển mạch PWM nhanh hơn nhiều so với các tác động ảnh hưởng đến tải, cụ thể ở đây là các thiết bị sử dụng điện

Điều khiển độ rộng xung được làm bằng cách tắt bật nhanh nguồn điện lên động

cơ Nguồn áp 1 chiều DC sẽ chuyển thành tín hiệu xung vuông, thay đổi từ 12V xuống 0V Nếu tần số bật tắt mà đủ cao, motor sẽ chạy ở một tốc độ ổn định nhờ momen quay.

Bằng cách thay đổi chu kỳ hoạt động của tín hiệu ( thay đổi độ rộng xung_PWM), tức là khoảng thời gian bật, nguồn điện trung bình đặt lên động cơ sẽ thay đổi và dẫn đến thay đổi tốc độ.

hình 2 3 ví dụ điều chế PWMNhìn hình trên, với dãy xung điều khiển thứ 1, xung ON có độ rộng nhỏ nên động

cơ chạy chậm Nếu độ rộng xung ON càng lớn( nhìn dãy xung thứ 2 và thứ 3) động cơ

DC chạy càng nhanh

Ưu điểm :

- Transistor ở lối ra chỉ có duy nhất hai trạng thái (ON hoặc OFF) do đó loại bỏđược mất mát về năng lượng đốt nóng hay năng lượng rò rỉ tại lối ra

- Dải điều khiển rộng hơn so với mạch điều chỉnh tuyến tính

- Tốc độ motor quay nhanh hơn khi cấp chuỗi xung điều chế theo kiểu PWM so vớikhi cấp một điện áp tương đương với điện áp trung bình của chuỗi xung PWM

Nhược điểm :

- Cần các mạch điện từ bổ trợ - giá thành cao

- Các xung kích lên điện áp cao(12-24V) có thể gây nên tiếng ồn nếu motor khônggắn chặt và tiếng ồn này sẽ tăng nếu gặp phải trường hợp cộng hưởng của vỏ

- Việc dùng chuỗi xung điều chế PWM có thể làm giảm tuổi thọ của motor

I.4 Encoder của động cơ DC

Để điều khiển số vòng quay hay vận tốc động cơ thì chúng ta nhất thiết phải đọc được góc quay của motor Một số phương pháp có thể được dùng để xác định góc quay của motor bao gồm tachometer, dùng biến trở xoay, hoặc dùng encoder Trong đó 2 phương pháp đầu tiên là phương pháp analog và dùng optiacal encoder (encoder quang) thuộc nhóm phương pháp digital Hệ thống optical encoder bao gồm một nguồn phát quang (thường là hồng ngoại – infrared), một cảm biến quang

và một đĩa có chia rãnh Optical encoder lại được chia thành 2 loại: encoder tuyệt đối (absolute optical encoder) và encoder tương đối (incremental optical encoder)

Trong các mô hình động cơ, encoder tương đối thuờng được sử dụng phổ biến nhất.

hình 2 4 Econder quang

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 trong 1 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 (resolution) của encoder Mỗi loại encoder có độ phân giải khác nhau, có khi trên mỗi đĩa chĩ có vài rãnh nhưng cũng có trường hợp đến hàng nghìn rãnh được chia Để điều khiển động cơ,ta phải biết độ phân giải của encoder đang dùng Độ phân giải ảnh hưởng đến độ chính xác điều khiển và cả phương pháp điều khiển

Ngoài ra, trên các encoder còn có một cặp thu phát khác được đặt trên cùng đương tròn với kênh A nhưng lệch một chút (lệch M+0,5 rãnh), đây là kênh B của encoder Tín hiệu xung từ kênh B có cùng tần số với kênh A nhưng lệch pha 90 Bằng cách phối hợp kênh A và B người đọc sẽ biết chiều quay của động cơ.

hình 2 5 hai kênh A và B lệch nhau

Hình trên thể hiện sự bộ trí của 2 cảm biến kênh A và B lệch pha nhau Khi cảm biến A bắt đầu bị che thì cảm biến B hoàn toàn nhận được hồng ngoại xuyên qua,

và ngược lại Hình thấp là dạng xung ngõ ra trên 2 kênh Xét trường hợp motor quay cùng chiều kim đồng hồ, tín hiệu “đi” từ trái sang phải Lúc tín hiệu A chuyển

từ mức cao xuống thấp (cạnh xuống) thì kênh B đang ở mức thấp Ngược lại, nếu động cơ quay ngƣợc chiều kim đồng hồ, tín hiệu “đi” từ phải qua trái Lúc này, tại cạnh xuống của kênh A thì kênh B đang ở mức cao Như vậy, bằng cách phối hợp 2 kênh A và B chúng ta không những xác định được góc quay (thông qua số xung)

mà còn biết được chiều quay của động cơ (thông qua mức của kênh B ở cạnh xuống của kênh A).

II Vi điều khiển PIC 18f4550

hình 2 6 vi điều khiển PIC 18F4550

Điểm riêng biệt của vi xử lý PIC18F4550 là nó là một trong những PIC hỗ trợ toàn thể cho USB, nghĩa là có USB gắn trong có sẵn các chân đầu ra để nối trực tiếp với máy tính mà không cần mạch kéo hay bất cứ mạch gắn ngoài nào khác.

- AN2: ngõ vào tương tự của kênh thứ 2.

- VREF-: ngõ vào điện áp chuẩn (thấp) của bộ ADC.

- CVREF: điện áp tham chiếu VREF ngõ ra bộ so sánh

5 Chân RA3/AN3/VREF+

- RA3: xuất/nhập số.

- AN3: ngõ vào tương tự kênh thứ 3.

- VREF+: ngõ vào điện áp chuẩn (cao) của bộ A/D.

6 Chân RA4/T0CKI/C1OUT/RCV

- RA4: xuất/nhập số – mở khi được cấu tạo là ngõ ra.

- TOCKI: ngõ vào xung clock từ bên ngoài cho Timer0.

- C1OUT: ngõ ra bộ so sánh 1.

7 Chân RA5/AN4/SS/HLVDIN/C2OUT

- RA5: xuất/nhập số.

- AN4: ngõ vào tương tự kênh thứ 4.

- SS : ngõ vào chọn lựa SPI phụ.

xung clock bên ngoài.

- OSC1: ngõ vào dao động thạch anh hoặc ngõ vào nguồn xung ở bên ngoài Ngõ vào có mạch Schmitt Trigger nếu sử dụng dao động RC

- CLKI: ngõ vào nguồn xung bên ngoài.

14 Chân OSC2/CLKO/RA6: ngõ ra dao động thạch anh hoặc ngõ ra cấp xung clock.

- OSC2: ngõ ra dao động thạch anh Kết nối đến thạch anh hoặc bộ cộng

- T1OSO: ngõ ra của bộ dao động Timer1.

- T13CKI: ngõ vào xung clock từ bên ngoài Timer1 và Timer 3

16 Chân RC1/T1OSI/CCP2/UOE

- RC1: xuất/nhập số.

- T1OSI: ngõ vào của bộ dao động Timer1.

- CCP2: ngõ vào Capture2, ngõ ra compare2, ngõ ra PWM2

17 Chân RC2/CCP1/P1A

- RC2: xuất/nhập số

- CCP1: ngõ vào Capture1, ngõ ra compare1, ngõ ra PWM1

18 Chân VUSB : chân nguồn USB

- INT0: ngõ vào nhận tín hiệu ngắt ngoài.

- SDI: dữ liệu vào SPI.

- SDA: xuất/nhập dữ liệu I2C.

34 Chân RB1/AN10/INT1/SCK/SCL

- SCK: ngõ vào xung clock nối tiếp đồng bộ/ngõ ra của chế độ SPI.

- SCL: ngõ vào xung clock nối tiếp đồng bộ/ngõ ra của chế độ I2C.

III Thuật toán PID

Trong lý thuyết điều khiển tự động, bộ điều khiển là một thiết bị giám sát và tác động vào các điều kiện làm việc của một hệ động học cho trước Các điều kiện làm việc đặc trưng cho các biến đầu ra của hệ thống mà có thể được tác động bởi việc điều chỉnh các biến đầu vào đã biết Ví dụ, hệ thống lò sưởi của một ngôi nhà có thể được trang bị với 1 bộ điều nhiệt (bộ điều khiển) để cảm biến nhiệt độ không khí (biến đầu ra), có thể bật hoặc tắt lò nung hoặc bộ gia nhiệt khi nhiệt độ không khí quá thấp hoặc quá cao Trong ví dụ này, bộ điều nhiệt là bộ điều khiển và điều khiển hoạt động của bộ gia nhiệt Bộ gia nhiệt là bộ xử lý giúp làm nóng không khí bên trong ngôi nhà tới nhiệt độ mong muốn (điểm đặt) Nhiệt độ không khí đo

được bên trong ngôi nhà là tín hiệu phản hồi Và cuối cùng, ngôi nhà là môi trường

mà hệ thống lò sưởi làm việc.

Bộ điều khiển PID (Proportional Integral Derivative) là một bộ điều khiển tổng quát được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp Bộ điều khiển PID tính toán một giá trị "sai số" là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi

và giá trị đặt mong muốn Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào Bộ điều khiển PID bao gồm 3 thông số riêng biệt đó đó là : tỷ lệ, tích phân và đạo hàm biết tắt là P,I và D giá trị tỷ lệ xác định tác động của sai số hiện tại, giá trị tích phân xác định tác động của tổng các sai số quá khứ , giá trị vi phân xác định tác động của tốc độ biến đổi sai số bằng cách điều chỉnh 3 hằng số trong giải thuật của bộ điều khiển PID, bộ điều khiển có thể dung trong những thiết kế có yêu cầu đặc biệt đáp ứng của bộ điều khiển vó thể được mô tả dưới dạng độ nhạy sai số của bộ điều khiển giá trị mà bộ điều khiển vọt

lố điểm đặt giá trị dao động của hệ thống

III.1 Cấu trúc của bộ điều khiển PID

Khâu tỷ lệ:

Trong khâu tỷ lệ, tín hiệu ra tỷ lệ với tín hiệu vào, nghĩa là:

Trong đó K p là hệ số tỷ lệ và là hằng số Khi phân tích hệ thông thường viết biểu thứcdưới dạng hàm truyền:

Nếu sai lệch e>0 thì tín hiệu ra x p tăng, nếu e=0 thì x p là hằng số, còn nếu0

e< thì x p giảm Điều đó dẫn đến sự dao động của tín hiệu ra

hệ thống lập tức phản ứng để duy trì sự ổn định Thường khâu điều khiển vi phân đượcdùng kết hợp với hai khâu điều khiển trên

III.1.1 Bộ PID liên tục

Mỗi khâu điều khiển ở trên đều có những ưu nhược điểm riêng Khâu tích phân cókhả năng khắc phục nhanh sai lệch nhưng khó khắc phục sai số tĩnh, còn điều khiển viphân có sai số tĩnh nhỏ nhưng thời gian đạt tới trạng thái ổn định rất chậm Để đạt đượctác động điều khiển như ý muốn thì phải kết hợp các khâu điều khiển trên lại với nhau

Khâu điều khiển tích phân – tỷ lệ(PI ) gồm nhánh tỷ lệ và nhánh tích phânsong song với nhau Hàm truyền của nó có dạng:

Khâu điều khiển vi phân – tỷ lệ(PD) gồm nhánh tỷ lệ và nhanh vi phân songsong với nhau Hàm truyền của nó có dạng:

Khâu điều khiển vi – tích phân – tỷ lệ(PID) có hàm truyền dạng:

hình 2 7 mô hình PID

III.1.2 Bộ PID rời rạc

Công thức của bộ điều khiển PID trình bày trong ở trên là dạng hàm liên tục củabiến e, trong đó có cả thành phần tuyến tính, đạo hàm và tích phân Tuy nhiên, hệ thốngmáy tính và vi điều khiển lại là hệ thống số Muốn xây dựng bộ điều khiển PID trên máytính hay trên vi điều khiển chúng ta phải biết cách xấp xỉ phương trình liên tục thànhdạng rời rạc

Vì bộ điều khiển PID xây dựng trong PIC sẽ là bộ điều khiển số, chúng ta cần xấp

xỉ công thức của bộ điều khiển này theo các khoảng thời gian rời rạc Trước hết, thành

phần P tương đối đơn giản vì đó là quan hệ tuyến tính Kp.e, chúng ta chỉ cần áp dụng

trực tiếp công thức này mà không cần bất kỳ xấp xỉ nào Tiếp đến là xấp xỉ cho đạo hàmcủa biến e Vì thời gian lấy mẫu cho các bộ điều khiển thường rất bé nên có thể xấp xỉđạo hàm bằng sự thay đổi của e trong 2 lần lấy mẫu liên tiếp:

Trong đó: e(k) :là giá trị hiện tại của e

e(k-1) : là giá trị của e trong lần lấy mẫu trước đó

h : là khoảng thời gian lấy mẫu (h là hằng số).

hình 2 8 xấp xỉ đạo hàm của biến sai số e Thành phần tích phân được xấp xỉ bằng diện tích vùng giới hạn bởi hàm đường biểudiễn của e và trục thời gian Do việc tính toán tích phân không cần quá chính xác, chúng

ta có thể dùng phương pháp xấp xỉ đơn giản nhất là xấp xỉ hình chữ nhật (sai số củaphương pháp này cũng lớn nhất) Ý tưởng được trình bày trong hình 5

hình 2 9 xấp xỉ tích phân của biết sai số eTích phân của biến e được tính bằng tổng diện tích các hình chữ nhật tại mỗi thờiđiểm đang xét Mỗi hình chữ nhật có chiều rộng bằng thời gian lấy mẫu h và chiều cao làgiá trị sai số e tại thời điểm đang xét Tổng quát:

=> Tổng hợp các xấp xỉ, công thức của bộ điều khiển PID số tính:

Các công thức trên rất dễ dàng để thực hiện bằng PIC Do đó, đến lúc này chúng

ta đã sẵn sàng để đưa ý tưởng vào lập trình cho chip

III.2 Phương pháp thiết kế bộ PID

Phương pháp thử sai:

Phương pháp thử sai là một phương pháp điều chỉnh các thông số sao cho ban đầu bằngkhông Tăng dần cho đến khi đầu ra của hệ thống dao động, sau đó có thể được đặt tớixấp xỉ một nữa giá trị đó Khi đã có giá trị, tăng đến giá trị phù hợp sao cho đủ thời gian

xử lý Tuy nhiên, quá lớn sẽ gây mất ổn định hệ thống Cuối cùng, tăng nếu cần thiết chođến khi thời gian xác lập của hệ thống nhỏ nhất

Phương pháp Ziegler-Nichols:Phương pháp Ziegler–Nichols là một phương pháp điều chỉnh bộ điều khiển PID được phát triển bởi John G Ziegler và Nathaniel B Nichols Phương pháp này được thực hiện bằng cách thiết lập hệ số khâu tích phân và hệ số khâu vi phân về không Hệ số khâu tỷ lệđược tăng lên từ không cho đến khi nó đạt đến độ lợi tối đa, mà đầu ra của vòng điều khiển dao động với biên độ không đổi và chu kỳ dao động được sử dụng để thiết lập các

hệ số tùy thuộc vào loại điều khiển được sử dụng

-PID 0.6K u 2K p / Pu K pP / 8u

IV Cổng giao tiếp USB

IV.1 Giới thiệu chung về chuẩn USB:

IV.1.1 Khái niệm USB:

USB (Universal Serial Bus) là một chuẩn kết nối tuần tự đa dụng trong máy tính USB sửdụng để kết nối các thiết bị ngoại vi với máy tính, chúng thường được thiết kế dưới dạng các đầu cắm cho các thiết bị tuân theo chuẩn cắm-là-chạy mà với tính năng cắm nóng thiết bị (nối và ngắt các thiết bị không cần phải khởi động lại hệ thống)

IV.1.2 Các mục tiêu hướng tới khi sử dụng USB:

- Dễ dàng mở rộng các thiết bị đầu cuối của máy tính

- Cung cấp giải pháp chi phí thấp song vẫn hỗ trợ truyền dẫn tốc độ cao lên đến

480 Mb/s

- Hỗ trợ ứng dụng thời gian thực như: voice, audio, video, …

- Giao thức linh hoạt cho các chế độ hỗn hợp

Thông số khởi độngThời gian Độ vọt lố Thời gianxác lập Sai số xác lập

- Tích hợp công nghệ thiết bị tiện nghi.

- Được Windows và các hệ điều hành khác hỗ trợ do đó có thể không cần driver mức thấp cho các thiết bị USB

- Đa năng, do đó nhiều thiết bị có thể ghép nối với PC thông qua chuẩn USB

- Độ tin cậy cao

IV.1.3 Mô tả hệ thống USB:

Một hệ thống USB được mô tả bởi 3 định nghĩa:

- Kết nối USB.

- Các thiết bị USB.

- USB host.

Kết nối USB được hiểu là kiểu kết nối mà trong đó các thiết bị USB

được kết nối và giao tiếp với máy tính chủ Kết nối USB bao gồm các vấn đề sau:

• Kiến trúc BUS: mô hình kết nối giữa các thiết bị USB và Host.

• Những mối quan hệ Inter- Layer: dưới dàng một tập khả năng, các tác vụ USB được thực hiện tại mỗi lớp trong hệ thống.

• Các mô hình luồng dữ liệu là: là hình thức mà trong đó dữ liệu di chuyển trong hệ thống USB.

• Lập trình USB: USB cung cấp một sự kết nối dùng chung Việc truy cập tới kết nối được lập trình theo thứ tụ để hỗ trợ truyền dữ liệu đẳng thời khử xự phân xử ban đầu.

IV.1.4 Kiến trúc BUS:

Bus tuần tự đa năng nối các thiết bị USB với Host USB Về mặt kết nối

vật lý USB đó là một kiến trúc tầng sao Một Hub ở tại trung tâm của mỗi sao

mỗi đoạn dây là một kết nối từ điểm tới điểm giữa Host và một Hub hoặc một

chức năng nào đó, hoặc một Hub nối tới Hub khác hoặc chức năng khác Với 7

bit địa chỉ, ngoài máy chủ USB ra nó có thể quản lý tối đa 127 thiết bị ngoại vi

Hình sau sẽ minh hoạ kiến trúc của USB