Luận văn Nghiên Cứu Chế Tạo Và Kiểm Nghiệm Card Điều Khiển

-i- ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP TRẦN ĐỨC QUÂN NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ KIỂM NGHIỆM CARD ĐIỀU KHIỂN THỜI GIAN THỰC TRONG ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã ngành: 62520216 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT KHOA CHUYÊN MÔN NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC TS Đỗ Trung Hải TS Đỗ Trung Hải Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN - ii - PHÒNG ĐÀO TẠO TS Đặng Danh Hoằng THÁI NGUYÊN 2016 LỜI CAM ĐOAN Tên là: Trần Đức Quân Sinh ngày: 26 tháng 03 năm 1986 Học viên lớp cao học khoá 16 – Kỹ thuật điều khiển Tự động hố Trƣờng Đại học Kỹ Thuật Cơng Nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên Hiện công tác tại: Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Ngun Tơi cam đoan tồn nội dung luận văn làm theo định hƣớng giáo viên hƣớng dẫn, không chép ngƣời khác Các phần trích lục tài liệu tham khảo đƣợc luận văn Nếu có sai tơi hồn tồn chịu trách nhiệm Tác giả luận văn Trần Đức Quân Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN - iii - LỜI CẢM ƠN Đề tài luận văn thạc s đƣợc hoàn thành Trƣờng Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp Thái Ngun Có đƣợc luận văn tốt nghiệp này, xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc tới Trƣờng Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp, Khoa Điện, Phịng Đào tạo, đặc biệt thầy giáo TS Đỗ Trung Hải, Trƣởng khoa Điện trực tiếp hƣớng dẫn, dìu dắt, giúp đỡ tơi với dẫn khoa học quý giá suốt trình triển khai, nghiên cứu hoàn thành đề tài “Nghiên cứu chế tạo kiểm nghiệm card điều khiển thời gian thực điều khiển hệ truyền động” Xin chân thành cảm ơn thầy giáo, cô giáo, nhà khoa học trực tiếp giảng dạy truyền đạt kiến thức khoa học chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa cho thân tơi năm tháng qua Tuy nhiên, có hạn chế kiến thức nên Luận văn khơng tránh khỏi thiếu sót Tơi mong nhận đƣợc ý kiến đóng góp thầy giáo, cô giáo nhà khoa học để tiến Một lần xin chân thành cảm ơn tập thể cá nhân TS Đỗ Trung Hải hết lòng quan tâm, giúp đỡ, tạo điều kiện để tơi hồn thành Luận văn Trân trọng cám ơn./ Học viên Trần Đức Quân Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN - iv - MỤC LỤC MỞ ĐẦU ix Tính cấp thiết đề tài ix Mục tiêu nghiên cứu ix Dự kiến kết đạt đƣợc ix Phƣơng pháp nghiên cứu ix Cấu trúc luận văn ix CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐO LƢỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN 1.1 Cơ sở lý thuyết đo lƣờng 1.1.1 Khái niệm đo lƣờng 1.1.2 Lý thuyết đo lƣờng sở 1.1.3 Lý thuyết đo lƣờng ứng dụng 1.1.4 Phân loại cách thức thực phép đo 1.1.5 Các đặc trƣng kỹ thuật đo 1.2 Cơ sở lý thuyết xử lý số tín hiệu 1.3 Tổng quan điều khiển tự động 11 1.3.1 Lịch sử đời 11 1.3.2 Các khái niệm điều khiển 12 1.3.3 Những nguyên tắc điều khiển 16 1.4 Kết luận chƣơng 18 CHƢƠNG THIẾT KẾ CARD ĐIỀU KHIỂN 19 2.1 Thiết kế phần cứng 19 2.1.1 Yêu cầu thiết kế phấn cứng 19 2.1.2 Khối vi xử lý trung tâm 20 2.1.3 Khối xử lý tín hiệu tƣơng tự 24 2.1.4 Khối xử lý tín hiệu số 25 2.1.5 Khối mạch nguồn nuôi 26 2.1.6 Card điều khiển hoàn chỉnh 26 2.2 Phần mềm cho vi xử lý trung tâm AT91SAM3X8E 27 2.2.1 Ngơn ngữ lập trình cho AT91SAM3X8E 27 2.2.2 Thuật tốn chƣơng trình 28 2.2.3 Thuật tốn chƣơng trình xử lý liệu từ Matlab/Simulink 29 2.3 Phần mềm cho Matlab – Simulink 30 2.3.1 Khối cài đặt – CardTNUT Setup 31 2.3.2 Khối đọc tín hiệu tƣơng tự 32 2.3.3 Khối xuất tín hiệu tƣơng tự 32 2.3.4 Khối đọc tín hiệu số 33 2.3.5 Khối xuất tín hiệu số 33 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN -v- 2.3.6 Khối xuất tín hiệu PWM 33 2.3.7 Khối đọc tín hiệu từ mã hóa xung encoder 34 2.3.8 Khối xuất tín hiệu điều khiều động servo chiều 34 2.3.10 Khối ghép nối module điều khiển 16 kênh PWM 12bits 35 2.3.11 Khối ghép nối module điều khiển 32 servo 35 2.3.12 Khối xuất xung điều khiển Thyristor 36 2.3.13 Khối giao tiếp nối tiếp 36 2.3.14 Khối điều khiển PID online 37 2.3.15 Khối cài đặt tham số điều khiển PID Card 37 2.4 Kết luận chƣơng 38 CHƢƠNG THỰC NGHIỆM 39 3.1 Hệ truyền động động chiều kích từ độc lập 39 3.1.1 Sơ đồ nguyên lý hệ truyền động động chiều kích từ độc lập 39 3.1.2 Tổng hợp hệ truyền động động chiều kích từ độc lập 40 3.1.3 Thực nghiệm điều khiển hệ truyền động động chiều 44 3.2 Hệ chuyển động robot nhện (Spider Robot) 45 3.2.1 Giới thiệu hệ chuyển động robot nhện 45 3.2.2 Thuật toán điều khiển di chuyển robot nhện 46 3.2.3 Cấu trúc điều khiển hệ chuyển động robot nhện 52 3.2.4 Kết thực nghiệm điều khiển hệ chuyển động robot nhện 54 3.3 Hệ thống điều khiển robot theo quỹ đạo mê cung 55 3.3.1 Mơ hình robot theo quỹ đạo mê cung 55 3.3.2 Cấu tạo robot theo quỹ đạo mê cung 55 3.3.3 Sơ đồ nguyên lý hệ thống robot theo quỹ đạo mê cung 56 3.3.4 Cấu trúc điều khiển robot theo quỹ đạo mê cung 57 3.3.5 Thực nghiệm 58 3.4 Kết luận chƣơng 60 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 61 Kết luận 61 Kiến nghị 62 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN - vi - DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Diễn giải nội dung đầy đủ TT Ký hiệu ADC Analog to Digital Converter, chuyển đổi tƣơng tự - số DAC Digital to Analog Converter, chuyển đổi số-tƣơng tự TBĐK Thiết bị điều khiển ĐTĐK Đối tƣợng điều khiển Bộ điều khiển TBĐL Thiết bị đo lƣờng DC Direct current, dòng điện chiều AC Alternating current, dòng điện xoay chiều PWM RISC 10 CPU Central Processing Unit, xử lí trung tâm 11 JTAG Joint Test Action Group, chuẩn nạp chƣơng trình vi xử lý 12 SWD Serial Wire Debug, chuẩn nạp chƣơng trình vi xử lý Pulse-width modulation, điều chế độ rộng xung Reduced instruction set computing, máy tính với tập lệnh đơn giản hóa Direct memory access, kỹ thuật chuyển liệu từ nhớ 113 DMA đến ngoại vi từ ngoại vi đến nhớ mà không yêu cầu đến thực thi CPU Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN - vii - DANH MỤC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU Hình 1 Sơ đồ cấu trúc tổng quát hệ thống ĐKTĐ 14 Hình Sơ đồ cấu trúc nguyên tắc điều khiển theo sai lệch bám 16 Hình Sơ đồ cấu trúc nguyên tắc điều khiển theo tín hiệu nhiễu 16 Hình Sơ đồ cấu trúc nguyên tắc điều khiển theo tín hiệu nhiễu 17 Hình Sơ đồ cấu trúc nguyên tắc điều khiển thích nghi 17 Hình Mơ hình khối mạch điều khiển 20 Hình 2 Bộ vi xử lý Cortex-M3 .22 Hình Sơ đồ mạch vi xử lý trung tâm 23 Hình Sơ đồ nguyên lý mạch nhận tín hiệu tƣơng tự 24 Hình Sơ đồ nguyên lý mạch xuất tín hiệu tƣơng tự 25 Hình Sơ đồ nguyên lý mạch nhận/xuất tín hiệu số 25 Hình Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn nuôi 26 Hình Card điều khiển sau gia công .26 Hình Giao diện phần mềm Atmel Studio 27 Hình 10 Lƣu đồ thuật tốn chƣơng trình 28 Hình 11 Lƣu đồ thuật tốn chƣơng trình xử lý liệu từ Simulink .29 Hình 12 Thƣ viện CardTNUT đƣợc cài vào Simulink .31 Hình 13 Khối CardTNUT Setup 31 Hình 14 Khối đọc tín hiệu tƣơng tự .32 Hình 15 Khối xuất tín hiệu tƣơng tự 32 Hình 16 Khối đọc tín hiệu số .33 Hình 17 Khối xuất tín hiệu số 33 Hình 18 Khối xuất tín hiệu PWM 33 Hình 19 Khối đọc tín hiệu từ mã hóa xung encoder .34 Hình 20 Khối điều khiều động servo 34 Hình 21 Khối điều khiển module 16PWM 35 Hình 22 Khối ghép nối module 32 servo .35 Hình 23 Khối xuất xung điều khiển Thyristor .36 Hình 24 Khối hỗ trợ giao tiếp nối tiếp 36 Hình 25 Khối PID online .37 Hình 26 Khối cài đặt tham số PID 37 Hình Sơ đồ nguyên lý hệ truyền động động chiều 39 Hình Cấu trúc điều khiển hệ truyền động động chiều kích từ độc lập 40 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN - viii - Hình 3 Dữ liệu tín hiệu điều khiển (volt) 41 Hình Dữ liệu tín hiệu tốc độ quay động (vịng/phút) 42 Hình Đánh giá mơ hình nhận dạng 43 Hình Cấu trúc điều khiển hệ thống động chiều Matlab/Simulink 44 Hình Đáp ứng hệ truyền động động chiều 45 Hình Hình vẽ mơ tả robot nhện 46 Hình Lƣu đồ thuật tốn động tác Đứng vị trí 47 Hình 10 Lƣu đồ thuật tốn động tác Tiến 48 Hình 11 Lƣu đồ thuật toán động tác Quay trái 50 Hình 12 Lƣu đồ thuật toán động tác di chuyển sang sang phải 51 Hình 13 Giao diện điều khiển Robot nhện 52 Hình 14 Cấu trúc điều khiển Robot nhện Simulink 53 Hình 15 Khối điều xuất tín hiệu điều khiển chân Robot nhện 53 Hình 16 Mơ hình robot nhện 54 Hình 17 Mơ hình robot theo quỹ đạo mê cung 55 Hình 18 Cấu tạo robot theo quỹ đạo mê cung 55 Hình 19 Sơ đồ nguyên lý dạng khối robot theo quỹ đạo mê cung 56 Hình 20 Sơ đồ nguyên lý mạch đệm 56 Hình 21 Cảm biến đo khoảng cách GP2D12 57 Hình 22 Minh họa robot theo quỹ đạo mê cung 58 Hình 23 Sơ đồ cấu trúc điều khiển robot theo quỹ đạo mê cung 58 Hình 24 Cấu trúc điều khiển robot theo quỹ đạo mê cung 58 Hình 25 Độ lệch robot so với tâm mê cung (bộ điều khiển P) 59 Hình 26 Độ lệch robot so với tâm mê cung (bộ điều khiển PID) 60 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN - ix - MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Trong l nh vực điều khiển tự động hóa, có nhiều thuật toán điều khiển từ kinh điển đến đại đòi hỏi điều khiển phải xử lý khối lƣợng cơng việc lớn, tính tốn phức tạp Matlab phần mềm có khả tính tốn thực tốt thuật toán điều khiển Kết hợp Matlab Card thu thập liệu tạo điều khiển linh hoạt, có khả thực thuật toán điều khiển l nh vực điều khiển tự động thể qua báo cáo [3], [8], [12], [13], [14], nhiên giá thành card hãng thƣờng cao Do đề xuất thiết kế card có khả thu thập xuất tín hiệu đối tƣợng điều khiển để kiểm chứng thuật tốn điều khiển để phục vụ cho cơng tác giảng dạy nghiên cứu cần thiết Qua luận văn giúp tơi có sở phƣơng tiện để tiếp tục đƣờng nghiên cứu l nh vực điều khiển tự động hóa Trƣờng Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp Vì tơi chọn đề tài: “Nghiên cứu chế tạo kiểm nghiệm card điều khiển thời gian thực điều khiển hệ truyền động” Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu, thiết kế card giao tiếp với máy tính điều khiển thời gian thực (giao tiếp phần mềm MatLab) Dự kiến kết đạt đƣợc Card điều khiển Phƣơng pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết đo lƣờng, chuyển đổi tín hiệu - Nghiên cứu lý thuyết phân tích, thiết kế mạch xử lý tín hiệu số, giao tiếp với Matlab - Áp dụng lý thuyết vào thực nghiệm Cấu trúc luận văn Luận văn đƣợc chia làm chƣơng: Chƣơng Cơ sở lý thuyết đo lƣờng điều khiển Chƣơng Thiết kế card điều khiển Chƣơng Thực nghiệm Kết luận kiến nghị Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN -1- CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐO LƢỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN 1.1 Cơ sở lý thuyết đo lƣờng [1] 1.1.1 Khái niệm đo lường Theo – D.I.Mendeleev thì: “Khoa học ngƣời ta biết đo Một khoa học xác khơng có ý ngh a thiếu đo lƣờng” Ngay từ thời xa xƣa ngƣời ý đến khái niệm đo lƣờng, ngành khoa học chuyên nghiên cứu phƣơng pháp để đo đại lƣợng khác Và đƣợc nhà khoa học l nh vực quan tâm Đối với quốc gia việc phát triển đo lƣờng phải bao gồm l nh vực đo lƣờng đo lƣờng pháp quyền đo lƣờng khoa học - Đo lƣờng pháp quyền liên quan đến vấn đề sau: + Xây dựng hệ thống pháp luật đo lƣờng + Xây dựng tổ chức đo lƣờng để quản lý công tác đo lƣờng nƣớc + Xây dựng hệ thống chuẩn đo lƣờng + Kiểm định phƣơng tiện đo Đo lƣờng pháp quyền l nh vực lớn đặt cho quốc gia để hoạt động kinh tế, khoa học kỹ thuật, quốc phịng đời sống xã hội ln đƣợc đảm bảo chất lƣợng số lƣợng sản xuất thƣơng mại nhƣ giao dịch quốc tế Tuy nhiên với khoa học công nghệ ngày phát triển với nhiều phát minh sáng giá nên quan tâm đến l nh vực đo lƣờng thứ hai Đo lƣờng khoa học Trong đo lƣờng khoa học ngƣời ta ý đến vị trí nội dung đo lƣờng hệ thống ngành khoa học đại: tập trung phân tích ý tƣởng, nguyên lý phƣơng hƣớng khoa học đƣợc đặt dƣới tên chung Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN - 51 - - B4: Nâng chân 2, robot việc quay khớp số chân, lúc robot đƣợc định vị chân 1, 5; - B5: Co chân 1, duỗi chân robot việc quay khớp số chân để đƣa chân theo hƣớng sang phải; Đồng thời duỗi chân co chân 4, robot việc quay khớp số chân để đƣa thân robot di chuyển theo hƣớng sang phải; - B6: Hạ chân 2, robot việc quay khớp số chân theo chiều ngƣợc lại B4, sau lúc robot đƣợc định vị chân; Lặp lại bƣớc từ B1 đến B6 để tiếp tục cho robot di chuyển ngang sang phải Tƣơng tự cho động tác ngang sang trái Lƣu đồ thuật toán cho động tác di chuyển ngang sang phải: Bắt đầu Yêu cầu sang Phải Điều khiển động [1,2, 3,2] , [5,2] góc 70o Điều khiển động [1,3, 3,3, 4,3] , [6,3] góc 110o Điều khiển động [5,3, 2,3] góc 70o Điều khiển động [1,2, 3,2] , [5,2] góc 90o Điều khiển động [2,2, 4,2] , [6,2] góc 70o Điều khiển động [1,3, 3,3, 4,3] , [6,3] góc 70o Điều khiển động [5,3, 2,3] góc 110o Điều khiển động [2,2, 4,2] , [6,2] góc 90o Kết thúc Hình 12 Lƣu đồ thuật toán động tác di chuyển sang sang phải Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN - 52 - 3.2.2.5 Phối hợp động tác Khi phối hợp động tác lại với nhau, ta điều khiển để robot thực di chuyển theo yêu cầu quỹ đạo Ngoài ra, việc quay khớp chân robot, ta điều khiển cho robot thực động tác phức tạp khác 3.2.3 Cấu trúc điều khiển hệ chuyển động robot nhện Cấu trúc điều khiển hệ chuyển động robot nhện đƣợc thực Matlab/Simulink CardTNUT Từ yêu ngƣời vận hành, Matlab tính vị trí góc động servo theo chƣơng trình CardTNUT nhận giá trị góc gửi xuống module điều khiển 32RC servo dƣới dạng mã lệnh Hình 13 Giao diện điều khiển Robot nhện Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN - 53 - Setup CardT NUT COM2 Real -T i me Pacer Speedup = CardT NUT Setup Real -T i me Pacer L1 F forw L11 R11 L12 R12 L13 R13 Left Leg Ri ght Leg R1 L21 R21 L22 R22 L23 R23 B L2 back Left Leg Ri ght Leg R2 L l eft L3 R L31 R31 L32 R32 L33 R33 Left Leg R3 ri ght Cal cul ator Hình 14 Cấu trúc điều khiển Robot nhện Simulink S21 L11 L12 S22 CardTNUT1 RC Servos 21 to 23 S23 L13 300 Time T CardTNUT 32RC SERVO Hình 15 Khối điều xuất tín hiệu điều khiển chân Robot nhện Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN Ri ght Leg - 54 - 3.2.4 Kết thực nghiệm điều khiển hệ chuyển động robot nhện Mơ hình robot nhện: Hình 16 Mơ hình robot nhện - Nghiên cứu thiết kế đƣợc thuật toán để robot thực số động tác di chuyển gồm Tiến, Lùi, sang Trái, Phải, quay Trái, Phải - Lập trình cho robot thực số động tác di chuyển phối hợp động tác theo thuật tốn đƣợc trình bày mục 3.2.2 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN - 55 - 3.3 Hệ thống điều khiển robot theo quỹ đạo mê cung 3.3.1 Mơ hình robot theo quỹ đạo mê cung Hình 17 Mơ hình robot theo quỹ đạo mê cung 3.3.2 Cấu tạo robot theo quỹ đạo mê cung B1 CBT ĐCT BBĐ PIN ĐCP B3 CBP B2 Hình 18 Cấu tạo robot theo quỹ đạo mê cung Các thành phần robot B1, B2, B3: bánh xe robot, B3 bánh tự lựa hƣớng robot, ĐCT: Động gắn bánh xe bên trái B1, ĐCP: Động gắn bánh xe bên phải B2, CBT, CBP: Khối cảm biến nhận biết vị trí xe mê cung, Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN - 56 BBĐ: Bộ biến đổi xung áp cấp điện cho động cơ, Pin: Nguồn cấp cho robot hoạt động 3.3.3 Sơ đồ nguyên lý hệ thống robot theo quỹ đạo mê cung Sơ đồ nguyên lý dạng khối hệ thống: PWM0 DO1 I1 O1 ĐCT AI0 CBT Mạch đệm Card TNUT Cảm biến vị trí AI1 CBP PWM2 DO3 I2 O2 ĐCP Nguồn ni Hình 19 Sơ đồ ngun lý dạng khối robot theo quỹ đạo mê cung Sơ đồ nguyên lý mạch đệm: +Vcc PWM0 DO1 PWM2 DO3 10 12 11 15 IN1 IN2 IN3 IN4 ENA ENB VCC SENSA SENSB U2 VS OUT1 OUT2 OUT3 OUT4 DCT C3 104 13 DCP 14 C4 GND 104 2 L298 Hình 20 Sơ đồ nguyên lý mạch đệm L298 chip tích hợp hai mạch cầu H với chuẩn điều khiển TTL Chịu tải tối đa cầu 2A, điện áp 40VDC Sử dụng dạng đóng gói Multiwatt15 Rất thích hợp cho các ứng dụng công suất nhỏ nhƣ động chiều loại nhỏ vừa Trong hệ thống dùng chip L298 để làm mạch đệm cho 02 động Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN - 57 - Khối cảm biến: gồm 02 cảm biến đo khoảng cách cặp led thu phát hồng ngoại GP2D12 hãng Sharp (Sharp IR Distance Sensor) GP2D12 đo đƣợc khoảng từ 1÷80cm, tích hợp xử lý tín hiệu mạch tạo tín hiệu analog tỷ lệ với khoảng cách đo đƣợc GP2D12 sử dụng nguồn ni có điện áp 4.5 ÷ 7.5V Hình 21 Cảm biến đo khoảng cách GP2D12 Công thức xác định khoảng cách: l  35.909  u  94.364 (3.7) Trong đo : l – khoảng cách (cm) U – điện áp đầu cảm biến (V) 3.3.4 Cấu trúc điều khiển robot theo quỹ đạo mê cung Mục tiêu điều khiển robot theo quỹ đạo mê cung: Robot theo quỹ đạo mê cung với tốc độ nhanh Nguyên tắc điều khiển robot theo quỹ đạo mê cung: Khối cảm biến nhận biết robot theo quỹ đạo gửi tín hiệu điều khiển trung tâm CardTNUT; CardTNUT tính toán điều khiển tốc hai bánh xe robot để điều khiển hƣớng di chuyển robot, cụ thể, để rẽ trái tốc độ bánh xe bên phải robot nhanh bên trái, ngƣợc lại để rẽ phải tốc độ bánh xe bên trái nhanh tốc độ bên phải, để thẳng tốc độ hai bánh xe Đũng quỹ đạo Lệch trái Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN Lệch phải - 58 Hình 22 Minh họa robot theo quỹ đạo mê cung Sơ đồ cấu trúc điều khiển: Động Phải Bộ điều khiển Sp CB Phải Tốc độ max (-) (-) (-) Động Trái CB Trái Hình 23 Sơ đồ cấu trúc điều khiển robot theo quỹ đạo mê cung Bộ điều khiển có nhiệm vụ tính tốn độ lệch tốc độ hai bánh xe để lái robot theo quỹ đạo Bộ điều khiển đƣợc thực theo luật điều khiển PID với tham số đƣợc xác định theo phƣơng pháp Ziegler-Nichols 3.3.5 Thực nghiệm Cấu trúc điều khiển robot theo quỹ đạo mê cung Matlab/Simulink: Setup CardTNUT1 COM2 CardTNUT1 PWM Real-Time Pacer Speedup = CardTNUT PO Real-Time Pacer CardTNUT1 Digital Output CardTNUT1 ADC CardTNUT DO CardTNUT ADC Phai CardTNUT1 Digital Output CardTNUT1 ADC CardTNUT DO1 CardTNUT ADC Trai Sat CardTNUT Setup SP PID(s) 4095 PID Controller Max Speed f(u) Const Fcn Sum CardTNUT1 PWM Sat1 CardTNUT PO1 Hình 24 Cấu trúc điều khiển robot theo quỹ đạo mê cung Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN Scope - 59 - Trong 4095 giá trị PWM ứng với độ rộng xung điều khiển tốc độ động 100% Xác định tham số điều khiển PID: - Thiết lập cho khối PID với điều khiển P, điều chỉnh hệ số khếch đại KP đến giá trị Kth= 14.56 sai lệch vị trí robot so với tâm mê cung có dạng dao động điều hịa với dạng sau (độ lệch mang dấu (+) có ngh a robot lệch sang trái, độ lệch mang dấu (-) có ngh a robot lệch sang phải so với tâm mê cung): Do lech robot so voi tam me cung (cm) Do lech (cm) Tth -2 -4 -6 -8 10 15 20 25 30 35 40 45 time (s) Hình 25 Độ lệch robot so với tâm mê cung (bộ điều khiển P) Chu kì dao động: Tth = 33-23.9 = 9.1 (s) Theo phƣơng pháp Ziegler-Nichols ta xác định đƣợc tham số điều khiển PID: Kp = 0.6·Kth = 0.6·14.56 = 8.736 KI = 2·KP/Tth = 2·8.736/9.1 = 1.92 KD = KP·Tth /8 = 8.736·9.1/8 = 9.9372 Đáp ứng Độ lệch robot so với tâm mê cung với tham số điều khiển vừa tìm đƣợc: Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN - 60 Do lech cua robot so voi tam me cung (cm) 10 Do lech (cm) -2 -4 -6 -8 -10 10 15 time (s) 20 25 30 Hình 26 Độ lệch robot so với tâm mê cung (bộ điều khiển PID) Nhƣ robot theo quỹ đạo mê cung 3.4 Kết luận chƣơng Chƣơng trình bày việc thực nghiệm sử dụng card điều khiển CardTNUT việc điều khiển hệ thống: Hệ truyền động động chiều kích từ độc lập; Hệ chuyển động robot nhện (Spider Robot); Hệ thống điều khiển robot theo quỹ đạo mê cung Tổng hợp thuật toán điều khiển xây dựng cấu trúc điều khiển hệ thống đƣợc thực khối thƣ viện CardTNUT phần mềm Matlab/Simulink Kết thực nghiệm cho thấy card điều khiển CardTNUT cấu trúc điều khiển đáp ứng đƣợc yêu cầu điều khiển hệ thống Nhƣ CardTNUT làm việc đƣợc Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN - 61 - KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Nội dung luận văn tập trung vào nghiên cứu, thiết kế chế tạo card giao tiếp với máy tính điều khiển thời gian thực (giao tiếp phần mềm MatLab) với tên gọi CardTNUT Nhiệm vụ cụ thể Nghiên cứu chế tạo kiểm nghiệm card điều khiển thời gian thực điều khiển hệ truyền động Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn hoàn thành chƣơng sau: Chƣơng Cơ sở lý thuyết đo lƣờng điều khiển Chƣơng Thiết kế card điều khiển Chƣơng Thực nghiệm Kết luận văn đạt đƣợc là: + Nghiên cứu, tìm hiểu tổng quan sở lý thuyết đo lƣờng, xử lý số tín hiệu điều khiển tự động + Tìm hiểu cấu trúc ngơn ngữ lập trình cho vi xử lý AT91SAM3X8E hãng Atmel + Nghiên cứu thiết kế phần cứng CardTNUT với yêu cầu cụ thể đƣợc trình bày chƣơng + Nghiên cứu thuật tốn lập lập trình cho CardTNUT để sử dụng chức phần cứng card + Nghiên cứu xây dựng thƣ viện Matlab/Simulink để giao tiếp sử dụng chức CardTNUT + Thực nghiệm sử dụng card điều khiển CardTNUT việc điều khiển hệ thống: Hệ truyền động động chiều kích từ độc lập; Hệ chuyển động robot nhện (Spider Robot); Hệ thống điều khiển robot theo quỹ đạo mê cung Tổng hợp thuật toán điều khiển xây dựng cấu trúc điều khiển hệ thống đƣợc thực khối thƣ viện CardTNUT phần mềm Matlab/Simulink Kết thực nghiệm cho thấy card điều khiển Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN - 62 - CardTNUT cấu trúc điều khiển đáp ứng đƣợc yêu cầu điều khiển hệ thống Kiến nghị Tiếp tục nghiên cứu áp dụng thuật toán điều khiển nâng cao vào CardTNUT Hoàn thiện kết nghiên cứu để áp dụng vào thực tiễn Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Nguyễn Hữu Công, Kỹ thuật đo lƣờng, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội [2] Trần Xuân Minh, Nguyễn Nhƣ Hiển, “Giáo trình Tổng hợp hệ điện cơ”, NXB Giáo dục 2011 [3] Đinh Văn Nghiệp, “Nghiên cứu ứng dụng card điều khiển số DSP để thiết kế điều khiển số điều khiển chuyển động”, Luận văn Thạc sỹ Tự động hố, Đại học Thái Ngun, 2009 [4] Nguyễn Dỗn Phƣớc, Lý thuyết điều khiển tuyến tính, Xƣởng in ĐHTC Đại học Bách khoa Hà Nội, 2002 [5] Nguyễn Phùng Quang, “Matlab & Simulink dành cho kỹ sƣ điều khiển tự động”, NXB Khoa học kỹ thuật, 2004 [6] Trần Thọ, Võ Quang Lạp, “Cơ sở điều khiển tự động truyền động điện”, NXB Khoa học kỹ thuật, 2004 [7] Nguyễn Quốc Trung, Hồng Văn Quang, Trần Đình Thơng, Kiều Xn Thực, “Giáo trình Xử lý số tín hiệu”, NXB Giáo dục, 2014 [8] Đoàn Quang Vinh, Diệp Xuân An, “Ứng dụng thiết bị xử lý tín hiệu số điều khiển hệ thống truyền động điện sử dụng động điện chiều kích từ độc lập”, tạp chí khoa học cơng nghệ, đại học đà nẵng - số (39).2010 Tiếng Anh [9] Atmel, http://www.atmel.com/ [10] ARM, http://www.arm.com/ [11] MathWorks, http://www.mathworks.com/ [12] Ghani, Z.A.; Hannan, M.A.; Mohamed, A., “Development of three-phase photovoltaic inverter using dSPACE DS1104 board”, Research Development (SCOReD), 2009 IEEE Student Conference on, pp 242 - 245 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN and [13] Ghani, Z.A.; Hannan, M.A.; Mohamed, A.; Subiyanto, “Three-phase photovoltaic grid-connected inverter using dSPACE DS1104 platform”, Power Electronics and Drive Systems (PEDS), 2011 IEEE Ninth International Conference on, pp 447 – 451 [14] Rios, J.D.; Alanis, A.Y.; Rivera, J.; Hernandez-Gonzalez, M., “Real-time discrete neural identifier for a linear induction motor using a dSPACE DS1104 board”, Neural Networks (IJCNN), The 2013 International Joint Conference on, pp 1-6 [15] Steven W Smith, Ph.D., The Scientist and Engineer's Guide to Digital Signal Processing Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN BÁO CÁO VỀ VIỆC TIẾP THU, BỔ SUNG, CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ THEO NGHỊ QUYẾT CỦA HỘI ĐỒNG ĐÁNH GIÁ LUẬN VĂN THẠC SĨ Học viên: Trần Đức Quân Tên đề tài: Nghiên cứu chế tạo kiểm nghiệm card điều khiển thời gian thực điều khiển hệ truyền động Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 62520216 Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS Đỗ Trung Hải Căn nội dung Nghị quyết, Biên chi tiết họp Hội đồng chấm luận văn thạc s (HĐ) họp ngày 06 tháng 03 năm 2016, học viên nghiên cứu nội dung nghị kết luận HĐ, đối chiếu với nội dung luận văn, tơi xin giải trình chi tiết nội dung sau: Chỉnh sửa, bổ sung hình thức luận văn, lỗi tả, lỗi kỹ thuật gồm: - Chỉnh sửa lỗi tả: trang 1, 3, 18, 19, 20, 21, 31, 33, 34, 38, 53,55 Chỉnh sửa kết luận chƣơng Bổ sung trích dẫn tài liệu tham khảo nội dung luận văn Thái Nguyên, ngày 16 tháng 03 năm 2016 CÁN BỘ HƢỚNG DẪN HỌC VIÊN TS Đỗ Trung Hải Trần Đức Quân CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG/ HOẶC NGƢỜI XÁC NHẬN CỦA PHÒNG ĐÀO TẠO ĐƢỢC GIAO NHIỆM VỤ PGS.TS Trần Xuân Minh Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN TS Đặng Danh Hoằng ... chọn đề tài: ? ?Nghiên cứu chế tạo kiểm nghiệm card điều khiển thời gian thực điều khiển hệ truyền động” Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu, thiết kế card giao tiếp với máy tính điều khiển thời gian... dụng lý thuyết vào thực nghiệm Cấu trúc luận văn Luận văn đƣợc chia làm chƣơng: Chƣơng Cơ sở lý thuyết đo lƣờng điều khiển Chƣơng Thiết kế card điều khiển Chƣơng Thực nghiệm Kết luận kiến nghị... cầu điều khiển hệ thống nhiệt thƣờng điều khiển ổn định nhiệt độ điều khiển theo chƣơng trình - TBĐK: Thiết bị điều khiển, thiết bị gia cơng tín hiệu điều khiển, có nhiệm vụ tạo tín hiệu điều khiển