3.2.1. Đặt vấn đề
Để ỏp dụng phương phỏp điều khiển mờ lai cho hệ điều khiển ỏp suất bao hơi nhà mỏy nhhiệt điện, tỏc giả sử dụng mụ hỡnh mờ lai Cascade.
Việc thiết kế bộ điều khiển mờ lai thực hiện bằng việc thiết kế cỏc khõu trong bộ điều khiển mờ sau đú kết hợp với bộ điều khiển PID:
3.2.2. Mờ hoỏ
Ta thiết kế bộ điều khiển mờ bao gồm một biến trạng thỏi mờ đầu vào và một biến mờ đầu ra. Mỗi biến này lại được chia thành nhiều giỏ trị tập mờ (Tập mờ con). Số giỏ trị mờ trờn mỗi biến được chọn để phủ hết cỏc khả năng cần thiết sao cho khả năng điều khiển là lớn nhất trong khi chỉ cần một số tối thiểu cỏc luật điều khiển mờ.
Hỡnh 3.16: Sự phõn bố cỏc giỏ trị mờ của biến vào
Hỡnh 3.17: Sự phõn bố cỏc giỏ trị mờ của biến ra
3.3. Mụ phỏng cỏc bộ điều khiển đó thiết kế* Luật điều khiển và luật hợp thành * Luật điều khiển và luật hợp thành
Luật hợp thành được xõy dựng trờn cơ sở nguyờn lý hợp thành MAX – MIN.
* Giải mờ
Giải mờ cú thể được thực hiện theo cỏc phương phỏp điểm trọng tõm, phương phỏp trung bỡnh hay phương phỏp cực đại. Do miền xỏc định của cỏc giỏ trị mờ đầu ra là miền liờn thụng nờn ta sẽ giải mờ theo phương phỏp trọng tõm. Giỏ trị rừ x được xỏc định theo phương phỏp điểm trọng tõm như ở cụng thức:
dx ) x ( dx ) x ( . x x S B S B 0 μ
Trong đú: S là miền xỏc định của tập mờ B.
3.4. Khảo sỏt chất lượng bằng bộ điều khiển mờ lai và so sỏnh với bộ điều khiển PID3.4.1. Khảo sỏt chất lượng bằng bộ điều khiển PID 3.4.1. Khảo sỏt chất lượng bằng bộ điều khiển PID
Sơ đồ mụ phỏng hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID
Thực hiện mụ phỏng một cặp bỏnh răng thẳng ăn khớp với tỷ số truyền lý thuyết i12 2; r0150mm; r02 100mm; gúc ăn khớp giữa hai bỏnh răng là L 30; cỏc moment quỏn tớnh lần lượt là 2
10,01 J kgm ; 2 10,02 J kgm và hệ số đàn hồi là 10 c N .
Bộ điều khiển được thiết kế theo phương phỏp thực nghiệm: Kp= 80; KI= 150.
Dong co 2 Mc 1 Omega 0.2s+1.6 1 STT 0.002s+1 0.5 Phan hoi dong
1 s Integrator 0.176 He so momen DC 1.4 Gain2 2 Gain1 1.4 Gain PID
Bo dieu khien dong
0.001s+1 14.6 Bo chinh luu 2
Tin hieu dieu khien
1 Mo men can
Trong đú cỏc khối trong sơ đồ như sau:
Hỡnh 3.21: Khối động cơ một chiều
Hỡnh 3.22: Khối cặp bỏnh răng Hỡnh 3.20: Khối động cơ và hệ bỏnh răng
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 0 100 200 300 400 500 600 700 t(s) n( v/ ph )
Dap ung toc do cua he truyen dong
nd nthuc 0 1 2 3 4 5 6 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 D a p u n g to c d o c u a h e tru y e n d o n g t(s ) n (v /p h ) n d n P ID
Kết quả mụ phỏng hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID
- Trường hợp tốc độ đặt 550v/ph
Hỡnh 3.23: Đỏp ứng tốc độ của hệ truyền động băng răng với tốc độ khụng đổi
- Trường hợp tốc độ thay đổi là hằng số nhảy từ 550 v/ph lờn 850v/ph
0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 1 . 2 1 . 4 1 . 6 1 . 8 2 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 t (s ) n (v /p h ) D a p u n g t o c d o c u a h e t ru y e n d o n g n d n M o la i
3.4.2. Khảo sỏt chất lượng bằng bộ điều khiển mờ laiSơ đồ mụ phỏng Sơ đồ mụ phỏng
Hỡnh 3.25: Sơ đồ mụ phỏng hệ truyền động bỏnh răng bằng bộ điều khiển mờ lai
Trong đú bộ điều khiển mờ lai cú cấu trỳc mụ phỏng:
Kết quả mụ phỏng
Hỡnh 3.27: Đỏp ứng tốc độ của hệ truyền động băng răng với tốc độ khụng đổi Hỡnh 3.26: Sơ đồ mụ phỏng ổ đỡ từ với cấu trỳc bộ điều khiển mờ lai
0 1 2 3 4 5 6 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 t(s) n( v/ ph )
Dap ung toc do cua he truyen dong
nd nMolai
Hỡnh 3.28: Đỏp ứng tốc độ của hệ truyền động băng răng với tốc độ thay đổi
3.4.3. So sỏnh bộ điều khiển mờ lai với bộ điều khiển PIDSơ đồ mụ phỏng Sơ đồ mụ phỏng
0 1 2 3 4 5 6 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 t(s) n( v/ ph )
Dap ung toc do cua he truyen dong
nd nPID nMolai 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 0 100 200 300 400 500
600 Dap ung toc do cua he truyen dong
t(s) n( v/ ph ) nd nP ID nM o lai Kết quả mụ phỏng
Hỡnh 3.30: Đỏp ứng tốc độ của hệ truyền động băng răng với tốc độ khụng đổi
3.4.4. Nhận xột
Từ cỏc kết quả mụ phỏng trờn cỏc hỡnh 3.31 và hỡnh 3.32 cho thấy bộ điều khiển mờ lai đó cải thiện được một số chỉ tiờu chất lượng so với bộ điều khiển PID như thời gian quỏ độ và mức độ dao động của tốc độ quay trục bỏnh răng. Điều này cho thấy với phương phỏp điều khiển mờ lai đem lại khả quan cho việc phỏt triển ứng dụng phương phỏp điều khiển hiện đại cho hệ truyền động cú khe hở (hệ truyền động bỏnh răng).
3.5. Kết luận chương 3
Chương 3 đó giải quyết được một số vấn đề sau:
- Tổng quan được những vấn đề cơ bản về hệ logic mờ và điều khiển mờ.
- Đưa ra được phương phỏp thiết kế bộ điều khiển mờ lai để thiết kế bộ điều khiển cho đối tượng.
- Mụ phỏng hệ thống.
- Đỏnh giỏ chất lượng hệ thống điều khiển truyền động cú khe hở (bỏnh răng) bằng bộ điều khiển mờ lai so với bộ điều khiển PID.
Chương 4
KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 4.1. Card DS1104 sử dụng trong hệ thống thớ nghiệm [15]
Ngày nay, trong lĩnh vực cụng nghiệp cú nhiều bộvi xử lý được sản xuất ứng dụng cho việc điều khiển động cơ như: DSP2407, DSP2407, FPGA,...Hóng dSPACE (Đức) cũng đó nghiờn cứu và sản xuất thành cụng Card dSPACE DS1103, DS1104. Một đặc điểm nổi trội của card dSPACE là kết nối với phần mềm mụ phỏng Matlab_Simulink.
DS1104 là Card điều khiển số do hóng dSPACE của Đức sản xuất dựa trờn bộ xử lý tớn hiệu số DSP (Digital Signal Processor) dấu phẩy động (floating-point) thế hệ thứ ba, họ TMS320Cxx của hóng Texas Instruments (Mỹ). DS1104 được thiết kế đặc biệt
để phỏt triển cỏc bộ điều khiển số đa biến tốc độ cao và mụ phỏng thời gian thực. Nú thường được dựng trong cỏc lĩnh vực sau:
- Cỏc cơ cấu chấp hành bằng điện và thuỷ lực.
- Điều khiển servo cỏc truyền động ổ đĩa (disk drive). - Điều khiển truyền động điện.
- Điều khiển cỏc phương tiện cơ giới. - Điều khiển trấn động tớch cực. - Trong cỏc mỏy CNC,…
4.2. Cấu trỳc phần cứng của DS1104 [15]4.2.1. Cấu trỳc tổng quan 4.2.1. Cấu trỳc tổng quan
DS1104 được xõy dựng trờn cơ sở vi xử lý tớn hiệu số TMS320F240 của hóng Texas Instruments.
ON-CHIP MEMORY (WORDS)
Nguồn nuụi
(V) Chu kỡ (ns) Số chõn
RAM FLASH
EEPROM
DATA DATA/PROG PROG
288 256 16K 5 20 PQ 132–P
Ngoài ra, nú cũn cú hệ con ngoại vi khỏc phục vụ cho cỏc ứng dụng xử lý tớn hiệu số, giao tiếp với mỏy tớnh và bờn ngoài,…
Bộ xử lý chớnh:
MPC8240, PowerPC 603e core, 250 MHz
32 kByte internal cache
Timer:
Một bộ Timer ước lượng lấy mẫu, bộ đếm lựi 32 bit Bốn bộ Timer đa mục đớch, 32 bit
Độ phõn dải 64 bit để đo thời gian
Bộ nhớ:
32 Mbyte RAM DRAM (SDRAM) 8 Mbyte bộ nhớ Flash cho cỏc ứng dụng
Cỏc ngắt điều khiển:
Cỏc ngắt bởi timer, giao tiếp nối tiếp, DSP tớ, incremental encoder, ADC,
PC chủ, 4 đầu vào từ bờn ngoài.
Ngắt đồng bộ PWM
Đầu vào tương tự:
4 kờnh ADC, 16 bit, đa thành phần Dải điện ỏp đầu vào 10V
Thời gian lấy mẫu 2us Hệ số tớn hiệu/ nhiễu >80 dB 4 kờnh ADC , 12 bit
Dải điện ỏp 10V
Thời gian lấy mẫu 800ns
Hệ số tớn hiệu/ nhiễu >65 dB
Đầu ra tương tự:
8 kờnh DAC, 16 bit, thời gian ổn định max 10us Dải điện ỏp ra 10V
Incremental Encoder:
2 đầu vào số, TTL hoặc RS422 Kờnh encoder cú độ phõn dải 24 bit
Tần số xung max đầu vào là 1.65MHz. gấp 4 lần xung đếm tới 6.6MHz Nguồn sensor 5V/0.5A
Vào/ra số:
Vào/ra số 20 bit
Giao tiếp:
RS232, RS485 và RS422
Hệ con DSP tớ:
Texas Instruments’ DSP TMS320F240
4 kWord of dual-port RAM
3 pha đầu ra PWM, 4 đầu ra đơn PWM 14 bit vào/ra số
Đặc điểm vật lý:
Nguồn nuụi 5 V, 2.5 A / -12 V, 0.2 A /12 V, 0.3 A
Yờu cầu cần cú khe PCI 32 bit
4.2.2. Ghộp nối với mỏy chủ (Host Interface)
DS1104 ghộp nối với mỏy chủ qua một khối gồm 4 cổng vào/ra (I/O port) 16-bit và 3 cổng vào/ra 8-bit. Giao diện vào/ra được sử dụng để thực hiện việc cài đặt cho bo mạch, tải chương trỡnh xuống và truyền dữ liệu thời gian thực. Việc cài đặt bộ điều khiển bus kiểm tra và truyền dữ liệu cũng được thực hiện với giao diện vào/ra.
Để đồng bộ hoỏ sự thực thi của DSP và cỏc chương trỡnh của mỏy chủ DS1104 sử dụng một cổng ngắt hai chiều để cho phộp mỏy chủ cú thể ngắt DSP và ngược lại.
Giao diện vào/ra giữa mỏy chủ và DS1104 bao gồm một khối với 7 cổng vào/ra liờn tiếp. Để chọn cỏc địa chỉ cơ sở của khối này trong dải địa chỉ vào ra 64K của PC/AT (mỏy chủ), DS1104 sử dụng cỏc chuyển mạch DIP (Dual In-line Package – vỏ hai hàng chõn) gắn trờn bo mạch.
Hỡnh 4.2: Sơ đồ khối của DS1104
Giao diện với mỏy chủ của DS1104 chứa những thanh ghi cú độ dài khỏc nhau (8 hoặc 16 bit). Khi truy cập vào một thanh ghi cụ thể thỡ phải sử dụng lệnh vào/ra tương
ứng, chẳng hạn như muốn truy cập vào thanh ghi 8-bit thỡ phải sử dụng lệnh vào/ra 8- bit, cũn muốn truy cập vào thanh ghi 16-bit thỡ phải dựng lệnh vào/ ra 16 bit. Nếu sử dụng cỏc lệnh vào/ra 8-bit cho một thanh ghi rộng 16-bit thỡ kết quả sẽ bị lỗi. Nếu sử dụng ngụn ngữ cấp cao để lập trỡnh cho cỏc thanh ghi giao diện với mỏy chủ thỡ cần phải đảm bảo rằng chương trỡnh dịch Compiler tạo ra cỏc dũng lệnh chớnh xỏc.
Một số thanh ghi giao diện với mỏy chủ phải được truy cập theo một thứ tự đặc biệt. Để ghi hoặc đọc bộ nhớ của DSP thỡ một trỡnh tự đặc biệt là bắt buộc.
4.2.3. Phần mềm dSPACE
dSPACE là một gúi phần mềm rất mạnh được thiết kế cho cỏc mụ phỏng thời gian thực tốc độ cao.
Cả phần cứng và phần mềm dSPACE đều rất dễ cài đặt và sẵn sàng thực hiện những tỏc vụ từ đơn giản đến phức tạp và đa biến.
Phần mềm dSPACE bao gồm:
- Control Desk: là một giao diện người dựng đồ hoạ GUI quản lý bo mạch dSPACE. Nú cung cấp cỏc chức năng nạp, khởi động, kết thức cỏc ứng dụng thời gian thực trờn bo mạch.
- Thư viện thời gian thực RTIlib1104 bao gồm tất cả cỏc hàm cần thiết để lập trỡnh cho DS1104.
- TRACE: Cung cấp cỏc khả năng theo dừi cho bất kỳ ứng dụng vào chạy trờn bo mạch xử lý tớn hiệu số DS1104.
- COCKPIT: một bảng cỏc dụng cụ cung cấp cỏc đầu ra và sự hiệu chỉnh tương tỏc của cỏc biến.
4.2.3.1. Điều khiển vị trớ Encoder
*. Cỏc kờnh encoder của Card DS1104 cũng được quản lý bởi Master PPC, với cỏc đặc điểm sau:
Hai kờnh vào số encoder
Hỗ trợ single-ended TTL và cỏc tớn hiệu RS422
Bộ đếm vị trớ 24 bit
Tần số xung encoder max cú thể đếm được 1.65MHz
Hỡnh 4.4: Cấu trỳc điều khiển trờn Matlab/Simulink
4.2.3.2. Điều khiển PWM (Pulse Width Modulation)
Sự điều chế tớn hiệu PWM quyết định đến nhiều cỏc ứng dụng điều khiển chuyển động và điều khiển động cơ của Card DS1104. Tớn hiệu PWM là cỏc chuỗi xung với tần số và biờn độ khụng đổi, độ rộng xung thay đổi được. Cú một xung với biờn độ khụng đổi trong mỗi chu kỡ. Tuy nhiờn độ rộng xung thay đổi được từ 0 đến thời gian một chu kỡ tương ứng với tớn hiệu điều chế. Khi tớn hiệu PWM được đưa đến cực điều khiển của Trazitor cụng suất, làm Tranzitor cụng suất đúng cắt để biến đổi thành PWM của điện ỏp đặt lện tải, giống tương tự như tớn hiệu điều chế. Tần số của của tớn hiệu PWM thường cao hơn tần số của tớn hiệu biến điệu, hoặc tần số cơ bản, vỡ vậy mà năng lượng cấp đến cho động cơ hoặc tải phụ thuộc chủ yếu vào tớn hiệu điều biến.
Xõy dựng một mụ hỡnh mụ phỏng thời gian thực: Liờn lạc với cỏc kờnh vào/ra được thực hiện qua hai khối của thư viện dSPACE là DS1104ADC và DS1104DAC. Chỳng sẽ thay thế cỏc khối tạo tớn hiệu mụ phỏng (Signal Generator) và cỏc khối quan sỏt (Scope).
Kộo cỏc khối DS1104ADC và DS1104DAC vào mụ hỡnh từ thư viện dSPACE và thay thế chỳng vào vị trớ của cỏc khối phỏt tớn hiệu mụ phỏng và cỏc khối quan sỏt. Kờnh tớn hiệu vào tương tự được định tỷ lệ bởi phần cứng với một tỷ số 1:10. Điều này cú nghĩa là 10V ở đầu vào sẽ được đọc là 1V trong mụ hỡnh. Kờnh tớn hiệu ra tương tự cũng được định tỷ lệ bởi phần cứng với cựng tỷ số. Vỡ vậy, 1V tớn hiệu được tạo ra trong mụ hỡnh cú biờn độ 10V ở thiết bị kết nối. Do đú, cần thờm hai khối khuếch đại từ thư viện Math vào mụ hỡnh để đọc chớnh xỏc cỏc giỏ trị từ cỏc kờnh tương tự đầu vào cũng như ghi chớnh xỏc cỏc giỏ trị tới cỏc kờnh đầu ra.
Hỡnh 4.5: Downloading and Building
Thay đổi cỏc tham số mụ phỏng nếu cần thiết. Cú thể lưu mụ hỡnh dưới một tờn khỏc để bảo toàn mụ hỡnh mụ phỏng.
Tiếp theo, chọn lệnh RTW Build (hỡnh 4.5) trong menu Tools. Trong cửa sổ Matlab Command Window xuất hiện một danh sỏch cỏc thụng bỏo. Cỏc thụng bỏo này tương ứng với cỏc bước khỏc nhau mà phần mềm RTI thực hiện nhằm biến đổi mó Simulink thành mó DSP. Một cửa sổ xuất hiện yờu cầu người sử dụng khẳng định tỏc vụ của timer (timer task). Xỏc nhận thời gian lấy mẫu chớnh xỏc trong danh sỏch tỏc vụ rồi nhấnContinue.
Đầu tiờn là giai đoạn biờn dịch, trong giai đoạn này file Simulink (*.mdl) được chuyển sang file C (*.C). Sau đú là giai đoạn liờn kết, ở giai đoạn này tất cả cỏc biến và cỏc chương trỡnh con được làm cho tương quan với mụi trường DSP. Cuối cựng mó được biến đổi thành một file đối tượng cú phần mở rộng là *.obj và được nạp vào bộ nhớ của DSP và sự thực thi nú bắt đầu.
Tạo ứng dụng với Control Desk
Để tương tỏc với hệ thống, chỳng ta cần quan sỏt, hiệu chỉnh và phõn tớch cỏc biến. Vỡ điều này, dSPACE kốm theo một giao diện người dựng đồ hoạ của nú gọi là