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 Control Desk.
Control Desk là một phần mềm đi kốm trong hệ thống dSPACE, cho phộp người dựng quan sỏt cỏc biến, hiển thị tỏc động của cỏc biến và hiệu chỉnh cỏc tham số mụ
Hỡnh 4.6: Giao diện Control Desk
phỏng bằng cỏch tương tỏc trực tiếp với bo mạch DSP. Để xõy dựng một ứng dụng bằng Control Desk (mỗi ứng dụng được gọi là một thớ nghiệm-experiment), cần thực hiện qua cỏc bước sau:
+ Khởi động Control Desk và lựa chọn cỏc toolbar được đỏnh dấu như ở hỡnh 4.6.
Cửa sổ Tool Window được hiển thị ở dưới màn hỡnh. Cỏc thẻ (Tap) hiển thị cỏc cụng cụ hiện đang sử dụng. ở hỡnh 4.6 hiện tại chỉ sử dụng hai cụng cụ là Log Viewer (Trỡnh xem cỏc giải thớch) và Reference Data Manager (trỡnh quản lý dữ liệu chuẩn).
Quan sỏt trờn màn hỡnh sẽ thấy hai tớn hiệu vào và ra được vẽ trờn Plotter. Cứ sau hai giõy, thỡ hỡnh ảnh hiển thị lại bị xoỏ và một tập dữ liệu mới lại được hiển thị.
Thay đổi hệ số khuếch đại bằng cỏch di chuyển con trượt của Slider và quan sỏt sự thay đổi của cỏc tớn hiệu.
Hỡnh 4.7: Hệ thống thớ nghiệm hệ truyền động bỏnh răng
Hỡnh 4.8: Hệ thống ghộp nối mỏy tớnh với hệ truyền động (động cơ)
Hỡnh 4.9: Đối tượng hệ truyền động bỏnh răng
Hỡnh 4.10: Cấu trỳc điều khiển với bộ điều khiển PID xõy dựng trờn Matlab/simulink
4.4. Kết quả thớ nghiệm với bộ điều khiển PID
Cấu trỳc điều khiển được xõy dựng trờn Matlab/simulink kết nối với phần mềm Control Desk
Hỡnh 4.11: Kết quả thớ nghiệm với bộ điều khiển PID (1)
Hỡnh 4.12: Kết quả thớ nghiệm với bộ điều khiển PID (2)
Kết quả thớ nghiệm
- Trường hợp thay đổi tốc độ đặt của động cơ từ 0 lờn 500 v/ph sau đú tiếp tục tăng lờn 820v/ph, ta được:
- Trường hợp thay đổi tốc độ đặt của động cơ từ 0 lờn 720 v/ph sau đú tiếp tục giảm về 420v/ph:
Hỡnh 4.13: Cấu trỳc điều khiển với bộ điều khiển mờ lai xõy dựng trờn Matlab/simulink
Hỡnh 4.14: Kết quả thớ nghiệm với bộ điều khiển mờ lai (1)
4.5. Kết quả thớ nghiệm với bộ điều khiển mờ lai
Cấu trỳc điều khiển được xõy dựng trờn Matlab/simulink kết nối với phần mềm Control Desk
Kết quả thớ nghiệm
- Trường hợp thay đổi tốc độ đặt của động cơ từ 0 lờn 500 v/ph sau đú tiếp tục tăng lờn 820v/ph:
Hỡnh 4.15: Kết quả thớ nghiệm với bộ điều khiển mờ lai (2)
- Trường hợp thay đổi tốc độ đặt của động cơ từ 0 lờn 720 v/ph sau đú tiếp tục giảm về 420v/ph:
4.6. Nhận xột kết quả thớ nghiệm
-Từ kết quả thớ nghiệm trờn hỡnh 4.11 và 4.12 cho thấy chất lượng làm việc của hệ thống với bộ điều khiển PID đó được đảm bảo, đỏp ứng của hệ thống luụn bỏm tốt giỏ trị đặt kể cả khi giỏ trị đặt thay đổi theo chiều tăng hoặc giảm. Tuy nhiờn hệ thống cũn dao động mạnh chạy chưa ờm.
- Kết quả thớ nghiệm hệ thống với bộ điều khiển mờ lai thể hiện trờn cỏc hỡnh 4.14 và hỡnh 4.15 cho thấy chất lượng của hệ thống đó được cải thiện đỏng kể so với bộ điều khiển PID (hỡnh 4.11 và hỡnh 4.12). Nú được thể hiện về mặt thời gian quỏ độ và mức độ dao động của hệ truyền động đó được giảm đỏng kể, hệ thống chạy ờm hơn. Điều này đó kiểm chứng được tớnh đỳng đắn của thuật toỏn điều khiển mờ lai.
4.7. Kết luận chương 4
Chương 4 đó giải quyết được một số vấn đề sau: - Giới thiệu về Card điều khiểnDS110
- Xõy dựng hệ thống mụ phỏng trờnMatlab/simulinkcú kết nối với phần mềm
Control Deskcủa hệ thống thớ nghiệm. - Tiến hành thớ nghiệm lấy kết quả.
- Đỏnh giỏ chất lượng hệ thống điều khiển hệ truyền động bỏnh răng bằng bộ điều khiển mờ lai so với bộ điều khiển PID.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1. Kết luận:
Nội dung cơ bản của luận văn tập trung vào nghiờn cứu ứng dụng cỏc phương phỏp điều khiển để điều khiển hệ thống truyền động cú khe hở (cụ thể là hệ truyền động bỏnh răng). Nhiệm vụ cụ thể là Cải thiện chất lượng điều khiển hệ thống truyền động cú khe hở bằng bộ điều khiển mờ lai.
Với mục tiờu đặt ra, nội dung luận văn đó hoàn thành cỏc chương sau:
Chương 1:Tổng quan hệ truyền động cú khe hở
Chương 2: Cấu trỳc điều khiển hệ truyền động cú khe hở
Chương 3: Cải thiện chất lượng điều khiển hệ truyền động cú khe hở bằng bộ điều khiển mờ lai.
Chương 4:Kết quả thớ nghiệm. Kết quả của luận văn đó đạt được là:
- Xõy dựng được cấu trỳc điều khiển hệ truyền động cú khe hở
- Thiết kế được bộ điều khiển cho hệ truyền bằng bộ điều khiển mờ lai nhằm cải thiện chất lượng điều khiển hệ thống, được kiểm chứng bằng mụ phỏng và thớ nghiệm. Với kết quả này cho thấy tớnh đỳng đắn của thuật toỏn điều khiển đó được thiết kế để điều khiển hệ thống.
- Với kết quả thớ nghiệm cho thấy chất lượng của hệ thống được nõng cao thể hiện qua hệ thống chạy ờm hơn so với bộ điều khiển PID.
2. Kiến nghị:
Với thời gian nghiờn cứu cũn ớt, kiến thức và kinh nghiệm về thực tiễn cú hạn, cho nờn nội dung luận văn cũn một số hạn chế. Tỏc giả sẽ tiếp tục nghiờn cứu hoàn thiện để cú thể ỏp dụng tốt kết quả nghiờn cứu vào cụng tỏc chuyờn mụn sau này, nhất là ỏp dụng cỏc bộ điều khiển hiện đại vào cỏc đối tượng trong thực tế sản xuất.
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt
[1]. Đinh Gia Tường , Nguyễn Xuõn Lạc, Trần Doón Tiến; " Nguyờn Lý mỏy "; NXB Đại học và Trung học chuyờn nghiệp Hà Nội 2010.
[2]. Huỳnh Văn Đụng; "Tổng hợp điều khiển thớch nghi dựa trờn phương phỏp backstepping cho hệ truyền động cú đàn hồi, khe hở và ma sỏt khụ phi tuyến"; Luận ỏn