3.3 .Lựa chọn hệ thống lưu trữ năng lượng
3.3.1.4 .Lựa chọn bộ Inverter để phù hợp với những thiết bị y tế cần sử dụng
3.3.2. Sơ đồ khối điều khiển hệ thống
Ở chương II, tác giả đã giới thiệu về những thành phần kết cấu cơ khí, cách tính chọn động cơ nâng hạ và những bài tốn về điều kiện an tồn. Trong chương III này, tác giả sẽ trình bày về thành phần mạch điều khiển động cơ, cách cài đặt phần mềm để điều chỉnh tốc độ động cơ bằng thuật tốn PID. Bên cạnh đó, tác giả sẽ giới thiệu về mẫu khảo sát Borg CR10 Scale cách đánh giá cảm nhận của người bệnh khi thiết bị hoạt động và sẽ lựa chọn những loại pin lưu trữ năng lượng để đáp ứng cho những thiết bị y tế cần thiết cho bệnh nhân.
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG. Lưu hành nội bộ
3.1. Giới thiệu về thành phần điện – điện tử
3.1.1. Thuật tốn PID điều khiển động cơ
Nói đến PID là nói đến sự kết hợp của ba bộ điều khiển: tỉ lệ, tích phân và vi phân. Sự kết hợp giữa ba bộ điều khiển này với mục đích điều chỉnh sai số xuống thấp nhất có thể, tăng tốc độ đáp ứng của hệ thống, giảm độ vọt lố và hạn chế sự dao động không mong muốn [21].
Bộ điều khiển PID được nghiên cứu vào nằm 1939, khi Taylor Instrument và Foxboro giới thiệu hai bộ điều khiển đầu tiên. Tất cả các bộ điều khiển ngày nay đều dựa trên các chế độ tỷ lệ, tích phân và vi phân ban đầu. Điều khiển PID là một bộ điều khiển có hồi tiếp vịng kín và được sử dụng rộng rãi trong hệ thống điện, tự động hóa… Bộ điều khiển PID sẽ tính tốn giá trị sai số, giá trị này là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt mong muốn.
Một cách đơn giản nhất để hiểu về PID như sau:
P (Proportional): là phương pháp điều chỉnh tỉ lệ, nhằm tạo ra tín hiệu điều chỉnh tỉ lệ với sai lệch đầu vào theo thời gian lấy mẫu.
I (Intergral): là tích phân của sai lệch theo thời gian lấy mẫu. Việc điều chỉnh tích phân là cách để điều khiển độ sai lệch giảm về 0. Từ đó cho ta biết sai số tích lũy trong quá khứ hoặc tổng sai số tức thời theo thời gian. Khi thời gian càng nhỏ thì việc điều chỉnh tác động tích phân càng mạnh, ứng với đó là độ lệch càng nhỏ.
D (Derivative): là vi phân của sai lệch. Mục đích của việc điều khiển vi phân là tạo ra tín hiệu điều khiển tỉ lệ với tốc độ thay đổi sai lệch của đầu vào. Phạm vi điều chỉnh vi phân càng mạnh tương ứng với thời gian càng lớn, điều này sẽ dẫn đến thời gian đáp ứng của bộ điều khiển với những thay đổi của đầu vào càng nhanh.
Giá trị tỉ 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 và giá trị vi phân xác định tác động của tốc độ biến đổi sai số [22]. Tổng chập của ba tác động này dùng để điều chỉnh q trình thơng qua một phần tử điều khiển như vị trí của van điều khiển hay bộ nguồn của phần tử gia nhiệt. Vì vậy, giá trị của những thơng số này làm rõ về quan hệ thời gian: P phụ thuộc vào sai số hiện tại, I phụ thuộc và tích lũy những sai số quá khứ và D dự đoán các sai số của tương lai dựa vào tốc độ thay đổi hiện tại [22].
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG. Lưu hành nội bộ
Để điều chỉnh thơng số PID thì ta sẽ có những phương pháp sau: Bảng 3.1- Những phương pháp điều chỉnh thông số PID
Phương pháp Ưu điểm Nhược điểm
Điều chỉnh thủ công
Không cần hiểu biết về
tốn. Phương pháp online u cầu có kinh nghiệm Ziegler –
Nichols
Phương pháp chứng minh. Phương pháp online
Làm rối loạn quá trình, một số thử nghiệm và lỗi phải điều
chỉnh nhiều lần
Các công cụ phần mềm
Điều chỉnh chắc chắn. Có thể bao gồm phân tích các van và cảm biến. Cho phép
mơ phỏng trước khi tải xuống để thực thi
Giá cả cao và phải được huấn luyện
Chohen -
Coon Xử lý các mơ hình tốt
u cầu kiến thức tốn học. Phương pháp offline. Chỉ tốt
với quá trình bậc một Đối với bốn phương pháp điều chỉnh thông số PID trên, tác giả xin giới thiệu phương pháp đơn giản nhất, đó là điều chỉnh PID bằng phương pháp thủ công.
Để điều chỉnh những thông số Ki, Kp, Kd thủ công, đầu tiên ta cần thiết lập những giá trị của Ki và Kd bằng 0 và tăng dần Kp đến khi đầu ra của vịng điều khiển dạo động, sau đó Kp có thể được đặt tới giá trị xấp xỉ một nửa giá trị đó để đạt được đáp ứng “1/4 giá trị suy giảm biên độ”. Sau đó tăng Ki đến giá trị phù hợp sao cho đủ thời gian xử lý. Tuy nhiên, Ki quá lớn sẽ gây mất ổn định. Cuối cùng tăng Kd nếu cần thiết cho đến khi vịng điều khiển nhanh có thể chấp nhận được, nhanh chóng lấy lại được giá trị đặt sau khi bị nhiễu. Khơng nên đặt Kd q lớn vì sẽ gây đáp ứng dư và vọt lố.
Hình 3.1 miêu tả một ứng dụng của bộ PID trong việc điều khiển vận tốc của bốn bánh xe đa hướng OMNI bới loại robot này. Với loại robot này, để đến được một vị trí mong muốn thì phải cần có sự phối hợp vận tốc của cả bốn bánh xe. Nếu vận tốc điều
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG. Lưu hành nội bộ
khiển khơng chính xác thì sẽ dẫn tới vị trí đến sai lệch so với vị trí mong muốn. Vì thế bốn bộ PID đã được ứng dụng để điều khiển vận tốc trên bốn bánh xe.
Hình 3.1- Bộ điều khiển PID điều khiển vị trí bánh xe
Trong thực tế, việc ứng dụng thuật toán PID vào đời sống được dùng rất rộng rãi, với sự phát triển về khoa học cơng nghệ hiện nay thì việc điều chỉnh những thơng số PID đã được tích hợp vào những vi mạch điện tử. Điều này không những giúp chúng ta tiết kiệm được thời gian trong việc điều chỉnh từng thơng số mà bên cạnh đó cịn mang đến cho chúng ta độ chính xác rất cao, cho ra hiệu quả tối ưu nhất. Vì vậy, trong đề tài này nhóm nghiên cứu đã sử dụng bộ điều khiển Smart Driver DC Motor có tích hợp thuật tốn điều khiển phản hồi PID, giúp điều khiển và kiểm soát tốc độ của động cơ băng tải một cách chính xác nhất. Phần tiếp theo tác giả sẽ giới thiệu những đặc điểm và thông số của bọ điều khiển này.
3.1.2. Bộ điều khiển Smart Driver DC Motor
Mục đích của việc sử dụng bộ Smart Driver DC Motor vì bộ điều khiển sẽ điều khiển được tốc độ của động cơ, giúp động cơ ổn định tốc độ làm việc, tạo sự an toàn cho thiết bị. Tiếp theo, điện áp động cơ chỉ sử dụng nguồn 24VDC và điều khiển được động cơ Servo có cơng suất lên đến 1kW. Bên cạnh đó, bộ điều khiển cũng rất nhỏ gọn
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG. Lưu hành nội bộ
và được tích hợp thuật tốn PID làm tăng tính chính xác trong việc điều khiển tốc độ động cơ. Những thông tin chi tiết hơn của động cơ sẽ được trình bày sau đây.
Hình 3.2- Bộ điều khiển tốc độ động cơ Smart Driver DC Motor
Về hệ thống mạch điều khiển, nhóm nghiên cứu đã lựa chọn sử dụng bộ điều khiển Smart Driver DC Motor.
Bộ điều khiển này được trang bị bộ vi xử lý ARM STM32 và cung cấp nhiều chức năng cao cấp như sau:
- Giao tiếp máy tính qua cổng COM UART. - Đèn LED báo trạng thái hoạt động.
- Thuật toán PID điều khiển vị trí theo chuẩn 1 dây xung (pluse) và 1 dây hướng quay (dir) hỗ trợ tần số lên đến 10mhz, các thông số KP, KI, KD điều chỉnh được bằng giao diện máy tính.
- Thuật tốn PID điều khiển vị trí chuẩn xung encoder B hỗ trợ tần số lên đến 10mhz, các thông số KP, KI, KD điều chỉnh được bằng giao diện máy tính.
Điều chỉnh PID vận tốc hỗ trợ các chuẩn giao tiếp:
- 1 xung PWM (tích cực ở mức 0 với độ phân giải 8 bit) và 1 hướng, hỗ trợ tần số điều xung (50hz- 5khz).
- Chạy theo chuẩn RC.
- Khi bạn nhập thông số tốc độ cực đại của động cơ, tính theo vịng/phút và xung encoder quay được 1 vịng thì bộ điều khiển sẽ tự tính tốn ra những giá trị của các hệ số KP, KI, KD. Đó là tính năng thông minh của bộ điều khiển này.
- Bộ điều khiển hỗ trợ chạy động cơ lên tới 20000 vòng/phút và encoder 500 xung/vòng.
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG. Lưu hành nội bộ
- Bộ điều khiển chạy theo chuẩn mạch cầu H mà khơng cần encoder và cũng có các chuẩn giao tiếp PWM, UART.
3.1.3. Cách sử dụng phần mềm setup tốc độ động cơ
Để setup các chế độ cho driver, ta cần tải và cài đặt phần mềm. Dùng module chuyển USB sang COM để kết nối máy tính với driver. Lưu ý phải kết nối đúng chân 0V → 0V, 5V → 5V, Tx → Rx, Rx → Tx. Sau khi kết nối, đèn LED thông báo trạng thái hoạt động sẽ nhấp nháy.
Hình 3.3- Đèn LED báo trạng thái hoạt động sau khi kết nối
Sau khi setup xong phần mềm, ta tiến hành mở phần mềm và sẽ xuất hiện giao diện như Hình 3.4
Hình 3.4- Giao diện phần mềm khi khởi động
Phần baudrate là phần chọn tốc độ baud được kết nối với driver, ta chọn mặc định là 19200.
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG. Lưu hành nội bộ
Phần select com để chọn cổng com kết nối với driver. Sau đó click chọn connect để kết nối. Giao diện sau khi kết nối thành cơng như Hình 3.5
Hình 3.5- Giao diện phần mềm khi kết nối thành công và thông số PID lựa chọn để điều khiển động cơ băng tải
Lưu ý: khi chọn hoặc nhập một thông số nào trên driver, quan sát ô number view sẽ hiện ra thông số mà ta vừa chọn, điều này thể hiện thông số ta vừa nhập đã được gửi xuống driver.
Trong bộ điều khiển này, sẽ có những chế độ hoạt động như sau: - Chế độ PID vị trí.
- Chế độ PID vận tốc.
- Chế độ PID tốc độ điều khiển bằng UART. - Chế độ mạch cầu H.
- Chế độ vị trí (dùng xung Encoder AB).
Trong báo cáo này, chế độ được sử dụng trong thiết bị sẽ dùng chế độ PID vận tốc để điều khiển tốc độ động cơ băng tải sao cho hợp lý nhất. Cách setup chế độ PID vận tốc sẽ được giới thiệu dưới đây:
Chế độ PID vận tốc
Kết nối máy tính với driver, mở phần mềm setup. Trong ơ mode run chọn mode PID SPEED, ô select mode chọn PWM là điều khiển driver qua xung PWM, chọn UART là điều khiển driver qua giao tiếp UART. Ô speed round/ minute nhập số vòng/phút tối đa mà động cơ đạt được, ô encoder/ 1 round là số xung encoder khi động cơ quay được 1 vòng. Click save value để lưu những thông số vừa setup sau khi chọn các thông số
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG. Lưu hành nội bộ
xong. Ô number view hiển thị ok saved báo hiệu đã lưu giá trị thành cơng như trong Hình 3.6.
Hình 3.6- Setup chế độ PID vận tốc
Mục tiếp theo, tác giả sẽ giới thiệu về mẫu khảo sát Borg CR10 để thu thập dữ liệu từ bảng đánh giá và phương thức đánh giá của mẫu khảo sát này.
3.2. Thiết kế bảng khảo sát theo mẫu Borg CR10 Scale để khảo sát mức
độ hài lòng của người bệnh
Việc thiết kế mẫu khảo sát Borg CR10 Scale nhằm đánh giá khách quan cảm nhận của người bệnh khi thiết bị thực hiện việc cuốn bệnh nhân lên băng tải và trả bệnh nhân xuống giường bệnh, mang lại cho người sử dụng sự thoải mái và an toàn. Ngồi ra, việc khảo sát này cịn góp phần khắc phục những nhược điểm của thiết bị và làm cho thiết bị hoàn thiện hơn.
Mẫu khảo sát Borg CR10 hay còn gọi chung là mẫu khảo sát Borg. Được tạo ra bởi nhà nghiên cứu Gunnar Borg vào năm 1998. Đây là mẫu khảo sát xếp hạng cảm nhận về sự gắng sức, là một cách đo lường mức độ hoạt động thể chất [23]. Cảm nhận mức độ hoạt động của cơ thể khi đang làm việc. Việc này dựa trên những cảm nhận về thể chất của người tham gia khảo sát khi đang hoạt động những việc liên quan đến thể chất như tập thể dục, hoạt động thể thao và những cảm nhận đó bao gồm như tăng nhịp tim, thở nhanh hơn, mồ hôi tiết ra nhiều hơn và cảm nhận sự mỏi cơ nhanh hơn. Mặc dù đây chỉ là đánh giá chủ quan mức độ gắng sức của người tham gia theo thang đo chuẩn là từ 6 đến 20, thang đo có thể tính tốn xấp xỉ nhịp tim thực tế của bạn khi hoạt động
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG. Lưu hành nội bộ
thể chất. Thang đo này có thể được sử dụng để theo dõi quá trình và chế độ luyện tập ở những người mắc bệnh tim hoặc ở những bệnh nhân đang được hướng dẫn tập luyện phục hồi chức năng và sức bền. Việc nghiên cứu những hoạt động của con người và việc cảm nhận sự gắng sức trong quá trình hoạt động thể chất là một lĩnh vực khoa học được quan tâm và nghiên cứu trong hơn 50 năm qua [24]. Việc nghiên cứu sự ảnh hưởng của việc gắng sức khi hoạt động được theo dõi trên nhiều đối tượng làm việc khác nhau, đối với những đối tượng có thể chất và cường độ làm việc liên tục thì những rủi ro bị chấn thương về xương khớp hoặc rối loạn cơ xương khớp là rất cao. Thang đo là một danh sách số rất đơn giản, người tham gia khảo sát được yêu cầu đánh giá cảm nhận của họ trên thang điểm trong mẫu khảo sát trong suốt quá trình nghiên cứu bao gồm tất cả những cảm giác căng thẳng và mệt mỏi về thể chất. Kết quả thu được này sẽ cho người nghiên cứu biết được người tham gia nên tăng hoặc giảm cường độ vận động như thế nào là cần thiết và việc tiến hành khảo sát chỉ cần vài phút để thực hiện.
Hình 3.7- Form khảo sát theo mẫu Borg RPE Scale và CR10 Scale [25] Mẫu khảo sát Borg đầu tiên là Borg RPE Scale có thang điểm từ 6-20, thang điểm này có mối liên quan sát với nhịp tim, bằng cách nhân mỗi số trong thang đo với 10, ta sẽ thu được nhịp tim tương đối tại mỗi thời điểm cần khảo sát. Mẫu khảo sát RPE (Rating of Perceived Exertion) dùng để đo sự gắng sức, khó thở của người tham gia. Ngồi ra để đánh giá cảm nhận về sự đau đớn của cơ xương khớp, chúng ta cịn có thêm mẫu
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG. Lưu hành nội bộ
khảo sát Borg CR10. Mẫu khảo sát Borg CR10 (Category Ratio) là mẫu khảo sát được tạo ra dựa trên cấu trúc của mẫu Borg RPE nhưng ở đây chỉ tập trung nghiên cứu về cảm nhận của việc khó thở, tức ngực và đau nhức cơ - xương khớp. Thang đo được xếp loại từ 0-10 với mức 0 là khơng có cảm nhận đau nhức hoặc tức thở và mức 10 là cảm nhận đau ở mức cao nhất, vượt quá khả năng chịu đựng của cơ thể con người và đây cũng là mẫu khảo sát tác giả dùng để nghiên cứu và thu thâp đánh giá nhận xét của người dùng trong suốt quá trình thực hiện đề tài này.
Bảng 3.2- Bảng khảo sát theo Form Borg CR10 Scale
Thang đo Vị trí cảm nhận
Cổ Vai Tay Lưng Hông Chân 0-1
Khơng cảm nhận thấy gì cả 2-3
Cảm nhận rất ít 4-5