Báo cáo Nghiên cứu thiết kế hệ thống Tracking cho ðộng cơ DC (Phần 1)

Nội dung text: Báo cáo Nghiên cứu thiết kế hệ thống Tracking cho ðộng cơ DC (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆS K C 0 0 3 9 5 9 THỐNG TRACKING CHO ÐỘNG CƠ DC MÃ SỐ: T2013-03 S KC 0 0 5 4 0 1 Tp. Hồ Chí Minh, 2013
2. Mục Lục Mục lục 01 Danh mục các hình 03 Danh mục các bảng 04 Thông tin kết quả nghiên cứu 05 Phần mở đầu 07 1. Tính cấp thiết của đề tài 07 2. Mục tiêu nghiên cứu 07 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu. 07 4. Ý nghĩa khoa học, thực tiển của đề tài 08 5. Những đóng góp của đề tài 08 6. Cấu trúc của đề tài. 08 Chương 1: Tổng quan 08 Chương 2: Cơ sở lý thuyết 08 Chương 3: Nội dung đề tài 08 Chương 4: Thi công phần mềm và phần cứng 08 Chương 5: Kết luận 08 Chƣơng 1Tổng Quan 09 I.Tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực trong và ngoài nƣớc 09 I.1. Điều khiển bám động cơ DC ở nước ngoài 09 I.2. Điều khiển bám động cơ DC ở trong nước 10 Chƣơng 2Cơ Sở Lý Thuyết Điều Khiển Bám Động Cơ DC 11 2.1 Mô hình toán của động cơ DC 11 2.2.1 Ổn định lyapunov đối với hệ thống tuyến tính. 11 2.2.2 Điều khiển tối ưu hệ tuyến tính với chỉ tiêu chất lượng dạng toàn phương 13 2.2.3 Bài toán Regular . 15 2.2.4 Bài toán Tracking 16 1
3. 2.2.5 Card DSP(Digital Signal Processor) 16 2.2.5.1Sơ đồ chân IC TMS320F28335 17 2.2.5.2Sơ đồ các khối chức năng 17 2.2.5.3Các khối module cơ bản 18 Chƣơng 3Nội Dung Thiết Kế Hệ Thống Tracking Cho Động Cơ DC 21 3.1.1. Mô hình toán học ở dạng hàm truyền đạt. 22 3.1.2. Mô hình biến trạng thái 23 3.1.3 Điều khiển tối ưu dạng tracking. 24 3.1.3.1Thiết kế bộ điều khiển. 24 3.1.3.2.Sơ đồ mô phỏng 28 3.1.3.3.Nhóm nghiên cứu chọn động cơ DC có hình dạng và thông số 28 3.1.3.4.Code của bộ điều khiển. 29 3.1.3.5Kết quả mô phỏng. 30 3.1.3.5.1.Kết quả mô phỏng theo phương pháp điều khiển Tracking. 30 3.1.3.5.2. kết quả mô phỏng theo phương pháp điều khiển PID 33 Chƣơng 4Thi công phần mềm và phần cứng điều khiển động cơ DC 35 4.1. Phần mềm mã hóa ngôn ngữ DSP. 35 4.2. Phần cứng điều khiển động cơ DC 35 4.2.1 Sơ đồ nguyên lý 35 4.2.2 Sơ đồ mạch in điều khiển động cơ DC 36 Chƣơng 5Kết luận và hƣớng nghiên cứu tiếp theo 37 5.1Những đóng góp của đề tài 37 5.2 Hạn chế của đề tài 37 5.3 Hướng phát triển đề tài 37 Tài Liệu Tham Khảo 38 Phụ lục Các bài báo ở nƣớc ngoài và trong nƣớc nghiên cứu 39 2
4. Danh mục các hình Hình 1 Mô hình động cơ DC Hình 2 Card DSP họ F28335 Hình 3 Sơ đồ chân IC F28335 Hình 4 Sơ đồ khối F28335 Hình 5 Sơ đồ khối của mạch DAC Hình 6 Mô hình toán của động cơ DC Hình 7 Mô hình và phương trình toán của động cơ DC Hình 8 Mô hình toán của động cơ DC mô phỏng trên Matlab Hình 9 Mô hình điều khiển Tracking cho động cơ DC Hình 10 Mô hình toán của động cơ DC và bộ điều khiển Hình 11 Sơ đồ mô phỏng thực tế của động cơ DC và bộ điều khiển trên Matlab Hình 12 Hình dạng thực tế của động cơ DC UGRMEM-02SSY42 Hình 13 Trạng thái vận tốc  của động cơ DC Hình 14 Trạng thái gia tốc của động cơ DC Hình 15 Trạng thái vị trí  của động cơ DC và giá trị đặt Hình 16 Trạng thái vị trí  của động cơ DC và giá trị đặt khi phóng lên Hình 17 Trạng thái vận tốc của động cơ DC đầu vào là hàm sine Hình 18 Trạng thái gia tốc của động cơ DC đầu vào là hàm sine Hình 19 Trạng thái vị trí  của động cơ DC và giá trị đặt đầu vào là hàm sine Hình 20 Trạng thái vị trí của động cơ DC và giá trị đặt điều khiển theo PID Hình 21 Trạng thái vị trí  của động cơ DC theo PIDvà giá trị đặt khi phóng lên Hình 22 Trạng thái vị trí  của động cơ DC và giá trị đặt đầu vào là hàm sine Hình 23 Mô hình phần mềm điều khiển động cơ DC Hình 24 Sơ đồ nguyên lý điều khiển động cơ DC 3
5. Hình 25 Sơ đồ board điều khiển động cơ DC Danh mục các bảng Bảng 1 Giá trị và thông số của động cơ DC UGRMEM-02SSY42 4
6. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Độc lập - Tự do - Hạnh phúc ĐƠN VỊ: KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ Tp. HCM, Ngày 28 tháng 11 năm 2013 THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 1. Thông tin chung: - Tên đề tài: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRACKING CHO ĐỘNG CƠ DC - Mã số: T2013-03 - Chủ nhiệm: Ths.Đỗ Đức Trí - Cơ quan chủ trì:Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM - Thời gian thực hiện:12 tháng 2. Mục tiêu:  Xây dựng mô hình hóa cho động cơ DC.  Xây dựng mô hình toán cho động cơ DC.  Xây dựng luật điều khiển Tracking cho Động cơ DC.  Xây dựng file mô phỏng cho động cơ DC. 3. Tính mới và sáng tạo:  Về lý thuyết: - Xây dựng phương trình toán, mô hình toán, luật điều khiển Tracking cho động cơ DC. - Luật điều khiển hiện đại.  Về thực tiễn: - Ứng dụng điều khiển bám động cơ DC cho các hệ thống Robot, con lắc ngược, Solar cell, máy cắt . . . 4. Kết quả nghiên cứu: - Xây dựng phương trình toán, mô hình toán, luật điều khiển Tracking cho động cơ DC. - Xây dựng file mô phỏng hệ thống Tracking cho động cơ DC bám theo cơ sở lý thuyết. 5. Sản phẩm: 01 file mô phỏng hệ thống tracking cho động cơ DC. 01 bài báo 6. Hiệu quả, phƣơng thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng: - Cơ sở lý thuyết cho giảng dạy và nghiên cứu. - Ứng dụng điều khiển bám động cơ DC cho các hệ thống Robot, con lắc ngược, Solar cell nhúng qua card DSP. Trƣởng Đơn vị Chủ nhiệm đề tài (ký, họ và tên) (ký, họ và tên) 5
7. INFORMATION ON RESEARCH RESULTS 1. General information: Project title:Tracking Control of DC Motor Code number:T2013-03 Coordinator: Master DO DUC TRI Implementing institution:Ho Chi Minh City University of Technical Education Duration: from 01-2013 to 12-2013 2. Objective(s): - ModelingforDC motor. - Contructing mathematical modelforDC motor. - Trackingcontrol lawforDCmotor. - Making simulationfileforDC motor. 3. Creativeness and innovativeness:  Theory - Modeling, Contructing mathematical model, Trackingcontrol lawforDC motor. - Modern control.  Practices - ApplicatingDC motortrackingcontrollerforrobotsystem, inverted pendulum, Solarcell. 4. Research results: - Modeling, Contructing mathematical model, Trackingcontrol lawforDC motor. - Making simulation file of DC motortrackingcontroller. 5. Products: - 01Simulation file of DC motortrackingcontroller. - 01article. - 01 CD Simulation file of DC motortrackingcontroller. 6. Effects, transfer alternatives of reserach results and applicability: - Theoretical basisforteachingand research. - ApplicatingDC motortrackingcontrollerforrobotsystem, inverted pendulum, Solarcellembedded by DSPcard. 6
8. PHẦN MỞ ĐẦU Trong lĩnh vực điều khiển tự động, những đối tượng điều khiển thường sử dụng chủ yếu là động cơ như: Động cơ bước, Động cơ servo, Động cơ DC. Tùy theo nhu cầu và mục đích của các đối tượng mà người sử dụng có thể chọn động cơ nào thích hợp. Tuy nhiên trong điều khiển vị trí hệ thống yêu cầu độ chính xác cao. Để đáp ứng được độ chính xác, bộ điều khiển đơn giản về phần cứng, luật điều khiển đơn giản và hiện đại và sự thích ứng về không gian của động cơ. Nhóm nghiên cứu chọn đối tượng động cơ DC để thực hiện điều khiển bám( vị trí). Bởi vì động cơ DC có ưu điểm như sau:  Điều khiển vô cấp.  Moment xoắn tức thời.  Động cơ DC có kích thước phù hợp cho mọi đối tượng.  Dễ dàng thiết kế và điều khiển. Từ trước đến nay nhiều công trình nghiên cứu về lý thuyết cũng như thực nghiệm nhằm giải thích nguyên nhân, bản chất, hiện tượng mất ổn định và đã đưa ra giải pháp kỹ thuật để khống chế và loại trừ. Chẳng hạn như điều khiển động cơ DC bằng luật PID, người điều khiển thay đổi các thông số KP, KI, KD, cho đến khi hệ thống ổn định thì dừng, điều khiển theo phương pháp này mất nhiều thời gian và chưa tối ưu.  Tính cấp thiết, mục đích và nhiệm vụ của đề tài 1. Tính cấp thiết của đề tài:  Là cơ sở lý thuyết nghiên cứu trong lĩnh vực giảng dạy.  Là cơ sở trong lĩnh vực ứng dụng điều khiển mô hình thực.  Khai thác tối ưu điều khiển đa đối tượng.  Luật điều khiển hiện đại. 2. Mục tiêu nghiên cứu:  Xây dựng mô hình hóa cho động cơ DC.  Xây dựng mô hình toán cho động cơ DC.  Xây dựng luật điều khiển Tracking cho Động cơ DC.  Xây dựng file mô phỏng cho động cơ DC. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu: Vì động cơ DC là hệ phi tuyếncao và không ổn định, mang nhiều yếu tố bất định, trong khi nhiều phương pháp điều khiển hiện có chỉ thích hợp với những đối tượng đặc thù riêng 7
9. nên ở đây nhóm nghiên cứu chỉ nghiên cứu luật điều khiển bám cho động cơ DC. Đề tài sẽ tập trung vào luật điều khiển thích nghi và ổn định theo tiêu chuẩnổnđịnh thứ hai của Lyapunov. 4. Ý nghĩa khoa học, thực tiển của đề tài: Với nhiệm vụ đặt ra như trên thì rõ ràng đề tài sẽ bổ xung thêm vào nhóm các phương pháp điều khiển hiện có, một phương pháp mang tính hiện đại và tổng hợp hơn có khả năng ứng dụng vào thực tế thay vì sử dụng luật PID mà trước nay vẫn thực hiện. 5. Những đóng góp của đề tài: Đề tài có những đóng góp sau:  Về lý thuyết: Xây dựng phương trình toán, mô hình toán, luật điều khiển Tracking cho động cơ DC. Luật điều khiển theo hướng điều khiển hiện đại.  Về thực tiễn: Ứng dụng điều khiển bám động cơ DC cho các hệ thống Robot, con lắc ngược, Solar cell, máy cắt . . . 6. Cấu trúc của đề tài: Cấu trúc của đề tài được mô tả ở phần mục lục. Do mục tiêu của đề tài sẽ hướng tới đề xuất luật điều khiển bám(Tracking), luật điều khiển mới trên nền điều khiển thích nghi, bền vững. Cụ thể là: Chương 1 Tổng quan. Chương 2 Cơ sở lý thuyết. Chương 3 Nội dung đề tài. Chương 4 Thi công phần mềm và phần cứng động cơ DC. Chương 5 Kết luận. 8
10. CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN I. Tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài ở trong và ngoài nƣớc Trong sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, vấn đề tự động hóa sản xuất có vai trò đặc biệt quan trọng. Những ứng dụng kỹ thuật tự động hóa trong công nghiệp ngày càng được phát triển để làm tăng năng suất của dây chuyền công nghệ, cải tiến chất lượng sản phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện lao động. Đạt được vấn đề đó phải xét đến những hệ thống tự động hóa linh hoạt, chính xác, dễ điều khiển. Trong những năm gần đây, nhiều cơ sở công nghiệp đã bắt đầu nhập các dây chuyền tự động để lắp ráp linh kiện điện tử, thao tác hàn vỏ xe ô tô, xe máy, sơn phủ bề mặt, máy ép kim loại, đóng gói các chất phóng xạ nguy hiểm, Với sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật vi xử lý và vi tính, người ta đã tổng hợp ra các hệ điều khiển rất phức tạp, trong đó thiết bị điều khiển chính là máy tính có thêm các thiết bị ghép phối. Các thuật toán điều khiển được tính toán theo các phương pháp tối ưu và thích nghi. Hơn nữa, sự xuất hiện của nhiều công cụ phần mềm làm xúc tiến mạnh mẽ việc nghiên cứu phát triển các hệ thống điều khiển tự động, trong đó phải kể đến phần mềm Matlab, là công cụ do MathWorks xây dựng nên. Đến năm 2008, phần mềm này đã có đến phiên bản 8.0. Điều này có nghĩa là công nghệ truyền động đang chuyển từ hộp/tủ điều khiển sang vị trí ứng dụng. Bước tiến này có nhiều ưu điểm vì kiểu điều khiển phân tán mang lại tính linh hoạt cao hơn trong quá trình lập kế hoạch. Tuy nhiên, ưu điểm chính là chúng ta có thể thực sự tiết kiệm được thông qua việc giảm chi phí đi dây cáp và chi phí lập kế hoạch, lắp ráp, vận hành và bảo dưỡng. Hiện tại, trong hệ thống truyền động điện điều khiển vị trí được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp như trong cơ cấu truyền động cho tay máy, người máy, máy cắt gọt kim loại, quay anten, kính viễn vọng động cơ DC được sử dụng rộng rãi và có vai trò khá quan trọng trong các cơ cấu điều khiển vị trí. Giá trị thật tồn tại mãi mãi với thời gian! Chân lý đó đúng với cả các động cơ DC. Ngay cả khi người ta tiên lượng sự kết thúc của sản phẩm này đã gần kề, chúng tôi sẽ vẫn gìn giữ công nghệ này. Xét cho cùng, trong vận hành hàng ngày, động cơ DC đã chứng minh được giá trị của nó qua hàng bao thập kỉ; và đó là lí do để không cần phải tìm một sự thay thế nào khác. I.1.Điều khiển bám động cơ DC ở nƣớc ngoài: 1.1. W. Mitkowski, “Time Optimal Control of DC Motor”, X international PhD workshop, 2008. 9
11. 1.2. M. George “Speed Control of Separated Excited DC Motor”, American journal of applied sciences, Vol. 5, 227~ 233, 2008. 1.3. Control motor using state space discrete time optimal tracking controller(Mohamed salah méridjet,2n. debbache). 1.4. Satoru Terashima “A Design of Servo Controller for Nonlinear Systems Using State Dependent Riccati Equation”. 2003. I.2.Nghiên cứu động cơ DC ở Việt Nam: Discrete Time Optimal Tracking Control of DC Motor (Nguyen Thanh Phuong, Tran Dinh Huy*, Ngo Cao Cuong, Le Van Khai, Ngo Trong Hien and Hoang Nguyen Phuoc). 10
12. CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN HỆ THỐNG TRACKING CHO ĐỘNG CƠ DC 2.1 Mô hình toán của động cơ DC Động cơ DC là một thiết bị truyền động cung cấp chuyển động quay trực tiếp. R L Tm  +  J u e K - b Hình 1Mô hình động cơ DC Phương trình chuyển động của động cơ DC: d d 2 M M J J(1) C dt dt 2 Trong đó: MC là Moment cản. ω là gia tốc góc. θ là góc quay của động cơ Mômen điện từ của động cơ liên hệ với dòng điện cảm ứng và hằng số mômen Kt như sau: (2) M Kti 2.2.1Ổn định Lyapunov đối với hệ thống tuyến tính Tiêu chuẩn ổn định thứ hai của Lyapunov ( điều kiện đủ )Xét hệ thống được mô tả bởi phương trình trạng thái : x f (x1, x2, , xn) Nếu tìm được một hàm V(x) với mọi biến trạng thái x1 , x2 , , xn là một hàm xác định dấu dV x dương , sao cho đạo hàm của nó dựa theo phương trình vi phân của chuyển động bị dt nhiễu cũng là hàm xác định dấu , song trái dấu với hàm V(x) thì chuyển động không bị nhiễu sẽ ổn định tiệm cận .  V( x ). V ( x ) 0 : với mọi biến trạng thái xi ,i 1, n hệ thống ổn định tiệm cận.  V( x ). V ( x ) 0 : với mọi biến trạng thái xi , hệ thống ổn định .  V( x ). V ( x ) 0 : với mọi biến trạng thái xi , hệ thống không ổn định . Phƣơng trình Lyapunov 11
13. Xét hệ tuyến tính mô tả bởi phương trình trạng thái (hệ Autonom_hệ tự trị): x Ax (3) Yêu cầu cực tiểu hoá chỉ tiêu chất lượng J : T J x Qxdt (4) 0 với Q là ma trận vuông xác định dương. Chọn hàm năng lượng V(x) xác định dương : T V x x Sx (5) trong đó ma trận S là ma trận vuông xác định dương . Vx có dạng : TTT Vx xSx xSx xSx T TT Ax Sx x S Ax x Sx xTTTT A Sx x SAx x Sx TT x A S SA S x Do V(x) xác định dương , nên để hệ thống ổn định thì Vx() phải là xác định âm .Ta chọn V() x xT Qx ( do Q là ma trận xác định dương nên sẽ là xác định âm ) . Q AT S SA S (6) Điều kiện cần và đủ để trạng thái cân bằng x = 0 ổn định tiệm cận: cho trước bất kỳ một ma trận xác định dương Q và ma trận A ổn định , tồn tại một ma trận xác định dương S thoả mãn phương trình : AT S SA S Q S AT S SA Q (7) Phương trình (7) được gọi là phương trình Lyapunov . Khi S không thay đổi theo thời gian S 0 , ta có phương trình đại số Lyapunov : T 0 A S SA Q (8) Chỉ tiêu chất lượng J được tính như sau : J xTTTT Qxdt x Sx x Sx x 00 Sx 0 0 Khi tất cả các phần tử của ma trận A âm , ta có x 0 . Do đó : 12
14. T J x 00 Sx (9) 2.2.2 Điều khiển tối ƣu hệ tuyến tính với chỉ tiêu chất lƣợng dạng toàn phƣơng _ Phƣơng trình Riccati đối với hệ liên tục Xét hệ thống có tác động ngoài ( u 0 ): x Ax Bu (10) Chúng ta cần tìm ma trận K của vector điều khiển tối ưu : u t Kx t (11) thỏa mãn chỉ tiêu chất lượng J đạt giá trị cực tiểu : J xTQx uT Ru dt (12) 0 Trong đó Q là ma trận xác định dương ( hoặc bán xác định dương ) , R là ma trận xác định dương. Chú ý : thành phần thứ hai ở phần bên phải phương trình (12) xác định lượng năng lượng tiêu tốn của tín hiệu điều khiển . Chúng ta sẽ chứng minh luật điều khiển tuyến tính cho bởi phương trình (11) là luật điều khiển tối ưu. Khi đó, nếu ma trận K được xác định để tối thiểu hoá chỉ tiêu chất lượng J thì luật điều khiển u(t) sẽ tối ưu với mọi trạng thái ban đầu x(0) . Từ (10) và (11) ta có : x Ax BKx A BK x (13) Thay u t Kx t vào phương trình (12) : J xTQx xT K T RKx dt 0 (14) xT Q K T RK xdt 0 Bây giờ ta chọn hàm năng lượng : V() x xT Sx V( x )  0, x (15) với S là ma trận vuông xác định dương ( đạo hàm V(x) phương trình 15) TTT Vx() xSx xSx xSx TTTT x()() A BK Sx xSx xSA BKx TT x ()() ABKSSSABK x (16) Do V(x) xác định dương, nên để hệ thống ổn định thì Vx() phải là xác định âm. Ta đặt : 13
15. d TTT V()() x x Sx x Q K RK x dt ( do Q và R là ma trận xác định dương nên ma trận Q KT RK cũng là xác định dương, từ đó Vx() sẽ là xác định âm ). xQKRKxTTT x ABK T SSABK Sx T QKRK T ABK S SABK S (17) Theo tiêu chuẩn ổn định thứ hai của Lyapunov , nếu ma trận (A-BK) ổn định thì sẽ tồn tại một ma trận xác định dương S thoả mãn phương trình (17) . Chỉ tiêu chất lượng bây giờ có thể được xác định như sau : J xTQx uT Ru dt xT Sx x T Sx x 0 T Sx 0 0 0 Lưu ý rằng x 0 T J x 0 Sx 0 Đặt R T TT , phương trình (17) trở thành : AT K T BT S S A BK S Q K TT TTK 0 Phương trình trên có thể viết lại như sau : 1 T 1 AT S SA TK T T BT S TK T T BT S SBR 1BT S Q S 0(18) Chỉ tiêu chất lượng J đạt giá trị cực tiểu khi biểu thức : 1 T 1 xT TK T T BT S TK T T BT Sx đạt giá trị cực tiểu . 2 * 1 a N N k 1 Hệ hở: Q=0, u (r a x )a k b(1 a2N ) N 0 Hệ ổn định: rN = 0. Khi đó : 1 TK TT BT S 1 K T 1 TT BT S R 1BT S (19) Phương trình (19) cho ta ma trận tối ưu K . Như vậy , luật điều khiển tối ưu cho bài toán điều khiển tối ưu dạng toàn phương với chỉ tiêu chất lượng cho bởi phương trình (19) là tuyến tính và có dạng : 14
16. 1 T u t Kx t R B Sx t (20) Ma trận S khi đó phải thỏa mãn phương trình (18) được viết lại như sau : T 1 T A S SA SBR B S Q S (21) Phương trình (21) được gọi là phương trình Riccati . Khi S không thay đổi theo thời gian S 0 , ta có phương trình đại số Riccati ( ARE : Algebraic Riccati Equation ) : AT S SA SBR 1BT S Q 0 (22) Nhận xét: Phương trình Riccati dùng để tổng hợp các hệ tuyến tính với chỉ tiêu chất lượng dạng toàn phương . Với cách giải quyết này, ta vừađảm bảo được tínhổnđịnh của hệ thống (do cách chọn hàm năng lượngV(x) theo tiêu chuẩnổnđịnh thứ hai của Lyapunov), vừa cực tiểu hoá được chỉ tiêu chất lượng J theo yêu cầu bài toánđặt ra. Tuy nhiên , có vàiđiểm ta cần chúý: đối với bài toánáp dụng phương trình Riccati thì việc chọn ma trận trọng lượng thích hợpở chỉ tiêu chất lượng rất quan trọng vì nóảnh hưởng rất nhiềuđến kết quả tính toán. Bên cạnhđó, khi xét hệ rời rạc phảiđảm bảo sự hội tụ của Kk; nếu không thì cần phải tăng số trạng thái, khi đó khối lượng tính toán cũng tăng rất nhiều, chỉ phù hợp khi giải bằng máy tính. 2.2.3Bài toán Regular Cho hệ thống từ phương trình (10): x =Ax+Bx y=Cx Tìm luật điều khiển tối ưu u để y -> 0 khi t -> ∞ Luật điều khiển tối ưu từ phương trình (20): = −푅−1 푆 Trong đó S là nghiệm của phương trình Riccati từ phương trình (22): 0 = 푆 + 푆 + 푄 − 푆 푅−1 2.2.4Bài toán Tracking Cho hệ thống từ phương trình (10): x = Ax + Bx y = Cx Tìm luật điều khiển tối ưu u để y -> r khi t -> ∞ Giả sử tín hiệu ngõ vào là hàm ramp Đặt 15
17. e t r t y t (23) e t r t y t r t Cx (24)   e t Cx (25) x A 0 0 x B d n 1 n 1 e C 0 0 e 0 w (26) dt e 0 1 0 e 0      A  Ba Xa a Xa 2.2.5Card DSP(Digital Signal Processor) Quá trình khảo sát cơ sở lý thuyết chỉ dựa vào phần mềm để mô phỏng còn điều khiển mô hình động cơ DC thực sự là một minh chứng thực tế cho việc mô phỏng. Để điều khiển Online cho động cơ DC có nhiều phương pháp, ở đây nhóm nghiên cứu sẽ sử dụng Card DSP chuyển đổi tín hiệu số thành tín hiệu điều khiển mô hình thực. Card DSP có rất nhiều họ DSP, ở đây nhóm nghiên cứu chọn Card DSP F28335 để thực hiện. hình dạng thực tế của card được thể hiện như hình 2: Hình 2: Card DSP họ F28335 . Các thông số cơ bản của DSP TMS 320F28335ZJZA của hãng Texas Instrument(TI): - Tốc độ 150Mhz - Giao tiếp máy tính: USB - Áp IO: 3,3/5V - Bộ nhớ: 256K x 16 Flash,34K x 16 SARAM . - Boot ROM(8K x 16) . - 64 chân GPIO(GPIO0- GPIO63) . 16
18. - Timer 32 bit. 2.2.5.1.Sơ đồ chân IC TMS320F28335. Hình 3: Sơ đồ chân IC F28335. 2.2.5.2.Sơ đồ các khối chức năng. 17
19. Hình 4: Sơ đồ khối F28335. 2.2.5.3.Các khối module cơ bản. a. Tổng quan về DMA. Các tính năng: 6 kênh với PIE ngắt độc lập. Nguồn khởi động - ePWM SOCA/SOCB. - ADC tuần tự 1 và 2. - Mạch logic truyền và nhận McBSP-A và McBSP-B. - XINT1–7 và XINT13. 18
20. - Dữ liệu nguồn. - L4-L7 16K× 16SARAM. - Tất cả các vùng XINTF. - Thanh ghi ePWM. b. Module PWM tăng cƣờng (ePWM). IC F28335 chứa tới 6 module ePWM (ePWM1, ePWM2, ePWM3, ePWM4, ePWM5, ePWM6). c. PWM độ phân giải cao (HRPWM). Các module HRPWM cung cấp PWM độ phân giải cao, tốt hơn đáng kể so với cách sử dụng phương pháp PWM kỹ thuật số. Những đặc điểm chính của module HRPWM là: - Khả năng mở rộng độ phân giải thời gian được suy ra từ phương pháp kỹ thuật số PWM. - HRPWM thường được sử dụng khi độ phận giải PWM giảm xuống dưới 9-10 bit. Điều này xảy ra ở PWM có tần số lớn hơn 200kHz khi sử dụng một CPU/hệ thống có xung đồng hồ 200MHz. - Khả năng này có thể được sử dụng ở cả 2 chu kỳ hoạt động và phương pháp điều khiển làm lệch pha. - Module eCAP. Tương tự như ePWM, họ IC 2833x, 2823x chứa 6 module eCAP (eCAP1, eCAP2CAP3, eCAP4, eCAP5, eCAP6). Module eQEP. Họ IC này có chứa 2 module (eQEP1, eQEP2). a. Module ADC. Module ADC bao gồm 12bit với một mạch S/H. Chức năng của module ADC bao gồm: 12bit ADC cốt lõi bên trong S/H. - Analog ngõ vào: 0.0V-3.0V. - Tốc độ chuyển đổi nhanh: 80ns tại ADC có xung đồng hồ 25MHz, 12.5MSPS. - 16 kênh ADC chuyên dụng. 8 kênh ghép cho mỗi S/H. - Bộ tuần tự tự động có khả năng cung cấp 16 quá trình chuyển đổi tự động trong mỗi phiên. - Bộ tuần tự có thể được triển khai bằng 2 bộ tuần tự8 trạng thái độc lậphoặc bằng 1 bộ tuần tự 16 trạng thái. - Nhiều trigger như là nguồn cho trình tự SOC. 19
21. Hình 5: Sơ đồ khối của mạch DAC 20
22. S K L 0 0 2 1 5 4