TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM
KHOA CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN HỌC PHẦN 2

ỨNG DỤNG MATLAB THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN
TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP

GVHD: ThS. Nguyễn Phú Cơng
SVTH: Nguyễn Văn Dũ
Lớp: 09DHTDH2
MSSV: 2032181020

TP. HỜ CHÍ MINH, Tháng 12 Năm 2020


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
..................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................

..................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................


LỜI CẢM ƠN
Sau khi kết thúc 4 học kì tại trường, mỗi sinh viên cần được cũng cố kiến thức đã
học được tại trường, vì thế đồ án học phần 2 là cơ hội để sinh viên ứng dụng kiến thức
vào một sản phẩm thực tế, nhằm rèn luyện nâng cao kỹ năng. Em xin trân thành cảm ơn
các thầy cô trong khoa Công Nghệ Điện- Điện tử Trường Đại học Cơng nghiệp Thực
phẩm TP.Hồ Chí Minh. Các thầy cơ đã trang bị kiến thức quý báu, cũng như giúp đỡ em
trong quá tình học tập và làm đồ án này.
Em xin trân thành cảm ơn thầy Nguyễn Phú Công – giảng viên trực tiếp hướng dẫn
đã tận tình hướng dẫn, khích lệ và góp ý để em có thể hồn thành tốt nhất đề tài trong khả
năng của mình. Đồng thời, xin cảm ơn các bạn sinh viên đã hết lòng giúp đỡ. Do kiến
thức của em còn hạn chế nên trong đồ án này cịn nhiều sai xót em rất mong được sự
thơng cảm và góp ý của quý thầy cô. Rất mong nhận được sự giúp đỡ của quý thầy cô để
cho đồ án của em được hồn chỉnh hơn. Em xin chân thành cảm ơn!

Lê Thị Hồng Ánh


MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN .............................................................................................. 1
1.1 Giới thiệu đề tài ....................................................................................................... 1
1.2 Nội dung đề tài ........................................................................................................ 1
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................................... 2
2.1 Động cơ một chiều ................................................................................................ 2
2.1.1 Giới thiệu động cơ DC ................................................................................ 2
2.2.2 Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ ..................................................... 2
2.2 Phương pháp ổn định tốc độ động cơ dùng thuật toán PID .................................. 3
2.2.1 Thuật toán PID ............................................................................................ 3
2.2.2 Luật điều chỉnh PID .................................................................................... 4
2.3 Bộ điều khiển mờ .................................................................................................. 5
2.3.1 Giới thiệu bộ điều khiển mờ...................................................................... 5
2.3.2 Cấu trúc bộ điều khiển mờ ........................................................................ 6
2.3.3 Các bước thiết kế hệ thống điều khiển mờ ................................................ 8
2.3.4 Sơ đồ điều khiển sử dụng bộ điều khiển mờ ............................................. 8
CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH TỐN HỌC ĐỘNG CƠ VÀ KẾT QUẢ MƠ PHỎNG TRÊN
MATLAB/SIMULINK ...................................................................................................... 10
3.1 Mơ hình vật lý động cơ DC kích từ độc lập ....................................................... 10
3.2 Mơ hình tốn động cơ DC................................................................................... 11
3.3 Mô phỏng hệ thống điều khiển trực tiếp vịng hở ............................................... 13
3.4 Mơ phỏng hệ thống với bộ diều khiển PID......................................................... 17
3.5 Mô phỏng hệ thống với bộ điều khiển PID mờ .................................................. 18
3.5.1 Định nghĩa các biến vào / ra ...................................................................... 18
3.5.2 Xác định tập mờ cho các biến vào / ra ...................................................... 18


3.5.3 Xây dựng luật hợp thành ........................................................................... 20
3.5.4 Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển PID mờ cho hệ thống .............................. 21
CHƯƠNG 4 KẾT NỐI PHẦN MỀM MATLAB/SIMULINK VỚI BOARD ARDUINO
VÀ THIẾT KẾ PHẦN CỨNG .......................................................................................... 24

4.1 Cách tải và cài đặt thư viện Simulink hỗ trợ board arduino cho Matlab ............. 24
4.2 Thiết kế phần cứng .............................................................................................. 26
4.2.1 Vi điều khiển ............................................................................................. 26
4.2.2 Encoder ...................................................................................................... 29
4.2.3 Nguồn điện ................................................................................................ 31
4.2.4 Mạch Driver động cơ................................................................................. 32
4.2.5 Động cơ NF5475E ..................................................................................... 35
4.3 Kết nối giữa phần cứng với Simulink ................................................................. 36
4.3.1 Sơ đồ khối và sơ đồ kết nối phần cứng ..................................................... 36
4.4 Điều khiển động cơ với thư viện simulink hỗ trợ bo arduino ............................. 37
CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN ................................................................................................ 39
5.1 Kết luận ............................................................................................................... 39
5.2 Hạn chế ............................................................................................................... 39
5.3 Hướng phát triển ................................................................................................. 39
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 40


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1 Tác động của việc tăng một thông số P,I,D độc lập .......................................... 5
Bảng 3.1 Tham số động cơ một chiều kích từ độc lập nam châm vĩnh cửu ................... 10
Bảng 3.2 Các thông số động cơ một chiều kích từ độc lập nam châm vĩnh cửu ............ 13
Bảng 3.3 So sánh kết quả mô phỏng đáp ứng vòng hở của động cơ ............................... 16
Bảng 3.4 Các quy tắc mờ của bộ điều khiển PID mờ ..................................................... 20

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 2.1: PWM.................................................................................................................. 3
Hình 2.2: Dạng sóng dịng và điện áp trên động cơ .......................................................... 3
Hình 2.3: Mơ hình thuật tốn PID ..................................................................................... 4
Hình 2.4: Sơ đồ hệ thống bộ điều khiển mờ cơ bản .......................................................... 5

Hình 2.5: Cấu trúc bộ điều khiển mờ ................................................................................ 6
Hình 2.6: Sơ đồ bộ điều khiển mờ cơ bản ......................................................................... 6
Hình 2.7: Sơ đồ tổng quát của hệ thống cần thiết kế ......................................................... 8
Hình 2.8: Sơ đồ khối bộ điều khiển PID mờ ..................................................................... 8
Hình 2.9: Luật chỉnh định PID .......................................................................................... 9
Hình 2.10: Quan hệ Kp, Kd ................................................................................................. 9
Hình 3.1: Mơ hình động cơ một chiều kích từ độc lập nam châm vĩnh cửu ................... 10
Hình 3.2: Sơ đồ cấu trúc động cơ một chiều kích từ độc lập .......................................... 11
Hình 3.3: Sơ đồ khối hàm truyền động cơ ...................................................................... 12
Hình 3.4: Sơ đồ simulink cấu trúc động cơ vịng hở ....................................................... 13
Hình 3.5: Đáp ứng tốc độ khi có điện áp Va ................................................................... 14
Hình 3.6: Đáp ứng dịng điện khi có điện áp Va ............................................................. 14
Hình 3.7: Đáp ứng tốc độ góc ở chế độ có tải và điện áp Va .......................................... 15
Hình 3.8: Đáp ứng dịng điện ở chế độ có tải và điện áp Va........................................... 16


Hình 3.9: Sơ đồ Simulink bộ điều khiển PID cho hệ thống ............................................ 17
Hình 3.10: Bộ điều khiển PID ........................................................................................... 17
Hình 3.11: Đáp ứng tốc độ góc của động cơ với bộ điều khiển PID ................................ 17
Hình 3.12: Đáp ứng dòng điện của động cơ với bộ điều khiển PID ................................. 18
Hình 3.13: Hàm thuộc sai lệch ET .................................................................................... 19
Hình 3.14: Hàm thuộc của tốc độ thay đổi DET ............................................................... 19
Hình 3.15: Hàm thuộc DU biến điều khiển ngõ ra ............................................................ 20
Hình 3.16: Đáp ứng ngõ ra theo ngõ vào trong khơng gian .............................................. 20
Hình 3.17: Sơ đồ Simulink bộ điều khiển PID mờ ở chế độ không tải ............................. 21
Hình 3.18: Đáp ứng tốc độ góc của động cơ với bộ điều khiển PID mờ chế độkhơng tải 21
Hình 3.19: Đáp ứng dòng điện của động cơ với bộ điều khiển PID mờ chế độkhơng tải 22
Hình 3.20: Sơ đồ Simulink bộ điều khiển PID mờ ở chế độ có tải ................................... 22
Hình 3.21: Đáp ứng tốc độ góc của động cơ với bộ điều khiển PID mờ chế độ có tải ..... 23
Hình 3.22: Đáp ứng dịng điện của động cơ với bộ điều khiển PID mờ chế độ có tải...... 23

Hình 4.1: Chọn Get Hardware Support Packages ........................................................... 24
Hình 4.2: Tìm kiếm thư viện hỗ trợ bo arduino .............................................................. 24
Hình 4.3: Tiến hành cài đặt ............................................................................................. 24
Hình 4.4: Một số điều khoản thỏa thuận ......................................................................... 25
Hình 4.5: Một số giấy phép ............................................................................................. 25
Hình 4.6: Quá trình tải xuống và cài đặt thư viện ........................................................... 25
Hình 4.7: Cài đặt hồn tất thư viện.................................................................................. 26
Hình 4.8: Thư viện Simulink hỗ trợ board arduino khi cài đặt hoàn tất ......................... 26
Hình 4.9: Arduino Uno R3 .............................................................................................. 27
Hình 4.10: Sơ đồ chân Arduino Uno R3 ........................................................................... 28
Hình 4.11: Encoder ............................................................................................................ 29
Hình 4.12: Hai kênh cảm biến của Encoder ...................................................................... 31
Hình 4.13: Nguồn xung ..................................................................................................... 31
Hình 4.14: L298 ................................................................................................................. 33


Hình 4.15: Sơ đồ ngun lí L298 ...................................................................................... 33
Hình 4.16: Sơ đồ chân IC L298 ......................................................................................... 34
Hình 4.17: Mạch cầu H có diode bảo vệ ngược dịng ....................................................... 34
Hình 4.18: Động cơ Nisca NF5475E gắn encoder ............................................................ 35
Hình 4.19: Cách kết nối dây cho động cơ ......................................................................... 35
Hình 4.20: Sơ đồ khối kết nối Simulink và phần cứng ..................................................... 36
Hình 4.21: Sơ đồ kết nối phần cứng .................................................................................. 36
Hình 4.22: Chương trình Simulink điều khiển tốc độ động cơ ......................................... 37
Hình 4.23: Hình ảnh phần cứng thực hiện......................................................................... 37
Hình 4.24: Đáp ứng tốc độ của động cơ thực tế ................................................................ 38


CHƯƠNG 1.


TỔNG QUAN

1.1. Giới thiệu đề tài
Khoa học công nghệ hiện đại đã có những bước tiến nhanh và xa đi theo theo đó là
những thành tựu ứng dụng trong mọi lĩnh vực và đời sống, công nghiệp. Kỹ thuật điều
khiển trong tiến trình hồn thiện lý thuyết cũng tạo cho mình nhiều phát triển có ý nghĩa.
Bây giờ khi nhắc tới điều khiển con người hình dung đến sự chính xác, tốc độ xử lý và
thuật tốn thơng minh.
Bài toán thiết kế bộ điều khiển động cơ một chiều là bài tốn cơ bản và quen thuộc.
Có thể thiết kế điều khiển cho đối tượng động cơ điện một chiều theo nhiều phương
pháp như: dùng PLC & biến tần, điện tử công suất, vi điều khiển,… Mỗi phương pháp có
ưu và nhược điểm khác nhau nhưng đều có mục đích ổn định và điều khiển tốc độ động
cơ. Ngày nay vi điều khiển phát triển sâu rộng và ngày càng ứng dụng nhiều trong cài đặt
thiết kế bộ điều khiển cho các đối tượng công nghiệp.
1.2. Nội dung đề tài
Động cơ điện một chiều được ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực thực tiễn,
vì vậy có rất nhiều đề tài thiết kế bộ điều khiển cho động cơ một chiều và được đề cập rất
nhiều trên sách báo, tập chí, internet…Việc ứng dụng động cơ DC vào sản xuất cũng như
nghiên cứu khoa học đã mang lại những thành tựu nhất định. Tuy nhiên để động cơ DC
hoạt động tốt thì phải thiết kế cho nó một bộ điều khiển giúp cho động cơ hoạt động một
cách linh hoạt. Hiện nay có rất nhiều bộ điều khiển có thể làm tốt việc đó, tuy nhiên cá
em nhận thấy bộ điều khiển PID có thể đáp ứng tốt yêu cầu của việc điều khiển động cơ
DC, vì vậy em nhận đề tài “ Ứng dụng Matlab thiết kế bộ điều khiển tốc độ động cơ 1
chiều kích từ độc lập” nhằm tìm hiểu rõ hơn về bộ điều khiển PID và cách ứng dụng
Matlab để giao tiếp giữa vi điều khiển với máy tính.

1


CHƯƠNG 2.

2.1.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Động cơ điện một chiều

2.1.1. Giới thiệu động cơ DC
Động cơ điện một chiều là động cơ điện hoạt động với dòng điện một chiều. Động
cơ điện một chiều ứng dụng rộng rãi trong các ứng dụng dân dụng cũng như công nghiệp.
Cấu tạo động cơ gồm có 2 phần: phần đứng yên stato và phần quay roto. Phần cảm (phần
kích từ - thường đặt ở stato) tạo ra từ trường đi trong mạch, xuyên qua các vòng dây quấn
của phần ứng ( thường đặt trên roto). Khi có dịng điện chạy trong mạch phần ứng, các
thanh dẫn phần ứng sẽ chịu tác động bởi các lực điện từ theo phương tiếp tuyến với mặt
trụ roto, làm cho roto quay.
Tùy theo cách mắc cuộn dây roto và stato mà người ta có các loại động cơ sau:
-

Động cơ kích từ độc lập: Cuộn dây kích từ (cuộn dây stato) và cuộn dây
phần ứng (roto) mắc riêng lẻ nhau, có thế cấp nguồn riêng biệt.

-

Động cơ kích từ nối tiếp: Cuộn dây kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần
ứng.

-

Động cơ kích từ song song: Cuộn dây kích từ mắc song song với cuộn dây
phần ứng.


-

Động cơ kích từ hỗn hợp: Có 2 cuộn dây kích từ song song và nối tiếp so với
phần ứng

Đối với loại động cơ kích từ độc lập, người ta có thể thay thế cuộn kích từ bằng
nam châm vĩnh cửu, khi đó ta có loại động cơ điện một chiều dùng nam châm vĩnh cửu.
2.1.2. Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ
Đối với động cơ kích từ độc lập dùng nam châm vĩnh cửu, để thay đổi tốc độ động
cơ ta thay đổi điện áp cung cấp cho roto. Việc cấp áp 1 chiều thay đổi thường khó khăn
nên người ta dùng phương pháp điều xung PWM (Pulse Width Modulation).
PWM là phương pháp điều chỉnh điện áp ra tải hay nói cách khác là phương pháp
điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông, dẫn đến sự thay đổi điện áp

2


ra. Các PWM khi biến đổi thường có cùng tần số và khác nhau về độ rộng cuả sườn
dương hay sườn âm.

Hình 2.1: PWM

Phương pháp điều xung thay đổi chu kỳ nhiệm vụ (Duty cycle) để thay đổi điện áp
trung bình đặt lên động cơ.

V
Điện áp trung bình:

dk


 T on Vin
T

(2.1)

Do đặt tính cảm kháng của động cơ, dịng điện qua động cơ là dịng liên tục gợn
sóng như sau:

Hình 2.2: Dạng sóng dịng và điện áp trên động cơ

2.2. Phương pháp ổn định tốc độ động cơ dùng thuật toán PID
2.2.1. Thuật toán PID:
G  K p e  t   Ki  e  t  dt  K d

de  t 
dt

(2.2)

3


Trong đó:
- Kp : Hệ số khâu tỉ lệ (Khâu khuếch đại)
- Ki : Hệ số khâu tích phân
- Kd : Hệ số khâu vi phân

Hình 2.3: Mơ hình thuật toán PID
2.2.2. Luật điều khiển PID
Các thành phần P, I, và D trong bộ điều khiển PID (số) có ý nghĩa rất cụ thể và rõ

ràng. Trong bài toán điều khiển bám (theo giá trị đặt), thành phần tỷ lệ P phản ứng lại
ngay với sai lệch, không cần "nhớ" đáp ứng trước đó như thế nào, nhờ vậy mà nó tạo ra
đáp ứng nhanh và kịp thời. Thành phần tích phân I là thành phần "có nhớ", nó lưu lại giá
trị điều khiển của vịng lặp trước sau đó điều chinh thêm vào hay bớt đi một lượng nào đó
(do hệ số Ki và độ lớn của sai số quyết định) để tạo ra tín hiệu điều khiển cho vòng lặp
tiếp theo cho đến khi sai lệch bằng 0. Thành phần D cũng là một thành phần "có nhớ", nó
so sánh mức độ chênh lệch của sai lệch ở vòng lặp hiện tại và sai lệch được lưu ở vịng
lặp trước đó để đưa ra tín hiệu điều khiển của riêng mình. Khi độ chênh giữa sai lệch của
hai chu kỳ điều khiển kế tiếp càng lớn thì tín hiệu điều khiển ra của nó cảng lớn (bản chất
của đạo hàm). Còn nếu sai lệch của chu kỳ điều khiển hiện tại cũng giống như sai lệch ở
chu kỳ điều khiển trước (nghĩa là sai lệch vẫn còn nhưng khơng thay đổi) thì tín hiệu điều
khiển ra của nó bằng 0. Như vậy, ba thành phần P, I, và D trong một mạch vòng điều
khiển cũng tương tự như 7 nốt nhạc trong một bản nhạc. Bằng cách phối hợp các thành
4


phần đó với những tỷ lệ khác nhau chúng ta cũng có thể tạo ra một "bản nhạc",điều khiển
với các "giai điệu" khác nhau. Nếu phối hợp tốt sẽ tạo ra một bản nhạc như mong muốn
và êm ái. Còn nếu phối hợp khơng khéo thì sẽ tạo ra một bản nhạc uốn éo, giật cục với
giai điệu khó có thể biết trước được.
Bảng 2.1: Tác động của việc tăng một thông số P, I, D độc lập

Thông số

Thời gian
khởi động

Quá độ

Thời gian xác

lập

Sai số ổn định

Độ ổn định

Kp

Giảm

Tăng

Thay đồi nhỏ

Giảm

Giảm

Ki

Giảm

Tăng

Tăng

Giảm đáng kể

Giảm


Kd

Giảm

Giảm ít

Giảm ít

Về lý thuyết

Cải thiện nếu

khơng tác động

Kd nhỏ

2.3. Bộ điều khiển mờ
2.3.1. Giới thiệu bộ điều khiển mờ
Bộ điều khiển được thực hiện trên cơ sở lý thuyết mờ gọi là bộ điều khiển mờ.
Bộ điều khiển mờ cho phép đưa các kinh nghiệm điều khiển của các chuyên gia vào
thuật toán điều khiển.
Chất lượng điều khiển mờ phụ thuộc rất nhiều vào kinh nghiệm của người thiết kế.
Bộ điều khiển mờ có ưu thế trong các hệ thống sau:
- Hệ thống điều khiển phi tuyến.
- Hệ thống điều khiển mà các thông tin đầu vào/đầu ra khơng đủ hoặc khơng chính
xác.
- Hệ thống điều khiển khó xác định hoặc khơng xác định được mơ hình đối tượng.
Sơ đồ điều khiển của bộ điều khiển mờ:

Hình 2.4: Sơ đồ hệ thống bộ điều khiển mờ cơ bản

5


2.3.2. Cấu trúc bộ điều khiển mờ
Bộ điều khiển mờ gồm 4 khối : mờ hóa, hệ luật mờ, thiết bị hợp thành, giải mờ.
Khi ghép bộ điều khiển mờ vào hệ thống, thường ta cần thêm hai khối tiền xử lý và
hậu xử lý.

Hình 2.5: Cấu trúc bộ điều khiển mờ

Bộ điều khiển mờ bao gồm :
- Bộ điều khiển mờ cơ bản :

Hình 2.6: Sơ đồ bộ điều khiển mờ cơ bản

+ Mờ hóa : biến giá trị rõ đầu vào thành giá trị mờ
+ Hệ luật mờ: Tập các luật “if-then” . Đây là “bộ não” của bộ điều

khiển mờ.

Luật mờ “if-then” có 2 dạng : Luật mờ Mamdami và luật mờ Sugeno.
+ Thiết bị hợp thành : biến đổi các giá trị đã được mờ hóa ở đầu vào thành các giá
trị đầu ra theo các luật hợp thành nào đó.
+ Giải mờ : biến giá trị đầu ra của khối của thiết bị hợp thành thành giá trị rõ.
6


-Tiền xử lý : xử lý tín hiệu trước khi đi vào bộ điều khiển mờ cơ bản
+ Lượng tử hóa hoặc làm trịn giá trị đo
+ Chuẩn hóa hoặc chuyển tỉ lệ giá trị đo vào tầm giá trị chuẩn

+ Lọc nhiễu.
+ Lấy vi phân hay tích phân.
- Hậu xử lý : Xử lý tín hiệu ngõ ra của bộ điều khiển mờ cơ bản.
+ Chuyển tỉ lệ giá trị ngõ ra của bộ điều khiển mờ cơ bản (trong trường hợp ngõ ra
định nghĩa trên tập cơ sở chuẩn) thành giá trị vật lý.
+ Đơi khi có khâu tích phân.
- Bộ điều khiển Mamdami :
Bộ điều khiển Mamdami là bộ điều khiển mờ dựa trên các luật mờ Mamdami
If ( x1 = A1) and (x2 = A2) …and ( xn = An) then y = B
Trong đó Ai , B là các tập mờ.
- Bộ điều khiển sugeno :
+ Bộ điều khiển mờ Sugeno là bộ điều khiển mờ dựa trên các luật mờ Sugeno :
If ( x1 = A1) and (x2 = A2) …and ( xn = An) then y = f (x1, x2,….,xn)
Trong đó :
Ai : là các tập mờ
f(.) là hàm của các tín hiệu vào (hàm rõ)
+ Phương pháp giải mờ dùng trong BĐK mờ Sugeno là tổng có trọng số

- So sánh:
+ BĐK mờ Mamdani thích hợp để điều khiển các đối tượng khơng xác định được
mơ hình.
+ BĐK mờ Sugeno thích hợp để điều khiển các đối tượng có mơ hình khơng chính
xác hoặc mơ hình phi tuyến được tuyến tính hóa từng đoạn.BĐK mờ Mamdani có phần
kết luận trong hệ luật là các tập mờ dạng singleton cũng chính là BĐK mờ Sugeno có hệ
luật mà phần kết luận là hằng số.
7


2.3.3. Các bước thiết kế hệ thống điều khiển mờ
Để thiết kế được bộ điều khiển mờ, ta theo các bước như sau:

- Bước 1: Định nghĩa tất cả các biến ngôn ngữ vào/ra được sử dụng trong hệ thống.
- Bước 2: Xác định các tập mờ cho từng biến vào/ra (miền giá trị vật lý của các biến;
số lượng tập mờ; xác định hàm thuộc).
- Bước 3: Xây dựng luật hợp thành.
- Bước 4: Chọn thiết bị hợp thành.
- Bước 5: Giải mờ và tối ưu hố.

Hình 2.7: Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống cần thiết kế

2.3.4. Sơ đồ điều khiển sử dụng bộ điều khiển PID mờ
BỘ CHỈNH
ĐỊNH MỜ

de
dt

x

THIẾT BỊ
CHỈNH
ĐỊNH

e

BĐK
PID

u

ĐỐITƯỢNG


y

Hình 2.8: Sơ đồ khối bộ điều khiển PID mờ

Mơ hình tốn của bộ PID:
t

u(t) = Kpe(t)+ K I  e(t )dt  K D
0

GPID(s) = K P 

KI
 KDs
s

de(t )
dt

(2.2)
(2.3)

Các tham số KP, KI, KD được chỉnh định theo từng bộ điều khiển mờ riêng biệt dựa
trên sai lệch e(t) và đạo hàm de(t). Có nhiều phương pháp khác nhau để chỉnh định bộ
8


PID ( xem các phần sau) như là dựa trên phiếm hàm mục tiêu, chỉnh định trực tiếp, chỉnh
định theo Zhao, Tomizuka và Isaka … Nguyên tắc chung là bắt đầu với các trị KP, KI, KD

theo Zeigler-Nichols, sau đó dựa vào đáp ứng và thay đổi dần để tìm ra hướng chỉnh định
thích hợp.
Luật chỉnh định PID:

Hình 2.9:Luật chỉnh định PID

+ Lân cận a1 ta cần luật ĐK mạnh để rút ngắn thời gian lên, do vậy chọn: KP lớn, KD
nhỏ và KI nhỏ.
+ Lân cận b1 ta tránh vọt lố lớn nên chọn: KP nhỏ, KD lớn, KI nhỏ.
+ Lân cận c1 và d1 giống như lân cận a1 và b1.

Hình 2.10: Quan hệ Kp, Kd

Hai tham số Kp, Kd xem như mỗi tham số điều chỉnh điều chỉnh một đường cong,
để điều chỉnh hai đường kết hợp như một đường thì phải chỉnh sự phối hợp giữa Kp và
Kd
9


CHƯƠNG 3.

MƠ HÌNH TỐN HỌC ĐỘNG CƠ VÀ KẾT QUẢ MƠ
PHỎNG TRÊN MATLAB/SIMULINK

3.1. Mơ hình vật lý động cơ DC kích từ độc lập

Hình 3.1 : Mơ hình động cơ một chiều kích từ độc lập nam châm vĩnh cửu

Giả thuyết kích từ động cơ được giữ khơng đổi, ta có mơ hình động cơ DC kính từ
độc lập mơ tả trên hình 3.1.

Bảng 3.1: Tham số động cơ một chiều kích từ độc lập nam châm vĩnh cửu

STT

Kí hiệu

Ý nghĩa

Đơn vị

1

Va

Điện áp phần ứng

Volt (V)

2

Ra

Điện trở phần ứng

Ohms (Ω)

3

La


Điện cảm phần ứng

H

4

P

Cơng suất

W

5

E

Sức phản điện động

Volt (V)

6

na

Tốc độ vịng

Vịng/phút (RPM)

7


W

Tốc độ động cơ

Rad/s

8

M

Momen của động cơ

Nm

9

Mc

Momen tải quy đổi về trục động cơ

Nm

10

B

Hệ số ma sát

Nms


11

J

Momen quan tính

Kg-m2

12

Ф

Từ thơng

Vs

10


3.2. Mơ hình tốn động cơ DC
Phương trình mạch vịng điện áp cho phần ứng động cơ:

dia
dt

(3.1)

E = KФwa

(3.2)


Va = e + Raia + La
Trong đó:

Phương trình cân bằng mơmen trên trục động cơ:

dwa
dt

(3.3)

M = KФI

(3.4)

M= Mc +Bwa + J
Trong đó:

Áp dụng biến đổi Laplace, các phương trình (3.1) => (3.4) trở thành:
Va(s) = E(s) + RaIa(s) + LasIa(s)

(3.5)

E(s) = KФ*Wa(s)

(3.6)

M(s) = Mc(s) + BWa(s) +JsWa(s)

(3.7)


M(S) = KФIa(s)

(3.8)

Từ 3.5 suy ra:

[Va (s)  E (s)]
Ia(s) =

1 a s

1
Ra

(3.9)

Trong đó :
Τa = La /Ra : thời hằng phần ứng (thời hằng điện từ) cửa động cơ
Từ biểu thức (3.7) suy ra:
Wa ( s) 

[M (s)  M c (s)]
1 m s

1
B

(3.10)


Trong đó:
τm = J/B : thời hằng cơ của hệ thống.
Các quan hệ này có thể biểu diễn bằng sơ đồ khối như hình 3.2

Hình 3.2: Sơ đồ cấu trúc của động cơ một chiều kích từ độc lập (Từ thơng không đổi)
11


Từ hình 3.2 có thể suy ra quan hệ giữa tốc độ w(s) với điện áp phần ứng Vd(s) và
mômen tải Mc(s):

wa (s) 

G ( s)
G ( s)
1
2
Va (s) 
M ( s)
1  G ( s) H ( s)
1  G ( s) H ( s) c
1
1
2
2

(3.11)

Trong đó:


1 / Ra
1/ B
G ( s) 
* K *
1
1  s a
1 s m

(3.12)

H1 (s)  k

(3.13)

G2 ( s) 

1 / B
1  s m

(k ) 2

Ra
H 2 ( s) 
1  s a

(3.14)

(3.15)

Biểu thức (3.11) cho thấy tốc độ w(s) là xếp chồng của đáp ứng của động cơ với

tín hiệu vào lần lượt là Va(s) và Mc(s).
Xét đáp ứng của tốc độ động cơ wa(s) với điện áp phần ứng Va(s) ( lúc này, xem
Mc(s) = 0). Từ biểu thức (3.11), (3.12), ( 3.13), ta có:

Hình 3.3: Sơ đồ khối hàm truyền động cơ

Từ hình 3.3 ta có hàm truyền của động cơ DC:

Wa ( s )
K

Va ( s ) La JS 2  ( Ra J  La B) S  Ra B  ( K ) 2

(3.16)

12


Bảng 3.2: Các thơng số động cơ một chiều kích từ độc lập nam châm vĩnh cửu

Thơng số

STT

Kí hiệu

Giá trị

Đơn vị


1

Điện áp nguồn

Va

24

Volt (V)

2

Công suất

P

30

Watt (W)

1

Điện trở phần ứng

Ra

0.5

ohms


2

Điện cảm phần ứng

La

0.015

H

3

Hằng số lực điện động

kФ

0.05

Nm/A

4

Mơmen qn tính của roto

J

0.00025

Kgm2/s2


5

Hệ số ma sát của hệ thống cơ

B

0.0001

Nms

6

Điện áp phần ứng

Va

30

Volt (V)

7

Tốc độ góc tối đa

Wa

314

Rad/s


8

Lấy giá trị pi

л

3.14

3.3. Mơ phỏng hệ thống điều khiển trực tiếp vịng hở

Hình 3.4: Sơ đồ simulink cấu trúc động cơ vòng hở

13


-

Mô phỏng ở chế độ không tải Mc=0 Nm, điện áp cấp cho động cơ
Va = 24 volt

Hình 3.5: Đáp ứng tốc độ khi có điện áp Va

Hình 3.6: Đáp ứng dịng điện khi có điện áp Va
14


-

Nhận xét:
+ Nhìn biểu đồ mơ phỏng ta thấy khi cấp nguồn trực tiếp cho động cơ với

Va = 24 volt thì tốc độ động cơ tăng lên maximum = 500 (Rad/S).
+ Dòng điện khởi động tăng lên maximum Ikđ = 30 (A), sau khi tốc độ động
cơ đã ổn định dịng điện giảm xuống và duy trì ở giá trị làm việc Is=1(A).
+ Thời gian để tốc độ và dòng điện ổn định là ts = 0.4 (giây)
+ Chuyển đổi tốc độ góc (Rad/S) thành vịng/phút (RPM)
RPM = W*60/2л = 500*60/(2*3,14) = 4777 (vịng/phút)

-

Mơ phỏng ở chế độ có tải Mc= 0.2 Nm và điện áp cấp cho động cơ
Va=24volt

Hình 3.7: Đáp ứng tốc độ góc ở chế độ có tải và điện áp Va

15


Hình 3.8: Đáp ứng dịng điện ở chế độ có tải và điện áp Va

-

Nhận xét chung:

Bảng 3.3: So sánh kết quả mơ phỏng đáp ứng vịng hở của động cơ
Động cơ DC kích từ độc lập nam châm vĩnh cửu
Thời gian ổn

Mc

định ts (giây)


(Nm)

Khơng tải

0.4 (giây)

Có tải

0.35(giây)

Thơng số
Chế độ

-

Ikđ

Is

Wa

Va

(A)

(a)

(rad/s)


(volt)

0

30

1

500

24

0.2

30

5

430

24

Kết luận:

Từ kết quả mơ phỏng được trình bày trong bảng 3.3, ta thấy khi động cơ hoạt động
ở chế độ có tải tốc độ góc giảm [500(rad/s) – 430(rad/s) = 70] so với chế độ không tải, sai
số này quá lớn (khoảng 14%) nên cần phải thiết kế thêm bộ điều khiển tốc độ động cơ
nhằm giảm sai số và đạt được kết quả cao hơn về chất lượng.
16



3.4. Mơ phỏng hệ thống với bộ điều khiển PID

Hình 3.9: Sơ đồ simulink bộ điều khiển PID cho hệ thống

Hình3.10: Bộ điều khiển PID

-

Mơ phỏng hệ thống với tốc độ đặt là 200 rad/s và các hệ số của bộ điều
khiển PID lần lượt là Kp = 0.05, Ki = 0.6, Kd = 0.02

Hình 3.11: Đáp ứng tốc độ góc của động cơ với bộ điều khiển PID ở chế độ có tải
17