Bài giảng Thiết kế hệ thống nhúng - Chương 6: Tổng hợp phần cứng và phần mềm - Bài 11: Các hệ thống điều khiển

EmbeddedCHƢƠNG Systems 6: Design:TỔNG A Unified HỢP Hardware/Software PHẦN CỨNG 
Introduction VÀ PHẦN MỀM
 Bài 10: Các hệ thống điều khiển
 1
 Hệ thống điều khiển
• Điều khiển đầu ra của hệ vật lý
 – Bằng cách thiết lập đầu vào của hệ vật lý
• Điều khiển bám
• VD 
 – Điều khiển lái
 – Điều khiển nhiệt độ
 – Điều khiển ổ đĩa
 – Điều khiển bay
• Khó, do các nguyên nhân: 
 – Nhiễu: gió, mặt đƣờng, lốp xe, phanh
 – Tƣơng tác với con ngƣời
 2
Bám
 3
 Các hệ thống điều khiển vòng hở
• Đối tƣợng
 – Các hệ vật lý đƣợc điều khiển
 • Ô tô, máy bay, lò nhiệt
• Cơ cấu chấp hành
 – Thiết bị để điều khiển đối tƣợng
 • van, động cơ
• Bộ điều khiển
 – Sản phẩm đƣợc thiết kế để điều khiển đối tƣợng
 4
 Các hệ điều khiển vòng hở
• Đầu ra
 – Các thông số của đối tƣợng mà ta quan tâm
 • Tốc độ, vị trí, nhiệt độ,
• Giá trị tham chiếu
 – Giá trị chúng ta muốn đạt đƣợc ở đầu ra
 • Tốc độ yêu cầu, vị trí mong muốn, nhiệt độ mong muốn
• Nhiễu
 – Đầu vào không điều khiển đƣợc
 • Gió, lực ngoài
 5
 Các đặc tính khác của vòng hở
• Điều khiển Feed-forward
• Có trễ ở đầu ra
• Bộ điều khiển không biết đầu ra có dáp ứng theo yêu cầu
• Đơn giản
• Sử dụng tốt nhất cho các hệ thống có thể dự đoán đầu ra
 6
 Các hệ điều khiển vòng kín
• Cảm biến
 – Để đo đầu ra của đối tƣợng
• Bộ xác định lỗi
 – Xác định sai số 
• Hệ điều khiển vòng kín
• Giảm sai số bám
 7
 Thiết kế hệ điều khiển vòng hở
• Xây dựng mô hình đối tƣợng
• Xây dựng bộ điều khiển
• Phân tích bộ điều khiển
• Xem xét nhiễu
• Xác định chất lƣợng
• Ví dụ: Hệ điều khiển lái vòng hở
 8
 Mô hình đối tƣợng
• Có thể không cần thiết
 – Có thể đƣợc thực hiện thông qua thực nghiệm hoặc dò
• Tuy nhiên,
 – Có thể giúp quá trình thiết kế đơn giản hơn
 – Có thể sử dụng để tính toán bộ điều khiển
• Ví dụ: điều khiển góc mở từ 0 đến 45 độ
 – Trên mặt phẳng ở tốc độ 50 mph, mở van tới 40 độ
 – Đợi 1 khoảng thời gian nhất định
 – Đo tốc độ, ví dụ 55 mph
 – Dựa vào phƣơng trình sau
 • vt+1=0.7*vt+0.5*ut 
 • 55 = 0.7*50+0.5*40
 – Nếu phƣơng trình đúng cho mọi trƣờng hợp
 • Nhƣ vậy chúng ta có một mô hình của đối tƣợng
 9
 Hệ điều khiển chung
• Mục tiêu
 – Làm cho đầu ra bám theo giá trị đặt ngay cả khi
 • Nhiễu đo lƣờng
 • Sai số của mô hình
 • Nhiễu ngoài
• Cá thông số
 – Tính ổn định
 • Đầu ra nằm trong một giới hạn
 – Chất lƣợng
 • Đầu ra bám theo giá trị đặt
 – Loại bỏ nhiễu
 – Tính bền vững
 • Khả năng đáp ứng khi mô hình thay đổi
 10
 Chất lƣợng (nói chung)
• Thời gian tăng
 – Thời gian từ 10% tới 
 90%
• Thời gian đỉnh
• Quá điều chỉnh
 – Phần trăm mà giá trị 
 đỉnh đạt quá giá trị 
 đặt
• Thời gian xác lập
 – Thời gian cần thiết 
 để đạt 1% giá trị cuối
 11
 Xây dựng mô hình của đối tƣợng là khó
• Cần đƣợc thực hiện trƣớc
• Đối tƣợng thƣờng liên tục theo thời gian
 – Không rời rạc
 • VD tốc đọ xe thay đổi liên tục so với vị trí góc mở của van
 – Thời gian lấy mẫu phải đƣợc lựa chọn cẩn thận
• Đối tƣợng thƣờng phi tuyến
• Mối tƣơng tác giữa mô hình đối tƣợng và bộ điều khiển
 – Mô hình “đủ tốt” cho việc thiết kế bộ điều khiển
 12
 Thực hiện bộ điều khiển số
• Hệ thống điều khiển số
 13
 Thực hiện bộ điều khiển số
• Triển khai hàm điều khiển dƣới dạng biến đổi z
• Biểu diễn dạng rời rạc
• Hoặc
 14
 Bộ điều khiển PID số
• Phƣơng trình bộ điều khiển PID
• Biểu diễn xấp xỉ dạng rời rạc
• Suy ra
 15
 Bộ điều khiển PID số
• Từ hai phƣơng trình trên ta thu đƣợc
 16
 Bộ điều khiển PID số dạng xấp xỉ
• Kết hợp điều khiển tỷ lệ, vi phân và tích phân
 – ut=P*et+I*(e0+e1++et)+D*(et-et-1)
• Có sẵn trong công nghiệp
 17
 Mã chƣơng trình
• Vòng lặp chƣơng trình chính
 – Đọc đầu ra cảm biến của đối tƣợng điều khiển
 • Có thể yêu cầu A2D
 – Đọc đầu vào đặt hiện tại
 – Gọi hàm PidUpdate, xác định giá trị của cơ cấu chấp hành
 – Thiết lập giá trị của cơ cấu chấp hành
 • Có thể yêu cầu D2A
 18
 Mã chƣơng trình (cont)
• Pgain, Dgain, Igain là hằng số
• sensor_value_previous 
 – Cho khâu D
• error_sum
 – Cho khâu I
 19
 Tính toán
• ut=P*et+I*(e0+e1++et)+D*(et-et-1)
 20
 Dò giá trị PID
• Xác định giá trị P, I, D theo tính toán có thể không áp dụng 
 đƣợc
 – VD không có mô hình của đối tƣợng, hoặc phức tạp
• Phƣơng pháp đặc biệt để xác định giá trị P, I, D “hợp lý”
 – Bắt đầu với P, I=D=0
 – Tăng D, dến khi thấy dao động
 • Giảm D một ít
 – Tăng P, đến khi thấy dao động
 • Giảm D một ít
 – Tăng I, đến khi thấy dao động
• Lặp lại cho đến khi hết dao động
 21
 Trễ tính toán
• Luôn có trễ trong quá trình xử lý
 – Cơ cấu chấp hành tác động chậm hơn so với mong muốn
• Cần đánh giá trễ để đảm bảo có thể bỏ qua chúng mà không làm 
 ảnh hƣởng hệ thống
• Trễ phần cứng thƣờng dễ xác định
 – Thiết kế đồng bộ
• Trễ phần mềm dễ xác định hơn
 – Tổ chức chƣơng trình cẩn thận sao cho trễ có thể dự đoán đƣợc và tối 
 thiểu
 – Viết chƣơng trình có khả năng xác định thời gian
 • Watchdog timer
 • Synchronous Software Language
 22
 Lợi ích của điều khiển bằng máy tính
• Giá!!!
 – Giá thành bộ điều khiển sử dụng thiết bị tƣơng tự đắt
 – Bộ điều khiển máy tính thay thế phần cứng analog phức tạp với mã phức 
 tạp
• Khả năng lập trình!!!
 – Điều khiển bằng máy tính có thể đƣợc “nâng cấp” 
 • Thay đổi kiểu điều khiển, chế độ điều khiển
 – Điều khiển bằng máy tính có thể thích nghi với thay đổi của đối tƣợng 
 điều khiển
 • Do sự thay đổi của nhiệt đố, áp suất,
 – “có tính mở”
 • Dễ thích nghi với các chuẩn mới
 23