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

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

Bài giảng Thiết kế hệ thống nhúng - Chương 6: Tổng hợp phần cứng và phần mềm - Bài 11: Các hệ thống điều khiển trang 1

Trang 1

Bài giảng Thiết kế hệ thống nhúng - Chương 6: Tổng hợp phần cứng và phần mềm - Bài 11: Các hệ thống điều khiển trang 2

Trang 2

Bài giảng Thiết kế hệ thống nhúng - Chương 6: Tổng hợp phần cứng và phần mềm - Bài 11: Các hệ thống điều khiển trang 3

Trang 3

Bài giảng Thiết kế hệ thống nhúng - Chương 6: Tổng hợp phần cứng và phần mềm - Bài 11: Các hệ thống điều khiển trang 4

Trang 4

Bài giảng Thiết kế hệ thống nhúng - Chương 6: Tổng hợp phần cứng và phần mềm - Bài 11: Các hệ thống điều khiển trang 5

Trang 5

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

Trang 6

Bài giảng Thiết kế hệ thống nhúng - Chương 6: Tổng hợp phần cứng và phần mềm - Bài 11: Các hệ thống điều khiển trang 7

Trang 7

Bài giảng Thiết kế hệ thống nhúng - Chương 6: Tổng hợp phần cứng và phần mềm - Bài 11: Các hệ thống điều khiển trang 8

Trang 8

Bài giảng Thiết kế hệ thống nhúng - Chương 6: Tổng hợp phần cứng và phần mềm - Bài 11: Các hệ thống điều khiển trang 9

Trang 9

Bài giảng Thiết kế hệ thống nhúng - Chương 6: Tổng hợp phần cứng và phần mềm - Bài 11: Các hệ thống điều khiển trang 10

Trang 10

Tải về để xem bản đầy đủ

pdf 23 trang xuanhieu 620
Bạn đang xem 10 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Thiết kế hệ thống nhúng - Chương 6: Tổng hợp phần cứng và phần mềm - Bài 11: Các hệ thống điều khiển", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên

Tóm tắt nội dung tài liệu: Bài giảng Thiết kế hệ thống nhúng - Chương 6: Tổng hợp phần cứng và phần mềm - Bài 11: Các hệ thống điều khiển

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

File đính kèm:

  • pdfbai_giang_thiet_ke_he_thong_nhung_chuong_6_tong_hop_phan_cun.pdf