Giải pháp thiết kế hệ thống kéo giãn đốt sống cổ sử dụng luật điều khiển PID

Bài báo trình bày một số kết quả trong việc nghiên cứu thiết kế hệ thống kéo dãn đốt sống cổ, trên cơ sở phân tích nguyên tắc của luật điều khiển PID để xây dựng hệ thống điều khiển động cơ kéo. Giải pháp đã được mô phỏng trên MatLab, thử nghiệm thực tế để lựa chọn các hệ số điều khiển phù hợp với yêu cầu đặt ra, có thể thực hiện trên các hệ vi điều khiển cấu hình và giá thành thấp sẵn có trên thị trường hiện nay. Mời các bạn tham khảo!
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Giải pháp thiết kế hệ thống kéo giãn đốt sống cổ sử dụng luật điều khiển PIDKỹ thuật điện tử GIẢI PHÁP THIẾT KẾ HỆ THỐNG KÉO DÃN ĐỐT SỐNG CỔ SỬ DỤNG LUẬT ĐIỀU KHIỂN PID Phạm Văn Hòa*, Trần Công Thìn, Đặng Việt Hùng, Vũ Ngọc Tuấn Tóm tắt: Bài báo trình bày một số kết quả trong việc nghiên cứu thiết kế hệ thống kéo dãn đốt sống cổ, trên cơ sở phân tích nguyên tắc của luật điều khiển PID để xây dựng hệ thống điều khiển động cơ kéo. Giải pháp đã được mô phỏng trên MatLab, thử nghiệm thực tế để lựa chọn các hệ số điều khiển phù hợp với yêu cầu đặt ra, có thể thực hiện trên các hệ vi điều khiển cấu hình và giá thành thấp sẵn có trên thị trường hiện nay.Từ khóa: Kéo dãn, đốt sống cổ, Điều khiển PID. 1. MỞ ĐẦU Gần đây, tỷ lệ người mắc các bệnh lý về đốt sống cổ trên thế giới nói chung vàở Việt Nam nói riêng ngày càng gia tăng do nhiều nguyên nhân khác nhau, ảnhhưởng không nhỏ đến chất lượng sống và làm việc của con người. Nhiều nước pháttriển đã nghiên cứu các giải pháp, chế tạo các hệ thống, thiết bị dựa trên các tácnhân vật lý khác nhau nhằm ngăn chặn và điều trị các bệnh này. Trong đó, yếu tốcơ bản và đạt hiệu quả điều trị cao nhất là tác nhân kéo cơ học, có thể kết hợp vớicác tác nhân hỗ trợ khác. Lực kéo dãn có tác dụng làm dãn cơ, giảm co cứng và cắtđứt cơn đau. Việc sử dụng lực kéo luôn phải tuân thủ chặt chẽ các phác đồ và quyđịnh trị liệu như: giữ ổn định lực kéo, không được tăng hay giảm lực kéo quá độtngột, luôn duy trì khoảng thời gian nghỉ giữa các bước... [1]. Bài báo sẽ trình bàymột giải pháp thiết kế hệ thống kéo dãn đốt sống cổ, sử dụng luật điều khiển PID(Propotional Integral Derivative) để xây dựng hệ thống điều khiển động cơ kéo. 2. LUẬT PID VÀ ỨNG DỤNG TRONG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC2.1. Cấu trúc hệ điều khiển PID K p .e(t ) t r (t ) e(t ) u (t ) y (t ) Ki . e(t ).dt 0 de(t) Kd . dt Hình 1. Sơ đồ điều khiển động cơ một chiều theo luật PID [2,3,5].96 P.V. Hòa, Tr.C. Thìn, Đ.V. Hùng, V.N. Tuấn, “Giải pháp thiết kế …. điều khiển PID.”Nghiên cứu khoa học công nghệ Sơ đồ hệ thống điều khiển sử dụng luật PID thể hiện như trên hình 1, gồm bathành phần như tên gọi của nó: P (proportional) tạo ra tín hiệu điều khiển tỷ lệ vớisai lệch, I (integral) tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với tích phân theo thời gian của sailệch, D (derivative) tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với vi phân theo thời gian của sailệch. Trong đó, r(t) là tín hiệu đầu vào mong muốn, y(t) là đáp ứng đầu ra đạtđược, u(t) là tín hiệu điều khiển và e(t) = r(t) – y(t). Thành phần tỷ lệ P: Tín hiệu điều khiển theo luật tỷ lệ được hình thành theo công thức [2,3]: u(t )  K p .e(t ) (1)trong đó: Kp là hệ số khuếch đại. Tín hiệu ra của khâu P luôn luôn trùng pha với tín hiệu vào, do đó ưu điểm là cótác động nhanh. Tuy nhiên, nhược điểm của khâu tỷ lệ là khi hệ số tỷ lệ Kp cànglớn thì càng gây ra hiện tượng đầu ra vượt quá mức mong muốn (gây sai lệch tĩnh),làm cho hệ thống kém ổn định, nhiều trường hợp gây mất ổn định. Thành phần tích phân I: Theo luật tích phân, tín hiệu điều khiển được xác định theo biểu thức [2,3]: t t 1 u (t )  Ki . e(t ).dt   e(t ).dt (2) 0 Ti 0trong đó: Ki là hệ số điều khiển tích phân, Ti=Kp/Ki là hằng số thời gian tích phân. Giá trị điều khiển u(t) chỉ đạt được giá trị xác lập (quá trình điều khiển đã kếtthúc) khi sai số e(t) = 0, do đó ưu điểm là triệt tiêu được sai lệch tĩnh. Tuy nhiên,do tín hiệu sau khâu tích phân luôn chậm pha so với tín hiệu vào một góc /2, tứccó tác động chậm. Đây cũng chính là nhược điểm của khâu tích phân. Thành phần vi phân D: Thành phần vi phân có tính chất ngược với thành phần tích phân. Tín hiệu điềukhiển đưa ra tỷ lệ với sự thay đổi của sai lệch e theo biểu thức [2,3]: de(t) de(t) u (t )  Kd .  K p .Td . (3) dt dttrong đó: Kd là hệ số điều khiển vi phân, Td=Kp/Kd là hằng số thời gian vi phân. Thành phần D chỉ đưa ra tín hiệu điều khiển khi có sự biến thiên của sai lệchđầu vào e. Khi e là hằng số thì thành phần ...