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

Kỹ thuật điện tử<br /> <br /> GIẢI PHÁP THIẾT KẾ HỆ THỐNG KÉO DÃN<br /> ĐỐT SỐNG CỔ SỬ DỤNG LUẬT ĐIỀU KHIỂN PID<br /> <br /> Phạm Văn Hòa*, Trần Công Thìn,<br /> Đặng Việt Hùng, Vũ Ngọc Tuấn<br /> <br /> Tóm tắt: Bài báo trình bày một số kết quả trong việc nghiên cứu thiết kế hệ thống<br /> kéo dãn đốt sống cổ, trên cơ sở phân tích nguyên tắc của luật điều khiển PID để xây<br /> dựng hệ thống điều khiển động cơ kéo. Giải pháp đã được mô phỏng trên MatLab,<br /> thử nghiệm thực tế để lựa chọn các hệ số điều khiển phù hợp với yêu cầu đặt ra, có<br /> thể thực hiện trên các hệ vi điều khiển cấu hình và giá thành thấp sẵn có trên thị<br /> trường hiện nay.<br /> Từ khóa: Kéo dãn, đốt sống cổ, Điều khiển PID.<br /> <br /> 1. MỞ ĐẦU<br /> Gần đây, tỷ lệ người mắc các bệnh lý về đốt sống cổ trên thế giới nói chung và<br /> ở Việt Nam nói riêng ngày càng gia tăng do nhiều nguyên nhân khác nhau, ảnh<br /> hưởng không nhỏ đến chất lượng sống và làm việc của con người. Nhiều nước phát<br /> triển đã nghiên cứu các giải pháp, chế tạo các hệ thống, thiết bị dựa trên các tác<br /> nhân vật lý khác nhau nhằm ngăn chặn và điều trị các bệnh này. Trong đó, yếu tố<br /> cơ bản và đạt hiệu quả điều trị cao nhất là tác nhân kéo cơ học, có thể kết hợp với<br /> các tác nhân hỗ trợ khác. Lực kéo dãn có tác dụng làm dãn cơ, giảm co cứng và cắt<br /> đứt cơn đau. Việc sử dụng lực kéo luôn phải tuân thủ chặt chẽ các phác đồ và quy<br /> định trị liệu như: giữ ổn định lực kéo, không được tăng hay giảm lực kéo quá đột<br /> ngột, luôn duy trì khoảng thời gian nghỉ giữa các bước... [1]. Bài báo sẽ trình bày<br /> một giải pháp thiết kế hệ thống kéo dãn đốt sống cổ, sử dụng luật điều khiển PID<br /> (Propotional Integral Derivative) để xây dựng hệ thống điều khiển động cơ kéo.<br /> 2. LUẬT PID VÀ ỨNG DỤNG TRONG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC<br /> 2.1. Cấu trúc hệ điều khiển PID<br /> <br /> <br /> K p .e(t )<br /> <br /> <br /> t<br /> r (t ) e(t ) u (t ) y (t )<br /> Ki . e(t ).dt<br /> 0<br /> <br /> <br /> de(t)<br /> Kd .<br /> dt<br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1. Sơ đồ điều khiển động cơ một chiều theo luật PID [2,3,5].<br /> <br /> <br /> 96 P.V. Hòa, Tr.C. Thìn, Đ.V. Hùng, V.N. Tuấn, “Giải pháp thiết kế …. điều khiển PID.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> Sơ đồ hệ thống điều khiển sử dụng luật PID thể hiện như trên hình 1, gồm ba<br /> thành phần như tên gọi của nó: P (proportional) tạo ra tín hiệu điều khiển tỷ lệ với<br /> sai lệch, I (integral) tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với tích phân theo thời gian của sai<br /> lệch, D (derivative) tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với vi phân theo thời gian của sai<br /> lệch. Trong đó, r(t) là tín hiệu đầu vào mong muốn, y(t) là đáp ứng đầu ra đạt<br /> được, u(t) là tín hiệu điều khiển và e(t) = r(t) – y(t).<br />  Thành phần tỷ lệ P:<br /> Tín hiệu điều khiển theo luật tỷ lệ được hình thành theo công thức [2,3]:<br /> u(t )  K p .e(t ) (1)<br /> trong đó: Kp là hệ số khuếch đại.<br /> Tín hiệu ra của khâu P luôn luôn trùng pha với tín hiệu vào, do đó ưu điểm là có<br /> tác động nhanh. Tuy nhiên, nhược điểm của khâu tỷ lệ là khi hệ số tỷ lệ Kp càng<br /> lớn thì càng gây ra hiện tượng đầu ra vượt quá mức mong muốn (gây sai lệch tĩnh),<br /> làm cho hệ thống kém ổn định, nhiều trường hợp gây mất ổn định.<br />  Thành phần tích phân I:<br /> Theo luật tích phân, tín hiệu điều khiển được xác định theo biểu thức [2,3]:<br /> t t<br /> 1<br /> u (t )  Ki . e(t ).dt   e(t ).dt (2)<br /> 0<br /> Ti 0<br /> trong đó: Ki là hệ số điều khiển tích phân, Ti=Kp/Ki là hằng số thời gian tích phân.<br /> Giá trị điều khiển u(t) chỉ đạt được giá trị xác lập (quá trình điều khiển đã kết<br /> thúc) khi sai số e(t) = 0, do đó ưu điểm là triệt tiêu được sai lệch tĩnh. Tuy nhiên,<br /> do tín hiệu sau khâu tích phân luôn chậm pha so với tín hiệu vào một góc /2, tức<br /> có tác động chậm. Đây cũng chính là nhược điểm của khâu tích phân.<br />  Thành phần vi phân D:<br /> Thành phần vi phân có tính chất ngược với thành phần tích phân. Tín hiệu điều<br /> khiển đưa ra tỷ lệ với sự thay đổi của sai lệch e theo biểu thức [2,3]:<br /> de(t) de(t)<br /> u (t )  Kd .  K p .Td . (3)<br /> dt dt<br /> trong đó: Kd là hệ số điều khiển vi phân, Td=Kp/Kd là hằng số thời gian vi phân.<br /> Thành phần D chỉ đưa ra tín hiệu điều khiển khi có sự biến thiên của sai lệch<br /> đầu vào e. Khi e là hằng số thì thành phần vi phân không có tác dụng. Thành phần<br /> vi phân đưa ra tín hiệu điều khiển dựa trên sự biến thiên về hướng và tốc độ sai<br /> lệch e(t). Tác động của tín hiệu điều khiển D đáp ứng nhanh với sự thay đổi của sai<br /> lệch, nên cũng khá nhạy cảm với nhiễu. Tín hiệu điều khiển đạt kết quả cao khi dự<br /> đoán tốt sai lệch xảy ra ở giai đoạn sau. Do đó, hằng số thời gian vi phân Td không<br /> được lớn quá so với thời gian những lần thay đổi sai lệch e(t). Do vậy Td phải được<br /> giới hạn bởi thời gian Ti và thỏa mãn yêu cầu Td