Thiết kế bộ điều khiển thông minh trên nền dsPIC33F

 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT  SỐ 74 - 2009 
51 
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH TRÊN NỀN DSPIC33F 
DESIGN OF AN INTELLIGENT CONTROLLER BASED ON DSPIC33F 
Phạm Xuân Khánh 
Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội 
Nguyễn Việt Hưng, Phạm Tuấn Anh 
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội 
TÓM TẮT 
Bài báo trình bày về thiết kế bộ điều khiển thông minh trên nền dsPIC33F của Microchip. Nhiều 
thuật toán điều khiển dựa trên lý thuyết điều khiển kinh điển và hiện đại được cài đặt. Bố cục bài báo 
có thể chia thành 3 phần. Phần 1: Cơ sở lý thuyết thiết kế bộ điều khiển, trình bày cụ thể về các thuật 
toán được cài đặt: PID, mờ động, PID-Fuzzy Intervention và PID-Fuzzy Self – Tunning. Phần 2: Cơ sở 
thiết kế phần cứng bộ điều khiển, đưa ra những ưu điểm của dòng DSPIC33F và các modules cần 
thiết cho ứng dụng công nghiêp. Phần 3: Ứng dụng bộ điều khiển thiết kế cho đối tượng thực là bình 
mức, tất cả các thuật toán đều được cài đặt và có xét đến ảnh hưởng của nhiễu, qua đó thể hiện được 
ưu nhược điểm của từng thuật toán và khả năng ứng dụng đa dạng của bộ điều khiển. Từ thiết kế 
phần cứng và phần mềm của bộ điều khiển, và những kết quả thực nghiệm đã chứng tỏ khả năng 
thay thế hiệu quả của bộ điều khiển này cho các bộ điều khiển chuyên dụng đã có trong công nghiệp. 
ABSTRACT 
The paper presents the design of an intelligent controller based on dsPIC33F (Microchip). 
Several Control Algorithms, based on conventional and modern theory, are installed. The paper 
includes three main parts. Part 1: Theoretical basis, focusing on introduction of four Algothims: PID, 
Dynamic Fuzzy, PID – Fuzzy Intervention, and PID – Fuzzy Self – Tunning. Part 2: Hardware basis, 
stating noticeable advantages of DSPIC 33F Microcontroller and the design of modules, necessary 
for industrial purpose. Part 3: Implementation of this controller for water level system. All Algorithms, 
introduced above, are built up and cases under impacts of noise are considered. Experimental results 
proved strong and weak points of Algorithms and flexible ability of the controller for diverse 
applications. In general, the design of Software and Hardware of the Controllers, and experimental 
results have shown the Controller’s capability for control applications in which other controllers are 
used. 
Chữ viết tắt 
I Integral 
PD Proportional – Derivative 
PI Proportional – Integral 
PID Proportional - Integral - Derivative 
PWM Pulse Width Modulation 
I. ĐẶT VẤN ĐỀ 
Phương pháp điều khiển kinh điển PID là 
phương pháp được áp dụng phổ biến nhất trong 
các bộ điều khiển công nghiệp. Sự phổ biến này 
là do tính đơn giản của phương pháp và yêu cầu 
về chất lượng điều khiển không quá cao của hệ 
thống. Phương pháp điều khiển thông minh, mà 
mờ là một đại diện tiêu biểu đang được khai 
thác và ứng dụng bởi khả năng hoạt động một 
cách độc lập hoặc kết hợp với thuật toán PID để 
đem lại chất lượng cao cho hệ thống điều khiển 
. Thiết kế một bộ điều khiển thông minh có khả 
năng thực hiện các thuật toán PID, Fuzzy động, 
PID-Fuzy Intervention, PID-Fuzzy Self-tunning 
là một hướng đi hứa hẹn trong tương lai. 
Để xây dựng một bộ điều khiển như vậy, 
thiết kế phần cứng đòi hỏi việc sử dụng dòng vi 
điều khiển có dung lượng nhớ lớn, tần số hoạt 
động cao và các yêu cầu cần thiết khác về ngoại 
vi. Dòng dsPIC33F - một trong những dòng vi 
điều khiển mạnh nhất hiện nay của Microchip 
với nhiều tính năng ưu việt - là sự lựa chọn phù 
hợp, đáp ứng được yêu cầu. 
II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN 
2.1 Thuật toán điều khiển PID 
Thuật toán PID[1,2] là sự kết hợp của ba 
thành phần: Khuếch đại (P), vi phân (I) và vi 
phân (D) của sai lệch đầu vào. 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT  SỐ 74 - 2009 
52 
Ưu điểm lớn đem lại ứng dụng rộng rãi 
cho thuật toán này là tính đơn giản về cấu trúc 
và nguyên lý làm việc. Với hệ thống làm việc 
trong môi trường ít bị ảnh hưởng của nhiễu, 
thông số của đối tượng chỉ thay đổi nhỏ trong 
quá trình làm việc và yêu cầu về độ chính xác 
và ổn định không cao thì PID là một giải pháp 
điều khiển hữu hiệu. 
Hình 1. Hệ điều khiển thực hiện thuật toán PID 
2.2 Thuật toán điều khiển mờ động 
Thuật toán mờ động[1,3] là thuật toán kết 
hợp giữa hệ kinh điển và hệ mờ, cụ thể là sự kết 
hợp của thuật toán điều khiển mờ cơ bản và các 
thành phần P, I, D. Các thành phần P, D thường 
là các thành phần của sai lệch đầu vào, còn I là 
thành phần của đầu ra bộ điều khiển mờ cơ bản. 
Một số cấu trúc hệ thực hiện thuật toán 
mờ động 
Thuật toán mờ động PD 
Hình 2. Hệ điều khiển thực hiện thuật toán mờ PD 
Thuật toán mờ động PI 
Hình 3. Hệ điều khiển thực hiện thuật toán mờ PI 
Thuật toán mờ động I 
Hình 4. Hệ điều khiển thực hiện thuật toán mờ I 
2.3 Thuật toán điều khiển PID-Fuzzy 
Intervention 
Sơ đồ tổng quát một hệ thực hiện thuật 
toán PID-Fuzzy Intervention [4]: 
Hình 5. Hệ điều khiển thực hiện thuật toán 
PID-Fuzzy Intervention 
Dựa trên sơ đồ tổng quát này, có nhiều 
thuật toán khác nhau có thể hình thành. Nhóm 
tác giả bài báo tập trung vào thuật toán trong đó 
hệ mờ cho phép cải thiện chất lượng điều khiển 
khi hiện tượng Windup xảy ra: 
Hình 6. Hệ điều khiển thực hiện thuật toán 
PID-Fuzzy Intervention bù windup 
Khi xảy ra hiện tượng windup, tín hiệu ra 
bộ điều khiển PID có giá trị lớn hơn giá trị bão 
hòa và tiếp tục tăng do tác động của khâu tích 
phân, điều này tiềm tàng khả năng gây quá điều 
chỉnh lớn và tăng thời gian quá độ. Bộ mờ bù 
windup có tác dụng giảm thiểu ảnh hưởng của 
hiện tượng này. Khi xảy ra windup, sai lệch 
giữa tín hiệu ra bộ điều khiển PID và giá trị bão 
hòa sẽ được đưa vào bộ mờ bù, bộ mờ bù đưa 
ra tín hiệu bù đến đầu ra bộ PID, tác động này 
làm cải thiện đáng kể chất lượng điều khiển. 
2.4 Thuật toán điều khiển PID-Fuzzy Self-
tunning [5] 
Đây là thuật toán mà ở đó tham số bộ 
PID trong quá trình điều khiển được chỉnh định 
bằng hệ mờ. Thuật toán đem lại chất lượng điều 
khiển tốt, trong cả trường hợp có nhiễu đáng kể 
tác động lên hệ thống 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT  SỐ 74 - 2009 
53 
Sơ đồ tổng quát hệ thống điều khiển 
trong đó các tham số PID được chỉnh định bằng 
hệ mờ: 
Hình 7. Hệ điều khiển chỉnh định tham số PID 
bằng hệ mờ 
Phương pháp chỉnh định được nhóm tác 
giả thực hiện là phương pháp chỉnh định mờ 
của Zhao, Tomizuka và Isaka: 
Với giả thiết các tham số Kp, Kd bị chặn, 
tức: 
Kp[Kp_Min,Kp_Max] ; 
Kd[Kd_Min, Kd_Max] 
Các tham số này được chuẩn hóa theo 
công thức: 
_
; [0,1]
_ _
Kp Kp Min
kp kp
Kp Max Kp Min

  

_
; [0,1]
_ _
Kd Kd Min
kd kd
Kd Max Kd Min

  
 
Bộ chỉnh định có hai đầu vào là e(t) và 
de(t)/dt và ba đầu ra là kp, kd và α trong đó 
2 2
;
. .
Kp Kp
Ki
Ki Kd Kd


  
Bên trong bộ chỉnh định mờ theo phương 
pháp Zhao, Tomizuka, và Isaka: 
Hình 8. Bên trong bộ chỉnh định mờ 
Luật điều khiển để chỉnh định được thực 
hiện dựa trên phân tích đáp ứng bước tiêu biểu 
của quá trình 
Hình 9. Đáp ứng bước tiêu biểu của quá trình 
 Khi bắt đầu khởi động, ở khoảng thời 
gian a, lúc này cần tín hiệu điều khiển lớn để tín 
hiệu ra tăng nhanh, suy ra lúc này KP lớn, KD 
nhỏ, và KI lớn ( lớn). Xung quanh khoảng 
thời gian b ta muốn tín hiệu điều khiển nhỏ để 
không quá điều chỉnh, nghĩa là KP nhỏ, KD lớn 
còn KI lớn ( lớn).Các tác động điều khiển 
xung quanh khoảng thời gian c và d tương tự 
như ở a và b. 
III. CẤU TRÚC PHẦN CỨNG 
3.1 Giới thiệu vi điều khiển dsPIC33F [6] 
Microchip là một trong những hãng sản 
xuất vi điều khiển lớn nhất thế giới hiện nay, 
dòng DSC( Digital signal controllers) 16 bits là 
sản phẩm mới nhất và thu hút được nhiều sự 
quan tâm của các nhà phát triển. Như tên gọi 
của nó, theo một cách hiểu nào đó, dòng này là 
sản phẩm kết hợp giữa vi xử lý tín hiệu số DSP 
và vi điều khiển. dsPIC33F, một trong những 
dòng DSC mạnh nhất của Microchip, sở hữu rất 
nhiều đặc tính ưu việt phù hợp cho ứng dụng 
xây dựng bộ điều khiển: 
Tần số hoạt động lên tới 40MIPS 
Tiêu thụ năng lượng thấp: điện áp nguồn 
cấp cỡ 3.0-3.6V 
CPU tính năng DSC cho phép thực hiện 
các phép tính toán phức tạp một cách nhanh 
chóng 
Có đầy đủ các ngoại vi cần thiết như 
những dòng vi điều khiển khác: Cổng và/ra số, 
bộ định thời, ADC, PWM, UART,đặc biệt có 
hỗ trợ 8 kênh DMA phần cứng. 
Bộ nhớ chương trình 256Kbytes và bộ 
nhớ dữ liệu 30Kbytes được tích hợp ngay trên 
chip. 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT  SỐ 74 - 2009 
54 
Hỗ trợ tính năng In-circuit Debug and 
Programging đem đến sự tiện dụng to lớn cho 
các nhà phát triển hệ thống. 
Có nhiều công cụ hỗ trợ lập trình bằng 
ngôn ngữ C với thư viện phong phú và dễ sử 
dụng 
3.2 Bộ điều khiển 
Hình 10. Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển 
Khối xử lý trung tâm là vi điều khiển 
dspic33F 
Đầu vào số: Digital & Counter 
Đầu vào tương tự: 0-20mA, 4-20mA, 0-
5V, 0-10V 
Đầu ra số: Digital & PWM 
Đầu ra tương tự: 0-20mA, 4-20mA, 0-
5V, 0-10V 
Bàn phím cho phép nhập các tham số, 
chế độ điều khiển trực tiếp ngay trên bộ điều 
khiển 
LCD cho phép hiện thị các tham số chính 
trong quá trình thiết lập bước đầu và các biến 
quá trình 
Giao tiếp RS232 cho phép bộ điều khiển 
kết nối với máy tính, truyền nhận các tham số, 
chế độ điều khiển và hiện thị quá trình điều 
khiển 
Nhờ thiết kế đa dạng đầu vào và ra theo 
các chuẩn công nghiệp như trên, bộ điều khiển 
có khả năng giao tiếp với nhiều loại thiết bị cảm 
biến và chấp hành khác nhau. 
Chương trình vi điều khiển được viết 
bằng phần mềm MPLAB 8.0, C30 (Microchip) 
theo sơ đồ khối sau: 
Hình 11. Sơ đồ khối thuật toán vi điều khiển 
Phần giao diện người dùng được viết 
bằng phần mềm Visual C++ 6.0 (Microsoft). 
Hình vẽ sau minh họa cửa sổ giao diện chính:
Hình 12. Cửa sổ giao diện chính của chương 
trình giao diện người dùng 
IV. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỨC 
NƯỚC 
Đối tượng điều khiển mức như Hình 13 
Thiết bị đo mức là cảm biến áp suất đặt 
tại đáy của bình, đầu ra cảm biến dưới dạng 
chuẩn dòng công nghiệp: 4-20mA, Adapter 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT  SỐ 74 - 2009 
55 
biến đổi tuyến tính tín hiệu này thành tín hiệu 
điện áp được đưa vào ADC của dsPIC33F. 
Cơ cấu chấp hành là van tỉ lệ được điều 
khiển theo phương pháp PWM 
Hình 13. Đối tượng điều khiển mức nước 
V. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 
Nhóm tác giả tiến hành thí nghiệm trên 
cơ sở khảo sát đáp ứng của hệ thống với các 
thuật toán điều khiển khác nhua khi thay đổi giá 
trị đặt đồng thời có xem xét đến ảnh hưởng của 
nhiễu: 
5.1 Kết quả 
Hình 14. Thuật toán PID và Fuzzy động 
Setpoint=80mm, không nhiễu 
Hình 15. Thuật toán PID, Fuzy động 
Setpoint=120mm, không nhiễu 
Hình 16. Thuật toán PID và PID-FUZZY 
Intervention;Setpoint=120mm, không nhiễu 
Hình 17. Thuật toán PID, Fuzy động và PID-
FUZZY Self-Tunning Setpoint=100mm, nhiễu 
hằng tác động trong thòi gian 5s bắt đầu từ thời 
điểm t=180s 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ CÁC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT  SỐ 74 - 2009 
56 
5.2 Nhận xét 
Thuật toán PID có chất lượng điều khiển 
phụ thuộc vào giá trị đặt, như trên các hình vẽ 
H.14, H.15, H.16, H. 17, khi thay đổi giá trị đặt, 
chất lượng điều khiển kém dần khi giá trị đặt 
tăng dần, đồng thời chịu ảnh hưởng khá rõ của 
nhiễu 
Thuật toán Fuzzy động đem lại chất 
lượng điều khiển tốt cả khi giá trị đặt thay đổi, 
đồng thời khi không có ảnh hưởng của nhiễu thì 
thuật toán này là thuật toán hiệu quả nhất: gần 
như triệt tiêu quá điều chỉnh và giảm thời gian 
quá độ. Tuy nhiên thuật toán không đem lại 
chất lượng tốt khi nhiễu tác động 
Thuật toán PID-Fuzzy Intervention cải 
thiện đáng kể chất lượng điều khiển trong 
trường hợp xảy ra hiện tượng Windup, dẫn đến 
quá điều chỉnh lớn trong hệ thống (H. 16). 
Thuật toán PID-FUZZY Self-Tunning có 
khả năng đem lại chất lượng điều khiển khá tốt 
khi không có ảnh hưởng của nhiễu, mặt khác 
thể hiện được ưu điểm so với các thuật toán 
khác trong trường hợp hệ thống có nhiễu tác 
động (H. 17, đường nét đứt). 
VI. KẾT LUẬN 
Bộ điều khiển được thiết kế dựa trên 
dòng vi điều khiển DSC dsPIC33F cho phép 
tăng hiệu quả tính toán, mặt khác lại có khả 
năng kết nối vào ra theo các chuẩn công nghiệp 
phổ biến, qua đó góp phần đem lại khả năng 
điều khiển đa dạng các đối tượng công nghiệp 
có chu kỳ điều khiển lớn nhỏ khác nhau,, 
Bộ điều khiển thông minh (thực hiện các 
thuật toán PID, Fuzzy động, PID-Fuzzy 
Intervention, PID-Fuzzy Self-tunning) có khả 
năng ứng dụng linh hoạt, cho chất lượng điều 
khiển tốt khi thay đổi giá trị đặt và ngay cả khi 
hệ thống chịu ảnh hưởng của nhiễu. Điều này 
khắc phục hạn chế của bộ điều khiển PID kinh 
điển, thường không đem lại chất lượng mong 
muốn khi hệ thống có giá trị đặt thay đổi trong 
khoảng rộng hoặc có nhiễu tác động. 
Phương pháp điều khiển mờ độc lập hoặc 
kết hợp với phương pháp điều khiển PID kinh 
điển dựa trên nền vi điều khiển mạnh, như 
dsPIC33F hứa hẹn khả năng xây dựng bộ điều 
khiển công nghiệp trong tương lai. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
1. Phan Xuân Minh, Nguyễn Doãn Phước; Lý thuyết điều khiển mờ; NXB KHKT, 2004 
2. Aidan O’Dwyer; Handbook of PI and PID Controller Tuning Rules; Imperial College Press, 2003 
3. K. M. Passino, Stephen Yurkovich; Fuzzy Control; Addison Wesley 
4. E. Chakir El Alaoui, H. Ayad and S. Doubabi; Fuzzy Anti-Windup Schemes for PID Controllers; 
ISSN 0973-4562 Volume 1 Number 3 (2006) pp. 295-306 International Journal of Applied 
Engineering Research 
5. L. X. Wang; A course in Fuzzy Systems and Control; Prentice Hall International, Inc 
6. Microchip Technology Incorporated; dsPIC33F Family Data Sheet; DS70165A, 2005. 
7. Nguyễn Doãn Phước; Lý thuyết điều khiển tuyến tính; NXB KHKT, 2002 
Địa chỉ liên hệ: Phạm Xuân Khánh - Tel: 0913.050.173, Email: khanhpx.haui@gmail.com 
 Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội