intTypePromotion=1
zunia.vn Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z zunia.vn zunia.vn
ADSENSE
 » 
 » 

Đồ án môn học: Nghiên cứu điều khiển con lắc ngược tịnh tiến

Chia sẻ: Bùi ảnh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:20

Thêm vào BST
Báo xấu
309
lượt xem 69
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Thời đại ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật đặc biệt là trong lĩnh vực điều khiển tự động, ngày nay có thêm nhiều lý thuyết điều khiển hiện đại bên cạnh các lý thuyết kinh điển tồn tại trong thời gian qua.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đồ án môn học: Nghiên cứu điều khiển con lắc ngược tịnh tiến

  1. Nghiên cứu điều khiển con lắc ngược GVHD: Th.s Nguyễn Đức Hoàng ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG ------------------ ĐỒ ÁN MÔN HỌC 2 NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN CON LẮC NGƯỢC TỊNH TIẾN GVHD: Thạc sĩ Nguyễn Đức Hoàng SVTH : Đinh Thị Hướng Tâm MSSV : 40902334 Năm học 2012 - 2013 1
  2. Nghiên cứu điều khiển con lắc ngược GVHD: Th.s Nguyễn Đức Hoàng Lời mở đầu Đi u hi n h th ng on ngư m t trong nh ng v n inh i n nh v i u hi n t ng Với mong mu n m t m h nh th t n ịnh ov h nh x th i m h ng i thuy t i u hi n h ID Fuzzy N ur N twor thuy t i u khi n hi n i ng th i ng th p ng thuy t nh n ng ướ ư ng i m h nh to n h h th ng n y th s u ho ng th i gi n 3 th ng th hi n th m h nh ng t ư th nh ng m nh t ịnh n o M ti u h nh t i t m hi u, thi t k v h o s t hi u qu c b i u khi n gi ân b ng on i m m vi t nh Vi thi t pb i u hi n v thu th p i u ư th hi n th ng qu thư vi n a Matlab Simulink. Em xin gửi l i c m ơn n gi o vi n hướng dẫn, thầy Nguyễn Đ Ho ng v s hướng dẫn c a thầy trong su t th i gi n qu B n nh m ng mong nh n ư i n ng như ịnh hướng c a thầy ho n th nh t t lu n văn t t nghi p trong th i gian s p tới. Đinh Thị Hướng Tâm Tp. HCM ng y 16 th ng 06 năm 2013 2
  3. Nghiên cứu điều khiển con lắc ngược GVHD: Th.s Nguyễn Đức Hoàng MỤC LỤC Lời mở đầu _________________________________________ 2 PHẦN 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI ________________ 4 I. Giới thi u t i: ______________________________________________________________4 II. Giới h n c t i: ___________________________________________________________5 PHẦN 2. THỰC HIỆN ĐỀ TÀI ____________________ 6 I. M h nh to n h on ngư tuy n t nh: ________________________________________6 1.1. C u t o v th ng s c a con l ngư c : _______________________________________6 1 2 Xây ng m h nh to n h c con l ngư c: _______________________________________7 II. Thi t b i u hi n:______________________________________________________8 2 1 Đi u khi n h th ng con l ngư c sử d ng b i u khi n PID: _______________________8 2 2 Đi u khi n h th ng con l ngư c sử d ng b i u khi n to n phương tuy n t nh LQR: __13 2.3. Đi u khi n h th ng con l ngư c sử d ng b i u khi n PD m : ___________________19 PHẦN 3. TỔNG KẾT VÀ NHẬN XÉT _____________ 20 I. Nh n xét v ưu huy t i m phương ph p nghi n u: _____________________20 1.1 B i u hi n ID: _______________________________________________________20 1.2 B i u khi n to n phương tuy n t nh LQR : __________________________________20 II. Hướng ph t tri n t i :_______________________________________________________20 3
  4. Nghiên cứu điều khiển con lắc ngược GVHD: Th.s Nguyễn Đức Hoàng PHẦN 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI I. Giới thiệu đề tài: Th i i ng y n y với s ph t tri n m nh mẽ c a khoa h c kỹ thu t ặc bi t trong nh v i u khi n t ng, ng y ng th m nhi u thuy t i u khi n hi n i b n nh thuy t inh i n t n t i trong th i gian qua. Từ nhi u phương ph p i u khi n mới ư p d ng ho i tư ng i u khi n ph c t p. Tuy nhi n hầu h t thuy t i u khi n n y u r t ph c t p v trừu tư ng o ngư i h c mu n hi u ư c c th n i dung c a từng thuy t th ngo i vi t m hi u kỹ v thuy t, cần ph i m h nh th c t ki m nghi m l i thuy t M t trong m h nh ph bi n ư ùng kh o s t thuy t i u khi n ư c sử d ng hầu h t trư ng i h tr n th giới m h nh on c ngư c (Inverted Pendulum). Mặ ù tr n th giới ng m t s nh ung p thi t bị d yh h t o m h nh on ngư c với h nh x v tin y o Tuy nhi n với mong mu n t xây ng m t m h nh th nghi m d tr n nh ng ki n th ưới s hướng dẫn c a thầy, m th c hi n t i “Nghi n u i u khi n con l ngư c tịnh ti n” M h nh x on ngư c (Pendulum- Cart System): H nh 1 1 M t t ng quan v h con l ngư c chuy n ng ngang: Hình 1.1: Mô hình xe con lắc ngược V t ng quan, h xe con l ngư c bao g m m t con l c chuy n ng t o ư c g n tr n x th ng qu hớp xo y x th di chuy n dễ ng c theo m t thanh ray. Vị tr a chi x n y ư i u khi n b i m t ng ơ DC truy n ng qu ây uro Ngõ r c a h th ng vị tr a chi x v g ch c a con l u ư c h i ti p v b i u khi n. 4
  5. Nghiên cứu điều khiển con lắc ngược GVHD: Th.s Nguyễn Đức Hoàng Ưu i m: Dễ thi t k phần ơ h vi i ây t n hi u gi a c m bi n g a con l c tới m h i u khi n h ơn gi n. Như i m:  Bị giới h n v h ng gian di chuy n c a xe.  K t c u ph c t p, chi m h ng gi n II. Giới hạn của đề tài: Do nh hư ng c a m t s y u t ch quan (ki n th huy n m n th i gian th c hi n t i vv m trong n i dung th c hi n c t i hỉ c p ch y u n i ung s u ây:  M phỏng ặ t nh ng h c c a h th ng con l ngư v m phỏng phương n thi t k b i u khi n PID, b i u khi n LQR v b i u khi n PD m .  Thi t k b i u khi n cho m h nh on ngư c:  C v n i u khi n i n qu n n m h nh on ngư c bao g m:  B i u khi n Swing-up: t ng t ng ư on c từ vị tr “h nging- own” n vị tr “up-right position”  B i u khi n gi ân b ng (Stabilizing Controller): gi con l c vị tr ân b ng. Trong ph m vi nghi n uc t i n y hỉ xoay quanh v n Thiết kế bộ điều khiển giữ cân bằng cho hệ con lắc.  Đ nh gi t qu thu ư v ư r hướng ph t tri n ho n thi n vi i u khi n m h nh. 5
  6. Nghiên cứu điều khiển con lắc ngược GVHD: Th.s Nguyễn Đức Hoàng PHẦN 2. THỰC HIỆN ĐỀ TÀI I. Mô hình toán học con lắc ngược tuyến tính: 1.1. Cấu tạo và các thông số của con lắc ngược : C u trú ng h c chung c m h nh on ngư ư tr nh b y tr n h nh 2.1. B ph n ơ h g m m t xe goòng nhỏ tr n b ph n h nh t y òn g n con l th xo y tù o tr n m t tr ng ng X goòng ư c truy n ng b i m t ng ơ i n m t chi u th ng qu h th ng u y v ây i th di chuy n tr n ư ng ray phẳng trong ph m vi chuy n ng giới h n. Vị tr x goòng ư i u khi n b i h th ng i u khi n s th ng minh m b o con l c di chuy n v ư c gi ân b ng Đư ng r y i ịnh i u ki n r ng bu c c a thu t to n i u khi n. Encoder g n ùng tr c puly c ơ u chuy n ng ư c sử d ng ho x ịnh vị tr t c th i x goòng G qu y a con l ư o b ng m t chi t p xo y g n tr n tr c quay c a con l ngư c. § Hình 2.1. Cấu trúc động học của mô hình con lắc ngược. C th ng s c a h th ng con l ngư c: Chi u i h nh tr nh huy n ng (mm) 900 Chi u i on quy i (mm) l = 262,5 Kh i ư ng xe (kg) M = 0,4 Kh i ư ng con l quy i (kg) m = 0,12 B n nh pu y mm r = 0,01 H s m s tx k = 0.3 H s m s t tr c c = 0,001 Gia t c tr ng trư ng g = 9,81 6
  7. Nghiên cứu điều khiển con lắc ngược GVHD: Th.s Nguyễn Đức Hoàng Mom n qu n t nh I= Đ l i ng ơ Km = 0.00767 Đi n tr n i Rm = 2 H s gear Kg = 3,75 B n nh i r = 0.01 1.2. Xây dựng mô hình toán học con lắc ngược: Từ c u t o c a con l ngư c ta cần xây ng m h nh to n h c c a con l c ngư ph c v qu tr nh t ng h p b i u khi n v m phỏng tr n m y t nh m t h h nh x Khi xây ng m h nh to n h c c a con l ngư t th sử d ng nhi u phương ph p tm ư phương tr nh ng l c h c. Ở ây t sử d ng m t phương ph p thư ng ư c sử d ng phương ph p Eu r_L gr ng Đ th x ịnh ư phương tr nh ng l c h c c a con l ngư trước h t ta cần t nh quy i con l c. Hình 2.2. Mô hình và các thông sè con lắc ngược. Th o ịnh u t II N wton: V – mg = m (lcos ) (1) 7
  8. Nghiên cứu điều khiển con lắc ngược GVHD: Th.s Nguyễn Đức Hoàng H=m (x + lsin ) (2) I ̈ + c ̇ = Vlsin – Hlcos (3) F–H=M ̈ +k ̇ (4) Từ nh ng phương tr nh tr n suy r : ̈= [lm(gsin - ̈ cos ) - c ̇ (5) ̈= [F – lm( ̈ cos - ̇ sin ) - k ̇ ] (6) (5) (6) I 0, c 0: ̇ ̇ ̈= ( ) ̇ ̇ ̈= ( ) Tuy n t nh h quanh i m -100 < < 100 với sin 0, cos 1v ̇ 0. II. Thiết kế các bộ điều khiển: 2.1. Điều khiển hệ thống con lắc ngược sử dụng bộ điều khiển PID: B i u khi n PID chỉ th i u khi n ng th i m t th ng s c a h th ng, m i u khi n ư g on v vị tr a xe con l c t i ùng m t th i i m húng t ần 2 b i u khi n PID. Trong m t th ng s ư x m như th ng s h nh v ư i u khi n tr c ti p b ng momen c ng ơ trong hi th ng s òn i ư c p v o t ng c a i m tham chi u c th ng s h nh V y 2 trư ng h p, m t g on v 2 vị tr x c a con l ư ung m th ng s h nh Chúng t n n hỉ ra r ng c h i nhân t tr n ư c sử d ng l t ng n xe. Ta xây x ng m h nh tuy n t nh h con l c ngư như m t hương tr nh con trong kh i linear inverted pendulum: 8
  9. Nghiên cứu điều khiển con lắc ngược GVHD: Th.s Nguyễn Đức Hoàng Hình 2.3. Mô hình tuyến tính hóa con lắc ngược. Hình 2.4. Cấu trúc bộ điều khiển PID điều khiển con lắc ngược. Chỉnh th ng s c a kh i Linear Inverted pendulum: 9
  10. Nghiên cứu điều khiển con lắc ngược GVHD: Th.s Nguyễn Đức Hoàng Hình 2.5. Thông số của khối Linear Inverted Pendulum. Khi kh ng b i u khi n PID, ta cho g ban ầu c a con l pi/18 v th dao ng t o p ng c a con l c khi kh ng b i u khi n ư c th hi n qua h nh: 10
  11. Nghiên cứu điều khiển con lắc ngược GVHD: Th.s Nguyễn Đức Hoàng Hình 2.6. Đáp ứng của con lắc khi không có bộ điều khiển. N ib i u khi n v o sơ trong simulink ch y hương tr nh t ư c p ng sau: Hình 2.7. Đáp ứng góc của con lắc. 11
  12. Nghiên cứu điều khiển con lắc ngược GVHD: Th.s Nguyễn Đức Hoàng Hình 2.8. Đáp ứng vận tốc góc của con lắc. Hình 2.9. Đáp ứng vị trí xe. 12
  13. Nghiên cứu điều khiển con lắc ngược GVHD: Th.s Nguyễn Đức Hoàng Hình 2.10. Đáp ứng vận tốc xe. 2.2. Điều khiển hệ thống con lắc ngược sử dụng bộ điều khiển toàn phương tuyến tính LQR: L thuy t i u khi n LQR m t phương ph p i u khi n m nh i u khi n h th ng tuy n t nh ư m t b ng phương tr nh tr ng th i Kỹ thu t LQR t o ra b i u khi n vòng n n ịnh với năng ư ng cung c p cho h th ng nhỏ nh t. Cho h th ng m h nh ̇ = Ax + Bu Th ng thư ng, n u h n ịnh th hi h ng bị h th h h u n xu hướng ti n v i m tr ng th i ân b ng, t i m m hi h ng t ng từ b n ngo i u=0 h sẽ n m nguy n t i x/ t = 0 Như v y rõ r ng i m tr ng th i ân b ng ph i nghi m c a: Ax = 0. V n u gi thi t A m tr n kh ng suy bi n th h tuy n t nh x/ t = Ax+Bu u n hỉ m t i m ân b ng g c to 0. 13
  14. Nghiên cứu điều khiển con lắc ngược GVHD: Th.s Nguyễn Đức Hoàng Hình 2.11: Thiết kế bằng phản hồi trạng thái. Xét b i to n t m b i u khi n R t nh ph n h i tr ng th i H nh vẽ) i u khi n i tư ng dx/dt = Ax+B Ở ây ta sẽ m qu n với m t phương ph p thi t k h s o ho s u hi bị nhiễu nh b t ra khỏi i m ân b ng (hoặ i m m vi n m t i m tr ng th i x0 n o b i u khi n R sẽ éo ư c h từ x0 v g c to 0 h y i m m vi v trong qu tr nh tr l i n y s t n hao năng ư ng: J(u) = ( ) ( ) ∫ [ ( ) ( ) ( ) ( )]  min B i to n n y t ng i LQR. Trong m t b ùng ng th c K = lqr(A,B,Q,R) t nh gi trị K. Trong tùy theo lớn tương i gi a tr ng s Q v R m h th ng p ng qu v năng ư ng ti u t n h nhau. Mu n tr ng th i p ng nhanh tăng th nh phần Q tương ng, mu n gi m năng ư ng th tăng R. Trong m h nh n y ta ch n Q=[ ], R=1 File .m trong matlab m t xây d ng t nh h s K: 14
  15. Nghiên cứu điều khiển con lắc ngược GVHD: Th.s Nguyễn Đức Hoàng g = 9.81; % [m/s^2] L = 0.2625; % [m] M = 0.5; % [Kg] m = 0.12; % [Kg] I = (4*m*L*L)/3; % momen quan tinh k = 0.3; % he so ma sat xe c = 0.0001; % he so ma sat truc r = 0.010; % ban kinh dai Km = 0.00767; % Gain of motor volt/rad/s Rm = 1; % Dien tro noi Kg = 3.75; % he so gear v1=(M+m)/(I*(M+m)+L*L*M*m); v2=(I+L*L*m)/(I*(M+m)+L*L*m*M); A=[ 0 1 0 0; 0 -k*v2-(Km*Km*Kg*Kg*v2)/(Rm*r*r) -(L*m)*(L*m)*g*v2/(I+L*L*m) L*m*c*v2/(I+m*L*L); 0 0 0 1; 0 L*m*k*v1/(M+m)+L*m*v1*Km*Km*Kg*Kg/((M+m)*Rm*r*r) L*m*g*v1 -c*v1]; B=[ 0; v2*Km*Kg/(Rm*r); 0; -L*m*v1*Km*Kg/((M+m)*Rm*r)]; C = [1 0 0 0; 0 1 0 0; 0 0 1 0; 0 0 0 1]; D = [0; 0; 0; 0]; Q = diag([15 0 10000 1]); R = 1; K = lqr(A,B,Q,R); T t nh ư c h s K = [-3.8730 -12.9054 -114.3194 -13.6801 C u trú b i u khi n LQR i u khi n con l ngư c: 15
  16. Nghiên cứu điều khiển con lắc ngược GVHD: Th.s Nguyễn Đức Hoàng Hình 2.12. Cấu trúc bộ điều khiển LQR con lắc ngược. 16
  17. Nghiên cứu điều khiển con lắc ngược GVHD: Th.s Nguyễn Đức Hoàng Hình 2.13. Đáp ứng góc của con lắc. Hình 2.14. Đáp ứng vận tốc góc của con lắc. 17
  18. Nghiên cứu điều khiển con lắc ngược GVHD: Th.s Nguyễn Đức Hoàng Hình 2.15. Đáp ứng vị trí xe của con lắc. Hình 2.16. Đáp ứng vận tốc của xe. 18
  19. Nghiên cứu điều khiển con lắc ngược GVHD: Th.s Nguyễn Đức Hoàng Hình 2.17. Đáp ứng ngõ ra của bộ điều khiển. 2.3. Điều khiển hệ thống con lắc ngược sử dụng bộ điều khiển PD mờ: 19
  20. Nghiên cứu điều khiển con lắc ngược GVHD: Th.s Nguyễn Đức Hoàng PHẦN 3. TỔNG KẾT VÀ NHẬN XÉT I. Nhận xét về ưu, khuyết điểm của các phương pháp đã nghiên cứu: 1.1 Bộ điều khiển PID: - Ưu i m : Dễ ng thi t k h ng ph thu v o m h nh to n i tư ng. B i u khi n sẽ th c hi n gi m t i s i s b ng h i u chỉnh gi trị i u khi n v o Trong trư ng h p h ng i n th ơ b n v qu tr nh b i u khi n ID b i u khi n t t nh t Tuy nhi n t ư c k t qu t t nh t th ng s PID sử d ng trong t nh to n ph i i u chỉnh th o t nh h t c a h th ng trong khi ki u i u khi n gi ng nh u th ng s ph i ph thu v o ặ thù a h th ng. - H n ch : trong khi b i u khi n ID th ư ùng ho nhi u b i to n i u khi n v thư ng t k t qu như m h ng ần b t kỳ c i ti n h y i u chỉnh n o húng r t y u trong v i ng d ng v thư ng h ng ho t i u khi n t i ưu Kh hăn ơb nc i u khi n PID n m t h th ng ph n h i với h s h ng i. 1.2 Bộ điều khiển toàn phương tuyến tính LQR : Đi u khi n con l c ngư c b ng LQR òi hỏi ta ph i x ịnh tương i th ng s c a m h nh, n quy t ịnh n vi c gi th ng b ng cho con l c. V v y cần th c nghi m nhi u t m ra nh ng quy lu t t i ưu trong vi c i u khi n con l c. II. Hướng phát triển đề tài : Ngo i vi c i u khi n con l c ngư c b ng PID, LQR ra, ta òn r t nhi u thu t to n kinh i n, hi n i kh i u khi n như: Fuzzy Controller, Neural N twor i u khi n trư t ần ư nghi n u. Đi u khi n Swing-up con l ng m t thu t to n ần nghi n u hướng n th c hi n m h nh th c t . 20
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.26: Bộ 320 Luận Văn Thạc Sĩ Y Học
320 tài liệu
1253 lượt tải
THÔNG TIN
TRỢ GIÚP
HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG
Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.

 

Đồng bộ tài khoản
5=>2