Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển hệ phi tuyến dùng giải thuật thông minh

Chia sẻ: Xylitol Extra | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:117

Thêm vào BST

Báo xấu

107
lượt xem 19
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài có mục tiêu là: Nghiên cứu sử dụng phần mềm matlab R2013b, tìm hiểu SMT32F4, cách nhúng gi ải thuật từ Matlab vào vi đi ều khiển. Tìm hiểu về các giải thuật điều khiển thông minh. Thiết kế bộ điều khiển PID, Fuzzy, mạng Neural trong hai mô hình phi tuyến là: mô hình máy bay trực thăng hai bậc tự do và mô hình điều khiển động cơ ba pha. Đánh giá mức độ hiệu quả của các giải thuật điều khiển khác nhau.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển hệ phi tuyến dùng giải thuật thông minh

TRƯỜNG ĐH. SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TP. HỒ CHÍ MINH ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP Y SINH Tp. HCM, ngày 20 tháng 03 năm 2018 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Nguyễn Thành Luân MSSV: 14141179 Tạ Minh Giang MSSV: 14141079 Chuyên ngành: Điện tử công nghiệp Mã ngành: 141 Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 1 Khóa: 2014 Lớp: 14141DT1A I. TÊN ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN HỆ PHI TUYẾN DÙNG GIẢI THUẬT THÔNG MINH II. NHIỆM VỤ: 1. Các số liệu ban đầu: Tìm hiểu các tài liệu hướng dẫn về PID, FUZZY, NEURAL. Tìm hiểu môi trường làm việc Matlab Simulink và thư viện Waijung Blockset. 2. Nội dung thực hiện: Tìm hiểu các linh kiện, thiết bị được sử dụng trong mô hình: STM32F407VG, Encoder E50S8-5000, Encoder E50S8-1024, BLH Heli Emax 40A, biến tần VLT 2807 và phần mềm Matlab/Simulink; cách thức truyền nhận dữ liệu; nghiên cứu giải thuật điều khiển hiện đại; nghiên cứu xây dựng mô hình thuật toán cho mô hình trực thăng hai bậc tự do và nhận dạng được mô hình điều khiển tốc độ động cơ; mô phỏng và lập trình hệ thống trên Matlab/Simulink; tiến hành điều khiển mô hình; nhận xét kết quả thực tế. III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 06/03/2018 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 20/07/2018 V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS. Tạ Văn Phương CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH i
TRƯỜNG ĐH. SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TP. HỒ CHÍ MINH ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP Tp. HCM, ngày 20 tháng 03 năm 2018 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1: Tạ Minh Giang ................................................................................... Lớp: 14141DT1A ......................................................... MSSV: 14141079 ....................... Họ tên sinh viên 2: Nguyễn Thành Luân........................................................................... Lớp: 14141DT1A ......................................................... MSSV: 14141179 ....................... Tên đề tài: Điều khiển hệ phi tuyến dùng giải thuật thông minh ...................................... ........................................................................................................................................... Xác nhận Tuần/ngày Nội dung GVHD Tuần 1 Gặp giảng viên hướng dẫn và trao đổi về đề tài đồ án tốt nghiệp. 18/3-24/3 Tuần 2 Viết đề cương và lịch trình thực hiện đồ án tốt nghiệp. 25/3-31/3 Tuần 3 Tìm hiểu đề tài và lựa chọn thiết bị. 1/4-7/4 Tuần 4 Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của đề tài. 8/4-14/4 Tuần 5 Thiết kế sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý. 15/4-21/4 Tuần 6,7 Tìm hiểu các giải thuật pid, fuzzy, neural 22/4-5/5 Tuần 8,9 Viết chương trình điều khiển động cơ ba pha 6/5- 19/5 Tuần 10,11,12,13 Viết chương trình điều khiển mô hình máy bay trực thăng hai bậc tự do 20/5-16/6 Tuần 14,15,16 Viết báo cáo 17/6-6/7 GV HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên) ii
LỜI CAM ĐOAN Đề tài này là do nhóm sinh viên Nguyễn Thành Luân và Tạ Minh Giang tự thực hiện, do thầy Tạ Văn Phương hướng dẫn, dựa vào một số tài liệu trước đó và không sao chép từ tài liệu hay công trình đã có trước đó. Người thực hiện đề tài Nguyễn Thành Luân Tạ Minh Giang iii
LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực hiện đề tài, những người thực hiện được sự giúp đỡ của gia đình, quý thầy cô và bạn bè nên đề tài đã được hoàn thành. Những người thực hiện xin chân thành gửi lời cảm ơn đến: Thầy Tạ Văn Phương, giảng viên trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM đã trực tiếp hướng dẫn và tận tình giúp đỡ tạo điều kiện để nhóm có thể hoàn thành tốt đề tài. Những người thực hiện cũng xin chân thành cám ơn đến các thầy cô trong khoa Điện - Điện tử của trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM đã tận tình dạy dỗ, chỉ bảo, cung cấp cho những người thực hiện những kiến thức nền, chuyên môn làm cơ sở để hoàn thành đề tài này. Cảm ơn gia đình đã động viên và luôn luôn bên cạnh trong những lúc khó khăn nhất. Xin gửi lời cảm ơn đến những người bạn sinh viên khoa Điện-Điện tử đã giúp đỡ những người thực hiện đề tài để có thể hoàn thành tốt đề tài này. Xin chân thành cảm ơn! Người thực hiện đề tài: Nguyễn Thành Luân Tạ Minh Giang iv
MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP .................................................................................... i LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP .......................................................... ii LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................... iii LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................................... iv MỤC LỤC ........................................................................................................................... v DANH SÁCH HÌNH ......................................................................................................... vii DANH SÁCH BẢNG ......................................................................................................... xi DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................................................. xii TÓM TẮT......................................................................................................................... xiii CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ............................................................................................. 1 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ : ..................................................................................................... 1 1.2 MỤC TIÊU: ........................................................................................................... 2 1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU: ................................................................................. 3 1.4 GIỚI HẠN: ............................................................................................................ 3 1.5 BỐ CỤC: ................................................................................................................ 3 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................................. 5 2.1 TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH MÁY BAY TRỰC THĂNG HAI BẬC TỰ DO: 5 2.2 TỔNG QUAN VỀ PHẦN CỨNG: ........................................................................ 7 2.2.1 Kit STM32F407VG_disc1 discovery: ............................................................ 7 2.2.2 Encoder E50S8- 5000 (1024): ......................................................................... 8 2.2.3 Emax BL heli ESC: ....................................................................................... 10 2.2.4 Động cơ Brushless DC (BLDC): .................................................................. 11 2.2.5 Biến tần VLT 2807 195N1015:..................................................................... 13 2.2.6 Nguồn tổ ong 24V 5A: .................................................................................. 16 2.3 GIAO TIẾP UART: ............................................................................................. 16 2.4 HỆ ĐA BIẾN MIMO: .......................................................................................... 20 2.5 LÍ THUYẾT ĐIỀU KHIỀN: ................................................................................ 21 2.5.1 Thuật toán PID: ............................................................................................. 21 2.5.2 Thuật toán Fuzzy: .......................................................................................... 26 2.5.3 Thuật toán Neural: ......................................................................................... 33 CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ .............................................................. 40 v
3.1 THIẾT KẾ SƠ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ THỐNG: .................................................... 40 3.2 MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG TRMS: ................................................................ 45 3.2.1 Mô hình toán học của hệ TRMS: .................................................................. 46 CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG ..................................................................... 56 4.1 GIỚI THIỆU: ....................................................................................................... 56 4.2 MÔ HÌNH PHẦN CỨNG:................................................................................... 56 4.2.1 Mô hình TRMS: ............................................................................................ 56 4.2.2 Mô hình điều khiển tốc độ động cơ: ............................................................. 58 4.3 PHẦN MỀM LẬP TRÌNH: ................................................................................. 60 4.3.1 Giới thiệu Matlab: ......................................................................................... 60 4.3.2 Simulink: ....................................................................................................... 61 4.3.3 Thư viện waijung: ......................................................................................... 64 4.3.4 Tool box Fuzzy: ............................................................................................ 65 4.3.5 Toolbox neural và nhận dạng hệ thống: ........................................................ 69 4.4 MÔ HÌNH MÔ PHỎNG: ..................................................................................... 75 4.4.1 Mô hình máy bay trực thăng hai bậc tự do: .................................................. 75 4.4.2 Mô hình điều khiển tốc độ động cơ: ............................................................. 83 4.5 CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN: ...................................................................... 88 4.5.1 Chương trình điều khiển hệ TRMS: .............................................................. 88 4.5.2 Chương trình điều khiển tốc độ động cơ ba pha: .......................................... 89 CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ .................................................... 92 5.1 TÓM TẮT: ........................................................................................................... 92 5.2 KẾT QUẢ ĐÁP ỨNG CỦA HAI HỆ PHI TUYẾN: .......................................... 92 5.2.1 Kết quả đáp ứng của hệ TRMS. .................................................................... 92 5.2.2 Mô hình điều khiển tốc độ động cơ ba pha: .................................................. 96 CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .............................................. 99 6.1 KẾT LUẬN: ......................................................................................................... 99 6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN:.................................................................................... 100 TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................. 101 vi
DANH SÁCH HÌNH Hình Trang Hình 2. 1 Trực thăng EC_225. ............................................................................................ 5 Hình 2. 2 Lực nâng trực thăng lên. ...................................................................................... 6 Hình 2. 3 Hệ thống dẫn động giữa cánh quạt chính và cánh quạt đuôi. .............................. 6 Hình 2. 4 Kit STM32F407................................................................................................... 7 Hình 2. 5 Encoder E50S8-5000. .......................................................................................... 9 Hình 2. 6 Cấu tạo cơ bản của encoder. .............................................................................. 10 Hình 2. 7 Cấu tạo các chân kết nối BLH Heli Emax......................................................... 11 Hình 2. 8 Động cơ và cánh quạt Tarot. ............................................................................. 13 Hình 2. 9 Biến tần VLT 2807 195N1015. ......................................................................... 14 Hình 2. 10 Sơ đồ nguyên lý hoạt động biến tần. ............................................................... 15 Hình 2. 11 Nguồn tổ ong 24V. .......................................................................................... 16 Hình 2. 12 Hệ thống truyền dữ liệu bất đồng bộ. .............................................................. 17 Hình 2. 13 Định dạng của một ký tự truyền theo chuẩn RS-232. ..................................... 19 Hình 2. 14 Sơ đồ nguyên lí của hệ thống đa biến điển hình.............................................. 20 Hình 2. 15 Quan hệ ngõ vào và ra của hệ MIMO dùng ma trận hàm truyền. ................... 20 Hình 2. 16 Sơ đồ hệ thống điều khiển dùng PID............................................................... 22 Hình 2. 17 Điều khiển hồi tiếp với bộ điều khiển PID. ..................................................... 22 K  K gh Hình 2. 18 Đáp ứng nấc của hệ khi . .................................................................... 25 Hình 2. 19 Điều khiển trực tiếp. ........................................................................................ 26 Hình 2. 20 Điều khiển gián tiếp......................................................................................... 27 Hình 2. 21 Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ. ................................................................... 28 Hình 2. 22 Tập mờ ngõ ra của khâu mờ hóa. .................................................................... 28 Hình 2. 23 Các loại tập mờ ngõ vào và ngõ ra. ................................................................. 29 Hình 2. 24 Các đường đặc tính bị hạn chế bởi sự nội suy giữa các điểm đặc tính. .......... 30 Hình 2. 25 Những nguyên lý giải mờ. ............................................................................... 31 Hình 2. 26 Cấu trúc của một neural. .................................................................................. 34 vii
Hình 2. 27 Đồ thị hàm purelin. .......................................................................................... 35 Hình 2. 28 Đồ thị hàm hard limit. ..................................................................................... 35 Hình 2. 29 Đồ thị hàm logsig. ........................................................................................... 36 Hình 2. 30 Đồ thị hàm tansig............................................................................................. 36 Hình 2. 31 Mạng neural truyền thẳng. ............................................................................... 37 Hình 2. 32 Mạng neural hồi qui......................................................................................... 37 Hình 2. 33 Cấu trúc của mạng neural nhiều lớp. ............................................................... 38 Hình 3. 1 Sơ đồ khối của 2 hệ thống …………………………………………………….40 Hình 3. 2 Sơ đồ khối hệ thống thiết bị thực tế mô hình TRMS. ....................................... 41 Hình 3. 3 Sơ đồ khối hệ thống thiết bị thực tế mô hình động cơ. ..................................... 41 Hình 3. 4 Kết nối STLINK- và STM32F407 UART2 (Datasheet). .................................. 42 Hình 3. 5 Kết nối hai Encoder với vi điều khiển. .............................................................. 43 Hình 3. 6 Sơ đồ kết nối biến tần và động cơ. .................................................................... 44 Hình 3. 7 Sơ đồ tổng quát hệ TRMS. ................................................................................ 46 Hình 3. 8 Trọng lực của hệ. ............................................................................................... 47 Hình 3. 9 Momen lực đẩy và ma sát. ................................................................................. 48 Hình 3. 10 Momen của các lực trong mặt phẳng ngang. ................................................... 50 Hình 3. 11Hàm phụ thuộc lực đẩy vào tốc độ động cơ chính. .......................................... 52 Hình 3. 12 Hàm phụ thuộc tốc độ quay của động cơ và điện áp vào. ............................... 53 Hình 3. 13 Phương trình lực đẩy của động cơ đuôi........................................................... 53 Hình 3. 14 Hàm phụ thuộc tốc độ quay động cơ đuôi và áp. ............................................ 54 Hình 3. 15 Sơ đồ khối hệ thống TRMS. ............................................................................ 55 Hình 4. 1 Sơ đồ kết nối hệ thống điều khiển với mô hình TRMS ………………………57 Hình 4. 2 Hệ thống điều khiển mô hình TRMS thực tế. ................................................... 57 Hình 4. 3 Sơ đồ kết nối hệ thống điều khiển mô hình. ...................................................... 59 Hình 4. 4 Hệ thống điều khiển mô hình điều khiển tốc độ động cơ thực tế. ..................... 59 Hình 4. 5 Giao diện Matlab. .............................................................................................. 60 Hình 4. 6 Giao diện làm việc của Simulink....................................................................... 62 Hình 4. 7 Thư viện Simulink. ............................................................................................ 63 viii
Hình 4. 8 Thiết lặp miền mô phỏng. .................................................................................. 64 Hình 4. 9 Thư viện waijung blockset. ............................................................................... 65 Hình 4. 10 Giao diện ban đầu vủa fuzzy. .......................................................................... 66 Hình 4. 11 Thay đổi số lượng ngõ vào và ra. .................................................................... 66 Hình 4. 12 Tập mờ. ............................................................................................................ 67 Hình 4. 13 Luật mờ. ........................................................................................................... 68 Hình 4. 14 Gọi fuzzy vào chương trình. ............................................................................ 69 Hình 4. 15 Giao diện làm việc của tool ident. ................................................................... 70 Hình 4. 16 Chèn dữ liệu vào để nhận dạng. ...................................................................... 70 Hình 4. 17 Giao diện tool ident sau khi chèn dữu liệu. ..................................................... 71 Hình 4. 18 Chọn số cực và số zero của hệ thống cần nhận dạng. ..................................... 72 Hình 4. 19 Giao diện tool ident sau khi nhận dạng. .......................................................... 72 Hình 4. 20 Giao diện của tool NARMA_L2. .................................................................... 74 Hình 4. 21 Sơ đồ Simulink chi tiết cho hệ TRMS............................................................. 76 Hình 4. 22 Tập mờ đầu vào e(t) và de(t)/dt. ...................................................................... 77 Hình 4. 23 Tập mờ đầu ra u. .............................................................................................. 77 Hình 4. 24 Cấu trúc mô phỏng với bộ FUZZY/PID cho hệ thống TRMS. ....................... 79 Hình 4. 25 Mô phỏng đáp ứng góc Pitch........................................................................... 79 Hình 4. 26 Mô phỏng đáp ứng góc Yaw. .......................................................................... 80 Hình 4. 27 Mô phỏng đáp ứng góc Pitch khi góc đặt 10 độ. ............................................. 81 Hình 4. 28 Mô phỏng đáp ứng góc Yaw khi giá trị đặt 10 độ. .......................................... 81 Hình 4. 29 Mô phỏng đáp ứng góc Pitch khi góc đặt là sóng sin T=15s. ......................... 82 Hình 4. 30 Mô phỏng đáp ứng góc Yaw khi góc đặt là sóng sin T=15s. .......................... 83 Hình 4. 31 Cấu trúc mô phỏng với bộ NEURAL/FUZZY/PID cho hệ thống. ................. 83 Hình 4. 32 Tập mờ đầu vào e(t) de(t)/dt. ........................................................................... 84 Hình 4. 33 Tập mờ đầu ra u. .............................................................................................. 85 Hình 4. 34 Thông số huấn luyện Neural cho động cơ ba pha. .......................................... 86 Hình 4. 35 Mô phỏng đáp ứng PID khi ngõ vào là sóng sin. ............................................ 87 Hình 4. 36 Mô phỏng đáp ứng fuzzy khi ngõ vào là sin. .................................................. 87 ix
Hình 4. 37 Mô phỏng đáp ứng neural với giá trị đặt là sóng sin. ...................................... 88 Hình 4. 38 Code bộ điều khiển Fuzzy điều khiển hệ TRMS............................................. 88 Hình 4. 39 Giao diện điều khiển và quan sát trên PC. ...................................................... 89 Hình 4. 40 Code bộ điều khiển Fuzzy điều khiển tốc độ động cơ ba pha. ........................ 90 Hình 4. 41 Code bộ điều khiển Neural điều khiển tốc độ động cơ ba pha. ....................... 90 Hình 4. 42 Giao diện điều khiển và quan sát. .................................................................... 91 Hình 5. 1 Đáp ứng góc Pitch của hệ TRMS với giá trị đặt là sóng sin với T=15s ……...92 Hình 5. 2 Đáp ứng góc Pitch của hệ TRMS với giá trị đặt thay đổi liên tục. ................... 93 Hình 5. 3 Đáp ứng góc Pitch của hệ TRMS khi Yaw =10 độ. .......................................... 93 Hình 5. 4 Đáp ứng góc Yaw của hệ TRMS với giá trị đặt là sóng sin với T=15s. ........... 94 Hình 5. 5 Đáp ứng góc Yaw của hệ TRMS với giá trị đặt thay đổi liên tục. .................... 95 Hình 5. 6 Đáp ứng góc Yaw của hệ TRMS khi truc Pitch =10 độ. ................................... 95 Hình 5. 7 Đáp ứng động cơ khi giá trị đặt thay đổi theo hàm bước. ................................. 97 Hình 5. 8 Đáp ứng động cơ khi giá trị đặt thay đổi liên tục. ............................................. 97 Hình 5. 9 Điện áp điều khiển của từng bộ điều khiển. ...................................................... 98 x
DANH SÁCH BẢNG Bảng Trang Bảng 2. 1 Một số nhóm lênh cơ bản được thực hiện trên biến tần. ................................... 15 Bảng 2. 2 Sơ đồ chân cổng COM. ..................................................................................... 18 Bảng 2. 3 Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols. ...................................... 25 Bảng 4. 1 Thông số bộ phận phản hồi (Encoder) ………………………………………..58 Bảng 4. 2 Bảng luật mờ của góc Pitch. ............................................................................. 78 Bảng 4. 3 Bảng luật mờ của góc Yaw. .............................................................................. 78 Bảng 4. 4 Bảng luật mờ của hệ thống điều khiển động cơ. ............................................... 85 xi
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT MIMO: Multi Input Multi Output. TRMS: Twin Rotor MIMO system. PWM: Pulse Width Modulation. PID: Proportional Intergator Derivative. ESC: Electronic Speed Controller. UART: Universal Asynchronous Receiver-Transmitter xii
TÓM TẮT Hệ thống điều khiển thông thường được thiết kế dựa vào mô hình toán học của đối tượng. Đối tượng được mô hình hóa bằng những định luật vật lý, sau đó được lựa chọn và thiết kế bộ điều khiển thích hợp. Những giải thuật điều khiển kinh điển gặp hạn chế đối với hệ thống làm việc trong phạm vi rộng, độ phi tuyến cao, độ bất định lớn. Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, các đối tượng điều khiển có độ phức tạp ngày càng cao. Các giải thuật thông minh ra đời giải quyết việc những bài toán phức tạp trong việc điều khiển các đối tượng phi tuyến phức tạp. Với đề tài: “Điều khiển hệ thống phi tuyến dùng giải thuật thông minh” được thực nghiệm trên hai mô hình là điều khiển mô hình máy bay trực thăng hai bậc tự do (TRMS) và điều khiển tốc độ động cơ ba pha. Nội dung đề tài tập trung thiết kế các bộ điều khiển thông minh để điều khiển các mô hình có tính phi tuyến cao.  Mô hình máy bay trực thăng hai bậc tự do có hai encoder ở hai trục tọa độ x và y để đọc giá trị góc ở mỗi trục theo phương ngang và đứng. Để điều khiển vị trí góc thì chúng ta thông qua điều khiển tốc độ của hai động cơ cánh quạt. Các thông số điều khiển gửi từ monitor trên PC xuống vi điều khiển, trong đó có góc điều khiển hệ thống. Giá trị hiện tại của encoder sẽ được phản hồi về cho vi điều khiển. Sau khi đọc giá trị góc từ encoder của hai trục cùng với góc đặt trước ta có tín hiệu lỗi thông qua bộ điều khiển sẽ quyết định tín hiệu điều khiển nhằm đưa tín hiệu lỗi về 0. Hệ thống có chức năng như sau:  Thiết lặp vị trí (góc) ban đầu.  Có thể điều khiển giá trị góc đặt trong qua trình hoạt động.  Nếu chịu ảnh hưởng của nhiễu, hệ thống sẽ tự quay lại vị trí đã được thiết lặp. Trong đồ án này, nhóm sẽ xem xét giải quyết các vấn đề của mô hình trực thăng hai bậc tự do này. Do trong quá trình hoạt động, sẽ bị ảnh hưởng của nhiễu và sự tác động qua lại của hai trục, nên việc đọc góc của encoder không chính xác sẽ dẫn đến hệ thống dễ bị mất tính ổn định, làm mất cân bằng. xiii
Để tìm hiểu và giải quyết vấn đề này, chúng ta sử dụng giải thuật hiện đại để điều khiển. Và so sánh kết quả của giải thuật này với các giải thuật cổ điển.  Đối với hệ động cơ ba pha:  Động cơ ba pha tốc độ trong phạm vi 1200 vòng/ phút được điều khiển thông qua biến tần.  Động cơ không có thông số chính xác về điện trở, điện kháng, hệ số trượt, số cặp cực…  Vi điều khiển đọc tín hiệu từ encoder chuyển đổi về giá trị tốc độ thông qua các bộ điều khiển tính toán xuất giá trị điện áp điều khiển biến tần. xiv
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ : Hiện nay, hệ thống điều khiển tự động được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực từ công nghiệp, kỹ thuật quân sự - hàng không đến hệ thống kinh tế-xã hội – y học nhằm tăng năng suất, chất lượng, độ chính xác, độ ổn định, an toàn của hệ thống. Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, các hệ thống phi tuyến cao, phức tạp cũng phát triển không ngừng. Để điều khiển các hệ thống đó các bộ điều khiển hiện đại và đặc biệt là điều khiển thông minh ra đời và không ngừng phát triển. Trong đó, điều khiển mờ (Fuzzy) là một trong những phương pháp điều khiển thông minh đơn giản, đạt hiệu quả cao, được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp. Đặc điểm nổi bật của bộ điều khiển mờ là không cần biết chính xác mô hình của đối tượng phức tạp cần điều khiển mà chỉ cần biết đặc tính của hệ thống dựa vào kinh nghiệm điều khiển thực tế của người điều khiển từ đó xây dựng luật mờ cho hệ thống. Trong những năm gần đây, mạng Neural nhân tạo (Artificial Neural Network) phát triển mạnh mẽ, thực sự trở thành một cuộc cách mạng trong khoa học kỹ thuật. Mạng Neural nhân tạo ứng dụng thành công trong việc giải quyết các bài toán phức tạp trong khoa học kỹ thuật cao như dự báo, quản lý thông tin, nhận dạng, khoa học hình sự, kỹ thuật quân sự, khoa học vũ trụ, tối ưu và thông minh hóa các các bộ điều khiển. Và điển hình cho hệ thống phi tuyến là mô hình máy bay trực thăng hai bậc tự do (TRMS) là một hệ thống nhiều ngõ vào nhiều ngõ ra MIMO. Máy bay trực thăng là phương tiện gần gũi với con người và có cấu tạo phức tạp hơn máy bay phản lực khó điều khiển và khả năng bay xa kém. Tuy nhiên, máy bay trực thăng có khả năng cơ động cao, có thể cất cánh và hạ cánh không cần sân bay và có thể bay thẳng đứng. Tuy nhiên để giữ ổn định trên không dưới tác động của ngoại lực như gió, trọng lực… là vấn đề thách thức lớn trong hệ thống điều khiển. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Động cơ điện xoay chiều ba pha cũng là một thiết bị được sử dụng làm nguồn động lực cho các hệ thống trong công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải, trong đời sống hằng ngày với ưu điểm cấu tạo đơn giản, giá thành thấp, hiệu suất làm cao. Tuy nhiên, tốc độ của động cơ không tỉ lệ tuyến tính với tần số cũng như điện áp cấp cho động cơ do các thông số của động cơ điện xoay chiều biến đổi theo thời gian và ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố nên việc điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều gặp nhiều khó khăn. Để tìm hiểu rõ hơn về các giải thuật thông minh cũng như các hệ thống phi tuyến trên, nhóm đã quyết định chọn đề tài: “Điều khiển hệ thống phi tuyến dùng giải thuật thông minh”. 1.2 MỤC TIÊU:  Mục tiêu chung:  Nghiên cứu sử dụng phần mềm matlab R2013b, tìm hiểu SMT32F4, cách nhúng giải thuật từ Matlab vào vi điều khiển.  Tìm hiểu về các giải thuật điều khiển thông minh.  Thiết kế bộ điều khiển PID, Fuzzy, mạng Neural trong hai mô hình phi tuyến là: mô hình máy bay trực thăng hai bậc tự do và mô hình điều khiển động cơ ba pha.  Đánh giá mức độ hiệu quả của các giải thuật điều khiển khác nhau.  Mục tiêu mô hình máy bay trực thăng:  Khảo sát và đánh giá tính phi tuyến của hệ Twin Rotor MIMO system.  Mô phỏng kiểm nghiệm trên Matlab.  Thiết kế bộ điều khiển để điều khiển vị trí góc của trục chính (Pitch) và góc của trục đuôi (Yaw), đảm bảo hệ thống giữ ổn định góc khi có nhiễu tác động (nhiễu tải và nhiễu gió).  Mục tiêu mô hình điều khiển tốc độ động cơ ba pha:  Nhận dạng được hệ thống.  Mô phỏng kiểm nghiệm trên Matlab. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN  Thiết kế bộ điều khiển điều khiển được tốc độ động cơ với độ chính xác cao và khả năng đáp ứng nhanh. 1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU:  NỘI DUNG 1: Nghiên cứu cài đặt, sử dụng phần mềm Matlab Simulink, thư viện Waijung, Driver STlink32 trên máy tính.  NỘI DUNG 2: Tìm hiểu cách sử dụng vi điều khiển STM32F4: cách kết nối, đọc tín hiệu ADC, tín hiệu Encoder, xuất xung PWM, ADC, giao tiếp UART giữa máy tính và STM32F4.  NỘI DUNG 3: Tìm hiểu các linh kiện, thiết bị sử dụng trong hai mô hình điều khiển.  NỘI DUNG 4: Nghiên cứu giải thuật điều khiển thông minh.  NỘI DUNG 5: Nghiên cứu xây dựng mô hình thuật toán cho mô hình trực thăng hai bậc tự do và nhận dạng được mô hình điều khiển tốc độ động cơ.  NỘI DUNG 6: Mô phỏng khả năng đáp ứng của hệ thống trên Matlab/Simulink.  NỘI DUNG 7: Lập trình trên Matlab Simulink và nhúng giải thuật điều khiển vào vi xử lí để điều khiển thực tế các hệ thống.  NỘI DUNG 8: Tiến hành điều khiển trên mô hình thực tế.  NỘI DUNG 9: Nhận xét kết quả và so sánh các giải thuật điều khiển.  NỘI DUNG 10: Bảo vệ đề tài tốt nghiệp. 1.4 GIỚI HẠN: Ứng dụng giải thuật điều khiển PID, Fuzzy logic, Neural Network để điều khiển hai đối tượng là hệ TRMS và động cơ xoay chiều 3 pha. Việc nghiên cứu thực hiện trên môi trường mô phỏng Matlab Simulink, sau quá trình mô phỏng đạt được kết quả tốt tiến hành việc nhúng giải thuật điều khiển vào vi xử để tiến hành kiểm nghiệm thực tế. Sau đó đánh giá kết quả của từng giải thuật mang lại. 1.5 BỐ CỤC:  Chương 1: Tổng Quan. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Chương này trình bày về đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án.  Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết. Trong chương này trình bày về các lý thuyết có liên quan đến các vấn đề mà đề tài sẽ dùng để thực hiện thiết kế, thi công cho đề tài.  Chương 3: Tính Toán Và Thiết Kế. Chương này giới thiệu tổng quan về các yêu cầu của đề tài và các tính toán, thiết kế gồm những phần như: thiết kế sơ đồ khối hệ thống, sơ đồ nguyên lý toàn mạch, tính toán thiết kế mạch.  Chương 4: Thi Công Hệ Thống. Viết chương trình cho hệ thống. Trình bày phần cơ khí, điện và chương trình mà học viên thực hiện cho mô hình máy bay trực thăng hai bậc tự do. Thực hiện mô phỏng mô hình.  Chương 5: Kết Quả_Nhận Xét_Đánh Giá. Trình bày về những kết quả đã được mục tiêu đề ra sau quá trình nghiên cứu thi công. Từ những kết quả đạt được để đánh giá quá trình hoàn thành được bao nhiêu phần trăm.  Chương 6: Kết Luận Và Hướng Phát Triển. Chương này trình bày về những kết quả mà đồ án đạt được, những hạn chế, từ đó rút ra kết luận và hướng phát triển để giải quyết các vấn đề tồn đọng để đồ án hoàn thiện hơn. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH MÁY BAY TRỰC THĂNG HAI BẬC TỰ DO:  Nguyên lí hoạt động của trực thăng: Trong máy bay trực thăng, lực nâng sinh ra bằng cách điều khiển công suất của cánh quạt gọi là rotor chính. Khi rotor chính của máy bay trực thăng quay sinh ra lực nâng và momen phản ứng. Momen phản ứng này có xu hướng làm cho thân máy bay trực thăng quay theo chiều ngược lại. Trên hầu hết các máy bay trực thăng, một cánh quạt nhỏ gần đuôi mà gọi là rotor đuôi. Trên máy bay trực thăng cánh quạt đuôi cánh quạt chính quay ngược chiều nhau, triệt tiêu momen phản ứng sinh ra. Hình 2. 1 Trực thăng EC_225.  Cánh quạt chính: Nhiệm vụ của cánh quạt chính là tạo ra lực nâng để thắng trọng lực của máy bay để nâng nó bay trong không khí. Lực nâng được tạo ra nhờ sự tương tác với khí quyển. Trong quá trình quay cánh quạt tác dụng vào không khí một lực và ngược lại theo định luật 3 Newton. Không khí tác dụng lên cánh quạt một phản lực hướng lên trên. Do đó khi không có không khí lực nâng này sẽ không còn - hay nói cách khác, không thể dùng máy bay trực thăng để bay lên mặt trăng dù công suất của động cơ có lớn đến đâu. Vì giữa trái đất và mặt trăng là chân không. Bằng cách thay đổi mặt phẳng quay của cánh quạt, giúp trực thăng bay tiến lên phía trước, lùi lại sau hay bay sang phải và trái. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 5
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2. 2 Lực nâng trực thăng lên.  Cánh quạt đuôi: Cánh quạt đuôi hết sức quan trọng vì theo định luật bảo toàn momen, xung lượng khi cánh quạt chính quay theo chiều kim đồng hồ thì phần còn lại của máy bay sẽ có xu hướng quay theo chiều ngược lại. Ngoài ra nhờ việc thay đổi công suất của cánh quạt đuôi mà máy bay có thể chuyển hướng sang phải sang trái dễ dàng. Cánh quạt đuôi sẽ tạo ra momen cân bằng với momen do cánh quạt chính gây ra. Cánh quạt đuôi được nối với cánh quạt chính nhờ một hệ dẫn động như hình vẽ dưới đây. Hình 2. 3 Hệ thống dẫn động giữa cánh quạt chính và cánh quạt đuôi. Trong thiết kế, động cơ đuôi liên kết với động cơ chính thông qua hệ thống truyền động trục và hộp số. Có nghĩa là khi động cơ chính quay thì động cơ đuôi sẽ quay theo tỉ lệ nào đó. Với trực thăng loại rất nhỏ loại điện thì đó là điện áp cho mỗi động cơ. Tuy nhiên, hệ thống cơ khí thì chất lượng điều khiển này không cao nên cần có một bộ điều khiển điện tử sử dụng cảm biến để tăng tính hiệu quả ngay cả trong môi trường thực tế. Đây là một trong những bài toán điều khiển máy bay trực thăng.  Cấu tạo hệ Twin Rotor MIMO System (TRMS): TRMS là mô hình của một máy bay trực thăng nhưng được đơn giản hóa. TRMS được gắn với một trụ tháp và một đặc điểm rất quan trọng của nó là vị trí và vận tốc của BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 6