Luận văn Thạc sĩ Cơ điện tử: Điều khiển hệ bóng trên thanh bằng giải thuật điều khiển thông minh

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:277

Thêm vào BST

Báo xấu

17
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài "Điều khiển hệ bóng trên thanh bằng giải thuật điều khiển thông minh" nhằm giữ ổn định viên bi trên thanh nằm ngang với vị trí mong muốn; Bám theo vị trí mong muốn dưới tác động của nhiễu (lực tác động từ bên ngoài, ma sát...); Giảm hiện tượng dao động (chattering) do sử dụng bộ điều khiển trượt.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Cơ điện tử: Điều khiển hệ bóng trên thanh bằng giải thuật điều khiển thông minh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHAN THANH PHÚC ÐIỀU KHIỂN HỆ BÓNG TRÊN THANH BẰNG GIẢI THUẬT ÐIỀU KHIỂN THÔNG MINH NGÀNH: CƠ ÐIỆN TỬ - 8520114 S K C0 0 5 9 3 3 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2018
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHAN THANH PHÚC ĐIỀU KHIỂN HỆ BÓNG TRÊN THANH BẰNG GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH NGÀNH: CƠ ĐIỆN TỬ - 8520114 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2018
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHAN THANH PHÚC ĐIỀU KHIỂN HỆ BÓNG TRÊN THANH BẰNG GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH NGÀNH: CƠ ĐIỆN TỬ - 8520114 Hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN NGỌC PHƢƠNG Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2018
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI
LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: Phan Thanh Phúc Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 02/02/1987 Nơi sinh: Tỉnh Đồng Tháp Quê quán: Tỉnh Long An Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 162/56 Đƣờng Số 10, Phƣờng 9, Quận Gò Vấp, TpHCM Điện thoại cơ quan: Điện thoại nhà riêng: Fax Email:phanthanhphuc@gmail.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Chính qui Thời gian đào tạo từ 09/2009 đến 07/ 2009 Nơi học (trƣờng, thành phố): Cao Đẳng Kỹ Thuật Cao Thắng, TPHCM Ngành học: Cơ Điện tử 2. Đại học: Hệ đào tạo: Chính qui Thời gian đào tạo từ11/2011 đến 02/ 2015 Nơi học (trƣờng, thành phố): ĐH Công Nghiệp TPHCM Ngành học: Cơ Điện tử Tên đồ án tốt nghiệp: Thiết kế và điều khiển máy phay CNC 2 trục Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 2015 Ngƣời hƣớng dẫn: TS Đƣờng Công Truyền III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 2009-2014 Công ty TNHH Nam Ngọc Linh Nhân viên 2014-2016 Công ty TNHH Cơ Điện APS Nhân viên i
LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Tp. Hồ Chí Minh, ngày 26 tháng 03 năm 2018 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Phan Thanh Phúc ii
LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên xin chân thành cám ơn thầy cô trong bộ môn Cơ Điện Tử, thầy Nguyễn Văn Đông Hải phòng thí nghiệm bộ môn Tự Động Hóa của Trƣờng Đại học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TPHCM luôn nhiệt tình hỗ trợ giúp đỡ trong việc điều khiển mô hình thực tế. Đăc biệt thầy Nguyễn Ngọc Phƣơng luôn đôn đốc tinh thần, đƣa ra điểm chính, những vấn đề cần giải quyết của đề tài để tôi hoàn thành đề tài này. Cám ơn các bạn học viên cùng khóa Cơ điện tử 15B đã đồng hành động viên giúp đỡ tôi trong học tập để vƣợt qua các khó khăn trong quá trình học tập tại trƣờng . Cuối cùng, tôi xin chân thành cám ơn sự quan tâm hỗ trợ tạo điều kiện về vật chất và tinh thần của gia đình trong suốt quá trình học tập. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 26 tháng 03 năm 2018 Học viên Phan Thanh Phúc iii
TÓM TẮT Điều khiển thông minh là phƣơng pháp điều khiển phỏng theo các đặc điểm cơ bản của trí thông minh con ngƣời, bao gồm khả năng học, khả năng xử lý thông tin không chắc chắn và khả năng tìm kiếm lời giải tối ƣu. Ngày nay, lĩnh vực điều khiển thông minh có xu hƣớng bao gồm tất cả các vấn đề không thuộc phạm vi điều khiển thông thƣờng. Tuy nhiên ranh giới giữa điều khiển thông minh và điều khiển thông thƣờng là tƣơng đối và thay đổi theo thời gian [14]. Từ các định nghĩa trên tác giả đề xuất giải thuật phi tuyến để áp dụng cho đề tài luận văn của mình. Hệ thống bóng trên thanh trục lệch là hệ thống phi tuyến không ổn đinh, và đƣợc ứng dụng rất nhiều thí nghiệm ở các trƣờng đại học, cũng nhƣ trong thực tế. Trong giới hạn luận văn tốt nghiệp “Điều khiển hệ bóng trên thanh bằng giải thuật điều khiển thông minh” tác giả sẽ trình bày phƣơng pháp điều khiển trƣợt động để so sánh các kết quả trƣợt tĩnh, trƣợt mờ bằng phƣơng pháp xây dựng mô hình hóa sau đó mô phỏng từ đó tiến hành xây dựng và điều khiển mô hình thực bằng các giải thuật điều khiển sau.  Trƣợt tĩnh: [11] đáp ứng hệ thống tốt tuy nhiên vẫn tồn tại hiện tƣợng chatteting (dao động).  Trƣợt mờ:[13]xuất phát từ ý tƣởng [7] [9] là thay hàm Sign bởiFuzzy- Sugeno và hàm Sat trong mặt trƣợt, tuy nhiên việc thay hàm Sat vẫn tồn tại nhƣợc điểm đó là độ trể của đáp ứng hệ thống. Do đó theo [7] [13] thay hàm Sign bằng luật điều khiển Fuzzy-Sugeno với mục đích giảm hiện tƣợng chattering. Tuy nhiên bằng phƣơng pháp điều khiển này vẫn chƣa tốt.  Trƣợt động: khắc phục hoàn toàn cả hai nhƣợc điểm trên hiện tƣợng dao động đồng thời hệ thống đáp ứng tốt hơn. Việc điều khiển mô hình thực tế bằng cách sử dụng Matlab/Simulink thông qua công cụ hỗ trợ lập trình nhúng Waijung 15.04 cho DSP STM32F4, Sau đó tiến hành thu thập dữ liệu hiển thị lên máy tính thông qua Terminal dể kiểm tra chất lƣợng kết quả điều khiển thực tế. iv
MỤC LỤC Chƣơng 1: TỔNG QUAN ................................................................................................................. 1 1.1.Đặt vấn đề: ................................................................................................................................ 1 1.1.1.Giới thiệu hệ bóng trên thanh ............................................................................................. 1 1.1.2.Nguyên lý hoạt động: ......................................................................................................... 1 1.2.Mục tiêu của luận văn: .............................................................................................................. 3 1.3.Phạm vi nghiên cứu:.................................................................................................................. 3 1.4.Phƣơng pháp nghiên cứu:.......................................................................................................... 3 1.5.Các công trình nghiên cứu: ....................................................................................................... 4 1.5.1.Nghiên cứu trong nƣớc: ..................................................................................................... 4 1.5.2.Nghiên cứu ngoài nƣớc: ..................................................................................................... 4 1.6.Tầm quan trọng và ý nghĩa thực tiễn của hệ thống: .................................................................. 8 1.7.Cấu trúc của luận văn: ............................................................................................................... 9 Chƣơng 2:MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG ..................................................................................... 10 2.1.Giới thiệu mô hình sử dụng trong đề tài ................................................................................. 10 2.2.Mô hình hóa học hệ thống....................................................................................................... 11 2.3.Nhận dạng động cơ ................................................................................................................. 15 Chƣơng 3: THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ................................................................................... 21 3.1.Giới thiệu một số thuật toán đã áp dụng cho hệ bóng trên thanh ............................................ 21 3.1.1.Thuật toán điều khiển PID ............................................................................................... 21 3.1.2.Thuật toán điều khiển mờ................................................................................................. 25 3.1.3.Bộ điều khiển mờ PD ........................................................................................................... 27 3.2.Thuật toán điều khiển trƣợt ..................................................................................................... 28 3.2.1.Giới thiệu lý thuyết điều khiển trƣợt ................................................................................ 29 3.2.2.Điều khiển trƣợt tĩnh cho hệ bóng trên thanh áp dụng trong đề tài.................................. 32 3.2.3.Điều khiển trƣợt động cho hệ bóng trên thanh áp dụng trong đề tài ................................ 36 3.3.Mô phỏng ................................................................................................................................ 40 3.3.1.Thuật toán PD kết hợp ..................................................................................................... 42 3.3.2.Thuật toán mờ PD ............................................................................................................ 46 3.3.3.Trƣợt tĩnh ......................................................................................................................... 49 3.3.4.Trƣợt mờ .......................................................................................................................... 49 3.3.5.Trƣợt động........................................................................................................................ 50 v
Chƣơng 4: THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH THỰC TẾ ............................................. 64 4.1.Thiết kế cơ khí ........................................................................................................................ 64 4.2.Mạch điều khiển ...................................................................................................................... 65 4.2.1.Mạch điều khiển ............................................................................................................... 65 4.2.2.Mạch công suất ................................................................................................................ 66 4.2.3.Cảm biến vị trí.................................................................................................................. 68 4.3.Công cụ hỗ trợ lập trình điều khiển......................................................................................... 69 4.4.Kết quả điều khiển .................................................................................................................. 71 4.4.1.Điều khiển trƣợt tĩnh: ....................................................................................................... 72 4.4.2.Điều khiển trƣợt mờ ......................................................................................................... 76 4.4.3.Điều khiển trƣợt động ...................................................................................................... 78 Chƣơng 5: KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ ......................................................................................... 88 5.1.Kết quả đạt đƣợc ..................................................................................................................... 88 5.2.Hạn chế và khắc phục ............................................................................................................. 88 5.3.Hƣớng phát triển ..................................................................................................................... 88 Phụ Lục ............................................................................................................................................ 91 vi
DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Hệ bóng trên thanh trục lệch ........................................................................ 2 Hình 1.2 Hệ bóng trên thanh trục giữa ........................................................................ 2 Hình 1.3 Cân bằng bóng trên thanh đƣợc xây dựng bởi phòng thí nghiệm ngƣời máy Berkeley (Arroyo 2005). ............................................................................................. 5 Hình1.4Hệ thống bóng thanh tự cân bằng đƣợc xây dựng ở khoa điện trƣờng đại học Lakehead (của tác giả Ambalavanar, Moinuddin và Malyshev năm 2006) ......... 5 Hình1.5Hệ bóng thanh đƣợc đƣa ra thƣơng mại bởi Quanser 2006 ........................... 6 Hình1.6Hệ bóng trên thanh của Hirsch 1999 .............................................................. 6 Hình1.7Ngƣời máy cân bằng bóng thanh của Lieberman 2004 ................................. 7 Hình 1.8a Ứng dụng vào điều khiển máy bay nhào lộn trên không ........................... 8 Hình 1.8b Ứng dụng vào điều khiển góc tên lửa ........................................................ 9 Hình 2.1 Mô hình động học của hệ thống ................................................................. 10 Hình 2.2 Sơ đồ khối động cơ DC .............................................................................. 13 Hình 2.3 Sơ đồ đọc tín hiệu đo lƣờng củađộng cơ DC ............................................. 18 Hình 2.4 Sơ đồ kết nối đo tín thực tế ........................................................................ 19 Hình 3.1 Đáp ứng dạng nấc của hệ hở ...................................................................... 22 Hình 3.2 Đáp ứng dạng nấc của hệ kín khi K= Kgh .................................................. 23 Hình 3.3 Cấu trúc bộ điều khiển PD kết hợp ............................................................ 24 Hình 3.4 Cấu tạo của của bộ điều khiển mờ ............................................................. 25 Hình 3.5 Hàm liên thuộc của biến ngõ vào .......................................................... 25 Hình 3.5 Hàm liên thuộc của biến ngõ vào .......................................................... 26 Hình 3.6 Chuẩn hóa khâu giải mờ............................................................................. 27 Hình 3.7 Cấu trúc bộ điều khiển mờ ......................................................................... 27 Hình 3.8 Cấu trúc bộ điều khiển mờ PD kết hợp ...................................................... 28 Hình 3.9 Mặt trƣợt s với hiện tƣợng chattering ........................................................ 30 Hình 3.10 hàm Step ................................................................................................... 32 Hình 3.11 Hàm Sat .................................................................................................... 32 vii
Hình 3.12 cấu trúc của hệ thống điều khiển vòng kín............................................... 40 Hình 3.13 Mô hình hệ bóng trên thanh trên Matlab/Simulink .................................. 41 Hình 3.14 Cấu trúc bên trong của hệ bóng trên thanh .............................................. 41 Hình 3.15 Cấu trúc điều khiển PD kết hợp theo (3.48) hệ bóng trên thanh.............. 43 Hình 3.15 Bên trong cấu trúc điều khiển PD kết hợp ............................................... 43 Hình 3.16 Kết quả mô phỏng điều khiển vị trí r_set = 0.3 ....................................... 44 Hình 3.17 Kết quả mô phỏng điều khiển góc của thanh r_set = 0.3 ......................... 44 Hình 3.18 Kết quả mô phỏng điều khiển vị trí r_set = 0.4 ....................................... 45 Hình 3.19 Kết quả mô phỏng điều khiển góc của thanh r_set = 0.4 ......................... 45 Hình 3.20 Cấu trúc của bộ điều khiển mờ PD .......................................................... 46 Hình 3.21 Bên trong bộ điều khiển mờ PD ............................................................... 46 Hình 3.22 Kết quả mô phỏng điều khiển vị trí với r_set = 0.3 ................................. 47 Hình 3.23 Kết quả mô phỏng điều khiển góc với r_set = 0.3 ................................... 47 Hình 3.25 Kết quả mô phỏng điều khiển vị trí với r_set = 0.4 ................................. 48 Hình 3.25 Kết quả mô phỏng điều khiển góc với r_set = 0.4 ................................... 48 Hình 3.26 Cấu trúc của bộ điều khiển trƣợt tĩnh....................................................... 49 Hình 3.27 Cấu trúc của bộ điều khiển trƣợt mờ........................................................ 50 Hình 3.28 Cấu trúc của bộ điều khiển trƣợt động ..................................................... 50 Hình 3.29 Kết quả mô phỏng điều khiển vị trí với r_set = 0.3 ................................. 51 Hình 3.30 Kết quả mô phỏng điều khiển góc với r_set = 0.3 ................................... 51 Hình 3.31 Điện áp điều khiển với r_set = 0.3 ........................................................... 52 Hình 3.32 Mặt trƣợt với r_set = 0.3 .......................................................................... 52 Hình 3.33 Kết quả mô phỏng điều khiển vị trí với r_set = 0.4 ................................. 53 Hình 3.34 Kết quả mô phỏng điều khiển góc với r_set = 0.4 ................................... 53 Hình 3.35 Điện áp điều khiển với r_set = 0.4 ........................................................... 54 Hình 3.36 Mặt trƣợt với r_set = 0.4 .......................................................................... 54 Hình 3.37 Kết quả mô phỏng điều khiển vị trí với r_set = 0.5 ................................. 55 Hình 3.38 Kết quả mô phỏng điều khiển góc với r_set = 0.5 ................................... 55 Hình 3.39 Điện áp điều khiển với r_set = 0.5 ........................................................... 56 viii
Hình 3.40 Mặt trƣợt với r_set = 0.5 .......................................................................... 56 Hình 3.41 Kết quả mô phỏng điều khiển vị trí với r_set = 0.6 ................................. 57 Hình 3.42 Kết quả mô phỏng điều khiển góc với r_set = 0.6 ................................... 57 Hình 3.43 Điện áp điều khiển với r_set = 0.6 ........................................................... 58 Hình 3.44 Mặt trƣợt với r_set = 0.6 .......................................................................... 58 Hình 3.45 Kết quả mô phỏng điều khiển vị trí với r_set = 0.3 ................................. 59 Hình 3.46 Kết quả mô phỏng điều khiển góc với r_set = 0.3 ................................... 60 Hình 3.47 Điện áp điều khiển với r_set = 0.3 ........................................................... 60 Hình 3.48 Mặt trƣợt với r_set = 0.3 .......................................................................... 61 Hình 3.49 Kết quả mô phỏng điều khiển vị trí với r_set = 0.1 ................................. 61 Hình 3.50 Kết quả mô phỏng điều khiển góc với r_set = 0.1 ................................... 62 Hình 3.51 Điện áp điều khiển với r_set = 0.1 ........................................................... 62 Hình 3.52 Mặt trƣợt với r_set = 0.1 .......................................................................... 63 Hình 4.1 Cấu tạo phần cứng hệ bóng trên thanh ....................................................... 64 Hình 4.2 Động cơ đƣợc sử dụng trong mô hình thực tế ........................................... 65 Hình 4.3 Board DSP STM32F407VGT .................................................................... 66 Hình 4.4 Cấu tạo cơ bản của mạch cầu H ................................................................. 67 Hình 4.5 Mạch cầu H đƣợc sử dụng trong mô hình .................................................. 67 Hình 4.6 Nguyên lí đó vị trí viên bi bằng dây điện trở ............................................. 68 Hình 4.7 Nguyên lí đó vị trí viên bi bằng dây điện trở sau khi lắp thêm tụ.............. 69 Hình 4.8 Cấu trúc điều khiển mô hình thực tế .......................................................... 70 Hình 4.9 Công cụ Waijung 15.04 hỗ trợ cho lập trình nhúng board STM32 ........... 70 Hình 4.10 Cấu trúc điều khiển mô hình bằng giải thuật điều khiển trƣợt tĩnh ......... 72 Hình 4.11 Bên trong khối Ball and beam.................................................................. 73 Hình 4.12 Bên trong khối Sliding Surface ................................................................ 74 Hình 4.13 Bên trong khối u_control ......................................................................... 74 Hình 4.14 Cấu trúc điều khiển của mô hình bằng giải thuật trƣợt mờ ..................... 76 Hình 4.15 Cấu trúc bên trong khối mặt trƣợt ............................................................ 77 Hình 4.16 Cấu trúc điều khiển mô hình bằng giải thuật trƣợt động ......................... 78 ix
Hình 4.17 Bên trong khối ball and beam .................................................................. 79 Hình 4.18 Bên trong khối u_control theo (3.31) ....................................................... 79 Hình 4.19 Bên trong khối Sliding Surface ................................................................ 80 Hình 4.20 Vị trí của viên bi, r_set = 0.3.................................................................... 81 Hình 4.21 Góc của thanh nằm ngang, r_set = 0.3 ..................................................... 81 Hình 4.22 Điện áp điều khiển, r_set = 0.3 ................................................................ 82 Hình 4.23 Vị trí của viên bi, r_set = 0.4.................................................................... 82 Hình 4.24 Vị trí của thanh nằm ngang, r_set = 0.4 ................................................... 83 Hình 4.25 Điện áp điều khiển, r_set = 0.4 ................................................................ 83 Hình 4.26 Vị trí của viên bi, r_set = 0.3.................................................................... 84 Hình 4.27 Vị trí của thanh nằm ngang, r_set = 0.3 ................................................... 84 Hình 4.28 Điện áp điều khiển, r_set = 0.3 ................................................................ 85 Hình 4.29 Vị trí của viên bi, r_set = 0.4.................................................................... 85 Hình 4.30 Vị trí của thanh nằm ngang, r_set = 0.4 ................................................... 86 Hình 4.21 Điện áp điều khiển, r_set = 0.4 ................................................................ 86 x
DANH SÁCH BẢNG Bảng 2.1 Các thông số cơ bản của hệ thống ............................................................. 11 Bảng 2.2 Thông số của động cơ DC ......................................................................... 14 Bảng 3.1 Thông số PID theo Zeigler-Nichols thứ nhất ............................................ 23 Bảng 3.2 Thông số PID theo Zeigler-Nichols thứ nhất ............................................ 24 Bảng 3.3 Luật mờ ...................................................................................................... 26 Bảng 3.4 Thông số mô hình thực tế .......................................................................... 42 Bảng 3.5 So sánh kết quả với tín hiệu đặt không đổi ................................................ 63 Bảng 4.1 So sánh kết quả thực tế .............................................................................. 87 xi
DANH MỤC VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ TIẾNG ANH  ADC : Analog Digital Convert  Calib : hiệu chuẩn ban đầu  Chattering : hiện tƣợng dao động  DC : Direct Current  DSMC : Dynamic Sliding Mode Control  DSP : Digital Signal Processing  FSMC : Fuzzy Silding Mode Control  Fuzzy : bộ điều khiển mờ  Kp, Ki, Kd : khâu tỉ lệ, khâu tích phân, khâu vi phân  LQR : Linear Quadratic Regulator- điều khiển tối ƣu  MIMO : Multi Input Multi output  Neuron Network : mạng thần kinh  PID : Proportional, Integral, Derivative  Real time : thời gian thực  SIMO : Single Input Single Output  Sliding Surface : mặt trƣợt  SMC : Sliding Mode Control  SSMC : Static Sliding Mode Control xii
Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1.1. Đặt vấn đề: 1.1.1. Giới thiệu hệ bóng trên thanh Hệ bóng trên thanh là hệ thống phi tuyến một vào-nhiều ra SIMO, nó có độ bất ổn định cao và là cơ sở để tạo ra các hệ thống tự cân bằng nhƣ: hệ xe con lắc ngƣợc, hệ con lắc ngƣợc quay… Đây là đối tƣợng thƣờng đƣợc các nhà nghiên cứu lựa chọn để kiểm chứng những thuật toán điều khiển hiện đại, điều khiển thông minh... Tuy nhiên hệ bóng trên thanh cũng đặt ra nhiều thách thức đối với lý thuyết điều khiển cũng nhƣ các thiết bị điều khiển chúng. Đòi hỏi có bộ điều khiển thích hợp và có tốc độ đáp ứng nhanh. Các nghiên cứu về điều khiển hệ bóng trên thanh đã đƣợc thực hiện khá sớm, xuất phát từ nhu cầu thiết kế các hệ thống điều khiển vị trí cân bằng trong quá trình chuyển động bị nhiễu nhƣ máy bay trong quá trình bay gặp nhiều tác động bên ngoài(gió,va chạm với các tầng mây, mất trọng tâm …) từ đó thông qua bộ điều khiển thích hợp bộ điều khiển quyết định đƣa ra thông số phù hợp để đạt đƣợc thông số mong muốn. 1.1.2. Nguyên lý hoạt động: Hiện nay có hai dạng hệ bóng trên thanh hay đƣợc ứng dụng: trục lệch và trục giữa về cơ bản thì cấu tạo hai dạng mô hình này gồm có nhƣ sau: thanh nằm ngang, viên bi, một động cơ, cảm biến vị trí viên bi, cảm biến góc thanh nằm ngang, bộ phận truyền động từ động cơ lên thanh nằm ngang, mạch điều khiển… Dạng hệ bóng trên thanh trục lệch: [3] 1
Hình1.1 Hệ bóng trên thanh trục lệch Dạng hệ bóng thanh trục giữa: [2] Hình 1.2 Hệ bóng trên thanh trục giữa Nguyên lý hoạt động chung về bản chất không khác nhau. Viên bi dƣới tác dụng của trọng lực sẽ di chuyển tự do trên thanh nhờ có cảm biến vị trí xác định đƣợc vị trí viên bi từ đó bộ điều khiển xuất tín hiệu điều khiển để động cơ chuyển động sao cho viên bi đạt vị trí mong muốn đồng thời giữ thanh nằm ngang hoàn toàn nhờ cảm biến encoder. Ứng với hệ trục lệch thì cơ cấu phức tạp hơn từ đó thuật toán điều khiển sẽ phức tạp hơn, nhƣng không cần động cơ có moment lớn thì nó có cơ cấu đòn bẩy. Ngƣợc lại với dạng hệ trục giữa thì cơ cấu đơn giản hơn nên thiết kế bộ điều khiển dễ dàng hơn nhƣng đòi hỏi động cơ có moment lớn. 2
1.2. Mục tiêu của luận văn:  Giữ ổn định viên bi trên thanh nằm ngang với vị trí mong muốn.  Bám theo vị trí mong muốn dƣới tác động của nhiễu (lực tác động từ bên ngoài, ma sát...)  Giảm hiện tƣợng dao động (chattering) do sử dụng bộ điều khiển trƣợt. 1.3. Phạm vi nghiên cứu: Trong luận văn của mình học viên chọn phƣơng pháp điều khiển trƣợt động để điều khiển viên bi, đồng thời áp giảm hiện tƣợng chattering do bộ điều khiển trƣợt gây ra. Các công việc thực hiện:  Xây dựng mô hình bóng trên thanh trục lệch.  Xây dựng bộ điều khiển trƣợt để điều khiển vị trí viên bi đến vị trí mong muốn.  Xây dựng bộ điều khiển trƣợt động cho mặt trƣợt để giảm hiện tƣợng chattering  Mô phỏng các bộ điều khiển trên thông qua phần mềm Matlab/Simulink.  Nhúng các bộ điều khiển trên vào board DSP để điều khiển mô hình thực tế. 1.4. Phƣơng pháp nghiên cứu: Vì đây là hệ phi tuyến có độ bất ổn cao, nên buộc phải sử dụng các giải thuật phi tuyến để điều khiển, để đạt đƣợc chất lƣợng điều khiển tốt nhất có thể. Do đó nhiệm vụ cần đặt ra nhƣ sau:  Tìm hiểu giải thuật điều khiển phi tuyến.  Mô hình hóa hệ thống thông qua mô hình toán học  Chọn giải thuật điều khiển phù hợp.  Mô phỏng hệ thống bằng giải thuật trƣợt trên máy tính thông qua phần mềm Matlab/Simulink 3
 Xây dựng mô hình thực tế.  Sử dụng giải thuật điều khiển trƣợt bằng Matlab/Simulink nhúng vào board DSP STM32F407VGT thông qua công cụ Waijung để tạo trình biên C/C++.  Thu thập dữ liệu thực tế thông qua Terminal để hiện thị kết quả thực tế. 1.5. Các công trình nghiên cứu: 1.5.1. Nghiên cứu trong nƣớc: Ở nƣớc ta hiện có rất nhiều công trình nghiên cứu hệ bóng trên thanh điển hình: Tác giả Nguyễn Tuấn trƣờng ĐHSƣ Phạm Kỹ Thuật TPHCM đã điều khiển thành công hệ bóng trên thanh nhƣng sử dụng giải thuật điều khiển mờ và LQR cho nên kết quả điều khiển không chính xác khi vị trí viên bi ở xa vị trí mong muốn do các bộ điều khiển trên là bộ điều khiển tuyến tính. Tác giả Võ Văn Châu trƣờng ĐH GTVT TPHCM năm 2014, “thiết kế bộ điều khiển mờ trƣợt PD ổn định vị trí bi sắt trên thanh cân bằng” ở đây tác giả phải sử dụng ba bộ điều khiển: trƣợt để đƣa vị trí viên bi về vị trí mong muốn, bộ điều khiển mờ để giảm hiện tƣợng chattering do hàm Sign trong điều khiển trƣợt gây nên, PD để giúp viên bi tiến nhanh về vị trí mong muốn với thời gian đáp ứng nhanh hơn so với bộ điều khiển trƣợt. Cả hai tác giả đều sử dụng mô hình hệ bóng trên thanh trục giữa. 1.5.2. Nghiên cứu ngoài nƣớc: Hệ bóng trên thanh đƣợc nghiên cứu và phát triển từ rất sớm trên thế giới có thể kể đến vài công trình sau. Theo [3] có thể liệt kê vài công trình nhƣ sau. Arroyo (2005) xây dựng hệ thống với tên gọi là “cân bằng quả bóng trên thanh” hình 1.1. Hệ thống dùng dây điện trở để xác định vị trí quả bóng và sử dụng bộ điều khiển PD, với bộ điều khiển PD thì đơn giản, dễ thiết kế. Mặc dù vị trí quả bóng đƣợc điều khiển bởi bộ điều khiển PD nhƣng góc của thanh nghiêng 4