Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật Cơ điện tử: Điều khiển con lắc ngược quay

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:83

Thêm vào BST

Báo xấu

66
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn này sẽ trình bày việc thiết kế luật điều khiển trên cơ sở của kỹ thuật điều khiển trượt cho hệ con lắc ngược quay. Mô hình toán học của hệ con lắc ngược quay được xây dựng làm nền tảng cho việc thiết kế luật điều khiển. Luận điều khiển trượt được thiết kế để thực hiện mục tiêu cân bằng và ổn định cho hệ con lắc ngược. Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật Cơ điện tử: Điều khiển con lắc ngược quay

q BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM ------------------------------- TRẦN VĂN HÀO ĐIỀU KHIỂN CON LẮC NGƯỢC QUAY LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : Kỹ Thuật Cơ Điện Tử Mã ngành : 60520114 TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2017 q
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM ------------------------------- TRẦN VĂN HÀO ĐIỀU KHIỂN CON LẮC NGƯỢC QUAY LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : Kỹ Thuật Cơ Điện Tử Mã ngành : 60520114 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN THANH PHƯƠNG TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2017
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS.NGUYỄN THANH PHƯƠNG PGS.TS.NGUYỄN THANH PHƯƠNG Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại Học Công Nghệ Tp.HCM ngày …..tháng …..năm 2017 Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm : TT Họ và tên Chức danh Hội đồng 1 TS. Nguyễn Hùng Chủ tịch 2 TS. Ngô Hà Quang Thịnh Phản biện 1 3 TS. Ngô Mạnh Dũng Phản biện 2 4 TS. Bùi Thanh Luân Ủy viên 5 TS. Võ Tường Quân Ủy viên, Thư ký Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn sau khi Luận văn đã được sửa chữa ( nếu có ). Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC Độc lập – Tự do – Hạnh phúc TP.HCM, ngày …..tháng 04 năm 2017 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên học viên : Trần Văn Hào Giới tính : nam Ngày, tháng, năm sinh : 21/07/1976 Nơi sinh : Lạng Sơn Chuyên ngành : Kỹ thuật Cơ Điện Tử MSHV : 1441840003 I – Tên đề tài : ĐIỀU KHIỂN CON LẮC NGƯỢC QUAY. II – Nhiệm vụ và nội dung : • Nghiên cứu mô hình con lắc ngược quay: các thông số của hệ như hệ số ma sát, moment quán tính… • Tìm hiểu về điều khiển trượt. • Xây dựng thuật toán điều khiển trượt tối ưu. III – Ngày giao nhiệm vụ : 22/12/2015 IV – Ngày hoàn thành nhiệm vụ : 15/04/2017 V – Cán bộ hướng dẫn : PGS.TS.NGUYỄN THANH PHƯƠNG CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH ( Họ tên và chữ ký ) ( Họ tên và chữ ký ) PGS.TS. Nguyễn Thanh Phương PGS.TS. Nguyễn Thanh Phương
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực, một số được tham khảo và trích dẫn từ các công trình công bố trên các tạp chí khoa học chuyên ngành có uy tín và trong các kỷ yếu hội nghị quốc tế. Tp.Hồ Chí Minh, ngày …..tháng ….. năm 2017 Học viên thực hiện Luận văn TRẦN VĂN HÀO i
LỜI CẢM ƠN Luận văn được thực hiện theo chương trình đào tạo thạc sĩ tại Trường Đại Học Công Nghệ Thành Phố Hồ Chí Minh ( HUTECH ). Học viên xin chân thành gửi lời tri ân sâu sắc đến quý thầy cô, bạn bè và gia đình. Đến Thầy PGS.TS Nguyễn Thanh Phương đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và đóng góp những ý kiến quý báo để học viên hoàn thiện Luận văn. Đến quý thầy cô Khoa Cơ – Điện – Điện tử Trường Đại Học Công Nghệ Thành Phố Hồ Chí Minh đã trang bị cho học viên những kiến thức bổ ích. Đến các bạn học viên lớp cao học Cơ – Điện – Tử niên khóa 2014. Đến gia đình và người thân đã luôn tạo điều kiện, ủng hộ, động viên trong suốt quá trình học tập và trong thời gian thực hiện luận văn này. Học viên. TRẦN VĂN HÀO ii
TÓM TẮT Hệ con lắc ngược quay là một đối tượng điều khiển phi tuyến thường được sử dụng trong các phòng điều khiển tự động. Nhiều giải thuật được thử nghiệm trên đối tượng này. Luận văn này sẽ trình bày việc thiết kế luật điều khiển trên cơ sở của kỹ thuật điều khiển trượt cho hệ con lắc ngược quay. Mô hình toán học của hệ con lắc ngược quay được xây dựng làm nền tảng cho việc thiết kế luật điều khiển. Luận điều khiển trượt được thiết kế để thực hiện mục tiêu cân bằng và ổn định cho hệ con lắc ngược. Luật điều khiển được kiểm chứng thông qua kết quả mô phỏng trên phần mềm Matlab – Simulink. Mô hình vật lý của hệ con lắc ngược được xây dựng để kiểm chứng giải thuật đã thiết kế. iii
ABSTRACT Rotary Inverted Pendulum ( RIP ) is a nonlinear model that is popularly used in automatic control laboratories. A lot of algorithms have been developed for this model. This thesis will present the design of control law on the basis of sliding control technique for RIP. The mathematical model of RIP is contructed as the basis for the design of the control law. The sliding control law is design to achieve for balancing and stabilizing for Inverted Pendulum system. The control law is verified through simulation results by Matlab – Simulink software. The physical model are built to verify the designed algorithm. iv
MỤC LỤC Lời cam đoan ................................................................................................................ i ....................................................................................................................................... Lời cảm ơn .................................................................................................................. ii ....................................................................................................................................... Tóm tắt ....................................................................................................................... iii ....................................................................................................................................... Abstract ...................................................................................................................... iv Mục lục ....................................................................................................................... v Danh mục các từ viết tắt và thuật ngữ đối chiếu .......................................................... ix Danh sách các bảng ..................................................................................................... x Danh sách các hình ..................................................................................................... xi Chương 1. TỔNG QUAN .......................................................................................... 1 1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố..................................................................................... 1 1.1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu. ................................................. 1 1.1.2 Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố. .......................... 2 1.2 Mục tiêu của đề tài. .......................................................................................... 3 1.3 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài. ...................................................................... 3 v
1.3.1 Nhiệm vụ của đề tài................................................................................... 3 1.3.2 Giới hạn của đề tài. ................................................................................... 3 1.4 Phương pháp nghiên cứu. ................................................................................. 3 Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT .............................................................................. 5 2.1 Tổng quan về điều khiển phi tuyến. .................................................................. 5 2.2 Lý thuyết về điều khiển trượt............................................................................ 8 2.2.1 Giới thiệu về điều khiển trượt. ................................................................... 8 2.2.2 Khái niệm mặt trượt. ................................................................................. 9 2.2.2.1 Một số ký hiệu được đơn giản hóa. ......................................................... 9 2.2.2.2 Xây dựng phương trình Filippov cho hệ động học ................................ 13 2.2.2.3 Khả năng thực hiện chính xác............................................................... 14 2.2.2.4 Triển khai trực tiếp các luật chuyển mạch............................................. 18 2.2.3 Luật điều khiển chuyển mạch xấp xỉ liên tục. .......................................... 18 Chương 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN. .............................................. 25 3.1 Mô hình hệ thống con lắc ngược quay. ........................................................... 25 3.2 Thiết lập mô hình toán học hệ thống con lắc ngược quay. .............................. 25 3.3 Thiết kế hệ thống điều khiển trượt. ................................................................. 31 3.4 Thiết kế bộ điều khiển lật ngược..................................................................... 35 vi
Chương 4. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN. ........................................... 37 4.1 Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống con lắc ngược quay............................ 37 4.2 Kết quả mô phỏng khi chưa có bộ điều khiển trượt......................................... 38 4.3 Xây dựng mô hình khối điều khiển trượt ( SMC = Sliding Mode Control ). ... 40 4.3.1 Phương trình tín hiệu điều khiển u ( theo phương trình 3.24 ).................. 40 4.3.2 Kết quả mô phỏng với bộ điều khiển trượt. ............................................. 42 4.4 Mô phỏng con lắc ngược quay dùng thuật toán LQR. ..................................... 48 4.4.1 Mô hình khối RIP dùng thuật toán LQR trong Matlab/Simulink. ............. 48 4.4.2 Kết quả mô phỏng với bộ điều khiển LQR.. ............................................ 48 4.5 So sánh kết quả bộ điều khiển LQR với SMC................................................. 51 4.6 Mô phỏng con lắc ngược quay dùng Swing up. .............................................. 52 4.6.1 Mô hình khối RIP dùng Swing up trong Matlab/Simulink. ...................... 52 4.6.2 Kết quả mô phỏng Swing – up. ............................................................... 53 Chương 5. GIỚI THIỆU MÔ HÌNH PHẦN CỨNG .............................................. 54 5.1 Thiết kế mô hình con lắc ngược quay ............................................................ 54 5.1.1 Mô hình con lắc ngược quay .................................................................. 54 5.1.2 Thiết kế mạch điều khiển ....................................................................... 55 5.1.2.1 Sơ đồ khối điều khiển con lắc ngược ................................................... 55 5.1.2.2 Sơ đồ nguyên lí ................................................................................... 56 vii
a. Mạch nguồn ................................................................................................ 56 b. Mạch công suất ........................................................................................... 57 c. Board mạch MCU ....................................................................................... 58 5.1.2.3 Sơ đồ kết nối ....................................................................................... 60 5.2 Mô hình hoàn chỉnh con lắc ngược quay ....................................................... 62 5.3 Kết quả thực nghiệm ..................................................................................... 63 Chương 6. KẾT LUẬN VÀ ĐÁNH GIÁ ................................................................ 64 6.1 Kết luận ......................................................................................................... 64 6.2 Hạn chế ......................................................................................................... 64 6.3 Hướng phát triển của đề tài ............................................................................ 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 65 viii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ ĐỐI CHIẾU DC = Direct current : Dòng điện một chiều. LQR = Linear Quadratic Regulator : Bộ điều khiển toàn phương tuyến tính. MINO = Multiple Input – Multioutput : Nhiều ngõ vào – Nhiều ngõ ra. PID = Proportional Intergral Derivative : Bộ điều khiển vi tích phân tỷ lệ. RIP = Rotary Inverted Pendulum : Con lắc ngược quay. SIMO = Single Input – Multiple Output : Một ngõ vào – Nhiều ngõ ra. SMC = Sliding Model Control : Bộ điều khiển trượt. Arm : Cánh tay ( con lắc ) Back EMF constant : Hằng số sức điện động Chattering : Hiện tương dao động xung quanh mặt trượt. Encoder : Bộ mã hóa. Filippov : Lý thuyết động học được phát biểu bởi Filippov. Incremental Encoder : Bộ mã hóa tương đối Pendulum : Con lắc. Sat = Saturation : ( Hàm toán học ) Sign = Signum : ( Hàm toán học ) Sliding model : Chế độ trượt. Swing – Up : Điều khiển lật lên ( cho con lắc ngược ). ix
DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 3 : Mô tả các thông số sử dụng trong mô hình hệ thống. .................................... 27 Bảng 4 : Các thông số mô phỏng được chọn. .............................................................. 42 x
DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 1.1 : Mô hình hệ thống con lắc ngược. ................................................................. 1 Hình 2.1.a : Tính toán giới hạn biên trên 𝑥� ................................................................ 11 Hình 2.2.b : Tính toán biên của 𝑥� (𝑖) . .......................................................................... 11 Hình 2.2 : Điều kiện trượt .......................................................................................... 12 Hình 2.3 : Minh họa biểu thức (2.3) và (2.5) .............................................................. 12 Hình 2.4 : Hiện tượng Chattering ............................................................................... 13 Hình 2.5 : Xây dựng Filippov của hệ thống động lực cân bằng trong sliding model .... 14 Hình 2.6.a : Lớp biên giới hạn .................................................................................... 19 Hình 2.6.b : Điều khiển nội suy trong lớp biên ........................................................... 19 Hình 2.7 : Ngõ vào điều khiển và thực thi bám ........................................................... 20 Hình 2.8 : Ngõ vào tín hiệu điều khiển và thực thi bám . ............................................ 20 Hình 2.9 : Biểu đồ hàm Sat. ........................................................................................ 22 Hình 2.10 : Cấu trúc vòng kín của sai lệch hệ thống. .................................................. 22 Hình 2.11 : Quỹ đạo S với lớp biên thay đổi theo thời gian......................................... 23 Hình 2.12 : Tín hiệu điều khiển ngõ vào và thực thi bám. ........................................... 24 Hình 3.1 : Mô hình hệ thống con lắc ngược. ............................................................... 25 Hình 3.2 : Minh họa toán học hệ con lắc ngược quay.................................................. 26 Hình 3.3 : Phân tích lực tác dụng lên cánh tay và con lắc. ........................................... 27 xi
Hình 3.4 : Đồ thị hàm Sign và hàm Sat. ...................................................................... 34 Hình 3.5 : Sơ đồ khối bộ điều khiển Swing – up tổng quát. ........................................ 35 Hình 3.6 : Trường vector chiếu. .................................................................................. 36 Hình 4.1 : Mô hình mô phỏng hệ con lắc ngược quay. ................................................ 37 Hình 4.2 : Các khối chức năng trong khối RIP trong Simulink. .................................. 38 Hình 4.3 : Đáp ứng góc con lắc và góc cánh tay ở vị trí thẳng hướng lên ( TH1 ). ...... 38 Hình 4.4 : Đáp ứng góc con lắc và góc cánh tay ở vị trí thẳng hướng lên ( TH2 ). ...... 39 Hình 4.5 : Đáp ứng góc con lắc và góc cánh tay ở vị trí thẳng hướng lên. ( TH3 ) ...... 39 Hình 4.6 : Khối SMC trong Simulink. ........................................................................ 40 Hình 4.7 : Các khối chức năng bên trong khối SMC trong Simulink. .......................... 41 Hình 4.8 : Mô hình khối RIP - SMC trong Simulink. .................................................. 42 Hình 4.9 : Đáp ứng góc con lắc và tín hiệu điện áp điều khiển ( TH1 ). ...................... 43 Hình 4.10 : Đáp ứng góc cánh tay và tín hiệu điện áp điều khiển ( TH1 ) . ................. 44 Hình 4.11 : Tín hiệu mặt trượt S1 . .............................................................................. 45 Hình 4.12 : Tín hiệu mặt trượt S2 .............................................................................. 45 Hình 4.13 : Tín hiệu mặt trượt S ................................................................................. 46 Hình 4.14 : Đáp ứng góc con lắc và tín hiệu điện áp điều khiển ( TH2 ) .................... 47 Hình 4.15 : Mô hình khối RIP – LQR trong Simulink. ................................................ 48 Hình 4.16 : Đáp ứng góc quay con lắc với bộ điều khiển LQR .. ................................ 49 xii
Hình 4.17 : Đáp ứng góc quay cánh tay với bộ điều khiển LQR ................................. 50 Hình 4.18 : So sánh đáp ứng góc quay con lắc ............................................................ 51 Hình 4.19 : So sánh đáp ứng góc quay cánh tay ......................................................... 51 Hình 4.20 : Mô hình khối RIP – Swing up trong Simulink.......................................... 52 Hình 4.21 : Đáp ứng khi điều khiển Swing – up. ........................................................ 53 Hình 5.1 : Mô hình tổng thể con lắc ngược quay ........................................................ 54 Hình 5.2 : Mô hình 3D con lắc ngược ........................................................................ 55 Hình 5.3 : Sơ đồ khối mạch điều khiển ...................................................................... 56 Hình 5.4 : Sơ mạch đồ nguồn 5V ............................................................................... 56 Hình 5.5 : Sơ đồ driver công suất L298. ..................................................................... 58 Hình 5.6 : Sơ đồ các linh kiện của Arduino Mega 2560 ............................................. 59 Hình 5.7 : Sơ đồ chân board Arduino Mega 2560. ...................................................... 60 Hình 5.8 : Sơ đồ kết nối các module .......................................................................... 61 Hình 5.9 : Mô hình thực tế con lắc ngược quay ......................................................... 62 xiii
1 Chương 1 TỔNG QUAN Chương này trình bày những nội dung tổng quan liên quan đến đề tài nói chung, hệ thống con lắc ngược quay và ứng dụng trong thực tế, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước. Trên cơ sở đó học viên đưa ra mục tiêu của đề tài, kết quả dự kiến và phương pháp nghiên cứu. 1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố 1.1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu Con lắc ngược là một vấn đề kinh điển trong điều khiển hệ thống phi tuyến bởi những đặc tính không ổn định tại điểm cân bằng, được sử dụng trong các Trường đại học trên khắp thế giới. Đây là một hệ thống SIMO điển hình ( một ngõ vào nhiều ngõ ra ) và là mô hình lý tưởng thường được dùng để kiểm tra các thuật toán điều khiển ( như LQR, PID, fuzzy logic, điều khiển mờ, mạng nơron …). Mô hình con lắc ngược quay là một hệ thống máy gồm hai khâu : cánh tay ( arm ) và con lắc ( pendulum ). Cánh tay gắn vào động cơ DC quay quanh trục thẳng đứng, con lắc gắn vào trục encoder ở cuối cánh tay tự do trong mặt phẳng vuông góc với cánh tay. Hình 1.1 : Mô hình hệ thống con lắc
2 Hệ thống con lắc ngược có hai điểm cân bằng : ổn định và không ổn định. Ở trạng thái cân bằng ổn định con lắc sẽ hướng xuống phía dưới và khi không có lực nào tác động thì hệ thống mặc nhiên ở trạng thái này. Ở trạng thái cân bằng không ổn định vị trí của con lắc sẽ hướng lên và vì thế cần một lực tác động để duy trì trạng thái này. Vì vậy mục tiêu điều khiển con lắc ngược quay là duy trì trạng thái đứng cân bằng hướng lên của con lắc. Đây là vấn đề cần nghiên cứu trong luận văn. 1.1.2 Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố Tình hình nghiên cứu trong nước : – Bài báo “ Điều Khiển Hệ Thống Con Lắc Ngược Quay ” của các tác giả : Vũ Chấn Hưng, Đặng Thành Phu, Hoàng Văn Tuấn đã trình bày khái quát về cấu trúc vật lý, mô hình động học của hệ thống con lắc ngược. Tác giả đã thiết kế hệ thống điều khiển phản hồi trạng thái cụ thể cho hệ thống con lắc ngược quay. [4] – Bài báo “ Điều khiển Cân Bằng Con Lắc Ngược Sử Dụng Thuật Toán PD Mờ ” của các tác giả Nguyễn Văn Khanh, Nguyễn Ngô Phong, Đặng Hải Đăng đã trình bày phương pháp điều khiển thời gian thực cho hệ thống con lắc ngược với bộ điều khiển Fuzzy PD với kết quả đáp ứng tốt hơn so với bộ điều khiển PID. [5] – Bài báo “ Điều khiển con lắc ngược hai bậc xoay tự do dùng mạng nơ – rôn” của các tác giả Nguyễn Đức Minh, Dương Hoài Nghĩa, Nguyễn Đức Thành đã trình bày điều khiển thích nghi để hiệu chỉnh sự sai số mô hình nhận dạng và mô hình thật thông qua đó thiết kế bộ điều khiển trực tiếp không qua nhận dạng dựa trên cơ sở luật mờ, giải thuật di truyền. Tuy nhiên phương pháp này tốn nhiều thời gian, hiệu quả không cao khi đối tượng là các hệ thống phi tuyến cao và có độ bất ổn lớn. [6]
3 Tình hình nghiên cứu ngoài nước : – Trong [8] Khalil Sultan đã nghiên cứu điều khiển con lắc đơn trên xe bằng phương pháp PID kết hợp với mô phỏng Matlab để mô phỏng và giữ con lắc ở vị trí cân bằng thẳng đứng với thời gian ổn định của con lắc khoảng 4.5s nhưng mới chỉ ở trong phòng thí nghiệm. – Bài báo “ Thiết kế và so sánh hiệu năng của bộ điều khiển LQR và LQR dựa trên logic mờ ” của tác giả Narinder Singh Bhangal – đã thiết kế thành công bộ điều khiển LQR dựa trên logic mờ và bộ điều khiển cho con lắc ngược kép, kết quả thiết kế cho phép điều khiển các góc của con lắc ngược kép và vị trí xe. Tác giả cũng chỉ ra được hiệu năng của bộ điều khiển mờ tốt hơn nhiều so với bộ điều khiển LQR. [10] Từ các kết quả nghiên cứu ở trên dựa trên lý thuyết điều khiển trượt, tác giả chọn phương pháp điều khiển trượt để ổn định cho hệ con lắc ngược quay. 1.2 Mục tiêu của đề tài Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu điều khiển trượt để điều khiển các đối tượng phi tuyến mà cụ thể là hệ thống con lắc ngược quay. Từ đó có cái nhìn tổng quan về điều khiển trượt so với các phương pháp điều khiển khác. 1.3 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài 1.3.1 Nhiệm vụ của đề tài – Nghiên cứu phương pháp điều khiển trượt. – Xác định mô hình toán học của hệ thống con lắc ngược quay. – Thiết kế bộ điều khiển sử dụng phương pháp trượt. – Mô phỏng bằng phần mềm Matlab – Simulink. – Nhận xét kết quả đạt được.