THIẾT kế mô HÌNH cân BẰNG CON lắc NGƯỢC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN - ĐIỆN TỬ  THIẾT KẾ MƠ HÌNH CÂN BẰNG CON LẮC NGƯỢC GVHD: NGUYỄN PHÚ CÔNG SVTH: ĐỖ ANH TÚ MSSV: 2032176605 Lớp: 08DHTDH1 TP HỒ CHÍ MINH, Tháng 12/2020 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM THỰC PHẨM TP HỒ CHÍ MINH Độc lập – Tự – Hạnh phúc KHOA CNKT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ Họ tên sinh viên giao đề tài Đỗ Anh Tú MSSV: 2032176605 Lớp: 08DHTDH1 Tên đề tài: Điều khiển cân lắc ngược Nhiệm vụ đề tài: (1) Xây dựng mô hình tốn học hệ thống Matlab (2) Mơ hệ thống với điều khiển PID mờ (3) Ứng dụng card giao tiếp vi điều khiển thiết kế điều khiển cho hệ thống thực Ngày giao đề tài: / /2020 Ngày nộp báo cáo: / /2020 TP.Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2020 Trưởng Khoa GVHD: NGUYỄ N PHÚ CƠ NG Trưởng mơn Page Giảng viên hướng dẫn NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN TP Hồ CHí Minh, ngày tháng năm 2020 Giảng viên hướng dẫn GVHD: NGUYỄ N PHÚ CÔ NG Page NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN TP Hồ CHí Minh, ngày tháng năm 2020 Giảng viên hướng dẫn GVHD: NGUYỄ N PHÚ CÔ NG Page TÓM TẮT KHÓA LUẬN Hiện nước ta giai đoạn cơng nghiệp hóa, đại hóa thiết bị máy móc tự động đưa vào phục vụ thay sức lao động người, chẳng hạn việc ta dùng sức người để kéo vật từ lên khiến cho ta tốn nhiều thời gian công sức Nên việc ứng dụng hệ thống kéo nâng vật lên hệ thống động để hỗ trợ kéo vật lên cách dễ dàng sát đến chỗ ta muốn mà lại có độ sai lệch nhỏ, giúp ta tiết kiệm thời gian, sức lực mang lại hiệu kinh tế cao Để thực đề tài điều khiển nâng vật theo độ cao đặt trước em tìm hiều phần mềm matlab Simulink để mô hệ thống thực, từ điều khiển vật tốc động cuối điều khiển vị trí đạt độ xác Đề tài gồm nội dung sau: Chương 1: Tổng quan đề tài Chương 2: Xây dựng mơ hình tốn học hệ lắc ngược Chương 3: Xây dựng điều khiển PID Fuzzy cho hệ lắc ngược Chương 4: Mô hệ lắc ngược với SimScape GVHD: NGUYỄ N PHÚ CÔ NG Page LỜI CẢM ƠN Trong thời gian làm khóa luận tốt nghiệp, em nhận nhiều giúp đỡ, đóng góp ý kiến bảo nhiệt tình thầy cơ, gia đình bạn bè Trong thời gian thực đề tài với nội dung nghiên cứu, mô điều khiển cân lắc ngược, em cố gắng lắng nghe thực theo hướng dẫn tận tình thầy Nguyễn Phú cơng Em xin chân thành cảm ơn thầy khoảng thời gian qua tận tình bảo giúp đỡ em hoàn thành đồ án tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn thầy, cô giáo trường Đại Học Công Nghiệp Thực Phẩm TP.HCM dạy dỗ em kiến thức môn đại cương mơn chun ngành, giúp em có sở lý thuyết tạo điều kiện giúp đỡ em suốt trình học tập Cuối em xin chân thành cảm ơn gia đình bạn bè, ln tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em suốt q trình học tập hồn thành đồ án tốt nghiệp Do hạn chế kiến thức kinh nghiệm thực tế, vừa tìm hiểu vừa học hỏi trình thực nên khơng tránh khỏi sai sót, kính mong q thầy hội động thi dẫn, bỏ qua giúp đỡ em Em mong đóng góp thầy bạn để đề tài ngày hoàn thiện GVHD: NGUYỄ N PHÚ CƠ NG Page MỤC LỤC TĨM TẮT KHÓA LUẬN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI .9 1.1 Tính cấp thiết đề tài .9 1.2 Tổng quan nghiên cứu 1.2.1 Tình hình nghiên cứu nước 1.2.2 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 10 CHƯƠNG II: MƠ HÌNH HĨA HỆ CON LẮC NGƯỢC 12 2.1 Tổng quan hệ thống lắc ngược 12 2.2 Mơ hình toán hệ lắc ngược 13 2.3 Xây dựng mơ hình toán hệ lắc ngược Matlab/Simulink 16 CHƯƠNG III: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID VÀ FUZZY CHO HỆ CON LẮC NGƯỢC 18 3.1 Điều khiển hệ thống lắc ngược sử dụng điều khiển PID 18 3.1.1 Lựa chọn thông số PID .19 3.1.2 Thiết kế điều khiển PID với Matlab-Simulink 23 3.2 Thiết kế điều khiển mờ .24 CHƯƠNG IV: MÔ PHỎNG HỆ CON LẮC NGƯỢC VỚI SIMSCAPE 33 4.1 Xây dựng mơ hình lắc ngược SIMSCAPE 33 4.2 Mơ hình Simulink lắc ngược 33 TÀI LIỆU THAM KHẢO 36 GVHD: NGUYỄ N PHÚ CÔ NG Page ` DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình Mơ hình lắc ngược .10 Hình Mơ hình cân lắc ngược dùng điều khiển LQR 10 Hình Mơ hình cân lắc ngược dùng xử lí ảnh 11 Hình Một số mơ hình phần cứng lắc ngược 12 Hình Mơ hình động lực học hệ lắc ngược .13 Hình Sơ đồ lực tác dụng vào hệ thống lắc ngược 14 Hình Mơ hình tốn hệ lắc ngược phi tuyến 16 Hình Mơ hình tốn hệ lắc ngược tuyến tính hóa 17 Hình Mơ hình điều khiển PID 18 Hình 10 Đồ thị đáp ứng góc lệch lắc với KP=1 Ki=1 Kd=1 20 Hình 11 Đồ thị đáp ứng góc lệch lắc với KP=100 Ki=1 Kd=1 20 Hình 12 Đồ thị đáp ứng góc lệch lắc với KP=100 Ki=1 Kd=20 21 Hình 13 Đồ thị đáp ứng vị trí xe với KP=100 Ki=1 Kd=1 .22 Hình 14 Đồ thị đáp ứng góc lệch lắc với Kp=100 Ki=1 Kd=20 23 Hình 15 Mơ hình điều khiển PID matlab Simulink 23 Hình 16 Đáp ứng đầu góc xoay lắc ứng với Kp=100 Ki=1 Kd=20 .24 Hình 17 Đáp ứng đầu vị trí xe ứng với Kp=100 Ki=1 Kd=20 24 Hình 18 Các tập mờ .25 Hình 19 Lực điều khiển xe .26 Hình 20 Một số quy tắc điều khiển 27 Hình 21 Mơ hình điều khiển mờ Matlab/Simulink 29 Hình 22 Mơ hình hệ thống dùng cho điều khiển mờ 30 Hình 23 Đáp ứng góc xoay lắc với điều khiển mờ .30 Hình 24 Đáp ứng vận tốc góc xoay lắc với điều khiển mờ 31 Hình 25 Đáp ứng vị trí xe với điều khiển mờ 31 Hình 26 Đáp ứng vận tốc xe với điều khiển mờ .32 Hình 27 Mơ hình lắc ngược với SIMSCAPE 33 Hình 28 Mơ hình lắc ngược simulink .33 Hình 29 Kết mơ PID 34 GVHD: NGUYỄ N PHÚ CÔ NG Page DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng Thông số mô hệ lắc ngược bỏ qua thông số động 17 Bảng Các quy tắc cân hệ lắc ngược .28 GVHD: NGUYỄ N PHÚ CÔ NG Page CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Tính cấp thiết đề tài Hệ thống lắc ngược hệ thống điều khiển kinh điển, sử dụng giảng dạy nghiên cứu hầu hết trường đại học khắp giới Hệ thống lắc ngược mơ hình phù hợp để kiểm tra thuật toán điều khiển hệ phi tuyến cao trở lại ổn định Đây hệ thống SIMO (Single Input Multi Output) điển hình gồm ngõ vào lực tác động cho động mà phải điều khiển vị trí góc lệch lắc ngược cho thẳng đứng (ít hai ngõ ra) Ngồi ra, phương trình tốn học đề cập đến lắc ngược mang tính chất phi tuyến điển hình Vì thế, mơ hình nghiên cứu lý tưởng cho phịng thí nghiệm điều khiển tự động Các giải thuật hay phương pháp điều khiển nghiên cứu mơ hình lắc ngược nhằm tìm giải pháp tốt ứng dụng điều khiển thiết bị tự động thực tế: điều khiển tốc độ động cơ, giảm tổn hao cơng suất, điều khiển vị trí, điều khiển nhiệt độ, điều khiển cân hệ thống,… Thực đề tài “Thiết kế mơ hình cân lắc ngược” cần thiết cho vấn đề giảng dạy nghiên cứu trường thời điểm Vì mơ hình điển hình cần phải có trường Đại học, Cao đẳng theo hướng chuyên ngành kỹ thuật Việt Nam, ngành điều khiển tự động hóa, điện cơng nghiệp, điện tử… Việc xây dựng mơ hình giúp ích cho cơng tác giảng dạy trực quan hơn, dễ dàng kiểm chứng với giải thuật điều khiển lý thuyết, sở nghiên cứu khoa học cho giảng viên sinh viên trường 1.2 Tổng quan nghiên cứu 1.2.1 Tình hình nghiên cứu nước Đề tài “Sử dụng thuật toán mờ nơron điều khiển cân lắc ngược” tác giả Nguyễn Hữu Mỹ, đại học Đà Nẵng (2011) so sánh kết thuật toán PID điều khiển mờ nơron giúp cân hệ lắc ngược Trong đó, điều khiển PID đơn giản khơng thể điều khiển đồng thời việc điều khiển vị trí xe giữ cân lắc, điều khiển mờ nơron cho kết tốt với thời gian xác lập khoảng 3s Năm 2013, tác giả Nguyễn Văn Khanh, khoa Công nghệ, trường Đại học Cần Thơ thực đề tài “Điều khiển cân lắc ngược sử dụng thuật toán PD mờ” cho kết điều khiển hệ lắc ngược cân ổn định với thời gian xác lập khoảng 4s, độ vọt lố 44% Đến năm 2014, tác giả phát triển hệ thống lắc ngược sử dụng phương GVHD: NGUYỄ N PHÚ CÔ NG Page 3.1.2 Thiết kế điều khiển PID với Matlab-Simulink Hình 15 Mơ hình điều khiển PID matlab Simulink GVHD: NGUYỄ N PHÚ CÔ NG Page 24 Hình 16 Đáp ứng đầu góc xoay lắc ứng với Kp=100 Ki=1 Kd=20 Hình 17 Đáp ứng đầu vị trí xe ứng với Kp=100 Ki=1 Kd=20 GVHD: NGUYỄ N PHÚ CÔ NG Page 25 3.2 Thiết kế điều khiển mờ Lựa chọn biến vào / : ta chọn bốn biến vào góc lệch lắc, vận tốc góc lắc, vận tốc góc lệch lắc, vị trí xe tốc độ xe, biến lực biến tác dụng vào xe Tập sở biến phụ thuộc chủ yếu vào đối tượng Ta chọn sau: Gốc lệch: [-0.3 0.3] (rad) Vận tốc tóc: [-1 1] (rad/s) Vị trí xe: [-3 3] (m) Vận tốc xe: [-3 3] (m/s) Lực tác dụng: [-40 40] (N) Chuẩn hóa tập sở biến vào/ra miền [-1 1], ma trận hệ số khuếch đại khối tiền xử lý hậu xử lý sau: Hệ số tiền xử lý: K1= 1/0.3 K2 = 1, K3=1/3 K4=1/3 Hệ số hậu xử lý K5=40 Định nghĩa tập mờ mô tả giá trị ngôn ngữ biến và biến khiển mờ Chọn tập mờ ( giá trị ngôn ngữ) cho biến vào, tập mờ phân hoạch mờ tập sở chuẩn hóa hàm liên thuộc có dạng tam giác (hình 18) Số tập mờ chọn cho biến ngõ 7, dạng hàm liên thuộc tập mờ ngõ chọn dạng vạch để thuận lợi cho việc giải mờ (hình 19 ) Đưa hệ quy tắc mờ phướng pháp thử sai, dựa vào kinh nghiệm xem hình 20 Với ba tập mờ ngõ vào cho biến, để thỏa mãn tính hồn chỉnh hệ quy tắc phải gồm 81 quy tắc ( bảng 2) Chọn phương pháp suy diễn MAX-MIN Vì ứng dụng hệ quy tắc mờ điều khiển khối hậu xử lý khơng có khâu tích phân nên chọn phương pháp giải mờ trọng tâm (COA) GVHD: NGUYỄ N PHÚ CƠ NG Page 26 Hình 18 Các tập mờ Hình 19 Lực điều khiển xe GVHD: NGUYỄ N PHÚ CƠ NG Page 27 Hình 20 Một số quy tắc điều khiển GVHD: NGUYỄ N PHÚ CÔ NG Page 28 Bảng Các quy tắc cân hệ lắc ngược GVHD: NGUYỄ N PHÚ CÔ NG Page 29 Khởi tạo thông số clear all ; % xoa toan bo thong so clc; % xoa man hinh %% Khoi tao thong so mo hinh cho bo dieu khien Fuzzy M = 0.5 ; % khoi luong xe m = 0.2 ; % khoi luong lac L = 0.3 ; % chieu dai toi tam lac g = 9.8 ; % gia toc truong theta_int = 0.01 ; % vi tri dau cua theta theta_dot_init = 0; % vi tri dau cua theta_dot x_int = 0.02 ; % vi tri dau x x_dot_int=0 ; % vi tri dau x_dot %% - Sơ đồ Simulink Hình 21 Mơ hình điều khiển mờ Matlab/Simulink GVHD: NGUYỄ N PHÚ CÔ NG Page 30 Hình 22 Mơ hình hệ thống dùng cho điều khiển mờ Hình 23 Đáp ứng góc xoay lắc với điều khiển mờ GVHD: NGUYỄ N PHÚ CƠ NG Page 31 Hình 24 Đáp ứng vận tốc góc xoay lắc với điều khiển mờ Hình 25 Đáp ứng vị trí xe với điều khiển mờ GVHD: NGUYỄ N PHÚ CÔ NG Page 32 Hình 26 Đáp ứng vận tốc xe với điều khiển mờ Nhận xét: Dễ dàng nhận thấy điều khiển mờ cho chất lượng tốt điều khiển PID Đồ thị cho thấy hội tụ thơng số góc lệch lắc, vận tốc góc, vị trí xe, vận tốc xe GVHD: NGUYỄ N PHÚ CÔ NG Page 33 CHƯƠNG IV: MÔ PHỎNG HỆ CON LẮC NGƯỢC VỚI SIMSCAPE 4.1 Xây dựng mơ hình lắc ngược SIMSCAPE Hình 27 Mơ hình lắc ngược với SIMSCAPE 4.2 Mơ hình Simulink lắc ngược Hình 28 Mơ hình lắc ngược simulink GVHD: NGUYỄ N PHÚ CÔ NG Page 34 GVHD: NGUYỄ N PHÚ CƠ NG Page 35 Hình 29 Kết mơ PID GVHD: NGUYỄ N PHÚ CƠ NG Page 36 KẾT LUẬN Kết đạt Qua trình nghiên cứu thực đề tài số kết sau:  Tác giả xây dựng thành cơng mơ hình tốn học lắc ngược đơn  Nghiên cứu số giải thuật điều khiển khác (PID, Mờ ) áp dụng mơ hình lắc ngược cho kết mô tốt Matlab  Mô hệ lắc ngược đơn giản thông qua module Simscape  Đề tài “Thiết kế mơ hình cân lắc ngược” hỗ trợ đắc lực trình giảng dạy, học tập nghiên cứu khoa học Việc áp dụng mơ hình lắc ngược giúp người học kiểm chứng lại giải thuật, phương pháp điều khiển khác nhằm tìm giải thuật tối ưu cho ứng dụng cụ thể Đề xuất Hướng phát triển đề tài áp dụng cơng nghệ xử lí ảnh kết hợp với giải thuật đại khác áp dụng cho hệ thống lắc ngược Từ kết đạt đề tài, tác giả đề nghị đơn vị chủ quản tiếp nhận áp dụng mô hình thiết kế trình học tập giảng dạy thời gian tới GVHD: NGUYỄ N PHÚ CÔ NG Page 37 TÀI LIỆU THAM KHẢO Hệ thống điều khiển thơng minh – Huỳnh Thái Hồng – NXB Đại học Quốc gia Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường – Nguyễn Thanh Tần Giáo trình học lý thuyết – Đỗ Sanh – NXB Đại học Bách Khoa Giáo trình học lý thuyết – Nguyễn Văn Khang – NXB Đại học Bách Khoa Lý thuyết điều khiển tự động – Nguyễn Thương Ngô - NXB Đại học Quốc gia Matlab – Simulink cho kĩ sư điện – Nguyễn Phùng Quang - NXB Đại học Quốc gia GVHD: NGUYỄ N PHÚ CÔ NG Page 38 ... MỤC HÌNH ẢNH Hình Mơ hình lắc ngược .10 Hình Mơ hình cân lắc ngược dùng điều khiển LQR 10 Hình Mơ hình cân lắc ngược dùng xử lí ảnh 11 Hình Một số mơ hình phần cứng lắc ngược. .. 12 Hình Mơ hình động lực học hệ lắc ngược .13 Hình Sơ đồ lực tác dụng vào hệ thống lắc ngược 14 Hình Mơ hình tốn hệ lắc ngược phi tuyến 16 Hình Mơ hình tốn hệ lắc ngược. .. khiển cân lắc ngược GVHD: NGUYỄ N PHÚ CƠ NG Page 10 Hình Mơ hình cân lắc ngược dùng xử lí ảnh GVHD: NGUYỄ N PHÚ CÔ NG Page 11 CHƯƠNG II: MƠ HÌNH HĨA HỆ CON LẮC NGƯỢC 2.1 Tổng quan hệ thống lắc ngược