Điều khiển hệ bóng trên thanh bằng giải thuật điều khiển thông minh

Điều khiển hệ bóng trên thanh bằng giải thuật điều khiển thông minh Điều khiển hệ bóng trên thanh bằng giải thuật điều khiển thông minh Điều khiển hệ bóng trên thanh bằng giải thuật điều khiển thông minh Điều khiển hệ bóng trên thanh bằng giải thuật điều khiển thông minh

MỤC LỤC Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1.1.Đặt vấn đề: 1.1.1.Giới thiệu hệ bóng 1.1.2.Nguyên lý hoạt động: 1.2.Mục tiêu luận văn: 1.3.Phạm vi nghiên cứu: 1.4.Phƣơng pháp nghiên cứu: 1.5.Các cơng trình nghiên cứu: 1.5.1.Nghiên cứu nƣớc: 1.5.2.Nghiên cứu nƣớc: 1.6.Tầm quan trọng ý nghĩa thực tiễn hệ thống: 1.7.Cấu trúc luận văn: Chƣơng 2:MƠ HÌNH HĨA HỆ THỐNG 10 2.1.Giới thiệu mơ hình sử dụng đề tài 10 2.2.Mơ hình hóa học hệ thống 11 2.3.Nhận dạng động 15 Chƣơng 3: THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN 21 3.1.Giới thiệu số thuật toán áp dụng cho hệ bóng 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 áp dụng đề tài 32 3.2.3.Điều khiển trƣợt động cho hệ bóng áp dụng đề tài 36 3.3.Mô 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 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.Cơng cụ hỗ trợ lập trình điều khiển 69 4.4.Kết 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 đạt đƣợc 88 5.2.Hạn chế khắc phục 88 5.3.Hƣớng phát triển 88 Phụ Lục 91 vi DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Hệ bóng trục lệch Hình 1.2 Hệ bóng trục Hình 1.3 Cân bóng đƣợc xây dựng phịng thí nghiệm ngƣời máy Berkeley (Arroyo 2005) Hình1.4Hệ thống bóng tự cân đƣợc xây dựng khoa điện trƣờng đại học Lakehead (của tác giả Ambalavanar, Moinuddin Malyshev năm 2006) Hình1.5Hệ bóng đƣợc đƣa thƣơng mại Quanser 2006 Hình1.6Hệ bóng Hirsch 1999 Hình1.7Ngƣời máy cân bóng Lieberman 2004 Hình 1.8a Ứng dụng vào điều khiển máy bay nhào lộn không Hình 1.8b Ứng dụng vào điều khiển góc tên lửa Hình 2.1 Mơ hình động học hệ thống 10 Hình 2.2 Sơ đồ khối động DC 13 Hình 2.3 Sơ đồ đọc tín hiệu đo lƣờng củađộng DC 18 Hình 2.4 Sơ đồ kết nối đo tín thực tế 19 Hình 3.1 Đáp ứng dạng nấc hệ hở 22 Hình 3.2 Đáp ứng dạng nấc hệ kín K= Kgh 23 Hình 3.3 Cấu trúc điều khiển PD kết hợp 24 Hình 3.4 Cấu tạo của điều khiển mờ 25 Hình 3.5 Hàm liên thuộc biến ngõ vào 25 Hình 3.5 Hàm liên thuộc biến ngõ vào 26 Hình 3.6 Chuẩn hóa khâu giải mờ 27 Hình 3.7 Cấu trúc điều khiển mờ 27 Hình 3.8 Cấu trúc điều khiển mờ PD kết hợp 28 Hình 3.9 Mặt trƣợt s với tƣợng chattering 30 Hình 3.10 hàm Step 32 Hình 3.11 Hàm Sat 32 vii Hình 3.12 cấu trúc hệ thống điều khiển vịng kín 40 Hình 3.13 Mơ hình hệ bóng trên Matlab/Simulink 41 Hình 3.14 Cấu trúc bên hệ bóng 41 Hình 3.15 Cấu trúc điều khiển PD kết hợp theo (3.48) hệ bóng 43 Hình 3.15 Bên cấu trúc điều khiển PD kết hợp 43 Hình 3.16 Kết mơ điều khiển vị trí r_set = 0.3 44 Hình 3.17 Kết mơ điều khiển góc r_set = 0.3 44 Hình 3.18 Kết mơ điều khiển vị trí r_set = 0.4 45 Hình 3.19 Kết mơ điều khiển góc r_set = 0.4 45 Hình 3.20 Cấu trúc điều khiển mờ PD 46 Hình 3.21 Bên điều khiển mờ PD 46 Hình 3.22 Kết mơ điều khiển vị trí với r_set = 0.3 47 Hình 3.23 Kết mơ điều khiển góc với r_set = 0.3 47 Hình 3.25 Kết mơ điều khiển vị trí với r_set = 0.4 48 Hình 3.25 Kết mơ điều khiển góc với r_set = 0.4 48 Hình 3.26 Cấu trúc điều khiển trƣợt tĩnh 49 Hình 3.27 Cấu trúc điều khiển trƣợt mờ 50 Hình 3.28 Cấu trúc điều khiển trƣợt động 50 Hình 3.29 Kết mơ điều khiển vị trí với r_set = 0.3 51 Hình 3.30 Kết mơ 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 mơ điều khiển vị trí với r_set = 0.4 53 Hình 3.34 Kết mơ 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 mơ điều khiển vị trí với r_set = 0.5 55 Hình 3.38 Kết mơ 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 mơ điều khiển vị trí với r_set = 0.6 57 Hình 3.42 Kết mơ 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 mơ điều khiển vị trí với r_set = 0.3 59 Hình 3.46 Kết mơ 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 mơ điều khiển vị trí với r_set = 0.1 61 Hình 3.50 Kết mơ 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 64 Hình 4.2 Động đƣợc sử dụng mơ hình thực tế 65 Hình 4.3 Board DSP STM32F407VGT 66 Hình 4.4 Cấu tạo mạch cầu H 67 Hình 4.5 Mạch cầu H đƣợc sử dụng mơ hình 67 Hình 4.6 Ngun lí vị trí viên bi dây điện trở 68 Hình 4.7 Ngun lí vị trí viên bi dây điện trở sau lắp thêm tụ 69 Hình 4.8 Cấu trúc điều khiển mơ hình thực tế 70 Hình 4.9 Cơng cụ Waijung 15.04 hỗ trợ cho lập trình nhúng board STM32 70 Hình 4.10 Cấu trúc điều khiển mơ hình giải thuật điều khiển trƣợt tĩnh 72 Hình 4.11 Bên khối Ball and beam 73 Hình 4.12 Bên khối Sliding Surface 74 Hình 4.13 Bên khối u_control 74 Hình 4.14 Cấu trúc điều khiển mơ hình giải thuật trƣợt mờ 76 Hình 4.15 Cấu trúc bên khối mặt trƣợt 77 Hình 4.16 Cấu trúc điều khiển mơ hình giải thuật trƣợt động 78 ix Hình 4.17 Bên khối ball and beam 79 Hình 4.18 Bên khối u_control theo (3.31) 79 Hình 4.19 Bên khối Sliding Surface 80 Hình 4.20 Vị trí viên bi, r_set = 0.3 81 Hình 4.21 Góc nằm ngang, r_set = 0.3 81 Hình 4.22 Điện áp điều khiển, r_set = 0.3 82 Hình 4.23 Vị trí viên bi, r_set = 0.4 82 Hình 4.24 Vị trí nằm ngang, r_set = 0.4 83 Hình 4.25 Điện áp điều khiển, r_set = 0.4 83 Hình 4.26 Vị trí viên bi, r_set = 0.3 84 Hình 4.27 Vị trí nằm ngang, r_set = 0.3 84 Hình 4.28 Điện áp điều khiển, r_set = 0.3 85 Hình 4.29 Vị trí viên bi, r_set = 0.4 85 Hình 4.30 Vị trí 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 hệ thống 11 Bảng 2.2 Thông số động DC 14 Bảng 3.1 Thông số PID theo Zeigler-Nichols thứ 23 Bảng 3.2 Thông số PID theo Zeigler-Nichols thứ 24 Bảng 3.3 Luật mờ 26 Bảng 3.4 Thơng số mơ hình thực tế 42 Bảng 3.5 So sánh kết với tín hiệu đặt không đổi 63 Bảng 4.1 So sánh kết thực tế 87 xi DANH MỤC VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ TIẾNG ANH  ADC : Analog Digital Convert  Calib : hiệu chuẩn ban đầu  Chattering : tƣợng dao động  DC : Direct Current  DSMC : Dynamic Sliding Mode Control  DSP : Digital Signal Processing  FSMC : Fuzzy Silding Mode Control  Fuzzy : 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 TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề: 1.1.1 Giới thiệu hệ bóng Hệ bóng hệ thống phi tuyến vào-nhiều SIMO, có độ bất ổn định cao sở để tạo hệ thống tự cân nhƣ: hệ xe lắc ngƣợc, hệ lắc ngƣợc quay… Đây đối tƣợng thƣờng đƣợc nhà nghiên cứu lựa chọn để kiểm chứng thuật toán điều khiển đại, điều khiển thơng minh Tuy nhiên hệ bóng đặt nhiều thách thức lý thuyết điều khiển nhƣ thiết bị điều khiển chúng Địi hỏi có điều khiển thích hợp có tốc độ đáp ứng nhanh Các nghiên cứu điều khiển hệ bóng đƣợc thực sớm, xuất phát từ nhu cầu thiết kế hệ thống điều khiển vị trí cân trình chuyển động bị nhiễu nhƣ máy bay trình bay gặp nhiều tác động bên ngồi(gió,va chạm với tầng mây, trọng tâm …) từ thơng qua điều khiển thích hợp điều khiển định đƣa thông số phù hợp để đạt đƣợc thông số mong muốn 1.1.2 Nguyên lý hoạt động: Hiện có hai dạng hệ bóng hay đƣợc ứng dụng: trục lệch trục cấu tạo hai dạng mơ hình gồm có nhƣ sau: nằm ngang, viên bi, động cơ, cảm biến vị trí viên bi, cảm biến góc nằm ngang, phận truyền động từ động lên nằm ngang, mạch điều khiển… Dạng hệ bóng trục lệch: [3] Hình1.1 Hệ bóng trục lệch Dạng hệ bóng trục giữa: [2] Hình 1.2 Hệ bóng trục Nguyên lý hoạt động chung chất không khác Viên bi dƣới tác dụng trọng lực di chuyển tự nhờ có cảm biến vị trí xác định đƣợc vị trí viên bi từ điều khiển xuất tín hiệu điều khiển để động chuyển động cho viên bi đạt vị trí mong muốn đồng thời giữ nằm ngang hoàn toàn nhờ cảm biến encoder Ứng với hệ trục lệch cấu phức tạp từ thuật tốn điều khiển phức tạp hơn, nhƣng khơng cần động có moment lớn có cấu địn bẩy Ngƣợc lại với dạng hệ trục cấu đơn giản nên thiết kế điều khiển dễ dàng nhƣng địi hỏi động có moment lớn     Hình 4.14 Cấu trúc điều khiển của mơ hình bằng giải thuật trượt mờ  41 Do các khối ở đây điều tương tự cấu trúc điều khiển trượt tĩnh, chỉ  khác làm hàm Sign trong mặt trượt được thay thế bằng luật mờ.    Hình 4.15 Cấu trúc bên trong khối mặt trượt  4.4.3 Điều khiển trượt động: Cấu trúc điều khiển mơ hình bằng giải thuật trượt động theo cơng thức (3.31)            42   Hình 4.16 Cấu trúc điều khiển mơ hình bằng giải thuật trượt động  43   Hình 4.17 Bên trong khối ball and beam  Tương tự như khối điều khiển trượt động nhưng có thêm 1 khối đạo  hàm cho góc của thanh nằm ngang    Hình 4.18 Bên trong khối u_control theo (3.31)  44   Hình 4.19 Bên trong khối Sliding Surface  Kết quả điều khiển thực tế của cả 3 thuật tốn trượt tĩnh, trượt mờ, trượt  động. Với thời gian lấy mẫu là t = 140s. Thơng số bộ điều khiển được chọn  như sau:  gamma1=14; gamma2=-6.85; gamma3=-13.42; gamma_hoa_3=3: lamda1=72; lamda2=1342; lamda3=-162.5; lamda4=-542.5; gamma_hoa_4=12; Với điều kiện ban đầu:  alpha_init=-0.0927; alpha_dot_init=0; r_init=0.1; r_dot_init=0; Vị trí mong muốn: r_set = 0.3   45 Position of ball(cm)   Angle of the beam(Degree) Hình 4.20 Vị trí của viên bi, r_set = 0.    u control (Voltage) Hình 4.21 Góc của thanh nằm ngang, r_set = 0.3    Hình 4.22 Điện áp điều khiển, r_set = 0.3  46 Với điều kiện ban đầu: Position of the ball (m) alpha_init=-0.0927; alpha_dot_init=0; r_init=0.2; r_dot_init=0; Vị trí mong muốn: r_set = 0.4   Angle of the beam (Degree) Hình 4.23 Vị trí của viên bi, r_set = 0.4  Hình 4.24 Vị trí của thanh nằm ngang, r_set = 0.4  47   u control (Voltage)   Hình 4.25 Điện áp điều khiển, r_set = 0.4  Với điều kiện ban đầu: alpha_init=-0.0927; alpha_dot_init=0;r_init=0.2; r_dot_init=0; Vị trí mong muốn: r_set = 0.3   Hình 4.26 Vị trí của viên bi, r_set = 0.3  48   Hình 4.27 Vị trí của thanh nằm ngang, r_set = 0.3      Hình 4.28 Điện áp điều khiển, r_set = 0.3  Với điều kiện ban đầu: alpha_init=-0.0927; alpha_dot_init=0; r_init=0.2; r_dot_init=0; Vị trí mong muốn: r_set = 0.4 49 Position of the ball (m)   Angle of the beam (Degree) Hình 4.29 Vị trí của viên bi, r_set = 0.4    Hình 4.30 Vị trí của thanh nằm ngang, r_set = 0.    50 Hình 4.21 Điện áp điều khiển, r_set = 0.4  Nhận xét: Với kết quả thu thập dữ liệu từ q trình điều khiển có vài nhận xét  như sau:   Cả ba bộ điều khiển điều đáp ứng được quanh vị trí đặt, tuy nhiên với bộ  điều khiển trượt tĩnh thì có sự dao động rất lớn.   Bộ điều khiển trượt mờ đáp ứng vị trí chưa chính xác mặc dù khắc phục  được hiện tượng chattering.   Bộ điều khiển trượt động là đáp ứng tốt nhất cả về vị trí mặc dù có vọt  lố, hiện tượng chattering được khắc phục khá tốt.   Khi vị trí viên bi ổn định thì góc lệch của thanh nằm ngang thì bộ điều  khiển trượt mờ có sai số nhỏ nhất.  Bảng 4.1 So sánh kết thực tế Bộ điều Đáp ứng Vọt lố khiển Thời gian Chattering xác lập Trượt tĩnh Chậm  Nhiều  Chậm  Nhiều  Trượt mờ Rất chậm  Ít  Rất chậm  Ít  Trượt động Nhanh  Rất ít  Nhanh  Ít  51 Chương KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ 5.1 Kết đạt được: Thơng qua các nội dung trình bày ở luận văn của mình học viên  nhận thấy các kết quả làm được như sau:   Mơ hình hóa được hệ thống thơng qua các phương trình tốn  học.   Xây dựng được mơ hình thực tế.   Xây dựng được các giải thuật điều khiển trượt tĩnh, trượt động,  trượt mờ.   Tiến hành mơ phỏng được các giải thuật trên.   Ứng dụng các giải thuật trên để điều khiển điều khiển mơ hình  thực tế.  5.2 Hạn chế khắc phục Kết quả của điều khiển thực tế khác xa với kết quả mơ phỏng với  nhiều ngun nhân:    Calib ban đầu chưa chính xác dẫn đến sai số và kết quả điều  khiển chưa tốt việc này có thể khắc phục bằng cách xây dựng  mơ hình chính xác hơn, ma sát giữa thanh và viên bi cịn lớn do  tiếp xúc giữa dây điện trở với viên bi, có thể khắc phục bằng  cách xây dựng mơ hình chính xác hơn.  52  Nhiễu tín hiệu ADC, có thể khắc phục dùng bộ lọc tín hiệu,  dùng bộ lọc tốt hơn để khử ADC hoặc dùng camera để thu thập  được vị trí của viên bi.   Chưa thu thập dữ liệu trực tiếp để hiển thị kết quả thời gian thực  (real time) mà phải thơng qua Terminal.  5.3 Hướng phát triển  Do đây là hệ điều khiển phi tuyến vì vậy để điều khiển nó cần  phải áp dụng các giải thuật phi tuyến để điều khiển. Tuy nhiên  các thuật tốn điều khiển cần phải biết phương trình hệ thống,  điều này càng gây khó khăn nếu hệ thống phức tạp hơn. Từ đó  đề suất sử dụng giải thuật Fuzzy – Neuron Network.   Điều khiển hệ bóng trên mặt phẳng (ball and plate), bóng trên  bánh xe (ball on wheel)…  53 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Naif B. Almutari-Mohamed Zribi, On the sliding mode control of a  Ball on Beam system, Springer Science+Busuness Media B.V2009.  [2]  Yeong-Hwa  Chang,  Wei-Shou  Chan,  Chia-Wen  Chang,  and  C.  W.  Tao,  Adaptive  Fuzzy  Dynamic  Surface  Control  for  Ball  and  Beam  System, International Journal of Fuzzy Systems, Vol 13, No 1, March 2011 [3] Wei Wang, Submitted for the degree of Advanced Master on the 5 rd  June  2007,  School of Mechanical Engineering the University of Adelaide.  [4] The module rotary control lab from Quanser.  [5]  Mohammad  Keshmiri,  Ali  Fellah  Jahromi,  Abolfazl  Mohebbi,  Mohammad Hadi Amoozgar and Wen-Fang Xie, Modeling and Control  of ball and beam system using model based and non-model based control  approaches,  International Journal on Smart Sensing and Intelligent, vol.5, No 1, March 2012 [6] Abdul Manan Khan, Amir Iqbal Bhatti , Sami-ud-Din, Qudrat Khan  Static  &  Dynamic  Sliding  Mode  Control  of  Ball  and  Beam  System,  Proceedings of 2012 9th International Bhurban Conference on Applied Sciences & Technology (IBCAST) [7] I. Lagrat, H. Quakka, I Boumhidi, Fuzzy Sliding Mode PI Controller  for  Nonlinear  Systems, Proceeding of the 6th WSEAS Internatinal Conference on Simulation, Modelling  and  Optimization,  Lisbon,  Portugal, September 22-24, 2006 [8]  Samer  S.  Saab,  Raed  Abi  Kaed-Bey,  Parameter Identification of a DC Motor, IEEE.  54 [9] Dương Hoài Nghĩa, Điều khiển hệ thống đa biến, Nxb Đại học quốc  gia TPHCM, 2011.  [10] Nguyễn Thị Phương Hà, Huỳnh Thái Hoàng, Lý Thuyết Điều Khiển Tự Động, Nxb Đại học quốc gia TPHCM, 2005.  [11]  Nguyen  Minh  Tam,  Nguyen  Van  Dong  Hai,  Dao  Minh  Tien,  Vu  Dinh Dat, Ho Trong Nguyen, Nguyen Thi Oanh, Method of sliding mode control for ball-beam systems,  Journal  of  Technical  Education  Science  No 39, 12-2016.  [12] Nguyễn Văn Đông Hải, Luận văn thạc sĩ, Xây dựng điều khiển nhúng tuyến tính hóa vào cho hệ xe lắc ngược,  Đại  học  Bách  Khoa TPHCM, 2011 [13] Võ Văn Châu, Luận văn thạc sĩ, Thiết kế điều khiển mờ-trượtPD ổn định vị trí bi sắt cân bằng, Đại  học GTVT TPHCM,  2014.  [14] Huỳnh Thái Hồng, Hệ thống điều khiển thơng minh, Nxb Đại học  quốc gia TPHCM, 2014.  Các sách tham khảo khơng trích dẫn  [15]  Nguyễn  Đức  Thành,  Matlab ứng dụng điều khiển,  Nxb  Đại học quốc gia TPHCM, 2004.  [16] Nguyễn Thị Phương Hà, Lý thuyết điều khiển đại, Nxb Đại học  quốc gia TPHCM, 2016.    55 ... trƣờng ĐHSƣ Phạm Kỹ Thuật TPHCM điều khiển thành công hệ bóng nhƣng sử dụng giải thuật điều khiển mờ LQR kết điều khiển không xác vị trí viên bi xa vị trí mong muốn điều khiển điều khiển tuyến tính... chọn để kiểm chứng thuật toán điều khiển đại, điều khiển thơng minh Tuy nhiên hệ bóng đặt nhiều thách thức lý thuyết điều khiển nhƣ thiết bị điều khiển chúng Đòi hỏi có điều khiển thích hợp có... thuật khơng cịn điều khiển tốt Giải thuật PID giải thuật tuyến tính hệ bóng hệ phi tuyến mang tính phi tuyến điển hình Do vậy, điều khiển PID chƣa đủ mức độ phức tạp để điều khiển hệ lắc ngƣợc quay