(Luận văn thạc sĩ) 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 SKC005933 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 riêng địa liên lạc: 162/56 Đƣờng Số 10, Phƣờng 9, Quận Gò Vấp, TpHCM Điện thoại quan: Fax II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 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 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 điều khiển máy phay CNC trục Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án thi tốt nghiệp: 2015 Ngƣời hƣớng dẫn: TS Đƣờng Công Truyền III Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian 2009-2014 2014-2016 i LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc cơng bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 26 tháng 03 năm 2018 (Ký tên ghi rõ họ tên) Phan Thanh Phúc ii LỜI CẢM ƠN Lời xin chân thành cám ơn thầy cô môn Cơ Điện Tử, thầy Nguyễn Văn Đơng Hải phịng thí nghiệm mơn Tự Động Hóa Trƣờng Đại học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TPHCM ln nhiệt tình hỗ trợ giúp đỡ việc điều khiển mơ hình thực tế Đăc biệt thầy Nguyễn Ngọc Phƣơng đôn đốc tinh thần, đƣa điểm chính, vấn đề cần giải đề tài để tơi hồn thành đề tài Cám ơn bạn học viên khóa Cơ điện tử 15B đồng hành động viên giúp đỡ học tập để vƣợt qua khó khăn q trình học tập trƣờng Cuối cùng, xin chân thành cám ơn quan tâm hỗ trợ tạo điều kiện vật chất tinh thần gia đình suốt q trình học tập Tp Hồ Chí Minh, ngày 26 tháng 03 năm 2018 Học viên Phan Thanh Phúc iii TĨM TẮT Điều khiển thơng minh phƣơng pháp điều khiển theo đặc điểm trí thơng minh ngƣời, bao gồm khả học, khả xử lý thông tin không chắn khả tìm kiếm lời giải tối ƣu Ngày nay, lĩnh vực điều khiển thơng minh có xu hƣớng bao gồm tất vấn đề không thuộc phạm vi điều khiển thông thƣờng Tuy nhiên ranh giới điều khiển thông minh điều khiển thông thƣờng tƣơng đối thay đổi theo thời gian [14] Từ định nghĩa tác giả đề xuất giải thuật phi tuyến để áp dụng cho đề tài luận văn Hệ thống bóng trục lệch hệ thống phi tuyến không ổn đinh, đƣợc ứng dụng nhiều thí nghiệm trƣờng đại học, nhƣ thực tế Trong giới hạn luận văn tốt nghiệp “Điều khiển hệ bóng giải thuật điều khiển thơng minh” tác giả trình bày phƣơng pháp điều khiển trƣợt động để so sánh kết trƣợt tĩnh, trƣợt mờ phƣơng pháp xây dựng mơ hình hóa sau mơ từ tiến hành xây dựng điều khiển mơ hình thực giải thuật điều khiển sau  Trƣợt tĩnh: [11] đáp ứng hệ thống tốt nhiên tồn tƣợng chatteting (dao động)  Trƣợt mờ:[13]xuất phát từ ý tƣởng [7] [9] thay hàm Sign bởiFuzzySugeno hàm Sat mặt trƣợt, nhiên việc thay hàm Sat tồn nhƣợc điểm độ trể đáp ứng hệ thống Do theo [7] [13] thay hàm Sign luật điều khiển Fuzzy-Sugeno với mục đích giảm tƣợng chattering Tuy nhiên phƣơng pháp điều khiển chƣa tốt  Trƣợt động: khắc phục hoàn toàn hai nhƣợc điểm tƣợng dao động đồng thời hệ thống đáp ứng tốt Việc điều khiển mơ hình thực tế cách sử dụng Matlab/Simulink thơng qua cơng cụ hỗ trợ lập trình nhúng Waijung 15.04 cho DSP STM32F4, Sau tiến hành thu thập liệu hiển thị lên máy tính thơng qua Terminal dể kiểm tra chất lƣợng kết điều khiển thực tế iv 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 MƠ 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.Công 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 Do khối điều tương tự cấu trúc điều khiển trượt tĩnh, khác làm hàm Sign mặt trượt thay luật mờ Hình 4.15 Cấu trúc bên khối mặt trượt 4.4.3 Điều khiển trượt động: Cấu trúc điều khiển mơ hình giải thuật trượt động theo cơng thức (3.31) 42 Hình 4.16 Cấu trúc điều khiển mơ hình giải thuật trượt động 43 Hình 4.17 Bên khối ball and beam Tương tự khối điều khiển trượt động có thêm khối đạo hàm cho góc nằm ngang Hình 4.18 Bên khối u_control theo (3.31) 44 Hình 4.19 Bên khối Sliding Surface Kết điều khiển thực tế thuật toán trượt tĩnh, trượt mờ, trượt động Với thời gian lấy mẫu t = 140s Thông số điều khiển chọn 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 Pos ition of ball(cm ) Angle of the beam (De gree) Hình 4.20 Vị trí viên bi, r_set = u control (Voltage) Hình 4.21 Góc nằm ngang, r_set = 0.3 Hình 4.22 Điện áp điều khiển, r_set = 0.3 46 Với điều kiện ban đầu: Posi tion of the ba ll (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 (De gree) Hình 4.23 Vị trí viên bi, r_set = 0.4 Hình 4.24 Vị trí 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 viên bi, r_set = 0.3 48 Hình 4.27 Vị trí 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 Pos ition of the ba ll (m ) (Degree)beamtheofAngle Hình 4.29 Vị trí viên bi, r_set = 0.4 Hình 4.30 Vị trí nằm ngang, r_set = 50 Hình 4.21 Điện áp điều khiển, r_set = 0.4 Nhận xét: Với kết thu thập liệu từ q trình điều khiển có vài nhận xét sau:  Cả ba điều khiển điều đáp ứng quanh vị trí đặt, nhiên với điều khiển trượt tĩnh có dao động lớn  Bộ điều khiển trượt mờ đáp ứng vị trí chưa xác khắc phục tượng chattering  Bộ điều khiển trượt động đáp ứng tốt vị trí có vọt lố, tượng chattering khắc phục tốt  Khi vị trí viên bi ổn định góc lệch nằm ngang điều khiển trượt mờ có sai số nhỏ Bảng 4.1 So sánh kết thực tế Bộ điều khiển Trượt tĩn Trượt m Trượt độ 51 Chương KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ 5.1 Kết đạt được: Thông qua nội dung trình bày luận văn học viên nhận thấy kết làm sau:  Mơ hình hóa hệ thống thơng qua phương trình tốn học  Xây dựng mơ hình thực tế  Xây dựng giải thuật điều khiển trượt tĩnh, trượt động, trượt mờ  Tiến hành mô giải thuật  Ứng dụng giải thuật để điều khiển điều khiển mơ hình thực tế 5.2 Hạn chế khắc phục Kết điều khiển thực tế khác xa với kết mô với nhiều nguyên nhân:  Calib ban đầu chưa xác dẫn đến sai số kết điều khiển chưa tốt việc khắc phục cách xây dựng mơ hình xác hơn, ma sát viên bi lớn tiếp xúc dây điện trở với viên bi, khắc phục cách xây dựng mơ hình xác 52  Nhiễu tín hiệu ADC, khắc phục dùng lọc tín hiệu, dùng lọc tốt để khử ADC dùng camera để thu thập vị trí viên bi  Chưa thu thập liệu trực tiếp để hiển thị kết thời gian thực (real time) mà phải thông qua Terminal 5.3 Hướng phát triển  Do hệ điều khiển phi tuyến để điều khiển cần phải áp dụng giải thuật phi tuyến để điều khiển Tuy nhiên thuật toán điều khiển cần phải biết phương trình hệ thống, điều gây khó khăn hệ thống phức tạp Từ đề suất sử dụng giải thuật Fuzzy – Neuron Network  Điều khiển hệ bóng mặt phẳng (ball and plate), bóng 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 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 ... 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... 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... 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 Tác giả Võ Văn Châu