NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CON LẮC NGƯỢC SỬ DỤNG ĐẠI SỐ GIA TỬ

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CON LẮC NGƯỢC SỬ DỤNG ĐẠI TÊN ĐỀ TÀI : NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CON LẮC NGƯỢC SỬ DỤNG ĐẠI SỐ GIA TỬ Giáo viên hướng dẫn : TS.BÙI THANH LÂM SỐ GIA TỬ BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ 🙞🕮🙜 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH: CÔNG NGHỆ KĨ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ TÊN ĐỀ TÀI : NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CON LẮC NGƯỢC SỬ DỤNG ĐẠI SỐ GIA TỬ Giáo viên hướng dẫn : TS.BÙI THANH LÂM Sinh viên thực MSV Lớp : KHỔNG NGỌC THỌ 1141020146 : ĐH Cơ điện tử – K11 NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CON LẮC NGƯỢC SỬ DỤNG ĐẠI TÊN ĐỀ TÀI : NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CON LẮC NGƯỢC SỬ DỤNG ĐẠI SỐ GIA TỬ Giáo viên hướng dẫn : TS.BÙI THANH LÂM SỐ GIA TỬ Hà nội - 2020 NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CON LẮC NGƯỢC SỬ DỤNG ĐẠI TÊN ĐỀ TÀI : NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CON LẮC NGƯỢC SỬ DỤNG ĐẠI SỐ GIA TỬ Giáo viên hướng dẫn : TS.BÙI THANH LÂM SỐ GIA TỬ NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ····························································································· ····························································································· ····························································································· ····························································································· ····························································································· ····························································································· ····························································································· ····························································································· ····························································································· ····························································································· ····························································································· ····························································································· ····························································································· ····························································································· ····························································································· ····························································································· ····························································································· ····························································································· ····························································································· ····························································································· ····························································································· ····························································································· Hà Nội, ngày tháng Giáo viên hướng dẫn năm 2020 NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CON LẮC NGƯỢC SỬ DỤNG ĐẠI TÊN ĐỀ TÀI : NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CON LẮC NGƯỢC SỬ DỤNG ĐẠI SỐ GIA TỬ Giáo viên hướng dẫn : TS.BÙI THANH LÂM SỐ GIA TỬ NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN ····························································································· ····························································································· ····························································································· ····························································································· ····························································································· ····························································································· ····························································································· ····························································································· ····························································································· ····························································································· ····························································································· ····························································································· ····························································································· ····························································································· ····························································································· ····························································································· ····························································································· ····························································································· ····························································································· ····························································································· ····························································································· Hà Nội, ngày tháng năm 2020 Giáo viên chấm phản biện TÊN ĐỀ TÀI : NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CON LẮC NGƯỢC SỬ DỤNG ĐẠI SỐ GIA TỬ Giáo viên hướng dẫn : TS.BÙI THANH LÂM MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT MỞ ĐẦU Chương Giới thiệu chung 11 1.1 Lịch sử nghiên cứu 11 1.2 Các vấn đề đặt 12 1.3 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu 13 1.4 Phương pháp nghiên cứu 13 1.4.1 Phương pháp lý thuyết 13 1.4.2 Phương pháp thực nghiệm 14 1.5 Dự kiến kết đạt Chương Cơ sở lý thuyết 2.1 Nguyên lý làm việc mơ hình hụt dẫn động 2.1.1 Mơ hình lắc ngược 14 15 15 15 TÊN ĐỀ TÀI : NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CON LẮC NGƯỢC SỬ DỤNG ĐẠI SỐ GIA TỬ Giáo viên hướng dẫn : TS.BÙI THANH LÂM 2.1.2 Mơ hình acrobot link 16 2.1.3 Mơ hình pendubot 16 2.2 Cấu tạo chung mơ hình lắc ngược 17 2.2.1 Cấu tạo lắc ngược bậc tự kiểu Linear 17 2.1.2 Nguyên lý làm việc mơ hình 18 2.3 Luật điều khiển HAC ứng dụng cho mơ hình 18 2.3.1 Giới thiệu đại số gia tử 18 a Định nghĩa đại số gia tử 19 b Định lượng đại số gia tử 20 c Các bước giải toán điều khiển sử dụng đại số gia tử 23 2.3.2 Áp dụng đại số gia tử vào điều khiển mô hình lắc ngược 24 a Xây dựng hàm ngữ nghĩa đầu vào 24 b Bộ điều khiển HAC 26 2.3.3 Vấn đề định lượng đầu vào,đầu 30 2.3.4 Phương pháp suy luận nội suy siêu mặt thực 31 2.3.5 Kết luận 36 Chương Mơ hình hóa mơ hệ thống 3.1 Mơ hình hóa, mơ hệ thống Matlab 3.1.1 Mơ hình hóa hệ thống 38 38 38 TÊN ĐỀ TÀI : NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CON LẮC NGƯỢC SỬ DỤNG ĐẠI SỐ GIA TỬ Giáo viên hướng dẫn : TS.BÙI THANH LÂM 3.1.2 Mơ mơ hình Simulink 43 a Mô hệ thống môi trường Simulink 43 b Đánh giá HAC với điều khiển Fuzzy, LQR 54 3.1.3 Kết thực tế 56 a Chương trình truyền nhận liệu máy tính mơ hình 56 b Kết chạy thực tế 57 c Nhận xét 59 3.2 Thiết kế mơ hình hệ thống khí 60 3.3 Xây dựng mơ hình hệ thống điện-điều khiển 62 3.3.1 Nguyên lý điều khiển 62 3.3.2 Sơ đồ khối tổng qt mơ hình 62 Chương Thiết kế thi công 64 4.1 Thiết kế hệ thống khí 64 4.1.1 Tính chọn động cho mơ hình 64 4.1.2 Tính chọn truyền đai 66 4.2 Thiết kế hệ thống điều khiển 69 4.2.1 Các linh kiện điều khiển 69 a Board STM32 F1C8T6 mở rộng 69 b Mô đun điều khiển động 72 TÊN ĐỀ TÀI : NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CON LẮC NGƯỢC SỬ DỤNG ĐẠI SỐ GIA TỬ Giáo viên hướng dẫn : TS.BÙI THANH LÂM c Mô đun hạ áp LM2596 có hiển thị 74 d Encoder AB 400xung 5-24V 74 e Nguồn 76 4.2.2 Lưu đồ giải thuật 77 4.3 Xây dựng chương trình, kết nối hệ thống 78 4.3.1 Mơi trường xây dựng chương trình 78 4.3.2 Kết nối hệ thống 79 Chương Kết luận hướng phát triển 81 5.1 Kết luận 81 5.2 Hướng phát triển 81 Tài liệu tham khảo: 83 TÊN ĐỀ TÀI : NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CON LẮC NGƯỢC SỬ DỤNG ĐẠI SỐ GIA TỬ Giáo viên hướng dẫn : TS.BÙI THANH LÂM DANH MỤC HÌNH VẼ Hình Mơ hình lắc ngược thực tế 15 Hình 2 Mơ hình acrobot 3link 16 Hình Mơ hình pendubot 16 Hình Cấu trúc động học mơ hình lắc ngược 17 Hình 2.5 Kích thước f(h(True)) 21 Hình 2.6 Sơ đồ suy luận xấp xỉ theo tiếp cận HA 23 Hình 2.7 Sơ đồ chuẩn hóa biến trạng thái a) giải chuẩn biến điều khiển b) 26 Hình 2.8 Một số kinh nghiệm điều khiển mơ hình 27 Hình 2.9 Đường cong ngữ nghĩa 30 Hình 2.10 Đầu vào 𝑥0 xác định mức độ thỏa mãn mệnh đề điều kiện chứa v(𝑥𝑖), 32 Hình 3.1 Mơ hình xe lắc ngược 38 Hình 3.2 Phân tích lực tác động 39 Hình 3.3 Mơ hình điều khiển thực hệ thống 41 Hình 3.4 Sơ đồ điều khiển sử dụng HA 43 Hình 3.5 Sơ đồ mơ hình mơ lắc Simulink 45 Hình 3.6 Bên khối Inverter Pendulum 46 Hình 3.7 Bên khối điều khiển HAC 47 Hình 3.8 Vị trí xe goong (m) 48 Hình 3.9 Góc lắc (rad) 48 Hình 3.10 Vận tốc xe goong (m/s) 49 Hình 3.11 Vận tốc góc cần lắc (rad/s) 49 Hình 3.12 Tín hiệu nhiễu tác động 50 TÊN ĐỀ TÀI : NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CON LẮC NGƯỢC SỬ DỤNG ĐẠI SỐ GIA TỬ Giáo viên hướng dẫn : TS.BÙI THANH LÂM Hình 3.13 Đáp ứng vị trí với nhiễu 50 Hình 3.14 Đáp ứng góc lắc với nhiễu 51 Hình 3.15 Đáp ứng vận tốc xe với nhiễu 51 Hình 3.16 Đáp ứng vận tốc góc với nhiễu 52 TÊN ĐỀ TÀI : NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CON LẮC NGƯỢC SỬ DỤNG ĐẠI SỐ GIA TỬ Giáo viên hướng dẫn : TS.BÙI THANH LÂM Hình 4.16 Thơng số kĩ thuật Encoder TÊN ĐỀ TÀI : NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CON LẮC NGƯỢC SỬ DỤNG ĐẠI SỐ GIA TỬ Giáo viên hướng dẫn : TS.BÙI THANH LÂM e Nguồn Nguồn tổ ong nguồn cấp điện hệ thống ,ni mạch điều khiển, encoder điều khiển động Nguồn tổ ong sử dụng nguồn tổ ong 12V DC 5A Hình 4.17 Nguồn tổ ong 12V5A Thơng số kỹ thuật: + Điện áp vào 110-220VAC/50-60Hz + Dòng điện 12V + Điện áp 5A + Công suất 60W TÊN ĐỀ TÀI : NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CON LẮC NGƯỢC SỬ DỤNG ĐẠI SỐ GIA TỬ Giáo viên hướng dẫn : TS.BÙI THANH LÂM 4.2.2 Lưu đồ giải thuật Lưu đồ chung hệ thống Hình 4.18 Lưu đồ điều khiển chung hệ thống TÊN ĐỀ TÀI : NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CON LẮC NGƯỢC SỬ DỤNG ĐẠI SỐ GIA TỬ Giáo viên hướng dẫn : TS.BÙI THANH LÂM Sau cấp nguồn điện MCU làm việc tiến hành thu tín hiệu từ encoder qua công thức chuyển đổi ta thu giá trị tính tốn dạng rad với góc hệ mét với vị trí, sau 0.01s hoạt động suất ngắt để cập nhật thông số Các thông số đưa vào hàm hồi quy để tính giá trị điều khiển qua cầu H để điều khiển động Khi gặp cơng tắc hành trình dừng tồn hệ thống TÊN ĐỀ TÀI : NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CON LẮC NGƯỢC SỬ DỤNG ĐẠI SỐ GIA TỬ Giáo viên hướng dẫn : TS.BÙI THANH LÂM 4.3 Xây dựng chương trình, kết nối hệ thống 4.3.1 Mơi trường xây dựng chương trình Phần mềm lập trình: có nhiều trình biên dịch cho STM32 IAR Embedded Workbench, Keil C… Trong đề tài sử dụng Keil C để lập trình cho hệ thống Hình 4.19 Giao diện phần mềm lập trình Keil C Thư viện lập trình: có nhiều loại thư viện lập trình cho STM32 như: STM32snippets, STM32Cube LL, STM32Cube HAL, Standard Peripheral Libraries, Mbed core Mỗi thư viện có ưu khuyết điểm riêng Trong đề tài sử dụng STM32Cube Mx để build code TÊN ĐỀ TÀI : NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CON LẮC NGƯỢC SỬ DỤNG ĐẠI SỐ GIA TỬ Giáo viên hướng dẫn : TS.BÙI THANH LÂM Hình 4.20 Giao diện build code STM32CubeMx TÊN ĐỀ TÀI : NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CON LẮC NGƯỢC SỬ DỤNG ĐẠI SỐ GIA TỬ Giáo viên hướng dẫn : TS.BÙI THANH LÂM 4.3.2 Kết nối hệ thống Các linh kiện sử dụng đề tài đấu nối sau Trong số tương ứng với chân mạch thực Hình 4.21 Sơ đồ kết nối hệ thống TÊN ĐỀ TÀI : NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CON LẮC NGƯỢC SỬ DỤNG ĐẠI SỐ GIA TỬ Giáo viên hướng dẫn : TS.BÙI THANH LÂM Hình 4.22 Sơ đồ kết nối với encoder TÊN ĐỀ TÀI : NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CON LẮC NGƯỢC SỬ DỤNG ĐẠI SỐ GIA TỬ Giáo viên hướng dẫn : TS.BÙI THANH LÂM Sơ đồ đấu nối chân Kit STM32F1C8T6 với chân tín hiệu ngõ AB encoder động cần lắc Hình 4.23 Sơ đồ kết nối với động Các chân điều khiển động PWM, DIR Kit STM32F1C8T6 kết nối tương ứng mạch cầu H để điều khiển tốc độ chiều quay động Bo mạch STM 32F1C8T6 cấp nguồn 5V từ mô đun hạ áp kết nối với nguồn tổ ong Cầu H điều khiển động kết nối trực tiếp với nguồn tổ ong 12V 5A Do có hai nguồn khác nên dây GND từ bo mạch STM mở rộng kết nối với GND cầu H TÊN ĐỀ TÀI : NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CON LẮC NGƯỢC SỬ DỤNG ĐẠI SỐ GIA TỬ Giáo viên hướng dẫn : TS.BÙI THANH LÂM 5.1 Kết luận Chương Kết luận hướng phát triển -Lựa chọn thông số đầu vào tối ưu cho hệ thống -Xây dựng thành cơng chương trình mơ điều khiển mơ hình sử dụng HAC -Thiết kế mơ hình lắc ngược 3D phần mềm NX11 -Xây dựng hoàn thiện mơ hình khí lắc ngược để phục vụ trình kiểm nghiệm giải thuật điều khiển -Phần mềm điều khiển viết cho vi điều khiển STM32F1 C8T6 cân góc vị trí, qua kiểm nghiệm giải thuật HAC vào thực tế điều khiển -Đồ án điều khiển giải thuật HAC cho lắc ngược,từ đúc kết kinh nghiệm điều khiển để từ điều khiển cân lắc ngược có thơng số sử dụng lý thuyết đại số gia tử -Do thời gian hạn chế nên chưa thể kiểm nghiệm HAC thực Swing up sử dụng lý thuyết Swing up cách điều khiển lượng K.J.Astrom, K.Furuta -Chưa khử tượng chattering chạy mơ hình thực 5.2 Hướng phát triển Tạo giao diện thực điều khiển trục tiếp mơ hình máy tính điện thoại Internet,… TÊN ĐỀ TÀI : NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CON LẮC NGƯỢC SỬ DỤNG ĐẠI SỐ GIA TỬ Giáo viên hướng dẫn : TS.BÙI THANH LÂM Tiếp túc hồn thiện mơ hình, dựa vào kinh nghiệm đạt q trình điều khiển mơ hình hệ thống tiến tới điều khiển Swing up Ngoài lý thuyết điều khiển cân ứng dụng tốt vào điều khiển mơ hình Xe cân mà có ích cho người việc di TÊN ĐỀ TÀI : NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CON LẮC NGƯỢC SỬ DỤNG ĐẠI SỐ GIA TỬ Giáo viên hướng dẫn : TS.BÙI THANH LÂM chuyển, hệ thống cần đảm bảo ổn định nhà máy, hệ thống tên lửa tàu vũ trụ, hệ treo ô tô,… TÊN ĐỀ TÀI : NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CON LẮC NGƯỢC SỬ DỤNG ĐẠI SỐ GIA TỬ Giáo viên hướng dẫn : TS.BÙI THANH LÂM Tài liệu tham khảo: Tiếng Anh: [1] Hai-Le Bui, Duc-Trung Tran , Nhu-Lan Vu,2011 Optimal fuzzy control of an inverted pendulum Journal of Vibration and Control 18(14), 2097-2110 [2] Xie Jim, Li Zushu,2003 Dynamic Model and Motion Control Analysis of Three-link Gymnastic Robot on Horizontal Bar Tiếng Việt: [3] Ngô Kiến Trung,2014.Nghiên cứu cải tiến điều khiển sử dụng đại số gia tử cho đối tượng phi tuyến.Luận án tiến sĩ,Trường đại học Thái Nguyên [4] Vũ Như Lân,Vũ Chấn Hưng,Đặng Thành Phu,Nguyễn Duy Minh,2005.Điều khiển sử dụng Đại số gia tử.Tạp chí tin học điều khiển học,T.21,23-37 [5] Th.s Nguyễn Thanh Tần,2017.Thiết kế mơ hình cân lắc ngược.Đề tài nghiên cứu khoa học,Trường đại học Trà Vinh [6] Bùi Hải Lê,Phạm Minh Nam,Bùi Thanh Lâm,2017.Điều khiển hệ lắc ngược-xe sử dụng Đại số gia tử.30-34 [7].Huỳnh Thái Hồng,2006.Hệ thống điều khiển thơng minh.NXB Đại học quốc gia TP.Hồ Chí Minh.181-182 [8] Huỳnh Thái Hồng,Lý thuyết điều khiển nâng cao.NXB Đại học quốc gia TP.Hồ Chí Minh TÊN ĐỀ TÀI : NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CON LẮC NGƯỢC SỬ DỤNG ĐẠI SỐ GIA TỬ Giáo viên hướng dẫn : TS.BÙI THANH LÂM [9].Lê Xuân Việt,2009 Định lượng ngữ nghĩa giá trị biến ngôn ngữ dựa đại số gia tử ứng dụng [10].Nguyễn Tiến Duy,Vũ Như Lân.Nội suy dựa trọng số khoảng cách ngữ nghĩa kết hợp tối ưu giải thuật di truyền cho điều khiển đại số gia tử [11] Vật lý đại cương.Trường đại học Công Nghiệp Hà Nội TÊN ĐỀ TÀI : NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CON LẮC NGƯỢC SỬ DỤNG ĐẠI SỐ GIA TỬ Giáo viên hướng dẫn : TS.BÙI THANH LÂM Trang Web: [12] https://www.slideshare.net/camthuninh/m-hnh-hi-qui-a-bin [13].https://maths.uel.edu.vn/Resources/Docs/SubDomain/maths/TaiLieuHoc Tap/ToanUngDung/m_hnh_hi_quy_n.html [14].http://roboconshop.com/ [15].http://ntu.edu.vn/Portals/66/Tap%20chi%20KHCNTS/So%203-42006/So%203.4.2006_09%20Tran%20Ngoc%20Nhuan.PDF [16].http://laptrinharmst.blogspot.com/2018/02/bai-00-gioi-thieu-vestm32f103c8t6.html [17].http://ctms.engin.umich.edu/CTMS/index.php?example=MotorSpeed&se ction=SystemModeling [18].http://sme.vimaru.edu.vn/nckh/vai-tro-cua-dieu-khien-trong-ky-thuatrobot [19] https://www.slideshare.net/trongthuy3/luan-an-phuong-phap-dieu-khienthich-nghi-ben-vung-he-euler-lagrange [20].https://www.researchgate.net/publication/332195813_NOI_SUY_DUA_ TREN_TRONG_SO_KHOANG_CACH_NGU_NGHIA_KET_HOP_TOI_U U_BANG_GIAI_THUAT_DI_TRUYEN_CHO_BO_DIEU_KHIEN_DAI_S O_GIA_TU