Nghiên cứu mô hình bàn bi cân bằng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH BÀN BI CÂN BẰNG MÃ SỐ: SV2021-121 CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: ĐÀO MINH NHẬT SKC 0 4 Tp Hồ Chí Minh, tháng 6/2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU MƠ HÌNH BÀN BI CÂN BẰNG SV2021-121 Thuộc nhóm ngành khoa học : Ứng dụng SV thực : Dân tộc : Đào Minh Nhật Nam, Nữ : Nam Kinh Lớp, khoa : 17151CL2A Khoa đào tạo chất lượng cao Năm thứ : 04 /Số năm đào tạo : 04 Ngành học : Công nghệ kỹ thuật điều khiển tự động hóa Người hướng dẫn : PGS.TS Nguyễn Minh Tâm TP Hồ Chí Minh, 06/2021 MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài Lý chọn đề tài 3 Mục tiêu đề tài Đối tượng nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề 1.1.1 Giới thiệu đề tài 1.1.3 Nội dung nghiên cứu Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Yêu cầu hệ thống 2.2 Bộ điều khiển PID cho hệ thống 2.2.1 Giới thiệu 2.2.2 Phương pháp điều chỉnh thông số PID 2.3 Tổng quan Ardunio nano 10 2.3.1 Giới thiệu 10 2.3.2 Năng lượng 11 2.3.3 Bộ nhớ 11 2.3.4 Chân ngõ 12 2.3.5 Lập trình cho Arduino 13 Chương THIẾT KẾ HỆ THỐNG 14 3.1 Yêu cầu thiết kế 14 3.2 Quy trình vận hành 15 3.3 Lựa chọn thiết bị 16 3.3.1 Bảng cảm ứng điện trở 4-wire touch panel inch 16 3.3.2 Servo motor 17 3.3.3 Vi điều khiển Arduino Nano 19 3.3.4 Đế chân Arduno Nano – I/O shield 20 3.4 Thiết kế phần cứng 21 3.4.1 Thiết kế giá đỡ bảng cảm ứng điện trở 21 3.4.2 Thiết kế giá đỡ servo motor 22 3.4.3 Thiết kế cánh tay điều khiển 23 3.4.4 Thiết kế đế gắn mạch điều khiển 24 3.4.6 Hoàn thiện thiết kế 25 Chương THI CÔNG HỆ THỐNG 26 4.1 Sơ đồ nối dây 26 4.2 Thi công hệ thống 26 Chương 5: Kết đạt 30 Chương 6: Kết luận hướng phát triển 35 6.1 Kết luận 35 6.2 Hướng phát triển 35 TÀI LIỆU THAM KHẢO 36 PHỤ LỤC 37 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH VÀ BẢNG BIỂU Hình 1 Một số hệ cân thường gặp Hình 2.1 Mơ hình điều khiển PID Hình 2.2 Arduino Nano 11 Hình 2.3 Chân ngõ Arduino Nano 12 Hình 2.4 Lập trình Arduino IDE 13 Hình 3.1.Sơ đồ khối tổng thể hệ thống 14 Hình 3.2 Hình ảnh phân tích hoạt động khí 15 Hình 3.3 Mặt cắt ngang cảm ứng điện trở 17 Hình 3.4 Hình ảnh servo SG90 – 180 độ 18 Hình 3.5 Hình ảnh vi điều khiển Arduino Nano 19 Hình 3.6 Băng tải PVC chịu nhiệt 21 Hình 3.7.Khớp động trục 22 Hình 3.8 Giá đỡ động Servo 23 Hình 3.9 Cánh tay điều khiển X-Y 24 Hình 3.10 Đế gắn mạch điều khiển 24 Hình 3.11 Hồn thiện thiết kế mơ hình 25 Hình 4.1 Sơ đồ kết nối 26 Hình 4.2 Lắp bảng điện trở lên giá 27 Hình 4.3 Lắp giá đỡ servo khớp động trục 28 Hình 4.4 Lắp Shield I/O lên đế chân điều khiển 28 Hình 4.5 Lắp mơ hình định lên hộp đế 29 Hình 5.1 Mơ hình hồn thiện 30 Hình 5.2 Tham số PID giá trị setpoint mong muốn 31 Hình 5.3 Kết tính tốn ngõ 32 Hình 5.4 Đồ thị ngõ 33 Hình 5.5 Mơ hình hồn thiện 34 Bảng 2.1 Ảnh hưởng việc tăng thông số Kp, Ki, Kd 10 Bảng 3.1.Danh sách thiết bị cần lựa chọn cho hệ thống 16 Bảng 3.2 Thông tin kỹ thuật cảm ứng điện trở - 4wire touch panel 17 Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật động servo SG90 – 180 độ 18 Bảng 3.4 Thông số kỹ thuật vi điều khiển Arduino Nano 20 Bảng 3.5.Thông số kỹ thuật băng tải PVC 21 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT IDE: Intergrated Development Environment PID: Proportional Integral Derivative LQR: Linear Quadratic Regulator PWM: Pulse Width Modulation EEPROM: Electrically Eraseble Programmable Read Only Memory TX: transmit RX: receive PDIP: Plastic Dual-In-line Package TQFP: plastic quad flat pack BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Thông tin chung: - Tên đề tài: Nghiên cứu mơ hình bàn bi cân - Chủ nhiệm đề tài: Đào Minh Nhật - Lớp: 17151CL2A Mã số SV: 17151113 Khoa: Đào tạo chất lượng cao - Thành viên đề tài: Stt Họ tên MSSV Lớp Khoa Đào Minh Nhật 17151113 17151CL2A Đào tạo CLC Trương Minh Hiếu 17151076 17151CL2B Đào tạo CLC Trần Duy Khánh 17151092 17151CL2B Đào tạo CLC Phạm Xuân Thanh 17151127 17151CL2A Đào tạo CLC - Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Minh Tâm Mục tiêu đề tài: Thiết kế mơ hình cân bi mặt phẳng, nghiên cứu giải thuật liên quan đến hệ thống cân nhằm phục vụ trình nghiên cứu học tập Tính sáng tạo: Có nhiều khác biệt so với hệ lắc phổ biến, trọng lực viên bi tác dụng lên khắp mặt phẳng, lực không cố định thuật tốn điều khiển địi hỏi phải đáp ứng kịp thời xác để cân viên bị vị trí đặt Kết nghiên cứu: Kết đạt mơ hình bàn bi cân hoạt động ổn định tương đối theo yêu cầu đề xuất Đóng góp mặt giáo dục đào tạo, kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng khả áp dụng đề tài: Mơ hình cân bi mặt phẳng tạo điều kiện cho sinh viên nghiên cứu trau dồi thêm kiến thức giải thuật điều khiển Công bố khoa học SV từ kết nghiên cứu đề tài (ghi rõ tên tạp chí có) nhận xét, đánh giá sở áp dụng kết nghiên cứu (nếu có): Ngày tháng năm SV chịu trách nhiệm thực đề tài (kí, họ tên) Nhận xét người hướng dẫn đóng góp khoa học SV thực đề tài (phần người hướng dẫn ghi): Ngày tháng năm Người hướng dẫn (kí, họ tên) Mở đầu MỞ ĐẦU Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài Trong nước: - “Điều khiển hệ lắc ngược – xe sử dụng đại số gia tử” tác giả Bùi Hải Lê in Tạp chí Khoa học Cơng nghệ, số 51, năm 2019: Bài báo trình bày tốn điều khiển cân hệ lắc ngược đặt xe sử dụng điều khiển dựa đại số gia tử (HAC) Trong đó, góc lệch vận tốc góc lắc vị trí vận tốc xe điều khiển đồng thời Các kết mô điều khiển HAC so sánh với điều khiển LQR - “KHIỂN BÁM QUỸ ĐẠO CHO HỆ BALL & PLATEDỰA TRÊN SMC KẾT HỢP PI” tác giả Nguyễn Thị Tuyết Hoa Trần Thiện Dũng mục Nghiên cứu khoa học cơng nghệ- Tạp chí Nghiên cứu KH&CN qn Ngồi nước: - "Implemetation of a Ball and Plate Control System using Sliding Mode Control” tác giả Heeseung Bang Young Sam Lee in tạp chí Journal of Latex Class Files, Vol.14, No.8, năm 2015: Trong báo tác giả đề xuất phương pháp điều khiển mơ hình bàn bị cân Tác giả thí nghiệm tiến hành mơ điều khiển SMC so sánh kết với điều khiển LQR - Bài báo “Ball and plate control system based on sliding mode control with uncertain items observe compensation” tác giả D Liu, Y Tian, Huida Duan Hội nghị quốc tế IEEE 2009 máy tính thơng minh hệ thống thông minh năm 2009 - L Hongwei, L Yanyang, "Trajectory tracking sliding mode control of ball and plate system", Hội nghị Quốc tế Châu Á lần thứ Tin học Điều khiển, Tự động hóa Robotics (2010) Bài báo đề xuất sơ đồ kiểm sốt theo dõi vị trí cho hệ thống bóng đĩa - Mechatronic Design Of A Ball Plate Balancing System tác giả Shorya Awtar, Kevin C Craig: Bài viết trình bày khái niệm hệ thống cân bóng đĩa, thiết Mở đầu kế phần cứng, cảm biến lựa chọn thiết bị truyền động, hệ thống mơ hình hóa, xác định tham số, thiết kế điều khiển kiểm tra thực nghiệm - Trajectory planning and tracking of ball and plate system using hierarchical fuzzy control scheme tác giả Xingzhe Fan, Naiyao Zhang, Shujie: Bài viết trình bày phương trình trạng thái hệ thống, phương pháp điều khiển Fuzzy qua cấp độ khác - Modelling And Pid Control Design Of Nonlinear Education Model Ball & Plate tác giả A Jadlovská, S Jaicisin, R Lonscak: Bài viết tập trung vào mơ hình hóa điều khiển hệ thống động lực phi tuyến bóng đĩa ngơn ngữ Matlab Bộ điều khiển PID/PSD sử dụng điều khiển vịng kín -Tracking And Blance Control Of Ball And Plate System tác giả Cheng Chang Ker*, Chin E Lin, and Rong Tyai Wang: Bài viết trình bày hệ thống cân bóng đĩa sử xụng xylanh truyền động cho bậc tự motor điều khiển Tác giả sử dụng phương pháp BackStepping cho điều khiển -Mechatronic Design Positison Control Of A Novel Ball And Plate System tác giả Miad Moarref, Mohsen Saadat, and Gholamreza Vossoughi: Bài viết giới thiệu hệ thống cân bóng đĩa sử dụng webcam để biết vị trí bóng, mơ tả động lực học, điều khiển mờ điều khiển trượt sử dụng mơ hình -Ball on Plate Banlancing System tác giả Greg Andrews, Chris Colasuonno and Aaron Herrmann: Bài viết trình bày mơ hình hóa động lực học, phương trình trạng thái, mơ hình hóa, mơ hệ thống cân bóng đĩa Tác giả mơ hệ thống với độ điều khiển LQR -Tracking and Balance Control of Ball and Plate Systems via Backstepping Design tác giả Liao Xianqing: Bài viết trình bày mơ hình hóa động lực học hệ thống bóng đĩa phương pháp điều khiển BackStepping cho hệ thống Visual Servoing TrackingControl of a Ball and Plate System tác giả MingTzu Ho, Yusie Rizal and Rizal and Li-Ming Chu: Bài viết trình bày mơ hình hóa động học hệ thống bóng đĩa Chương 4: Thi cơng hệ thống Hình 4.5 Lắp mơ hình định lên hộp đế 29 Chương 5: Kết đạt Chương 5: Kết đạt 5.1 Mơ hình tồn diện Mơ hình sau hồn thiện có bề ngồi hình 5.1, linh kiện lắp đặt cố định, chắn dựa vẽ Dây điện bố trí gọn gàng, bọc dây quấn tăng độ thẩm mỹ cho mơ hình Hình 5.1 Mơ hình hồn thiện 5.2 Kiểm chứng kết Sau xử lý chương trình mà nhóm thực qua phần mềm Arduino IDE (được trình bày phần phụ lục) xử lý PID tương ứng với động servo với tham số PID giá trị setpoint ban đầu hình 5.2 Đây tham số PID nhóm từ tìm thơng qua việc tinh chỉnh thủ cơng Giá trị setpoint mong muốn thay đổi phạm vi < X < 90; < Y < 150 Với giá trị sai số cho phép ±2 30 Chương 5: Kết đạt Hình 5.2 Tham số PID giá trị setpoint mong muốn Sau arduino tính tốn đưa kết hình 5.3 Với giá trị X ngõ dao động khoảng 51.55 đến 52.02 với sai số khoảng 3.1% đến 4.04%, giá trị ngõ Y dao động khoảng từ 40.64 đến 44.17 với sai số khoảng 1.6% đến 10.4% 31 Chương 5: Kết đạt Hình 5.3 Kết tính tốn ngõ Đồ thị biểu diễn hình 5.4 với đường thích lần lược hình Có thể thấy điều khiển PID hoạt động tốt, ngõ nằm khoảng sai số cho phép, hình dạng đồ thị ổn định khơng vọt lố cao 32 Chương 5: Kết đạt Setpoint X Real X Setpoint Y Real Y Hình 5.4 Đồ thị ngõ Kết điều khiển hình 5.5, viên bi sắt nằm vị trí cân bẳng định Khi tác động lực lên viên bi khiến viên bi rời khỏi vị trí cân bằng, điều khiển tác động lên động servo làm thay đổi góc quay đưa viên bi vị trí setpoint mong muốn Mơ hình có dao động khơng đáng kể, tốc độ đáp ứng nhanh, ổn định 33 Chương 5: Kết đạt Hình 5.5 Mơ hình hồn thiện 34 Chương 6: Kết luận hướng phát triển Chương 6: Kết luận hướng phát triển 6.1 Kết luận - Hệ thống hoạt động tương đối ổn định - Tỉ lệ sai số khơng đáng kể - Kết cấu khí chưa hồn tồn xác, nên ảnh hưởng đến ổn định hệ thống 6.2 Hướng phát triển - Với kết đạt hạn chế hướng phát triển là: + Điều chỉnh độ chíh xác khí + Dùng camera xử lý ảnh để xác định vị trí bóng thay cho hình cảm ứng +Tìm thuật tốn giải thuật tối ưu cho hệ thống nhằm tăng độ xác điều khiển hệ thống + Ứng dụng vào thí nghiệm luật điều khiển khác vào mơ hình 35 Tài liệu tham khảo TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Construction and theoretical study of a ball balancing platform of A lexander Hasp Frank and Morgan Tjernstrom [2] Ball on plate, by Jame Boy Louw 36 Phụ lục PHỤ LỤC /////////Ball and Plate/////////////////////////////// /* BALL AND PLATE PID CONTROL */ ////////////////////////////////////////////////////// ///Libraries/// #include // thu vien PID #include #include "TouchScreen.h" // thu vien touch screen #include #include #include // Definitions TOUCH PINS #define YP A0 //0 #define XM A1 //1 #define YM //3 #define XP //4 TouchScreen ts = TouchScreen(XP, YP, XM, YM, 300); unsigned int noTouchCount = 0; //viariable for noTouch double k = 0; // PID values double Setpoint, Input, Output; //for X double Setpoint1, Input1, Output1; //for Y // servos variables Servo servo1; //X axis Servo servo2; //Y axis 37 Phụ lục float convertX = 151.0 / 955.0; // converts raw x values to mm found through manual calibration float convertY = 91.0 / 927.0; // converts raw y values to mm found through manual calibration /////TIME SAMPLE int Ts = 50; unsigned long Stable = 0; //PID const float Kp = 0.25; // thông số PID float Ki = 0.05; float Kd = 0.08; float Kp1 = 0.25; float Ki1 = 0.05; float Kd1 = 0.08; long cas = 0; //INIT PID PID myPID(&Input, &Output, &Setpoint, Kp, Ki, Kd, DIRECT); PID myPID1(&Input1, &Output1, &Setpoint1, Kp1, Ki1, Kd1, DIRECT); void setup() { Serial.begin(115200); pinMode(13, OUTPUT); TSPoint p = ts.getPoint(); // hàm nhận vị trí tọa độ trái banh Setpoint = 40; // điểm setpoint ball Setpoint1 = 50; 38 Phụ lục // chỉnh góc servo giữ mặt screen cân servo1.attach(5); servo2.attach(6); Output = 95; Output1 = 85; servo1.write(Output); servo2.write(Output1); //Zapnutie PID myPID.SetMode(AUTOMATIC); myPID.SetOutputLimits(20, 160); myPID1.SetMode(AUTOMATIC); myPID1.SetOutputLimits(20, 160); // TIME SAMPLE myPID1.SetSampleTime(Ts); myPID.SetSampleTime(Ts); delay(100); } void loop() { while (Stable < 125) //Biến đếm vòng lặp { TSPoint p = ts.getPoint(); //nhận giá trị tọa độ trái banh if (p.z > ts.pressureThreshhold) //ball is on plate { servo1.attach(5); //connect servos servo2.attach(6); 39 Phụ lục noTouchCount = 0; TSPoint p = ts.getPoint(); // measure actual position Input = (p.x * convertX); // read and convert X coordinate Input1 = (p.y * convertY); // read and convert Y coordinate if ((Input > Setpoint - && Input < Setpoint + && Input1 > Setpoint1 - && Input1 < Setpoint1 + 2)) //sai số cho phép +-2 mm { Stable = Stable + 1; //increment STABLE digitalWrite(13, HIGH); } else { digitalWrite(13, LOW); } myPID.Compute(); //action control X compute myPID1.Compute(); // action control Y compute } else //if there is no ball on plate { noTouchCount++; //increment no touch count if (noTouchCount == 75) { noTouchCount++; Output = 95; //make plate flat Output1 = 85; servo1.write(Output); 40 Phụ lục servo2.write(Output1); } if (noTouchCount == 150) //if there is no ball on plate longer { servo1.detach(); //ngắt servo servo2.detach(); } } servo1.write(Output);//control servo2.write(Output1);//control Serial.print(Setpoint); Serial.print(","); Serial.print(Setpoint1); Serial.print(","); Serial.print(Input); Serial.print(","); Serial.println(Input1); }////END OF REGULATION LOOP/// servo1.detach();//detach servos servo2.detach(); ///KONTROLA STABILITY//// while (Stable == 125) //if is stable { //still measure actual postiion TSPoint p = ts.getPoint(); Input = (p.x * convertX); //read X Input1 = (p.y * convertY); //read Y if (Input < Setpoint - || Input > Setpoint + || Input1 > Setpoint1 + || Input1 < Setpoint1 - ) //nếu trái banh nằm ngồi vị trí setpoint +,- 2mm { servo1.attach(5); //again attach servos servo2.attach(6); 41 Phụ lục digitalWrite(13, LOW); Stable = 0; //change STABLE state } }//end of STABLE LOOP }//loop end 42 ... nghiên cứu chế tạo mơ hình bàn bi cân áp dụng giải thuật điều khiển PID để điều khiển cân hệ thống Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu tìm hiểu nguyên lý hoạt động, động lực học hệ bàn bi cân - Nghiên. .. mơ hình cân bi mặt phẳng, nghiên cứu giải thuật liên quan đến hệ thống cân nhằm phục vụ q trình nghiên cứu học tập Tính sáng tạo: Có nhiều khác bi? ??t so với hệ lắc phổ bi? ??n, trọng lực viên bi. .. cứu chế tạo mơ hình bàn bi thực tế - Điều khiển cân hệ thống điều khiển PID Phương pháp nghiên cứu -Tìm hiểu xây dựng giải thuật điều khiển hệ thống -Nghiên cứu giải thuật PID để điều khiển cân