Nghiên cứu, thiết kế chế tạo mô hình con lắc ngược phục vụ môn học hệ thống điều khiển tự động trên ô tô

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, THIẾT KẾ CHẾ TẠO MƠ HÌNH CON LẮC NGƯỢC PHỤC VỤ MÔN HỌC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TRÊN Ô TÔ S K C 0 9 MÃ SỐ: SV2021 - 03 S KC 0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 06/2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CHẾ TẠO MƠ HÌNH CON LẮC NGƯỢC PHỤC VỤ MƠN HỌC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TRÊN Ô TÔ SV2021 – 03 Thuộc nhóm ngành khoa học: Kỹ thuật SV thực hiện: Huỳnh Văn Anh Quốc Nam, Nữ: Nam Dân tộc: Kinh Lớp, khoa: 171451C – CKĐ Năm thứ: / Số năm đào tạo: Ngành học: Công nghệ Kỹ thuật Ơ tơ Người hướng dẫn: ThS Nguyễn Trung Hiếu TP Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2021 MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC CÁC HÌNH iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Giới hạn chọn đề tài: Mục tiêu nhiệm vụ nghiên cứu 3.1 Mục tiêu: 3.2 Nhiệm vụ Phương pháp thực Kế hoạch nghiên cứu 5.1 Giai đoạn 1: Nghiên cứu tài liệu phần mềm liên quan đến đề tài .2 5.2 Giai đoạn 2: Thiết kế phần cứng, phần mềm cho đề tài .2 5.3 Giai đoạn 3: Tiến hành điều khiển lắc ngược viết thuyết minh CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Phép biến đổi Laplace 1.2 Hàm truyền 1.3 Không gian trạng thái 1.4 Tính ổn định hệ thống 1.5 Thiết kế điều khiển PID CHƯƠNG 2: MƠ HÌNH HÓA CON LẮC NGƯỢC 13 2.1 DC Motor 13 2.2 Con lắc ngược 13 2.3 Thiết lập phương trình vi phân 16 2.4 Thiết lập hàm truyền 18 2.5 Mơ mơ hình lắc ngược 19 i CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 23 3.1 Mô lắc ngược PID liên tục 23 3.2 Mô lắc ngược PID rời rạc 24 3.3 Kết mô lắc ngược 24 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 26 4.1 Mô tả phần cứng 26 4.1.1 Arduino Mega 2560 26 4.1.2 Giao tiếp Matlab/Simulink Arduino 28 4.1.3 Nguồn 33 4.1.4 Board mạch công suất (mạch cầu H) 34 4.1.5 Mơ hình lắc ngược 40 4.2 Kết điều khiển lắc ngược Matlab/Simulink 44 4.3 Kết điều khiển lắc ngược Arduino 48 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ .53 5.1 Kết 53 5.2 Hướng phát triển đề tài 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO 54 ii DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Biến đổi Laplace số hàm Hình 1.2 Biến đổi Laplace ngược số hàm Hình 1.3 Hệ thống vật nặng – lò xo – giảm chấn Hình 1.4 Sơ đồ vật thể tự Hình 1.5 Sơ đồ khối hệ vật – lò xo – giảm chấn Hình 1.6 Ổn định không ổn định .8 Hình 1.7 Sơ đồ khối hiệu chỉnh nối tiếp Hình 1.8 Sơ đồ khối điều khiển hồi tiếp trạng thái Hình 1.9 Sơ đồ khối điều kiển PID 10 Hình 1.10 Sơ đồ khối điều khiển có P 10 Hình 1.11 Sơ đồ khối điều khiển có I 10 Hình 1.12 Sơ đồ khối điều khiển có D 11 Hình 1.13 Tác động tăng thơng số độc lập 12 Hình 2.1 Mạch điện phần ứng sơ đồ chuyển động rotor 13 Hình 2.2 Sơ đồ hệ lắc ngược 14 Hình 2.3 Mơ hình lắc ngược mơ Inventor – Mặt trước 14 Hình 2.4 Mơ hình lắc ngược mô Inventor – Mặt sau 15 Hình 2.5 Sơ đồ vật thể tự hệ lắc ngược 16 Hình 2.6 Hình chiếu lắc phương chiếu 16 Hình 2.7 Hình chiếu lắc phương chiếu đứng 16 Hình 2.8 Khối mô lắc ngược hàm truyền 19 Hình 2.9 Khối hàm truyền sử dụng mô lắc ngược 20 Hình 2.10 Khối mơ lắc phương trình vi phân 20 Hình 2.11 Khối vi phân sử dụng mô lắc ngược 20 Hình 2.12 Sơ đồ khối mô đáp ứng lắc ngược .21 Hình 2.13 Khối Signal Builder 21 iii Hình 2.14 Kết đáp ứng lắc chưa có PID 22 Hình 3.1 Khối PID liên tục 23 Hình 3.2 Hệ số PID liên tục 23 Hình 3.3 Bộ điều khiển PID rời rạc 24 Hình 3.4 Hệ số PID rời rạc cân lắc ngược .24 Hình 3.5 Sơ đồ khối điều khiển cân lắc ngược .24 Hình 3.6 Kết đáp ứng cân lắc ngược 25 Hình 4.1 Arduino Mega 2560 26 Hình 4.2 Sơ đồ chân Arduino Mega 2560 27 Hình 4.3 Các gói hỗ trợ giao tiếp Simulink với Arduino .28 Hình 4.4 Thư viện giao tiếp Simulink với Arduino 29 Hình 4.5 Các khối hỗ trợ lập trình cho Arduino Simulink 30 Hình 4.6 Vị trí khối S-Function Builder .31 Hình 4.7 Khối đọc Encoder 32 Hình 4.8 Khởi tạo “file.c” thành cơng 32 Hình 4.9 Nguồn NI PS – 15 33 Hình 4.10 Mạch cầu H IBT_2 34 Hình 4.11 Mạch cầu H SHB 36 Hình 4.12 Mơ hình cân lắc ngược – Mặt trước 40 Hình 4.13 Mơ hình cân lắc ngược – Mặt nghiêng 41 Hình 4.14 Mơ hình cân lắc ngược – Mặt sau 42 Hình 4.17 Chương trình điều khiển lắc ngược PID 44 Hình 4.18 Hệ số PID điều khiển cân lắc ngược 44 Hình 4.20 Chương trình bên khối giới hạn góc quay Encoder 45 Hình 4.19 Chương trình bên khối Encoder 45 Hình 4.21 Chương trình bên khối Actuator 46 iv Hình 4.22 Kết đáp ứng mơ hình thực nghiệm lắc ngược Matlab 47 Hình 4.23 Code điều khiển lắc ngược Arduino (1) 48 Hình 4.24 Code điều khiển lắc ngược Arduino (2) 49 Hình 4.25 Code điều khiển lắc ngược Arduino (3) 49 Hình 4.26 Code điều khiển lắc ngược Arduino (4) 50 Hình 4.27 Code điều khiển lắc ngược Arduino (5) 50 Hình 4.28 Code điều khiển lắc ngược Arduino (6) 51 Hình 4.29 Kết đáp ứng mơ hình thực nghiệm lắc ngược Arduino .51 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Chữ đầy đủ CCS Cruise Control System DC Motor Direct Current Motor LQR P Linear-Quadratic Regulator Proportional PD Proportional Derivative PI Proportional Integral PID Proportional Integral Derivative POT Percent of Overshoot QĐNS Quỹ đạo nghiệm số vi 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, THIẾT KẾ CHẾ TẠO MƠ HÌNH CON LẮC NGƯỢC PHỤC VỤ MƠN HỌC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TRÊN Ô TÔ - Chủ nhiệm đề tài: Huỳnh Văn Anh Quốc Mã số SV: 17145347 - Lớp: 171451C Khoa: Cơ Khí Động Lực - Thành viên đề tài: Stt Họ tên MSSV Lớp Khoa Nguyễn Văn Phúc 17145340 171451B Cơ Khí Động Lực Lê Hữu Thịnh 17145368 171451B Cơ Khí Động Lực - Người hướng dẫn: ThS Nguyễn Trung Hiếu Mục tiêu đề tài: – Mô hệ thống lắc ngược quay phần mềm Matlab/Simulink – Tiến hành thiết kế, chế tạo mơ hình lắc ngược: + DC motor gá vào khung thép để giữ cho hệ ổn định motor quay + Board Arduino mega 2560 nhận tín hiệu xung từ Encoder (vị trí lắc) Xử lý tín hiệu xung để biết vị trí lắc + Xuất tín hiệu qua mạch công suất (mạch cầu H, SB500) điều khiển motor quay thuận nghịch để giữ cho lắc cân – Thiết kế thuật toán PID để điều khiển mơ hình thực nghiệm: + Thơng qua phần mềm Matlab/Simulink điều chỉnh hệ số PID để giúp cho việc điều khiển lắc mượt + Dùng phần mềm Arduino, khử tiếng ồn motor quay viết thuật toán PID để điều khiển lắc ngược Phần mềm hỗ trợ Board mega 2560 tốt hơn, ứng dụng rộng rãi Tính sáng tạo: – Nghiên cứu lập trình Simulink cho Arduino Mega 2560 Kết nối, điều khiển mơ hình thực lắc ngược Simulink – Cải tiến việc điều khiển lắc ngược cách viết chương trình PID phần mềm Arduino vii Kết nghiên cứu: – Mô hệ thống lắc ngược quay phần mềm Matlab/Simulink – Thiết kế, chế tạo KIT thí nghiệm DC motor mơ hình lắc ngược – Thiết kế thuật tốn điều khiển để điều khiển mơ hình thực nghiệm Đóng góp mặt giáo dục đào tạo, kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng khả áp dụng đề tài: – Phục vụ mơn học Hệ thống Điều khiển Tự động Ơ tô 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 2021 SV chịu trách nhiệm thực đề tài (kí, họ tên) Huỳnh Văn Anh Quốc Nhận xét người hướng dẫn những đóng góp khoa học SV thực đề tài (phần người hướng dẫn ghi): Ngày tháng năm 2021 Người hướng dẫn (kí, họ tên) Nguyễn Trung Hiếu viii Hình 4.13 Mơ hình cân lắc ngược – Mặt nghiêng 41 Hình 4.14 Mơ hình cân lắc ngược – Mặt sau 42 Hình 4.15 Sơ đồ mạch điện điều khiển cân lắc ngược sử dụng IBT_2 Hình 4.16 Sơ đồ mạch điện điều khiển cân lắc ngược sử dụng SHB 43 4.2 Kết điều khiển lắc ngược Matlab/Simulink Chương trình điều khiển cân lắc ngược Matlab/Simulink: Hình 4.17 Chương trình điều khiển lắc ngược PID Hình 4.18 Hệ số PID điều khiển cân lắc ngược 44 Hình 4.19 Chương trình bên khối Encoder Hình 4.20 Chương trình bên khối giới hạn góc quay Encoder Khối Encoder đếm số xung Encoder, sau số xung lọc nhiễu qua phép tính để biến đổi gốc tương ứng của lắc ngược Khối giới hạn góc quay Encoder nhằm giúp bảo hệ thống lắc khỏi hư hại lắc cân Bằng cách ngắt tín hiệu điều khiển DC Motor lắc nằm ngồi góc quay thiết lập cho 45 Hình 4.21 Chương trình bên khối Actuator Chương trình dùng để đọc xung Encoder DC Motor, nhằm tính góc quay motor để bảo lắc cân Ngồi ra, chương trình cịn có nhiệm vụ xuất xung PWM để điều khiển DC Motor 46 Hình 4.22 Kết đáp ứng mơ hình thực nghiệm lắc ngược Matlab 47 Nhận xét: – Hệ thống ln có dao động – Ngoại lực tác động giây thứ 0.3, 2.2, 4, làm cho góc alpha lệch khỏi vị trí độ – Hệ thống ổn định chưa tốt, dao động cân mức – độ 4.3 Kết điều khiển lắc ngược Arduino Chương trình điều khiển cân lắc ngược Arduino: Hình 4.23 Code điều khiển lắc ngược Arduino (1) 48 Hình 4.24 Code điều khiển lắc ngược Arduino (2) Hình 4.25 Code điều khiển lắc ngược Arduino (3) 49 Hình 4.26 Code điều khiển lắc ngược Arduino (4) Hình 4.27 Code điều khiển lắc ngược Arduino (5) 50 Hình 4.28 Code điều khiển lắc ngược Arduino (6) Hình 4.29 Kết đáp ứng mơ hình thực nghiệm lắc ngược Arduino 51 Nhận xét: – Hệ có dao động – Ngoại lực tác động vào làm góc alpha lệch khỏi vị trí đặt góc độ – Dùng phần mềm Arduino giúp khử tiếng ồn DC motor – Hệ thống ổn định dùng Matlab, dao động khoảng 0.5 độ 52 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 5.1 Kết Đề tài hồn thành số cơng việc sau: – Nghiên cứu phần mềm mô Matlab/Simulink – Nghiên cứu Arduino Mega 2560, nghiên cứu lập trình Simulink cho Arduino Mega 2560 – Nghiên cứu hệ lắc ngược DC Motor – Nghiên cứu điều khiển PID – Mơ hình hóa sau thiết kế mơ hình thực nghiệm điều khiển cân lắc ngược – Kết nối, điều khiển mơ hình thực nghiệm lắc ngược Bên cạnh công việc hồn thành có hạn chế như: – Thời gian thực đề tài có hạn – Điều khiển cân lắc chưa tối ưu hóa 5.2 Hướng phát triển đề tài Cải tiến phần cứng, xây dựng giải thuật điều khiển cân tốt Nghiên cứu, chế tạo mơ hình liên quan để ứng dụng vào thực tế 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Trùng Lâm – Nguyễn Tường Duy, 7/2016, Thiết kế chế tạo KIT thí nghiệm phục vụ mơn học điều khiển tự động, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.Hồ Chí Minh [2] Nguyễn Phùng Quang, 2006, MATLAB &Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, Nxb Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội 54 S K L 0 ... đề trên, chúng em định chọn đề tài “NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CHẾ TẠO MƠ HÌNH CON LẮC NGƯỢC PHỤC VỤ MÔN HỌC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TRÊN Ô TÔ” Đề tài tổng hợp kiến thức tổng quát liên quan đến động. .. TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CHẾ TẠO MƠ HÌNH CON LẮC NGƯỢC PHỤC VỤ MÔN HỌC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG... 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, THIẾT KẾ CHẾ TẠO MƠ HÌNH CON LẮC NGƯỢC PHỤC VỤ MƠN HỌC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN