Điều khiển hệ thống pendubot tự swing up và cân bằng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN VĨNH TOÀN ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG PENDUBOT TỰ SWING-UP VÀ CÂN BẰNG NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN SKC007473 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2017 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH -*** - LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN VĨNH TOÀN ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG PENDUBOT TỰ SWING-UP VÀ CÂN BẰNG SVTH: TRẦN VĨNH TOÀN GVHD: PGS.TS TRẦN THU HÀ GVHD: Th.S HUỲNH PHƯỚC SƠN TP Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2017 HVTH: Trần Vĩnh Toàn GVHD: PGS.TS Trần Thu Hà LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: Trần Vĩnh Tồn Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 02/04/1991 Nơi sinh: Đà Nẵng Quê quán: Đà Nẵng Dân tộc: Kinh Chỗ riêng địa liên lạc: 86 Quang Trung, Phường Tăng Nhơn Phú B, Quận 9, TP HCM Điện thoại quan: Điện thoại di động: 0935 448 495 Fax: E-mail: vinhtoanspkt@gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Trung học chuyên nghiệp: Không học Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 2009 đến 2014 Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM Ngành học: Sư Phạm Điện Công Nghiệp Tên đồ án, luận án môn thi tốt nghiệp: Điều khiển ổn định mực chất lỏng Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án: Trường ĐHSPKT TP.HCM Người hướng dẫn: Ths Trần Vi Đô III Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP Thời gian Từ 5/2014 đến 5/2015 Từ 6/2015 đến 6/2016 Từ 6/2016 đến Nơi công tác Công ty cổ phần Vinh Nam Công việc đảm nhiệm Kỹ sư điện Công ty TNHH Avery Dennision (Việt Nam) Kỹ sư bảo trì Cơng ty TNHH Nestle (Việt Nam) HVTH: TRẦN VĨNH TOÀN Technical Training Specialist Trang i HVTH: Trần Vĩnh Tồn GVHD: PGS.TS Trần Thu Hà LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 24 tháng năm 2017 (Ký tên ghi rõ họ tên) Trần Vĩnh Tồn HVTH: TRẦN VĨNH TỒN Trang ii HVTH: Trần Vĩnh Toàn GVHD: PGS.TS Trần Thu Hà LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến PGS.TS Trần Thu Hà trưởng môn Điện - điện tử khoa Điện – Điện tử trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM tận tình hướng dẫn thực luận văn tốt nghiệp Bên cạnh tơi xin chân thành cám ơn quý Thầy, Cô trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh giảng dạy, hướng dẫn tạo điều kiện tốt để học tập và công tác Tôi xin chân thành cám ơn thầy Trần Vi Đô dẫn hỗ trợ nhiều kiến thức kinh nghiệm thực luận văn Cuối xin cảm ơn anh chị, bạn bè thành viên gia đình giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi động viên vật chất lẫn tinh thần để tơi hồn thành luận văn Học viên Trần Vĩnh Tồn HVTH: TRẦN VĨNH TỒN Trang iii HVTH: Trần Vĩnh Toàn GVHD: PGS.TS Trần Thu Hà TÓM TẮT Hệ thống thiếu cấu truyền động nhiều nhà nghiên cứu nước giới quan tâm, Pendubot ví dụ điển hình cho hệ thống thiếu cấu truyền động với hai bậc tự hoạt động mặt phẳng đứng Luận văn đưa giải pháp điều khiển cho hệ Pendubot điều khiển lai bao gồm điều khiển swing-up cân cho hệ thống pendubot Một điều khiển lai điều khiển hệ thống Swing-up gần với vị trí cân hướng lên trì ổn định hệ thống vị trí thẳng đứng Việc kiểm soát đề xuất bao gồm hai giai đoạn: điều khiển swingup sử dụng linearization phản hồi phần, điều khiển cân sử dụng toàn phương tuyến tính LQR Cuối cùng, thơng qua mơ kết thực nghiệm thơng số thích hợp chọn nhúng vào DSP TMS320F28335 Sự ổn định hệ thống pendubot mô cho thấy điều khiển lai đề xuất hoạt động tốt Tuy nhiên, chất lượng điều khiển mơ hình thí nghiệm số hạn chế ABSTRACT Underactuated mechanical system were paid attention by many researchers in Vietnam and all over the world, Pendubot is a typical example for the underactuated mechanical system with two degrees of freedom which operates in vertical plane A hybrid control which includes swing-up and balancing control for pendubot system – a two-link under-actuated robot A hybrid controller which drives the system close to the equilibrium manifold and maintains the system stabilization in the upright position The proposed control consists of two stages: swing-up control using partial feedback linearization, and balancing control using Linear Quadratic Regulator method (LQR) Finally, through both simulation and experimental, parameters have been selected and embedded into DSP TMS320F28335 The stability of the pendubot system in simulation showed that the proposed hybrid controller works well However, the control quality in the experimental model still has some limitations HVTH: TRẦN VĨNH TỒN Trang iv HVTH: Trần Vĩnh Tồn GVHD: PGS.TS Trần Thu Hà MỤC LỤC Quyết định giao đề tài Xác nhận cán hướng dẫn Lý lịch khoa học Trang i Lời cam đoan Trang ii Lời cảm ơn Trang iii Tóm tắt Trang iv Mục lục Trang v CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tính cấp thiết đề tài 1.2 Lý chọn đề tài 1.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu 1.3.1 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 1.3.2 Tình hình nghiên cứu nước 1.4 Giới thiệu đối tượng Pendubot 1.4.1 Phần khí 1.4.2 Phần điện 1.5 Mục tiêu đề tài 10 1.6 Mục đích nghiên cứu 10 1.7 Phạm vi nghiên cứu đề tài 11 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 12 2.1 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN LQR 12 2.1.1 Ổn định Lyapunov hệ tuyến tính hóa – tiêu chuẩn ổn định Lyapunov – phương pháp thứ Lyapunov 12 2.1.2 Điều khiển tối ưu hệ tuyến tính với tiêu chất lượng dạng tồn phương – phương trình Riccati hệ liên tục 14 2.1.3 Các bước thiết kế giải tốn tồn phương tuyến tính cho hệ liên tục 16 2.1.4 Phương pháp điều khiển LQR áp dụng cho hệ Pendubot 16 HVTH: TRẦN VĨNH TOÀN Trang v HVTH: Trần Vĩnh Toàn GVHD: PGS.TS Trần Thu Hà 2.2 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TUYẾN TÍNH HĨA RIÊNG PHẦN 18 2.2.1 Phương pháp tuyến tính hóa hồi tiếp 18 2.2.2 Tuyến tính hóa ngõ vào 19 2.2.3 Tuyến tính hóa vào 20 2.2.4 Bài tốn tuyến tính hóa hồi tiếp 21 2.2.5 Phương pháp hồi tiếp tuyến tính hóa riêng phần áp dụng cho hệ Pendubot 22 3.1 Thơng số mơ hình thực nghiệm 27 3.2 Nhận dạng thông số động 30 3.2.1 Mơ hình hóa động 30 3.2.2 Thu thập thông số động thực tế 35 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG HỆ PENDUBOT BẰNG MATLAB 38 4.1 Xây dựng điều khiển Swing-up cân cho Pendubot 38 4.2 Mô điều khiển swing-up giữ cân LQR 39 4.2.1 Mô điều khiển swing-up giữ cân LQR khơng có nhiễu 41 4.2.2 Mô điều khiển swing-up giữ cân LQR có nhiễu 44 CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ THI CƠNG MƠ HÌNH THỰC TẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG HỆ PENDUBOT 53 5.1 Giới thiệu 53 5.2 Thiết kế khí hệ Pendubot 53 5.3 Mạch điều khiển hệ Pendubot 55 5.3.1 Vi điều khiển DSP TMS320F28335 55 5.3.2 Module vi điều khiển TMS320F2335 value module 57 5.3.3 Board điều khiển đọc giá trị Encoder xuất xung PWM 58 5.3.4 Mạch driver cầu H lái động 65 5.4 Thiết kế chương trình điều khiển Pendubot 66 5.4.1 Giới thiệu khối điều khiển thư viện hỗ trợ simulink 66 5.4.2 Sơ đồ giải thuật chương trình điều khiển 68 5.4.3 Khối điều khiển hệ Pendubot thực tế 69 5.4.4 Khối truyền tín hiệu hiển thị lên máy tính (SCI transfer data to PC) 70 HVTH: TRẦN VĨNH TỒN Trang vi HVTH: Trần Vĩnh Tồn GVHD: PGS.TS Trần Thu Hà 5.4.5 Chương trình điều khiển giữ cân hệ Pendubot dùng phương pháp điều khiển LQR 71 5.5 Kết đo thực tế dùng LQR 74 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 76 6.1 Kết đạt 76 6.2 Giới hạn đề tài 77 6.3 Đóng góp đề tài: 77 6.4 Hướng phát triển đề tài: 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO 78 HVTH: TRẦN VĨNH TỒN Trang vii HVTH: Trần Vĩnh Tồn GVHD: PGS.TS Trần Thu Hà DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Kết mô ngỏ q1, q2 dùng điều khiển lai Hình 1.2 Kết mô ngõ q1_dot, q2_dot dùng điều khiển lai Hình 1.3 Đáp ứng góc vận tốc góc hệ thống với phương pháp Hình 1.4 Đáp ứng góc lệch q1, q2 lân cận vị trí top Hình 1.5 Đáp ứng góc lệch q1, q2 lân Hình 1.6 Đáp ứng góc lệch q1, q2 lân Hình 1.7 Đáp ứng góc lệch q1,q2 lân Hình 1.8 Đáp ứng góc lệch q1, q2 lân cận vị trí top với điều khiển phản hồi trạng thái sử dụng khâu quan sát Luenberger Hình 1.9 Đáp ứng góc lệch q1, q2 lân cận vị trí Mid_L với điều khiển phản hồi trạng thái sử dụng khâu quan sát Luenberger Hình 1.10 Hệ thống Pendubot Hình 1.11 Các thành phần khí hệ Pendubot Hình 2.1 Cấu trúc điều khiển LQR 12 Hình 3.1 Mơ hình đơng lực Pendubot 27 Hình 3.2 Sơ đồ khối trình điều khiển hệ Pendubot 27 Hình 3.3 Khối động DC 30 Hình 3.4 Phân tích khối động DC dạng hàm truyền 31 Hình 3.5 Sơ đồ kết nối động vào DSP 35 Hình 3.6 Sơ đồ hệ thống nạp xuống DSP để thu thập liệu 36 Hình 3.7 Mẫu thu thập đưa vào Matlab xử lý 37 Hình 4.1 Khối mô Pendubot 38 Hình 4.2 Mơ mơ hình trạng thái hệ pendubot simulink 38 Hình 4.3 Mơ hình mơ simulink điều khiển Pendubot khơng có nhiễu tác động 39 Hình 4.4 Mơ hình mơ simulink khối LQR balance control 40 HVTH: TRẦN VĨNH TOÀN Trang viii HVTH: Trần Vĩnh Toàn GVHD: PGS.TS Trần Thu Hà 5.3.4 Mạch driver cầu H lái động Hình 5.16 Sơ đồ nguyên lý mạch cầu H Kết thi công thực tế mạch cầu H + Board cầu H-Brige dùng IC kích MC33833 hãng free scale + Phần công suất dùng POWER MOSFETs IRF3205 có thơng số VDSS=55v, RDS 100KHz + Ngõ vào opto cách ly PWM+, PWM-, DIR+, DIR+ Sử dụng IC kích Fet chuyên dụng MC338833 freescale nên cycle đạt 100% ưu điểm so với IC kích fet khác + Có led báo nguồn, báo xung chiều + Board có hai nút nhấn DIR, PWM thích hợp cho việc test board tay HVTH: TRẦN VĨNH TỒN Trang 65 HVTH: Trần Vĩnh Tồn GVHD: PGS.TS Trần Thu Hà Hình 5.17 Mạch cầu H thực tế 5.4 Thiết kế chương trình điều khiển Pendubot 5.4.1 Giới thiệu khối điều khiển thư viện hỗ trợ simulink Để thiết kế chương trình ta sử dụng thư viện Matlab/simulink hỗ trợ lập trình đổ xuống chip TMS320F28335, taget support packet C2000lib Hỗ trợ tất MCU dòng vi điều khiển C2000 TI Trước hết ta phải lập trình khối matlab/ simulink, sau trình biên dịch hỗ trợ phát project mã C liên kết với Code composer studio v3.3 (CCS v3.3), sau CCS làm nhiệm vụ mơi trường build chạy debug chương trình Hình 5.18 Quá trình lập trình viết code đổ xuống board vi điều khiển HVTH: TRẦN VĨNH TOÀN Trang 66 HVTH: Trần Vĩnh Toàn GVHD: PGS.TS Trần Thu Hà Việc kết hợp thư viện Target For TI C2000 tích hợp sẵn Simulink Matlab với Code Composer Studio (CCS) hãng Taxes Intrument cho phép người sử dụng dịch chương trình Simulink sang ngơn ngữ C chạy chip DSP C2000 TI C280x fixed point DSP, C281x fixed point DSP, C28x3x floating point DSP, … Hình 5.19 Thư viện target Preferences Các module ngoại vi xuất nhập I/O, đọc xung encoder QEP, điều chế độ rộng xung PWM, chuyển đổi ADC, khối truyền I2C, SCI, CAN DSP đọc hỗ trợ đầy đủ cấu hình dễ dàng trực quan Hình 5.20 Thư viện ngoại vi hỗ trợ cho dịng C28x3x HVTH: TRẦN VĨNH TỒN Trang 67 HVTH: Trần Vĩnh Toàn GVHD: PGS.TS Trần Thu Hà 5.4.2 Sơ đồ giải thuật chương trình điều khiển Bắt đầu Khởi tạo hoạt động cho thiết bị ngoại vi Đọc xung phát từ encoder encoder |q1 - π/2|< 0.35 & |q1+q2-π/2|< 0.5 No Yes Luật điều khiển cân Luật điều khiển swing up Hình 5.21 Sơ đồ giải thuật điều khiển swing up cân Pendubot Giải thích sơ đồ giải thuật điều khiển Pendubot: Đọc xung phát encoder để biết q1 (góc link trục hồnh) Đọc xung phát encoder để biết q2 (góc link phương link 1) Nếu góc link lệch với phương thẳng đứng góc bé 0.35 rad (~20º) góc link lệch với phương link góc bé 0.15 rad (~8.6 º) sử dụng điều khiển cân để điều khiển Pendubot ngược lại sử dụng điều khiển Swing-up để điều khiển Pendubot Mỗi vòng điều khiển thực với chu kỳ chọn 10ms để đảm bảo yêu cầu đo đạt tín hiệu phản hồi Việc chỉnh chu kỳ điều khiển thực mơ hình lập trình simulink sau: HVTH: TRẦN VĨNH TOÀN Trang 68 HVTH: Trần Vĩnh Toàn GVHD: PGS.TS Trần Thu Hà + Vào Simulation -> Configuration Parameters … + Trong mục solver option chọn type (Fixed-step), solver (discrete (no continuous states)), fixed-step size chu kỳ điều khiển điều khiển tính giây (ở tác giả chọn 0.01 tức 10ms) Hình 5.22 Thiết lập chu kỳ điều khiển cho điều khiển simulink 5.4.3 Khối điều khiển hệ Pendubot thực tế Đây khối chương trình thực việc điều khiển động đo đạc tín hiệu phản hồi từ hệ thống mơ hình hệ Pendubot thực tế Bao gồm khối Motor control module phát xung điều khiển động khối Encoder module đọc tín hiệu encoder xử lý thành tín hiệu vị trí góc vận tốc góc 5.4.3.1 Khối đọc xung (encoder module) Đây khối xử lý đọc tín hiệu phản hồi Pendubot, làm nhiệm vụ đọc xung hai encoder xử lý thành tín hiệu vị trí góc vận tốc góc (link1 link 2) để cung cấp cho điều khiển Các ngoại vi đọc xung encoder sử dụng mode x4 để tăng độ phân giải tín hiệu Khối đọc encoder link1: Bao gồm ngoại vi đọc encoder đọc vị trí xung sau sử lý tín hiệu góc link đo sau đưa qua xử lý từ xung thành giá trị góc radian HVTH: TRẦN VĨNH TỒN Trang 69 HVTH: Trần Vĩnh Tồn GVHD: PGS.TS Trần Thu Hà Hình 5.23 Khối đọc encoder link1 Khối đọc encoder link2: Bao gồm ngoại vi đọc encoder tích hợp động đọc vị trí xung sau đưa qua xử lý từ xung thành giá trị góc radian Do góc q2 góc tương đối link1 link2 nên giá trị đọc phải tính cách lấy giá trị encoder trừ giá trị encoder1 Hình 5.24 Khối đọc encoder link2 5.4.3.2 Khối xử lý điều khiển lái động Là khối có nhiệm vụ chuyển giá trị ngõ điều khiển thành giá trị xung PWM để cấp cho mạch cầu H lái động + Khối ePWM khối xuất tín hiệu PWM board điều khiển + Khối Digital Output khối xuất tín hiệu ngõ chân I/O xung quy định chiều quay động + Khối U control lập trình với đoạn code xử lý 5.4.4 Khối truyền tín hiệu hiển thị lên máy tính (SCI transfer data to PC) Khối nhận tín hiệu từ khối đọc xung khối điều khiển giải thuật từ chuyển giá trị nhận thành mã ASCII truyền lên máy tính thơng qua HVTH: TRẦN VĨNH TỒN Trang 70 HVTH: Trần Vĩnh Tồn GVHD: PGS.TS Trần Thu Hà giao thức SCI/UART Các giá trị truyền thành dạng frame truyền chuỗi kết thúc ký tự xuống dịng Trên máy tính chương trình windows form nhận giá trị gửi lên từ board điều khiển, hiển thị vẽ đồ thị online Vì yêu cầu ngắt chương trình windows form nên việc hiển thị thực với chu kỳ 50ms, đồ thị đáp ứng phản ánh giá trị đo đạc 5.4.5 Chương trình điều khiển swing up dung phương pháp điều khiển hồi tiếp tuyến tính hóa riêng phần giữ cân hệ Pendubot dùng phương pháp điều khiển LQR 5.4.5.1 Chương trình thực tế điều khiển Bộ điều khiển hồi tiếp tiếp tuyến tính hóa riêng phần điều khiển hệ pendubot swing-up từ vị trí cân hướng xuống  / 0 0 tới vị trí cân không ổn định hướng lên  / 0 0 Bộ điều khiển LQR điều khiển hệ pendubot giữ cân góc nằm tầm điều khiển sau: q1       q2     7     Nếu góc nằm ngồi giới hạn điều khiển cho hệ thống Swing-up lại Xây dựng mơ hình điều khiển hệ thống rời rạc hóa sau: HVTH: TRẦN VĨNH TỒN Trang 71 HVTH: Trần Vĩnh Tồn GVHD: PGS.TS Trần Thu Hà Hình 5.25 Chương trình điều khiển hệ Pendubot thực tế Trong khối thể mơ hình có ý nghĩa sau: + Khối eQEP1, có tác dụng đọc encoder gắn đọc Do encoder đọc từ giá trị đến giá trị tràn ta đặt quay giá trị (khơng có giá trị