TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI ĐIỀU KHIỂN HỆ ACROBOT NHIỀU LINK SVTH: PHAN ANH HUY MSSV: 1615117 GVHD: NGUYỄN VĂN ĐÔNG HẢI Mọi thông tin chi tiết về bản quyền liên hệ tại:
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN HỆ ACROBOT NHIỀU LINK SVTH: PHAN ANH HUY MSSV: 16151173 KHÓA: 2016 - 2020 NGÀNH: CNKT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA GVHD: TS NGUYỄN VĂN ĐƠNG HẢI TP.Hồ Chí Minh, ngày 04 tháng 08 năm 2022 i CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc ****** TP.Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2022 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN Họ tên sinh viên: Phan Anh Huy Ngành: CNKT điều khiển tự động hóa Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Đông Hải Ngày nhận đề tài: 29/03/2022 MSSV: 16151173 Lớp: 16151CL3B SĐT: 0349672108 Ngày nộp đề tài: 06/08/2022 Tên đề tài: Điều khiển hệ Acrobot nhiều link Các số liệu, tài liệu ban đầu: Nội dung thực đề tài: Sản phẩm: TRƯỞNG NGÀNH GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc ii ****** PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Họ tên Sinh viên: MSSV: Ngành: Tên đề tài: Họ tên Giáo viên hướng dẫn: NHẬN XÉT Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện: Ưu điểm: Khuyết điểm: Đề nghị cho bảo vệ hay không? Đánh giá loại: Điểm: (Bằng chữ: .) TP.Hồ Chí Minh, ngày 04 tháng 08 năm 2022 Giáo viên hướng dẫn (Ký & ghi rõ họ tên) CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc ****** iii PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ tên Sinh viên: MSSV: Ngành: Tên đề tài: Họ tên Giáo viên phản biện: NHẬN XÉT Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện: Ưu điểm: Khuyết điểm: Đề nghị cho bảo vệ hay không? Đánh giá loại: Điểm: (Bằng chữ: .) TP.Hồ Chí Minh, ngày … tháng 08 năm 2022 Giáo viên phản biện (Ký & ghi rõ họ tên) iv LỜI CẢM ƠN Trong q trình thực đề tài, tơi nhận giúp đỡ quý thầy/cô bạn, nhờ đề tài hoàn thành thời gian quy định Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến: TS.Nguyễn Văn Đơng Hải người tận tình hướng dẫn, định hướng nghiên cứu, hỗ trợ trang thiết bị, vốn kiến thức chun mơn để tơi hồn thành đồ án tốt nghiệp thời gian Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý thầy cô khoa Điện – Điện Tử, khoa đào tạo chất lượng cao cung cấp cho kiến thức tảng, để hồn thành đồ án Tơi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình tạo điều kiện thuận lợi cho tơi sớm hồn thành đồ án TPHCM, ngày 04 tháng 08 năm 2022 Sinh viên thực Phan Anh Huy i MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT .iv DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ v DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vii Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục tiêu nghiên cứu 1.3 Giới hạn .3 1.4 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài nghiên cứu 1.4.1 Ý nghĩa khoa học đề tài 1.4.2 Ý nghĩa thực tiễn đề tài nghiên cứu .3 1.5 Phương pháp nghiên cứu 1.5.1 Nghiên cứu lý thuyết 1.5.2 Nghiên cứu thực nghiệm .4 Chương 2: PHƯƠNG TRÌNH TỐN HỌC 2.1 Hệ hai link 2.2 Hệ ba link 12 Chương 3: THIẾT KẾ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN 18 3.1 Bộ điều khiển LQR 18 3.2 Bộ điều khiển PID 19 3.2.1 Khái niệm 19 3.2.2 Lịch sử hình thành .20 3.2.3 Mục đích sử dụng điều khiển PID 20 3.2.4 Cách điều chỉnh thông số cho điều khiển PID 21 3.2.5 Các khâu hiệu chỉnh PID 21 3.2.6 Các dạng PID kí hiệu 24 3.2.7 Các phương pháp tìm thơng số PID 25 ii 3.2.8 3.3 Ứng dụng PID .26 Sự tương đồng điều khiển PD LQR 27 Chương 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 30 4.1 Hệ hai link 30 4.2 Hệ ba link 31 4.3 Nhận xét 35 Chương 5: 5.1 LỰA CHỌN THIẾT BỊ 36 Lí lựa chọn thiết bị 36 5.1.1 Arduino Uno 36 5.1.2 Nguồn tổ ong 12V/10A: 44 5.1.3 Encoder LPD3806: 46 5.1.4 Động giảm tốc JGA25-370: 47 5.1.5 Mạch điều khiển động DC BTS7960 43A (1 động cơ): 50 5.2 Phần mềm sử dụng 51 5.2.1 Matlab .51 5.2.2 Aruino IDE 57 Chương 6: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 62 6.1 Mô hình thực nghiệm .62 6.2 Kết thực nghiệm 63 6.3 Kết luận 68 Chương 7: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 69 7.1 Kết luận 69 7.2 Hướng phát triển 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO .71 PHỤ LỤC 73 iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT Chữ viết tắt Diễn giải 2L-A Acrobot 2-Link 3L-A Acrobot 3-Link PID Proportional Integral Derivative: vi tích phân tỉ lệ LQR Linear Quadratic Regulator: điều khiển tối ưu RIP Rotary inverted pendulum: lắc ngược quay C&P Cart and pole: hệ lắc ngược xe iv DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU Hình 1.1 Sự mô Acrobot 2-Link theo vận động viên xà đơn [8] .2 Hình 1.2 Cấu trúc tốn học Acrobot 3-Link [8] Y Hình 2.1 Mơ hình tốn học hệ thống Acrobot 2-Link [9] Hình 2.2 Hai vị trí điều khiển Acrobot Link Hình 2.3 Mơ hình tốn học Acrobot 2-Link vị trí MID 11 Hình 2.4 Mơ hình tốn học hệ thống Acrobot 3-Link [10] 12 Hình 2.5 Sự mơ Acrobot 3-Link theo vận động viên xà đơn 13 Hình 3.1 Thiết kế phản hồi trạng thái K 18 Hình 3.2 Sơ đồ hiệu chỉnh với PID 22 Hình 3.3 Sử dụng PID để điều khiển biến tần mức nước 26 Hình 3.4 Sự tương đồng cấu trúc PD cấu trúc LQR 27 Hình 3.5 Quy ước tốn học Acrobot 2-Link vị trí MID .28 Hình 3.6 Sơ đồ khối điều khiển PD Hình 4.1 Bộ điều khiển LQR 30 Hình 4.2 Cấu trúc bên khối mơ tả hệ thống 30 Hình 4.3 Kết mơ 2L-A vị trí MID .31 Hình 4.4 Kết mơ 2L-A vị trí TOP .31 Hình 4.5 Mơ hình mô Acrobot 3-Link hệ phi tuyến 32 Hình 4.6 Mơ hình mơ Acrobot 3-Link hệ phi tuyến 32 Hình 4.7 Kết mô Acrobot 3-Link hệ phi tuyến .33 Hình 4.8 Mơ hình mơ Acrobot 3-Link hệ tuyến tính 34 Hình 4.9 Mơ hình mơ Acrobot 3-Link hệ tuyến tính 34 Hình 4.10 Kết mơ Acrobot 3-Link hệ tuyến tính 35 Y Hình 5.1 Board Arduino Uno 36 Hình 5.2 Các phiên Arduino .38 Hình 5.3 Sơ đồ chân board Arduino Uno 40 Hình 5.4 Sơ đồ chân vi điều khiển ATmega328P 41 Hình 5.5 Nguồn tổ ong 12V-10A 44 Hình 5.6 Sơ đồ khối nguồn .45 Hình 5.7 Rotary Encoder LPD3806-600BM 46 Hình 5.8 DC Gearbox motor GA25 Encoder 130rpm 47 v Hình 5.9 Sơ đồ chân động giảm tốc encoder 49 Hình 5.10 Mạch Điều Khiển Động Cơ DC BTS7960 43A (1 Động Cơ) .50 Hình 5.11 Logo phần mềm Matlab 51 Hình 5.12 Giao diện Matlab 52 Hình 5.13 Giao diện Matlab – Simulink 55 Hình 5.14 Logo phần mềm Arduino IDE 57 Hình 5.15 Giao diện phần mềm Arduino IDE .58 Hình 5.16 Một số tính phần mềm Arduino IDE .59 Hình 5.17 Output panel Arduino IDE .60 Hình 6.1 Mơ hình thực nghiệm Acrobot - Link 62 Hình 6.2 Các thiết bị bên mơ hình Acrobot - Link 62 Hình 6.3 Mặt bên phải mơ hình Acrobot - Link 63 Hình 6.4 Thơng số mơ hình khơng có điều khiển .64 Hình 6.5 Thơng số mơ hình link hai khơng có điều khiển 64 Hình 6.6 Thơng số mơ hình link có điều khiển 65 Hình 6.7 Thơng số mơ hình link hai có điều khiển .65 Hình 6.8 Thơng số mơ hình tăng Kp1 = .66 Hình 6.9 Thơng số mơ hình tăng Kd1 = 0.05 67 Hình 6.10 Thơng số mơ hình tăng Kp2 = .67 Hình 6.11 Thơng số mơ hình tăng Kd2 = .68 Hình 8.1 Bản vẽ thiết kế mơ hình thực nghiệm .73 Hình 8.2 Bản vẽ thiết kế mơ hình thực nghiệm .73 vi ... dùng đề điều khiển trực tiếp link điều khiển gián tiếp link lại chuyển để điều khiển trực tiếp link điều khiển gián tiếp link Sự thay đổi dẫn tới việc tạo cấu trúc Acrobot 2 -Link Đây hệ thống... điều khiển thiết kế điều khiển sở mô hình tốn học kiểm chứng Acrobot Kiểm tra chất lượng hệ thống điều khiển sử dụng phần mềm Matlab sử dụng hệ thống thực Nghiên cứu điều khiển LQR PID điều khiển. .. trí điều khiển Acrobot Link Hai vị trí MID TOP (ở Hình 2.2) hai vị trí điều khiển thơng dụng hệ 2L-A Ở vị trí TOP, hệ thống khó điều khiển cân so với vị trí MID dù hai vị trí, hệ thống đạt điều