Luận văn điều khiển con lắc ngược quay

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết luận văn trung thực, số tham khảo trích dẫn từ cơng trình cơng bố tạp chí khoa học chun ngành có uy tín kỷ yếu hội nghị quốc tế Tp.Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2017 Học viên thực Luận văn TRẦN VĂN HÀO i LỜI CẢM ƠN Luận văn thực theo chương trình đào tạo thạc sĩ Trường Đại Học Cơng Nghệ Thành Phố Hồ Chí Minh ( HUTECH ) Học viên xin chân thành gửi lời tri ân sâu sắc đến q thầy cơ, bạn bè gia đình Đến Thầy PGS.TS Nguyễn Thanh Phương tận tình hướng dẫn, giúp đỡ đóng góp ý kiến quý báo để học viên hoàn thiện Luận văn Đến quý thầy cô Khoa Cơ – Điện – Điện tử Trường Đại Học Cơng Nghệ Thành Phố Hồ Chí Minh trang bị cho học viên kiến thức bổ ích Đến bạn học viên lớp cao học Cơ – Điện – Tử niên khóa 2014 Đến gia đình người thân tạo điều kiện, ủng hộ, động viên suốt trình học tập thời gian thực luận văn Học viên TRẦN VĂN HÀO ii TÓM TẮT Hệ lắc ngược quay đối tượng điều khiển phi tuyến thường sử dụng phòng điều khiển tự động Nhiều giải thuật thử nghiệm đối tượng Luận văn trình bày việc thiết kế luật điều khiển sở kỹ thuật điều khiển trượt cho hệ lắc ngược quay Mơ hình tốn học hệ lắc ngược quay xây dựng làm tảng cho việc thiết kế luật điều khiển Luận điều khiển trượt thiết kế để thực mục tiêu cân ổn định cho hệ lắc ngược Luật điều khiển kiểm chứng thông qua kết mô phần mềm Matlab – Simulink Mơ hình vật lý hệ lắc ngược xây dựng để kiểm chứng giải thuật thiết kế iii ABSTRACT Rotary Inverted Pendulum ( RIP ) is a nonlinear model that is popularly used in automatic control laboratories A lot of algorithms have been developed for this model This thesis will present the design of control law on the basis of sliding control technique for RIP The mathematical model of RIP is contructed as the basis for the design of the control law The sliding control law is design to achieve for balancing and stabilizing for Inverted Pendulum system The control law is verified through simulation results by Matlab – Simulink software The physical model are built to verify the designed algorithm iv MỤC LỤC Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Tóm tắt iii Abstract iv Mục lục v Danh mục từ viết tắt thuật ngữ đối chiếu ix Danh sách bảng x Danh sách hình xi Chương TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chung lĩnh vực nghiên cứu, kết nghiên cứu ngồi nước cơng bố 1.1.1 Tổng quan chung lĩnh vực nghiên cứu 1.1.2 Các kết nghiên cứu ngồi nước cơng bố 1.2 Mục tiêu đề tài 1.3 Nhiệm vụ giới hạn đề tài v 1.3.1 Nhiệm vụ đề tài 1.3.2 Giới hạn đề tài 1.4 Phương pháp nghiên cứu Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan điều khiển phi tuyến 2.2 Lý thuyết điều khiển trượt 2.2.1 Giới thiệu điều khiển trượt 2.2.2 Khái niệm mặt trượt 2.2.2.1 Một số ký hiệu đơn giản hóa 2.2.2.2 Xây dựng phương trình Filippov cho hệ động học 13 2.2.2.3 Khả thực xác 14 2.2.2.4 Triển khai trực tiếp luật chuyển mạch 18 2.2.3 Luật điều khiển chuyển mạch xấp xỉ liên tục 18 Chương THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 25 3.1 Mô hình hệ thống lắc ngược quay 25 3.2 Thiết lập mô hình tốn học hệ thống lắc ngược quay 25 3.3 Thiết kế hệ thống điều khiển trượt 31 3.4 Thiết kế điều khiển lật ngược 35 vi Chương MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 37 4.1 Xây dựng mô hình mơ hệ thống lắc ngược quay 37 4.2 Kết mô chưa có điều khiển trượt 38 4.3 Xây dựng mơ hình khối điều khiển trượt ( SMC = Sliding Mode Control ) 40 4.3.1 Phương trình tín hiệu điều khiển u ( theo phương trình 3.24 ) 40 4.3.2 Kết mơ với điều khiển trượt 42 4.4 Mô lắc ngược quay dùng thuật toán LQR 48 4.4.1 Mơ hình khối RIP dùng thuật tốn LQR Matlab/Simulink 48 4.4.2 Kết mô với điều khiển LQR 48 4.5 So sánh kết điều khiển LQR với SMC 51 4.6 Mô lắc ngược quay dùng Swing up 52 4.6.1 Mơ hình khối RIP dùng Swing up Matlab/Simulink 52 4.6.2 Kết mô Swing – up 53 Chương GIỚI THIỆU MƠ HÌNH PHẦN CỨNG 54 5.1 Thiết kế mô hình lắc ngược quay 54 5.1.1 Mơ hình lắc ngược quay 54 5.1.2 Thiết kế mạch điều khiển 55 5.1.2.1 Sơ đồ khối điều khiển lắc ngược 55 5.1.2.2 Sơ đồ nguyên lí 56 vii a Mạch nguồn 56 b Mạch công suất 57 c Board mạch MCU 58 5.1.2.3 Sơ đồ kết nối 60 5.2 Mơ hình hồn chỉnh lắc ngược quay 62 5.3 Kết thực nghiệm 63 Chương KẾT LUẬN VÀ ĐÁNH GIÁ 64 6.1 Kết luận 64 6.2 Hạn chế 64 6.3 Hướng phát triển đề tài 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO 65 viii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ ĐỐI CHIẾU DC = Direct current : Dòng điện chiều LQR = Linear Quadratic Regulator : Bộ điều khiển tồn phương tuyến tính MINO = Multiple Input – Multioutput : Nhiều ngõ vào – Nhiều ngõ PID = Proportional Intergral Derivative : Bộ điều khiển vi tích phân tỷ lệ RIP = Rotary Inverted Pendulum : Con lắc ngược quay SIMO = Single Input – Multiple Output : Một ngõ vào – Nhiều ngõ SMC = Sliding Model Control : Bộ điều khiển trượt Arm : Cánh tay ( lắc ) Back EMF constant : Hằng số sức điện động Chattering : Hiện tương dao động xung quanh mặt trượt Encoder : Bộ mã hóa Filippov : Lý thuyết động học phát biểu Filippov Incremental Encoder : Bộ mã hóa tương đối Pendulum : Con lắc Sat = Saturation : ( Hàm toán học ) Sign = Signum : ( Hàm toán học ) Sliding model : Chế độ trượt Swing – Up : Điều khiển lật lên ( cho lắc ngược ) ix DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng : Mô tả thông số sử dụng mơ hình hệ thống 27 Bảng : Các thông số mô chọn 42 x 52 Nhận xét :  Với điều khiển SMC góc lắc góc cánh tay sau khoảng thời gian 2s 0,8s đạt giá trị gần ổn định quanh điểm làm việc (0,0) Khơng có độ vọt lố  Với điều khiển LQR góc lắc góc cánh tay sau khoảng thời gian 1,2s 1s đạt giá trị gần ổn định quanh điểm làm việc (0,0) Có độ vọt lố qua điểm cân 4.6 Mô lắc ngược quay dùng Swing up 4.6.1 Mơ hình khối RIP dùng Swing up Matlab/Simulink Hình 4.20 : Mơ hình khối RIP – Swing up Simulink 53 4.6.2 Kết mô Swing – up Hình 4.21 : Đáp ứng điều khiển Swing – up 54 Chương GIỚI THIỆU MƠ HÌNH PHẦN CỨNG Chương trình bày mơ hình phần cứng hệ lắc ngược quay Giới thiệu sơ lược phần khí, điện chương trình mà học viên làm 5.1 Thiết kế mơ hình lắc ngược quay 5.1.1 Mơ hình lắc ngược quay Mơ hình lắc ngược quay bao gồm khung cố định dùng để gắn động 16T Con lắc gắn trực tiếp với encoder điều khiển cánh tay gắn trực tiếp 16T 16T với trục động Ưu điểm mơ hình dễ thiết kế, khơng bị giới hạn không gian 16T 16T chuyển động cánh tay nằm ngang, nhỏ gọn, chiếm khơng gian Các dây tín hiệu 16T 16T hệ thống dây phức tạp nhược điểm mơ hình 16T 16T Hình 5.1 : Mơ hình tổng thể lắc ngược quay 16T 55 Trong : Incremental encorder : Bộ mã hóa tương đối Pendulum : Con lắc Arm : Cánh tay ( lắc ) DC servo motor : Động servo chiều Mơ hình khí hệ thống lắc ngược phải đảm bảo chắn, có thơng số hợp lý mang tính thẩm mỹ Hình 5.2 : Mơ hình 3D lắc ngược 5.1.2 Thiết kế mạch điều khiển 5.1.2.1 Sơ đồ khối điều khiển lắc ngược – Khối sử lý MCU có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ encorder, xử lý thuật toán điều khiển xuất tín hiệu điều khiển – Khối cảm biến gồm Encoder để đo vị trí vận tốc 56 – Khối động lực mạch cầu H điều khiển động 16T Hình 5.3 : Sơ đồ khối mạch điều khiển 5.1.2.2 Sơ đồ nguyên lí a Mạch nguồn : Chuyển từ nguồn 12Vdc sang 5Vdc cấp cho mạch vi điều khiển mạch công suất Mạch sử dụng IC LM2576T Hình 5.4 : Sơ mạch đồ nguồn 5V 57 Một số đặc điểm LM2576T : Cho phép điều chỉnh điện áp từ 1.25V đến 33V Dòng điện cho phép lên tới 3A LM2576 có chân sau : Chân : Điện áp vào Chân : Điện áp Chân : Cực âm chung cho điện áp điện áp vào Chân : Hồi tiếp điện áp để hiệu chỉnh điện áp Chân : Cho phép cắt mở nguồn (nếu nối cực âm nguồn mở liên tục cho tải, để hở mạch nối lên cực dương nguồn cấp cho tải bị cắt tức khơng có điện áp ra) b Mạch công suất: Mạch công suất sử dụng L298N để điều khiển động DC với mạch cầu H sử dụng diode 1N5822 Mạch cầu H đảo chiều dịng điện qua tải nên hay dùng mạch điều khiển động DC mạch băm áp Ưu nhược điểm cầu H : Ưu điểm : Mạch cầu H làm cho mạch trở nên đơn giản tiết kiệm chi phí Nhược điểm : Nếu mạch điều khiển bật cơng tắc cầu mạch động lực bị ngắn mạch nguồn Nếu tượng xảy thời gian ngắn (quá độ) xuất dịng trùng dẫn qua van cơng suất làm tăng công suất tiêu 58 tán van Nếu thời gian trùng dẫn đủ dài, dòng trùng dẫn lớn làm cháy van công suất Tức mạch bảo vệ dịng áp Thơng số IC L298N : IC L298N mạch tích hợp đơn chip gồm 15 chân tích hợp mạch cầu H có khả hoạt động điện áp cao, dòng cao Điện áp cấp lên đến 46V, dòng chịu đựng lên đến 4A, chức bảo vệ nhiệt, điện áp logic từ 1.5V trở xuống Hình 5.5 : Sơ đồ driver công suất L298 c Board mạch MCU : Arduino Mega 2560 vi điều khiển cách sử dụng Atmega 2560 gồm : 54 chân digital (15 sử dụng chân PWM) 59 16 đầu vào analog, UARTs (cổng nối tiếp phần cứng), thạch anh 16 MHz, cổng kết nối USB, jack cắm điện, đầu ICSP, nút reset Nó chứa tất thứ cần thiết để hỗ trợ vi điều khiển Arduino Mega 2560 khác với tất vi xử lý trước khơng sử dụng FTDI chip điều khiển chuyển tín hiệu từ USB để xử lý Thay vào đó, sử dụng ATmega16U2 lập trình cơng cụ chuyển đổi tín hiệu từ USB Ngồi ra, Arduino Mega 2560 giống Arduino Uno R3, khác số lượng chân nhiều tính mạnh mẽ hơn, nên bạn lập trình cho vi điều khiển chương trình lập trình cho Arduino Uno R3 Hình 5.6 : Sơ đồ linh kiện Arduino Mega 2560 60 Hình 5.7 : Sơ đồ chân board Arduino Mega 2560 5.1.2.3 Sơ đồ kết nối  Encoder : Pha A → pin 20 Arduino Mega 2560 Pha A → pin 21 Arduino Mega 2560  Encoder DC Motor : Pha A → pin Arduino Mega 2560 Pha A → pin Arduino Mega 2560  Module L298 : EN → pin Arduino Mega 2560 61 IN1 → pin Arduino Mega 2560 IN2 → pin Arduino Mega 2560 Hình 5.8 : Sơ đồ kết nối module 62 5.2 Mơ hình hồn chỉnh lắc ngược quay Hình 5.9 : Mơ hình thực tế lắc ngược quay Con lắc nhơm đồng chất dài 197mm gắn vng góc với trục encoder Encoder loại : OMRON E6B – CWZ, có giá trị 1440 xung/vịng, nguồn 5VDC, hai pha A,B , đường kính trục 6mm Cánh tay nhôm đồng chất, rộng 31mm, dầy 3mm, dài 122mm gắn vng góc với trục encoder có giá trị 1200xung/vịng – đồng trục với trục động 63 5.3 Kết thực nghiệm Qua việc mô kiểm chứng kết quả, thấy kết mô tương đồng với lý thuyết trình bày chương trình thiết kế chương Điều khiển cân ổn định cho hệ lắc ngược quay phương pháp SMC – điều khiển vịng kín với lượng cung cấp cho hệ thống nhỏ Hệ thống hoạt động tương điều khiển trượt, lắc ổn định quanh điểm làm việc, thời gian đáp ứng nhanh 2s, độ vọt lố mức dao động khơng đáng kể Với mơ hình thực tế lắc chưa đáp ứng tốt vị trí cân q trình sử dụng thơng số có sai số thơng số khơng xác rõ ràng, ảnh hưởng phần thi cơng khí 64 Chương KẾT LUẬN VÀ ĐÁNH GIÁ 6.1 Kết luận Trong luận văn học viên hoàn thành kết : − Nghiên cứu chi tiết hệ lắc ngược quay, xây dựng mơ hình tốn học nắm vững đặc tính động học hệ lắc ngược quay − Nghiên cứu giải thuật lý thuyết điều khiển đại − Nghiên cứu thiết kế giải thuật điều khiển SMC mô đáp ứng Matlab – Simulink 6.2 Hạn chế − Chưa khảo sát tác động nhiễu bên − Hệ thống ổn định không tốt phần thi công, thiết kế 6.3 Hướng phát triển đề tài − Thiết kế giải thuật điều khiển cho hệ có xét đến tác động nhiễu ngồi − Thi cơng, chỉnh sửa lại phần khí mơ hình thực − Thiết kế hệ thống cân ổn định vị trí − Thiết kế điều khiển thời gian thực mô hình lắc ngược quay 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT [1] Dương Hoài Nghĩa, Điều khiển hệ thống đa biến, NXB ĐHQG TP.HCM, 2007 [2] Nguyễn Thị Phương Hà, Lý thuyết điều khiển đại, NXB ĐHQG TP.HCM, 2009 [3] Nguyễn Doãn Phước, Phan xuân Minh Hán Thành Trung, Lý thuyết điều khiển phi tuyến, NXB Khoa Học Kỹ Thuật, Hà Nội 2006 [4] Vũ Chấn Hưng, Đặng Thành Phu, Hoàng Văn Tuấn, “ Điều Khiển Hệ Thống Con Lắc Ngược Quay”, tạp chí khoa học công nghệ, 2005 [5] Nguyễn Văn Khanh, Nguyễn Ngô Phong Đặng văn Hải, “ Điều khiển Cân Bằng Con Lắc Ngược Sử Dụng Thuật Toán PD mờ ”, Tạp chí khoa học Trường Đại Học Cần Thơ 2009 [6] Nguyễn Đức Minh, Dương Hoài Nghĩa, Nguyễn Đức Thành, “ Điều khiển lắc ngược hai bậc xoay tự dùng mạng nơ –rôn”, in Hội thảo Công nghệ Thông Tin Đại Học Đà Lạt 2010, 2010 TIẾNG NƯỚC NGOÀI [7] Mojtaba Ahmadieh Khanesar “Sliding Mode Control of Rotary Inverted Pendulum” Control & Automation, July 27 – 29, 2007, Athens – Greece [8] Khalil sultan, “Inverter pendulum – Analysis, design and implementation”, IIEE Visionnaries-document version 1.0 [9] Quanser Inc “ Rotary Inverted Pendulum Handout” [10] Narinder Singh Bhangal, Design and performance of LQR and LQR based Fuzzy Controller for Double Inverted Pendulum System, 2013 66 [11] S.V.Radmamohan, M.Subramaniam, and Dr.M.J.Nigam, “ Fuzzy Swing-Up and Stabilization of Real Inverted Pendulum Using Single Rulebase”, Journal of Theoritical and Applied Information Technology, pp.43–50, 2010 [12] Fu-Kuei Tsai and Jung – Shan Lin, “ Nonlinear Control Design of 360-Degree Inverted Pendulum Systems, “ in The Fourth International Conference on Control and Automation, pp.634–638, 2003 [13] X.Chen and H.Zhou and et al, “ Linear Motor Driven Inverted Pendulum and LQR Controller Design”,in Proceedings of The IEEE International Conference on Automation and Logistics, 2007, pp 1750–1754 [14] Felix Grasser, Aldo D’Arrigo, Silvio Colombi ( 2002 ), JOE : A Mobile, Inverted Pendulum, IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, VOL 49, No 1, February 2002 [15] Jinkuliu, XihuaWang, “Advanced sliding mode control for mechanical systems” [16] Navin John Mathew, K.Koteswara Rao, N.Sivakumaran “ Swing Up and Stabilization Control of a Rotary Inverted Pendulum ” December 18–20, 2013 Mumbai, India [17] Jean – Jacques E.Slotine, Weiping Li, Applied Nonlinear Control, Massachusetts Institue of Technology, Prentice Hall, 1991 Và số báo, tài liệu khác internet…… ... thành công điều khiển LQR dựa logic mờ điều khiển cho lắc ngược kép, kết thiết kế cho phép điều khiển góc lắc ngược kép vị trí xe Tác giả hiệu điều khiển mờ tốt nhiều so với điều khiển LQR [10]... tượng Luận văn trình bày việc thiết kế luật điều khiển sở kỹ thuật điều khiển trượt cho hệ lắc ngược quay Mơ hình tốn học hệ lắc ngược quay xây dựng làm tảng cho việc thiết kế luật điều khiển Luận. .. trình bày phương pháp điều khiển thời gian thực cho hệ thống lắc ngược với điều khiển Fuzzy PD với kết đáp ứng tốt so với điều khiển PID [5] – Bài báo “ Điều khiển lắc ngược hai bậc xoay tự dùng