So sánh các phương pháp điều khiển cân bằng cho pendubot

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CNKT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA SO SÁNH CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG CHO PENDUBOT GVHD: TS NGUYỄN VĂN ĐÔNG HẢI SVTH: TRỊNH XUÂN CHINH LÊ DIỆP THUỲ DƯƠNG SKL009307 Tp.Hồ Chí Minh, tháng 8/2022 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SO SÁNH CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG CHO PENDUBOT SVTH: Khoá: Ngành: GVHD: TRỊNH XUÂN CHINH MSSV: 18151055 LÊ DIỆP THUỲ DƯƠNG MSSV: 18151061 2018 Cơng nghệ Kỹ thuật Điều khiển Tự động hố TS NGUYỄN VĂN ĐƠNG HẢI Tp Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2022 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SO SÁNH CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG CHO PENDUBOT SVTH: Khoá: Ngành: GVHD: TRỊNH XUÂN CHINH MSSV: 18151055 LÊ DIỆP THUỲ DƯƠNG MSSV: 18151061 2018 Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển Tự động hố TS NGUYỄN VĂN ĐƠNG HẢI Tp Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2022 LỜI CẢM ƠN Trong trình thực đề tài, nhóm sinh viên nhận giúp đỡ Quý Thầy/Cô bạn, nhờ đề tài hoàn thành thời gian quy định Những kiến thức kinh nghiệm chúng em tích luỹ q trình làm đồ án vơ q báu Nhóm sinh viên trao dồi khả làm việc nhóm, phân quản lý công việc quản lý thời gian Và hết, kỹ cứng lẫn kỹ mềm hành trang để chúng em có thêm động lực để vững bước quãng đường nghiệp tương lai Chúng em 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 nhóm sinh viên hồn thành đồ án tốt nghiệp thời gian Nhóm xin trân trọng gửi lời cảm ơn chân thành đến Quý Thầy/Cô Khoa Đào tạo Chất lượng cao Khoa Điện – Điện tử cung cấp kiến thức Nhóm sinh viên xin gửi lời cảm ơn đến gia đình tạo điều kiện thuận lợi vật chất tinh thần để nhóm sinh viên sớm hồn thành đồ án Rất cảm ơn gia đình ln bên cạnh ủng hộ chúng em gặp phải rào cản tinh thần thử nghiệm thất bại suốt trình thực đề tài Tuy cố gắng hết sức, luận văn nhiều thiếu sót, nhóm sinh viên mong nhận góp ý từ Q Thầy/Cơ để đề tài hồn thiện Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng 08 năm 2022 Sinh viên thực Trịnh Xuân Chinh Lê Diệp Thuỳ Dương v TÓM TẮT Với phát triển cơng nghiệp, nhóm ngành thuộc kỹ thuật Công nghệ thông tin, Cơ – Điện tử, Điện – Điện tử, Điều khiển tự động đạt nhiều thành tựu Việc đơn giản hố mơ hình điều khiển tự động thực tế cần thiết với mục đích tìm giải thuật điều khiển tối ưu để hệ thống vận hành mượt mà thời gian ổn định nhanh Trong mơi trường nghiên cứu, mơ hình chuẩn đóng vai trị quan trọng, thay mơ hình thực tế vốn có phương trình tốn phức tạp dạng mơ hình đơn giản Hệ Pendubot số hệ thống mang tính phi tuyến phổ biến phịng thí nghiệm, mơ hình lý tưởng để nghiên cứu giải thuật điều khiển Suốt thời gian học đại học, nhóm sinh viên học nhiều giải thuật điều khiển, từ phi tuyến, tuyến tính đến thơng minh, nhiên có nhìn tổng qt chưa thật hiểu khác biệt cách thức điều khiển Vì lẽ đó, với đề tài tốt nghiệp, nhóm sinh viên muốn vào giải thuật, để hiểu phương điều khiển, mơ hình Pendubot Đó lý nhóm sinh viên chọn đề tài “So sánh phương pháp điều khiển cân cho hệ Pendubot” Trong đề tài này, giải thuật nhóm sinh viên chọn để khảo sát bao gồm LQR – Điều khiển tối ưu (giải thuật tuyến tính), Tuyến tính hố hồi tiếp (giải thuật phi tuyến), Fuzzy – Điều khiển mờ (giải thuật thơng minh) Nhóm sinh viên tiến hành mô công cụ MATLAB/Simulink kết hợp với phần mềm bổ trợ, đồng thời xây dựng mơ hình thực tế để quan sát trực quan cách hoạt động mô hình Đề tài khảo sát hệ Pendubot hoạt động giới hạn lân cận vị trí cân vị trí TOP – hệ đứng thẳng lên theo hướng ngược chiều trọng lực Bộ xử lý trung tâm điều khiển động cơ, đồng thời đưa tín hiệu máy tính, kết hợp với module UART để thu thập liệu Các liệu thu thập phục vụ cho việc vẽ đồ thị Nhóm sinh viên xây dựng phần cứng dựa mơ hình có sẵn Tồn phần điện bao gồm vi điều khiển, board mạch tự làm lại chứng kiến TS Nguyễn Văn Đông Hải Nhóm sinh viên xin cam đoan, đề tài “So sánh phương pháp điều khiển cân cho hệ Pendubot” thành phẩm riêng nhóm Các số liệu lấy làm sở ban đầu, kết đạt hoàn toàn trung thực, dựa tài liệu cơng bố vi MỤC LỤC Trang phụ bìa Chương TRANG TỔNG QUAN 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1.2 MỤC TIÊU 1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 1.4 GIỚI HẠN Chương PHƯƠNG TRÌNH TỐN HỌC GIỚI THIỆU 2.1.1 Các mơ hình SIMO phịng thí nghiệm 2.1.2 Các vị trí cân Pendubot PHƯƠNG TRÌNH TOÁN HỌC HỆ PENDUBOT Chương GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN 14 GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU – LQR 14 3.1.1 Giới thiệu 14 3.1.2 Xây dựng điều khiển LQR cho hệ Pendubot 16 GIẢI THUẬT TUYẾN TÍNH HỐ HỒI TIẾP 16 Giới thiệu 16 2.1 2.2 3.1 3.2 3.2.1 3.2.2 3.3 Xây dựng Bộ điều khiển Tuyến tính hố hồi tiếp cho hệ Pendubot 18 GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN MỜ - FUZZY 19 3.3.1 Giới thiệu 19 3.3.2 Xây dựng điều khiển Fuzzy cho hệ Pendubot 20 GIẢI THUẬT DI TRUYỀN – GA 23 3.4.1 Giới thiệu 23 3.4.2 Áp dụng giải thuật GA tối ưu hoá điều khiển 24 Chương MÔ PHỎNG 27 THÔNG SỐ MÔ PHỎNG 27 3.4 4.1 vii 4.1.1 Thông số cho Bộ điều khiển LQR 27 4.1.2 Thông số cho Bộ điều khiển Tuyến tính hố hồi tiếp 27 4.1.3 Thông số cho Bộ điều khiển Fuzzy 28 4.2 CHƯƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG 28 4.2.1 Chương trình mơ Bộ điều khiển LQR 28 4.2.2 Chương trình mơ Bộ điều khiển Tuyến tính hố hồi tiếp 29 4.2.3 Chương trình mơ Bộ điều khiển Fuzzy 30 4.3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 31 4.3.1 Kết mô Bộ điều khiển LQR 31 4.3.2 Kết mô Bộ điều khiển Tuyến tính hố hồi tiếp 32 4.3.3 Kết mô Bộ điều khiển Fuzzy 34 4.4 NHẬN XÉT 35 Chương THỰC NGHIỆM 36 5.1 MƠ HÌNH 36 5.1.1 Thiết kế phần điện 36 5.1.2 Thiết kế phần 42 5.2 Thư viện Phần mềm 46 5.2.1 Waijung Blockset 46 5.2.2 Hyper Terminal 54 5.2.3 Thiết kế chương trình điều khiển 55 5.3 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 60 5.4 NHẬN XÉT 69 Chương KẾT LUẬN - HƯỚNG PHÁT TRIỂN 70 6.1 KẾT LUẬN 70 6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 72 PHỤ LỤC 73 viii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT GA – Genetic Algorithm: phương pháp tìm kiếm tối ưu ngẫu nhiên cách mơ q trình tiến hố sinh vật theo học thuyết Darwin LQR – Linear Quadratic regulator: Bộ điều khiển tối ưu tuyến tính hố tồn phương, hay gọi tắt Bộ điều khiển tối ưu MIMO – Multiple-Input & Multiple-Output: hệ thống nhiều ngõ vào - nhiều ngõ PID – Proportional Integral Derivative: Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ PWM – Pulse-width modulation: phương pháp điều chỉnh điện áp đầu dựa thay đổi độ rộng xung SIMO – Single-Input & Multiple-Output: hệ thống ngõ vào – nhiều ngõ SMC – Sliding Mode Control: Bộ điều khiển trượt UART – Universal Asynchronous Receiver/Transmitter: vi mạch vi điều khiển, hỗ trợ truyền liệu nối tiếp thiết bị ix DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Bảng phân chia công việc -Bảng 2.1 Thông số hệ thống - Bảng 3.1 Các biến ngõ vào ngõ Bộ điều khiển Fuzzy 21 - Bảng 4.1 Biến trạng thái ban đầu 27 Bảng 4.2 Thông số Bộ điều khiển Tuyến tính hố hồi tiếp 28 Bảng 4.3 Thông số Bộ điều khiển Fuzzy 28 - Bảng 5.1 Bảng logic trạng thái hoạt động động 40 Bảng 5.2 Thông số kỹ thuật Cầu H IR2184 41 x DANH SÁCH HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ Hình 2.1 Mơ hình tốn học hệ Xe lắc ngược .4 Hình 2.2 Mơ hình tốn học hệ Con lắc ngược quay Hình 2.3 Hệ Cân bóng đỡ Hình 2.4 Mơ hình tốn họ hệ Acrobot Hình 2.5 Các vị trí cân Pendubot Hình 2.6 Mơ hình tốn học hệ Pendubot Hình 2.7 Cấu trúc động DC 10 Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển bở Bộ điều khiển LQR 14 Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý hệ thống Pendubot điều khiển Bộ điều khiển LQR 16 Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển Bộ điều khiển Fuzzy .20 Hình 3.4 Luật mờ ngõ vào 22 Hình 3.5 Luật mờ ngõ vào 22 Hình 3.6 Luật mờ ngõ vào 22 Hình 3.7 Luật mờ ngõ vào 23 Hình 3.8 Luật mờ ngõ 23 Hình 3.10 Lưu đồ chương trình GA 25 Hình 3.11 Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển Bộ điều khiển GA kết hợp 26 Hình 4.1 Chương trình mơ Bộ điều khiển LQR cho hệ Pendubot 29 Hình 4.2 Chương trình mơ Bộ điều khiển Tuyến tính hố hồi tiếp cho hệ Pendubot 29 Hình 4.3 Chương trình mơ Bộ điều khiển Fuzzy cho hệ Pendubot .30 Hình 4.4 Chương trình khối Fuzzy Controller 30 Hình 4.5 Kết mơ LQR cho góc 31 Hình 4.6 Kết mơ LQR cho vận tốc 31 Hình 4.7 Kết mơ LQR cho góc 31 xi