Trước tiên, tôi xin gửi đến thầy Võ Công Phương lời cảm ơn sâu sắc. Thầy đã tận tình hướng dẫn và truyền đạt kiến thức giúp tôi hoàn thành luận văn này. Quan trọng hơn hết, thầy đã gợi mở cho tôi một đề tài, một hướng nghiên cứu phù hợp với năng lực của tôi. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn đến các quý thầy cô trong bộ môn Điều khiển tự động Khoa Điện – Điện tử Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải TP.HCM đã chỉ dạy truyền đạt kiến thức trong suốt quá trình học tập tại trường. Cuối cùng tôi gửi lời cảm ơn tới những người thân, gia đình và bạn bè đã động viên, khuyến khích ủng hộ vật chất lẫn tinh thần giúp tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu để hoàn thành đề tài này.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM - oOo ĐOÀN TUỆ TÂM THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI ỔN ĐỊNH CÂN BẰNG HỆ PENDUBOT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT TP HCM 10 – 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM - oOo ĐOÀN TUỆ TÂM THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI ỔN ĐỊNH CÂN BẰNG HỆ PENDUBOT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA MÃ SỐ: 60520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: Ts VÕ CÔNG PHƯƠNG TP HCM 10 – 2016 i LỜI CẢM ƠN Trước tiên, xin gửi đến thầy Võ Công Phương lời cảm ơn sâu sắc Thầy tận tình hướng dẫn truyền đạt kiến thức giúp tơi hồn thành luận văn Quan trọng hết, thầy gợi mở cho đề tài, hướng nghiên cứu phù hợp với lực Tôi xin chân thành cảm ơn đến quý thầy cô môn Điều khiển tự động Khoa Điện – Điện tử Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải TP.HCM dạy truyền đạt kiến thức suốt trình học tập trường Cuối gửi lời cảm ơn tới người thân, gia đình bạn bè động viên, khuyến khích ủng hộ vật chất lẫn tinh thần giúp tơi suốt q trình học tập nghiên cứu để hoàn thành đề tài …Dành cho ba mẹ, cho Cua, Quỳnh, người mong đợi anh hồn thành… Tp Hồ Chí Minh, ngày 28 tháng 09 năm 2016 Người thực Đồn Tuệ Tâm ii LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan đề tài nghiên cứu “Thiết kế điều khiển mờ lai ổn định cân hệ pendubot” đảm bảo tính chân thật viết chương trình, kết mơ thực nghiệm, giá trị thông số nêu cách rõ ràng sở lý thuyết trích dẫn đầy đủ chiếu theo tài liệu tham khảo Tp Hồ Chí Minh, ngày 28 tháng 09 năm 2016 Tác giả luận văn Đồn Tuệ Tâm iii TĨM TẮT Trong đề tài luận văn tác giả nghiên cứu, giới thiệu hệ pendubot phương pháp điều khiển PID, fuzzy logic, fuzzy hybrid để giữ cân cho hệ Hệ pendubot tự động cân hệ phi tuyến phức tạp, khó điều khiển ứng dụng phổ biến thí nghiệm điều khiển hệ thống phi tuyến Kết thực nghiệm hệ pendubot làm tảng ứng dụng vào hệ thống tự động cân thực tế cân cánh tay máy, cân trọng tâm robot… Tác giả tiến hành mô Matlab-Simulink phương pháp điều khiển PID, Fuzzy logic, Fuzzy hybrid Sau đó, phương pháp thí nghiệm phần cứng hệ pendubot thực tế sử dụng TMS320C2000TM Experimenter Kit có chip DSP TMS320F28335 thơng qua thư viện Embedded Coder Target Preferences for TI C2000 tạo khối biên dịch sang mã hex giúp cho việc lập trình dễ dàng Ưu điểm kit có sẵn thực tế, nhỏ gọn, sử dụng linh hoạt dễ dàng ứng dụng vào thực tế Dữ liệu vị trí góc link link gởi máy tính thơng qua khối truyền thông liệu thu thập chương trình Hyperterminal để phục vụ cho việc vẽ đồ thị khảo sát đáp ứng hệ thống Kết điều khiển mô thực nghiệm cho thấy điều khiển mờ lai (fuzzy hybrid) điều khiển ổn định, cho kết tốt, đáp ứng chậm đảm bảo tính chất mơ hình thực, độ vọt lố Còn phương pháp PID fuzzy logic cho đáp ứng ổn đáp ứng chậm dao động quanh điểm cân iv MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i LỜI CAM ĐOAN ii TÓM TẮT .iii MỤC LỤC iv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ viii DANH MỤC BẢNG VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT xiii LỜI MỞ ĐẦU xiv CHƯƠNG 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Giới thiệu mơ hình pendubot 1.3 Phân tích đánh giá cơng trình nghiên cứu ngồi nước 1.3.1 Các cơng trình nghiên cứu nước 1.3.2 Các cơng trình nghiên cứu nước 1.4 Những vấn đề tồn luận văn tập trung giải 1.4.1 Những vấn đề tồn 1.4.2 Mục tiêu đề tài hướng đến giải 1.5 Mục tiêu khoa học đề tài 1.6 Phạm vi nghiên cứu công việc cần thực 1.7 Phương pháp nghiên cứu 1.8 Ý nghĩa đề tài 1.9 Tóm lược nội dung luận văn v CHƯƠNG 11 2.1 Tổng quan phương pháp nghiên cứu 11 2.2 Phương pháp điều khiển PID 11 2.2.1 Khái niệm phương trình PID 11 2.2.2 Vấn đề chỉnh định cho điều khiển PID 14 2.3 Phương pháp điều khiển mờ (fuzzy logic) 15 2.3.1 Tổng quan logic mờ 15 2.3.2 Bộ điều khiển mờ 16 2.3.3 Những nguyên tắc tổng hợp điều khiển mờ 19 2.4 Hệ mờ lai 21 2.4.1 Hệ mờ lai khơng thích nghi có điều khiển kinh điển 21 2.4.2 Hệ mờ lai cascade 24 2.4.3 Công tắc mờ 25 CHƯƠNG 27 3.1 Cơ sở chung 27 3.2 Phương trình tốn hệ thống 27 3.2.1 Giới thiệu thông số hệ thống 27 3.2.2 Thiết lập mơ hình tốn học cho hệ thống pendubot 29 3.3 Diễn tả không gian trạng thái hệ thống 35 3.4 Những điểm cân hệ thống 39 3.5 Tính chất điều khiển không điều khiển 41 3.6 Tuyến tính hóa phương trình chuyển động 43 CHƯƠNG 47 4.1 Mô đáp ứng hệ pendubot chưa có điều khiển 47 vi 4.2 Mô điều khiển cân hệ pendubot dùng điều khiển PID 49 4.2.1 Giải thuật điều khiển PID cho hệ pendubot 49 4.2.2 Mô điều khiển cân pendubot dùng điều khiển PID 52 4.3 Mô điều khiển cân hệ pendubot dùng điều khiển mờ 57 4.3.1 Giải thuật điều khiển mờ cho hệ pendubot 57 4.3.2 Mô điều khiển mờ cho hệ pendubot 62 4.4 Mô điều khiển cân hệ pendubot dùng điều khiển mờ lai (fuzzy hybid) 64 4.4.1 Giải thuật điều khiển mờ lai cho hệ pendubot 64 4.4.2 Mô điều khiển mờ lai cho hệ pendubot 69 CHƯƠNG 73 5.1 Thiết kế phần cứng mơ hình hệ pendubot 73 5.1.1 Giới thiệu phần cứng hệ pendubot 73 5.1.2 Thiết kế phần điện mơ hình hệ pendubot 74 5.2 Lựa chọn thiết bị cho mơ hình hệ pendubot 75 5.2.1 Lựa chọn động 75 5.2.2 Lựa chọn cảm biến quay (encoder) 76 5.3 Thiết kế phần cứng mạch điện 78 5.3.1 Board TMS320C2000TM Experimenter Kit 78 5.3.2 Cấu trúc board mạch I2C 83 5.3.3 Khối giao tiếp với máy tính 84 5.3.4 Mạch cầu H (mạch công suất) 84 5.3.5 Nguồn cấp 86 5.4 Thiết kế chương trình điều khiển cho hệ pendubot 87 vii 5.4.1 Giới thiệu Matlab Simulink Target for TI C2000 library 87 5.4.2 Giới thiệu khối (module) giải thuật điều khiển hệ pendubot thực tế 89 5.4.2.1 Khối F28335 eZdsp 90 5.4.2.2 Khối truyền tín hiệu hiển thị lên máy tính (SCI transfer data to PC: SCI Transmit) 90 5.4.2.3 Khối đọc xung eQEP 91 5.4.2.4 Khối Digital Output 92 5.4.2.5 Khối ePWM 92 5.4.3 Các sơ đồ khối thiết kế chương trình điều khiển cho hệ pendubot 93 5.4.3.1 Sơ đồ khối xử lý vị trí góc link 93 5.4.3.2 Sơ đồ khối xử lý góc link 94 5.4.3.3 Sơ đồ khối điều khiển mờ lai cho link 96 5.4.3.4 Sơ đồ khối điều khiển mờ lai cho link 96 5.4.3.5 Sơ đồ khối điều khiển động hệ pendubot 96 5.4.3.6 Sơ đồ khối thu thập liệu (read) 100 5.5 Sơ đồ thiết kế điều khiển mờ lai hệ pendubot 101 5.6 Kết thực tế 101 Kết luận hướng phát triển đề tài 104 Đánh giá kết luận văn 104 Những kết đạt 104 Những kết chưa đạt 104 Hướng phát triển đề tài 105 TÀI LIỆU THAM KHẢO 106 viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Tên hình STT Hình Ứng dụng mơ hình pendubot Trang xvi Hình 1.1 Hệ thống Pendubot Hình 2.1 Cấu trúc điều khiển PID 13 Hình 2.2 Sơ đồ điều khiển hồi tiếp với điều khiển PID 13 Hình 2.3 Sơ đồ khối trình xử lý mờ 16 Hình 2.4 Cấu trúc điều khiển mờ 17 Hình 2.5 Nguyên lý điều khiển mờ 17 Hình 2.6 Bộ điều khiển mờ 17 Hình 2.7 Hệ thống điều khiển mờ 18 Hình 2.8 Hệ thống MIMO với nhiều thiết bị hợp thành 19 Hình 2.9 Hệ thống MIMO với nhiều thiết bị hợp thành nối song song 19 Hình 2.10 Cấu trúc hệ mờ lai khơng thích nghi có khâu tiền xử lý mờ 21 Hình 2.11 Hệ mờ lai với lọc mờ cho tín hiệu chủ đạo x 22 Hình 2.12 Đáp ứng hệ thống khơng có lọc mờ với tín hiệu 1(t) 23 Hình 2.13 Định nghĩa giá trị mờ cho biến ngơn ngữ E, DE ∆x 24 Hình 2.14 Đáp ứng hệ thống có lọc mờ cho tín hiệu chủ đạo 24 Hình 2.15 Cấu trúc hệ mờ lai cascade 25 Hình 2.16 Cơng tắc mờ 25 Hình 3.1 Hệ trục tọa độ Pendubot 28 93 Hình 5.26: Khối ePWM thông số cài đặt bên 5.4.3 Các sơ đồ khối thiết kế chương trình điều khiển cho hệ pendubot 5.4.3.1 Sơ đồ khối xử lý vị trí góc link Hình 5.27: Khối xử lý vị trí góc link (encoder read link 1) bên khối Khối đọc encoder link 1: bao gồm ngoại vi đọc encoder đọc vị trí xung xử lý tín hiệu góc link đo sau đưa qua xử lý từ xung thành giá trị góc radian Khối eQEP1 có tác dụng đọc encoder gắn trục động (tạo moment quay cho link 1) Do encoder đọc từ giá trị đến giá trị tràn ta đặt quay giá trị (khơng có giá trị