(Luận văn thạc sĩ hcmute) điều khiển hệ bóng trên thanh bằng giải thuật điều khiển thông minh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHAN THANH PHÚC ÐIỀU KHIỂN HỆ BÓNG TRÊN THANH BẰNG GIẢI THUẬT ÐIỀU KHIỂN THÔNG MINH NGÀNH: CƠ ÐIỆN TỬ - 8520114 S K C0 3 Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2018 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHAN THANH PHÚC ĐIỀU KHIỂN HỆ BÓNG TRÊN THANH BẰNG GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH NGÀNH: CƠ ĐIỆN TỬ - 8520114 Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2018 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHAN THANH PHÚC ĐIỀU KHIỂN HỆ BĨNG TRÊN THANH BẰNG GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN THƠNG MINH NGÀNH: CƠ ĐIỆN TỬ - 8520114 Hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN NGỌC PHƢƠNG Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2018 Luan van QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI Luan van LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: Phan Thanh Phúc Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 02/02/1987 Nơi sinh: Tỉnh Đồng Tháp Quê quán: Tỉnh Long An Dân tộc: Kinh Chỗ riêng địa liên lạc: 162/56 Đƣờng Số 10, Phƣờng 9, Quận Gò Vấp, TpHCM Điện thoại quan: Điện thoại nhà riêng: Fax Email:phanthanhphuc@gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Chính qui Thời gian đào tạo từ 09/2009 đến 07/ 2009 Nơi học (trƣờng, thành phố): Cao Đẳng Kỹ Thuật Cao Thắng, TPHCM Ngành học: Cơ Điện tử Đại học: Hệ đào tạo: Chính qui Thời gian đào tạo từ11/2011 đến 02/ 2015 Nơi học (trƣờng, thành phố): ĐH Công Nghiệp TPHCM Ngành học: Cơ Điện tử Tên đồ án tốt nghiệp: Thiết kế điều khiển máy phay CNC trục Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án thi tốt nghiệp: 2015 Ngƣời hƣớng dẫn: TS Đƣờng Công Truyền III Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 2009-2014 Công ty TNHH Nam Ngọc Linh Nhân viên 2014-2016 Công ty TNHH Cơ Điện APS Nhân viên i Luan van LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc công bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 26 tháng 03 năm 2018 (Ký tên ghi rõ họ tên) Phan Thanh Phúc ii Luan van LỜI CẢM ƠN Lời xin chân thành cám ơn thầy cô môn Cơ Điện Tử, thầy Nguyễn Văn Đông Hải phịng thí nghiệm mơn Tự Động Hóa Trƣờng Đại học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TPHCM nhiệt tình hỗ trợ giúp đỡ việc điều khiển mơ hình thực tế Đăc biệt thầy Nguyễn Ngọc Phƣơng ln đơn đốc tinh thần, đƣa điểm chính, vấn đề cần giải đề tài để tơi hồn thành đề tài Cám ơn bạn học viên khóa Cơ điện tử 15B đồng hành động viên giúp đỡ học tập để vƣợt qua khó khăn q trình học tập trƣờng Cuối cùng, xin chân thành cám ơn quan tâm hỗ trợ tạo điều kiện vật chất tinh thần gia đình suốt trình học tập Tp Hồ Chí Minh, ngày 26 tháng 03 năm 2018 Học viên Phan Thanh Phúc iii Luan van TĨM TẮT Điều khiển thơng minh phƣơng pháp điều khiển theo đặc điểm trí thông minh ngƣời, bao gồm khả học, khả xử lý thông tin không chắn khả tìm kiếm lời giải tối ƣu Ngày nay, lĩnh vực điều khiển thơng minh có xu hƣớng bao gồm tất vấn đề không thuộc phạm vi điều khiển thông thƣờng Tuy nhiên ranh giới điều khiển thông minh điều khiển thông thƣờng tƣơng đối thay đổi theo thời gian [14] Từ định nghĩa tác giả đề xuất giải thuật phi tuyến để áp dụng cho đề tài luận văn Hệ thống bóng trục lệch hệ thống phi tuyến không ổn đinh, đƣợc ứng dụng nhiều thí nghiệm trƣờng đại học, nhƣ thực tế Trong giới hạn luận văn tốt nghiệp “Điều khiển hệ bóng giải thuật điều khiển thơng minh” tác giả trình bày phƣơng pháp điều khiển trƣợt động để so sánh kết trƣợt tĩnh, trƣợt mờ phƣơng pháp xây dựng mô hình hóa sau mơ từ tiến hành xây dựng điều khiển mơ hình thực giải thuật điều khiển sau  Trƣợt tĩnh: [11] đáp ứng hệ thống tốt nhiên tồn tƣợng chatteting (dao động)  Trƣợt mờ:[13]xuất phát từ ý tƣởng [7] [9] thay hàm Sign bởiFuzzySugeno hàm Sat mặt trƣợt, nhiên việc thay hàm Sat tồn nhƣợc điểm độ trể đáp ứng hệ thống Do theo [7] [13] thay hàm Sign luật điều khiển Fuzzy-Sugeno với mục đích giảm tƣợng chattering Tuy nhiên phƣơng pháp điều khiển chƣa tốt  Trƣợt động: khắc phục hoàn toàn hai nhƣợc điểm tƣợng dao động đồng thời hệ thống đáp ứng tốt Việc điều khiển mơ hình thực tế cách sử dụng Matlab/Simulink thơng qua cơng cụ hỗ trợ lập trình nhúng Waijung 15.04 cho DSP STM32F4, Sau tiến hành thu thập liệu hiển thị lên máy tính thơng qua Terminal dể kiểm tra chất lƣợng kết điều khiển thực tế iv Luan van MỤC LỤC Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1.1.Đặt vấn đề: 1.1.1.Giới thiệu hệ bóng 1.1.2.Nguyên lý hoạt động: 1.2.Mục tiêu luận văn: 1.3.Phạm vi nghiên cứu: 1.4.Phƣơng pháp nghiên cứu: 1.5.Các cơng trình nghiên cứu: 1.5.1.Nghiên cứu nƣớc: 1.5.2.Nghiên cứu nƣớc: 1.6.Tầm quan trọng ý nghĩa thực tiễn hệ thống: 1.7.Cấu trúc luận văn: Chƣơng 2:MƠ HÌNH HÓA HỆ THỐNG 10 2.1.Giới thiệu mơ hình sử dụng đề tài 10 2.2.Mơ hình hóa học hệ thống 11 2.3.Nhận dạng động 15 Chƣơng 3: THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN 21 3.1.Giới thiệu số thuật toán áp dụng cho hệ bóng 21 3.1.1.Thuật toán điều khiển PID 21 3.1.2.Thuật toán điều khiển mờ 25 3.1.3.Bộ điều khiển mờ PD 27 3.2.Thuật toán điều khiển trƣợt 28 3.2.1.Giới thiệu lý thuyết điều khiển trƣợt 29 3.2.2.Điều khiển trƣợt tĩnh cho hệ bóng áp dụng đề tài 32 3.2.3.Điều khiển trƣợt động cho hệ bóng áp dụng đề tài 36 3.3.Mô 40 3.3.1.Thuật toán PD kết hợp 42 3.3.2.Thuật toán mờ PD 46 3.3.3.Trƣợt tĩnh 49 3.3.4.Trƣợt mờ 49 3.3.5.Trƣợt động 50 v Luan van Chƣơng 4: THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN MƠ HÌNH THỰC TẾ 64 4.1.Thiết kế khí 64 4.2.Mạch điều khiển 65 4.2.1.Mạch điều khiển 65 4.2.2.Mạch công suất 66 4.2.3.Cảm biến vị trí 68 4.3.Cơng cụ hỗ trợ lập trình điều khiển 69 4.4.Kết điều khiển 71 4.4.1.Điều khiển trƣợt tĩnh: 72 4.4.2.Điều khiển trƣợt mờ 76 4.4.3.Điều khiển trƣợt động 78 Chƣơng 5: KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ 88 5.1.Kết đạt đƣợc 88 5.2.Hạn chế khắc phục 88 5.3.Hƣớng phát triển 88 Phụ Lục 91 vi Luan van Do các khối ở đây điều tương tự cấu trúc điều khiển trượt tĩnh, chỉ  khác làm hàm Sign trong mặt trượt được thay thế bằng luật mờ.    Hình 4.15 Cấu trúc bên trong khối mặt trượt  4.4.3 Điều khiển trượt động: Cấu trúc điều khiển mơ hình bằng giải thuật trượt động theo cơng thức (3.31)            42 Luan van   Hình 4.16 Cấu trúc điều khiển mơ hình bằng giải thuật trượt động  43 Luan van   Hình 4.17 Bên trong khối ball and beam  Tương tự như khối điều khiển trượt động nhưng có thêm 1 khối đạo  hàm cho góc của thanh nằm ngang    Hình 4.18 Bên trong khối u_control theo (3.31)  44 Luan van   Hình 4.19 Bên trong khối Sliding Surface  Kết quả điều khiển thực tế của cả 3 thuật tốn trượt tĩnh, trượt mờ, trượt  động. Với thời gian lấy mẫu là t = 140s. Thơng số bộ điều khiển được chọn  như sau:  gamma1=14; gamma2=-6.85; gamma3=-13.42; gamma_hoa_3=3: lamda1=72; lamda2=1342; lamda3=-162.5; lamda4=-542.5; gamma_hoa_4=12; Với điều kiện ban đầu:  alpha_init=-0.0927; alpha_dot_init=0; r_init=0.1; r_dot_init=0; Vị trí mong muốn: r_set = 0.3   45 Luan van Position of ball(cm)   Angle of the beam(Degree) Hình 4.20 Vị trí của viên bi, r_set = 0.    u control (Voltage) Hình 4.21 Góc của thanh nằm ngang, r_set = 0.3    Hình 4.22 Điện áp điều khiển, r_set = 0.3  46 Luan van Với điều kiện ban đầu: Position of the ball (m) alpha_init=-0.0927; alpha_dot_init=0; r_init=0.2; r_dot_init=0; Vị trí mong muốn: r_set = 0.4   Angle of the beam (Degree) Hình 4.23 Vị trí của viên bi, r_set = 0.4  Hình 4.24 Vị trí của thanh nằm ngang, r_set = 0.4  47 Luan van   u control (Voltage)   Hình 4.25 Điện áp điều khiển, r_set = 0.4  Với điều kiện ban đầu: alpha_init=-0.0927; alpha_dot_init=0;r_init=0.2; r_dot_init=0; Vị trí mong muốn: r_set = 0.3   Hình 4.26 Vị trí của viên bi, r_set = 0.3  48 Luan van   Hình 4.27 Vị trí của thanh nằm ngang, r_set = 0.3      Hình 4.28 Điện áp điều khiển, r_set = 0.3  Với điều kiện ban đầu: alpha_init=-0.0927; alpha_dot_init=0; r_init=0.2; r_dot_init=0; Vị trí mong muốn: r_set = 0.4 49 Luan van Position of the ball (m)   Angle of the beam (Degree) Hình 4.29 Vị trí của viên bi, r_set = 0.4    Hình 4.30 Vị trí của thanh nằm ngang, r_set = 0.    50 Luan van Hình 4.21 Điện áp điều khiển, r_set = 0.4  Nhận xét: Với kết quả thu thập dữ liệu từ q trình điều khiển có vài nhận xét  như sau:   Cả ba bộ điều khiển điều đáp ứng được quanh vị trí đặt, tuy nhiên với bộ  điều khiển trượt tĩnh thì có sự dao động rất lớn.   Bộ điều khiển trượt mờ đáp ứng vị trí chưa chính xác mặc dù khắc phục  được hiện tượng chattering.   Bộ điều khiển trượt động là đáp ứng tốt nhất cả về vị trí mặc dù có vọt  lố, hiện tượng chattering được khắc phục khá tốt.   Khi vị trí viên bi ổn định thì góc lệch của thanh nằm ngang thì bộ điều  khiển trượt mờ có sai số nhỏ nhất.  Bảng 4.1 So sánh kết thực tế Bộ điều Đáp ứng Vọt lố khiển Thời gian Chattering xác lập Trượt tĩnh Chậm  Nhiều  Chậm  Nhiều  Trượt mờ Rất chậm  Ít  Rất chậm  Ít  Trượt động Nhanh  Rất ít  Nhanh  Ít  51 Luan van Chương KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ 5.1 Kết đạt được: Thơng qua các nội dung trình bày ở luận văn của mình học viên  nhận thấy các kết quả làm được như sau:   Mơ hình hóa được hệ thống thơng qua các phương trình tốn  học.   Xây dựng được mơ hình thực tế.   Xây dựng được các giải thuật điều khiển trượt tĩnh, trượt động,  trượt mờ.   Tiến hành mơ phỏng được các giải thuật trên.   Ứng dụng các giải thuật trên để điều khiển điều khiển mơ hình  thực tế.  5.2 Hạn chế khắc phục Kết quả của điều khiển thực tế khác xa với kết quả mơ phỏng với  nhiều ngun nhân:    Calib ban đầu chưa chính xác dẫn đến sai số và kết quả điều  khiển chưa tốt việc này có thể khắc phục bằng cách xây dựng  mơ hình chính xác hơn, ma sát giữa thanh và viên bi cịn lớn do  tiếp xúc giữa dây điện trở với viên bi, có thể khắc phục bằng  cách xây dựng mơ hình chính xác hơn.  52 Luan van  Nhiễu tín hiệu ADC, có thể khắc phục dùng bộ lọc tín hiệu,  dùng bộ lọc tốt hơn để khử ADC hoặc dùng camera để thu thập  được vị trí của viên bi.   Chưa thu thập dữ liệu trực tiếp để hiển thị kết quả thời gian thực  (real time) mà phải thơng qua Terminal.  5.3 Hướng phát triển  Do đây là hệ điều khiển phi tuyến vì vậy để điều khiển nó cần  phải áp dụng các giải thuật phi tuyến để điều khiển. Tuy nhiên  các thuật tốn điều khiển cần phải biết phương trình hệ thống,  điều này càng gây khó khăn nếu hệ thống phức tạp hơn. Từ đó  đề suất sử dụng giải thuật Fuzzy – Neuron Network.   Điều khiển hệ bóng trên mặt phẳng (ball and plate), bóng trên  bánh xe (ball on wheel)…  53 Luan van TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Naif B. Almutari-Mohamed Zribi, On the sliding mode control of a  Ball on Beam system, Springer Science+Busuness Media B.V2009.  [2]  Yeong-Hwa  Chang,  Wei-Shou  Chan,  Chia-Wen  Chang,  and  C.  W.  Tao,  Adaptive  Fuzzy  Dynamic  Surface  Control  for  Ball  and  Beam  System, International Journal of Fuzzy Systems, Vol 13, No 1, March 2011 [3] Wei Wang, Submitted for the degree of Advanced Master on the 5 rd  June  2007,  School of Mechanical Engineering the University of Adelaide.  [4] The module rotary control lab from Quanser.  [5]  Mohammad  Keshmiri,  Ali  Fellah  Jahromi,  Abolfazl  Mohebbi,  Mohammad Hadi Amoozgar and Wen-Fang Xie, Modeling and Control  of ball and beam system using model based and non-model based control  approaches,  International Journal on Smart Sensing and Intelligent, vol.5, No 1, March 2012 [6] Abdul Manan Khan, Amir Iqbal Bhatti , Sami-ud-Din, Qudrat Khan  Static  &  Dynamic  Sliding  Mode  Control  of  Ball  and  Beam  System,  Proceedings of 2012 9th International Bhurban Conference on Applied Sciences & Technology (IBCAST) [7] I. Lagrat, H. Quakka, I Boumhidi, Fuzzy Sliding Mode PI Controller  for  Nonlinear  Systems, Proceeding of the 6th WSEAS Internatinal Conference on Simulation, Modelling  and  Optimization,  Lisbon,  Portugal, September 22-24, 2006 [8]  Samer  S.  Saab,  Raed  Abi  Kaed-Bey,  Parameter Identification of a DC Motor, IEEE.  54 Luan van [9] Dương Hoài Nghĩa, Điều khiển hệ thống đa biến, Nxb Đại học quốc  gia TPHCM, 2011.  [10] Nguyễn Thị Phương Hà, Huỳnh Thái Hoàng, Lý Thuyết Điều Khiển Tự Động, Nxb Đại học quốc gia TPHCM, 2005.  [11]  Nguyen  Minh  Tam,  Nguyen  Van  Dong  Hai,  Dao  Minh  Tien,  Vu  Dinh Dat, Ho Trong Nguyen, Nguyen Thi Oanh, Method of sliding mode control for ball-beam systems,  Journal  of  Technical  Education  Science  No 39, 12-2016.  [12] Nguyễn Văn Đông Hải, Luận văn thạc sĩ, Xây dựng điều khiển nhúng tuyến tính hóa vào cho hệ xe lắc ngược,  Đại  học  Bách  Khoa TPHCM, 2011 [13] Võ Văn Châu, Luận văn thạc sĩ, Thiết kế điều khiển mờ-trượtPD ổn định vị trí bi sắt cân bằng, Đại  học GTVT TPHCM,  2014.  [14] Huỳnh Thái Hồng, Hệ thống điều khiển thơng minh, Nxb Đại học  quốc gia TPHCM, 2014.  Các sách tham khảo khơng trích dẫn  [15]  Nguyễn  Đức  Thành,  Matlab ứng dụng điều khiển,  Nxb  Đại học quốc gia TPHCM, 2004.  [16] Nguyễn Thị Phương Hà, Lý thuyết điều khiển đại, Nxb Đại học  quốc gia TPHCM, 2016.    55 Luan van S K L 0 Luan van