Hcmute điều khiển trượt cho hệ bóng và thanh trục lệch

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT CHO HỆ BÓNG VÀ THANH TRỤC LỆCH MÃ SỐ: T2017-69TĐ SKC 0 5 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2017 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT CHO HỆ BÓNG VÀ THANH TRỤC LỆCH Mã số: T2017-69TĐ Chủ nhiệm đề tài: TS Nguyễn Minh Tâm TP HCM, 10/2017 Luan van TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐƠN VỊ BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT CHO HỆ BÓNG VÀ THANH TRỤC LỆCH Mã số: T2017-69TĐ Chủ nhiệm đề tài: TS Nguyễn Minh Tâm Thành viên đề tài: ThS Lê Thị Thanh Hoàng ThS Hoàng Ngọc Văn TP HCM, 10/2017 Luan van Luan van MỤC LỤC MỤC LỤC………………………………………………………………… DANH SÁCH CÁC HÌNH…………………………………………………2 DANH SÁCH CÁC BẢNG……………………………………………… MỞ ĐẦU …………………………………………………………………………5 CHƯƠNG 1: XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN HỌC HỆ BÓNG THANH… CHƯƠNG 2: ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT VÀ LOGIC MỜ………………………14 Điều khiển trượt…………………………………………………… 14 Điều khiển mờ……………………………………………………….17 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG MỜ TRƯỢT CHO HỆ BÓNG VÀ THANH……………………………………………………………… 22 Bộ điều khiển mờ…………………………………………………….22 Bộ điều khiển trượt cho hệ bóng thanh………………………………24 Xây dựng điều khiển mờ trượt cho hệ bóng thanh……………… 25 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG………………………………… 27 Xây dựng đối tượng mô phỏng………………………………….27 Điều khiển trượt………………………………………………………27 CHƯƠNG 5: ĐIỀU KHIỂN TRÊN MƠ HÌNH THỰC TẾ…………….33 Giới thiệu mơ hình thực tế……………………………………………33 Cảm biến…………………………………………………………… 35 Động cơ………………………………………………………………38 Mạch điện…………………………………………………………….38 Phần mềm lập trình………………………………………………… 41 Chương trình điều khiển…………………………………………… 43 Kết thực tế dùng SMC……………………………………….44 Kết thực tế dùng mờ trượt……………………………………47 Kết luận……………………………………………………………….50 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN……………… 52 Kết luận……………………………………………………………….52 Hướng phát triển…………………………………………………… 52 Luan van DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 1.1: Mơ hình tốn học hệ thống bóng Hình 1.2: Trục tọa độ lực thành phần hệ thống bóng Hình 1.3: Mối quan hệ vị trí động góc beam 12 Hình 2.1: Hình chiếu quỹ đạo pha 16 Hình 2.2: Hiện tượng chattering 17 Hình 2.3: Miền xác định, miền tin cậy tập mờ 18 Hình 2.4: Miền xác định theo phương pháp cực đại 20 Hình 2.5: Miền xác định theo phương pháp trọng tâm 21 Hình 3.1: Cấu trúc điều khiển mờ 22 Hình 3.2: Cấu trúc luật điều khiển mờ 23 Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý điều khiển mờ 23 Hình 3.4: Hàm thuộc với tập mờ 26 Hình 4.1: Bên sơ đồ khối mơ tả phương trình tốn học hệ thống bóng 27 Hình 4.2: Chương trình mơ điều khiển trượt 28 Hình 4.3: Vị trí viên bi (e1: SMC, e4: điều khiển mờ trượt) 29 Hình 4.4: Điện áp cấp cho động (e2: SMC, e5: điều khiển mờ trượt) 29 Hình 4.5: Góc lệch beam (e: SMC, e3: điều khiển mờ trượt) 29 Hình 4.6: Vị trí viên bi (e1: SMC, e4: điều khiển mờ trượt) 30 Hình 4.7: Điện áp cấp cho động (e2: SMC, e5: điều khiển mờ trượt) 30 Hình 4.8: Góc lệch beam (e: SMC, e3: điều khiển mờ trượt) 30 Hình 4.9: Vị trí viên bi (e1: SMC, e4: điều khiển mờ trượt) 31 Hình 4.10: Điện áp cấp cho động (e2: SMC, e5: điều khiển mờ trượt) 31 Hình 4.11: Góc lệch beam (e: SMC, e3: điều khiển mờ trượt) 31 Hình 5.1: Sơ đồ khối hệ thống Ball and Beam 33 Hình 5.2: Mơ hình bóng nhìn ngang 33 Hình 5.3: Mơ hình nhìn từ xuống 34 Hình 5.4: Cảm biến Encoder 36 Hình 5.5: Nguyên lý hoạt động đọc nhân 36 Luan van Hình 5.6: Mơ hình điện trở dây quấn 37 Hình 5.7: Động 38 Hình 5.8: DSP TMS320F28335 38 Hình 5.9: Sơ đồ nguyên lý mạch cầu H 39 Hình 5.10: Mạch cầu H thực tế 40 Hình 5.11: Nguồn DC 24V – 5A 40 Hình 5.12: Thư viện Target Support Package cho DSP F28335 41 Hình 5.13: Hình ảnh chương trình nạp thực tế cho DSP 43 Hình 5.14: Sơ đồ khối bên điều khiển trượt 43 Hình 5.15: Sơ đồ khối bên điều khiển mờ trượt 44 Hình 5.16: Vị trí bi đặt 10cm 44 Hình 5.17: Góc lệch beam đặt 10cm 44 Hình 5.18: Điện áp cấp cho động (V) đặt 10cm 45 Hình 5.19: Vị trí bi đặt 20cm 45 Hình 5.20: Góc lệch beam (độ) đặt 20cm 45 Hình 5.21: Điện áp cấp cho động (V) đặt 20cm 46 Hình 5.22: Vị trí bi đặt 30cm 46 Hình 5.23: Góc lệch beam (độ) đặt 30cm 46 Hình 5.24: Điện áp cấp cho động (V) đặt 30cm 47 Hình 5.25: Vị trí bi đặt 10cm 47 Hình 5.26: Góc lệch beam đặt 10cm 48 Hình 5.27: Điện áp cấp cho động (V) đặt 10cm 48 Hình 5.28: Vị trí bi đặt 20cm 48 Hình 5.29: Góc lệch beam (độ) đặt 20cm 49 Hình 5.30: Điện áp cấp cho động (V) đặt 20cm 49 Hình 5.31: Vị trí bi đặt 30cm 49 Hình 5.32: Góc lệch beam (độ) đặt 30cm 50 Hình 5.33: Điện áp cấp cho động (V) đặt 30cm 50 Luan van DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 5.1: Thơng số mơ hình hệ thống bóng 35 Bảng 5.2: Các khối chức sử dụng chương trình 42 DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT Thuật ngữ Từ viết Ý nghĩa tắt Ball and Beam Hệ bóng Digital Signal Processing DSP Xử lý tín hiệu số Genetic Althorithm GA Giải thuật di truyền LQR Bộ điều chỉnh tồn phương tuyến tính Linear Quadratic Regulator Multi input – multi output MIMO Hệ nhiều ngõ vào – nhiều ngõ Proportional Intergral Derivative Pulse Width Modulation PID Vi tích phân tỉ lệ PWM Điều chế độ rộng xung SISO Hệ ngõ vào – ngõ Fuzzy logic control FLC Điều khiển mờ Sliding-mode controller SMC Điều khiển trượt Single input – single output Luan van MỞ ĐẦU Hệ thống bóng hệ thống sử dụng nhiều phịng thí nghiệm, sử dụng để kiểm chứng tính xác thực giải thuật tuyến tính lẫn phi tuyến, cổ điển đại Hệ thống bao gồm động DC, bóng máng trượt, dây điện trở, encoder gắn đồng trục với động Hệ thống bóng trục lệch địi hỏi thách thức điều khiển so với Ball and Beam trục thân hệ thống khơng ổn định vị trí mà phải tính tốn trước lực để ổn định ban đầu cho hệ thống Hơn banh có xu hướng lăn tự nên việc cho banh cân khó banh có xu hướng lệch khỏi vị trí cân cao Nếu cảm biến vị trí dây điện trở khơng xác làm cho viên bi định vị khơng vị trí dẫn đến sai số lớn cân Trong đề tài thiết kế cấu trúc điều khiển trượt điều khiển mờ trượt Sau áp dụng cấu trúc điều khiển khiển trượt điều khiển mờ trượt mơ hình bóng thực tế Tình hình nghiên cứu nước: - Luận văn ball and beam điều khiển LQR Bốc Minh Hùng, luận văn thạc sĩ đại học Bách khoa năm 2011 Luận văn xây dựng mơ hình thực tế có thơng số với việc chọn lựa ma trận Q, R mang tính thử sai - Bài báo “ Điều khiển PID Nơron thích nghi dựa nhận dạng mạng Nơron mờ hồi qui áp dụng cho hệ bóng” thực thành công mô chưa thử nghiệm thực tế Tình hình nghiên cứu ngồi nước: - Hệ thống “Quả bóng cân đỡ”do Arroyo xây dựng năm 2005 sử dụng luật điều khiển PD Hệ thống sử dụng cảm biến điện trở dây để xác định vị trí bóng Tín hiệu từ cảm biến xử lý DSP xuất tín hiệu điều khiển động chiều với hộp giảm tốc - Ball and beam sử dụng MC9S12C32 Microcontroller - Hệ Ball and Beam sử dụng giải thuật mờ Luan van Tính cấp thiết: Bài tốn giữ cân cho hệ thống toán kinh điển lý thuyết điều khiển tự động Một số hệ thống ứng dụng để kiểm tra giải thuật cân cho hệ thống điều khiển tự động hệ lắc ngược quay (rotary inverted pendulum), hệ xe lắc ngược (cart and pole), hệ bóng (ball and beam) v.v Đối với hệ thống SISO hệ MIMO biến ngõ trực tiếp điều khiển tín hiệu điều khiển ngõ vào tốn cân tính tốn thông qua điều khiển mờ trượt Việc chọn cấu trúc điều khiển thơng số điều khiển khó khăn chọn thông số điều khiển phù hợp cho ngõ lại ảnh hưởng đến ngõ Hệ thống bóng (ball and beam) hệ thống SIMO thỏa điều kiện cho trọng tâm nghiên cứu nêu Mặt khác, mơ hình khí đơn giản, hồn tồn chế tạo ứng dụng cho phịng thí nghiệm việc thử nghiệm giải thuật điều khiển Do đề tài “ĐIỀU KHIỂN MỜ TRƯỢT CHO HỆ BÓNG THANH” nhằm nghiên cứu kỹ lý thuyết mờ trượt, ứng dụng mờ trượt điều khiển hệ có độ ổn định cao Mục tiêu đề tài: - Mục tiêu đề tài thiết kế điều khiển mờ trượt cho hệ thống bóng - Tiến hành mô điều khiển mờ trượt cho hệ bóng chương trình Matlab/Simulink - Áp dụng điều khiển mờ trượt cho hệ thống bóng mơ hình bóng thực tế Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu: - Phương pháp khảo sát tài liệu, tìm hiểu tài liệu liên quan đến đề tài điều khiển kinh điển, điều khiển thông minh - Phương pháp khảo sát điều khiển mờ trượt mơ hình bóng thực tế, điều khiển mờ trượt có khả tự chỉnh định mơ hình ball and beam trục lệch thường sử dụng phịng thí nghiệm Luan van Nguồn 24V cung cấp cho mạch cầu H để cấp cho động Beam quay Thông số kỹ thuật:  Áp vào 180-230V, áp 24V-5ª 5.5 Phần mềm lập trình Hình 5.12: Thư viện Target Support Package cho DSP F28335 41 Luan van Quá trình điều khiển cầu trục thực vi điều khiển DSP TMS320F28335 với hỗ trợ thư viện Target Support Package Matlab –hỗ trợ cho vi điều khiển họ TI C2000 Bộ điều khiển thiết kế Simulink miền rời rạc, sau ứng dụng Embedded IDE Link biên dịch sang mã ngôn ngữ C tương thích với thư viện hỗ trợ Code Composer, sau tiếp tục Code Composer biên dịch thành mã máy nhúng vào DSP TMS320F28335 Biểu tượng Chức Xuất tín hiệu digital Xuất tín hiệu truyền thơng UART: gửi giá trị máy tính để theo dõi, giám sát Điều chế độ rộng xung, đảo chiều động Đọc encoder Đọc giá trị điện trở Bảng 5.2: Các khối chức sử dụng chương trình Matlab sử dụng Version 2012b Chương trình viết hồn tồn Simulink/ Matlab Sau đó, ta tiến hành tạo Project tương ứng CCS thông qua thao tác Build all chương trình Simulink Khi Project tạo thành cơng CCS ta tiếp tục Build project CCS để tạo file out tương ứng nạp vào chip TMS320F28335 (tương tự file hex nạp cho chip 89c51) 42 Luan van Các khối chức sử dụng chương trình 5.6 Chương trình lập trình Chương trình thực tế để nạp cho DSP có dạng sau: Hình 5.13: Hình ảnh chương trình nạp thực tế cho DSP Hình 5.14: Sơ đồ khối bên điều khiển trượt 43 Luan van Hình 5.15: Sơ đồ khối bên điều khiển mờ trượt 5.7 Kết thực tế dùng trượt SMC  Với tín hiệu đặt 10cm Lúc đáp ứng ngõ là: 50 30 20 10 0 20 40 60 80 Time (s) 100 120 140 160 Hình 5.16: Vị trí bi đặt 10cm 60 Beam angle (degree) Ball position (cm) 40 50 40 30 20 10 0 20 40 60 80 100 120 140 Time (s) Hình 5.17: Góc lệch beam đặt 10cm 44 Luan van 160 180 25 Voltage (V) 20 15 10 0 20 40 60 80 100 120 Time (s) Hình 5.18: Điện áp cấp cho động (V) đặt 10cm  Với vị trí đặt viên bi 20 cm 25 Ball position (cm) 20 15 10 0 50 100 150 Time (s) Hình 5.19: Vị trí bi đặt 20cm 60 Beam angle (degree) 50 40 30 20 10 50 100 Time (s) Hình 5.20: Góc lệch beam (độ) đặt 20cm 45 Luan van 150 14 12 Voltage (V) 10 -2 20 40 60 80 100 120 140 Time (s) Hình 5.21: Điện áp cấp cho động (V) đặt 20cm  Giá trị đặt 30cm 50 Ball position (cm) 40 30 20 10 0 50 100 150 Time (s) Hình 5.22: Vị trí bi đặt 30cm 60 Beam angle (degree) 50 40 30 20 10 50 100 150 200 Time (s) Hình 5.23: Góc lệch beam (độ) đặt 30cm 46 Luan van 250 25 20 Voltage (V) 15 10 0 20 40 60 80 Time (s) 100 120 140 160 Hình 5.24: Điện áp cấp cho động (V) đặt 30cm Nhận xét: Sau khoảng thời gian dài 100s góc lệch beam, vị trí hịn bi điện áp cấp cho động đạt đến giá trị đặt ổn định Do q trình hoạt động, bị rung nên hịn bi khơng ln ln nằm tì lên beam, dẫn tới gai nhiễu chưa đạt vị trí cân 5.8 Kết thực tế dùng điều khiển mờ trượt  Với tín hiệu đặt 10cm Lúc đáp ứng ngõ là: 20 Ball position (cm) 15 10 0 10 15 20 25 30 Time (s) 35 Hình 5.25: Vị trí bi đặt 10cm 47 Luan van 40 45 50 Beam angle (degree) 60 50 40 30 20 10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Time (s) Hình 5.26: Góc lệch beam đặt 10cm 16 14 Voltage (V) 12 10 -2 10 20 30 40 Time (s) 50 60 70 80 Hình 5.27: Điện áp cấp cho động (V) đặt 10cm  Với vị trí đặt viên bi 20 cm 30 Ball position (cm) 25 20 15 10 0 10 20 30 40 50 Time (s) Hình 5.28: Vị trí bi đặt 20cm 48 Luan van 60 70 50 Beam angle (degree) 40 30 20 10 0 10 20 30 40 Time (s) 50 60 70 80 Hình 5.29: Góc lệch beam (độ) đặt 20cm 15 Voltage (V) 10 -5 10 20 30 40 50 60 70 Time (s) Hình 5.30: Điện áp cấp cho động (V) đặt 20cm  Giá trị đặt 30cm 10 40 Ball position (cm) 35 30 25 20 15 10 20 30 40 50 Time (s) 60 Hình 5.31: Vị trí bi đặt 30cm 49 Luan van 70 80 90 60 Beam angle (degree) 50 40 30 20 10 0 10 20 30 40 50 Time (s) 60 70 80 90 100 Hình 5.32: Góc lệch beam (độ) đặt 30cm 14 12 10 Voltage (V) -2 10 20 30 40 50 Time (s) 60 70 80 90 100 Hình 5.33: Điện áp cấp cho động (V) đặt 30cm Nhận xét: Sau khoảng thời gian dài khoảng 100s góc lệch beam, vị trí hịn bi điện áp cấp cho động đạt đến giá trị đặt ổn định Do q trình hoạt động, bị rung nên hịn bi khơng ln ln nằm tì lên beam, dẫn tới gai nhiễu chưa đạt vị trí cân 5.9 Kết luận Từ kết điều khiển thực tế, hệ thống ball and beam học viên thực sử dụng điều khiển mờ trượt có đáp ứng dần tới độ ổn định nhanh so với SMC 50 Luan van Tuy nhiên, Kết thực nghiệm bị gai nhiễu so với kết mô trình hoạt động, bị rung nên hịn bi khơng ln ln nằm tì lên beam, dẫn tới gai nhiễu chưa đạt vị trí cân bằng, thành cơng bước đầu tảng cho bước cải tiến để cân tốt 51 Luan van Chương 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 Kết luận  Khi áp dụng cho hệ SIMO, cấu trúc điều khiển mờ trượt tốt  Giải pháp sử dụng chip DSP TMS320F28335 giải pháp tốt để áp dụng giải thuật điều khiển cho hệ thống thực Đó sử dụng DSP, hỗ trợ mạnh Matlab/Simulink giải thuật điều khiển sử dụng lập trình nhúng Người lập trình khơng thiết phải chun gia lập trình thực thành cơng điều khiển nhúng cho mơ hình Mặt khác, chương trình điều khiển dễ hiểu, hồn tồn kế thừa chuyển giao 6.2 Hướng phát triển Đề tài cân hệ bóng cịn nhiều hướng mở rộng như:  Xây dựng thuật tốn thích nghi với tải trọng bi khác  Thay cảm biến dây điện trở cảm biến siêu âm để thơng số cảm biến báo xác  Ứng dụng thêm điều khiển phi tuyến (backstepping, tuyến tính hóa vào/ra, trượt), thơng minh để tối ưu tín hiệu điều khiển  Ứng dụng them giải thuật di truyền để chọn lựa thông số gama1, gama2, gama3, gama_hoa cho phù hợp 52 Luan van TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu nước Bốc Minh Hùng, Điều khiển nhúng cho hệ bóng trục lệch, luận văn [1] cao học Đại học Bách Khoa TPHCM, 2013 [2] Dương Huỳnh Bảo, Điều khiển LQR cho hệ bóng thanh, luận văn cao học Đại học Bách Khoa TPHCM, 2011 [3] Huỳnh Thái Hồng, Hệ thống điều khiển thơng minh, NXB Đại học Quốc Gia TPHCM, 2009 [4] Dương Hoài Nghĩa, Hệ thống điều khiển đa biến, NXB Đại học Quốc Gia TPHCM, 2007 [5] Nguyễn Thị Phương Hà, Hệ thống điều khiển nâng cao, NXB Đại học Quốc Gia TPHCM, 2012 [6] Phan Xuân Minh, Nguyễn Doãn Phước , Lý thuyết điều khiển mờ, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội 2002 [7] Nguyễn Trọng Thuần, Điều khiển Logic ứng dụng, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội 2000 Tài liệu nước Naif B Almutairi, Mohamed Zribi: “On the Sliding Mode Control of a Ball on [8] a Beam System”, P O Box 5969, safat 13060, KUWAIT Naif B Almutairi · Mohamed Zribi: “On the sliding mode control of a Ball on [9] a Beam system”, Received: April 2008 / Accepted: 17 May 2009 / Published online: June 2009 [10] Li-Xin Wang: “A Course In Fuzzy Systems And Control”, Prentice, Hall International, Editions, Inc, 1997 [11] John Yen and Reza Langari: “Fuzzy logic: Intelligence information”, Prentice Hall Edition, Inc, 1999 53 Luan van 54 Luan van Luan van