(Luận văn thạc sĩ hcmute) xây dựng mô hình và mô phỏng hệ ball plate bằng phương pháp backstepping

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÝ HỒNG PHÚC XÂY DỰNG MƠ HÌNH VÀ MÔ PHỎNG HỆ BALL-PLATE BẰNG PHƯƠNG PHÁP BACKSTEPPING NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 605270 S K C0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2014 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ƢỜ Ọ ƢP P Ố Ồ Í Ă Ý Ự : KỸ P Ệ Ĩ P Ô P ƢƠ KỸ ÔP Ỏ Ệ P PP NG K Ử MÃ NGÀNH: 605270 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2014 Luan van - PLATE BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ƢỜ Ọ ƢP P Ố Ồ KỸ Í Ă Ĩ HỒ G H C Ự Ơ ÔP Ỏ P ƢƠ P : KỸ Ệ P Ệ K PP Ử : 527 Hướng dẫn khoa học: TS GUYỄ THA H HƯƠ G Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2014 Luan van - PLATE I Luan van Ý K Ý Ọ Ơ ƢỢ : Họ & tên: Ho ng h c Giới tính: am g y, tháng, năm sinh: 15/5/1981 i sinh: Cái B – Ti n Giang uê quán: Cái B – Ti n Giang Dân tộc: Kinh Chức vụ, đ n vị công tác trước học tập, nghiên cứu: Giảng viên, Trường Cao Đẳng gh Ti n Giang, Ti n Giang Ch riêng ho c địa ch iên c: Trường CD gh Ti n Giang – T nh Ti n Giang Điện tho i c quan: Điện tho i nh riêng: Fax: E-mail: phucdt81@yahoo.com : rung học chuyên nghiệp: Hệ đ o t o: Thời gian đ o t o từ ……/…… đến ……/ …… i học (trường, th nh phố): g nh học: ại học: Hệ đ o t o: Chính quy Thời gian đ o t o từ 1998 đến 2003 i học (trường, th nh phố): ĐH Công ghệ T HCM - HUTECH g nh học: K thuật điện t Tên đồ án, uận án ho c môn thi tốt nghiệp: T ĐỘ G BÁO CHÁY UA HỆ TH G ĐIỆ THOẠI g y & n i ảo vệ đồ án, uận án ho c thi tốt nghiệp: Đ i Học HUTECH Tp HCM gười hướng dẫn: hạc sĩ: Hệ đ o t o: Chính quy; Thời gian đ o t o từ 08/2012 đến 08/2014 i học (trường, th nh phố): Đ i học Sư ph m K thuật Tp.HCM g nh học: K thuật điện t Tên uận văn: Xây d ng mô h nh v mô ph ng hệ Ba – ate d ng phư ng pháp backstepping g y & n i ảo vệ uận văn: Tháng 10 năm 2014 t i Đ i học Sư ph m K thuật Tp.HCM gười hướng dẫn: TS guyễn Thanh hư ng rình độ ngoại ngữ : Tiếng Anh-mức độ:B1 ọc vị, học hàm, chức vụ kỹ thuật đƣợc thức cấp; số bằng, ngày & nơi cấp: Bằng K sư điện t , cấp t i Trường Đ i Học Công ghệ (HUTECH) Tp HCM Ô Ê Ô K ỪK Ố ỆP Ọ : Thời gian i công tác Công việc đảm nhiệm Khu công nghiệp Biên H a – 2003-2007 hân viên ph ng K thuật Đồng Giáo viên c a khoa Điện – Điện 2007 đến Trường CD gh Ti n Giang – TG t II Luan van Ờ Tôi cam đoan công tr nh nghiên cứu c a Các số iệu, kết nêu uận văn trung th c v chưa công ố ất kỳ công tr nh n o khác Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng 10 năm 2014 III Luan van Ờ ác giả xin gửi lời tri ân chân thành đến: - Ban Giám Hiệu, Khoa Điện – Điện t , h ng an iên quan thuộc Trường Đ i học Sư ph m K thuật Th nh phố Hồ Chí Minh t o u kiện học tập v nghiên cứu tốt cho to n thể Học viên - To n thể Cán ộ giảng d y truy n đ t kiến thức trang ị cho Học viên nhi u k m việc qu giá - Ban Giám Hiệu, Khoa Điện-Điện t Trường Cao Đẳng gh Ti n Giang t o u kiện tốt gi p ản thân ho n th nh khóa học - Tiến sĩ Đ i học Công guyễn hanh Phƣơng –Trưởng khoa C - Điện - Điện t Trường ghệ - HUTECH Th nh phố Hồ Chí Minh tận tâm tr nh truy n đ t hướng dẫn sâu rộng nhiệt t nh, đầy trách nhiệm suốt thời gian th c thi uận văn tốt nghiệp - Tất người thân yêu Gia đ nh, c ng thân hữu gần xa động viên tinh thần, gi p đỡ v m t suốt hai năm học tập v nghiên cứu - Tất n Học viên c ng khóa có nhi u kiến đóng góp đ ng c, kịp thời gi p uận văn ho n th nh Trân trọng Th nh phố Hồ Chí Minh, tháng 10/2014 Học viên Ho ng h c IV Luan van Ó Ă uận văn nghiên cứu việc mơ h nh hóa v mơ ph ng hệ thống động c phi tuyến óng dĩa ằng ngôn ngữ Mat a Bộ u khiển chiếu s dụng u khiển cấu tr c v ng p phản hồi với mục đích kiểm sốt tính phi tuyến c a hệ thống óng dĩa Kiểm chứng việc thiết kế thuật toán u khiển Backstepping giống mô h nh phi tuyến c a hệ thống th c với khối chức c a môi trường Simu ink Tr nh t ước thiết kế c a ộ u khiển Backstepping tr nh y c ng với mơ ph ng c a Kết mơ ph ng thu c a ộ u khiển Backstepping cho thấy hệ thống óng dĩa cân ằng đ ng thuyết uận văn ao gồm th nghiệm, thiết kế thuật toán u khiển ID hệ thống óng v dĩa th c tế S dụng card DS TMS320C28335 để giao tiếp với máy tính ằng chức thời gian th c Một hệ thống óng dĩa ao gồm cảm ứng điện trở có nhiệm vụ g i tọa độ c a óng v ộ u khiển trung tâm xung WM từ card DS card DS để x , hai động c DC nhận tín hiệu để u khiển góc nghiêng c a m t phẳng để kiểm soát qu đ o c a óng theo muốn Tác giả Ho ng h c V Luan van ABSTRACT  The thesis studied on modelling and control of nonlinear dynamical system Ball & Plate in language Matlab/Simulink Backstepping controller is used in closed loop feedback control structure for the purpose to control the nonlinear of system Ball and Plate The verification of designed Backstepping control algorithms, the same as nonlinear model of dynamical system, is performed with functional blocks of Simulink environment The design process of this controller is presented together with its simulation This thesis includes testing of designed PID control algorithms on real model Ball & Plate using card DSP TMS32028335, which communicates with PC by the functions of Real Time Toolbox Visualization of the simulation results is realized by MATLAB The Ball and Plate system includes resistive touch panels used to send the ball coordinate of the center contro ‟s DS card to hand ing Two DC motors received signa from the DSP card to control the plane of the orbit Author Ly Hoang Phuc VI Luan van Ụ Ụ Ự I Ý K Ọ II Ờ III Ờ IV Ữ VIII H IX G XIII ƢƠ Ổ ƢƠ Ơ Ở Ý ƢƠ Ệ Ó 16 Ô Ê Ủ 37 Ặ P ẲNG 37 ƢƠ ƢƠ K ÔP Ỏ ƢƠ K Ƣ Ệ Ự K K Ự P 50 Ệ 60 84 85 P Ụ Ụ 88 VII Luan van Chương 5: Kết qu m ph ng th nghi m i u khiển theo hình tr n 23 Đ p ộ điề k iể 24 Đ p ò i ộ điề k iể ò - Tín hiệu ng cho ta thấy qu đ o óng ám theo tín hiệu đ t h nh sin an đầu Ta cộng hai án kỳ c a h nh sin i thu qu đ o c a óng di chuyển theo qu đ o h nh tr n Đ ng theo thuyết an đầu GVHD: TS Nguyễn Thanh Phương 75 Luan van HVTH: Lý Hoàng Phúc Chương 5: Kết qu m ph ng th nghi m 5.6 Kết thực nghiệm: 5.6.1 Ph n điện: Trong phần n y, ta tiến h nh xây d ng khối u khiển trung tâm, m ch cầu H cách y, nguồn điện cung cấp cho to n ộ khối đ t i Máy tính PC Tớ đợ 115200 bit/s Port xuất/nhập Led áo Modu u khiển trung tâm Kênh ng t ngo i Bộ SCI Ổn áp 5V Bộ b t giữ tín hiệu xung Bộ PWM Nguồn 12v DC Kênh 0, Kênh 0, Bộ PWM Kênh 6, M ch cầu H cách ly M ch cầu H cách ly Kênh 2, M ch cầu H cách ly Encoder Encoder M ch cầu H cách ly Động c DC Động c DC 25 đ 5.6.2 ổ p đề i ạch u khiển: Trên khối u khiển trung tâm ta s dụng DS TMS320F28335 để th c nh ng giải thuật u khiển, giao tiếp với c cấu chấp h nh, thu thập iệu từ cảm iến, trao đ i iệu với máy tính Do đó, m ch trung tâm ta có khối sau:  Vi u khiển trung tâm DS TMS320F28335  Khối nguồn n áp 3.3V,5V  Khối ộ đệm cho tín hiệu v o WM, ECA … GVHD: TS Nguyễn Thanh Phương 76 Luan van HVTH: Lý Hoàng Phúc Chương 5: Kết qu m ph ng th nghi m 5.6.3 ộ u khiển nh ng xuống đối tƣợng: uá tr nh u khiển ro ot th c vi u khiển DS TMS320F28335 với s h trợ c a thư viện Target Support ackage v ea -Time Workshop c a Mat a 2009b –h trợ cho vi u khiển họ TI C2000 Bộ u khiển thiết kế Simu ink mi n rời r c, sau ứng dụng Em edded IDE ink iên dịch sang mã ngôn ngữ C tư ng thích với thư viện h trợ ởi Code Composer, sau tiếp tục Code Composer iên dịch th nh mã máy nh ng MCU DS TMS320F28335 26 i GVHD: TS Nguyễn Thanh Phương pp 77 Luan van P k HVTH: Lý Hoàng Phúc Chương 5: Kết qu m ph ng th nghi m ình 5.27 ựa chọn ystem arget File để mbedded ink biên dịch chƣơng trình từ imulink sang ng n ngữ Khối u khiển chiếu:  Khi th c nh ng giải thuật u khiển xuống DS , ta cần thiết ập thông số sau:  Thời gian mẫu Tsamp e=0.05s,  Khai áo ng t nhận cho SCIB  Tần số WM 20KHz  Tốc độ truy n iệu ằng công UA T “115200,8, ,1” Tốc độ Baudrate  115200bit/s, Data bits, Parity N, BitStop GVHD: TS Nguyễn Thanh Phương 78 Luan van HVTH: Lý Hoàng Phúc Chương 5: Kết qu m ph ng th nghi m ình 5.28 đồ khối u khiển ackstepping Khối u khiển PID: Ta s dụng v ng u khiển:  V ng ngo i u khiển vị trí trái óng  V ng u khiển góc quay c a động c 29 đ k i ộ điề k iể PID ác khối sử dụng hai u khiển: GVHD: TS Nguyễn Thanh Phương 79 Luan van HVTH: Lý Hoàng Phúc Chương 5: Kết qu m ph ng th nghi m 30 31 i iđ i yể đổi GVHD: TS Nguyễn Thanh Phương ả i độ điề k iể 80 Luan van y HVTH: Lý Hoàng Phúc Chương 5: Kết qu m ph ng th nghi m 32 đ k i 33 i 34 GVHD: TS Nguyễn Thanh Phương P M i i ý 81 Luan van iề điề k iể y i HVTH: Lý Hoàng Phúc Chương 5: Kết qu m ph ng th nghi m Kết đáp ứng: ình 5.35 ín hiệu g c quay động theo trục x ình 5.36 ín hiệu g c quay động theo trục y GVHD: TS Nguyễn Thanh Phương 82 Luan van HVTH: Lý Hoàng Phúc Chương 5: Kết qu m ph ng th - H nh 5.35 v 5.36 nghi m tín hiệu góc quay c a hai động c theo trục x v trục y Các gai nhọn xuất h nh sai số xác ập, nguyên nhân thông số u khiển động c chọn chưa tối ưu Các gai nhọn o i thong số u khiển động c chọn tốt h n ình 5.37 ín hiệu u khiển hai động - H nh 5.37 y tín hiệu u khiển kết hợp c ng GVHD: TS Nguyễn Thanh Phương c hai động c , quay theo trục x v trục 83 Luan van HVTH: Lý Hoàng Phúc Chương 5: Kết qu m ph ng th nghi m Chƣơng K Ƣ P 6.1 Kết luận:  Khi th c ộ u khiển chiếu chưa xét tới yếu tố ất định nên việc th c ộ u khiển xuống mô h nh th c tế chưa th nh công  Th c ộ u khiển ID v ng để u khiển trái óng cân ằng vị trí (0,0)  100 nên ảnh hưởng c a độ nghiêng  Độ nghiêng c a m t phẳng xét m t phẳng đến kết chưa thể r  S dụng DS TMS320F28335 có h trợ ập tr nh Mat a gi p tăng hiệu m việc 6.2 ƣớng phát triển  Tiến h nh nhận d ng mô h nh động c ằng phư ng pháp A MAX,OE,FI ,… để có thơng số động c để giảm yếu tố ất định thiết kế ộ u khiển  S dụng ộ u khiển có yếu tố thích nghi ho c n vững để đ t kết tốt m th c tế  S dụng cảm iến xác định góc nghiêng, c n y ta giảm s ảnh hưởng c a mơ h nh c khí  S dụng thêm giải thuật cân ch nh động để có vị trí xác c a trái óng góc nghiêng ớn GVHD: TS Nguyễn Thanh Phương 84 Luan van HVTH: Lý Hoàng Phúc Tai li u tham kh o Ệ K Ệ hình h a nhận dạng hệ thống u nh hái oàng Ƣ [1] US2004041419 Ball plate handle assembly Dugan Brent Nelson [US]; Bonaparte John Charles [US]; Gillespie Robert William [US] [2] Basketball Robot: Ball-on-Plate with Pure Haptic Information Kwang-Kyu Lee, Georg Băatz, and Dirk Wollherr Institute of Automatic Control Engineering (LSR) Technische Universităat Măunchen, D-80290 Munchen, Germany [3] US6552907 BGA heat ball plate spreader, BGA to PCB plate interface Caldwell Barry [US] [4] D Yuan and Z Zhang, “Modelling and control scheme of the ball-plate trajectorytracking pneumatic system with a touch screen and a rotary cylinder” IET Control Theory & Applications, vol , no , p.p 573 – 589, 2010 [5] Zhao, Qiang ; Yue, Yongheng ; Guan, Qiang “A PSO-Based Ball-Plate Calibration for Laser Scanner” International Conference on Vol Digital Object Identifier: 10.1109/ICMTMA.2009.620 , p.p : 479 – 481, 2009 [6] A Jadlovská, Š Jajčišin, R Lonščák “Modelling and pid control design of nonlinear educational model ball & plate” Department of Cybernetics and Artificial Intelligence, Faculty of Electrical Engineering, Technical University of Koši e,e- mail:Anna.Jadlovska@tuke.sk, stefan.jajcisin@gmail.com, Richard.Lonscak@tuke.sk [7] D Yuan and Z Zhang, \Modelling and control scheme of the ball-plate trajectorytracking pneumatic system with a touch screen and a rotary cylinder," Control Theory & Applications, IET, vol 4, no 4, pp 573-589, 2010 [8] F Golnaraghi and B Kuo, Automatic control systems, vol [9] R Dorf and R Bishop, Modern control systems, 11th ed Pearson Printice Hall, 2008 [10] W Bolton, Mechatronics: electronic control systems in mechanical and electrical engineering Prentice Hall, 2004 [11] D Haessig and B Friedland, \On the modeling and simulation of friction,"in American Control Conference IEEE, 2009, pp 1256-1261 GVHD: TS Nguyễn Thanh Phương 85 Luan van HVTH: Lý Hoàng Phúc Tai li u tham kh o [12] X Dong, Z Zhang, and C Chen, \Applying genetic algorithm to on-line updated pid neural network controllers for ball and plate system," in Proc 18 Fourth Int Innovative Computing, Information and Control (ICICIC) Conf, 2009, pp 751-755 [13] N Mohajerin, M B Menhaj, and A Doustmohammadi, \A reinforcement learning fuzzy controller for the ball and plate system," in Proc IEEE Int Fuzzy Systems Conference, 2010, pp 1{8} [14] S Awtar, C Bernard, N Boklund, A Master, D Ueda, and K Craig, \Mechatronic design of a ball-on-plate balancing system," Mechatronics, vol 12, no 2, pp 217{228, 2002} [15] X Dong, Z Zhang, and C Chen, \Applying genetic algorithm to on-line updated pid neural network controllers for ball and plate system," in Proc.Fourth Int Innovative Computing, Information and Control (ICICIC) Conf, pp 751{755}, 2009 [16] X Fan, N Zhang, and S Teng, \Trajectory planning and tracking of ball and plate system using hierarchical fuzzy control scheme," Fuzzy Sets and Systems, vol 144, no 2, pp 297{312, 2004} [17] D Liu, Y Tian, and H Duan, \Ball and plate control system based on sliding mode control with uncertain items observe compensation," in IEEE International Conference on Intelligent Computing and Intelligent Systems, ICIS09, vol IEEE, 2009, pp 216{221} [18] K kyu Lee, G Btz, and D Wollherr, \Basketball robot: Ball-on-plate with pure haptic information," in IEEE International Conference on Robotics and Automation, May 2008 [19] D Yuan and Z Zhang, \Modelling and control scheme of the ball-plate trajectorytracking pneumatic system with a touch screen and a rotary cylinder," Control Theory & Applications, IET, vol 4, no 4, pp 573{589, 2010} [20] F Golnaraghi and B Kuo, Automatic control systems, vol [21] R Dorf and R Bishop, Modern control systems, 11th ed Pearson Printice Hall, 2008 [22] W Bolton, Mechatronics: electronic control systems in mechanical and electrical engineering Prentice Hall, 2004 [23] D Haessig and B Friedland, \On the modeling and simulation of friction," in American Control Conference IEEE, 2009, pp 1256{1261} GVHD: TS Nguyễn Thanh Phương 86 Luan van HVTH: Lý Hoàng Phúc Tai li u tham kh o [24] C S.J and T R.W., \On the modeling of coulomb friction," UNKNOWN JOURNAL OR CONFERENCE, 1998 [25] http://www.googoltech.com.cn/web/eng/news.jsp [26] http://www.tecquipment.com/Control/Control-Engineering/CE106.aspx GVHD: TS Nguyễn Thanh Phương 87 Luan van HVTH: Lý Hoàng Phúc Phu l P Ụ Ụ GVHD: TS Nguyễn Thanh Phương 88 Luan van HVTH: Lý Hoàng Phúc S K L 0 Luan van