Xây dựng và ứng dụng bộ điều khiển trượt cho hệ con lắc ngược quay một bậc

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 XÂY DỰNG VÀ ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT CHO HỆ CON LẮC NGƯỢC QUAY MỘT BẬC GVHD: PHD NGUYỄN VĂN ĐÔNG HẢI SVTH : PHẠM MINH HIẾU LÊ THÀNH DANH SKL011594 Tp Hồ Chí Minh, tháng 6/2023 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ  ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Ngành Công nghệ kỹ thuật điều khiển tự động hóa ĐỀ TÀI: XÂY DỰNG VÀ ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT CHO HỆ CON LẮC NGƯỢC QUAY MỘT BẬC GVHD PhD Nguyễn Văn Đông Hải Phạm Minh Hiếu MSSV: 15151145 Lê Thành Danh MSSV: 17151176 SVTH Tp.Hồ Chí Minh, tháng năm 2023 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TÊN ĐỀ TÀI: “Xây dựng ứng dụng điều khiển trượt cho hệ lắc ngược quay bậc” NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG  Nghiên cứu phương pháp điều khiển trượt  Xây dựng phương trình động lực học hệ lắc ngược quay  Xây dựng điều khiển trượt mô hệ thống phần mềm Matlab Simulink  Tiến hành thu thập liệu Terminal để vẽ đồ thị GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: PhD Nguyễn Văn Đông Hải NGÀY GIAO ĐỀ TÀI: Ngày 05 tháng 02 năm 2023 NGÀY HOÀN THÀNH ĐỀ TÀI: Ngày 25 tháng năm 2023 TP.HCM, ngày… tháng … năm 2023 Giáo viên hướng dẫn TP HCM, ngày … tháng … năm 2023 Chủ nhiệm môn BẢNG NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Tiêu chí điểm đánh giá Grade Criteria Very Poor Poor Adequate Very Good Ideal 0-2 3-5 6-7 8-9 10 Quá dễ thực Thực thực tế không cần Vấn đề vừa sức/Cần phải dành thời gian nghiên cứu Vấn đề khó/Cần nhiều kiến thức tổng hợp học Vấn đề khó/Cần nhiều kiến thức tổng hợp học Mục 2: Tính ứng dụng đề tài vào thực tiễn 0-2 3-5 6-7 8-9 10 Khơng có ứng dụng Thỉnh thoảng có ứng dụng Có ứng dụng Thực tế bên cần Thực tế bên cần cấp thiết Mục 3: Tính đắn đề tài, phương pháp nghiên cứu hợp lý 0-2 3-5 6-7 8-9 10 Khơng hợp lý Có phương pháp nghiên cứu, chưa rõ ràng Có phương pháp nghiên cứu, định hướng Phương pháp nghiên cứu rõ ràng, định hướng Phương pháp nghiên cứu rõ ràng, khoa học, phù hợp với đề tài, sáng tạo 0-6 7-15 16-21 22-27 28-30 Khơng có Giải pháp sơ sài Giải pháp rõ ràng, có thi cơng mơ hình/mơ Giải pháp rõ ràng, có quy trình thực thi cơng/mơ vận hành Giải pháp rõ ràng, có quy trình thực thi công/mô vận hành được, kết mô phỏng/vận hành tốt, sáng tạo 0-8 9-20 21-28 29-36 37-40 Nội dung không phù hợp với mục tiêu Báo cáo đơn giản, chưa đầy đủ cấu trúc, nội dung đề Có đủ cấu trúc, nội dung Có đầy đủ cấu trúc nội dung, trình bày hợp lý, khoa học Có đầy đủ cấu trúc nội dung, trình bày hợp lý, khoa học, logic, rõ ràng, dễ hiểu, quy định trình bày luận văn, khơng có lỗi tả, sáng tạo Mục 1: Mức độ thời đề tài, độ khó đề tài Mục 4: Giải pháp & công nghệ, thi công/mô Mục 5: Xem đĩa CD trình bày báo cáo nội dung LV Điểm tổng kết (quy đổi thang 10) Điểm đánh giá Các vấn đề cần làm rõ Các nội dung cần bổ sung hiệu chỉnh Ý kiến kết luận: Đồng ý hay không đồng ý cho bảo vệ Tp HCM, ngày….tháng…năm 2023 Giảng viên phản biện LỜI CẢM ƠN Trong trình thực luận văn có sai sót khơng thể tránh khỏi Và khơng có nhiệt tình giúp đỡ, hỗ trợ thầy cô, bạn bè hỗ trợ sở vật chất trường đại học Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh nhóm em khơng thể hồn thành Xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Nguyễn Văn Đơng Hải quan tâm, hướng dẫn tận tình đến khơng quản ngại khó khăn tạo điều kiện tốt sở vật chất, trang thiết bị học tập Hơn nữa, thầy xuất hiện, sẵn sàng trả lời thắc mắc hướng dẫn nhiệt tình, hỗ trợ cho nhóm tài liệu, giảng giải kiến thức chuyên môn quý báu với lời động viên, khích lệ tinh thần học tập giúp nhóm chúng em hồn thành đồ án Sau nhóm em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy cô giáo Khoa Điện – Điện tử cung cấp cho chúng em kiến thức tảng để hồn thành đồ án Đồ án khó tránh khỏi thiếu sót, ý kiến đóng góp quý thầy cô quý báu Chúng em xin chân thành cảm ơn CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÓM LƯỢC Hệ lắc ngược quay (RIP - Rotary Inverted Pendulum) hệ thống thông dụng mảng điều khiển tự động Mục tiêu xây dựng thuật toán điều khiển hệ lắc tảng để áp dụng cho hệ thống cân khác thực tế hệ thống cân xe điện, hệ thống tăng áp, cấu chống động đất cho nhà cao tầng tịa nhà, Nhiều thuật tốn thực thành cơng thuật tốn phi tuyến (tuyến tính hóa vào-ra, ), thơng minh (mờ, nơ ron) vào mơ hình Với cấu trúc đơn giản, điều khiển tuyến tính xây dựng nhúng vào vi điều khiển PID điều khiển phổ biến điều khiển tuyến tính sử dụng rộng rãi công nghiệp áp dụng cẩn thận phịng thí nghiệm Tuy nhiên, thuật tốn khơng đảm bảo mặt tốn học Ngồi ra, thuật tốn PID phù hợp với hệ thống SISO không phù hợp với hệ thống SIMO chẳng hạn hệ thống lắc ngược quay Vì vậy, để việc điều khiển tuyến tính tốt phù hợp phương trình tốn học hệ thống phải xác định xác Đồng thời, thời gian tham số hệ thống mô hình phải đo xác Ngồi PID, LQR đặt cực thuật tốn tuyến tính sử dụng phổ biến đảm bảo tính tốn học hệ thống Nhóm sinh viên muốn đăng ký đề tài "XÂY DỰNG VÀ ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT CHO HỆ CON LẮC NGƯỢC QUAY MỘT BẬC" Trong luận văn, sinh viên thực phương pháp điều khiển trượt lên hệ lắc ngược quay thu kết Kết xác minh mô thực nghiệm Dẫu nhóm em cố gắng hoàn thành nhiệm vụ đặt chủ đề thời gian, chắn không tránh khỏi thiếu sót Nhóm em mong nhận góp ý giáo viên để đề tài hoàn thiện CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Khái quát đề tài Hệ lặc ngược đối tượng có kết cấu khí đơn giản, dễ chế tạo, giá thành rẻ Tuy nhiên, phương trình tốn học phi tuyến hệ đủ phức tạp để nghiên cứu điều khiển tự động thuật toán sử dụng để xác minh Điều khiển LQR thuật tốn PID áp dụng thành cơng đối tượng Tuy nhiên, điều khiển tuyến tính hồn tồn khơng phải mặt tốn học đảm bảo (như trường hợp điều khiển PID) Do đó, sử dụng phương pháp khác để khắc phục thiếu sót sử dụng điều khiển phi tuyến backstepping, linearization in-out, Swing Up 1.1 Mục tiêu đề tài Mục tiêu đề tài nghiên cứu xây dựng điều khiển trượt cho hệ RIP Từ có nhìn tổng quan phương pháp điều khiển điều khiển trượt Đồng thời tìm cách tối ưu hóa điều khiển để tạo hệ thống ổn định tối ưu 1.2 Nhiệm vụ đề tài  Nghiên cứu phương pháp điều khiển trượt  Xây dựng cấu trúc toán học hệ thống RIP  Xây dựng điều khiển trượt mô công cụ phần mềm Matlab simulink  Thiết kế, thi công kết nối phần cứng cho hệ thống RIP  Thực kiểm chứng chất lượng điều khiển mơ hình vật lý  Đưa nhận xét, đánh giá kết đạt 1.3 Phương pháp nghiên cứu Trong luận văn này, nhóm thực nghiên cứu phân tích phương trình tốn học hệ thống RIP Thơng qua phương trình động lực học, nhóm áp dụng giải thuật điều khiển trượt, đồng thời tiến hành xây dựng điều khiển trượt phần mềm Matlab Simulink Sau đó, nhóm xây dựng chương trình điều khiển chứa thuật tốn nhúng chip STM32 để điều khiển mơ hình vật lý kiểm chứng tính ổn định hệ CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.4 Giới hạn đề tài Mơ hình hệ RIP đề tài loại bậc (1 link) Nhóm thực khơng xét loại từ bậc (2 link) trở lên Bộ điều khiển trượt áp dụng đề tài để chứng minh chất lượng điều khiển nhằm mục đích ổn định sai số theo thời gian, nhóm thực khơng đề cập đến dạng thuật tốn tuyến tính phi tuyến khác CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC CỦA HỆ THỐNG CON LẮC NGƯỢC QUAY CHƯƠNG CẤU TRÚC CỦA HỆ THỐNG CON LẮC NGƯỢC QUAY 2.1 Giới thiệu hệ thống lắc ngược quay Mặc dù mơ hình kinh điển lý thuyết điều khiển tự động, lắc ngược quay lại có cấu tạo khí đơn giản Tuy nhiên, với việc hệ phương trình động lực học phức tạp công nhận rộng rãi hệ thống SIMO điển hình, mơ hình phát triển thành nhiều kiểu khác nhau: hệ lắc ngược 2/3 bậc, hệ thống lắc ngược xe – hệ có lắc gắn tơ chạy nghiêng,… với độ phức tạp điều khiển cao Điểm bật hệ RIP có động dựng thẳng đứng Trục động gắn vng góc riêng Khi động cấp lượng để hoạt động, quay quanh trục động Bộ phận cánh tay lắc Một encoder gắn cố định vào đầu lại Trục encoder nằm song song với cánh tay Ở cuối trục encoder gắn cố định đồng chất Thanh quay tự xung quanh encoder gọi lắc ngược Con lắc ngược có khơng phải đồng chất mà có khối lượng nhẹ gắn vào đến vật nặng có khối lượng đáng kể đầu Trong khuôn khổ đề tài này, ta xét trường hợp lắc đồng chất Tín hiệu điều khiển đầu vào mức tín hiệu điện áp cấp cho động cơ, hai tín hiệu cần điều khiển đầu tín hiệu góc lệch cánh tay góc lệch lắc Hệ thống lắc ngươc hệ đầu vào nhiều đầu ra(SIMO), khó điều khiển so với hệ thống lò nhiệt bể chứa nước (cả hệ đầu vào đầu SISO) Việc điều khiển mơ hình RIP thực tế phụ thuộc vào việc chọn điện áp cấp cho động giá trị PWM cung cấp cho cầu H (một loại mức giá trị điện áp) không tạo mô-men xoắn trực tiếp xác Mơ-men xoắn hệ gián tiếp việc cung cấp điện áp cho động CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ MƠ PHỎNG 5.3 Tín hiệu đặt gồm có song hình sin qua Saturation Hình 5.8 Đáp ứng hệ thống Từ đồ thị nhận xét:     Qũy đạo hệ thống có độ vọt lố vào lúc T = 2.3s Gía trị cực đại hệ xấp xỉ 3.9 Gía trị cực đại sau vọt lố 3.4 Sau quỹ đạo hệ thống trì sai số ổn định 48 CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ MƠ PHỎNG Hình 5.9 Sai số hệ thống Từ biểu đồ thu kết quả:  Sai số hệ thống tối đa xấp xỉ 0.21  Sai số đạt giá trị cực đại T = 2.3s  Sai số sau vọt lố có giá trị tối đa 0.17 Nhận xét: Với tín hiệu đặt song hình sin kết hợp với Saturation, hệ thống đáp ứng không tốt trường hợp trên, sai số hệ thống có vọt lộ giảm dần mức ổn định Tuy nhiên so với trường hợp song Sin, sai số trì ổn định 49 CHƯƠNG 6: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM CHƯƠNG 6: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 6.1 Waijung Blockset Khối Waijung: Hình 6.2 Một hệ nhúng Simulink STM32F4 điển hình Waijung blockset tạo phát triển công ty Aimagin, Thái Lan Một công ty chuyên thiết bị nhúng IOT Các khối thư viện xây dựng tảng C Matlab hỗ trợ người dùng cấu hình tất ngoại vi thuộc dòng STM32F405 STM32F407 Điểm đặc biệt thư viện cho phép STM32 giao tiếp qua UART, USB với Matlab Simulink 50 CHƯƠNG 6: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Hình 6.3 Waijung Blockset Matlab 2018a 6.1.2 Xây dựng mơ hình Simulink Hình 6.4 Khối cài đặt phần cứng 51 CHƯƠNG 6: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Khối cài đặt phần cứng: Được sử dụng để chọn trình biên dịch, mẫu MCU, xung Clock, thời gian lấy mẫu Vì nhóm sử dụng Kit STM32F407 Discovery nên MCU chọn STM32F407VG Thời gian lấy mẫu để mặc định nên phụ thuộc vào điều khiển trượt Hình 6.5 Cấu hình khối cài đặt phần cứng 52 CHƯƠNG 6: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Hình 6.6 Khối cài đặt kết nối UART Khối cài đặt UART: Dung để cấu hình xung truyền/nhận tín hiệu máy tính STM32F407 Tốc độ truyền liệu khơng thể cao(sẽ gây nhiễu loạn tín hiệu dẫn đến sai sót tín hiệu) khơng thể q thấp(phản hồi STM32F7407 chậm không đồng thời gian lấy mẫu Encoder máy tính) Mức xung sử dụng 115200 Bps, chân TX/RX chọn PC10 PC11 Hình 6.6 Khối đọc liệu từ Encoder 53 CHƯƠNG 6: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Hình 6.7 Các khối lấy vị trí cánh tay vận tốc góc cánh tay Khối Encoder read đọc liệu từ Encoder cánh tay, chuyển đổi liệu sang dạng double Sau liệu truyền dạng vị trí cánh tay(´1) vận tốc góc cánh tay ´1_8I9 Hình 6.8 Các khối lấy vị trí cánh tay vận tốc góc lắc Tương tự trên, khối Encoder read đọc liệu từ Encoder lắc, chuyển đổi liệu sang dạng double Sau liệu truyền dạng vị trí lắc (´2) vận tốc góc lắc ´2_8I9 54 CHƯƠNG 6: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Hình 6.8 Các khối điều khiển phần cứng cổng STM32F407 Hình 6.9 Bộ điều khiển trượt tín tín hiệu đặt Các tín hiệu đặt bao gồm tín hiệu 0, tín hiệu song hình sin tín hiệu xung vng Một định thời phép tín hiệu đặt thay phiên hoạt động khoảng thời gian định Và cuối điều khiển trượt thiết kế cho mơ hình lắc ngược 55 CHƯƠNG 6: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Hình 6.1 Mơ hình Simulink hoàn chỉnh gồm tất thành phần 6.2 Kết thực nghiệm hệ thống RIP ứng dụng điều khiển trượt Trong trình thử sai để tìm thơng số tối ưu, nhóm thu c1 = 0.23; c2 = -12; c3 = 4.2; c4 = 2.3; k=0; nuy = -17 thông số đáp ứng tốt Thu thập tín hiệu mơ hình thực nghiệm với thơng số sau so sánh tín hiệu đặt đáp ứng hệ cộng với thu thập số liệu sai số đáp ứng khoảng thời gian hoạt động 200s thu kết quả: 56 CHƯƠNG 6: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Hình 6.11 Đáp ứng hệ thống với tín hiệu đặt khác luân phiên hoạt động  Trong khoảng thời gian bắt đầu tới T = 20s, tín hiệu đặt hàm mang giá trị hệ chưa hoạt động Cho đến T = 32s, hệ bắt đầu có dao động với sai lệch lớn dần sau giảm  Khi T = 40s, tín hiệu đặt hàm song sin, hệ bám quỹ đạo song sin với sai lệch ổn đinh  Tới T = 155s, tín hiệu đặt hàm xung vuông, hệ bám quỹ đạo với mức sai số ổn định Tuy nhiên xung vuông trạng thái xung lên xuống dao động có vọt lố nhẹ quay trạng thái ổn định sau 57 CHƯƠNG 6: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Hình 6.12 Sai số hệ khoảng thời gian hoạt động  Sai số có vọt lố nhẹ vào lúc T = 32s, trì ổn định tới vọt lố lần lúc T = 170s  Gía trị lớn sai số 0.08  Thời gian vọt lố sai số thấp Nhận xét: dựa vào đồ thị đáp ứng hệ thống đồ thị sai số hệ thống ta kết luận điều khiển trượt xây dựng cho hệ mang lại khả điều khiển hiệu 58 CHƯƠNG 6: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 7.1 Kết luận Trong đồ án này, nhóm đạt kết sau đây: - Xây dựng phương trình động lực học cho hệ lắc ngược quay - Nghiên cứu phương pháp điều khiển trượt cho hệ lắc ngược quay - Xây dựng mơ hình Simulink nhúng cho STM32F407 - Điều khiển thành cơng mơ hình thực tế lắc ngược quay 7.2 Hạn chế - Điều khiển trượt có hạn chế lớn tượng Chattering Hiện tượng làm nóng động lên Đây đặc trưng điều khiển trượt thay đổi hàm sign không liên tục dẫn đến tín hiệu điều khiển dao động xung quanh mặt trượt Hình 7.1: Mơ tả tượng chattering - Các hệ số c1, c2, c3, c4, k nuy tìm thơng qua phương pháp thử sai nên nhiều thời gian 59 CHƯƠNG 6: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 7.3 Hướng phát triển - Thiết kế khí lại cho mơ hình nhằm hỗ trợ việc tản nhiệt cho động sử dụng loại động chịu nhiệt độ cao - Ứng dụng giải thuật GA hỗ trợ giảm thiểu thời gian tính tốn số liệu 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO TÀI LIỆU THAM KHẢO Vo Anh Khoa, Nguyen Minh Tam, Tran Vi Do, Nguyen Thien Van, Nguyen Van Dong Hai, Model and control algorithm construction for rotary inverted pendulum in laboratory, Journal of Technical Education Science No.49, pp 32-40, 2018 Võ Minh Tài, Điều khiển backstepping cho hệ lắc ngược quay, Luận văn đại học, Đại học sư phạm kĩ thuật TPHCM, 2020 Vũ Đình Đạt, Hùynh Xuân Dũng, Phan Văn Kiểm, Nguyễn Minh Tâm, Nguyễn Văn Đông Hải, Điều khiển mờ trượt cho hệ pendubot, Số 11 (120), 1, pp 12-16, Tạp chí cơng nghệ Đà nẵng, 12/ 2017 Ho Trong Nguyen, Nguyen Minh Tam, Nguyen Van Dong Hai, Application of genetic algorithm in optimization controller for cart and pole system, Journal of Technical Education Science, ISSN: 1859-127, No 44A, pp 41-47, November, 2017 Limaverde Filho, José & Fortaleza, Eugenio (2014) Control of the Ball and Beam using Kalman Filter - A Flatness Based Approach (PDF) Điều khiển xe hai bánh tự cân mơ hình bất định dựa phương pháp quy hoạch động thích nghi (researchgate.net) 61 S K L 0