Cdtn thiết kế bộ điều khiển giữ ổn định vị trí viên bi sắt trên thanh cân bằng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC DUY TÂN TÔN LONG NHẬT THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN GIỮ ỔN ĐỊNH VỊ TRÍ VIÊN BI SẮT TRÊN THANH CÂN BẰNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH ĐIỆN TỰ ĐỘNG Đà Nẵng, 12/2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC DUY TÂN TÔN LONG NHẬT - 2321625340 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN GIỮ ỔN ĐỊNH VỊ TRÍ VIÊN BI SẮT TRÊN THANH CÂN BẰNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH ĐIỆN TỰ ĐỘNG Người hướng dẫn: TS HÀ ĐẮC BÌNH Đà Nẵng, 12/2021 Đồ Án Tốt Nghiệp: Ball and Beam ĐẠI HỌC DUY TÂN KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP TÊN ĐỀ TÀI: Thiết kế bộ điều khiển giữ ổn định vị trí bi sắt trên thanh cân bằng 1 Họ và tên sinh viên/ nhóm sinh viên được giao đề tài: Tôn Long Nhật MSSV: 2321625340 Lớp: K23-EDT1 2 Mục tiêu đề tài Thiết kế bộ điều bộ điều khiển giữ ổn định vị trí bi sắt trên thanh cân bằng sử dụng thuật toán PID 3 Nội dung nhiệm vụ - Tìm hiểu nguyên lý giữ ổn định viên bi sắt trên thanh - Thiết kế và mô phỏng thuật toán điều khiển PID bằng MatLab - Thử nghiệm thuật toán trên hệ thống thực nghiệm - Đánh giá tính ổn định của bộ điều khiển 4 Kết quả tối thiểu phải có 1) Sản phẩm mô hình hệ thống thanh cân bằng 2) Sản phẩm hoạt động được 3) Có mạch điện/chương trình/giải thuật điều khiển 4) Báo cáo đồ án được trình bày hoàn chỉnh theo quy định Ngày giao đề tài: 20/8/2021 Ngày nộp báo cáo: 30/11/2021 Sinh viên thực hiện Đà Nẵng, ngày 20 tháng 8 năm 2021 (Ký và ghi rõ họ tên) Giảng viên hướng dẫn (Ký và ghi rõ họ tên) 3 GVHD: TS Hà Đắc Bình Đồ Án Tốt Nghiệp: Ball and Beam LỜI CAM ĐOAN Kính gửi: Hội đồng bảo vệ đồ án tốt nghiệp Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại Học Duy Tân Em tên là: Tôn Long Nhật Lớp: K23-EDT1, Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại Học Duy Tân Em xin cam đoan nội dung của đồ án này không phải là bản sao chép của bất cứ đồ án hoặc công trình đã có từ trước Đây là đồ án do em thực hiện dưới sự hướng dẫn trực tiếp của TS Hà Đắc Bình Mọi tham khảo dùng trong đồ án đều được trích dẫn rõ ràng tên tác giả, thời gian, địa điểm công bố Mọi sao chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo, hay gian trá, em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm Giáo viên hướng dẫn Đà Nẵng, ngày 07 tháng 12 năm 2021 Sinh viên thực hiện TS Hà Đắc Bình Tôn Long Nhật 4 GVHD: TS Hà Đắc Bình Đồ Án Tốt Nghiệp: Ball and Beam LỜI CẢM ƠN Qua đồ án này em xin chân thành cảm ơn gia đình là bố mẹ đã tạo điều k em thực hiện đồ án, giáo viên hướng dẫn là TS Hà Đắc Bình đã tận tình hướng dẫn cho em hoàn thành đồ án này và đồng thời cảm ơn các thầy cô trong khoa Điện – Điện tử đã giúp đỡ cho em để thực hiện đồ án này một cách tốt nhất 5 GVHD: TS Hà Đắc Bình Đồ Án Tốt Nghiệp: Ball and Beam MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .4 LỜI CẢM ƠN 5 PHẦN MỞ ĐẦU 11 1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 11 2 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI 11 3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU .12 4 NỘI DUNG THỰC HIỆN .12 5 KẾ HOẠCH THỰC HIỆN .13 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI .14 1.1 Hệ thống Ball and Beam là gì? .14 1.2 Các loại mô hình và ưu nhược điểm từng loại 14 1.2.1 Ý nghĩa 15 1.3 Giới thiệu bộ điều khiển PID .15 1.3.1 Khái niệm .15 1.3.2 Chức năng của từng hệ số .15 1.3.3 Giải thuật điều khiển .16 1.3.4 Các phương pháp điều chỉnh PID 16 1.4 Ưu, nhược điểm 18 CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG 19 2.1 Thiết kế hệ thống 19 2.1.1 Chức năng từng khối .19 2.2 Phân tích hệ thống 19 2.2.1 Phân tích hệ thống Ball and Beam .19 2.2.2 Phân tích động cơ điện 22 2.3 Thiết kế phần cứng .24 2.3.1 Sơ đồ nguyên lý 24 2.3.2 Nguyên lý hoạt động 24 2.3.3 Sơ đồ mạch điện .24 2.3.4 Các thiết bị thành phần 25 2.4 Thiết kế phần mềm .32 2.4.1 Lưu đồ thuật toán 32 2.4.2 Giới thiệu Arduino 33 6 GVHD: TS Hà Đắc Bình Đồ Án Tốt Nghiệp: Ball and Beam 2.4.3 Giới thiệu Matlab 35 CHƯƠNG 3 KIỂM THỬ, ĐÁNH GIÁ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 38 3.1 Mô phỏng Matlab 38 3.1.1 Khảo sát thông số PID trên Matlab Simulink .38 3.1.2 Kịch bản thử nghiệm mô phỏng 47 3.2 Thử nghiệm thực tế 52 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO .55 7 GVHD: TS Hà Đắc Bình Đồ Án Tốt Nghiệp: Ball and Beam DANH MỤC CÁC HÌ Hình 1.1: Ball and Beam trục lệch .14 Hình 1.2: Ball and Beam trục giữa .14 Y Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ thống 19 Hình 2.2: Tọa độ Descartes và tọa độ tổng quát 20 Hình 2.3: Mô hình động cơ điện 22 Hình 2.4:sơ đồ nguyên lý hệ thống 24 Hình 2.5: sơ đồ mạch điện 24 Hình 2.6: Module Arduino Uno R3 25 Hình 2.7: Module HC-SR04 26 Hình 2.8: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của HC-SR04 27 Hình 2.9: Động cơ RC Servo MG995 27 Hình 2.10: Cấu tạo Servo MG995 .28 Hình 2.11: Sơ đồ góc quay của RC Servo MG995 29 Hình 2.12: Thanh ngang trên SolidWork 29 Hình 2.13: Giá đỡ thanh trên SolidWork 30 Hình 2.14: Gá động cơ trên SolidWork .30 Hình 2.15: Gá cảm biến trên SolidWork 30 Hình 2.16: Mô hình hoàn chỉnh trong môi trường Assembly SolidWork 31 Hình 2.17: lưu đồ thuật toán 32 Hình 2.18: Trang tải phần mềm Arduino IDE 33 Hình 2.19: Cửa sổ cài đặt Arduino IDE .33 Hình 2.20: Giao diện Arduino IDE 34 Hình 2.21: Trang tải phần mềm Matlab .35 Hình 2.22: Cửa sổ làm việc của Matlab .36 Hình 2.23: Giao diện Simulink 37 Hình 2.24: Simulink Library Browser .37 Hình 3.1: Sơ đồ vòng kín hệ thống 38 Hình 3.2: đồ thị khảo sát thông số Kp=1 39 Hình 3.3: đồ thị khảo sát thông số Kp=2 39 Hình 3.4: đồ thị khảo sát thông số Kp=3 40 Hình 3.5: đồ thị khảo sát thông số Kp=3, Ki=1 40 Hình 3.6: đồ thị khảo sát thông số Kp=3, Ki=3 41 Hình 3.7: đồ thị khảo sát thông số Kp=3, Kd=1 41 Hình 3.8: đồ thị khảo sát thông số Kp=3, Kd=4 42 Hình 3.9: đồ thị khảo sát thông số Kp=3, Kd=7 42 Hình 3.10: đồ thị khảo sát thông số Kp=1, Ki=1, Kd=1 43 Hình 3.11: đồ thị khảo sát thông số Kp=2, Ki=1, Kd=1 43 Hình 3.12: đồ thị khảo sát thông số Kp=3, Ki=1, Kd=1 44 Hình 3.13: đồ thị khảo sát thông số Kp=3, Ki=2, Kd=1 44 Hình 3.14: đồ thị khảo sát thông số Kp=3, Ki=3, Kd=1 45 8 GVHD: TS Hà Đắc Bình Đồ Án Tốt Nghiệp: Ball and Beam Hình 3.15: đồ thị khảo sát thông số Kp=3, Ki=1, Kd=2 45 Hình 3.16: đồ thị khảo sát thông số Kp=3, Ki=1, Kd=3 46 Hình 3.17: đồ thị khảo sát thông số Kp=3, Ki=1, Kd=4 46 Hình 3.18: Sơ đồ khối hệ thống chưa có bộ điều khiển .48 Hình 3.19: Mô phỏng hệ thống khi chưa có bộ PID 48 Hình 3.20: Sơ đồ khối hệ thống với bộ điều khiển P 49 Hình 3.21: Mô phỏng hệ thống với Kp 49 Hình 3.22: Sơ đồ khối hệ thống với bộ điều khiển PD .50 Hình 3.23: Mô phỏng hệ thống với Kp và Kd 50 Hình 3.24: Mô phỏng hệ thống sau khi tinh chỉnh .51 Hình 3.25: Hệ thống sau khi tinh chỉnh với giá trị đặt là 16 51 Hình 3.26: Hệ thống sau khi tinh chỉnh với giá trị đặt là 25 52 9 GVHD: TS Hà Đắc Bình Đồ Án Tốt Nghiệp: Ball and Beam DANH MỤC CÁC BẢ Bảng 1.1: các phương pháp điều chỉnh PID và ưu nhược điểm từng loại 16 Bảng 1.2: Ảnh hưởng của các hệ số PID 17 Bảng 1.3: Phương pháp Ziegler – Nichols 17 Y Bảng 2.1: Ký hiệu có trong động cơ điện 22 Bảng 2.2: Thông số động cơ dùng cho mô phỏng 23 Bảng 2.3: Bảng thông số kỹ thuật của Arduino R3 25 Bảng 2.4: Thông số kỹ thuật của HC-SR04 .26 Bảng 2.5: Thông số kỹ thuật RC Servo MG995 28 Bảng 3.1: Thông số dùng trong hàm truyền của hệ thống 38 Bảng 3.2: kết quả thử nghiệm thực tế 53 10 GVHD: TS Hà Đắc Bình