Đồ Án môn học hệ thống Điều khiển tự Động Ô tô tên Đề tài design and implementation of ball and beam control system

TÓM TẮTNghiên cứu, mô phỏng và thiết kế một mô hình thực nghiệm của hệ thống Ball and Beam sử dụng phương pháp điều khiển vòng lặp kín.. Lý do chọn đề tài Khi nghiên cứu về lý thuyết của

Tp Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2024

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KĨ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG Ô TÔ

Tên đề tài: Design and implementation of ball and

beam control system

GVHD: NGUYỄN TRUNG HIẾU

SVTH: NGUYỄN ĐĂNG KHOA

SVTH: LƯƠNG QUỐC ĐẠT

SVTH: NGÔ MINH PHÁT

SVTH: VÕ ĐÌNH GIA BẢO

SVTH: LÊ KHẮC DUYỆT

MSSV: 22145397 MSSV: 22145342 MSSV: 22145433 MSSV: 22145312 MSSV:22145332

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ

THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

TP Hồ Chí Minh, ngày 01 tháng 10 năm 2024

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN MÔN HỌC

NGUYỄN ĐĂNG KHOA LƯƠNG QUỐC ĐẠT NGÔ MINH PHÁT

VÕ ĐÌNH GIA BẢO

LÊ KHẮC DUYỆT

MSSV: 22145397 MSSV: 22145342 MSSV: 22145433 MSSV: 22145312 MSSV:22145332

Ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Ô Tô Khoa: Cơ Khí Động Lực

1 Tên đề tài

Design and implementation of ball and beam control system

2 Nhiệm vụ đề tài

Nghiên cứu, mô phỏng, thiết kế mô hình điều khiển tự động ball and beam

3 Sản phẩm của đề tài

Mô hình ball and beam và mạch điều khiển

TÓM TẮT

Nghiên cứu, mô phỏng và thiết kế một mô hình thực nghiệm của hệ thống Ball and Beam sử dụng phương pháp điều khiển vòng lặp kín Nhóm mong muốn xây dựng thành công một mô hình Ball and Beam với mà vị trí quả bóng được cân bằng có thể thay đổi tùy chỉnh Mô hình sử dung các cảm biến vị trí cùng motor encoder để điều khiển thanh ngang thay đổi góc nghiêng phù hợp sao cho quả bóng được cân bằng ở vị trí đã được định sẵn

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU _5 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH 6 Chương 1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 7 1.1 Lý do chọn đề tài 7 1.2 Mục tiêu của đề tài _7 1.3 Tình hình nghiên cứu 8 Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT _9 2.1 Thuật toán điều khiển PID và Fuzzy Logic [3] [4] _9 2.2 Mô hình động học của hệ thống ball and beam 11 Chương 3 MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM 12 3.1 Sơ lược về hệ thống điều khiển Ball and Beam _12 3.1.1 Đối tượng điều khiển và các thành phần cơ bản của hệ thống 12 3.1.2 Mô hình hóa hệ thống [5] _13 3.2 Kết quả mô phỏng và thiết kế _14 3.1.3 Thiết kế cơ khí của hệ Ball and Beam 14 3.1.4 Mô phỏng trên Simulink và SolidWorks 15 Chương 4 ĐÁNH GIÁ KẾT LUẬN _17 4.1 Đánh giá tính ổn định của hệ thống _17 4.2 Đánh giá tốc độ đáp ứng của phương pháp điều khiển 17 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 18

KẾ HOẠCH PHÂN CÔNG CHI TIẾT _19

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Chương 1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

1.1 Lý do chọn đề tài

Khi nghiên cứu về lý thuyết của điều khiển tự động, thì hệ thống Ball and Beam là một trong những hệ thống điển hình Hệ thống Ball and Beam thường được sử dụng cho việc giảng dạy và thí nghiệm các chương trình học có liên quan đến điều khiển như chuyên ngành

tự động hóa, cơ điện tử, kỹ thuật điện và các ngành học khác[1] Ngoài ra thì hệ thống Ball and Beam là một mô hình được sử dụng rộng rãi để nghiên cứu, kiểm tra và so sánh hiệu suất của các kỹ thuật điều khiển cổ điển lẫn hiện đại[2] Để nắmrõ được lý thuyết của một hệ thống điều khiển tự động thì mô hình Ball and Beam là phù hợp vì hệ thống không quá phức tạp về mặt động học mà có đầy đủ các yếu tố cơ bản của một hệ thống điều khiển tự động

1.2 Mục tiêu của đề tài

- Nắm rõ được nguyên lí cơ bản của thuật toán điều khiển bằng phương pháp PID và Fuzzy Logic

- Tính toán, nghiên cứu và đưa ra được hàm truyền dựa trên mô hình động học của hệ thống

- Mô phỏng hệ thống điều khiển trên phần mềm Solidworks

- Sử dụng phương pháp điều khiển bằng PID và Fuzzy Logic nhằm điều khiển mô hình

1.3 Tình hình nghiên cứu

Một số hướng nghiên cứu và phát triển hệ thống Ball and Beam thường tập trung vào các nội dung sau:

- Phân tích mô hình động học của hệ thống và đưa ra các tính toán

- Thử nghiệm và đánh giá phương pháp điều khiển PID dựa trên các thông số như độ vọt lố, thời gian đáp ứng, Từ đó điều chỉnh các thông số Kp,Kd,Ki để cải thiện độ

ổn định cũng như tốc độ của hệ thống

- So sánh, đánh giá sự khác nhau cũng như khả năng đáp ứng của các phương pháp điều khiển trên cùng một hệ thống

- Kết hợp nhiều phương pháp điều khiển khác nhau, ví dụ như kết hợp điều khiển mờ và PID, hoặc điều khiển trượt và mạng nơ-ron để tận dụng ưu điểm của từng phương pháp.

- Nghiên cứu các phương pháp điều khiển trượt để đối phó với tính phi tuyến và độ nhạy cảm của hệ thống Điều khiển trượt có khả năng giữ ổn định cho hệ thống với thời gian đáp ứng nhanh và giảm thiểu tác động của nhiễu.

- Thiết kế các mô phỏng trên MATLAB/Simulink hoặc các phần mềm điều khiển khác để đánh giá các phương pháp điều khiển trước khi thử nghiệm trên mô hình thực tế

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1. Thuật toán điều khiển PID và Fuzzy Logic [3] [4]

Phương pháp điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) là một trong những

kỹ thuật điều khiển phổ biến và cơ bản nhất trong lĩnh vực điều khiển tự động Nó được

sử dụng rộng rãi để điều khiển các hệ thống động học khác nhau, từ các quá trình công nghiệp đến các thiết bị điện tử

Bộ điều khiển PID bao gồm ba thông số chính:

 P (Proportional - Tỉ lệ): Thông số này liên quan trực tiếp đến sai số giữa giá trị thực tế và giá trị mong muốn Nó giúp giảm sai số một cách nhanh chóng Tuy nhiên, nếu chỉ sử dụng thông số P, hệ thống có thể dẫn đến hiện tượng dao động

và không đạt được độ ổn định cao

 I (Integral - Tích phân): Thông số I tích lũy sai số theo thời gian, giúp loại bỏ sai

số tĩnh (steady-state error) Điều này có nghĩa là ngay cả khi thông số P không thể đưa hệ thống về đúng giá trị mong muốn, thông số I sẽ dần dần điều chỉnh để đạt được điều này Tuy nhiên, nếu tích phân quá mạnh, nó có thể làm hệ thống phản ứng chậm hoặc dẫn đến hiện tượng dao động lớn

 D (Derivative - Vi phân): Thông số D dựa trên tốc độ thay đổi của sai số Nó giúp giảm thiểu hiện tượng dao động và cải thiện tính ổn định của hệ thống bằng cách dự đoán xu hướng của sai số trong tương lai Nếu chỉ sử dụng thông số D,

nó có thể làm tăng độ nhạy của hệ thống đối với nhiễu

Công thức toán học của bộ điều khiển PID là:

Fuzzy logic (lý thuyết mờ) là một nhánh của logic toán học, được phát triển bởi Lotfi Zadeh vào những năm 1960, nhằm xử lý các vấn đề không chắc chắn và không rõ ràng

mà logic truyền thống không thể giải quyết hiệu quả Lý thuyết mờ sử dụng các biến mờ (fuzzy variables) và tập mờ (fuzzy sets) để đại diện cho những khái niệm mơ hồ hoặc không rõ ràng, chẳng hạn như “nóng”, “mát”, “nhanh”, “chậm”, mà không cần phải xác định rõ ràng giá trị cụ thể

Bộ điều khiển mờ bao gồm ba thành phần chính:

Fuzzification (Mờ hóa): Chuyển đổi các giá trị đầu vào thực tế (còn gọi là giá trị

crisp) thành các biến ngôn ngữ mờ thông qua các hàm thuộc (membership functions) Ví

dụ, một giá trị nhiệt độ 30°C có thể được chuyển đổi thành các giá trị mờ như “ấm” hoặc

“nóng” với các mức độ thuộc tính khác nhau (ví dụ: 70% là “ấm” và 30% là “nóng”)

Inference Mechanism (Suy diễn mờ): Áp dụng các luật mờ (fuzzy rules) để đưa ra

quyết định dựa trên các giá trị mờ đầu vào Mỗi luật mờ có dạng:

Defuzzification (Giải mờ): Chuyển đổi kết quả từ dạng biến mờ (ngôn ngữ mờ)

sang giá trị thực để có thể áp dụng vào hệ thống Điều này giúp đưa ra các tín hiệu điều khiển chính xác dựa trên kết quả tính toán mờ

2.2. Mô hình động học của hệ thống ball and beam

Một hệ ball and beam bao gồm các phần tử sau:

 Quả cầu (ball) có khối lượng mmm và bán kính r

 Thanh (beam) dài L, có khối lượng không đáng kể so với quả cầu.

 Momen quán tính của quả cầu: J =25m r2

Tuy nhiên cần lưu ý là quả cầu chỉ có thể lăn trên thanh và không xảy ra hiện tượng trượt (không có ma sát trượt giữa quả cầu và thanh) Đối với hệ ball and beam có rất nhiều thiết kế, cụ thể có thể bố trí hai motor để điều khiển thanh ngang nhưng ở đây chỉ

mô tả hệ ball and beam sử dụng một motor để điều khiển vì đây là hệ ball and beam đơn giản nhất

Khi motor quay thì một thanh truyền sẽ được nối giữa motor và thanh ngang để chuyển động quay của motor thành chuyển động tịnh tiến của thanh ngang Khi thanh ngang chuyển động tịnh tiến thì góc nghiêng của thanh ngang so với vị trí ban đầu là  Góc nghiêng  thay đổi khiển quả bóng bắt đầu chuyển động

Chương 3 MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM 3.1 Sơ lược về hệ thống điều khiển Ball and Beam

3.1.1 Đối tượng điều khiển và các thành phần cơ bản của hệ thống

Về đối tượng điều khiển của mô hình Ball and Beam thì mong muốn đầu ra là vị trí của quả bóng phải phù hợp với setpoint đã đặt trước,để vị trí quả bóng thay đổi thì ta phải điều khiển thanh ngang nghiêng cho phù hợp

Cơ cấu chấp hành trong hệ Ball and Beam bao gồm thanh truyền và motor encoder, motor xoay sẽ khiến thanh truyền di chuyển tịnh tiến và làm thay đổi góc nghiêng thanh ngang

Các cảm biến vị trí hay cảm biến siêu âm sẽ đóng vai trò là tín hiệu phản hồi cho hệ thống, tạo nên một hệ thống điều khiển vòng lặp kín

[7]

3.1.2 Mô hình hóa hệ thống [5]

Từ mô hình lý thuyết ta sử dụng các phương trình vật lí để tính toán cho hệ thống

Áp dụng định luật II Newton ta có:

F rx +F tx ¿−mg sin α

⇒( J

R2+m)¨x ¿−mg sin α

Dưa trên biểu diễn hình học như sau ta có thể tính toán được mối liên hệ giữa góc α

với các đại lượng khác như sau bằng phương trình:

α ≈ arcsin [d

L sin θ]

Khi góc θ nhỏ ta có :

α ≈ d

L sin θ

(1)

Khi đã có được phương trình dựa trên định luật II Newton ta áp dụng phép biến đổi Laplace cho phương trình (1) và kết quả được phương trình sau:

( J

R2+m)s2X ( s)=−mg d

L θ ( s)

Dựa vào phương trình (2) ta tính toán được hàm truyền của hệ thống như sau:

G B ( s)= X ( s)

θ ( s)= −

mgd

( J

R2+m)L(1

s2)

Vì quả bóng là quả cầu rỗng nên momen quán tính J =52m r2, thay J vào phương trình (3) ta được hàm truyền như sau:

G B ( s)= X ( s)

θ ( s)=−7

d

L(1

s2)

3.2 Kết quả mô phỏng và thiết kế

3.1.3 Thiết kế cơ khí của hệ Ball and Beam

Mô hình cơ khí Ball and Beam của đề tài có cấu trúc tương tự như một số mô hình phổ biến Các thành phần chính của mô hình bao gồm giá đỡ, cơ cấu quay, cơ cấu thanh ngang và cố định cảm biến

Phần giá đỡ được làm từ các thanh nhôm định hình, sau khi thực hiện cắt và hàn sẽ tạo thành khung để cố định motor encoder, thanh ngang và khung cảm biến

Để cụ thể hơn nhóm đã tiến hành thực hiện bản vẽ trên phần mềm SolidWorks, kết quả mong muốn đạt được tương tự như hình vẽ bên dưới Ngoài ra cần xem xét phương pháp thi công cơ cấu xoay và thanh truyền để đảm bảo tính ổn định của hệ thống

(2)

(3)

3.1.4 Mô phỏng trên Simulink và SolidWorks

Sau khi thực hiện mô hình hóa hệ thống thì kết quả đạt được là hàm truyền như sau:

G B ( s)= X ( s)

θ ( s)=−7

d

L(1

s2)

Thay các thông số thiết kế cơ khí vào hàm truyền kết hợp với việc lựa chọn các thống số Kp, Kd, Ki phù hợp đã cho ra kết quả mô phỏng trên Matlab-Simulink

Ngoài ra sau khi áp dụng phương pháp điều khiển Fuzzy Logic, xây dựng bảng luật

mờ thì nhóm cũng đã mô phỏng tương tự trên Matlab-Simulink

So sánh kết quả của hai phương pháp điều khiển sau khi mô phỏng cho ta thấy kết quả như sau:

Chương 4 ĐÁNH GIÁ KẾT LUẬN

4.1 Đánh giá tính ổn định của hệ thống

4.2 Đánh giá tốc độ đáp ứng của phương pháp điều khiển

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Research on Control Scheme Based on Ball & Beam System Peifeng Zhuang, Peng Zuo, Shuaibing Huang, Jiahui Feng, Ruei-Yuan Wang, Ho-Sheng Chen* Guangdong University of Petrochem Technology (GDUPT), Maoming

525000, China

[2] Implementation of ball and beam system using classical and advanced control techniques, Ejaz Muhammad, Shahid Latif, Umair Naeem, Department

of Electrical Engineering HITEC University Taxila Cantt, Pakistan

[3] Điều khiển PID mờ cho hệ ball in tube: Đồ án tốt nghiệp ngành công nghệ

kỹ thuật điều khiển và tự động hóa / Đào Anh Quân, Nguyễn Hoàng Thuật; Nguyễn Phong Lưu, Lê Thị Thanh Hoàng (Giảng viên hướng dẫn) TP Hồ Chí Minh: Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh, 2024.Call no.: ĐTĐ-51 629.8 Đ211-Q141

[4] Thiết kế bộ điều khiển PID đồng bộ cho Robot song song 4 bậc tự do: Luận văn thạc sĩ ngành Kỹ thuật điện tử/ Đoàn Thanh Tú; Trần Đức Thiện (Giảng viên hướng dẫn) Tp Hồ Chí Minh: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh, 2023.Call no.: 8520203 629.893 Đ631-T883Quách Thanh Hải, “ Giáo trình điện tử công suất”, NXB Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, 2021 [5] Modeling and control of Ball and Beam system Santosh Anand, Rajkishore Prasad, Research Scholar, P G Department of Electronics, B R A Bihar University

[6] Department of Mechanical Engineering Faculty of Engineering King Mongkut’s Institute of Technology Ladkrabang INTERACTIVE VIRTUAL EXPERIMENTAL SETUP FOCONTROL SYSTEMS ON THE UNITY GAME ENGINE Mr Tanaphon Sriyim, Ms Tanaporn Sutham

KẾ HOẠCH PHÂN CÔNG CHI TIẾT