khảo sát các phương pháp điều khiển trên hệ con nêm ngược Luận văn thạc sỹ kĩ thuật

o Sau quá trình học cao học và thực tế nghiên cứu, với mong muốn có thiết bị đểkhảo sát một số thuật toán điều khiển cân bằng phục vụ cho nghiên cứu giải thuậtđiều khiển ứng dụng t

-I-BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO -I-BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM

-II-BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO -II-BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM

-III-LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân, được xuất phát từ yêu cầuphát sinh trong công việc, hình thành nên định hướng nghiên cứu Các số liệu có nguồngốc rõ ràng tuân thủ đúng nguyên tắc và kết quả trình bày trong luận văn được thu thậptrong luận văn là trung thực chưa từng được ai công bố trước đây!

Người cam đoan

Học viên Trần Văn Thành

-IV-LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Ts Hoàng Minh Trí, xinmãi khắc ghi công lao mà thầy đã tận tình hướng dẫn, góp ý và động viên tôi trongquá trình thực hiện đề tài này

Xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trực tiếp tham gia giảng dạy lớp Cao họcTĐH 08, quý thầy cô Phòng Khoa học công nghệ trường Đại học Giao Thông VậnTải TP.HCM, các bạn lớp Cao học tự động hóa 2008 đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trongsuốt thời gian khóa học vừa qua

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến thầy NGUT Ts Đỗ Hữu Tài-Hiệu trưởng Trường

ĐH Lạc Hồng, thầy PGs.Ts Nguyễn Ngọc Phương-Trưởng Khoa Cơ Điện cùng cácbạn đồng nghiệp đã tạo điều kiện tốt nhất về thời gian cho tôi để hoàn thành đề tàinày

Tôi mãi ghi nhớ công lao của cha mẹ, vợ và các anh em trong gia đình đã hếtlòng quan tâm và hỗ trợ để tôi toàn tâm, toàn ý thực hiện mục tiêu của mình

Học viên Trần Văn Thành

-V-MỤC LỤC

Lời cam đoan I Lời cảm ơn II Mục lục III Danh mục hình ảnh V Danh mục bảng và các từ viết tắt VII

Mở đầu VII

Chương 1 : Tổng quan 01

1.1 Mô tả hệ thống nêm ngược và mục tiêu điều khiển 01

1.2 Phân tích đánh giá các công trình của các tác giả trong và ngoài nước 02 1.3 Những vấn đề tồn tại luận văn tập trung giải quyết 06

Chương 2 Những nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết 08

2.1 Mô hình nêm ngược 08

2.2 Phương pháp định các thông số của mô hình và lựa chọn thiết bị 12

2.3 Phương pháp xác định mô hình toán hệ nêm ngược 25

2.4 Lý thuyết điều khiển hệ nêm ngược 32

Chương 3 Kết quả và bàn luận 46

3.1 Các thông số mô hình và nêm 46

3.2 Mô hình toán hệ nêm ngược 46

3.3 Bộ điều khiển dùng phương pháp LQR 47

3.4 Kết quả thực nghiệm bộ điều khiển LQR 53

3.5 Bộ điều khiển mờ 58

-VI-3.6 Kết quả thực nghiệm bộ điều khiển mờ 62

Chương 4 Kết luận 63

4.1 Những vấn đề luận văn đã thực hiện được 63

4.2 Những vấn đề luận văn chưa đạt được 64

4.3 Kiến nghị hướng nghiên cứu phát triển 65

Tài liệu tham khảo 66

-VII-DANH MỤC HÌNH VẼ

-IX-DANH MỤC BẢNG

CÁC TỪ VIẾT TẮT

o Thực tế hiện nay, việc học môn cơ sở điều khiển tự động đều dựa trên lý thuyếttoán học thuần túy, gây sự khó hiểu cho sự tiếp cận, học hỏi Cần thiết phải cónhững mô hình phục vụ cho việc kiểm chứng các thuật toán điều khiển

o Con nêm ngược là một robot hai chiều với hai bậc tự do và 1 ngõ vào Mục đích

là tìm bộ điều khiển số giữ cân bằng con nêm ngược bằng cách dịch trọng lực trênđỉnh nêm Do nó kém ổn định và có mô hình phi tuyến phức tạp nên hệ con nêmngược thường được dùng để kiểm tra các thuật toán mới và phân tích so sánh giữacác phương pháp điều khiển

o Sau quá trình học cao học và thực tế nghiên cứu, với mong muốn có thiết bị đểkhảo sát một số thuật toán điều khiển cân bằng phục vụ cho nghiên cứu giải thuậtđiều khiển ứng dụng trong hệ robot sau này Được sự hướng dẫn và chỉ bảo củathầy Ts Hoàng Minh Trí, tôi đã tiến hành nghiên cứu và xây dựng mô hình connêm ngược Sau 1 năm làm đề tài, tôi đã xây dựng thành công mô hình cái nêmngược với các phần cứng phù hợp (trải qua 3 version nâng cấp), đã thực hiện xâydựng mô hình toán học hệ phi tuyến của mô hình, xây dựng phương trình toán

tuyến tính và phi tuyến trên mô hình toán nhằm đánh giá chất lượng các thuậttoán điều khiển, chọn ra thuật toán phù hợp nhất cho mô hình nêm ngược.

-XI-2 Mục đích nghiên cứu

o Tính toán xây dựng mô hình nêm ngược

o Xác định các thông số của hệ thống

o Xây dựng mô hình toán học phi tuyến

o Tuyến tính hóa mô hình toán học phi tuyến

o Khảo sát một số thuật toán điều khiển tuyến tính và phi tuyến trên mô hình toán

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

o Xây dựng mô hình nêm ngược

o Xác định các thông số của nêm ngược

o Xây dựng mô hình phi tuyến của nêm ngược, tuyến tính hóa mô hình phi tuyến

o Tiến hành điều khiển mô phỏng trên mô hình phi tuyến và mô hình tuyến tính

o So sánh kết quả điều khiển

4 Ý nghĩa khoa học:

o Xây dựng phiên bản con nêm ngược cho Việt Nam phù hợp với điều kiện thiết bị

o Nghiên cứu xây dựng mô hình toán phi tuyến và mô hình toán tuyến tính cho hệ

o Khảo sát một số thuật toán điều khiển cân bằng trong phòng thí nghiệm

5 Ý nghĩa thực tiển của đề tài nghiên cứu:

o Xây dựng mô hình thí nghiệm cho phòng thí nghiệm tự động để khảo sát các giảithuật điều khiển cân bằng

o Làm tiền đề phát triển điều khiển cân bằng trọng tâm robot hình người

-XII-6 Nhiệm vụ nghiên cứu:

o Nghiên cứu MatLab hoạt động trong thời gian thực

o Nghiên cứu xây dựng mô hình toán hệ con nêm ngược

o Nghiên cứu xây dựng mô hình thực nghiệm hệ con nêm ngược

o Nghiên cứu điều khiển dùng máy tính thông qua chuẩn PCI-1711

o Nghiên cứu xây dựng board giao tiếp giữa card PCI-1711 với hệ nêm ngược

o Nghiên cứu sử dụng board PCI-1711

o Mô phỏng hệ nêm ngược trong phần mềm MatLab

o Thực nghiệm điều khiển hệ nêm ngược trên mô hình thực

o Nhận xét kết quả thực nghiệm

7 Phương pháp nghiên cứu:

o Nghiên cứu mô hình lý thuyết

o Tiến hành mô phỏng, lựa chọn phương pháp điều khiển tối ưu

o Xây dựng mô hình thực

o Sử dụng thuật toán mờ, điều khiển hệ nêm, đưa ra kết luận kiểm chứng lại lýthuyết

8 Kết quả nghiên cứu:

o Mô hình cơ khí hệ nêm ngược

o Mô hình toán học phi tuyến hệ nêm ngược

o Tuyến tính hóa mô hình phi tuyến hệ nêm ngược

o Khảo sát một số thuật toán điều khiển

o Nhận xét kết quả điều khiển

-XIII-Chương 1 - TỔNG QUAN

Hệ thống nêm ngược là một hệ thống có hình dạng cái nêm ngược, trong đó phần lưỡi

O được cố định trên một trục xoay

Hình 1.1 Nêm ngược với vật nặng trượt trên lưng nêm AB

Phần vật nặng, hoặc là loại vật nặng được điều khiển trượt trên lưng nêm AB (Hình1.1) hoặc loại 2 vật nặng (Hình 1.2) được điều khiển trượt trên OA và OB để làm lệchtrọng tâm nêm

Hình 1.2 Nêm ngược với vật nặng trượt trên OA và OB

O

O

Thường tại vị trí đầu nêm nằm ở một bên, tức cạnh bên OA hoặc OB tại thời điểm đó

-XIV-có xu hướng song song với mặt đất Nếu vật nặng trượt qua lại, sẽ làm cho trọng tâmnêm thay đổi → nêm rời khỏi vị trí đứng yên và dao động quanh điểm cân bằng theo sựthay đổi của trọng tâm nêm Như vậy, hệ nêm ngược là một hệ không ổn định, khikhông điều khiển hệ có xu hướng đổ về 2 bên

Mục tiêu điều khiển hệ là tìm giải thuật để giữ cân bằng hệ quanh một điểm cân bằngđặt trước

1.2.1 Các công trình ngoài nước

Năm 1993, trong luận văn thạc sĩ của Chun-Hsiang Tsai đã đề cập đến việc sử dụngDSP điều khiển hệ nêm ngược dùng giải thuật Fuzzy và LQR

Hình 1.3 Mô hình của Chun-Hsiang Tsai

Mô hình nêm ngược được thực hiện bởi trường Đại học Ohio, năm 2001, thực hiện giảithuật điều khiển GA cho hệ nêm ngược

-XV-Hình 1.4 Mô hình của nhóm tác giả trường Đại học Ohio

Năm 2003, Jeng-Hann Li cũng đã thực hiện khảo sát điều khiển hệ nêm ngược trongluận văn tiến sĩ dùng giải thuật Fuzzy Sliding-Mode Control ở trường National ChengKung University Tainan, Đài Loan

Hình 1.5 Mô hình của trường ĐH ChengKung, Đài loan

Một dạng khác của hệ nêm ngược được điều khiển dùng thuật toán LQR, thực hiện bởitrường đại học Zagreb, Croatia năm 2003 Ở hệ con nêm này, một xilanh khí nén đượcđiều khiển dùng một van tuyến tính điều khiển vật nặng trượt qua lại

-XVI-Hình 1.6 Mô hình của trường ĐH Zagreb, Croatia

Mô hình nêm ngược, dự án cho sinh viên Unibertsitatea Mondragón (Basque Country)được thực hiện năm 2008

Hình 1.7 Mô hình nêm ngược ở Basque Country

Mô hình nêm ngược do phòng thí nghiệm NeitherLand sử dụng phương pháp điềukhiển dùng LQR kết hợp bộ quan sát trạng thái và tích phân sai lệch được thực hiệnnăm 2009

Hình 1.8 Mô hình nêm ngược ở phòng thí nghiệm NeitherLand

Phân tích đánh giá :

o Mục tiêu của dạng điều khiển hệ nêm là chuyển hệ thống từ chổ mất cân bằng

o Thuật toán điều khiển LQR là phương pháp tiếp cận thông dụng nhất đối với

mô hình dạng này Ngoài ra, các dạng bộ điều khiển khác như Fuzzy, GA, SMC

và FSMC

1.2.2 Các công trình trong nước

Mô hình hệ nêm ngược được đưa vào khảo sát lần đầu tại Việt Nam vào năm 2008, vớiđề tài “Thiết kế bộ điều khiển cho con nêm ngược” của học viên Nguyễn Văn Hậu (ĐHGTVT Tp HCM)

Năm 2009, học viên Võ Bá Thi (ĐHBK Tp HCM) thực hiện đề tài “Nghiên cứu giảithuật điều khiển hệ con nêm ngược” thực hiện khảo sát hệ con nêm với bộ điều khiểnmờ và điều khiển mờ thích nghi trực tiếp

Tháng 8 năm 2011, nhóm nghiên cứu Trần Văn Thành, Phạm Xuân Vũ thực hiệnnghiên cứu “Điều khiển mờ hệ nêm ngược” báo cáo tại Hội nghị @ Cần Thơ

Năm 2011, học viên Đặng Hữu Phúc (ĐH GTVT Tp HCM) thực hiện đề tài “Thiết kếbộ điều khiển hệ con nêm ngược” dùng giải thuật Fuzzy-SMC-PID điều khiển hệ nêmngược

-XVIII-Hình 1.9 Mô hình hệ nêm của học viên Võ Bá Thi

Qua việc khảo sát đánh giá kết quả thực hiện nghiên cứu vấn đề nêm ngược trong vàngoài nước, nhận thấy rằng ở nước ngoài đã có một số bài báo đề cập đến việc xâydựng mô hình toán, tuyến tính hóa hệ thống quanh điểm cân bằng, xác định các giảithuật điều khiển trên mô hình này sử dụng các giải thuật LQR, Fuzzy, Adaptive-Fuzzy,GA- Fuzzy, SMC, Fuzzy-SMC, Fuzzy-SMC-PID,…

1.3.1 Những vấn đề còn tồn tại trong nước

Tại Việt nam, mặc dù mô hình nêm ngược đã được đưa vào khảo sát năm 2008, 2009,

2011 với việc đưa ra các thuật toán mô phỏng trên các mô hình toán của các phòng thínghiệm trên thế giới Tuy nhiên chưa một mô hình nào được điều khiển chạy ổn địnhthực nghiệm Điều này minh chứng cho sự khó khăn trong việc xây dựng mô hình cơkhí của hệ thống, xác định đúng các thông số của mô hình, xây dựng đúng mô hìnhtoán của mô hình, việc tuyến tính hóa mô hình và việc tìm ra giải thuật điều khiển phù

-XIX-1.3.2 Mục tiêu đề tài hướng đến giải quyết

Bài toán nêm ngược là một bài toán khó chưa được giải quyết tại Việt Nam với điềukiện thiết bị tại Việt Nam Đề tài nhắm đến việc nghiên cứu xây dựng mô hình nêmngược dựa trên những thiết bị sẵn có tại Việt Nam, xây dựng mô hình toán phi tuyếncủa hệ nêm phục vụ cho việc khảo sát các thuật toán điều khiển phi tuyến, điều khiểnthông minh Đề tài cũng thực hiện tuyến tính hóa mô hình phi tuyến để tạo ra mô hìnhtuyến tính, phục vụ cho việc khảo sát các thuật toán điều khiển hiện đại, điều khiểnkinh điển Ngoài ra, đề tài cũng sử dụng một số phương pháp điều khiển như LQR,Fuzzy điều khiển thực tế trên mô hình để minh chứng cho kết quả thực hiện

-XX-Chương 2 - NHỮNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ LÝ THUYẾT

2.1 Mô hình hệ nêm ngược

Máy tính được cài phần mềm MatLab, lắp đặt card PCI-1711, cài driver cho card CardPCI-1711 làm nhiệm vụ thu thập dữ liệu và xuất tín hiệu điều khiển các thiết bị thôngqua mạch giao tiếp ADAM-3968.

-XXI-Dữ liệu độ lớn vị trí, góc lệch của hệ nêm được đưa vào card PCI-1711 thông qua ngõvào analog của mạch giao tiếp ADAM-3968 với dãi áp từ 0÷5 VDC

Vận tốc và chiều của động cơ được xuất ra từ card PCI-1711 thông qua mạch giao tiếpADAM-3968 với độ lớn vận tốc được xuất ra ngõ ra analog dưới dạng áp 0÷5 VDC vàchiều được xác định qua một ngõ ra on/off Dữ liệu analog được đưa vào card tự thiết

kế analog →PWM làm nhiệm vụ chuyển đổi dữ liệu analog thành tín hiệu PWM Dữliệu này được đưa qua mạch khuếch đại cầu H với tín hiệu chiều được lấy từ mạch giaotiếp ADAM-3968

2.1.2 Nguyên lý hoạt động cơ bản của hệ nêm ngược

Hệ con nêm ngược được mô tả ở Hình 2.2 là một hệ không ổn định Khi không có điềukhiển, hệ sẽ đổ nghiêng về 2 bên Điều khiển hệ nêm ngược là điều khiển vật nặng (4)trượt trên (5) để hệ nêm giữ cân bằng

1

4

3 5

6

2

Hình 2.2 Mô hình hệ con nêm ngược

(1) Ổ bi trục xoay, có gắn biến trở để xác định góc nghiêng của nêm.

-XXII-(2) Mô hình cơ khí nêm

(3) Thanh trượt vật nặng (động cơ)

(4) Động cơ servo đóng vai trò vật nặng

(5) Điện trở dây quấn

(6) Giá đỡ giảm chấn

Giả sử, tại thời điểm đầu, hệ nằm ổn định ở bên phải (Hình 2.2) Khi bắt đầu điềukhiển, vật nặng (xe) được bộ điều khiển chạy về hướng theo chiều ngược lại Tới một

vị trí nào đó, khi tổng trọng lực của xe và lực quán tính của xe lớn hơn trọng lực nêm,góc lệch hệ thống sẽ bắt đầu chuyển động hướng về vị trí cân bằng Vật nặng phảiđược điều khiển qua lại sao cho trọng lực hệ cân bằng với lực quán tính + trọng lực xe

để hệ thống nằm ở vị trí cân bằng

2.1.3 Mô hình nêm ngược

Dựa trên nguyên lý hoạt động đã trình bày ở trên, đề tài tiến hành xây dựng và kiểmnghiệm độ ổn định của mô hình qua 3 version được mô tả như ở dưới đây Phần nàygiới thiệu mô hình cơ khí đã thiết kế, các phương pháp đo các thông số đang sử dụngtrong mô hình, mạch cảm biến đo góc, đo vị trí vật nặng trên nêm, board công suấtdùng điều khiển động cơ, board giao tiếp ADAM3968 và các thông số kỹ thuật của môhình

Cấu hình cơ khí

-XXIII-Hình 2.3 Mô hình version 1 thi công hoàn tất

Mô hình cơ khí version 1 được làm bằng nhôm 1 li, trong đó động cơ được đặt 1 bên,bên còn lại được gắn một khối sắt để cân bằng với động cơ Mô hình sử dụng 2encoder với độ phân giải 2500 xung/vòng quay để xác định góc và vị trí Hai mạchđếm xung 4X được thiết kế để đưa xung đếm về card PCI-1711 được dùng để thửnghiệm hệ thống

Nhược điểm:

 Bộ làm bằng nhôm → khung yếu

 Cần bộ điều khiển có 2 ngõ vào bộ đếm xung 4x

 Không đặt được giá trị góc ban đầu

Hình 2.4 Mô hình version 2 thi công hoàn tất

Qua quá trình khảo sát, các kết quả thử nghiệm trên version đều đạt mục tiêu đáp ứngthời gian thực và tuyến tính.

Hình 2.5 Mô hình version 3 thi công hoàn tất

Với mô hình thiết kế đã hoàn thành, tuy nhiên một số thông số không thể tham khảohoặc đo trực tiếp → Cần đo và xác định gián tiếp.

-XXV-2.2.1 Trọng tâm nêm

Được xác định bằng cách treo nêm ở hai góc, vẽ đường thẳng đứng để tìm giao điểmcủa chúng Khoảng cách tính từ gốc nêm đến giao điểm là h Điểm chấm trong Hình2.6 là trọng tâm nêm

Treo nêm theo chiều đáy Treo nêm ở cạnh bên

Hình 2.6 Phương pháp xác định trọng tâm nêm

Quá trình thực nghiệm cho kết quả d 2 0.11m.

2.2.2 Quán tính nêm (F ) qtn

Được xác định bằng phương pháp treo ngược nêm, kéo cánh nêm ra khỏi vị trí cânbằng một góc  nhỏ (Hình dưới) và đo chu kì dao động của nó

-XXVI-Hình 2.7 Phương pháp xác định quán tính nêm

Từ công thức tính chu kì của nêm được tính bằng công thức:

 M: Khối lượng của nêm (kg)

Sau quá trình nghiên cứu thử nghiệm với nhiều phương pháp đo như khác như encodervới bộ đếm 1x, 4x Đề tài quyết định sử dụng biến trở than để đo góc với phương pháp

đo được thực hiện như sau

Đáp ứng biến trở than có đường đặc tuyến V/R có dạng như Hình 2.7a

Anti-logTuyếntính

Log Khác

Hình 2.8 Khảo sát đáp ứng các loại biến trở

Nhận xét: Theo bản thống kê đáp ứng của biến trở ở Hình 2.8, hầu hết đáp ứng của

biến trở than, khi nằm trong khoảng từ 0→30 độ đều xấp xỉ tuyến tính bất chấp là biến

trở thuộc loại gì! Chính vì vậy, việc lựa chọn biến trở than được sử dụng trong luận vănhoạt động trong khoảng 0→30 độ là chấp nhận được.

-XXVIII-Vấn đề đặt ra đối với việc sử dụng điện trở là khoảng dao động của nêm quá bé (max =

0

30 ) nên nếu mắc điện áp 5V ở hai đầu biến trở than (1 vòng quay 270) thì giá trị góc

quay khi thay đổi từ 0→300làm biến thiên điện áp trong khoảng từ 0→0.56V, quá bé

để có thể nhận dạng được vị trí góc một cách chính xác

Hình 2.9 Sơ đồ kết nối biến trở đo góc xoay của nêm

Hình 2.10 Biến trở đo góc lệch nêm

-XXIX-Để khắc phục được tình trạng trên, luận văn thực hiện mắc nối tiếp 2 biến trở như sơ

đồ Hình 2.8a, với điện trở VR1 (1k k ), VR2 (5 k ) Chỉnh biến trở VR2 đạt giá trị lớn nhất (5 k ), chỉnh biến trở VR1 với góc quay lớn nhất của nêm (300), đặt điện ápđặt vào Vcc = 12VDC vào chân giữa của biến trở VR2 Chỉnh biến trở VR2 nhỏ dầngiá trị cho đến khi giá trị đo được giữa chân mass và Vout của VR1= 5VDC Lúc nàykhi góc quay giữa 0-300tương ứng điện áp sẽ nằm trong khoảng 0-5VDC Biến trởVR1 gắn đồng trục với trục quay nêm

Giá trị góc đo được đưa vào bộ điều khiển qua ngõ vào analog của Card PCI-1711 Dogiá trị Vout của VR1 khó có thể là 0V, ta đặt giá trị bé nhất của Vout là V offset và giá trịlớn nhất Vout của VR1 khó là 5V, ta đặt giá trị lớn nhất của Vout là Vmax Giá trị góc sẽ

được tính theo quy tắc tam suất

Trong đó, Vmaxlà điện áp đo được ở của điện áp ngõ ra lúc nêm ở vị trí góc nghiêng cho

điện áp lớn nhất, V offsetlà điện áp đo được của điện áp ngõ ra lúc nêm ở góc nghiêng chođiện áp nhỏ nhất, V là giá trị điện áp tức thời tương ứng với thời điểm góc nghiêng đạtgiá trị 

tham chiếu của biến trở khi đạt số vòng quay lớn nhất (giới hạn tận cùng khi vật nặngchạy về bên trái) và V offsetlà điện áp tương ứng với vị trí bé nhất của biến trở (giới hạntận cùng khi vật nặng chạy về bên phải) Vị trí x tương ứng với điện áp V tức thời đượctính theo [6]:

-XXXI-Như vậy, khi giá trị analog này càng lớn giá trị duty cycle càng lớn trong khi đó tần sốcủa PWM được giữ cố định

Hình 2.13 Mạch cầu H điều khiển động cơ DC

Mạch cầu H điều khiển động cơ DC servo được sử dụng trong luận văn phải có khảnăng đảo chiều nhanh và dẫn dòng lớn Trong mạch cầu H người thực hiện đề tài sửdụng IC IR2184 để làm driver cho FET trong cầu H Với nguyên lý hoạt động củamình, các IC driver được sử dụng trong mạch sẽ nhận tín hiệu PWM và sẽ đóng cácFET tương ứng để làm cho động cơ quay theo chiều xác định Sơ đồ nguyên lý của cầu

H được mô tả như Hình 2.10a

2.2.6 Động cơ

Động cơ được sử dụng để làm vật nặng (xe) được chọn là loại TS3229N E của công tyTamagawa Seiki Các thông số kỹ thuật của động cơ được công ty cung cấp kèm theomanual:

-XXXII-Bảng 2.1 Các thông số của động cơ TS3229N E

Tốc độ định mức 4.000 Vòng/phút

Hằng số moment xoắn 0.045 Nm/AHằng số sức điện động hồi

Card PCI-1711 được dùng để giao tiếp với các thiết bị điều khiển để tận dụng tốc độlấy mẫu, khả năng giao tiếp với nhiều ngõ vào ra analog, số, bộ đếm tốc độ cao thờigian thực.

-XXXIII-Hình 2.14 Card PCI-1711

Sơ đồ bus và card giao tiếp ADAM-3968

-XXXIV-Hình 2.15 Sơ đồ bus và card giao tiếp ADAM-3968

Các kí hiệu trên Card

Bảng 2.2 Giải thích các kí hiệu trên Card PCI-1711

AI<0 15> AIGND Ngõ vào Ngõ vào analog từ kênh 0 đến kênh 15

AO0/1_OUT AOGND Ngõ ra Ngõ ra analog 0/1

DI<0 15> DGND Ngõ vào Ngõ vào số từ kênh 0 đến kênh 15

DO<0 15> DGND Ngõ ra Ngõ ra số từ kênh 0 đến kênh 15

-XXXV-2.2.8 MatLab Simulink và Realtime Windows Target

Phần mềm MatLab được dùng rộng rãi trong lý thuyết điều khiển trong việc mô phỏngtính toán do sự hỗ trợ đầy đủ và kế thừa liên tục của nhiều nhà khoa học trên thế giới

Phần mềm Simulink là một công cụ của MatLab hỗ trợ mô phỏng hệ thống Phần mềm này có thể kết hợp với thư viện Realtime Windows Target để thực hiện điều

khiển thời gian thực các hệ thống tự động

Đề tài nghiên cứu sử dụng Card PCI-1711 thực hiện điều khiển thời gian thực hệ con

nêm ngược sử dụng công cụ Simulink với sự hỗ trợ của thư viện Realtime Windows

Target.

Các bước chuẩn bị sử dụng thư viện Realtime Windows Target

1 Khởi động Matlab và thay đổi thư mục lựa chọn vào thư mục chứa chươngtrình soạn thảo Thường các thư mục này nên để ở Desktop

2 Chọn biểu tượng Simulink hoặc gõ lệnh simulink ở dấu nhắc trong cửa sổ

Matlab, chọn New ở góc trái màn hình

3 Từ trình duyệt thư viện, kéo thả các linh kiện vào vùng làm việc mô phỏng

(Simulink workspace): Step blocks (trong Sources), Sum (hoặc Add) block

và Gain block (trong khối Math Operation), Analog Input (A/D) và Analog

Output (D/A) blocks (trong Real Time Windows Target), và khối Scope

(trong khối Sinks).

4 Ở trên cùng bên phải màn hình soạn thảo Simulink model, thay đổi thời gian

từ 10.0 đến khoảng thời gian ta muốn chạy, và thay đổi mode hoạt động từ

Normal sang External.

5 Kết nối các khối với nhau và thiết lập các tham số cho từng khối Thiết lập tất

cả thời gian lấy mẫu là T Ta sẽ gán giá trị thời gian lấy mẫu trong chươngtrình Matlab

-XXXVI-6 Các tham số khối scope được thiết lập như dưới đây: Click chọn tab thứ hai

trên đầu của khối scope block Trong tab Data History bỏ lựa chọn Limit

data points to last, chọn Save data to workspace và gõ vào tên biến Trong Under Structure chọn Array Xem bảng thông số phía dưới biết một ví dụ về

tham số của ngõ ra Analog Output và ngõ vào Encoder Input Blocks.

7 Click chọn tab Simulation và lựa chọn các tham số Conguration Parameters:

Size gõ biến lấy mẫu T Thời gian lấy mẫu được thiết lập trong chương

trình m-file của Matlab với lệnh T=0.001

chọn rtwin.tlc (Real Time Windows Target).

8 Trong tab Tools chọn External Mode Control Panel Chọn Signal &

Trig-ger và thiết lập trong khoảng 100000.

9 Nếu lần đầu tạo mô hình, trong Tools tab chọn Real-Time Workshop, Build

Model (Có thể nhấn CTRL-B để thực hiện tương tự).

10 Click chọn Connect to Target Chọn play để thực hiện điều khiển thời gian thực Thiết lập các tham số dưới trong khối ngõ vào Analog Input và khối En-

coder Output (Các tham số không trình bày ở đây có thể giữ giá trị mặc

nhiên)

-XXXVII-2.3 Mô hình toán hệ nêm ngược

2.3.1 Phân tích các lực tác động lên hệ nêm ngược

Hình 2.16 Phân tích lực tác động lên hệ con nêm

Tác động lên hệ nêm, tại một thời điểm bao gồm các lực chính sau:

Trường hợp (a): Nêm ở vị trí cân bằng, vị trí xe ở vị trí cân bằng nhưng gia tốc xe có

xu hướng tiến về bên trái → nêm nghiêng về bên bên trái

Trường hợp (b): Nêm ở vị trí cân bằng, vị trí xe ở vị trí cân bằng nhưng gia tốc xe có

xu hướng tiến về bên phải → nêm nghiêng về bên phải

Trường hợp (f): Nêm nghiêng về một bên, vị trí vật ở chiều ngược lại so với nêm,chiều vật di chuyển theo hướng ngược chiều với chuyển động nêm.

-XXXIX-Hình 2.17 Các trạng thái xảy ra với hệ nêm ngược trong quá trình điều khiển 2.3.2 Mô hình toán học phi tuyến hệ nêm ngược

Áp dụng định luật bảo toàn năng lượng, phương trình động học của hệ thống được xácđịnh như sau

Hàm Lagrange vô hướng được xác định:

 2  2 2 sin  .sin os  0

F m d d x  m xx m x m gd   m g d  x c  

(2.11)

Phương trình động học của hệ thống phụ thuộc vào biến x và θ.

Xét hệ thống phi tuyến một ngõ vào n bậc