Thiết kế hệ thống ổn định vị trí quả bóng trong ống khí thẳng đứng dùng điều khiển trượt mờ

1 CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI Hệ thống điều khiển vị trí vật không gian có nhiều vai trò sống, tiêu biểu tàu đệm từ trường sử dụng công nghệ cao, máy bay, khí cầu, … Nên việc nghiên cứu phát triển hệ thống giữ vật ổn định không khí chống lại lực hút trái đất ngoại lực khác phát triển Tuy nhiên, có hai dạng hệ thống nghiên cứu phát triển dựa lực đẩy từ trường lực đẩy gió Trong đó, phải nói đến hệ thống bi sắt từ trường nghiên cứu nhiều thực tế bão hòa, có ứng dụng tàu đệm từ trường dùng để sản xuất đồ chơi đơn giản giường từ trường, mô hình trái đất quay, hộp triển lãm thiết bị, … Ngoài việc lực từ giảm nhiều khoảng cách hệ từ vật cần điều khiển tăng lên trở ngại lớn cho việc phát triển ứng dụng cách rộng rãi nghiên cứu theo hướng Còn hệ thống sử dụng sức gió khí nhẹ làm lực đẩy nghiên cứu đa dạng hệ bóng ống, máy bay trực thăng mô hình, bóng thám không (dùng khí nhẹ), khí cầu dùng khí nóng, … Nói chung việc định vị giữ cân không gian bị ảnh hưởng nhiều yếu tố lực hút trái đất, gió, áp suất, … có nhiều ứng dụng So với mô hình khác loại hệ thống bóng ống phát triển có lẽ môi trường điều khiển bị hạn chế hẳn khiến nhà nghiên cứu giảm độ hứng thú Tuy nhiên, xét lại lợi lớn giúp việc tìm hiểu lý thuyết điều khiển trở nên xác Cuộc sống với công nghệ ngày phát triển kéo theo lý thuyết điều khiển ứng dụng ngày nhiều Mỗi phương pháp có ưu nhược điểm khác nhau, phù hợp với dạng hệ thống khác Trong lý thuyết điều khiển Trượt phương pháp hay phù hợp với hệ phi tuyến với khả thích ứng tốt với thay đổi hệ Tuy nhiên khó phát triển nên không sử dụng nhiều Luận văn tìm hiểu điều khiển trượt cách khắc phục nhược điểm Lý thuyết điều khiển cổ điển giữ vai trò định tổng quan lý thuyết điều khiển đại có vai trò ngày lớn Trong trí tuệ nhân tạo dạng lý thuyết điều khiển bắt chước cách thức suy nghĩ người lĩnh vực đáng quan tâm Đặc biệt, lý thuyết điều khiển Mờ (Fuzzy) với lịch sử 50 năm phát triển có thị trường lớn với doanh thu hàng tỷ USD năm Mặc dù vậy, Việt Nam phát triển nên thị trường mở (chủ yếu nhập hàng công nghệ từ nước ngoài), hội để người làm công tác nghiên cứu khoa học kỹ thuật nhiều Trên tinh thần đó, việc nghiên cứu phát triển kết hợp lý thuyết điều khiển để tận dụng ưu điểm khắc phục nhược điểm lẫn mục tiêu đề tài Cụ thể kết hợp lý thuyết điều khiển trượt lý thuyết điều khiển mờ để có Điều khiển Trượt Mờ Phạm vi đề tài dùng điều khiển Trượt Mờ xuất tín hiệu cho quạt gió đưa bóng di chuyển đến vị trí mong muốn ống giữ ổn định 1.2 TÌNH HÌNH THỰC TẾ 1.2.1 Tình hình nghiên cứu nước Về mặt mô hình thực nghiệm, Việt Nam, chưa có tài liệu xuất báo cáo nghiên cứu đề tài Ở nước có vài mô hình giới thiệu Cụ thể hai mô hình hoàn thành • Mô hình M.Moallem T.Barlas, Trường Đại học Simon Fraser, Canada Hình 1.1: Mô hình M.Moallem T.Barlas Mô hình sử dụng Matlab nhúng tảng FPGA với đầu vào (đo vị trí bóng) dùng cảm biến Sharp GP2D120, ngõ điều khiển quạt dùng phương pháp điều rộng xung Nghiên cứu tài trợ Hội đồng Nghiên cứu Khoa học tự nhiên Kỹ thuật NSERC (Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada) Hiệp hội Vi điện tử CMC (Canadian Microlelectronics Corporation) Canada • Mô hình Mark Bowers and Muawea Rawashdeh, Trường Đại học Oakland, Hoa Kỳ Mô hình sử dụng vi điều khiển HCS12, xác định vị trí bóng dùng cảm biến siêu âm LV-MaxSonar-EZ4, điều khiển quạt gió điều rộng xung Hình 1.2: Mô hình Mark Bowers and Muawea Rawashdeh Ngoài số mô hình khác giáo sư M Morari, Phòng thí nghiệm tự đông _ Trường Đại học Zürich, Thụy Sĩ; hay đồ chơi cho trẻ em Star Wars Force Trainer công ty Milton, cho phép trẻ em tập trung suy nghĩ để nâng bóng ping–pong ống lên độ cao mong muốn Tuy nhiên đa số mô hình dùng điều khiển PID, Mờ không thấy nhiều phương pháp khác Về mặt lý thuyết điều khiển, Lý thuyết điều khiển Mờ nghiên cứu nhiều sử dụng phổ biến Còn Lý thuyết điều khiển Trượt chiếm tỉ lệ nhỏ nghiên cứu ứng dụng (dưới hai triệu kết tìm kiếm google.com) Và kết hợp lý thuyết (FSMC _ Fuzzy Sliding Mode Control) (dưới ba trăm ngàn kết tìm kiếm google.com) Hình 1.3: Đồ chơi Star Wars Force Trainer 1.2.2 Ý nghĩa khoa học thực tiễn Về mặt ứng dụng trực tiếp mô hình “Ball in tube” hay “Air ball” có ít, ví dụ đồ chơi cho trẻ em Star Wars Force Trainer, hay buồng huấn luyện nhảy dù Tuy nhiên mặt nghiên cứu mô hình cho phép thử nghiệm nhiều phương pháp điều khiển khác áp dụng cho hệ phi tuyến có quán tính lớn Riêng thuật toán điều khiển Trượt Trượt Mờ chưa nghiên cứu phát triển rộng rãi hội để thử tiếp cận hướng cho công nghệ Việt Nam Hình 1.4: Buồng huấn luyện nhảy dù 1.3 ĐỊNH HƯỚNG ĐỀ TÀI 1.3.1 Mục tiêu đề tài • Ổn định vị trí bóng ống thẳng đứng điều kiện chuẩn (tính bền vững hệ) • Ổn định có nhiễu không xác định tác động vào hệ thống • Điều khiển bóng di chuyển đến vị trí tùy ý • So sánh đánh giá kết điều khiển phương pháp điều khiển PID, Trượt Trượt Mờ 1.3.2 Phạm vi đề tài • Đối tượng điều khiển vị trí bóng bàn ống thẳng đứng • Việc di chuyển sử dụng lực hút trái đất sức đẩy gió tạo từ cánh quạt gắn với động • Phạm vi di chuyển 1m • Vọt lố tối đa ±20 cm • Thời gian xác lập không 10 giây • Sai số xác lập ±3cm 1.3.3 Nội dung thực • Mô hình hóa toán học đối tượng bóng ống thẳng đứng • Khảo sát trạng thái đối tượng có nhiễu tác động • Thiết kế điều khiển Trượt Mờ cho hệ • Xây dựng mô hình mô hệ thống máy tính • Khảo sát đánh giá kết • Xây dựng mô hình hoạt động điều kiện thời gian thực • Kiểm tra, so sánh kết phương pháp điều khiển khác áp dụng cho hệ Equation Chapter Section 1CHƯƠNG ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU “BALL IN TUBE” 2.1 MÔ TẢ HỆ THỐNG “BALL IN TUBE” Hệ thống điều khiển vị trí bóng ống thẳng đứng (hình 2.2) bao gồm cánh quạt, gắn vào động DC biến đổi tốc độ điện áp u, thổi gió với lực đẩy F m vào ống thẳng đứng chứa bóng có khối lượng M b Mục tiêu hệ thống đưa bóng đến vị trí mong muốn cách đọc giá trị độ cao từ cảm biến, dùng thuật toán điều khiển để điều chỉnh điện áp ngõ vào u cấp cho động Để thiết lập mô hình toán cho đối tượng “Ball in tube” ta chuyển hệ thống thành dạng sơ đồ khối chức hình 2.1 u(t) ɷ(t) v(t) h(t) Hình 2.1: Sơ đồ khối đối tượng “Ball in tube” Trong đó: u(t): điện áp cấp cho động (0  U0 tương ứng  100%PWM) ω (t ) : vận tốc cánh quạt ( rad / s ) v(t): vận tốc lưu chất không khí ( m h(t): vị trí bóng ( ) m/s ) 10 80 Hình 5.9 : PID thực _ Tín hiệu điều khiển tương ứng ngõ vào hàm nấc 81 Hình 5.10: PID thực _ Đáp ứng ngõ tín hiệu đặt xung vuông Hình 5.11 : PID thực _ Tín hiệu điều khiển tương ứng ngõ vào xung vuông Sau số phép thử ta chọn K P = 0.6, KI = 0.3, KD=0.4 Tuy chưa phải thông số PID tốt ta xem kết tương đối để đánh giá Kết điều khiển PID thể hình từ 5.8 đến 5.11 5.2.2 Đánh giá hệ thống thực tế dùng điều khiển PID Dựa đồ thị thu ta đánh giá điều khiển PID thực tế tương tự mô phỏng, nhiên kết nói chung nhiều Nhận xét: 82 • Thời gian để bóng bắt đầu lên (quạt đủ lực nâng) khoảng 2.3s Điều kết hợp với đồ thị tín hiệu điều khiển hình 5.9 cho thấy khuyết điểm tính toán PID tăng tốc chậm khởi động • Điện áp trạng thái không ổn định mô Điều xảy nhiễu đọc giá trị x gây ảnh hưởng đến tính toán • Quả bóng bám theo giá trị đặt dao động quanh khoảng ±2.5cm theo đồ thị Giá trị phù hợp với quan sát mắt thường Ta ước lượng giá trị điện áp trung bình xác lập vào khoảng 62%PWM Chất lượng đáp ứng chấp nhận với điều khiển PID %POT exl txl(2%) tr 30 2.5cm 8s 1s Bảng 5.1: Kết chất lượng điều khiển PID thực tế 5.3 HỆ THỐNG THỰC TẾ DÙNG ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT 5.3.1 Bộ điều khiển Trượt kết điều khiển Tương tự phần mô phỏng, ta cho hệ thống thực “Ball in tube (Real time)” điều khiển Bộ Trượt hình 5.12 83 Hình 5.12: Hệ thống”Ball in tube” thực với điều khiển Trượt Về hai hệ thống giống Tuy nhiên, phân tích tín hiệu nhiễu đo X phần 5.1.2, ta có sơ đồ kết nối hệ Ball in tube khác ban đầu, cho thêm phần lọc nhiễu hình 5.13 Hình 5.13: Sơ đồ kết nối hệ “Ball in tube” có chống nhiễu Lúc ta kết nối điều khiển Trượt vào hệ thống hình 5.14 84 Hình 5.14: Bộ điều khiển Trượt thực tế Do có khác biệt nhiều mô thực tế, nên ta chỉnh lại thông số cho phù hợp Cụ thể a1 = 33; a0 = 155 W = 49 Kết điều khiển thực tế dùng Bộ Trượt thể hình từ 5.15 đến 5.18 85 Hình 5.15: SMC thực _ Đáp ứng ngõ tín hiệu đặt hàm nấc Hình 5.16 : SMC thực _ Tín hiệu điều khiển tương ứng ngõ vào hàm nấc 86 Hình 5.17: SMC thực _ Đáp ứng ngõ tín hiệu đặt xung vuông Hình 5.18 : SMC thực _ Tín hiệu điều khiển với ngõ vào xung vuông 87 5.3.2 Đánh giá hệ thống dùng điều khiển Trượt Dựa đồ thị thu ta nhận thấy dự đoán Trượt kết điều khiển không tốt Ta có nhận xét, lý giải đánh giá Trượt sau: • Đầu tiên, điều rõ ràng hệ không ổn định xác lập bóng dao động quanh cân mức ±5cm Điều dự báo trước phần mô phỏng, ta thấy dạng điều khiển Trượt túy giống với điều khiển ON-OFF, quán tính hệ “Ball in tube” lại lớn, thời gian lấy mẫu lâu, nên kết điều khiển hợp lý • Giá trị W ảnh hưởng nhiều đến kết điều khiển W lớn nhanh xác lập vọt lố dao động lớn W nhỏ chậm xác lập bù lại dao động nhỏ vọt lố • Điện áp điều khiển u thể dao động tương ứng với vị trí bóng so với điểm đặt, nói chung bỏ qua nhiễu hoàn toàn giống điều khiển ON-OFF Chất lượng đáp ứng điều khiển Trượt thể bảng 5.2 %POT exl txl(2%) tr [...]... hồi vòng điều khiển (bộ điều khiển) tổng qt được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển cơng nghiệp – bộ điều khiển PID được sử dụng phổ biến nhất trong số các bộ điều khiển phản hồi Một bộ điều khiển PID tính tốn một giá trị "sai số" là hiệu số giữa giá trị đo thơng số biến đổi và giá trị đặt mong muốn Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu... cũng như phương pháp suy diễn và giải mờ 3.3 LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT Điều khiển trượt (SMC _ Sliding mode control) là một phương pháp điều khiển phi tuyến điều khiển hệ bằng cách phát tín hiệu khơng liên tục buộc hệ thống trượt theo một mặt cắt đến trạng thái mong muốn Tuy đòi hỏi phải biết chính xác mơ hình nhưng ưu điểm của bộ điều khiển trượt là mang tính ổn định cao ngay cả khi có nhiễu hoặc... vòng là cần thiết để đảm bảo các kết quả làm việc liên tục của bộ điều khiển 23 Mục tiêu của việc điều chỉnh thơng số bộ điều khiển PID là để xác định vòng điều khiển kín đó đáp ứng thơng số kỹ thuật hiệu năng và hiệu suất hệ thống được đảm bảo Thực tế thường khó khăn để đạt được đồng thời tất cả các những tiêu chuẩn mong muốn Ví dụ, nếu bộ điều khiển PID được điều chỉnh để đáp ứng hệ thống tốt với... Cd π r 2 2 Trong đó: h(t ) :vị trí bóng (m) (2.8) 17 v: vận tốc khơng khí trong ống ( h& (t ) : vận tốc bóng ( m/s m/s ) ) ρg: khối lượng riêng khơng khí (kg/m3) S: diện tích mặt cắt quả bóng (mặt cản lưu chất) ( m2 ) Cd: hệ số nâng phụ thuộc hệ số Re Mb : khối lượng bóng (kg) r: bán kính bóng (m) g: gia tốc trọng trường ( m / s2 ) 2.2.4 Mơ hình tốn hệ thống “Ball in tube” Dựa vào các thống số mơ hình... Cấu trúc bộ điều khiển Mờ Ngun tắc thiết kế một bộ điêu khiển Mờ hồn tồn dựa trên cơ sở định nghĩa các biến ngơn ngữ vào ra và sự lựa chọn luật điều khiển theo một ngun tắc nào đó (Max_Min, Max_Prod, …) Việc lựa chọn các yếu tố đó được hình thành trên q trình thiết kế và hầu như dựa vào kinh nghiệm Có nhiều thuật tốn Mờ được sử dụng nhiều như Điều khiển Tagaki/Sugeno, Điều khiển Madani, Điều khiển Tagai/Sugeno,... trên cơ sở là tác động của hệ thống khảo sát ở chế độ vòng kín hoặc vòng hở 3.1.2 Đặc điểm, tính chất và ứng dụng của PID Trong trường hợp khơng có kiến thức cơ bản về q trình, bộ điều khiển PID là bộ điều khiển tốt nhất Tuy nhiên, để đạt được kết quả tốt nhất, các thơng số PID sử dụng trong tính tốn phải điều chỉnh theo tính chất của hệ thống- trong khi kiểu điều khiển là giống nhau, các thơng số phải... Bộ mờ hóa : chuyển giá trị ngõ vào thành các trạng thái đầu vào của bộ mờ _ Bộ suy diễn mờ (luật hợp thành) : triển khai trên cơ sở luật điều khiển mờ NẾU (ngõ vào) THÌ (ngõ ra) _ Bộ giải mờ : chuyển đổi giá trị mờ nhận được từ bộ suy diễn mờ thành giá trị thực để điều khiển đối tượng Cơ sở luật mờ Bộ suy diễn mờ Bộ mờ hố 27 Bộ giải mờ Đầu vào (số) Đầu vào (tập mờ) Tham khảo luật mờ Đầu ra (tập mờ) ... thể dẫn đến mất ổn Từ đặc tính của bộ điều khiển PID ta thấy có nhiều điểm hạn chế: • Bộ điều khiển là tuyến tính, khơng phù hợp khi điều khiển các đối tượng phi tuyến • Các thơng số là những hệ số cố định đặt trước, và các thơng số K p , Ki , Kd là cố định nên khi hệ thống có thay đổi hay tác động ( tác động nhiễu) thì bộ điều khiển khơng khắc phục được • Giải thuật PID trong điều khiển khơng đảm... A trong trường hợp U là khơng gian rời rạc ( x) / x trong trường hợp U là khơng gian liên tục Các phép tốn trên tập mờ : Có các phép hợp, giao hai tập mờ trên một khơng gian nền Tùy theo luật mờ sử dụng mà cách thức thực hiện các phép tốn này có sự khác nhau Ngồi ra còn có phép bù tập mờ thì thống nhất ở tất cả các luật mờ 3.2.2 Bộ điều khiển Mờ 3.2.2.1 Cấu trúc bộ điều khiển Mờ Một bộ điều khiển Mờ. .. sau: • Hệ thống có thể dao động và mất ổn định nếu biên độ của luật điều khiển thay đổi q lớn • Cách chọn hàm u có thể gây ra hiện tượng “chattering” làm xuất hiện sai số điều khiển, gây nóng linh kiện điện tử và mài mòn các bộ phận cơ khí • Để vận hành hệ thống thì đòi hỏi phải mơ hình hóa chính xác đối tượng Do đó, để tăng tính linh động cho bộ điều khiển trượt, ta sẽ đưa thêm bộ Mờ vào nhằm mờ hóa ... dù 1.3 ĐỊNH HƯỚNG ĐỀ TÀI 1.3.1 Mục tiêu đề tài • Ổn định vị trí bóng ống thẳng đứng điều kiện chuẩn (tính bền vững hệ) • Ổn định có nhiễu khơng xác định tác động vào hệ thống • Điều khiển bóng. .. Cụ thể kết hợp lý thuyết điều khiển trượt lý thuyết điều khiển mờ để có Điều khiển Trượt Mờ Phạm vi đề tài dùng điều khiển Trượt Mờ xuất tín hiệu cho quạt gió đưa bóng di chuyển đến vị trí mong... di chuyển đến vị trí tùy ý • So sánh đánh giá kết điều khiển phương pháp điều khiển PID, Trượt Trượt Mờ 7 1.3.2 Phạm vi đề tài • Đối tượng điều khiển vị trí bóng bàn ống thẳng đứng • Việc di