ỔN ĐỊNH hệ BALL AND BEAM BẰNG bộ điều KHIỂN mờ

Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm TÓM T T Hệ thống Ball and Beam (B&B) hệ điều khiển mà tín hiệu điều khiển nhận đ ợc từ tín hiệu phản hồi vị trí c a Ball thông qua dây cảm biến Beam Tín hiệu phản hồi đ ợc đ a tới vi điều khiển qua xác định vị trí bóng thông số liên quan để đ a tín hiệu điều khiển, tín hiệu điều khiển đ ợc đ a tới động RC Servo điều khiển xác góc quay c a động Từ đó, bóng đạt đến vị trí ổn định Ngoài ra, ta cần xem xét đến điều kiện tuyến tính hóa đ ợc hệ Beam dao động với góc ( θ ) t ơng đối nhỏ (30 ≤ θ ≤ 30) Trong luận văn học viên xem xét giải vấn đề liên quan đến hệBall and Beam Do tồn c a lực ma sát tr ợt, lực ly tâm nên đáp ng c a hệ thống đạt đ ợc m c độ t ơng đối Hơn dây cảm biến quấn Beam để đọc tính hệu ADC có nhiễu nên kết đọc bị nhiễu gây sai số Học viên dựa giải thuật bền vững LQR, điều khiển logic m đ ợc huấn luyện mạng Anfis để cân hệ Ball and Beamvề vị trí cân so sánh đáp ng c a hệ thống HVTH: Nguyễn Tuấn Trangiii Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm ABSTRACT Ball and Beam System (B & B) is a control system that can control signals received from the position feedback signal of Ball through wireless sensor bar Beam Feedback signal is sent to the microcontroller through which to locate the ball and parameters related to given control signals, control signals are sent to RC Servo motor will accurately control angle of rotation of the motor From there, the ball will reach a stable place Also, we need to consider the conditions can be linearized system if Beam angle ranges with a (θ) is relatively small (-30 ≤ θ ≤ 30) In this thesis will examine and resolve issues related to the Ball and Beam System Due to the existence of sliding friction, centrifugal force of the system should respond only be achieved at relatively high levels Furthermore, because of wireless sensor bar wrapped in Beam to read ADC features that should have read noise, the result of interference caused errors In this thesis students will be based on sustainable LQR algorithm, fuzzy logic control network is trained using ANFIS to balance the Ball and Beam of equilibrium and compare the response of the system HVTH: Nguyễn Tuấn Trangiv Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm L I CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn “Ổn đ nh hệ Ball and Beam b ng điều n m ”là thực hiện, không chép kết c a ng i khác Tôi xin chịu trách nhiệm cam đoan c a Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2015 (Ký & ghi rõ họ tên) Nguyễn Tuấn HVTH: Nguyễn Tuấn Trangv Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm Danh mục hình Hình 1.1: Sơ đồ khối tổng quát hệ thống Ball and Beam Hình 1.2: Mô hình dự kiến thực Hình 1.3: SRV02 Ball and Beam module dùng card PCI(Quanser 2006) Hình 1.4: Bộ điều khiển trượt Naif B Almutairi· Mohamed Zribi 2009 Hình 3.1: Mô hình thực tế hệ Ball and Beam 14 Hình 3.2: Motor Servo hãng Tamagawa với Seri TS 1983N146E5 15 Hình 3.3: Board điều khiển TMDSF28335 16 Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý mạch cầu H 16 Hình 3.5: Mạch cầu H cho động 17 Hình 3.6: Quá trình chuyển đổi từ Simulink sang ngôn ngữ C chạy chip DSP 18 Hình 4.1: Sơ đồ điều khiển LQR 19 Hình 4.2: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển mờ 22 Hình 4.3: Cấu trúc điều khiển mờ với bốn ngõ vào, ngõ 25 Hình 4.4: Mô hình hệ mờ - nơron 27 Hình 4.5: Mạng nơron 28 Hình 4.6: Biến ngôn ngữ 30 Hình 4.7:Bộ điều khiển mờ anfis cho hệ Ball and Beam 33 Hình 4.8: Cửa sổ huấn luyện Anfis 33 Hình 5.1: Mô hình Ball and Beam Matlab 35 Hình 5.2: Sơ đồ bên khối mô hệ thống 36 Hình 5.3: Bộ điều khiển Fuzzy Logic 37 Hình 5.4: Bộ điều khiển dùng LQR 37 Hình 5.5:Bộ điều khiển LQR hệ Balland Beam vị trí cân 40 Hình 5.6: Vị trí ball điều khiển LQR trường hợp (2) 40 Hình 5.7: Vận tốc Ball điều khiển LQR trường hợp (2) 41 Hình 5.8:Góc lệch Beam điều khiển LQR trường hợp (2) 41 Hình 5.9: Vận tốc góc Beam điều khiển LQR trường hợp (2) 42 Hình 5.10: Vị trí Ball điều khiển LQR trường hợp (3) 42 Hình 5.11: Vận tốc Ball điều khiển LQR trường hợp (3) 43 Hình 5.12: Góc lệch Beam điều khiển LQR trường hợp (3) 43 HVTH: Nguyễn Tuấn Trangvi Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm Hình 5.13: Vận tốc góc Beam điều khiển LQR trường hợp (3) 44 Hình 5.14: Hàm liên thuộc tương ứng bến hệ B&B 45 Hình 5.15 Cửa sổ huấn luyện Anfis 46 Hình 5.16 Bộ điều khiển Fuzzy huấn luyện 47 hình 5.17 Hàm liên thuộc cho biến ngõ vào 48 Hình 5.18 Bộ điều khiển Mờ Anfis vị trí cân 48 Hình 5.19: Vị trí Ball Mờ Anfis với điều khiển LQR trường hợp (2) 49 Hình 5.20: Vận tốc Ball Mờ Anfis so với điều khiển LQR trường hợp (2) 49 Hình 5.21: Góc lệch Beam Mờ Anfis so với bộLQRở trường hợp(2) 50 Hình 5.22: Vận tốc góc Beam Mờ Anfis so với LQR trường hợp (2) 50 Hình 5.23: Vị trí Ball bộMờ Anfis so với LQR trường hợp (3) 51 Hình 5.24: Vận tốc Ball bộMờ Anfis so với LQR ởtrường hợp (3) 51 Hình 5.25: Góc lệch Beam bộMờ Anfis so với LQRở trường hợp (3) 52 Hình 5.26: Vận tốc góc Beam bộMờ Anfis so với LQR trường hợp (3) 53 Hình 6.1: Chương trình Matlab dùng để điều khiển 55 Hình 6.2: Chương trình điều khiển LQR 56 Hình 6.3: Chương trình điều khiển Mờ Anfis 56 Hình 6.4: Vị trí Ball góc lệch Beam điều khiển LQR thực 58 Hình 6.5: Điện áp điều khiển LQR thực 59 Hình 6.6: Vị trí Ball góc lệch Beam điều khiển Mờ Anfis thực 60 Hình 6.7: Điện áp điều khiển Mờ Anfis thực 60 HVTH: Nguyễn Tuấn Trangvii Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm Danh mục b ng Bảng 2.1: Thông số mô hình đo thực tế 13 Bảng 2.2: Các giá trị thông số động 13 Bảng 4.1 So sánh Mạng nơron Logic mờ 26 Bảng 5.1 Chất lượng điều khiển LQR thực 53 Bảng 5.2 Chất lượng điều khiển Fuzzy 81 luật học viên thực 54 HVTH: Nguyễn Tuấn Trangviii Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm Mục lục LÝ L CH KHOA H C i L I C M N ii TÓM T T LU N VĔN CAO H C iii L I CAM ĐOAN v Danh mục hình vi Danh mục bảng vii Mục lục viii CH NG T NG QUAN 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Giới thiệu hệ Ball and Beam 1.3 Một số công trình nghiên c u có liên quan 1.4 Mục tiêu phạm vi nghiên c u 1.4.1 Mục tiêu 1.4.2 Phạm vi nghiên c u 1.5 Ph ơng pháp nghiên c u 1.6 Cấu trúc c a luận văn CH NG MÔ HÌNH HÓA VÀ THAM S 2.1 Mô hình toán hệ Ball and Beam 2.2 Các thông số c a hệ thống 12 CH NG 14 GI I THI U MÔ HÌNH PH N C NG 14 3.1 Giới thiệu mô hình Ball and Beam 14 HVTH: Nguyễn Tuấn Trangix Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm 3.2 Phần khí 15 3.2 Phần điện 15 3.2.1 Phần điều khiển 15 3.2.2 Phần công suất 16 3.3 CH Phần ch ơng trình 18 NG 19 GI I THU T ĐI U KHI N 19 4.1 Lý thuyết điều khiển Linear Quadratic Regulation (LQR) 19 4.1.1 Ph ơng pháp điều khiển LQR 19 4.1.2 Ph ơng pháp điều khiển LQR r i rạc 21 4.2 Lý thuyết điều khiển logic m 21 4.2.1 Giới thiệu điều khiển m 21 4.2.2 Cấu trúc điều khiển m trực tiếp 22 4.2.3 Phân loại điều khiển m 24 4.2.4 Bộ điều khiển m trực tiếp cho hệ Ball and Beam 24 4.3 Lý thuyết hệ m - nơron (Fuzzy-Neural) 25 4.3.1 Sự kết hợp logic m mạng nơron 25 4.3.2 Nơron m 28 4.3.3 Huấn luyện mạng Nơron m 29 4.3.4 Công cụ ANFIS để thiết kế hệ m - nơron 30 4.3.5 Sơ đồ khối điều khiển m Anfis cho hệ Ball and Beam 32 4.3.6 Huấn luyện điều khiển m dùng Anfis Matlab 33 CH NG 35 MÔ PH NG HO T Đ NG B ĐI U KHI N 35 5.1 Xây dựng hệ thống 35 HVTH: Nguyễn Tuấn Trangx Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm 5.2 Mô điều khiển LQR 38 5.3 Mô điều khiển m dùng Anfis 44 5.4 So sánh kết với công trình khác đư thực 53 CH NG 55 ĐI U KHI N MÔ HÌNH TH C T 55 6.1 Xây dựng ch ơng trình điều khiển Simulink 55 6.2 Đáp ng ngõ thực tế dùng điều khiển LQR 57 6.3 Đáp ng ngõ thực tế dùng điều khiển M 60 6.4 Nhận xét 61 CH NG 62 K T LU N VÀ H NG PHÁT TRI N 62 7.1 Kết đạt đ ợc 62 7.2 H ớng phát triển c a đề tài 63 TÀI LI U THAM KH O 64 PH L C 66 HVTH: Nguyễn Tuấn Trangxi Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm CH NG TỔNG QUAN Ch ơng trình bày nội dung tổng quan liên quan đến đề tài nói chung, hệ thống Ball and Beam ng dụng thực tế, kết nghiên c u n ớc Trên sở học viên đ a mục tiêu c a đề tài, kết dự kiến ph ơng pháp nghiên c u 1.1 Đặt v n đề Cùng với phát triển c a khoa học kĩ thuật, ph ơng pháp điều khiển từ kinh điển đến đại, điều khiển thông minh đ i Hầu hết đối t ợng nh cánh tay máy, lắc ng ợc… đ ợc giải toán ổn định hệ thống với chất l ợng tốt Các ph ơng pháp ngày đ ợc nghiên c u, phát triển, ng dụng rộng rãi, góp phần tăng chất l ợng, độ ổn định c a hệ thống Điều khiển dùng Fuzzy logic (logic m ) nh ng ph ơng pháp điều khiển đơn giản, đạt hiệu cao th ng đ ợc sử dụng nhiều ng dụng công nghiệp Kỹ thuật điều khiển với u điểm không cần biết nhiều thông tin đối t ợng mà dùng kinh nghiệm để đ a luật điều khiển t ơng ng c a ng i thiết kế Bộ điều khiển m bắt ch ớc xử lý thông tin điều khiển c a ng i Vì vậy, Fuzzt logic thích hợp để điều khiển đối t ợng ph c tạp mà ph ơng pháp kinh điển không cho đ ợc kết mong muốn Hệ Ball and Beam hệ thống vào – nhiều ra, có độ bất ổn định cao sở để tạo hệ thống tự cân nh : hệ thống phóng tên lửa, cân máy bay theo ph ơng ngang… Đây đối t ợng th ng đ ợc nhà nghiên c u lựa chọn để kiểm ch ng thuật toán điều khiển c a mình, từ thuật toán điều khiển cổ điển đến thuật toán điều khiển đại, điều khiển thông minh Các nghiên c u điều khiển hệ thống Ball and Beam đư đ ợc tiến hành sớm, xuất phát từ nhu cầu thiết kế hệ thống điều khiển cân tên lửa giai HVTH: Nguyễn Tuấn Trang Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm CH NG ĐI U KHI N MÔ HÌNH TH C T Ch ơng trình bày kết điều khiển mô hình thực tế c a hệ Ball and Beam đư xây dựng đ ợc Kết thực tế áp dụng giải thuật điều khiển LQR, điều khiển M Anfis đư xây dựng đ ợc ch ơng tr ớc vào đối t ợng Ball and Beam đ ợc so sánh đánh giá Cách xây dựng ch ơng trình điều khiển phần mềm Matlab Simulink đ ợc trình bày ch ơng 6.1 Xây d ng ch ng trình điều n Simulink Xây dựng mô hình điều khiển hệ thống đư r i rạc hóa nh sau: Hình 6.1: Chương trình Matlab dùng để điều khiển hệ Ball and Beam HVTH: Nguyễn Tuấn Trang 54 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm Hình 6.2 Chương trình điều khiển LQR Hình 6.3: Chương trình Matlab dùng để điều khiển Mờ Anfis Trong đó, khối đ ợc thể mô hình có ý nghĩa nh sau [16]:  Khối eQEP có tác dụng đọc encoder gắn với trục Beam Do encoder đọc đ ợc từ giá trị đến giá trị tràn ta đặt quay giá trị (không có giá trị < để xác định đ ợc góc âm) nên ta phải biến đổi giá trị encoder đọc đ ợc giá trị góc t ơng ng với thực tế HVTH: Nguyễn Tuấn đây, học viên lấy giá trị vị trí nằm ngang t c vị trí cân Trang 55 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm 0, chiều d ơng c a góc lệch Beam chiều với chiều quay c a đồng hồ Quay theo chiều kim đồng hồ giá trị d ơng, quay ng ợc chiều kim đồng hồ từ vị trí giá trị đọc âm Việc biến đổi đ ợc thực khối “Matlab Funtion”  Các khối Embedded Matlab “Read02” có nhiệm vụ biến giá trị góc lệch, vị trí Ball, điện áp đặt vào động thành ký tự mã ASCII truyền lên cổng COM c a máy tính, dùng cho việc thu thập liệu  Các khối Embedded Matlab ch a ch ơng trình giải thuật thực xuất tín điều khiển động có tín hiệu ngõ vào t ơng ng Bên khối điều khiển này, giải thuật điều khiển đ ợc đ a vào, tùy thuộc vào giải thuật đư đ ợc thiết kế phần tr ớc Các tín hiệu c a khối là: o Ngõ vào t ơng ng với giá trị biến trạng thái c a hệ thống o Ngõ “Digital Output”: giá trị độ lớn độ rộng xung để điều khiển động quay nhanh hay chậm, giá trị chiều quay c a động Nếu “dao chieu dong co” = động quay ng ợc kim đồng hồ (chạy nghịch) Ng ợc lại, động quay chiều kim đồng hồ (chạy thuận) o Ngõ “Dien ap gui len PC”: cung cấp giá trị điện áp đặt vào động cơ, đ ợc chuyển đổi để gửi lên máy tính để thu thập giá trị c a hệ thống  Khối “SCI Transmit” có nhiệm vụ đ a giá trị vị trí Ball (m), vận tốc Ball (m/s), góc lệch Beam (Rad), vận tốc góc Beam (rad/s) điện áp điều khiển (v) Tất giá trị tham số đ ợc thu thập thông qua cổng COM (các giá trị đ ợc đ a qua khối MUX tr ớc vào khối SCI Transmit  Khối “ePWM” khối tạo xung Việc điều xung có tác dụng điều khiển động kéo Beam giữ thăng Ball Beam 6.2 Đáp ng ngõ th c t dùng điều n LQR Ta phải r i rạc hóa hệ Ball and Beam để áp dụng cho hệ thống nhúng Ta tiến hành r i rạc hoá ma trận A, B (ph ơng trình 5.6) với chu kì lấy mẫu 0.01s, đ ợc ma trận Ad; Bd HVTH: Nguyễn Tuấn Trang 56 Luận văn thạc sĩ   Ad =     GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm 1.0000 0.0100 -0.0003 -0.0000 0.0000 1.0000 -0.0566 -0.0003 -0.0014 -0.0000 1.0000 0.0100   -0.2822 -0.0014 0.0000 0.9990  -0.0000  -0.0000   Bd =   0.0000     0.0020    Q=     0 0 0 0 0 0  1 R = 10 Ta Kd sử dụng hàm dlqr, thu đ ợc ma trận hồi tiếp trạng thái [-274.5891 -84.7198 145.7587 37.3810] Với th viện hỗ trợ cho việc lập trình nhúng với vi điều khiển C28335 môi tr ng Matlab – Simulink, học viên thực trình điều khiển thực cho mô hình khí, ta thu đ ợc đáp ng c a hệ thống nh sau 0.2 Vi Tri Ball Bo Dieu Khien LQR Goc Lech Beam Bo Dieu Khien LQR 0.15 Vi Tri Ball (m) Goc Lech Beam (Rad/s) 0.1 0.05 -0.05 -0.1 -0.15 -0.2 200 400 600 800 Thoi Gian (s) 1000 1200 1400 Hình 6.4 Vị trí Ball góc lệch Beam điều khiển LQR thực HVTH: Nguyễn Tuấn Trang 57 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm 20 Dien Ap Dieu Khien Bo LQR 15 Dien Ap Dieu Khien (V) 10 -5 -10 -15 -20 200 400 600 800 Thoi Gian (s) 1000 1200 1400 1600 Hình 6.5: Điện áp điều khiển LQR thực Ta thấy vị trí viên bi góc lệch Beam nhỏ nh ng điện áp điều khiển lớn nên gây cân cho hệ, không ổn định đ ợc Ball Beam, th i gian đáp ng lâu Nói chung điều khiển LQR này, hệ thống ch a đ ợc tối u hóa, góc lệch c a Beam không đ ợc cân Thành công b ớc đầu tảng cho việc áp dụng thành công giải thuật M - Nơron vào điều khiển cân hệ Ball and Beam thực tế HVTH: Nguyễn Tuấn Trang 58 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm Đáp ng ngõ th c t dùng điều n M Anfis 6.3 Sử dụng khối Fuzzy 81 luật thực điều khiển hệ thống thực tế ta thu đ ợc kết nh sau: 0.25 0.2 Vi Tri Ball (m) Goc Lech Beam (Rad) 0.15 0.1 0.05 -0.05 -0.1 -0.15 -0.2 200 400 600 800 Thoi Gian (s) 1000 1200 1400 Hình 6.6: Vị trí Ball góc lệch Beam điều khiển Mờ Anfis thực 10 Dien Ap Dieu Khien Bo Mo Dien Ap Dieu Khien (V) -5 -10 -15 200 400 600 800 Thoi Gian (s) 1000 1200 1400 Hình 6.7: Điện áp điều khiển Mờ Anfis thực Với điều khiển M Anfis, ta thấy kết ổn định nhiều, ng với vị trí Ball góc lệch Beam cho ta điện áp điều khiển ổn định, th i gian đáp ng ban đầu t ơng đối tốt nh ng cho số vấn đề xác c a phần c ng nên hệ thống đôi lúc bị ổn định HVTH: Nguyễn Tuấn Trang 59 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm So sánh nh n xét hai điều n 6.4 0.15 Vi Tri Ball Bo Dieu Khien Mo Vi Tri Ball Bo Dieu Khien LQR Vi Tri Ball (m) 0.1 0.05 -0.05 -0.1 -0.15 -0.2 200 400 600 800 Thoi Gian (s) 1000 1200 1400 Hình 6.8 Vị trí Ball điều khiển LQR so với điều khiển Mờ Anfis Goc Lech Beam (rad) 0.1 Goc Lech Beam Bo Dieu Khien Mo Goc Lech Beam Bo Dieu Khien LQR 0.05 -0.05 -0.1 -0.15 200 400 600 800 Thoi Gian (s) 1000 1200 1400 Hình 6.9 Góc lệch Beam điều khiển LQR so với điều khiển Mờ Anfis Dien Ap Dieu Khien (V) 10 Dien Ap Dieu Khien Cua Bo Dieu Khien Mo Dien Ap Dieu Khien Bo Dieu Khien LQR -5 -10 -15 200 400 600 800 Thoi Gian (s) 1000 1200 1400 Hình 6.10 Điện áp điều khiển LQR so với Mờ Anfis HVTH: Nguyễn Tuấn Trang 60 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm Từ kết điều khiển thực tế, hệ Ball and Beam học viên thực trì vị trí cân Bộ điều khiển LQR cho kết điều khiển tốt vị trí Ball góc lệch Beam Tuy nhiên, làm cho hệ thống có giao động lớn Còn điều khiển M Anfis, cho kết điều khiển tốt điều khiển LQR vị trí Ball, góc lệch Beam điện áp điều khiển, điều khiển hệ thống ổn định Cả hai điều khiển ch a đ ợc tối u hóa, góc lệch c a Beam giao động nhiều Ngoài ra, th i gian đáp ng ch a đ ợc nh mong đợi Tuy nhiên, thành công b ớc đầu tảng cho b ớc cải tiến để cân đ ợc tốt HVTH: Nguyễn Tuấn Trang 61 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm CH K T LU N VÀ H NG NG PHÁT TRI N Ch ơng trình bày tóm tắt kết mà đề tài đư đạt đ ợc, hạn chế tồn mô hình h ớng phát triển để khắc phục giới hạn nhằm hoàn thiện đề tài tốt 7.1 K t qu đ t đ c Qua việc thực mô chạy thực tế mô hình, đề tài đư đạt đ ợc kết nh sau:  Xây dựng đ ợc mô hình toán học hệ Ball and Beam  Xây dựng đ ợc điều khiển LQR điều khiển cân hệ Ball and Beam Thuật toán LQR, Fuzzy logic đ ợc áp dụng mô hình Ball and Beam Điều khiển cân đ ợc hệ Ball and Beam Đề tài đư thực điều khiển cân mô hình hệ Ball and Beam thực tế, giải đ ợc vấn đề điều khiển Đây tảng cho việc áp dụng giải thuật khác vào điều khiển mô hình phần c ng đư xây dựng để kiểm ch ng giải thuật điều khiển hệ thống có độ ph c tạp cao Trong trình thực điều khiển mô hình thực tế, học viên nhận thấy:  Việc điều khiển cân hệ Ball and Beam dùng điều khiển m ph c tạp, đòi hỏi am hiểu vấn đề, đáp ng thông số c a hệ thống  Khi sử dụng LQR, thông số c a mô hình quan trọng, thông số c a mô hình đ ợc đ a xác đảm bảo đ ợc hệ thống đ ng yên điểm cân Ng ợc lại, hệ thống dao động quanh điểm cân bằng, điểm hạn chế c a đề tài điều khiển thực tế mô hình HVTH: Nguyễn Tuấn Trang 62 Luận văn thạc sĩ 7.2 H GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm ng phát tri n c a đề tài Dựa kết mà học viên đư thực đ ợc, h ớng nghiên c u nâng cao chất l ợng điều khiển hệ Ball and Beam, trì tính ổn định cho hệ thống Cụ thể là:  Thiết kế phần c ng xác cách tuyệt đối  Thiết kế điều khiển khác nh Neural, tuyến tính hóa vào áp dụng hệ Ball and Beam để kiểm ch ng giải thuật điều khiển  Nhận dạng xác thông số hệ thống ớc l ợng thông số động cơ, áp dụng ph ơng pháp điều khiển LQR  Đề tài đư thực điều khiển ổn định hệ Ball and Beam vị trí cân , h ớng phát triển khắc phục hạn chế độ dao động c a Ball, rút ngắn th i gian đáp ng c a hệ thống cách tối u HVTH: Nguyễn Tuấn Trang 63 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm Tài liệu tham kh o: [1] SRV02 Ball and Beam module use card PCI – Quanser 2006 [2] On the sliding mode control of a Ball on a Beam system (Naif B Almutairi· Mohamed Zribi 2009) [3] Charles O’Neill, ”Optimal Control 5413 Project Ball and Beam Optimal Control ”, 2004 [4] David Evanko, Arend Dorsett, Chiu Choi, Ph.D.,P.E Department of Electrical Engineering – University of North Florida.”A Ball and Beam System with an Embedded Controller” [5] Huỳnh Thái Hoàng “Lý Thuyết Điều Khiển Thông Minh”, Nhà Xuất Bản Đại Học Quốc Gia 2006 [6] Nguyễn Thị Ph ơng Hà, Huỳnh Thái Hoàng “Lý Thuyết Điều Khiển Tự Động”, Nhà Xuất Bản Đại Học Quốc Gia 2006 [7] Nguyễn Thị Ph ơng Hà , “Lý Thuyết Điều Khiển Hiện Đại” , Nhà Xuất Bản Đại Học Quốc Gia 2008 [8] D ơng Hoài Nghĩa, “Điều Khiển Hệ Thống Đa Biến” , Nhà Xuất Bản Đại Học Quốc Gia 2007 [9] Nguyễn Nh Hiền, Lại Khắc lưi “Hệ m Nowrron kỹ thuật điện”, Nhà xuất khoa học tự nhiên công nghệ 2007 [10] Nguyễn Hoàng Hải, Nguyễn Khắc Kiểm, Hà Trần Đ c “ Lập Trình Matlab”, Nhà xuất khoa học kỹ thuật [11] Balance Control of Ball and Arc Systems via Sliding Mode Control [12] Mohammad Teshnehlab, Mahdi Aliyarri Shoorehdeli “Sliding Mode Control of Rotary Inverted Pendulm”, Tehran, Iran [13] Nguyễn Việt Hùng, Nguyễn Tấn Đ i, Tr ơng Ngọc Anh, Tạ Văn Ph ơng “ Điều Khiển Thông Minh”, ĐH SPKT TP.HCM 2008 [14] Evencio A Rosales “ A Ball – On – Beam Project Kit, Massachusetts Intitute of Technology, June 2004 HVTH: Nguyễn Tuấn Trang 64 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm [15] Wei Wang “ Control of a Ball and Beam System” The University of Adelaide South Australia 5005 [16] Li Tan DeVry University Decatur, Georgia “ Digital Signal Processing” Và số báo, tài liệu khác internet… HVTH: Nguyễn Tuấn Trang 65 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm PH L C Hàm S ậ Funtion xử lý v trí Ball Beam ( Đ c giá tr ADC) function y = fcn(u) if (u>=2065) y=(u-2065)*0.27/(4096-2065); else y=(u-2065)*0.27/2065; end end Hàm S ậ Funtion xử lý tính hiệu Encoder đ c giá tr góc quay c a Beam (đ a giá tr rad) function y = fcn(u) if (u0) { out[0]='+';} else { out[0]='-'; x=-x; } out[6] = x%10+48; x/=10; HVTH: Nguyễn Tuấn Trang 66 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm out[5] = x%10+48; x/=10; out[4] = 46; out[3] = x%10 +48; x/=10; out[2]= x%10 +48; x/=10; out[1]= x%10 +48; Hàm S-funtion Builder c a điều n function [u,sign_u,dienap] = fcn(vr,sign_u_before) if((vr>20)||(vr[...]... tiêu là điều khiển để giữ đ ợc sự cân bằng Ball trên thanh Beam bằng cách điều khiển động cơ RC - Servo nối với Beam Mục tiêu cụ thể là:  Xây dựng mô hình toán hệ Ball and Beam  Đ a ra nguyên lý cân bằng c a hệ thống  Dùng ph ơng pháp điều khiển Logic m , lập trình bằng ngôn ngữ Matlab để mô phỏng điều khiển cân bằng hệ Ball and Beam  Xây dựng mô hình phần c ng thực tế c a hệ Ball and Beam  Thi... Ball and Beam Hình 1.1: Sơ đồ khối tổng quát giao tiếp giữa máy tính và hệ thống Ball and Beam Hệ thống Ball and Beam gồm Ball lăn tự do trên Beam đ ợc điều khiển bởi motor Dựa vào vị trí c a Ball mà Beam phải quay theo đúng chiều chống lại sự mất cân bằng c a Ball, nếu hiểu chính xác là phải cấp điện áp sao cho điều khiển Beam một góc nào đó Vì lý do đó ta phải đi xây dựng mô hình toán học c a hệ Ball. .. thuật điều khiển thực, hệ Ball and Beam đại diện cho lớp các đối t ợng phi tuyến ph c tạp Nhiều giải thuật đư đ ợc áp dụng thành công cho hệ Ball and Beam, nh PID, LQR, điều khiển tr ợt Từ những nguyên nhân trên, tôi quyết định chọn đề tài ỔN Đ NH H AND BEAM B NG B BALL ĐI U KHI N M Ằ nhằm nghiên c u kỹ hơn về lý thuyết m , ng dụng Logic m trong điều khiển hệ có độ mất ổn định cao 1.2 Gi i thiệu hệ Ball. .. vậy bộ điều khiển m MIMO chỉ có ý nghĩa về lý thuyết, trong thực tế không dùng Theo bản chất c a tín hiệu đ a vào bộ điều khiển ta phân ra bộ điều khiển m tĩnh và bộ điều khiển m động Bộ điều khiển m tĩnh chỉ có khả năng xử lý các tín hiệu hiện th i, bộ điều khiển m động có sự tham gia c a các giá trị đạo hàm hay tích phân c a tín hiệu, chúng đ ợc ng dụng cho các bài toán điều khiển động Bộ điều khiển. .. trên môi tr ng Matlab/Simulink và thực hiện điều khiển cân bằng trên mô hình thực tế Các kết quả đ ợc từ hai bộ điều khiển trên đ ợc thu thập và so sánh 1.5 Ph ng pháp nghiên c u Nghiên c u lý thuy t:  Nghiên c u xây dựng mô hình toán học hệ Ball and Beam  Nghiên c u bộ điều khiển LQR, bộ điều khiển M - Nơron thích nghi để điều khiển cân bằng hệ Ball and Beam Ph ng pháp th c nghiệm:  Sử dụng phần mềm... Đây là vấn đề khó khăn rất lớn 4.3 Lý thuy t hệ m - n ron (Fuzzy-Neural) Để khắc phục nh ợc điểm c a bộ điều khiển m trực tiếp ở trên, học viên đề xuất sử dụng bộ điều khiển m Anfis (Adaptive neuro fuzzy inference system – m nơron thích nghi) để học một bộ điều khiển đư điều khiển tốt cho hệ thống Bộ điều khiển có thể điều khiển hệ thống đ ợc chọn là bộ điều khiển LQR [9] 4.3.1 S k t h p gi a logic m... hành điều khiển cân bằng hệ Ball and Beam trên mô hình đư xây dựng thực tế HVTH: Nguyễn Tuấn Trang 5 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm  Nhận xét kết quả mô phỏng và thực tế 1.4.2 Ph m vi nghiên c u ng dụng bộ điều khiển LQR, bộ điều khiển M - Nơron thích nghi để điều khiển cân bằng hệ Ball and Beam Việc nghiên c u đ ợc thực hiện cả trên mô phỏng trên môi tr ng Matlab/Simulink và thực hiện điều. .. toán điều khiển động, các khâu động học cần thiết sẽ đ ợc nối thêm vào bộ điều khiển m tĩnh nhằm cung cấp cho bộ điều khiển các giá trị đạo hàm hay tích phân c a tín hiệu Cùng với những khâu động học bổ sung này, bộ điều khiển tĩnh sẽ trở thành bộ Điều khiển m động 4.2.4 Bộ điều khi n m tr c ti p cho hệ Ball and Beam   Đối t ợng có một ngõ vào là  nh ng có tới bốn ngõ ra [x, x, , ] Do đó, để điều. .. phần c ng hệ thống Ball and Beam Trình bày chi tiết các phần cơ khí, điện và ch ơng trình mà học viên đư làm đ ợc 3.1 Gi i thiệu mô hình hệ Ball and Beam Mô hình hệ Ball and Beam bao gồm Ball chạy dọc trên thanh Beam, Encoder dùng để đọc tính hiệu góc thanh Beam nhằm chuyển đến boad DSP, từ đó boad DSP sẽ điều khiển cầu H xuất tín hiệu điều khiển động cơ nhằm giúp cho Ball luôn ở vị trí cân bằng Mô hình... Phân lo i bộ điều khi n m Cũng giống nh điều khiển kinh điển, bộ điều khiển m đ ợc phân loại dựa trên các quan điểm khác nhau: Theo số l ợng đầu vào và đầu ra ta phân ra bộ Điều khiển m "Một vào - một ra" (SISO); "Nhiều vào - một ra" (MISO); "Nhiều vào - nhiều ra" (MIMO) Bộ điều khiển m MIMO rất khó cài đặt hệ quy tắc Mặt khác, một bộ điều khiển m có m đầu ra dễ dàng cài đặt thành m bộ điều khiển m chỉ