Điều khiển trượt hệ con lắc ngược đơn

Do đó, hệ thống trên được sử dụng rộng rãi trong các phòng thí nghiệm để nghiên cứu các giải thuật điều khiển như điều khiển tuyến tính, điều khiển thông minh, điều khiển phi tuyến, nhận

Trang 3

HVTH: Lê Quang Vũ Trang 1

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:

Họ và tên: LÊ QUANG VŨ Giới tính: Nam

Ngày sinh: 10-10-1982 Nơi sinh: Thanh Hoá

Quê quán: Thanh Hoá Dân tộc: Kinh

Địa chỉ tạm trú: 46A đường 11, P Tăng Nhơn Phú B, Q.9, TP.HCM

Điện thoại cơ quan: (08)37421331 Điện thoại di động: 0903095968 Fax: Email: quangvuspkt@gmail.com

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

Từ 2007 - 2009: là sinh viên trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM,

chuyên ngành: Điện Công Nghiệp

Từ 2013 - 2015: là học viên cao học trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật

TP.HCM, chuyên ngành: Kỹ thuật điện

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:

Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 09/2009 - 05/2012 Công ty CP Công nghệ Hải Sơn Giám sát, thiết kế 06/2012 - 09/2015 Công ty TNHH SX & TM Thanh Luân Tổ trưởng tổ điện 10/2015 - đến nay Công ty Cổ Phần XNK Nam Thái Sơn Thiết kế

Trang 4

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn “Điều khiển trƣợt hệ con lắc ngƣợc đơn” là do tôi

thực hiện, không sao chép kết quả của người khác

Tôi xin chịu mọi trách nhiệm về cam đoan của mình

Tp Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 10 năm 2015

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Lê Quang Vũ

Trang 5

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, em xin chân thành gửi đến thầy PGS.TS Dương Hoài Nghĩa người

đã tận tình hướng dẫn và truyền đạt các kiến thức giúp tôi hoàn thành luận văn này Bên cạnh đó, tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô trong bộ môn trong khoa Điện-Điện tử đã truyền đạt cho tôi các kiến thức rất bổ ích và quý giá trong quá trình học tập để ứng dụng vào nghiên cứu và phát triển đề tài này cũng như ứng dụng vào công việc sau này

Tôi cũng xin chân thành gửi lời cảm ơn đến tất cả các bạn cao học Kỹ thuật điện

khóa 2013A đã động viên, giúp đỡ, trao đổi kiến thức với nhau trong suốt khóa học

Tp.HCM, ngày 25 tháng 10 năm 2015

Học viên

Lê Quang Vũ

Trang 6

TÓM TẮT LUẬN VĂN CAO HỌC

Hệ thống con lắc ngược là hệ thống có kết cấu cơ khí đơn giản nhưng mang đầy

đủ đặc tính của một hệ phi tuyến SIMO điển hình Do đó, hệ thống trên được sử dụng rộng rãi trong các phòng thí nghiệm để nghiên cứu các giải thuật điều khiển như điều khiển tuyến tính, điều khiển thông minh, điều khiển phi tuyến, nhận dạng hệ thống…

Hệ thống con lắc ngược gồm hai phần: cánh tay gắn vào động cơ DC quay quanh trục thẳng đứng và con lắc gắn vào trục encoder ở cuối cánh tay tự do trong mặt

phẳng vuông góc với cánh tay

Trong luận văn này học viên sẽ xem xét và giải quyết các vấn đề liên quan đến

hệ con lắc ngược Do sự tồn tại của lực ma sát trượt, lực ly tâm nên đáp ứng của hệ thống chỉ đạt được ở mức độ tương đối Hơn nữa do con lắc có xu hướng rơi xuống

vị trí cân bằng hướng xuống do tác dụng của trọng lực nên việc điều khiển cân bằng con lắc ở vị trí cân bằng hướng lên là khó khăn và con lắc có xu hướng lệch khỏi vị trí cân bằng là rất cao Nếu như cảm biến vị trí không chính xác sẽ làm cho các con lắc định vị không đúng vị trí dẫn đến sai số lớn và mất cân bằng

Trong luận văn này học viên sẽ dựa trên giải thuật trượt để điều khiển cân bằng con lắc tại vị trí mong muốn và so sánh các đáp ứng của hệ thống

Trang 7

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

1 PID: Proportional Integral Derivative

2 LQR: Linear Quadratic Regulator

3 PWM: Pulse Width Modulation

4 SISO: Single Input Single Outputs

5 SIMO: Single Input Multi Outputs

6 DSP: Digital Signal Processing

7 PCI: Peripheral Component Interconnect

8 QEP: Quadrature Encoder Pulse

Trang 8

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1: Mô hình con lắc ngược quay 3

Hình 1.2: Một số mô hình phần cứng con lắc ngược quay 3

Hình 2.1: Sơ đồ khối mô hình con lắc ngược được thực hiện trong luận văn 8

Hình 2.2: Mô hình toán học của con lắc 9

Hình 2.3: Phân tích lực tác dụng 10

Hình 2.4: Hệ thống con lắc nhìn từ phía trên 12

Hình 4.1: Mô hình thực tế hệ con lắc ngược quay 18

Hình 4.2: Motor DC Servo của hãng Tamagawa với Seri TS 1983N146E5 20

Hình 4.3: Cảm biến tốc độ 20

Hình 4.4: Board điều khiển TMDSF28335 21

Hình 4.5: Sơ đồ nguyên lý mạch cầu H 22

Hình 4.6: Mạch cầu H cho động cơ 22

Hình 4.7: Quá trình chuyển đổi từ Simulink sang ngôn ngữ C chạy trên chip DSP 23 Hình 5.1: Mô hình hệ con lắc ngược quay trong Matlab 24

Hình 5.2: Mô hình con lắc khi có quan tâm đến giá trị mặt trượt 25

Hình 5.3: Bên trong khối Sliding Mode Control 25

Hình 5.4: Khối điều khiển khi ta quan tâm giá trị mặt trượt 26

Hình 5.5: Sơ đồ bên trong của khối mô phỏng hệ thống 27

Hình 5.6: Góc quay cánh tay (rad) 28

Hình 5.7: Góc quay con lắc (rad) 29

Hình 5.8: Tín hiệu điện áp điều khiển (V) 29

Hình 5.9: Giá trị mặt trượt S1 theo thời gian 29

Hình 5.10: Giá trị mặt trượt S2 theo thời gian 30

Trang 9

Hình 6.1: Thời gian lấy mẫu 31

Hình 6.2: Sơ đồ khối Matlab dùng để điều khiển con lắc ngược 32

Hình 6.3: Sơ đồ khối Matlab dùng để truy xuất dữ liệu 34

Hình 6.4: Kết quả điều khiển giữ cân bằng con lắc 35

Hình 6.5: Góc lệch con lắc với bộ điều khiển trượt 35

Hình 6.6: Góc quay cánh tay với bộ điều khiển trượt 36

Hình 6.7: Điện áp đặt vào động cơ với bộ điều khiển trượt 36

Hình 6.8: Mặt trượt S1 36

Hình 6.25: Kết quả điều khiển giữ cân bằng khi gắn m1 ở giữa con lắc 42

Trang 10

Hình 6.31: Kết quả điều khiển giữ cân bằng khi gắn m1 ở đầu con lắc 44

Trang 11

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1: Thông số mô hình 9 Bảng 5.1: Các giá trị thông số mô phỏng 28

Trang 12

MỤC LỤC

LÝ LỊCH KHOA HỌC i

LỜI CAM ĐOAN .ii

LỜI CẢM ƠN iii

TÓM TẮT LUẬN VĂN CAO HỌC iv

Danh mục các chữ viết tắt v

Danh mục các hình vi

Danh mục các bảng vii

Mục lục viii

Chương 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Giới thiệu về con lắc ngược quay 2

1.3 Một số công trình nghiên cứu có liên quan 3

1.4 Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu 4

1.4.1 Mục tiêu 4

1.4.2 Phạm vi nghiên cứu 4

1.5 Phương pháp nghiên cứu 4

1.6 Cấu trúc của luận văn 4

Chương 2 MÔ HÌNH HÓA VÀ THAM SỐ 7

2.1Giới thiệu sơ lược về hệ thống con lắc ngược quay 7

2.2Thiết lập mô hình toán học hệ thống con lắc ngược quay 8

Chương 3 GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN 14

3.1 Lý thuyết bộ điều khiển trượt 14

3.1.1 Phương pháp điều khiển trượt 14

Trang 13

Chương 4 GIỚI THIỆU MÔ HÌNH PHẦN CỨNG 18

4.1 Giới thiệu mô hình con lắc ngược quay 18

4.2 Phần cơ khí 19

4.3 Phần điện 20

4.3.1 Phần điều khiển 20

4.3.2 Phần công suất 21

4.4 Phần chương trình 23

Chương 5 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 24

5.1 Xây dựng hệ thống 24

5.2 Mô phỏng bộ điều khiển trượt 27

5.3 Nhận xét 30

Chương 6 KẾT QUẢ TRÊN MÔ HÌNH THỰC 31

6.1 Xây dựng chương trình điều khiển trong Simulink 31

6.2 Đáp ứng ngõ ra thực tế với bộ điều khiển trượt 35

6.4 Nhận xét 46

Chương 7 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 47

7.1 Kết luận 47

7.2 Hướng phát triển của đề tài 48

TÀI LIỆU THAM KHẢO 49

PHỤ LỤC

Trang 14

Chương 1

TỔNG QUAN

Chương này trình bày những nội dung tổng quan liên quan đến đề tài nói chung, hệ thống con lắc ngược quay và ứng dụng trong thực tế, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước Trên cơ sở đó học viên đưa ra mục tiêu của đề tài, kết quả

dự kiến và phương pháp nghiên cứu

1.1 Đặt vấn đề

Cùng với sự phát triển của khoa học kĩ thuật, các phương pháp điều khiển từ kinh điển đến hiện đại, điều khiển thông minh ra đời Hầu hết các đối tượng như cánh tay máy, hệ con lắc ngược quay… đều được giải quyết bởi các bài toán ổn định hệ thống với chất lượng cao hơn Các phương pháp này ngày càng được nghiên cứu, phát triển, ứng dụng rộng rãi, góp phần nâng cao chất lượng, độ ổn định của hệ thống

Hệ con lắc ngược quay là hệ thống một vào - nhiều ra, nó có độ bất ổn định cao và là cơ sở để tạo ra các hệ thống tự cân bằng như: hệ xe con lắc ngược quay,

hệ con lắc ngược quay, hệ Pendubot,… Đây là đối tượng thường được các nhà nghiên cứu lựa chọn để kiểm chứng những thuật toán điều khiển của mình, từ những thuật toán điều khiển cổ điển đến những thuật toán điều khiển hiện đại, điều khiển thông minh Tuy nhiên hệ con lắc ngược quay cũng đặt ra nhiều thách thức đối với lý thuyết điều khiển cũng như các thiết bị điều khiển chúng Đòi hỏi có bộ điều khiển thích hợp và có tốc độ đáp ứng nhanh

Các nghiên cứu về điều khiển hệ thống con lắc ngược quay đã được tiến hành khá sớm, xuất phát từ nhu cầu thiết kế các hệ thống điều khiển cân bằng tên lửa trong giai đoạn đầu phóng Trên phương diện nghiên cứu các kĩ thuật điều khiển thực, con lắc ngược quay đại diện cho lớp các đối tượng phi tuyến phức tạp

Trang 15

Ở đề tài này đã có một số luận văn thạc sĩ Đại học Bách khoa TP.HCM, Đại học Giao thông Vận tải điều khiển thành công sử dụng giải thuật LQR, PID, Fuzzy Tuy nhiên các giải thuật trên có những nhược điểm như sau:

Giải thuật LQR điều khiển dựa vào thông số K tìm được từ việc tuyến tính hóa

hệ thống nên chỉ điều khiển được mô hình quanh vị trí làm việc Nếu trạng thái hệ thống quá xa vị trí cân bằng thì giải thuật không còn điều khiển tốt

Giải thuật PID là giải thuật tuyến tính trong khi con lắc ngược quay là một hệ phi tuyến mang tính phi tuyến điển hình Do vậy, bộ điều khiển PID có thể chưa đủ mức độ phức tạp để điều khiển hệ con lắc ngược quay trong một dải hoạt động rộng

Giải thuật Fuzzy phụ thuộc vào kinh nghiệm chuyên gia nên tốn rất nhiều thời gian thử sai nhiều lần và không tận dụng được hiểu biết về phương trình toán học của hệ thống

Từ các hạn chế nhất định của các bộ điều khiển trên, bộ điều khiển phi tuyến

là một giải pháp để củng cố thêm Với việc tận dụng được những kiến thức về mô hình (thông số hệ thống, phương trình toán học) thì việc thiết kế một bộ điều khiển đáp ứng tốt và ổn định được hệ thống trong một khoảng hoạt động rộng

Trong khuôn khổ luận văn này, học viên xin chọn hướng đề tài:

“ ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT HỆ CON LẮC NGƢỢC ĐƠN”

1.2 Giới thiệu về con lắc ngƣợc quay

Mô hình con lắc ngược quay là một hệ thống máy gồm hai khâu: cánh tay

(Arm) và con lắc (pendulum)

Trong điều khiển cân bằng, cánh tay gắn vào động cơ DC có một encoder gắn đồng trục để xác định vị trí góc cánh tay quay quanh trục thẳng đứng và con lắc gắn

vào trục encoder ở cuối cánh tay tự do trong mặt phẳng vuông góc với cánh tay có khả năng xoay tự do trong mặt phẳng vuông góc với mặt phẳng ngang

Trang 16

Hình 1.1 Mô hình con lắc ngược quay

1.3 Một số công trình nghiên cứu có liên quan

Do hệ con lắc ngược quay là một hệ ứng dụng nhiều trong nghiên cứu giải thuật điều khiển cũng như mang tính học thuật cao nên nhiều dạng mô hình con lắc ngược quay được xây dựng và sử dụng tại các phòng thí nghiệm Ngoài hệ con lắc ngược quay được đề cập ở phần trên còn có các hệ con lắc ngược khác như: hệ con lắc ngược quay một bậc tự do, hệ xe con lắc ngược…

Hình 1.2 Một số mô hình phần cứng con lắc ngược quay trước đây

Trang 17

Trong luận văn thạc sĩ “Nghiên cứu điều khiển trượt điều khiển con lắc ngược” của tác giả Huỳnh Xuân Dũng [2], trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật 2012, hệ thống cũng đã được phân tích, mô phỏng và điều khiển Các kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống đáp ứng nhanh, tuy nhiên, đề tài chỉ thực hiện mô phỏng để kiểm tra thuật toán bộ điều khiển trượt, chưa ứng dụng bộ điều khiển vào mô hình thực hệ thồng con lắc ngược Do đó, chưa đánh giá được tính ổn định và bền vững của bộ điều khiển trượt

1.4 Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu

1.5 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết:

Nghiên cứu tài liệu để hiểu biết về đối tượng: mô hình toán, mô hình cơ khí,

bố trí cảm biến, cách thức hoạt động…của một hệ con lắc ngược

Nghiên cứu tài liệu để nắm vững các giải thuật nhận dạng thông số mô hình, giải thuật điều khiển trượt để điều khiển cân bằng mô hình con lắc ngược quay

Trang 18

Phương pháp thực nghiệm:

Sử dụng phần mềm Matlab/Simulink mô phỏng trên máy tính: mô phỏng con lắc ngược với các phương trình toán học

Xây dựng mô hình thực tế hệ thống, dùng DSP TMS320F28335 để thu thập

dữ liệu và điều khiển hệ thống thực tế đã xây dựng được

Đánh giá kết quả dựa trên mô phỏng và thực nghiệm

1.6 Cấu trúc của luận văn

Luận văn tìm hiểu cơ sở lý thuyết của điều khiển trượt để điều khiển cân bằng

hệ con lắc ngược, lập trình, mô phỏng trên phần mềm Matlab và thực hiện thi công

mô hình phần cứng Sau đó, học viên sẽ thực hiện nhúng giải thuật điều khiển trên DSP TMS320F28335 để áp dụng điều khiển mô hình lắc ngược quay thực tế

Luận văn gồm 7 chương với nội dung cụ thể như sau:

Chương 1: Tổng quan

Giới thiệu tổng quan nhằm mục đích giới thiệu đề tài, các vấn đề mà đề tài cần giải quyết, công trình liên quan, mục tiêu nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu và phương pháp nghiên cứu của học viên

Chương 2: Mô hình hóa và tham số

Khảo sát đối tượng con lắc ngược, trình bày việc phân tích mô hình toán học

hệ con lắc ngược Xác định các thông số toán học của đối tượng, các biến trạng thái

Chương 3: Giải thuật điều khiển

Trình bày sơ lược về cơ sở lý thuyết về điều khiển trượt

Chương 4: Giới thiệu phần cứng

Chương này trình bày phần cơ khí, điện và chương trình mà học viên thực hiện cho hệ con lắc ngược

Trang 19

Chương 5: Kết quả mô phỏng

Chương này trình bày cách đưa mô hình toán học của hệ con lắc ngược vào

mô phỏng bằng Matlab Kết quả mô phỏng của hệ thống

Chương 6: Kết quả trên mô hình thực

Trình bày kết quả điều khiển thực tế cho thiết kế phần cứng ở chương trước Đánh giá và nhận xét về chất lượng điều khiển

Chương 7: Kết luận và hướng phát triển

Kết luận tóm tắt về kết quả đã đạt được cũng như những hạn chế và hướng phát triển để hoàn thiện hơn những thiếu sót của đề tài

Định dạng
Số trang	22
Dung lượng	4,3 MB