thiết kế bộ điều khiển hệ thống cân bằng ball and beam trên matlab

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP SINH VIÊN THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG CÂN BẰNG BALL AND BEAM TRÊN MATLAB S K C 0 9 MÃ SỐ: SV2010-112 S KC 0 2 Tp Hồ Chí Minh, 2011 z BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM  ĐỀ TÀI NCKH CẤP SINH VIÊN THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG CÂN BẰNG BALL AND BEAM TRÊN MATLAB Mã số : SV2010-112 THUỘC NHÓM NGÀNH : KHOA HỌC KỸ THUẬT NGƯỜI CHỦ TRÌ : ĐỖ THANH LIÊM NGƯỜI THAM DỰ : PHAN THANH NGUYÊN ĐƠN VỊ : ĐIỆN – ĐIỆN TỬ TP.HỒ CHÍ MINH – 05/2011 MỤC LỤC CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 Lý chọn đề tài 1.2 Đối tượng nghiên cứu 1.3 Tình hình nghiên cứu nước 1.4 Những vần đề tồn CHƯƠNG 2: MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI 2.1 Mục đích đề tài 2.2 Phương pháp nghiên cứu 2.3 Nội dung thực 2.3.1 Thiết lập mô hình toán học Ball & Beam 2.3.2 Phương trình hệ thống 2.4 Điều khiển vị trí Ball 2.5 Điều khiển vị trí góc alpha 2.6 Ứng dụng command matlab Hàm truyền CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG 3.1 Sơ lược công cụ GUIDE matlab 3.1.1 Cửa sổ GUIDE 3.1.2 Kéo thả điều khiển 3.1.3 Thay đổi thuộc tính điều khiển 3.1.4 Viết lệnh cho chương trình 10 3.2 Thiết kế giao diện điều khiển 11 3.3 Lập trình cho giao diện 11 3.4 Thao tác giao diện kết 12 3.5 Card thu thập liệu PCI-1711 12 3.5.1 Analog Input 14 3.5.2 Analog Output 15 3.5.3 Digital Input/Output 16 3.5.4 Programable Counter/Timer 16 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG BALL &BEAM 18 Tổng quan PID 18 4.1 Thành phần tỉ lệ (P) 19 4.2 Thành phần tích phân (I) 19 4.3 Thành phần vi phân (D) 20 4.4 Phương pháp ZIEGLER-NICHOLS 20 4.5 Sơ đồ điều khiển 21 4.5.1 Sơ đồ điều khiển PID 21 4.5.2 Thiế kế điều khiển PID cho vị trí góc alpha 21 4.5.3 Thiết kế điều khiển PID cho vị trí Ball 22 4.6 Vấn đề tunning điều khiển PID 24 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 26 5.1 Kết luận 26 5.2 Hướng phát triển 26 Tài liệu tham khảo 27 DANH MỤC BẢNG Bảng 3.5 : ký hiệu ý nghĩa sơ đồ chân card PCI 1711 Bảng 3.5.1 : đặc điểm ngõ vào Analog Bảng 3.5.2 : đặc điểm ngõ Analog Bảng 3.5.3 : đặc điểm ngõ vào/ra số Bảng 3.5.4 : đặc điểm timer/counter Bảng 4.4 : lựa chọn thông số cảu điều khiển PID theo phương pháp ZieglerNichol Bảng 4.6 : ảnh hưởng việc tăng thông số Kp, Ki, Kd lên đáp ứng hệ thống Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường GVHD:Ths Nguyễn Vinh Quan CHƢƠNG ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 Lý chọn đề tài: Trong thời đại nay, đất nước ta phát triển theo đường công nghiệp hóa đại hóa Lĩnh vực khoa học kỹ thuật ngày phát triển, đặc biệt ngành tự động hóa ngày đóng vai trò quan trọng đời sống người ngày phát triển theo xu hướng thời đại Bên cạnh qua thời gian tiếp xúc với môn học nhóm thực hiểu rõ tính cấp thiết tự động hóa Được gợi ý thầy cô môn nhằm nâng cao chuyên môn mong muốn tự động hóa ứng dụng nhiều lĩnh vực kĩ thuật,y khoa,sinh học,địa lý… Nhóm định tìm hiểu vấn đề nhỏ bé liên quan đến tự động hóa “thiết kế điều khiển hệ thống cân ball and beam matlab” nhằm khai thác tính ứng dụng môn học vào thực tế 1.2 Đối tƣợng nghiên cứu:  Phần mềm Matlab  Thiết kế giao diện dùng GUIDE  Card PCI 1711  Phương pháp điều khiển PID 1.3 Tình hình nghiên cứu nƣớc: Điều khiển dùng phương pháp PID nghiên cứu ứng dụng nhiều, sau đề tài sử dụng phương pháp PID: - THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH CON LẮC NGƯỢC (Huỳnh Trung Nguyên,Đặng Khắc Long,Lớp 061180-ĐHSPKT Hồ Chí Minh) - ĐIỀU KHIỂN LÒ NHIỆT DÙNG PID (Trần Vũ hoàng ,Lớp 071180 ĐHSPKT Hồ Chí Minh)… Hệ thống ball and beam Page Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường 1.4 GVHD:Ths Nguyễn Vinh Quan Những vấn đề tồn tại: Thời gian xác lập lớn phương pháp đáp ứng yêu cầu chưa tối ưu Hệ thống ball and beam Page Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường GVHD:Ths Nguyễn Vinh Quan CHƢƠNG MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI 2.1 Mục đích đề tài:  Sử dụng phương pháp PID Matlab cho giá trị tính toán đạt tối ưu  Sử dụng card PCI giao tiếp để điều khiển mô hình thật (nếu có)  Thiết kế giao diện điều khiển 2.2 Phƣơng pháp nghiên cứu:  Phương pháp quan sát khoa học  Phương pháp phân loại hệ thống lý thuyết  Phương pháp phân tích 2.3 Nội dung thực hiện: 2.3.1 Thiết lập mô hình toán học ball and beam: Hình 2.3.1.Mô hình đơn giản ball and beam Hệ thống ball and beam bao gồm bóng tròn,thanh ngang chiều dài L, góc so với phương ngang  , bong lăn ngang Động DC dùng để di chuyển nằm ngang theo hai hướng lên xuống Hệ thống ball and beam Page Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường 2.3.2 GVHD:Ths Nguyễn Vinh Quan Phương trình hệ thống: - Phương trình Lagrange chuyển động cho bóng đưa sau đây:  J     m r   mg sin   mr  R  (2.3) -Tuyến tính phương trình góc cánh tay đòn, alpha = 0, cho gần theo tuyến tính hệ thống :  J    m r   mg R  (2.3.1) - Phương trình liên quan tới góc cánh tay đòn với góc bánh (phần trợ động) xấp xỉ tuyến tính phương trình đây:  d  L (2.3.2) - Thay (2.3.2) vào phương trình (2.3.1) , được: d  J    m r   mg  L R  2.4 (2.3.3) Điều khiển vị trí ball: - Hàm truyền đối tượng là: H S   RS   mgd 0.21    S   J  S2 S2 L  m  R  (2.4) Với : M = 0.111Kg,R=0.015 m, d=0.03m, g=-9.8m/s^2,L=1.0m, J=9.99e-6kgm^2 -Phương trình trạng thái: Phương trình hệ thống tuyến tính đại diện cho dạng không gian trạng thái   mgd    r r       r   0 0 r     J        L  m     R   Hệ thống ball and beam (2.4.1) Page Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường GVHD:Ths Nguyễn Vinh Quan  Kết luận:  Hệ ball and beam hệ phi tuyến, tuyến tính hóa quanh điểm làm việc tĩnh  Hệ ball and beam có biến trạng thái (hoặc biến trạng thái biến điều khiển phần mở rộng thêm phía dưới) Tuy nhiên, mô hình có kinh phí lớn, đầu tư kỹ sử dụng Theo phương trình biến trạng thái biến điều khiển sau: 0  r    r   0         0    0  mg  J    m R  0 0 0   r  0  0     r      u     0  0        1 0 r  r  y  1 0 0        2.5 (2.4.2) (2.4.3) Điều khiển vị trí góc alpha: Phương trình vi phân mô tả hệ thống là: r   1  J   m R   Trong theo( 2.3.2): mg sin   mr    (2.5) d  L *Phương trình cho simulink  Hệ thống ball and beam mg sinu3  mu1u4    J   m R  (2.5.1) Page Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường GVHD:Ths Nguyễn Vinh Quan áp tham chiếu bên kênh ngõ tương tự 0/1 AO1_REF AO0_OUT AOGND Ngõ Analog Output Channels 0/1.Chân ngõ tương tự 0/1 AO1_OUT AOGND Analog Output Ground DI DGND Ngõ vào Digital Input channels: Kênh ngõ vào số DO DGND Ngõ Digital Output channels: Kênh ngõ số DGND Digital Ground CNT0_CLK DGND Ngõ vào Counter Clock Input: Ngõ vaò xung clock Counter Ngõ vào tín hiệu bên bên Và cài đặt phần mềm CNT0_OUT DGND Ngõ Counter Output: Ngõ Counter CNT0_GATE DGND Ngõ vào Counter Gate Control.: Cổng điều khiển Counter PACER_OUT DGND Ngõ Pacer Clock Ouput: Nếu chuyển đổi A/D chế độ Pacer Trigger, người sử dụng dùng tín hiệu từ chân tín hiệu đồng ứng dụng khác EXT_TRG DGND Ngõ vào A/D External Trigger: Chân nhận tín hiệu trigger từ bên cho chuyển đổi A/D Chuyển đổi A/D bắt đầu tín hiệu chuyển từ mức thấp lên mức cao +12V DGND Ngõ Nguồn 12VDC +5V DGND Ngõ Nguồn 5VDC Bảng 3.5.a: Các ký hiệu ý nghĩa sơ đồ chân card PCI 1711 Hệ thống ball and beam Page 14 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường 3.5.1 GVHD:Ths Nguyễn Vinh Quan Analog Input( Ngõ vào Analog ) : Channels 16 kênh Resolution FIFO Size Max Sample Rate Conversion Time Input range and Gain List Drift (ppm/ Gain Input Zero Gaim ) Small Signal Bandwidth for PGA Max Input Input Protect Overvoltage Input Impedance Trigger mode Accuracy Bandwidth 12 bit 1K sample 100KS/s max 10µs ±10V ±5V ±2.5V ±1.25V 15 15 15 15 25 25 25 30 4.0MHz 2.0MHz 1.5MHz 0.65MHz ±15V 70Vp-p 2MΩ/5 pF Software, On-Board Programmable Pacer or externa DC 16 ±0.625V 16 15 40 16 0.35MHz INLE: Monotonicity: 12 bits Offset error: Adjustable to zero Gain error: 0.005% FSR (Gain=1) SNR: 68 dB ENOB: 11 bits AC Bảng 3.5.1: Đặc điểm ngõ vào Analog 3.5.2 Analog Output ( Ngõ Analog): Channels Resolution Output Range (Intermal & External Accuracy Reference) Gain Error 12-bits Internal Reference ~ +5 V, ~ +10 V External Reference ~ +x V@ -x V (-10≤ x ≤10) Relative ±1/2 LSB Differential Non-linearity ±1/2 LSB Adjustable to zero Slew Rate Slew Rate Drift Driving Capability Throughput Output Impedance Settling Time Reference Voltage 40 ppm/° C mA 38 kHz (min.) 0.81 Ω 26 µs (to ±1/2 LSB of FSR) Internal External -5 V or -10 V -10 V ~ +10 V Bảng 3.5.2: Đặc điểm ngõ Analog Hệ thống ball and beam Page 15 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường 3.5.3 GVHD:Ths Nguyễn Vinh Quan Digital Input/Output(Ngõ vào/ra số): Input Channels 16 Input Voltage Input Load Low 0.4V max High 2.4 V Low 0.4 V max @ -0.2mA High 2.7 V @ 20µA Output Channels Output Voltage 16 Low 0.4 V max.@ +8.0mA (sink) High 2.4 V min.@-0.4mA (source Bảng 3.5.3: Đặc điểm ngõ vào/ số 3.5.4 Programable Counter/Timer: Channels channels, channels are permanently configured as programmable pacers; channel is free for user application Resolution 16-bits Conpatibility TTL level Base Clock Channel 2: Takes input from output of channel Channel 1: 10 MHz Channel 0: Internal 1MHz or external clock (10 MHz) max Selected by software Max Input Frequency Clock Input Gate Input Counter Output MHz Low 0.8 V max High 2.0 V Low 0.8 V max High 2.0 V Low 0.5 V max.@+24 mA High 2.4 V min.@-15 mA Bảng 3.5.4: Đặc điểm Timer/Counter Hệ thống ball and beam Page 16 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường GVHD:Ths Nguyễn Vinh Quan Lời khuyên : Như vậy, sau xem xét kỹ tất tính card PCI 1711, người thực đề tài nhận rằng: sử dụng counter mode đếm để đếm xung encorder 5000ppr, với sử dụng ngõ Analog Out để điều khiển tốc độ động cho hệ thống Hệ thống ball and beam Page 17 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường GVHD:Ths Nguyễn Vinh Quan CHƢƠNG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG BALL & BEAM Tổng quan PID: Thuật toán PID thuật toán ứng dụng rộng rải nhiều ứng dụng tính hiệu Control Variable Process Variable Hình : Sơ đồ khối điều khiển PID Bộ điều khiển PID biểu diễn theo phương trình sau: ut   Pout t   I out t   Dout t  t  u t   K p et   K i  et dt  K D det  dt (4) Trong đó: Setpoint : giá trị mong muốn đạt ngõ đối tượng điều khiển Process variable : tín hiệu hồi tiếp mà điều khiên nhận từ đối tượng điều khiển Control variable : giá trị ngõ điều khiển Error: giá trị sai lệch giá trị đặt giá trị ngõ đối tượng điều khiển Output : đại lượng vật lý cần điều khiển Bộ điều khiển PID kết hợp thành phần :Thành phần tỉ lệ (P) đưa giá trị Pout dựa giá trị sai lệch thời điểm tại; thành phần tích phân (I) đưa giá trị Iout Hệ thống ball and beam Page 18 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường GVHD:Ths Nguyễn Vinh Quan dựa tích lũy giá trị sai lệch từ khứ đến thời điểm ;thành phần vi phân (D) tính toán giá trị Dout dựa tốc độ thay đổi sai lệch.Tác dụng khâu lên ngõ PID sau: 4.1 Thành phần tỉ lệ (P): Pout t   K p  et  (4.1) với Kp : số tỉ lệ Muốn thực thi thành phần P với điều khiển số vi điều khiển,máy tính, phải chuyển phương trình (1) sang biểu diễn miền rời rạc: Pout kT   K p  ekT  (4.1.1) Như vậy, muốn tính giá trị ngõ khâu P chu kỳ lấy mẫu, tính toán giá trị PV, sau tính toán giá trị sai lệch error, sau nhân giá trị sai lệch với số Kp *Giá trị ngõ khâu P phụ thuộc nhiều vào hệ số Kp.Nếu Kp lớn làm giá trị đại lượng vật lý dao động, gây độ vọt lố cao Kp nhỏ làm cho điều khiển “nhạy” với hệ thống có nhiễu 4.2 Thành phần tích phân (I): t I out t   K i  et  (4.2) với Ki: số vi phân Chuyển qua miền rời rạc ta : I out kT   K i  k 1t kT  ekT dt  K   et dt i => I out kT   I out k  1T   (4.2.1) k 1 T ki.T ek  1T   ekT  (4.2.2) Giá trị ngõ khâu I tồn tồn giá trị sai lệch e(t).Như vậy, khâu I có tác dụng loại bỏ offset giá bị PV giá trị đặt Để thực thi khâu I với điều khiển số ,tiến hành thực bước sau:  Tính giá trị sai lệch e(kT) chu kì lấy mẫu  Tính tổng giá trị sai lệch chu kỳ lấy mẫu sai lệch trước chu kỳ lấy mẫu.Tiếp tục nhân kết với Hệ thống ball and beam ki.T Page 19 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường GVHD:Ths Nguyễn Vinh Quan  Cộng dồn giá trị I out với giá trị I out trước chu kỳ lấy mẫu  Lưu giá trị e(kT) I out kT  để tính toán chu kỳ lấy mẫu 4.3 Thành phần vi phân ( D ): Dout t   Kd  det  dt (4.3) Với Kd: số vi phân Rời rạc phương trình theo phương pháp sai phân lùi ta : Dout kT   Kd  ekT   ek  1T  (4.3.1) Để thực thi khâu D, đơn giản thực theo bước sau:  Tính toán giá trị sai lệch thời điểm tai  Tính giá trị sai lệch giá trị sai lệch thời điểm thời điểm trước chu kỳ lấy mẫu.Nhân giá trị sai lệch với Kd 4.4 Phƣơng pháp ZIEGLER-NICHOLS: Phương pháp Ziegler–Nichols đề xuất sau: Ban đầu, ảnh hưởng khâu D I loại bỏ cách thiết lập Kd=0, Ki=0.Tăng dần hệ số Kp đến giá trị Ku mà ngõ bắt đầu dao động, Giá trị Ku chu kỳ dao động Tu sử dụng để tính hệ số Kp,Ki,Kd bảng 4.2: Bộ điều khiển KP P 0.5*Ku PI 0.45*Ku *Tu PID 0.6*Ku 0.5*Tu TI TD 0.125*Tu Bảng 4.4: Lựa chọn thông số điều khiển PID theo phương pháp Ziegler–Nichols Qua thời gian thực nghiệm và lấy mẫu thông số Kp,Ki,Kd nhóm chọn thông số phù hợp với đối tượng.Phần thiết kế hệ thống bên sau: Hệ thống ball and beam Page 20 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường 4.5 GVHD:Ths Nguyễn Vinh Quan Sơ đồ thiết kế điều khiển: 4.5.1 Sơ đồ điều khiển PID: 4.5.2 Thiết kế điều khiển PID cho vị trí góc alpha: Bộ điều khiển PID tính toán giá trị ngõ dựa giá trị sai lệch vị trí ball từ định giá trị điện áp đặt lên động cho thích hợp để điều chỉnh cách xác Bằng cách thực mô nhiều lần với thông số Kp,Ki,Kd khác nhau, người thực mô chọn giá trị Kp=20 ,Ki=0,Kd=20 Hệ thống ball and beam Page 21 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường GVHD:Ths Nguyễn Vinh Quan Thiết kế điều khiển PID cho vị trí ball: 4.5.3 - Bộ điều khiển PID tính toán giá trị ngõ điện áp đặt lên động Bằng cách thực mô nhiều lần với thông số Kp, Ki, Kd khác nhau, người thực mô chọn giá trị Kp=37, Ki=0, Kd=0 Kết mô phương pháp sau: Điện áp Scope_U Vị trí ball Scope_R a Kp=37, Ki=0, Kd=0 40 0.6 30 0.4 20 0.2 10 0 -0.2 -10 -0.4 -20 -0.6 -30 -40 10 15 20 25 30 -0.8 10 15 20 25 30 b Kp=30, ki=0.05, kd=0.05 Hệ thống ball and beam Page 22 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường GVHD:Ths Nguyễn Vinh Quan 30 0.6 20 0.4 10 0.2 0 -10 -0.2 -20 -0.4 -30 -0.6 -40 10 15 20 25 30 -0.8 10 15 20 25 30 10 15 20 25 30 c Kp=32, ki=0.05, kd=0.05 40 0.6 30 0.4 20 0.2 10 0 -0.2 -10 -0.4 -20 -0.6 -30 -40 10 15 20 25 30 -0.8 d Kp=35, ki=0.05, kd=0.05 40 0.6 30 0.4 20 0.2 10 0 -0.2 -10 -0.4 -20 -0.6 -30 -40 10 15 20 25 30 -0.8 10 15 20 25 30 e Kp=38, ki=1, kd=0.05 40 0.6 30 0.4 20 0.2 10 0 -0.2 -10 -0.4 -20 -0.6 -30 -40 10 15 20 25 30 -0.8 10 15 20 25 30 f Kp=40, ki=1, kd=0.05 Hệ thống ball and beam Page 23 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường GVHD:Ths Nguyễn Vinh Quan g kp=20, ki=5, kd=0 h kp=30,ki=0,kd=0.05  Nhìn vào hình mô ta thấy Kp=37,Ki=0,Kd=0 vị trí ball bám theo tín hiệu đặt đưa vào ban đầu tốt trạng thái ball xác lập sau thời gian độ khoảng 2s,cho thấy kết theo chiều hướng mong muốn.Xem hình vẽ sau để hiểu rõ  Ta có Txaclap= 8.924s - 6.27s = 2.654s 4.6 Vấn đề tuning điều khiển PID: Tunning điều khiển PID trình hiệu chỉnh thông số Kp,Ki,Kd cho đáp ứng ngõ thỏa mãn tiêu chất lượng Quá trình tunning trình phức tạp đòi hỏi người thực phải có hiểu biết định đối tượng điều khiển Hiện nay, có nhiều phương pháp để thực công việc này, phạm vi đề tài này, xin trình bày phương pháp phổ biến : phương pháp “Adjust and Observe” Tunning phương pháp Ziegler–Nichols Hệ thống ball and beam Page 24 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường GVHD:Ths Nguyễn Vinh Quan Sự ảnh hưởng việc tăng thông số Kp, Ki ,Kd lên tiêu chất lượng đáp ứng ngõ mô tả bảng sau: Ảnh hưởng việc tăng thông số Kp, Ki, Kd Rise Time Độ vột lố Thời gian xác lập Sai số xác lập Kp Giảm Tăng Thay đổi nhỏ Giảm Ki Giảm Tăng Tăng Loại bỏ Kd Giảm or tăng Giảm Tăng Không tác dụng Bảng 4.6: Ảnh hưởng việc tăng thông số Kp,Ki,Kd lên đáp ứng hệ thống  Nhận xét: + Bộ điều khiển có khả giữ cân cho hệ thống ball and beam +Sau nhiều lần thực nghiệm, người thực đề tài thấy phương pháp đáp ứng yêu cầu hệ thống Hệ thống ball and beam Page 25 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường GVHD:Ths Nguyễn Vinh Quan CHƢƠNG KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 5.1 Kết luận: Nhóm sinh viên thực cố gắng đưa giải pháp để có hệ thu thập liệu điều khiển tương đối trình thực hiên đề tài nhóm cố gắng xây dựng phần cứng nhằm muốn ứng dụng thuật toán vào mô hình thực tế kinh phí hạn hẹp vượt khả nhóm nên nhóm đưa phương pháp mô matlab cách xác nhằm tạo tảng cho đề tài phía sau có điều kiện hơn.Tuy chưa phải tối ưu cho hệ thống nỗ lực thành viên nhóm để đóng góp phần nhỏ hoàn thiện mô hình hoàn chỉnh Căn vào mục tiêu cần đạt đề tài đặt từ đầu, điều mà đề tài giải chưa sau:  Chọn phương pháp điều khiển  Thiết kế thành công giao diện điều khiển ball and beam matlab  Khảo sát card giao tiếp PCI  Thiết kế điều khiển giữ cân ball and beam simulink 5.2 Hƣớng phát triển: Còn nhiều việc phải làm để có mô hình thí nghiệm phương pháp điều khiển đạt độ xác tin cậy cao.Trong giới hạn kiến thức kinh nghiệm đối tượng này, xin đề xuất phương án phát triển đề tài phía sau sau: Về phần giao tiếp ( mạch điện điều khiển ): Để thực điều này, xin đưa phương án:  Phương án : Trang bị card thu thập liệu phải có tính sau: có ngõ vào Counter ( ngõ vào Encorder Input) phải có D/A ( PWM tốt) Theo kinh nghiệm nhóm khảo sát card DSP đáp ứng yêu cầu Hệ thống ball and beam Page 26 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường GVHD:Ths Nguyễn Vinh Quan Bên cạnh đó, vấn đề nhận dạng hệ thống có điều kiện thực Nếu thuật toán nhận dạng áp dụng để nhận dạng ước lượng mô hình toán học mô hình phức tạp này.Và từ đó, việc thiết kế điều khiển cho hệ thống lại trở nên thuận lợi trước Tài liệu tham khảo: [1]-PCI 1710 Series User’s Manual Advantech Co., Ltd [2]- Programmable Logic Controllers: Programming Methods and Applications [3]-Matlab Simulink User’s Guide [4]- Developing LQR to control speed motor using Matlab Gui- Shamsul Nizam Bin Mohd Y [5]- http://www.engin.umich.edu [6]- Sách hệ thống điều khiển tự động (Huỳnh Thái Hoàng-ĐHBK) [7]- Matlab (bộ môn điện công nghiệp-Trường đại học SPKT HCM) [8]- CTM Example Ball & Beam Modeling.htm [9]- Controrler ball beam.htm [10]- www.chiasethongtin.com htm Hệ thống ball and beam Page 27 [...]... thông số phù hợp với đối tượng.Phần thiết kế hệ thống bên dưới như sau: Hệ thống ball and beam Page 20 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường 4.5 GVHD:Ths Nguyễn Vinh Quan Sơ đồ thiết kế bộ điều khiển: 4.5.1 Sơ đồ điều khiển PID: 4.5.2 Thiết kế bộ điều khiển PID cho vị trí và góc alpha: Bộ điều khiển PID sẽ tính toán giá trị ngõ ra dựa trên giá trị sai lệch của vị trí ball này và từ đó quyết định giá trị... thông số Kp,Ki,Kd lên đáp ứng của hệ thống  Nhận xét: + Bộ điều khiển có khả năng giữ cân bằng cho hệ thống ball and beam +Sau nhiều lần thực nghiệm, người thực hiện đề tài thấy rằng phương pháp này vẫn đáp ứng được yêu cầu của hệ thống Hệ thống ball and beam Page 25 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường GVHD:Ths Nguyễn Vinh Quan CHƢƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 5.1 Kết luận: Nhóm sinh viên thực... có thể điều chỉnh một cách chính xác Bằng cách thực hiện mô phỏng nhiều lần với các bộ thông số Kp,Ki,Kd khác nhau, người thực hiện mô phỏng đã chọn được giá trị Kp=20 ,Ki=0,Kd=20 Hệ thống ball and beam Page 21 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường GVHD:Ths Nguyễn Vinh Quan Thiết kế bộ điều khiển PID cho vị trí ball: 4.5.3 - Bộ điều khiển PID sẽ tính toán giá trị ngõ ra điện áp đặt lên động cơ Bằng. .. đối tượng điều khiển Process variable : tín hiệu hồi tiếp mà bộ điều khiên nhận được từ đối tượng điều khiển Control variable : giá trị ngõ ra của bộ điều khiển Error: giá trị sai lệch giữa giá trị đặt và giá trị hiện tại ở ngõ ra của đối tượng điều khiển Output : đại lượng vật lý cần điều khiển Bộ điều khiển PID là sự kết hợp của 3 thành phần :Thành phần tỉ lệ (P) đưa ra giá trị Pout dựa trên giá trị... gọi Chính là hàm Callback Điều khiển nào cũng có hàm callback, như hàm ngắt trong vi điều khiển vậy Click chuột phải vào nút Calculate chọn Callback Hàm có một số tham số:  hobject : handle của điều khiển buttonCalculate  eventdata  handles : là một cấu trúc chứa tất cả các điều khiển và dữ liệu người dùng Dùng cái này để truy suất các điều khiển khác Hệ thống ball and beam Page 10 Đề tài nghiên... str2func(varargin{1}); end………………… Hệ thống ball and beam Page 11 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường 3.4 GVHD:Ths Nguyễn Vinh Quan Thao tác trên giao diện-kết quả: 3.4 Giao diện bộ điều khiển ball and beam sau khi chạy chương trình 3.5 Card thu thập dữ liệu PCI-1711: Chức năng của card PCI trong ứng dụng này là cho phép máy tính có thể giao tiếp với các thiết bị ngoại vi ,và từ đó giúp cho bộ điều khiển trung tâm-máy... [3] -Matlab Simulink User’s Guide [4]- Developing LQR to control speed motor using Matlab Gui- Shamsul Nizam Bin Mohd Y [5]- http://www.engin.umich.edu [6]- Sách hệ thống điều khiển tự động (Huỳnh Thái Hoàng-ĐHBK) [7]- Matlab 7 (bộ môn điện công nghiệp-Trường đại học SPKT tp HCM) [8]- CTM Example Ball & Beam Modeling.htm [9]- Controrler ball beam. htm [10]- www.chiasethongtin.com htm Hệ thống ball and beam. .. nghiên cứu khoa học cấp trường GVHD:Ths Nguyễn Vinh Quan CHƢƠNG 4 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG BALL & BEAM 4 Tổng quan về PID: Thuật toán PID là một trong những thuật toán được ứng dụng rộng rải trong nhiều ứng dụng hiện nay bởi tính hiệu quả của nó Control Variable Process Variable Hình 4 : Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID Bộ điều khiển PID có thể biểu diễn theo phương trình sau: ut   Pout t... m Để làm điều này ta sẽ cần phải thêm dòng sau vào file-m của bạn: step(0.25*num,den) Ta sẽ thấy vị trí ball như là một hàm của thời gian: Hệ thống ball and beam Page 6 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường GVHD:Ths Nguyễn Vinh Quan CHƢƠNG 3 THIẾT KẾ GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG 3.1 Sơ lƣợc về công cụ lập trình GUIDE trong matlab: GUIDE là công cụ lập trình giao diện rất hữu ích trong matlab, giúp... hệ thống nhưng đó là nỗ lực của các thành viên trong nhóm để có thể đóng góp một phần nhỏ có thể hoàn thiện được một mô hình hoàn chỉnh Căn cứ vào các mục tiêu cần đạt được của đề tài đặt ra ngay từ đầu, thì những điều mà đề tài đã giải quyết được và chưa được như sau:  Chọn phương pháp điều khiển  Thiết kế thành công giao diện điều khiển ball and beam trên matlab  Khảo sát card giao tiếp PCI  Thiết