Đề Tài Điều Khiển Và Nhận Dạng Con Lắc Ngược

Tóm tắt luận văn tốt nghiệp PHẦN MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Hệ thống lắc ngược hệ thống không ổn định, phi tuyến mức cao Nó sử dụng mô hình phổ biến cho ứng dụng kỹ thuật điều khiển tuyến tính phi tuyến Hệ thống vấn đề điều khiển cổ điển áp dụng nhiều thực tế đặc tính động học lắc gần giống với trình vật lý trình phóng tên lửa hoạt động cần cẩu chuyển động Nhờ tính động học đó, mô hình lắc nhà nghiên cứu sử dụng mô hình chuẩn để thử nghiệm thuật toán điều khiển điều khiển PID, tuyến tính hoá, mạng nơron, logic mờ Đối với phương pháp điều khiển cổ điển PID đòi hỏi phải biết rõ mô hình toán học đối tượng thành phần bất định chúng Mặt khác muốn điều khiển xác đối tượng chưa biết rõ thông số, trước tiên phải hiểu rõ đối tượng Đối với đối tượng phi tuyến lắc ngược cần phải thực nhận dạng đặc tính vào để đảm bảo tạo tín hiệu điều khiển thích nghi Hiện mạng nơron truyền thẳng thường sử để nhận dạng điều khiển thích nghi hệ thống phi tuyến Lợi mạng truyền thẳng có thay đổi xảy ra, mạng truyền thẳng Tóm tắt luận văn tốt nghiệp thích nghi với thông số trì kiểm soát trình mà điều khiển khác không làm Từ lý với gợi ý lựa chọn đề tài thầy TS Ngô Văn Thuyên, học viên thực đề tài tâm thực đề tài “Điều khiển nhận dạng lắc ngược” Trong luận văn DSP F2812 sử dụng để thiết kế, nhận dạng điều khiển lắc ngược Mục tiêu nhiệm vụ luận văn Mục tiêu đề tài điều khiển nhận dạng lắc ngược Nhiệm vụ luận văn: - Xây dựng mô hình toán học hệ thống lắc ngược - Mô hệ thống lắc tuyến tính phi tuyến môi trường Matlab - Nhận dạng hệ thống lắc tuyến tính mô hình ARX, ARMAX, BOX-JENKINS, OE nhận dạng hệ thống lắc phi tuyến dùng mạng nơron truyền thẳng - Thiết kế thi công hệ thống lắc ngược - Điều khiển ổn định hệ thống lắc PID hai biến mạng nơron truyền thẳng Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu đề tài là: - Điều khiển hệ thống lắc phương pháp hồi tiếp hai góc lệch α θ Tóm tắt luận văn tốt nghiệp - Sử dụng Jtag XDS510 Emulator để thu thập liệu - Mạng nơron truyền thẳng huấn luyện theo kiểu học có giám sát - Dựng đứng lắc tay không dùng thuật toán Swing-up Phương pháp nghiên cứu Các phương pháp nghiên cứu sử dụng luận văn bao gồm: - Khảo sát, phân tích tổng hợp - Mô máy tính - Thiết kế mô hình thực nghiệm - Đánh giá kết dựa mô thực nghiệm Tóm tắt phần thực luận văn 5.1 Mô hình toán hệ thống lắc ngược quay 5.1.1 Thiết lập mô hình toán học lắc ngược quay Hệ thống lắc ngược quay Hình 5.1 bao gồm lắc có khối lượng m , chiều dài 2L quay tự do, góc lắc so với phương thẳng α , lắc gắn với nằm ngang có chiều dài r Tóm tắt luận văn tốt nghiệp Hình 5.1 Mô hình cánh tay quay lắc Hệ phương trình mô tả đặc tính động phi tuyến hệ thống: • •• •  •• θ = [b.cos(α ) α − b.sin(α ) α − e θ + f Vm ]  •• a •• α = [ d sin(α ) + b.cos(α ).θ ]  c (1) Trong tham số a, b, c, d, e, f tính sau: 2 4.m.L a = J eq + mr + J m c= b = m.L.r d = m.g l K e = ( Beq + µ m K M E Rm K f = µm M Rm Với góc α • nhỏ (α ≈ 0, α ≈ → sin(α ) ≈ α , cos(α ) = 1) , tuyến tính hóa hệ (1): Tóm tắt luận văn tốt nghiệp  •• •• • θ = a (b.α − e θ + f Vm )  •• •• α = ( d α + b.θ )  c (2) 5.1.2 Khảo sát đáp ứng hệ thống lắc ngược Simulink Matlab  Khảo sát đáp ứng lắc tuyến tính Sơ đồ khối điều khiển lắc chưa có điều khiển thể Hình 5.2 với ngõ vào giá trị mong muốn góc α = 0, kết đáp ứng ngõ lắc bị rơi xuống thể Hình 5.3 Hình 5.2 Sơ đồ khối mô tả lắc chưa có điều khiển Tóm tắt luận văn tốt nghiệp Hình 5.3 Góc α lắc chưa có điều khiển - Khảo sát đáp ứng góc lắc với điều khiển PID biến: với sơ đồ khối điều khiển trình bày Hình 5.4 Hình 5.4 Sơ đồ khối điều khiển lắc hồi tiếp góc α Bằng cách thực mô nhiều lần với thông số Kp, Ki, Kd khác nhau, cuối thông số chọn có giá trị Kp=20, Ki=204, Kd=4 Kết đáp ứng ngõ lắc phương pháp hiển thị Hình 5.5 Hình 5.6 Hình 5.5 Đáp ứng góc lệch lắc hồi tiếp góc α Tóm tắt luận văn tốt nghiệp Hình 5.6 Đáp ứng góc lệch cánh tay hồi tiếp góc θ - Khảo sát đáp ứng góc lắc với điều khiển PID hai biến: với sơ đồ khối điều khiển hiển thị (Hình 5.7) Hình 2.10 Điều khiển lắc hồi tiếp hai góc α θ Tóm tắt luận văn tốt nghiệp Hình 2.11 Đáp ứng góc α hồi tiếp hai góc α θ Hình 2.12 Đáp ứng góc θ hồi tiếp hai góc α θ  Khảo sát đáp ứng lắc phi tuyến Tương tự mô hình lắc tuyến tính, đáp ứng ngõ lắc phi tuyến giống lắc tuyến tính cho α = Sơ đồ khối điều khiển Hình 2.17 trình bày mô hình Simulink cho hệ thống điều khiển có hồi tiếp hai góc α θ với ngõ vào kích thích tín Tóm tắt luận văn tốt nghiệp hiệu nhiễu (ngẫu nhiên) có biên độ 0.1 Hình 2.18 thể kết đáp ứng góc lắc ngõ vào tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên Hình 2.11 Điều khiển lắc với ngõ vào tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên Hình 2.18 Góc α lắc ngõ vào tín hiệu ngẫu nhiên 5.2 Nhận dạng hệ thống 5.2.1 Nhận dạng hệ thống lắc tuyến tính Để tạo mô hình ARX, ARMAX, OE Box-Jenkins cho hệ thống lắc ngược, trước tiên cần phải thu thập liệu vào hệ thống Sơ đồ khối Hình 3.1 trình bày mô hình simulink Tóm tắt luận văn tốt nghiệp cho hệ thống điều khiển có hồi tiếp Ngõ vào kích thích tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên Tín hiệu ngẫu nhiên dùng để thu thập liệu vào hệ thống Dữ liệu chia làm hai phần: phần dành cho việc ước lượng tham số (dữ liệu ước lượng) phần dành cho việc kiểm tra (dữ liệu kiểm tra) Trong mô hình nhận dạng ARX, ARMAX, OE Box-Jenkins để biết mô hình nhận dạng tốt phải tiến hành nhận dạng phương pháp Sau trình nhận dạng phương pháp cuối cho thông số tốt tương ứng cho mô hình nhận dạng (bộ thông số thể phụ lục 2) đưa Bảng Từ bảng kết so sánh mô hình nhận dạng rõ ràng mô hình ARX cho kết tốt với kết nhận dạng đạt 97.19% thể Hình 3.2 Chất lượng mô hình nhận dạng ARX kiểm tra cách so sánh với mô hình lắc trình bày sơ đồ khối Hinh 3.3 Kết đáp ứng cho thấy ngõ mô hình ARX bám theo mô hình lắc với sai số nhỏ thể Hình 3.4 3.5 10 Tóm tắt luận văn tốt nghiệp Khi thay đổi khối lượng lắc từ 0.125kg lên 1kg với tín hiệu ngõ vào nhiễu điều khiển nơron mạng truyền thẳng thích nghi tốt điều khiển cho lắc ổn định khoảng [-0.6e-3˚,0.6e-3˚] thể Hình 4.12 Hình 4.12 Điều khiển lắc mạng truyền thẳng 25 Tóm tắt luận văn tốt nghiệp 5.4 Nhận dạng điều khiển lắc ngược hệ thống thực Phần trình bày kết nhận dạng điều khiển lắc ngược hệ thống thực.Hình 6.1 thể sơ đồ hệ thống điều khiển lắc ngược quay Hệ thống thực nghiệm giới thiệu Hình 6.2 Hình 5.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển lắc ngược quay Hình 5.2 Hệ thống thực nghiệm 26 Tóm tắt luận văn tốt nghiệp 5.4.1 Điều khiển lắc ngược điều khiển PID hai biến Sơ đồ giải thuật điều khiển lắc ngược điều khiển PID hai biến hệ thống thực thể Hình 5.35 Hình 5.5 Lưu đồ giải thuật điều khiển lắc ngược điều khiển PID biến Dựa vào giải thuật điều khiển để thiết lập chương trình điều khiển môi trường Simulink Matlab Trong thư viện Target Support Package TC2 lấy khối QEB, PWM, Digital Output, SCI Transmit, Embedded MATLAB s-function builder để xây dựng chương trình điều khiển sơ đồ khối Hình 5.6 27 Tóm tắt luận văn tốt nghiệp Hình 5.6 Sơ đồ khối điều khiển lắc hệ thống thực Bộ điều khiển PID hai biến tính toán giá trị ngõ dựa giá trị sai lệch góc lắc góc cánh tay để từ định giá trị điện áp đặt lên động quay cánh tay để điều khiển Trong trình thực nghiệm, thông số thực nhiều lần với Kp, Ki, Kd khác nhau, cuối chọn giá trị thông số PID1 Kp1=12, Ki1=7.8, Kd1=1 PID2 Kp2=0.6, Ki2=3.04, Kd2=0 thích hợp để điều khiển lắc ổn định Kết đáp ứng góc lắc thể hiển Hình 5.8 28 Tóm tắt luận văn tốt nghiệp Hình 5.8 Góc lắc ổn định khoảng với [-4˚,2˚] 5.4.2 Nhận dạng điều khiển lắc ngược dùng mạng nơron truyền thẳng Trong phần mạng nơron truyền thẳng thiết lập để nhận dạng hệ thống lắc ngược mô hình hệ thống thực Hình 5.11 Sơ đồ khối nhận dạng hệ thống thực Simulink Matlab Trong trình thử nghiệm hệ thống thực, mạng nơron truyền thẳng huấn luyện với số nơron lớp ẩn thay đổi khoảng rộng (từ đến 50 nơron) Kết thực nghiệm cho thấy việc nhận dạng hệ thống thực cho số nơron lớp ẩn tăng độ xác mô hình giảm, sai số lớn thể Bảng 29 Tóm tắt luận văn tốt nghiệp Bảng Kết thay đổi số nơron lớp ẩn mạng truyền thẳng Dạ n g n r Số nơron Số lần Tốc Sai huấn độ s lớp ẩn luyện học ố o n 0.0 FF 1000 0.01 0.0 FF 10 1000 0.01 0.0 FF 20 1000 0.01 30 Tóm tắt luận văn tốt nghiệp 0.0 FF 50 1000 0.01 Dựa vào Bảng kết cho thấy với việc huấn luyện mạng nơron lớp ẩn cho sai số hai ngõ mô hình hai ngõ mạng nơron nhỏ Hình 5.12 5.13 thể kết đáp ứng ngõ mạng truyền thẳng so với ngõ mô hình thực hai góc lệch α θ Hình 5.12 Đáp ứng góc α ngõ mạng truyền thẳng so với ngõ mô hình thực 31 Tóm tắt luận văn tốt nghiệp Hình 5.13 Ngõ góc θ mạng truyền thẳng so với mô hình thực Sau huấn luyện mạng nơron truyền thẳng mô theo điều khiển PID hai biến Bộ PID hai biến thay điều khiển nơron mạng truyền thẳng để điều khiển giữ cho lắc ổn định trình bày sơ đồ khối Hình 5.15 Kết đáp ứng ngõ góc lệch lắc điều khiển mạng nơron truyền thẳng với nơron lớp ẩn, số lần học 1000 lần, tốc độ học 0.001 với góc lệch khoảng [-3˚,2˚] thể Hình 5.16 32 Tóm tắt luận văn tốt nghiệp Hình 5.15 Sơ đồ khối điều khiển lắc dùng mạng truyền thẳng Hình 5.16 Góc lắc ổn định khoảng [-3˚,2˚] với điều khiển mạng nơron truyền thẳng Trong hai điều khiển PID hai biến mạng nơron truyền thẳng để biết điều khiển ổn định hệ thống lắc tốt hệ thống lắc ngược tiến hành khảo sát thêm trường 33 Tóm tắt luận văn tốt nghiệp hợp thay đổi khối lượng lắc với khối lượng lắc thử nghiệm có trọng lượng 0.25kg Trên sở chất lượng điều khiển đánh giá xác Kết đáp ứng ngõ góc lệch lắc điều khiển điều khiển PID hai biến mạng nơron truyền thẳng khối lượng lắc thay đổi thể lần lược sau: 34 Tóm tắt luận văn tốt nghiệp - Xét trường hợp khối lượng lắc đặt vị trí L = 2cm Kết đáp ứng cho thấy ngõ góc lệch lắc với điều khiển PID hai biến lệch khoảng [-3˚,2˚] mạng nơron truyền thẳng lệch khoảng [-3˚,2˚] thể Hình 5.17 Hình 5.18 Hình 5.17 Đáp ứng góc α với PID hai biến m=0.25kg đặt L=2cm Hình 5.18 Đáp ứng góc α với mạng truyền thẳng m=0.25kg đặt L=2cm 35 Tóm tắt luận văn tốt nghiệp - Xét trường hợp khối lượng lắc đặt vị trí L = 16cm Kết đáp ứng cho thấy ngõ góc lệch lắc với điều khiển PID hai biến lệch khoảng [-4˚,2˚] mạng nơron truyền thẳng lệch khoảng [-3˚,2˚] trình bày Hình 5.19 Hình 5.20 Hình 5.19 Đáp ứng góc α với PID hai biến m=0.25kg đặt L=16cm Hình 5.20 Đáp ứng góc α với mạng truyền thẳng m=0.25kg đặt L=16cm 36 Tóm tắt luận văn tốt nghiệp - Xét trường hợp khối lượng lắc đặt vị trí L = 32cm Kết đáp ứng cho thấy ngõ góc lệch lắc với điều khiển PID hai biến ổn định mạng nơron truyền thẳng ổn định khoảng [3˚,2˚] thể Hình 5.21 Hình 5.22 Hình 5.21 Đáp ứng góc α với PID hai biến m=0.25kg đặt L=32cm Hình 5.22 Đáp ứng góc α với mạng truyền thẳng m=0.25kg 37 Tóm tắt luận văn tốt nghiệp đặt L=32cm KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Các kết đạt luận văn - Mô hệ thống lắc ngược quay dựa phương trình toán học - Nhận dạng hệ thống lắc tuyến tính mô hình ARX ARMAX, BOX-JENKINS OE trình bày Bảng phương pháp nhận dạng ARX tốt Kết cho thấy đáp ứng ngõ mô hình ARX ngõ hệ thống có sai số nhỏ - Nhận dạng hệ thống hệ thống lắc phi tuyến dùng mạng nơron truyền thẳng Kết mô cho thấy tín hiệu ngõ mô hình ngõ mạng nơron truyền thẳng bám với tốt với sai số nhỏ thể bảng bảng - Điều khiển ổn định hệ thống lắc mạng nơron truyền thẳng thay đổi khối lượng lắc hệ thống thích nghi để điều khiển ổn định lắc Từ kết mô đạt bên trên, hệ thống thực tiến hành khảo sát đạt kết sau: - Thiết kế thành công phần khí với chi tiết phức tạp - Thiết kế thành công phần mạch điện điều khiển phù hợp với DSP 38 Tóm tắt luận văn tốt nghiệp - Thiết kế thành công điều khiển PID hai biến giữ cân lắc ổn định Tuy nhiên sai số từ Encoder thuật toán xử lý tín hiệu Encoder chưa tốt nên tín hiệu hồi tiếp có phần sai lệch làm cho lắc ngược ổn định tác động lực mạnh - Nhận dạng mô hình lắc ngược mạng nơron truyền thẳng hệ thống thực - Nhận dạng điều khiển PID hai biến cho kết sai số ngõ PID ngõ mạng nơron truyền thẳng tương đối nhỏ - Điều khiển ổn định hệ thống lắc điều khiển mạng nơron truyền thẳng khối lượng lắc thay đổi Hướng phát triển đề tài Đề tài ‘Điều khiển nhận dạng lắc ngược’ phát triển thêm sau: - Dùng mạng nơron để lắc tự huấn luyện tìm ba thông số Kp, Ki, Kd tối ưu - Xây dựng giải thuật Swing-up cho hệ thống lắc - Ứng dụng mạng nơron theo luật học không giám sát để điều khiển ổn định hệ thống lắc 39