Nghiên cứu xây dựng hệ thống điều khiển mô hình con lắc ngược

Nghiên cứu xây dựng hệ thống điều khiển mô hình con lắc ngượcNghiên cứu xây dựng hệ thống điều khiển mô hình con lắc ngượcNghiên cứu xây dựng hệ thống điều khiển mô hình con lắc ngượcNghiên cứu xây dựng hệ thống điều khiển mô hình con lắc ngượcNghiên cứu xây dựng hệ thống điều khiển mô hình con lắc ngượcNghiên cứu xây dựng hệ thống điều khiển mô hình con lắc ngược

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ THUYẾT MINH ĐỀ TÀI NCKH CẤP TRƯỜNG ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH CON LẮC NGƯỢC Chủ nhiệm đề tài: PGS TS Trần Anh Dũng Thành viên tham gia: ThS Nguyễn Tiến Dũng Hải Phòng, tháng 4/2016 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài nghiên cứu Trong năm gần ngành Cơ – điện tử có bước phát triển vượt bậc, việc ứng dụng sản phẩm Cơ – điện tử vào sản xuất ngày phổ biến giúp nâng cao suất lao động hạ giá thành sản phẩm Song song với trình phát triển yêu cầu ngày cao độ xác, tin cậy, khả làm việc môi trường khắc nghiệt với thời gian dài hệ thống Cơ – điện tử Vì việc nghiên cứu phát triển hệ thống điều khiển cho ngành Cơ – điện tử để đáp ứng yêu cầu việc làm cần thiết Sự phát triển hệ thống Cơ – điện tử phát triển ngành kỹ thuật điện tử, công nghệ thông tin, ngành kỹ thuật điều khiển tự động hoá đạt nhiều tiến Tự động hoá trình sản xuất phổ biến rộng rãi hệ thống công nghiệp giới nói chung Việt Nam nói riêng Mô hình điều khiển lắc ngược mô hình thí nghiệm hệ thống Cơ – điện tử lý tưởng cho việc ứng dụng thuật toán điều khiển đại kỹ thuật điều khiển máy tính Những năm gần lý thuyết điều khiển mờ có bước phát triển vượt bậc ngày ứng dụng nhiều vào thực tiễn Việc ứng dụng lý thuyết điều khiển mờ vào điều khiển mô hình lắc ngược mang đến nhiều kiến thức kinh nghiệm bổ ích Với lý trên, chọn đề tài: “Nghiên cứu xây dựng hệ thống điều khiển mô hình lắc ngược” Mục đích nghiên cứu - Tổng quan lắc ngược phương pháp điều khiển cân - Nghiên cứu thuật toán điều khiển mờ để điều khiển cân hệ thống xe – lắc ngược - Mô hệ thống phần mềm Matlab - Simulink - Xây dựng chương trình điều khiển hệ thống lắc ngược miền thời gian thực qua card ghép nối PCI-1710 Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: - Mô hình lắc ngược hai bậc tự - Xây dựng điều khiển mờ Matlab – Simulink Phạm vi nghiên cứu - Xây dựng mô hình toán học lắc ngược hai bặc tự - Điều khiển cân hệ thống điều khiển mờ - Mô hệ thống phần mềm Matlab - Simulink, đánh giá kết - Xây dựng chương trình điều khiển hệ thống lắc ngược miền thời gian thực Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết: - Nghiên cứu xây dựng mô hình lắc ngược hai bậc tự - Nghiên cứu Card điều khiển PCI-1710; hệ truyền động điện chiều - Nghiên cứu kết hợp thuật toán mờ để điều khiển cân lắc ngược Phương pháp thực nghiệm: - Sử dụng phần mềm Matlab – Simulink làm công cụ xây dựng mô hình mô hệ thống - Xây dựng mô hình thực nghiệm chạy thời gian thực để đưa kết điều khiển Ý nghĩa khoa học thực tiễn Con lắc ngược sở để tạo hệ thống tự cân như: xe hai bánh tự cân bằng, điều khiển cân phóng tàu vũ trụ, cân giàn khoan biển…Khi lý thuyết điều khiển đại ngày hoàn thiện lắc ngược đối tượng áp dụng để kiểm tra lý thuyết CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CON LẮC NGƯỢC HAI BẬC TỰ DO 1.1 CẤU TẠO CỦA CON LẮC NGƯỢC Cấu trúc động học chung mô hình lắc ngược hai bậc tụ trình bày hình 1.1 có kết cấu phận khí gồm xe goòng nhỏ, xe goòng có phận tay đòn gắn lắc chuyển động theo trục ngang x Xe goòng di chuyển dọc trục ngang kéo di chuyển dọc trục động điện chiều thông qua hệ thống Puly dây đai di chuyển đường ray phẳng phạm vi chuyển động giới hạn Vị trí xe goòng điều khiển hệ thống điều khiển số thông minh đảm bảo lắc di chuyển giữ cân Đường ray có độ dài cố định điều kiện ràng buộc thuật toán điều khiển Máy phát tốc gắn trục Puly cấu chuyển động sử dụng cho xác định vị trí tức thời xe goòng Góc quay lắc đo chiết áp xoay gắn trục quay lắc ngược Hình 1.1: Cấu trúc động học mô hình lắc ngược 1-Khối cấp nguồn cho động 2- Động chiều 3- Puly dẫn động 4,8 -Dây đai dẫn động 5-Thanh dẫn hướng chuyển động xe goòng 6-Xe goòng 7-Quả lắc 9- Tay đòn lắc 1.2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC CỦA CON LẮC NGƯỢC KHI TÍNH KHỐI LƯỢNG CẦN LẮC Để phục vụ trình tổng hợp điều khiển mô máy tính cách xác hệ thống lắc ngược hai bậc tự ta cần xây dựng mô hình toán học lắc ngược Khi xây dựng mô hình toán học lắc ngược người ta sử dụng nhiều phương pháp để tìm phương trình động lực học Các tham số hệ thống lắc ngược sau: x - khoảng cách từ trọng tâm xe đến trục Y  - góc quay lắc so với trục thẳng đứng Hình 1-2 Các tham số lắc ngược Các thông số sử dụng phương trình động lực học lắc ngược M - Khối lượng xe goòng đơn vị kg m - Khối lượng lắc đơn vị kg J - Mômen quán tính lắc đơn vị kg-m2 L – Chiều dài lắc đơn vị m B - Hệ số ma sát Ns/m g – Gia tốc trọng trường m/s2 Phần mô tả chuyển động động lực học lắc ngược, dựa vào định luật Newton chuyển động Các hệ thống khí có hai bậc tự (DOF) chuyển động cùa xe goòng trục X chuyển động quay lắc mặt phẳng XY Phân tích sơ đồ hệ thống lắc ngược ta có sơ đồ lực tác động vào xe goòng lắc theo hình 1.3 Hình 1.3: Sơ đồ lực tác dụng vào hệ thống lắc ngược Tiến hành tổng hợp lực tác động vào xe goòng theo phương ngang ta phương trình chuyển động: [8, Tr.11] Mx  bx  N  F (1.1) Chúng ta tổng hợp lực theo phương thẳng đứng không hữu ích chuyển động hệ thống lắc ngược không chuyển động theo hướng trọng lực Trái Đất cân với tất lực thẳng đứng Tổng hợp lực lắc theo chiều ngang ta được:[8, Tr.11] mx  ml cos  ml sin   N Trong l  (1.2) L chiều dài từ tâm lắc tới điểm gốc Thay phương trình (1.2) vào phương trình (1.1) ta ( M  m) x  bx  ml cos   ml sin   F (1.3) Tổng hợp lực vuông góc với lắc: P sin   N cos   mg sin   ml  mx cos  (1.4) Để làm hai điều kiện P N ta tiến hành tổng hợp momen trọng tâm lắc: [8, Tr.11] Pl sin   N cos  J (1.5) Thay phương trình 1.4 vào phương trình 1.5 ta : ( J  ml )  mlg sin   mlx cos  (1.6) Từ hai phương trình (1.3) (1.6) ta có hệ phương trình mô tả đặc tính động học phi tuyến hệ thống lắc ngược: [8, Tr.11] ( M  m) x  bx  ml cos   ml sin   F (1.7) ( J  ml )  mlg sin   mlx cos  (1.8) Ta biến đổi (1.7) (1.8) sau: x F  bx  ml cos   ml sin  M m   mlx cos   mlg sin  J  ml (1.9) (1.10) Thay phương trình (1.9) (1.10) vào phương trình (1.7) (1.8) ta có được: ( J  ml )( F  bx  ml sin  cos  )  m2l g sin  cos  ( J  ml )( M  m)  m2l cos  (1.11) ml (bx cos   F cos   ml sin  cos   ( M  m) g sin  )  ( J  ml )( M  m)  m2l cos  (1.12) x 1.3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC CỦA CON LẮC NGƯỢC KHI BỎ QUA KHỐI LƯỢNG CỦA CẦN LẮC 1.3.1 Xây dựng phương trình toán học mô tả chuyển động lắc Xét hệ thống lắc ngược hình 1.4 Con lắc ngược gắn vào xe kéo động điện Chúng ta xét toán hai chiều, nghĩa lắc di chuyển mặt phẳng Con lắc ngược ổn định ngã xuống trừ có lực tác động thích hợp Giả sử khối lượng lắc tập trung đầu hình vẽ (khối lượng không đáng kể) Lực điều khiển u tác động vào xe Yêu cầu toán ñiều khiển vị trí xe giữ cho lắc ngược thẳng đứng (con lắc cân bằng) Hình 1.4: Mô hình lắc ngược bỏ qua khối lượng lắc Trong đó: l: chiều dài lắc ngược (m) M: khối lượng xe (kg) g: gia tốc trọng trường (m/s2) u: lực tác động vào xe (N) m: khối lượng lắc (kg) x: vị trí xe (m) θ: góc lắc ngược phương thẳng đứng (rad) Gọi xG, yG tọa độ vật nặng đầu lắc, ta có: xG  x  l.sin  (1.13) yG  l.cos  (1.14) Áp dụng định luật II Newton cho chuyển động theo phương x, ta có: [3, Tr.179] uM d xG d 2x  m dt dt (1.15) Thay xG  x  l.sin  vào (1.13) ta được: [3, Tr.179] uM d 2x d2  m ( x  l.sin  ) dt dt (1.16) Khai triển đạo hàm (1.14) rút gọn ta đuợc: u  ( M  m) x  m.l (sin  ).  m.l (cos  ). (1.17) Mặt khác, áp dụng định luật II Newton cho chuyển động quay lắc quanh trục ta được: [3, Tr.179] m d xG d yG l cos   m l.sin   mgl.sin  dt dt (1.18) Thay xG  x  l.sin  yG  l.cos  vào (1.16) ta được:  d2   d2  m ( x  l sin  ) l cos     m (l.cos  )  l.sin   m.g.l.sin   dt   dt  (1.19) Khai triển đạo hàm biểu thức (1.17) rút gọn ta được: m.x.cos   m.l.  m.g.sin  (1.20) Từ công thức (1.15) (1.18) ta suy ra: [3, Tr.179] x u  m.l.(sin  ).  m.g.sin  cos  M  m  m.cos2  (1.21)  u cos   ( M  m).g.sin   m.l.(sin  cos  ). m.l cos   ( M  m).l (1.22) 1.3.2 Mô hình hệ lắc ngược Matlab-simulink a Mô hình lăc ngược tuyến tính Từ phương trình (1.45) (1.46) : ( M  m) x  ml cos   ml sin   F ml  mx cos   mg sin  Chúng ta thấy hệ lắc ngược hệ phi tuyến, để có mô hình lắc ngược tuyến tính cần tuyến tính hóa mô hình toán học Giả sử góc  nhỏ để xấp xỉ sin    ; cos     Với điều kiện trên, tuyến tính hóa phương trình (1.45) (1.46) thành phương trình: ( M  m) x  ml  F (1.23) ml  mx  m.g. (1.24) Từ (1.21) (1.22) ta suy ra: x F ml  M m M m (1.25)  g   x l (1.26) Từ công thức (1.23) (1.24) ta được: x F mg  M M (1.27)   F ( M  m)  g M l M l (1.28) Ta xây dựng mô hình lắc ngược tuyến tính: Hình 1.5: Mô hình lắc ngược tuyến tính b Mô hình lắc ngược phi tuyến Từ phương trình (1.21) (1.22) ta có: x F  ml (sin  )  mg cos  sin  M  m  m(cos  )  F cos   ( M  m) g (sin  )  ml (sin  cos  ) m(cos  )  ( M  m)l Xây dựng mô hình lắc ngược Matlab – simulink 10 Hình 2.13: Bề mặt điều khiển điều khiển FLC22 Hình 2.13 cho ta bề mặt điều khiển điều khiển mờ cho khâu góc lệch Bề mặt điều khiển hình vẽ biểu diễn tín hiệu điều khiển hàm đầu vào điều khiển Trong trường hợp này, hình vẽ tín hiệu điều khiển hàm góc lệch theta đạo hàm góc lệch theta_dot Hiệu chỉnh điều khiển mờ Hiệu chỉnh điều khiển mờ công việc phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm người thiết kế Công việc thường tốn nhiều thời gian có nhiều thông số cần phải điều chỉnh Quá trình hiệu chỉnh điều khiển mờ bao gồm hai bước sau: * Điều chỉnh hệ thống: thực lặp lặp lại trình điều chỉnh luật, hàm liên thuộc số lượng biến * Sau điều chỉnh hệ thống, tinh chỉnh lại cách điều chỉnh hàm liên thuộc giới hạn chúng 26 2.1.2 Xây dựng mô hình mô hệ thống Phương trình phi tuyến lắc ngược không bỏ qua khối lượng lắc sau: x ( J  ml )( F  bx  ml sin  cos  )  m2l g sin  cos  ( J  ml )( M  m)  m2l cos   ml (bx cos   F cos   ml sin  cos  )  ( M  m) g sin  ) ( J  ml )( M  m)  m 2l cos  (2.1) (2.2) Ta dễ dạng xây dựng mô hình đối tượng matlab - simulink sau: Hình 2.14: Mô hình hệ thống lắc ngược hai bậc tự Ta dễ dàng xây dựng cấu trúc điều khiển hệ thống lắc ngược hình 2.15 Trong đó: - Các đầu vào hệ thống điều khiển tín hiệu vị trí lắc đặt trước - Các đầu hệ thống điều khiển: vị trí lắc so với vị trí đặt góc lệch so với phương thẳng đứng 27 Hình 2.15: Sơ đồ cấu trúc điều khiển mờ cho hệ thống lắc ngược 2.1.3 Kết mô đánh giá a Kết mô Hình 2.16: Đáp ứng vị trí xe x 28 Hình 2.17: Đáp ứng góc lệch lắc b Đánh giá Ta thấy đối tượng ta đối tượng phi tuyến, có tác động lực tác động vào xe goòng lắc trình chuyển động điều khiển thực tốt điều khiển cho hệ bám với tín hiệu điều khiển Đáp ứng hệ thống nhanh Tín hiệu điều khiển không bị rơi vào trạng thái làm việc xấu, biên độ tín hiệu điều khiển biến đổi không lớn Chất lượng điều khiển tốt 2.2 XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN CON LẮC NGƯỢC TRÊN MIỀN THỜI GIAN THỰC 2.2.1 Mô hình vật lý hệ thống điều khiển lắc ngược 29 Hình 2.18: Toàn cảnh mô hình vật lý hệ thống MÁY TÍNH Card Advantech PCI-1710 HỆ CON LẮC NGƯỢC (GÓC LẮC VÀ VỊ TRÍ XE) KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT Hình 2.19: Sơ đồ kết nối phần cứng hệ thống Bộ khuếch đại công suất nhận tín hiệu điều khiển từ máy tính qua card ghép nối Advantech PCI-1710 cấp nguồn cho động chiều để thực di chuyển vị trí xe goòng với điện áp Uđm= 24VDC Cảm biến góc quay cần lắc cảm biến vị trí xe goòng chuyển đổi giá trị góc quay cần lắc giá vị trí xe goòng thành tín hiệu áp qua card ghép nối PCI – 1710 đưa tới máy tính xử lý Chương trình điều khiển lắc ngược miền thời gian thực xây dựng phần mềm Matlab-Simulink 30 2.2.2 Giới thiệu chung card ghép nối PCI – 1710 Card Advantech PCI 1710 card có khả mạnh việc thu thập liệu cho bus PCI Nó vẽ nét bật dự án mạch điện hoàn thành hàm cho việc thu thập liệu điều khiển PCI 1710 cung cấp hàm đặc biệt cho yêu cầu khác người sử dụng a Những đặc điểm đặc trưng Card Advantech PCI 1710 cung cấp cho người sử dụng với nhiều yêu cầu đo lường hàm điều kiện sau: - 16 kênh Single Ended đầu vào A/D - 12 bit biến đổi A/D với tần số định mức 100 KHz - 16 kênh vào số - 16 kênh số - kênh D/A - Các chương trình đếm cài đặt thời gian - Các kênh tự động Card Advantech PCI 1710 đưa đặc trưng chính:  Hàm Plug and Play ( cắm chạy ): Advantech PCI-1710 thiết bị cắm chạy, tuân theo đầy đủ so với PCI specifi cation Rev 2.1 ( đặc trưng PCI Rev 2.1) Xuyên suốt card này, tất đường truyền dẫn liên kết có cấu tạo đĩa chủ, đầu vào vẽ ngắt để thuận tiện cho việc chinh sửa hàm Plug and Play  Kiểu đầu vào linh hoạt thứ tự cài đặt: PCI – 1710 đặc trưng kênh tự động, mạch quét khuyếch đại Mạch thiết kế điều khiển chuyển mạch tự dồn kênh suốt trình trích mẫu Người sử dụng đặt giá trị khuyếch đại khác cho kênh phù hợp với mong muốn họ để hiệu chỉnh thứ tự điện áp đầu vào Vì lựa chọn việc cài đặt giá trị khuyếch đại lưu giữ SRAM Mưu đồ linh hoạt kích hoạt nhiều kênh tốc độ thử cao cho việc thu thập liệu chất lượng cao ( 100 ks/s ) 31  Bảng nhớ FIFO ( vào trước, trước ): PCI 1710 cung cấp vùng đệm nhớ FIFO : bảng dự trữ đến 1k mẫu thử A/D Người sử dụng có khả khác khả yêu cầu đặc trưng gián đoạn đệm FIFO Trong yêu cầu gián đoạn cho FIFO có thể, người sử dụng cho phép định rõ yêu cầu gián đoạn gửi chu kỳ trích mẫu hay vùng đệm FIFO bão hòa Đặc trưng có lợi kích hoạt truyền liệu liên tục tốc độ cao với nhiều chất lượng đoạn trước hệ thống thao tác  Lựa chọn đầu D/A cách tiết kiệm: PCI 1710 xa với kênh đầu tương tự  16 đầu vào số 16 đầu số: PCI-1710 cung cấp 16 kênh đầu vào số 16 kênh số , người sử dụng phải thay đổi linh động so với dự án tùy chỉnh ứng dụng họ phù hợp cho nhu cầu đặc trưng riêng họ  Bảng đếm chương trình: PCI 1710 trang bị với đếm chương trình, phục vụ kích hoạt nhịp xung cho biến đổi A/D Vi mạch đếm 82C54 đương lượng , kết hợp chặt chẽ ba đếm 16 bit với xung 10 MHz đếm sử dụng đếm biến cố cho kênh đầu vào phát xung, lại ghép tầng với thành timer 32 bit cho kích hoạt nhịp xung b Phần mềm hỗ trợ cho Card PCI-1710 Advantech đưa tập hợp phong phú DLL, phần mềm ứng dụng nhằm giúp đỡ đầy đủ việc khai thác hàm card PCI 1710,bạn sử dụng phần mềm ứng dụng Advantech như: + DLL driver + Labview direr + Advantech Active DAQ + Advantech Geni DAQ Một biểu đồ đơn giản hình 3.7 giúp mô tả mối quan hệ qua lại lớp khác phần cứng, OS, driver, phần mềm ứng dụng 32 Hình 2.20: Lựa chọn chương trình - DLL driver: Phần mềm Advantech DLL drivers có đĩa CD-ROM kèm thay đổi Nó với card Advantech DAS Đặc điểm Advantech DLL driver thư viện hàm vào I/O nhằm giúp tăng thêm hiệu cho ứng dụng bạn Advantech DLL làm việc Windows 95/98/NT làm việc với công cụ phát triển Visual C ++, Visual Basic, InpriseC ++ Builaler Inprise Delphi - Advantech Delphi DAQ: Active DAQ cung cấp lựa chọn thêm vào điều khiển Active X thư viện hàm cho sử dụng tất hàm thu thập liệu Nó đặc trưng giao diện chương trình biểu tượng đồ họa bản, VBAngôn ngữ phù hợp, Excel- like báo cáo chung Với điều khiển Active DAQ bạn phát triển ứng dụng DAQ bạn với công cụ chương trình yêu thích bạn, cho dù Visual Basic, Visual C++ , Delphi, C++ Builder, Access or Excel Labview HPVEE ứng dụng Thêm vào Active DAQ cung cấp thu thập khác để dễ dàng sử dụng Visual Busic điều khiển việc thu thập liệu cho card DAS - Advantech Geni DAQ : Là phần mềm có sở Windows để phát triển gói thu nhận, điều khiển, phân tích trình bày liệu Thêm vào hàm HMI đặc trưng chúng, GeniDAQ tăng cường xa môi trường chương trình Visual Basic để giảm bớt khúc mắc việc thiết kế vác 33 ứng dụng phức tạp, bao hàm nhánh tính toán phân tích với môi trường chương trình Visual Basic, tùy chỉnh hệ thống ứng dụng cho mục đích đặc biệt thành phận khối nhỏ.Phiên 32 bit Geni DAQ phù hợp với PCI 1710 - Labview driver: Advantech cung cấp cho người sử dụng chạy cho Matianal Instaments Labview Bản chạy Labview 32 bit phù hợp với Window 95/98 Windows NT 4.0, ảnh hưởng đến tiềm lực thu thập liệu hai tốc độ cao bình thường card bạn  Sơ đồ khối 34 Address Decoder Address Bus PCI Controller PCI Bus Data Bus 16-bit Digital Output 16-bit Digital Input INT A/D & D/A status Control Logic 12-bit D/A Output 12-bit D/A Output CNT0_CLK CNTO_OUT 10 MHz/10 = MHz IRQ Control Logic COUNTER COUNTER 1K Samples FIFO 10 MHz OSC COUNTER 12-bit A/D Convertor CNTO_GATE PACER_OUT EXT_TRG A/D trigger Logic S/W_TRG AI0 AI1 PGIA Multiplexer 16 S/E Channel Scan Logic AI15 Gain Control RAM Hình 2.21: Sơ đồ khối CAD PCI 1710 Để xây dựng chương trình điều khiển đối tượng thực chế độ thời gian thực đề tài sử dụng phần mềm Matlab – Simulink Trong nhiều ứng dụng khác phần mềm có công cụ «Real-Time Windows Target», 35 có khối vào, tương tự số cho phép kết nối chương trình điều khiển môi trường Matlab – Simulink với đối tượng điều khiển bên thông qua card ghép nối nhận xử lý tín hiệu từ cảm biến, chương trình điều khiển tính toán theo thuật toán xác định giá trị tín hiệu điều khiển khối đưa qua card ghép nối tác động lên đối tượng điều khiển bên Tất thao tác thực chế độ thời gian thực Card ghép nối sử dụng đề tài loại PCI-1710 hãng Advantech (Đài loan) với 16 đầu vào số, 16 đầu số, 16 đầu vào analog đầu analog , ADC converter độ phân giải 12 bit thể hình 2.19 2.2.3 Kết thực nghiệm hệ thống thực Hình 2.22: Chương trình điều khiển hệ thống lắc ngược chế độ thời gian thực Matlab-Simulink 36 Hệ điều khiển sử dụng điều khiển mờ Sugeno (quá trình tổng hợp trình bày mục 2.1) làm việc chế độ thời gian thực với trợ giúp card ghép nối Advantech PCI-1710 Một số nét nguyên lý làm việc hệ sau: Khối “Analog Input 1” qua card ghép nối Advantech PCI-1710 nhận tín hiệu từ cảm biến góc quay lắc, cho qua tín hiệu qua lọc “Filter 1” để giảm nhiễu đóng vai trò tín hiệu phản hồi góc quay đồng thời đưa đồ thị để quan sát; Khối “Analog Input 2” qua card ghép nối Advantech PCI-1710 nhận tín hiệu từ cảm biến vị trí, cho qua tín hiệu qua lọc “Filter 1” để giảm nhiễu đóng vai trò tín hiệu phản hồi vị trí đồng thời đưa đồ thị để quan sát Khối “Analog Output 1” nhận tín hiệu điều khiển chương trình qua card ghép nối Advantech PCI-1710 đưa đến khuếch đại công suất, đầu khuếch đại công suất tỉ lệ thuận với tín hiệu điều khiển cấp nguồn cho động cơ; Bộ điều khiển mờ FLC1 nhận tín hiệu sai lệch vị trí đặt vị trí thực vi phân vị trí, điều khiển mờ FLC2 nhận tín hiệu phản hồi góc lệch vi phân vi phân góc lệch tổng hợp hai tín hiệu tạo tín hiệu điều khiển; Khối “Analog Output 2” làm nhiệm vụ cấp tín hiệu điều khiển rơ le để đảo chiều động cơ; khối hiển thị vị trí góc lệch vẽ đồ thị thời gian thực 37 Hình 2.23: Kết thực nghiệm mô hình hệ thống lắc ngược Trên hình 2.23 kết thực nghiệm hệ thống thực lấy từ đồ thị chương trình điều khiển ứng vị trí lắc 0,2m góc lắc gần dao động quanh điểm Như chương trình điều khiển hoàn thành nhiệm vụ đặt Kết luận chương 2: Chương khảo sát động học hệ thống lắc ngược hai bậc tự do, thiết kế xây dựng hệ thống lắc ngược hai bậc tự khâu sử dụng điều khiển mờ - Mô hệ thống lắc ngược hai bậc tự sử dụng điều khiển mờ công cụ Matlab – Simulink - Xây dựng mô hình vật lý hệ thống lắc hệ thống điều khiển qua cad PCI-1710 Tuy nhiên trình xây dựng mô hình vật lý phần khí thiết kế thiếu xác chưa tối ưu tín hiệu thu cảm biến chưa thật tốt nhiều sai số dẫn tới chất lượng điều khiển chưa cao 38 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết Luận Trên thực tế có nhiều đối tuợng cần điều khiển đủ tham số cần thiết, nên việc thiết kế điều khiển dựa lý thuyết kinh điển gặp nhiều khó khăn Chính lý đòi hỏi phải ứng dụng lý thuyết điều khiển đại vào thực tế Đề tài trọng nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển mờ cho hệ lắc ngược dựa tảng lý thuyết điều khiển cao cấp Với kết thu đuợc từ mô thực nghiệm, đề tài “Nghiên cứu xây dựng hệ thống điều khiển mô hình lắc ngược” thực nội dung sau: - Nghiên cứu xây dựng mô hình toán học hệ lắc ngược - Ðã xây dựng điều khiển mờ cho hệ lắc ngược - Xây dựng mô hình thực nghiệm điều khiển hệ lắc ngược miền thời gian thực Với điều khiển mờ mà đề tài xây dựng, thông số chất luợng điều chỉnh độ điều chỉnh, thời gian độ, số lần dao động hệ truyền động thu kết khả quan Nhu vậy, điều khiển tác giả nghiên cứu đề tài hoàn toàn đáp ứng yêu cầu chất luợng điều khiển cho lắc ngược Như trình thực đề tài này, tác giả giải đuợc vấn đề đặt Tuy nhiên, với thời gian nghiên cứu hạn chế phạm vi giới hạn vấn đề đặt ra, đề tài chưa đề cập đến việc nhận dạng thông số lắc ngược mà chọn lắc ngược với thông số biết truớc Ðây vấn đề cần nghiên cứu phát triển Kiến nghị Nhận dạng thông số lắc ngược, từ thiết kế điều khiển cho lắc ngược 39 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Anh Dũng (2013) , Điều khiển đại lý thuyết ứng dụng, Nhà xuất Giao thông vận tải [2] Nguyễn Thị Phương Hà (2007), Lý thuyết điều khiển đại, Nhà xuất Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh [3].Huỳnh Thái Hoàng (2006), Hệ thống điều khiển thông minh, Nhà xuất Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh [4] Bùi Quốc Khánh, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi (1998), Điều chỉnh tự động truyền động điện, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật [5] Phan Xuân Minh, Nguyễn Doãn Phước (2004), Lý thuyết điều khiển mờ, NXB Khoa học Kỹ thuật [6] Nguyễn Doãn Phước (2007), Lý thuyết điều khiển tuyến tính, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật [7] Nguyễn Phùng Quang (2006), MATLAB Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật [8] AHMAD NOR KASRUDDIN BIN NASIR (2007), Modeling and controller design for an inverter pendulum system, UNIVERSITI TEKNOLOGI MALAYSIA 40 [...]... trong quá trình nghiên cứu thiết kế mô hình thực tế Các phương trình 14 toán học, mô hình con lắc nguợc là cơ sở cho việc xây dựng bộ điều khiển ở các chương sau 15 CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH CON LẮC NGƯỢC VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ÁP DỤNG LOGIC MỜ 2.1 XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN HỆ CON LẮC NGƯỢC HAI BẬC TỰ DO 2.1.1 Thiết kế bộ điều khiển mờ Trong chương này đề tài sẽ đi xây dựng mô hình con lắc ngược di động.. .Hình 1.6: Mô hình con lắc ngược phi tuyến 1.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CON LẮC NGƯỢC 1.4.1 Điều khiển hệ thống con lắc ngược sử dụng bộ điều khiển PID Bộ điều khiển PID chỉ có thể điều khiển đồng thời một thông số của hệ thống, để điều khiển được góc con lắc và vị trí của xe con lắc tại cùng một thời điểm thì chúng ta cần hai bộ điều khiển PID Trong đó một thông số... do và tổng hợp hệ thống điều khiển con lắc ngược sử dụng bộ điều khiển mờ Cho hệ thống con lắc ngược hai bậc tự do được thiết kế theo như hình dưới đây: Hình 2.1: Con lắc ngược di chuyển hai bậc tự do Trong chương này ta sử dụng mô hình toán học của hệ con lắc ngược khi tính tới khối lượng thanh lắc vì mô hình vật lý sẽ dễ chế tạo hơn rất nhiều so với mô hình toán học của hệ con lắc ngược khi bỏ qua... biên độ tín hiệu điều khiển biến đổi không quá lớn Chất lượng điều khiển tốt 2.2 XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN CON LẮC NGƯỢC TRÊN MIỀN THỜI GIAN THỰC 2.2.1 Mô hình vật lý hệ thống điều khiển con lắc ngược 29 Hình 2.18: Toàn cảnh mô hình vật lý hệ thống MÁY TÍNH Card Advantech PCI-1710 HỆ CON LẮC NGƯỢC (GÓC LẮC VÀ VỊ TRÍ XE) KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT Hình 2.19: Sơ đồ kết nối phần cứng hệ thống Bộ khuếch... cấu trúc điều khiển hệ thống con lắc ngược như trong hình 2.15 Trong đó: - Các đầu vào hệ thống điều khiển là các tín hiệu vị trí của con lắc đã đặt trước - Các đầu ra của hệ thống điều khiển: vị trí của con lắc so với vị trí đặt và góc lệch so với phương thẳng đứng 27 Hình 2.15: Sơ đồ cấu trúc điều khiển mờ cho hệ thống con lắc ngược 2.1.3 Kết quả mô phỏng và đánh giá a Kết quả mô phỏng Hình 2.16:... lực điều khiển và 2 đầu vào như hình 2.6 Hình 2.6: Bộ điều khiển mờ Fuzzy logic control FLC22 20 Bây giờ, ta tiến hành xây dựng các đầu vào của bộ điều khiển mờ FLC22, đầu vào là góc lệch của con lắc (theta) và vận tốc góc lệch của con lắc (theta_dot) với 7 tập mờ được xây dựng như hình 2.7 Hình 2.7: Đầu vào góc lệch của con lắc theta Hình 2.8: Đầu vào vận tốc góc lệch của con lắc theta_dot 21 Hình. .. kiểu điều chỉnh là giống nhau các thông số phải phụ thuộc vào đạc thù của hệ thống Hạn chế các bộ điều khiển PID có thể dùng nhiều cho bài toán điều khiển và thường đạt được kết quả như ý mà không dùng bất kỳ cải tiến hay điều chỉnh nào và thường không cho ta điều khiển tối ưu Khó khăn cơ bản của bộ điều khiển PID là phản hồi với hệ số không đổi 1.4.2 Điều khiển hệ thống con lắc ngược sử dụng bộ điều khiển. .. cần phải điều chỉnh Quá trình hiệu chỉnh bộ điều khiển mờ bao gồm hai bước sau: * Điều chỉnh cả hệ thống: thực hiện lặp đi lặp lại quá trình điều chỉnh các luật, các hàm liên thuộc và số lượng các biến * Sau khi đã điều chỉnh cả hệ thống, tinh chỉnh lại bằng cách điều chỉnh các hàm liên thuộc và giới hạn của chúng 26 2.1.2 Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống Phương trình phi tuyến của con lắc ngược khi... để tìm ra quy luật tối ưu trong điều khiển con lắc Ngoài việc điều khiển con lắc ngược bằng PID, LQR thì còn rất nhiều phương pháp điều khiển hiện đại khác như Fuzzy controller, Neural network, Điều khiển trượt Kết luận chương I: Nhiệm vụ quan trọng đầu tiên của việc điều khiển con lắc ngược là đảm bảo cho vị trí của xe goòng bám theo giá trị đặt trước và góc của con lắc so với trục thẳng đứng gần như... phương tuyến tính LQR Lý thuyết điều khiển điều khiển LQR là một phương pháp điều khiển mạnh để điều khiển hệ thống tuyến tính được mô tả bằng phương trình trạng thái Kỹ thuật LQR tạo ra bộ điều khiển vòng kín ổn định với năng lượng cung cấp cho hệ thống la nhỏ nhất Cho hệ thống với mô hình: x  Ax  Bu (1.29) Thông thường nếu hệ ổn định thì khi không bị kích thích hệ luôn có xu hướng tiến về điểm