Thiết kế, chế tạo mô hình điều khiển cân bằng con lắc ngược hai bậc tự do

Header Page of 126 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG ĐỖ MINH TIẾN THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG CON LẮC NGƯỢC HAI BẬC TỰ DO Chuyên ngành : Công nghệ Chế tạo máy Mã số : 60.52.04 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2013 Footer Page of 126 Header Page of 126 Công trình hoàn thành ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS PHẠM ĐĂNG PHƯỚC Phản biện 1: PGS.TS NGUYỄN VĂN YẾN Phản biện 2: PGS.TS PHẠM PHÚ LÝ Luận văn bảo trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật họp Đại học Đà Nẵng vào ngày 18 tháng 04 năm 2013 Có thể tìm hiều luận văn tại: - Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại Học Đà Nẵng - Trung tâm Học liệu, Đại Học Đà Nẵng Footer Page of 126 Header Page of 126 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Trong thực tế, nhiều công trình có mô hình dạng lắc ngược như: nhà cao tầng, cân chế tạo robot người, tháp vô tuyến, giàn khoan, tàu thủy, công trình biển… Sự gia tăng quy mô kết cấu dẫn đến đáp ứng động lực phức tạp kết cấu sinh dao động làm giảm độ bền công trình, nghiên cứu dao động làm cân hệ thống có mô hình dạng lắc ngược vấn đề quan tâm Với điều khiển tối ưu phát triển mạnh mẽ năm gần tạo sở xây dựng hệ thống máy móc phức tạp, hệ có khả cung cấp “kinh nghiệm điều khiển hệ thống” hay gọi hệ trợ giúp định Từ vấn đề trên, ta thấy cần thiết phải nghiên cứu lắc ngược nhằm nắm bắt phát triển kĩ thuật điều khiển để phục vụ cho nhu cầu sản xuất, phục vụ học tập, nghiên cứu Mục đích đề tài Điều khiển cân lắc ngược nước ta nghiên cứu nhằm chế tạo mô hình ứng dụng cho luật điều khiển đại từ làm sở để ứng dụng vào sản xuất Ứng dụng lý thuyết điều khiển tối ưu để thiết kế điều khiển giữ cân lắc ngược Thiết kế, chế tạo mô hình thực nghiệm Phạm vi nội dung nghiên cứu 3.1 Phạm vi Ngiên cứu lắc ngược hai bậc tự Điều khiển cân lắc ngược hai bậc tự điều khiển sử dụng phương pháp điều khiển tối ưu Footer Page of 126 Header Page of 126 Đánh giá kết dựa mô hình thực nghiệm 3.2 Nội dung nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết phương pháp xây dựng mô hình toán học, lập phương trình vi phân chuyển động lắc ngược hai bậc tự sở phương pháp biến phân Lagrange-Euler Sử dụng phần mềm Matlab làm công cụ xây dựng mô hình mô hệ thống; Để kiểm nghiệm kết nghiên cứu, ta chế tạo mô hình lắc ngược hai bậc tự Thông qua trình hoạt động mô hình, ta đánh giá kết nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Đề tài nghiên cứu thực theo phương pháp kết hợp lý thuyết thực nghiệm Cụ thể sau: Nghiên cứu tài liệu liên quan, sở tính toán để thiết kế điều khiển cân lắc ngược hai bậc tự Chế tạo mô hình để kiểm chứng kết Ý nghĩa khoa học thực tiễn Con lắc ngược sở để tạo hệ thống tự cân như: xe hai bánh tự cân bằng, cân robot người, tháp vô tuyến, giàn khoan, công trình biển… Khi lý thuyết điều khiển đại ngày hoàn thiện lắc ngược đối tượng áp dụng để kiểm tra lý thuyết Tạo phương pháp học tập nghiên cứu trực quan mô hình cụ thể Bước đầu tiếp cận kĩ thuật điều khiển xác Cấu trúc luận văn Cấu trúc luận văn gồm có bốn chương - Chương 1: Mô hình hóa lắc ngược hai bậc tự Footer Page of 126 Header Page of 126 - Chương 2: Lý thuyết điều khiển tối ưu - Chương 3: Thiết kế điều khiển cân lắc ngược hai bậc tự - Chương 4: Thiết kế, chế tạo mô hình điều khiển cân lắc ngược hai bậc tự CHƯƠNG MÔ HÌNH HÓA CON LẮC NGƯỢC HAI BẬC TỰ DO 1.1 CÁC NGHIÊN CỨU HIỆN NAY TRÊN THẾ GIỚI 1.2 MÔ HÌNH CON LẮC NGƯỢC Xét hệ thống lắc ngược gắn vào xe kéo động servo DC Yêu cầu toán điều khiển vị trí xe giữ cho lắc ngược thẳng đứng (con lắc cân bằng) Hình 1.7: Mô hình lắc ngược hai bậc tự Footer Page of 126 Header Page of 126 1.3 MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA HỆ CON LẮC NGƯỢC HAI BẬC TỰ DO Con lắc  z = z + θ 1l1 cos θ1  z1 = z + l1 sin θ1 ⇒    y1 = l1 cos θ1  y = θ 1l1 sin θ1 Con lắc z = z + θ 1L1 cos θ1 + θ 2l cos θ2  z = z + L1 sin θ1 + l sin θ2 ⇒    y = L1 cos θ1 + l cos θ2  y = θ 1L1 sin θ1 + θ 2l sin θ2 Động xác định theo công thức T= mv 2 Trong v = z + y m 0z 2 D0 = c0z 2 T0 = Động xe Hàm tiêu tán xe Động lắc 1 T1 = m1  z + θ 1l1 cos θ1  + m1θ 12l12 sin θ1 + J1θ 12 2 Hàm tiêu tán lắc D1 = 2 c1θ1 Động lắc 1 m v 22 + J θ 22 2 = m  z + θ 1L1 cos θ1 + θ 2l cos θ2  + 2 1 m  θ 1L1 sin θ1 + θ 2l sin θ2  + J θ 22 2 Hàm tiêu tán lắc D = c θ 2 T2 = Footer Page of 126 Header Page of 126 Động hệ lắc ngược hai bậc tự 1 m z + m1  z + θ 1l1 cos θ1  + m1θ 12 l12 sin θ1 + 2 2 2 J1θ1 + m  z + θ 1L1 cos θ1 + θ l2 cos θ2  + 2 1 m  θ 1L1 sin θ1 + θ l sin θ2  + J θ 22 2 T = T0 + T1 + T2 = Hàm tiêu tán hệ lắc ngược hai bậc tự D = D0 + D1 + D = 21 2  c0z c1θ1 + c θ2 2 V0 = Thế lắc V1 = m1gl1 cos θ1 Thế lắc V2 = m g ( L1 cos θ1 + l cos θ2 ) Thế xe Thế hệ lắc ngược hai bậc tự V = V0 + V1 + V2 = m1gl1 cos θ1 + m g ( L1 cos θ1 + l cos θ2 ) Phương trình Lagrange L=T−V 1 L = ( m + m1 + m ) z + m1l12 + m L21 + J1 θ 12 + m l22 + J θ 22 + 2   ( m1l1 + m L1 ) z θ1 cos θ1 + m l2 z θ2 cos θ2 + m L1l2 cos ( θ1 − θ2 ) θ 1θ − ( ) ( ) ( m1l1 + m L1 ) g cos θ1 − m l2 g cos θ2 Dùng phương pháp Lagrange –Euler tìm phương trình vi phân chuyển động hệ xét đến ma sát xe-thanh trượt ma sát khớp ∂  ∂L  ∂L ∂D + =f  − ∂t  ∂z  ∂z ∂z ( m + m1 + m )  z + ( m1l1 + m L1 )  θ1 cos θ1 + m l 2 θ2 cos θ2 + ⇒ 2  c0 z − ( m1l1 + m L1 ) θ sin θ1 − m l θ sin θ2 = f Footer Page of 126 Header Page of 126 ∂  ∂L  ∂L ∂D + =0  − ∂t  ∂θ  ∂θ1 ∂θ ( )  m1l12 + m L21 + J1  θ1 + ( m1l1 + m L1 )  z cos θ1 + c1θ +   ⇒  m L1l cos ( θ1 − θ2 )  θ2 + m L1l θ 22 sin ( θ1 − θ2 ) −  ( m1l1 + m L1 ) g sin θ1 = ∂  ∂L  ∂L ∂D + =0  − ∂t  ∂θ  ∂θ2 ∂θ ( )  m 2l 2 z cos θ2 + m 2l 22 + J  θ2 + c θ + m L1l cos ( θ1 − θ2 )  θ1 −  ⇒  m L1l sin ( θ1 − θ2 ) θ − m 2l g sin θ2 = Đặt số hạng sau:  h1 = m + m1 + m ;h = m1l1 + m L1  2  h = m 2l ;h = m1l1 + m L1 + J1   h = m L1l ;h = m 2l + J  h = ( m l + m L ) g;h = m l g 11 2  Đưa hệ phương trình dạng  h1z + h 2 θ1 cos θ1 + h 3 θ2 cos θ2 + c0 z − h θ 12 sin θ1 − h 3θ 22 sin θ2 = f  θ1 + h cos ( θ1 − θ2 )  θ2 + c1θ + h sin ( θ1 − θ2 ) θ 22 − h g sin θ1 =  h 2z cos θ1 + h 4     2  h 3z cos θ2 + h cos ( θ1 − θ2 ) θ1 + h θ2 + c θ − h sin ( θ1 − θ2 ) θ1 − h sin θ2 = Chuyển tiếp dạng ma trận: M(θ) θ + N(θ, θ )θ + H(θ) = Rf Trong đó: h cos θ1 h cos θ2   h1  M = h cos θ1 h4 h5 cos( θ1 − θ2 )     h cos θ2 h5 cos( θ1 − θ2 )  h6 Footer Page of 126 Header Page of 126 c0  N=0   z − h θ sin θ1 c1 − h5θ sin ( θ1 − θ2 ) − h 3θ sin θ2   h5θ sin ( θ1 − θ2 )  c2     H = − h sin θ1     − h8 sin θ2  R = [1 0] T Chúng ta thấy hệ phi tuyến Do để thiết kế điều khiển với mục tiêu ổn định thông số hệ thống miền giá trị cân bằng, tuyến tính hóa hệ với giả thiết góc 1 ,  đủ nhỏ Khi ta có được: sin ( θ1 − θ2 ) = θ1 − θ2  cos ( θ1 − θ2 ) =  2 θ1 = θ2 =  cos θ1 = cos θ =  sin θ1 = θ1  sin θ2 = θ2 Hệ phương trình trở thành h1z + h 2 θ1 + h 3 θ2 + c0 z = f  θ1 + h 5 θ2 + c1θ − h θ1 = h 2z1 + h 4  x + h 5 θ1 + h 6 θ2 + c θ − h 8θ2 = h 3 Các ma trận trở thành:  h1 h h  0    c0     M = h h h ; N = c1 ; H =  − h θ       − h θ   0 c   h h h  Trong M đối xứng không suy biến Footer Page of 126 Header Page 10 of 126 Đưa phương trình vi phân chuyển động hệ dạng ma trận  h1 h   h h2 h4 h5 h   z    h    θ1  +    h  θ2    c0 0   0 c1 0   z      θ  + c   θ      f   − h θ  = 0   1    − h θ    1.4 KIỂM NGHIỆM KẾT QUẢ MÔ HÌNH HÓA BẰNG MATLAB >> Kết tính phần mềm Matlab hoàn toàn trùng khớp với kết tính tay Vậy kết phương trình vi phân chuyển động hệ lắc ngược hai bậc CHƯƠNG : LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU 2.1 CHẤT LƯỢNG TỐI ƯU 2.1.1 Đặc điểm toán tối ưu 2.1.2 Điều kiện thành lập toán tối ưu 2.1.3 Tối ưu hoá tĩnh động 2.2 XÂY DỰNG BÀI TOÁN TỐI ƯU 2.2.1 Tối ưu hóa điều kiện ràng buộc 2.2.2 Tối ưu hóa với điều kiện ràng buộc 2.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU 2.3.1 Phương pháp biến phân cổ điển Euler_Lagrange 2.3.2 Nhận xét 2.4 ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÁC HỆ TUYẾN TÍNH VỚI PHIẾM HÀM DẠNG TOÀN PHƯƠNG 2.4.1 Ổn định Lyapunov hệ thống tuyến tính 2.4.2 Điều khiển tối ưu hệ tuyến tính với tiêu chất lượng dạng toàn phương _ Phương trình Riccati hệ liên tục 2.4.3 Các bước giải toán toàn phương tuyến tính 2.4.4 Nhận xét Footer Page 10 of 126 Header Page 12 of 126 10 0 0  0 0 0    0 0 0  A=  0 −1.2460 −0.0641 −0.0459 0.0031 0.0001   63.8739 −16.6718 0.1948 −0.1598 0.0232    0.0618 −0.0393  −24.7046 28.3039 0.0149         B=   0.9179   −3.896     −0.2971 ; 1 0  0 C= 0 0  0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0  0  ; 0 0  1 0 0   0 D=  0 0   0 Với thông số hệ thống có cực sau: p1 =  p = −8.6345 p3 = 8.4630  p = 4.3544 p5 = −4.3874  p6 = −0.0405 Hệ thống có cực nằm bên phải mặt phẳng phức, hệ thống không ổn định Để kiểm tra tính điều khiển quan sát hệ thống, ta tính hạng ma trận: rank  B AB A B A3B A B A5B =   rank[C CA CA CA3 CA CA5 ]T = Chúng ta thấy hạng ma trận 6, hệ thống khảo sát điều khiển quan sát Footer Page 12 of 126 Header Page 13 of 126 11 Hình 3.1- Mô hình ổn định hệ thống sử dụng điều khiển LQR Tất trạng thái hệ thống hồi tiếp qua ma trận độ lợi K Xd giá trị đặt vào điều khiển  x1   z   x1d  x   θ     2  1    x   θ2    X =   =   ; Xd =    z x4       x  θ     5        x  θ  ; E = Xd − X Ma trận hồi tiếp tìm được: K =[37.9; -739.1; 1330.7; 91.3; -12.5; 252.1]T Với giá trị cuả K, hệ thống ổn định với cực: p1 = −16.1012 + 7.0897i  p = −16.1012 − 7.0897i p3 = −15.5221  p = −2.5665 p5 = −2.1551 + 1.9498i  p6 = −2.1551 − 1.9498i Các cực hệ thống có điều khiển nằm bên trái mặt phẳng phức, hệ thống ổn định 3.2.2 Dùng Matlab Giải thuật di truyền tìm ma trận hồi tiếp tối ưu cho điều khiển LQR Footer Page 13 of 126 Header Page 14 of 126 12 3.3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PD Hình 3.2- Mô hình ổn định hệ thống sử dụng điều khiển PD Tín hiệu điều khiển u xác định qua biểu thức sau: D1 (S) = k D1s + k P1  D (S) = k D2s + k P2 D (S) = k s + k D3 P3  Hàm truyền hệ lắc ngược hai bậc tự  0.9s − 0.2s3 − 79s − 4s + 1130 G1 (S) = s + 0.25s5 − 92.2s − 9.4s3 + 1395.8s + 56s   3.9s − 0.2s3 + 115.2s G (S) =  s6 + 0.25s5 − 92.2s − 9.4s3 + 1395.8s + 56s   0.3s − 0.3s3 + 115.2s G (S) = s + 0.25s5 − 92.2s − 9.4s3 + 1395.8s + 56s  3.4 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 3.4.1 Điều khiển PID 3.4.2 Bộ điều khiển PID Một mô hình điều khiển PID xây dựng tương tự điều khiển PD thể hình 3.7 Footer Page 14 of 126 Header Page 15 of 126 13 Hình 3.7- Mô hình ổn định hệ thống sử dụng điều khiển PID Tín hiệu điều khiển u xác định qua biểu thức sau:  k D1s + k P1s + k I1 C (S) =  s   k D2s + k P2s + k I2 C2 (S) = s   k s + k P3s + k I3 C3 (S) = D3 s  Hàm truyền hệ lắc ngược hai bậc tự  0.9s − 0.2s3 − 79s − 4s + 1130 G (S) =  s6 + 0.25s5 − 92.2s − 9.4s3 + 1395.8s + 56s   3.9s − 0.2s3 + 115.2s G (S) =  s6 + 0.25s5 − 92.2s − 9.4s3 + 1395.8s + 56s   0.3s − 0.3s3 + 115.2s G (S) = s + 0.25s5 − 92.2s − 9.4s3 + 1395.8s + 56s  Với điều khiển PD, PID việc lựa chọn nhiều thông số khó khăn, lựa chọn thông số theo phương pháp sử dụng giải thuật di truyền Footer Page 15 of 126 Header Page 16 of 126 14 3.5 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 3.5.1 Bộ điều khiển LQR Kết mô hệ lắc ngược hai bậc tự thời gian 5s Vị trí xe Góc lắc Vận tốc lắc Footer Page 16 of 126 Góc lắc Vận tốc xe Vận tốc lắc Header Page 17 of 126 15 Lực tác động lên xe 3.5.2 Bộ điều khiển PD 3.5.3 Bộ điều khiển PID 3.6 SO SÁNH CHẤT LƯỢNG CỦA CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN vị trí xe góc lắc góc lắc vận tốc xe (Điều kiện ban đầu: z = 0.02 [m], θ1=0.087 [rad], θ2=-0.087 [rad]) Footer Page 17 of 126 Header Page 18 of 126 16 Các kết mô cho thấy đáp ứng hệ với thay đổi khác vị trí xe, thấy điều khiển cho đáp ứng tốt, thời gian xác lập ngắn Trong kết này, xem xét yêu cầu thời gian độ, thời gian xác lập tổng bình phương sai số để so sánh Các thông số thể bảng B3.1, bảng B3.2 bảng B3.3 B3.1.Bảng so sánh đáp ứng vị trí xe Các đáp ứng hệ thống LQR PD PID Thời gian độ 0.3 0.2 0.25 Thời gian xác lập (s) 2.2 2.8 *SSE [m2s] 5.9283 0.6753 0.7190 B3.2 Bảng so sánh đáp ứng góc lắc Các đáp ứng hệ thống Thời gian độ Thời gian xác lập (s) SSE [m2s] LQR PD PID 0.25 0.28 0.18 1.5 1.3 1.2 2.7485 4.8682 3.1875 B3.3 Bảng so sánh đáp ứng góc lắc Các đáp ứng hệ thống LQR PD PID Thời gian độ 0.35 0.15 0.16 Thời gian xác lập (s) 2.5 1.8 1.65 SSE [m2s] 0.8627 0.3768 0.3947 Từ bảng trên, thấy đáp ứng điều khiển PD PID tốt LQG Sai số thời gian xác lập Footer Page 18 of 126 Header Page 19 of 126 17 điều khiển PID tốt Nhưng điều khiển khó lựa chọn thông số CHƯƠNG THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG CON LẮC NGƯỢC HAI BẬC TỰ DO 4.1 THIẾT KẾ KẾT CẤU CƠ KHÍ Do kết cấu không chịu tải trọng lớn nên ta chọn vật liệu chế tạo gối đỡ nhôm hợp kim, chi tiết gia công máy tiện máy phay thông thường Hình 4.3- Mô lắp ghép gối đỡ bên trái định vị Hình 4.4- Gối đỡ bên trái định vị Footer Page 19 of 126 Header Page 20 of 126 18 Hình 4.9- Mô lắp ghép gối đỡ bên phải định vị Với ý tưởng thay đổi khoảng cách trục hai puli nhằm thay đổi sức căng dây cáp nên ta gắn động Servo DC cấu trượt theo phương ngang với gối đỡ bên phải trục động gắn puli Hình 4.10- Gối đỡ bên phải định vị Khi thiết kế hệ lắc ngược hai bậc với ý tưởng dùng Encorder để đo góc lệch, việc gắn Encorder xác định sau : • Encorder thứ gắn cố định xe (chi tiết 8), trục Encorder gắn cứng với trục quay (chi tiết 9) mối ghép có độ dôi Encorder thứ đo góc lệch lắc Footer Page 20 of 126 Header Page 21 of 126 19 • Encorder thứ hai gắn cố định lắc 1, dùng trục Encorder thứ hai làm khớp quay thứ hai nên ta đo góc lệch lắc Hình 4.13- Mô lắp ghép lắc hai bậc tự lên xe bàn trượt Hình 4.14- Con lắc hai bậc tự lên xe bàn trượt Footer Page 21 of 126 Header Page 22 of 126 20 Hình 4.15- Mô lắp ghép hệ lắc ngược hai bậc tự Hình 4.16- Hệ lắc ngược hai bậc tự Footer Page 22 of 126 Header Page 23 of 126 21 4.2 THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 4.2.1 Lựa chọn họ vi điều khiển để thiết kế PIC 30F4012 hãng Microchip cho mục đích điều khiển lẽ có số ưu điểm sau: - Tốc độ xử lý nhanh 16bit, dung lượng Ram lớn thích hợp với ứng dụng điều khiển mờ, LQR, PID… - Trình biên dịch ngôn ngữ C thông dụng gần gũi với ngôn ngữ matlab mô nên thích hợp chuyển đổi - Đây chip chuyên dụng để điều khiển động - Mạch nạp tự lắp ráp dễ dàng với chi phí thấp hỗ trợ kết nối USB - Microchip cung cấp đầy đủ thông số kỹ thuật dòng PIC - Số lượng ngắt xử lý nhiều - Dung lượng SRAM: 512 Bytes - Sáu kênh chuyển đổi A/D 10-12 bit nhanh xác - Hỗ trợ Quandrature Encoder Interface Hình 4.17- Sơ đồ chân dsPIC 4012 - Ngoài ra, khả đáng tin cậy cao nhớ Flash có khả lưu trữ liệu 40 năm, với khả ghi xóa lên đến triệu lần, khả chịu đựng nhiệt độ cao (85 độ C) Footer Page 23 of 126 Header Page 24 of 126 22 Sử dụng trình biên dịch CCS để nạp chương trình cho dsPIC4012 4.2.2 Thiết kế mạch điều khiển Sơ đồ nguyên lý mạch in mạch driver điều khiển động Servo DC 24V thiết kế phần mềm OrCAD D11 G_12 5V C13 15V/100uF D15 10K R36 D14 10K BACK J5 4007 12V C12 25V/100uF FOR R35 D12 4007 J6 OUT+ OUT- FUSE F1 24V P-CONTROL 24V1 G_POWER C4 100V C5 100V CON4 Q5 2N5551 J11 AN1 AN0 U2 10 12 R18 HIN LIN HO LO U5 PGD/EMUD/U1TX/SDO1/SCL/C1TX/RF3 PGC/EMUC/U1RX/SDI1/SDA/C1RX/RF2 OSC1/CLKI 5V INDX QEA QEB PWM1L/RE0 AN0/VREF-/CN2/RB0 AN1/VREF+/CN3/RB1 PWM2L/RE2 14 INT1 INT0 15 16 PWM3L/RE4 PWM3H/RE5 AN2/SS1/CN4/RB2 IC2/INT2/RD1 VDD AVDD VDD EMUC2/OC1/IC1/INT1/RD0 FLTA/INT0/SCK1/OCFA/RE8 dspic30f 4012 QEB QEA INDX ENC VCC 12V C16 G_12 104 25 HIN1 24 LIN2 23 HIN2 RESET R38 22 21 20 28 13 U3 HIN2 LIN2 10 12 VCC 11 R20 HIN LIN HO LO VB SHDN VS 5V C1513 104 VCC C2 224 12V G_12 VDD VSS COM 10 R21 R1 D4 0.22 BY V28-150 220 C17 104 D16 DZ4.7V C1 R26 51 R C6 10uF R40 R39 10K C11 104 2K ISO5 PC817 R37 D1 LED U4A LM393 R27 20K RESISTOR SIP 5V R31 10K INT3 INDX QEA QEB INT2 INT1 INT0 R28 VCC 105 R25 D3 BY V28-15010 IR2110 1M G_12 12V 2K VCC PAD1 PAD2 PINPAD PINPAD Hình 4.19- Sơ đồ nguyên lý mạch driver điều khiển Động Hình 4.20- Sơ đồ mạch in driver điều khiển Động Footer Page 24 of 126 Q3 IRF540N/TO C10 OUT- Q2 IRF540N/TO R24 Q8 220 2N5551 - PROG PGC PGD Q1 IRF540N/TO G_12 220 Q7 2N5551 R41 J3 R23 10 VCC J2 220 24V R19 D2 BY V28-150 R29 VSS AVSS VSS INT3 INT2 COM Q6 2N5551 224 10 VDD VSS R22 C3 Q4 IRF540N/TO G1 T1CK/U1ARX/CN0/RC14 T2/U1ATX/CN1/RC13 27 19 12 11 VCC R OUT+ AN3/INDX/CN5/RB3 AN4/QEA/IC7/CN5/RB4 AN5/QEB/IC8/CN7/RB5 MCLR UART RX TX C1413 104 LIN1 VS IR2110 PWM2H/RE3 RX TX 26 SHDN 2 PWM1H/RE1 11 AN0 AN1 VCC PGD PGC 33 CON6 J4 17 18 VB OSC2/CLKO/RC15 Y1 40Mhz 10 C7 33 INT3 INT2 INT1 INT0 VCC 2 HIN1 LIN1 C8 J10 CON2 + D5 BY V28-150 Header Page 25 of 126 23 Hình 4.21- Driver điều khiển Động 4.3 LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN CON LẮC NGƯỢC HAI BẬC TỰ DO KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT QUẢ NGHIÊN CƯU CỦA ĐỀ TÀI Mục tiêu hệ thống điều khiển ngày nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển tự động Trên thực tế có nhiều đối tượng cần điều khiển đủ tham số cần thiết Vì vậy, 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 Luận văn trọng nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển tối ưu cho hệ lắc ngược hai bậc tự dựa tảng phương pháp biến phân Euler_Largrange Đề tài thực việc lựa chọn mô hình lắc ngược hai bậc tự do, sở đó, thiết lập thành công phương trình vi phân chuyển động hệ mô hệ Matlab cho chất lượng đáp ứng hệ thống tốt Footer Page 25 of 126 Header Page 26 of 126 24 Đề tài thực thành công việc đưa mô hình toán học cho việc điều khiển cân lắc ngược hai bậc tự cách sử dụng phương pháp điều khiển tối ưu tuyến tính dạng toàn phương (LQR) cho đối tượng điều khiển động Servo DC Với kết đạt được, ứng dụng đề tài vào việc tính toán cho robot người di chuyển hai chân người máy sữ dụng động servo Các kết đạt đề tài, ứng dụng vào việc giảng dạy lý thuyết điều khiển đại môn học tự động hóa, điều khiển… Bên cạnh đó, áp dụng phương pháp điều khiển để áp dụng điều khiển động theo vị trí mong muốn, từ ứng dụng vào thực tế cho hệ thống yêu cầu độ xác cao HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Đề tài giải vấn đề điều khiển cân lắc ngược hai bậc tự Tuy nhiên, thời gian hạn chế, chưa thực hoàn chỉnh Tuy nhiên, với tiền đề nghiên cứu này, cần cải thiện động phần cứng mạch điều khiển, cụ thể thiết bị đọc tín hiệu nhiều Encorder lúc áp dụng để chế tạo mô hình thực hành cho trường đại học Việc thiết kế điều khiển tính toán thiết kế với nguyên lý điều khiển tuyến tính, chưa so sánh kết với phương pháp điều khiển đại khác Fuzzy, điều khiển bền vững, Adaptive…Vì hướng phát triển đề tài điều khiển hệ lắc ngược hai bậc nhiều bậc phương pháp điều khiển cho hệ phi tuyến như: Fuzzy, điều khiển bền vững, Adaptive… Footer Page 26 of 126 ... kế, chế tạo mô hình điều khiển cân lắc ngược hai bậc tự CHƯƠNG MÔ HÌNH HÓA CON LẮC NGƯỢC HAI BẬC TỰ DO 1.1 CÁC NGHIÊN CỨU HIỆN NAY TRÊN THẾ GIỚI 1.2 MÔ HÌNH CON LẮC NGƯỢC Xét hệ thống lắc ngược. .. toán để thiết kế điều khiển cân lắc ngược hai bậc tự Chế tạo mô hình để kiểm chứng kết Ý nghĩa khoa học thực tiễn Con lắc ngược sở để tạo hệ thống tự cân như: xe hai bánh tự cân bằng, cân robot... toán điều khiển vị trí xe giữ cho lắc ngược thẳng đứng (con lắc cân bằng) Hình 1.7: Mô hình lắc ngược hai bậc tự Footer Page of 126 Header Page of 126 1.3 MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA HỆ CON LẮC NGƯỢC HAI