Phân tích, thiết kế bộ điều khiển hai vòng cho con lắc ngược bánh đà trên QNX RTOS

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN TẤN SỸ PHÂN TÍCH, THIẾT KỂ BỘ ĐIỀU KHIỂN HAI VÒNG CHO CON LẮC NGƯỢC BÁNH ĐÀ TRÊN QNX RTOS Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIÊN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Mã sổ: 60520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 08 năm 2016 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BẤCH KHOA - ĐHQG-HCM Cán hướng dẫn khoa học : PGS.TS Huỳnh Thái Hoàng Ký tên Cán chấm nhận xét : TS Nguyễn Đức Thành Ký tên Cán chấm nhận xét : TS Nguyễn Trọng Tài Ký tên Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM, ngáy 15 tháng 07 năm 2016 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: TS Nguyễn Vĩnh Hảo (Chủ tịch) TS Trần Ngọc Huy (Thư kí) TS Nguyễn Đức Thành (Phản biện 1) TS Nguyễn Trọng Tài (Phản biện 2) PGS.TS Hồ Phạm Huy Ánh (ủy viên) Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nêu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập – Tự – Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN TẤN SỸ MSHV: 13153066 Ngày, tháng, năm sinh: 08/12/1990 Nơi sinh: Quảng Nam Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa Mã số: 60520216 I TÊN ĐỀ TÀI: PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN HAI VÒNG CHO CON LẮC NGƯỢC BÁNH ĐÀ TRÊN QNX RTOS II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Phân tích hệ thống lắc nguợc bánh đà, xây dựng mơ hình tốn - Thực điều khiển cấu trúc vòng lồng : vòng điều khiển moment bánh đà, vòng điều khiển cân lắc ngược - Thực hệ thống khí lắc, phần cứng điều khiển để thử nghiêm đánh giá giải thuật - Thức giải thuật đánh giá hiệu giải thuật QNX RTOS III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 19/01/2015 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 20/06/2016 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS Huỳnh Thái Hoàng Tp HCM, ngày thảng năm 201 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO TRƯỞNG KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ LVThS - PHÂN TÍCH, THIẾT KỂ BỘ ĐIỀU KHIỂN HAI VÒNG CHO CON LẮC NGƯỢC BÁNH ĐÀ TRÊN QNX RTOS LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy hướng dẫn tôi, PGS.TS Huỳnh Thái Hồng có giúp đỡ tận tình mặt chun mơn, lời khun, góp ý để tơi đưa ý tưởng hoàn thành luận văn cách hồn chỉnh Cảm ơn thầy môn Tự Động tạo điều kiện thuận lợi cơng việc có trao đổi q giá để giúp củng cố thêm kiến thức nhanh chóng hồn thiện luận văn Cảm ơn anh chị đồng nghiệp, bạn sinh viên giúp đỡ suốt thời gian thực luận văn Sự giúp đỡ anh chị bạn bổ sung khiếm khuyết mà thiếu để tơi thực tốt luận văn Và cuối cùng, tơi xin gửi lời cảm ơn đến cha mẹ, anh chị người thân yêu, người giúp tơi vượt qua khó khăn sống, tạo điều kiện thuận lợi suốt trình học tập nghiên cứu TP HCM, ngày 20 tháng 08 năm 2016 NGUYỄN TẤN SỸ LVThS - PHÂN TÍCH, THIẾT KỂ BỘ ĐIỀU KHIỂN HAI VÒNG CHO CON LẮC NGƯỢC BÁNH ĐÀ TRÊN QNX RTOS TĨM TẮT LUẬN VĂN Luận văn phân tích chất vật lý lắc ngược bánh đà Từ đó, tác giả mơ hình hóa hệ thống dựa định luật học Newton kiểm chứng lại với cơng thức Euler-Lagrange Luận văn trình bày cách tiếp cận để điều khiển hệ thống dựa việc điều khiển trực tiếp moment bánh đà cấu trúc điều khiển chia làm hai vòng lồng Vòng ngồi điều khiển cân lắc ngược bánh đà vị trí cân sử dụng giải thuật LQR Fuzzy dựa việc đo góc lệnh vận tốc góc lắc tìm moment cần thiết Vòng điều khiển áp dụng điều khiển PI để điều chỉnh điện áp đặt vào động cơ, đầu điều khiển dòng điện phần ứng, tỷ lệ thuận với moment động Các thí nghiệm giải thuật swing-up cân thực mô Matlab chạy thực nghiệm mơ hình phần cứng Các kết chứng minh tính đắn giải thuật Ngồi ra,tác giả thực giải thuật điều khiển môi trường hệ điều hành thời gian thực với QNX Điều phù hợp với xu hướng hầu hết hệ thống nhúng sử dụng hệ điều hành thời gian thực để tích hợp nhiều chương trình chạy đồng thời iỉ LVThS - PHÂN TÍCH, THIẾT KỂ BỘ ĐIỀU KHIỂN HAI VỊNG CHO CON LẮC NGƯỢC BÁNH ĐÀ TRÊN QNX RTOS ABSTRACT This thesis analyzes physical problem of Inertia Wheel Pendulum (IWP) System model therefore is derived based on Newton’s laws of motion, then it is also validated using Euler-Lagrange equation New approach is presented to control IWP system based on controlling torque of inertia wheel directly Architecture of controller consists of two cascade control loops The outer control loop uses a LQR or Fuzzy Logic controller to balance IWP at upright position based on measurement of the pendulum angle and angular velocity and finding out required torque The inner control loop uses a PI controller to calculate voltage applied to DC motor, its output is armature current which is directly proportional to DC motor torque Some experiments about swing-up control and balance control have been carried out using Matlab simulation as well as running on real hardware demo These results also verify the correctness of proposed method Moreover, the author implements control methods on real-time operating system (RTOS) using QNX Neutrino This is fit with modem trend that most of embedded systems are using RTOS as an environment for integrating many programs which run concurrently iii LVThS - PHÂN TÍCH, THIẾT KỂ BỘ ĐIỀU KHIỂN HAI VÒNG CHO CON LẮC NGƯỢC BÁNH ĐÀ TRÊN QNX RTOS LỜI CAM KẾT Tôi xin cam kết luận văn biên soạn Các nội dung biên soạn có tham khảo từ nguồn khác trích dẫn thích đầy đủ Tất kết đánh giá thực nghiệm thân tơi tự làm ra, hồn tồn khơng chép từ tài liệu cơng trình nghiên cứu khác Nếu tơi khơng thực cam kết nêu trên, xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước kỷ luật nhà trường pháp luật Nhà nước NGUYỄN TẤN SỸ LVThS - PHÂN TÍCH, THIẾT KỂ BỘ ĐIỀU KHIỂN HAI VÒNG CHO CON LẮC NGƯỢC BÁNH ĐÀ TRÊN QNX RTOS MỤC LỤC CHƯƠNG Tổng quan đề tài - 1.1 Tóm tắt số nghiên cứu liên quan - a Nghiên cứu giải thuật điều khiển lắc ngược ứng dụng - b Một số nghiên cứu hệ điều hành thời gian thực QNX - 12 1.2 Mục tiêu đề tài - 14 CHƯƠNG phân tích mơ hình hóa hệ thống - 15 2.1 Động DC - 15 a Mối quan hệ momen từ dòng điện phần ứng động DC - 15 b Mối quan hệ dòng điện momen từ - 16 c Hiện tượng cảm ứng điện từ - 17 d Mơ hình tốn mơ tả q trình điện - động DC từ trường vĩnh cửu - 18 2.2 Ngun lý hoạt động mơ hình toán lắc ngược bánh đà - 20 a Phân tích theo định luật học Newton - 20 b Kiểm chứng mơ hình theo phương pháp Euler - Lagrange -21 CHƯƠNG Sơ lược RTOS giải thuật điều khiển - 23 3.1 Giới thiệu hệ điều hành thời gian thực - 23 a Hệ thống thời gian thực (Real-Time System): - 23 b Hệ điều hành thời gian thực (Real-Time Operating System - RTOS): - 24 c Ưu điểm việc sử dụng hệ điều hành thời gian thực hệ thống nhúng: - 25 d QNX Neutrino RTOS: - 26 3.2 Sơ lược lý thuyết ổn định Lyapunov - 28 a Định nghĩa ổn định hệ thống khơng kích thích (đầu vào 0) " 28 b Lý thuyết ổn định Lyapunov - 28 3.3 Bộ điều khiển tồn phương tuyến tính LQR - 29 a Sơ lược sở lý thuyết - 29 b Xây dựng điều khiển LQR MATLAB - 30 - LVThS - PHÂN TÍCH, THIẾT KỂ BỘ ĐIỀU KHIỂN HAI VÒNG CHO CON LẮC NGƯỢC BÁNH ĐÀ TRÊN QNX RTOS 3.4 Bộ điều khiển mờ (Fuzzy Logic Controller) -31a Sơ lược hệ mờ điều khiển mờ -31b ứng dụng MATLAB xây dựng điều khiển mờ cho hệ thống điều khiển- 36 3.5 Điều khiển Swing-up lắc ngược bánh đà - 39 CHƯƠNG THIẾT KẾ PHẦN CÚNG MƠ HÌNH - 41 4.1 Thiết kế mơ hình khí - 41 a Đối với việc phân bố khối lượng hệ - 41 b Đối với bánh đà - 41 4.2 Thiết kế phần cứng điều khiển - 44 a Mạch cảm biến dòng - 44 b Mạch Smith-Trigger cho giao tiếp với Encoder - 45 c Mạch xử lý trung tâm - 46 d Mạch cầu H điều khiển động module PWM - 47 e Sensor Shield cho BeagleBone Black - 49 CHƯƠNG Thực giải thuật điều khiển kết - 51 5.1 Cấu trúc điều khiển hệ thống -515.2 Vòng điều khiển moment (dòng điện) - 52 5.3 Vòng điều khiển cân - 56 a Thực điều khiển LQR - 56 b Thực điều khiển Fuzzy - 59 5.4 Điều khiển swing-up lắc ngược bánh đà - 64 5.5 Thử nghiệm hiệu giải thuật QNX RTOS - 66 - LVThS - PHÂN TÍCH, THIẾT KỂ BỘ ĐIỀU KHIỂN HAI VÒNG CHO CON LẮC NGƯỢC BÁNH ĐÀ TRÊN QNX RTOS IWP: STABILIZATION CONTROL Hình 5.12 Kết thực nghiêm góc lệch tổc độ quay cia lẳc điều khiển cân lẳc ngược dùng LQR b Thực điều khiển Fuzzy ❖ Lựa chọn biến vào-ra tầm giả trị Trong luận văn này, tác giả lựa chọn đầu vào cho điều khiển Fuzzy góc lệch so với vị trí cân vận tốc góc lắc: