Xây dựng bộ điều khiển nhúng tuyến tính hóa vào ra cho hệ xe con lắc ngược

ðẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA _o0o _ LUẬN ÁN THẠC SỸ NGUYỄN VĂN ðÔNG HẢI ðỀ TÀI XÂY DỰNG BỘ ðIỀU KHIỂN NHÚNG TUYẾN TÍNH HỐ VÀO RA CHO HỆ XE CON LẮC NGƯỢC CHUYÊN NGÀNH: TỰ ðỘNG HÓA MSHV:09150035 Tp Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 06 năm 2011 Luận Văn Thạc Sỹ Học Viên: Nguyễn Văn ðông Hải GVHD : PGS.TS Dương Hồi Nghĩa LUẬN VĂN ðƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA ðẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn :………………………………………………………… (ghi rõ họ tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét 1:…………………………………………………… (ghi rõ họ tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét 2:…………………………………………………… (ghi rõ họ tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn Thạc Sỹ ñược bảo vệ HỘI ðỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SỸ TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày ….tháng năm 2011 -02- Luận Văn Thạc Sỹ Học Viên: Nguyễn Văn ðông Hải GVHD : PGS.TS Dương Hoài Nghĩa ðẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM CỘNG HOÀ Xà HỘI CHỦ NGHIà VIỆT NAM TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA ðộc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc -oOo Tp HCM, ngày tháng năm 2011 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN VĂN ðÔNG HẢI Ngày, tháng, năm sinh : 01-01-1986 Chuyên ngành : ðIỀU KHIỂN TỰ ðỘNG Khoá (Năm trúng tuyển) : 2009 Giới tính : Nam Nơi sinh : SÓC TRĂNG 1- TÊN ðỀ TÀI: XÂY DỰNG BỘ ðIỀU KHIỂN NHÚNG TUYẾN TÍNH HỐ VÀO RA HỆ XE CON LẮC NGƯỢC 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: • Xây dựng phần khí điện tử mơ hình xe lắc ngược • Xây dựng điều khiển thời gian thực DSP ñể dựng ngược giữ cân lắc 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi ñầy ñủ học hàm, học vị ): Nội dung ñề cương Luận văn Thạc Sĩ Hội ðồng Chun Ngành thơng qua CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) -03- Luận Văn Thạc Sỹ Học Viên: Nguyễn Văn ðơng Hải GVHD : PGS.TS Dương Hồi Nghĩa Lời cảm ơn Trước tiên, xin chân thành cảm ơn Thầy Dương Hồi Nghĩa, người tận tình hướng dẫn truyền đạt kiến thức giúp tơi hồn thành luận án Và quan trọng hết, thầy người ñã gợi mở cho tác giả hướng nghiên cứu mà cảm thấy quan tâm mong muốn theo đuổi Bên cạnh tơi xin chân thành cảm ơn đến q thầy mơn ðiều Khiển Tự ðộng: thầy Huỳnh Thái Hoàng, thầy Nguyễn ðức Thành, thầy Nguyễn Vĩnh Hảo, thầy Nguyễn Thiện Thành ….ñã ñịnh hướng hỗ trợ số phần quan trọng cho việc học tập, nghiên cứu phát triển ñề tài Tôi xin chân thành cảm ơn thầy Phan Vinh Hiếu dẫn, hỗ trợ tơi nhiều kiến thức, kinh nghiệm Ngoài ra, bạn Quốc Hùng, anh ðăng Nguyên, bạn Minh Hùng, bạn Huỳnh Bảo bạn cao học khóa 2009 động viên giúp đỡ tơi suốt khóa học Cuối cùng, tơi xin chân thành cảm ơn quan tâm, hỗ trợ, tạo ñiều kiện ñộng viên vật chất lẫn tinh thần thành viên gia đình, đặc biệt mẹ suốt thời gian qua Tp.HCM, ngày….tháng năm 2011 Tác giả NGUYỄN VĂN ðÔNG HẢI -04- Luận Văn Thạc Sỹ Học Viên: Nguyễn Văn ðông Hải GVHD : PGS.TS Dương Hoài Nghĩa NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN Cán hướng dẫn : PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA Họ tên học viên : NGUYỄN VĂN ðÔNG HẢI Tên đề tài Khóa : 2009 : XÂY DỰNG BỘ ðIỀU KHIỂN NHÚNG TUYẾN TÍNH HỐ VÀO RA CHO HỆ XE CON LẮC NGƯỢC Nhận xét : ðánh giá : Tp.HCM, ngày tháng năm Cán hướng dẫn (Ký tên, ghi rõ họ tên) -05- Luận Văn Thạc Sỹ Học Viên: Nguyễn Văn ðông Hải GVHD : PGS.TS Dương Hoài Nghĩa NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN Cán phản biện : Họ tên học viên : NGUYỄN VĂN ðÔNG HẢI Tên đề tài Khóa : 2009 : XÂY DỰNG BỘ ðIỀU KHIỂN NHÚNG TUYẾN TÍNH HỐ VÀO RA CHO HỆ XE CON LẮC NGƯỢC Nhận xét : ðánh giá : Tp.HCM, ngày tháng năm 2011 Cán phản biện (Ký tên, ghi rõ họ tên) -06- Luận Văn Thạc Sỹ Học Viên: Nguyễn Văn ðông Hải GVHD : PGS.TS Dương Hoài Nghĩa NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN Cán phản biện : Họ tên học viên : NGUYỄN VĂN ðƠNG HẢI Tên đề tài Khóa : 2009 : XÂY DỰNG BỘ ðIỀU KHIỂN NHÚNG TUYẾN TÍNH HỐ VÀO RA CHO HỆ XE CON LẮC NGƯỢC Nhận xét : ðánh giá : Tp.HCM, ngày tháng năm 2011 Cán phản biện (Ký tên, ghi rõ họ tên) -07- Luận Văn Thạc Sỹ Học Viên: Nguyễn Văn ðông Hải GVHD : PGS.TS Dương Hoài Nghĩa Mục lục trang ðề mục CHƯƠNG I: Tổng quan………………………………………………………… 11 1.1 1.2 1.2.1 1.2.2 ðặt vấn ñề…………………………………… ………………11 Tổng quan………….……………………………… …………11 Xây dựng mơ hình - thuật tốn ñiều khiển…………… ……….11 Tóm tắt nội dung chương…………………………….……13 CHƯƠNG II: Nhiệm vụ luận văn…………………………………………………15 CHƯƠNG III: Giới thiệu mô hình………………………………………………16 3.1 Phần khí…………………………………………………………………16 3.2 Phần mạch điện……………………………………………………………18 3.2.1 Phần điều khiển…………………………………………………… 18 3.2.2 Phần cơng suất………………………………………………………19 3.3 Phần chương trình………………………………………………………… 19 CHƯƠNG IV: Mơ hình hố ước lượng tham số………………………………20 4.1 Mơ hình hố hệ thống lắc ngược…………………………………… 20 4.2 Mơ hình tốn học hệ thống lắc ngược…………………………….26 4.3 Ước lượng thông số thiếu hệ thống… ……………………….27 CHƯƠNG V: Thiết kế ñiều khiển…………………………………………… 31 5.1 Giới thiệu………………………………………………………………… 31 5.2 ðiều khiển cân bằng……………………………………………………….33 5.2.1 Tuyến tính hố vào – hệ phi tuyến…………………………….33 -08- Luận Văn Thạc Sỹ Học Viên: Nguyễn Văn ðơng Hải GVHD : PGS.TS Dương Hồi Nghĩa 5.2.1.1 Lý thuyết tổng quát………………………………………….33 5.2.1.2 Ứng dụng cho mô hình xe lắc ngược ………………… 34 5.2.2 Thiết kế ñiều khiển LQR….…………………………………….38 5.2.3 ðiều khiển LQR rời rạc…………………………………………….39 5.2.4 Tinh ñiều khiển ñược……………………………………………….40 5.3 ðiều khiển Swing-up…………………………………………………………41 CHƯƠNG VI: Mơ hoạt động điều khiển……………….……………… 43 6.1 Xây dựng chương trình mơ điều khiển Simulink………….43 6.2 ðiều khiển xe vị trí 0………………………………………………… 45 6.2.1 Khi thay đổi thơng số tuyến tính hố……………………………… 45 6.2.1.1 Khi bienso1=2; bienso2=1………………………………… 46 6.2.1.2 Khi bienso1=3; bienso2=1(chuẩn)………………………… 48 6.2.1.3 Khi bienso1=5; bienso2=1………………………………… 51 6.2.1.4 Nhận xét…………………………………………………… 53 6.2.2 Khi thay đổi thơng số điều khiển………………………………… 53 6.2.2.1 Khi R=0.1(chuẩn)… ……………………………………… 54 6.2.2.2 Khi R=100………………………………………………… 56 6.2.2.3 Khi R=0.001……………………………………………… 59 6.2.2.4 Nhận xét…………………………………………………….61 CHƯƠNG VII: ðáp ứng thực tế ñiều khiển………………………………… 62 7.1 Xây dựng chương trình ñiều khiển Simulink…………………… .62 7.2 ðáp ứng ngõ thực tế…………………………………………………….65 7.2.1 Với thơng số chuẩn……………………………………………… 65 7.2.2 Khi thay đổi thơng số tuyến tính hố………………………………67 7.2.2.1 Khi tăng bienso1…………………………………………….67 7.2.2.2 Khi giảm bienso1……………………………………………70 7.2.3 Khi thay đổi thơng số điều khiển……………………………… 72 -09- Luận Văn Thạc Sỹ Học Viên: Nguyễn Văn ðơng Hải 7.3 GVHD : PGS.TS Dương Hồi Nghĩa 7.2.3.1 Khi tăng R………………………………………………… 72 7.2.3.2 Khi giảm R………………………………………………… 75 Nhận xét………………………………………………………………… 78 CHƯƠNG VIII: Tổng kết…………………………………………………………79 Tài liệu tham khảo……………………………………………………………… 81 -010- Luận Văn Thạc Sỹ Học Viên: Nguyễn Văn ðơng Hải GVHD : PGS.TS Dương Hồi Nghĩa Hình 7.7: Vận tốc xe bienso1=7(tăng) 2500 mẫu (25s) Hình 7.8: Góc lắc bienso1=7(tăng) 2500 mẫu (25s) -069- Luận Văn Thạc Sỹ Học Viên: Nguyễn Văn ðơng Hải GVHD : PGS.TS Dương Hồi Nghĩa Hình 7.9: Vận tốc góc lắc bienso1=7(tăng) 2500 mẫu (25s) Hình 7.10: điện áp điều khiển bienso1=7(tăng) 2500 mẫu(25s) -070- Luận Văn Thạc Sỹ Học Viên: Nguyễn Văn ðơng Hải GVHD : PGS.TS Dương Hồi Nghĩa 7.2.2.2 Khi giảm bienso1 so với thông số chuẩn: chọn bienso1 2(so với ban đầu 1): Hình 7.11:Vị trí xe bienso1=2(giảm) 1800 mẫu(18s) Hình 7.12: Vận tốc xe bienso1=2(giảm) 1800 mẫu(18s) -071- Luận Văn Thạc Sỹ Học Viên: Nguyễn Văn ðông Hải GVHD : PGS.TS Dương Hồi Nghĩa Hình 7.13: Góc lắc bienso1=2(giảm) 1800 mẫu (18s) Hình 7.14: Vận tốc góc lắc kh bienso1=2(giảm) 1800 mẫu (18s) -072- Luận Văn Thạc Sỹ Học Viên: Nguyễn Văn ðông Hải GVHD : PGS.TS Dương Hồi Nghĩa Hình 7.15: điện áp điều khiển bienso1=2(giảm) 1800 mẫu(18s) 7.2.3 Khi thay ñổi thơng số điều khiển: 7.2.3.1 Khi tăng R: chọn R=0.5(lớn gấp lần so với R chuẩn) -073- Luận Văn Thạc Sỹ Học Viên: Nguyễn Văn ðông Hải GVHD : PGS.TS Dương Hồi Nghĩa Hình 7.16: Vị trí xe 1800 mẫu(18s) ma trận R=0.5(tăng) Hình 7.17: Vận tốc xe 1800 mẫu(18s) ma trận R=0.5(tăng) -074- Luận Văn Thạc Sỹ Học Viên: Nguyễn Văn ðông Hải GVHD : PGS.TS Dương Hồi Nghĩa Hình 7.18: Góc lắc 1800 mẫu(18s) R=0.5(tăng) Hình 7.19: Vận tốc góc lắc (degree/s) 1800 mẫu (18s) R=0.5(tăng) -075- Luận Văn Thạc Sỹ Học Viên: Nguyễn Văn ðông Hải GVHD : PGS.TS Dương Hồi Nghĩa Hình 7.20: ðiện áp ñiều khiển 1800 mẫu(18s) R=0.5(tăng) 7.2.3.2 Khi giảm R:chọn R=0.01(nhỏ 10 lần so với R chuẩn) -076- Luận Văn Thạc Sỹ Học Viên: Nguyễn Văn ðông Hải GVHD : PGS.TS Dương Hồi Nghĩa Hình 7.21: Vị trí xe 700 mẫu (7s) ma trận R=0.01(giảm) Hình 7.22: Vận tốc xe 700 mẫu(7s) ma trận R=0.01(giảm) -077- Luận Văn Thạc Sỹ Học Viên: Nguyễn Văn ðơng Hải GVHD : PGS.TS Dương Hồi Nghĩa Hình 7.23: Góc lắc 700 mẫu(7s) ma trận R=0.01(giảm) Hình 7.24: Vận tốc góc lắc 700 mẫu(7s) ma trận R=0.01(giảm) -078- Luận Văn Thạc Sỹ Học Viên: Nguyễn Văn ðơng Hải GVHD : PGS.TS Dương Hồi Nghĩa Hình 7.25: ðiện áp điều khiển 700 mẫu(7s) ma trận R=0.01(giảm) 7.3 Nhận xét: Khi tăng bienso1 so với bienso2 xe bớt dao động Tuy nhiên, hệ thống cân Khi giảm bienso1 so với bienso2 thi xe dao ñộng nhiều Trong chừng mực giảm xe ổn định Tuy nhiên, mơ hình ngang ta bị giới hạn nên xe dao động vượt q giới hạn ta xem hệ khơng ổn định Tương tự, việc giảm R khiến việc điều khiển khó khăn chỗ xe chạy êm vị trí xe, góc lắc ko ñược ñảm bảo mà bị dao ñộng nhiều(tuy chậm) Việc tăng R làm mơ hình rung khơng ổn định -079- Luận Văn Thạc Sỹ Học Viên: Nguyễn Văn ðông Hải GVHD : PGS.TS Dương Hoài Nghĩa CHƯƠNG VIII: TỔNG KẾT Qua việc mô chạy thực tế mơ hình ta nhận thấy: • Việc tuyến tính hố vào-ra hệ thống giữ ngun ñặc trưng phi tuyến hệ thống Do ñó, khoảng ổn ñịnh cân hệ thống rộng nhiều so với đơn tuyến tính hố hệ thống quanh điểm làm việc điều khiển LQR • Tuy nhiên, việc chọn thông số trở nên phức tạp khơng phải đơn ta chọn ma trận R, Q cho phù hợp mà ta phải tìm thêm thơng số tuyến tính hố bienso1, bienso2 ðồng thời, ma trận Q chọn mang tính thử sai cao ðó ma trận Q không mang trọng số biến x1 , x2 , x3 , x4 mà mang trọng số biến ξ1 ; ξ2 ; ξ3 ; ξ4 ðó biến kết hợp x1 , x3 • Hệ thống ñạt ñộ ổn ñịnh khoảng rộng Tuy nhiên, sử dụng LQR, đạt thơng số gần phù hợp tới phù hợp ta biết hệ thống ổn định Cịn phương pháp tuyến tính hố vào sử dụng LQR chọn thơng số tốt ta ñảm bảo hệ thống ñứng im ñiểm cân Ngược lại, hệ thống dao ñộng nhẹ quanh điểm cân • Việc tính tốn giải thuật tuyến tính hố vào-ra nặng nề nên phức tạp so với giải thuật LQR hay ñặt cực Tuy nhiên, tốc độ tính tốn nhanh với dấu chấm động DSP giúp ta khơng lo lắng nhiều việc • Hướng mở rộng đề tài: Phần cứng: xây dựng lắc đơi (con lắc cho ñược gắn thêm lắc tự nữa) Phần ñiều khiển: Thực việc ñiều khiển lắc giữ thăng thi ray nằm nghiêng, nghiên cứu giải thuật ñiều khiển swing-up cho phù hợp Sử dụng phương pháp nhận dạng neuron ñể nhận dạng hàm f, g hệ thống -080- Luận Văn Thạc Sỹ Học Viên: Nguyễn Văn ðông Hải GVHD : PGS.TS Dương Hồi Nghĩa phi tuyến Từ đó, ta có để thực việc tuyến tính hố vào-ra ñiều khiển cho hệ phức tạp -081- Luận Văn Thạc Sỹ Học Viên: Nguyễn Văn ðông Hải GVHD : PGS.TS Dương Hoài Nghĩa TÀI LIỆU THAM KHẢO Sách tham khảo chính: [1] “ðiều khiển hệ thống đa biến” – tác giả Dương Hoài Nghĩa Sách tham khảo thêm [2] “Lý thuyết ñiều khiển phi tuyến” – tác giả Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, Hán Thành Trung [3] “Lý thuyết ñiều khiển tự ñộng”- tác giả Nguyễn Thị Phương Hả, Huỳnh Thái Hoàng [4] “ðiều khiển mờ hệ lắc ngược dùng vi ñiều khiển LPC2148” – luận văn tốt nghiệp sinh viên Thái Ngọc Vũ [5] “Xây dựng ñiều khiển nhúng cho hệ lắc ngược quay” – luận văn tốt nghiệp học viên cao học Phan Vinh Hiếu Bài báo khoa học ứng dụng luận văn: [6] Cesar Aguilar, Dr RnHirschorn- Approximate Feedback Linearization and Sliding Mode Control for the Single Inverted Pendulum –– 2002 [7] Balance Control of a Car – pole Inverted Pendulum System – nhóm tác giả Trung Quốc(gửi kèm theo CD) Bài báo khoa học tham khảo thêm: [8] Alan Bradshaw ans Jindi Shao – Swing-up control of inverted pendulum systemsRobotica (1996) volume 14 Ppt 397-405-Cambridge University Press-1996 [9] Selcuk Kizir, Zafer Bingul, and Cuneyt Oysu-Fuzzy Control of Realtime Inverted Pendulum System [10] Nenad Muskinja, Boris Tovornik - Controlling of Real Inverted Pendulum by Fuzzy Logic – Smetanova 17-2000 [11] Mojtaba Ahmadieh Khanesar- Sliding Mode Control of Rotary Inverted Pendulum – Proceeding of the 16th Mediterranean Conference on Control &Autamation – 2009 -082- Luận Văn Thạc Sỹ Học Viên: Nguyễn Văn ðông Hải GVHD : PGS.TS Dương Hồi Nghĩa LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên : NGUYỄN VĂN ðÔNG HẢI Ngày sinh : 01-01-1986 ðịa liên lạc : Phái : Nam Nơi sinh : SĨC TRĂNG 291 Trần Hưng ðạo, khóm phường 3, thành phố Sóc Trăng, tỉnh Sóc Trăng ðiện thoại : 01644135849 QUÁ TRÌNH ðÀO TẠO 2001-2004: học sinh trường PTTH chuyên Nguyễn Thị Minh Khai, tỉnh Sóc Trăng 2004-2009: sinh viên trường ðại Học Bách Khoa TPHCM, chuyên ngành ðiều khiển tự ñộng 2009-2011: học viên cao học trường ðại Học Bách Khoa TPHCM, chuyên ngành ðiều khiển tự động Q TRÌNH CƠNG TÁC Từ 10-2010 đến :Giảng viên Khoa ðiện-ðiện Tử - môn Tự ðộng ðiều Khiển thuộc trường ðại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM -083- ... “Thiết kế điều khiển nhúng tuyến tính hố vào cho hệ xe lắc ngược? ?? 1.2 Tổng quan: 1.2.1 Xây dựng mơ hình – Thuật tốn điều khiển: Con lắc ngược ñối tượng ñại diện cho lớp đối tượng có độ phi tuyến. .. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN Cán hướng dẫn : PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA Họ tên học viên : NGUYỄN VĂN ðƠNG HẢI Tên đề tài Khóa : 2009 : XÂY DỰNG BỘ ðIỀU KHIỂN NHÚNG TUYẾN TÍNH HỐ VÀO RA CHO HỆ XE CON LẮC NGƯỢC... NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN Cán phản biện : Họ tên học viên : NGUYỄN VĂN ðƠNG HẢI Tên đề tài Khóa : 2009 : XÂY DỰNG BỘ ðIỀU KHIỂN NHÚNG TUYẾN TÍNH HỐ VÀO RA CHO HỆ XE CON LẮC NGƯỢC Nhận xét :