Bộ điều khiển nhúng cho hệ con lắc ngược quay

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -o0o - PHẠM XUÂN HIỂN ĐỀ TÀI BỘ ĐIỀU KHIỂN NHÚNG CHO HỆ CON LẮC NGƯỢC QUAY CHUN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HĨA Niên khóa: 2008 LUẬN VĂN THẠC SĨ Tp Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2010 CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: PGS TS DƯƠNG HỒI NGHĨA Cán chấm nhận xét 1: GVC TS NGUYỄN ĐỨC THÀNH Cán chấm nhận xét 2: TS HUỲNH THÁI HỒNG Luận văn thạc só bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 04 tháng 01 năm 2011 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ - CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc -Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên: PHẠM XN HIỂN Ngày sinh: 04-07-1981 Chuyên ngành: TỰ ĐỘNG HĨA MSHV: 01508336 Phái : Nam Nơi sinh: Tp Hồ Chí Minh 1- TÊN ĐỀ TÀI: BỘ ĐIỀU KHIỂN NHÚNG CHO HỆ CON LẮC NGƯỢC QUAY 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: • Mơ hình hóa hệ thống lắc ngược quay • Mô hệ thống lắc ngược quay dùng Matlab/Simulink sử dụng giải thuật: điều khiển LQR, PID, điều khiển trượt, điều khiển chiếu, điều khiển chiếu thích nghi sử dụng mạng nơron truyền thẳng So sánh kết điều khiển 3- NGAØY GIAO NHIỆM VỤ: 02 -02-2010 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 12-12-2010 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi đầy đủ học hàm, học vị): PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA Nội dung đề cương luận văn thạc só Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH PGS TS Dương Hoài Nghĩa GVC TS Nguyễn Đức Thành LỜI CÁM ƠN Đầu tiên xin chân thành tri ân đến tất quý thầy cô thuộc môn Điều Khiển Tự Động, khoa Điện-Điện Tử, Trường đại học Bách Khoa Tp HCM nhiệt tình trang bị kiến thức quý báu phương pháp nghiên cứu giúp đỡ tơi q trình học tập để hồn thành luận văn Song song tơi xin gửi lời cảm ơn đến tất bạn học viên cao học K2008 giúp đỡ chia khó khăn học tập thời gian thực luận văn Đặc biệt, xin chân thành tri ân sâu sắc đến thầy PGS.TS Dương Hồi Nghĩa (Phó trưởng khoa Điện - Điện tử trường đại học Bách Khoa Tp.HCM) tận tình hướng dẫn, quan tâm suốt q trình làm luận văn Cuối tơi biết ơn sâu sắc đến tất người thân gia đình tơi, khơng ngừng động viên q trình học tập, thông cảm giúp đỡ sống để tơi an tâm q trình học tập nghiên cứu trường đại học Bách Khoa Tp HCM Học viên PHẠM XUÂN HIỂN TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Hệ thống nhúng ngày ứng dụng nhiều lĩnh vực điều khiển, đặc biệt việc nhúng giải thuật điều khiển đại như: mờ, mạng thần kinh nhân tạo, giải thuật di truyền , để tạo nên điều khiển hoạt động độc lập mang lại hiệu cao Các vi điều khiển có tốc độ ngày cao, nhớ lớn, có nhiều ngoại vi tính mạnh mẽ Các chip vi điều khiển thời gian thực (32 bits - Real Time MCU) DSP Texas Instrument có khả xử lý dấu chấm động, giúp cải thiện khả tính tốn số thực Cùng với hỗ trợ Matlab, Simulink sử dụng làm môi trường lập trình để xây dựng điều khiển trượt điều khiển chiếu kết hợp mạng thần kinh nhân tạo Sau đó, nhúng giải thuật vào vi điều khiển TMS320F28335 để điều khiển đối tượng hệ lắc ngược quay giữ lắc vị trí cân Dựa vào kết mô phỏng, so sánh hai điều khiển với điều khiển tuyến tính cho thấy cải thiện đáng kể chất lượng điều khiển sử dụng giải thuật điều khiển Các mặt trượt sử dụng điều khiển trượt làm giảm độ vọt lố, thời gian xác lập sai số xác lập cải thiện đáng kể Khâu bù tham chiếu sử dụng mạng nơron truyền thẳng đóng vai trị điều tiết hoạt động hệ lắc ngược quay, vừa điều khiển giữ lắc vị trí cân vừa điều khiển vị trí cánh tay lắc Các thơng số mạng thần kinh nhân tạo cập nhật online suốt trình huấn luyện giúp ổn định hệ thống ln trì Kết điều khiển thực trình bày minh chứng cho ưu điểm bật điều khiển ABSTRACT Today, the linearization control methods is used widely in automatic control field, especially embedding the modern control algorithms such as: fuzzy logic, neural networks, genetic algorithm… to create controllers that can operate seperately with the high quality performance Furthermore, speed of microcontrollers is higher, memory is larger TI Real Time Microcontrollers and DSPs have the floating point unit supporting for real number calculation, decreasing the calculating time With the support of Matlab, Simulink was used as programming environment to build two controllers: sliding mode controller and back stepping neuron network controller TMS320F28335 was used as executing environment to embed algorithms and control the operation of rotary inverted pendulum auto balancing Basing on simulation results, comparison two controllers mentioned above with the linear controller methods, there’s an improvement about the performance when using the new algorithms The sliding surfaces, mentioned in sliding mode controller, make the percent of overshoot decreases, the settling time and the error also decrease Reference compensation technique using neural networks plays the role regulating operation of rotary inverted pendulum: balancing and arm position The parameters of neural networks is updated online in each sampling cycle, to maintain the stable of rotaty inverted pendulum system The results of experiment control showed the highlights advantages of two new algorithms MỤC LỤC Trang Tóm tắt luận văn CHƯƠNG I - TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu tổng quan 1.2 Giới thiệu luận văn 1.2.1 Đối tượng điều khiển 1.2.2 Mục tiêu nghiên cứu 1.2.3 Phương pháp thực 1.3 Cấu trúc luận văn CHƯƠNG II - ĐẶC TÍNH ĐỘNG HỌC HỆ CON LẮC NGƯỢC QUAY 2.1 Giới thiệu hệ thống lắc ngược quay 2.2 Khảo sát đối tượng lắc ngược quay 2.2.1 Thiết lập toạ độ chuyển động 2.2.2 Các thông số toán học hệ lắc ngược quay 2.2.3 Đặc điểm động DC 2.3 Phương trình động học hệ lắc ngược quay 2.4 Tuyến tính hố mơ hình phi tuyến 13 2.5 Khảo sát ảnh hưởng đặc tính phi tuyến 17 2.6 Khảo sát ảnh hưởng nhiễu lên hệ thống 20 CHƯƠNG III - CƠ SỞ LÝ THUYẾT 23 3.1 Đặt vấn đề 23 3.2 Lý thuyết điều khiển trượt 23 3.2.1 Giới thiệu lý thuyết điều khiển trượt 23 3.2.2 Phương pháp thiết kế điều khiển trượt 25 3.2.3 Sự tồn nghiệm vịng kín 27 3.2.4 Định lý : Sự tồn chế độ trượt 28 3.2.5 Định lý 28 3.2.6 Định lý : Chuyển động trượt 29 3.3 Lý thuyết điều khiển chiếu 30 3.1.1 Giới thiệu lý thuyết điều khiển chiếu 30 3.2.2 Phương pháp thiết kế điều khiển chiếu 30 3.4 Lý thuyết mạng thần kinh nhân tạo 32 3.4.1 Giới thiệu lý thuyết mạng thần kinh nhân tạo 32 3.4.2 Tế bào thần kinh 33 3.4.3 Phân loại mạng thần kinh nhân tạo 36 3.4.4 Các phương pháp huấn luyện mạng thần kinh nhân tạo 37 3.4.5 Mạng truyền thẳng lớp 40 3.4.6 Mạng truyền thẳng nhiều lớp 48 CHƯƠNG IV - GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN HỆ CON LẮC NGƯỢC QUAY 56 4.1 Đặt vấn đề 56 4.2 Giải thuật điều khiển swing-up 56 4.3 Giải thuật điều khiển trượt 57 4.3.1 Xây dựng giải thuật điều khiển trượt 57 4.3.2 Kết mô giải thuật điều khiển trượt 62 4.3.3 Kết mô giải thuật điều khiển trượt kết hợp mạng nơron 73 4.4 Giải thuật điều khiển chiếu 76 4.4.1 Xây dựng giải thuật điều khiển chiếu 76 4.4.2 Kết mô giải thuật điều khiển chiếu 81 4.5 Giải thuật điều khiển chiếu kết hợp mạng nơron truyền thẳng 85 4.6 So sánh kết mô điều khiển phi tuyến tuyến tính 95 CHƯƠNG V - THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN NHÚNG VÀ KẾT QUẢ CHẠY TRÊN MƠ HÌNH THỰC 5.1 Đặt vấn đề 99 5.2 Thiết kế hệ thống lắc ngược quay 99 5.2.1 Mơ hình khí 99 5.2.2 Mạch điều khiển 101 5.3 Bộ điều khiển nhúng hệ lắc ngược quay 103 5.3.1 Giới thiệu điều khiển nhúng 103 5.3.2 Bộ điều khiển trượt nhúng 105 5.3.3 Bô điều khiển chiếu kết hợp mạng nơron 107 5.4 Nhận xét 110 CHƯƠNG VI - KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 111 6.1 Kết đạt 111 6.2 Một số hạn chế 113 6.3 Hướng phát triển 113 Phụ lục 115 Tài liệu tham khảo 122 Trang CHƢƠNG I TỔNG QUAN 1.1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN : Trong lĩnh vực điều khiển, phương pháp phân tích tổng hợp hệ thống sở lý thuyết điều khiển ngày mở rộng theo hướng đưa người đến gần ứng dụng Đó cầu nối lý thuyết ứng dụng thực tiễn Chính thế, 15 năm gần đây, điều khiển phi tuyến có bước nhảy vọt chất lượng, lý thuyết lẫn ứng dụng Bên cạnh phát triển chất lượng trên, trường phái điều khiển phi tuyến kinh điển bổ sung thêm nhiều kỹ thuật thiết kế hữu ích kỹ thuật gain-scheduling, đa tạp trung tâm (center manifold), kỹ thuật chiếu (Backstepping Technique), điều khiển trượt (Sliding Mode Control-SMC)… Không thế, điều khiến phi tuyến ứng dụng thành công cho lớp đối tượng phi tuyến có tính chất động học đặc biệt hệ thụ động, hệ hồi tiếp chặt tham số, hệ tiêu tán … Các lý thuyết điều khiển phi tuyến đưa vào giảng dạy bậc đại học cao học ngành Điều Khiển Tự Động, trường Đại Học Bách Khoa Tp HCM từ tảng kiến thức có nhiều luận văn, luận án nghiên cứu ứng dụng Có thể kể đến vài cơng trình : điều khiển nhiệt độ, điều khiển acrobot, điều khiển hệ cần cẩu, điều khiển máy bay trực thăng, hệ lắc ngược quay … Trong hệ thống lắc ngược quay đối tượng phi tuyến đặc trưng sử dụng rộng rãi việc giảng dạy nghiên cứu Với tính chất phi tuyến cao, việc áp dụng thành công lý thuyết điều khiển phi tuyến để điều khiển hệ thống lắc ngược thực tế xem minh chứng cụ thể việc thiết kế điều khiển Trong luận văn, thiết kế khí, mạch điều khiển, phần mềm điều khiển, phương pháp điều khiển bao gồm phương pháp điều khiển trượt (Sliding Mode Control) điều khiển chiếu (Back Stepping Control) đề nghị phương pháp điều khiển phi tuyến áp dụng cho đối tượng Ngoài ra, mạng neuron áp dụng với khả tự Luận văn Thạc sĩ Trang 110 Kết điều khiển hệ thống thực sử dụng điều khiển chiếu kết hợp mạng nơron: Hình 5.24 - Đáp ứng  hệ thống thực Hình 5.22 - Đáp ứng  hệ thống thực  Nhận xét: - Qua kết chạy mơ hình thực, ta thấy điều khiển chiếu kết hợp mạng nơron truyền thẳng cho đáp ứng   tốt so với trường hợp sử dụng điều khiển chiếu đơn Luận văn Thạc sĩ Trang 111 CHƯƠNG VI KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 Kết đạt được: Với đề tài nghiên cứu trên, tác giả hoàn thành số kết sau: Trong hai chương đầu luận văn, tác giả giới thiệu mơ hình toán đối tượng lắc ngược quay đem lại nhìn tổng quan đối tượng, nắm đặc tính động lực học đối tượng này, mục tiêu trình điều khiển: ổn định lắc vị trí cân hướng lên Mơ hình phi tuyến hệ lắc ngược xây dựng Matlab Simulink, bên cạnh việc khảo sát ảnh hưởng nhiễu tác động lên hệ thống mô phỏng, giúp lựa chọn công suất nhiễu phù hợp mô đối tượng lắc ngược Kết mô cho thấy đáp ứng tốt hệ thống giải thuật điều khiển khác Tác giả sử dụng ba giải thuật điều khiển để điều khiển đối tượng lắc ngược: điều khiển trượt, điều khiển chiếu, điều khiển chiếu kết hợp mạng nơron Phương pháp điều khiển trượt có ưu điểm cân mục tiêu điều khiển Phương pháp điều khiển chiếu có ưu điểm cải thiện chất lượng điều khiển Phương pháp điều khiển chiếu kết hợp mạng nơron truyền thẳng áp dụng để giảm sai số xác lập điều kiện thay đổi thông số khác Ngồi phương pháp điều khiển tuyến tính khảo sát Dựa vào kết mô so sánh giải thuật điều khiển tuyến tính: LQR, PID giải thuật điều khiển phi tuyến: điều khiển chiếu điều khiển trượt, cho thấy: Hai kiểu giải thuật điều khiển có cách tiếp cận giống phương pháp LQR, PID xây dựng sở tuyến tính hóa hệ thống điểm làm việc, mà hệ lắc ngược đối tượng có tính phi tuyến cao, mà sử dụng phương pháp điều khiển trượt điều khiển chiếu chất lượng điều khiển cải thiện đột vọt lố thời gian xác lập Tham khảo kết lý thuyết nghiên cứu giới hệ lắc ngược, tác giả hoàn thành việc xây dựng điều khiển nhúng cho đối tượng dựa Luận văn Thạc sĩ Trang 112 hai thuật toán: điều khiển trượt điều khiển chiếu So với trước đây, để điều khiển đối tượng thường hay sử dụng vi điều khiển như: 8051, AVR, PIC… nhiên dịng vi điều khiển thơng dụng nhúng giải thuật điều khiển đơn giản, khơng địi hỏi tốc độ tính tốn cao, khối lượng nhớ lớn Và gặp tốn có độ phức tạp lớn hơn, cần trợ giúp máy tính, loại card điều khiển chuyên dụng với giá thành cao Và bên cạnh đó, mơi trường lập trình đóng vai trị quan trọng, loại vi điều khiển khác việc lập trình giải thuật điều khiển sử dụng ngôn ngữ lập trình C khơng phải vấn đề đơn giản, thuật tốn địi hỏi khối lượng tính tốn lớn như: điều khiển trượt hay chiếu Câu trả lời cho việc nhúng giải thuật vào vi điều khiển, hoạt động độc lập, với tốc độ tính tốn nhanh, khối lượng nhớ lớn, quan trọng mơi trường lập trình trực quan, thân thiện dịng vi điều khiển C2000 Texas Instrument Các điều khiển thực mơi trường lập trình Matlab Simulink, sau nhờ vào RealTime Workshop chương trình chuyển sang ngơn ngữ C đưa vào môi trường biên dịch Code Composer tạo mã thực thi chạy TMS320F28335 Đây là hướng giải cho việc nhúng giải thuật điều khiển, đặc biệt giải thuật điều khiển thơng minh, địi hỏi khối lượng tính tốn lớn, với tốc độ cao Ngồi hàm hỗ trợ sẵn Matlab, người sử dụng tự xây dựng khối hàm riêng dựa cở sở Embedded Matlab Function, C S-Function dành cho vi điều khiển Bên cạnh kết mô đạt được, để điều chỉnh hệ số học, thông số điều khiển, thu thập vẽ liệu hình máy tính, điều khiển hoạt động hệ lắc ngược, tác giả xây dựng phần mềm điều khiển Với kết mô phong phú, kết điều khiển thực tốt, chứng tỏ hai điều khiển thực cho đối tượng lắc ngược quay tác giả thực đáp ứng mục tiêu thiết kế đề Như vậy, đến tác giả hoàn thành nhiệm vụ giao luận văn Tuy nhiên trình thực luận văn, thời gian có giới hạn nên kết gặp số hạn chế Luận văn Thạc sĩ Trang 113 6.2 Một số hạn chế: Khi sử dụng Real – Time Workshop Matlab, mã chương trình tạo ngơn ngữ C chưa phải mã tối ưu, làm thời gian lấy mẫu trình điều khiển bị ảnh hưởng, làm giảm chất lượng điều khiển hệ lắc ngược quay Để khắc phục khuyết điểm hạn chế trên, tác giả đưa hướng phát triển cho nhà nghiên cứu tiếp theo, ứng dụng nhiều lĩnh vực điều khiển tự động Việt Nam 6.3 Hướng phát triển: Mơ hình lắc ngược sử dụng động DC servo 24V, tốc độ khơng tải động 3000 vịng/phút, để giảm độ rung hệ thống sử dụng động có tốc độ nhỏ hơn, lắp thêm hộp số Như đề cập phần trước, cách thực điều khiển nhúng sử dụng đề tài, mở hướng ứng dụng kết hợp Matlab Simulink vi điều khiển, dòng vi điều khiển C2000 TI cần xây dựng thêm thư viện chuyên biệt điều khiển, tối ưu hóa mã ngơn ngữ C thời gian thực thi như: thư viện điều khiển thích nghi, thư viện điều khiển mờ, mạng thần kinh nhân tạo Bên cạnh đó, vi điều khiển chưa có hỗ trợ Matlab Simulink, ứng nhiều PIC Microchip, AVR Atmel…cần xây dựng thư viện liên kết phần cứng, để sử dụng Matlab Simulink môi trường lập trình, tận dụng hỗ trợ Matlab khả tính tốn, xử lý số học Trong luận văn, điều khiển trượt giúp cho hệ thống làm việc tin cậy, ổn định sai số xác lập giảm, nhiên, thực tế có nhiều yếu tố tác động lên hệ thống chưa mô hình hóa, thơng số chưa xác như: độ rơ chi tiết khí, ma sát cấu truyền động …, để giải điều giải thuật điều khiển trượt thay điều khiển trượt thích nghi sử dụng khâu mờ hay mạng thần kinh nhân tạo, để nhận dạng thành phần chưa mơ hình hóa, sai số ảnh hưởng lên hệ thống, giúp cho hệ thống đáp ứng thay đổi tác động mơi trường bên ngồi Luận văn Thạc sĩ Trang 114 Với hướng phát triển đề nghị, tác giả mong rằng, kết đạt đề tài sử dụng làm tiền đề cho nghiên cứu sâu lĩnh vực điều khiển tự động hố nói chung, hệ lắc ngược quay nói riêng, ứng dụng hệ thống nhúng vào điều khiển, hỗ trợ xây dựng thuật toán điều khiển đa dạng, phức tạp Luận văn Thạc sĩ Trang 115 PHỤ LỤC A Thiết kế điều khiển PID: Thông số KP, KI ,KD phương trình PID số thường đươc chọn sở xác định mô hình tốn học đối tượng u cầu tốn thiết kế Trong trường hợp mơ hình tốn học đối tượng không xác định Các thông số điều khiển xác định theo phương pháp thực nghiệm Các phương pháp điều khiển PID số: A.1 Phương pháp Ziegler-Nichols: Zieger - Nichols đưa phương pháp xác định thông số tối ưu PID từ đáp ứng độ đối tượng (phương pháp Zieger-Nichols thứ nhất) từ đáp ứng độ hệ thống kín (phương pháp Zieger-Nichols thứ hai)  Phương pháp Zeigler - Nichols thứ nhất: Ziegler - Nichols đưa phương pháp xác định thông số tối ưu PID dựa đồ thị hàm độ đối tượng dựa giá trị tới hạn thu qua thực nghiệm Sử dụng hàm độ đối tượng : Phương pháp có tên phương pháp thứ Ziegler - Nichols Nó có nhiệm vụ xác định thơng số Kp, TN, TV cho điều khiển P, PI PID sở dối tượng mơ tả xấp xỉ hàm truyền đạt dạng : cho hệ thống nhanh chóng trạng thái xác lập độ vọt lố δmax không vượt giới hạn cho phép, khoảng 40% so với Ba tham số Tt (thời gian trễ), K (hệ số khuếch đại) T (hằng số thời gian qn tính) mơ hình xấp xỉ xác định gần từ đồ thị hàm độ h(t) đối tượng Nếu đối tượng có dạng (hình 3.1) mơ tả từ đồ thị hàm h(t) ta xác định được: Luận văn Thạc sĩ Trang 116  Tt khoảng thời gian tín hiệu h(t) chưa có phản ứng với tín hiệu kích thích đầu vào  Gọi A điểm kết thúc khoảng thời gian trễ, tức điểm trục hồnh có hồnh độ Tt Khi T khoảng cần thiết sau T t để tiếp tuyến h(t) A đạt giá trị K Hình A.1 Xác định tham số cho mơ hình xấp xỉ bậc có trễ Trường hợp hàm q độ h(t) khơng có dạng lý tưởng hình 3.1a, có dạng gần giống hình chữ S khâu quán tính bậc bậc n mơ tả hình 3.1b ba tham số K, Tt, T xác định xấp xỉ sau:  K giá trị giới hạn h( )  Kẻ đường tiếp tuyến h(t) điểm uốn Khi T t hồnh độ giao điểm tiếp tuyến với trục hoành T khoảng thời gian cần thiết để dường tiếp tuyến từ giá trị tới giá trị K Như ta thấy điều kiện để áp dụng phương pháp xấp xỉ mơ hình bậc có trễ đối tượng đối tượng phải ổn định, giao động hàm q độ phải có dạng hình chữ S Sau có tham số cho mơ hình xấp xỉ đối tượng ta chọn thông số điều khiển theo bảng sau: Bộ điều khiển Kp P TN TV - - PI - PID 2Tt Bảng A.1 Tính tốn thơng số điều khiển Luận văn Thạc sĩ 0.5Tt Trang 117 Từ suy ra: Hệ số tích phân: Hệ số vi phân: KD=KP.TV TN: thời gian dự trễ TV: thời gian vượt sớm  Phương pháp Zeigler - Nichols thứ hai: Sử dụng giá trị tới hạn thu từ thực nghiệm: Trong trường hợp khơng thể xây dựng phương pháp mơ hình cho đối tượng phương pháp thiết kế thích hợp phương pháp thực nghiệm Thực nghiệm tiến hành hệ thống đảm bảo điều kiện: đưa trạng thái làm việc hệ thống đến biên giới ổn định giá trị tín hiệu hệ thống phải nằm giới hạn cho phép Điều đặc biệt phương pháp không sử dụng mô hình tốn học đối tượng điều khiển, mơ hình xấp xỉ gần Các bước tiến hành sau: Trước tiên, sử dụng P lắp vào hệ kín (hoặc dùng PID chỉnh thành phần KI KD giá trị 0) Khởi động trình với hệ số khuếch đại KP thấp, sau tăng dần KP tới giá trị tới hạn KPcrit để hệ kín chế độ giới hạn ổn định, tức tín hiệu h(t) có dạng dao động điều hịa Xác định chu kì tới hạn dao động Hình A.2 Xác định chế độ khuyếch đại tới hạn Luận văn Thạc sĩ Trang 118 Xác định thông số điều khiển theo bảng sau: Bảng A.2 Thông số điều khiển theo thực nghiệm A.2 Phương pháp Takahashi: Takahashi có phương pháp tương tự phương pháp Ziegler-Nichols,Takahashi đưa phương pháp xác định thông số KP, KI ,KD PID số từ đồ thị hàm độ đối tượng có dạng chữ S sau: Hình A.3 Đồ thị đáp ứng phương pháp Takahashi Nếu thời gian lấy mẫu : T 2Tu dựa vào đồ thị tham số Kp, Ki, Kd PID số xác định bảng sau: Bảng A.3 Thông số điều khiển theo phương pháp Takahashi Luận văn Thạc sĩ Trang 119 Trong : KD=KP.TD KI=KP/TI A.3 Sơ đồ simulink điều khiển PID : - Bộ điều khiển gồm PID sử dụng để điều khiển vị trí : Hình A.4 Bộ điều khiển PID hệ lắc ngược quay Hình A.5 Mơ hình tốn tuyến tính hệ lắc ngược quay Luận văn Thạc sĩ Trang 120 B Thiết kế điều khiển LQR : Bộ điều khiển LQR điều khiển dựa vào tuyến tính hố hệ thống xung quanh điểm cân dùng phương pháp điều khiển hệ tuyến tính Ta có phương trình trạng thái tuyến tính hệ lắc ngược quay sau : Chọn : Q=[1e7 0 0;0 0 0;0 1e8 0; 0 0]; R=[0.01] Dùng hàm MATLAB, ta giải ma trận hồi tiếp trạng thái : K=[ -0.032 -6.8059 1.0009e5 526.2046]  Sơ đồ simulink điều khiển LQR : Hình B.1 Bộ điều khiển LQR hệ lắc ngược quay Luận văn Thạc sĩ Trang 121 C Thiết kế phần cứng hệ thống lắc ngược quay: C.1 Kết cấu khí: Tính tốn thơng số m1, l1 Hình B.2 Kích thước lắc Khối lượng lắc : mql=32g Khối lượng tay đòn : Khối lượng lắc : m1=mql+mtd=32+36=68g Chiều dài lắc : m1l1=mqllql+mtđltđ Luận văn Thạc sĩ Trang 121 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Mojtaba Ahmadieh Khanesar (2007), "Sliding Mode Control of Rotary Inverted Pendulum", Member, IEEE, Mohammad Teshnehlab, Mahdi Aliyari Shoorehdeli, K.N Toosi University of Technology, Iran [2] Mahsa Rahmanian, Mahdi Aliyari Shoorehdeli and Mohammad Teshnehlab (2007), "The Offline and On-line Fuzzy Backstepping Controller for Rotary Inverted Pendulum System", Computer Department, Sciense & Research Branch, Islamic Azad University, Iran [3] Tan Kok Chye and Teo Chun Sang (1998/99), "Rotary Inverted Pendulum", Nanyang Technological University [4] Zhongmin Wang, YangQuan Chen and Ning Fang (2004), "Minimum - Time Swing-up of a Rotary Inverted Pendulum by Iterative Impulse Control", Electrical and Computer Engineering Utah State University, USA [5] Huỳnh Thái Hoàng (2006), "Hệ Thống Điều Khiển Thơng Minh" [6] Dương Hồi Nghĩa (2007), "Hệ Thống Điều Khiển Phi Tuyến" [7] M.B Arnolds (2003), "Identification and control of the Rotary Inverted Pendulum", University of Melbourne, Australia [8] P Melba Mary and N S Marimuthu (2009), "Minimum Time Swing up And Stabilization of Rotary Inverted Pendulum using Pulse Step Control", Iranian Journal of Fuzzy System [9] Liu Bo, He Hai-Bo and Chen Sheng (2010), "Adaptive Dual Network Design for a Class of SIMO systems with Nonlinear Time-variant Uncertainties", www.sciencedirect.com [10] Kevin Craig and Shorya Awtar, "Inverted Pendulum Systems : rotary and arm-driven a mechatronic system design case study", Department of Mechanical Engineering, Troy, USA [11] RTW (1998) Real-Time Workshop, User’s Guide The Mathworks Inc Version 2.2 [12] Mou Chen, Changsheng Jiang and Qingxian Wu (2006), "Backstepping Control for a Class of Uncertain Nonlinear System with Neural Network", International Journal of Nonlinear Science [13] Jiri Mertl, Jaroslav Sobota and Pavel Balda, "Swing-up and stabilization of rotary inverted pendulum", University of West Bohmemia, Czech Republic Luận văn Thạc Sĩ Trang 122 [14] Ching Long Shih and Jiun Yaw Wang, "Swing Up and Balancing Control of a Rotational Inverted Pendulum by State Feedback", National Taiwan University [15] Sooyong Jung and John T Wen, "Nonlinear Model Predictive Control for the Swing up of a Rotary Inverted Pendulum" [16] Simulink (1998) SIMULINK, Using Simulink The MathWorks Inc Version 2.2 [17] Mr James Driver and Mr Dylan Thorpe, "Design, Build and Control of a single Rotational Inverted Pendulum", Adelaide University, Australia [18] Xiumin Diao (2006), "Rotary Inverted Pendulum", New Mexico State University [19] Govert Monsees, "Discrete Time Sliding Mode Control" [20] Sachit Rao, Heide Brandtstadter, Martin Buss and Vadim Utkin, "Sliding Mode Control in Mechanical Systems with Electric Actuators" [21] Wilfrid Perruquetti (2002), "Sliding Mode Control in Engineering" [22] Paul G Grossimon, Enrique Barbieri and Sergey Drakunov, "Sliding Mode Control of an Inverted Pendulum", Tulane University [23] M.R Hamers (2004), "Revitalizing the Furuta Pendulum", University of Technology Eindhoven [24] Matlab Simulink User’s Guide: “Embedded TMS320C2000™ DSP Platform” – Version – 2003 Target for the TI [25] Mazwani Binti Husin (2010), "Modelling and controller design for rotary inverted pendulum system", Faculty of Electrical Engineering University Technology, Malaysia [26] Heide Brandtstadter, "Sliding Mode Control of Electromechanical Systems", Technische Munchen University Luận văn Thạc Sĩ LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: Phạm Xuân Hiển Ngày sinh: 04/07/1981 Nơi sinh: Tp Hồ Chí Minh Địa liên lạc: 130/37 Hồng Lạc, P.11, Q Tân Bình, TPHCM Địa e-mail: hienpx@gmail.com  Quá trình đào tạo: - 2001 - 2005: Sinh viên ngành Cơ Điện tử – Khoa Cơ Khí – Trường Đại học Bách Khoa TpHCM Tốt nghiệp Kỹ sư – Ngành: Cơ Điện Tử - 2005: - 2008 - 2010: Học viên Cao học Trường Đại học Bách Khoa TpHCM  Quá trình cơng tác: - 2005: Kỹ sư thiết kế khn mẫu cơng ty Pattern VN - 2007: Trưởng phịng thiết kế cơng ty Hồng Qn - 2008: Trợ giảng môn Vật Lý - Điện Tử khoa Vật Lý Kỹ Thuật, trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên Tp HCM ... TÀI: BỘ ĐIỀU KHIỂN NHÚNG CHO HỆ CON LẮC NGƯỢC QUAY 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: • Mơ hình hóa hệ thống lắc ngược quay • Mô hệ thống lắc ngược quay dùng Matlab/Simulink sử dụng giải thuật: điều khiển. .. HỌC CỦA HỆ CON LẮC NGƢỢC QUAY 2.1 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG CON LẮC NGƢỢC QUAY: Hình 2.1 Hệ thống lắc ngược quay Hệ thống lắc ngược quay gồm hai phần : cánh tay quay gắn vào động DC Servo lắc quay gắn... thể kể đến vài cơng trình : điều khiển nhiệt độ, điều khiển acrobot, điều khiển hệ cần cẩu, điều khiển máy bay trực thăng, hệ lắc ngược quay … Trong hệ thống lắc ngược quay đối tượng phi tuyến đặc