Điều khiển phi tuyến hệ thống ball plate

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM - PHẠM NGỌC SƠN ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN HỆ THỐNG BALL PLATE LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ Mã số ngành: 60 52 01 14 TP HỒ CHÍ MINH, tháng 05 năm 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM - PHẠM NGỌC SƠN ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN HỆ THỐNG BALL PLATE LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ Mã số ngành: 60 52 01 14 HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN VIỄN QUỐC TP HỒ CHÍ MINH, tháng 05 năm 2014 CƠNG TRÌNH ĐƢỢC HỒN THÀNH TẠI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ TP HCM Cán hướng dẫn khoa học : TS NGUYỄN VIỄN QUỐC (ghi rõ họ tên, học hàm, học vị chữ ký) TS NGUYỄN VIỄN QUỐC Luận văn Thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Công nghệ TP HCM ngày 10 tháng 05 năm 2014 Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: TT Họ tên TS Nguyễn Thanh Phương TS Võ Hoàng Duy PGS TS Nguyễn Tấn Tiến TS Nguyễn Hùng TS Võ Đình Tùng Chức danh Hội đồng Chủ tịch Phản biện Phản biện Ủy viên Ủy viên, Thư ký Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau Luận văn sửa chữa (nếu có) Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV TRƢỜNG ĐH CƠNG NGHỆ TP HCM PHỊNG QLKH - ĐTSĐH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc TP HCM, ngày tháng năm 2013 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: PHẠM NGỌC SƠN Ngày, tháng, năm sinh: Chuyên ngành: 10.08.1968 KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ Giới tính: NAM Nơi sinh: TIỀN GIANG MSHV: 1241840015 I- TÊN ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN HỆ THỐNG BALL PLATE II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: II.1 NHIỆM VỤ CỦA LUẬN VĂN  Xây dựng mơ hình tốn cho hệ thống bóng - đĩa  Xây dựng luật điều khiển giúp hệ thống ổn định điểm cân chuyển động theo quỹ đạo xác định trước  Đánh giá kết mơ phỏng, từ rút nhận xét thuật toán xác định thuật tốn tối ưu cho mơ hình II.2 NỘI DUNG LUẬN VĂN Chƣơng 1: Giới thiệu tổng quan Chương nhằm giới thiệu mục tiêu nghiên cứu đề tài, xác định giải thuật điều khiển, xác định điều khiển xây dựng mơ hình thực Chƣơng 2: Xây dựng phương trình trạng thái cho hệ thống bóng đĩa Chương nhằm xây dựng phương trình trạng thái cho hệ thống sở động lực học phương trình Euler_Lagrange Chƣơng 3: Thiết kế xây dựng thuật tốn điều khiển cho hệ thống bóng đĩa Chương giới thiệu sơ lý thuyết bước xây dựng giải thuật điều khiển LQR, Backstepping cho hệ thống bóng đĩa Từ thơng số mơ hình thành lập phương trình điều khiển cho hệ thống Bên cạnh đó, chương xây dựng sơ đồ mơ cho hệ thống, trình bày kết mơ hệ thống với điều khiển LQR Backstepping từ so sánh kết chọn điều khiển tối ưu cho hệ thống Chƣơng 4: Kết luận hướng phát triển đề tài Phân tích, đánh giá kết thực hiện, khẳng định tính ưu việt phương pháp lựa chọn cho mô hình Rút vấn đề chưa thực luận văn đề xuất hướng phát triển đề tài III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 12/06/2013 IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 29/03/2014 V- CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: TS NGUYỄN VIỄN QUỐC CÁN BỘ HƢỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) TS NGUYỄN VIỄN QUỐC KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tôi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực luận văn cảm ơn thơng tin trích dẫn luận văn rõ nguồn gốc Học viên thực luận văn Phạm Ngọc Sơn ii LỜI CẢM ƠN Để hồn thành luận văn này, tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối TS Nguyễn Viễn Quốc hết lòng, tận tâm hướng dẫn cung cấp cho tài liệu vô quý giá trình thực luận văn Xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Thanh Phương tập thể Thầy, Cô giáo giảng dạy, truyền đạt tri thức giúp học tập nghiên cứu q trình học cao học trường Đại Học Cơng Nghệ TP.HCM Xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu, Phòng quản lý khoa học - Đào tạo sau đại học khoa Cơ – Điện – Điện tử Trường Đại Học Công Nghệ TP.HCM giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tơi q trình học tập làm luận văn cao học trường Xin chân thành cảm ơn anh, chị, em đồng nghiệp; anh, chị học viên cao học ngành “ Kỹ thuật Cơ điện tử” khóa 2012 đóng góp ý kiến cho tơi q trình thực luận văn Sau xin dành lời biết ơn sâu sắc cho gia đình mình, hết lịng ủng hộ vật chất lẫn tinh thần suốt thời gian học thực luận văn Tp.Hồ Chí Minh, tháng 05.2014 Người thực Phạm Ngọc Sơn iii TÓM TẮT Ngày việc điều khiển đối tượng phi tuyến lĩnh vực điều khiển tự động giải dễ dàng nhiều nhờ thuật toán điều khiển điều khiển PID, điều khiển mờ, điều khiển trượt, điều khiển Backstepping… Đề tài “ điều khiển hệ thống bóng đĩa” mà học viên thực luận văn thiết kế điều khiển LQR (Linear Quadratic Regulator) & điều khiển backstepping (Backstepping Control) cho hệ thống dựa theo tiêu chuẩn ổn định Lyapunov mô simulink để kiểm tra kết Với ý tưởng học viên làm việc sau đây:  Xây dựng mô hình tốn hệ thống bóng đĩa  Xây dựng luật điều khiển LQR, Backstepping ứng dụng vào mô hình giúp hệ thống ổn định điểm cân chuyển động theo quỹ đạo xác định trước  Đánh giá kết thơng qua mơ phỏng, từ rút nhận xét thuật toán xác định thuật tốn tối ưu cho mơ hình Kết mơ cho hệ thống bóng đĩa sử dụng điều khiển Backstepping cho thấy hệ thống ổn định tín hiệu đặt tín hiệu bám sát tín hiệu đặt Như điều khiển Backtepping đáp ứng tốt hệ thống phi tuyến Bộ điều khiển Backtepping cho thấy tối ưu điều khiển tuyến tính hóa LQR iv ABSTRACT Nowadays, an nonlinear object control in the automatic control field will be solved easier because it uses simple control algorithms such as PID, fuzzy, sliding, Backstepping In this thesis “the ball on disk control system” is present The Linear Quadratic control and Backstepping control are used to control the system The stability of the system is guarauled by the Lyapunov.The effectiveness of the system is shown by the simulation With that ideas, the author made contents follow:  To build mathematical model of ball on dish system  To build laws LQR control and backstepping control After that, it will be applied on the model to system stabilize at balance point and move in a predetermined trajectory  To evaluate results by simulating from that, to comment on the algorithms and to determine optimal algorithms for the model The results simulation of Controlling ball on dish system by Backstepping controller shows that: this system is stable at predetermined signal and out signal follows closely that predetermined signal So the Backtepping Controller is very stable for this nonlinear system This Backtepping Controller is more optimal than LQR linear controller v MỤC LỤC trang Lời cam đoan……………………………………………………………… i Lời cảm ơn……………………………………………………………… ii Tóm tắt luận văn…………………………………………………………… .iii Abstract………………………………………………………………… iv Mục lục v Danh mục bảng biểu viii CHƢƠNG : GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu đề tài 1.2 Mục đích nghiên cứu 1.3 Tổng quan giải thuật 1.4 Xác định mục tiêu 1.5 Quy hoạch quỹ đạo 1.6 Các vấn đề liên quan đến đề tài 1.7 Các báo liên quan đến đề tài 1.8 Nhiệm vụ luận văn 1.9 Nội dung luận văn CHƢƠNG 2: XÂY DỰNG PHƢƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI CHO HỆ THỐNG BÓNG TRÊN ĐĨA 2.1 Giới thiệu ... việc điều khiển đối tượng phi tuyến lĩnh vực điều khiển tự động giải dễ dàng nhiều nhờ thuật toán điều khiển điều khiển PID, điều khiển mờ, điều khiển trượt, điều khiển Backstepping… Đề tài “ điều. .. (3-6) Phương pháp thiết kế điều khiển LQR áp dụng cho hệ thống tuyến tính, để thiết kế điều khiển LQR cho hệ thống cân bóng đĩa ta cần tuyến tính hóa hệ thống phi tuyến Hệ thống bóng đĩa cân vị trí... cho hệ thống bóng đĩa sử dụng điều khiển Backstepping cho thấy hệ thống ổn định tín hiệu đặt tín hiệu bám sát tín hiệu đặt Như điều khiển Backtepping đáp ứng tốt hệ thống phi tuyến Bộ điều khiển