Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật Cơ điện tử: Thiết kế và điều khiển hệ thống con lắc ngược quay - Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm Tp. Hồ Chí Minh

và các công sự của ông đã sử dụng các giải thuật PD để xác định vị trí và LQR để giữ vị trí cân bằng cho hệ thống con lắc ngược quay nhưng con lắc cân bằng chưa ổn định tuyệt đối do t[r]

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

-

NGUYỄN THỊ THÚY VÂN

THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN

HỆ THỐNG CON LẮC NGƯỢC QUAY

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành : KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ Mã số ngành: 60520114

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN HÙNG

CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

Hướng dẫn khoa học

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký)

Luận văn Thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Công nghệ TP HCM ngày 25 tháng 01 năm 2014

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ)

TT Họ tên Chức danh Hội đồng

1 TS Nguyễn Thanh Phương Chủ tịch PGS.TS Trần Thu Hà Phản biện

3 TS Võ Tường Quân Phản biện

4 TS Nguyễn Viễn Quốc Ủy viên

5 TS Nguyễn Duy Anh Ủy viên, Thư ký

Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau Luận văn sửa chữa (nếu có)

TRƯỜNG ĐH CƠNG NGHỆ TP HCM PHÒNG QLKH – ĐTSĐH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc

TP HCM, ngày 12 tháng 06 năm 2013

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Nguyễn Thị Thúy Vân Giới tính: Nữ

Ngày, tháng, năm sinh: 02.10.1977 Nơi sinh: Nam Định Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ Điện Tử MSHV: 1241840022

I- Tên đề tài:

Thiết kế điều khiển hệ thống lắc ngược quay II- Nhiệm vụ nội dung:

Thiết kế hệ thống lắc ngược quay

Sử dụng giải thuật điều khiển PID, LQR để điều khiển cân ổn định hệ thống, so sánh ổn định giải thuật

Mô Matlab/Simulink để kiểm chứng giải thuật thiết kế III- Ngày giao nhiệm vụ: 12.06.2013

IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 15.12.2013 V- Hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Hùng

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết 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 (Ký ghi rõ họ tên)

LỜI CÁM ƠN

Luận văn thực theo chương trình đào tạo thạc sĩ trường Đại học Cơng nghệ TP Hồ Chí Minh Học viên xin chân thành gửi lời tri ân sâu sắc tới quý thầy cơ, bạn bè gia đình

Đến TS Nguyễn Hùng tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, đơn đốc đóng góp ý kiến quý báu để học viên hồn thiện luận văn

Đến Q thầy Khoa Cơ – Điện – Điện tử Trường Đại học Cơng nghệ TP Hồ Chí Minh trang bị cho học viên kiến thức bổ ích

Đến Phịng Quản lý Khoa học & Đào tạo Sau đại học anh chị em bạn bè đồng nghiệp trường Đại học Cơng nghệ TP.HCM khích lệ động viên trình học tập thực luận văn

Đến bạn lớp cao học Cơ điện tử khóa 2012-2014

Đến gia đình người thân tạo điều kiện động viên suốt trình học, đặc biệt thời gian thực hiên luận văn

HỌC VIÊN

TÓM TẮT

ABSTRACT

MỤC LỤC

Lời cam đoan i

Lời cám ơn ii

Tóm tắt iii

Abstract iv

Mục lục v

Danh sách chữ viết tắt ký hiệu khoa học viii

Danh sách bảng x

Danh sách hình xi

CHƯƠNG TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan chung lĩnh vực nghiên cứu, kết nghiên cứu ngồi nước cơng bố

1.1.1 Tổng quan chung lĩnh vực nghiên cứu

1.1.2 Các nghiên cứu ngồi nước cơng bố

1.2 Mục tiêu đối tương nghiên cứu

1.3 Nhiệm vụ đề tài phạm vi nghiên cứu

1.4 Phương pháp nghiên cứu

1.5 Giới hạn luận văn

1.6 Kết cấu luận văn

CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Lý thuyết điều khiển tự động

2.1.1 Khái niệm

2.1.2 Các nguyên tắc điều khiển

2.2 Lý thuyết điều khiển PID

2.2.1 Cơ vòng điều khiển

2.2.2 Giới thiệu điều khiển PID 10

2.2.3 Điều khiển vòng lặp 17

2.3 Cơ sở kiến thức chung điều khiển tối ưu 21

2.3.2 Các bước giải phương trình tối ưu 22

2.4 Kết luận 24

CHƯƠNG MƠ HÌNH TOÁN HỌC 25

3.1 Giới thiệu hệ thống lắc ngược quay 25

3.2 Thiết lập mơ hình tốn học hệ thống lắc ngược quay 26

3.2.1 Động DC 26

3.2.2 Mơ hình hóa hệ thống lắc ngược quay 28

3.3 Tuyến tính hóa từ mơ hình tốn học 31

3.4 Kiểm tra mơ hình tốn học 37

3.5 Kết luận 39

CHƯƠNG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 40

4.1 Thiết kế điều khiển cân dùng phương pháp PID 41

4.1.1 Giả thiết 41

4.1.2 Mô điều khiển 42

4.2 Thiết kế điều khiển cân dùng phương pháp LQR 45

4.2.1 Giả thiết 45

4.2.2 Thiết kế dùng Matlab 45

4.2.3 Mô 45

4.3 Thiết kế điều khiển bất ổn định 49

4.3.1 Điều khiển vị trí cánh tay 49

4.3.2 Mơ 51

4.4 Điều khiển Swing-up 53

4.4.1 Giả thiết 53

4.4.2 Mô 53

4.5 Điều khiển Mode 55

4.5.1 Mục đích 55

4.5.2 Mơ 55

4.6 Kết hợp điều khiển PID Swing-up 57

4.6.1 Mô 57

4.6.2 Nhận xét 60

4.7 Kết hợp điều khiển LQR swing-up 61

4.7.1 Sơ đồ mô 61

4.7.2 Nhận xét 63

CHƯƠNG THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 64

5.1 Phần cứng 64

5.1.1 Board mạch 64

5.1.2 Mạch cơng suất 66

5.1.3 Mạch nguồn 69

5.1.4 Thiết bị đo vận tốc 71

5.2 Mô hình hồn chỉnh 72

5.3 Kết thực nghiệm 73

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 74

Kết đạt 74

Hạn chế 74

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

DC Dòng điện chiều PID Ổn định tỷ lệ

LQR Ổn định tuyến tính bậc

Ax Thành phần X lực tác động lên lắc điểm A Ay Thành phần Y lực tác động lên lắc điểm A

Α Vị trí lắc  Tốc độ lắc  Gia tốc lắc Beq Hệ số ma sát nhớt

G Gia tốc trọng trường

Im Dòng điện vào mạch phần ứng động DC

JB Là moment quán tính lắc quy trọng tâm

Jeq Là moment quán tính cánh tay lắc trục Jm Moment quán tính động DC

Kg Tỉ số truyền từ động qua tải Km Hằng số phản hồi

L ½ chiều dài lắc Lm Điện cảm phần ứng

M Khối lượng lăc R Bán kính quay cánh tay Rm Điện trở phần ứng

Tl Moment xoay tải Tm Moment xoay động

Vị trí góc cánh tay trục tải  Vộc tốc trục tải

 Gia tốc trục tải

m

Vm Điệm áp vào phần ứng

g

 Là hiệu suất truyền

B

x Vận tốc lắc trọng tâm theo hướng x

B

y Vận tốc lắc trọng tâm theo hướng y

B

x Gai tốc lắc trọng tâm theo hướng x

B

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Lựa chọn phương pháp điều chỉnh 19

Bảng 2.2 Tác động việc tăng thông số độc lập 20

Bảng 2.3 Thông số điều chỉnh phương pháp Ziegler-Nichols 20

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Mơ hình hệ thống lắc ngược quay .1

Hình 2.1 Mơ tả hệ thống điều khiển .6

Hình 2.2 Sơ đồ điều khiển bù nhiễu .7

Hình 2.3 Sơ đồ điều khiển cân sai lệch .7

Hình 2.4 Sơ đồ điều khiển phối hợp .7

Hình 2.5 Sơ đồ điều khiển thích nghi .8

Hình 2.6 Sơ đồ hệ thống điếu khiển PID .9

Hình 2.7 Sơ đồ khối khâu P 11

Hình 2.8 Đáp ứng khâu P .12

Hình 2.9 Sơ Đồ khối khâu I 12

Hình 2.10 Đáp ứng khâu I khâu PI .13

Hình 2.11 Sơ đồ khối khâu D 14

Hình 2.12 Đáp ứng khâu D khâu PD .14

Hình 2.13 Sơ đồ khối khâu PID 15

Hình 2.14 Đáp ứng khâu P, PI khâu PID .15

Hình 2.15 Sơ đồ khối khâu PID .16

Hình 2.16 Sơ đồ điều khiển phương pháp LQR .21

Hình 3.1 Mơ hình hệ thống lắc ngược quay .25

Hình 3.2 Sơ đồ mạch điện tương đương động DC .26

Hình 3.3 Cấu trúc hình học hệ lắc ngược quay .28

Hình 3.4 Sơ đồ phân tích lực hệ lắc quay .28

Hình 3.5 Mơ hình mơ điều kiện đầu .37

Hình 3.6 Sơ đồ mơ hệ thống phi tuyến .38

Hình 3.7 Đáp ứng lắc chưa có điều khiển 38

Hình 4.1 Sơ đồ mô điều khiển PID .42

Hình 4.2 Sơ đồ điều khiển lắc ngược quay .43

Hình 4.3 Mơ tín hiệu góc  43

Hình 4.4 Mơ tín hiệu góc  .44

Hình 4.5 Đáp ứng điện áp vào Vin .44

Hình 4.6 Đáp ứng vận tốc góc  .44

Hình 4.8 Sơ đồ mơ điều khiển LQR .46

Hình 4.10 Mơ tín hiệu góc   lệch 50 .47

Hình 4.11 Mơ tín hiệu góc   lệch 50 .47

Hình 4.12 Tín hiệu điều khiển điện áp vào Vin .48

Hình 4.13 Đáp ứng vận tốc góc  .48

Hình 4.14 Đáp ứng vận tốc góc  .48

Hình 4.15 Sơ đồ mơ điều khiển vị trí .52

Hình 4.16 Sơ đồ điều khiển động .52

Hình 4.17 Điều khiển tín hiệu vào hệ thống .53

Hình 4.18 Đáp ứng hệ thống với ngõ vào hàm nấc .53

Hình 4.19 Sơ đồ mơ điều khiển ổn định .54

Hình 4.20 Góc  trình điều khiển Swing-up .55

Hình 4.21 Góc quay của điều khiển bất định .55

Hình 4.22 Vận tốc cánh tay lắc .55

Hình 4.23 Sơ đồ mơ điều khiển Mode .57

Hình 4.24 Tín hiệu điều khiển .57

Hình 4.25 Kết điều khiển Mode .57

Hình 4.26 Mơ điều khiển kết hợp ĐK ổn định đứng cân .58

Hình 4.28 Sơ đồ điều khiển bất ổn định .59

Hình 4.29 Sơ đồ điều khiển ổn định .59

Hình 4.30 Sơ đồ điều khiển MODE .59

Hình 4.31 Kết mơ góc α .60

Hình 4.32 Kết mơ góc  .60

Hình 4.33 Tín hiệu điều khiển điện áp (Vin) .60

Hình 4.34 Sơ đồ vận tốc cánh tay lắc .61

Hình 4.35 Mơ kết hợp điều khiển ổn định LQR Swing_up .62

Hình 4.36 Kết mơ góc α .63

Hình 4.37 Kết mơ góc  63

Hình 4.38 Tín hiệu điều khiển điện áp (Vin) .64

Hình 4.39 Đáp ứng vận tốc cánh tay lắc .64

Hình 5.1 Sơ đồ chân ATmega168 .66

Hình 5.2 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển .67

Hình 5.4 Nguyên lý hoạt động mạch cầu H 69

Hình 5.5Các kiểu dáng bên ngồi L298 69

Hình 5.6 Sơ đồ khối bên L298 70

Hình 5.7 Sơ đồ nguyên lý mạch cơng suất 70

Hình 5.8 Layout mạch cơng suất 71

Hình 5.9 Mạch cơng suất thực tế .71

Hình 5.10 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 71

Hình 5.11 Layout mạch nguồn .73

Hình 5.12 Encoder quang 100 xung 73

CHƢƠNG TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan chung lĩnh vực nghiên cứu, kết nghiên cứu ngồi nƣớc cơng bố

1.1.1 Tổng quan chung lĩnh vực nghiên cứu

Con lắc ngược quay hệ thống có cấu chấp hành bên (under-actuated), tức số lượng ngõ vào điều khiển số lượng ngõ Hệ thống mô tả hình 1.1, bao gồm cánh tay (arm) lắc vật lý (pendulum) Cánh tay gắn với trục động cơ, lắc dao động tự quanh cánh tay

Con lắc ngược quay thường sử dụng để nghiên cứu điều khiển hệ phi tuyến số lĩnh vực khác, đơn giản để phân tích động học thử nghiệm có độ phi tuyến cao động lực kép hai

Hình 1.1 Mơ hình hệ thống lắc ngược quay

1.1.2 Các nghiên cứu ngồi nƣớc cơng bố

Đến có nhiều nghiên cứu sử dụng thuật toán khác để điều khiển hệ thống lắc ngược quay điều khiển tuyến tính hóa, điều khiển phi tuyến, điều khiển thơng minh, …

Trong [1] Zhongmin W đồng nghiệp sử dụng điều khiển PIDvới phương pháp phi tuyến để điều khiển đưa lắc từ vị trí cân ổn định phía lên vị trí cân khơng ổn định phía (swing-up) với góc lệch khoảng

15 hệ thống lắc ổn định sau thời gian khoảng 8,7s;

Trong [2] Sukontanakarn V công ông sử dụng giải thuật PD để xác định vị trí LQRđể giữ vị trí cân cho hệ thống lắc ngược quay lắc cân chưa ổn định tuyệt đối thiết kế điều khiển bàn đặt lắc bị rung điều khiển;

Trong [3] Khalil Sultan nghiên cứu điều khiển lắc đơn xe phương pháp PID kết hợp với mô Matlab để mô giữ lắc vị trí cân thẳng đứng với thời gian ổn định lắc khoảng 4.5s phịng thí nghiệm;

[4] Khanesar M.A Sử dụng phương pháp điều khiển trượt phân cấp để điều khiển ổn định cân lắc ngược việc xác định mặt trượt khó hệ thống cân ổn định thời gian khoảng 25s

[5] William V đồng nghiệp điều khiển cân hệ thống lắc ngược sử dụng mạng neural Ở huấn luyện điều khiển để hệ cân ổn định thành công, nhiên kết chưa mong muốn thời gian ổn định chưa cao

Từ kết nghiên cứu dựa lý thuyết điều khiển PIDvàLQR tác giả chọn phương pháp điều khiển PIDvà LQRđể ổn định cho hệ lắc ngược quay so sánh thời gian ổn định hệ sử dụng phương pháp điều khiển

1.2 Mục tiêu đối tƣợng nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu

- Tìm hiểu hệ lắc ngược quay phương pháp cân

- Áp dụng phương pháp điều khiển PID LQRđể điều khiển cân cho hệ lắc ngược quay

Đối tƣợng nghiên cứu - Hệ lắc ngược quay

- Các giải thuật điều khiển PIDvà LQR 1.3 Nhiệm vụ đề tài

- Xây dựng mơ hình tốn học cho hệ lắc ngược quay

- Thiết kế điều khiển PID LQR để điều khiển cân cho hệ - Mô phần mềm Matlab/simulink

- Thiết kế mơ hình thực nghiệm 1.4 Phƣơng pháp nghiên cứu

- Sử dụng kiến thức toán học kết hợp với định luật động lực học định lý cân ổn định, tìm phương trình tốn học thể mối quan hệ đại lượng điều khiển hệ lắc ngược quay cân ổn định

- Sử dụng Matlab/simulink để kiểm chứng kết thực nghiệm 1.5 Phạm vi nghiên cứu

- Điều khiển cân cho hệ lắc ngược quay dùng giải thuật điều khiển PID LQR

1.6 Kết cấu luận văn

Luận văn kết cấu gồm chương: - Chương Tổng quan

- Chương Cơ sở lý thuyết

- Chương Mơ hình toán học hệ thống lắc ngược quay - Chương Thiết kế điểu khiển