Xây dựng giải thuật điều khiển hệ thống pendubot

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA SỬ KHẮC HUÂN XÂY DỰNG GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG PENDUBOT Chuyên ngành : Tự Động Hóa Mã số : 605260 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2013 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA (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 bảo vệ Trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG TP.HCM , ngày….tháng….năm 2013 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) Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn chỉnh sửa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Ngày, tháng, năm sinh: Chuyên ngành: SỬ KHẮC HUÂN MSHV: 11150089 Nơi sinh: Phú Yên 27/02/1986 Mã số : 605260 Tự Động Hóa I TÊN ĐỀ TÀI: XÂY DỰNG GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG PENDUBOT II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Mục tiêu thiết kế điều khiển Swing-up cân hệ thống vị trí top dựa luật điều khiển LQR, PD tuyến tính hóa vào III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : (Ghi theo QĐ giao đề tài) 21/01/2013 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: (Ghi theo QĐ giao đề tài) 21/06/2013 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên): PGS.TS DƢƠNG HOÀI NGHĨA Tp HCM, ngày tháng năm 20 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) TRƯỞNG KHOA….……… (Họ tên chữ ký) Ghi chú: Học viên phải đóng tờ nhiệm vụ vào trang tập thuyết minh LV Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS-TS Dương Hoài Nghĩa LỜI CẢM ƠN Trước hết, em xin gửi đến thầy Dương Hoài Nghĩa lời cảm ơn sâu sắc Thầy nhiệt tình giúp đỡ hướng dẫn em hoàn thành luận văn Em xin chân thành cảm ơn thầy cô môn Điều khiển tự động Khoa Điện - Điện tử Trường Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh giảng dạy truyền đạt kiến thức cho em suốt trình học tập nghiên cứu trường Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn đến người thân, gia đình bạn bè động viên khuyến khích em suốt q trình học tập nghiên cứu Em xin chân thành cảm ơn Học viên Sử Khắc Huân HVTH: Sử Khắc Huân Lời cảm ơn Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS-TS Dương Hồi Nghĩa TĨM TẮT Luận văn tốt nghiệp với đề tài “Xây dựng giải thuật điều khiển Hệ thống Pendubot” Mục tiêu thiết kế điều khiển swing-up cân hệ thống vị trí top dựa luật điều khiển LQR, PD tuyến tính hóa vào Đồng thời, luận văn cịn sử dụng cơng cụ Matlab/Simulink để mơ điều khiển swing-up cân hệ thống Việc thiết kế, thi cơng chạy mơ hình thực hệ thống pendubot đề cập luận văn Luận văn đưa số kết luận mức độ đóng góp đề tài đề xuất hướng phát triển HVTH: Sử Khắc Huân Tóm tắt Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS-TS Dương Hoài Nghĩa ABSTRACT The Master Graduation Research is about ‘Building the Solutions and Techniques to operate the Pendubot system’ The target aims to operate the swing-up controller and systematical equilibrium at top position basing on the LQR, PD and input-output linearization laws Furthermore, the Matlab/ Simulink tools, which are used for simulating the swing-up controller and systematical equilibrium Design, construct and operate real miniatured pendubot system are all mentioned Based on the contents of the research, some conclusions are drawn and solution development are suggested to be applied HVTH: Sử Khắc Huân Tóm tắt Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS-TS Dương Hoài Nghĩa MỤC LỤC CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 01 1.1 Đặt vấn đề 01 1.2 Mục tiêu nghiên cứu 03 1.3 Hướng giải đề tài 03 CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 04 2.1 Tuyến tính hóa hệ thống điểm làm việc 04 2.2 Điều khiển LQR 06 2.3 Tuyến tính hóa hồi tiếp 07 2.3.1 Đặt vấn đề 07 2.3.2 Tuyến tính hóa vào (input-output linearization) 07 CHƯƠNG III: MƠ HÌNH HĨA VÀ NHẬN DẠNG HỆ PENDUBOT 09 3.1 Phương pháp Euler-Lagrange (EL) 09 3.2 Phương trình tốn học hệ thống 10 3.2.1 Các thông số hệ thống 10 3.2.2 Phương trình tốn học 11 3.3 Nhận dạng thông số 13 3.4 Biểu diễn trạng thái hệ thống 17 CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG PENDUBOT 20 4.1 Điều khiển Swing up 20  4.2 Điều khiển cân hệ thống vị trí top ( , 0, 0, 0) 22 4.3 Sơ đồ khối Simulink điều khiển 23 HVTH: Sử Khắc Huân Mục lục Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS-TS Dương Hồi Nghĩa 4.4 Kết mơ matlab 26 4.5 Kết mô matlab có tác động xung pulse 28 CHƯƠNG V: THI CÔNG CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN MƠ HÌNH THỰC 30 5.1 Thiết kế thi cơng mơ hình hệ pendubot 30 5.2 Mơ hình Pendubot chế tạo thực tế 33 5.3 Thiết kế thi công phần mạch điện tử điều khiển 36 CHƯƠNG VI: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 40 6.1 Các vấn đề nghiên cứu 40 6.2 Kết đạt 40 6.3 Hạn chế 41 6.4 Hướng phát triển đề tài 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO 42 PHỤ LỤC .43-63 HVTH: Sử Khắc Huân Mục lục Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS-TS Dương Hồi Nghĩa DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Mơ hình hệ Pendubot  Hình 1.2 Vị trí cân TOP ( , 0, 0, 0) Hình 2.1 Sơ đồ khối tuyến tính hóa hồi tiếp Hình 3.1: Hệ tọa độ Pendubot Hình 4.1: Sơ đồ khối điều khiển tuyến tính hóa hồi tiếp Hình 4.2: Sơ đồ khối Simulink điều khiển cân Hình 4.3: Sơ đồ khối Simulink điều khiển hồi tiếp tuyến tính hóa Hình 4.4: Sơ đồ khối Simulink Switch control Hình 4.5: Sơ đồ khối Simulink điều khiển hệ thống pendubot Hình 4.6: Sơ đồ khối Simulink điều khiển hệ thống pendubot có tác động xung pulse Hình 4.7: Đáp ứng ngõ q1 q2 hệ thống pendubot Hình 4.8: Đáp ứng ngõ dq1 dq2 hệ thống pendubot Hình 4.9: Đáp ứng ngõ điều khiển hệ thống pendubot Hình 4.10 Thí nghiệm điều khiển Swing up cân pendubot Hình 4.11: Đáp ứng ngõ q1 q2 hệ thống pendubot có pulse Hình 4.12: Đáp ứng ngõ dq1 dq2 hệ thống pendubot có pulse Hình 4.13: Đáp ứng ngõ điều khiển hệ thống pendubot có pulse Hình 5.1 Minh họa mơ hình pendubot thi Hình 5.2 Minh họa mơ hình 3D pendubot thi cơng Hình 5.3 Mơ hình thực tế hệ pendubot Hình 5.4 Mơ hình thực tế hệ pendubot Hình 5.5 Mơ hình thực tế hệ pendubot HVTH: Sử Khắc Huân Danh mục hình vẽ Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS-TS Dương Hồi Nghĩa Hình 5.6 Bộ nguồn 5V Hình 5.7 Mạch cơng suất điều khiển động Hình 5.8 Module cơng suất nguồn 5V Hình 5.9 Mạch thi cơng module thu thập liệu HVTH: Sử Khắc Huân Danh mục hình vẽ Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS-TS Dương Hoài Nghĩa sys=[0 0 0]; x0=[]; end Simulink chạy thời gian thực điều khiển swing up cân hệ thống pendubot vị trí Top position HVTH: Sử Khắc Huân Trang 50 Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS-TS Dương Hoài Nghĩa Phụ lục 3: Thiết kế Autocad Thiết kế chi tiết máy chương trình autoCAD HVTH: Sử Khắc Huân Trang 51 Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS-TS Dương Hoài Nghĩa Phụ lục 4: Sơ đồ mạch module giao tiếp thu thập liệu Sơ đồ mạch module giao tiếp thu thập liệu HVTH: Sử Khắc Huân Trang 52 Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS-TS Dương Hoài Nghĩa Sơ đồ thi công mạch module thu thập liệu HVTH: Sử Khắc Huân Trang 53 Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS-TS Dương Hồi Nghĩa Các thành phần module giao tiếp thu thập liệu ATERA MAX: Dùng để giải mã địa chỉ, giúp PC giao tiếp với ngoại vi Cấu tạo: HVTH: Sử Khắc Huân Trang 54 Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS-TS Dương Hoài Nghĩa Giới thiệu phần mềm Giới thiệu sơ lược điều khiển thời gian thực (Real-Time Windows Target ) Việc mô thực thời gian không thực mode normal Simuink, trình kéo dài nhiều mơ xong vịng vài giây, đối tượng điều khiển điều khiển thực máy tính Real-Time Windows Target (Rtwin) đối tượng MATLAB nhằm điều khiển đối tượng thực tế thời gian thực, đối tượng ghép với máy tính thông qua card giao tiếp với Real Timer Workshop Visual C++ thuật toán điều khiển biến đổi thành mã thực thi Real-Time Windows Target kết hợp với Simulink external mode để điều khiển đối tượng thời gian thực Cách thức điều khiển gọi Real-time hardware-in-the-loop simulation giúp khảo sát đáp ứng tinh chỉnh thơng số thời gian thực, thích hợp làm mẫu thử nghiệm Sau thử nghiệm thành công ta đưa kết vào vi mạch Để đảm bảo thời gian thực, Rtwin dùng kernel hoạt động vùng zero (privileged), sử dụng xung nhịp CPU làm chuẩn thời gian, tạo ngắt thời gian chi phối hoạt động hệ điều hành chạy chương trình mã thực thi tạo Sau mô thành cơng Simulink, ta loại bỏ mơ hình đối tượng thay khối xuất nhập card giao tiếp Rtwin hỗ trợ card I/O ISA, PCI PCMCIA hãng advantech, Analog Device, Scientific Solution thiết bị ngoại vi chuột, joystick, cổng máy in Rtwin hoạt động hệ điều hành Win 95, Win 98, Win Me Win NT 4.0 Kernel cài máy tính lệnh MATLAB rtwintgt-install Muốn kiểm tra xem Rtwin cài chưa, ta gõ rtwho Phần mềm Real-Time Windows Target bao gồm real timer kernel giao giao diện với hệ điều hành Windows Real-Time Windows Target kernel gán ưu tiên cao để thực thi thời gian thực, cho phép chạy mà khơng cần can thiệp vào mẫu lựa chọn tỷ lệ Trong suốt q trình thực thi thời gian thực mơ hình, kernel can thiệp cần thiết để đảm bảo mơ hình đươc ưu tiên sử dụng CPU để thực lần cập HVTH: Sử Khắc Huân Trang 55 Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS-TS Dương Hoài Nghĩa nhật mơ hình lần lấy mẫu theo quy định Khi mơ hình cập nhật hồn tất, kernel giải phóng CPU để chạy chương chạy chương trình ứng dụng khác Giới thiệu giao tiếp song song qua cổng LPT: Giới thiệu cổng song song: Cổng song song( Parallel Port) tập hợp đường tín hiệu mà vi xử lí CPU dùng để trao đổi liệu với thiết bị, thành phần khác Điển hình loại giao diện dùng để giao tiếp với máy in, modems, keyboards hình, Cổng song song truyền nhiều bít lần, cổng nối tiếp truyền bít thời điểm ( truyền chiều thời điểm) Cổng song song PC ban đầu có đường ra, đường vào đường vào Những đường đủ để giao tiếp với nhiều dạng thiết bị ngoại vi Ở nhiều máy tính hơn, đường thực chức đường Input Các dạng cổng: Một số nhà sản xuất máy tính giới thiệu phiên cải tiến cổng song song Cổng tương thích với thiết kế cũ có thêm nhiều chức mới, chủ yếu để tăng tốc độ Tốc độ yếu tố quan trọng máy tính thiết bị ngoại vi trở lên nhanh nhiều, công việc mà máy tính làm phức tạp hơn, tổng dung lượng thông tin mà chúng cần trao đổi tăng lên Cổng song song truyền thống đủ nhanh cho truyền byte dạng kí tự mã ASCII tới ma trận điểm máy printer kiểu cũ Nhưng với printer đại cần nhận nhiều thông tin nhiều thông tin quan trọng để in trang nhiều font, đồ hoạ chi tiết, thường màu sắc Với tốc độ cao máy tính truyền thông tin, với tốc độ cao máy tính bắt đầu q trình in kết HVTH: Sử Khắc Huân Trang 56 Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS-TS Dương Hoài Nghĩa Original( SPP): dạng máy in chuẩn SPP - Standard Parallel Port : cổng song song chuẩn Cổng song song máy PC cổ điển thiết kế dựa giao diện máy in tồn Centronic SPP truyền bít lần tới thiết bị ngoại vi, dùng giao thức giống dùng giao diện Centronic gốc SPP khơng có đường nhận liệu rộng byte, truyền từ PC tới thiết bị ngoại vi, SPP dùng Nibble Mode để truyền lần bít Nibble Mode chậm trở thành phổ biến cách để dùng cổng song song cho Input Dạng PS/2 ( Vào chiều đơn giản – SimpleBidirectional) Một cải tiến sớm cho cổng song song cổng liệu vào chiều( Bidirectional Port) đưa máy tính IBM: dạng PS/2 Cổng vào/ra cho phép thiết bị ngoại vi truyền bít lần tới PC Nhóm PS/2 bao gồm cổng song song có cổng liệu vào không hỗ trợ mode EPP ECP( giới thiệu đây) Byte mode giao thức truyền liệu bít mà cổng dạng PS/2 dùng để truyền liệu từ thiết bị ngoại vi tới PC EPP EPP( enhanced parallel port - cổng song song nâng cao) cổng phát triển ban đầu nhà sản xuất chip Intel, sản xuất máy tính Zenith, Xircom – nhà sản xuất sản phẩm mạng song song Như cổng dạng PS/2, đường liệu đường vào Một EPP đọc ghi byte liệu chu kì bus mở rộng ISA micro giây, bao gồm bắt tay, với SPP PS/2 cần chu kì Một EPP chuyển đổi chiều nhanh chóng, hiệu dùng với đĩa thiết bị dài thiết bị khác truyền liệu chiều Một EPP dùng thay cho SPP vài EPP dùng thay cho cổng dạng PS/2 ECP ECP(Extended capabilities port - cổng có khả mở rộng) đưa lần Hewlett Packard Microsoft Giống với EPP, ECP có đường liệu vào truyền liệu tốc độ bus ISA ECP có đệm hỗ trợ DMA( direc memory access – truy cập nhớ trực tiếp) truyền nén liệu Các HVTH: Sử Khắc Huân Trang 57 Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS-TS Dương Hoài Nghĩa truyền nhận kiểu ECP hữu ích cho printer, thiết bị ngoại vi khác truyền khổi liệu lớn Một ECP ECP dùng cổng SPP PS/2 nhiều ECP dùng thay cho cổng EPP tốt Các port đa chế độ (Multi-mode Ports) Rất nhiều cổng cổng với Multi-mode cạnh tranh vài tất dạng Các cổng thường bao gồm lựa chọn cấu hình để sử dụng tất dạng cổng cho phép chế độ định khóa chế độ khác Các tài nguyên hệ thống: Cổng song song dùng nhiều tài nguyên hệ thống Tất cổng dùng dãy địa chỉ, cho dù số lượng vị trí địa thay đổi Nhiều cổng có mức IRQ (Interrupt request) xác định, cổng ECP có kênh DMA xác định Các tài nguyên dành cho cổng dùng cho thành phần khác hệ thống, cổng song song khác Địa chỉ: Cổng song song chuẩn dùng ba địa liền nhau, thường dãy sau:  3BCh, 3BDh, 3EEh  378h, 379h, 37Ah  278h, 279h, 27Ah Địa dãy địa gốc (base address) Port thương gọi địa ghi Dữ liệu (Data register) địa cổng Địa thứ địa ghi trạng thái (Status register) Địa thứ địa ghi Điều khiển (Control register) Chú ý: Các cổng EPP cổng ECP dành số địa bổ sung cho cổng: EPP thêm ghi địa Base address + tới Base address + 7, ECP thêm ghi địa base address + 400h tới base address + 402h HVTH: Sử Khắc Huân Trang 58 Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS-TS Dương Hoài Nghĩa Ví dụ: với Base address = 378h ghi cổng EPP địa 37Bh tới 37Fh, ghi cổng ECP địa 778h tới 77Fh Trong máy tính PC cũ cổng song song có Base address 3BCh Nhưng máy tính phần lớn có Base address = 378h Tuy nhiên tất dãy địa dành riêng cho cổng song song, phần cứng cổng cho phép ta thiết lập cổng song song địa địa Thông thường, DOS Windows coi cổng theo thứ tự số LPT1, thứ LPT2, thứ LPT3 LPT1 thường vị trí 378h địa LPT2 tồn vị trí 378h 278h LPT3 vị trí 278h  Giao tiếp cổng song song với Visual C++: Sử dụng hai hàm: RtWritePortUchar( ) RtReadPortUchar( ) để đọc ghi liệu Inport Outport  Khi muốn ghi liệu Data Outport có địa Address: RtWritePortUchar(LPT_ADDR, Address); RtWritePortUchar(LPT_DATA, Data);  Khi muốn đọc liệu từ Inport có địa Address: RtWritePortUchar(LPT_ADDR, Address); RtReadPortUchar(LPT_DATA); HVTH: Sử Khắc Huân Trang 59 Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS-TS Dương Hồi Nghĩa Chương trình Vissual C++ Test encoder, PWM, ourport, inport Chương trình Vissual C++ Test encoder, PWM, ourport, inport #include "rtx.h" #include //dung cho cac lenh cout, cin #include //dung cho cac ham tolower #include #include #define LPT_BASE ((PUCHAR) 0x378) #define LPT_CTRL ((PUCHAR) (LPT_BASE+2)) #define LPT_ADDR ((PUCHAR) (LPT_BASE+3)) #define LPT_DATA ((PUCHAR) (LPT_BASE+4)) #define LPT_ECR ((PUCHAR) (LPT_BASE+0x402)) #define LPT_RANGE ////////////////////////////////////////////////////////////// void test_Outport() { cout