Điều khiển Con lắc ngược bằng PID

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KĨ THẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO  ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN PID TRONG ĐIỀU KHIỂN CON LẮC NGƯỢC GVHD: ThS NGUYỄN TRUNG HIẾU SVTH: NGUYỄN NHƯ KHÁNH MSSV: 18145158 HUỲNH BÁ THÁI HÙNG MSSV: 18145137 HỌC KỲ: – NĂM HỌC: 2020 - 2021 Tp Hồ Chí Minh , tháng 06 năm 2021 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc *** NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN Tên đề tài: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN PID TRONG ĐIỀU KHIỂN CON LẮC NGƯỢC Họ tên Sinh viên: Nguyễn Như Khánh Huỳnh Bá Thái Hùng MSSV 18145158 MSSV 18145137 Ngành: Công nghệ Kỹ thuật ô tô I NHẬN XÉT Về hình thức trình bày tính hợp lý cấu trúc đề tài: Về nội dung (đánh giá chất lượng đề tài, ưu/khuyết điểm giá trị thực tiễn) II NHỮNG NỘI DUNG CẦN ĐIỀU CHỈNH, BỔ SUNG III ĐỀ NGHỊ VÀ ĐÁNH GIÁ Đề nghị: Điểm đánh giá (theo thang điểm10) Tp.Hồ Chí Minh, ngày … tháng… năm 2021 Giảng viên hướng dẫn MỤC LỤC TỔNG QUAN CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 10 1.1 Khái qt mơ hình lắc ngược 10 1.2 Xây dựng mơ hình động học lắc ngược 11 1.3 Lý thuyết điều khiển PID 16 1.3.1 Giới thiệu điều khiển PID 16 CHƯƠNG 2: THỰC HIỆN MÔ PHỎNG 22 2.1 Xây dựng mơ hình mơ Matlab / Simulink 22 2.2 Các thông số đầu vào 22 2.3 Hiệu chỉnh thông số Kp, Ki, Kd kết mô 23 CHƯƠNG 3: THỰC HIỆN LẮP RÁP MƠ HÌNH CON LẮC NGƯỢC 27 3.1 Cấu tạo 27 3.1.1 Gối đỡ trượt 27 3.1.2 Puly 28 3.1.3 Vòng đai 29 3.1.3 DC Servo 29 3.1.4 Encoder 400 xung 30 3.1.5 Gá đỡ Encoder gá đỡ DC servo 30 3.1.6 Arduino Mega 2560 31 3.1.7 Mạch công suất L298N 32 3.1.8 Nguồn tổ ong 33 3.2 Bảng vẽ lắc ngược 33 3.3 Sơ đồ mạch điện 36 3.4 Code lập trình 36 3.5 Kết 43 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO 47 DANH MỤC HÌNH Hình 1 Khái qt mơ hình lắc ngược 10 Hình Mơ hình lắc ngược có khối lượng khơng đáng kể 11 Hình Mơ hình lắc ngược với lắc đồng chất 13 Hình Hệ lực lắc ngược 14 Hình Sơ đồ hệ thống điều khiển sử dụng PID 16 Hình Sơ đồ khối khâu P 17 Hình Sơ đồ khối khâu I 18 Hình 10 Sơ đồ khối khâu D 19 Hình 11 Sơ đồ khối PID 20 Hình Gối đỡ trượt 27 Hình Puly GT2 60 đường kính 37.76mm trục 6mm 28 Hình 3 Vòng đai GT 852mm 29 Hình DC servo giảm tốc JGB37 29 Hình Encoder 400 xung 30 Hình Gá đỡ Encoder DC servo 31 Hình Arduino Mega 2560 31 Hình Mạch cơng suất L298N 32 Hình Nguồn tổ ong 12V 10A 33 Hình 10 Bảng vẽ 3D lắc ngược 34 Hình 11 Bảng vẽ 3D phận hệ thống lắc ngược 35 Hình 12 Sơ đồ mạch điện 36 Hình 13 Mơ Hình lắc ngược lắp ráp hoàn chỉnh 44 Hình 14 Mơ hình lắc ngược lắp ráp hồn chỉnh 44 Hình 15 Kết điều khiển thực tế lắc ngược 45 DANH MỤC BẢNG Bảng Tác động việc thay đổi thông số độc lập hệ thống 21 Bảng Bảng thông số đầu vào hệ thống 23 Bảng Bảng thử nghiệm thông số PID lần 23 Bảng Bảng thử nghiệm thông số PID lần 24 Bảng Bảng thử nghiệm thông số PID lần 25 Bảng Bảng thử nghiệm thông số PID lần 26 TỔNG QUAN Lý chọn đề tài Hệ thống lắc ngược hệ thống điều khiển kinh điển, sử dụng giảng dạy nghiên cứu hầu hết trường đại học khắp giới Hệ thống lắc ngược mơ hình phù hợp để kiểm tra thuật toán điều khiển hệ phi tuyến cao trở lại ổn định Đây hệ thống SIMO (Single Input Multi Output) điển hình gồm ngõ vào lực tác động cho động mà phải điều khiển vị trí góc lệch lắc ngược cho thẳng đứng (ít hai ngõ ra) Ngồi ra, phương trình tốn học đề cập đến lắc ngược mang tính chất phi tuyến điển hình Vì thế, mơ hình nghiên cứu lý tưởng cho phịng thí nghiệm điều khiển tự động Các giải thuật hay phương pháp điều khiển nghiên cứu mơ hình lắc ngược nhằm tìm giải pháp tốt ứng dụng điều khiển thiết bị tự động thực tế: điều khiển tốc độ động cơ, giảm tổn hao công suất, điều khiển vị trí, điều khiển nhiệt độ, điều khiển cân hệ thống Thực đề tài “Thiết kế mơ hình cân lắc ngược” cần thiết cho vấn đề giảng dạy nghiên cứu trường Đại học thời điểm Vì mơ hình điển hình cần phải có trường Đại học, Cao đẳng theo hướng chuyên ngành kỹ thuật Việt Nam, ngành điều khiển tự động hóa, điện cơng nghiệp, điện tử Việc xây dựng mơ hình giúp ích cho cơng tác giảng dạy trực quan hơn, dễ dàng kiểm chứng với giải thuật điều khiển lý thuyết, sở nghiên cứu khoa học cho giảng viên sinh viên trường Do đó, chúng em định chọn đề tài Mục đích nghiên cứu Con lắc ngược ứng dụng dễ hiểu hệ thống tự cân Mơ hình điều khiển lắc ngược sử dụng PID mơ hình giúp sinh viên hiểu rõ thuyết điều khiển PID giúp nhóm có kinh nghiệm thực tế việc nghiên cứu làm mơ hình Hơn nữa, nghiên cứu đề tài cịn giúp nhóm ứng dụng lý thuyết học mơn Ứng dụng máy tính, qua phần mềm mơ Matlab Với đóng góp này, nhóm mong đóng góp nhiều vào lĩnh vực Điều khiển tự động để giúp lĩnh vực phát triển mạnh cộng đồng trường Đại Học Sư Phạm Kỹ thuật Nhiệm vụ nghiên cứu ‐ Nghiên cứu xác định sở lý luận đề tài ‐ Tổng quan lắc ngược phương pháp điều khiển cân ‐ Nghiên cứu thuật tốn PID để điều khiển cân hệ thống xe – lắc ngược ‐ Mô hệ thống phần mềm Matlab – Simulink ‐ Nghiên cứu chế tạo mô hình thực nghiệm ‐ Đề xuất tiêu chí đánh giá tác dụng sản phẩm thực tế Phương pháp nghiên cứu ‐ Tìm hiểu Internet, đọc tài liệu liên quan ứng dụng tương tự Từ ta trình bày nghiên cứu thiết kế chương trình điều khiển ‐ Nghiên cứu sử dụng PID để điều khiển ‐ Sử dụng phần mềm Matlab – Simulink làm công cụ xây dựng mô hình mơ hệ thống ‐ Xây dựng mơ hình thực nghiệm chạy thời gian thực để đưa kết điều khiển Phạm vi nghiên cứu ‐ Nghiên cứu tìm hiểu nguyên lý hoạt động hệ lắc ngược ‐ Nghiên cứu chế tạo mơ hình lắc ngược thực tế ‐ Nghiên cứu lập trình điều khiển cân hệ lắc ngược Đối tượng, địa điểm thời gian nghiên cứu ‐ Đề tài chủ yếu tập trung nghiên cứu chế tạo mơ hình lắc ngược áp dụng giải thuật PID để điều khiển cân hệ thống ‐ Thời gian nghiên cứu từ tháng 03 năm 2021 đến tháng 06 năm 2021 trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh Một số nghiên cứu ‐ Tình hình nghiên cứu nước: Đề tài “Sử dụng thuật toán mờ nơron điều khiển cân lắc ngược” tác giả Nguyễn Hữu Mỹ, đại học Đà Nẵng (2011) so sánh kết thuật toán PID điều khiển mờ nơron giúp cân hệ lắc ngược Trong đó, điều khiển PID đơn giản điều khiển đồng thời việc điều khiển vị trí xe giữ cân lắc, điều khiển mờ nơron cho kết tốt với thời gian xác lập khoảng 3s Năm 2013, tác giả Nguyễn Văn Khanh, khoa Công nghệ, trường Đại học Cần Thơ thực đề tài “Điều khiển cân lắc ngược sử dụng thuật toán PD mờ” cho kết điều khiển hệ lắc ngược cân ổn định với thời gian xác lập khoảng 4s, độ vọt lố 44% Đến năm 2014, tác giả phát triển hệ thống lắc ngược sử dụng phương pháp chiếu đề tài “Điều khiển cân lắc ngược sử dụng điều khiển chiếu”, đề tài đưa kết thực nghiệm so sánh phương pháp LQR phương pháp chiếu Kết cho thấy điều khiển chiếu cho kết ổn định (thời gian xác lập 1,83s, độ vọt lố 5%, sai số 5%) điều khiển LQR (thời gian xác lập 7,8s, độ vọt lố 15%, sai số 5%) Hình 1: Mơ hình thực nghiệm cân lắc ngược dùng điều khiển chiếu ‐ Tình hình nghiên cứu ngồi nước: Đề tài “Standup and Stabilization of the Inverted Pendulum” tác giả Andrew K Stimac (1999) sử dụng giải thuật LQR Tác giả Johnny Lam thực đề tài “Control of an Inverted Pendulum” sử dụng thuật toán LQR (2008) với thời gian điều khiển cân hệ thống lớn 10s Hình 2: Mơ hình thực nghiệm cân lắc ngược dùng điều khiển LQR Đề tài “Vision-Based Control of an Inverted Pendulum using Cascaded Particle Filters” trường Đại học Công nghệ Graz, Austria (2008) nhóm tác giả Manuel Stuflesser Markus Brandner sử dụng cơng nghệ xử lí ảnh để điều khiển cân lắc ngược Hình 3: Mơ hình thực nghiệm cân lắc ngược dùng xử lí ảnh CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Khái qt mơ hình lắc ngược Mơ hình lắc ngược Hình 1.1 , lắc với cánh tay đòn gắn xe điều khiển động điện, di chuyển tịnh tiến mặt phẳng Khi lắc điều khiển đến vị cao hình vẽ, lắc ổn định ln ngã xuống, trừ có lực tác dụng cân làm lắc đứng yên Giả sử lắc có khối lượng m hình, mơ hình lắc ngược làm nhiệm vụ điều khiển xe di chuyển tịnh tiến tới lùi để giữ ổn định lắc ln ln vị trí cân Hình 1 Khái qt mơ hình lắc ngược Ký hiệu mơ hình l: chiều dài cánh tay địn (m) M: khối lượng xe (kg) g: gia tốc trọng trường (m/s2) F: lực tác động vào xe (N) m: khối lượng lắc (kg) x: vị trí xe (m) 10 θ: góc lắc ngược phương thẳng đứng (rad) Mô tả chuyển động lắc ngược mơ hình  Về phương ngang: Ta chọn phương ngang, hướng từ trái sang phải chiều dương Góc tọa độ đặt điểm  Về góc quay: Góc qua ta quy ước chiều quay chiều kim đồng hồ chiều dương, gốc tọa độ góc lắc thẳng đứng Xe lắc chuyển động tịnh tiến theo phương X mặt phẳng lắc chuyển động quay mặt phẳng XY 1.2 Xây dựng mơ hình động học lắc ngược TH1: Quả nặng gắng có khối lượng khơng đáng kể Hình Mơ hình lắc ngược có khối lượng khơng đáng kể - Động lắc T1 = m.( xm2 + ym2 ) 11