LUẬN VĂN: NGHIÊN CỨU VÀ ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH CON LẮC NGƯỢC QUAY

LUẬN VĂN: NGHIÊN CỨU VÀ ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH CON LẮC NGƯỢC QUAY

Chương 1: Giới thiệu Chương GIỚI THIỆU 1.1 Đặt vấn đề Kỹ thuật thiết kế hệ thống điều khiển đại dựa miền thời gian Mơ tả tốn học dùng để phân tích thiết kế hệ thống phương trình trạng thái Mơ hình khơng gian trạng thái có ưu điểm mơ tả đặc tính động học bên hệ thống (các biến trạng thái) dễ dàng áp dụng cho hệ MIMO hệ thống biến đổi theo thời gian Lý thuyết điều khiển đại ban đầu phát triển chủ yếu cho hệ tuyến tính, sau mở rộng cho hệ phi tuyến cách sử dụng lý thuyết Lyapunov Bộ điều khiển sử dụng chủ yếu thiết kế hệ thống điều khiển đại điều khiển hồi tiếp trạng thái Tùy theo cách tính vector hồi tiếp trạng thái mà ta có phương pháp phân bố cực, điều khiển tối ưu, điều khiển bền vững Với phát triển lý thuyết điều khiển số hệ thống rời rạc, lý thuyết điều khiển đại thích hợp để thiết kế điều khiển chương trình phần mềm chạy vi xử lý máy tính số Điều cho phép thực thi điều khiển có đặc tính động phức tạp hiệu so với điều khiển đơn giản PID hay sớm trễ pha lý thuyết cổ điển Trong ba thập niên gần đây, lĩnh vực nghiên cứu robot ứng dụng điều khiển lý thuyết điều khiển đại có bước tiến vượt bậc lý thuyết ứng dụng Nhiều nghiên cứu robot điều khiển phương pháp điều khiển mờ, điều khiển LQR… thiết kế cho mục đích ứng dụng khác Trong phần lớn cánh tay robot sử dụng lĩnh vực điều khiển robot lắp đặc IC vào bo mạch, hàn sơn khung xe dây chuyền láp ráp, kiểm tra sửa chữa cấu trúc lò phản ứng hạt nhân, thám hiểm biển thăm dò lòng đất địi hỏi xác cao.Lĩnh vực robot rộng từ việc đơn giản tháo lắp thiết bị điều khiển đến việc phức tạp địi hỏi an tồn xác mơi trường khắc nghiệt kiểm tra độ phóng xạ, thám hiểm vũ trụ… đòi hỏi phải ứng dụng lý thuyết để tăng cường xác, giảm sai số Trang Chương 1: Giới thiệu Sự phát triển gần lý thuyết điều khiển đại nhiều lĩnh vực điểu khiển tối ưu hệ thống ngẫu nhiên tiền định Những robot gần áp dụng lý thuyết điều khiển đại vào ngành kỹ thuật như: sinh học, y học… Con lắc ngược loại robot ứng dụng vấn đề quan trọng lý thuyết điều khiển đề cập nhiều tài liệu điều khiển Mơ hình thực tế lắc ngược kiểm chứng lại lý thuyết điều khiển PID, Fuzzy, Neural Network, lý thuyết điều khiển đại… Tuy nhiên lắc ngược đặt nhiều thách thức lý thuyết điều khiển thiết bị điều khiển chúng Vì hệ thống phi tuyến nên vấn đề điều khiển lắc ổn định gặp nhiều khó khăn Họ C28x DSP họ dịng TMS320C2000 DSP Chương trình C28x tương thích với họ 24x/240x DSP Với khả 32 x 32 – bit MAC họ C28x khả xử lý 64 – bit, cho phép C28x trở thành lựa chọn cho ứng dụng đòi hỏi nhân điều khiển foating – point Với tốc độ xử lý cao cho phép nhúng giải thuật điều khiển PID, Fuzzy, LQR, Neural … DSP có điểm thuận lợi để nhúng giải thuật viết giải thuật Matlap CCS liên kết với Matlap để nhúng giải thuật xuống DSP DSP TMS320F2812 xử lí 32 bit hoạt động 150Mhz Với Bộ nhớ 18K words on chip RAM 128K words on chip FLASH memory.DSP TMS320F2812 hỗ trợ ngoại vi với: 12 kênh PWM, Hai khối kiện EVA EVB hỗ trợ đọc tín hiệu từ hai Encoder, 16 kênh ngõ vào ADC với ghi 12 bit, hỗ trợ truyền thông SCI, SPI, CAN, McBSP.Với thuận lợi nêu trên, nhóm tiến hành tìm hiểu DSP TMS320F28x tiến hành thiết kế điều khiển mờ điều khiển LQR hồi tiếp biến vị trí để lắc ngược đứng ổn định Vì nhóm thực đề tài: “Nghiên cứu điều khiển mơ hình lắc ngược quay” 1.2 Tầm quan trọng đề tài ý nghĩa thực tiễn đề tài Hệ thống lắc ngược hệ thống phức tạp có tính phi tuyến cao không ổn định Các vấn đề điều khiển liên quan đến hệ thống bao gồm thiết kế điều khiển Swing-up, thiết kế điều khiển giữ cân lắc…là vấn đề thú vị thách thức lĩnh vực điều khiển tự động Bên cạnh đó, hệ thống chế tạo với độ xác tin cậy cao mơ hình lý tưởng để thực thí nghiệm thu thập liệu, từ sử dụng thuật tốn nhận dạng để nhận dạng mơ hình hệ thống lắc ngược Trang Chương 1: Giới thiệu Hiện có nhiều nhà nghiên cứu sử dụng thuật toán điều khiển khác để điều khiển hệ thống lắc thuật toán điều khiển PID, điều khiển trượt, thuật toán điều khiển tối ưu LQR điều khiển logic mờ Fuzzy thu số thành công đáng kể Từ đề tài lắc ngược phát triển lên để nghiên cứu vấn đề như: điều khiển cầu trục Hình 1.a, điều khiển góc tên lửa rời bệ phóng Hình 1.b xe hai bánh tự cân Hình 1.c a Hệ cầu trục b Điều khiển góc tên lửa c Xe hai bánh tự cân Hình 1.Các đối tượng điều khiển phức tạp thực tế 1.3 Mục tiêu đề tài Mục đích đề tài khảo sát phương trình động lực học, xây dựng mơ hình tốn học, mơ đặc tuyến hoạt động hệ lắc ngược quay, tổng quan cơng trình nghiên cứu hệ lắc ngược quay, khảo sát số phương pháp điều khiển áp dụng cho hệ lắc ngược quay Đề tài sâu vào nghiên cứu giải thuật điều khiển sử dụng cơng nghệ tính tốn mềm ứng dụng cho hệ lắc ngược quay , tiến hành khảo sát tổng hợp thiết kế điều khiển xây dựng mơ hình mơ giải thuật điều khiển tính tốn mềm ứng dụng vào hệ lắc ngược, so sánh kết mô đạt đặc tuyến làm việc, thời gian đáp ứng xác lập, ổn định hệ thống ứng dụng phương pháp vào chạy thực tế mơ hình lắc Kết mô cho thấy ứng dụng giải thuật tính tốn mềm vào hệ lắc ngược giúp phân tích mặt ưu điểm mặt khuyết điểm từ rút phương pháp hợp lý cho hệ lắc ngược ứng dụng vào điều khiển Trang Chương 1: Giới thiệu Dựa mơ hình mơ phỏng, tiến hành thiết kế xây dụng mơ hình thực ứng dụng vào hệ lắc ngược Khảo sát chi tiết thành phần cấu tạo nên mơ hình thực hệ lắc ngược thiết kế thi công mô hình lắc ngược quay Xây dựng mơ hình thực hệ lắc ngược có nhúng thuật tốn điều khiển sử dụng cơng nghệ tính tốn mềm,giải trường hợp nhiễu hệ thống thực giải thuật swing-up, giải thuật giữ cân hệ lắc ngược vị trí So sánh kết lý thuyết thực tiễn, ta tiến hành kiểm chứng lại vấn đề cơng trình xây dụng hướng phát triển cơng trình hồn thiện Đồng thời, mở rộng phạm vi ứng dụng giải thuật điều khiển tất hệ thống thiếu cấu truyền động 1.4 Phương pháp nghiên cứu Nội dung luận văn nhằm sâu vào nghiên cứu hệ lắc ngược tổng hợp giải pháp điều khiển Xây dựng mơ hình mô hệ lắc số giải pháp phần mềm MATLAB để nghiên cứu đặc tính đặc tính làm việc, thời gian xác lập giải thuật đưa lên (swing- up) giải thuật cân hệ lắc ngược vị trí Đồng thời, dựa vào kết thu thâp qua trình mơ giải thuật điều khiển, ta tiến hành so sánh đánh giá ưu khuyết điển giải thuật mà nhóm sử dụng luận văn từ cải thiện thêm phương pháp điều khiển mơ hình lắc ngược quay Khảo sát giải thuật giữ cân cho hệ lắc ngược vị trí cân Điều khiển tồn phương tuyến tính(LQR), điều khiển mờ trực tiếp Xây dựng giải thuật swing-up cho hệ lắc ngược, truyền cho lắc lượng đủ lớn cần thiết để làm cho lắc ngược chuyển động đến vị trí mong muốn Thực mơ hệ lắc ngược giải thuật vừa đề xuất với tín hiệu điều khiển vị trí góc đặt khác Đồng thời thiết kế thi cơng mơ hình thực hệ lắc ngược với thơng số thích hợp chọn lúc mơ mơ hình tốn hệ lắc ngược Khi chọn thuật tốn điều khiển tính tốn mềm thích hợp thi cơng xong mơ hình thực hệ lắc ngược, ta tiến hành thiết kế xây dựng giải thuật điều khiển hệ lắc ngược có nhúng thuật tốn điều khiển tính tốn mềm để điều khiển hệ lắc ngược Sau đem kết thu thập từ việc ứng dụng thực tế kiểm chứng lại kết mô Trang Chương 1: Giới thiệu thuật tốn điều khiển tính tốn mềm chọn kết chưa ta tiến hành hiệu chỉnh thông số điều khiển thơng số mơ hình thực hệ lắc ngược kết thu từ việc ứng dụng thực tế gần giống với kết mơ hệ lắc ngược Sau đề xuất hướng phát triển luận văn mở rộng phạm vi ứng dụng thuật toán điều khiển hệ thống phi tuyến có thuộc tính giống hệ lắc ngược quay 1.5 Nội dung đề tài Nội dung đề tài gồm chương sau: Chương Giới thiệu Nội dung chương giới thiệu sơ lược phương pháp điều khiển đại hệ thống lắc ngược quay, tổng quan cơng trình nghiên cứu mục tiêu luận văn Chương đề cập đến phương pháp nghiên cứu luận văn Cuối chương trình bày sơ lược nội dung luận văn Chương Cơ sở lý thuyết phương pháp điều khiển Trình bày khái quát phương pháp điều khiển sử dụng luận văn phương pháp điều khiển LQR phương pháp điều khiển mờ Chương tảng sở lý thuyết để xây dựng thuật toán điều khiển cho hệ lắc ngược quay Chương Nghiên cứu thuật toán điều khiển hệ thống lắc ngược quay Chương nghiên cứu mơ hình tốn học lắc ngược quay Xây dựng mơ hình mơ hệ lắc ngược quay, giải thuật điều khiển swing-up giải thuật điều khiển cân bằng, ứng dụng mô Simulink Matlab để kiểm tra giải thuật điều khiển Chương Thiết kế thi cơng mơ hình lắc ngược quay Chương trình bày thiết kế phần cứng mơ hình lắc ngược quay, cách nhúng giải thuật điều khiển từ Matlab xuống vi điều khiển điều khiển mơ hình lắc ngược quay, chạy thử nghiệm mơ hình truyền số liệu lên máy để vẽ đồ thị Chương Kết luận đánh giá Chương trình bày kết đạt luận văn , ưu điểm nhực điểm giải thuật điều khiển, đóng góp đề xuất hướng phát triển để hoàn thiện mở rộng luận văn Trang Chương 2: Cơ sở lý thuyết phương pháp điều khiển Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 2.1 Tổng quan Chương giới thiệu khái quát lý thuyết phương pháp điều khiển ứng dụng để điều khiển hệ lắc ngược như: phương pháp điều khiển LQR, phương pháp điều khiển mờ Các phương pháp sử dụng để điều khiển swing-up giữ cân hệ lắc ngược từ vị trí ban đầu cân ổn định hướng xuống đến vị trí cân khơng ổn định hướng lên Trong nội dung luận văn sử dụng phương pháp điều khiển mờ để swing-up sử dụng phương pháp điều khiển LQR để giữ cân Q trình xây dựng mơ hình tốn học hệ thống lắc tuyến tính phi tuyến, mơ hệ thống Simulink Matlab dựa vào phương trình toán học khảo sát đáp ứng hệ thống lắc tuyến tính có điều khiển 2.2 Phương pháp điều khiển LQR Trong phần xem xét phương pháp xây dựng toán tổng hợp hệ tuyến tính với tiêu chất lượng dạng toàn phương 2.2.1 Ổn định Lyapunov hệ thống tuyến tính - Tiêu chuẩn ổn định thứ hai Lyapunov ( điều kiện đủ ) Xét hệ thống mơ tả phương trình trạng thái :  x  f ( x1 , x2 , x3 , x4 ) Nếu tìm hàm V(x) với biến trạng thái x1 , x2 xn hàm xác định dương, cho đạo hàm dV ( x ) dựa theo phương trình vi phân chuyển động bị dt nhiễu hàm xác định dấu , song trái dấu với hàm V(x) chuyển động không bị nhiễu ổn định tiệm cận  V ( x).V ( x)  : với biến trạng thái xi , i  1, n hệ thống ổn định tiệm cận Trang Chương 2: Cơ sở lý thuyết phương pháp điều khiển  V ( x).V ( x)  : với biến trạng thái xi , i  1, n hệ thống ổn định  V ( x).V ( x)  : với biến trạng thái xi , i  1, n hệ thống không ổn định Phương trình Lyapunov Xét hệ tuyến tính mơ tả phương trình trạng thái (hệ Autonom):  (2.1) x  Ax Yêu cầu cực tiểu hoá tiêu chất lượng J :  J   xT Qxdt (2.2) với Q ma trận vuông xác định dương Chọn hàm lượng V(x) xác định dương : V ( x)  xT Sx (2.3)  ma trận S ma trận vuông xác định dương V ( x) có dạng : T   V ( x)  x Sx  xT S x  xT S x   (Ax)T Sx  xT S Ax  xT S x   xT AT Sx  xT SA x  xT S x   xT ( AT S  SA  S ) x  Do V(x) xác định dương, nên để hệ thống ổn định V ( x) phải xác định âm.Ta chọn   V ( x)   xT Qx (do Q ma trận xác định dương nên V ( x) xác định âm)   Q  ( AT S  SA  S ) Trang Chương 2: Cơ sở lý thuyết phương pháp điều khiển Điều kiện cần đủ để trạng thái cân x = ổn định tiệm cận: cho trước ma trận xác định dương Q ma trận A ổn định, tồn ma trận xác định dương S thoả mãn phương trình:  AT S  SA  S  Q    S  AT S  SA  Q (2.4) Phương trình (2.4) gọi phương trình Lyapunov  Khi S không thay đổi theo thời gian S  , ta có phương trình đại số Lyapunov:  AT S  SA  Q (2.5) Chỉ tiêu chất lượng J tính sau:  J   x Qxdt  x T T  Sx   xT () Sx()  xT (0)Sx(0) Khi tất phần tử ma trận A âm , ta có x ( )  Do : J  xT (0) Sx(0) (2.6) 2.2.2 Điều khiển tối ưu hệ tuyến tính với tiêu chất lượng dạng tồn phương - Phương trình Riccati hệ liên tục Xét hệ thống có tác động ngồi ( u ≠ ):  x  Ax  Bu (2.7) Chúng ta cần tìm ma trận K vector điều khiển tối ưu : u (t )   Kx(t ) (2.8) thỏa mãn tiêu chất lượng J đạt giá trị cực tiểu : Trang Chương 2: Cơ sở lý thuyết phương pháp điều khiển  J   ( xT Qx  u T Ru )dt (2.9) Trong đó: Q ma trận xác định dương (hoặc bán xác định dương), R ma trận xác định dương Chú ý: thành phần thứ hai phần bên phải phương trình (2.9) xác định lượngnăng lượng tiêu tốn tín hiệu điều khiển Chúng ta chứng minh luật điều khiển tuyến tính cho phương trình (2.8) luật điều khiển tối ưu Khi đó, ma trận K xác định để tối thiểu hố tiêu chất lượng J luật điều khiển u(t) tối ưu với trạng thái ban đầu x(0) Từ (2.7) (2.8) ta có:  x  Ax  BKx  ( A  BK ) x (2.10) Thay u (t )   Kx(t ) vào phương trình (2.9):  J   ( xT Qx  xT K T RKx ) dt (2.11)    ( xT (Q  K T RK ) xdt Bây ta chọn hàm lượng : V ( x)  xT Sx V ( x)  0, x (2.12) với S ma trận vuông xác định dương T   V ( x)  x Sx  xT S x  xT S x    xT ( A  BK )T Sx  xT S x xT S ( A  BK ) x     xT  ( A  BK )T Sx  S  S ( A  BK )  x   (2.13)  Do V(x) xác định dương, nên để hệ thống ổn định V ( x) phải xác định âm Ta đặt: Trang Chương 2: Cơ sở lý thuyết phương pháp điều khiển  V ( x)  d T  x Sx    xT  Q  K T RK  x dt (do Q R ma trận xác định dương nên ma trận  Q  K T RK  xác định  dương , từ V ( x ) xác định âm)   xT  Q  K T RK  x   xT  ( A  BK )T Sx  S ( A  BK )  S  x       Q  K T RK  ( A  BK )T Sx  S  S ( A  BK )  S (2.14) Theo tiêu chuẩn ổn định thứ hai Lyapunov, ma trận (A-BK) ổn định tồn ma trận xác định dương S thoả mãn phương trình (2.14) Chỉ tiêu chất lượng xác định sau:   0 T J   ( xT Qx  u T Qu )dt   x Sx   xT ( ) Sx( )  xT (0) Sx(0) Lưu ý x( )   J  x(0)T Sx(0) Đặt R  T T T ,phương trình (2.14) trở thành:  ( AT  K T BT ) S  S ( A  BK )  S  Q  K T T T TK  Phương trình viết lại sau: T  AT S  SA  TK  (T T )1 BT S  TK  (T T ) 1 BT S   SBR 1BT S  Q  S  (2.15)     Chỉ tiêu chất lượng J đạt giá trị cực tiểu biểu thức: T xT TK  (T T ) 1 BT S  TK  (T T )1 BT S  x , đạt giá trị cực tiểu     Trang 10 Chương 4: Thiết kế thi công lắc ngược quay Mạch cách ly chip F28335 mạch cầu H Hình 4.17 Opto 6N136 IC cách ly chuyên dùng có tần số đóng ngắt cao để xử lý tín hiệu PWM tín hiệu đảo chiểu động sử dụng để nhận tín hiệu điều khiển từ chip F28335 Hình 4.17 Sơ đồ nguyên lý mạch cách ly dùng IC 6N136 Hình 4.18 Mạch cầu H thi công Trang 73 Chương 4: Thiết kế thi cơng lắc ngược quay 4.2.Thiết kế chương trình điều khiển thời gian thực cho hệ lắc ngược quay 4.2.1.Giới thiệu Matlab Simulink Code Composer Studio Thư viện target hỗ trợ C2000 cung cấp Simulink cho phép người dùng phát mã C tạo project liên kết với CCS 3.3 giúp cho việc lập trình trở nên đơn giản trực quan Trước hết người đùng lập trình giải thuật điều khiển Matlab Simulink, thư viện biên dịch giải thuật dạng khối thành mã code C nhúng vào CCS 3.3 sau CCS biên dịch mã C thành mã máy để nhúng vào TMS320F28335 Quá trình diễn hồn tồn tự động Hình 4.19 Quan hệ MATLAB , CCS DSP (TMS320F28335) Việc kết hợp thư viện Target For TI C2000 tíchhợp sẵn Simulink Matlab với Code Composer Studio (CCS) hãng Texas Instrument cho phép người sử dụng dịch chương trình Simulink sang ngôn ngữ Cchạy chip DSP C2000 TI C280x fixed point DSP, C281x fixed point DSP, C28x3x floating point DSP,… Quá trình dịch, liên kết, download thực thi chương trình broad DSP thực hoàn toàn tự động Các module ngoại vi chip DSP hổ trợ đầy đủ Trang 74 Chương 4: Thiết kế thi cơng lắc ngược quay Hình 4.20 Thư viện Texas Instruments C2000 Hình 4.21 Thư viện Target Preferences Trang 75 Chương 4: Thiết kế thi công lắc ngược quay MATLAB® cung cấp thư viện rõ ràng khối (block) xây dựng cho vi điều khiển DSP họ C2000 Texas Instruments Để lập trình ứng dụng C28x,bạn đơn giản kéo va thả (drag-and-drop) khối chuẩn Simulink model.MathWorks giúp bạn làm cơng việc khó Hình 4.22.Các khối hỗ trợ việc lập trình simulink Trang 76 Chương 4: Thiết kế thi công lắc ngược quay 4.2.2.Giới thiệu khối sử dụng luận văn 4.2.3.1 QEP - QEP chữ viết tắt từ Quadrature Encoder Pulse - Khối QEP có đầu vào xung A,B encoder - Từ tín hiệu nhân , suy tốc độ chiều motor 4.2.3.2 Digital Output Trong luận văn này,người dùng sử dụng khối Digital Output để làm tín hiệu đổi chiều động cấp vào chân DIR mạch cầu H 4.2.3.3 SCI Transmit Sử dụng khối để truyền thơng số vị trí,vận tốc giá trị điện áp qua cổng nối tiếp lên máy tính để thu thập liệu vẽ đáp ứng 4.2.3.4 PWM Khối PWM người dùng sử dụng để điều rộng xung điều khiển tốc độ nhanh chậm động Trang 77 Chương 4: Thiết kế thi công lắc ngược quay 4.2.3 Các khối chương trình Matlab Simulink 4.2.3.1 Khối xử lý vị trí vận tốc lắc(Pendulum) Khối có chức nhận tín hiệu xung clock từ encoder gắn lắc (link 1) chuyển thành giá trị vị trí vận tốc lắc cung cấp cho điều khiển Hình 4.23 Khối xác định vị trí vận tốc lắc - Khối S-Function Bulder tính tốn vị trí từ số xung thu thập QEP - Để nội suy từ vị trí vận tốc ta dùng cơng thức: Vận tốc = (vị trí sau – vị trí đầu)/thời gian lấy mẫu Khối Unit Delay dùng để lấy giá trị khứ khối Gain giúp ta nội suy vận tốc từ vị trí 4.2.3.2 Khối xử lý vị trí vận tốc cánh tay(arm) Tương tự trên, khối xử lý vị trí vận tốc cánh tay tính tốn vị trí , vận tốc cánh tay nhờ vào tín hiệu từ encoder gắn trục động Hình 4.24 Khối xác định vị trí vận tốc cánh tay Trang 78 Chương 4: Thiết kế thi công lắc ngược quay 4.2.3.3 Khối điều khiển động Khối điều khiển động có chức đổi giá trị điều khiển u sinh điều khiển thành giá trị đặt cho module PWM để điều khiển tốc độ động xác định chiều quay động Hình 4.25 Khối điều khiển động Hình 4.26 Chuyển đổi tín hiệu điều khiển u sang giá trị xung ePWM Trang 79 Chương 4: Thiết kế thi công lắc ngược quay 4.2.3.4 Khối truyền liệu nối tiếp Giá trị tín hiệu điều khiển, giá trị vị trí vận tốc góc quay lắc, giá trị vị trí vận tốc góc quay cánh tay truyền trực tiếp máy vi tính thơng qua khối truyền thơng SCI Các giá trị vị trí ,vận tốc,điện áp đưa qua khối S-function builder để xử lý từ dạng số thực sang dạng chuỗi string để việc truyền qua cổng nối tiếp dễ dàng bị sai nhiễu Kết thúc frame truyền kí tự “10” kí tự xuống dịng để lên máy tính,dữ liệu phân biệt đọc xác Hình 4.27 Khối truyền liệu nối tiếp Trang 80 Chương 4: Thiết kế thi cơng lắc ngược quay Trên máy tính học viên viết chương trình giao diện phần mềm Visual Studio 2010 để hiển thị liệu trực tiếp thu thập liệu Sau đó, dùng liệu thu thập vẽ đáp ứng hệ lắc ngược quay để kiểm tra phương pháp điều khiển Chi tiết Form giao diện thể Hình 4.28 Hình 4.28 Chương trình C# hiển thị thu thập liệu Form giao diện có chức hiển thị vẽ đồ thị trực tiếp giá trị vị trí,vận tốc lắc cánh tay,giá trị điện áp điều khiển,đồng thời chương trình thu thập liệu hiển thị Trang 81 Chương 4: Thiết kế thi công lắc ngược quay 4.2.4 Xây dựng chương trình điều khiển thời gian thực Hình 4.29 Mơ hình điều khiển thực hệ thống lắc ngược quay Mơ hình điều khiển thực hệ thống lắc ngược quay xây dựng Matlab Simulink thể chi tiết Hình 4.29 bao gồm khối Encoder link Encoder link để xác định giá trị vị trí ,vận tốc lắc cánh tay miêu tả phần trên.Quan trọng khối điều khiển bao gồm khối điều khiển Swing – up ,khối điều khiển Switch để chuyển từ điều khiển Swing sang điều khiển cân khối điều khiển cân dùng thuật tốn LQR Chương trình xây dựng dựa vào kết mô thu Chương  Kết điều khiển thời gian thực: Con lắc từ vị trí cân điều khiển swing – up lên vị trí cân 6s giữ ổn định tốt vị trí Các kết cụ thể thể đồ thị đáp ứng hình bên Trang 82 Chương 4: Thiết kế thi cơng lắc ngược quay Hình 4.30 Đáp ứng góc lắc alpha góc cánh tay theta Hình 4.31 Đáp ứng vận tốc góc lắc vận tốc góc cánh tay Trang 83 Chương 4: Thiết kế thi cơng lắc ngược quay Hình 4.32 Đáp ứng luật điều khiển  Nhận xét : Con lắc giữ cân tốt điểm cân nhiên nhiễu nên hệ thống rung lắc cánh tay dao động Trang 84 Chương 5: Kết thực hiện, kết luận đánh giá Chương KẾT LUẬN VÀ ĐÁNH GIÁ 5.1 Kết luận  Đề tài nhóm hồn thành số công việc sau: - Nghiên cứu chi tiết hệ lắc ngược quay, xây dựng mơ hình tốn học nắm vững đặc tính động học hệ lắc ngược quay.Thiết kế thi công toàn hệ lắc ngược bao gồm phần khí phần điện tử - Nghiên cứu chip DSP TMS320F28335, nghiên cứu lập trình C Matlab cho chip DSP TMS320F28335 - Nghiên cứu giải thuật lý thuyết điều khiển đại - Thiết kế, xây dựng mơ hình lắc ngược quay mô đáp ứng Simulink Matlab - Thiết kế điều khiển thời gian thực mơ hình lắc ngược quay - Xuất tín hiệu vẽ đồ thị góc quay máy tính để xem tính đáp ứng tính ổn định hệ thi cơng  Điểm hạn chế : - Mơ hình cịn bị vướng dây hoạt động cánh tay di chuyển phạm vi hạn chế - Tín hiệu vận tốc lắc cánh tay không đo trực tiếp mà phải nội suy từ vị trí Do đó, hai giá trị bị sai số làm tính ổn định hệ thống 5.2.Đóng góp luận văn - Luận văn đề xuất,đóng góp phương pháp điều khiển hệ lắc ngược quay - Khái quát, ứng dụng số lý thuyết điều khiển đại vào điều khiển phi tuyến hệ lắc ngược quay 5.3.Hướng phát triển đề tài Để lắc ngược vào mức ổn định cao ta cần phát triển đồng thời phần cứng phần mền mơ hình lắc ngược quay: - Về phần cứng thiết kế thêm chổi than để hệ thống khỏi bị vướng dây Trang 85 Chương 5: Kết thực hiện, kết luận đánh giá - Về phần mềm nghiên cứu thêm nhiều giải thuật điều khiển Fuzzy, Neural… - Xây dựng phương pháp điều khiển để hệ lắc ngược quay ổn định điểm kể điểm vùng không ổn định - Hệ lắc ngược hệ thống thiếu cấu truyền động bậc hai nên phát triển phương pháp điều khiển luận văn cho hệ thống thiếu cấu truyền động bậc cao Trang 86 Tài liệu tham khảo TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] K.J Astrom and K Furuta (1996),”Swing-up a pendulum by energy control”,paper presented at IFAC 13th World Congress, San Francisco, Califonia [2] Huỳnh Thái Hoàng, giảng “ Lý thuyết điều khiển nâng cao” “ Lý thuyết điều khiển thông minh” [3] Tan Kok Chye and Teo Chun Sang (1998/99), “Rotary inverter pendulum”, school of electrical and electronic engineering nanyang technological university, school of electrical and electronic engineering [4]Xiumin Diao, Dr Ou Ma ( 2006), “Rotary inverter pendulum”, Department of Mechanical Engineering New Mexico State University [5] User ‘s guide, “ Embedded Target for the TI TMS320C2000TMDSP Platform [6] Texas Intruments, TMS320F28335,TMS320F28334, TMS320F28332, TMS320F2835, TMS320F28234, TMS320F28232, Digital Signal Controller (DSCs) ,Data Manual [7] Experinent 5: Modeling and Linear Quadratic Control of a Rotary Inverted Pendulum [8] Hà Thanh Việt( 2011), luận văn thạc sĩ “ Điều khiển mờ trượt thích nghi với hệ Acrobot” [9] Phạm Quốc Đạt_ Trần Văn Luân (2012), đồ án tốt nghiệp “Thiết Kế Và Điều Khiển Hệ Thống Con Lắc Ngược Quay” [9] Các trang web www4.hcmut.edu.vn/~hthoang/, www.mathwork.com , www.dientuvietnam.net Trang 87 ... 3: Nghiên cứu thuật toán điều khiển hệ thống lắc ngược quay  Mô điều khiển LQR hệ lắc ngược quay Matlab Simulink Hình 3.9 Mơ lắc ngược quay Matlab Simulink  Kết mô điều khiển LQR hệ lắc ngược. .. hệ lắc ngược quay Chương Nghiên cứu thuật toán điều khiển hệ thống lắc ngược quay Chương nghiên cứu mơ hình tốn học lắc ngược quay Xây dựng mơ hình mơ hệ lắc ngược quay, giải thuật điều khiển. .. thống lắc tuyến tính có điều khiển. Sau áp dụng kết mô để đưa vào điều khiển mơ hình lắc ngược quay thiết kế thực tế 3.1 Giới thiệu sơ lược hệ thống lắc ngược quay Hệ thống lắc ngược vấn đề điều khiển