(Luận văn thạc sĩ) điều khiển mờ trượt cho hệ bóng thanh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN THỊ OANH ÐIỀU KHIỂN MỜ TRUỢT CHO HỆ BÓNG THANH NGÀNH: KỸ THUẬT ÐIỆN - 60520202 S KC 0 8 Tp Hồ Chí Minh, tháng 03/2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN THỊ OANH ĐIỀU KHIỂN MỜ TRƯỢT CHO HỆ BÓNG THANH NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202 Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2016 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: NGUYỄN THỊ OANH Giới tính: Nữ Ngày, tháng, năm sinh: 04/12/1984 Nơi sinh: Thanh Hóa Quê quán: Thanh Hóa Dân tộc: Kinh Chỗ riêng địa liên lạc: KTX Trường TCN CƠ ĐIỆN ĐNB, Thiện Tân – Vĩnh Cửu – Đồng Nai Điện thoại quan: Điện thoại nhà riêng: 01647383272 Fax: E-mail: nguyenoanh0412@gmail II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO Trung học: Từ 2000-2003: học sinh trường THPT Lê Văn Hưu, tỉnh Thanh Hóa Đại học: Hệ đào tạo: Chính Quy Thời gian đào tạo từ 09/2004 đến 7/2009 Nơi học (trường, thành phố): Trường Học viện Kỹ thuật Quân Sự Ngành học: Điện – Điện Tử Tên đồ án, luận án môn thi tốt nghiệp: Nghiên cứu ảnh hưởng công suất đỉnh cơng suất trung bình (PAR) tới chất lượng OFDM Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án thi tốt nghiệp: 19/07/2009 – Trường Học viện Kỹ thuật Quân Sự Người hướng dẫn: Đại tá, PGS, TS ĐINH THẾ CƯỜNG III Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác 02/2010–đến Trường TCN Cơ điện Đông Nam Bộ Công việc đảm nhiệm Giáo viên HVTH: NGUYỄN THỊ OANH i Luận văn thạc sĩ GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 03 năm 2016 (Ký tên ghi rõ họ tên) NGUYỄN THỊ OANH HVTH: NGUYỄN THỊ OANH ii Luận văn thạc sĩ GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM LỜI CẢM ƠN Lời cảm ơn đầu tiên, xin chân thành gửi đến Thầy Nguyễn Minh Tâm người tận tình hướng dẫn truyền đạt kiến thức giúp tơi hồn thành luận văn Bên cạnh đó, tơi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô môn Điều Khiển Tự Động đặc biệt gửi lời cảm ơn sâu sắc tới Thầy Nguyễn Văn Đông Hải cho tơi kiến thức bổ ích quý giá trình học tập để ứng dụng vào nghiên cứu phát triển đề tài ứng dụng vào công việc sau Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến tất bạn cao học Kỹ thuật điện khóa 2014A động viên, giúp đỡ, trao đổi kiến thức với suốt khóa học Tp.HCM, ngày 20 tháng 03 năm 2016 Người thực luận văn NGUYỄN THỊ OANH HVTH: NGUYỄN THỊ OANH iii Luận văn thạc sĩ GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM TÓM TẮT Hệ thống ball and beam hệ thống sử dụng nhiều phịng thí nghiệm, sử dụng để kiểm chứng tính xác thực giải thuật tuyến tính lẫn phi tuyến, cổ điển đại Hệ thống bao gồm động DC, banh máng trượt, dây điện trở, Encoder gắn đồng trục với động Trong luận văn học viên xem xét giải vấn đề liên quan đến hệ bóng Do tồn lực ma sát lăn, nên đáp ứng hệ thống đạt mức độ tương đối Hệ ball and Beam trục lệch đòi hỏi thách thức điều khiển so với Ball and Beam trục thân hệ thống khơng ổn định vị trí mà phải tính toán trước lực để ổn định ban đầu cho hệ thống Hơn banh có xu hướng lăn tự nên việc cho banh cân khó banh có xu hướng lệch khỏi vị trí cân cao Nếu cảm biến vị trí dây điện trở khơng xác làm cho viên bi định vị không vị trí dẫn đến sai số lớn cân Trong luận văn học viên thiết kế cấu trúc điều khiển trượt điều khiển mờ trượt Sau áp dụng cấu trúc điều khiển khiển trượt điều khiển mờ trượt mơ hình bóng thực tế HVTH: NGUYỄN THỊ OANH iv Luận văn thạc sĩ GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM ABSTRACT Ball and beam system is a system that is used a lot in the lab, it can be used to verify the authenticity of the linear and nonlinear algorithm, as well as a modern or classical algorithm The system consists of DC motors, ball slides, resistance wire, coaxial encoder attached to the motor In this thesis, student will consider and resolve issues relating to ball and beam system Due to the existence of rolling friction, so the response of the system to achieve a relatively high level Ball and Beam System with deviating-axis requires more controlling challenges than Ball and Beam with between-axis because the system itself is not stable in position which must be calculated before an initial force to stabilize the system Furthermore, becauseit it is difficult for the ball to roll up the freedom to balance the ball And the tension of the ball is deviating from the equilibrium position If the position-sensoring wires sensor incorrectly, it will cause the balls are not in right place, leading to significant error and imbalancing system In this thesis, student designs sliding mode controller structures and Fuzzy logic controller structures Then, I applicate sliding mode controller structures and Fuzzy logic controller structures actual ball and beam model HVTH: NGUYỄN THỊ OANH v Luận văn thạc sĩ GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM MỤC LỤC LÝ LỊCH KHOA HỌC i LỜI CAM ĐOAN ii LỜI CẢM ƠN iii TÓM TẮT iv MỤC LỤC vi DANH SÁCH CÁC HÌNH .viii DANH SÁCH CÁC BẢNG xi DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT xii Chương TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan đề tài 1.1.1 Đặt vấn đề 1.1.2 Tổng quan hệ thống Ball and Beam 1.1.3 Các đề tài nghiên cứu hệ thống ball and beam 1.2 Mục tiêu luận văn 1.3 Nhiệm vụ đề tài: 1.4 Phương pháp thực 1.5 Nội dung luận văn 1.6 Ý nghĩa thực tiễn đề tài Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT 10 2.1 Mơ hình tốn học hệ thống bóng 10 2.2 Điều khiển trượt cho hệ bóng 15 2.2.1 Giới thiệu 15 2.2.2 Hiện tượng chattering 18 2.2.3 Ứng dụng điều khiển trượt cho hệ bóng 19 Điều khiển mờ trượt cho hệ thống bóng 19 2.3.1 Tổng quan điều khiển mờ 19 2.3.2 Ứng dụng điều khiển mờ trượt cho hệ bóng 30 2.4 Xây dựng mơ hình mờ trượt cho hệ bóng 31 2.4.1 Xây dựng mơ hình trượt cho hệ bóng 31 2.4.2 Xây dựng mơ hình mờ trượt cho hệ bóng 31 HVTH: NGUYỄN THỊ OANH vi Luận văn thạc sĩ GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM Chương KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 33 3.1 Xây dựng đối tượng mô 33 3.2 Điều khiển trượt 334 3.3 Điều khiển mờ trượt 335 Chương MƠ HÌNH THỰC TẾ 41 4.1 Giới thiệu mơ hình thực tế 41 4.2 Cảm biến 43 4.2.1 Encoder 43 4.2.2 Cảm biến dây điện trở 45 4.3 Động 46 4.4 Mạch điện 46 4.4.1 DSP TMS320F28335 46 4.4.2 Cầu H 47 4.4.3 Nguồn 48 4.5 Phần mềm lập trình 49 4.6 Chương trình lập trình 51 4.7 Kết thực tế dùng SMC điều khiển mờ trượt 52 4.8 Kết luận 57 Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 58 5.1 Kết luận 58 5.1.1 Những nhiệm vụ hoàn thành 58 5.1.2 Những hạn chế 58 5.1.3 Kết luận 58 5.2 Hướng phát triển 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO 60 HVTH: NGUYỄN THỊ OANH vii Luận văn thạc sĩ GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 1 Một số hệ thống kiểm tra giải thuật cân Hình Các hệ thống Ball and Beam hay dùng Hình Các cảm biến dùng hệ Ball and Beam Hình Quả bóng cân dầm” xây dựng Berkeley Robotics Laboratory(Arroyo2005) Hình Sản Phẩm Ball and Beam Quanser chế tạo năm 2006 Hình Hệ Ball and Beam dùng giải thuật PID dựa vi điều khiển MC9S12C32 Hình Hệ Ball and Beam sử dụng giải thuật Fuzzy Logic Hình Mơ hình tốn học hệ thống bóng 10 Hình 2 Trục tọa độ lực thành phần hệ thống bóng 10 Hình Mối quan hệ vị trí động góc Beam 14 Hình Hệ thống điều khiển trượt 15 Hình Hình chiếu quỹ đạo pha 18 Hình Hiện tượng chattering 18 Hình Sơ đồ điều khiển trượt 19 Hình Miền xác định, miền tin cậy tập mờ 20 Hình Các giá trị ngơn ngữ biến ngõ vào 22 Hình 10 Miền xác định theo phương pháp cực đại 24 Hình 11 Miền xác định theo phương pháp trọng tâm 26 Hình 12 Cấu trúc điều khiển mờ 28 Hình 13 Cấu trúc luật điều khiển mờ 29 Hình 14 Sơ đồ nguyên lý điều khiển mờ 29 Hình 15 Phương pháp điều khiển mờ trượt 30 Hình 16 Hàm thuộc với tập mờ 32 Hình Bên sơ đồ khối mơ tả phương trình tốn học hệ thống bóng 33 Hình Chương trình mơ điều khiển trượt 34 HVTH: NGUYỄN THỊ OANH viii Luận văn thạc sĩ GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM xung (PWM) Ngõ kit DSP dạng PWM qua mạch cơng xuất điều khiển động Gồm Mosfet có tác dụng đảo chiều động Hình 4.10: Mạch cầu H thực tế Mạch cầu H chịu dòng 10 A điều xung 95% Có ngõ vào điều xung PWM ngõ vào chọn chiều quay động Ngõ điều xung lấy từ kênh điều xung DSP, ngõ chọn chiều quay kích từ chân GPIO DSP 4.4.3 Nguồn Hình 4.11: Nguồn DC 24V – 5A HVTH: NGUYỄN THỊ OANH 48 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM Nguồn 24V cung cấp cho mạch cầu H để cấp cho động Beam quay Thơng số kỹ thuật: • Áp vào 180-230V, áp 24V-5ª 4.5 Phần mềm lập trình Hình 4.12: Thư viện Target Support Package cho DSP F28335 HVTH: NGUYỄN THỊ OANH 49 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM Quá trình điều khiển cầu trục thực vi điều khiển DSP TMS320F28335 với hỗ trợ thư viện Target Support Package Matlab –hỗ trợ cho vi điều khiển họ TI C2000 Bộ điều khiển thiết kế Simulink miền rời rạc, sau ứng dụng Embedded IDE Link biên dịch sang mã ngơn ngữ C tương thích với thư viện hỗ trợ Code Composer, sau tiếp tục Code Composer biên dịch thành mã máy nhúng vào DSP TMS320F28335 Biểu tượng Chức Xuất tín hiệu digital Xuất tín hiệu truyền thơng UART: gửi giá trị máy tính để theo dõi, giám sát Điều chế độ rộng xung, đảo chiều động Đọc encoder Đọc giá trị điện trở Bảng 4.2: Các khối chức sử dụng chương trình Matlab sử dụng Version 2012b Chương trình viết hồn tồn Simulink/ Matlab Sau đó, ta tiến hành tạo Project tương ứng CCS thông qua thao tác Build all chương trình Simulink Khi Project tạo thành cơng CCS ta tiếp tục Build project CCS để tạo file out tương ứng nạp vào chip TMS320F28335 (tương tự file hex nạp cho chip 89c51) HVTH: NGUYỄN THỊ OANH 50 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM Các khối chức sử dụng chương trình 4.6 Chương trình lập trình Chương trình thực tế để nạp cho DSP có dạng sau: Hình 4.13: Hình ảnh chương trình nạp thực tế cho DSP Hình 4.14: Sơ đồ khối bên điều khiển trượt HVTH: NGUYỄN THỊ OANH 51 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM Hình 4.15: Sơ đồ khối bên điều khiển mờ trượt 4.7 Kết thực tế dùng SMC điều khiển mờ trượt • Với tín hiệu đặt 10cm Lúc đáp ứng ngõ là: 12 e1 e4 B all p osition ( cm ) 10 10 20 30 40 50 Time (s) 60 70 80 90 100 Hình 4.16: Vị trí bi (e1: SMC, e4: điều khiển mờ trượt) HVTH: NGUYỄN THỊ OANH 52 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM 60 e e3 A ng le o f b ea m ( r a d) 50 40 30 20 10 0 10 20 30 40 50 Time(s) 60 70 80 90 100 Hình 4.17: Góc lệch beam (e: SMC, e3: điều khiển mờ trượt) 20 e2 e5 A pp lied v olt a g e ( V ) 15 10 0 10 20 30 40 50 Time(s) 60 70 80 90 100 Hình 4.18: Điện áp cấp cho động (e2: SMC, e5: điều khiển mờ trượt) • Với vị trí đặt viên bi 20 cm HVTH: NGUYỄN THỊ OANH 53 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM 22 20 e1 e4 18 B all p osition (cm ) 16 14 12 10 0 50 100 150 Time(s) Hình 4.19 : Vị trí bi (e1: SMC, e4: điều khiển mờ trượt) 60 e e3 A ng le o f b ea m ( r a d) 50 40 30 20 10 0 50 100 150 Time(s) Hình 4.20: Góc lệch beam (e: SMC, e3: điều khiển mờ trượt) HVTH: NGUYỄN THỊ OANH 54 Luận văn thạc sĩ 12 GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM e2 e5 A pp lied volta g e ( V ) 10 0 50 100 150 Time(s) Hình 4.21: Điện áp cấp cho động (e2: SMC, e5: điều khiển mờ trượt) • Giá trị đặt 30cm 35 Ball position (cm ) 30 25 20 15 10 0 50 100 150 200 Time(s) Hình 4.22: Vị trí bi (e1: SMC, e4: điều khiển mờ trượt) HVTH: NGUYỄN THỊ OANH 55 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM 60 e e3 A ng le o f b ea m ( d) 50 40 30 20 10 0 50 100 150 200 Time(s) Hình 4.23: Góc lệch beam (e: SMC, e3: điều khiển mờ trượt) 25 A pplied voltage (V ) 20 15 10 0 50 100 Time (s) 150 200 Hình 4.24: Điện áp cấp cho động (e2: SMC, e5: điều khiển mờ trượt) Nhận xét: HVTH: NGUYỄN THỊ OANH 56 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM Nhận xét: Sau khoảng thời gian ngắn góc lệch beam, vị trí hịn bi điện áp cấp cho động đạt đến giá trị đặt ổn định điều khiển mờ trượt nhanh SMC Do trình hoạt động, bị rung nên hịn bi khơng ln ln nằm tì lên beam, dẫn tới gai nhiễu chưa đạt vị trí cân 4.8 Kết luận Từ kết điều khiển thực tế, hệ thống ball and beam học viên thực sử dụng điều khiển mờ trượt có đáp ứng dần tới độ ổn định nhanh so với SMC Kết thực nghiệm nhanh ổn định so với kết mô Tuy nhiên, Kết thực nghiệm bị gai nhiễu so với kết mơ q trình hoạt động, bị rung nên hịn bi khơng ln ln nằm tì lên beam, dẫn tới gai nhiễu chưa đạt vị trí cân bằng, thành cơng bước đầu tảng cho bước cải tiến để cân tốt HVTH: NGUYỄN THỊ OANH 57 GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM Chương 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Chương trình bày tóm tắt kết mà đề tài đạt được, hạn chế tồn mơ hình hướng phát triển để khắc phục giới hạn nhằm hoàn thiện đề tài tốt 5.1 Kết luận 5.1.1 Những nhiệm vụ hoàn thành Luận văn giải vấn đề sau: • Nghiên cứu động lực học, phương trình tốn học, cấu tạo hệ thống bóng phịng thí nghiệm • Nghiên cứu tìm hiểu thức lập trình Matlab/Simulink cho DSP TMS320F28335 • Xây dựng phần cứng mơ hình thực cho hệ thống bóng • Nghiên cứu mô thành công giải thuật SMC điều khiển mờ trượt phần mềm Matlab/Simulink • Áp dụng thành công cấu trúc giải thuật SMC, điều khiển mờ trượt ổn định hệ thống bóng thực tế 5.1.2 Những hạn chế Do thời gian eo hẹp, đề tài cịn sai sót sau: • Chưa tận dụng việc triệt tiêu sai số cách chọn lựa thông số gama1, gama2, gama3, gama_hoa cho phù hợp • Chưa thử nghiệm loại cảm biến siêu âm để thay cho dây điện trở 5.1.3 Kết luận Thông qua luận văn, học viên nhận thấy: • Khi áp dụng cho hệ SIMO, cấu trúc điều khiển mờ trượt tốt HVTH: NGUYỄN THỊ OANH 58 GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM • Giải pháp sử dụng chip DSP TMS320F28335 giải pháp tốt để áp dụng giải thuật điều khiển cho hệ thống thực Đó sử dụng DSP, hỗ trợ mạnh Matlab/Simulink tron giải thuật điều khiển sử dụng lập trình nhúng Người lập trình khơng thiết phải chun gia lập trình thực thành cơng điều khiển nhúng cho mơ hình Mặt khác, chương trình điều khiển dễ hiểu, hồn tồn kế thừa chuyển giao 5.2 Hướng phát triển Đề tài cân hệ bóng cịn nhiều hướng mở rộng như: • Xây dựng thuật tốn thích nghi với tải trọng bi khác • Thay cảm biến dây điện trở cảm biến siêu âm để thông số cảm biến báo xác • Ứng dụng thêm điều khiển phi tuyến (backstepping, tuyến tính hóa vào/ra, trượt), thơng minh để tối ưu tín hiệu điều khiển • Ứng dụng them giải thuật di truyền để chọn lựa thông số gama1, gama2, gama3, gama_hoa cho phù hợp HVTH: NGUYỄN THỊ OANH 59 GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu nước [1] Bốc Minh Hùng, Điều khiển nhúng cho hệ bóng trục lệch, luận văn cao học Đại học Bách Khoa TPHCM, 2013 [2] Dương Huỳnh Bảo, Điều khiển LQR cho hệ bóng thanh, luận văn cao học Đại học Bách Khoa TPHCM, 2011 [3] Nguyễn Sơn Hà, Nghiên cứu điều khiển cân cho hệ Ball and Beam trục lệch, luận văn cao học Đại học Sư phạm kỹ thuật TPHCM, 2015 [4] Huỳnh Thái Hồng, Hệ thống điều khiển thơng minh, NXB Đại học Quốc Gia TPHCM, 2009 [5] Dương Hoài Nghĩa, Hệ thống điều khiển đa biến, NXB Đại học Quốc Gia TPHCM, 2007 [6] Nguyễn Thị Phương Hà, Hệ thống điều khiển nâng cao, NXB Đại học Quốc Gia TPHCM, 2012 [7] Phan Xuân Minh, Nguyễn Doãn Phước , Lý thuyết điều khiển mờ, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội 2002 [8] Nguyễn Trọng Thuần, Điều khiển Logic ứng dụng, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội 2000 Tài liệu nước [9] Naif B Almutairi, Mohamed Zribi: “On the Sliding Mode Control of a Ball on a Beam System”, P O Box 5969, safat 13060, KUWAIT [10] Naif B Almutairi · Mohamed Zribi: “On the sliding mode control of a Ball on a Beam system”, Received: April 2008 / Accepted: 17 May 2009 / Published online: June 2009 [11] Li-Xin Wang: “A Course In Fuzzy Systems And Control”, Prentice, Hall International, Editions, Inc, 1997 HVTH: NGUYỄN THỊ OANH 60 GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM [12] John Yen and Reza Langari: “Fuzzy logic: Intelligence information”, Prentice Hall Edition, Inc, 1999 HVTH: NGUYỄN THỊ OANH 61 ... 2.2.3 Ứng dụng điều khiển trượt cho hệ bóng 19 Điều khiển mờ trượt cho hệ thống bóng 19 2.3.1 Tổng quan điều khiển mờ 19 2.3.2 Ứng dụng điều khiển mờ trượt cho hệ bóng 30... lược hệ thống bóng − Mơ hình tốn học hệ bóng − Điều khiển trượt cho cho hệ bóng − Điều khiển mờ trượt cho hệ bóng Chương 3: Kết mơ − Xây dựng đối tượng mô HVTH: NGUYỄN THỊ OANH Luận văn thạc. .. Phân loại điều khiển mờ - Điều khiển Mamdani (MCFC) - Điều khiển mờ trượt (SMFC) - Điều khiển tra bảng (CMFC) - Điều khiển Tagaki/Sugeno (TSFC) 2.3.2 Ứng dụng điều khiển mờ trượt cho hệ bóng Gía