(Luận văn thạc sĩ) điều khiển trượt hệ con lắc ngược đơn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ QUANG VŨ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT HỆ CON LẮC NGƯỢC ĐƠN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202 S K C0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ QUANG VŨ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT HỆ CON LẮC NGƯỢC ĐƠN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202 Hướng dẫn khoa học: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA Tp Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2015 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ tên: LÊ QUANG VŨ Giới tính: Nam Ngày sinh: 10-10-1982 Nơi sinh: Thanh Hoá Quê quán: Thanh Hoá Dân tộc: Kinh Địa tạm trú: 46A đường 11, P Tăng Nhơn Phú B, Q.9, TP.HCM Điện thoại quan: (08)37421331 Điện thoại di động: 0903095968 Fax: Email: quangvuspkt@gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Từ 2007 - 2009: sinh viên trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, chuyên ngành: Điện Công Nghiệp Từ 2013 - 2015: học viên cao học trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, chuyên ngành: Kỹ thuật điện III Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 09/2009 - 05/2012 Công ty CP Công nghệ Hải Sơn Giám sát, thiết kế 06/2012 - 09/2015 Công ty TNHH SX & TM Thanh Luân Tổ trưởng tổ điện 10/2015 - đến Công ty Cổ Phần XNK Nam Thái Sơn Thiết kế HVTH: Lê Quang Vũ Trang Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS DƯƠNG HỒI NGHĨA LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan luận văn “Điều khiển trƣợt hệ lắc ngƣợc đơn” thực hiện, không chép kết người khác Tôi xin chịu trách nhiệm cam đoan Tp Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 10 năm 2015 (Ký tên ghi rõ họ tên) Lê Quang Vũ HVTH: Lê Quang Vũ Trang Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin chân thành gửi đến thầy PGS.TS Dƣơng Hoài Nghĩa 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 khoa Điện-Điện tử truyền đạt 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 2013A động viên, giúp đỡ, trao đổi kiến thức với suốt khóa học Tp.HCM, ngày 25 tháng 10 năm 2015 Học viên Lê Quang Vũ HVTH: Lê Quang Vũ Trang Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA TÓM TẮT LUẬN VĂN CAO HỌC Hệ thống lắc ngược hệ thống có kết cấu khí đơn giản mang đầy đủ đặc tính hệ phi tuyến SIMO điển hình Do đó, hệ thống sử dụng rộng rãi phịng thí nghiệm để nghiên cứu giải thuật điều khiển điều khiển tuyến tính, điều khiển thơng minh, điều khiển phi tuyến, nhận dạng hệ thống… Hệ thống lắc ngược gồm hai phần: cánh tay gắn vào động DC quay quanh trục thẳng đứng lắc gắn vào trục encoder cuối cánh tay tự mặt phẳng vng góc với cánh tay Trong luận văn học viên xem xét giải vấn đề liên quan đến hệ lắc ngược Do tồn lực ma sát trượt, lực ly tâm nên đáp ứng hệ thống đạt mức độ tương đối Hơn lắc có xu hướng rơi xuống vị trí cân hướng xuống tác dụng trọng lực nên việc điều khiển cân lắc vị trí cân hướng lên khó khăn lắc có xu hướng lệch khỏi vị trí cân cao Nếu cảm biến vị trí khơng xác làm cho lắc định vị không vị trí dẫn đến sai số lớn cân Trong luận văn học viên dựa giải thuật trượt để điều khiển cân lắc vị trí mong muốn so sánh đáp ứng hệ thống HVTH: Lê Quang Vũ Trang Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT PID: Proportional Integral Derivative LQR: Linear Quadratic Regulator PWM: Pulse Width Modulation SISO: Single Input Single Outputs SIMO: Single Input Multi Outputs DSP: Digital Signal Processing PCI: Peripheral Component Interconnect QEP: Quadrature Encoder Pulse HVTH: Lê Quang Vũ Trang Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Mơ hình lắc ngược quay Hình 1.2: Một số mơ hình phần cứng lắc ngược quay Hình 2.1: Sơ đồ khối mơ hình lắc ngược thực luận văn Hình 2.2: Mơ hình tốn học lắc Hình 2.3: Phân tích lực tác dụng 10 Hình 2.4: Hệ thống lắc nhìn từ phía 12 Hình 4.1: Mơ hình thực tế hệ lắc ngược quay 18 Hình 4.2: Motor DC Servo hãng Tamagawa với Seri TS 1983N146E5 20 Hình 4.3: Cảm biến tốc độ 20 Hình 4.4: Board điều khiển TMDSF28335 21 Hình 4.5: Sơ đồ nguyên lý mạch cầu H 22 Hình 4.6: Mạch cầu H cho động 22 Hình 4.7: Quá trình chuyển đổi từ Simulink sang ngơn ngữ C chạy chip DSP 23 Hình 5.1: Mơ hình hệ lắc ngược quay Matlab 24 Hình 5.2: Mơ hình lắc có quan tâm đến giá trị mặt trượt 25 Hình 5.3: Bên khối Sliding Mode Control 25 Hình 5.4: Khối điều khiển ta quan tâm giá trị mặt trượt 26 Hình 5.5: Sơ đồ bên khối mơ hệ thống 27 Hình 5.6: Góc quay cánh tay (rad) 28 Hình 5.7: Góc quay lắc (rad) 29 Hình 5.8: Tín hiệu điện áp điều khiển (V) 29 Hình 5.9: Giá trị mặt trượt S1 theo thời gian 29 Hình 5.10: Giá trị mặt trượt S2 theo thời gian 30 HVTH: Lê Quang Vũ Trang Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS DƯƠNG HỒI NGHĨA Hình 6.1: Thời gian lấy mẫu 31 Hình 6.2: Sơ đồ khối Matlab dùng để điều khiển lắc ngược 32 Hình 6.3: Sơ đồ khối Matlab dùng để truy xuất liệu .34 Hình 6.4: Kết điều khiển giữ cân lắc 35 Hình 6.5: Góc lệch lắc với điều khiển trượt 35 Hình 6.6: Góc quay cánh tay với điều khiển trượt 36 Hình 6.7: Điện áp đặt vào động với điều khiển trượt 36 Hình 6.8: Mặt trượt S1 36 Hình 6.9: Mặt trượt S2 37 Hình 6.10: Góc lệch lắc với điều khiển trượt 37 Hình 6.11: Góc quay cánh tay với điều khiển trượt 37 Hình 6.12: Điện áp đặt vào động với điều khiển trượt 38 Hình 6.13: Mặt trượt S1 39 Hình 6.14: Mặt trượt S2 38 Hình 6.15: Góc lệch lắc với điều khiển trượt 39 Hình 6.16: Góc quay cánh tay với điều khiển trượt 39 Hình 6.17: Điện áp đặt vào động với điều khiển trượt 39 Hình 6.18: Mặt trượt S1 40 Hình 6.19: Mặt trượt S2 40 Hình 6.20: Góc lệch lắc với điều khiển trượt 40 Hình 6.21: Góc quay cánh tay với điều khiển trượt 41 Hình 6.22: Điện áp đặt vào động với điều khiển trượt 41 Hình 6.23: Mặt trượt S1 41 Hình 6.24: Mặt trượt S2 42 Hình 6.25: Kết điều khiển giữ cân gắn m1 lắc 42 HVTH: Lê Quang Vũ Trang Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS DƯƠNG HỒI NGHĨA Hình 6.26: Góc lệch lắc với điều khiển trượt 42 Hình 6.27: Góc quay cánh tay với điều khiển trượt 43 Hình 6.28: Điện áp đặt vào động với điều khiển trượt 43 Hình 6.29: Mặt trượt S1 43 Hình 6.30: Mặt trượt S2 44 Hình 6.31: Kết điều khiển giữ cân gắn m1 đầu lắc 44 Hình 6.32: Góc lệch lắc với điều khiển trượt 44 Hình 6.33: Góc quay cánh tay với điều khiển trượt 45 Hình 6.34: Điện áp đặt vào động với điều khiển trượt 45 Hình 6.35: Mặt trượt S1 45 Hình 6.36: Mặt trượt S2 46 HVTH: Lê Quang Vũ Trang Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS DƢƠNG HỒI NGHĨA Hình 6.6: Góc quay cánh tay với điều khiển trƣợt Hình 6.7: Điện áp đặt vào động với điều khiển trƣợt Mặt trượt S1, S2 Hình 6.8: Mặt trƣợt S1 HVTH: Lê Quang Vũ Trang 36 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS DƢƠNG HỒI NGHĨA Hình 6.9: Mặt trƣợt S2 b) Với thơng số: λ1 = 0.5; λ2 = 0.6; λ3 = hệ số α = 0.3; ϕ = 0.5 Ta có: Hình 6.10: Góc lệch lắc với điều khiển trƣợt Hình 6.11: Góc quay cánh tay với điều khiển trƣợt HVTH: Lê Quang Vũ Trang 37 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS DƢƠNG HỒI NGHĨA Hình 6.12: Điện áp đặt vào động với điều khiển trƣợt Mặt trượt S1, S2 Hình 6.13: Mặt trƣợt S1 Hình 6.14: Mặt trƣợt S2 HVTH: Lê Quang Vũ Trang 38 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS DƢƠNG HOÀI NGHĨA c) Với thông số: λ1 = 0.5; λ2 = 0.6; λ3 = hệ số α = 0.01; ϕ = 0.5 ta có: Hình 6.15: Góc lệch lắc với điều khiển trƣợt Hình 6.16: Góc quay cánh tay với điều khiển trƣợt Hình 6.17: Điện áp đặt vào động với điều khiển trƣợt HVTH: Lê Quang Vũ Trang 39 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS DƢƠNG HỒI NGHĨA Mặt trượt S1, S2 Hình 6.18: Mặt trƣợt S1 Hình 6.19: Mặt trƣợt S2 d) Với thơng số: λ1 = 0.5; λ2 = 1; λ3 = hệ số α = 0.01; ϕ = 0.5 ta có: Hình 6.20: Góc lệch lắc với điều khiển trƣợt HVTH: Lê Quang Vũ Trang 40 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS DƢƠNG HỒI NGHĨA Hình 6.21: Góc quay cánh tay với điều khiển trƣợt Hình 6.22: Điện áp đặt vào động với điều khiển trƣợt Mặt trượt S1, S2 Hình 6.23: Mặt trƣợt S1 HVTH: Lê Quang Vũ Trang 41 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS DƢƠNG HỒI NGHĨA Hình 6.24: Mặt trƣợt S2 e) Với thông số: λ1 = 0.5; λ2 = 0.6; λ3 = hệ số α = 0.01; ϕ = 0.5 (con lắc gắn vật có khối lượng m1 = 13.5g lắc Hình 6.25: Kết điều khiển giữ cân gắn m1 lắc Hình 6.26: Góc lệch lắc với điều khiển trƣợt HVTH: Lê Quang Vũ Trang 42 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS DƢƠNG HỒI NGHĨA Hình 6.27: Góc quay cánh tay với điều khiển trƣợt Hình 6.28: Điện áp đặt vào động với điều khiển trƣợt Mặt trượt S1, S2 Hình 6.29: Mặt trƣợt S1 HVTH: Lê Quang Vũ Trang 43 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS DƢƠNG HỒI NGHĨA Hình 6.30: Mặt trƣợt S2 f) Với thông số: λ1 = 0.5; λ2 = 0.6; λ3 = hệ số α = 0.01; ϕ = 0.5 (con lắc gắn vật có khối lượng m1 = 13.5g đầu lắc Hình 6.31: Kết điều khiển giữ cân gắn m1 đầu lắc Hình 6.32: Góc lệch lắc với điều khiển trƣợt HVTH: Lê Quang Vũ Trang 44 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS DƢƠNG HỒI NGHĨA Hình 6.33: Góc quay cánh tay với điều khiển trƣợt Hình 6.34: Điện áp đặt vào động với điều khiển trƣợt Mặt trượt S1, S2 Hình 6.35: Mặt trƣợt S1 HVTH: Lê Quang Vũ Trang 45 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS DƢƠNG HỒI NGHĨA Hình 6.36: Mặt trƣợt S2 6.3 Nhận xét Từ hình vẽ, ta nhận thấy hệ thống hoạt động tương đối tốt với điều khiển trượt, lắc ổn định quanh điểm làm việc (0,0) Ngay đến vị trí cân hệ thống khơng dừng hẳn dao động mà có dấu hiệu dao động nhẹ quanh vị trí (0,0) Điều tính chất thỏa hiệp biến ngõ để chuyển hệ vào thỏa mãn điều khiển trượt Khi giảm λ2 lúc hệ thống ưu tiên cho mặt trượt S1, S1 tiến nhanh S2 khiến việc điều khiển hệ thống khó khăn khơng ổn định Khi tăng hệ số λ2 lớn λ1 lúc hệ thống ưu tiên cho mặt trượt S2, tức S2 tiến nhanh S1.Lúc lắc ổn định cánh tay dao động nhiều Khi ta treo vật nặng có khối lượng m1=13.5g lên lắc với thơng số trường hợp e, f hệ thống ổn định sau khoảng thời gian 3s, hệ thống có dao động nhẹ quanh điểm làm việc (0,0) HVTH: Lê Quang Vũ Trang 46 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS DƢƠNG HOÀI NGHĨA Chƣơng KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 7.1 Kết luận Hệ lắc ngược quay hệ vào nhiều Do đó, việc chọn mặt trượt cho kết hợp hai biến số cần điều khiển hệ thống trở tương tự hệ SISO quan trọng Luận văn tích hợp hai mặt trượt vào hàm Lyapunov dương chọn hàm u phù hợp để hàm Lyapunov tiến đến Đây điểm thành công lớn để kết hợp hàm trượt điều khiển cho hàm SIMO thơng thường, điều khiển trượt áp dụng cho hệ SISO có toán cụ thể giải cho hệ SISO theo [1] Việc chọn lựa thơng số điều khiển địi hỏi thời gian thực thành công mô thực nghiệm Con lắc cân 3s đến 8s thực nghiệm ổn định hoàn tồn mơ Tuy nhiên, việc chọn mặt trượt cịn mang tính thỏa hiệp S1 S2 x1 x2, x3 x4 nên lắc dao động qua lại (rất nhỏ) ổn định Mặt khác, điều khiển trượt tồn hàm sat() hàm sign() nên xảy tượng chattering Việc thay hoàn toàn hàm sign() hàm sat() làm giảm tượng chattering ảnh hưởng đến điều kiện ổn định cục hàm Lyapunov, nên việc thay khơng phải lúc thành cơng Ngồi ra, việc lựa chọn thông số lamda ảnh hưởng nhiều đến chất lượng hệ thống, việc chọn lựa lamda để hệ thống hoạt động tối ưu khó khăn HVTH: Lê Quang Vũ Trang 47 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS DƢƠNG HOÀI NGHĨA 7.2 Hƣớng phát triển Thông qua kết nghiên cứu, học viên đề số hướng phát triển sau như: - Áp dụng cách thức đặt mặt trượt tính toán điện áp điều khiển tương tự cho hệ vào nhiều tương tự (hệ pendubot, hệ ball and beam…) - Áp dụng thêm hiệu chỉnh thích nghi để mặt trượt điều khiển dần thay đổi tương ứng với thay đổi hệ thống lắc ngược quay q trình hoạt động (ví dụ trình hoạt động, ta tăng thêm tải đầu lắc…) - Áp dụng điều khiển trượt điều khiển Swing-up hệ lắc ngược - Áp dụng điều khiển trượt cho hệ lắc ngược kép (hệ có đầu vào có số đầu nhiều hơn) HVTH: Lê Quang Vũ Trang 48 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS DƢƠNG HOÀI NGHĨA TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Dương Hoài Nghĩa, Điều khiển hệ thống đa biến, NXB ĐHQG TPHCM, 2007 [2] Huỳnh Xuân Dũng, Nghiên cứu điều khiển trƣợt điều khiển lắc ngƣợc, luận văn thạc sĩ, Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, 2012 [3] Mojtaba Ahmadieh Khanesar, Mohammad Teshhehlab, Mahdi Aliyari Shoorehdeli, Sliding Mode Control of Rotary Inverted Pendulum, proceedings of the 15th Mediterranean Conference on Control & Automation, 2007 [4] Nguyễn Đức Quyền, Ngô Văn Thuyên, Rotary inverted pendulum and control of rotary inverted pendulum by artificial neural network, Proc Natl Conf Theor Phys 37 (2012) [5] Nguyễn Thị Phương Hà, Huỳnh Thái Hoàng, Lý Thuyết Điều Khiển Tự Động, Nhà Xuất Bản Đại Học Quốc Gia 2006 [6] Jorge Serrano-heredia, Alexander G Loukianov and Eduardo BayroCorrochano, Sliding Mode Block Control Regulation of the Pendubot, 50th IEEE Conference on Decision and Control and European Control Conference, USA, 2011 [7] FAICAL MNIF, GA Optimization of a Sliding Mode Controller for an Underactuated System [8] Djamila Zehar and Khier Benmahammed, Optimal Sliding Mode Control of the Pendubot, International Research Journal of Computer Science and Information Systems, Vol 2, pp 45-51, 2013 [9] Texas instruments, TMS320F28335 digital signal controllers Data manual, 2007_revised 2012 [10] Texas Instruments Code Composer Studio Getting Started Guide, 2001 [11] dsp_terminal_users_manual [12] Vũ Chấn Hưng, Đặng Thành Phu, Hoàng Văn Tuấn, Điều khiển hệ thống lắc ngƣợc quay, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ, tập 43, số 3, trang 1-12, 2005 Và số báo, tài liệu khác internet… HVTH: Lê Quang Vũ Trang 49 S K L 0 ... tốn điều khiển mình, từ thuật toán điều khiển cổ điển đến thuật tốn điều khiển đại, điều khiển thơng minh Tuy nhiên hệ lắc ngược quay đặt nhiều thách thức lý thuyết điều khiển thiết bị điều khiển. .. nhiều dạng mơ hình lắc ngược quay xây dựng sử dụng phịng thí nghiệm Ngoài hệ lắc ngược quay đề cập phần cịn có hệ lắc ngược khác như: hệ lắc ngược quay bậc tự do, hệ xe lắc ngược? ?? Hình 1.2 Một... thuật điều khiển điều khiển tuyến tính, điều khiển thơng minh, điều khiển phi tuyến, nhận dạng hệ thống… Hệ thống lắc ngược gồm hai phần: cánh tay gắn vào động DC quay quanh trục thẳng đứng lắc