(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 MỤC LỤC LÝ LỊCH KHOA HỌC i LỜI CAM ĐOAN ii LỜI CẢM ƠN iii TÓM TẮT LUẬN VĂN CAO HỌC iv Danh mục chữ viết tắt v Danh mục hình .vi Danh mục bảng .vii Mục lục viii Chƣơng TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Giới thiệu lắc ngược quay 1.3 Một số cơng trình nghiên cứu có liên quan 1.4 Mục tiêu phạm vi nghiên cứu 1.4.1 Mục tiêu 1.4.2 Phạm vi nghiên cứu 1.5 Phương pháp nghiên cứu 1.6 Cấu trúc luận văn Chƣơng MƠ HÌNH HĨA VÀ THAM SỐ 2.1Giới thiệu sơ lược hệ thống lắc ngược quay 2.2Thiết lập mơ hình toán học hệ thống lắc ngược quay Chƣơng GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN 14 3.1 Lý thuyết điều khiển trượt 14 3.1.1 Phương pháp điều khiển trượt 14 HVTH: Lê Quang Vũ Trang 10 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA Chƣơng GIỚI THIỆU MƠ HÌNH PHẦN CỨNG 18 4.1 Giới thiệu mơ hình lắc ngược quay 18 4.2 Phần khí 19 4.3 Phần điện 20 4.3.1 Phần điều khiển 20 4.3.2 Phần công suất 21 4.4 Phần chương trình 23 Chƣơng KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 24 5.1 Xây dựng hệ thống 24 5.2 Mô điều khiển trượt 27 5.3 Nhận xét 30 Chƣơng KẾT QUẢ TRÊN MƠ HÌNH THỰC 31 6.1 Xây dựng chương trình điều khiển Simulink 31 6.2 Đáp ứng ngõ thực tế với điều khiển trượt 35 6.4 Nhận xét 46 Chƣơng KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 47 7.1 Kết luận 47 7.2 Hướng phát triển đề tài 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO 49 PHỤ LỤC HVTH: Lê Quang Vũ Trang 11 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS DƢƠNG HỒI NGHĨA Chƣơng TỔNG QUAN Chương trình bày nội dung tổng quan liên quan đến đề tài nói chung, hệ thống lắc ngược quay ứng dụng thực tế, kết nghiên cứu ngồi nước Trên sở học viên đưa mục tiêu đề tài, kết dự kiến phương pháp nghiên cứu 1.1 Đặt vấn đề Cùng với phát triển khoa học kĩ thuật, phương pháp điều khiển từ kinh điển đến đại, điều khiển thông minh đời Hầu hết đối tượng cánh tay máy, hệ lắc ngược quay… giải toán ổn định hệ thống với chất lượng cao Các phương pháp ngày nghiên cứu, phát triển, ứng dụng rộng rãi, góp phần nâng cao chất lượng, độ ổn định hệ thống Hệ lắc ngược quay hệ thống vào - nhiều ra, có độ bất ổn định cao sở để tạo hệ thống tự cân như: hệ xe lắc ngược quay, hệ lắc ngược quay, hệ Pendubot,… Đây đối tượng thường nhà nghiên cứu lựa chọn để kiểm chứng thuật toán điều khiển mình, từ thuật tốn điều khiển cổ điển đến thuật toán điều khiển đại, điều khiển thông minh Tuy nhiên hệ lắc ngược quay đặt nhiều thách thức lý thuyết điều khiển thiết bị điều khiển chúng Địi hỏi có điều khiển thích hợp có tốc độ đáp ứng nhanh Các nghiên cứu điều khiển hệ thống lắc ngược quay tiến hành sớm, xuất phát từ nhu cầu thiết kế hệ thống điều khiển cân tên lửa giai đoạn đầu phóng Trên phương diện nghiên cứu kĩ thuật điều khiển thực, lắc ngược quay đại diện cho lớp đối tượng phi tuyến phức tạp HVTH: Lê Quang Vũ Trang Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS DƢƠNG HOÀI NGHĨA Ở đề tài có số luận văn thạc sĩ Đại học Bách khoa TP.HCM, Đại học Giao thông Vận tải điều khiển thành công sử dụng giải thuật LQR, PID, Fuzzy Tuy nhiên giải thuật có nhược điểm sau: Giải thuật LQR điều khiển dựa vào thông số K tìm từ việc tuyến tính hóa hệ thống nên điều khiển mơ hình quanh vị trí làm việc Nếu trạng thái hệ thống xa vị trí cân giải thuật khơng cịn điều khiển tốt Giải thuật PID giải thuật tuyến tính lắc ngược quay hệ phi tuyến mang tính phi tuyến điển hình Do vậy, điều khiển PID chưa đủ mức độ phức tạp để điều khiển hệ lắc ngược quay dải hoạt động rộng Giải thuật Fuzzy phụ thuộc vào kinh nghiệm chuyên gia nên tốn nhiều thời gian thử sai nhiều lần không tận dụng hiểu biết phương trình tốn học hệ thống Từ hạn chế định điều khiển trên, điều khiển phi tuyến giải pháp để củng cố thêm Với việc tận dụng kiến thức mơ hình (thơng số hệ thống, phương trình tốn học) việc thiết kế điều khiển đáp ứng tốt ổn định hệ thống khoảng hoạt động rộng Trong khuôn khổ luận văn này, học viên xin chọn hướng đề tài: “ ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT HỆ CON LẮC NGƢỢC ĐƠN” 1.2 Giới thiệu lắc ngƣợc quay Mơ hình lắc ngược quay hệ thống máy gồm hai khâu: cánh tay (Arm) lắc (pendulum) Trong điều khiển cân bằng, cánh tay gắn vào động DC có encoder gắn đồng trục để xác định vị trí góc cánh tay quay quanh trục thẳng đứng lắc gắn vào trục encoder cuối cánh tay tự mặt phẳng vng góc với cánh tay có khả xoay tự mặt phẳng vng góc với mặt phẳng ngang HVTH: Lê Quang Vũ Trang Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS DƢƠNG HOÀI NGHĨA Hình 1.1 Mơ hình lắc ngƣợc quay 1.3 Một số cơng trình nghiên cứu có liên quan Do hệ lắc ngược quay hệ ứng dụng nhiều nghiên cứu giải thuật điều khiển mang tính học thuật cao nên nhiều dạng mơ hình lắc ngược quay xây dựng sử dụng phịng thí nghiệm Ngồi 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 số mơ hình phần cứng lắc ngƣợc quay trƣớc 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 thông 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 HOÀI 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 HỒI NGHĨA c) Với thơng 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 HOÀI NGHĨA Mặt trượt S1, S2 Hình 6.18: Mặt trƣợt S1 Hình 6.19: Mặt trƣợt S2 d) Với thông 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 không 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 không 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 thông 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 tốn cụ thể giải cho hệ SISO theo [1] Việc chọn lựa thông số điều khiển đòi hỏi thời gian thực thành công mô thực nghiệm Con lắc cân 3s đến 8s thực nghiệm ổn định hồn 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 hồn tồn hàm sign() hàm sat() làm giảm tượng chattering ảnh hưởng đến điều kiện ổn định cục hàm Lyapunov, nên việc thay lúc thành cơng Ngồi ra, việc lựa chọn thơng 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 HỒI NGHĨA 7.2 Hƣớng phát triển Thơng qua kết nghiên cứu, học viên đề số hướng phát triển sau như: - Áp dụng cách thức đặt mặt trượt tính tốn 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 trình hoạt động (ví dụ q 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 HỒI NGHĨA TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Dương Hồi 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 ... toán điều khiển mình, từ thuật tốn 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... chất lượng, độ ổn định hệ thống Hệ lắc ngược quay hệ thống vào - nhiều ra, có độ bất ổn định cao sở để tạo hệ thống tự cân như: hệ xe lắc ngược quay, hệ lắc ngược quay, hệ Pendubot,… Đây đối tượng