NGHIÊN cứu, THIẾT kể, CHẾ tạo mô HÌNH đièu KHIẺN CON lắc NGƯỢC sử DỤNG đại số GIA tử

Bộ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ Nội KHOA CƠ KHÍ _* &* ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC ••• NGÀNH: CƠNG NGHỆ KĨ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ TÊN ĐÈ TÀI : NGHIÊN CỨU, THIẾT KỂ, CHẾ TẠO MƠ HÌNH ĐIÈU KHIẺN CON LẮC NGƯỢC SỬ DỤNG ĐẠI SỐ GIA TỬ Giáo viên hướng dẫn : TS.BÙI THANH LÂM Sinh viên thực : KHÔNG NGỌC THỌ MSV Lớp : 1141020146 : ĐH Cơ điện tử - K11 Hà nội - 2020 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỞNG DẪN Hà Nôi, ngày thảng nẫm 2020 Giáo viên hướng dẫn NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN HàNôi, ngày thảng nẫm 2020 Giáo viền chấm phản biện LỤC LỤC DANH LỤC HÌNH VẼ DANH LỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Ý nghĩa HAC Hedge-Algebras Controller OLS Ordinary Least Squares _LQS _ _Linear Qua.dra.tic Regulat.or FuZzy Controller FC LỞ ĐẦU Trong năm gần đãy ngành Cơ - điện tử có bước phát triển vượt bậc, việc ứng dụng sản phẩm Cơ - điện tử vào sản xuất ngày phổ biến giúp nãng cao suất lao động hạ giá thành sản phẩm Song song với trình phát triển yêu cầu ngày cao - độ xác, tin cậy, khả làm việc môi trường khác nghiệt với thời gian dài hệ thơng Cơ điện tử Vì việc nghiên cứu phát triển hệ thông điều khiển cho ngành Cơ - điện tử để đáp ứng yêu cầu việc làm cần thiết Sự phát triển hệ thông Cơ - điện tử phát triển ngành kỹ thuật điện tử, công nghệ thông tin, ngành kỹ thuật điều khiển tự động hoá đạt nhiều tiến Tự động hố q trình sản xuất phổ biến rộng rãi hệ thông công nghiệp giới nói chung Việt Nam nói riêng Mơ hình điều khiển lắc ngược mơ hình thí nghiệm h ệ th ơng Cơ điện tử lý tưởng cho việc ứng dụng thuật toán điều khiển đại kỹ thuật điều khiển máy tính Với lý trên, em chọn đề tài: “ Nghiên cứu thiết k ế chế tạo mơ hình điều khiển lắc ngược sử dụng đại sô gia tử “ Cũng qua đãy chúng em muôn gửi lời cảm ơn tới Ban giám hi ệu nhà trường toàn thể thầy cô giáo Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi trang bị cho chúng em kiến thức bổ ích st năm học vừa qua (từ năm 2016 đến năm 2020) Đặc biệt thầy cô giáo khoa Cơ Khí Trường, trang bị cho chúng em kiến thức chuyên môn quý báu ngành Cơ Điện T v ới nh ững kiến th ức toàn diện, thiết thực ngành, làm hành trang v ững cho em bước vào đờ i Và em xin gửi lời cảm ơn sãu sắc tới thầy giáo - Ts.Bùi Thanh Lâm, thầy tận tình hướng dẫn em st thời gian vừa qua, giúp đỡ cho em có nhiều kiến thức thực tế hữu ích đồ án, tận tình hướng dẫn tạo điều kiện thuận lợi em hoàn thành báo cáo thời gian quy định Ngoài em mn g ửi l ời cảm ơn đến gia đình, bạn bè lớp Cơ điện tử giúp đỡ em nhiều lúc khó khăn Vì nội dung nghiên cứu tìm hiểu đồ án tốt nghiệp tuơng đối rộng, tình hình diễn biến phức tạp dịch bệnh nhu kinh nghiệm hạn chế sinh viên nên khoảng thời gian ngắn báo cáo đồ án khơng thể tránh khỏi nhiều thiếu sót, mong nhận đuợc bảo, đóng góp ý kiến thầy cô để báo cáo chúng em đuợc hoàn thiện để chúng em có điều kiện bổ sung, nâng cao kiến thức mình, phục vụ tốt cơng việc thực tế sau Cuối em xin kính chúc quý th ầy Truờng sức khỏe, cơng tác tốt hồn thành tốt công việc đuợc giao Chúc cho nhà Truờng ngày phát triển vững mạnh tiếp tục đào tạo nhiều hệ sinh viên để phục vụ, cống hiến cho đất nuớ c Xin trân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 17 tháng năm 2020 Sinh viên thực Khổng Ngọc Thọ Chương Giới thiệu chung 1.1 Lịch sử nghiên cứu Hệ thống lắc ngược gắn xe đối tượng nghiên cứu r ất phổ biến từ năm 50 Nó vốn hệ thống không ổn định thưởng đượ c sử dụng để kiểm tra thực thi hiệu thuật toán điều khiển Hệ thống lắc ngược hệ thống phức tạp, không ổn định, có tính phi tuyến cao Việc điều khiển cần lắc vị trí cân vấn đề kinh điển lĩnh vực điều khiển tự động Bên cạnh h ệ th ống chế t ạo v ới độ xác tin cậy cao mơ hình lý tưởng để thực thính nghiệm với gi ải thuật điều khiển nhận dạng hệ thống Hiện nay, nhiều nhà nghiên cứu sử dụng thuật toán điều khiển khác để điều khiển cân hệ thống lắc ngược thuật toán PID, , điều khiển tối ưu LQR, điều khiển Logic mở (Fuzzy), thu số thành cơng đáng kể ❖ Tình hình nghiên cứu nước: Theo [5], Đề tài “Sử dụng thuật toán mở noron điều khiển cân lắc ngược” tác giả Nguyễn Hữu Mỹ, đại học Đà Nang (2011) so sánh k ết gi ữa thuật toán PID điều khiển mở noron giúp cân h ệ lắc ngược Trong đó, điều khiển PID đon giản điều khiển đồng thởi việc điều khiển vị trí xe giữ cân lắc, điều khiển mở noron cho kết tốt hon với thởi gian xác lập khoảng 3s Năm 2013, tác giả Nguyễn Văn Khanh, khoa Công nghệ, trưởng Đại học c ần Tho thực hi ện đề tài “Điều khiển cân lắc ngược sử dụng thuật toán PD mở” cho kết điều khiển hệ lắc ngược cân ổn định với thởi gian xác lập khoảng 4s, độ vọt lố 44% , 77 > > > > > Có chãn Output đầy đủ cho chân MCU2 Chân cấp nguồn ngồi riêng cho MCU2 khơng sử dụng nguồn từ USB Thạch anh 32,768khz dùng cho RTC Backup Chân nạp dùng cho chế độ nạp boot loader Nút Reset led hiển thị chân PB9, led báo ngu ồn cho MCU2 Cấu hình chi tiết [16]: + ARM 32-bit Cortex M3 với clock max 72Mhz + Bộ nhớ: 64 kbytes nhớ Flash(bộ nhớ lập trình) 20kbytes SRAM + Clock, reset quản lý nguồn • • Điện áp hoạt động 2.0V -1 3.6V Power on reset(POR), Power down reset(PDR) programmable voltage detector (PVD) • • • Sử dụng thạch anh ngồi từ 4Mhz -1 20Mhz Thạch anh nội dùng dao động RC mode 8Mhz 40khz Sử dụng thạch anh 32.768khz đuợ c sử dụng cho RTC + Trong trướng hợp điện áp thấp: • • Có mode :ngủ, ngừng hoạt động hoạt động chế độ Cấp nguồn chân Vbat pin để hoạt động RTC sử dụng lưu trữ data nguồn cấp + ADC 12 bit với kênh cho • • • Khoảng giá trị chuyển đổi từ - 3.6V Lấy mẫu nhiều kênh kênh Có cảm biến nhiệt độ nội +7 timer • • timer 16 bit hỗ trợ mode IC/OC/PWM timer 16 bit hỗ trợ để điều khiển động co với mode bảo vệ ngắt input, dead-time 78 • • watdog timer dùng để bảo vệ kiểm tra lỗi sysTick timer 24 bit đếm xuống dùng cho ứng dụng hàm Delay + Hỗ trợ kênh giao tiếp bao gồm: • • • • • I2C(SMBus/PMBus) USART(ISO 7816 interface, LIN, IrDA capability, modem control) SPIs (18 Mbit/s) CAN interface (2.0B Active) USB 2.0 full-speed interface b Mô đun điều khiển động Hình 4.12 Mơ đun đỉều khiển động sử dụng mosfet IRF3205 Module cầu H dùng IC kích FET chuyên d ụng IR2184, FET sử dụng mosfet IRF3205 nên cho dòng cao Module thiết kế dành cho ứng dụng điều khiển tốc độ vị trí dùng DC Motor Thơng số kĩ thuật: • Điện áp điều khiển: +5 V ~ +35 V • Dịng tối đa cho cầu H là: 10A • Điện áp tín hiệu điều khiển: +5 V ~ +24 V •ệtCóđộledbảbáo ngu n báocchi động Nhi o qu ảồn: -25 ~ ều +130 c o o • • Bảo vệ ngắn mạch Các chân giao tiếp 8(chân) V+,V-,M+,M-,DR+,DR-,PW+,PW- ứng dụng module: - Điều khiển động DC - Điều khiển vị trí vận tốc cấu servo - Dùng robot - Trong máy điều khiển chương trình số, máy in máy vẽ Sơ đồ nguyên lý [14]: Hình 4.13 Mạch nguyên lỷ module đỉều khiển động 80 c Mơ đun hạ áp LM2596 có hiền thị Hình 4.14 Mơ đun hạ ảp LM2596 Mạch giảm áp DC LM2596 có hiển thị với led đoạn hiển thị nguồn ngõ ra/vào tiện dụng cho trình sử dụng (hiển thị giá trị điện áp sai số khoảng +-O,1V), mạch cho dòng điện ngõ lên đến 3A Mạch cịn có nút nhấn để chuyển đỗi đo áp ngõ vào ngõ Thông số kĩ thuật: • • • • • • • Dùng IC LM2596 với tần số lên đến 15OKhz Có nút nhấn chuyển chế độ hiển thị ngõ ra/vào Điện áp đầu vào: Từ 4V đến 3OV Điện áp đầu ra: Điều chỉnh khoảng 1.5V đến 29V Dòng ngõ tối đa 3A Công suất : 15W Kích thước: 66 x 35mm d Encoder AB 400xung 5-24V Encoder sử dụng để xác định vị trí góc cần lắc ,cần lắc gắn trực tiếp vào trục quay encoder Các mã hóa đượ c sử dụng để kiểm tra vị trí trục quay Các xung ngõ b ộ mã hóa đếm đánh giá thiết bị điều khiển để xác định góc th Ời tốc độ, encoder mang đến độ xác đặc biệt linh động điều khiển máy móc Trong mơ hình, sử dụng encoder tưong hai kênh A,B Hình 4.16 Thơng sơ kĩ thuật Enooder Hình 4.15 Enooder Thơng số kĩ thuật: Tiêu chuẩn với cáp 1,5 m * Độ phân giải : 400 xung / vòng * Điện áp hoạt động: DC5-24V * Tốc độ khí tối đa 5000 vòng / phút * Tần số đáp ứng điện 20K / giây * Kích thuớc: Encoder kích thuớc thân: ọ38mm; trục ọ6 X 13mm; trục nền: Cao 5mm, ọ20mm; cố định lỗ cho: vít M3 * Ba lỗ gắn vịng trịn đuỜng kính 30, ba lỗ gắn khác vịng trịn đuỜng kính 28; Dây điện: Xanh lục = Pha A, trắng = pha B, màu đỏ = VCC, đen = GND ỊỊ?_ Ị _ SL - S' oo g s; 1_ 71 KLI-0 Ĩ MótẼrt ■ ụ i Ị -) ■ tì Ị~~ ~-| í* e Nguồn Nguồn tổ ong nguồn cấp điện hệ thống ,ni mạch điều khiển, encoder điều khiển động Nguồn tổ ong đuợc sử dụng nguồn tổ ong 12V DC 5A Hình 4.17 Nguồn tể ong 12 V5A Thông số kỹ thuật: + Điện áp vào 110-220VAC/50-60Hz + Dòng điện 12V + Điện áp 5A + Công suất 60W 83 4.2.2 Lưu đồ giải thuật Lưu đồ chung hệ thống Hình 4.18 Lưu đồ đỉều khiển chung hệ thắng Sau cấp nguồn điện MCU làm việc tiến hành thu tín hiệu từtồn encoder qua hệ mét cơng với thức vị động trí, chuyển sau đổi 0.01 ta thu s hoạt động giá suất trịgiá tính tốn ngắt dạng để cập rad nhật với góc thơng H số để Các điều thơng khiển số co đưa Khi vào gặp hàm công hồi tắc quy đểsẽ tính trình trị dừng điều khiển qua hệ thống cầu 4.3 Xãy dựng chương trình, kết nối hệ thống Hình 4.19 Giao diện phần mềm lập trình Keil c 4.3.1 Mơi trường xãy dựng chương trình Thư viện lập trình: có nhiều loại thư viện lập trình cho STM32 như: Phần mềm lập trình: có nhiều trình biên dịch cho STM32 IAR STM32snippets, STM32Cube LL, STM32Cube HAL, Standard Peripheral Embedded Workbench, Keil c Trong đề tài sử dụng Keil c để lập trình cho Libraries, Mbed core Mỗi thư viện có ưu khuyết điểm riêng Trong đề hệ thống tài sử dụng STM32Cube Mx để build code 84 4.3.2 Kết nối hệ thống Các linh kiện sử dụng đề tài đấu nối sau Trong số tưong ứng với chân mạch thực 85 Sơ đồ đấu nối chân Kit STM32F1C8T6 với chân tín hi ệu ngõ AB encoder động cần lắc Hình 4.23 Sơ đồ kết nổ ỉ với động 86 Các chân điều khiển động PWM, DIR Kit STM32F1C8T6 kết nối tương ứng mạch cầu H để điều khiển tốc độ chiều quay động Bo mạch nguồn tổ5A STM ong 32F1C8T6 Cầu H đượ khiển ckhác cấp động nguồn đượ 5V dây ctừkết mô nối đun trực áp kết vớinối nguồn với rộng ong 12V kết Do nối cóvới haiđiều GND nguồn cầu H nên GND từhạ botiếp mạch STM mởtổ Chương Kết luận hướng phát triển 5.1 Kết luận -Lựa chọn thông số đầu vào tối ưu cho hệ thống -Xây dựng thành cơng chưong trình mơ điều khiển mơ hình s dụng HAC -Thiết kế mơ hình lắc ngượ c 3D phần mềm NX11 -Xây dựng hồn thiện mơ hình co khí lắc ngược để phục vụ trình kiểm nghiệm giải thuật điều khiển -Phần mềm điều khiển viết cho vi điều khiển STM32F1 C8T6 cân b ằng góc vị trí, qua kiểm nghiệm giải thuật HAC vào thực tế điều khiển -Đồ án điều khiển giải thuật HAC cho lắc ngược,từ đúc kết kinh nghiệm điều khiển để từ điều khiển cân lắc ngược có thơng số sử dụng lý thuyết đại số gia tử -Do thời gian hạn chế nên chưa thể kiểm nghiệm HAC thực Swing up sử dụng lý thuyết Swing up cách điều khiển lượng K.J.Astrom, K.Furuta -Chưa khử tượng chattering chạy mơ hình th ực 5.2 Hướng phát triển Tạo giao diện thực điều khiển trục tiếp mơ hình máy tính ho ặc điện thoại Internet, Tiếp túc hồn thiện mơ hình, dựa vào kinh nghiệm đạt trình điều khiển mơ hình hệ thống tiến tới điều khiển Swing up Ngoài lý thuyết điều khiển cân ứng dụng tốt vào điều khiển mơ hình Xe cân mà r ất có ích cho ngườ i việc di chuyển, hệ thống cần đảm bảo ổn định nhà máy, hệ thống tên lửa tàu vũ trụ, hệ treo ô tô, Tài liệu tham khảo: Tiếng Anh: [1] Hai-Le Bui, Duc-Trung Tran , Nhu-Lan Vu,2011 optimal fuzzy control of an inverted pendulum Journal of Vibration and Control 18(14), 2097-2110 [2] Xie Jim, Li Zushu,2003 Dynamic Model and Motion Control Analysis of Three-link Gymnastic Robot on Horizontal Bar Tiếng Việt: [3] Ngô Kiến Trung,2014.Nghiên cứu cải tiến điều khiển sử dụng đại số gia tử cho đối tuợng phi tuyến.Luận án tiến sĩ,Truởng đại học Thái Nguyên [4] Vũ Nhu Lân,Vũ Chấn Hung,Đặng Thành Phu,Nguyễn Duy Minh,2005.Điều khiển sử dụng Đại số gia tử.Tạp chí tin học điều khiển học,T.21,23-37 [5] Th.s Nguyễn Thanh Tần,2017.Thiết kế mơ hình cân lắc nguợc.Đề tài nghiên cứu khoa học,TruỜng đại học Trà Vinh [6] Bùi Hải Lê,Phạm Minh Nam,Bùi Thanh Lâm,2017.Điều khiển hệ lắc nguợc-xe sử dụng Đại số gia tử.30-34 [7] Huỳnh Thái Hoàng,2006.Hệ thống điều khiển thơng minh.NXB Đại học quốc gia TP.HỒ Chí Minh.181-182 [8] gia Huỳnh Thái Hoàng,Lý thuyết điều khiển nâng cao.NXB Đại học quốc TP.HỒ Chí Minh [9] Lê Xuân Việt,2009 Định luợng ngữ nghĩa giá trị biến ngôn ngữ dựa đại số gia tử ứng dụng [ 10] Nguyễn Tiến Duy,Vũ Nhu Lân.Nội suy dựa trọng số khoảng cách ngữ nghĩa kết hợp tối uu giải thuật di truyền cho điều khiển đại số gia tử [11] Vật lý đại cuong.TruỜng đại học Công Nghiệp Hà Nội Trkng Web: [12] https ://www.slideshare.net/camthuninh/m-hnh-hi-qui-a-bin [13] https://maths.uel.edu.vn/Resources/Docs/SubDomain/maths/TaiLieuHoc T ap/ToanUngDung/m_hnh_hi_quy_n.html [ 14] http://roboconshop.com/ [15] http://ntu.edu.vn/Portals/66/Tap%20chi%20KHCNTS/So%203-42006/So%203.4.2006 09%20Tran%20Ngoc%20Nhuan.PDF [ 16] http://laptrinharmst.blogspot.eom/2018/02/bai-00-gioi-thieu-vestm32fl03c8t6.html [ 17] http://ctms.engin.umich.edu/CTMS/index.php?example=MotorSpeed&se ction=SỵstemModeling [ 18].http://sme vimaru.edu vn/nckh/vai-tro-cua-dieu-khien-trong-kỵ-thuatrobot [19] https://www.slideshare.net/trongthuv3/luan-an-phuong-phap-dieu- khienthich-nghi-ben-vung-he-euler-lagrange [20] https://www.researchgate.net/publication/332195813 NQI SUY DUA TREN TRQNG SQ KHQANG CACH NGU NGHIA KET HQP TQI U U BANG GIAI THUAT DI TRUYEN CHQ BQ DIEU KHIEN DAI S Q GIA TU ... dụng cho mơ hình 2.3.1 Giới thiệu đại số gia tử Đại số gia tử [1](hedge algebra-HAs) giới thiệu nghiên cứu từ năm 1987,(Ho Wechler,1990,1992,Ho Nam,2002, ).Các tác giả nghiên cứu đại số gia tử. .. kể Duới số ngun lý điều khiển mơ hình hụt dẫn động đuợc sử dụng phổ biến: 2.1.1 Mơ hình lắc ngược Hình Mơ hình ỉẳc ngược thực tế Mơ hình lắc nguợc hệ hụt dẫn động điển hình dựa mơ hình lắc vật... tài sử dụng mô hình Linear > Phạm vi nghiên cứu +Nghiên cứu tìm hiểu nguyên lý hoạt động hệ lắc nguợc +Nghiên cứu chế tạo mơ hình lắc nguợc thực tế +Nghiên cứu lập trình điều khiển cân hệ lắc