�0 0.001
�1 0.001
HVTH: Trần Vi Đô Trang 20
2.3 Đi u khi n cân bằng h con l căng c hai b c t do
Đ i v i h con l căng c hai b c t do trên xe, khi xe di chuy n sang ph i, con l c th nh t s quayăng c chi uăkimăđ ng h và con l c th hai quay cùng chi u kim
đ ng h . Vì th trongătr ng h p giá tr góc l ch và v n t c góc c a con l c th hai
lƠăd ng,ăn u l cătácăđ ngăd ngăvƠoăxeălƠmăxeădiăchuy n sang ph i, con l c th
nh tăquayăng c chi uăkimăđ ng h và con l c th hai quay cùng chi uăkimăđ ng
h , làm cho góc và gia t c góc c a con l c th haiăcƠngătĕngăthêm.ăVìătaăc n cân bằng nên ta c n ph iătácăđ ng l c âm làm cho xe di chuy năsangătráiătrongătr ng h p này.
Hình 2.4: Mối quan hệ giữa lực tác động và chiều quay các con lắc th hai
Gi sử trong tr ng h p hai con l căđƣăthẳng hàng, góc l ch và gia t c góc c a con l c th nh tălƠăd ng,ăn u l cătácăđ ngăd ngălƠmăchoăxeădiăchuy n sang ph i, con l c th nh tăquayăng c chi uăkimăđ ng h đ n v tríăh ng lên. Tuy nhiên lúc này con l c th hai s quay cùng chi uăkimăđ ng h làm cho góc c a con l c th hai
tĕngălên. Vi căđi u khi n cân bằng là r t khó n u c hai con l c nghiêng cùng chi u và con l c th hai l ch nhi uăh năconăl c th nh t.
Trong hình 2.5, c n ph iătácăđ ng l căơmăvƠoăxeăđ con l c th haiăquayăng c
chi uăkimăđ ng h đ n v tríăh ngălênătrongăkhiăđóăgócăl ch con l c th nh t s
HVTH: Trần Vi Đô Trang 21
t c góc c a con l c th hai. Lúc này, qua vi căđi u khi n cân bằng góc và v n t c góc con l c th hai, c hai con l c s quay v v tríăh ngălên.ăDoăđó,ăc hai con l c
đ c gi v trí cân bằngăh ng lên.
Hình 2.5: Mối quan hệ giữa lực tác động và chiều quay các con lắc th nhất
Khi c hai con l căđƣă v trí cân bằng, n u v trí xe chi uăd ng,ăc nătácăđ ng m t l căơmălênăxeăđ xe di chuy n sang trái, tr v v trí cân bằng.
HVTH: Trần Vi Đô Trang 22
CH NGă3
GI I THI U MÔ HÌNH PH N C NG
Ch ngănƠyătrìnhăbƠy mô hình ph n c ng h th ng con l căng c hai b c t do.
Trình bày chi ti t các ph năc ăkhí,ăđi năvƠăch ngătrìnhămƠăh căviênăđƣălƠmăđ c.
3.1 Gi i thi u mô hình con l c hai b c t do
Mô hình h con l căng c hai b c t do đ c xây d ngătrongăđ tài là h con l c c
đi n, bao g m m t con ch y có kh nĕngădiăchuy nătheoăph ngăngangătrênăm t thanh ray, con l c th nh tăđ c g n trên con ch y.ăĐ u còn l i c a con l c th nh t
đ c k t n i v i con l c th hai, c con l c th nh t và con l c th haiăđ u có th quay t do trong mặt phẳng vuông góc v i mặtăđ t. C hai con l căđ c gi cân bằng v trí thẳngăđ ngăh ng lên nh l căFătácăđ ngăvƠoăxe.ăMôăhìnhăđ c minh h a Hình 2.1.
HVTH: Trần Vi Đô Trang 23
3.2 Ph năc ăkhí
H con l c hai b c t doăđ c xây d ng bao g m:
Thanhătr tădƠiă0.7măcóărƣnhăđ conătr t di chuy n v i ma sát nh nh t.
Đ đ c g n trênăconătr t,ădùngăđ c đ nh encoder g n v i con l c th nh t.
Trênăđ còn g nădơyăđaiătruy năđ ng từđ ngăc .
Hình 3.2: Đếtrượt được gắn encoder
Con l c th nh t là m tăthanhănhômăđ ng ch t, dẹp, dài 20 cm g n vuông góc v i tr c encoder g nătrênăđ dùngăđ đoăgóc.ăĐ u còn l i c a con l c th nh t
HVTH: Trần Vi Đô Trang 24 Hình 3.3: Encoder gắn giữa con lắc th nhất và con lắc th hai
Con l c th haiăđ c g n n i ti p v i con l c th nh t. C hai con l c có th xoay t do trong mặt phẳng thẳngăđ ng.
Encoder dùng cho hai con l c là encoder 1000 xung/vòng.
Đ ngă c ă truy nă đ ngă choă conă tr tă lƠă đ ngă c DC SERVO MOTOR c a
Tamagawa (lo i 30W, Serial product number TS 1983N146E5). Từđó, ta có th tham kh o đ c các tham s c a đ ngăc thông qua trang web c a nhà s n xu t. Trên tr căđ ngăc ăcóăg n kèm m t encoder có thông s 1000ăxung/vòngădùngăđ xácăđnh v trí hi n t i c aăconătr t.
HVTH: Trần Vi Đô Trang 25 Hình 3.4: Motor Servo c a hãng Tamagawa với Seri TS 1983N146E5
3.2 Ph năđi n
3.2.1 Ph năđi u khi n
Môă hìnhă đ că đi u khi n bằng Board DSP TMDSDOCK320F28335 c a hãng
Texas Instrument. Board có c ng k t n i v i máy tính thông qua c ng USB.
Hình 3.5: Board điều khiển TMDSF28335
Vì board DSP trên ch cóă2ăngõăvƠoăđ c xung c a encoder, mà h th ng có t i 3 encoder nên h c viên quy tăđ nhădùngăboardăARMăCotexăM3ăđ đ c encoder c a
HVTH: Trần Vi Đô Trang 26 Hình 3.6: Board ARM Cotex M3
3.2.2 Ph n công su t
Đ kéoăconătr t ch y trên thanh ray, h căviênădùngăđôngăc ăDC.ăT căđ quay c a
đ ngăc ăDCăt l v iăđi năápăđặt vào nó, vì v yăđ đi u khi n t căđ đ ngăc ,ătaăthayă
đ iăđi năápăđặtăvƠoăđ ngăc .
Vi căđi u khi n đi u khi năđi n áp c p cho đ ngăc ăDCănƠyăđ c th c hi n bằng cách phát xung PWM từ DSP. Bằng vi căthayăđ iăđ r ng xung PWM, giá tr đi n
ápătrungăbìnhăđặtălênăđ iăt ngăđi u khi n s thayăđ i theo. Tín hi u xung PWM
thông qua m ch công su tăđi u khi năđ ngăc ălƠăm ch c u H. Trong hình 3.7, n u
Q3ăvƠăQ2ăđóngă(Q1 và Q4 c t)ăthìăđ ngăc ăquayătheoăchi u thu n (gi sử), và n u
HVTH: Trần Vi Đô Trang 27 Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý mạch cầu H
Vì t p trung vào gi i thu tăđi u khi n và thi công mô hình ph n c ng nên h c viên sử d ng m ch c uăHăđƣăcóăsẵn.
HVTH: Trần Vi Đô Trang 28
3.3 Ph năch ngătrình
Tác gi vi tăch ngărìnhăbằng ph n m m Simulink trong Matlab, t n d ng các hàm h tr l p trình DSP có sẵnătrongăMatlabă2012b.ăSauăđóăliênăk t v iăCCSăđ chuy n
quaăfileăCăt ngă ng, từ file C s biên dchăđ cho ra file .out n p cho DSP. Vi c l p
trìnhăthôngăquaăMatlabăcóă uăđi mălƠăđ năgi n, thân thi n và d hi u,ăng i dùng có
th ki m tra và hi u ch nh m t cách d dàng.
Target For TI C2000 choăphépăng i dùng xây d ng mô hình h th ngăcũngănh ă
thu tătoánăđi u khi nătrongămôiătr ng Matlab thông qua vi c sử d ng các kh i tính
toán và các kh i ngo iăviătrongăth ăvi n c aăSimulinkăvƠ.ăSauăđóăLinkăv i Code
ComposerăStudioăđ d ch ra file *.out.
Code Composer Studio là b công c đ c sử d ngăđ phát tri năvƠăg ̉ălỗi cho các ng d ng c a h th ng nhúng. Nó bao g m trình biên d ch cho t t c các dòng s n ph m c a TI, trình biên so nămƣăcode,ămôiătr ng xây d ng m t project, công c
sửaălỗi, công c mô ph ng và m t s tínhănĕngăkhác.CCS IDE cung c p m t giao
di năđ nălẻ choăng i sử d ng cho phép b n từngăb c phát tri n và c i thi n các
ng d ng c a mình. Các công c liên quan và dao di năchoăphépăng i sử d ng làm quen và b tăđ u nhanh nh t có th
Simulink and Real – time Workshop Target for TI C2000
Code Composer Studio
Board DSP TMS320F28335 Chương trình Simulink Thực thi Biên dịch từ Simulink sang ngôn ngữ C
HVTH: Trần Vi Đô Trang 29
CH NGă4
GI I THU TăĐI U KHI N
Ch ngănƠyătrìnhăbƠyăs ăl c v c ăs lý thuy t v đi u khi n LQR,ăđi u khi n m ,
đi u khi n m Anfis (m n ronăthíchănghi)ăậ các gi i thu tăđ c áp d ngăđ đi u
khi năđ iăt ngătrongăđ tài.
4.1 Lý thuy t b đi u khi n Linear Quadratic Regulation (LQR) 4.1.1 Ph ngăphápđi u khi n LQR 4.1.1 Ph ngăphápđi u khi n LQR
M t h đi u khi năđ c thi t k ch đ làm vi c t t nh t là h luôn tr ng thái t i
uătheoăm t tiêu chu n ch tăl ngănƠoăđóă(đ tăđ c giá tr c c tr ). Tr ng thái t iă uă
cóăđ tăđ c hay không tùy thu c vào yêu c u ch tăl ngăđặt ra, vào s hi u bi t v
đ iăt ngăvƠăcácătácăđ ngălênăđ iăt ng,ăvƠoăđi u ki n làm vi c c a h đi u khi n.
Xét h th ng cóătácăđ ng ngoài (u 0):
Bu Ax
x (4.1)
S ăđ đi u khi n c n thi t k :
H ăth ng
K
r u y
X
Hình 4.1: Sơ đồ bộđiều khiển LQR
B c quan tr ng trong vi c thành l p m t h t iă uălƠăxácăđ nh ch tiêu ch tăl ng
J. Nhi m v c ăb n đơyălƠăb oăđ m c c tr c a ch tiêu ch tăl ng J. Ví d nh ă
HVTH: Trần Vi Đô Trang 30
chuy n từ tr ng thái này sang tr ng thái khác v i th iăgianăquáăđ nh nh t,ănghƿaălƠă
c c ti u hóa th iăgianăquáăđ .
Ch tiêu ch tăl ng J ph thu c vào tín hi u ra x(t), tín hi uăđi u khi n u(t) và th i gian t.ăBƠiătoánăđi u khi n t iă uălƠăxácăđ nh tín hi uăđi u khi n u(t) làm cho ch tiêu ch tăl ng Jđ t c c tr v i nh ngăđi u ki n h n ch nh tăđnh c a u và x.
Ch tiêu ch tăl ng Jth ng có d ng sau:
0
[ ( ), ( ), ]
T
J L x t u t t dt (4.2)
TrongăđóăL là m t phi măhƠmăđ i v i tín hi u x, tín hi uăđi u khi n u và th i gian t. Trong lu năvĕnănƠy,ăh c viên ch n hàm ch tiêu ch tăl ng nh ăsau:
0 dt Ru u Qx x J T T (4.3)
TrongăđóăQ là ma tr năxácăđ nhăd ngă(hoặcăbánăxácăđ nhăd ng), R là ma tr n xác
đ nhăd ng.ăTrongăđó,ăQ,ăRălƠăcácămaătr n tr ngăl ng t ngă ng v i bi n tr ng
thái và tín hi u ngõ vào. N u mu n thành ph nănƠoăđ că uătiênăđ t t iă uăkhiăđi u khi n, ta ch n ma tr n tr ngăl ngăt ngă ng thành ph năđóăcóăgiáătr l n.
Chúng ta c n tìm ma tr n K c aăvectorăđi u khi n t iă u:
t Kx t
u (4.4)
th a mãn ch tiêu ch tăl ng Jđ t giá tr c c ti u.
Ma tr n h i ti p tr ngătháiăt ngă ngăKăđ cătínhănh ăsau:
S B R K 1 T (4.5) Trongăđó ATSSASBR1BTSQS (4.6)
Khi Skhôngăthayăđ i theo th i gian S 0,ătaăcóăph ngătrìnhăđ i s Riccati:
0 1 Q S B SBR SA S AT T (4.7)
HVTH: Trần Vi Đô Trang 31
4.1.2 Ph ngăphápđi u khi n LQR r i r c
Xét h r i r c: 1 k k k k k x A x B u (4.8) v i xk Rn và m k u R .
N u h banăđ u là h liên t c thì công vi c c a ta là r i r c hoá h liên t căđóăđ có th sử d ngăph ngăphápăđi u khi n LQR r i r c.
Khiăđó, lu tăđi u khi n t iă uăc a tín hi uăđi u khi n có d ng :
k k k
u K x (4.9)
v i Kkđ căxácăđnhănh ăsauă: 1
1 1
( T ) T
k k k k k k k k
K B S B R B S A (4.10)
TrongăđóăSk ph i tho mƣnăph ngătrìnhă:ă
1 1
1
T T
k k k k k k k k
S A S B R B A Q (4.11)
4.2 Lý thuy t b đi u khi n logic m
Trênăc ăs lu năvĕnăphơnătíchă uăđi m c a b đi u khi n m so v i b đi u khi n
truy n th ng, ta nh n th y vi c áp d ng b đi u khi n m thƠnhăcôngătrênăđ iăt ng con l căng c hai b căt ădoăv n còn là m t thách th c.
4.2.1 Gi i thi u b đi u khi n m
Lý thuy t m raăđ i M , ng d ngăđ u tiên Anhănh ngăphátătri n m nh m nh t là Nh t.ăTrongălƿnhăv c t đ ng hóa, logic m ngƠyăcƠngăđ c ng d ng r ng rãi.
uăđi m l n nh t c a logic m lƠăđi u khi n không c n bi t mô hình toán h c c a
đ iăt ng. Logic m cung c p m tăph ngăth c suy di n có th b tăch c kh nĕngă
suy lu n c aăconăng iăđ áp d ng vào h th ngăc ăs tri th c.ăĐi u khi n m d a trên kinh nghi măđi u khi n,ătrongăkhiăđi u khi năkinhăđi n l i hoàn toàn d a vào s chính xác tuy tăđ i c a thông tin. Vì v yăđi u khi n m có th gi i quy t các v n
HVTH: Trần Vi Đô Trang 32
4.2.2 C u trúc b đi u khi n m tr c ti p
Ho tăđ ng c a m t b đi u khi n m ph thu c vào kinh nghi măvƠăph ngăphápă
rút ra k t lu nătheoăt duy c a conăng iăsauăđóăđ căcƠiăđặtăvƠoămáyătínhătrênăc
s logic m .
S ăđ kh i c a b đi u khi n m trình bày hình 4.2 g m thành ph n chính là b
đi u khi n m c ăb n v i ba kh i ch cănĕngălƠăm hóa, h quy t c và gi i m . Th c t trong m t s tr ng h p khi ghép b đi u khi n m vào h th ngăđi u khi n c n thêm hai kh i ti n xử lý và h u xử lý. H ăquyăt c Ph ngăphápă suyădi n Gi iăm H uăxửălỦ M ăhóa Ti năxửălỦ
Hình 4.2: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển mờ.
Cácăb c kh i trong h th ngăđi u khi n m :
Kh i m hóa (fuzzifier): m hóa và các khâu hi u chnhănh ăt l , tích phân, vi phânầ
Kh i suy di n m (fuzzy inference engine): s tri n khai lu t h p thành R. Kh i gi i m (defuzzifier): khâu gi i m và các khâu giao di n tr c ti p v iăđ i
t ng.
Nguyên t c t ng h p m t b đi u khi n m hoàn toàn d a vào nh ng ph ngăphápă
toán h cătrênăc s đ nhănghƿaăcácăbi n ngôn ng vào/ra và s l a ch n nh ng lu t
đi u khi n. Do các b đi u khi n m có kh nĕngăxử lý các giá tr vào/ra bi u di n
d i d ng d u ph yăđ ng v iăđ chínhăxácăcaoănênăchúngăhoƠnătoƠnăđápă ngăđ c các yêu c u c a m tăbƠiătoánăđi u khi n "rõ ràng" và "chính xác".
R t khó có th đ aăraăđ căph ngăphápăthi t k h th ngăđi u khi n m t ng quát. M t b đi u khi n m đ c thi t k t t hay không hoàn toàn ph thu c vào kinh
HVTH: Trần Vi Đô Trang 33
nghi m c aăng i thi t k .ăSauăđơyălƠăcácăb c đ ngh v trình t thi t k m t h
đi u khi n m :
B c 1: Xácăđ nh t t c các bi n ngôn ng vào/ra (và bi n tr ng thái, n u c n)
c aăđ iăt ng.
B c 2: Chu n hóa bi n vào, bi n ra v mi n giá tr [0, 1] hoặc [-1,ă1]ăđ sau này có th l p trình d dàng bằng vi xử lý hoặc tích h p vào các h PLC.
B că3:ăĐ nhănghƿaăcácăt p m trên t păc ăs đƣăchu n hóa c a các bi n, và gán
cho m i t p m m t giá tr ngôn ng . S l ng, v trí và hình d ng c a các t p m tùy thu c vào từng ng d ng c th . M tăđ ngh là nên b tăđ u bằng 3 t p m có d ng hình tam giác cho m i bi n và các t p m nƠyănênăđ c phân ho ch m . N u không th a mãn yêu c u thì có th tĕngăs l ng t p m ,ăthayăđ i hình d ng.
B c 4: Gán các quan h gi a t p m ngõ và ngõ ra, b c này xây d ngăđ c h quy t c m . B c này có th th c hi n t t n uăng i thi t k có kinh nghi m v các phát tri n ngôn ng mô t đặcătínhăđ ng c aăđ iăt ng và các h quy t c m thông d ng.
B c 5: Ch n ph ngăpháp suy di n m . Trong th c t ng i ta th ng ch n
ph ngăphápăsuyădi n c c b nhằmăđ năgi n hóa trong vi c tính toán và áp d ng
công th c h p thành MAX-MIN hay MAX-PROD.
B c 6: Ch năph ngăphápăgi i m và t iă uăhoá. Trongăđi u khi năng i ta
th ng ch nă ph ngă phápă gi m ắth a hi p”ă nh ă ph ngă phápă tr ng tâm,
ph ngăphápătrungăbìnhăcóătr ng s ầ
Nh ngăl uăỦăkhiăthi t k b đi u khi n m :
Không bao gi dùngăđi u khi n m đ gi i quy t bài toán mà có th d dàng