5. Phƣơng pháp nghiên cứu
2.2.2. Thiết kế bộ điều khiển mờ sử dụng mô hình toán của hệ thống nâng
Ở phần trên chúng ta đã làm quen với công cụ Fuzzy trong Matlab. Trong phần này, chúng tôi sẽ sử dụng nó để thiết kế bộ điều khiển mờ cho đối tƣợng là một mô hình toán đã biết của hệ thống nâng từ.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
38
là mô hình toán (2.1), sao cho giá trị vị trí bám theo giá trị đặt với sai số là đủ nhỏ. Chúng tôi thiết kế thử nghiệm cả 2 bộ điều khiển mờ tĩnh và mờ động để điều khiển cho cùng một đối tƣợng này, sau đó lấy kết quả so sánh, lựa chọn để điều khiển cho hệ thống nâng từ. Với bộ điều khiển tĩnh chúng tôi sẽ thiết kế với là số tập mờ đầu vào/ra là 5 tập mờ, còn với bộ điều khiển động chúng tôi thiết kế với số tập mờ đầu vào/ra là 5 và 7 tập mờ.
Để thiết kế và mô phỏng hệ thống, chúng tôi đã sử dụng mô hình toán (2.1) của hệ thống nâng từ, với bộ tham số đã đƣợc xác định từ trƣớc nhƣ bảng 2.1.
STT Thông số Giá trị Đơn vị
1 M 3 Kg
2 g 9.8 m/s2
3 β 12 N.m.s
4 α 15
Bảng 2.1 : Các thông số của mô hình toán
Bộ điều khiển mờ sau khi thiết kế và mô phỏng cho mô hình toán sẽ đƣợc cài đặt và điều khiển thực cho hệ thống nâng từ trong phòng thí nghiệm.
2.2.2.1. Thiết kế bộ điều khiển mờ tĩnh cho đối tượng
Thiết kế bộ điều khiển mờ tĩnh gồm các bƣớc nhƣ sau:
Bước 1: Mờ hóa đầu vào.
Chọn biến đầu vào là điện áp đầu vào cấp cho hệ thống nâng từ có dải giá trị (0 ÷ 6)cm. Chọn 5 tập mờ đầu vào là vao1, vao2, vao3, vao4 và vao5 và 5 tập mờ đầu ra là ra1, ra2, ra3, ra4 và ra5.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 2.9: Các hàm liên thuộc của tín hiệu đầu vào
Bước 2: Chọn luật hợp thành
Xây dựng luật hợp thành: Nếu tín hiệu đầu vào thuộc tập mờ vao1, vao2, vao3, vao4 hoặc vao5 thì chọn tín hiệu đầu ra thuộc tập mờ ra1, ra2, ra3, ra4 hoặc ra5 tƣơng ứng.
Bước 3: Giải mờ đầu ra.
Chọn biến đầu ra là tín hiệu điều khiển động cơ có dải giá trị là
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
40
Hình 2.10: Các hàm liên thuộc của tín hiệu đầu ra
Mô phỏng hệ thống điều khiển sử dụng bộ điều khiển mờ tĩnh trong Matlab nhƣ hình sau:
Hình 2.11: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển hệ thống nâng từ sử dụng mờ tĩnh Hệ thống có tín hiệu đặt bằng 5. Đối tƣợng là mô hình toán của hệ thống nâng từ, có các thông số kèm theo trong bảng 2.1. Kết quả thể hiện trong hình:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 2.12: Tín hiệu đầu ra sử dụng bộ điều khiển mờ tĩnh
2.2.2.2. Thiết kế bộ điều khiển mờ động cho đối tượng
Để thiết kế bộ điều khiển mờ động, trƣớc tiên chúng tôi lựa chọn cấu trúc bộ mờ là PID mắc song song. Khối mờ thứ nhất là thành phần tỷ lệ, khối mờ thứ hai là thành phần tích phân và khối mờ thứ ba là thành phần vi phân. Ba khối mờ này đƣợc thiết kế lần lƣợt nhƣ sau:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
42
Hình 2.13: Các hàm liên thuộc của tín hiệu đầu vào khối mờ thứ nhất
Hình 2.14: Các hàm liên thuộc của tín hiệu đầu ra khối mờ thứ nhất
+ Khối mờ thứ hai: số tập mờ đầu vào/ra bằng 7
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 2.16: Các hàm liên thuộc của tín hiệu đầu ra khối mờ thứ hai + Khối mờ thứ ba: số tập mờ đầu vào/ra bằng 3
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
44
Hình 2.18: Các hàm liên thuộc của tín hiệu đầu ra khối mờ thứ 3
Mô phỏng hệ thống điều khiển sử dụng bộ mờ động trong matlab nhƣ sau:
Hình 2.19: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển hệ thống nâng từ sử dụng mờ động Đối tƣợng vẫn đƣợc giữ nguyên nhƣ phần trên, nhƣng bộ điều khiển là mờ động. Kết quả thể hiện trong hình sau:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 2.20: Tín hiệu đầu ra sử dụng bộ điều khiển mờ động
2.2.2.3. So sánh bộ điều khiển mờ tĩnh và bộ điều khiển mờ động
Để có đƣợc bộ điều khiển mờ đảm bảo chất lƣợng tốt hơn, chúng tôi đã thiết kế bộ mờ tĩnh và động nhƣ ở phần trên nhƣng với số tập mờ đầu vào và đầu ra khác nhau.
Sau khi thiết kế bộ điều khiển mờ và mô phỏng trong Matlab chúng tôi thu đƣợc các kết quả nhƣ hình 2.12 và hình 2.20. Tiếp theo chúng tôi sẽ so
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
46
Hình 2.12: Tín hiệu đầu ra sử dụng bộ điều khiển mờ tĩnh
Từ đồ thị ta thấy: Giá trị đặt bằng 5, đƣờng màu xanh là giá trị đầu ra của đối tƣợng, ta có đƣợc kết quả nhƣ sau:
- Thời gian xác lập: 0,93 giây - Độ quá điều chỉnh: 6,25 % - Thời gian quá độ: 3,87 giây - Sai lệch tĩnh: 3,6 %
- Số lần dao động ít, hệ thống ổn định sau 4,8 giây
Hình 2.20: Tín hiệu đầu ra sử dụng bộ điều khiển mờ động
Từ đồ thị ta thấy: Giá trị đặt bằng 5, đƣờng màu xanh là giá trị đầu ra của đối tƣợng, ta có đƣợc kết quả nhƣ sau:
- Thời gian xác lập: 0,86 giây - Độ quá điều chỉnh: 5 % - Thời gian quá độ: 3,85 giây - Sai lệch tĩnh: 1,2 %
- Số lần dao động ít, hệ thống ổn định sau 4,83 giây
Nhận xét:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
bộ điều khiển mờ động điều khiển cho cùng một đối tƣợng.
- So sánh hai kết quả mô phỏng trên ta thấy bộ điều khiển mờ động có ƣu điểm hơn so với bộ điều khiển mờ tĩnh:
+ Có biên độ dao động nhỏ hơn. + Số lần dao động ít hơn.
+ Có độ quá điều chỉnh nhỏ hơn. + Độ sai lệch tĩnh ít hơn.
+ Thời gian quá độ nhỏ. + Thời gian xác lập nhỏ
Kết luận:
Sau khi thiết kế và mô phỏng hệ thống điều khiển sử dụng bộ điều khiển mờ tĩnh và bộ điều khiển mờ động, với trƣờng hợp là 5 tập mờ vào/ra ta thấy:
Bộ điều khiển mờ động sử dụng 5 tập mờ vào/ra cho chất lƣợng tốt hơn. Vì vậy bộ điều khiển mờ động có 5 tập mờ đầu vào/ra đƣợc chọn dùng để điều khiển thời gian thực cho đối tƣợng là hệ thống nâng từ trong phòng thí nghiệm.
Rút ra đƣợc kinh nghiệm cho việc thiết kế bộ điều khiển mờ cho hệ thống nâng từ nhƣ sau: Nếu sai số nhỏ và dƣơng thì tăng điện áp, nếu sai số nhỏ và âm thì giảm điện áp. Kinh nghiệm này sẽ là cơ sở quan trọng để thiết kế bộ điều khiển mờ cho hệ thống nâng từ thực.
Ở chƣơng tiếp theo chúng tôi sẽ thiết kế, chế tạo một hệ thống nâng từ. Sau đó sẽ thiết kế bộ điều khiển mờ và PI cho đối tƣợng này.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
48
CHƢƠNG III
THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG NÂNG TỪ 3.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG NÂNG TỪ
Hệ nâng vật bằng từ trƣờng (Magnetic levitation system) là một hệ phi tuyến đƣợc ứng dụng nhiều trong kỹ thuật robot, phi thuyền không gian, các đệm từ triệt tiêu ma sát ở các ổ trục quay thay cho các ổ đỡ cơ khí truyền thống, các phƣơng tiện giao thông chạy trên đệm từ với tốc độ cao, cách ly dao động giữa các bộ phận máy móc với môi trƣờng bên ngoài.
Hiện nay, các phƣơng tiện di chuyển đi lại sử dụng hệ thống nâng vật trong từ trƣờng (Maglev), là sự hình thành việc di chuyển trên không (không tiếp xúc, tránh ma sát). Các phƣơng tiện này hoạt động theo nguyên lý từ trƣờng đẩy, phƣơng pháp này nhanh hơn và tiện hơn so với các phƣơng tiện có bánh. Hệ thống nâng vật trong từ trƣờng nhƣ tàu đệm từ là một phƣơng tiện chuyên chở đƣợc nâng lên, dẫn lái và đẩy tới bởi lực từ hoặc lực điện từ, khả năng vận chuyển an toàn ở tốc độ 400-500km/h. Hệ thống này rất tiện lợi cho việc giao thông vận chuyển giữa các thành phố. Phƣơng pháp này có thể nhanh và tiện nghi hơn các loại phƣơng tiện công cộng sử dụng bánh xe, do giảm ma sát và loại bỏ các cấu trúc cơ khí.
Các hệ thống nâng từ đƣợc phân chia nhƣ các hệ thống hút hoặc đẩy dựa trên nguồn gốc của lực từ. Những loại này có độ phi tuyến cao và có vòng mở không ổn định làm khó khăn trong việc kiểm soát nên rất khó đƣa vào trong các hệ thống điều khiển. Vì vậy nó rất quan trọng đối với việc xây dựng cấu trúc bộ điều khiển hiệu suất cao trong việc điều chỉnh vị trí của vật đƣợc nâng.
3.2. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH THỰC HỆ THỐNG NÂNG TỪ
Để đáp ứng yêu cầu cho việc nghiên cứu và phục vụ trong phòng thí nghiệm, chúng tôi xây dựng mô hình thực hệ thống nâng từ bao gồm các bộ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
phận sau: cuộn dây, lõi (phần động), thiết bị đo góc, cánh tay đòn và thanh treo lõi, giá đỡ và card arduino.
3.2.1. Cuộn dây
Cuộn dây đóng vai trò là phần tĩnh của hệ thống nâng từ. Các thông số của cuộn dây:
- Tiết diện dây: 0,4mm2 - Số vòng dây: 1000 vòng
- Chiều cao: 30mm
- Đƣờng kính lõi: 11mm
- Điện áp hoạt động: 0 - 12VDC
3.2.2. Phần động
Phần động của hệ thống nâng từ chúng tôi sử dụng các viên nam châm vĩnh cửu ( đƣờng kính 10mm; chiều cao 3,5mm) kết hợp với thanh sắt để ghép thành thanh nam châm có kích thƣớc phù hợp với cuộn dây.
3.2.3. Thiết bị đo góc
Hình 3.1: Thiết bị đo góc 334 xung, 2 kênh
Thiết bị đo góc (đƣợc gắn với trục quay, cánh tay đòn) dùng để đo góc. Đồng thời chuyển đổi vị trí góc thành tín hiệu nhị phân và nhờ tín hiệu này để
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
50
xác định vị trí của phần động. Tín hiệu ra của thiết bị đo góc cho dƣới dạng tín hiệu xung. Các thông số của thiết bị đo góc nhƣ sau:
- Điện áp định mức: 5V
- Dòng tiêu thụ: 20mA
- Chuẩn Jack: 2.0
- Có 334 xung, 2 kênh ra A và B cùng tần số nhƣng lệch pha 0
90
- Số xung mỗi kênh : 334
3.2.4. Card Arduino
Hình 3.2: Card Arduino UNO
Để đo đƣợc vị trí của lõi và điều khiển điện áp của cuộn dây, chúng tôi đã sử dụng card Arduino 328 để kết hợp với máy tính, điều khiển điện áp cấp cho cuộn dây và đo vị trí của phần động. Các thông số kỹ thuật của Arduino nhƣ sau:
Vi điều khiển ATmega328
Điện áp làm việc 5V
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Điện áp nguồn vào giới hạn 6-20V
Đầu vào ra số I/O 14 (6 kênh ra) Các chân vào tƣơng tự 6
Dòng điện vào cho 1 I/O 40 mA Dòng điện vào cho điện áp 3.3V 50 mA
Flash Memory 32 KB
SRAM 2 KB
EEPROM 1 KB
Clock Speed 16 MHz
Bảng 3.1: Các thông số kỹ thuật của Card Arduino Uno
Cạc Arduino 328 có 14 chân đầu vào/đầu ra (trong đó có 6 chân có thể đƣợc sử dụng nhƣ là đầu ra PWM), 6 đầu vào tƣơng tự, 16 MHz tinh thể dao động, kết nối USB, một jack cắm điện, một tiêu đề ICSP, và một nút reset. Về mặt kỹ thuật, Arduino là một thiết bị lập trình logic, card Arduino 328 đƣợc kết nối với 1 mạch cầu vì động cơ điều khiển cánh tay máy quay 2 chiều). Card Arduino 328 đƣợc kết nối với máy tính bằng cáp USB, chúng tôi dùng mô phỏng Simulink trên Matlab để giao tiếp với Arduino để điều khiển 13 mô hình. Arduino Uno có thể đƣợc hỗ trợ thông qua kết nối USB hoặc với một nguồn cung cấp điện bên ngoài từ 6 ÷ 20 volts. Nếu sử dụng nguồn pin dƣới 5 volts Arduino có thể không ổn định. Nếu sử dụng nhiều hơn 12V, các bộ điều chỉnh điện áp có thể bị quá nóng và làm hỏng. Vì vậy điện áp nguồn vào nên sử dụng từ 7 ÷ 12 volts.
3.2.5. Cánh tay đòn
Dùng để biến đổi chuyển động thẳng của lõi sang chuyển động quay, sau đó dùng Encoder để đo vị trí góc quay. Do đó chúng tôi phải tiến hành tính toán quy đổi từ vị trí góc sang vị trí của lõi. Hệ số chuyển đổi ở đây là 13,5 đƣợc xác định bằng thực nghiệm.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
52
3.2.6.Mô hình thực của hệ thống nâng từ
Hình 3.3: Hệ thống điều khiển nâng từ * Card Arduino đƣợc kết nối với hệ thống nhƣ sau:
Arduino có 14 chân đầu vào, đầu ra hoạt động ở điện áp 5 volts. Nguồn pin có thể cung cấp tối đa 40mA và có một điện trở bên trong 20-50 kohms.
- Serial: 0(RX) và 1(TX). Chân này đƣợc kết nối với các chân tƣơng ứng của ATmega8U2 USB-to-TTL nối tiếp chip.
- Chân số 2 và 3 đƣợc nối với thiết bị đo góc.
- Chân 5, 6 đƣợc đƣa ra điều chỉnh điện áp cấp cho cuộn dây.
* Nguyên lý hoạt động của hệ thống
Khi ta cấp nguồn cho cuộn dây thì xung quanh cuộn dây sẽ tồn tại từ trƣờng. Từ trƣờng này tƣơng tác với từ trƣờng của nam châm vĩnh cửu (có
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
trong phần động) để sinh ra lực điện từ làm cho phần động dịch chuyển và đƣợc nâng lên ở một vị trí trong từ trƣờng đó. Ứng với mỗi một mức điện áp khác nhau cấp cho cuộn dây thì lực điện từ đƣợc sinh ra có giá trị khác nhau. Để xác định đƣợc vị trí của phần động ta có thể sử dụng nhiều cách khác nhau. Trong trƣờng hợp này, chúng tôi gắn phần động với một cánh tay đòn và thiết bị đo góc (đƣợc gắn với trục quay) để biến chuyển động thẳng của thanh nam châm khi dịch chuyển trong từ trƣờng thành chuyển động quay của thiết bị đo góc. Từ vị trí góc quay, ta có thể suy ra đƣợc vị trí của phần động.
Trong bài toán điều khiển này, mục tiêu của chúng tôi là điều khiển điện áp cấp cho cuộn dây sao cho phần động của hệ thống đƣợc ổn định tại một vị trí cân bằng nhất định.
Nhƣ vậy, trong nội dung chƣơng này, chúng tôi đã thiết kế, chế tạo hệ thống nâng từ. Với hệ thống này, chúng tôi có thể tiến hành làm thí nghiệm với yêu cầu của bài toán điều khiển đã đƣợc đặt ra. Ở chƣơng tiếp theo, chúng tôi sẽ thiết kế bộ điều khiển mờ cho hệ thống nâng từ này và tiến hành điều khiển thời gian thực. Kết quả đƣợc so sánh với chất lƣợng của hệ thống điều khiển sử dụng bộ điều khiển PI kinh điển.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
54
CHƢƠNG IV
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHO HỆ THỐNG NÂNG TỪ