5. Phƣơng pháp nghiên cứu
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
4.1. GIỚI THIỆU THƢ VIỆN ARDUINO TRONG SIMULINK
Trong luận văn này chúng tôi sử dung Simulink/Matlab để điều khiển thời gian thực thông qua card Arduino. Simulink có tích hợp sẵn thƣ viện của Arduino, do đó việc lập trình trong Simulink sẽ đơn giản hơn rất nhiều. Ở phần tiếp theo, chúng tôi sẽ giới thiệu một số khối sẽ đƣợc sử dụng của thƣ viện Arduino, bao gồm:
- Khối Arduino IO Setup.
- Khối Real - Time Pacer.
- Khối Maglev Coil.
- Khối Encoder Read.
Để điều khiển thời gian thực ta chỉ cần cài đặt tham số cho các khối này và ghép nối với khối mờ trong một file mô phỏng của Simulink là đƣợc.
4.1.1. Khối Arduino IO Setup
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 4.2: Giao diện định nghĩa cho khối Arduino IO Setup Khối Arduino IO Setup: Trên giao diện Parameters sử dụng hai tham số: - Biến Arduino: Có rất nhiều biến Arduino, chúng tôi đã sử dụng biến Arduino1 cho hệ thống.
- Cổng nối tiếp Serial (COM) port : Do máy tính kết nối với Arduino thông qua cổng nối tiếp COM3, cho nên ta ph ải khai báo là COM3 ở tham số Serial (COM) port.
4.1.2. Khối Real - Time Pacer
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
56
Hình 4.4: Giao diện khối Real-Time Pacer
Khối Real - Time Pacer: trên giao diện Parameters sử dụng một tham số Speedup (Simulation Time / Real Time), là tỉ số giữa thời gian mô phỏng và thời gian thực.
Để điều khiển thời gian thực, ta chọn Speedup bằng 1.
4.1.3. Khối Maglev Coil
Hình 4.5: Khối Maglev Coil
Khối Maglev Coil đƣa tín hiệu điều khiển từ máy tính ra các chân số 5, 6 của Arduino.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
+ Chân số 5 là tín hiệu Analog tƣơng tự.
Hình 4.6: Sơ đồ khối Voltage
Hình 4.7: Giao diện của khối Analog Write Khối Analog Write có 3 tham số:
- Chọn biến Arduino: Là Arduino1 - Pin: 5
- Thời gian lấy mẫu Sample: Là 0,01 + Chân số 6 là tín hiệu xung PWM.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
58
Hình 4.8: Sơ đồ khối Direction
Hình 4.9: Giao diện khối Digital Write Khối Digital Write có 3 tham số:
- Chọn biến Arduino: Là Arduino1 - Thời gian lấy mẫu Sample: Là 0,01 - Pin: 6
4.1.4. Khối thiết bị đo góc
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 4.11: Giao diện khối Encoder Read Khối Encoder Read có 6 tham số:
- Arduino Variable: Chọn Arduino1
- Encoder number: Chọn số 1.
- Pin A: Nối với chân số 3 của card Arduino. - Pin B: Nối với chân số 2 của card Arduino.
- Thời gian lấy mẫu Ts = 0,05 (đƣợc định nghĩa trong cửa sổ lệnh) - Debounce delay: 0
4.2. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHO HỆ THỐNG NÂNG TỪ
Dựa trên kinh nghiệm thiết kế bộ điều khiển mờ cho đối tƣợng là một mô hình toán của hệ thống nâng từ ở chƣơng II, chúng tôi sẽ thiết kế bộ điều
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
60 khiển mờ cho hệ thống nâng từ.
4.2.1. Thiết kế bộ điều khiển mờ
Hệ thống điều khiển sử dụng bộ điều khiển mờ có số tập mờ vào/ra là 7, để điều khiển đối tƣợng là hệ thống nâng từ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 4.13: Các hàm liên thuộc tín hiệu ra bộ điều khiển mờ
Hình 4.14: Luật hợp thành mờ
4.2.2. Sơ đồ hệ thống điều khiển mờ thời gian thực sử dụng Simulink
Ta sử dụng bộ điều khiển mờ đã thiết kế ở phần trên để điều khiển thời gian thực hệ thống nâng từ theo sơ đồ nhƣ sau:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
62
Hình 4.15: Sơ đồ hệ thống điều khiển hệ thống nâng từ sử dụng bộ điều khiển mờ
Trong sơ đồ:
- Khối Set point: giá trị đặt bằng 1
- Khối Fuzzy Logic Controller: bộ điều khiển mờ (đã đƣợc xây dựng ở phần trên)
- Khối Maglev coil: đƣa tín hiệu điều khiển từ Arduino tới các chân số 5 và chân số 6. Hai chân này sẽ điều khiển mạch cầu H, cung cấp điện áp cho cuộn dây dƣới dạng tín hiệu PWM.
- Khối Encoder và khối Sensor gain sẽ cung cấp vị trí của phần động.
- Khối Maglev Position: hiển thị vị trí phần động.
4.2.3. Kết quả điều khiển sử dụng bộ điều khiển mờ
Với bộ điều khiển mờ nhƣ trên, ta có kết quả điều khiển thực nhƣ sau:
Hình 4.16: Kết quả điều khiển sử dụng bộ điều khiển mờ