3.3.1. Giới thiệu mô hình hệ thống thí nghiệm
Hình 3.13. Mô hình hệ thống truyền động bám chính xác
Hình 3.13 là một mô hình thí nghiệm hệ truyền động chính xác tại phòng thí nghiệm Điện - Điện tử - Trƣờng ĐHKT Công nghiệp đƣợc thiết kế theo nguyên tắc hoạt động nhƣ mô hình MEDE5, điều khiển chuyển động đến 1 vị trí chính xác theo giá trị đặt hoặc chuyển động theo một quỹ đạo mẫu đặt sẵn. Phát triển mô hình có thể ứng dụng trong thực tiễn nhƣ máy vẽ 2 chiều, 3 chiều, máy CNC hay các hệ thống điều vị trí khiển chính xác khác.
Việc điều khiển chuyển động bám chính xác cho hệ thống trên đƣợc thực hiện qua điều khiển động cơ servo. Tín hiệu ra hệ thống bám chính xác theo tín hiệu đặt. Khi có sự sai lệch, tín hiệu hệ thống qua encoder sẽ đƣợc gửi về và đƣợc so sánh với giá trị đặt trong bộ điều khiển, từ đó bộ điều khiển sẽ gửi tín hiệu để điều khiển động cơ sao cho tín hiệu ra bám chặt theo tín hiệu đặt.
Hệ thống gồm các thành phần:
- Arduino Board: nhận tín hiệu phản hồi từ sensor vị trí (Encoder) và giao tiếp với máy tính, xuất tín hiệu ra mạch công suất (cầu H) để điều khiển động cơ.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 3.14. Arduino Board
Arduino là một bo mạch vi xử lý đƣợc dùng để lập trình và tƣơng tác với với các thiết bị phần cứng nhƣ cảm biến, động cơ, và các thiết bị khác. Nhƣng ƣu điểm của Arduino là môi trƣờng phát triển ứng dụng cực kỳ dễ sử dụng, với ngôn ngữ lập trình có thể học một cách nhanh chóng ngay cả đối với những ngƣời ít am hiểu về lập trình. Và điều làm nên hiện tƣợng Arduino chính là mức giá rất thấp và tính chất nguồn mở từ phần cứng đến phần mềm. Arduino đƣợc chọn làm bộ não xử lý của rất nhiều các thiết bị từ đơn giản đến phức tạp. Arduino kết hợp đƣợc với các phần mềm Labview và Matlab, do vậy tạo điều kiện dễ dàng cho việc kiểm nghiệm các thuật toán điều khiển trong thực tế.
- Mạch cầu H (H-Bridge Circuit): điều khiển MOSFET công suất, cho phép đảo chiều, chống trùng dẫn, dòng cho phép 10A, thực hiện nhiệm vụ đảo chiều động cơ.
- Công tắc hành trình LXW5-11G1 dùng để giới hạn hành trình chuyển động của con trƣợt.
- Động cơ servo và cơ cấu bánh răng dùng để truyền động hệ thống là động cơ DB M60-8 có các thông số:
+ Điện áp 24 V.
+ Tốc độ 3000 vòng/phút. + Công suất: 60W.
+ Encoder: 1000 xung/ vòng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 3.15. Động cơ servo và cơ cấu bánh răng
3.3.2. Cấu trúc điều khiển và bộ điều khiển FLC
Bài toán điều khiển ở đây là điều khiển chuyển động đến 1 vị trí chính xác theo giá trị đặt với yêu cầu đảo chiều liên tục đòi hòi bộ điều khiển tác động nhanh, loại bỏ đƣợc nhiễu ma sát sao cho quá trình gia tốc, giảm tốc của con trƣợt êm hơn.
Hình 3.16. Cấu trúc điều khiển hệ thống truyền động bám chính xác
Bộ điều khiển FLC đƣợc thiết kế trên nền Matlab/Simulink và thực hiện kết nối với hệ thống tƣơng đối dễ dàng thông qua việc sử dụng Arduino - Board tạo ra khả năng ứng dụng lớn khi thiết kế các bộ điều khiển cho các đối tƣợng thực khác nhau.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 3.17. Bộ điều khiển FLC
- Sơ đồ cấu trúc bộ lọc biến trạng thái SVF - State Variable Function
Hình 3.18. State Variable Function
- Arduino Board: gồm các khối giao diện . Arduino IO setup: cổng kết nối vào ra.
. Real-Time Pacer: cổng thiết lập cấu hình thời gian thực. . Encoder read: cổng đọc tín hiệu từ encoder
. Arduino analog write: cổng tín hiệu vào ra PWM tƣơng tự . Arduino digital write: cổng tín hiệu vào ra số
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 3.19. Cổng kết nối vào ra
Hình 3.20. Cổng thiết lập cấu hình thời gian thực
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 3.22. Cổng tín hiệu vào ra PWM tương tự
Hình 3.23. Cổng tín hiệu vào ra số
- Điều khiển đảo chiều động cơ servo
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 3.3.3. Kết quả thí nghiệm 0 5 10 15 20 25 30 35 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3x 10 4 Time (s) V a lu e s r a n g e ( x u n g )
Fuzzy logic control
Set values FLC
Hình 3.25. Đáp ứng hệ thống với bộ FLC 2 đầu vào
0 5 10 15 20 25 30 35 -3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000 4000 Time (s) Sai lech e(t)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Nhận xét:
- Chất lƣợng hệ thống với bộ FLC rất tốt, tín hiệu ra bám đƣợc theo giá trị đặt, sai lệch rất nhỏ và ổn định với nhiễu hệ thống.
- Từ thực nghiệm ta thấy rằng bộ điều khiển sử dụng FLC có thể ứng dụng đƣợc vào trong điều khiển các đối tƣợng thực tế đảm bảo chất lƣợng hệ thống đạt yêu cầu.
3.4. Kết luận chƣơng 3
Luận văn đã nghiên cứu thiết kế một bộ điều khiển mờ động và nghiên cứu nâng cao chất lƣợng cho bộ điều khiển qua thực nghiệm giảm số luật điều khiển đƣợc đánh giá theo tiêu chuẩn tích phƣơng bình phƣơng sai lệch.
Lập trình bộ điều khiển mờ dựa trên phần mềm chuyên dụng Matlab: thông số của đối tƣợng cho nhƣ trên và hàm truyền tƣơng ứng, đã thiết kế bộ điều khiển mờ động PD với hai đầu vào (đầu vào thứ hai là đạo hàm của đầu vào thứ nhất) và một đầu ra. Kết mô phỏng sao cho chất lƣợng của hệ thống là tốt nhất hay sai số là nhỏ nhất (chỉ tiêu tích phân) với độ quá điều chỉnh nhỏ, thời gian đáp ứng quá độ khá nhanh và sai lệch tĩnh bằng không.
Đã khảo sát thực nghiệm trên mô hình vật lý cụ thể là hệ thống truyền động bám chính xác. Bộ điều khiển sử dụng FLC có thể ứng dụng đƣợc vào trong điều khiển các đối tƣợng thực tế đảm bảo chất lƣợng hệ thống đạt yêu cầu.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Kết luận
Luận văn này đã giải quyết đƣợc một số nội dung sau:
Luận văn đã nghiên cứu thiết kế một bộ điều khiển mờ động và nghiên cứu nâng cao chất lƣợng cho bộ điều khiển qua thực nghiệm giảm số luật điều khiển đƣợc đánh giá theo tiêu chuẩn tích phƣơng bình phƣơng sai lệch.
Phƣơng pháp thiết kế đƣợc kiểm chứng bằng mô phỏng và thí nghiệm trên hệ thống vật lí cụ thể là hệ thống truyền động bám chính xác. Điều này càng chứng tỏ khả năng ứng dụng của bộ điều khiển mờ trong việc thiết kế các hệ thống tự động trong công nghiệp, đặc biệt áp dụng trong sản xuất, chế tạo nhằm giảm thiểu đƣợc sức lao động của con ngƣời mà lại đạt năng suất và hiệu quả kinh tế cao.
Bộ điều khiển mờ đƣợc thiết kế trong luận văn nhằm nâng cao chất lƣợng điều khiển chuyển động chính xác theo một quỹ đạo mẫu cho trƣớc, có thể giải quyết thành công các vấn đề điều khiển phức tạp khác trong các hệ thống công nghiệp, ví dụ nhƣ điều khiển máy vẽ có khả năng vẽ liên tục các đƣờng nét của một hình cho trƣớc, điều khiển chuyển động trong các máy công cụ CNC, robot….
Kiến nghị và hƣớng nghiên cứu tiếp theo
1.Nghiên cứu thử nghiệm bộ điều khiển mờ trên các hệ thống vật lí cụ thể khác, đặc biệt là các hệ thống có độ phi tuyến cao;
2.Nghiên cứu chế tạo và tích hợp bộ điều khiển mờ trên các chip vi xử lý và đƣa vào sử dụng trong thực tế
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1].Lê Hoài Bắc, Lê Hoàng Thái, Một số mô hình hệ thông minh lai: Kỹ thuật và ứng dụng, Hội thảo khoa học Quốc gia lần II, nghiên cứu và ứng dụng CNTT, Fai’r 2005. 23-24 tháng 9, 2005 ĐHBK Tp HCM.
[2].Bùi Công Cƣờng, Nguyễn Doãn Phƣớc, Hệ mờ mạng nơron và ứng dụng, NXB Khoa học kỹ thuật, 2000.
[3].Phan Xuân Minh, Nguyễn Doãn Phƣớc, Lý thuyết điều khiển mờ, NXB Khoa học kỹ thuật, 1997.
[4].Nguyễn Thƣơng Ngô, Lý thuyết điều khiển tự động hiện đại, NXB Khoa học kỹ thuật,, 1999.
[5].Nguyễn Doãn Phƣớc, Phan Xuân Minh, Lý thuyết điều khiển phi tuyến, NXB Khoa học kỹ thuật, 2003.
[6].Nguyễn Phùng Quang: MATLAB & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, NXB Khoa học & kỹ thuật, 2006.
[7].Le Hoai Bac, Le Hoang Thai, The GA_NN_FL associated model in solving the problem of fingerprint authentication, KES’ 2004, Wellington, NewZealand
[8]. Cuong Nguyen Duy (2008), Advanced Controllers for Electromechanical motion Systems, The degree of doctor at the University of Twente
[9].G.Beliakov, Fuzzy sets and membership functions based on probabilites, Information Sciences, vol. 91, 95-111, 1996.
[10]. Yuehui Chen, Hybrid Soft Computing Approach to Identification and Control of Nonlinear Systems, Kumamoto University, 2001.