TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TÊN ĐỀ TÀI ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG HỆ BALL AND BEAM GVHD PGS TS Nguyễn Minh Tâm SVTH Hoàng Thị Thủy MSSV 20342022 Tp Hồ Chí Minh,.
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM
KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TÊN ĐỀ TÀI :
ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG HỆ
BALL AND BEAM
GVHD: PGS.TS Nguyễn Minh Tâm SVTH: Hoàng Thị Thủy
MSSV: 20342022
Trang 2TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM
KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TÊN ĐỀ TÀI :
ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG HỆ
BALL AND BEAM
GVHD: PGS.TS Nguyễn Minh Tâm SVTH: Hoàng Thị Thủy
MSSV: 20342022
Trang 3Bộ Giáo Dục Và Đào Tạo CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
Thành Phố Hồ Chí Minh
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
1 Thông tin sinh viên
Họ và tên: Hoàng Thị Thủy MSSV: 20342022……
Tel: 0326.216.774……… Email: 20342022@student.hcmute.edu.vn
2 Thông tin đề tài
Tên của đề tài: “ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG HỆ BALL AND BEAM”
Mục đích của đề tài: Nghiên cứu và ứng dụng giải thuật điều khiển thông minh
Đồ án tốt nghiệp được thực hiện tại: Bộ môn Điện Công Nghiệp, Khoa Điện - Điện
Tử, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
Thời gian thực hiện: Từ ngày 22-04-2022 đến 07-07-2022
3 Các nhiệm vụ cụ thể của đề tài
- Xây dựng mô hình toán hệ Ball and Beam
- Đưa ra nguyên lý cân bằng của hệ thống
- Xây dựng mô hình phần cứng thực tế của hệ Ball and Beam
- Mô phỏng và điều khiển thực tế hệ thống với bộ điều khiển LQR, Fuzzy
- Lập trình ngôn ngữ Matlab để viết chương trình thu thập dữ liệu phần cứng trên môi trường Matlab/Simulink
- Nhận xét kết quả mô phỏng và thực tế
4 Lời cam đoan của sinh viên
Tôi là sinh viên Hoàng Thị Thủy cam đoan đồ án tốt nghiệp là công trình nghiên cứu của bản thân tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Minh Tâm
Các kết quả công bố trong đồ án tốt nghiệp là trung thực và không sao chép từ bất
kỳ công trình nào khác
Trang 5PHẦN 1 : GIỚI THIỆU
Trang 6LỜI MỞ ĐẦU
Hiện nay, cùng với sự phát triển vượt bậc của xã hội, đời sống con người cũng ảnh hưởng rất nhiều về sự phát triển của khoa học kỹ thuật, nhu cầu về sử dụng công nghệ kỹ thuật ngày càng cao, không chỉ dừng lại ở điều khiển thông thường mà còn phải hiện đại, hiệu quả và độ chính xác cao Vì vậy, kỹ thuật điều khiển và tự động hóa không ngừng phát triển, các máy móc, robot, ngày càng trở nên thông minh và chính xác, các thao tác trở nên nhanh chóng và hiệu quả
Trong hệ thống tự cân bằng trên ô tô và xe hai bánh tự cân bằng, cân bằng máy bay theo phương ngang, hệ thống phóng tên lửa ,… Đây là đối tượng thường được các nhà nghiên cứu lựa chọn để kiểm chứng những thuật toán điều khiển của mình, từ những thuật toán điều khiển cổ điển đến những thuật toán điều khiển hiện đại, điều khiển thông minh Các nghiên cứu về điều khiển hệ thống Ball and Beam đã được tiến hành khá sớm, xuất phát từ nhu cầu thiết kế các hệ thống điều khiển cân bằng tên lửa trong giai đoạn đầu phóng Trên phương diện nghiên cứu các kĩ thuật điều khiển thực, hệ Ball and Beam đại diện cho lớp các đối tượng phi tuyến phức tạp Nhiều giải thuật đã được áp dụng thành công cho hệ Ball and Beam, như PID, LQR, điều khiển trượt Đối với sinh viên chuyên ngành Điện Công Nghiệp, mặc dù không phải là lĩnh vực chuyên môn của người thực hiện, nhưng với sự yêu thích, đam mê, cùng với nhận thấy đây là một lĩnh vực mới, hứa hẹn mở ra nhiều triển vọng mới Nhằm đóng góp nghiên cứu, người thực hiện quyết
định chọn đề tài: “ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG HỆ BALL AND BEAM” để tiến hành nghiên cứu
Mặc dù người thực hiện đề tài đã cố gắng hoàn thành nhiệm vụ đề tài đặt ra và đúng thời hạn quy định nhưng chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót, mong quý Thầy/Cô và các độc giả thông cảm Người thực hiện đề tài rất mong nhận được những
ý kiến đóng góp của quý Thầy/Cô và mọi người để đề tài được hoàn thiện hơn nữa Xin chân thành cảm ơn!
Người thực hiện đề tài
Hoàng Thị Thủy
Trang 7LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình thực hiện đề tài, tôi đã nhận được sự giúp đỡ của Quý thầy cô và các thành viên nhóm nghiên cứu của TS Nguyễn Văn Đông Hải, nhờ vậy đề tài đã hoàn thành đúng thời gian quy định Người thực hiện đề tài xin chân thành gửi lời cảm ơn đến:
- Thầy Đông Hải đã quan tâm, tận tình hướng dẫn tạo điều kiện tốt nhất với các trang thiết bị, cùng vốn kiến thức chuyên môn để người thực hiện hoàn thành đồ án này
- PGS.TS Nguyễn Minh Tâm, trưởng Khoa Điện – Điện Tử là người hướng dẫn, định hướng nghiên cứu để người thực hiện đề tài thực hiện được đồ án này
- Qúy thầy cô Khoa Điện – Điện Tử đã cung cấp những kiến thức nền tảng, căn bản
để hoàn thành đồ án
- Các thành viên trong nhóm nghiên khoa học Nguyễn Hoàng Phi Khôi, Nguyen Tuan
đã hỗ trợ, giúp đỡ, cùng người thực hiện tham gia đề tài NCKH cấp Trường với đề tài này
Người thực hiện cũng xin gửi lời chúc sức khỏe và nhiệt huyết đến tất cả các thầy
cô để tiếp tục giảng dạy cho các thế hệ tiếp sau
Trang 8MỤC LỤC
PHẦN 1 : GIỚI THIỆU i
LỜI CẢM ƠN iii
MỤC LỤC iv
DANH MỤC HÌNH ẢNH vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU viii
PHẦN 2:NỘI DUNG 1
CHƯƠNG 1: DẪN NHẬP 2
1.1 Đặt vấn đề 2
1.2 Lý do chọn đề tài 2
1.3 Đối tượng nghiên cứu 3
1.4 Phương pháp nghiên cứu 3
1.5 Giới hạn đề tài 4
1.6 Dàn ý nghiên cứu 4
1.7 Ý nghĩa thực tiễn 4
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ CẤU TRÚC HỆ THỐNG 6
2.1 Giới thiệu về hệ Ball and Beam 6
2.2 Mô tả toán học hệ Ball and Beam 6
2.3 Các thông số của hệ thống 10
CHƯƠNG 3: GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN HỆ BALL AND BEAM 11
3.1 Giới thiệu bộ điều khiển LQR 11
3.2 Giới thiệu bộ điều khiển Fuzzy 11
3.3 Xây dựng bộ điều khiển LQR cho hệ ball and beam 12 3.4 Xây dựng bộ điều khiển FUZZY cho hệ dựa trên công cụ Neuro-Fuzzy
Trang 94.1 Phần cứng 24
4.1.1 Thiết kế mô hình hệ Ball and Beam và gia công cơ khí 24
4.1.2 Giới thiệu về board STM32F407 DISCOVERY 26
4.1.3 Lựa chọn động cơ điều khiển 28
4.1.4 H-BRIDGE H216 V2 30
4.1.5 Ball (viên bi) 31
4.1.6 Encoder 32
4.1.7 Dây điện trở quấn lò xo 32
4.1.8 Nguồn tổ ong 33
4.2 Phần mềm 33
4.2.1 Giới thiệu thư viện lập trình waijung STM32F4 trên Matlab 33
4.2.2 Phần mềm Terminal 34
4.3 Chương trình điều khiển hệ thống 34
CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM 36
5.1 Kết quả mô phỏng 36
5.1.1 Kết quả mô phỏng điều khiển hệ thống bằng LQR 36
5.1.2 Kết quả mô phỏng điều khiển hệ thống bằng Fuzzy 37
5.1.3 So sánh kết quả mô phỏng điều khiển giữa LQR và Fuzzy 38
5.2 Kết quả thực nghiệm 38
5.2.1 Kết quả thực nghiệm điều khiển hệ thống bằng LQR 39
5.2.2 Kết quả thực nghiệm điều khiển hệ thống bằng Fuzzy 40
5.2.3 So sánh kết quả thực nghiệm điều khiển giữa LQR và Fuzzy 41
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 43
TÀI LIỆU THAM KHẢO 44
Trang 10DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1 Mô hình dự kiến thực hiện 6
Hình 2.2 Cấu trúc mô hình ball and beam 7
Hình 2.3 Mô tả toán học động cơ Servo DC 9
Hình 3.1 Sơ đồ khối một hệ thống sử dụng bộ điều khiển LQR 11
Hình 3.2 Sơ đồ khối điều khiển mờ 12
Hình 3.3 Sơ đồ khối một hệ thống sử dụng bộ điều khiển Fuzzy 12
Hình 3.4 Sơ đồ mô phỏng hệ thống Ball and Beam với bộ điều khiển LQR 12
Hình 3.5 Cấu trúc bộ điều khiển mờ với bốn ngõ vào, một ngõ ra 14
Hình 3.6 Sơ đồ thu thập dữ liệu bộ điều khiển LQR với các ngõ vào là giá trị random 15
Hình 3.7 Dữ liệu sau khi đã thu thập được sử dụng để training 16
Hình 3.8 Sơ đồ mô phỏng hệ thống Ball and Beam với bộ điều khiển Fuzzy 16
Hình 3.9 Bảng 81 luật mờ 18
Hình 3.10 Sơ đồ bộ điều khiển Fuzzy với 4 ngõ vào và 1 ngõ ra 19
Hình 3.11 Hàm liên thuộc của ngõ vào input1 ứng với vị trí viên bi 20
Hình 3.12 Hàm liên thuộc của ngõ vào input2 ứng với tốc độ viên bi 21
Hình 3.13 Hàm liên thuộc của ngõ vào input3 ứng với góc lệch thanh beam 22
Hình 3.14 Hàm liên thuộc ngõ vào input4 ứng với tốc độ thanh beam 23
Hình 4.1 Đế giữ trục beam phía trái và phải 24
Hình 4.2 Để giữ trục beam ở giữa 24
Hình 4.3 Đế gắn trục động cơ vào tâm giữa thanh beam 25
Hình 4.4 Đế giữ động cở Servo DC 25
Hình 4.5 Đế giữ mô hình 26
Hình 4.6 KIT STM32F407 DISCOVERY 27
Hình 4.7 Sơ đồ cấu trúc phần cứng KIT STM32F407 DISCOVERY 28
Hình 4.8 Động cơ Servo DC 24V 29
Hình 4.9 Encoder được tích hợp với động cơ 30
Trang 11Hình 4.12 Ball (viên bi) 31
Hình 4.13 Dây điện trở được quấn dạng lo xo 32
Hình 4 14 Nguồn tổ ong 24V 33
Hình 4.15 Cài đặt thư viện Waijung Blockset 33
Hình 4.16 Giao diện phần mềm Terminal version 1.9b 34
Hình 4.17 Chương trình điều khiển hệ thống ball and beam với bộ điều khiển LQR 34
Hình 4.18 Chương trình điều khiển hệ thống ball and beam với bộ điều khiển Fuzzy 35 Hình 5.1 Kết quả mô phỏng vị trí viên bi với bộ điều khiển LQR 36
Hình 5.2 Kết quả mô phỏng góc lệch thanh beam với bộ điều khiển LQR 36
Hình 5.3 Kết quả mô phỏng vị trí viên bi với bộ điều khiển Fuzzy 37
Hình 5.4 Kết quả mô phỏng góc lệch thanh beam với bộ điều khiển Fuzzy 37
Hình 5.5 Kết quả mô phỏng vị trí viên bi giữa bộ điều khiển LQR và Fuzzy 38
Hình 5.6 Kết quả mô phỏng góc lệch thanh beam giữa bộ điều khiển LQR và Fuzzy 38 Hình 5.7 Hình ảnh mô hình thực tế tự thiết kế sau khi đã thi công 39
Hình 5.8 Kết quả thực tế điều khiển vị trí viên bi bằng bộ điều khiển LQR 39
Hình 5.9 Kết quả thực tế điều khiển góc lệch thanh beam bằng bộ điều khiển LQR 40
Hình 5.10 Kết quả thực tế điều khiển vị trí viên bi bằng bộ điều khiển Fuzzy 40
Hình 5.11 Kết quả thực tế điều khiển góc lệch thanh beam bằng bộ điều khiển Fuzzy41 Hình 5.12 Kết quả thực tế điều khiển vị trí viên bi giữa bộ điều khiển LQR và Fuzzy 41 Hình 5.13 Kết quả thực tế điều khiển góc lệch thanh beam giữa bộ điều khiển LQR và Fuzzy 42
Trang 12
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Giá trị các thông số của mô hình thực tế 10
Bảng 2.2 Giá trị các thông số của động cơ 10
Bảng 4.1 Thông số động cơ Servo DC 29
Bảng 4.2 Thông số Encoder 32
Trang 13PHẦN 2:NỘI DUNG
Trang 14CHƯƠNG 1: DẪN NHẬP ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
CHƯƠNG 1: DẪN NHẬP 1.1 Đặt vấn đề
Với sự tiến bộ và sự phát triển mạnh mẽ về khoa học kỹ thuật, đặc biệt là trong lĩnh vực điều khiển tự động hóa Các hệ thống điều khiển được áp dụng các quy luật điều khiển kinh điển đến hiện đại, điều khiển thông minh, điều khiển bằng trí tuệ nhân tạo cũng lần lượt được ra đời Cánh tay máy, con lắc ngược,…đều được giải quyết bởi các bài toán ổn định hệ thống với độ chính xác cao, tính ổn định bền vững và thời gian đáp ứng nhanh Các phương pháp này càng được nghiên cứu, phát triển, ứng dụng rộng rãi, góp phần tăng chất lượng, độ ổn định của hệ thống Đây là động lực sinh ra ngành khoa học điều khiển thông minh, điều khiển hiện đại, đây là lĩnh vực nghiên cứu mới và đầy tiềm năng
1.2 Lý do chọn đề tài
Như đã được đề cập ở trên, ngành điều khiển tự động đang trở thành một trong những ngành quan trọng trong bối cảnh cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 đang đến rất gần Các giải pháp điều khiển thông minh, điều khiển hiện đại ngày càng được quan tâm nghiên cứu để thực hiện các ứng dụng mà các giải pháp điều khiển thông thường không thực hiện được Hệ Ball and Beam [1], [2], [3] dịch tiếng việt là hệ thống Bóng và Tay đòn, là hệ thống dùng để thực nghiệm bài toán ổn định vị trí, là hệ thống một vào – nhiều
ra, nó có độ bất ổn định cao và là cơ sở để tạo ra các hệ thống tự cân bằng như: trong hệ thống tự cân bằng trên ô tô và xe hai bánh tự cân bằng, cân bằng máy bay theo phương ngang, hệ thống phóng tên lửa ,… Đây là đối tượng thường được các nhà nghiên cứu lựa chọn để kiểm chứng những thuật toán điều khiển của mình, từ những thuật toán điều khiển cổ điển đến những thuật toán điều khiển hiện đại, điều khiển thông minh Các nghiên cứu về điều khiển hệ thống Ball and Beam đã được tiến hành khá sớm, xuất phát
từ nhu cầu thiết kế các hệ thống điều khiển cân bằng tên lửa trong giai đoạn đầu phóng Trên phương diện nghiên cứu các kĩ thuật điều khiển thực, hệ Ball and Beam đại diện cho lớp các đối tượng phi tuyến phức tạp Nhiều giải thuật đã được áp dụng thành công cho hệ Ball and Beam, như PID, LQR, điều khiển trượt
Trang 15CHƯƠNG 1: DẪN NHẬP ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Từ những nguyên nhân trên, người thực hiện quyết định chọn đề tài “ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG HỆ BALL AND BEAM” nhằm nghiên cứu kỹ hơn về lý thuyết mờ, ứng
dụng Logic mờ trong điều khiển hệ có độ mất ổn định cao
1.3 Đối tượng nghiên cứu
Hệ thống Ball and Beam gồm Ball lăn tự do trên Beam được điều khiển bởi motor Dựa vào vị trí của Ball mà Beam phải quay theo đúng chiều chống lại sự mất cân bằng của Ball, nếu hiểu chính xác là phải cấp điện áp sao cho điều khiển Beam một góc nào
đó Vì lý do đó ta phải đi xây dựng mô hình toán học của hệ Ball and Beam để tìm mối liên hệ giữa các bộ phận trên mô hình
Mô hình hệ Ball and Beam dạng trục giữa bao gồm 3 phần: cơ khí, điện tử và phần chương trình
• Phần cơ khí bao gồm: quả banh (Ball), máng trượt (Beam) , đế mô hình, động
cơ DC servo được kết nối với trục của thanh Beam
• Phần điện tử và chương trình là các bộ nguồn, KIT STM32F4, điện tử công suất, khuếch đại, chương trình Simulink… của Matlab
Do sự hạn chế về thời gian cũng như đặc tính làm việc của các linh kiện, chi tiết cơ học chưa thực sự tốt cho nên chưa thể hoàn chỉnh đề tài một cách hoàn hảo, tuy nhiên, người thực hiện đề tài đã cố gắng để hoàn thành được những mục tiêu đưa ra
1.4 Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết:
• Nghiên cứu xây dựng mô hình toán học hệ Ball and Beam
• Nghiên cứu bộ điều khiển LQR, bộ điều khiển mờ (Fuzzy) để điều khiển cân bằng hệ Ball and Beam
Trang 16CHƯƠNG 1: DẪN NHẬP ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
1.5 Giới hạn đề tài
• Thiết kế bộ điều khiển LQR, Fuzzy
• Nghiên cứu đặc tính kỹ thuật của board STM32F407 Discovery
• Nhận dạng thông số động cơ DC Servo
• Xây dựng mô hình ball and beam đơn giản
• Xây dựng chương trình điều khiển
1.6 Dàn ý nghiên cứu
1.6.1 Cấu trúc hệ Ball and Beam
- Mô tả toán học về cấu trúc hệ Ball and Beam
- Đề xuất các giải pháp điều khiển
1.6.2 Giải thuật LQR, Fuzzy
- Giới thiệu về giải thuật tối ưu LQR
- Giới thiệu về giải thuật logic mờ (Fuzzy)
- Tổng quan về Matlab và Simulink
- Bộ công cụ lập trình trong Simulink dành cho chip STM
- Mô hình và các chi tiết liên quan
1.7 Ý nghĩa thực tiễn
Việc sử dụng thành công thuật toán LQR, Fuzzy và điều khiển dùng chip STM32F407VG sẽ mở đường cho các công trình nghiên cứu khác thuộc lĩnh vực điều khiển thông minh, giúp cho các nghiên cứu sinh có thể tiếp cận dễ dàng và hiệu quả hơn
Trang 17CHƯƠNG 1: DẪN NHẬP ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
như phương pháp điều khiển mạng nơ-ron hay các bài toán nhận dạng, điều khiển mờ, PID kinh điển, các bài toán điều khiển dùng kỹ thuật trượt v.v…
Ngoài ra, với mô hình Ball và Beam và giải thuật điều khiển được xây dựng trong
đề tài có thể phát triển theo hướng hoàn chỉnh để đưa vào nghiên cứu khoa học, thử nghiệm các giải thuật điều khiển, ứng dụng sản xuất đơn giản hay theo hướng phát triển lên để xây dựng một hệ thống vận hành phức tạp, thông minh và hiệu quả cao hơn
Trang 18CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ CẤU TRÚC HỆ THỐNG
2.1 Giới thiệu về hệ Ball and Beam
Hệ thống Ball and Beam gồm Ball lăn tự do trên Beam được điều khiển bởi motor Dựa vào vị trí của Ball mà Beam phải quay theo đúng chiều chống lại sự mất cân bằng của Ball, nếu hiểu chính xác là phải cấp điện áp sao cho điều khiển Beam một góc nào
đó Vì lý do đó ta phải đi xây dựng mô hình toán học của hệ Ball and Beam để tìm mối liên hệ giữa các bộ phận trên mô hình
Hình 2.1 Mô hình dự kiến thực hiện
Mô hình hệ Ball and Beam dạng trục giữ bao gồm 3 phần: cơ khí, điện tử và phần chương trình
• Phần cơ khí bao gồm: quả banh (Ball), máng trượt (Beam), đế mô hình, động cơ
DC servo được kết nối với trục của thanh Beam
• Phần điện tử và chương trình là các bộ nguồn, Kit STM32F407, điện tử công suất, khếch đại, chương trình Simulink… của Matlab
2.2 Mô tả toán học hệ Ball and Beam
Mô hình toán học của hệ thống [3], [5] được mô tả như sau:
Trang 19CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Hình 2.2 Cấu trúc mô hình ball and beam
Áp dụng phương pháp Euler – Langrange:
2I beam • : là động năng của Beam khi xoay quanh trục của động cơ
• mgsin x: thế năng của hệ
Trang 20CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Giả sử viên Ball lăn không trượt trên thanh ngang nên hệ số ma sát lăn rất nhỏ
có thể bỏ qua trong quá trình tính toán và 2 2
Trang 21CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Hình 2.3 Mô tả toán học động cơ Servo DC
Phương trình điện áp và dòng điện trên stator:
Trang 22CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
02
Các thông số cơ khí của mô hình được xác định bằng phương pháp đo đạc:
Bảng 2.1 Giá trị các thông số của mô hình thực tế Thông số Giá trị Đơn vị
Các thông số của động cơ được cho bởi nhà sản xuất:
Bảng 2.2 Giá trị các thông số của động cơ Thông số Giá trị Đơn vị
Trang 23CHƯƠNG 3: GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
CHƯƠNG 3: GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN HỆ BALL AND BEAM
3.1 Giới thiệu bộ điều khiển LQR
LQR là một phương pháp điều khiển cung cấp hiệu suất tốt nhất có thể đối với một số số đo nhất định của hiệu suất Vấn đề thiết kế bộ điều khiển LQR là thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái K sao cho hàm mục tiêu J là nhỏ nhất Trong phương pháp này, một ma trận được phản hồi đã được thiết kế để giảm thiểu hàm mục tiêu nhằm đạt được sự hài hòa giữa việc sử dụng chế độ điều khiển, độ lớn và tốc độ phản hồi sẽ đảm bảo cho hệ thống ổn định
Bộ điều khiển LQR hay còn gọi là bộ điều khiển tối ưu, tín hiệu điều khiển được xác định như sau:
Hình 3.1 Sơ đồ khối một hệ thống sử dụng bộ điều khiển LQR
3.2 Giới thiệu bộ điều khiển Fuzzy
Giải thuật điều khiển Fuzzy- hay còn gọi là điều khiển mờ, là một trong những giải thuật điều khiển thông minh Việc thiết kế bộ điều khiển Fuzzy hiện nay có nhiều phương pháp, chủ yếu dựa trên kinh nghiệm của người thiết kế, người vận hành
Thiết kế bộ điều khiển Fuzzy gồm 3 giai đoạn chính: Mờ hóa ngõ vào, hệ thống luật mờ, giải mờ ngõ ra
Trang 24CHƯƠNG 3: GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Hình 3.2 Sơ đồ khối điều khiển mờ
Hình 3.3 Sơ đồ khối một hệ thống sử dụng bộ điều khiển Fuzzy
3.3 Xây dựng bộ điều khiển LQR cho hệ ball and beam
Hình 3.4 Sơ đồ mô phỏng hệ thống Ball and Beam với bộ điều khiển LQR
Trang 25CHƯƠNG 3: GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Để xây dựng bộ điều khiển LQR cho hệ thống ball and beam, ta xác định luật điều khiển là u=-Kx
Điểm cân bằng của viên bi ứng với vị trí 4 biến trạng thái đều bằng 0
Với các thông số của mô hình, ta xác định được:
0 0 -7.0071 0
A =
0 0 0 1.0000 -146.6609 0 0 -0.1657
B = 0 2.3672
Trang 26CHƯƠNG 3: GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
3.4 Xây dựng bộ điều khiển FUZZY cho hệ dựa trên công cụ Neuro-Fuzzy
Designer từ bộ điều khiển LQR
Đã có những nghiên cứu về giải pháp điều khiển hệ ball and beam sử dụng thuật toán Fuzzy [4], [6] Người thực hiện cũng sử dụng thuật toán fuzzy trong đề tài với 4 ngõ vào là tín hiệu từ ngõ ra hệ thống
Đối tượng có một ngõ vào là nhưng có tới bốn ngõ ra [ , , , ]x x• • Do đó, để điều khiển hệ thống thực tế ta cần phải tiến hành xây dựng bộ điều khiển mờ trực tiếp có bốn ngõ vào, một ngõ ra có cấu trúc như hình sau:
Hình 3.5 Cấu trúc bộ điều khiển mờ với bốn ngõ vào, một ngõ ra
Nếu mỗi ngõ vào được chuẩn hóa có n hàm liên thuộc, thì số luật cho bộ điều khiển
sẽ trở thành n4 Giả sử mỗi ngõ vào có 5 hàm liên thuộc thì cần có 625 luật, có 6 hàm liên thuộc thì phải có 1296 luật… Đây là vấn đề khó khăn rất lớn
Vì vậy, người thực hiện đã tạo ra bộ điều khiển Fuzzy dựa trên nền tảng bộ điều khiển LQR trước đó Với bộ điều khiển LQR đã ổn định hệ thống, người thực hiện đã thu thập dữ liệu của bộ điều khiển LQR và tạo ra một bản sao là bộ điều khiển Fuzzy Dưới đây là sơ đồ khối thu thập dữ liệu bộ điều khiển LQR
Trang 27CHƯƠNG 3: GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Hình 3.6 Sơ đồ thu thập dữ liệu bộ điều khiển LQR với các ngõ vào là giá trị random
Các giá trị ngõ vào random được giới hạn lại bởi khối saturation để phù hợp với thực tế Chẳng hạn đối với ngõ vào random đầu tiên là vị trí viên bi đã được giới hạn trong phạm vi -50cm đến +50cm Ngõ vào random thứ ba là góc thanh beam cũng được giới hạn từ -30 độ đến +30 độ
Trang 28CHƯƠNG 3: GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Hình 3.7 Dữ liệu sau khi đã thu thập được sử dụng để training
Kết quả huấn luyện từ công cụ Neuron-Fuzzy Designer đã cho ra một bộ điểu khiển Fuzzy như ở sơ đồ sau
Hình 3.8 Sơ đồ mô phỏng hệ thống Ball and Beam với bộ điều khiển Fuzzy