Các giải thuật hay phƣơng pháp điều khiển đƣợc nghiên cứu trên mô hình con lắc ngƣợc nhằm tìm ra các giải pháp tốt nhất trong các ứng dụng điều khiển thiết bị tự động trong thực tế: đi[r]
Trang 1MỤC LỤC
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1
1.1 Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu 1
1.2 Mục đích và phạm vi nghiên cứu 1
1.3 Đối tượng, địa điểm và thời gian nghiên cứu 2
1.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 2
1.5 Phương pháp nghiên cứu 2
CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ LUẬN 3
2.1 Giới thiệu sơ lược hệ thống con lắc ngược 3
2.1.1 Xây dựng mô hình – thuật toán điều khiển 3
2.1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 7
2.1.3 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 8
2.2 Mô hình toán hệ con lắc ngược 9
2.3 Xây dựng mô hình toán hệ con lắc ngược trên Matlab/Simulink 12
CHƯƠNG III: THIẾT KẾ MÔ HÌNH CON LẮC NGƯỢC 14
3.1 Sơ đồ khối 14
3.2 Xây dựng mô hình con lắc ngược 14
3.3 Phần cơ khí 16
3.4 Phần điện 18
3.4.1 Bộ điều khiển 18
3.4.2 Phần công suất 19
3.5 Phần chương trình 20
CHƯƠNG IV: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CON LẮC NGƯỢC 22
4.1 Điều khiển hệ thống con lắc ngược sử dụng bộ điều khiển PID 22
4.2 Áp dụng bộ điều khiển tối ưu tuyến tính hóa LQR 26
4.3 Lưu đồ giải thuật 30
4.4 Điều khiển LQR trên hệ con lắc ngược trên thời thực 31
CHƯƠNG V: KẾT L UẬN 35
5.1 Kết quả đề tài đạt được 35
5.2 Hướng phát triển đề tài 35
TÀI LIỆU THAM KHẢO 36
PHỤ LỤC 37
Trang 2DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: Thông số mô phỏng hệ con lắc ngƣợc 13
Bảng 3.1: Thông số thực của con lắc ngƣợc 16
DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1: Một số mô hình phần cứng con lắc ngƣợc 4
Hình 2.2: Cấu trúc động học của mô hình con lắc ngƣợc 4
Hình 2.3: Sơ đồ hệ thống con lắc ngƣợc đƣợc thực hiện ở luận văn 6
Hình 2.4: Mô hình thực nghiệm cân bằng con lắc ngƣợc dùng bộ điều khiển cuốn chiếu 7
Hình 2.5: Mô hình cân bằng xe con lắc ngƣợc dùng bộ điều khiển LQR 8
Hình 2.6: Mô hình cân bằng con lắc ngƣợc dùng bộ điều khiển LQR 8
Hình 2.7: Mô hình cân bằng con lắc ngƣợc dùng xử lý ảnh 9
Hình 2.8: Môhình động lực học hệ con lắc ngƣợc 9
Hình 2.9: Sơ đồ lực tác dụng vào hệ con lắc ngƣợc 10
Hình 2.10: Mô hình toán hệ con lắc ngƣợc phi tuyến 12
Hình 2.11: Mô hình toán hệ con lắc ngƣợc tuyến tính hóa 12
Hình 3.1: Sơ đồ khối 14
Hình 3.2: Mô hình thực tế hệ con lắc ngƣợc 15
Hình 3.3: Mô hình mô phỏng 3D hệ con lắc ngƣợc 15
Hình 3.4: Hộp điều khiển hệ con lắc ngƣợc 15
Hình 3.5: Khung cơ khí hệ con lắc ngƣợc 17
Hình 3.6: Chip DSP TMS320F28335 18
Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý mạch cầu H 19
Hình 3.8: Mạch cầu H cho động cơ 20
Hình 3.9: Quá trình chuyển đổi từ Simulink sang ngôn ngữ C chạy trên Card DSP 21
Hình 4.2: Sơ đồ của bộ điều khiển PID 22
Hình 4.3: Sơ đồ của bộ điều khiển PID cho hệ con lắc ngƣợc 24
Hình 4.4: Đáp ứng góc lệch của bộ điều khiển PID cho hệ con lắc ngƣợc 25
Hình 4.5: Đáp ứng vị trí của bộ điều khiển PID cho hệ con lắc ngƣợc 25
Hình 4.6: Cấu trúc bộ điều khiển LQR 26
Hình 4.7: Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển LQR cho hệ con lắc ngƣợc 28
Trang 3Hình 4.8: Đáp ứng góc lệch của bộ điều khiển LQR cho hệ con lắc ngược 29
Hình 4.9: Đáp ứng vị trí của bộ điều khiển LQR cho hệ con lắc ngược 29
Hình 4.10: Lưu đồ giải thuật 30
Hình 4.11: Sơ đồ khối bộ điều khiển LQR trên hệ thống thực 31
Hình 4.12: Chương trình điều khiển LQR trên hệ thống thực 32
Hình 4.13: Vị trí con lắc khi chạy thực tế 34
Hình 4.14: Góc con lắc khi chạy thực tế 34
Trang 4
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU, ĐƠN VỊ ĐO LƯỜNG, TỪ
NGẮN HOẶC THUẬT NGỮ
Trang 5CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu
Hệ thống con lắc ngược là một hệ thống điều khiển kinh điển, nó được sử dụng trong giảng dạy và nghiên cứu ở hầu hết các trường đại học trên khắp thế giới Hệ thống con lắc ngược là mô hình phù hợp để kiểm tra các thuật toán điều khiển hệ phi tuyến cao trở lại ổn định Đây là một hệ thống SIMO (Single Input Multi Output) điển hình vì một ngõ vào là lực tác động cho động cơ mà phải điều khiển cả vị trí và góc lệch con lắc ngược sao cho thẳng đứng (ít nhất hai ngõ ra) Ngoài ra, phương trình toán học được đề cập đến của con lắc ngược mang tính chất phi tuyến điển hình Vì thế, đây là một mô hình nghiên cứu lý tưởng cho các phòng thí nghiệm điều khiển tự động Các giải thuật hay phương pháp điều khiển được nghiên cứu trên mô hình con lắc ngược nhằm tìm ra các giải pháp tốt nhất trong các ứng dụng điều khiển thiết bị tự động trong thực tế: điều khiển tốc độ động cơ, giảm tổn hao công suất, điều khiển vị trí, điều khiển nhiệt độ, điều khiển cân bằng hệ thống,…
Thực hiện đề tài “Điều khiển cân bằng mô hình cân bằng con lắc ngược” là rất
cần thiết cho vấn đề giảng dạy và nghiên cứu tại trường Đại học Trà Vinh thời điểm hiện tại Vì đây là một mô hình rất điển hình cần phải có ở bất kỳ một trường Đại học, Cao đẳng nào theo hướng chuyên ngành kỹ thuật tại Việt Nam, nhất là ngành điều khiển tự động hóa, điện công nghiệp, cơ điện tử… Việc xây dựng mô hình sẽ giúp ích cho công tác giảng dạy trực quan hơn, dễ dàng kiểm chứng với các giải thuật điều khiển trên lý thuyết, là cơ sở nghiên cứu khoa học cho cả giảng viên và sinh viên tại trường
1.2 Mục đích và phạm vi nghiên cứu
Mục đích nghiên cứu
con lắc ngược
tính qua card DSP 320F28335
Trang 6Phạm vi nghiên cứu
tính sử dụng phương pháp LQR
1.3 Đối tượng, địa điểm và thời gian nghiên cứu
các giải thuật điều khiển khác nhau để điều khiển cân bằng hệ thống
phòng Lab Khoa Kỹ Thuật và Công Nghệ
1.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Áp trong việc học tập nghiên cứu giảng dạy tại các trường đại học
Con lắc ngược là cơ sở để tạo ra các hệ thống tự cân bằng như: xe hai bánh tự cân bằng, điều khiển cân bằng khi phóng tàu vũ trụ, cân bằng giàn khoan trên biển… Khi lý thuyết về các bộ điều khiển hiện đại ngày càng hoàn thiện hơn thì con lắc ngược là một trong những đối tượng được áp dụng để kiểm tra các lý thuyết đó
Nghiên cứu lý thuyết
và ngoài nước
Phương pháp thực hiện
kết quả của bộ điều khiển
Trang 7CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ LUẬN
Trong những năm gần đây, lý thuyết điều khiển hiện đại được sử dụng rất phổ biến trong công nghiệp Giải thuật điều khiển PID và LQR có những ưu điểm về tính phi tuyến, tính ổn định và bền vững vốn có của nó đối với các tác động nhiễu từ bên ngoài cũng như biến đổi trong thông số của hệ thống Ngày nay, chuyển mạch tần số cao cùng với vi xử lý, kỹ thuật điều khiển PID và LQR ngày càng được áp dụng rộng rãi hơn
Hệ thống con lắc ngược là một vấn đề điều khiển cổ điển nó được sử dụng trong các trường đại học trên khắp thế giới, nó là mô hình phù hợp để kiểm tra các thuật toán điều khiển phi tuyến cao Để xây dựng và điều khiển hệ con lắc ngược tự cân bằng đòi hỏi người điều khiển phải có nhiều kiến thức về cơ khí lẫn điều khiển hệ thống Với mô hình này sẽ giúp người điều khiển kiểm chứng được nhiều cơ sở lý thuyết và các thuật toán khác nhau trong điều khiển tự động
Hệ thống con lắc ngược đang được nghiên cứu hiện nay gồm một số loại như sau: con lắc ngược đơn, con lắc ngược quay, hệ xe con lắc ngược, con lắc ngược 2, 3 bậc tự do,…
Con lắc ngược là hệ thống không ổn định nó luôn ở vị trí buông thõng ngã xuống, trừ khi có lực tác động thích hợp vào con lắc Bài toán đặt ra là điều khiển con lắc để Swing-up sao cho con lắc ổn định ở vị trí cân bằng thẳng đứng hướng lên
Mô hình được mô phỏng dựa theo phương trình động lực học của hệ thống con lắc ngược
Mục đích của việc trình bày con lắc ngược trong mô phỏng là để kiểm chứng lại
lý thuyết từ các mô hình toán Từ đây có thể đánh giá được sự ổn định của hệ thống con lắc ngược trong lý thuyết
2.1.1 Xây dựng mô hình – thuật toán điều khiển
Con lắc ngược là một đối tượng đại diện cho một lớp các đối tượng có độ phi tuyến cao và không ổn định
Trang 8Hình 2.1: Một số mô hình phần cứng con lắc ngược
Hệ con lắc ngƣợc đƣợc sử dụng nhiều trong các phòng thí nghiệm để cho sinh viên nghiên cứu các giải thuật điều khiển
Nội dung đề tài chủ yếu tập trung nghiên cứu và xây dựng mô hình hệ thống con lắc ngƣợc đơn bao gồm 3 thành phần chính sau:
Phần cơ khí: gồm một thanh kim loại (con lắc) quay quanh một trục thẳng
đứng Que kim loại đƣợc gắn gián tiếp thông qua một encoder để đo góc Có một encoder để đo góc, xác định đƣợc vị trí con lắc Do trong quá trình vận hành con lắc sẽ chạy tới lui với tốc độ cao để lấy mẫu nên phần cơ khí phải đƣợc tính toán thiết kế chính xác, chắc chắn nhằm tránh rung gây nhiễu và hƣ hỏng trong qua trình vận hành
Hình 2.2: Cấu trúc động học của mô hình con lắc ngược
Trang 94 Dây đai dẫn động
Mạch điện tử: gồm ba phần nhỏ là encoder cảm biến đo vị trí con lắc và góc
con lắc, mạch khuếch đại công suất và mạch điều khiển Nhiều loại cảm biến được sử
dụng để đo góc, trong đề tài này em sử dụng Bộ mã hóa vòng quay (Rotary Encorder)
có độ phân giải cao Tín hiệu từ Bộ mã hóa vòng quay sẽ được khuếch đại, lọc nhiễu
rồi kết nối vào module ngoại vi eQEP (Enhanhced Quadrature Encorder Pluse) của
DSP Tùy thuộc vào tín hiệu từ các Bộ mã hóa vòng quay (Rotary Encorder) mà DSP
được lập trình để xuất tín hiệu ngõ ra điều khiển động cơ DC qua một mạch khuếch đại công suất
Chương trình: chương trình điều khiển con lắc không viết trực tiếp trên Code Composer Studio mà kết hợp với Matlab2012a thông qua thư viện Target Support
Package TC2 để tận dụng các hàm tính toán mạnh có sẵn trong Matlab Ưu điểm của
cách viết này là đơn giản, tiết kiệm thời gian và nhược điểm là chương trình sẽ nặng và không tối ưu
Mục tiêu của đề tài là biến đổi hệ thống từ dạng phi tuyến sang dạng tuyến tính Tuy nhiên việc làm này không phải thực hiện việc tuyến tính hoá quanh điểm cân bằng Em sẽ đặt biến ngõ ra để hệ thống có dạng tuyến tính nhưng vẫn giữ những đặc trưng phi tuyến Luật điều khiển sẽ được xây dựng trên nền DSP xử lý dấu chấm động TMS320F28335
Trang 10Hình 2.3: Sơ đồ hệ thống con lắc ngược được thực hiện ở luận văn
Trang 112.1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước
Đề tài “Sử dụng thuật toán mờ nơron điều khiển cân bằng con lắc ngược” của tác giả Nguyễn Hữu Mỹ, đại học Đà Nẵng (2011) đã so sánh kết quả giữa thuật toán PID và bộ điều khiển mờ nơron giúp cân bằng hệ con lắc ngược Trong đó, bộ điều khiển PID tuy đơn giản nhưng không thể điều khiển đồng thời việc điều khiển vị trí xe
và giữ cân bằng con lắc, còn bộ điều khiển mờ nơron cho kết quả tốt hơn với thời gian xác lập khoảng 3s
Năm 2013, tác giả Nguyễn Văn Khanh, khoa Công nghệ, trường Đại học Cần Thơ thực hiện đề tài “Điều khiển cân bằng con lắc ngược sử dụng thuật toán PD mờ” cho kết quả điều khiển hệ con lắc ngược cân bằng ổn định với thời gian xác lập khoảng 4s, độ vọt lố 44% Đến năm 2014, tác giả đã phát triển hệ thống con lắc ngược
sử dụng phương pháp cuốn chiếu trong đề tài “Điều khiển cân bằng con lắc ngược sử dụng bộ điều khiển cuốn chiếu”, đề tài đã đưa ra kết quả thực nghiệm so sánh phương pháp LQR và phương pháp cuốn chiếu Kết quả cho thấy bộ điều khiển cuốn chiếu cho kết quả ổn định hơn (thời gian xác lập 1,83s, độ vọt lố 5%, sai số 5%) trong khi bộ điều khiển LQR (thời gian xác lập 7,8s, độ vọt lố 15%, sai số 5%)
Hình 2.4: Mô hình thực nghiệm cân bằng con lắc ngược dùng bộ điều khiển
cuốn chiếu
Trang 12TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] “Lý thuyết điều khiển phi tuyến” – tác giả Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, Hán Thành Trung
[2] “Lý thuyết điều khiển tự động” – tác giả Nguyễn Thị Phương Hà, Huỳnh Thái Hoàng
[3] Luận văn thạc sĩ “Xây dựng bộ điều khiển nhúng tuyến tính hóa vào ra cho
hệ con lắc ngược” – tác giả Nguyễn Văn Đông Hải
[4] Cesar Aguilar, Dr RnHirschorn- Approximate Feedback Linearization and Sliding Mode Control for the Single Inverted Pendulum –– 2002
[5] Ahmad Nor Kasruddin Bin Nasir, “Modeling and controller design for an
inverter pendulum system”, University Teknology Malaysia, 2007