Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển cân bằng hệ Ball and Beam - Hoàng Thị Thủy - SPKT TP.HCM

Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển cân bằng hệ Ball and Beam. Tìm hiểu về lý thuyết điều khiển, thiết kế và mô phỏng hệ thống Ball and Beam. Tải đồ án miễn phí!

• Tác giả: Hoàng Thị Thủy
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Minh Tâm
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điện-Điện tử
• Đề tài: Điều khiển cân bằng hệ Ball and Beam
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• LỜI CẢM ƠN
• MỤC LỤC
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• 1. CHƯƠNG 1: DẪN NHẬP
• 1.1. Đặt vấn đề
• 1.2. Lý do chọn đề tài
• 1.3. Đối tượng nghiên cứu
• 1.4. Phương pháp nghiên cứu
• 1.5. Giới hạn đề tài
• 1.6. Dàn ý nghiên cứu
• 1.7. Ý nghĩa thực tiễn
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ CẤU TRÚC HỆ THỐNG
• 2.1. Giới thiệu về hệ Ball and Beam
• 2.2. Mô tả toán học hệ Ball and Beam
• 2.3. Các thông số của hệ thống
• 3. CHƯƠNG 3: GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN HỆ BALL AND BEAM
• 3.1. Giới thiệu bộ điều khiển LQR
• 3.2. Giới thiệu bộ điều khiển Fuzzy
• 3.3. Xây dựng bộ điều khiển LQR cho hệ ball and beam
• 3.4. Xây dựng bộ điều khiển FUZZY cho hệ dựa trên công cụ Neuro-Fuzzy Designer từ bộ điều khiển LQR
• 4. CHƯƠNG 4: PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM
• 4.1. Thiết kế mô hình hệ Ball and Beam và gia công cơ khí
• 4.2. Giới thiệu về board STM32F407 DISCOVERY
• 4.3. Lựa chọn động cơ điều khiển
• 4.7. Dây điện trở quấn lò xo
• 4.8. Nguồn tổ ong
• 4.1. Giới thiệu thư viện lập trình waijung STM32F4 trên Matlab
• 4.2. Phần mềm Terminal
• 4.3. Chương trình điều khiển hệ thống
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM
• 5.1. Kết quả mô phỏng
• 5.1.1. Kết quả mô phỏng điều khiển hệ thống bằng LQR
• 5.1.2. Kết quả mô phỏng điều khiển hệ thống bằng Fuzzy
• 5.1.3. So sánh kết quả mô phỏng điều khiển giữa LQR và Fuzzy
• 5.2. Kết quả thực nghiệm
• 5.2.1. Kết quả thực nghiệm điều khiển hệ thống bằng LQR
• 5.2.2. Kết quả thực nghiệm điều khiển hệ thống bằng Fuzzy
• 5.2.3. So sánh kết quả thực nghiệm điều khiển giữa LQR và Fuzzy
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới Thiệu Tổng Quan Về Đồ Án Điều Khiển Ball and Beam

Ngày nay, cùng với sự phát triển của xã hội, khoa học kỹ thuật ngày càng có nhiều bước tiến vượt bậc. Nhu cầu 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 các hệ thống tự cân bằng trên ô tô và xe hai bánh, cân bằng máy bay theo phương ngang, hệ thống phóng tên lửa,… Ball and Beam control là một đối tượng thường được các nhà nghiên cứu lựa chọn để kiểm chứng những thuật toán điều khiển, từ cổ điển đến hiện đại, 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. Nhiều giải thuật đã được áp dụng thành công cho hệ thống, như PID, LQR, điều khiển trượt. Đối với sinh viên chuyên ngành Điện Công Nghiệp, đây là một lĩnh vực mới, hứa hẹn mở ra nhiều triển vọng. Vì vậy, việc nghiên cứu điều khiển cân bằng hệ Ball and Beam là một đề tài có ý nghĩa thực tiễn cao. Mục tiêu chính là nghiên cứu và ứng dụng các giải thuật điều khiển thông minh để đạt được hiệu suất và độ chính xác cao trong việc cân bằng hệ thống. Đồ án tập trung vào việc xây dựng mô hình toán học, thiết kế bộ điều khiển, mô phỏng và thực nghiệm để đánh giá hiệu quả của các phương pháp điều khiển.

1.1. Tầm Quan Trọng Của Hệ Thống Tự Cân Bằng Trong Kỹ Thuật

Hệ thống tự cân bằng đóng vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng kỹ thuật, từ ô tô tự lái đến các hệ thống hàng không vũ trụ. Ứng dụng Ball and Beam thể hiện khả năng duy trì sự ổn định trong môi trường có nhiều yếu tố gây nhiễu. Các hệ thống tự cân bằng giúp cải thiện hiệu suất, độ an toàn và độ tin cậy của các thiết bị và quy trình. Việc nghiên cứu và phát triển các giải pháp điều khiển tiên tiến cho hệ thống tự cân bằng là cần thiết để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của xã hội hiện đại. Điều khiển tự động đóng vai trò then chốt trong việc đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và hiệu quả.

1.2. Lý Do Chọn Đề Tài Điều Khiển Cân Bằng Hệ Ball and Beam

Đề tài "Điều khiển cân bằng hệ Ball and Beam" được lựa chọn vì nó đại diện cho một bài toán điều khiển phức tạp, phi tuyến tính và không ổn định. Hệ thống điều khiển này đòi hỏi việc áp dụng các kỹ thuật điều khiển tiên tiến để đạt được hiệu suất mong muốn. Ngoài ra, đề tài này cũng có tính ứng dụng cao, có thể mở ra các hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực điều khiển thông minh. Sinh viên có cơ hội tiếp cận và làm chủ các công cụ và phương pháp điều khiển hiện đại. Nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển và ứng dụng các hệ thống điều khiển tự động hóa trong công nghiệp và các lĩnh vực liên quan.

II. Phân Tích Mô Hình Toán Học Hệ Thống Ball and Beam

Hệ thống Ball and Beam bao gồm một quả bóng lăn tự do trên một thanh dầm, được điều khiển bởi một động cơ. Để điều khiển hệ thống, cần xây dựng một mô hình toán học chính xác để mô tả mối quan hệ giữa các bộ phận. Mô hình toán học giúp ta hiểu rõ hơn về động lực học của hệ thống và thiết kế các bộ điều khiển phù hợp. Mô hình bao gồm ba phần chính: cơ khí, điện tử và chương trình. Phần cơ khí bao gồm quả bóng, thanh dầm, đế mô hình và động cơ DC servo. Phần điện tử và chương trình bao gồm các bộ nguồn, KIT STM32F4, điện tử công suất và chương trình Simulink của Matlab. Nguyên lý hoạt động của hệ thống là dựa vào vị trí của quả bóng, thanh dầm sẽ quay theo chiều ngược lại để giữ cho quả bóng ở vị trí mong muốn. Việc xây dựng mô hình toán học chi tiết là bước quan trọng để thiết kế bộ điều khiển và đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định.

2.1. Phương Pháp Euler Lagrange Trong Xây Dựng Mô Hình Toán

Phương pháp Euler-Lagrange là một công cụ mạnh mẽ để xây dựng mô hình toán học Ball and Beam. Phương pháp này dựa trên việc tìm cực trị của hàm Lagrange, là hiệu giữa động năng và thế năng của hệ thống. Bằng cách áp dụng phương pháp này, ta có thể thiết lập các phương trình chuyển động của quả bóng và thanh dầm. Các phương trình này mô tả mối quan hệ giữa vị trí, vận tốc và gia tốc của các thành phần trong hệ thống. Phương pháp Euler-Lagrange cho phép ta bỏ qua các lực liên kết và chỉ tập trung vào các lực tác dụng trực tiếp lên hệ thống. Giải thuật điều khiển hiệu quả yêu cầu một mô hình toán học chính xác.

2.2. Ảnh Hưởng Của Các Thông Số Đến Hiệu Suất Hệ Thống

Hiệu suất của hệ thống Ball and Beam chịu ảnh hưởng bởi nhiều thông số, bao gồm khối lượng của quả bóng, chiều dài của thanh dầm, momen quán tính của động cơ và hệ số ma sát. Các thông số hệ thống này ảnh hưởng đến độ nhạy, độ ổn định và thời gian đáp ứng của hệ thống. Việc xác định và điều chỉnh các thông số này là cần thiết để đạt được hiệu suất mong muốn. Ví dụ, một quả bóng có khối lượng lớn sẽ làm cho hệ thống trở nên chậm chạp hơn, trong khi một thanh dầm quá dài có thể gây ra hiện tượng dao động. Việc tối ưu hóa các thông số là một phần quan trọng trong quá trình thiết kế và điều khiển hệ thống.

III. Các Giải Pháp Điều Khiển Hệ Ball and Beam LQR và Fuzzy

Để điều khiển hệ Ball and Beam, có nhiều giải pháp khác nhau, trong đó hai phương pháp phổ biến là điều khiển LQR và điều khiển Fuzzy. Mỗi phương pháp có ưu và nhược điểm riêng và phù hợp với các yêu cầu khác nhau của hệ thống. LQR là một phương pháp điều khiển tối ưu, trong khi Fuzzy là một phương pháp điều khiển dựa trên logic mờ. Việc lựa chọn phương pháp điều khiển phù hợp phụ thuộc vào độ phức tạp của hệ thống, yêu cầu về hiệu suất và độ tin cậy. Trong đồ án này, cả hai phương pháp đều được nghiên cứu và áp dụng để so sánh hiệu quả và đánh giá khả năng của từng phương pháp. Thiết kế bộ điều khiển Ball and Beam đòi hỏi kiến thức sâu rộng về lý thuyết điều khiển.

3.1. Ưu Nhược Điểm Của Phương Pháp Điều Khiển LQR Trong Ball and Beam

Phương pháp điều khiển LQR Ball and Beam 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. Tuy nhiên, LQR đòi hỏi mô hình toán học chính xác và có thể không hoạt động tốt trong môi trường có nhiều yếu tố gây nhiễu. Ưu điểm của LQR là tính ổn định cao và khả năng đạt được hiệu suất tối ưu. Thuật toán điều khiển Ball and Beam đóng vai trò quan trọng trong việc ổn định hệ thống.

3.2. Ứng Dụng Logic Mờ Fuzzy Trong Điều Khiển Hệ Ball and Beam

Giải thuật điều khiển Fuzzy Ball and Beam (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. Fuzzy có khả năng xử lý các thông tin không chắc chắn và phi tuyến tính, nhưng đòi hỏi việc thiết kế các luật mờ phù hợp. Fuzzy không yêu cầu mô hình toán học chính xác và có thể hoạt động tốt trong môi trường có nhiều yếu tố gây nhiễu. Fuzzy logic control Ball and Beam linh hoạt hơn trong việc xử lý các tình huống phức tạp.

IV. Xây Dựng Phần Cứng và Lập Trình Điều Khiển Ball and Beam

Để thực hiện điều khiển hệ Ball and Beam, cần xây dựng một hệ thống phần cứng và phần mềm phù hợp. Phần cứng bao gồm các thành phần như động cơ, cảm biến, KIT STM32F407 và các mạch điện tử. Phần mềm bao gồm các chương trình điều khiển được viết bằng Matlab/Simulink và các thư viện lập trình nhúng. Việc xây dựng hệ thống phần cứng và phần mềm đòi hỏi kiến thức về điện tử, vi điều khiển và lập trình. Hệ thống phần cứng và phần mềm phải được tích hợp một cách chặt chẽ để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và hiệu quả. MATLAB Simulink Ball and Beam là công cụ hiệu quả cho việc mô phỏng và thiết kế hệ thống.

4.1. Lựa Chọn Linh Kiện và Thiết Kế Mạch Điện Tử Cho Ball and Beam

Việc lựa chọn linh kiện và thiết kế mạch điện tử là một bước quan trọng trong quá trình xây dựng hệ thống Ball and Beam. Các linh kiện phải đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất, độ tin cậy và giá thành. Mạch điện tử phải được thiết kế để đảm bảo tín hiệu từ các cảm biến được xử lý và truyền đến vi điều khiển một cách chính xác. Việc lựa chọn động cơ phù hợp cũng rất quan trọng, vì động cơ phải có đủ momen để điều khiển thanh dầm và đảm bảo độ chính xác. Thiết kế bộ điều khiển Ball and Beam cần lựa chọn linh kiện phù hợp để hệ thống hoạt động ổn định.

4.2. Sử Dụng KIT STM32F407 và Thư Viện Waijung Để Lập Trình

KIT STM32F407 là một công cụ mạnh mẽ để điều khiển hệ Ball and Beam. KIT này có nhiều tính năng như bộ xử lý tốc độ cao, bộ nhớ lớn và các giao tiếp ngoại vi. Thư viện Waijung cung cấp các hàm và khối chức năng để lập trình nhúng trên KIT STM32F407 một cách dễ dàng. Việc sử dụng KIT STM32F407 và thư viện Waijung giúp tiết kiệm thời gian và công sức trong quá trình phát triển phần mềm điều khiển. Lập trình ngôn ngữ Matlab cho phép thu thập dữ liệu và điều khiển hệ thống một cách hiệu quả.

4.3. Giới Thiệu Về Cảm Biến và Động Cơ Trong Ball and Beam

Để điều khiển hệ Ball and Beam hiệu quả, cần có các cảm biến để đo vị trí của viên bi và góc của thanh. Encoder thường được sử dụng để đo góc quay của động cơ, cung cấp thông tin về vị trí và vận tốc của thanh beam. Điện trở quấn lò xo được dùng để xác định vị trí viên bi thông qua tín hiệu analog. Động cơ Servo DC được chọn để điều khiển thanh beam, đảm bảo đáp ứng nhanh và chính xác các lệnh điều khiển. Cảm biến Ball and Beam đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp thông tin phản hồi cho hệ thống điều khiển. Động cơ Ball and Beam cần có đủ momen để điều khiển thanh một cách chính xác.

V. Kết Quả Mô Phỏng và Thực Nghiệm Điều Khiển Ball and Beam

Sau khi xây dựng hệ thống phần cứng và phần mềm, cần tiến hành mô phỏng và thực nghiệm để đánh giá hiệu quả của các phương pháp điều khiển. Mô phỏng được thực hiện trên Matlab/Simulink để kiểm tra tính ổn định và hiệu suất của hệ thống. Thực nghiệm được thực hiện trên mô hình thực tế để đánh giá khả năng hoạt động của hệ thống trong môi trường thực. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm được so sánh để xác định sự khác biệt và đánh giá tính chính xác của mô hình toán học. Mô phỏng hệ Ball and Beam giúp tối ưu hóa các thông số điều khiển trước khi thực nghiệm.

5.1. Phân Tích Kết Quả Mô Phỏng Với Bộ Điều Khiển LQR và Fuzzy

Kết quả mô phỏng cho thấy cả hai phương pháp điều khiển LQR và Fuzzy đều có khả năng ổn định hệ Ball and Beam. Tuy nhiên, LQR có thời gian đáp ứng nhanh hơn và độ quá điều chỉnh nhỏ hơn so với Fuzzy. Fuzzy có khả năng xử lý các thông tin không chắc chắn tốt hơn, nhưng đòi hỏi việc thiết kế các luật mờ phù hợp. Việc lựa chọn phương pháp điều khiển phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của hệ thống. Kết quả mô phỏng là cơ sở để đánh giá và so sánh các phương pháp điều khiển.

5.2. So Sánh Kết Quả Thực Nghiệm Điều Khiển và Mô Phỏng

Kết quả thực nghiệm cho thấy có sự khác biệt so với kết quả mô phỏng. Điều này là do mô hình toán học không thể mô tả hoàn toàn các yếu tố thực tế, như ma sát, độ trễ và nhiễu. Tuy nhiên, hệ thống vẫn hoạt động ổn định và đáp ứng được các yêu cầu về hiệu suất. Việc hiệu chỉnh các thông số điều khiển có thể cải thiện hiệu suất của hệ thống trong môi trường thực. Kết quả thực nghiệm cho thấy tính khả thi của việc áp dụng các phương pháp điều khiển vào thực tế.

VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển Đề Tài Ball and Beam

Đồ án "Điều khiển cân bằng hệ Ball and Beam" đã hoàn thành các mục tiêu đề ra, bao gồm xây dựng mô hình toán học, thiết kế bộ điều khiển, mô phỏng và thực nghiệm. Kết quả cho thấy cả hai phương pháp điều khiển LQR và Fuzzy đều có khả năng ổn định hệ thống. Tuy nhiên, mỗi phương pháp có ưu và nhược điểm riêng và phù hợp với các yêu cầu khác nhau. Đề tài này có thể được phát triển theo nhiều hướng khác nhau, như áp dụng các phương pháp điều khiển tiên tiến hơn, xây dựng hệ thống phần cứng phức tạp hơn và nghiên cứu các ứng dụng thực tế của hệ thống. Ứng dụng Ball and Beam trong thực tế còn nhiều tiềm năng phát triển.

6.1. Các Hạn Chế Của Đề Tài và Giải Pháp Khắc Phục

Đề tài còn một số hạn chế, như mô hình toán học chưa mô tả hoàn toàn các yếu tố thực tế và hệ thống phần cứng còn đơn giản. Để khắc phục các hạn chế này, có thể sử dụng các phương pháp mô hình hóa tiên tiến hơn, như mô hình hóa dựa trên dữ liệu và mô hình hóa hybrid. Ngoài ra, có thể xây dựng hệ thống phần cứng phức tạp hơn, với nhiều cảm biến và động cơ hơn. Giải thuật điều khiển có thể được cải thiện để tăng tính ổn định và độ chính xác.

6.2. Đề Xuất Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo Trong Điều Khiển Ball and Beam

Đề tài này có thể được phát triển theo nhiều hướng khác nhau, như áp dụng các phương pháp điều khiển tiên tiến hơn, như điều khiển thích nghi, điều khiển học máy và điều khiển mạng nơ-ron. Ngoài ra, có thể nghiên cứu các ứng dụng thực tế của hệ thống, như trong các hệ thống robot, hệ thống tự cân bằng và hệ thống điều khiển chuyển động. Đề tài Ball and Beam là nền tảng cho các nghiên cứu điều khiển phức tạp hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 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.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.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.

Phương pháp thực nghiệm: • Sử dụng phần mềm Matlab/Simulink làm công cụ xây dựng mô hình và mô phỏng hệ thống. • Xây dựng mô hình thực tế hệ thống, dùng chip STM32F407VG để thu thập dữ liệu và điều khiển hệ thống thực tế đã xây dựng được.TS Nguyễn Minh Tâm SVTH: Hoàng Thị Thủy CHƯƠNG 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.6 Dàn ý nghiên cứu 1.1 Cấu trúc hệ Ball and Beam - Mô tả toán học về cấu trúc hệ Ball and Beam - Đề xuất các giải pháp điều khiển 1.2 Giải thuật LQR, Fuzzy - Giới thiệu về giải thuật tối ưu LQR - Giới thiệu về giải thuật logic mờ (Fuzzy).3 Board STM32F407 Discovery - Tổng quan về chip STM32F407VG. - Đặc tính kỹ thuật của STM32F407VG. - Các mô-đun chức năng cơ bản.4 Phần mềm và Phần cứng - 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.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 4 GVHD: PSG.TS Nguyễn Minh Tâm SVTH: Hoàng Thị Thủy CHƯƠNG 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.TS Nguyễn Minh Tâm SVTH: Hoàng Thị Thủy CHƯƠNG 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.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 Mô tả toán học hệ Ball and Beam Mô hình toán học của hệ thống [3], [5] được mô tả như sau: 6 GVHD: PSG.TS Nguyễn Minh Tâm SVTH: Hoàng Thị Thủy CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 2.2 Cấu trúc mô hình ball and beam Áp dụng phương pháp Euler – Langrange: • • 1 1 1 1 L = K −U = .x (1) 2 2 2 2 Trong đó: • Khi Beam xoay quanh trục vận tốc  thì ball cũng xoay quanh trục với vận tốc • . • • vx = x : Vận tốc ball theo trục x. • • • v y = y = x  : vận tốc Ball theo phương y vuông góc với phương x ( theo phương với tiếp tuyến với chuyển động của Ball ) hay đây là vận tốc dài chuyển động tròn của Ball. 1 1 • mvx 2 + mv y 2 : là động năng chuyển động của Ball.

2 2 1 • • I ball ( ) 2 : động năng chuyển động lăn tròn của Ball trên thanh Beam. 2 1 • • I beam ( ) 2 : là động năng của Beam khi xoay quanh trục của động cơ.x : thế năng của hệ. • • x Mặt khác ta có:  = thay vào (1) ta được: r • 1 • 1 • 1 x 1 • L = m.TS Nguyễn Minh Tâm SVTH: Hoàng Thị Thủy CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP • 1 • 1 • 1 x 1 • L = m.x (2) 2 2 2 r 2 Theo Euler_Langrange ta có: Đạo hàm L theo phương x: song song với thanh ngang: d L L • − = bms. x (3) r2 Giả sử viên Ball lăn không trượt trên thanh ngang nên hệ số ma sát lăn rất nhỏ 2 có thể bỏ qua trong quá trình tính toán và I ball = m.b 2 5 Phương trình (3) tương đương: I •• •  (m + ball 2 ).( )2 cũng chính là lực ly tâm tác dụng vào Ball khi ball chuyển động.

Trong thực tế thành phần lực này rất nhỏ có thể bỏ qua khi tính toán thiết kế. Đây cũng chính là phương trình chuyển động của Ball trên thanh Beam mà ta dùng để thiết kế bộ điều khiển. Đạo hàm L theo phương của trục động cơ: d L L − = dt  •  ••  I beam .x =  L (5) Trong đó:  L là tổng moment tác động vào hệ Ball Beam được cung cấp bởi động cơ DC. Phương trình moment cung cấp bởi động cơ DC: •• • Kt . +  ml •• •  ml = Kt .TS Nguyễn Minh Tâm SVTH: Hoàng Thị Thủy CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP •• • •• •  L = Kc .3 Mô tả toán học động cơ Servo DC Phương trình điện áp và dòng điện trên stator: dI dI dI • V − R. = 0 (8) dt dt dt Vì giá trị L rất nhỏ có thể bỏ qua nên ta có thể viết lại phương trình 3.6 như sau: • V − Ke .Bm Từ (4) và (12) ta có: 9 GVHD: PSG.TS Nguyễn Minh Tâm SVTH: Hoàng Thị Thủy CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP  0 1 0 0  •   x.3 Các thông số của hệ thống 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 m ball 0.81 m/s 2 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 𝐾𝑡 0.00013 Kgm 2 10 GVHD: PSG.TS Nguyễn Minh Tâm SVTH: Hoàng Thị Thủy CHƯƠNG 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: u (t ) = − Kx Với u(t) là tín hiệu điều khiển K là ma trận điều khiển X là các biến trạng thái 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.TS Nguyễn Minh Tâm SVTH: Hoàng Thị Thủy CHƯƠNG 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 12 GVHD: PSG.TS Nguyễn Minh Tâm SVTH: Hoàng Thị Thủy CHƯƠNG 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 Trong đó: K là ma trận điều khiển x là các biến trạng thái (vị trí viên bi, tốc độ viên bi, góc lệch thanh beam, tốc độ thanh beam) Ma trận K được xác định như sau: [Ad,Bd]=c2d(A,B,0.