BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CNKT ĐIÊU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG HỆ CON LẮC NGƯỢC QUAY ÁP DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN BACKSTEPPING GVHD: PGS. NGUYỄN MINH TÂM SVTH: VÕ MINH TÀI MSSV: 16151313 SKL 0 0 7 1 8 7 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 08/2020 do an TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Đề tài : ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG HỆ CON LẮC NGƯỢC QUAY ÁP DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN BACKSTEPPING GVHD : PGS. NGUYỄN MINH TÂM SVTH : VÕ MINH TÀI MSSV : 16151313 Lớp : 16151CL3 Chuyên ngành : Điều khiển và Tự động hóa Hệ đào tạo : Chính Quy Khóa đào tạo : 2016 - 2020. Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2020 do an Luận Văn Tốt Nghiệp GIỚI THIỆU do an Luận Văn Tốt Nghiệp CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc ----***---- Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2020 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: VÕ MINH TÀI MSSV: 16151313 Ngành: CNKT Điều khiển và Tự động hóa Lớp: 16151CL3 Giảng viên hướng dẫn: PGS. NGUYỄN MINH TÂM ĐT: Ngày nhận đề tài: 24/02/2020 Ngày nộp đề tài: 27/07/2020 1. Tên đề tài: ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG HỆ CON LẮC NGƯỢC QUAY ÁP DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN BACKSTEPPING 2. Các số liệu, tài liệu ban đầu: - Yung-Chih Fu, Jung-Shan Lin, Nonlinear Backstepping Control Design of the Furuta Pendulum, IEEE Conference on Control Applications, tr. - Pavol Seman, Boris Rohal’-Ilkiv, Martin Juh´as, Michal Salaj, Swinging up the Furuta pendulum and its stabilization via model predictive control, Journal of Electrical Engineering, vol. Nội dung thực hiện đề tài: Thiết kế bộ điều khiển Backstepping và bộ điều khiển LQR điều khiển cân bằng hệ con lắc ngược trên mô phỏng và trên mô hình thực tế. Đồng thời, mô phỏng và điều khiển thực tế hệ con lắc ngược bằng 2 phương pháp là phương pháp năng lượng và phương pháp lũy thừa vị trí thanh con lắc. Sinh viên thực hiện nhận dạng thông số động cơ để có thể điều khiển được hệ con lắc ngược quay. Sản phẩm: Mô hình, file mềm, báo cáo tổng kết. TRƯỞNG NGÀNH GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN do an Luận Văn Tốt Nghiệp Lời Mở Đầu Kỹ thuật điều khiển trong lĩnh vực Điều khiển Tự động tuy không mới nhưng đóng một vai trò rất quan trọng trong quá trình tự động hóa của thế giới nói chung và nói Việt Nam nói riêng. Mọi quá trình tự động hóa đều yêu cầu ngày càng cao về độ chính xác, tin cậy, khả năng làm việc trong môi trường khắc nghiệt với thời gian dài của các hệ thống Điều khiển tự động. Vì vậy, việc nghiên cứu và phát triển các hệ thống để đáp ứng được yêu cầu trên là việc cần thiết. Trong lĩnh vực điều khiển tự động, kỹ thuật điều khiển thông minh, điều khiển hiện đại với các ứng dụng của mạng nơron, PID kinh điển, logic mờ, điều khiển lai, điều khiển trượt,v.v đang được xem là ngành kỹ thuật của tương lai. Nhờ có các giải thuật điều khiển trên mà máy móc thiết bị, mô hình nghiên cứu về điều khiển tự động hóa, robot ngày càng đạt được sự ổn định tối ưu nhất. Đối với sinh viên chuyên ngành Điều khiển Tự động, với sự yêu thích, đam mê, cùng với nhận thấy đây là một lĩnh vực tuy không phải mới, nhưng 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 CON LẮC NGƯỢC QUAY ÁP DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN BACKSTEPPING” 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 bạn sinh viên thông cảm. Người thực hiện đề tài rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của quý Thầy/Cô và các bạn sinh viên để đề tài được hoàn thiện hơn nữa. Xin chân thành cảm ơn! Người thực hiện đề tài Võ Minh Tài i do an Luận Văn Tốt Nghiệp Lời Cảm Ơn Trong quá trình thực hiện đề tài, tôi đã nhận được sự giúp đỡ của Qúy thầy/cô và các bạn, nhờ vậy đề tài đã hoàn thành đúng thời gian quy định. Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến: PGS. Nguyễn Minh Tâm, trưởng Khoa Điện – Điện tử là người đã tận tình hướng dẫn, định hướng nghiên cứu, cùng vốn kiến thức chuyên môn để tôi hoàn thành đồ án tốt nghiệp đúng thời gian. Nguyễn Văn Đông Hải đã hỗ trợ các trang thiết bị, cùng một số trao đổi chuyên môn để tôi hoàn thành đồ án này. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý thầy cô Khoa Điện – Điện Tử, khoa Đào tạo Chất lượng cao đã cung cấp cho tôi những kiến thức nền tảng, căn bản để tôi hoàn thành đồ án. Đồng thời, tôi xin gửi lời cảm ơn đến anh Trần Hoàng Chinh, hiện đang là giảng viên Cao đẳng Kỹ thuật Cao Thắng, các bạn Võ Anh Khoa, Trần Minh Đức, Nguyễn Văn Hiển, Lư Minh Triết và một số người khác đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình làm việc, đóng góp những lời khuyên bổ ích để tôi mau chóng hoàn thành đề tài này. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi sớm hoàn thành đồ án này. TPHCM, ngày…tháng…năm 2020 Sinh viên thực hiện Võ Minh Tài ii do an Luận Văn Tốt Nghiệp Mục Lục Lời Mở Đầu . ii Mục Lục . iii Danh Mục Hình Ảnh . vi Danh Mục Bảng . xi Danh Mục Từ Viết Tắt . xiii CHƯƠNG 1: DẪN NHẬP .2 Lý do chọn đề tài.3 Đối tượng nghiên cứu .4 Giới hạn đề tài .5 Dàn ý nghiên cứu .1 Cấu trúc hệ con lắc ngược quay .2 Giải thuật điều khiển .3 Board STM32F407 Discovery .4 Phần mềm và Phần cứng .5 Ý nghĩa thực tiễn .5 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ CẤU TRÚC HỆ CON LẮC NGƯỢC QUAY .1 Giới thiệu về hệ con lắc ngược quay .2 Mô tả toán học hệ con lắc ngược quay .1 Cơ sở khoa học .2 Thành lập phương trình động học cho hệ con lắc ngược quay .3 Mô tả toán học hệ con lắc ngược quay dưới dạng phương trình vi phân .3 Yêu cầu điều khiển hệ con lắc ngược quay .16 CHƯƠNG 3: ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN HỆ CON LẮC NGƯỢC QUAY .1 Giới thiệu giải thuật điều khiển tuyến tính dạng toàn phương LQR .2 Giới thiệu nguyên lý ổn định Lyapunov .1 Phương pháp thứ nhất của Lyapunov .2 Phương pháp thứ hai của Lyapunov .3 Giới thiệu giải thuật điều khiển Backstepping .4 Giới thiệu giải thuật swing-up .21 iii do an Luận Văn Tốt Nghiệp 3.5 Giải thuật di truyền (GA) .1 Giới thiệu giải thuật di truyền GA.2 Lưu đồ giải thuật của thuật toán di truyền .6 Giới thiệu phần mềm Matlab của Matworks .7 Thiết kế bộ điều khiển LQR cho hệ con lắc ngược quay .8 Thiết lập bộ điều khiển Swing up cho thanh con lắc của hệ con lắc ngược quay .1 Swing up bằng phương pháp năng lượng [7] .2 Swing up bằng phương pháp lũy thừa góc thanh con lắc [25] .9 Thiết kế bộ điều khiển Backstepping tuyến tính .30 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM.1 Thiết kế mô hình hệ con lắc ngược quay và gia công cơ khí .2 Giới thiệu về board STM32F407 DISCOVERY .3 Lựa chọn động cơ điều khiển .6 Mạch giao tiếp UART CP2102 .1 Giới thiệu thư viện lập trình Waijung STM32F4 trên Matlab .2 Phần mềm Terminal .40 CHƯƠNG 5: NHẬN DẠNG THÔNG SỐ ĐỘNG CƠ SERVO DC .1 Mô tả toán học động cơ DC.2 Phương pháp nhận dạng.3 Thiết lập chương trình nhận dạng .4 Thu thập dữ liệu và xác định thông số thực.44 CHƯƠNG 6: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU .1 Điều khiển cân bằng hệ con lắc ngược quay bằng phương pháp LQR .1 Điều khiển cân bằng hệ con lắc ngược quay bằng phương pháp LQR khi áp dụng Giải thuật di truyền (GA).2 Phân tích đáp ứng ngõ ra của hệ con lắc ngược quay khi thay đổi ma trận Q và R .2 Điều khiển Swing up và ổn định hệ con lắc ngược quay bằng giải thuật LQR .1 Swing up bằng phương pháp bằng năng lượng .64 iv do an Luận Văn Tốt Nghiệp 6.2 Swing up bằng phương pháp lũy thừa vị trí thanh con lắc.3 Kết quả điều khiển hệ con lắc ngược quay bằng bộ điều khiển Backstepping tuyến tính.4 Kết quả điều khiển Swing up và điều khiển ổn định hệ con lắc ngược quay bằng bộ điều khiển Backstepping tuyến tính.1 Swing up bằng phương pháp năng lượng và ổn định bằng giải thuật Backstepping .2 Swing up bằng phương pháp lũy thừa vị trí và ổn định bằng giải thuật Backstepping .5 So sánh giữa bộ điều khiển LQR và bộ điều khiển backstepping tuyến tính .72 CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN . 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO . 77 v do an Luận Văn Tốt Nghiệp Danh Mục Hình Ảnh Hình 2.1 Một số mô hình phần cứng con lắc .2 Mô hình con lắc ngược quay thực tế .3 Cấu trúc một hệ con lắc ngược quay trên tọa độ Oxyz .4 Cấu trúc động cơ DC .5 Khối mô tả động cơ DC theo hàm truyền.6 Vị trí con lắc ngược quay thẳng đứng hướng xuống .7 Vị trí hệ con lắc ngược quay thẳng đứng hướng lên .1 Cấu trúc bộ điều khiển LQR.2 Khoảng chia vùng điều khiển swing-up .3 Sơ đồ khối giải thuật điều khiển swing-up .4 Sơ đồ giải thuật di truyền tổng quát .5 Sơ đồ giải thuật di truyền GA.6 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển tự động với đối tượng là con lắc ngược quay, sử dụng bộ điều khiển LQR .7 Sơ đồ bộ điều khiển LQR cho hệ con lắc ngược quay .8 Hệ con lắc ngược quay được mô tả trên Matlab .9 Chương trình mô phỏng swing bằng phương pháp năng lượng và ổn định hệ con lắc ngược quay .10 Chương trình mô phỏng swing up và điều khiển ổn định bằng phương pháp backstepping tuyến tính .1 Mô hình phần cứng hệ thống con lắc ngược quay .2 Sơ đồ kết nối phần điện của hệ thống.3 Kit STM32F407 Discovery .4 Sơ đồ cấu trúc phần cứng Kit .5 Động cơ servo motor DC 24VDC .6 Sơ đồ kết nối của Encoder .7 Sơ đồ nguyên lý mạch cầu H .9 Sơ đồ chân cầu H IR2184 .11 Module truyền tín hiệu CP2102 .12 Nguồn tổ ong 24VDC - 10A .13 Cài đặt thư viện Waijung Blockset .14 Giao diện phần mềm Terminal version 1.1 Cấu trúc động cơ DC .41 vi do an Luận Văn Tốt Nghiệp Hình 5.2 Chương trình thu thập dữ liệu để nhận dạng động cơ DC .3 Kết nối phần cứng thu thập dòng điện .
Đồ Án HCMUTE: Điều Khiển Cân Bằng Hệ Con Lắc Ngược Với Bộ Điều Khiển Backstepping
Khám phá đồ án điều khiển cân bằng hệ con lắc ngược tại HCMUTE với bộ điều khiển backstepping, ứng dụng trong công nghệ điều khiển tự động.
Trường đại học
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí MinhChuyên ngành
Điều Khiển Và Tự Động HóaNgười đăng
Ẩn danhThể loại
luận văn tốt nghiệpPhí lưu trữ
35 PointMục lục chi tiết
THÔNG TIN CHI TIẾT
Tác giả: Võ Minh Tài
Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Minh Tâm
Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành: Điều Khiển Và Tự Động Hóa
Đề tài: Điều Khiển Cân Bằng Hệ Con Lắc Ngược Bằng Bộ Điều Khiển Backstepping
Loại tài liệu: luận văn tốt nghiệp
Năm xuất bản: 2020
Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh
Bài viết "Điều Khiển Cân Bằng Hệ Con Lắc Ngược Bằng Bộ Điều Khiển Backstepping" trình bày một phương pháp điều khiển hiệu quả cho hệ con lắc ngược, một trong những bài toán nổi bật trong lĩnh vực điều khiển tự động. Phương pháp Backstepping không chỉ giúp duy trì trạng thái cân bằng của hệ thống mà còn cải thiện độ ổn định và khả năng phản ứng với các nhiễu loạn bên ngoài. Độc giả sẽ tìm thấy những lợi ích thiết thực từ việc áp dụng phương pháp này trong các ứng dụng thực tiễn, từ robot đến các hệ thống tự động hóa phức tạp.
Nếu bạn muốn mở rộng kiến thức về các phương pháp điều khiển khác, hãy tham khảo bài viết Luận văn thạc sĩ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa điều khiển trượt hệ pendubot, nơi bạn sẽ tìm thấy những nghiên cứu sâu hơn về điều khiển trượt trong các hệ thống tương tự. Ngoài ra, bài viết Luận văn thạc sĩ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa thiết kế bộ điều khiển ổn định hóa cho robot lặn có dây dưới tác động của ngoại lực cũng sẽ cung cấp cho bạn cái nhìn về việc thiết kế bộ điều khiển cho các ứng dụng robot. Cuối cùng, bạn có thể khám phá thêm về Luận văn thạc sĩ kỹ thuật cơ điện tử phát triển thuật toán tích hợp điều khiển trượt và lý thuyết mờ cho mô hình cánh tay robot, giúp bạn hiểu rõ hơn về các thuật toán điều khiển hiện đại trong lĩnh vực robot. Những tài liệu này sẽ giúp bạn mở rộng kiến thức và ứng dụng của các phương pháp điều khiển trong thực tiễn.
Trích đoạn nội dung tài liệu
Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ