LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Tp. Hồ Chí Minh, ngày 26 tháng 03 năm 2018 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Phan Thanh Phúc ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên xin chân thành cám ơn thầy cô trong bộ môn Cơ Điện Tử, thầy Nguyễn Văn Đông Hải phòng thí nghiệm bộ môn Tự Động Hóa của Trƣờng Đại học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TPHCM luôn nhiệt tình hỗ trợ giúp đỡ trong việc điều khiển mô hình thực tế. Đăc biệt thầy Nguyễn Ngọc Phƣơng luôn đôn đốc tinh thần, đƣa ra điểm chính, những vấn đề cần giải quyết của đề tài để tôi hoàn thành đề tài này.
Cám ơn các bạn học viên cùng khóa Cơ điện tử 15B đã đồng hành động viên giúp đỡ tôi trong học tập để vƣợt qua các khó khăn trong quá trình học tập tại trƣờng. Cuối cùng, tôi xin chân thành cám ơn sự quan tâm hỗ trợ tạo điều kiện về vật chất và tinh thần của gia đình trong suốt quá trình học tập. Hồ Chí Minh, ngày 26 tháng 03 năm 2018 Học viên Phan Thanh Phúc iii TÓM TẮT Điều khiển thông minh là phƣơng pháp điều khiển phỏng theo các đặc điểm cơ bản của trí thông minh con ngƣời, bao gồm khả năng học, khả năng xử lý thông tin không chắc chắn và khả năng tìm kiếm lời giải tối ƣu. Ngày nay, lĩnh vực điều khiển thông minh có xu hƣớng bao gồm tất cả các vấn đề không thuộc phạm vi điều khiển thông thƣờng.
Tuy nhiên ranh giới giữa điều khiển thông minh và điều khiển thông thƣờng là tƣơng đối và thay đổi theo thời gian [14]. Từ các định nghĩa trên tác giả đề xuất giải thuật phi tuyến để áp dụng cho đề tài luận văn của mình. Hệ thống bóng trên thanh trục lệch là hệ thống phi tuyến không ổn đinh, và đƣợc ứng dụng rất nhiều thí nghiệm ở các trƣờng đại học, cũng nhƣ trong thực tế. Trong giới hạn luận văn tốt nghiệp “Điều khiển hệ bóng trên thanh bằng giải thuật điều khiển thông minh” tác giả sẽ trình bày phƣơng pháp điều khiển trƣợt động để so sánh các kết quả trƣợt tĩnh, trƣợt mờ bằng phƣơng pháp xây dựng mô hình hóa sau đó mô phỏng từ đó tiến hành xây dựng và điều khiển mô hình thực bằng các giải thuật điều khiển sau.
Trƣợt tĩnh: [11] đáp ứng hệ thống tốt tuy nhiên vẫn tồn tại hiện tƣợng chatteting (dao động). Trƣợt mờ:[13]xuất phát từ ý tƣởng [7] [9] là thay hàm Sign bởiFuzzy- Sugeno và hàm Sat trong mặt trƣợt, tuy nhiên việc thay hàm Sat vẫn tồn tại nhƣợc điểm đó là độ trể của đáp ứng hệ thống. Do đó theo [7] [13] thay hàm Sign bằng luật điều khiển Fuzzy-Sugeno với mục đích giảm hiện tƣợng chattering. Tuy nhiên bằng phƣơng pháp điều khiển này vẫn chƣa tốt.
Trƣợt động: khắc phục hoàn toàn cả hai nhƣợc điểm trên hiện tƣợng dao động đồng thời hệ thống đáp ứng tốt hơn. Việc điều khiển mô hình thực tế bằng cách sử dụng Matlab/Simulink thông qua công cụ hỗ trợ lập trình nhúng Waijung 15.04 cho DSP STM32F4, Sau đó tiến hành thu thập dữ liệu hiển thị lên máy tính thông qua Terminal dể kiểm tra chất lƣợng kết quả điều khiển thực tế. iv MỤC LỤC Chƣơng 1: TỔNG QUAN .Giới thiệu hệ bóng trên thanh .Nguyên lý hoạt động: .Mục tiêu của luận văn: .Phạm vi nghiên cứu:.Phƣơng pháp nghiên cứu:.Các công trình nghiên cứu: .Nghiên cứu trong nƣớc: .Nghiên cứu ngoài nƣớc: .Tầm quan trọng và ý nghĩa thực tiễn của hệ thống: .Cấu trúc của luận văn:. 9 Chƣơng 2:MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG .Giới thiệu mô hình sử dụng trong đề tài .Mô hình hóa học hệ thống.Nhận dạng động cơ.
15 Chƣơng 3: THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN .Giới thiệu một số thuật toán đã áp dụng cho hệ bóng trên thanh .Thuật toán điều khiển PID .Thuật toán điều khiển mờ.Bộ điều khiển mờ PD .Thuật toán điều khiển trƣợt .Giới thiệu lý thuyết điều khiển trƣợt .Điều khiển trƣợt tĩnh cho hệ bóng trên thanh áp dụng trong đề tài.Điều khiển trƣợt động cho hệ bóng trên thanh áp dụng trong đề tài .Thuật toán PD kết hợp .Thuật toán mờ PD .Trƣợt tĩnh .Trƣợt mờ .Trƣợt động. 50 v Chƣơng 4: THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH THỰC TẾ .Thiết kế cơ khí .Mạch điều khiển .Mạch điều khiển .Mạch công suất .Cảm biến vị trí.Công cụ hỗ trợ lập trình điều khiển.Kết quả điều khiển .Điều khiển trƣợt tĩnh: .Điều khiển trƣợt mờ .Điều khiển trƣợt động. 78 Chƣơng 5: KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ .Kết quả đạt đƣợc .Hạn chế và khắc phục .Hƣớng phát triển. 91 vi DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Hệ bóng trên thanh trục lệch .2 Hệ bóng trên thanh trục giữa .3 Cân bằng bóng trên thanh đƣợc xây dựng bởi phòng thí nghiệm ngƣời máy Berkeley (Arroyo 2005).4Hệ thống bóng thanh tự cân bằng đƣợc xây dựng ở khoa điện trƣờng đại học Lakehead (của tác giả Ambalavanar, Moinuddin và Malyshev năm 2006) .5Hệ bóng thanh đƣợc đƣa ra thƣơng mại bởi Quanser 2006 .6Hệ bóng trên thanh của Hirsch 1999 .7Ngƣời máy cân bằng bóng thanh của Lieberman 2004 .8a Ứng dụng vào điều khiển máy bay nhào lộn trên không .8b Ứng dụng vào điều khiển góc tên lửa .1 Mô hình động học của hệ thống .2 Sơ đồ khối động cơ DC .3 Sơ đồ đọc tín hiệu đo lƣờng củađộng cơ DC .4 Sơ đồ kết nối đo tín thực tế .1 Đáp ứng dạng nấc của hệ hở .2 Đáp ứng dạng nấc của hệ kín khi K= Kgh .3 Cấu trúc bộ điều khiển PD kết hợp .4 Cấu tạo của của bộ điều khiển mờ .5 Hàm liên thuộc của biến ngõ vào .5 Hàm liên thuộc của biến ngõ vào .6 Chuẩn hóa khâu giải mờ.7 Cấu trúc bộ điều khiển mờ .8 Cấu trúc bộ điều khiển mờ PD kết hợp .9 Mặt trƣợt s với hiện tƣợng chattering .12 cấu trúc của hệ thống điều khiển vòng kín.13 Mô hình hệ bóng trên thanh trên Matlab/Simulink .14 Cấu trúc bên trong của hệ bóng trên thanh .15 Cấu trúc điều khiển PD kết hợp theo (3.48) hệ bóng trên thanh.15 Bên trong cấu trúc điều khiển PD kết hợp .16 Kết quả mô phỏng điều khiển vị trí r_set = 0.17 Kết quả mô phỏng điều khiển góc của thanh r_set = 0.18 Kết quả mô phỏng điều khiển vị trí r_set = 0.19 Kết quả mô phỏng điều khiển góc của thanh r_set = 0.20 Cấu trúc của bộ điều khiển mờ PD .21 Bên trong bộ điều khiển mờ PD .22 Kết quả mô phỏng điều khiển vị trí với r_set = 0.23 Kết quả mô phỏng điều khiển góc với r_set = 0.25 Kết quả mô phỏng điều khiển vị trí với r_set = 0.25 Kết quả mô phỏng điều khiển góc với r_set = 0.26 Cấu trúc của bộ điều khiển trƣợt tĩnh.27 Cấu trúc của bộ điều khiển trƣợt mờ.28 Cấu trúc của bộ điều khiển trƣợt động .29 Kết quả mô phỏng điều khiển vị trí với r_set = 0.30 Kết quả mô phỏng điều khiển góc với r_set = 0.31 Điện áp điều khiển với r_set = 0.32 Mặt trƣợt với r_set = 0.33 Kết quả mô phỏng điều khiển vị trí với r_set = 0.34 Kết quả mô phỏng điều khiển góc với r_set = 0.35 Điện áp điều khiển với r_set = 0.36 Mặt trƣợt với r_set = 0.37 Kết quả mô phỏng điều khiển vị trí với r_set = 0.38 Kết quả mô phỏng điều khiển góc với r_set = 0.39 Điện áp điều khiển với r_set = 0.40 Mặt trƣợt với r_set = 0.41 Kết quả mô phỏng điều khiển vị trí với r_set = 0.42 Kết quả mô phỏng điều khiển góc với r_set = 0.43 Điện áp điều khiển với r_set = 0.44 Mặt trƣợt với r_set = 0.45 Kết quả mô phỏng điều khiển vị trí với r_set = 0.46 Kết quả mô phỏng điều khiển góc với r_set = 0.47 Điện áp điều khiển với r_set = 0.48 Mặt trƣợt với r_set = 0.49 Kết quả mô phỏng điều khiển vị trí với r_set = 0.50 Kết quả mô phỏng điều khiển góc với r_set = 0.51 Điện áp điều khiển với r_set = 0.52 Mặt trƣợt với r_set = 0.1 Cấu tạo phần cứng hệ bóng trên thanh .2 Động cơ đƣợc sử dụng trong mô hình thực tế .3 Board DSP STM32F407VGT .4 Cấu tạo cơ bản của mạch cầu H .5 Mạch cầu H đƣợc sử dụng trong mô hình .6 Nguyên lí đó vị trí viên bi bằng dây điện trở .7 Nguyên lí đó vị trí viên bi bằng dây điện trở sau khi lắp thêm tụ.8 Cấu trúc điều khiển mô hình thực tế .9 Công cụ Waijung 15.04 hỗ trợ cho lập trình nhúng board STM32 .10 Cấu trúc điều khiển mô hình bằng giải thuật điều khiển trƣợt tĩnh .11 Bên trong khối Ball and beam.12 Bên trong khối Sliding Surface .13 Bên trong khối u_control .14 Cấu trúc điều khiển của mô hình bằng giải thuật trƣợt mờ .15 Cấu trúc bên trong khối mặt trƣợt .16 Cấu trúc điều khiển mô hình bằng giải thuật trƣợt động .17 Bên trong khối ball and beam .18 Bên trong khối u_control theo (3.19 Bên trong khối Sliding Surface .20 Vị trí của viên bi, r_set = 0.21 Góc của thanh nằm ngang, r_set = 0.22 Điện áp điều khiển, r_set = 0.23 Vị trí của viên bi, r_set = 0.24 Vị trí của thanh nằm ngang, r_set = 0.25 Điện áp điều khiển, r_set = 0.26 Vị trí của viên bi, r_set = 0.27 Vị trí của thanh nằm ngang, r_set = 0.28 Điện áp điều khiển, r_set = 0.29 Vị trí của viên bi, r_set = 0.30 Vị trí của thanh nằm ngang, r_set = 0.21 Điện áp điều khiển, r_set = 0.
86 x DANH SÁCH BẢNG Bảng 2.1 Các thông số cơ bản của hệ thống .2 Thông số của động cơ DC .1 Thông số PID theo Zeigler-Nichols thứ nhất .2 Thông số PID theo Zeigler-Nichols thứ nhất .4 Thông số mô hình thực tế .5 So sánh kết quả với tín hiệu đặt không đổi .1 So sánh kết quả thực tế. 87 xi DANH MỤC VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ TIẾNG ANH ADC : Analog Digital Convert Calib : hiệu chuẩn ban đầu Chattering : hiện tƣợng dao động DC : Direct Current DSMC : Dynamic Sliding Mode Control DSP : Digital Signal Processing FSMC : Fuzzy Silding Mode Control Fuzzy : bộ điều khiển mờ Kp, Ki, Kd : khâu tỉ lệ, khâu tích phân, khâu vi phân LQR : Linear Quadratic Regulator- điều khiển tối ƣu MIMO : Multi Input Multi output Neuron Network : mạng thần kinh PID : Proportional, Integral, Derivative Real time : thời gian thực SIMO : Single Input Single Output Sliding Surface : mặt trƣợt SMC : Sliding Mode Control SSMC : Static Sliding Mode Control xii Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1.