Đặt vấn đề Hgày nay, kh0a học kỹ thuật đạt đojợc rất nhiều tiến sộ tr0ng lĩnh vực điều khiển tự động hóa. các hệ thống điều khiển đơiợc áp dụng các luật điều khiển kinh điền, điều khiển hiện đại, ch0 lới điều khiển thông minh, điều khiển sằng trí luệ nhân ta0. Két qua thu dagc là hệ thống h0ạ† động với độ chính xác ngày càng ca0, lính ôn định sền vững lốt hơn, và thời gian đáp ứng nhanh. Tr0ng điều khiển công nghiệp có nhiều bộ điều khiến nhơi PID truyền thống, điều khiển thích nghi, LFFc ( Leaning Feed — F0rward c0ntr0l) LỌI' (Linear Quadralic Iegulal0r) và LQG ( Linear Guadrahic Gausan).
hệ thống “ball and beam” (b&b), dịch tiếng Việt là hệ thống “bóng và Tay đòn”, là hệ thống dòng để thử nghiệm các sài l0án điều khiển ổn định vị lrí, đây là mội hệ thống có động học khá nhạy cảm với nhiễu lác động sên ng0ài. Mô hình b&b thơiờng đojợc dòng nhiều †r0ng phòng thi nghiệm dửa các lrojờng đại học trên thế giới. Mô hình sa0 gồm một thanh nằm ngang (seam), một quả sóng (sall), một động cơ Dc, cảm biến đọc vị trí quả sóng và cảm siến xác định góc nghiêng của thanh. Thanh nằm ngang (beam), thojờng có độ dài lr0ng kh0ảng [ 0.
chất liệu của thanh đơjợc im bang nhựa hOặc, nhôm, gỗ. Qua sóng thojờng đojợc thay thế bằng viên bi sắt nhỏ, hay bi nhựa. bề mặt nhẫn, khi chuyên động ma sát phải rất Số hóa bởi Trung tâm Học liệu — Dai học Tha4i Nguyén http://www. Điều khiển vị trí của bóng lrên thanh sằng cách thay đổi góc nghiêng của thanh s0 với pho|ơng ngang sằng mội động cơ.
cảm biến xác định vị lrí Số hóa bởi Trung tâm Học liệu — Dai hoc Thá5i Nguyên http://www.vn/ quả bóng có thể dùng cảm biến khO0ảng cách hOặc cảm biến độ dịch chuyền, cảm biến xác định góc nghiêng của thanh có thể sử dụng cảm biến góc nghiêng hOặc encOder. có hai dạng mô hình phổ biến của hệ thống b&b nhg sau: Dang 1: Tay don ( beam) Tay nang ( Levee Aem) Dia tron (Gear) inh 1-1 Mô hình ball and beam dang 1 Trên mô hình ở hình I.I, œ là góc nghiêng của thanh peam đơiợc lạ0 ra làm quả bóng chuyền động “Œeaz” là cơ cấu bánh rang truyền động, là mội đĩa tròn. Trục động cơ gắn và0 lâm của đĩa.“Levez Azm” là cơ câu lay nâng thanh beam, gắn Trực liếp trên đĩa †ròn, cách trục động cơ kh0ảng “ở”. Gu điểm của mô hình này là động cơ có mô men nhỏ hơn đề điều khiển vì có sử dụng đòn sây.
IIhơtợc điểm của dạng này là khó tr0ng thuật l0án điều khiển. Dạng 2: GP2D12 Proximity Sensor DC Motor Số hóa bởi Trung tâm Học liệu — Dai học Tháöi Nguyên http://www.vn/ hình 1-2 Mé hinh Ball and beam dang 2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu — Đại học Thá7i Nguyên http://www.vn/ Dạng này thanh đojợc đỡ ở trung lâm. Trục quay đơjợc gắn cô định tên thanh và quay đo\ợc lrên giá đỡ. đu điểm của dạng này là dễ xây dựng mô hình và thuật l0án điều khiển đơn giản.
Ihojợc điểm của mô hình này là phải sử dụng động cơ có mô men lớn đề điều khiển góc quay của thanh. lIguyên lý h0ạt động chung: bóng di chuyền dojoc lrên thanh nhờ lác dụng của lrọng lực khi thanh sị nghiêng s0 với pho|ơng nằm ngang. cảm biến xác định vị lrí của bong va doa ra tin hiệu điều khiên động cơ thay đổi góc nghiêng của thanh để ch0 bóng di chuyên đến vị trí m0ng muốn.2 Mội số hệ thống b&b tr0ng thuc té a, Mô hình b&b cia lrơjờng đại học kỹ thuật h0ng kÓng. Ilăm 2006, mô hình ,,sall and seam”° thuộc đề lài luận văn của sinh viên Wei Wang thuc hién, da doja va0 làm mô hình thí nghiệm tr0ng trojong [1].
inh 1-3 M6 hinh ball and beam tai teqong DAKT Ang kOng Với cơ cầu truyền động gián tiếp qua dây cua r0a và tay mang. Glu điểm Số hóa bởi Trung tâm Học liệu — Đại học Thá8i Nguyên http://www.vn/ của hệ thống là tránh đojợc sự ảnh hojởng của động cơ khi động cơ quay nhanh và đả0 chiều liên lục. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu — Dai hoc TháØ9i Nguyên http://www.vn/ Dây chuyền động qua đĩa quay có sán kính lớn, làm hệ thống đáp ứng nâng ca0, hạ thấp lay nâng nhanh chóng. Hhgjợc điểm của hệ thống: Thanh nằm ngang, cánh lay nâng và đĩa quay lojơng đối nặng, d0 đó khi đơia ra ln hiệu điều khiển động cơ cắn phải lính mô men quay của động cơ khi có lải nặng.
hệ thống chịu ảnh hơlởng nhiều về độ chính xác của quá trình lắp ráp cơ khí. Phơiơng pháp xác định vị lrí của quả sóng là dòng cảm siến từ. Một cuộn đây đài nằm dọc phía đoyới thanh ,„eam", cấp nguồn điện Ac 12V và) cuộn dây, khi sall ( bằng kim l0ại) lăn trên sề mặt cuộn dây, dòng điện cảm ứng sinh ra và siến thiên, từ đó xác định đo\ợc tỷ lệ kh0ảng cách. Phojơng pháp xác định vị trí này dễ sị nhiễu khi có vật kim lOại dat gan thanh „beam”, và lính 10án dòng điện siến thiên khá phức lạp.
b, Mô hình b&b của công ty Megachem. công ly Megachem là một công ‡y chuyên sản xuất các thiết sị dành tr0ng học lập. Đặc siệt chuyên về các mô hình tr0ng lĩnh vực điều khiền hệ thống. cong ty Megachem da có nhiều sản phẩm nhơi: mô hình điều khiền cánh lay rô sốt 3 lới 5 bậc ty dO, mô hình điều khiển hệ thống c0n lắc ngơjợc, mô hình điều khiển mức, và một số mô hình điều khiển băng lải,.
Tháng I1 năm 2005, công ty Megachem đã giới thiệu mô hình hệ thống „ball and seamf[2]. Mô hình có thanh „:eam' dài lới Im. động cơ gan truc tiép tai trung Hm cia lhanh „seam'. PhoJơng pháp xác định vi tri qua sóng là dùng hai cảm biến siêu âm ho STFOS.
đu điểm của hệ thống: Thiết kế cơ khí đơn giản hơn, giảm sới lái trên trục động cơ. Động cơ có thê đáp ứng nhanh. Xác định vị tri của quả Số hóa bởi Trung tâm Học liệu — Đại học Thal0i http://www.vn/ bóng chính xác hơn d0 dùng cảm siến siêu âm có chòm lia hẹp, và khả công suất thu phat xa. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu — Đại học Thal li http://www.vn/ Hhgjợc điểm của hệ thống: Khi động cơ quay nhanh và đảO0 chiều liên lục, làm rung hệ thống, dễ ảnh hojởng lới góc quay của cảm biẾH góc (enc0der) và giá thành ca0.
hiện nay cặp cảm biến siêu âm SFF kh0ảng cách nhỏ hơn 3m có giá @ 60 USD. Va gia ban của mô hình ,all and beam" may là 300 USD. hình 1-4 Mô hình ball and beam lại (ông ty Megachem. c, M6 hith b&b cua trojong dai hoc Phia bac Florida Thang 7/ 2007 Dé tai luận văn của hai sinh viên Ms Ming Ga0 và Mr Sami- hasim đã đojợc thực hiện trên mô hình b&b nhơi hình 1.5 của Số hóa bởi Trung tâm Học liệu — Đại học Thal2i http://www.vn/ trojong dai hoc phia bắc Fl0rida.
hình 1-5 Mô hình ball and beam Đh bắc Fl0eida Số hóa bởi Trung tâm Học liệu — Đại học Thal3i http://www.vn/ Tr0ng hé thong ,,ball and beam" này. Động cơ gắn dojới đế, truyền động gián liếp qua lay nâng. Thanh ,„beam” chuyển động quay quanh lrục giữa. Phojong pháp xác định vi ti qua sóng dòng cảm biến siêu âm.
Thong hai cam siến siêu âm này không phải là d0 một cap thu va phat, cả hai cảm biến đều là l0ại phát, h0ạ† động độc lập với nhau. đu điểm của phơjơng pháp này: Tính 104n vị tri quả sóng chính xác, lính trung sình của hai cảm biến. Tr0ng trojờng hợp sị mắt tin hiệu của mot tr0ng hai cảm biến thì vẫn có thề xác định dojgc vi tri qua bong. c, M6 hinh b&b cia trojong dai hoc ky that Australia.
Tháng 5 năm 2008, nhóm sinh vién cua trojong dai hoc ky thuat Australia da ap dung ky thuat xt ly anh va0 trOng mo hình “stall and beam”[3]. Tr0ng mô hình “»all and seam” này, thanh “beam” là mội máng rộng, hình chữ “V”, máng có độ dài 50 cm và đơJợc phủ màu den. Quả bóng „¿all là một viên s¡ nhựa màu trắng, đoiờng kính 30 mm. Trục động cơ dojgc gắn lrực liếp và0 điểm giữa của máng.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu — Đại học Thal4i http://www.vn/ hình 1-6 Mô hình ball and beam DAKT Austealia Số hóa bởi Trung tâm Học liệu — Đại hoc Thál51 http://www.vn/ Phojơng pháp xác định vi tri qua bóng không dùng các l0ại cảm biến, mà áp dụng kỹ thuật xử lý ảnh. Mội camera thuộc lại ,webcam 0n s0ard”, tức là camera gắn lrực liếp trên s0 mạch điều khiên. hình 1-7 Wedeam 0n o0aed ĐhKT Ausiealia camera đơiợc gắn trên ca0, độ ca0 thích hợp sa0 ch0 vòng chụp của camera đủ chiều dài của thanh “beam”. đu điểm của phơjơng pháp này: -_ Thiết kế cơ khí đơn giản.
- Khong sị nhiễu điện tr0ng quá lrình đọc vị tri. - Mang tith tu động hóa và lính linh h0ạl ca0. Tuy nhiên nhgọc điểm là: Mạch điều khiển phức lạp. Độ nhạy và độ chính xác của camera phụ thuộc nhiều và0 ánh sáng môi lroJờng làm việc.
Độ dài của thanh“seam”phải giới hạn †r0ng phạm vì chụp của camera. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu — Đại hoc Thal6i http://www.vn/ Mau sac cua quả bóng phải là màu trang hon rat nhieu sO voi mau cua máng và màu nên †r0ng mô hình. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu — Đại học Thal7i http://www.vn/ Tốc độ xử lý ảnh dé lay vi tri cham hơn s0 với các pho|ơng pháp dùng cảm biến.13 Mô hình hệ thống b&b lại phòng thí nghiệm bộ môn đ0 lơjờng điều khiến — kh0a Điện lử hình 1-8 hinh anh oộ thí nghiệm Là mô hình SEV0T c0ITTT0L TTAITIIIG SÝTEM M0DEL SIV2 của hãng Lasv0l† chế †ạ0 năm 2000 .Đây là sộ thí nghiệm điều khiên động cơ serv0 của hing Lav_ VOlf nhoIng thông lin về sản phẩm, phần mềm điều khiển cũng nhơi máy lính chuyên dụng đều không còn. Mặt khác các linh kiện đã lâu năm nên một số đã không còn chính xác nữa.
Đây cũng là một khó khăn †r0ng việc nghiên cứu mô hình thí nghiệm này. bộ thí nghiệm thực chất vẫn là một hệ thống sóng và thanh đỡ, Sens0r để xác định vị trí bóng là một điện trở thanh, hệ thông sử dụng động cơ serv0 FAULhAbET- 2034b006S đề điều khiển góc nghiêng của thanh. hệ thống có tin hiệu phản hỏi là, phản hồi lốc độ nhờ một máy phát lốc (M0l0r Tach0melter) nối s0ng s0ng với động cơ và phản hôi góc (Shaft Angle) nhờ một biến trở quay. hệ thống đơjợc bố lrí rất rõ ràng với phần Số hóa bởi Trung tâm Học liệu — Đại học Thấ0 Nguyên http://www.