Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu và điều khiển cân bằng hệ bóng đĩa sử dụng PID

Khám phá đồ án tốt nghiệp về điều khiển cân bằng hệ bóng đĩa bằng PID. Bao gồm cơ sở lý thuyết, mô phỏng Matlab và thi công mô hình thực tế.

• Tác giả: Võ Đình Tuấn
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn Đông Hải
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
• Đề tài: Nghiên cứu và điều khiển cân bằng hệ bóng đĩa sử dụng PID
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Hệ Thống Cân Bằng Bóng Đĩa

Hệ thống cân bằng bóng đĩa là một mô hình điều khiển cổ điển trong lĩnh vực kỹ thuật điều khiển tự động. Đây là một hệ thống phi tuyến tính phức tạp, được sử dụng rộng rãi trong giáo dục và nghiên cứu để minh họa các nguyên lý cơ bản của lý thuyết điều khiển. Mô hình này bao gồm một quả bóng được đặt trên một cái đĩa nghiêng có thể quay, nhiệm vụ của hệ thống là điều khiển vị trí bóng ở vị trí cân bằng mong muốn. Đồ án điều khiển cân bằng hệ bóng đĩa bằng PID được thực hiện tại Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh nhằm áp dụng kiến thức lý thuyết vào thực tế. Hệ thống này đòi hỏi sự kết hợp giữa lý thuyết điều khiển, thiết kế cơ khí và lập trình điều khiển để tạo ra một mô hình hoạt động hiệu quả.

1.1. Ý Nghĩa và Mục Đích của Đề Tài

Đồ án này giúp sinh viên áp dụng kiến thức điều khiển PID vào thực tế, từ đó nâng cao kỹ năng thiết kế hệ thống điều khiển. Mục đích chính là thiết kế và vận hành mô hình thực tế bằng cách sử dụng bộ điều khiển PID để đạt được sự ổn định của hệ thống. Thông qua đề tài này, sinh viên có thể mở rộng nghiên cứu sang những mô hình phức tạp hơn với phương pháp điều khiển tương tự, đồng thời nắm vững các kỹ năng lập trình trên MATLAB và Arduino.

1.2. Nội Dung Chính của Nghiên Cứu

Nội dung nghiên cứu tập trung vào mô hình toán học của hệ bóng đĩa, thiết kế bộ điều khiển PID, và xây dựng mô hình vật lý. Đề tài bao gồm việc chọn lựa thiết bị điều khiển, lập trình trên MATLAB Simulink và Arduino, cũng như thực hiện mô phỏng và thực nghiệm để xác thực hiệu suất của hệ thống điều khiển.

II. Cơ Sở Lý Thuyết Điều Khiển PID

Bộ điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) là một trong những phương pháp điều khiển tự động phổ biến nhất trong công nghiệp và giáo dục. Bộ điều khiển này hoạt động dựa trên ba thành phần chính: thành phần tỷ lệ (P), tích phân (I), và đạo hàm (D). Đối với hệ thống cân bằng bóng đĩa, bộ điều khiển PID được sử dụng để giảm thiểu sai lệch giữa vị trí hiện tại của bóng và vị trí mong muốn. Bộ điều khiển PD là một biến thể được sử dụng để điều khiển cân bằng mà không cần thành phần tích phân. Hiệu suất của bộ điều khiển PID phụ thuộc vào việc tinh chỉnh các thông số Kp, Ki, Kd để đạt được đáp ứng hệ thống mong muốn, tức là hệ thống có thể nhanh chóng ổn định với các dao động tối thiểu.

2.1. Cấu Trúc và Nguyên Lý của Bộ Điều Khiển PID

Bộ điều khiển PID gồm ba thành phần: thành phần P (Proportional) tạo ra lực tương ứng với sai lệch hiện tại, thành phần I (Integral) khử sai lệch dừng, và thành phần D (Derivative) cải thiện độc lập của hệ thống. Công thức điều khiển PID rời rạc được áp dụng trong mô hình để tính toán tín hiệu điều khiển theo từng bước thời gian.

2.2. Phương Pháp Tinh Chỉnh Thông Số PID

Để tối ưu hóa hiệu suất hệ thống điều khiển, đề tài sử dụng giải thuật di truyền GA (Genetic Algorithm) để tìm ra các thông số Kp, Ki, Kd tối ưu. Phương pháp này cho phép tự động hóa quá trình tinh chỉnh, đảm bảo hệ thống đạt được độ ổn định và độ chính xác cao nhất.

III. Thiết Kế và Thi Công Mô Hình Thực Tế

Quá trình thiết kế mô hình cân bằng bóng đĩa bắt đầu từ việc xây dựng mô hình toán học dựa trên các phương trình động học của hệ thống. Mô phỏng lý thuyết được thực hiện trên MATLAB Simulink để xác thực các phương trình và kiểm tra hiệu suất của bộ điều khiển PID. Sau đó, nhóm tiến hành thiết kế mô hình 3D bằng Solidworks và chọn lựa các thiết bị điều khiển phù hợp như vi điều khiển Arduino, camera để phát hiện vị trí bóng, và động cơ để điều khiển góc nghiêng của đĩa. Thi công hệ thống đòi hỏi độ chính xác cao trong việc lắp ráp các thành phần cơ khí và điện tử để đảm bảo hiệu suất của hệ thống điều khiển.

3.1. Phần Mềm Sử Dụng Trong Thiết Kế

MATLAB Simulink được sử dụng để mô phỏng mô hình toán học và kiểm tra hiệu suất của bộ điều khiển PID. Solidworks hỗ trợ thiết kế 3D của mô hình cơ khí. Arduino IDE được dùng để lập trình vi điều khiển điều khiển các thiết bị phần cứng thực tế.

3.2. Lựa Chọn Thiết Bị Điều Khiển

Các thiết bị chính bao gồm: Arduino Uno làm vi điều khiển, camera hoặc cảm biến quang học để phát hiện vị trí bóng, động cơ servo để điều khiển góc nghiêng đĩa. Danh sách thiết bị và giá tiền được lập kế để tối ưu hóa chi phí mà vẫn đảm bảo chất lượng hiệu suất.

IV. Mô Phỏng Thực Nghiệm và Kết Quả

Mô phỏng hệ thống được thực hiện bằng cách sử dụng hai phương pháp khác nhau: giải thuật di truyền GA để tìm thông số PID tối ưu, và bộ điều khiển LQR (Linear Quadratic Regulator) để so sánh hiệu suất. Mô phỏng thực nghiệm được tiến hành trên mô hình thực tế bằng cách kết nối Arduino với máy tính qua cổng serial và sử dụng phần mềm Hyper Terminal để giám sát dữ liệu. Kết quả đạt được cho thấy rằng bộ điều khiển PID được tinh chỉnh bằng giải thuật GA đạt được hiệu suất tốt với sai lệch ổn định tối thiểu và thời gian vào ổn định chấp nhận được. Hệ thống có khả năng duy trì cân bằng của bóng trên đĩa ngay cả khi có các nhiễu loạn bên ngoài.

4.1. Kết Quả Mô Phỏng với Các Thuật Toán Khác Nhau

Mô phỏng LQR cho kết quả ổn định với thời gian vào ổn định nhanh, trong khi mô phỏng GA cung cấp sự linh hoạt cao trong việc tinh chỉnh các thông số. So sánh hai phương pháp cho thấy bộ điều khiển PID được tối ưu hóa bằng GA có khả năng thích ứng tốt với các thay đổi của hệ thống.

4.2. Kết Quả Thực Nghiệm Trên Mô Hình Thực Tế

Thực nghiệm thực tế xác nhận tính hiệu quả của bộ điều khiển PID được tối ưu hóa. Hệ thống duy trì cân bằng của bóng trên đĩa với độ chính xác cao và ổn định lâu dài. Dữ liệu thu thập từ cảm biến cho thấy sai lệch vị trí giảm đáng kể sau quá trình điều khiển.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Trong những năm gần đây, công nghệ và kỹ thuật điều khiển tự động đang dần thay thế sự hiện diện của con người trong các lĩnh vực như công nghiệp, sử dụng Arduino để điều khiển sẽ có các cấu trúc khác nhau tùy vào mục đích sử dụng. Điều khiển cân bằng là một trong những ứng dụng lớn và được nhiều sinh viên và phòng thực nghiệm hướng đến và phát triển trong tương lai. Cân bằng hệ bóng đĩa đã và đang là đề tài được nghiên cứu rộng rãi ở các phòng lab khu công nghệ hoặc trường đại học lớn của các nước,sử dụng động cơ tích hợp encoder trong cùng một hệ thống để tạo tín hiệu xung đọc về điều khiển tốc độ nhanh chậm, tìm điểm cân bằng mong muốn và đặt banh trong khoảng cân bằng đó trên bánh xe, tiếp tục thực hiện giữ cho quả banh cân bằng trên bánh xe thông qua Arduino. Hiện nay, có rất nhiều công ty và phòng lab lớn đưa ra vấn đề và thực hiện đề tài cân bằng này.Nhưng thông qua tìm hiểu thì ở Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh hiện nay chưa có nhiều nghiên cứu khoa học hay mô hình đồ án thực hiện đề tài “Cân bằng hệ bóng đĩa”.

Về tính không ổn định, quả bóng trên đĩa có xu hướng dao động và mất cân bằng do tác động của các lực vật lý như trọng lực, ma sát và lực tác động từ môi trường xung quanh. Điều khiển cân bằng bóng trên đĩa bằng PID đòi hỏi một cách hiệu quả để đối phó với tính không ổn định này và duy trì sự cân bằng trong điều kiện thay đổi. Độ chính xác, mục tiêu là duy trì quả bóng ở vị trí cân bằng trên đĩa. Để đạt được điều này, hệ thống điều khiển PID cần đạt đến độ chính xác cao trong việc phản ứng và điều chỉnh tín hiệu điều khiển.

Sai số và độ trễ trong quá trình điều khiển có thể ảnh hưởng đến khả năng cân bằng của quả bóng. Điều chỉnh PID, hệ số PID cần được điều chỉnh phù hợp để đáp ứng với tính chất của hệ thống và yêu cầu cân bằng. Tuy nhiên, việc điều chỉnh PID đòi hỏi sự hiểu biết về hệ thống và quá trình điều khiển, cùng với việc thử nghiệm và tinh chỉnh để đạt được hiệu suất tốt nhất. 1 Ổn định và đáp ứng, hệ thống điều khiển PID cần đảm bảo ổn định và có khả năng đáp ứng nhanh chóng đối với các biến đổi ngoại lực hoặc điều kiện thay đổi.

Điều này đảm bảo quả bóng được cân bằng trong thời gian ngắn và đồng thời tránh trạng thái không ổn định hoặc dao động không mong muốn. Để tiếp tục đào sâu và hiểu thêm đề tài trên. Nhóm chúng em đã tiến hành nghiên cứu tài liệu, thiết kế và thi công đề tài đồ án “Nghiên cứu và điều khiển cân bằng hệ bóng đĩa bằng PID”.2 Mục tiêu Đối với mục tiêu chính của đề tài “Nghiên cứu và điều khiển cân bằng hệ bóng đĩa bằng PID” chúng em đưa ra hướng giải quyết và các mục tiêu cần đạt được như sau: Xây dựng một hệ thống điều khiển tự động hiệu quả để duy trì sự cân bằng của quả bóng trên đĩa.Quá trình cân bằng này có thể áp dụng trong các ứng dụng thực tế như robot cân bằng, máy chơi trò chơi, hoặc các hệ thống cân bằng khác. Để đạt được mục tiêu này, nghiên cứu tập trung vào việc xây dựng một mô hình toán học chính xác của hệ thống quả bóng trên đĩa.

Mô hình này bao gồm các thông số quan trọng như khối lượng, mômen quán tính, và các lực tác động lên quả bóng từ đĩa. Cụ thể như: - Giải bài toán để quả bóng luôn nằm ở điểm cân bằng của bánh xe mà không bị rơi rớt. - Mô phỏng kiểm chứng trên Matlab, lấy thông số PD thực nghiệm. - Thông số PID cần được điều chỉnh và tinh chỉnh để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và có thể đáp ứng được với các biến đổi ngoại lực và điều kiện khác nhau.3 Nội dung nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Bộ điều khiển cân bằng quả bóng trên đĩa.

Phạm vi nghiên cứu: - Xây dựng và tìm ra phương trình toán học cho hệ bóng đĩa - Điều khiển cân bằng hệ thống bằng bộ điều khiển PID 2 - Mô phỏng hệ thống thông qua phần mềm Matlab/Simulink 1.4 Giới hạn Giới hạn của mô hình: - Quả bóng không có ma sát lớn trên bề mặt của bánh xe, quả bóng dễ bị trượt khi tốc độ quay của bánh xe nhanh hoặc quả bóng lăn nhanh hơn tốc độ bánh xe. - Chỉ tập trung vào một phần cụ thể của hệ thống, chẳng hạn như bóng đĩa, trục, vòng bi, hoặc hệ thống chịu tải. Phạm vi có thể giới hạn để nghiên cứu một khía cạnh nhất định của cân bằng hệ bóng đĩa, ví dụ như tính toán lực tác động hoặc xác định thời gian hoạt động. - Đề tài chỉ tập trung vào một phương pháp nghiên cứu cụ thể, chẳng hạn như mô phỏng số học, phân tích hệ thống, thử nghiệm thực nghiệm, hoặc sử dụng các công cụ phân tích mô phỏng.

Phương pháp nghiên cứu được chọn có thể hạn chế phạm vi và khả năng áp dụng kết quả. - Giới hạn về kinh phí không vượt quá mười triệu đồng, thời gian hoàn thành mô hình và viết báo cáo trong vòng năm tháng. - Mô hình so với thực nghiệm có sự khác nhau về thông số nội của động cơ, quả bóng không cân đối… 1.5 Ý nghĩa của đề tài Hệ thống cân bằng bóng đĩa là hệ thống mẫu làm tiền đề để phát triển và tạo ra các hệ thống tự cân bằng khác như: xe hai bánh tự cân bằng, tháp vô tuyến, giàn khoan, công trình biển,v…v. Khi lý thuyết về các bộ điều khiển ngày càng hoàn thiện và tối ưu hơn nhằm cân bằng bóng trên một mặt phẳng hoặc nghiên hay cong bất kỳ thì hệ cân bằng bóng đĩa được xem như là một đề tài một công cụ nghiên cứu trong các ứng dụng khoa học và học tập.

Đề tài về cân bằng quả bóng trên đĩa bằng PID mang lại rất nhiều ý nghĩa quan trọng trong lĩnh vực điều khiển tự động và ứng dụng công nghệ trong thực tế: 3 Nghiên cứu cân bằng quả bóng trên đĩa bằng PID giúp hiểu rõ hơn về nguyên lý hoạt động và ứng dụng của hệ thống PID trong việc điều khiển một quá trình cân bằng. PID là một phương pháp điều khiển phổ biến và cơ bản, nghiên cứu này giúp tăng cường kiến thức và sự hiểu biết về việc áp dụng PID trong các ứng dụng thực tế. Hệ thống cân bằng bóng trên đĩa có thể được áp dụng trong nhiều lĩnh vực và ứng dụng khác nhau. Ví dụ, trong lĩnh vực robot hỗ trợ, hệ thống cân bằng bóng trên đĩa có thể giúp robot duy trì sự ổn định và cân bằng trong quá trình di chuyển.

Trên các thiết bị chơi trò chơi hoặc các sản phẩm giải trí, hệ thống này cũng có thể tạo ra trải nghiệm thú vị và tăng tính tương tác với người dùng. Nghiên cứu này cung cấp một phương pháp điều khiển hiệu quả cho việc cân bằng quả bóng trên đĩa. PID là một phương pháp điều khiển linh hoạt và có thể điều chỉnh để đáp ứng với các biến đổi và điều kiện khác nhau. Kết quả của nghiên cứu này có thể giúp cải thiện hiệu suất và độ ổn định của hệ thống cân bằng, đồng thời giảm thiểu sai số và dao động không mong muốn.

Áp dụng thành công của PID trong hệ thống cân bằng bóng trên đĩa có thể mở ra cánh cửa cho các nghiên cứu và ứng dụng tương tự trong lĩnh vực điều khiển tự động. Nghiên cứu này tạo ra một cơ sở để phát triển các phương pháp điều khiển tự động và ứng dụng trong các hệ thống khác nhau, đồng thời khuyến khích sự phát triển và ứng dụng công nghệ trong thực tế. Tóm lại, nghiên cứu về cân bằng quả bóng trên đĩa bằng PID mang lại nhiều ý nghĩa từ việc nâng cao kiến thức về điều khiển tự động cho đến khả năng ứng dụng trong các lĩnh vực và sản phẩm khác nhau. 4 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Giới thiệu tổng quan về mô hình và các bộ điều khiển Mô hình cân bằng hệ bóng đĩa hay còn gọi là "ball on wheel system" là một mô hình lý thuyết được sử dụng để mô phỏng và nghiên cứu về hệ thống bao gồm một quả cầu đặt trên một bánh xe.

Mô hình này thường được sử dụng trong lĩnh vực cơ học, điện tử và điều khiển. Trong mô hình này, quả cầu được giả định là một khối rắn và được đặt trên một bánh xe. Bánh xe có thể quay xung quanh một trục cố định và có thể có động cơ để tạo ra chuyển động quay. Quả bóng có thể cuộn lăn trên bề mặt của bánh xe.

Mô hình có thể được mô tả bằng các phương trình và công thức cơ học. Điều quan trọng là xác định các tham số và điều kiện ban đầu của hệ thống, như khối lượng và kích thước của quả bóng, bán kính của bánh xe, mô-men quán tính, v. Một số ứng dụng của mô hình này bao gồm: - Nghiên cứu về vận tốc, gia tốc và động năng của quả bóng khi cuộn lăn trên bánh xe. - Điều khiển và ổn định hệ thống ball on wheel system bằng cách sử dụng các phương pháp điều khiển và thuật toán.

- Nghiên cứu về các hiện tượng động học như quá trình cuộn lăn, tác động của ma sát, và tương tác giữa quả bóng và bánh xe. - Ứng dụng trong robotica để thiết kế các robot di động có khả năng di chuyển trên mặt đất hoặc các bề mặt không đồng đều. Hiện nay có nhiều cơ quan nghiên cứu và tổ chức đã hoàn thành mô hình cân bằng hệ bóng đĩa bằng PID. Dưới đây là một số cơ quan nghiên cứu có thể đã thực hiện nghiên cứu này: Viện Công nghệ Massachusetts : có nhiều nhóm nghiên cứu trong lĩnh vực điều khiển tự động và điều khiển hệ thống.

Các nhóm này có thể đã thực hiện nghiên cứu về cân bằng hệ bóng đĩa bằng PID hoặc các biến thể khác của PID. 5 Viện Công nghệ California : Caltech cũng có những nhóm nghiên cứu hàng đầu trong lĩnh vực điều khiển và tự động hóa. Các nhà nghiên cứu tại Caltech có thể đã nghiên cứu về cân bằng hệ bóng đĩa sử dụng PID. Đại học Stanford: Đại học Stanford có một trung tâm nghiên cứu về điều khiển tự động và robotica.

Các nhóm nghiên cứu tại đây có thể đã nghiên cứu về cân bằng hệ bóng đĩa và áp dụng PID trong quá trình nghiên cứu.