Luận văn khảo sát các phương pháp điều khiển trên hệ con nêm ngược

Tài liệu nghiên cứu Luận văn khảo sát các phương pháp điều khiển trên hệ con nêm ngược, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên sâu về .

• Tác giả: Trần Văn Thành
• Người hướng dẫn: Ts. Hoàng Minh Trí
• Trường học: Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải TP.HCM
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật
• Đề tài: Khảo Sát Các Phương Pháp Điều Khiển Trên Hệ Con Nêm Ngược
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: TP.HCM

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Mô tả hệ thống cái nêm ngược và mục tiêu điều khiển
• 1.2. Phân tích đánh giá các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.3. Những vấn đề còn tồn tại luận văn tập trung giải quyết
• 1.4. Mục tiêu đề tài hướng đến giải quyết
• 2. CHƯƠNG 2: NHỮNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ LÝ THUYẾT
• 2.1. Mô hình hệ nêm ngược
• 2.2. Sơ đồ khối hệ thống
• 2.3. Mô hình hệ con nêm ngược
• 2.4. Cấu hình cơ khí
• 2.5. Xác định các thông số thực của mô hình và lựa chọn thiết bị
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về hệ con nêm

Hệ con nêm ngược là một hệ thống điều khiển không ổn định, trong đó phần lưỡi của nêm được cố định trên một trục xoay. Mục tiêu chính của việc điều khiển hệ này là giữ cho nêm ở trạng thái cân bằng bằng cách điều chỉnh vị trí của vật nặng trượt trên nêm. Hệ thống này thường được sử dụng để kiểm tra và phát triển các thuật toán điều khiển mới, do tính chất phi tuyến và độ nhạy cao của nó. Việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp điều khiển cho hệ con nêm ngược không chỉ có ý nghĩa lý thuyết mà còn có ứng dụng thực tiễn trong các lĩnh vực như tự động hóa và robot. Theo nghiên cứu của Chun-Hsiang Tsai (1993), việc áp dụng các thuật toán như Fuzzy và LQR đã cho thấy hiệu quả trong việc điều khiển hệ này.

1.1. Mô hình nêm ngược

Mô hình nêm ngược được thiết kế với các thông số vật lý cụ thể, bao gồm trọng tâm và quán tính của nêm. Việc xác định các thông số này là rất quan trọng để xây dựng mô hình toán học chính xác cho hệ thống. Mô hình nêm ngược có thể được mô tả như một robot hai chiều với hai bậc tự do và một ngõ vào. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng việc điều khiển nêm ngược có thể được thực hiện thông qua nhiều phương pháp khác nhau, từ điều khiển tuyến tính đến điều khiển phi tuyến, nhằm đạt được sự ổn định và hiệu suất cao nhất.

II. Phân tích các phương pháp điều khiển

Các phương pháp điều khiển cho hệ con nêm ngược bao gồm điều khiển LQR, Fuzzy, và các phương pháp điều khiển thông minh khác. Điều khiển LQR là một trong những phương pháp phổ biến nhất, cho phép tối ưu hóa phản ứng của hệ thống trong thời gian ngắn nhất. Trong khi đó, điều khiển Fuzzy cung cấp một cách tiếp cận linh hoạt hơn, cho phép xử lý các yếu tố không chắc chắn và phi tuyến trong hệ thống. Nghiên cứu cho thấy rằng việc kết hợp các phương pháp này có thể mang lại hiệu quả cao hơn trong việc duy trì trạng thái cân bằng của nêm. Đặc biệt, việc sử dụng bộ điều khiển mờ đã cho thấy khả năng thích ứng tốt với các thay đổi trong điều kiện hoạt động của hệ thống.

2.1. Điều khiển LQR

Điều khiển LQR (Linear Quadratic Regulator) là một phương pháp điều khiển tuyến tính được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống động lực học. Phương pháp này tối ưu hóa một hàm chi phí dựa trên trạng thái và điều khiển của hệ thống, giúp đạt được sự ổn định và hiệu suất cao. Trong nghiên cứu này, bộ điều khiển LQR đã được áp dụng để điều khiển hệ con nêm ngược, cho thấy khả năng duy trì trạng thái cân bằng hiệu quả trong các điều kiện khác nhau. Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng bộ điều khiển LQR có thể giảm thiểu độ dao động và thời gian phản hồi của hệ thống.

2.2. Điều khiển Fuzzy

Điều khiển Fuzzy là một phương pháp điều khiển phi tuyến, cho phép xử lý các yếu tố không chắc chắn và phức tạp trong hệ thống. Phương pháp này sử dụng các quy tắc mờ để xác định hành động điều khiển dựa trên các biến đầu vào. Trong nghiên cứu này, bộ điều khiển Fuzzy đã được áp dụng cho hệ con nêm ngược, cho thấy khả năng thích ứng tốt với các thay đổi trong điều kiện hoạt động. Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng bộ điều khiển Fuzzy có thể duy trì trạng thái cân bằng của nêm trong các tình huống khác nhau, đồng thời giảm thiểu độ dao động và thời gian phản hồi.

III. Kết quả thực nghiệm và bàn luận

Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng cả hai phương pháp điều khiển LQR và Fuzzy đều có thể duy trì trạng thái cân bằng của hệ con nêm ngược. Tuy nhiên, mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Bộ điều khiển LQR cho thấy hiệu suất cao trong việc giảm thiểu độ dao động, trong khi bộ điều khiển Fuzzy có khả năng thích ứng tốt hơn với các thay đổi trong điều kiện hoạt động. Việc so sánh giữa hai phương pháp này cho thấy rằng việc kết hợp chúng có thể mang lại hiệu quả tối ưu hơn trong việc điều khiển hệ con nêm ngược. Nghiên cứu này không chỉ cung cấp cái nhìn sâu sắc về các phương pháp điều khiển mà còn mở ra hướng nghiên cứu mới cho các ứng dụng trong lĩnh vực tự động hóa và robot.

3.1. Đánh giá hiệu suất điều khiển

Đánh giá hiệu suất điều khiển của các phương pháp LQR và Fuzzy cho thấy rằng cả hai phương pháp đều có thể duy trì trạng thái cân bằng của hệ con nêm ngược. Tuy nhiên, bộ điều khiển LQR cho thấy khả năng giảm thiểu độ dao động tốt hơn, trong khi bộ điều khiển Fuzzy có khả năng thích ứng tốt hơn với các thay đổi trong điều kiện hoạt động. Việc phân tích kết quả thực nghiệm cho thấy rằng việc lựa chọn phương pháp điều khiển phù hợp là rất quan trọng để đạt được hiệu suất tối ưu cho hệ thống.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Hệ con nêm ngược là một hệ thống phi tuyến không ổn định, có tính ứng dụng quan trọng trong lĩnh vực tự động hóa và điều khiển robot. Theo ước tính, việc nghiên cứu và phát triển các thuật toán điều khiển cân bằng cho hệ nêm ngược góp phần nâng cao hiệu quả trong công nghiệp và robot hình người. Mục tiêu chính của luận văn là xây dựng mô hình cơ khí và toán học của hệ nêm ngược, xác định các thông số thực nghiệm, tuyến tính hóa mô hình phi tuyến, đồng thời khảo sát và đánh giá hiệu quả của các thuật toán điều khiển hiện đại như LQR và Fuzzy trên mô hình thực nghiệm. Nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Giao thông Vận tải TP.HCM trong giai đoạn 2008-2012, với phạm vi tập trung vào hệ con nêm ngược một chiều có vật nặng trượt trên thanh ray. Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc xây dựng mô hình thí nghiệm phù hợp với điều kiện thiết bị trong nước, làm cơ sở phát triển các thuật toán điều khiển cân bằng cho robot và các hệ thống tự động khác.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn áp dụng hai khung lý thuyết chính: lý thuyết điều khiển tuyến tính và lý thuyết điều khiển mờ (Fuzzy Logic Control). Mô hình toán học phi tuyến của hệ nêm ngược được xây dựng dựa trên định luật bảo toàn năng lượng và phương trình Lagrange, mô tả động năng và thế năng của hệ. Mô hình này sau đó được tuyến tính hóa quanh điểm cân bằng để áp dụng các thuật toán điều khiển tuyến tính như Linear Quadratic Regulator (LQR). Các khái niệm chính bao gồm:

• Mô hình phi tuyến và tuyến tính hóa hệ thống
• Bộ điều khiển hồi tiếp trạng thái LQR với thiết kế độ lợi hồi tiếp tối ưu
• Bộ quan sát trạng thái để ước lượng biến trạng thái không đo được trực tiếp
• Điều khiển mờ (Fuzzy Logic Control) nhằm xử lý các phi tuyến và bất định trong hệ thống

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập bao gồm các thông số kỹ thuật của mô hình cơ khí, dữ liệu thực nghiệm từ hệ thống con nêm ngược phiên bản 3 được chế tạo bằng inox 1 li, và các tín hiệu đo góc nghiêng, vị trí vật nặng qua biến trở than và biến trở tinh chỉnh. Cỡ mẫu thực nghiệm được thực hiện trên mô hình vật lý với nhiều lần thử nghiệm để đảm bảo tính ổn định và độ tin cậy của số liệu. Phương pháp phân tích bao gồm:

• Xây dựng mô hình toán học phi tuyến và tuyến tính hóa
• Mô phỏng thuật toán điều khiển LQR và Fuzzy trên phần mềm Matlab Simulink kết hợp Realtime Windows Target
• Thực nghiệm điều khiển trên mô hình thực với card PCI-1711 và mạch giao tiếp ADAM-3968
• So sánh kết quả điều khiển về thời gian ổn định, sai số góc và vị trí vật nặng

Timeline nghiên cứu kéo dài khoảng 1 năm, bao gồm các giai đoạn thiết kế mô hình, đo đạc thông số, xây dựng thuật toán, mô phỏng và thực nghiệm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Xây dựng thành công mô hình cơ khí và mô hình toán học phi tuyến của hệ nêm ngược: Mô hình version 3 bằng inox 1 li đảm bảo độ cứng và độ chính xác vị trí với sai số đo góc trong khoảng 0-30 độ tuyến tính, vị trí vật nặng được đo chính xác qua biến trở tinh chỉnh. Các thông số quán tính và trọng tâm nêm được xác định chính xác qua phương pháp treo ngược và đo chu kỳ dao động, với chu kỳ dao động khoảng vài giây.

2. Tuyến tính hóa mô hình phi tuyến cho phép áp dụng thuật toán LQR hiệu quả: Ma trận Jacobian tại điểm cân bằng được xác định, cho phép xây dựng mô hình trạng thái tuyến tính. Thuật toán LQR với độ lợi hồi tiếp trạng thái được thiết kế bằng phương pháp gán cực tối ưu giúp hệ thống đạt được độ ổn định mong muốn với thời gian đáp ứng giảm khoảng 20-30% so với các thiết kế chưa tối ưu.

3. Bộ điều khiển mờ (Fuzzy Logic Control) cho kết quả điều khiển ổn định và linh hoạt: Thuật toán điều khiển mờ xử lý tốt các phi tuyến và nhiễu trong hệ, giúp giảm dao động góc nêm xuống dưới 5% so với giá trị đặt, đồng thời cải thiện khả năng thích nghi với các thay đổi tải trọng vật nặng.

4. So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng cho thấy sự phù hợp cao: Sai số giữa mô phỏng và thực nghiệm nằm trong khoảng 10%, chứng tỏ mô hình toán học và các thuật toán điều khiển được xây dựng có độ chính xác và khả năng ứng dụng thực tế cao.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp hệ thống đạt được hiệu quả điều khiển là do việc xác định chính xác các thông số vật lý của mô hình, đặc biệt là trọng tâm và quán tính nêm, cùng với việc lựa chọn thiết bị cảm biến phù hợp như biến trở than và biến trở tinh chỉnh. So với các nghiên cứu trước đây trong nước, luận văn đã khắc phục được nhược điểm về mô hình cơ khí và độ ổn định thực nghiệm. Kết quả cũng phù hợp với các nghiên cứu quốc tế sử dụng thuật toán LQR và Fuzzy cho hệ nêm ngược. Việc sử dụng phần mềm Matlab Simulink kết hợp Realtime Windows Target giúp mô phỏng và điều khiển thời gian thực hiệu quả, tạo điều kiện thuận lợi cho việc phát triển các thuật toán điều khiển phức tạp hơn trong tương lai. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ đáp ứng góc nêm theo thời gian và bảng so sánh sai số giữa các thuật toán điều khiển.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Phát triển thêm các thuật toán điều khiển phi tuyến và thông minh nhằm nâng cao khả năng thích nghi và ổn định của hệ nêm ngược, đặc biệt trong điều kiện tải trọng thay đổi và nhiễu môi trường. Thời gian thực hiện dự kiến 1-2 năm, do nhóm nghiên cứu tự động hóa thực hiện.

2. Nâng cấp hệ thống cảm biến và phần cứng điều khiển để tăng độ chính xác và tốc độ phản hồi, ví dụ sử dụng encoder độ phân giải cao và bộ xử lý tín hiệu số hiện đại. Mục tiêu giảm sai số góc xuống dưới 2% trong vòng 1 năm, do phòng thí nghiệm tự động hóa đảm nhiệm.

3. Mở rộng mô hình sang hệ thống robot cân bằng đa bậc tự do dựa trên nền tảng mô hình nêm ngược, phục vụ nghiên cứu và ứng dụng trong robot hình người. Thời gian nghiên cứu 2-3 năm, phối hợp giữa các viện nghiên cứu và trường đại học.

4. Tổ chức các khóa đào tạo và hội thảo chuyên sâu về điều khiển hệ phi tuyến và điều khiển mờ nhằm nâng cao năng lực nghiên cứu và ứng dụng trong cộng đồng khoa học và kỹ thuật. Thời gian triển khai trong 6 tháng, do các trường đại học và trung tâm đào tạo thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành tự động hóa, cơ điện tử: Luận văn cung cấp kiến thức thực tiễn về xây dựng mô hình và thuật toán điều khiển hệ phi tuyến, giúp nâng cao kỹ năng nghiên cứu và ứng dụng.

2. Giảng viên và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực điều khiển tự động: Tài liệu chi tiết về mô hình toán học, phương pháp tuyến tính hóa và thiết kế bộ điều khiển LQR, Fuzzy có thể làm cơ sở giảng dạy và phát triển đề tài mới.

3. Kỹ sư phát triển hệ thống điều khiển công nghiệp và robot: Các giải pháp điều khiển cân bằng trọng tâm và mô hình thực nghiệm giúp cải tiến thiết bị và quy trình sản xuất.

4. Các trung tâm nghiên cứu và phát triển công nghệ tự động hóa: Luận văn là tài liệu tham khảo quan trọng để phát triển các hệ thống điều khiển phức tạp, đặc biệt trong lĩnh vực robot và thiết bị tự động.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ con nêm ngược là gì và tại sao nó quan trọng trong nghiên cứu điều khiển?
   Hệ con nêm ngược là một hệ thống phi tuyến không ổn định, trong đó vật nặng trượt trên một thanh nghiêng để giữ cân bằng. Nó được dùng làm mô hình thử nghiệm để phát triển và đánh giá các thuật toán điều khiển cân bằng, có ứng dụng trong robot và tự động hóa.

2. Phương pháp tuyến tính hóa mô hình phi tuyến được thực hiện như thế nào?
   Tuyến tính hóa được thực hiện bằng cách xác định ma trận Jacobian của hệ thống tại điểm cân bằng, từ đó xây dựng mô hình trạng thái tuyến tính để áp dụng các thuật toán điều khiển tuyến tính như LQR.

3. Ưu điểm của bộ điều khiển LQR so với các phương pháp khác là gì?
   LQR tối ưu hóa chỉ số hiệu suất bậc hai, giúp hệ thống đạt được độ ổn định cao với thời gian đáp ứng nhanh và sai số nhỏ. Nó cũng cho phép thiết kế độ lợi hồi tiếp trạng thái phù hợp thông qua ma trận trọng số Q và R.

4. Điều khiển mờ (Fuzzy) có vai trò gì trong hệ nêm ngược?
   Điều khiển mờ xử lý tốt các phi tuyến và bất định trong hệ thống, giúp cải thiện khả năng thích nghi và giảm dao động so với các bộ điều khiển tuyến tính truyền thống.

5. Làm thế nào để đo chính xác góc nghiêng và vị trí vật nặng trong mô hình?
   Luận văn sử dụng biến trở than để đo góc nghiêng trong khoảng 0-30 độ với độ tuyến tính cao, và biến trở tinh chỉnh 10 vòng quay để đo vị trí vật nặng, đảm bảo tín hiệu analog phù hợp với ngõ vào của card PCI-1711.

Kết luận

• Đã xây dựng thành công mô hình cơ khí và mô hình toán học phi tuyến của hệ con nêm ngược phù hợp với điều kiện thiết bị trong nước.
• Tuyến tính hóa mô hình phi tuyến và thiết kế bộ điều khiển LQR giúp hệ thống đạt được độ ổn định và thời gian đáp ứng tốt.
• Bộ điều khiển mờ được khảo sát cho thấy khả năng xử lý phi tuyến và nhiễu hiệu quả, cải thiện chất lượng điều khiển.
• Kết quả thực nghiệm và mô phỏng có sự phù hợp cao, chứng minh tính khả thi và ứng dụng thực tế của nghiên cứu.
• Đề xuất phát triển các thuật toán điều khiển thông minh, nâng cấp phần cứng và mở rộng ứng dụng trong robot cân bằng đa bậc tự do.

Tiếp theo, nghiên cứu sẽ tập trung vào phát triển thuật toán điều khiển phi tuyến nâng cao và ứng dụng trong các hệ thống robot phức tạp hơn. Độc giả và các nhà nghiên cứu được khuyến khích áp dụng và phát triển các kết quả này trong lĩnh vực tự động hóa và robot hiện đại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 - TỔNG QUAN 1. Mô tả hệ thống cái nêm ngược và mục tiêu điều khiển Hệ thống nêm ngược là một hệ thống có hình dạng cái nêm ngược, trong đó phần lưỡi O được cố định trên một trục xoay.1 Nêm ngược với vật nặng trượt trên lưng nêm AB Phần vật nặng, hoặc là loại vật nặng được điều khiển trượt trên lưng nêm AB (Hình 1.1) hoặc loại 2 vật nặng (Hình 1.2) được điều khiển trượt trên OA và OB để làm lệch trọng tâm nêm.2 Nêm ngược với vật nặng trượt trên OA và OB HVTH : TRẦN VĂN THÀNHLUẬN VĂN THẠC SĨ -XIV- Thường tại vị trí đầu nêm nằm ở một bên, tức cạnh bên OA hoặc OB tại thời điểm đó có xu hướng song song với mặt đất. Nếu vật nặng trượt qua lại, sẽ làm cho trọng tâm nêm thay đổi → nêm rời khỏi vị trí đứng yên và dao động quanh điểm cân bằng theo sự thay đổi của trọng tâm nêm. Như vậy, hệ nêm ngược là một hệ không ổn định, khi không điều khiển hệ có xu hướng đổ về 2 bên.

Mục tiêu điều khiển hệ là tìm giải thuật để giữ cân bằng hệ quanh một điểm cân bằng đặt trước. Phân tích đánh giá các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước 1. Các công trình ngoài nước Năm 1993, trong luận văn thạc sĩ của Chun-Hsiang Tsai đã đề cập đến việc sử dụng DSP điều khiển hệ nêm ngược dùng giải thuật Fuzzy và LQR.3 Mô hình của Chun-Hsiang Tsai Mô hình nêm ngược được thực hiện bởi trường Đại học Ohio, năm 2001, thực hiện giải thuật điều khiển GA cho hệ nêm ngược. HVTH : TRẦN VĂN THÀNHLUẬN VĂN THẠC SĨ -XV- Hình 1.4 Mô hình của nhóm tác giả trường Đại học Ohio Năm 2003, Jeng-Hann Li cũng đã thực hiện khảo sát điều khiển hệ nêm ngược trong luận văn tiến sĩ dùng giải thuật Fuzzy Sliding-Mode Control ở trường National Cheng Kung University Tainan, Đài Loan.5 Mô hình của trường ĐH ChengKung, Đài loan Một dạng khác của hệ nêm ngược được điều khiển dùng thuật toán LQR, thực hiện bởi trường đại học Zagreb, Croatia năm 2003.

Ở hệ con nêm này, một xilanh khí nén được điều khiển dùng một van tuyến tính điều khiển vật nặng trượt qua lại. HVTH : TRẦN VĂN THÀNHLUẬN VĂN THẠC SĨ -XVI- Hình 1.6 Mô hình của trường ĐH Zagreb, Croatia Mô hình nêm ngược, dự án cho sinh viên Unibertsitatea Mondragón (Basque Country) được thực hiện năm 2008.7 Mô hình nêm ngược ở Basque Country Mô hình nêm ngược do phòng thí nghiệm NeitherLand sử dụng phương pháp điều khiển dùng LQR kết hợp bộ quan sát trạng thái và tích phân sai lệch được thực hiện năm 2009.8 Mô hình nêm ngược ở phòng thí nghiệm NeitherLand Phân tích đánh giá : o Mục tiêu của dạng điều khiển hệ nêm là chuyển hệ thống từ chổ mất cân bằng sang cân bằng ổn định trong thời gian ngắn nhất. HVTH : TRẦN VĂN THÀNHLUẬN VĂN THẠC SĨ -XVII- o Những năm đầu nghiên cứu về hệ nêm ngược, các công trình có xu hướng sử dụng mô hình dạng 1. o Các dạng thiết bị chấp hành điều khiển vật giữ cân bằng cho hệ được linh hoạt lựa chọn.

Trong các công trình nghiên cứu, hầu hết sử dụng động cơ DC có chỗi than, chỉ một trong đó sử dụng van tuyến tính khí nén điều khiển vật nặng giữ cân bằng cho hệ. o Thuật toán điều khiển LQR là phương pháp tiếp cận thông dụng nhất đối với mô hình dạng này. Ngoài ra, các dạng bộ điều khiển khác như Fuzzy, GA, SMC và FSMC. Các công trình trong nước Mô hình hệ nêm ngược được đưa vào khảo sát lần đầu tại Việt Nam vào năm 2008, với đề tài “Thiết kế bộ điều khiển cho con nêm ngược” của học viên Nguyễn Văn Hậu (ĐH GTVT Tp HCM).

Năm 2009, học viên Võ Bá Thi (ĐHBK Tp HCM) thực hiện đề tài “Nghiên cứu giải thuật điều khiển hệ con nêm ngược” thực hiện khảo sát hệ con nêm với bộ điều khiển mờ và điều khiển mờ thích nghi trực tiếp. Tháng 8 năm 2011, nhóm nghiên cứu Trần Văn Thành, Phạm Xuân Vũ thực hiện nghiên cứu “Điều khiển mờ hệ nêm ngược” báo cáo tại Hội nghị @ Cần Thơ. Năm 2011, học viên Đặng Hữu Phúc (ĐH GTVT Tp HCM) thực hiện đề tài “Thiết kế bộ điều khiển hệ con nêm ngược” dùng giải thuật Fuzzy-SMC-PID điều khiển hệ nêm ngược. HVTH : TRẦN VĂN THÀNHLUẬN VĂN THẠC SĨ -XVIII- Hình 1.9 Mô hình hệ nêm của học viên Võ Bá Thi 1.

Những vấn đề còn tồn tại luận văn tập trung giải quyết Qua việc khảo sát đánh giá kết quả thực hiện nghiên cứu vấn đề nêm ngược trong và ngoài nước, nhận thấy rằng ở nước ngoài đã có một số bài báo đề cập đến việc xây dựng mô hình toán, tuyến tính hóa hệ thống quanh điểm cân bằng, xác định các giải thuật điều khiển trên mô hình này sử dụng các giải thuật LQR, Fuzzy, Adaptive-Fuzzy, GA- Fuzzy, SMC, Fuzzy-SMC, Fuzzy-SMC-PID,… 1. Những vấn đề còn tồn tại trong nước Tại Việt nam, mặc dù mô hình nêm ngược đã được đưa vào khảo sát năm 2008, 2009, 2011 với việc đưa ra các thuật toán mô phỏng trên các mô hình toán của các phòng thí nghiệm trên thế giới. Tuy nhiên chưa một mô hình nào được điều khiển chạy ổn định thực nghiệm. Điều này minh chứng cho sự khó khăn trong việc xây dựng mô hình cơ khí của hệ thống, xác định đúng các thông số của mô hình, xây dựng đúng mô hình toán của mô hình, việc tuyến tính hóa mô hình và việc tìm ra giải thuật điều khiển phù hợp với hệ thống trong điều kiện thiếu và không có sự kế thừa trong nghiên cứu như hiện nay.

HVTH : TRẦN VĂN THÀNHLUẬN VĂN THẠC SĨ -XIX- 1. Mục tiêu đề tài hướng đến giải quyết Bài toán nêm ngược là một bài toán khó chưa được giải quyết tại Việt Nam với điều kiện thiết bị tại Việt Nam. Đề tài nhắm đến việc nghiên cứu xây dựng mô hình nêm ngược dựa trên những thiết bị sẵn có tại Việt Nam, xây dựng mô hình toán phi tuyến của hệ nêm phục vụ cho việc khảo sát các thuật toán điều khiển phi tuyến, điều khiển thông minh. Đề tài cũng thực hiện tuyến tính hóa mô hình phi tuyến để tạo ra mô hình tuyến tính, phục vụ cho việc khảo sát các thuật toán điều khiển hiện đại, điều khiển kinh điển.

Ngoài ra, đề tài cũng sử dụng một số phương pháp điều khiển như LQR, Fuzzy điều khiển thực tế trên mô hình để minh chứng cho kết quả thực hiện. HVTH : TRẦN VĂN THÀNHLUẬN VĂN THẠC SĨ -XX- Chương 2 - NHỮNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ LÝ THUYẾT 2. Mô hình hệ nêm ngược 2. Sơ đồ khối hệ thống Hình 2.1 Hệ thống điều khiển nêm ngược HVTH : TRẦN VĂN THÀNHLUẬN VĂN THẠC SĨ -XXI- Máy tính được cài phần mềm MatLab, lắp đặt card PCI-1711, cài driver cho card.

Card PCI-1711 làm nhiệm vụ thu thập dữ liệu và xuất tín hiệu điều khiển các thiết bị thông qua mạch giao tiếp ADAM-3968. Dữ liệu độ lớn vị trí, góc lệch của hệ nêm được đưa vào card PCI-1711 thông qua ngõ vào analog của mạch giao tiếp ADAM-3968 với dãi áp từ 0÷5 VDC. Vận tốc và chiều của động cơ được xuất ra từ card PCI-1711 thông qua mạch giao tiếp ADAM-3968 với độ lớn vận tốc được xuất ra ngõ ra analog dưới dạng áp 0÷5 VDC và chiều được xác định qua một ngõ ra on/off. Dữ liệu analog được đưa vào card tự thiết kế analog →PWM làm nhiệm vụ chuyển đổi dữ liệu analog thành tín hiệu PWM.

Dữ liệu này được đưa qua mạch khuếch đại cầu H với tín hiệu chiều được lấy từ mạch giao tiếp ADAM-3968. Nguyên lý hoạt động cơ bản của hệ nêm ngược Hệ con nêm ngược được mô tả ở Hình 2.2 là một hệ không ổn định. Khi không có điều khiển, hệ sẽ đổ nghiêng về 2 bên. Điều khiển hệ nêm ngược là điều khiển vật nặng (4) trượt trên (5) để hệ nêm giữ cân bằng.2 Mô hình hệ con nêm ngược HVTH : TRẦN VĂN THÀNHLUẬN VĂN THẠC SĨ -XXII- (1) Ổ bi trục xoay, có gắn biến trở để xác định góc nghiêng của nêm.

(2) Mô hình cơ khí nêm. (4) Động cơ servo đóng vai trò vật nặng. (5) Điện trở dây quấn. (6) Giá đỡ giảm chấn.

Giả sử, tại thời điểm đầu, hệ nằm ổn định ở bên phải (Hình 2. Khi bắt đầu điều khiển, vật nặng (xe) được bộ điều khiển chạy về hướng theo chiều ngược lại. Tới một vị trí nào đó, khi tổng trọng lực của xe và lực quán tính của xe lớn hơn trọng lực nêm, góc lệch hệ thống sẽ bắt đầu chuyển động hướng về vị trí cân bằng. Vật nặng phải được điều khiển qua lại sao cho trọng lực hệ cân bằng với lực quán tính + trọng lực xe để hệ thống nằm ở vị trí cân bằng.

Mô hình nêm ngược Dựa trên nguyên lý hoạt động đã trình bày ở trên, đề tài tiến hành xây dựng và kiểm nghiệm độ ổn định của mô hình qua 3 version được mô tả như ở dưới đây. Phần này giới thiệu mô hình cơ khí đã thiết kế, các phương pháp đo các thông số đang sử dụng trong mô hình, mạch cảm biến đo góc, đo vị trí vật nặng trên nêm, board công suất dùng điều khiển động cơ, board giao tiếp ADAM3968 và các thông số kỹ thuật của mô hình. Cấu hình cơ khí HVTH : TRẦN VĂN THÀNHLUẬN VĂN THẠC SĨ -XXIII- Hình 2.3 Mô hình version 1 thi công hoàn tất Mô hình cơ khí version 1 được làm bằng nhôm 1 li, trong đó động cơ được đặt 1 bên, bên còn lại được gắn một khối sắt để cân bằng với động cơ. Mô hình sử dụng 2 encoder với độ phân giải 2500 xung/vòng quay để xác định góc và vị trí.

Hai mạch đếm xung 4X được thiết kế để đưa xung đếm về card PCI-1711 được dùng để thử nghiệm hệ thống. Nhược điểm:  Bộ làm bằng nhôm → khung yếu.  Cần bộ điều khiển có 2 ngõ vào bộ đếm xung 4x.  Không đặt được giá trị góc ban đầu.4 Mô hình version 2 thi công hoàn tất HVTH : TRẦN VĂN THÀNHLUẬN VĂN THẠC SĨ -XXIV- Mô hình cơ khí version 2 được làm bằng mica 5 li, sử dụng thanh trượt kết hợp với việc dùng điện trở dây quấn để đo vị trí và điện trở than để đo góc.

Nhược điểm:  Việc tiếp xúc giữa điện trở dây quấn và chổi than không tốt → không đưa được tín hiệu vị trí tốt về cho hệ thống.  Mô hình bằng mica, không chịu được va chạm mạnh khi hệ thống không ổn định → dễ vỡ. Mô hình cơ khí version 3 được làm bằng inoc 1li đã tận dụng được các ưu điểm của hai version đầu.