Chương 1 Chương 5: Thiết kế bộ điều khiển cho hệ bóng và thanh Chương này giới thiệu cách thiết kế bộ điều khiển PID thích nghi dựa trên mạng nơ-ron mờ hồi quy theo kiểu nối tiếp. Bằng cách sử dụng mô hình toán ở chương 4 để thực hiện mô phỏng lấy kết quả, để trên cơ sở này đưa vào mô hình thực. Chương 6: Kết quả thực hiện và hướng phát triển Chương này tổng kết những việc đã thực hiện được, những việc chưa làm được và hướng phát triển ở tương lai. LUẬN VĂN CAO HỌC - 11 - Chương 2 Chương 2 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG VÀ PHẦM MỀM GIAO TIẾP 2.1 Dẫn nhập Mô hình bóng và thanh còn được gọi là "cân bằng bóng trên thanh”.
Nó có thể được tìm thấy trong phòng thí nghiệm điều khiển hầu hết các trường đại học. Nó thường liên quan đến vấn đề điều khiển thực tế như ổn định theo chiều ngang một chiếc máy bay trong khi hạ cánh và trong luồng không khí hỗn loạn. Có hai bậc tự do trong hệ thống này, một là bóng lăn qua lại trên thanh, hai là thanh quay qua trục trung tâm của nó. Mục đích của hệ thống là điều khiển vị trí của quả bóng đến một điểm đặt trước và loại bỏ các loại nhiễu.
Các tín hiệu điều khiển được đưa ra bằng cách hồi tiếp trở lại thông tin vị trí của quả bóng. Các tín hiệu điện áp điều khiển động cơ DC thông qua một bộ khuếch đại PWM sau đó là mô-men xoắn được tạo ra từ động cơ điều khiển thanh quay đến góc mong muốn. Như vậy, quả bóng có thể được đặt ở vị trí mong muốn.2 Một số mô hình đã thực hiện Hệ thống bóng và thanh đã được xây dựng trước đây bởi nhiều tổ chức. Sau đây, một nghiên cứu tài liệu ngắn gọn được trình bày: Arroyo (2005) xây dựng hệ thống mang tên “Ball on Balancing Beam”, thấy ở hình 1.
Hệ thống sử dụng bộ cảm biến bằng dây điện trở để đo vị trí của quả bóng. Cảm biến vị trí điện trở đóng vai trò như một đầu dò mà kết quả là điện thế ở vị trí của quả bóng. Các tín hiệu từ bộ cảm biến đã được xử lý trong một DSP. Một động cơ DC với hộp số đã được sử dụng.
Hệ thống này được điều khiển bởi bộ điều khiển PD. LUẬN VĂN CAO HỌC - 12 - Chương 2 Hình 2.1 Mô hình Ball on balancing beam xây dựng bởi Berkeley Laboratory (Arroyo 2005) Khoa Điện tử, đại học Lakehead xây dựng một hệ thống có tên “Ball and Beam Balancer” (Ambalavanar, Moinuddin & Malyshev năm 2006), thể hiện trong hình 2. Hệ thống sử dụng một động cơ DC với hộp số tích hợp, một dây điện trở cảm biến vị trí, và encoder số. Hệ thống này được điều khiển bởi bộ điều khiển LQR.2 Mô hình Ball and Beam Balancer xây dựng bởi đại học Lakehead (Ambalavanar, Moinuddin & Malyshev 2006) Quanser (2006) là sản phẩm thương mại với tên “ball and beam module”, được đưa ra trong hình 1.
“Ball and beam” bao gồm cảm biến vị trí bằng dây điện trở và LUẬN VĂN CAO HỌC - 13 - Chương 2 một động cơ DC servo với hộp giảm tốc. Hệ thống này có thể được điều khiển bởi một bộ điều khiển PID hoặc một bộ điều khiển không gian trạng thái.3 Mô hình Ball and Beam xây dựng bởi ‘Quanser’ (Quanser 2006) 2.3 Thiết kế phần cơ khí 2.1 Cấu hình Để xây dựng hệ thống bóng và thanh, cần xem xét những thành phần được đưa vào mô hình. Giống như nhiều mô hình điều khiển điển hình khác, bộ phận truyền động, một số cảm biến, các bộ phận cơ khí, một máy tính và board điều khiển là những thành phần thiết yếu. Có nhiều lựa chọn cho cấu hình của mô hình.
Tuy nhiên, cần phân tích tất cả các cấu hình để có thể chọn một cấu hình hợp lí. Có hai cách cấu hình đối với thanh. Một dạng được thể hiện trong hình 2.4, thanh được đặt ở giữa, và quay so với trục trung tâm của nó. Phần lớn các mô hình bóng và thanh sử dụng loại cấu hình này.
Ưu điểm của cấu hình này là nó rất dễ dàng để xây dựng và các phương trình toán học tương đối đơn giản. Các cấu hình khác được thể hiện trong hình 2.2, thanh được đặt trên 2 cánh tay. Một tay đóng vai trò như chốt bản lề đối với thanh và cánh tay kia gắn với ngã ra của hộp số đầu ra. Những bất lợi của cấu hình là cần các bộ phận cơ khí phức tạp, cũng như có thể thêm một số khó khăn phát sinh ở mô hình toán học.
LUẬN VĂN CAO HỌC - 14 - Chương 2 Hình 2.4 Thanh được đặt ở giữa Hình 2.5 Thanh được đặt trên hai cánh tay Theo cách thanh được đặt ở giữa trục như hình 2. Dạng đầu tiên, thể hiện trong hình 2.6, thanh đặt giữa trục motor. Ưu điểm của hệ thống này là thanh không chịu một lực quán tính. Dạng thứ hai, được thể hiện trong hình 2.7, thanh được đặt ở đầu mút trục.
Cấu hình này được dùng trong đề tài này bởi nó có thiết kế cơ khí đơn giản. LUẬN VĂN CAO HỌC - 15 - Chương 2 Hình 2.6 Thanh được đặt ở giữa trục Hình 2.7 Thanh được đặt ở đầu trục motor 2.2 Cơ cấu truyền dẫn Chức năng của cơ cấu truyền dẫn là truyền lực hoặc moment xoắn từ DC servo motor đến thanh. Trong đề tài này, cơ cấu truyền được sử dụng để giảm tốc độ quay của motor. Thông thường một hộp giảm tốc, dây đai và xích được sử dụng trong loại đề tài này.1 Hộp giảm tốc Một hộp giảm tốc là một loại nhỏ gọn làm bằng bánh răng và vỏ bên ngoài.
Bánh răng là một cách đơn giản để làm giảm tốc độ quay từ động cơ đến thanh. Ưu điểm của hộp số là nó có độ cứng xoắn tốt và đưa ra mô-men xoắn lớn. Việc sử dụng các kết quả hộp số có lợi thế hơn trong việc điều khiển cả về băng thông và tần số. Bất lợi của hộp số khi thực hiện với một vòng điều khiển kín là dao động có thể xảy ra bởi độ rơ.
Trong đề tài này, một hộp giảm tốc rời được kết nối với một động cơ DC servo qua một khớp lò xo.2 Đai truyền LUẬN VĂN CAO HỌC - 16 - Chương 2 Các đai truyền có nhiều ứng dụng trong công nghệ. Chẳng hạn động cơ xe sử dụng đai truyền để truyền momen xoắn từ trục khủy đến hộp số. Nguyên tắc của đai truyền dẫn là sử dụng ma sát giữa các vành đai và ròng rọc để truyền chuyển động từ một cơ cấu này đến một cơ cấu khác. Đai truyền thích hợp với mô hình bóng và thanh bởi những ưu điểm sau : - Có thể truyền một momen xoắn lớn với chi phí thấp - Không xảy ra độ rơ nếu nó được cố định tốt - Bảo vệ quá tải (đai sẽ trượt trên puli khi xảy ra quá tải) Những khó khăn của đai truyền là nó có độ bền vững thấp hơn hộp số và không thể làm việc mà không puli.
Những bất lợi này mang làm việc chế tạo mô hình gặp khó khăn.3 Truyền dẫn trực tiếp Motor và thanh được kết nối trực tiếp. Khi ấy hệ thống có độ chịu xoắn cao và dễ dàng để xây dựng. Như vậy động cơ phải tạo ra mômen xoắn lớn hơn nhiều để đưa ra cùng một tốc độ phản ứng động như các phương pháp truyền dẫn khác. Do đó chi phí cho mô hình sẽ cao hơn.4 Lựa chọn vật liệu Lựa chọn vật liệu thích hợp cho một ứng dụng cụ thể là một yếu tố thiết yếu của tất cả các đề tài kỹ thuật.
Đề tài này tận dụng các vật liệu có sẵn trên thị trường cũng như thực hiện một số cải tiến cho phù hợp yêu cầu đặt ra, đảm bảo chi phí thấp nhất. Các bộ phận chính của hệ thống là đế, thanh, khớp nối, bóng và các cảm biến. Động cơ không được thảo luận ở đây vì nó bán sẵn trên thị trường. Ở đây đế được làm bằng thép đảm bảo hệ thống không bị run, lắc khi hoạt động và có thể đặt độc lập mà không phải chịu lực vào mặt bàn hay vật nào khác.
Thanh được chế từ nhôm làm bằng nhôm chữ U nhẹ, được bắt với một khớp để nối với trục motor. Trục motor nối với hộp số sử dụng một khớp lò xo. Một quả bóng tròn bằng nhựa với bề mặt nhẵn được sử dụng cho mô hình. LUẬN VĂN CAO HỌC - 17 - Chương 2 2.5 Hệ thống bóng và thanh xây dựng trong đề tài Những hình ảnh của hệ thống bóng và thanh xây dựng trong đề tài này được thể hiện ở hình 2.
Thông tin chi tiết về mỗi thành phần được trình bày dưới đây.8 Mô hình cơ khí cho hệ bóng và thanh LUẬN VĂN CAO HỌC - 18 - Chương 2 Hình 2.9 Mô hình cơ khí cho hệ bóng và thanh (tt) LUẬN VĂN CAO HỌC - 19 - Chương 2 Hình 2.10 Phần mạch điện tử 2.1 Phần đế và bệ đỡ Phần đế được làm bằng thép tương đối nặng để đảm bảo hệ thống có thể hoạt động độc lập mà không bị rung lắc, gây sai lệch trong qua trình điều khiển. Bệ đỡ cũng bằng thép dùng để cố định hộp số và motor đảm bảo đồng trục giữa trục motor và trục vào của hộp số. Bệ được cố định trên đế bằng ốc vặn.2 Thanh và đầu nối trục Thanh làm bằng nhôm thể hiện ở hình 2.8, chiều dài 75cm, rộng 4cm, dày 0. Đầu nối được làm bằng thép được bắt vít cố định với thanh, được dùng để nối thanh với trục của hộp số.3 Bóng LUẬN VĂN CAO HỌC - 20 - Chương 2 Bóng sử dụng được làm bằng nhựa, mặt nhẵn để phản xạ ánh sáng, đường kính 20mm.4 Hộp số Một hộp giảm tốc Panasonic giảm tốc 100 lần được kết nối với trục motor qua một khớp lò xo.5 Khớp lò xo Khớp lò xo được sử dụng để nối 2 trục nhằm mục tiêu hạn chế sự lệch tâm gây ra giữa 2 trục nhờ tác dụng đàn hồi.6 Cơ cấu truyền động Cơ cấu này sử dụng động cơ servo R301-041L8 của Sanyo denki với encoder 1000 xung/vòng.
Thông số kỹ thuật của motor được trình bày ở phụ lục C.2 Phần điện tử 2.1 Cảm biến hồng ngoại Cảm biến sử dụng là cảm biến hồng ngoại GP2D12. Đây là cảm biến đo khoảng cách với bộ xử lý tín hiệu tích hợp và ngã ra điện áp tương tự.