Nghiên Cứu Mô Hình Bàn Bi Cân Bằng Tại HCMUTE

Chuyên khảo phân tích Hcmute nghiên cứu mô hình bàn bi cân bằng, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.

• Tác giả: Đào Minh Nhật
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Minh Tâm
• 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 Mô Hình Bàn Bi Cân Bằng
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 0.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài
• 0.2. Lý do chọn đề tài
• 0.3. Mục tiêu đề tài
• 0.4. Đối tượng nghiên cứu
• 0.5. Phạm vi nghiên cứu
• 0.6. Phương pháp nghiên cứu
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu đề tài
• 1.2. Nội dung nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Yêu cầu hệ thống
• 2.2. Bộ điều khiển PID cho hệ thống
• 2.3. Phương pháp điều chỉnh thông số PID
• 2.4. Tổng quan về Ardunio nano
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG
• 4. CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 6.1. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Mô hình bàn bi cân bằng Tổng quan và lý do chọn đề tài

Đề tài nghiên cứu mô hình bàn bi cân bằng tại HCMUTE tập trung vào việc thiết kế và chế tạo một mô hình thực tế, ứng dụng thuật toán điều khiển để cân bằng viên bi trên một mặt phẳng. Lựa chọn này dựa trên tính ứng dụng rộng rãi của hệ thống cân bằng trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật và khả năng ứng dụng trong giáo dục, nghiên cứu khoa học, và đào tạo sinh viên. Hệ thống này, được xem như một hệ thống SIMO (Single-Input Multiple-Output) điển hình, cung cấp nền tảng lý tưởng để nghiên cứu các thuật toán điều khiển, bao gồm thuật toán điều khiển PID, điều khiển tự động, và các phương pháp điều khiển khác. Mô hình bàn bi cân bằng cũng là một hệ thống tương đối đơn giản về mặt cơ khí, dễ dàng chế tạo và phù hợp cho việc thử nghiệm các giải thuật điều khiển trong môi trường phòng thí nghiệm. Nhiều nghiên cứu trong và ngoài nước đã được thực hiện về cân bằng robot, điều khiển robot, và các hệ thống tương tự, tạo nền tảng lý thuyết vững chắc cho đề tài này. Nghiên cứu mô hình này góp phần vào việc phát triển kiến thức và kỹ năng cho sinh viên HCMUTE trong lĩnh vực kỹ thuật điều khiển và tự động hóa.

1.1 Tổng quan về các nghiên cứu liên quan

Các tài liệu tham khảo đề cập đến nhiều phương pháp điều khiển khác nhau, bao gồm điều khiển PID, điều khiển LQR, điều khiển SMC, và điều khiển Fuzzy. Các nghiên cứu này tập trung vào việc mô hình hóa động lực học của hệ thống, thiết kế bộ điều khiển, và kiểm tra hiệu quả của các giải thuật. Một số nghiên cứu sử dụng các hệ thống tương tự như hệ con lắc ngược, hệ xe con lắc ngược, và hệ bóng thanh, cung cấp so sánh và đánh giá hiệu quả của mô hình bàn bi cân bằng. Nghiên cứu khoa học về các hệ thống cân bằng này có tầm quan trọng trong việc phát triển các ứng dụng thực tế trong các lĩnh vực như robot, quốc phòng, và giáo dục. Việc phân tích các nghiên cứu này giúp định hướng phương pháp tiếp cận và lựa chọn giải thuật phù hợp cho mô hình bàn bi cân bằng trong đề tài. Các bài báo như “Điều khiển hệ con lắc ngược – xe sử dụng đại số gia tử”, “KHIỂN BÁM QUỸ ĐẠO CHO HỆ BALL & PLATE DỰA TRÊN SMC KẾT HỢP PI”, và “Implemetation of a Ball and Plate Control System using Sliding Mode Control” đều cung cấp những thông tin hữu ích về thiết kế mô hình, điều khiển robot, và kỹ thuật điều khiển điện tử. Tất cả đều đóng góp vào việc hoàn thiện nghiên cứu mô hình bàn bi cân bằng.

1.2 Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu

Mục tiêu chính của đề tài là thiết kế và chế tạo mô hình bàn bi cân bằng hoạt động ổn định, chính xác, và đáp ứng nhanh. Mô hình sử dụng bộ điều khiển PID để cân bằng viên bi tại vị trí mong muốn. Phạm vi nghiên cứu bao gồm việc nghiên cứu nguyên lý hoạt động và động lực học của hệ thống, thiết kế phần cứng và phần mềm, lập trình điều khiển robot bằng Arduino, và kiểm tra hiệu quả của hệ thống. Đề tài tập trung vào việc ứng dụng thuật toán điều khiển PID, điều khiển tự động và điều khiển tự động để tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống. Các chỉ tiêu đánh giá bao gồm tốc độ đáp ứng, độ chính xác, và độ ổn định của hệ thống. Nghiên cứu mô hình này cũng bao gồm việc phân tích và đánh giá kết quả thực nghiệm so với mô phỏng, giúp xác định hiệu quả của thuật toán điều khiển được áp dụng và khả năng ứng dụng thực tiễn của mô hình. Ứng dụng thực tiễn của đề tài này trong lĩnh vực giáo dục và đào tạo tại HCMUTE cũng được xem xét.

II. Thiết kế và thi công hệ thống

Phần này tập trung vào khía cạnh thực tiễn của đề tài. Nó bao gồm việc thiết kế phần cứng và phần mềm cho mô hình bàn bi cân bằng. Việc lựa chọn các linh kiện như vi điều khiển Arduino Nano, bảng cảm ứng điện trở, và servo motor được trình bày chi tiết. Quá trình thiết kế giá đỡ, cánh tay điều khiển, và đế gắn mạch điều khiển được mô tả. Các bản vẽ kỹ thuật và sơ đồ mạch điện minh họa cho quá trình thiết kế. Phần thi công hệ thống bao gồm các bước lắp ráp, hiệu chỉnh, và tinh chỉnh hệ thống để đạt được hiệu quả tối ưu. Quá trình này liên quan đến việc hiệu chỉnh các thông số của bộ điều khiển PID để đạt được độ ổn định và chính xác mong muốn. Kết quả đạt được được trình bày dưới dạng hình ảnh và biểu đồ, thể hiện khả năng cân bằng và độ chính xác của mô hình. Việc sử dụng kỹ thuật điện tử, kỹ thuật điều khiển, và kỹ thuật cơ khí được kết hợp để tạo ra một mô hình bàn bi cân bằng hoàn chỉnh và hoạt động hiệu quả. Xây dựng mô hình này đòi hỏi sự kết hợp hài hòa giữa lý thuyết và thực tiễn, thể hiện rõ trong quá trình thiết kế và thi công.

2.1 Thiết kế phần cứng

Thiết kế phần cứng của mô hình bàn bi cân bằng bao gồm việc lựa chọn và bố trí các linh kiện phù hợp. Vi điều khiển Arduino Nano đóng vai trò trung tâm trong hệ thống điều khiển. Bảng cảm ứng điện trở được sử dụng để xác định vị trí của viên bi. Servo motor được sử dụng để điều khiển chuyển động của bàn. Các thành phần khác như giá đỡ, cánh tay điều khiển, và đế gắn mạch điều khiển được thiết kế để đảm bảo độ ổn định và chính xác của hệ thống. Việc thiết kế chú trọng đến tính thẩm mỹ và sự gọn gàng của hệ thống. Các bản vẽ kỹ thuật được sử dụng để minh họa chi tiết cấu trúc của mô hình. Quá trình lựa chọn linh kiện dựa trên các tiêu chí về hiệu suất, độ tin cậy, và chi phí. Kỹ thuật thiết kế điện tử và kỹ thuật cơ khí được kết hợp để tạo ra một cấu trúc vững chắc và hoạt động hiệu quả. Quá trình thiết kế được thực hiện dựa trên các nguyên tắc kỹ thuật và kinh nghiệm thực tiễn. Mục tiêu của phần thiết kế là tạo ra một mô hình dễ dàng lắp ráp, bảo trì, và sử dụng. Thiết kế mô hình này đảm bảo sự kết hợp hài hòa giữa chức năng và thẩm mỹ.

2.2 Thi công và hiệu chỉnh hệ thống

Sau khi thiết kế hoàn tất, quá trình thi công bao gồm việc lắp ráp các linh kiện và kết nối các mạch điện. Việc lập trình vi điều khiển Arduino Nano được thực hiện để điều khiển hệ thống dựa trên thuật toán điều khiển PID. Quá trình hiệu chỉnh các thông số của bộ điều khiển PID là rất quan trọng để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và chính xác. Việc này đòi hỏi sự cẩn thận và kiên trì trong việc tinh chỉnh các thông số Kp, Ki, và Kd. Kết quả thực nghiệm được ghi lại và phân tích để đánh giá hiệu quả của hệ thống. Các dữ liệu thu được được biểu diễn dưới dạng biểu đồ để minh họa quá trình cân bằng và độ chính xác của mô hình. Quá trình thi công và hiệu chỉnh đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về kỹ thuật điện tử, kỹ thuật điều khiển, và thuật toán điều khiển PID. Xây dựng mô hình này đòi hỏi sự tỉ mỉ và kinh nghiệm thực tiễn. Việc hiệu chỉnh hệ thống giúp tối ưu hóa hiệu suất của mô hình bàn bi cân bằng.

III. Kết quả và ứng dụng

Phần này trình bày kết quả nghiên cứu, bao gồm việc đánh giá hiệu quả của mô hình bàn bi cân bằng. Kết quả được thể hiện qua các chỉ số như thời gian đáp ứng, độ chính xác, và độ ổn định của hệ thống. Các biểu đồ và hình ảnh minh họa cho hiệu quả của thuật toán điều khiển PID. Phân tích mô hình này cho thấy sự thành công trong việc thiết kế và chế tạo một hệ thống cân bằng ổn định. Ứng dụng thực tiễn của mô hình này trong lĩnh vực giáo dục tại HCMUTE rất đáng kể. Nó cung cấp một công cụ hữu ích cho sinh viên để nghiên cứu và thực hành các kỹ thuật điều khiển tự động. Mô hình này cũng có thể được sử dụng như một nền tảng cho các nghiên cứu nâng cao hơn trong lĩnh vực robot và điều khiển tự động. Nghiên cứu mô hình này đóng góp vào việc nâng cao chất lượng đào tạo tại trường đại học công nghệ TP.HCM.

3.1 Phân tích kết quả thực nghiệm

Kết quả thực nghiệm cho thấy mô hình bàn bi cân bằng đạt được độ ổn định và chính xác cao. Thời gian đáp ứng của hệ thống nằm trong giới hạn cho phép. Độ chính xác của hệ thống được đánh giá thông qua sai số giữa vị trí thực tế và vị trí mong muốn của viên bi. Các biểu đồ thể hiện sự ổn định của hệ thống dưới tác động của các nhiễu. Phân tích mô hình này dựa trên các chỉ tiêu kỹ thuật và các tiêu chuẩn đánh giá hiệu quả của hệ thống điều khiển. Kết quả nghiên cứu cho thấy thuật toán điều khiển PID được áp dụng hiệu quả. Mô phỏng mô hình và kết quả thực nghiệm cho thấy sự phù hợp giữa lý thuyết và thực tiễn. Việc phân tích mô hình này đóng góp vào việc hiểu rõ hơn về hiệu quả của các thuật toán điều khiển trong hệ thống cân bằng.

3.2 Ứng dụng và đóng góp

Mô hình bàn bi cân bằng này có nhiều ứng dụng trong lĩnh vực giáo dục và đào tạo. Nó cung cấp một nền tảng thực hành hữu ích cho sinh viên ngành kỹ thuật điều khiển và tự động hóa tại HCMUTE. Sinh viên HCMUTE có thể sử dụng mô hình này để nghiên cứu và thực hành các kỹ thuật điều khiển, thuật toán điều khiển, và kỹ thuật điện tử. Mô hình này cũng có thể được sử dụng làm nền tảng cho các nghiên cứu nâng cao hơn về robot, điều khiển robot, và các hệ thống cân bằng phức tạp hơn. Đóng góp của đề tài là việc phát triển một mô hình dễ dàng chế tạo, sử dụng, và bảo trì. Mô hình này có thể được nhân rộng và sử dụng trong các phòng thí nghiệm khác. Nghiên cứu mô hình này góp phần vào việc nâng cao chất lượng đào tạo và nghiên cứu khoa học tại HCMUTE.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống bàn bi cân bằng là một mô hình nghiên cứu quan trọng trong lĩnh vực điều khiển tự động, được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật và giáo dục. Theo ước tính, các hệ thống cân bằng như con lắc ngược, xe hai bánh tự cân bằng, và bàn bi cân bằng đều là những bài toán kinh điển trong lý thuyết điều khiển với mức độ phức tạp ngày càng tăng. Đề tài nghiên cứu mô hình bàn bi cân bằng nhằm thiết kế và chế tạo một mô hình thực tế có khả năng duy trì viên bi ở vị trí cân bằng trên mặt phẳng, sử dụng bộ điều khiển PID để đảm bảo độ ổn định và chính xác.

Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu là xây dựng mô hình bàn bi cân bằng trên mặt phẳng, nghiên cứu và áp dụng giải thuật điều khiển PID để điều khiển hệ thống, đồng thời kiểm tra sai số giữa mô phỏng và thực tế. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào nguyên lý hoạt động, động lực học của hệ bàn bi cân bằng, chế tạo mô hình thực tế và điều khiển bằng bộ PID trong khoảng thời gian thực hiện đề tài là năm 2021 tại thành phố Hồ Chí Minh.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc tạo ra một công cụ thực nghiệm phục vụ đào tạo và nghiên cứu trong lĩnh vực điều khiển tự động, góp phần nâng cao kiến thức và kỹ năng cho sinh viên ngành Công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa. Ngoài ra, mô hình còn có tiềm năng ứng dụng trong các lĩnh vực robot, quốc phòng và các hệ thống cân bằng phức tạp khác.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết điều khiển PID và mô hình động lực học của hệ bàn bi cân bằng. Bộ điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) là cơ chế phản hồi vòng kín phổ biến trong công nghiệp, với ba thành phần điều chỉnh gồm tỉ lệ (P), tích phân (I) và đạo hàm (D). Các thông số Kp, Ki, Kd được điều chỉnh để tối ưu hóa đáp ứng hệ thống, giảm sai số và tăng độ ổn định.

Mô hình bàn bi cân bằng là hệ SIMO (Single Input Multiple Output) với 4 bậc tự do, bao gồm một viên bi trên mặt phẳng có thể nghiêng theo hai trục X và Y. Viên bi chịu tác động của trọng lực và lực từ các động cơ servo điều khiển góc nghiêng mặt phẳng. Hệ thống sử dụng tấm cảm ứng điện trở 4-wire touch panel 7 inch để đo vị trí viên bi, cung cấp tín hiệu phản hồi cho bộ điều khiển PID.

Ba khái niệm chính trong nghiên cứu gồm:

• Bộ điều khiển PID: điều chỉnh sai số vị trí viên bi dựa trên các thành phần P, I, D.
• Động cơ servo SG90: cung cấp lực quay điều khiển góc nghiêng mặt phẳng với độ chính xác cao.
• Arduino Nano: vi điều khiển nhỏ gọn, lập trình bằng Arduino IDE, dùng để xử lý tín hiệu và điều khiển động cơ servo.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các phép đo vị trí viên bi trên tấm cảm ứng điện trở và tín hiệu điều khiển động cơ servo trong quá trình vận hành mô hình thực tế. Cỡ mẫu nghiên cứu là một mô hình bàn bi cân bằng được chế tạo hoàn chỉnh, sử dụng Arduino Nano làm bộ xử lý trung tâm.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Xây dựng và tinh chỉnh giải thuật điều khiển PID trên phần mềm Arduino IDE.
• Thiết kế và lắp ráp mô hình cơ khí với các linh kiện như tấm cảm ứng điện trở, động cơ servo, đế gắn mạch điều khiển.
• Thu thập dữ liệu vị trí viên bi và tín hiệu điều khiển trong quá trình vận hành để đánh giá hiệu quả bộ điều khiển.
• So sánh sai số thực tế với giá trị setpoint và phân tích đáp ứng hệ thống qua đồ thị ngõ ra.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2021, bao gồm các giai đoạn: tìm hiểu lý thuyết, thiết kế mô hình, thi công lắp ráp, lập trình và kiểm thử, đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Mô hình bàn bi cân bằng hoạt động ổn định: Mô hình sau khi hoàn thiện có kết cấu chắc chắn, dây điện bố trí gọn gàng, đảm bảo tính thẩm mỹ và độ bền. Bộ điều khiển PID với các tham số Kp=0.25, Ki=0.08 đã được tinh chỉnh thủ công, cho phép viên bi duy trì vị trí cân bằng với sai số cho phép ±2 mm.

2. Sai số ngõ ra nhỏ và đáp ứng nhanh: Giá trị ngõ ra theo trục X dao động quanh 51.02 với sai số khoảng 3.04%, trục Y dao động quanh 40.17 với sai số khoảng 1%. Đồ thị ngõ ra cho thấy tín hiệu ổn định, không có hiện tượng vọt lố quá cao, đáp ứng yêu cầu về tốc độ và độ chính xác.

3. Khả năng tự điều chỉnh khi viên bi bị lệch: Khi tác động lực làm viên bi rời khỏi vị trí cân bằng, bộ điều khiển PID nhanh chóng điều chỉnh góc quay động cơ servo để đưa viên bi trở lại vị trí setpoint, thể hiện qua các đồ thị trạng thái hoạt động.

4. Ảnh hưởng của kết cấu cơ khí đến độ ổn định: Kết cấu cơ khí chưa hoàn toàn chính xác, gây ảnh hưởng nhẹ đến sự ổn định của hệ thống, tuy nhiên không làm giảm hiệu quả điều khiển tổng thể.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp mô hình hoạt động ổn định là việc lựa chọn và tinh chỉnh tham số PID phù hợp với đặc tính của hệ bàn bi cân bằng. So với các nghiên cứu trước đây sử dụng các thuật toán điều khiển như LQR, Backstepping hay Sliding Mode Control, bộ điều khiển PID trong đề tài này cho thấy hiệu quả tốt trong việc duy trì vị trí viên bi với sai số nhỏ và đáp ứng nhanh.

Việc sử dụng tấm cảm ứng điện trở 4-wire touch panel 7 inch làm cảm biến vị trí viên bi giúp thu thập dữ liệu chính xác, hỗ trợ tốt cho bộ điều khiển PID. Arduino Nano với khả năng xử lý nhanh và kích thước nhỏ gọn là lựa chọn phù hợp cho mô hình thí nghiệm.

Dữ liệu thu thập được có thể được trình bày qua biểu đồ ngõ ra và đồ thị vị trí viên bi theo thời gian, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả điều khiển và khả năng tự điều chỉnh của hệ thống. So với các hệ thống cân bằng phức tạp hơn, mô hình bàn bi cân bằng này có ưu điểm về tính đơn giản, dễ chế tạo và ứng dụng trong đào tạo.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa kết cấu cơ khí: Cần điều chỉnh và hoàn thiện kết cấu cơ khí để tăng độ chính xác và ổn định cho mô hình, giảm thiểu các sai số cơ học ảnh hưởng đến hiệu quả điều khiển. Thời gian thực hiện dự kiến trong 6 tháng, do nhóm kỹ thuật cơ khí đảm nhận.

2. Ứng dụng công nghệ xử lý ảnh: Thay thế tấm cảm ứng điện trở bằng hệ thống camera xử lý ảnh để xác định vị trí viên bi chính xác hơn, mở rộng khả năng nghiên cứu các thuật toán điều khiển phức tạp. Thời gian nghiên cứu và triển khai khoảng 1 năm, phối hợp với nhóm chuyên gia xử lý ảnh.

3. Nghiên cứu và áp dụng thuật toán điều khiển nâng cao: Thử nghiệm các giải thuật điều khiển tối ưu hơn như Sliding Mode, Backstepping hoặc Fuzzy Logic nhằm nâng cao độ chính xác và khả năng thích ứng của hệ thống. Thời gian thực hiện 9-12 tháng, do nhóm điều khiển tự động thực hiện.

4. Phát triển mô hình phục vụ đào tạo và nghiên cứu: Mở rộng ứng dụng mô hình bàn bi cân bằng trong các phòng thí nghiệm đào tạo, hỗ trợ sinh viên thực hành và nghiên cứu các giải thuật điều khiển khác nhau. Chủ thể thực hiện là các cơ sở giáo dục kỹ thuật, với kế hoạch triển khai trong 1-2 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Sinh viên và giảng viên ngành Công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa: Luận văn cung cấp kiến thức thực tiễn về thiết kế mô hình và áp dụng bộ điều khiển PID, hỗ trợ học tập và nghiên cứu chuyên sâu.

2. Nhà nghiên cứu và kỹ sư trong lĩnh vực điều khiển tự động: Tài liệu hữu ích cho việc phát triển các hệ thống cân bằng tương tự, tham khảo phương pháp thiết kế và tinh chỉnh bộ điều khiển PID.

3. Các phòng thí nghiệm kỹ thuật và trung tâm đào tạo: Mô hình bàn bi cân bằng là công cụ thực nghiệm hiệu quả để giảng dạy và thử nghiệm các thuật toán điều khiển, nâng cao chất lượng đào tạo.

4. Doanh nghiệp phát triển thiết bị tự động hóa và robot: Tham khảo để phát triển các sản phẩm cân bằng tự động, robot cân bằng hoặc các hệ thống điều khiển tương tự trong công nghiệp và quốc phòng.

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ điều khiển PID là gì và tại sao được sử dụng trong mô hình bàn bi cân bằng?
   Bộ điều khiển PID là cơ chế phản hồi vòng kín gồm ba thành phần tỉ lệ, tích phân và đạo hàm, giúp giảm sai số và tăng độ ổn định hệ thống. Trong mô hình bàn bi cân bằng, PID được sử dụng vì tính đơn giản, hiệu quả và dễ điều chỉnh phù hợp với đặc tính hệ thống.

2. Làm thế nào để xác định vị trí viên bi trên mặt phẳng?
   Vị trí viên bi được xác định bằng tấm cảm ứng điện trở 4-wire touch panel 7 inch, cung cấp tín hiệu điện áp tương ứng với vị trí tác động lực của viên bi trên mặt phẳng, sau đó chuyển đổi thành dữ liệu số cho vi điều khiển xử lý.

3. Arduino Nano có vai trò gì trong hệ thống?
   Arduino Nano là vi điều khiển trung tâm, nhận tín hiệu vị trí viên bi, xử lý thuật toán PID và điều khiển động cơ servo để điều chỉnh góc nghiêng mặt phẳng, đảm bảo viên bi duy trì vị trí cân bằng.

4. Sai số trong hệ thống được kiểm soát như thế nào?
   Sai số được kiểm soát thông qua việc tinh chỉnh các tham số Kp, Ki, Kd của bộ điều khiển PID, đảm bảo sai số vị trí viên bi nằm trong phạm vi ±2 mm, đồng thời theo dõi qua đồ thị ngõ ra để điều chỉnh kịp thời.

5. Có thể áp dụng các thuật toán điều khiển khác cho mô hình này không?
   Có thể. Mô hình bàn bi cân bằng là nền tảng để thử nghiệm nhiều thuật toán điều khiển khác như Sliding Mode, Backstepping, Fuzzy Logic nhằm nâng cao hiệu quả và độ chính xác, phù hợp với các nghiên cứu tiếp theo.

Kết luận

• Đã thiết kế và chế tạo thành công mô hình bàn bi cân bằng trên mặt phẳng sử dụng bộ điều khiển PID, hoạt động ổn định với sai số nhỏ trong phạm vi ±2 mm.
• Bộ điều khiển PID với tham số Kp=0.25, Ki=0.08 cho đáp ứng nhanh, ổn định, không có hiện tượng vọt lố quá cao.
• Kết cấu cơ khí hiện tại cần được tối ưu để nâng cao độ chính xác và ổn định của hệ thống.
• Hướng phát triển bao gồm ứng dụng công nghệ xử lý ảnh, nghiên cứu thuật toán điều khiển nâng cao và mở rộng ứng dụng trong đào tạo.
• Luận văn cung cấp nền tảng vững chắc cho nghiên cứu và ứng dụng trong lĩnh vực điều khiển tự động, đặc biệt trong giáo dục và phát triển công nghệ robot cân bằng.

Để tiếp tục phát triển, đề xuất các nhóm nghiên cứu và cơ sở đào tạo áp dụng mô hình này trong thực nghiệm, đồng thời nghiên cứu các giải thuật điều khiển mới nhằm nâng cao hiệu quả và mở rộng ứng dụng thực tiễn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan 1. Nội dung nghiên cứu Phần còn lại của đề tài “Thiết kế - chế tạo mô hình bàn bi cân bằng” gồm có những nội dung như sau: -Chương 2. Cơ sở lý thuyết Chương này trình bày yêu cầu thiết kế của hệ thống và giới thiệu bộ điều khiển PID -Chương 3. Thiết kế hệ thống Nội dung chương 3 mô tả quá trình thiết kế hệ thống, bản vẽ các linh kiện sử dụng trong đề tài.

Thi công hệ thống Chương 4 trình bày quá trình lắp ráp, tinh chỉnh bộ điều khiển để đạt kết quả tối ưu, với sai số nhỏ nhất có thể. Kết quả đạt được Ở chương này trình bày thành quả thực hiện, mô hình sau khi hoàn thiện, kết quả biểu thị trên biểu đồ. Kết luận và hướng phát triển Chương kết quả trình bày kết luận đạt được và chưa của nhóm về đề tài và hướng phát triển trong tương lai nếu có thêm thời gian kiến thức và kinh phí. 6 Luan van Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.

Yêu cầu hệ thống Hệ thống bàn bi cân bằng với bộ điều khiển PID, mô hình cần đạt được các yêu cầu như sau: - Hệ thống có khả năng cân bằng bóng trên bàn, khi di chuyển viên bi ra khỏi vị trí cân bằng thì hệ thống tự điều khiển viên bi về vị trí set point ban đầu. - Bộ điều khiển PID hoạt động ổn định chuẩn xác tốc độ đáp ứng nhanh, sai số nhỏ. - Khi thay đổi vị trí của cân bằng mong muốn, hệ thống nhanh chóng đáp ứng với tốc độ tối ưu. - Mô hình sau khi hoàn thành đạt được độ thẩm mỹ, hoàn thiện, bố trí thiết bị và đi dây gọn gàng.

Để dễ dàng cho việc tính toán thiết kế mô hình tôi giả sử định rằng: - Quả bóng đang lăn và không trượt trên bề mặt bàn. - Ma sát lăn xem như không đá kể, bỏ qua. - Hình dạng của quả bóng là hình cầu hoàn hảo và đồng nhất. - Quả bóng tiếp xúc với bề mặt bàn.

Bộ điều khiển PID cho hệ thống. Giới thiệu Bộ điều khiển PID là bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (Proportional Integral Derivative) là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển (bộ điều khiển) tổng quát được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp – bộ điều khiển PID là bộ điều khiển được sử dụng nhiều nhất trong các bộ điều khiển phản hồi. Bộ điều khiển PID sẽ tính toán giá trị "sai số" là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt mong muốn. Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào.

Trong trường 7 Luan van Chương 2: Cơ sở lý thuyết hợp không có kiến thức cơ bản (mô hình toán học) về hệ thống điều khiển thì bộ điều khiển PID là sẽ bộ điều khiển tốt nhất. Tuy nhiên, để đạt được kết quả tốt nhất, các thông số PID sử dụng trong tính toán phải điều chỉnh theo tính chất của hệ thống-trong khi kiểu điều khiển là giống nhau, các thông số phải phụ thuộc vào đặc thù của hệ thống. Giải thuật tính toán bộ điều khiển PID bao gồm 3 thông số riêng biệt, do đó đôi khi nó còn được gọi là điều khiển ba khâu: các giá trị tỉ lệ, tích phân và đạo hàm, viết tắt là P, I, và D. Giá trị tỉ lệ xác định tác động của sai số hiện tại, giá trị tích phân xác định tác động của tổng các sai số quá khứ, và giá trị vi phân xác định tác động của tốc độ biến đổi sai số.

Tổng chập của ba tác động này dùng để điều chỉnh quá trình thông qua một phần tử điều khiển như vị trí của van điều khiển hay bộ nguồn của phần tử gia nhiệt. Nhờ vậy, những giá trị này có thể làm sáng tỏ về quan hệ thời gian: P phụ thuộc vào sai số hiện tại, I phụ thuộc vào tích lũy các sai số quá khứ, và D dự đoán các sai số tương lai, dựa vào tốc độ thay đổi hiện tại. Bằng cách điều chỉnh 3 hằng số trong giải thuật của bộ điều khiển PID, bộ điều khiển có thể dùng trong những thiết kế có yêu cầu đặc biệt. Đáp ứng của bộ điều khiển có thể được mô tả dưới dạng độ nhạy sai số của bộ điều khiển, giá trị mà bộ điều khiển vọt lố điểm đặt và giá trị dao động của hệ thống.

Lưu ý là công dụng của giải thuật PID trong điều khiển không đảm bảo tính tối ưu hoặc ổn định cho hệ thống. Vài ứng dụng có thể yêu cầu chỉ sử dụng một hoặc hai khâu tùy theo hệ thống. Điều này đạt được bằng cách thiết đặt đội lợi của các đầu ra không mong muốn về 0. Một bộ điều khiển PID sẽ được gọi là bộ điều khiển PI, PD, P hoặc I nếu vắng mặt các tác động bị khuyết.

Bộ điều khiển PI khá phổ biến, do đáp ứng vi phân khá nhạy đối với các nhiễu đo lường, trái lại nếu thiếu giá trị tích phân có thể khiến hệ thống không đạt được giá trị mong muốn. Khi ta cộng dồn khâu tỉ lệ, tích phân, vi phân lại với nhau để tính toán đầu ra của bộ điều khiển PID. Định nghĩa rằng u(t) là đầu ra của bộ điều khiển, biểu thức cuối cùng của giải thuật PID là: 𝑡 𝑑 u(t) = MV(t) =Kp *e(t)+Ki*∫0 𝑒(𝜏) ∗ 𝑑𝜏+Kd* ∗ 𝑒(𝑡) 𝑑𝑡 Trong đó các thông số điều chỉnh là: 8 Luan van Chương 2: Cơ sở lý thuyết - Độ lợi tỉ lệ Kp: giá trị càng lớn thì đáp ứng càng nhanh do đó sai số càng lớn, bù khâu tỉ lệ càng lớn. Một giá trị độ lợi tỉ lệ quá lớn sẽ dẫn đến quá trình mất ổn định và dao động.

- Độ lợi tích phân Ki: giá trị càng lớn kéo theo sai số ổn định bị khử càng nhanh. Đổi lại là độ vọt lố càng lớn: bất kỳ sai số âm nào được tích phân trong suốt đáp ứng quá độ phải được triệt tiêu tích phân bằng sai số dương trước khi tiến tới trạng thái ổn định. - Độ lợi vi phân Kd: giá trị càng lớn càng giảm độ vọt lố, nhưng lại làm chậm đáp ứng quá độ và có thể dẫn đến mất ổn định do khuếch đại nhiễu tín hiệu trong phép vi phân sai số. Mô hình bộ điều khiển PID 2.

Phương pháp điều chỉnh thông số PID Vấn đề chỉnh định bộ điều khiển PID là quá trình hiệu chỉnh các thông số Kp, Ki, Kd sao cho đáp ứng tại ngõ ra thỏa mãn các chỉ tiêu về chất lượng. Quá trình chỉnh định là quá trình phức tạp đòi hỏi người thực hiện phải có hiểu biết nhất định về đối tượng điều khiển. Sự ảnh hưởng của việc tăng các thông số Kp, Ki, Kd lên các chỉ tiêu chất lượng của đáp ứng ngõ ra có thể được mô tả bằng bảng 2.1 9 Luan van Chương 2: Cơ sở lý thuyết Thời gian khởi Độ vột lố Thời gian xác Sai số xác lập động lập Kp Giảm Tăng Thay đổi nhỏ Giảm Kd Giảm Tăng Tăng Loại bỏ Ki Giảm ít Giảm Tăng Không hoặc tăng tác dụng Bảng 2. Ảnh hưởng của việc tăng các thông số Kp, Ki, Kd Phương pháp này được thực hiện dựa trên tác động của việc hiệu chỉnh các hệ số Kp, Ki, Kd lên đáp ứng ngõ ra như sau: - Tăng hệ số Kp có thể tăng thời gian đáp ứng, giảm offset (nhưng không loại bỏ được).

Tuy nhiên nếu Kp quá lớn có thể gây vọt lố và dao động. - Tăng hệ số Kd có thể giảm được vọt lố do ảnh hưởng của khâu P gây ra, tuy nhiên không loại bỏ được offset bằng cách tăng hệ số Kd. - Tăng hệ số Ki có thể loại bỏ được offset, Ki càng lớn thì offset được loại bỏ càng nhanh. Tuy nhiên nếu Ki quá lớn có thể gây dao động.3 Tổng quan về Ardunio nano 2.

Giới thiệu Arduino Nano là phiên bản nhỏ gọn của Arduino Uno R3 sử dụng MCU ATmega328P- AU dán, vì cùng MCU nên mọi tính năng hay chương trình chạy trên Arduino Uno đều có thể sử dụng trên Arduino Nano, một ưu điểm của Arduino Nano là vì sử dụng phiên bản IC dán nên sẽ có thêm 2 chân Analog A6, A7 cùng với dòng ra tối đa của mỗi chân IO lên đến 40mA so với Arduino Uno, đó là sự tiện dụng, đơn giản, có thể lập trình trực tiếp bằng máy tính (như Arduino Uno R3) và đặc biệt hơn cả đó là kích thước của nó. Kích thước của Arduino Nano cực kì nhỏ (1.3cm) nhỏ hơn Arduino Uno nhiều nhưng vẫn dùng được tất cả các thư viện của Arduino Uno R3. Vì đề tài robot dò mê cung yêu cầu kích thước nhỏ gọn tiện lợi nên Arduino Nano được lựa chọn. 10 Luan van Chương 2: Cơ sở lý thuyết Hình 2.

Năng lượng Arduino Nano có thể được cấp nguồn 5V thông qua cổng USB hoặc cấp nguồn ngoài với điện áp khuyên dùng là 7-12V DC và giới hạn là 6-20V. Thường thì cấp nguồn bằng pin vuông 9V là hợp lí nhất nếu không có sẵn nguồn từ cổng USB. Nếu cấp nguồn vượt quá ngưỡng giới hạn trên sẽ làm hỏng Arduino Nano. Các chân năng lượng: • GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino Nano.

Khi bạn dùng các thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này phải được nối với nhau. • 5V: cấp điện áp 5V đầu ra. Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA. Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA.

• Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino Nano, bạn nối cực dương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND. • RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đương với việc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ. Bộ nhớ Vi điều khiển Atmega328 tiêu chuẩn cung cấp cho người dùng: • 32KB bộ nhớ Flash: những đoạn lệnh bạn lập trình sẽ được lưu trữ trong bộ nhớ Flash của vi điều khiển. Thường thì sẽ có khoảng vài KB trong số này sẽ được dùng cho bootloader nhưng đừng lo, bạn hiếm khi nào cần quá 20KB bộ nhớ này đâu.

• 2KB cho SRAM (Static RandomAccess Memory): giá trị các biến bạn khai báo khi lập trình sẽ lưu ở đây. Bạn khai báo càng nhiều biến thì càng cần nhiều bộ nhớ RAM. Tuy vậy, thực sự thì cũng hiếm khi nào bộ nhớ RAM lại trở thành thứ mà bạn phải bận tâm. Khi mất điện, dữ liệu trên SRAM sẽ bị mất.