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.