Mô Phỏng Và Ứng Dụng PID Điều Khiển Hệ Thống Xe Và Cột Trong Luận Văn Tốt Nghiệp Công Nghệ Tự Động Hóa

• Tác giả: Đặng Thái Bảo
• Người hướng dẫn: PhD. Nguyễn Văn Đông Hải
• Trường học: Ho Chi Minh City University of Technology and Education
• Chuyên ngành: Automation & Control Technology
• Đề tài: PID Control for a Cart and Pole System: Simulation and Application
• Loại tài liệu: graduation project
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Ho Chi Minh City

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: OVERVIEW
• 1.1. Quanser’s Cart and Pole system
• 1.2. RESEARCH OBJECTIVES
• 1.3. RESEARCH CONTENTS
• 1.4. LIMITATIONS
• 2. CHƯƠNG 2: THEORETICAL BASIS
• 2.1. CONSTRUCTING THE MATHEMATICAL MODEL
• 3. CHAPTER 3: CONTROLLER DESIGN
• 4. CHAPTER 4: CONSTRUCTING THE MODEL
• 5. CHAPTER 5: RESULTS
• 6. CHAPTER 6: CONCLUSION
• LIST OF FIGURES
• LIST OF TABLES
• LIST OF ACRONYMS
• ABSTRACTS

I. Mô Phỏng Và Ứng Dụng PID Điều Khiển Hệ Thống Xe Và Cột

Luận văn tốt nghiệp này tập trung vào việc mô phỏng và ứng dụng bộ điều khiển PID để điều khiển hệ thống xe và cột (Cart and Pole). Hệ thống này là một mô hình toán học cổ điển, được sử dụng rộng rãi trong các thí nghiệm về lý thuyết điều khiển do tính phi tuyến và độ ổn định thấp. Mục tiêu chính của nghiên cứu là áp dụng PID và Giải thuật Di truyền (GA) để ổn định hệ thống tại vị trí mong muốn. Kết quả được kiểm chứng thông qua mô phỏng và thực nghiệm.

1.1. Giới Thiệu Hệ Thống Xe Và Cột

Hệ thống xe và cột (C&P) là một mô hình toán học phức tạp, thường được sử dụng trong các thí nghiệm điều khiển tự động. Hệ thống này có tính phi tuyến cao và độ ổn định thấp, làm nó trở thành mô hình lý tưởng để nghiên cứu các thuật toán điều khiển. Mục tiêu của nghiên cứu là áp dụng PID và GA để ổn định hệ thống tại vị trí mong muốn, đồng thời kiểm chứng kết quả thông qua mô phỏng và thực nghiệm.

1.2. Mục Tiêu Nghiên Cứu

Nghiên cứu này nhằm mục đích áp dụng phương trình Euler-Lagrange để xây dựng mô hình toán học của hệ thống xe và cột. Sau đó, thực hiện mô phỏng trên Matlab Simulink để kiểm tra hiệu quả của bộ điều khiển PID trong việc điều khiển quỹ đạo của hệ thống. Cuối cùng, xây dựng một mô hình thực nghiệm để kiểm chứng kết quả.

II. Cơ Sở Lý Thuyết Và Mô Hình Toán Học

Chương này trình bày cơ sở lý thuyết để xây dựng mô hình toán học của hệ thống xe và cột. Các phương trình động lực học được xây dựng dựa trên phương trình Euler-Lagrange, bao gồm các thông số như chiều dài cột, khối lượng xe, và lực tác động lên hệ thống. Mô hình toán học này là nền tảng để thiết kế bộ điều khiển PID.

2.1. Xây Dựng Mô Hình Toán Học

Mô hình toán học của hệ thống xe và cột được xây dựng dựa trên phương trình Euler-Lagrange. Các thông số của hệ thống bao gồm chiều dài cột, khối lượng xe, và lực tác động lên hệ thống. Phương trình động lực học được biểu diễn dưới dạng ma trận, giúp đơn giản hóa quá trình thiết kế bộ điều khiển.

2.2. Phương Trình Động Lực Học

Phương trình động lực học của hệ thống được xây dựng dựa trên phương trình Euler-Lagrange. Các phương trình này mô tả mối quan hệ giữa lực tác động lên hệ thống và chuyển động của xe và cột. Phương trình được biểu diễn dưới dạng ma trận, giúp đơn giản hóa quá trình thiết kế bộ điều khiển.

III. Thiết Kế Bộ Điều Khiển PID

Chương này trình bày quá trình thiết kế bộ điều khiển PID cho hệ thống xe và cột. Bộ điều khiển PID được thiết kế dựa trên mô hình toán học của hệ thống, với mục tiêu ổn định hệ thống tại vị trí mong muốn. Giải thuật Di truyền (GA) được sử dụng để tối ưu hóa các thông số của bộ điều khiển PID.

3.1. Cơ Bản Về Bộ Điều Khiển PID

Bộ điều khiển PID là một trong những thuật toán điều khiển phổ biến nhất, được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống tự động. Bộ điều khiển này bao gồm ba thành phần chính: tỷ lệ (P), tích phân (I), và đạo hàm (D). Mỗi thành phần có vai trò khác nhau trong việc điều chỉnh hệ thống.

3.2. Tối Ưu Hóa Bằng Giải Thuật Di Truyền

Giải thuật Di truyền (GA) được sử dụng để tối ưu hóa các thông số của bộ điều khiển PID. GA là một thuật toán tối ưu hóa dựa trên nguyên lý tiến hóa tự nhiên, giúp tìm ra các thông số tối ưu cho bộ điều khiển. Kết quả tối ưu hóa được kiểm chứng thông qua mô phỏng và thực nghiệm.

IV. Xây Dựng Mô Hình Thực Nghiệm

Chương này trình bày quá trình xây dựng mô hình thực nghiệm của hệ thống xe và cột. Các thiết bị và linh kiện phù hợp được lựa chọn để xây dựng mô hình, bao gồm động cơ, bộ mã hóa, và vi điều khiển STM32. Chương trình điều khiển được phát triển trên Matlab Simulink, sử dụng thư viện Waijung blockset.

4.1. Lựa Chọn Thiết Bị Và Linh Kiện

Các thiết bị và linh kiện phù hợp được lựa chọn để xây dựng mô hình thực nghiệm của hệ thống xe và cột. Động cơ DC, bộ mã hóa, và vi điều khiển STM32 được sử dụng để điều khiển hệ thống. Các thiết bị này được kết nối với nhau theo sơ đồ kết nối được thiết kế sẵn.

4.2. Phát Triển Chương Trình Điều Khiển

Chương trình điều khiển được phát triển trên Matlab Simulink, sử dụng thư viện Waijung blockset. Chương trình này bao gồm các khối điều khiển PID, khối chuyển đổi tín hiệu, và khối điều khiển động cơ. Chương trình được tải lên vi điều khiển STM32 để điều khiển hệ thống thực nghiệm.

V. Kết Quả Và Đánh Giá

Chương này trình bày kết quả của quá trình mô phỏng và thực nghiệm. Kết quả mô phỏng cho thấy hiệu quả của bộ điều khiển PID trong việc điều khiển quỹ đạo của hệ thống. Kết quả thực nghiệm cũng được thực hiện trên mô hình tự chế, sử dụng vi điều khiển STM32 và Matlab Simulink.

5.1. Kết Quả Mô Phỏng

Kết quả mô phỏng cho thấy hiệu quả của bộ điều khiển PID trong việc điều khiển quỹ đạo của hệ thống xe và cột. Các thông số tối ưu của bộ điều khiển được tìm thấy thông qua Giải thuật Di truyền (GA), giúp hệ thống ổn định tại vị trí mong muốn.

5.2. Kết Quả Thực Nghiệm

Kết quả thực nghiệm được thực hiện trên mô hình tự chế, sử dụng vi điều khiển STM32 và Matlab Simulink. Kết quả cho thấy hiệu quả của bộ điều khiển PID trong việc điều khiển hệ thống thực tế. Các thông số tối ưu của bộ điều khiển được kiểm chứng thông qua thực nghiệm.