Đặt vấn đề Ngày nay, khoa học kỹ thuật đạt đƣợc rất nhiều tiến bộ trong lĩnh vực điều khiển tự động hóa. Các hệ thống điều khiển đƣợc áp dụng các luật điều khiển kinh điển, điều khiển hiện đại, cho tới điều khiển thông minh, điều khiển bằng trí tuệ nhân tạo. Kết quả thu đƣợc là hệ thống hoạt động với độ chính xác ngày càng cao, tính ổn định bền vững tốt hơn, và thời gian đáp ứng nhanh. Trong điều khiển công nghiệp có nhiều bộ điều khiến nhƣ PID truyển thống, điều khiển thích nghi, LFFC ( Leaning Feed – Forward Control) LQR (Linear Quadratic Regulator) và LQG ( Linear Guadratic Gausan)….
Hệ thống “Ball and Beam” (B&B), dịch tiếng Việt là hệ thống “Bóng và Tay đòn”, là hệ thống dùng để thử nghiệm các bài toán điều khiển ổn định vị trí, đây là một hệ thống có động học khá nhạy cảm với nhiễu tác động bên ngoài. Mô hình B&B thƣờng đƣợc dùng nhiều trong phòng thí nghiệm của các trƣờng đại học trên thế giới. Mô hình bao gồm một thanh nằm ngang (beam), một quả bóng (ball), một động cơ DC, cảm biến đọc vị trí quả bóng và cảm biến xác định góc nghiêng của thanh. Thanh nằm ngang (beam), thƣờng có độ dài trong khoảng [ 0.
Chất liệu của thanh đƣợc làm bằng nhựa hoặc, nhôm, gỗ. Quả bóng thƣờng đƣợc thay thế bằng viên bi sắt nhỏ, hay bi nhựa. Bề mặt nhẵn, khi chuyển động ma sát phải rất nhỏ (có thể bỏ qua đƣợc). Điều khiển vị trí của bóng trên thanh bằng cách thay đổi góc nghiêng của thanh so với phƣơng ngang bằng một động cơ.
Cảm biến xác định vị trí Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái 3 Nguyên http://www.vn/ quả bóng có thể dùng cảm biến khoảng cách hoặc cảm biến độ dịch chuyển, cảm biến xác định góc nghiêng của thanh có thể sử dụng cảm biến góc nghiêng hoặc encoder. Có hai dạng mô hình phổ biến của hệ thống B&B nhƣ sau: Dạng 1: Tay đòn ( Beam) Bóng (Ball) Tay nâng ( Lever Arm) Đĩa tròn (Gear) Hình 1-1 Mô hình Ball and Beam dạng 1 Trên mô hình ở hình 1.1, α là góc nghiêng của thanh beam đƣợc tạo ra làm quả bóng chuyển động “Gear” là cơ cấu bánh răng truyền động, là một đĩa tròn. Trục động cơ gắn vào tâm của đĩa.“Lever Arm” là cơ cấu tay nâng thanh beam, gắn trực tiếp trên đĩa tròn, cách trục động cơ khoảng “d”. Ƣu điểm của mô hình này là động cơ có mô men nhỏ hơn để điều khiển vì có sử dụng đòn bẩy.
Nhƣợc điểm của dạng này là khó trong thuật toán điều khiển. Dạng 2: Hình 1-2 Mô hình Ball and Beam dạng 2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái 4 Nguyên http://www.vn/ Dạng này thanh đƣợc đỡ ở trung tâm. Trục quay đƣợc gắn cố định trên thanh và quay đƣợc trên giá đỡ. Ƣu điểm của dạng này là dễ xây dựng mô hình và thuật toán điều khiển đơn giản.
Nhƣợc điểm của mô hình này là phải sử dụng động cơ có mô men lớn để điều khiển góc quay của thanh. Nguyên lý hoạt động chung: Bóng di chuyển đƣợc trên thanh nhờ tác dụng của trọng lực khi thanh bị nghiêng so với phƣơng nằm ngang. Cảm biến xác định vị trí của Bóng và đƣa ra tín hiệu điều khiển động cơ thay đổi góc nghiêng của thanh để cho Bóng di chuyển đến vị trí mong muốn.2 Một số hệ thống B&B trong thực tế a, Mô hình B&B của trƣờng đại học kỹ thuật Hong kong. Năm 2006, mô hình „ball and beam‟ thuộc đề tài luận văn của sinh viên Wei Wang thực hiện, đã đƣa vào làm mô hình thí nghiệm trong trƣờng [1].
Hình 1-3 Mô hình Ball and Beam tại trường ĐHKT Hong kong Với cơ cấu truyền động gián tiếp qua dây cua roa và tay nâng. Ƣu điểm của hệ thống là tránh đƣợc sự ảnh hƣởng của động cơ khi động cơ quay nhanh và đảo chiều liên tục. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái 5 Nguyên http://www.vn/ Dây chuyền động qua đĩa quay có bán kính lớn, làm hệ thống đáp ứng nâng cao, hạ thấp tay nâng nhanh chóng. Nhƣợc điểm của hệ thống: Thanh nằm ngang, cánh tay nâng và đĩa quay tƣơng đối nặng, do đó khi đƣa ra tín hiệu điều khiển động cơ cấn phải tính mô men quay của động cơ khi có tải nặng.
Hệ thống chịu ảnh hƣởng nhiều về độ chính xác của quá trình lắp ráp cơ khí. Phƣơng pháp xác định vị trí của quả bóng là dùng cảm biến từ. Một cuộn dây dài nằm dọc phía dƣới thanh „beam‟, cấp nguồn điện AC 12V vào cuộn dây, khi ball ( bằng kim loại) lăn trên bề mặt cuộn dây, dòng điện cảm ứng sinh ra và biến thiên, từ đó xác định đƣợc tỷ lệ khoảng cách. Phƣơng pháp xác định vị trí này dễ bị nhiễu khi có vật kim loại đặt gần thanh „beam‟, và tính toán dòng điện biến thiên khá phức tạp.
b, Mô hình B&B của công ty Megachem. Công ty Megachem là một công ty chuyên sản xuất các thiết bị dành trong học tập. Đặc biệt chuyên về các mô hình trong lĩnh vực điều khiền hệ thống. Công ty Megachem đã có nhiều sản phẩm nhƣ: mô hình điều khiền cánh tay rô bốt 3 tới 5 bậc tự do, mô hình điều khiển hệ thống con lắc ngƣợc, mô hình điều khiển mức, và một số mô hình điều khiển băng tải, … Tháng 11 năm 2005, công ty Megachem đã giới thiệu mô hình hệ thống „ball and beam‟[2].
Mô hình có thanh „beam‟ dài tới 1m. động cơ gắn trực tiếp tại trung tâm của thanh „beam‟. Phƣơng pháp xác định vị trí quả bóng là dùng hai cảm biến siêu âm họ SRF05. Ƣu điểm của hệ thống: Thiết kế cơ khí đơn giản hơn, giảm bớt tải trên trục động cơ.
Động cơ có thể đáp ứng nhanh. Xác định vị trí của quả bóng chính xác hơn do dùng cảm biến siêu âm có chùm tia hẹp, và khả công suất thu phát xa. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái 6 Nguyên http://www.vn/ Nhƣợc điểm của hệ thống: Khi động cơ quay nhanh và đảo chiều liên tục, làm rung hệ thống, dễ ảnh hƣởng tới góc quay của cảm biến góc (encoder) và giá thành cao. Hiện nay cặp cảm biến siêu âm SRF khoảng cách nhỏ hơn 3m có giá 60 USD.
Và giá bán của mô hình „ball and beam‟ này là 300 USD. Hình 1-4 Mô hình Ball and Beam tại công ty Megachem. c, Mô hình B&B của trƣờng đại học Phía Bắc Florida Tháng 7/ 2007 Đề tài luận văn của hai sinh viên Ms Ming Gao và Mr Sani- Hasim đã đƣợc thực hiện trên mô hình B&B nhƣ hình 1.5 của trƣờng đại học phía bắc Florida. Hình 1-5 Mô hình Ball and Beam ĐH Bắc Florida Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái 7 Nguyên http://www.vn/ Trong hệ thống „ball and beam‟ này.
Động cơ gắn dƣới đế, truyền động gián tiếp qua tay nâng. Thanh „beam‟ chuyển động quay quanh trục giữa. Phƣơng pháp xác định vị trí quả bóng dùng cảm biến siêu âm. Nhƣng hai cảm biến siêu âm này không phải là do một cặp thu và phát, cả hai cảm biến đều là loại phát, hoạt động độc lập với nhau.
Ƣu điểm của phƣơng pháp này: Tính toán vị trí quả bóng chính xác, tính trung bình của hai cảm biến. Trong trƣờng hợp bị mất tín hiệu của một trong hai cảm biến thì vẫn có thể xác định đƣợc vị trí quả bóng. c, Mô hình B&B của trƣờng đại học kỹ thật Australia. Tháng 5 năm 2008, nhóm sinh viên của trƣờng đại học kỹ thuật Australia đã áp dụng kỹ thuật xử lý ảnh vào trong mô hình “ball and beam”[3].
Trong mô hình “ball and beam” này, thanh “beam” là một máng rộng, hình chữ “V”, máng có độ dài 50 cm và đƣợc phủ màu đen. Quả bóng „ball‟ là một viên bi nhựa màu trắng, đƣờng kính 30 mm. Trục động cơ đƣợc gắn trực tiếp vào điểm giữa của máng. Hình 1-6 Mô hình Ball and Beam ĐHKT Australia Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái 8 Nguyên http://www.vn/ Phƣơng pháp xác định vị trí quả bóng không dùng các loại cảm biến, mà áp dụng kỹ thuật xử lý ảnh.
Một camera thuộc loại „webcam on board‟, tức là camera gắn trực tiếp trên bo mạch điều khiển. Hình 1-7 Wedcam on board ĐHKT Australia Camera đƣợc gắn trên cao, độ cao thích hợp sao cho vùng chụp của camera đủ chiều dài của thanh “beam”. Ƣu điểm của phƣơng pháp này: - Thiết kế cơ khí đơn giản. - Không bị nhiễu điện trong quá trình đọc vị trí.
- Mang tính tự động hóa và tính linh hoạt cao. Tuy nhiên nhược điểm là: Mạch điều khiển phức tạp. Độ nhạy và độ chính xác của camera phụ thuộc nhiều vào ánh sáng môi trƣờng làm việc. Độ dài của thanh“beam”phải giới hạn trong phạm vi chụp của camera.
Màu sắc của quả bóng phải là màu trắng hơn rất nhiều so với màu của máng và màu nền trong mô hình. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái 9 Nguyên http://www.vn/ Tốc độ xử lý ảnh để lấy vị trí chậm hơn so với các phƣơng pháp dùng cảm biến.3 Mô hình hệ thống B&B tại phòng thí nghiệm bộ môn đo lƣờng điều khiển – khoa Điện tử Hình 1-8 Hình ảnh bộ thí nghiệm Là mô hình SEVOR CONTROL TRAINING SÝTEM MODEL SRV2 của hãng Labvolt chế tạo năm 2000 .Đây là bộ thí nghiệm điều khiển động cơ servo của hãng Lab_ Volt nhƣng thông tin về sản phẩm, phần mềm điều khiển cũng nhƣ máy tính chuyên dụng đều không còn. Mặt khác các linh kiện đã lâu năm nên một số đã không còn chính xác nữa. Đây cũng là một khó khăn trong việc nghiên cứu mô hình thí nghiệm này.
Bộ thí nghiệm thực chất vẫn là một hệ thống bóng và thanh đỡ, Sensor để xác định vị trí bóng là một điện trở thanh, hệ thống sử dụng động cơ servo FAULHABER- 2034B006S để điều khiển góc nghiêng của thanh. Hệ thống có tín hiệu phản hồi là, phản hồi tốc độ nhờ một máy phát tốc (Motor Tachometer) nối song song với động cơ và phản hồi góc (Shaft Angle) nhờ một biến trở quay. Hệ thống đƣợc bố trí rất rõ ràng với phần trên là mạch động lực còn phần dƣới là mạch điều khiển (dung các IC khuếch đại thuật Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái 10 Nguyên http://www.vn/ toán) và khối nguồn (Power). Ngoài ra còn có các lỗ cắm vào ra số để phục vụ cho việc điều khiển bằng máy tính.
Các khối sử dụng cho việc kết nối và điều khiển.
