Luận văn thạc sĩ về điều khiển trượt hệ bóng trên tấm phẳng trong kỹ thuật tự động hóa

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu kỹ thuật điều khiển và tự động hóa điều khiển trượt hệ bóng trên tấm phẳng bám quỹ đạo, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp hoàn

• Tác giả: Hồng Mai Anh Khoa
• Người hướng dẫn: PGS.TS Huỳnh Thái Hoàng
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG - HCM
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
• Đề tài: Nghiên cứu điều khiển trượt hệ bóng trên tấm phẳng trong kỹ thuật tự động hóa
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Nghiên cứu về điều khiển trượt hệ bóng trên tấm phẳng là một lĩnh vực quan trọng trong kỹ thuật tự động hóa. Hệ thống này có khả năng điều khiển vị trí của quả bóng trên mặt phẳng bằng cách thay đổi góc nghiêng của tấm phẳng. Mục tiêu chính là đạt được sự cân bằng và khả năng di chuyển theo quỹ đạo mong muốn. Các phương pháp điều khiển như PID và điều khiển trượt đã được áp dụng để cải thiện hiệu suất của hệ thống. Việc mô phỏng và thực hiện trên mô hình thực tế giúp đánh giá hiệu quả của các phương pháp này.

1.1. Tính chất của hệ thống

Hệ thống bóng trên tấm phẳng được xem là một hệ thống phi tuyến, điều này làm cho việc đạt được ổn định trở nên khó khăn hơn. Các yếu tố như ma sát và rung động có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống. Để giải quyết vấn đề này, việc áp dụng các phương pháp điều khiển tiên tiến như điều khiển trượt là cần thiết. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng phương pháp này có thể cải thiện độ chính xác và phản hồi của hệ thống so với các phương pháp điều khiển truyền thống.

II. Phương pháp điều khiển PID và trượt

Phương pháp điều khiển PID là một trong những phương pháp phổ biến nhất trong lĩnh vực tự động hóa. Nó bao gồm ba thành phần chính: tỷ lệ, tích phân và đạo hàm. Mỗi thành phần này có vai trò riêng trong việc điều chỉnh hệ thống. Trong khi đó, điều khiển trượt là một phương pháp điều khiển phi tuyến, giúp duy trì sự ổn định của hệ thống ngay cả khi có những biến động lớn. So với PID, điều khiển trượt có khả năng phản ứng nhanh hơn và chính xác hơn trong các tình huống không ổn định.

2.1. Lý thuyết điều khiển PID

Lý thuyết điều khiển PID dựa trên việc điều chỉnh sai số giữa giá trị thực tế và giá trị mong muốn. Các tham số Kp, Ki, Kd cần được điều chỉnh để đạt được hiệu suất tối ưu. Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc tối ưu hóa các tham số này có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của hệ thống, đặc biệt là khi áp dụng vào mô hình bóng trên tấm phẳng.

2.2. Lý thuyết điều khiển trượt

Điều khiển trượt được áp dụng để tạo ra một bề mặt trượt cho hệ thống, cho phép hệ thống duy trì trạng thái ổn định ngay cả khi có biến động. Phương pháp này giúp giảm thiểu thời gian đáp ứng và cải thiện độ chính xác trong việc theo dõi quỹ đạo. Việc áp dụng điều khiển trượt vào hệ thống bóng trên tấm phẳng đã chứng minh khả năng vượt trội trong việc xử lý các tình huống không ổn định.

III. Mô phỏng và kết quả thực nghiệm

Mô phỏng hệ thống bằng phần mềm Matlab Simulink đã được thực hiện để kiểm tra hiệu suất của các bộ điều khiển. Các kết quả cho thấy rằng điều khiển trượt có khả năng duy trì vị trí bóng tốt hơn so với điều khiển PID trong các tình huống thay đổi quỹ đạo. Việc thu thập và phân tích dữ liệu từ các mô phỏng giúp xác định các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống, từ đó đề xuất các giải pháp cải tiến.

3.1. Kết quả mô phỏng

Kết quả mô phỏng cho thấy rằng điều khiển trượt đạt được độ ổn định cao hơn khi bóng di chuyển theo các quỹ đạo khác nhau. Các tham số điều khiển được tối ưu hóa đã giúp hệ thống phản hồi nhanh chóng và chính xác hơn. Sự khác biệt rõ rệt giữa hai phương pháp điều khiển đã được ghi nhận, cho thấy rằng điều khiển trượt là một lựa chọn tốt hơn cho hệ thống này.

3.2. Ứng dụng thực tế

Sau khi mô phỏng, hệ thống đã được triển khai trên mô hình thực tế. Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng phương pháp điều khiển trượt không chỉ cải thiện độ chính xác mà còn giảm thiểu thời gian phản hồi. Các ứng dụng trong công nghiệp, như trong việc kiểm soát chuyển động của robot tự động, đã được khám phá, cho thấy tiềm năng lớn của phương pháp này trong các lĩnh vực khác nhau.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Ngày nay, khoa học kỹ thuật và các ngành công nghiệp rất phát triển đòi hỏi các thiết bị cơ khí phải có độ chính xác cao hơn, hoạt động tốt hơn, ổn định trong phạm vi rộng hơn. Trong thực tế có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến kết cấu hệ thống như ma sát, độ rung, nhiệt độ, âm thanh. Để hạn chế, khắc phục những vấn đề này, hệ thống được cải thiện bằng cách tăng độ chính xác cơ khí thông qua gia công hoàn thiện hơn, thêm chất bôi trơn để giảm ma sát, điều chỉnh lực tác động phù hợp. Bên cạnh đó, có thể áp dụng bộ điều khiển số với các thuật toán tối ưu để hệ thống đạt được kết quả mong muốn.

Các thuật toán này có thể là PID, LQR, Backstepping, Sliding Mode Control… Bằng việc xây dựng mô hình mô phỏng và mô hình thực tế, ta có thể kiểm tra độ chính xác, tối ưu của những thuật toán này. Từ ý tưởng của hệ thống cân bằng bóng trên thanh (cân bằng bóng trên 1 trục ngang), hệ thống cân bằng bóng trên tấm phẳng được phát triển nhằm cân bằng bóng trên một mặt phẳng cố định – cân bằng trên cả 2 trục ngang dọc. Yêu cầu của hệ thống là điều khiển bóng di chuyển trên tấm phẳng theo những vị trí hay quỹ đạo đặt trước. Hệ cân bằng bóng trên tấm phẳng được xem như một công cụ nghiên cứu trong các ứng dụng khoa học và trong học tập.

Hệ thống này cụ thể gồm một mặt phẳng (Plate) được điều khiển góc nghiêng theo 2 trục nhằm mục đích đưa quả bóng (Ball) được thả lăn tự do trên mặt phẳng đến vị trí mong muốn hoặc chạy theo một quỹ đạo cho trước. Ngõ vào của hệ thống là vị trí của quả bóng trên mặt phẳng theo tọa độ (x, y) và ngõ ra của hệ thống là góc nghiêng của mặt phẳng theo 2 trục tương ứng, góc nghiêng này được điều khiển bởi các động cơ. Các nghiên cứu trong và ngoài nước a. Trong nước Trang 16 Có khá nhiều nghiên cứu của sinh viên về hệ thống bóng trên tấm phẳng trong nước tuy nhiên việc công bố rộng rãi còn khá ít, chủ yếu áp dụng các phương pháp điều khiển tuyến tính truyền thống như PID, LQR.

Các phương pháp điều khiển tuyến tính này thường chỉ hoạt động tốt trong khoảng giới hạn nhỏ. Bộ điều khiển lai ghép giữa PID với các bộ điều khiển khác cũng được công bố như bài báo: Phân tích phương pháp điều khiển PID-thích nghi và PD-fuzzy: thực nghiệm trên hệ phi tuyến bóng và tấm của ThS. Đỗ Việt Dũng trên trang web https://www. Bài báo xây dựng bộ điều khiển PD-fuzzy và PID-thích nghi, từ đó mô phỏng trên matlab và ứng dụng vào mô hình thực tế.

Khi có nhiễu (ngoại lực tác động) và không có nhiễu, bộ điều khiển PID-thích nghi luôn cho đáp ứng tốt hơn, bám sát tín hiệu đặt hơn so với bộ điều khiển còn lại.1: Hệ bóng và tấm - ThS. Ngoài nước Trên thế giới, các giải thuật dựa trên kỹ thuật điều khiển kinh điển PID là những thử nghiệm đầu tiên áp dụng trên mô hình này.2: Ball and Plate system - A. Jawad Khan Trên là mô hình bóng trên tấm phẳng của tác giả A. Jawad Khan thuộc National University of Sciences and Technology Rawalpindi, Pakistan năm 2012 [2].

Mô hình này sử dụng bộ điều khiển PID cổ điển để điều khiển bóng di chuyển đến những vị trí cố định.3: Ball and Plate system - M. Ali Rastin, Erfan Talebzadeh, S. Moosavian and Erfan Talebzadeh Trang 18 Sản phẩm của tác giả M. Ali Rastin, Erfan Talebzadeh, S.

Moosavian and Erfan Talebzadeh, K. Toosi University of Technology Tehran, Iran [3] đã ứng dụng bộ điều khiển mờ (Fuzzy) vào mô hình bóng trên tấm. Bài báo chỉ đề cập đến kết quả mô phỏng mà chưa đề cập kết quả trên mô hình thực tế. Cách thực hiện bao gồm hai cấp độ: - Cấp độ đầu tiên là bám theo mục tiêu mong muốn, được thiết kế dựa trên bộ điều khiển mờ loại TS.

Các thông số của bộ điều khiển được xác định bằng LQR (bộ điều chỉnh bậc hai tuyến tính) và quy tắc Bryson. - Cấp độ thứ hai là ngăn va chạm giữa bóng và chướng ngại vật. Khi bóng đến một chướng ngại vật từ một hướng không biết trước, tấm được điều chỉnh để làm bóng xa khỏi chướng ngại vật thông qua việc đưa ra một mục tiêu mới thay thế mục tiêu cũ cho đến khi bóng đạt điểm cuối của con đường.4: Ball and Plate system - David Debono and Marvin Bugeja Trang 19 Sản phẩm của tác giả David Debono and Marvin Bugeja, University of Malta năm 2015 [4] đã phân tích chi tiết về bộ điều khiển hồi tiếp trạng thái tuyến tính và bộ điều khiển trượt (phi tuyến). Khi so sánh kết quả, bộ điều khiển trượt thu được phản hồi chính xác hơn ở tốc độ cao hơn so với bộ điều khiển còn lại.5: Ball and Plate system - Ming-Tzu Ho, Yusie Rizal and Li-Ming Chu Tác giả Ming-Tzu Ho, Yusie Rizal and Li-Ming Chu [4] sử dụng bộ điều khiển PID để điều khiển góc nghiêng cho hệ thống, tuy nhiên đáp ứng của hệ thống này lại rất tốt nhờ việc sử dụng FPGA cho việc xử lý hình ảnh đồng thời mô hình cơ khí gia công tốt.

Tốc độ xử lý hình ảnh của hệ thống này cao nhất lên đến 150Hz (150 khung hình mỗi giây). Bên cạnh đó, nghiên cứu còn chỉ ra rằng hệ thống sẽ mất ổn định nếu thời gian lấy mẫu lớn hơn 43ms.6: Ball and Plate system - Dávid Hámor Trang 20 Mô hình trên là của một tác giả có kênh youtube tên Dávid Hámor (địa chỉ liên kết https://www.com/watch?v=8jk17dXETHs), sản phẩm được thực hiện vào năm 2016. Mô hình sử dụng bộ điều khiển LQG (Linear-Quadratic- Gaussian) trên board mạch Arduino để điều khiển bóng đến những vị trí cố định hoặc bám theo quỹ đạo đặt (hình tròn, hình elip) thông qua bảng điều khiển bằng tay. Mục đích của đề tài Giúp ứng dụng những lý thuyết điều khiển đã được học ở trường vào các ứng dụng thực tế từ việc xây dựng mô hình toán học của hệ thống sau đó đưa nó lên phần mềm để mô phỏng đến việc áp dụng thuật toán vào thực tế.

Sử dụng các thuật toán điều khiển khác nhau để đưa ra phương án thực hiện hiệu quả như PID, Sliding… Thực hành thu thập tín hiệu đo từ cảm biến, sử dụng bộ lọc Kalman trong thực tế, tối ưu hóa thời gian ngắt, truyền nhận tín hiệu giữa các thiết bị. Đây là những vấn đề cơ bản của ngành điều khiển tự động cần tìm hiểu và nắm rõ mới có thể thực hiện được. Đề tài phục vụ mục đích học tập và nghiên cứu. Mục tiêu của đề tài Mục tiêu của đề tài này là thiết kế và thực hiện mô hình bóng trên tấm phẳng.

Trong đó, bóng được điều khiển cân bằng hoặc di chuyển bám theo quỹ đạo đặt trước. + Tìm hiểu mô hình toán của hệ thống, mô hình hóa thành các phương trình phi tuyến. + Tìm hiểu về điều khiển tuyến tính và điều khiển phi tuyến, cụ thể hơn là điều khiển PID và điều khiển trượt. + Tiến hành mô phỏng mô hình trên phần mềm Matlab Simulink để kiểm tra tính chính xác cũng như xem đặc tính của hệ thống.

Trang 21 + Thiết kế mô hình dựa trên việc tham khảo các nghiên cứu liên quan. + Xây dựng giải thuật điều khiển: xác định vị trí của bóng bằng xử lý ảnh (trong môi trường đầy đủ ánh sáng), điều khiển động cơ, giao tiếp máy tính. + Tính toán các thông số mô hình. + Chạy thử nghiệm và tinh chỉnh hệ số bộ điều khiển.

Đối tượng nghiên cứu Luận văn thực hiện nghiên cứu trên các đối tượng sau: - Phần cứng: • Máy tính nhúng Raspberry Pi 3 Model B+. • Board Arduino Due. - Phần mềm: • Thư viện OpenCV. • Hệ điều hành Linux.

• Visual Studio Express 2017 for Windows Desktop. - Ngôn ngữ lập trình: • Python. - Lý thuyết điều khiển: • Bộ điều khiển PID. • Bộ điều khiển Sliding Mode Control.

- Bộ lọc tín hiệu: • Bộ lọc Kalman. Phạm vi nghiên cứu Luận văn nghiên cứu điều khiển vị trí bóng trên một mặt phẳng, trong đó tọa độ của bóng được xác định bằng xử lý ảnh. Trang 22 Môi trường xử lý ảnh phải đảm bảo ánh sáng đầy đủ nhằm đem lại chất lượng hình ảnh tốt giúp tốc độ xử lý nhanh và chính xác. Mã nguồn xử lý ảnh được xây dựng trên ngôn ngữ lập trình Python, opencv và hoạt động trên board Raspberry Pi 3 Model B+ và Pi Camera V2.

Mã nguồn của vi xử lý Arduino Due được xây dựng bằng Arduino IDE, chỉ được thiết kế để vận hành mô hình vật lý trong luận văn. Trang 23 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Mô hình toán học cho hệ thống bóng trên tấm phẳng Hình 2.1: Sơ đồ đơn giản hóa mô hình cho hệ thống bóng trên tấm phẳng Bảng 2.1: Các ký hiệu trong phương trình trạng thái của hệ thống bóng trên tấm phẳng Ký tự Đơn vị Mô tả g m/sec2 Gia tốc trọng trường rb m Bán kính của bóng xb m Tọa độ của bóng trên trục X yb m Tọa độ của bóng trên trục Y α rad Góc nghiêng của tấm theo trục X β rad Góc nghiêng của tấm theo trục Y 𝛼̇ rad/sec Vận tốc góc của tấm theo trục X 𝛽̇ rad/sec Vận tốc góc của tấm theo trục Y Trang 24 Ký tự Đơn vị Mô tả mb kg Khối lượng của bóng Ib kg.m2 Moment quán tính của bóng Ip kg.m2 Moment quán tính của tấm τx N.m Moment xoắn của tấm theo trục X τy N.