CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1. Tổng quan tình hình nghiên thuộc lĩnh vực đề tài Trong nước: Hiện nay có nhiều đề tài nghiên cứu dùng các lý thuyết điều khiển khác nhau: PID, Fuzzy, LQR,. đề điều khiển robot cân bằng, con lắc ngược thông qua điều khiền tốc độ và vị trí của DC motor.
Tuy nhiên con lắc ngược và đặc biệt là robot cân bằng cũng luôn đặt ra nhiều vấn đề khó khăn đối với lý thuyết điều khiển cũng như thiết bị điều khiển chung vì nó là hệ phi tuyến. Ngoài nước: Công trình nghiên cứu chủ yếu là thiết kế hoàn chỉnh một module điều khiển duy nhất từ phần xử lý tín hiệu, xử lý và tính toán trung tâm, công suất. Danh mục các công trình liên quan • Nghiên cứu của Mai Tuấn Đạt (Đại học Bách Khoa -thành phố Hồ Chí Minh) với đề tài “Xe hai bánh tự cân bằng di chuyển trên địa hình phẳng” • Trương Lê Hữu Phát – Lê Phước Vạn, Đồ án tốt nghiệp “Robot hai bánh tự cân bằng dùng LQR”, Tp. Hồ Chí Minh, 2016 • Nguyễn Tùng Lâm – Nguyễn Tường Duy, Đồ án tốt nghiệp “Thiết kế chế tạo bộ KIT thí nghiệm phục vụ môn học điều khiển tự động”, Tp.
Hồ Chí Minh, 2016 1. Tính cấp thiết của đề tài Môn học ứng dụng điều khiển tự động trên ô tô là môn học được áp dụng cho sinh viên năm 3 ngành công nghệ kỹ thuật ô tô của trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM. Môn học này trang bị cho sinh viên các kiến thức về hệ thống điều khiển tự động. Mặc dù đã có một số ví dụ minh họa và mô hình giảng dạy nhưng qua thời gian thì một số mô hình cũng đã trở nên hư hỏng cần phải phục chế lại.
Thêm vào đó với việc dùng Board Arduino Mega 2560 để Kit mô hình DC motor và con lắc ngược cũng có một số hạn chế như là trong một số thời điểm cần đáp ứng nhanh thì vẫn chưa thực hiện được do tốc độ xử lí của Arduino chưa cao. Từ vấn đề trên chúng em thấy cần thiết phải nghiên cứu và ứng dụng một Board mạch khác có bộ nhớ và tốc độ xử lí nhanh hơn để đáp ứng cho vào các mô hình trên mà cụ thể là Board ARM STM32F407 DISCOVERY. Mục tiêu của đề tài 1 Tìm hiểu các thiết bị ngoại vi và hướng dẫn sử dụng Board ARM STM32F407 DISCOVERY khi nhúng vào Matlab/Simulink. Đọc được tín hiệu cảm biến tốc độ và vị trí, cảm biến gia tốc để điều khiển các mô hình điều khiển.
Điều khiển tốc độ và vị trí DC motor khi thay đổi các tín hiệu đầu vào (hằng số, xung vuông và sóng sin) và tăng dần thời gian đáp ứng. Dựa vào bài toán vị trí DC motor điều khiển con lắc ngược và robot cân bằng. Khôi phục cải tiến lại mô hình DC motor và con lắc ngược. Thiết kế, chế tạo robot cân bằng.
Điều khiển, lấy kết quả thực nghiệm các mô hình và so sánh kết quả điều khiển dùng Board Arduino Mega 2560. Phương pháp và phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm, nghiên cứu các tài liệu về lý thuyết điều khiển tự động và các tài liệu có liên quan, dựa vào phần tính toán mô phỏng của các đề tài trước để hiểu được lý thuyết thuật toán và mô phỏng. Tìm hiểu các thiết bị ngoại vi và bảng dữ liệu của Board ARM STM32F407 để thiết lập mô hình điều khiển. Phạm vi nghiên cứu gồm điều khiển vị trí, tốc độ DC motor, cân bằng con lắc ngược chuyển động quay và robot cân bằng.
Từ đó, chúng em đánh giá kết quả lý thuyết và kết quả thực nghiệm dựa trên mô phỏng và thực nghiệm đồng thời đưa ra các so sánh về tốc độ xử lí của 2 board mạch Arduino và ARM STM32F407. Cuối cùng chúng em đưa ra nhận xét và đề xuất hướng phát triển đề tài. 2 CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Lịch sử phát triển lý thuyết điều khiển Định nghĩa điều khiển: Điều khiển là quá trình thu nhập thông tin, xử lý thông tin và tác động lên hệ thống để đáp ứng của hệ thống “gần” với mục đích định trước.
Điều khiển tự động là quá trình điều khiển không cần sự tác động của con người. Điều khiển kinh điển (classical control) Lý thuyết điều khiển kinh điển (trước 1960) mô tả hệ thống trong miền tần số (phép biến đổi Fourier) và mặt phẳng s (phép biến đổi Laplace). Do dựa trên các phép biến đổi này, lý thuyết điều khiển kinh điển chủ yếu áp dụng cho hệ thống tuyến tính bất biến theo thời gian, mặc dù có một vài mở rộng để áp dụng cho hệ phi tuyến, thí dụ phương pháp hàm mô tả. Lý thuyết điều khiển kinh điển thích hợp để thiết kế hệ thống một ngõ vào – một ngõ ra (SISO: single-input/single-output), rất khó áp dụng cho các hệ thống nhiều ngõ vào – nhiều ngõ ra (MIMO: multi-input/multi-ouput) và các hệ thống biến đổi theo thời gian.
Các phương pháp phân tích và thiết kế hệ thống trong lý thuyết điều khiển kinh điển gồm các phương pháp Nyquist, Bode, và phương pháp quỹ đạo nghiệm số. Để thiết kế hệ thống dùng phương pháp Nyquist và Bode cần mô tả hệ thống dưới dạng đáp ứng tần số (đáp ứng biên độ và đáp ứng pha), đây là một thuận lợi vì đáp ứng tần số có thể đo được bằng thực nghiệm. Mô tả hệ thống cần để thiết dùng phương pháp quỹ đạo nghiệm số là hàm truyền, hàm truyền cũng có thể tính được từ đáp ứng tần số. Hàm truyền của các hệ thống phức tạp được tính bằng cách sử dụng sơ đồ khối hay sơ đồ dòng tín hiệu.
Mô tả chính xác đặc tính động học bên trong hệ thống là không cần thiết đối với các phương pháp thiết kế kinh điển, chỉ có quan hệ giữa ngõ vào và ngõ ra quan trọng. Các khâu hiệu chỉnh đơn giản như hiệu chỉnh vi tích phân tỉ lệ PID (Proportional Integral Derivative), hiệu chỉnh sớm trễ pha,… thường được sử dụng trong các hệ thống điều khiển kinh điển. Ảnh hưởng của các khâu hiệu chỉnh này đến biểu đồ Nyquist, biểu đồ Bode và quỹ đạo nghiệm số có thể thấy được dễ dàng, nhờ đó có thể dễ dàng lựa chọn được khâu hiệu chỉnh thích hợp. Điều khiển hiện đại (modern control) Từ khoảng năm 1960 đến nay 3 Kỹ thuật thiết kế hệ thống điều khiển hiện đại dựa trên miền thời gian.
Mô tả toán học dùng để phân tích và thiết kế hệ thống là phương trình trạng thái. Mô hình không gian trạng thái có ưu điểm là mô tả được đặc tính động học bên trong hệ thống (các biến trạng thái) và có thể dễ dàng áp dụng cho hệ MIMO và hệ thống biến đổi theo thời gian. Lý thuyết điều khiển hiện đại ban đầu được phát triển chủ yếu cho hệ tuyến tính, sau đó được mở rộng cho hệ phi tuyến bằng cách sử dụng lý thuyết của Lyapunov. Bộ điều khiển được sử dụng chủ yếu trong thiết kế hệ thống điều khiển hiện đại là bộ điều khiển hiện đại là bộ điều khiển hồi tiếp trạng thái.
Tùy theo cách tính vector hồi tiếp trạng thái mà ta có phương pháp phân bố cục, điều khiển tối ưu, điều khiển bền vững,… Với sự phát triển của lý thuyết điều khiển số và hệ thống rời rạc, lý thuyết điều khiển hiện đại rất thích hợp để thiết kế các bộ điều khiển là các chương trình phần mềm chạy trên vi xử lý và máy tính số. Điều này cho phép thực thi được các bộ điều khiển có đặc tính động phức tạp hơn cũng như hiệu quả hơn so với các bộ điều khiển đơn giản như PID hay sớm trễ pha trong lý thuyết điều khiển kinh điển. Điều khiển thông minh (intelligent control) Điều khiển kinh điển và điều khiển hiện đại, gọi chung là điều khiển thông thường (conventional control) có khuyết điểm là để thiết kế được hệ thống điều khiển cần phải biết mô hình toán học của đối tượng. Trong khi đó thực tế có những đối tượng điều khiển rất phức tạp, rất khó hoặc không thể xác định được mô hình toán.
Các phương pháp điều khiển thông minh như điều khiển mờ, mạng thần kinh nhân tạo, thuật toán di truyền mô phỏng/bắt chước các hệ thống thông minh sinh học, về nguyên tắc không cần dùng mô hình toán học để thiết kế hệ thống, do đó có khả năng ứng dụng thực tế rất lớn. Khuyết điểm của điều khiển mờ là quá trình thiết kế mang tính thử sai, dựa vào kinh nghiệm của chuyên gia. Nhờ kết hợp logic mờ với mạng thần kinh nhân tạo hay thuật toán di truyền mà thông số bộ điều khiển mờ có thể thay đổi thông qua quá trình học hay quá trình tiến hóa, vì vậy khắc phụ được khuyết điểm thử sai. Hiện nay các bộ điều khiển thông thường kết hợp với các kỹ thuật điều khiển thông minh tạo nên các bộ điều khiển lai điều khiển các hệ thống phức tạp với chất lượng rất tốt.
Thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển 4 Chú thích các ký hiệu viết tắt: - r(t): tín hiệu vào, tín hiệu chuẩn - c(t): tín hiệu ra - cht(t): tín hiệu hồi tiếp - e(t): sai số - u(t): tín hiệu điều khiển Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển Để thực hiện được quá trình điều khiển như định nghĩa ở trên, một hệ thống điều khiển bắt buộc gồm có ba thành phần cơ bản là thiết bị đo lường (cảm biến), bộ điều khiển và đối tượng điều khiển. Thiết bị đo lường có chức năng thu nhập thông tin, bộ điều khiển thực hiện chức năng xử lý thông tin, ra quyết định điều khiển và đối tượng điều khiển chịu sự tác động của tín hiệu điều khiển. Hệ thống điều khiển trong thực tế rất đa dạng, sơ đồ khối trên là cấu hình của hệ thống điều khiển thường gặp nhất. Thiết kế bộ điều khiển 2.
Phần loại thiết kế bộ điều khiển Thiết kế là toàn bộ quá trình bổ sung các thiết bi phần cứng cũng như thuật toán, phần mềm vào hệ cho trước để được hệ mới thỏa mãn yêu cầu về tính ổn định, độ chính xác, đáp ứng quá độ. Có 2 cách thiết kế: • Hiệu chỉnh nối tiếp: thêm các bộ điều khiển nối tiếp với hệ hở cho trước.2 Sơ đồ khối hiệu chỉnh nối tiếp 5 - Các bộ điều khiển thường được sử dụng: sớm pha, trễ pha, sớm trễ pha, P, PI, PD, PID. - Phương pháp thiết kế ở dạng này là phương pháp QĐNS, phương pháp biểu đồ Bode. • Điều khiển hồi tiếp trạng thái: Tất cả các trạng thái của hệ thống được phản hồi trở về ngõ vào.