ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ------------- CHENG PHI QUỲNH THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ, TRƢỢT GIỮ CÂN BẰNG HỆ NÊM NGƢỢC Chuyên ngành: TỰ ĐỘNG HÓA Mã số: 605260 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 1 năm 2013 CÔNG TRÌNH ĐƢỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG – HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Huỳnh Thái Hoàng.
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS TS. Nguyễn Thị Phƣơng Hà. (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Nguyễn Vĩnh Hảo.
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. tháng …1… năm …2013… Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1. Nguyễn Đức Thành 2. Trƣơng Đình Châu 3.
Nguyễn Thị Phƣơng Hà 4. Nguyễn Vĩnh Hảo 5. Võ Hoàng Duy Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có). CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƢỞNG KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: CHENG PHI QUỲNH MSHV: 10150048 Ngày, tháng, năm sinh: 29-11-1986 Nơi sinh: Kon Tum Chuyên ngành: Tự Động Hóa Mã số: 605260 I.
TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ, TRƯỢT GIỮ CÂN BẰNG HỆ NÊM NGƯỢC II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Tìm hiểu, nghiên cứu mô hình toán và các phương pháp điều khiển hệ nêm ngược trong và ngoài nước. Nghiên cứu và thiết kế, mô phỏng bộ điều khiển LQR, mờ và mờ trượt giữ cân bằng hệ nêm ngược. Thi công mô hình nêm ngược thực nghiệm.
So sánh các kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm giữa các phương pháp điều khiển. Đánh giá các kết quả đạt được. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 06-02-2012 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 30-11-2012 V.
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: TS. HUỲNH THÁI HOÀNG TP. HCM, ngày 3 tháng 12 năm 2012 CÁN BỘ HƢỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO TRƢỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Kính dâng lòng biết ơn sâu sắc nhất của tôi đến ba má và gia đình đã luôn ở bên tôi, động viên và ủng hộ vật chất lẫn tinh thần giúp tôi có thể hoàn thành đề tài này. Cảm ơn chân thành đến các thầy cô trong bộ môn Điều Khiển Tự Động luôn nhiệt tình truyền đạt kiến thức và tận tâm chỉ dẫn.
Đặc biệt là thầy Huỳnh Thái Hoàng, người hướng dẫn trực tiếp cho tôi và truyền lại những kinh nghiệm về cách làm việc, phương pháp tiếp cận vấn đề và những mấu chốt của vấn đề góp phần quan trọng vào sự hoàn thành của đề tài. Những kiến thức dần thẩm thấu vào tôi vì có được sự trao đổi với những người bạn. Cảm ơn rất nhiều đến các bạn khóa 2009 và 2010 đã giúp tôi hiểu rõ hơn về những gì mình đã học và động viên tôi thực hành một cách kiên nhẫn, truyền lại nhiều kinh nghiệm và trở thành kinh nghiệm của chính bản thân tôi. Đó là những yếu tố hoàn thành nên đề tài này.
Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2012 Cheng Phi Quỳnh TÓM TẮT Luận văn nghiên cứu về hệ nêm ngược và các phương pháp điều khiển giữ thăng bằng cho hệ. Phương pháp LQR (Linear Quadratic Regulator), mờ và mờ trượt được tiến hành mô phỏng trên Matlab/Simulink. Trong đó, bộ điều khiển LQR và mờ cho kết quả tốt, đáp ứng nhanh, ít vọt lố. Còn bộ điều khiển mờ trượt đáp ứng chậm và dao động xung quanh điểm cân bằng.
Các phương pháp điều khiển LQR và mờ cũng được thí nghiệm trên phần cứng hệ nêm ngược thực tế sử dụng vi điều khiển nhúng DSP (Digital Signal Processor) TMS320F28335. Kết quả của bộ điều khiển LQR cho thấy chịu nhiễu tốt hơn và ở trạng thái xác lập ít dao động hơn bộ điều khiển mờ. Cả hai bộ điều khiển LQR và mờ đều có thể điều khiển cho hệ nêm ngược cân bằng. Tuy nhiên tồn tại sai số xác lập nhỏ 0.02 m, 1 độ đối với bộ điều khiển mờ, và -0.01 m, -1 độ đối với bộ điều khiển LQR.
Với các kết quả đạt được, luận văn đưa ra so sánh giữa các phương pháp điều khiển, ưu khuyết điểm và hướng phát triển của đề tài. ABSTRACT This thesis studies about the inverted wedge and the control methods for balacing wedge system. The controllers as Linear Quadratic Regulator (LQR), Fuzzy Logic (FL) and Fuzzy Sliding - Mode Control (FSMC) are simulated by Matlab/Simulink. LQR and FL give good results, quick response and low POT (Percent Of Overshoot).
FSMC has slow response and chattering. Then, the LQR and FL controllers are embedded into DSP TMS320F28335 to apply on the practical hardware of the inverted wedge system. The results show that LQR controller is better than FL controller when the noises impact to the system. Both LQR controller and FL controller can be balancing the system.
However, small steady state errors happen. For FL controller, steady state errors are 0. For LQR controller, steady state errors are -0. With the results obtained, the thesis provides comparisons between the control methods, and developmental tendencies of the subject.
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan và đảm bảo về tính chân thật của bài viết cũng như các chương trình, kết quả mô phỏng và thực nghiệm, các giá trị của các thông số được nêu ra trong bài. Các cơ sở lý thuyết đều được trích dẫn đầy đủ chiếu theo tài liệu tham khảo. Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2012 Cheng Phi Quỳnh 1 MỤC LỤC 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN.1 Giới thiệu hệ nêm ngược .2 Nguyên lý hoạt động .2 Các công trình nghiên cứu liên quan .1 Các công trình nghiên cứu nước ngoài .2 Các công trình nghiên cứu trong nước .3 Mục tiêu luận văn .4 Phương pháp nghiên cứu .5 Tóm lược nội dung luận văn .11 2 CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN HỆ NÊM NGƢỢC .1 Mô hình toán học hệ nêm ngược .2 Lý thuyết ổn định Lyapunov .1 Phương pháp gián tiếp của Lyapunov .2 Phương pháp trực tiếp của Lyapunov .3 Điều khiển LQR.4 Điều khiển logic mờ .5 Điều khiển mờ trượt .25 3 CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG THỰC NGHIỆM VÀ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN HỆ NÊM NGƢỢC .1 Phần cứng của hệ nêm ngược .2 Bảng thông số của hệ nêm ngược .3 Thiết kế bộ điều khiển LQR .4 Thiết kế bộ điều khiển logic mờ .5 Thiết kế bộ điều khiển mờ trượt .40 4 CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM .1 Phương pháp điều khiển LQR .1 Kết quả mô phỏng điều khiển LQR .1 Mô phỏng LQR 1: [vị trí xe (m) góc (độ)] = [0 0].2 Mô phỏng LQR 2: [vị trí xe (m) góc (độ)] = [0.3 Mô phỏng LQR 3: [vị trí xe (m) góc (độ)] = [-0.4 Mô phỏng LQR 4: [vị trí xe (m) góc (độ)] = [0.2 Kết quả thực nghiệm điều khiển LQR .1 Thực nghiệm LQR 1: [vị trí xe (m) góc (độ)] = [0 0] .2 Thực nghiệm LQR 2: [vị trí xe (m) góc (độ)] = [0.3 Thực nghiệm LQR 3: [vị trí xe (m) góc (độ)] = [-0.4 Thực nghiệm LQR 4: [vị trí xe (m) góc (độ)] = [0.3 So sánh kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm của bộ điều khiển LQR .2 Phương pháp điều khiển logic mờ .1 Kết quả mô phỏng điều khiển mờ .1 Mô phỏng mờ 1: [vị trí xe (m) góc (độ)] = [0 0] .2 Mô phỏng mờ 2: [vị trí xe (m) góc (độ)] = [0.3 Mô phỏng mờ 3: [vị trí xe (m) góc (độ)] = [-0.4 Mô phỏng mờ 4: [vị trí xe (m) góc (độ)] = [0.2 Kết quả thực nghiệm điều khiển mờ .1 Thực nghiệm mờ 1: [vị trí xe (m) góc (độ)] = [0 0] .2 Thực nghiệm mờ 2: [vị trí xe (m) góc (độ)] = [0.3 Thực nghiệm mờ 3: [vị trí xe (m) góc (độ)] = [-0.4 Thực nghiệm mờ 4: [vị trí xe (m) góc (độ)] = [0.3 So sánh kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm của bộ điều khiển mờ .3 Phương pháp điều khiển mờ trượt .1 Kết quả mô phỏng điều khiển mờ trượt .1 Mô phỏng mờ trượt 1: [vị trí xe (m) góc (độ)] = [0 0] .2 Mô phỏng mờ trượt 2: [vị trí xe (m) góc (độ)] = [0.3 Mô phỏng mờ trượt 3: [vị trí xe (m) góc (độ)] = [-0.4 Mô phỏng mờ trượt 4: [vị trí xe (m) góc (độ)] = [0.2 Nhận xét kết quả mô phỏng bộ điều khiển mờ trượt .4 So sánh kết quả giữa ba phương pháp điều khiển: LQR, logic mờ và mờ trượt .71 5 CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN .1 Đánh giá kết quả luận văn .1 Những kết quả đạt được .2 Những kết quả chưa đạt được .2 Hướng phát triển của đề tài .73 6 TÀI LIỆU THAM KHẢO .1 8 PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG.5 5 1 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu hệ nêm ngƣợc Con lắc ngược là mô hình thực nghiệm quen thuộc khi áp dụng các phương pháp điều khiển vì tính đơn giản trong cấu tạo nhưng đủ phức tạp về mặt động lực học để giữ cho con lắc cân bằng ở vị trí thẳng đứng hướng lên. Hiện nay, các kết quả đạt được từ các phương pháp điều khiển khác nhau cho hệ con lắc ngược cũng rất tốt.
Một lần nữa để kiểm chứng các phương pháp điều khiển cũng như mở rộng phạm vi ứng dụng của chúng, các phòng thí nghiệm đưa ra thêm mô hình hệ nêm ngược. Đây cũng là một dạng bài toán giữ cân bằng sao cho mặt đáy của nêm ngược luôn ở trạng thái thẳng nằm ngang. Hệ thống này tương đối phức tạp về mặt vật lý như hệ con lắc ngược và kết cấu cơ khí lại phức tạp hơn con lắc ngược đơn thuần một bậc tự do. Đó là lý do tôi chọn đề tài liên quan đến điều khiển giữ cân bằng hệ nêm ngược là “Thiết kế bộ điều khiển mờ, trượt giữ cân bằng hệ nêm ngược”.2 Nguyên lý hoạt động Hệ nêm ngược có hình dạng như chữ “V”, là một tam giác cân có đỉnh đặt phía dưới và là tâm quay, mặt đáy nằm phía trên.
Do cả hệ nêm ngược xoay xung quanh tâm quay nên mặt đáy ở trạng thái bình thường không thể song song với phương ngang, nêm luôn bị lệch về một phía. Nêm ngược là hệ thống có điểm cân bằng không ổn định. Trường hợp nêm đạt được cân bằng như hình 1. Nếu tác động một lực đẩy đối trọng sang phải, trọng lượng của đối trọng tạo ra momen quay làm nêm bị lệch về phía bên phải (hình 1.
