Thiết Kế Bộ Điều Khiển PID Cho Hệ Cân Bằng Ball and Beam

• Tác giả: Vũ Quang Ngọc
• Người hướng dẫn: Dương Văn Khải
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghiệp Thực Phẩm Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
• Đề tài: Thiết Kế Bộ Điều Khiển PID Cho Hệ Cân Bằng Ball And Beam
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.3. Phương pháp nghiên cứu
• 1.4. Mô hình hóa hệ thống
• 1.4.1. Mô hình hóa hệ Ball and Beam trục giữa
• 1.4.2. Mô hình hóa hệ Ball and Beam trục lệch
• 2. CƠ SỞ THỰC HIỆN
• 2.1. Mô phỏng hệ thống Ball & Beam trên Matlab
• 2.1.1. Hệ thống khi chưa có bộ điều khiển
• 2.1.2. Hệ thống khi có bộ điều khiển P
• 2.1.3. Hệ thống khi có bộ điều khiển PD
• 2.1.4. Hệ thống khi có thêm khâu tích phân I
• 2.2. Đọc tín hiệu khoảng cách từ cảm biến
• 2.2.1. Đọc tín hiệu cảm biến
• 2.2.2. Lọc nhiễu thông qua bộ lọc Kalman
• 2.3. Chỉnh định thông số PID bằng thực nghiệm ở mô hình thực tế
• 2.4. Thiết kế phần cứng
• 2.4.1. Sơ đồ kết nối phần cứng
• 2.4.2. Mô hình thực tế
• 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Kết quả điều khiển mô hình thực tế
• 3.2. Kết quả mô phỏng trên Matlab
• 4. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 4.1. Hướng phát triển đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan về thiết kế bộ điều khiển PID cho hệ cân bằng Ball and Beam

Hệ cân bằng Ball and Beam là một trong những mô hình điều khiển phổ biến trong nghiên cứu và giảng dạy. Mô hình này không chỉ giúp sinh viên hiểu rõ về lý thuyết điều khiển mà còn ứng dụng thực tiễn trong các hệ thống tự động hóa. Thiết kế bộ điều khiển PID cho hệ thống này là một thách thức lớn, đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về các nguyên lý điều khiển và khả năng lập trình. Bài viết này sẽ đi sâu vào các khía cạnh quan trọng của việc thiết kế bộ điều khiển PID cho hệ cân bằng Ball and Beam.

1.1. Giới thiệu về hệ cân bằng Ball and Beam

Hệ cân bằng Ball and Beam là một mô hình điều khiển đơn giản nhưng rất hiệu quả. Mô hình này bao gồm một thanh ngang và một quả bóng, với mục tiêu là điều khiển vị trí của quả bóng trên thanh sao cho nó đạt được vị trí mong muốn. Hệ thống này thường được sử dụng trong các bài thí nghiệm tại các trường đại học kỹ thuật.

1.2. Lợi ích của việc sử dụng bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) là một trong những phương pháp điều khiển phổ biến nhất. Nó giúp cải thiện độ chính xác và ổn định của hệ thống. Việc áp dụng bộ điều khiển PID cho hệ cân bằng Ball and Beam giúp giảm thiểu sai số và thời gian xác lập, từ đó nâng cao hiệu suất hoạt động của hệ thống.

II. Thách thức trong thiết kế bộ điều khiển PID cho hệ thống này

Thiết kế bộ điều khiển PID cho hệ cân bằng Ball and Beam không phải là một nhiệm vụ đơn giản. Có nhiều yếu tố cần xem xét, bao gồm độ chính xác của cảm biến, độ trễ trong hệ thống và các yếu tố nhiễu từ môi trường. Những thách thức này có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của bộ điều khiển và cần được giải quyết một cách hiệu quả.

2.1. Độ chính xác của cảm biến trong hệ điều khiển

Cảm biến là một phần quan trọng trong hệ thống điều khiển. Độ chính xác của cảm biến ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng nhận diện vị trí của quả bóng. Việc sử dụng cảm biến quang có thể dẫn đến nhiễu và sai số, do đó cần lựa chọn cảm biến phù hợp để đảm bảo độ chính xác cao.

2.2. Ảnh hưởng của độ trễ trong hệ thống

Độ trễ trong hệ thống có thể gây ra sự không ổn định trong quá trình điều khiển. Khi tín hiệu điều khiển không được thực hiện ngay lập tức, quả bóng có thể di chuyển ra khỏi vị trí mong muốn. Việc giảm thiểu độ trễ là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất của bộ điều khiển PID.

III. Phương pháp thiết kế bộ điều khiển PID hiệu quả

Để thiết kế bộ điều khiển PID cho hệ cân bằng Ball and Beam, có nhiều phương pháp khác nhau có thể áp dụng. Các phương pháp này bao gồm phương pháp Ziegler-Nichols, phương pháp Chien-Hrones-Reswick và phương pháp thực nghiệm. Mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng, và việc lựa chọn phương pháp phù hợp là rất quan trọng.

3.1. Phương pháp Ziegler Nichols

Phương pháp Ziegler-Nichols là một trong những phương pháp phổ biến nhất để điều chỉnh tham số PID. Phương pháp này dựa trên việc xác định hệ số khuếch đại tới hạn và chu kỳ dao động của hệ thống. Việc áp dụng phương pháp này giúp nhanh chóng tìm ra các tham số tối ưu cho bộ điều khiển.

3.2. Phương pháp Chien Hrones Reswick

Phương pháp Chien-Hrones-Reswick là một phương pháp điều chỉnh PID khác, cho phép điều chỉnh tham số PID dựa trên các yêu cầu về độ ổn định và độ chính xác. Phương pháp này thường được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao.

IV. Ứng dụng thực tiễn của bộ điều khiển PID trong hệ thống

Bộ điều khiển PID không chỉ được sử dụng trong mô hình Ball and Beam mà còn có nhiều ứng dụng thực tiễn khác. Từ các hệ thống tự động hóa trong công nghiệp đến các ứng dụng trong đời sống hàng ngày, bộ điều khiển PID đã chứng minh được tính hiệu quả và độ tin cậy của nó.

4.1. Ứng dụng trong công nghiệp

Trong công nghiệp, bộ điều khiển PID được sử dụng để điều khiển các quá trình sản xuất, từ việc điều chỉnh nhiệt độ đến kiểm soát áp suất. Việc áp dụng bộ điều khiển PID giúp nâng cao hiệu suất và giảm thiểu sai số trong quá trình sản xuất.

4.2. Ứng dụng trong đời sống hàng ngày

Bộ điều khiển PID cũng được áp dụng trong nhiều thiết bị gia dụng như điều hòa không khí, lò nướng và máy giặt. Những thiết bị này sử dụng bộ điều khiển PID để duy trì các thông số hoạt động ổn định, từ đó nâng cao trải nghiệm người dùng.

V. Kết luận và hướng phát triển trong tương lai

Thiết kế bộ điều khiển PID cho hệ cân bằng Ball and Beam là một lĩnh vực nghiên cứu thú vị và đầy thách thức. Với sự phát triển của công nghệ, các phương pháp điều khiển ngày càng trở nên tinh vi hơn. Tương lai của bộ điều khiển PID hứa hẹn sẽ mang lại nhiều ứng dụng mới và cải tiến trong các hệ thống tự động hóa.

5.1. Tương lai của bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID sẽ tiếp tục được cải tiến với sự phát triển của công nghệ. Các nghiên cứu mới sẽ tập trung vào việc tối ưu hóa các tham số điều khiển và phát triển các thuật toán điều khiển thông minh hơn.

5.2. Hướng phát triển nghiên cứu trong lĩnh vực điều khiển

Nghiên cứu trong lĩnh vực điều khiển sẽ tiếp tục mở rộng, với nhiều ứng dụng mới trong các lĩnh vực như robot, tự động hóa và trí tuệ nhân tạo. Việc kết hợp các công nghệ mới sẽ tạo ra những cơ hội mới cho việc phát triển các hệ thống điều khiển hiệu quả hơn.