Đề tài nghiên cứu điều khiển cánh tay robot thiếu dẫn động hai bậc tự do pendubot
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.19 MB, 79 trang )
Untitled
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
S K C 0 0 3 9 5 9
CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN
NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN CÁNH TAY ROBOT
THIẾU DẪN ĐỘNG HAI BẬC TỰ DO - PENDUBOT
MÃ SỐ: SV2020-158
S KC0 0 7 3 4 3
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 08/2020
Bà GIÁO DĀC VÀ ĐÀO T¾O
TR¯âNG ĐH S¯ PH¾M KỸ THUÀT TPHCM
BÁO CO TọNG KắT
ị TI NGHIấN CU KHOA HC CỵA SINH VIấN
SV2020-158
Ch nhiỏm đß tài: TRÀN MINH ĐĀC
TP Hã Chí Minh, 08/2020
NGHIÊN CU IịU KHIN CNH TAY ROBOT THIắU DắN ịNG
HAI BÀC TĀ DO - PENDUBOT
Bà GIÁO DĀC VÀ ĐÀO T¾O
TR¯âNG ĐH S¯ PH¾M KỸ THUÀT TPHCM
BO CO TọNG KắT
ị TI NGHIấN CU KHOA HC CỵA SINH VIấN
NGHIấN CU IịU KHIN CNH TAY ROBOT THIắU DắN ịNG
HAI BC TĀ DO - PENDUBOT
SV2020-158
Thuác nhóm ngành khoa học: ĐiÃu khiÅn học kỹ thuÃt
SV thāc hián: TrÁn Minh Đāc Nam, Nÿ: Nam
Dân tác: Kinh
Lßp, khoa: 16151CL3 - Đào t¿o Ch¿t L°ÿng Cao Năm thā:4/Sá năm đào t¿o: 4
Ngành học: Công nghá Kỹ thuÃt ĐiÃu khiÅn và Tā đáng hóa
Ng°ái h°ßng dÁn: PGS. TS. Ngun Minh Tâm
TP Hã Chí Minh, 08/2020
MĀC LĀC
LâI CÀM ¡N ................................................................................................................ 1
LâI NÓI ĐÀU ................................................................................................................ 2
TÓM TÂT ...................................................................................................................... 3
1. Đặt v¿n đß .............................................................................................. 4
2. Lý do chán đß tài .................................................................................... 4
3. Đái t°ÿng nghiên cāu ............................................................................. 5
4. Ph°¢ng pháp nghiên cāu ........................................................................ 5
5. Ph¿m vi nghiên cāu ................................................................................ 6
6. Ý nghĩa khoa hác .................................................................................... 6
CH¯¡NG 1: TäNG QUAN VÞ Hà PENDUBOT .................................................... 8
1.1 Giái thiáu vß há pendubot ....................................................................... 8
1.2 Mơ tÁ tốn hác há Pendubot ................................................................... 8
1.2.1 C¢ så khoa hác ....................................................................................... 8
1.2.2 Thành lÁp ph°¢ng trình đßng hác cho há Pendubot ................................ 9
1.3 u cÁu đißu khián há pendubot å các vß trí b¿t ån đßnh ....................... 14
1.3.1 Xét tính đißu khián đ°ÿc å vß trí TOP ................................................ 15
1.3.2 Xét tính đißu khián đ°ÿc å vß trí MID ................................................... 16
CH¯¡NG 2: GIàI THIàU PHÀN CĀNG VÀ PHÀN MÞM ............................ 18
2.1 Vi x lớ LAUNCHXL-F28379D C2000 ................................................. 18
2.3 òng c 24VDC M.A.E ........................................................................ 19
2.4 CÁu H IR2184 ...................................................................................... 19
2.5 Module giao tiëp UART sư뀉 dwng IC CP2102 ........................................ 20
CH¯¡NG 3: MƠ HÌNH HĨA VÀ NHÀN D¾NG Hà THàNG PENDUBOT .... 21
3.1. Phân tích đáp āng quá ò bng phÂng phỏp phõn tớch ỏp ng xung ... 21
3.1.1. Nhißu DC (Mean) = 0; Nhißu AC (Var) = 0 ....................................... 21
3.1.2. Nhißu DC (Mean) = 0.1; Nhißu AC (Var) = 0 .................................... 22
3.1.3. Nhißu DC (Mean) = 0; Nhißu AC (Var) = 0.01 .................................. 22
3.1.4. Nhißu DC (Mean) = 0.1; Nhißu AC (Var) = 0.01 ................................ 23
3.2 Phân tích đáp āng q đß bằng ph°¢ng pháp phân tích đáp āng n¿c ....... 23
3.2.1 Nhißu DC=0; VAR=0......................................................................... 24
3.2.2 Nhißu DC=0.1, VAR=0 ...................................................................... 24
3.2.3 Nhißu DC=0; VAR=0.001 .................................................................. 25
3.2.4 Nhißu DC=0.1; VAR=0.001 ............................................................... 26
3.3 Phân tích đáp āng q đß bằng ph°¢ng pháp phân tích t°¢ng quan ........ 26
3.3.1 Nhißu DC=0; VAR=0......................................................................... 27
3.3.2 Nhißu DC=0.1; VAR=0 ...................................................................... 28
3.3.3 Nhißu DC=0; VAR=0.001 .................................................................. 28
3.3.4 Nhißu DC=0.1, VAR=0.001 ................................................................ 28
3.3.5 NhÁn xét cho phân tích ỏp ng quỏ ò bng phÂng phỏp phõn tớch
tÂng quan ................................................................................................ 29
3.4 Phân tích đáp āng tÁn sá bằng ph°¢ng pháp kiám tra sóng sin ................ 29
3.4.1. KhÁo sát t¿i link 1 cÿa đái t°ÿng ...................................................... 29
3.4.2 KhÁo sát t¿i link 2 cÿa đái t°ÿng ....................................................... 31
3.4.3 NhÁn xét ph°¢ng pháp ...................................................................... 32
3.5 Phân tích tÁn sá bằng ph°¢ng pháp t°¢ng quan ...................................... 32
3.5. PhÂng trỡnh hm truyòn ca hỏ thỏng Pendubot ................................... 34
3.6. NhÁn d¿ng mơ hình có tham sá khi khơng nhißu ..................................... 34
3.6.1. C¿u trúc ARX .................................................................................. 34
3.6.2. C¿u trúc ARMAX ............................................................................ 35
3.6.3. C¿u trúc OE ..................................................................................... 37
3.6.4. C¿u trúc BJ ...................................................................................... 38
3.6.5. NhÁn xét các mơ hình khi khơng có nhißu ......................................... 39
3.7. NhÁn d¿ng mơ hình có tham sá khi có nhißu ........................................... 40
3.7.1. Nhißu DC=0.1; AC=0........................................................................ 40
3.7.2. Nhißu DC = 0.3; AC=0 ...................................................................... 42
3.7.3. Nhißu DC=0; AC=0.03 ...................................................................... 43
3.7.4. Nhißu DC=0; AC=0.1........................................................................ 45
3.7.5. Nhißu DC=0.15; AC=0.03 ................................................................. 46
3.3.6. NhÁn xét ........................................................................................... 48
CH¯¡NG 4: C¡ Sä LÝ THUY¾T ........................................................................... 49
4.1 Giới thiệu giải thu¿t điều khiển tuyến tính d¿ng tồn phương LQR ......... 49
4.2 Giới thiệu giải thu¿t Swing up ............................................................... 50
4.2.1 Thiët kë bß đißu khián swing-up vß trí top ( �Ā = �ā và �ā = ÿ ) ..... 50
4.2.2 Thiët kë bß đißu khián swing-up vß trí middle ( �Ā = 2�ā và �ā = � )
.................................................................................................................. 52
4.3 Giái thiáu giÁi thuÁt di truyßn GA ..................................................... 53
4.3.1 L°u đã giÁi tht cÿa tht tốn di trun ..................................... 55
4.4 Giới thiệu phần mềm Matlab của Matworks ........................................... 55
CH¯¡NG 5 P NG THC Tắ KHI IịU KHIN ......................................... 56
5.1 Kët q mơ phßng bß đißu khián swing up (top+middle) và cân bằng LQR
..................................................................................................................... 56
CH¯¡NG 6: K¾T LUÀN ........................................................................................... 62
6.1 Kët quÁ đ¿t đ°ÿc ..................................................................................... 62
6.2 H°áng phát trián ..................................................................................... 62
DANH MĀC BÀNG BIàU
Tên bÁng Trang sá
Bảng 1.1 Thông số các đại lượng của hệ thống hệ Pendubot 9
Bảng 1.2 Bảng DH hệ Pendubot 10
Bảng 3.1 So sánh các cấu trúc 40
DANH MĀC CÁC BIàU Đâ, S¡ Đâ, HÌNH ÀNH
Tên biáu đã, s¢ đã, hình Ánh Trang sá
Hình 1.1 Cấu trục hệ Pendubot trên trục tọa độ Oxyz 9
Hình 1.2 Cấu trúc động cơ DC 13
Hình 1.3 ;0
2
ư ư
÷ ÷
ø ø
14
Hình 1.4 ;
2
ư ư
÷ ÷
ø ø
14
Hình 1.5 ;
2
ư ư
÷ ÷
ø ø
15
Hình 1.6 ;0
2
ư ư
÷ ÷
ø ø
15
Hknh 2.1 Vi đi�u khiऀn LAUNCHXL-F28379D C2000. 18
Hknh 2.2 Encoder E6B2-CWZ6C OMRON 1000PPR. 18
Hknh 2.3 Động cơ 24VDC của M.A.E. 19
Hknh 2.4 C�u H IRF3205 19
Hknh 2.5 Cऀng kĀt nối UART giư뀃a máy tknh vc vi đi�u khiऀn 20
Hình 3.1 Thí nghiệm thu thập dư뀃 liệu phân tkch đáp ứng xung 21
Hình 3.2 Phân tkch đáp ứng xung được thiĀt kĀ cho hệ
Pendubot
Hình 3.3 Đồ thị biऀu diễn hệ Pendubot trước và sau khi nhận
dạng khi không nhiễu; Sai số của hệ sau khi nhận dạng
21
Hình 3.4 Đồ thị biऀu diễn hệ Pendubot trước và sau khi nhận
dạng khi nhiễu DC; Sai số của hệ sau khi nhận dạng
21
Hình 3.5 Đồ thị biऀu diễn hệ Pendubot trước và sau khi nhận
dạng khi nhiễu AC; Sai số của hệ sau khi nhận dạng
22
Hình 3.6 Đồ thị biऀu diễn hệ Pendubot trước và sau khi nhận dạng
khi nhiễU DC và AC; Sai số của hệ sau khi nhận dạng
23
Hình 3.7 Thí nghiệm thu thập dư뀃 liệu phân tkch đáp ứng nấc 23
Hình 3.8 Phương pháp phân tkch đáp ứng nấc được thiĀt kĀ
cho hệ Pendubot
23
Hình 3.9 Đồ thị biऀu diễn hệ Pendubot trước và sau khi nhận
dạng khi không nhiễu; Sai số của hệ sau khi nhận dạng
24
Hình 3.10 Đồ thị biऀu diễn hệ Pendubot trước và sau khi nhận
dạng khi nhiễU DC; Sai số của hệ sau khi nhận dạng
25
Hình 3.11 Đồ thị biऀu diễn hệ Pendubot trước và sau khi nhận
dạng khi nhiễU AC; Sai số của hệ sau khi nhận dạng
25
Hình 3.12 Đồ thị biऀu diễn hệ Pendubot trước và sau khi nhận dạng
khi nhiễu DC và AC; Sai số của hệ sau khi nhận dạng
26
Hình 3.13 Thí nghiệm thu thập dư뀃 liệu phân tkch tương quan 26
Hình 3.14 Phân tkch phương pháp trên hệ Pendubot 27
Hình 3.15 Đồ thị biऀu diễn hệ Pendubot trước và sau khi nhận
dạng khi không nhiễu; Sai số của hệ sau khi nhận dạng
27
Hình 3.16 Đồ thị biऀu diễn hệ Pendubot trước và sau khi nhận
dạng khi nhiễu DC; Sai số của hệ sau khi nhận dạng
28
Hình 3.17 Đồ thị biऀu diễn hệ Pendubot trước và sau khi nhận
dạng khi nhiễu AC; Sai số của hệ sau khi nhận dạng
28
Hình 3.18 Đồ thị biऀu diễn hệ Pendubot trước và sau khi nhận dạng
khi nhiễu DC và AC; Sai số của hệ sau khi nhận dạng
29
Hình 3.19 Sơ đồ Simulink mơ tả phương pháp kiऀm tra sóng
sin cho hệ Pendubot
29
Hình 3.20 Đáp ứng ngỏ vào ra của hệ Pendubot và giản đồ
Bode hệ thống
30
Hình 3.21 Giản đồ Bode pha sau khi thu thập dư뀃 liệu 40 l�n
Hình 3.22 Giản đồ Bode biên sau khi thu thập dư뀃 liệu 40 l�n
30
Hình 3.23 giản đồ bode thực của hệ xét tại link 2 31
Hình 3.24 giản đồ Bode pha và biên sau khi thu thập dư뀃 liệu 31
Hình 3.25 Gian đồ Bode thực của hệ tại link 1 32
Hình 3.26 giản đồ Bode pha sau khi nhận dạng 33
Hình 3.27 giản đồ Bode biên sau khi nhận dạng 33
Hình 3.28 Tkn hiệu vco ra của hệ thống khi khơng nhiễu 34
Hình 3.29 Đồ thị v� cấu trúc ARX được tùy chỉnh theo các bậc
khác nhau
35
Hình 3.30 Giá trị best fits của cấu trúc ARX khi không nhiễu 35
Hình 3.31 KĀt quả phương trình [arx441], best fit = 96.18 35
Hình 3.32 Tkn hiệu vco ra của hệ thống Pendubot với cấu trúc
ARMAX
36
Hình 3.33 Đồ thị v� cấu trúc ARMAX được tùy chỉnh theo các
bậc khác nhau
36
Hình 3.34 giá trị best fits của cấu trúc ARMAX khi khơng
nhiễu
37
Hình 3.35 KĀt quả phương trình [amx2221], best fit = 95.58 37
Hình 3.36 Đồ thị v� cấu trúc OE được tùy chỉnh theo các bậc
khác nhau
38
Hình 3.37 giá trị best fits của cấu trúc OE khi không nhiễu 38
Hình 3.38 KĀt quả phương trình [oe421], best fit = 99.51 38
Hình 3.39 Đồ thị v� cấu trúc BJ được tùy chỉnh theo các bậc
khác nhau
39
Hình 3.40 giá trị best fits của cấu trúc BJ khi khơng nhiễu 39
Hình 3.41 KĀt quả phương trình [bj42122], best fit = 89.41 39
Hình 3.42 Hệ Pendubot được thiĀt kĀ với cấu trúc ARX,
ARMAX, OE, BJ khi có nhiễu DC nhỏ vc khơng nhiễu AC
40
Hình 3.43 Các giá trị best fits với các cấu trúc 41
Hình 3.44 Phương trình cấu trúc ARX 41
Hình 3.45 Phương trình cấu trúc ARMAX 41
Hình 3.46 Phương trình cấu trúc OE 41
Hình 3.47 Phương trình cấu trúc BJ 42
Hình 3.48 Hệ Pendubot được thiĀt kĀ với cấu trúc ARX,
ARMAX, OE, BJ khi có nhiễu DC lớn vc khơng nhiễu AC
42
Hình 3.49 Các giá trị best fits với các cấu trúc 42
Hình 3.50 Phương trình cấu trúc ARX 42
Hình 3.51 Phương trình cấu trúc ARMAX 43
Hình 3.52 Phương trình cấu trúc OE 43
Hình 3.53 Phương trình cấu trúc BJ 43
Hình 3.54 Hệ Pendubot được thiĀt kĀ với cấu trúc ARX, ARMAX,
OE, BJ khi có nhiễu AC nhỏ vc khơng nhiễu DC
43
Hình 3.55 Các giá trị best fits với các cấu trúc 44
Hình 3.56 Phương trình cấu trúc ARX 44
Hình 3.57 Phương trình cấu trúc ARMAX 44
Hình 3.58 Phương trình cấu trúc OE 44
Hình 3.59 Phương trình cấu trúc BJ 45
Hình 3.60 Hệ Pendubot được thiĀt kĀ với cấu trúc ARX,
ARMAX, OE, BJ khi có nhiễu AC lớn vc khơng nhiễu DC
45
Hình 3.61 Các giá trị best fits với các cấu trúc 45
Hình 3.62 Phương trình cấu trúc ARX 46
Hình 3.63 Phương trình cấu trúc ARMAX 46
Hình 3.64 Phương trình cấu trúc OE 46
Hình 3.65 Phương trình cấu trúc BJ 46
Hình 3.66 Hệ Pendubot được thiĀt kĀ với cấu trúc ARX,
ARMAX, OE, BJ khi có nhiễu AC vc nhiễu DC
46
Hình 3.67 Các giá trị best fits với các cấu trúc 47
Hình 3.68 Phương trình cấu trúc ARX 47
Hình 3.69 Phương trình cấu trúc ARMAX 47
Hình 3.70 Phương trình cấu trúc OE 47
Hình 3.71 Phương trình cấu trúc BJ 48
Hình 4.1 Cấu trúc bộ đi�u khiऀn LQR 49
Hình 4.2 Sơ đồ khối giải thuật đi�u khiऀn Swing-up 50
Hình 4.3 Vị trí TOP của hệ Pendubot 51
Hình 4.4 Sơ đồ đi�u khiऀn swing-up vị trí TOP 52
Hình 4.5 Vị trí Middle của hệ Pendubot 53
Hình 4.6 Sơ đồ giải thuật di truy�n tऀng quát 54
Hình 4.7 Sơ đồ giải thuật di truy�n GA 55
Hình 5.1 Sơ đồ thiĀt kĀ bộ đi�u khiऀn 56
Hình 5.2 KĀt quả mơ phỏng góc và vận tốc của link 1 và link
2 vị trí top của hệ Pendubot
58
Hình 5.3 KĀt quả mơ phỏng điện áp cấp cho hệ Pendubot ở
vị trí TOP
58
Hình 5.4 KĀt quả thực nghiệm góc và vận tốc của link 1 và
link 2 trên thực nghiệm ở vị trí TOP
59
Hình 5.5 KĀt quả điện áp cấp cho động cơ thực nghiệm ở vị
trí TOP
59
Hình 5.6 KĀt quả góc và vận tốc link 1 và link 2 trên mơ
phỏng ở vị trí middle
60
Hình 5.7 KĀt quả điện áp cấp từ động cơ trên mơ phỏng ở vị
trí middle.
60
Hình 5.8 Góc và vận tốc link 1 và link 2 trên thực nghiệm ở vị
trí middle.
61
Hình 5.9 Điện áp cấp cho động cơ trên thực nghiệm ở vị trí
middle.
61
DANH MĀC TĂ VI¾T TÂT
Tă viët tÃt Nguyên nghĩa
LQR Linear–quadratic regulator
GA Genetic Algorithm
PID Proportional–Integral–Derivative
SIMO Single Input Multiple Output
ARX Auto-Regressive eXternal Input Model
ARMAX Auto-Regressive Moving Average
eXternal Input Model
OE Output Error Model
BJ Box-Jenkins Model
Bà GIÁO DĀC VÀ ĐÀO T¾O
TR¯âNG ĐH S¯ PH¾M KỸ THUÀT TPHCM
THễNG TIN KắT QU NGHIấN CU CỵA ị TI
1. Thông tin chung:
- Tên đà tài: NGHIÊN CĀU ĐIÂU KHIÄN CÁNH TAY ROBOT THIÀU DÀN
ĐàNG HAI BÂC TĀ DO - PENDUBOT
- SV thāc hián: TrÁn Minh Đāc Mã sá SV: 16151019
- Lßp: 16151CL3 Khoa: CLC Năm thā: 4 Sá năm đào t¿o: 4
- Thành viên đà tài:
Stt Há và tên MSSV Láp Khoa
1 VÕ MINH TÀI 16151313 16151CL3 CLC
2 TRÀN QUàC C¯àNG 16151008 16151CL3 CLC
- Ng°ái h°ßng dÁn: PGS. TS. Nguyßn Minh Tâm
2. Mwc tiêu đß tài:
Xây dāng ph°¢ng trình đáng học há tháng Pendubot dāa trên đáng học nghịch –
thuÃn cÿa Kỹ thuÃt Robot.
NhÃn d¿ng há tháng Pendubot bằng các ph°¢ng pháp nhÃn d¿ng mơ hình có tham
sá và khơng tham sá.
Mơ phßng há tháng trên phÁn mÃm Matlab/Simulink, mơ phßng điÃu khiÅn ổn định
há tháng bằng giải thuÃt điÃu khiÅn tái °u tồn ph°¢ng tun tính LQR, mơ phòng iu
khin Swing up hỏ thỏng bng phÂng phỏp năng l°ÿng.
Xây dāng mơ hình thāc cÿa há tháng, điÃu khiÅn thāc tÁ há tháng đÅ đánh giá kÁt
quả vßi mơ phßng.
Mơ hình hóa và nhÃn d¿ng há tháng Pendubot bằng ph°¢ng pháp có tham sá và
khơng tham sá.
3. Tính mái và sáng t¿o:
Ch°¢ng trình điÃu khiÅn há tháng đ°ÿc nhúng bằng phÁn mÃm Matlab vßi th° vián
Embedded Coder Support Package for Texas Instrument C2000 Processors cÿa vi xử lý
LAUNCHXL-F28379D.
4. Kët q nghiên cāu:
Nghiên cāu tính tốn ph°¢ng trình đáng học cho há tháng Pendubot.
Nghiên cāu tìm hiÅu và lý thut nhÃn d¿ng mơ hình há tháng, lý thut bá điÃu
khiÅn tái °u tồn ph°¢ng tun tính LQR, ph°¢ng pháp Swing up bằng năng l°ÿng, tìm
thơng sá tái °u bằng ph°¢ng pháp giải tht di trun GA.
Thāc hián mơ phßng há tháng, mơ hßng các giải tht điÃu khiÅn vßi đái t°ÿng
Pendubot, tìm thông sá tái °u cho há tháng.
Nghiên cāu xây dāng mơ hình thāc tÁ há tháng Pendubot, áp các bá điÃu khiÅn lên
há tháng thāc, sau đó đánh giá l¿i kÁt quả thāc tÁ.
5. Đóng góp vß mặt giáo dwc và đào t¿o, kinh të - xã hßi, an ninh, qc phịng và
khÁ năng áp dwng cÿa đß tài:
ĐÃ tài
BÂC TĀ DO - PENDUBOT= s¿ hß trÿ đắc lāc trong q trình giảng d¿y, học tÃp và
nghiên cāu khoa học cho giảng viên cũng nh° sinh viên tr°áng Đ¿i học S° ph¿m Kỹ
tht TPHCM. Viác áp dāng mơ hình há tháng s¿ giúp ng°ái học kiÅm chāng l¿i các
giải tht khác, ph°¢ng pháp điÃu khiÅn khác nhau nhằm tìm ra giải thuÃt tái °u cho
từng āng dāng cā thÅ.
6. Công bá khoa hác cÿa SV tă kët quÁ nghiên cāu cÿa đß tài:
Ngày tháng năm
SV chßu trách nhiám chính
thāc hián đß tài
(kk, họ vc tên)
NhÁn xét cÿa ng°ãi h°áng d¿n vß nhÿng đóng góp khoa hác cÿa SV thāc hián đß
tài:
Ngày tháng năm
Ng°ãi h°áng d¿n
(kk, họ vc tên)
1
LâI CÀM ¡N
Tr°ßc tiên, nhóm sinh viên xin chân thành cảm ¢n thÁy Ngun Minh Tâm, ng°ái
đã tÃn tình h°ßng dÁn và trun đ¿t kiÁn thāc giúp nhóm sinh viên hồn thành đà tài
Nghiên cāu khoa học này. Và quan trọng hÂn ht, thy l ngỏi ó gi mò cho nhúm
sinh viên mát h°ßng nghiên cāu mà nhóm cảm th¿y quan tâm và mong muán theo đuổi.
Bên c¿nh đó, nhóm sinh viên xin chân thành cảm ¢n đÁn thÁy Đặng Xuân Ba,
thÁy Nguyßn Văn Thái, thÁy Vũ Văn Phong thuác bá môn Tā đáng điÃu khiÅn đã
định h°ßng và hß trÿ mát sá phÁn quan trọng cho viác học tÃp, nghiên cāu và phát triÅn
đà tài.
Ngồi ra, nhóm sinh viên cũng gßi lái cảm ¢n đÁn tÃp thÅ lßp 16151CL3 đã hß trÿ
nhóm r¿t nhiÃu trong quá trình thāc hián đà tài.
Cuái cùng, nhóm sinh viên xin chân thành cảm ¢n sā quan tâm, hß trÿ, t¿o điÃu
kián và đáng viên và vÃt ch¿t lÁn tinh thÁn cÿa các thành viên trong gia đình.
TP Hồ Chí Minh, Ngày& tháng &năm &
Nhóm sinh viên thāc hián
2
LâI NĨI ĐÀU
õư
ThÁ gißi ngày nay vßi sā phát triÅn không ngừng cÿa khoa học kỹ thuÃt, khoa học
kỹ thuÃt đem l¿i nhÿng giá trị thiÁt thāc cho cc sáng con ng°ái. Vßi viác cc cách
m¿ng Cơng nghiáp 4.0 đang đÁn gÁn, sā phát triÅn không ngừng cÿa ngành kỹ thuÃt
ĐiÃu KhiÅn Tā Đáng đã mang đÁn nhÿng thay to lßn trong khoa học và cơng nghá cũng
nh° trong nhu cÁu đái sáng con ng°ái. Nhá sā phát triÅn đó, các thiÁt bị máy móc, robot
ngày càng trß nên thơng minh và chính xác h¢n, các cơng viác đ°ÿc thāc hián nhanh
chóng và hiáu quả.
Trong lĩnh vāc điÃu khiÅn tā đáng, kỹ tht điÃu khiÅn thơng minh, điÃu khiÅn hián
đ¿i vßi các āng dāng cÿa m¿ng n¢ron, PID kinh điÅn, logic má, điÃu khiÅn lai& đang
đ°ÿc xem là ngành kỹ tht cÿa t°¢ng lai, nhá có nó mà máy móc, robot ngày càng đ¿t
đ°ÿc sā ổn định tái °u nh¿t. Đái vßi sinh viên chuyên ngành ĐiÃu khiÅn Tā đáng, vßi
sā u thích, đam mê, cùng vßi nhÃn th¿y đây là mát lĩnh vāc mßi, hāa hẹn mß ra nhiÃu
triÅn vọng mßi. Nhằm đóng góp nghiên cāu, ng°ái thāc hián quyÁt định chọn đà tài:
Mặc dù ng°ái thāc hián đà tài đã cá gắng hoàn thành nhiám vā đà tài đặt ra và
đúng thái h¿n quy định nh°ng chắc chắn s¿ khơng tránh khßi nhÿng thiÁu sót, mong q
ThÁy/Cơ và các b¿n sinh viên thông cảm. Ng°ái thāc hián đà tài r¿t mong nhÃn đ°ÿc
nhÿng ý kiÁn đóng góp cÿa q ThÁy/Cơ và các b¿n sinh viên đÅ đà tài đ°ÿc hoàn thián
h¢n nÿa.
Xin chân thành cảm ¢n!
NG¯àI THĀC HIàN Đ TÀI
TRÀN MINH ĐĀC
VÕ MINH TÀI
TRÀN QUàC C¯âNG
3
TĨM TÂT
Trong cơng trình này, nhóm sinh viên đã xây dāng mơ hình thāc tÁ há Pendubot.
Nhóm sinh viên thāc hián tính tốn đáng học thuÃn và đáng học nghịch cÿa robot. Dāa
trên c¢ sß này, nhóm sinh viên lÃp trình bằng phÁn mÃm Matlab và sử dāng nÃn tảng vi
xử lý LAUNCHXL-F28379D đÅ điÃu khiÅn há tháng Pendubot.
KÁt quả thāc nghiám đ¿t đ°ÿc: sinh viên đã xây dāng thành công mô hình thāc
nghiám há tháng Pendubot thơng qua giao tiÁp máy tính giÿa phÁn mÃm
Matlab/Simulink vßi vi điÃu khiÅn LAUNCHXL-F28379D bằng bá th° vián Embedded
Coder Support Package for Texas Instrument C2000 Processors đ°ÿc Matlab hß trÿ. KÁt
quả thāc nghiám cho th¿y ph°¢ng pháp điÃu khiÅn swing up và ổn định há tháng có hiáu
quả cao.
Nhiỏm v
ữ Giòi thiỏu vi iu khin LAUNCHXL-F28379D và bá th° vián Embedded
Coder Support Package for Texas Instrument C2000 Processors trên phÁn
mÃm Matlab/Simulink.
÷ Lắp ráp mơ hình phÁn cāng và đián tử cho mơ hình thāc há cánh tay robot
2 bÃc tā do.
÷ LÃp trình ch°¢ng trình điÃu khiÅn trên Simulink cÿa Matlab.
÷ ĐiÃu khiÅn Swing-up và ổn định há pendubot.
÷ Tìm hiÅu lý thuyÁt và đáng lāc robot, các lý thuyÁt cÿa kỹ thuÃt robot đÅ
xây dāng há tháng.
ữ Tỡm hiu lý thuyt swing-up bng phÂng phỏp nng l°ÿng.
÷ Tìm hiÅu lý thut giải tht di trun.
÷ Mơ hình hóa và nhÃn d¿ng há tháng Pendubot.
4
PHÀN Mä ĐÀU
1. Đặt v¿n đß
Trong nhÿng thÃp niên gÁn đây, khái niám robot đÅ phāc vā nhu cÁu sản
xu¿t trong môi tr°áng công nghiáp. GÁn đây hàng lo¿t robot đã đ°ÿc sản xu¿t
vßi nhÿng māc đích và nhÿng yêu cÁu khác nhau. Robotics đ°ÿc hiÅu là mát
ngành khoa học có nhiám vā nghiên cāu thiÁt kÁ chÁ t¿o robot và āng dāng chúng
trong các ho¿t đáng khác nhau cÿa xã hái loài ng°ái, nh° nghiên cāu khoa học –
kỹ thuÃt, kinh tÁ, quác phòng và dân sinh.
Cùng vßi sā phát triÅn cÿa xã hái, khoa học kĩ thuÃt, các ph°¢ng pháp điÃu
khiÅn hián đ¿i, điÃu khiÅn thơng minh, ra đái. Các ph°¢ng pháp này ngày càng
đ°ÿc nghiên cāu, phát triÅn, āng dāng ráng rãi.
Há tháng Pendubot đ°ÿc thāc hián trong đÅ tài là mát há SIMO (Single-
Input and Multiple-Output) vßi nhiÃu ngõ vào điÃu khiÅn và nhiÃu ngõ ra. Nhằm
nâng cao khả năng áp dāng các giải thuÃt điÃu khiÅn tơi °u cho há cánh tay robot
tr°ßc tiên chúng ta cÁn nắm rõ và ph°¢ng trình đáng học há tháng.
Thāc hián đà tài
bÃc tā do - Pendubot= là r¿t cÁn thiÁt cho v¿n đà giảng d¿y và nghiên cāu t¿i
tr°áng Đ¿i học S° ph¿m Kỹ tht thái điÅm hián t¿i. Vì đây là mát mơ hình r¿t
điÅn hình cÁn phải có ß b¿t kỳ mát tr°áng Đ¿i học, Cao đẳng nào theo h°ßng
chuyên ngành kỹ thuÃt t¿i Viát Nam, nh¿t là ngành điÃu khiÅn tā đáng hóa, đián
cơng nghiáp, c¢ đián tử& Viác xây dāng mơ hình s¿ giúp ích cho cơng tỏc ging
dy trc quan hÂn, dò dng kim chng vßi các giải thuÃt điÃu khiÅn trên lý
thuyÁt, là c sò nghiờn cu khoa hc cho c ging viờn và sinh viên t¿i tr°áng.
2. Lý do chán đß tài
Há tháng Pendubot r¿t th°áng đ°ÿc sử dāng trong các phịng thí nghiám
điÃu khiÅn tā đáng. ThiÁt kÁ c¢ khí đ¢n giản và có tính phi tun làm mơ hình
này phù hÿp trong viác thử nghiám các giải thuÃt điÃu khiÅn cũng nh° viác giảng
d¿y điÃu khiÅn tā đáng trong các ch°¢ng trình đ¿i học hay cao học.
Hai bài tốn c¢ bản nghiên cāu và há tháng Pendubot là Swing up,
Balancing:
÷ Swingup: đây là bá điÃu khiÅn đ°a 2 thanh cÿa há tháng Pendubot từ vị
trí h°ßng xng đÁn lân cÃn vị trớ thng ng hòng lờn.
5
ữ Balancing: õy là bá điÃu khiÅn giúp 2 thanh trên há tháng đāng ß vị trí
MID và TOP khơng bị ngã và đồng thái cũng giÿ xe ß vị trí cá định cho
tr°ßc.
Các giải pháp điÃu khiÅn thơng minh, điÃu khiÅn hián đ¿i ngày càng đ°ÿc
quan tâm nghiên cāu đÅ thāc hián các āng dāng mà các giải pháp điÃu khiÅn
thông th°áng không thāc hián đ°ÿc. ĐÃ tài
robot thiÁu dÁn đáng hai bÃc tā do - Pendubot= mang l¿i kÁt quả nghiên cāu cho
mát bá điÃu khiÅn phi tuyÁn trên há under-actuated. Đồng thái, mơ hình phÁn
cāng há Pendubot cũng là mát mơ hình thí nghiám đÅ tiÁp tāc công viác nghiên
cāu, đ°a ra các giải thuÃt điÃu khiÅn khác.
3. Đái t°ÿng nghiên cāu
- Nghiên cāu ph°¢ng trình tốn học cÿa há Pendubot.
- Nghiên cāu b¿t đẳng thāc Lyapunov tìm kiÁm thơng sá điÃu khiÅn cÿa bá
điÃu khiÅn tr°ÿt thā bÃc.
- Nghiên cāu giải tht di trun tìm kiÁm thơng sá điÃu khiÅn tái °u cho bá
điÃu khiÅn tr°ÿt thā bÃc.
- Nghiên cāu lÃp trình mơ phßng Matlab cho há tháng đÅ ổn định cân bằng há
Pendubot.
- Nghiên cāu lÃp trình trên Matlab/Simulink đÅ điÃu khiÅn mơ hình thāc
nghiám Pendubot.
- Nghiên cāu nhÃn d¿ng há Pendubot bằng ph°¢ng pháp khơng tham sá và có
tham sá.
4. Ph°¢ng pháp nghiên cāu
Dāa vào c¿u t¿o phÁn cāng và các đặc tính vÃt lý cÿa há tháng, sinh viên
xây dāng ph°¢ng trình tốn học cÿa há tháng (dùng ph°¢ng pháp đáng học thuÃn
– nghịch). Há tháng khơng chỉ có c¿u trúc c¢ khí mà cịn b nh hòng bòi loi
ỏng c DC c s dāng. Tuy đáng c¢ DC là mát mơ hình đ¢n giản nh°ng
ph°¢ng trình tốn học cũng nh° thơng sá ca nú cng cn cp tòi. Sau ú,
phÂng pháp điÃu khiÅn (ß đây là tr°ÿt thāc bÃc cho há SIMO) cũng s¿ đ°ÿc
trình bày và phân tích đÅ có thÅ điÃu khiÅn đ°ÿc cả vị trí cân bằng cá định cho há
Pendubot. Do sā sai lách cÿa viác đo đ¿c thơng sá mơ hình cũng nh° sai sá trong
6
viác nhÃn d¿ng đáng c¢, giải tht GA cÁn đ°ÿc áp dāng đÅ tìm thơng sá tái °u
nh¿t trên mơ phßng đÅ thơng sá điÃu khiÅn tìm đ°ÿc trên mơ phßng sát nh¿t vßi
thơng sá điÃu khiÅn đ°ÿc trên mơ hình thāc nghiám. Bá điÃu khiÅn tr°ÿt đ°ÿc
xây dāng và tái °u hóa thơng qua viác lÃp trình trên cơng cā Matlab/Simulink.
Các ph°¢ng pháp nghiên cāu đ°ÿc sử dāng trong luÃn văn bao gồm:
- Khảo sát, phân tích tổng hÿp: Khảo sát mát sá mơ hình, mơ phßng thāc tÁ đang
có từ các ln văn tr°ßc và các bài báo trên m¿ng internet, từ đó mơ phßng l¿i
bằng phÁn mÃm Matlab/simulink đÅ so sánh vßi kÁt quả đã có nhằm rút ra nhÿng
kinh nghiám trong viác mơ phßng.
- Mơ phßng trên máy tính: PhÁn nghiên cāu đ°ÿc kiÅm chāng bằng viác mơ
phßng và đánh giá trên phÁn mÃm Matlab/Simulink.
- ThiÁt kÁ mơ hình thāc nghiám: Mơ hình thāc nghiám đ°ÿc xây dāng đÅ kiÅm
chāng l¿i và đánh giá l¿i các kÁt quả mô phßng.
5. Ph¿m vi nghiên cāu
- Gißi thiáu vi điÃu khiÅn LAUNCHXL-F28379D và bá th° vián Embedded
Coder Support Package for Texas Instrument C2000 Processors trên phÁn
mÃm Matlab/Simulink.
- Lắp ráp mơ hình phÁn cāng và đián tử cho mơ hình thāc há cánh tay robot 2
bÃc tā do.
- LÃp trình ch°¢ng trình điÃu khiÅn trên Simulink cÿa Matlab.
- ĐiÃu khiÅn Swing-up và ổn định há pendubot.
- Tìm hiÅu lý thuyÁt và đáng lāc robot, các lý thuyÁt cÿa kỹ thuÃt robot đÅ xây
dāng há tháng.
- Tìm hiÅu lý thuyÁt swing-up bằng ph°¢ng pháp năng l°ÿng.
- Tìm hiÅu lý thut giải tht di trun.
- Mơ hình hóa và nhÃn d¿ng há tháng Pendubot.
6. Ý nghĩa khoa hác
Nghiên cāu há Pendubot và giải thuÃt tr°ÿt (cân bằng) giúp kiÅm chāng l¿i
giải thuÃt phi tuyÁn trên đái t°ÿng thāc. Qua đó, hß trÿ kiÁn thāc nÃn tảng cho
viác nghiên cāu giải thuÃt tr°ÿt, ph°¢ng pháp điÃu khiÅn cân bằng cho há
Pendubot. Ngồi ra, viác nghiên cāu có thÅ mß ráng cho các há SIMO khác nh°
7
con lắc ng°ÿc quay, bóng thanh, con lắc ng°ÿc hai bÃc trên xe ..., t¿o nÃn tảng
nghiên cāu sau này.
8
PHÀN NÞI DUNG
CH¯¡NG 1: TäNG QUAN VÞ Hà PENDUBOT
1.1 Giái thiáu vß há pendubot
Pendubot là từ ghép bßi Pendu (Pendulum) và bot (robot) - mát há underactuated
có ngõ vào điÃu khiÅn ít h¢n sá bÃc tā do, và r¿t khó đÅ điÃu khiÅn.
Há pendubot đ°ÿc nghiên cāu trong đà tài bao gồm 2 thanh đồng ch¿t, đÁu đÁu
thanh 1 đ°ÿc gắn chặt vào mát đáng c¢ DC. ĐÁu cuái thanh 1 đ°ÿc gắn vào đÁu đÁu
thanh 2 (thơng qua 1 trāc encoder nhằm tính tốn góc lách giÿ thanh 2 và thanh 1) sao
cho thanh 2 quay tā do xung quanh khßp nái vßi thanh 1.
Mơ hình Pendubot đ°ÿc āng dāng trong r¿t nhiÃu phịng Thí nghiám nhằm
nghiên cāu các giải tht điÃu khiÅn thông minh, điÃu khiÅn hián đ¿i.
1.2 Mô tÁ tốn hác há Pendubot
1.2.1 C¢ så khoa hác
T¿t cả há tháng điÃu khiÅn tā đáng đÃu đ°ÿc mô t bng mỏt phÂng trỡnh toỏn
hc vòi dng vi phân. Há pendubot cũng vÃy, đÅ điÃu khiÅn đ°ÿc há Pendubot, viác đÁu
tiên là phải nắm rõ đ°ÿc đái tng, t ú mòi a ra phÂng phỏp iu khin.
Đái vßi há pendubot, đÅ mơ tả đ°ÿc há d°ßi d¿ng mát ph°¢ng trình tốn học thì
đó là sā kÁt hÿp giÿa vÃt lý và tốn học vßi định luÃt cổ điÅn Lagrange [1] (dāa trên
tổng năng l°ÿng cÿa há và lāc tổng quát trong mát há trāc tọa đá Descarts [2]).
Ph°¢ng trình Lagrange lo¿i 1 [3]:
1
0
C
i
i
ik k k
fL d L
r dt r r
ö
ù ù öö ö
ú úö ö öû û
õ (1)
Trong đó:
kr là vị trí cÿa ch¿t điÅm thā k
C là sá l°ÿng liên kÁt trong há
i là nhân tử Lagrange thā i
if là ph°¢ng trình liên kÁt thā i
L là hàm Lagrange cÿa mát há các h¿t (ch¿t điÅm):
L K V (2)
9
Vßi:
K là tổng đáng năng cÿa các ch¿t điÅm trong há
V là tổng thÁ năng cÿa các ch¿t điÅm trong há
1.2.2 Thành lÁp phÂng trỡnh òng hỏc cho hỏ Pendubot
Hỡnh 1.1 Cấu trục hệ Pendubot trên trục tọa độ Oxyz
Bảng 1.1 Thông số các đại lượng của hệ thống h Pendubot
Thụng sỏ í ngha 1 ý ỵý ỵý 1 2 ý ỵý ỵý 2 ýý1 ụ ỏ ớ/ ỵý 1 ýý2 ụ ỏ ớ/ ỵý 2 þ1 Ā/ÿßă āàÿ þÿĀý 1 þ2 Ā/ÿßă āàÿ þÿĀý 2 þý1 Ā/ÿßă āàÿ Ăừ ĂĀÿĀ ýāþþ đ¿Ā ĂĀọĀý Ăâÿ Āÿþ þÿĀý 1 þý2 Ā/ÿßă āàÿ Ăừ ĂĀÿĀ ýāþþ đ¿Ā ĂĀọĀý õ ỵ ỵý 2 1 ýú ỵý 1 ò ý 2 ýú ỵý 2 ò ý1 ý ýỵ ý òý
1b Hỏ sỏ ma sát link 1
2b Há sá ma sát link 2
Mát sá kí hiáu khác trong đà tài mà sinh viên đặt : Ā1 = cos (ÿ1); ā1 = sin (ÿ1); Ā2 = cos (ÿ2); ā2 = sin (ÿ2); Ā12 = cos(ÿ1 + ÿ2 ) ; ā12 =sin (ÿ1 + ÿ2 )
10
Bng 1.2 Bng DH h Pendubot
ỵ1 1 ý0ý1ý0 0 0 0 1 ý0ý1ý1 ý1ý2ý1 ỵ1 0 0 ÿ2 ý1ý2ý2
Ta có :
ă10 = [Ā1 2ā1 0 0ā1 Ā1 0 000 00 1 00 0]
21 = [2 22 0 ỵ12 2 0 000 00 1 00 0]
ă20 = ă10 . ă21 = [Ā1 2ā1 0 0ā1 Ā1 0 000 00 1 00 0] [2 22 0 ỵ12 2 0 000 00 1 00 0] = [Ā12 2ā12 0 þ1Ā1ā12 Ā12 0 þ1ā100 00 1 00 0 ]
[ ÿý101 ] = ă10 [ ÿý111 ] = [Ā1 2ā1 0 01 1 0 000 00 1 00 0] [ỵý1001 ] = [ỵý11ỵý1101 ]
[ýý1ỵý1] = [ỵý11ỵý11] (3)
[ý1ý1] = [21ỵý111ỵý11 ] (4)
[ ÿý201 ] = 20 [ ý221 ] = [12 212 0 ỵ1112 12 0 ỵ1100 00 1 00 0 ] [ỵý2001 ] = [ỵý212 + ỵ11ỵý212 + ỵ11 01 ] (5)
[ýý2ỵý2] = [ỵý212 + ỵ11ỵý212 + ỵ11 ] (6)
[ý2ý2] = [2(1 + 2)ỵý212 2 1ỵ11(1 + 2)ỵý212 + 1ỵ11 ] (7)
11
Ta có :
�1 = ā �00011 + ÿ�1 ý11̂ = [Ā1 2ā1 0ā1 Ā1 00 0 1] [000] + [001] ÿ�1 = [ 00ÿ�1] (8)
�2 = ā �11122 +ÿ�2 ý22̂ = [Ā2 2ā2 0ā2 Ā2 00 0 1] [ 00ÿ�1] + ÿ�2 [001] = [ 00ÿ�1 + ÿ�2] (9)
Ta có công thāc đáng năng : ÿ1 =
12 ÿ1Ąý1ÿ Ąý1 + 12 �1ÿ ý1 �1 = 121ý11 1ỵý12 12 + 12 ýý112 (10) ÿ2 =
12 ÿ2Ąý2ÿ Ąý2 + 12 �2ÿ ý2 �2 = 122ý22 ÿ2(ÿ�1 + 2)2ỵý22 + 12 2ỵ1212 +(1 + +2)ỵý2 sin(1 + 2) ỵ1112 + (1 + 2)ỵý212ỵ1112 + 12 ýý2(1 + ÿ�2)2
(11)
Ta có cơng thāc thÁ năng :
Ą1 = 2ÿ1 ýÿ ÿý10 = 20 ÿ1 [ 02ý0 ] [ỵý11ỵý110 ] = 1ỵý1ý1 (12)
Ą2 = 2ÿ2 ýÿ ÿý200 = 2ÿ2 [ 02ý0 ]ÿ [ỵý212 + ỵ11ỵý212 + ỵ110 ] = 2ý(ỵý212 + þ1ā1)
(13)
Từ các ph°¢ng trình đáng năng và thÁ năng ta suy ra: Ā = (ÿ1 + ÿ2) 2 (Ą1 + Ą2) = (12 1ỵý12 12 + 12 ýý112 + 12 2(1 + 2)2ỵý22 + 12 2ỵ1212 + (1 + 2)ỵý2 sin(1 + 2) ỵ1112 + (1 + 2)ỵý212ỵ1112 +12 ýý2(1 + 2)2 ) 2 (1ỵý1ý1 + 2ý(ỵý212 + ỵ11)) (14)
PhÂng trỡnh Euler-Lagrange cho khòp th 1 : ỵỵ ( 1) 2 1 = 1 (15)
Vßi : Ā�Āÿ�1 = ýý1ÿ�1 + ýý2ÿ�1 + ýý2ÿ�2 + ỵ1221 + ỵý12 11 + ỵý22 21 + þý22 ÿ2ÿ�2 +2þ1þý2ÿ2ÿ�1Ā2 + þ1þý2ÿ2ÿ�2Ā2 (16)
12
ỵỵ ( 1) = ýý11 + ýý21 + ýý22 + ỵ1221 + ỵý12 11 + þý22 ÿ2ÿ�1 + þý22 ÿ2ÿ�2 +2þ1þý2ÿ2Ā2ÿ�1 + þ1þý2ÿ2Ā2ÿ�2 2 2ỵ1ỵý22212 2 ỵ1ỵý22222
(17)
1 = 2ý2(ỵý212 + þ1Ā1) 2 ýþý1ÿ1Ā1
(18)
Từ các thành phÁn trên nên ta có : �1 = ýý1ÿ�1 + ýý2ÿ�1 + ýý2ÿ�2 + ỵ1221 + ỵý12 11 + ỵý22 21 + ỵý22 22 +2ỵ1ỵý2221 + ỵ1ỵý2222 2 2ỵ1ỵý22212 2 ỵ1ỵý22222 + ý2(ỵý212 + ỵ11) + ýỵý111 (19)
PhÂng trỡnh Euler-Lagrange cho khòp th 2 : ỵỵ ( 2) 2 2 = 0 (20)
Vßi : Ā�Ā�� 2 = ýý21 + ýý22 + ỵý22 21 + þý22 ÿ2ÿ�2 + þ1þý2ÿ2Ā2ÿ�1
(21) ỵỵ ( 2) = ýý21 + ýý22 + ỵý22 21 + þý22 ÿ2ÿ�2 + þ1þý2ÿ2Ā2ÿ�1 2 þ1þý2ÿ2ā2ÿ�2ÿ�1
(2.22) Ā�Āÿ2 = 2ỵý22(ỵ1212 + ỵ1212 + ý12)
(23)
Từ các thành phÁn trên nên ta có : ýý2ÿ�1 + ýý22 + ỵý22 21 + ỵý22 22 + ỵ1ỵý2221 2 ỵ1ỵý22221 +ỵý22(ỵ1212 + ỵ1212 + ý12) = 0 (24)
Từ (19) và (24) ta có há ph°¢ng trình biÁn tr¿ng thái cÿa há Pendubot không ma sát 2
link : �1 = ýý11 + ýý21 + ýý22 + ỵ1221 + ỵý12 11 + ỵý22 21 + ỵý22 22 +2ỵ1ỵý2221 + þ1þý2ÿ2Ā2ÿ�2 2 2þ1þý2ÿ2ā2ÿ�1ÿ�2 2 þ1þý2ÿ2ā2ÿ�22 + ýÿ2(þý2Ā12 + ỵ11) + ýỵý111
(25) 0 = ýý21 + ýý22 + ỵý22 21 + þý22 ÿ2ÿ�2 + þ1þý2ÿ2Ā2ÿ�1 2 þ1þý2ÿ2ā2ÿ�1ÿ�1 +þý2ÿ2(þ1ā2ÿ�12 + þ1ā2ÿ�1ÿ�2 + ýĀ12) (26)
ĐÅ thêm há sá ma sát vào (25) và (26) trß thành :
13
�1 2 ÿ1ÿ�1 = ýý1ÿ�1 + ýý2ÿ�1 + ýý22 + ỵ1221 + ỵý12 11 + þý22 ÿ2ÿ�1 + þý22 ÿ2ÿ�2 +2þ1þý2ÿ2Ā2ÿ�1 + þ1þý2ÿ2Ā2ÿ�2 2 2ỵ1ỵý22212 2 ỵ1ỵý22222 + ý2(ỵý212 + ỵ11) + ýỵý111
(27) 2ÿ2ÿ�2 = ýý2ÿ�1 + ýý22 + ỵý22 21 + ỵý22 22 + þ1þý2ÿ2Ā2ÿ�1 2 þ1þý2ÿ2ā2ÿ�1ÿ�1 +þý2ÿ2(þ1ā2ÿ�12 + þ1ā2ÿ�1ÿ�2 + ýĀ12) (28)
Đặt các tham sá : �1 = 1ỵý12 + 2ỵý22 + ýý1 2 = 2ỵý22 + ýý2 3 = 1ỵ1ỵý2 4 = 1ỵý1 + 2ỵ1 5 = 2ỵý2
T (27) v (28) ta có đ°ÿc há ph°¢ng trình biÁn tr¿ng thái cÿa há pendubot trß thành: (�1 + �2 + 2�3�2)ÿ�1 + (�2 + �3Ā2)ÿ�2 2 �3ÿ�1ÿ�2ā2 2 ÿ�2(ÿ�2 + ÿ�1)�3ā2 + �4ýĀ1 +�5ýĀ12 = �1 2 ÿ1ÿ�1 (2.29) (�2 + �3Ā2)ÿ�1 + (�2)ÿ�2 + ÿ�12�3ā2 + �5ýĀ12 = 2ÿ2ÿ�2 (30)
Tín hiáu đÁu vào cÿa há Pendubot là momen tác đáng vào link 1. Tuy nhiên,
trong thāc tÁ, tín hiáu đÁu vào cÿa há tháng là đián áp cung c¿p cho đáng c¢ DC đÅ t¿o
ra momen. Do đó, sinh viên tìm mái quan há giÿa đián áp ă và momen �1:
u Eb
+
-
Rm Lm
i
phÁn đián phÁn c¢
Hình 1.2 Cấu trúc động cơ DC
Dāa vào c¿u trúc cÿa đáng c¢ ta có há ph°¢ng trình sau:
{ ă = + ỵỵ + ýý = ỵ ỵỵ + ÿ� + ā� (31)
14
Trong đó : ă là đián áp c¿p cho đáng c¢ , ÿ dịng đián khi đáng c¢ ho¿t đáng , Ā cuán
cảm cÿa đáng c¢ , ý� há sá momen cÿa đáng c¢ , � vÃn tác cÿa ỏng c (rpm hoc rad/s)
, ỵ momen quỏn tớnh cÿa đáng c¢ , ÿ há sá ma sát cÿa đáng c¢ , ā� momen tải cÿa đáng
c¢.
Vì Ā ≪ 0 nên ta có bß qua Ā và từ đây ta thu đ°ÿc ph°¢ng trình : = 2ỵ ỵỵ 2 ( + ý2ý ) � + ý�ý ă (32)
Vì � là vÃn tác cÿa đáng c¢ cũng nh° là vÃn tác cÿa link 1 và ā� là momen tải cÿa
đáng c¢ cũng chính là momen sinh ra khi c¿p đián áp ă do đó ā� là ngõ vào �1 cÿa há
Pendubot , Do đó ta có thÅ định nghĩa l¿i (32) : 1 = 2ỵ1 2 ( + ý�2ý ) ÿ�1 + ý�ý ă (33)
ta đặt : �6 = (ÿ + ý�2ý ) và �7 = ý�ý , (33) trß thành : �1 = 2ỵ1 2 61 + 7 (34)
1.3 Yêu cÁu đißu khián há pendubot å các vß trí b¿t ån đßnh
Há Pendubot có 4 vị trí đặc biát, gồm 2 vị trí ổn định và 2 vị trí b¿t ổn định
Hình 1.3 ;0
2
ư ư
÷ ÷
ø ø
Hình 1.4 ;
2
ư ư
÷ ÷
ø ø
15
Hình 1.5 ;
2
ư ư
÷ ÷
ø ø
Hình 1.6 ;0
2
ư ư
÷ ÷
ø ø
Có thÅ th¿y, ß vị trí 1 2, 0
2
q q
ß Hình 1.3 và ß vị trí 1 2,
2
q q
ß Hình 1.4 thì
há Pendubot đã ổn định thoe tā nhiên.
Cịn ß vị trí 1 2,
2
q q
ß Hình 1.5 và ß vị trí 1 2, 0
2
q q
ß Hình 1.6 thì há
Pendubot khơng cịn ổn định. Vßi mát lāc tác đáng r¿t nhß từ trọng lāc cũng đÿ làm há
ngã xuáng, m¿t ổn định.
Yêu cÁu đặt ra là thiÁt kÁ bá điÃu khiÅn sao cho giÿ cho há thăng bằng ß vị trí TOP (hình
1.6) và vị trí MID (hình 1.5). ĐÅ há thăng bằng các vị trí này thì đáng c¢ cÁn phải quay
vßi đián áp thích hÿp và phải đảo chiÃu liên tāc.
1.3.1 Xét tính đißu khián đ°ÿc å vß trí TOP
Ma trÃn A, B ß vị trí TOP nh° sau:
16
0 1 0 0 0
5.0851 0.1210 3.6185 0 1.1604
;B
0 0 0 1 0
38.7863 0.2148 54.2411 0 2.0604
A
ù ù ù ù
ú ú ú ú ú ú ú ú
ú ú ú ú
ú ú ú úû û û û
(35)
Ma trÃn điÃu khiÅn:
2 3 1[ .... ]n
R B AB A B A B A B
Vßi n là sá nghiám cÿa ph°¢ng trình biÁn tr¿ng thái
2 3
1.1604 0.1404 13.3732
0.1404 13.3732 3.2337
AB ; ;
2.0604 0.2493 66.7845
0.2493 66.7845 10.9488
A B A B
ù ù ù ù ù ù
ú ú ú ú ú ú ú ú ú ú ú ú
ú ú ú ú ú ú
ú ú ú ú ú úû û û û û û
Thay vào ma trÃn điÃu khiÅn:
0 1.1604 0.1404 13.3732
1.1604 0.1404 13.3732 3.2337
0 2.0604 0.2493 66.7845
2.0604 0.2493 66.7845 10.9488
R
ù ù
ú ú ú ú
ú ú
ú ú û û
(R) 4Rank n , VÃy có thÅ điÃu khiÅn đ°ÿc há ß vị trí TOP.
1.3.2 Xét tính đißu khián đ°ÿc å vß trí MID
Ma trÃn A, B ß vị trí MID nh° sau:
0 1 0 0 0
5.0851 0.1057 3.6185 0 1.1604
;
0 0 0 1 0
48.9566 0.0237 47.0042 0 0.2603
A B
ù ù ù ù
ú ú ú ú ú ú ú ú
ú ú ú ú
ú ú ú úû û û û
(36)
Ma trÃn điÃu khiÅn:
2 3 1[ .... ]n
R B AB A B A B A B
Vßi n là sá nghiám cÿa ph°¢ng trình biÁn tr¿ng thái
2 3
1.1604 0.1227 6.8295
0.1227 6.8295 1.4455
;A ;
0.2603 0.0275 44.5699
0.0275 44.5699 4.8745
AB B A B
ù ù ù ù ù ù
ú ú ú ú ú ú ú ú ú ú ú ú
ú ú ú ú ú ú
ú ú ú ú ú úû û û û û û
17
Thay vào ma trÃn điÃu khiÅn,
0 1.1604 0.1227 6.8295
1.1604 0.1227 6.8295 1.4455
0 0.2603 0.0275 44.5699
0.2603 0.0275 44.5699 4.8745
R
ù ù
ú ú ú ú
ú ú
ú ú û û
(R) 4Rank n . VÃy có thÅ điÃu khiÅn đ°ÿc há ß vị trí MID.
18
CH¯¡NG 2: GIàI THIàU PHÀN CĀNG VÀ PHÀN MÞM
2.1 Vi xư뀉 lí LAUNCHXL-F28379D C2000
Hknh 2.1 Vi đi�u khiऀn LAUNCHXL-F28379D C2000.
Vi điÃu khiÅn LAUNCHXL-F28379D C2000 đ°ÿc sử dāng ráng rãi trên thÁ gißi
bßi giá thành r攃ऀ, ngo¿i vi nhiÃu, tác đá cao và phÁn mÃm sử dāng đa d¿ng t¿o cho ng°ái
dùng mßi sā tián lÿi, thoải mái (ControlSUITE, Code Composer Studio IDE, Matlab,&)
Thơng sá kỹ tht chính:
Vi xử lí: TMS320F28379D: 200MHz, 16/12bit ADCs, 3 eQEP modules , PWM
có đá phân giải 16bit
Tích hÿp m¿ch n¿p FT2232HQ.
Nguồn c¿p qua cổng USB 2.0 hoặc h¢n.
Đián áp sử dāng trên kit là 0-3.3V trừ module đọc encoder eQEP là sử dāng đ°ÿc
5V.
Tích hÿp bá đọc xung encoder hoặc hall sensor eQEP.
2.2 Rotary Encoder Omron 1000 xung
Hknh 2.2 Encoder E6B2-CWZ6C OMRON 1000PPR.
19
Encoder E6B2-CWZ6C bên trong chāa đĩa encoder có 1000 xung c¢ bản và sử
dāng cặp thu-phát led hồng ngo¿i đÅ đÁm sá xung khi xoay trāc.
Thơng sá kỹ tht chính :
Ngõ ra kiÅu NPN.
Đián áp c¿p là 5-24VDC.
Đá phân giải : 1000 xung trên 1 vòng.
TÁn sá đáp āng : 100KHz.
2.3 òng c 24VDC M.A.E
Hknh 2.3 ng c 24VDC của M.A.E.
Thơng sá kỹ tht chính:
Đián áp cung c¿p: 24VDC
Encoder 2000 xung trên 1 vòng. Đián áp c¿p 5VDC.
2.4 CÁu H IR2184
Hknh 2.4 C�u H IRF3205.
M¿ch công su¿t đà điÃu khiÅn đáng c¢ dùng 4 MOSFET IRF3205 và các opto
đÅ cách lý phÁn m¿ch công su¿t và m¿ch điÃu khiÅn. « m¿ch điÃu khiÅn ngõ ra là 4
20
chân: PWM+, PWM-, DIR+, DIR-, 4 chân này dùng đÅ c¿p xung điÃu khiÅn và chiÃu
quay cÿa đáng c¢.
Thơng sá kỹ tht chính:
Mosfet IRF3205 : Dũng liờn tc ýỵ = 110ý , iỏn ỏp c¿p 5-55VDC.
TÁn sá ho¿t đáng lßn nh¿t: 100KHz.
2.5 Module giao tiëp UART sư뀉 dwng IC CP2102
Hknh 2.5 Cऀng kĀt nối UART giư뀃a máy tknh vc vi đi�u khiऀn.
M¿ch chuyÅn USB UART CP2102 sử dāng chip CP2102 cÿa hãng SILICON
LABS đ°ÿc dùng đÅ chuyÅn giao tiÁp từ USB sang UART TTL và ng°ÿc l¿i.
M¿ch chuyÅn USB UART CP2102 có thÅ nhÃn trên t¿t cả các há điÃu hành
Windows, Mac, Linux, Android,... r¿t dß sử dāng và giao tiÁp.
Hß trÿ các tác đá truyÃn nh°: 300, 600, 1200, 1800, 2400, 4000, 4800,
7200, 9600,14400, 16000, 19200, 28800, 38400, 51200, 56000, 57600, 64000,
76800, 115200, 128.000, 153.600, 230.400, 250.000, 256.000, 460.800, 500.000,
576.000, 921.600 và các lo¿i tác đá khác.
21
CH¯¡NG 3: MƠ HÌNH HĨA VÀ NHÀN D¾NG Hà THàNG
PENDUBOT
NH¾N D¾NG MƠ HÌNH KHƠNG THAM SỐ
3.1. Phân tích đáp āng q ò bng phÂng phỏp phõn tớch ỏp ng xung
Hình 3.1 Thí nghiệm thu thập dư뀃 liệu phân tkch đáp ứng xung
Hình 3.2 Phân tkch đáp ứng xung được thiĀt kĀ cho hệ Pendubot
Khi áp dāng ph°¢ng pháp này đÅ chúng ta có thÅ quan sát rõ ràng và đáp āng cÿa
há tháng, chúng ta cÁn lÁn l°ÿt đ°a tín hiáu nhißu theo các tr°áng hÿp nh° sau:
3.1.1. Nhißu DC (Mean) = 0; Nhißu AC (Var) = 0
Alpha =0.2
Hình 3.3 Đồ thị biऀu diễn hệ Pendubot trước và sau khi nhận dạng khi không nhiễu;
Sai số của hệ sau khi nhận dạng
22
NhÃn d¿ng mơ hình khơng tham sá bằng ph°¢ng pháp đáp āng xung khi khơng
nhißu cho kÁt quả ngõ ra cÿa há tháng nhÃn dng tÂng ỏi giỏng vòi ngừ vo hỏ thỏng
thc, tín hiáu ngõ ra bám ngõ vào cÿa há Pendubot. Nhóm sinh viên thāc hián thay đổi
nhiÃu giá trị alpha khác nhau nh°ng sai sá ngõ ra há tháng tát nh¿t là 4x10-6. Sau khi
nhÃn d¿ng, biên đá há tháng nhÃn d¿ng giảm đáng kÅ so vßi há tháng thāc.
3.1.2. Nhißu DC (Mean) = 0.1; Nhißu AC (Var) = 0
Alpha = 0.3
Hình 3.4 Đồ thị biऀu diễn hệ Pendubot trước và sau khi nhận dạng khi nhiễu DC; Sai
số của hệ sau khi nhận dạng
Sinh viên thāc hián đ°a nhißu mean vào quá trinh nhÃn d¿ng bằng ph°¢ng pháp
đáp āng xung. KÁt quả nhÃn d¿ng Hình 3.4 cho th¿y há tháng có khả năng khử nhißu
mean, tín hiáu há thỏng nhn dng tÂng ỏi giỏng vòi tin hiỏu hỏ tháng thāc, bám tín
hiáu há tháng thāc. Sinh viên thāc hián thay đổi nhiÃu alpha khác nhau, vßi alpha =0.3
thì sai sá ra tát nh¿t bằng 3.5x10-6. Ngõ Sau khi nhÃn d¿ng, biên đá há tháng nhÃn d¿ng
giảm đáng kÅ so vßi há tháng thāc.
3.1.3. Nhißu DC (Mean) = 0; Nhißu AC (Var) = 0.01
Alpha = 0.4
Hình 3.5 Đồ thị biऀu diễn hệ Pendubot trước và sau khi nhận dạng khi nhiễu AC; Sai
số của hệ sau khi nhận dạng
23
Sinh viên thāc hián đ°a nhißu var vào q trình nhÃn d¿ng bằng ph°¢ng pháp đáp
āng xung. KÁt quả nhÃn d¿ng từ Hình 3.5 cho th¿y ph°¢ng pháp đáp āng xung khơng
có khả năng triát tiêu nhißu var, tín hiáu há tháng nhÃn d¿ng có ch¿t l°ÿng th¿p, khơng
bám vßi há tháng thāc.
3.1.4. Nhißu DC (Mean) = 0.1; Nhißu AC (Var) = 0.01
Alpha = 0.2
Hình 3.6 Đồ thị biऀu diễn hệ Pendubot trước và sau khi nhận dạng khi nhiễU DC và AC; Sai
số của hệ sau khi nhận dạng
Sinh viên thāc hián đ°a nhißu var và nhißu mean vào q trình nhÃn d¿ng bằng
ph°¢ng pháp đáp āng xung. KÁt quả nhÃn d¿ng từ Hình 3.6 cho th¿y ph°¢ng pháp đáp
āng xung khơng có khả năng triát tiêu nhißu var, tín hiáu há tháng nhÃn d¿ng có ch¿t
l°ÿng th¿p, khơng bám vßi há tháng thāc.
3.2 Phõn tớch ỏp ng quỏ ò bng phÂng phỏp phân tích đáp āng n¿c
Hình 3.7 Thí nghiệm thu thập dư뀃 liệu phân tkch đáp ứng nấc
Hình 3.8 Phương pháp phân tkch đáp ứng nấc được thiĀt kĀ cho hệ Pendubot
24
Khi áp dāng ph°¢ng pháp này đÅ chúng ta có thÅ quan sát rõ ràng và đáp āng cÿa
há tháng, chúng ta cÁn lÁn l°ÿt đ°a tín hiáu nhißu theo các tr°áng hÿp nh° sau:
3.2.1 Nhißu DC=0; VAR=0
Alpha =0.1
Hình 3.9 Đồ thị biऀu diễn hệ Pendubot trước và sau khi nhận dạng khi không nhiễu;
Sai số của hệ sau khi nhận dạng
NhÃn d¿ng mơ hình khơng tham sá bằng ph°¢ng pháp đáp āng n¿c khi khơng nhißu
cho kÁt quả ngõ ra cÿa hỏ thỏng nhn dng tÂng ỏi giỏng vòi ngừ vo há tháng thāc,
tín hiáu ngõ ra bám ngõ vào cÿa há Pendubot. Nhóm sinh viên thāc hián thay đổi nhiÃu
giá trị alpha khác nhau nh°ng sai sá ngõ ra há tháng tát nh¿t là 1.5x10-6. Sau khi nhÃn
d¿ng, biên đá há tháng nhÃn d¿ng giảm đáng kÅ so vßi há tháng thāc.
3.2.2 Nhißu DC=0.1, VAR=0
Alpha = 0.1
25
Hình 3.10 Đồ thị biऀu diễn hệ Pendubot trước và sau khi nhận dạng khi nhiễU DC;
Sai số của hệ sau khi nhận dạng
NhÃn d¿ng mơ hình khơng tham sá bằng phÂng phỏp ỏp ng nc khi nhiòu mean
cho kt quả ngõ ra cÿa há tháng nhÃn d¿ng t°¢ng đái giáng vßi ngõ vào há tháng thāc,
tín hiáu ngõ ra bám ngõ vào cÿa há Pendubot. Nhóm sinh viên thāc hián thay đổi nhiÃu
giá trị alpha khác nhau nh°ng sai sá ngõ ra há tháng tát nh¿t là 1.5x10-6. Sau khi nhÃn
d¿ng, biên đá há tháng nhÃn d¿ng giảm đáng kÅ so vßi há tháng thāc.
3.2.3 Nhißu DC=0; VAR=0.001
Alpha=0.1
Hình 3.11 Đồ thị biऀu diễn hệ Pendubot trước và sau khi nhận dạng khi nhiễU AC;
Sai số của hệ sau khi nhận dạng
26
NhÃn d¿ng mơ hình khơng tham sá bằng phÂng phỏp ỏp ng nc khi nhiòu var,
hỏ thỏng khơng có khả năng khử nhißu var. Tín hiáu há tháng nhÃn d¿ng có đáp āng
ch¿t l°ÿng kém.
3.2.4 Nhißu DC=0.1; VAR=0.001
Alpha =0.1
Hình 3.12 Đồ thị biऀu diễn hệ Pendubot trước và sau khi nhận dạng khi nhiễu DC và AC; Sai
số của hệ sau khi nhận dạng
NhÃn d¿ng mơ hình khơng tham sá bng phÂng phỏp ỏp ng nc khi nhiòu var
v nhißu dc, há tháng khơng có khả năng khử nhißu var. Tín hiáu há tháng nhÃn d¿ng
có đáp āng ch¿t l°ÿng kém.
3.3 Phân tích đáp āng q đß bằng ph°¢ng pháp phân tích t°¢ng quan
Hình 3.13 Thí nghiệm thu thập dư뀃 liệu phân tkch tương quan
27
Hình 3.14 Phân tkch phương pháp trên hệ Pendubot
Khi áp dāng ph°¢ng pháp này đÅ chúng ta có thÅ quan sát rõ ràng và đáp āng cÿa
há tháng, chúng ta cÁn lÁn l°ÿt đ°a tín hiáu nhißu theo các tr°áng hÿp nh° sau:
3.3.1 Nhißu DC=0; VAR=0
Hình 3.15 Đồ thị biऀu diễn hệ Pendubot trước và sau khi nhận dạng khi không nhiễu;
Sai số của hệ sau khi nhận dạng
28
3.3.2 Nhißu DC=0.1; VAR=0
Hình 3.16 Đồ thị biऀu diễn hệ Pendubot trước và sau khi nhận dạng khi nhiễu DC; Sai
số của hệ sau khi nhận dạng
3.3.3 Nhißu DC=0; VAR=0.001
Hình 3.17 Đồ thị biऀu diễn hệ Pendubot trước và sau khi nhận dạng khi nhiễu AC; Sai
số của hệ sau khi nhận dạng
3.3.4 Nhißu DC=0.1, VAR=0.001
29
Hình 3.1
