Thiết kế bộ điều khiển mờ trượt PD ổn định vị trí bi sắt trên thanh cân bằng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM
--------- oOo --------

VÕ VĂN CHÂU
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN
MỜ - TRƯỢT – PD ỔN ĐỊNH VỊ TRÍ
BI SẮT TRÊN THANH CÂN BẰNG
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
MÃ SỐ: 60 52 60

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS. VÕ CÔNG PHƯƠNG

TP. HCM 11- 2014
LUẬN VĂN ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH


Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS VÕ CÔNG PHƯƠNG

Cán bộ chấm nhận xét 1 : PGS.TS HUỲNH THÁI HOÀNG

Cán bộ chấm nhận xét 2 : PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Giao thông vận tải Thành phố Hồ Chí

Minh ngày 29 tháng 11 năm 2014
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1.
2.
3.
4.
5.

PGS.TS ĐỒNG VĂN HƯỚNG
PGS.TS HUỲNH THÁI HOÀNG
PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA
TS. NGÔ MẠNH DŨNG
TS. VÕ NGUYÊN SƠN

Chủ tịch Hội đồng;
Ủy viên, phản biện;
Ủy viên, phản biện;
Ủy viên;
Ủy viên, thư ký

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa.
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
VIỄN THÔNG

PSG.TS ĐỒNG VĂN HƯỚNG

TS. VÕ CÔNG PHƯƠNG

i

LỜI CẢM ƠN
Cảm ơn chân thành đến quý 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 Võ Công
Phương, 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.
Cảm ơn rất nhiều đến các bạn học cùng khóa đã giúp tôi hiểu rõ hơn về những
gì mình đã học và cùng tôi vượt qua những khó khăn trong suốt khóa học.
Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn sự quan tâm, hỗ trợ, tạo điều kiện và
động viên về vật chất lẫn tinh thần của các thành viên trong gia đình trong suốt thời
gian qua.

Tp.HCM, ngày 10 tháng 11 năm 2014
Người thực hiện

Võ Văn Châu


ii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đề tài Thiết kế bộ điều khiển mờ-trượt-PD ổn định vị trí bi
sắt trên thanh cân bằng do giảng viên Tiến sĩ Võ Công Phương hướng dẫn là công
trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai

công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Tác giả luận văn

Võ Văn Châu


iii

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Hệ thống “bi sắt trên thanh cân bằng” là một hệ thống không ổn định, phi
tuyến ở mức cao, và được sử dụng như một mô hình phổ biến cho các ứng dụng
trong kỹ thuật điều khiển tuyến tính và phi tuyến. Luận văn trình bày phương pháp
điều khiển hệ thống “bi sắt trên thanh cân bằng” ổn định tại một vị trí, và bám tín
hiệu đặt, với các bộ điều khiển sau:
- Bộ điều khiển trượt.
- Bộ điều khiển trượt kết hợp với bộ điều khiển PD với thông số

lựa

chọn theo kinh nghiệm người thiết kế với mục đích nâng cao khả năng đáp
ứng của hệ thống.
- Bộ điều khiển trượt nhưng hàm Sign(s) được thay bằng bộ điều khiển mờ

theo qui tắc Sugeno với mục đích loại bỏ hiện tượng dao động (chattering)
khi sử dụng bộ điều khiển trượt.
- Bộ điều khiển mờ-trượt-PD là sự kết hợp của bộ điều khiển mờ-trượt và

bộ điều khiển PD ổn định vị trí bi sắt, nhằm nâng cao khả năng đáp ứng cũng
như loại bỏ hiện tượng chattering khi sử dụng bộ điều khiển trượt.

Luật điều khiển sẽ được xây dựng trên nền DSP TMS320F28335 thông qua
thư viện Target hỗ trợ C2000 cho phép người dùng phát mã C và tạo Project liên
kết với CCS 3.3 giúp cho việc lập trình trở nên linh hoạt hơn. Ưu điểm của nó là
kích thước nhỏ gọn, sử dụng linh hoạt và dễ dàng ứng dụng vào thực tế .
Trong quá trình điều khiển, cần thu thập dữ liệu điều khiển để quan sát đáp
ứng của hệ thống, chất lượng của bộ điều khiển và điều khiển hệ thống hoạt động,
các dữ liệu này được hiển thị trên màn hình dựa vào chương trình điều khiển xây
dựng riêng để điều khiển hệ thống.


iv

Mục lục
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ i
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................ii
TÓM TẮT LUẬN VĂN .......................................................................................... iii
Danh mục hình trong luận văn ............................................................................ viii
Danh mục các bảng số liệu ................................................................................... xiii
Các ký hiệu trong luận văn ................................................................................... xiv
Danh mục các chữ viết tắt ...................................................................................... xv
Chƣơng 1 TỔNG QUAN .......................................................................................... 1
1.1 Đặt vấn đề ........................................................................................................1
1.1.1 Giới thiệu hệ “bi sắt trên thanh cân bằng” ................................................1
1.1.2 Nguyên lý hoạt động ................................................................................1
1.2 Mục tiêu luận văn .............................................................................................2
1.3 Phạm vi nghiên cứu ..........................................................................................2
1.4 Phương pháp thực hiện.....................................................................................3
1.5 Các công trình nghiên cứu liên quan................................................................ 4
1.5.1 Các công trình trong nước .........................................................................4
1.5.2 Các công trình ngoài nước ........................................................................5

1.5.2.1 Công ty Megachem .............................................................................5
1.5.2.2 Trường đại học kỹ thuật Hong Kong ..................................................5
1.5.2.3 Trường đại học kỹ thuật Australia ......................................................6
1.6 Tầm quan trọng và ý nghĩa thực tiễn ...............................................................6
1.7 Nội dung của luận văn......................................................................................7
Chƣơng 2 ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU ................................................................ 8
2.1 Mô hình hóa hệ “bi sắt trên thanh cân bằng” ...................................................8
2.2 Tuyến tính hóa tại điểm làm việc ...................................................................11
Chƣơng 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ GIẢI PHÁP ............................................... 13
3.1 Lý thuyết ổn định Lyapunov ..........................................................................13
3.1.1 Phương pháp gián tiếp của Lyapunov ......................................................13


v

3.1.2 Phương pháp trực tiếp của Lyapunov ......................................................13
3.2 Phương pháp điều khiển trượt ........................................................................14
3.3 Phương pháp điều khiển mờ ..........................................................................15
3.3.1. Định nghĩa về tập mờ ..............................................................................16
3.3.2 Bộ điều khiển mờ cơ bản .........................................................................18
3.3.3 Biến ngôn ngữ ..........................................................................................18
3.3.4 Các phép toán trên tập mờ .......................................................................18
3.3.5 Luật hợp thành .........................................................................................19
3.3.5.1 Mệnh đề hợp thành............................................................................19
3.3.5.2 Luật hợp thành mờ ............................................................................19
3.3.6 Giải mờ .....................................................................................................20
3.3.6.1 Phương pháp cực đại .........................................................................21
3.3.6.2 Phương pháp trọng tâm ....................................................................21
3.3.7 Mô hình mờ Tagaki-Sugeno ....................................................................22
3.4 Phương pháp điều khiển PID .........................................................................23

3.4.1 Mối quan hệ giữa các hệ số .....................................................................24
3.4.2 Phương pháp xác định

............................................................24

3.4.2.1 Phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất .............................................25
3.4.2.2 Phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai ..............................................26
3.5 Thiết kế các bộ điều khiển ..............................................................................27
3.5.1 Xây dựng và kiểm chứng mô hình trên phần mềm Matlab/Simulink ......27
3.5.1.1 Xây dựng mô hình toán học .............................................................. 27
3.5.1.2 Kiểm chứng kết quả mô hình toán học của hệ thống ........................28
3.5.2 Thiết kế bộ điều khiển trượt cho hệ “bi sắt trên thanh cân bằng”...........31
3.5.3 Thiết kế bộ điều khiển PD-trượt cho hệ “bi sắt trên thanh cân bằng” ....37
3.5.4 Thiết kế bộ điều khiển mờ-trượt cho hệ “bi sắt trên thanh cân bằng” .....40
3.5.5 Thiết kế bộ điều khiển mờ-trượt-PD cho
hệ “bi sắt trên thanh cân bằng” .........................................................................44
3.5.5.1 Thiết kế bộ điều khiển mờ-trượt-PD cho hệ “bi sắt trên thanh cân
bằng” với tác động của nhiễu đo lường ........................................................47


vi

3.6 So sánh các kết quả mô phỏng của hệ thống..................................................53
3.7 Kết luận ...........................................................................................................55
Chƣơng 4 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH BI SẮT TRÊN THANH
CÂN BẰNG.............................................................................................................. 56
4.1 Thiết kế phần cứng mô hình “bi sắt trên thanh cân bằng” .............................56
4.1.1 Lựa chọn thiết bị cho mô hình “bi sắt trên thanh cân bằng”...................58
4.1.1.1 Lựa chọn động cơ ..............................................................................58
4.1.1.2 Lựa chọn cảm biến góc quay thanh cân bằng ..................................58

4.1.1.3 Lựa chọn cảm biến xác định vị trí bi sắt ...........................................60
4.1.1.4 Mạch cầu H ......................................................................................60
4.1.1.5 Kit DSP F28335 ...............................................................................61
4.1.1.6 Nguồn cung cấp................................................................................62
4.1.2 Thiết kế chương trình điều khiển thời gian thực cho
hệ “bi sắt trên thanh cân bằng” .........................................................................62
4.1.2.1 Giới thiệu Matlab Simulink và Code Composer Studio ..................62
4.1.2.2 Các khối được sử dụng để thiết kế chương trình
điều khiển thời gian thực ...............................................................................63
4.2 Xây dựng chương trình điều khiển thời gian thực
hệ thống “bi sắt trên thanh cân bằng” với bộ điều khiển mờ-trượt-PD ................65
4.2.1 Cấu trúc khối Beam and Ball system .......................................................66
4.2.2 Cấu trúc khối Motor ...............................................................................66
4.2.3 Cấu trúc khối Fuzzy Sliding Mode controller ........................................67
4.2.4 Cấu trúc khối truyền và nhận dữ liệu SCI ..............................................68
4.3 Kết quả thực nghiệm ......................................................................................69
4.3.1 Ổn định tại vị trí 0 ..................................................................................69
4.3.2 Ổn định tại vị trí 5cm ..............................................................................70
4.3.3 Ổn định tại vị trí bám theo tín hiệu đặt ...................................................71
Chƣơng 5 KẾT LUẬN VÀ ĐÁNH GIÁ ................................................................ 73
5.1 Kết luận ..........................................................................................................73
5.1.1 Các kết quả đạt được ...............................................................................73


vii

5.1.2 Điểm hạn chế...........................................................................................73
5.1.3 Hướng phát triển .....................................................................................73
Tài liệu tham khảo .................................................................................................. 75

viii

Danh mục hình trong luận văn
Hình 1.1: Hệ thống bi sắt trên thanh cân bằng trục lệch ............................................. 1
Hình 1.2: Hệ thống bi sắt trên thanh cân bằng trục giữa ............................................ 2
Hình 1.3: Sản phẩm của công ty Megachem .............................................................. 5
Hình 1.4: Sản phẩm của trường đại học kỹ thuật Hong Kong .................................... 5
Hình 1.5: Sản phẩm của trường đại học kỹ thuật Australia ........................................ 6
Hình 2.1: Mô hình hệ thống bi sắt trên thanh cân bằng .............................................. 8
Hình 2.2: Tín hiệu vào-ra của hệ thống ...................................................................... 8
Hình 2.3: Sơ đồ thay thế động cơ DC ....................................................................... 10
Hình 3.1: Hàm liên thuộc  B (x) của tập mờ B ........................................................ 16
Hình 3.2: Hàm liên thuộc có mức chuyển đổi tuyến tính ......................................... 17
Hình 3.3: Minh họa về miền xác định và miền tin cậy của một tập mờ ................... 18
Hình 3.4: Bộ điều khiển mờ cơ bản .......................................................................... 18
Hình 3.5: Giải mờ theo phương pháp cực đại ........................................................... 21
Hình 3.6: Giải mờ theo phương pháp trọng tâm ....................................................... 22
Hình 3.7: Sơ đồ khối một hệ hở ................................................................................ 25
Hình 3.8: Đáp ứng nấc của hệ hở .............................................................................. 25
Hình 3.9: Sơ đồ khối của một hệ kín có bộ PID ....................................................... 25
Hình 3.10: Sơ đồ khối của hệ kín có bộ tỉ lệ P.......................................................... 26
Hình 3.11: Đáp ứng của hệ kín ................................................................................. 26
Hình 3.12: Hệ thống bi sắt trên thanh cân bằng ........................................................ 27
Hình 3.13: Cấu trúc bên trong khối Beam and Ball system ...................................... 27
Hình 3.14: Sơ đồ mô phỏng hệ thống vòng hở ......................................................... 28
Hình 3.15: Đáp ứng vòng hở của hệ thống với các điều kiện đầu như giả thiết 1 .... 29
Hình 3.16: Đáp ứng vòng hở của hệ thống với các điều kiện đầu như giả thiết 2 .... 30
Hình 3.17: Sơ đồ mô phỏng hệ thống với bộ điều khiển trượt ................................. 33
Hình 3.18: Cấu trúc khối Sliding mode controller .................................................... 34

Hình 3.19: Cấu trúc mặt trượt S ................................................................................ 34


ix

Hình 3.20: Đáp ứng vị trí của bộ điều khiển trượt (tín hiệu
Hình 3.21: Đáp ứng góc quay của bộ điều khiển trượt (tín hiệu
Hình 3.22: Tín hiệu điều khiển u của bộ điều khiển trượt (tín hiệu

................... 35
............ 35
....... 35

Hình 3.23: Đáp ứng vị trí của bộ điều khiển trượt (tín hiệu đặt dạng xung) ............ 36
Hình 3.24: Đáp ứng góc quay của bộ điều khiển trượt (tín hiệu đặt dạng xung) ..... 36
Hình 3.25: Tín hiệu điều khiển u của bộ điều khiển trượt
(tín hiệu đặt dạng xung) ............................................................................................ 36
Hình 3.26: Sơ đồ mô phỏng hệ thống với bộ điều khiển PD-trượt ........................... 37
Hình 3.27: Cấu trúc khối Beam and ball system. ...................................................... 38
Hình 3.28: Đáp ứng vị trí của bộ điều khiển PD-trượt (tín hiệu
Hình 3.29: Đáp ứng góc quay của bộ điều khiển PD-trượt (tín hiệu

............ 38
..... 39

Hình 3.30: Tín hiệu điều khiển u của bộ điều khiển PD-trượt
(tín hiệu đặt

............................................................................................ 39

Hình 3.31: Đáp ứng vị trí của bộ điều khiển PD-trượt (tín hiệu đặt dạng xung) ...... 39
Hình 3.32: Đáp ứng góc

của bộ điều khiển PD-trượt (tín hiệu đặt dạng xung) .... 39

Hình 3.33: Tín hiệu điều khiển u của bộ điều khiển PD-trượt
(tín hiệu đặt dạng xung) ............................................................................................ 40
Hình 3.34: Mờ hóa đầu vào-ra .................................................................................. 40
Hình 3.35: Sơ đồ mô phỏng hệ với bộ điều khiển mờ-trượt ..................................... 41
Hình 3.36: Cấu trúc khối Fuzzy-Sliding Mode controller ......................................... 42
Hình 3.37: Đáp ứng vị trí của bộ điều khiển mờ-trượt (tín hiệu
Hình 3.38: Đáp ứng góc quay của bộ điều khiển mờ-trượt (tín hiệu

............ 42
..... 43

Hình 3.39: Tín hiệu điều khiển u của bộ điều khiển mờ-trượt
(tín hiệu

................................................................................................... 43

Hình 3.40: Đáp ứng vị trí của bộ điều khiển mờ-trượt (tín hiệu đặt dạng xung) ...... 43
Hình 3.41: Đáp ứng góc quay của bộ điều khiển mờ-trượt
(tín hiệu đặt dạng xung) ............................................................................................ 43
Hình 3.42: Tín hiệu điều khiển u của bộ điều khiển mờ-trượt
(tín hiệu đặt dạng xung) ............................................................................................ 44


x

Hình 3.43: Sơ đồ mô phỏng hệ với bộ điều khiển mờ-trượt-PD .............................. 44
Hình 3.44: Đáp ứng vị trí của bộ điều khiển mờ-trượt-PD (tín hiệu

...... 45

Hình 3.45: Đáp ứng góc quay của bộ điều khiển mờ-trượt-PD
(tín hiệu

................................................................................................... 45

Hình 3.46: Tín hiệu điều khiển u của bộ điều khiển mờ-trượt-PD
(tín hiệu

................................................................................................... 46

Hình 3.47: Đáp ứng vị trí của bộ điều khiển mờ-trượt-PD
(tín hiệu đặt dạng xung) ............................................................................................ 46
Hình 3.48: Đáp ứng góc quay của bộ điều khiển mờ-trượt-PD
(tín hiệu đặt dạng xung) ............................................................................................ 46
Hình 3.49: Tín hiệu điều khiển u của bộ điều khiển mờ-trượt-PD
(tín hiệu đặt dạng xung) ............................................................................................ 46
Hình 3.50: Đáp ứng vị trí của bộ điều khiển mờ-trượt-PD có nhiễu đo lường
(tín hiệu

................................................................................................... 47

Hình 3.51: Đáp ứng góc quay của bộ điều khiển mờ-trượt-PD có nhiễu đo lường
(tín hiệu

) ................................................................................................... 47

Hình 3.52: Tín hiệu điều khiển u của bộ điều khiển mờ-trượt-PD có nhiễu đo lường
(tín hiệu

) ................................................................................................... 48

Hình 3.53: Đáp ứng vị trí của bộ điều khiển mờ-trượt-PD có nhiễu đo lường
(tín hiệu đặt dạng xung 1) ......................................................................................... 48
Hình 3.54: Đáp ứng góc quay của bộ điều khiển mờ-trượt-PD có nhiễu đo lường
(tín hiệu đặt dạng xung 1) ......................................................................................... 48
Hình 3.55: Tín hiệu điều khiển u của bộ điều khiển mờ-trượt-PD có nhiễu đo lường
(tín hiệu đặt dạng xung 1) ......................................................................................... 48
Hình 3.56: Đáp ứng vị trí của bộ điều khiển mờ-trượt-PD có nhiễu đo lường
(tín hiệu đặt dạng xung 2) ......................................................................................... 49
Hình 3.57: Đáp ứng góc quay của bộ điều khiển mờ-trượt-PD có nhiễu đo lường
(tín hiệu đặt dạng xung 2) ......................................................................................... 49


xi

Hình 3.58: Tín hiệu điều khiển u của bộ điều khiển mờ-trượt-PD có nhiễu đo lường
(tín hiệu đặt dạng xung 2) ......................................................................................... 49
Hình 3.59: Đáp ứng vị trí của bộ điều khiển mờ-trượt-PD có nhiễu đo lường
(tín hiệu

................................................................................................... 50

Hình 3.60: Đáp ứng góc quay của bộ điều khiển mờ-trượt-PD có nhiễu đo lường
(tín hiệu

) ................................................................................................... 50

Hình 3.61: Tín hiệu điều khiển u của bộ điều khiển mờ-trượt-PD có nhiễu đo lường
(tín hiệu

) ................................................................................................... 50

Hình 3.62: Đáp ứng vị trí của bộ điều khiển mờ-trượt-PD có nhiễu đo lường
(tín hiệu đặt dạng xung 1) ......................................................................................... 51
Hình 3.63: Đáp ứng góc quay của bộ điều khiển mờ-trượt-PD có nhiễu đo lường
(tín hiệu đặt dạng xung 1) ......................................................................................... 51
Hình 3.64: Tín hiệu điều khiển u của bộ điều khiển mờ-trượt-PD có nhiễu đo lường
(tín hiệu đặt dạng xung 1) ......................................................................................... 51
Hình 3.65: Đáp ứng vị trí của bộ điều khiển mờ-trượt-PD có nhiễu đo lường
(tín hiệu đặt dạng xung 2 ) ........................................................................................ 52
Hình 3.66: Đáp ứng góc quay của bộ điều khiển mờ-trượt-PD có nhiễu đo lường
(tín hiệu đặt dạng xung 2) ......................................................................................... 52
Hình 3.67: Tín hiệu điều khiển u của bộ điều khiển mờ-trượt-PD có nhiễu đo lường
(tín hiệu đặt dạng xung 2) ......................................................................................... 52
Hình 3.68: Đáp ứng vị trí của các phương pháp điều khiển ..................................... 53
Hình 3.69: Đáp ứng góc quay của các phương pháp điều khiển .............................. 53
Hình 3.70: Tín hiệu điều khiển u của phương pháp điều khiển trượt ....................... 54
Hình 3.71: Tín hiệu điều khiển u của phương pháp điều khiển PD-trượt................. 54
Hình 3.72: Tín hiệu điều khiển u của phương pháp điều khiển mờ-trượt ................ 54
Hình 3.73: Tín hiệu điều khiển u của phương pháp điều khiển mờ-trượt-PD .......... 54
Hình 4.1: Mô hình thực tế hệ thống bi sắt trên thanh cân bằng ................................ 56
Hình 4.2: Sơ đồ toàn bộ hệ thống điều khiển ............................................................ 57
Hình 4.3: Động cơ DC Servo TAMAGAWA SEIKI TYPE TS 1983N146E5 ........ 58

xii

Hình 4.4: Encoder E6B2 – CWZ3E .......................................................................... 58
Hình 4.5: Nguyên lý hoạt động bộ đọc nhân 4 ......................................................... 59
Hình 4.6: Sơ đồ nguyên lý cảm biến dây trở quấn .................................................... 60
Hình 4.7: Sơ đồ nguyên lý của mạch cầu H .............................................................. 60
Hình 4.8: DSP TMS320F28335 ................................................................................ 61
Hình 4.9: Nguồn cấp 24V-5A ................................................................................... 62
Hình 4.10: Quan hệ giữa MATLAB, CCS và DSP (TMS320F28335) .................... 63
Hình 4.11: Khối eQEP .............................................................................................. 63
Hình 4.12: Khối ADC ............................................................................................... 64
Hình 4.13: Khối Digital Output ............................................................................... 64
Hình 4.14: Khối SCI Transmit .................................................................................. 64
Hình 4. 15 : Khối SCI receive ................................................................................... 64
Hình 4.16: Khối PWM............................................................................................... 65
Hình 4.17: Sơ đồ điều khiển thời gian thực với thời gian lấy mẫu 0.01s ................. 65
Hình 4.18: Khối xử lý tín hiệu vị trí bi sắt và góc lệch thanh cân bằng ................... 66
Hình 4.19: Khối điều khiển động cơ ......................................................................... 66
Hình 4.20: Cấu trúc khối điều khiển ......................................................................... 67
Hình 4.21: Cấu trúc khối truyền dữ liệu SCI ............................................................ 68
Hình 4.22: Khối nhận dữ liệu nối tiếp....................................................................... 68
Hình 4.23: Giao diện hiển thị .................................................................................... 69
Hình 4.24: Đáp ứng vị trí hệ thống tại điểm 0 .......................................................... 69
Hình 4.25: Đáp ứng góc quay hệ thống tại điểm 0 ................................................... 70
Hình 4.26: Tín hiệu điều khiển u của hệ thống tại điểm 0 ........................................ 70
Hình 4.27: Đáp ứng vị trí hệ thống tại điểm +5 ........................................................ 70
Hình 4.28: Đáp ứng góc quay hệ thống tại điểm +5 ................................................. 71
Hình 4.29: Tín hiệu điều khiển u của hệ thống tại điểm +5...................................... 71
Hình 4.30: Đáp ứng vị trí bám theo tín hiệu đặt ....................................................... 71
Hình 4.31: Đáp ứng góc quay bám theo tín hiệu đặt ................................................ 72

Hình 4.32: Tín hiệu điều khiển u .............................................................................. 72


xiii

Danh mục các bảng số liệu
Bảng 3.1: Luật chỉnh định Ziegler – Nichols thứ nhất: ........................................... 25
Bảng 3.2: Luật chỉnh định Ziegler – Nichols thứ hai: ............................................. 26
Bảng 3.3: Thông số mô phỏng hệ thống ................................................................... 28
Bảng 3.4: So sánh các kết quả mô phỏng ................................................................. 55
Bảng 4.1: Thông số thực của mô hình bi sắt trên thanh cân bằng được thiết kế ...... 57
Bảng 4.2: Thông số của Encoder .............................................................................. 59


xiv

Các ký hiệu trong luận văn
Ký hiệu

Đơn vị

Tên
Khối lượng bi sắt

kg

R

Bán kính bi sắt

m

g

Gia tốc trọng trường

m/s2

L

Chiều dài thanh cân bằng

m

Moment quán tính của bi sắt

kgm2

Moment quán tính của thanh

kgm2

Vị trí bi sắt trên thanh

m

Góc quay của động cơ DC

rad

Góc của thanh so với mặt phẳng ngang

rad

Điện áp vào động cơ DC

V

Im

Dòng điện phần ứng

A

Rm

Điện trở phần ứng



Km

Hệ số hằng

V.s/rad

Kg

Tỉ số truyền bánh răng

-

Ki

Hệ số hằng

N.m

Lm

Cảm kháng cuộn dây

mH

p

Hiệu suất động cơ DC và bộ phận truyền động

-

Moment điều khiển ở thanh cân bằng

Nm

Moment điều khiển ở trục động cơ DC

Nm

Vị trí làm việc của bi sắt

m

r


xv

Danh mục các chữ viết tắt
PID: Proportional, Integral, Derivative (Phương pháp điều khiển vi tích phân tỉ lệ
KP: Proportional Constant ( Hệ số tỷ lệ)
KD: Derivative Constant (Hệ số vi phân)
KI: Integral Constant (Hệ số tích phân)
LQR: Linear-Quadratic Regulator (Điều khiển tối ưu tuyến tính dạng toàn phương
DSP: Digital signal Processing (Bộ xử lý tính hiệu số)
DC: Direct Current (Một chiều)
SMC: Sliding mode controller (Bộ điều khiển trượt)
F_SMC: Fuzzy_Sliding mode controller (Bộ điều khiển mờ-trượt)
MIMO: Multiple Input Multiple Output (Nhiều ngõ vào ra
SISO: Single Input Single Output (Một ngõ vào ra


1

Chƣơng 1
TỔNG QUAN
1.1 Đặt vấn đề
1.1.1 Giới thiệu hệ “bi sắt trên thanh cân bằng”
Hệ thống “bi sắt trên thanh cân bằng” là một mô hình thực nghiệm quen thuộc,
với cấu tạo vật lý khá đơn giản nhưng tương đối phức tạp về mặt động lực học.
Hiện nay, các kết quả đạt được từ những phương pháp điều khiển khác nhau cho hệ

“bi sắt trên thanh cân bằng” cũng rất tốt. Một lần nữa, để kiểm chứng phương pháp
điều khiển, đồng thời phát huy các kết quả đạt được cũng như khắc phục một số vấn
đề còn hạn chế, tác giả đưa ra phương pháp điều khiển mờ-trượt-PD để ổn định vị
trí bi sắt trên thanh cân bằng.
Với mục đích loại bỏ hiện tượng dao động (charttering) khi sử dụng bộ điều
khiển trượt, đồng thời nâng cao khả năng đáp ứng của hệ thống, bộ điều khiển mờtrượt-PD đã thỏa mãn các yêu cầu đề ra. Đó là lý do tác giả chọn đề tài: “Thiết kế
bộ điều khiển mờ-trượt-PD ổn định vị trí bi sắt trên thanh cân bằng”.
1.1.2 Nguyên lý hoạt động
Mô hình “bi sắt trên thanh cân bằng” thường dùng trong phòng thí nghiệm các
trường đại học. Mô hình gồm: Thanh nằm ngang, quả bi sắt, một động cơ DC, một
cảm biến dùng để xác định vị trí bi, một cảm biến dùng để xác định góc nghiêng của
thanh, bộ phận truyền động từ trục động cơ lên thanh và mạch điều khiển. Có hai
dạng mô hình:
Dạng 1: Hệ thống “bi sắt trên thanh cân bằng” trục lệch [12]

Hình 1.1: Hệ thống “bi sắt trên thanh cân bằng” trục lệch


2

Ưu điểm: Động cơ DC không cần phải có moment lớn để điều khiển vì hệ
thống có sử dụng đòn bẩy.
Nhược điểm: Thuật toán điều khiển phức tạp.
Dạng 2: Hệ thống “bi sắt trên thanh cân bằng” trục giữa [12]

Hình 1.2: Hệ thống “bi sắt trên thanh cân bằng” trục giữa

Ưu điểm: Dễ xây dựng mô hình và thuật toán điều khiển.
Nhược điểm: Cần một động cơ DC có moment lớn để điều khiển.
Nguyên lý chung:

Bi sắt di chuyển trên thanh nhờ tác dụng của trọng lực khi thanh bị nghiêng so
với mặt phẳng ngang. Vị trí bi được xác định nhờ cảm biến, bộ điều khiển nhận
được sai lệch giữa vị trí bi trên thanh và vị trí bi mong muốn, từ đó đưa ra tín hiệu
điều khiển động cơ thay đổi góc nghiêng của thanh đưa bi về vị trí mong muốn.
1.2 Mục tiêu luận văn
Giữ ổn định vị trí bi sắt trên thanh cân bằng.
Bi sắt ổn định bền vững trên thanh cân bằng khi có tác động của nhiễu.
Nâng cao chất lượng của bộ điều khiển, đảm bảo thời gian tác động nhanh,
chính xác, bền vững.
Giải quyết hiện tượng chattering khi sử dụng bộ điều khiển trượt.
1.3 Phạm vi nghiên cứu
Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài, tác giả tìm hiểu phương pháp điều khiển
trượt, cách khắc phục hiện tượng charttering khi sử dụng bộ điều khiển trượt, đồng


3

thời nâng cao chất lượng điều khiển hệ thống với bộ điều khiển PD-trượt, mờ-trượt,
mờ-trượt-PD. Ứng dụng bộ điều khiển mờ-trượt-PD vào mô hình thực tế.
Các công việc thực hiện:
- Mô hình hóa hệ thống “bi sắt trên thanh cân bằng”.
- Thiết kế bộ điều khiển trượt điều khiển bi sắt ổn định vị trí trên thanh cân
bằng.
- Thiết kế bộ điều khiển PD-trượt điều khiển bi sắt ổn định vị trí trên thanh
cân bằng.
- Thiết kế bộ điều khiển mờ-trượt điều khiển bi sắt ổn định vị trí trên thanh
cân bằng.
- Thiết kế bộ điều khiển mờ-trượt-PD điều khiển bi sắt ổn định vị trí trên
thanh cân bằng.
- Mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink các bộ điều khiển trượt, bộ

điều khiển PD-trượt, bộ điều khiển mờ-trượt và bộ điều khiển mờ-trượt-PD.
- Thực nghiệm bộ điều khiển mờ-trượt-PD trên mô hình thực thông qua
chip vi điều khiển DSP TMS320F28335 để ổn định vị trí bi sắt trên thanh
cân bằng.
1.4 Phƣơng pháp thực hiện
Thu thập thông tin về hệ “bi sắt trên thanh cân bằng” gồm các mô hình toán
học, các phương pháp điều khiển đã được sử dụng, kết quả của các phương pháp đó
thông qua các bài báo, các luận văn trong và ngoài nước.
Chọn và dẫn giải mô hình toán học phù hợp nhất.
Chọn giải thuật điều khiển trượt, PD-trượt, mờ-trượt, mờ-trượt-PD sau khi
xem xét tổng quan các phương pháp có thể dùng để điều khiển hệ “bi sắt trên thanh
cân bằng”.
Nghiên cứu cơ sở lý thuyết các phương pháp điều khiển đã chọn.
Mô phỏng các phương pháp điều khiển trượt, PD-trượt, mờ-trượt, mờ-trượtPD trên máy tính bằng chương trình phần mềm Matlab/Simulink với các thông số
mượn của bài báo.


4

Kết quả mô phỏng khả thi thì tiếp tục thiết kế phần cơ khí và phần điện điều
khiển hệ “bi sắt trên thanh cân bằng”.
Từ thông số thực tế của mô hình khi đã thi công xong, đưa vào mô phỏng lại
các bộ điều khiển và chỉnh cho đến khi đạt được chất lượng yêu cầu đề ra.
Sử dụng bộ điều khiển mờ-trượt-PD đã đạt yêu cầu khi mô phỏng lập chương
trình hoạt động của các giải thuật đó với các công cụ do Matlab/Target Support
Package/C28x3x cung cấp. Sau đó trình Matlab sẽ biên dịch và liên kết với Code
Composer Studio tạo thành file C và nạp xuống chip vi điều khiển DSP
TMS320F28335.
Chạy giải thuật trên mô hình thực nghiệm và điều chỉnh sao cho hệ “bi sắt trên
thanh cân bằng” ổn định như mong muốn.

Nhận xét các kết quả đạt và rút ra kết luận.
1.5 Các công trình nghiên cứu liên quan
1.5.1 Các công trình trong nƣớc
Tại nước ta, có rất nhiều công trình nghiên cứu về hệ thống “bi sắt trên thanh
cân bằng”. Cụ thể, tại trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Thành Phố Hồ Chí
Minh có hai nghiên cứu của tác giả Trần Hoài Nam và tác giả Nguyễn Tiến Diệm
năm 2012. Các tác giả đã đạt được các kết quả sau:
- Xây dựng được bộ điều khiển mờ.
- Xây dựng được bộ điều khiển mờ lai.
- Mô phỏng đối tượng với các bộ điều khiển đã thiết kế.
- Thiết kế và chế tạo được mô hình thực.
Bên cạnh đó cũng tồn tại những khuyết điểm:
- Thời gian đáp ứng không tốt.
- Khối lượng bóng nhẹ, gây ra sự mất ổn định trong điều khiển.


5

1.5.2 Các công trình ngoài nƣớc
1.5.2.1 Công ty Megachem [18]
Công ty Megachem là công ty chuyên thiết kế các thiết bị dành cho học tập.
Tháng 11 năm 2005, công ty đã cho ra mô hình “ball and beam”.

Hình 1.3: Sản phẩm của công ty Megachem

Với thanh cân bằng dài 1m, hệ thống dạng trục giữa phần nào gây khó khăn
trong việc điều khiển. Nhưng mô hình đã sử dụng cảm biến siêu âm, cùng với thiết
kế đơn giản cho phép hệ thống đáp ứng nhanh.
1.5.2.2 Trƣờng Đại học kỹ thuật Hong Kong [19]
Năm 2006, mô hình “ball and beam” thuộc đề tài luận văn của sinh viên Wei

Wang thực hiện, đã đưa vào làm mô hình thí nghiệm của trường.

Hình 1.4: Sản phẩm của trường Đại học kỹ thuật Hong Kong

Với cơ cấu truyền động gián tiếp qua dây cua-roa và tay nâng. Ưu điểm của hệ
thống là tránh được sự ảnh hưởng của động cơ khi động cơ quay nhanh và đảo
chiều liên tục. Nhược điểm của hệ thống là thanh nằm ngang, cánh tay nâng và đĩa
quay tương đối nặng, do đó khi đưa ra tín hiệu điều khiển động cơ cần phải tính
moment quay của động cơ khi có tải nặng.


6

1.5.2.3 Trƣờng Đại học kỹ thuật Australia [20]
Tháng 5 năm 2008, nhóm sinh viên của trường đại học kỹ thuật Australia đã
áp dụng kỹ thuật xử lý ảnh vào trong mô hình “ball and beam”.

Hình 1.5: Sản phẩm của trường Đại học kỹ thuật Autralia

Trong mô hình này, thanh cân bằng là một máng rộng, hình chữ “V”, máng có
độ dài 50cm và được phủ màu đen. Quả bi là một viên bi nhựa màu trắng, đường
kính 30mm. Trục động cơ được gắn trực tiếp vào điểm giữa của máng. Với việc sử
dụng camera với công nghệ xử lý ảnh, để xác định vị trí bi sẽ hạn chế nhiễu trong
quá trình đọc vị trí bi, tăng tính linh hoạt trong xử lý. Tuy nhiên, quá trình xử lý phụ
thuộc hoàn toàn vào điều kiện ánh sáng môi trường.
1.6 Tầm quan trọng và ý nghĩa thực tiễn
Hệ thống “bi sắt trên thanh cân bằng” là hệ thống phức tạp có tính phi tuyến
cao và không ổn định. Các vấn đề điều khiển liên quan đến hệ thống này bao gồm
thiết kế bộ điều khiển giữ cân bằng vị trí bi sắt tại một điểm xác định, và điều khiển
bi sắt bám theo tín hiệu đặt trước.

Từ đề tài “bi sắt trên thanh cân bằng” có thể phát triển lên để nghiên cứu về
các vấn đề như: điều khiển cẩu trục (hình 1.6a), điều khiển góc tên lửa khi rời bệ
phóng (hình 1.6b) và xe hai bánh tự cân bằng (hình 1.6c).

a. Hệ cầu trục

b .Điều khiển góc tên lửa

c. Xe 2 bánh tự cân bằng

Hình 1.6: Các đối tượng điều khiển phức tạp trong thực tế


7

1.7 Nội dung của luận văn
Luận văn gồm 5 chương chính:
Chương 1: TỔNG QUAN
Trình bày tổng quan về hệ “bi sắt trên thanh cân bằng”, các công trình liên
quan trong và ngoài nước, ưu khuyết điểm của các công trình này.
Chương 2: ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU
Thiết lập mô hình toán học và tuyến tính hóa tại điểm làm việc.
Chương 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ GIẢI PHÁP
Trình bày cơ sở lý thuyết về lý thuyết ổn định Lyapunov, phương pháp điều
khiển trượt, phương pháp điều khiển mờ, phương pháp điều khiển PID, thiết kế các
bộ điều khiển trượt, PD-trượt, mờ-trượt, mờ-trượt-PD với hệ “bi sắt trên thanh cân
bằng”, kết quả mô phỏng của các phương pháp điều khiển trên, bằng phần mềm
Matlab/Simulink.
Chương 4: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH “BI SẮT TRÊN
THANH CÂN BẰNG”.

Thiết kế và thi công hệ “bi sắt trên thanh cân bằng”. Ứng dụng bộ điều khiển
mờ-trượt-PD trên mô hình thực.
Chương 5: KẾT LUẬN VÀ ĐÁNH GIÁ
Đánh giá kết quả luận văn.


8

Chƣơng 2

ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU
2.1 Mô hình hóa hệ “bi sắt trên thanh cân bằng”
Mô hình vật lý: [12]
Hệ thống “bi sắt trên thanh cân bằng”:

Hình 2.1: Mô hình hệ thống “bi sắt trên thanh cân bằng”

Đối tượng nghiên cứu bao gồm: Một bi sắt, một động cơ DC, hệ thống truyền
động nối giữa động cơ DC và thanh cân bằng. Khi động cơ quay một góc
qua hệ thống truyền động sẽ làm cho thanh cân bằng quay một góc
của bộ điều khiển là kiểm soát góc quay

, thông

và nhiệm vụ

để giữ bi sắt ổn định tại vị trí mong

muốn. Vị trí bi được xác định bởi thanh dây quấn điện trở, góc quay thanh được xác
định bởi encoder.

Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài, góc quay của thanh cân bằng được giới
hạn trong phạm vị từ -200 đến +200, thanh cân bằng dài 0.5m (vị trí bi từ -0.25m
đến +0.25m . Qui ước khi thanh nằm ngang so với mặt phẳng ngang là 00, vị trí bi
tại điểm giữa thanh cân bằng là vị trí “0”.
Mô hình toán học: [10] [12] [13] [17]

Hình 2.2: Tín hiệu vào-ra của hệ thống