Điều khiển thích nghi hệ thống beam and ball ( Luận án tiến sĩ)

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

Doãn Thế Công

ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI HỆ THỐNG BEAM AND BALL
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
Mã số: 520216

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

THÁI NGUYÊN, 2014

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Tháii Nguyên

/>

ii Nguyên
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái

/>

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Doãn Thế Công
Sinh ngày 26 tháng 11 năm 1983
Học viên lớp cao học khoá 14 CH.TĐH - Trƣờng đại học kỹ thuật Công nghiệp
Thái Nguyên.

Tôi xin cam đoan luận văn “Điều khiển thích nghi hệ thống Ball and
Beam” do thầy giáo TS. Nguyễn Văn Chí hƣớng dẫn là công trình nghiên cứu của

riêng tôi. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng.
Tôi xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng nhƣ nội dung
trong đề cƣơng và yêu cầu của thầy giáo hƣớng dẫn. Nếu có vấn đề gì trong nội
dung của luận văn, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình.

Thái Nguyên, ngày 2 tháng 03 năm 2014
Học viên

Doãn Thế Công

iii Nguyên
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái

/>

LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trƣơng và đƣợc sự hƣớng dẫn tận tình
giúp đỡ của thầy giáo TS. Nguyễn Văn Chí, luận văn với đề tài “Điều khiển thích
nghi hệ thống Ball and Beam” đã đƣợc hoàn thành.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới:
Thầy giáo hƣớng dẫn TS. Nguyễn Văn Chí đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tác giả
hoàn thành luận văn.
Các thầy cô giáo Trƣờng Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên và một số
đồng nghiệp, đã quan tâm động viên, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập để
hoàn thành luận văn này.
Mặc dù đã cố gắng hết sức, tuy nhiên do điều kiện thời gian và kinh nghiệm
thực tế của bản thân còn ít, cho nên đề tài không thể tránh khỏi thiếu sót. Vì vậy, tác
giả mong nhận đƣợc sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo, cô giáo và các bạn bè
đồng nghiệp.

Tôi xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày 2 .tháng 03 năm 2014
Học viên

Doãn Thế Công

iv Nguyên
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái

/>

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .............................................................................. i
LỜI CẢM ƠN .................................................................................. iv
MỤC LỤC ........................................................................................ v
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT .................................................vii
DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ ............................................. viii
LỜI NÓI ĐẦU .................................................................................. 1

1. Nội dung của luận văn .......................................................................... 1
2. Mục tiêu đạt đƣợc của luận văn ............................................................ 1
3. Tính cấp thiết của đề tài........................................................................ 2
Chƣơng 1. XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG “BALL AND BEAM” . 3
1.1. Mô tả hệ thống “Ball and Beam” ........................................................................3
1.1.1. Đặt vấn đề .........................................................................................................3
1.1.2. Một số hệ thống B&B trong thực tế..................................................................5
1.1.3. Mô hình hệ thống B&B tại phòng thí nghiệm bộ môn đo lƣờng điều khiển ..10
1.1.4. Sơ đồ kết nối giữa máy tính và mô hình hệ thống B&B.................................13
1.1.5. Card NI USB 6008 giao tiếp từ máy tính với mô hình B&B [8]. ...................15
1.1.6. Các yếu tố ảnh hƣởng đến hệ thống Ball and beam........................................17

1.2. Xây dựng mô hình toán học của hệ thống B&B ................................................19
1.3. Xác định các tham số của hệ thống...................................................................21
1.3.1. Mô hình toán động cơ 1 chiều: .......................................................................21
1.3.2. Xác định điện trở phần ứng Ra:.......................................................................23
1.3.3. Xác định hằng số Kb ........................................................................................23
1.3.4. Xác định Jm qua tính toán. (file: iden_Jm) .......................................................25
1.4. Kết luận chƣơng 1. .............................................................................................26
Chƣơng 2. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHẢN HỒI TRẠNG THÁI
LQR CHO HỆ THỐNG PHẢN HỒI B&B ....................................... 28
2.1. Tuyến tính hoá hệ thống B&B tại điểm làm việc: .............................................28
2.2. Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái LQR................................................30
v Nguyên
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái

/>

2.3. Kết quả chạy thực nghiệm..................................................................................33
Kết luận chƣơng 2 .....................................................................................................40
Chƣơng 3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN LQR KẾT HỢP KHÂU
THÍCH NGHI BÙ NHIỄU CHO HỆ THỐNG B&B......................... 41
3.1. Nguyên lý của khâu thích nghi bù nhiễu............................................................41
3.2. Thiết kế khâu thích nghi bù nhiễu cho hệ thống B&B. .....................................44
3.3. Kết quả chạy thực nghiệm..................................................................................45
3.3.1. Sơ đồ khối hệ thống trên Matlab/Simulink: ....................................................45
3.3.2. Mô hình đổi tƣợng đã bao gồm bộ điều khiển LQR .......................................46
3.3.3. Mô hình mẫu của hệ thống..............................................................................46
3.3.4. Sơ đồ khối khâu thích nghi bù nhiễu ..............................................................47
3.3.5. Kết quả sau khi chạy thực nghiệm ..................................................................47
3.4. Kết luận chƣơng 3. .............................................................................................50
Chƣơng 4. KẾT LUẬN CHUNG ..................................................... 51

TÀI LIỆU THAM KHẢO. .....................................................................................52

vi Nguyên
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái

/>

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ng Anh
LQG

Linear Quadratic Gaussian
Gaussian

LQR

Linear Quadratic Regulator

LFFC

Leaning Feed – Forward Control

Bộ điều khiển học truyền
thẳng

PID

Proportional- Intergral- Derivative

B&B

Ball and Beam

vii Nguyên
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái

–

-

Bóng và thanh

/>

DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ
Hình 1-1 Mô hình Ball and beam dạng 1 ............................................ 4
Hình 1-2 Mô hình Ball and beam dạng 2 ............................................ 4
Hình 1-3 Mô hình Ball and Beam tại trƣờng ĐHKT Hong kong ........... 5
Hình 1-4 Mô hình Ball and Beam tại công ty Megachem. ................... 7
Hình 1-5 Mô hình Ball and Beam ĐH Bắc Florida .............................. 7
Hình 1-6 Mô hình Ball and Beam ĐHKT Australia ............................. 8
Hình 1-7 Wedcam on board ĐHKT Australia ..................................... 9
Hình 1-8

Hình ảnh bộ thí nghiệm .................................................. 10

Hình 1-9

Khối GAIN ................................................................... 11

Hình 1-10 Khối LEVEL CONVERTER ........................................... 11
Hình 1-11 Khối POWER AMPLIFIER ............................................ 12
Hình 1-12 Khối BALL POISTION ................................................. 12
Hình 1-13 Lấy tín hiệu góc quay của thanh ...................................... 13
Hình 1-14 Sơ đồ cấu trúc điều khiển hệ thống B&B. ....................... 13
Hình 1-16 Hình ảnh bộ Card NI USB 6008 ..................................... 15
Hình 1-17. Nhiễu quá trình và nhiễu đo lƣờng ................................ 18
Hình 1-18.

Mô tả toán học B&B .................................................... 19

Hình 1-20.

Đồ thị điện áp trên biến trở quay .................................. 24

Hình 1-21.

Đồ thị E ( t ) khi động cơ bị ngăt nguồn ............................ 25

Hình 2. 1 Nguyên tắc phản hồi trạng thái .................................................................31
/simulink . 33
Hình 2. 3 Sơ đồ cấu trúc đầu ra điều khiển hệ thống B&B ................. 33
Hình 2. 4 Sơ đồ khối đo các tín hiệu của hệ thống B&B ................... 34
Hình 2. 5 Đáp ứng đầu ra r của hệ thống B&B với r d =0,21............... 34
Hình 2. 6 Góc của thanh ngang

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

Hình 2. 7 Đồ thị vận tốc của viên bi

Hình 2. 8 Vận tốc góc của thanh ngang

............................................. 35
_dot. .................................. 36

viiiNguyên
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái

/>

Hình 2. 9 Đáp ứng đầu ra r của hệ thống B&B khi ............................ 37
tín hiệu đặt có dạng xung ................................................................ 37
Hình 2. 10 Đồ thị vận tốc của viên bi
Hình 2. 11 Góc của thanh ngang

........................................... 37

................................................... 38

Hình 2. 12 Vận tốc góc của thanh ngang

_dot. ................................ 38

Hình 2. 13 Kết quả thử nghiệm tổng hợp .......................................... 39
Hình 3. 1 Điều khiển bù nhiễu đối tƣợng bất định tuyến tính có ma trận
hệ thống là ma trận bền ................................................................... 43
h nghi mô hình B&B
trong Matlab ................................................................................... 45
Hình 3. 3 Mô hình đối tƣợng bao gồm bộ điều khiển LQR ................ 46
............................................. 46

Hình 3. 6 Kết quả thử nghiệm tổng hợp với giá trị r d = 0.1m............. 47
Hình 3. 7 Kết quả thử nghiệm tổng hợp với giá trị r d = -0.1m ........... 48
Hình 3. 8 Kết quả thử nghiệm tổng hợp với vị trí đặt dạng xung ....... 49

ix Nguyên
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái

/>

LỜI NÓI ĐẦU
1.Tính cấp thiết của đề tài
Mô hình “ Ball and Beam”(mô hình bóng và tay đòn), viết tắt là
B&B là một trong số các mô hình trong phòng thí nghiệm của trƣờng đại
học công nghiệp Thái Nguyên. Đây là mô hình này chuyên dùng để cho
các học viên học tập và nghiên cứu khoa học trong quá trình cài đặt các
thuật toán điều khiển. Khi tìm hiểu và nghiên cứu bộ thí nghiệm điều
khiển B&B không còn hiện trạng nhƣ ban đầu và hoàn toàn không chạy
đƣợc. Cụ thể là các thông tin về sẩn phẩm, phần mềm điều khiển cũng
nhƣ máy tính chuyên dụng đều không còn nữa. Mặt khác các linh kiện đã
lâu năm nên một số không còn chính xác nữa. Đây chính là khó khăn
không nhỏ trong việc nghiên cứu mô hình thí nghiệm này.
Để khắc phục cũng nhƣ những tồn tại trên tôi đã tiến hành đo và
nhận dạng lại các thành phần của hệ thống nhƣ: Động cơ servo, điện trở,
biến trở, các khớp truyền động, thay thế khối giao tiếp máy tính bằng
card NI USB6008, kết nối hệ thống với phần mềm Matlab/simulink để cài
đặt các thuật toán điều khiển. Khi đã khắc phục và đã có đầy đủ các
thông số của mô hình, Tôi tiến hành nghiên cứu theo đề tài đăng ký làm
luận văn thạc sỹ là ”Điều Khiển Thích Nghi Hệ Thống Ball And Beam”,
sử dụng bộ điều khiển LQR và đề xuất thêm khâu bù nhiễu nhằm nâng cao
chất lƣợng ổn định của hệ thống khi vị trí viên bi cách xa về hai phía. Đây là

một đề tài điển hình về kỹ thuật điều khiển và đƣợc hầu hết các trƣờng đại
học kỹ thuật nghiên cứu và thí nghiệm. Mô hình đƣợc ứng dụng nhiều trong
thực tế nhƣ hệ thống cân bằng máy bay theo phƣơng nằm ngang khi hạ cánh
dƣới ảnh hƣởng của các dòng khí chuyển động hỗn loạn, điều khiển cân bằng
trong ôtô v.v.
2.Mục tiêu đạt được của luận văn
Xác định đƣợc các thông số vật lý thực của hệ thống Ball and Beam
thông qua nhận dạng, đo đạc và tính toán

1 Nguyên
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái

/>

Nghiên cứu lý thuyết và xây dựng mô
, sau đó thiết kế bộ điều khiển ổn định LQR và bộ điều khiển LQR
kết hợp khâu thích nghi bù nhiễu cho hệ thống B&B nhằm ổn định vị trí viên
bi, đặc biệt là vị trí của viên bi cách xa điểm giữa.
Kiểm chứng kết quả thiết kế thông qua mô phỏng bằng phần mềm
Matlab Simulink và chạy thực nghiệm trên mô hình thực.
3.Nội dung của luận văn
Với nội dung luận văn bao gồm các chƣơng:
Chương 1: Xây dựng mô hình Ball and beam.
Chương 2: Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái LQR cho hệ thống B&B.
Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển LQR kết hợp với bộ điều khiển thích
nghi bù nhiễu cho hệ thống B&B.
Chương 4: Kết luận chung của đề tài.
Để thực hiện bài toán điều khiển trên tác giả luận văn không sử dụng
khối điều khiển sẵn có đƣợc tích hợp trên mô hình, mà thay vào đó tác giả đề
xuất sử dụng cấu trúc điều khiển bằng máy tính. Sử dụng card giao tiếp vào ra

NI 6008. Với cấu trúc này ta có thể:
- Dễ dàng cài đặt các thuật toán điều khiển phức tạp.
- Thực hiện các thuật toán trên Mallab/Simulink trực quan và dễ dàng.
- Dễ dàng thay đổi các tham số và hiệu chỉnh.
- Dễ dàng hiển thị các đƣờng đặc tính trên màng hình máy tính.
Hệ thống thực nghiệm chạy ổn định, thay đổi thuật toán điều khiển một
cách dễ dàng, hệ thống thực đã chứng minh đƣợc thuật toán điều khiển.

2 Nguyên
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái

/>

Chƣơng 1
XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG
“BALL AND BEAM”
1.1 Mô tả hệ thống “Ball and Beam”
1.1.1 Đặt vấn đề
Ngày nay, khoa học kỹ thuật đạt đƣợc rất nhiều tiến bộ trong lĩnh vực
điều khiển tự động hóa. Các hệ thống điều khiển đƣợc áp dụng các luật điều
khiển kinh điển, điều khiển hiện đại, cho tới điều khiển thông minh, điều
khiển bằng trí tuệ nhân tạo. Kết quả thu đƣợc là hệ thống hoạt động với độ
chính xác ngày càng cao, tính ổn định bền vững tốt hơn, và thời gian đáp ứng
nhanh. Trong điều khiển công nghiệp có nhiều bộ điều khiến nhƣ PID truyển
thống, điều khiển thích nghi, LFFC ( Leaning Feed – Forward Control) LQR
(Linear Quadratic Regulator) và LQG ( Linear Guadratic Gausan)….
Hệ thống “Ball and Beam” (B&B), dịch tiếng Việt là hệ thống “Bóng
và Tay đòn”, là hệ thống dùng để thử nghiệm các bài toán điều khiển ổn định
vị trí, đây là một hệ thống có động học khá nhạy cảm với nhiễu tác động bên
ngoài. Mô hình B&B thƣờng đƣợc dùng nhiều trong phòng thí nghiệm của

các trƣờng đại học trên thế giới. Mô hình bao gồm một thanh nằm ngang
(beam), một quả bóng (ball), một động cơ DC, cảm biến đọc vị trí quả bóng
và cảm biến xác định góc nghiêng của thanh. Thanh nằm ngang (beam),
thƣờng có độ dài trong khoảng [ 0.5 , 1.0] met. Chất liệu của thanh đƣợc làm
bằng nhựa hoặc, nhôm, gỗ. Quả bóng (ball), hình tròn, trọng lƣợng trong
khoảng [100g , 250g]. Quả bóng thƣờng đƣợc thay thế bằng viên bi sắt nhỏ,
hay bi nhựa. Bề mặt nhẵn, khi chuyển động ma sát phải rất nhỏ (có thể bỏ qua
đƣợc).
Điều khiển vị trí của bóng trên thanh bằng cách thay đổi góc nghiêng
của thanh so với phƣơng ngang bằng một động cơ. Cảm biến xác định vị trí
3 Nguyên
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái

/>

quả bóng có thể dùng cảm biến khoảng cách hoặc cảm biến độ dịch chuyển,
cảm biến xác định góc nghiêng của thanh có thể sử dụng cảm biến góc nghiêng
hoặc encoder. Có hai dạng mô hình phổ biến của hệ thống B&B nhƣ sau:
Dạng 1:

Bóng (Ball)

Tay đòn ( Beam)

Tay nâng ( Lever Arm)

Đĩa tròn (Gear)

Hình 1-1 Mô hình Ball and Beam dạng 1
Trên mô hình ở hình 1.1, α là góc nghiêng của thanh beam đƣợc tạo ra

làm quả bóng chuyển động “Gear” là cơ cấu bánh răng truyền động, là một
đĩa tròn. Trục động cơ gắn vào tâm của đĩa.“Lever Arm” là cơ cấu tay nâng
thanh beam, gắn trực tiếp trên đĩa tròn, cách trục động cơ khoảng “d”.
Ƣu điểm của mô hình này là động cơ có mô men nhỏ hơn để điều khiển vì
có sử dụng đòn bẩy. Nhƣợc điểm của dạng này là khó trong thuật toán điều khiển.
Dạng 2:

Hình 1-2 Mô hình Ball and Beam dạng 2
4 Nguyên
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái

/>

Dạng này thanh đƣợc đỡ ở trung tâm. Trục quay đƣợc gắn cố định trên
thanh và quay đƣợc trên giá đỡ.
Ƣu điểm của dạng này là dễ xây dựng mô hình và thuật toán điều khiển
đơn giản. Nhƣợc điểm của mô hình này là phải sử dụng động cơ có mô men
lớn để điều khiển góc quay của thanh.
Nguyên lý hoạt động chung:
Bóng di chuyển đƣợc trên thanh nhờ tác dụng của trọng lực khi thanh
bị nghiêng so với phƣơng nằm ngang. Cảm biến xác định vị trí của Bóng và
đƣa ra tín hiệu điều khiển động cơ thay đổi góc nghiêng của thanh để cho
Bóng di chuyển đến vị trí mong muốn.
1.1.2 Một số hệ thống B&B trong thực tế
a, Mô hình B&B của trƣờng đại học kỹ thuật Hong kong.
Năm 2006, mô hình „ball and beam‟ thuộc đề tài luận văn của sinh viên
Wei Wang thực hiện, đã đƣa vào làm mô hình thí nghiệm trong trƣờng [1].

Hình 1-3 Mô hình Ball and Beam tại trường ĐHKT Hong kong
Với cơ cấu truyền động gián tiếp qua dây cua roa và tay nâng. Ƣu điểm

của hệ thống là tránh đƣợc sự ảnh hƣởng của động cơ khi động cơ quay nhanh
và đảo chiều liên tục.

5 Nguyên
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái

/>

Dây chuyền động qua đĩa quay có bán kính lớn, làm hệ thống đáp ứng
nâng cao, hạ thấp tay nâng nhanh chóng.
Nhƣợc điểm của hệ thống: Thanh nằm ngang, cánh tay nâng và đĩa
quay tƣơng đối nặng, do đó khi đƣa ra tín hiệu điều khiển động cơ cấn phải
tính mô men quay của động cơ khi có tải nặng. Hệ thống chịu ảnh hƣởng
nhiều về độ chính xác của quá trình lắp ráp cơ khí.
Phƣơng pháp xác định vị trí của quả bóng là dùng cảm biến từ. Một
cuộn dây dài nằm dọc phía dƣới thanh „beam‟, cấp nguồn điện AC 12V vào
cuộn dây, khi ball ( bằng kim loại) lăn trên bề mặt cuộn dây, dòng điện cảm
ứng sinh ra và biến thiên, từ đó xác định đƣợc tỷ lệ khoảng cách.
Phƣơng pháp xác định vị trí này dễ bị nhiễu khi có vật kim loại đặt gần thanh
„beam‟, và tính toán dòng điện biến thiên khá phức tạp.
b, Mô hình B&B của công ty Megachem.
Công ty Megachem là một công ty chuyên sản xuất các thiết bị dành
trong học tập. Đặc biệt chuyên về các mô hình trong lĩnh vực điều khiền hệ
thống. Công ty Megachem đã có nhiều sản phẩm nhƣ: mô hình điều khiền
cánh tay rô bốt 3 tới 5 bậc tự do, mô hình điều khiển hệ thống con lắc ngƣợc,
mô hình điều khiển mức, và một số mô hình điều khiển băng tải, …
Tháng 11 năm 2005, công ty Megachem đã giới thiệu mô hình hệ
thống „ball and beam‟[2]. Mô hình có thanh „beam‟ dài tới 1m. động cơ gắn
trực tiếp tại trung tâm của thanh „beam‟. Phƣơng pháp xác định vị trí quả
bóng là dùng hai cảm biến siêu âm họ SRF05.

Ƣu điểm của hệ thống: Thiết kế cơ khí đơn giản hơn, giảm bớt tải
trên trục động cơ. Động cơ có thể đáp ứng nhanh. Xác định vị trí của quả
bóng chính xác hơn do dùng cảm biến siêu âm có chùm tia hẹp, và khả công
suất thu phát xa.

6 Nguyên
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái

/>

Nhƣợc điểm của hệ thống: Khi động cơ quay nhanh và đảo chiều liên
tục, làm rung hệ thống, dễ ảnh hƣởng tới góc quay của cảm biến góc
(encoder) và giá thành cao.
Hiện nay cặp cảm biến siêu âm SRF khoảng cách nhỏ hơn 3m có giá
60 USD. Và giá bán của mô hình „ball and beam‟ này là 300 USD.

Hình 1-4 Mô hình Ball and Beam tại công ty Megachem.
c, Mô hình B&B của trƣờng đại học Phía Bắc Florida
Tháng 7/ 2007 Đề tài luận văn của hai sinh viên Ms Ming Gao và Mr
Sani- Hasim đã đƣợc thực hiện trên mô hình B&B nhƣ hình 1.5 của trƣờng
đại học phía bắc Florida.

Hình 1-5 Mô hình Ball and Beam ĐH Bắc Florida
7 Nguyên
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái

/>

Trong hệ thống „ball and beam‟ này. Động cơ gắn dƣới đế, truyền động
gián tiếp qua tay nâng. Thanh „beam‟ chuyển động quay quanh trục giữa.

Phƣơng pháp xác định vị trí quả bóng dùng cảm biến siêu âm. Nhƣng
hai cảm biến siêu âm này không phải là do một cặp thu và phát, cả hai cảm
biến đều là loại phát, hoạt động độc lập với nhau.
Ƣu điểm của phƣơng pháp này: Tính toán vị trí quả bóng chính xác,
tính trung bình của hai cảm biến. Trong trƣờng hợp bị mất tín hiệu của một
trong hai cảm biến thì vẫn có thể xác định đƣợc vị trí quả bóng.
c, Mô hình B&B của trƣờng đại học kỹ thật Australia.
Tháng 5 năm 2008, nhóm sinh viên của trƣờng đại học kỹ thuật
Australia đã áp dụng kỹ thuật xử lý ảnh vào trong mô hình “ball and
beam”[3].
Trong mô hình “ball and beam” này, thanh “beam” là một máng rộng,
hình chữ “V”, máng có độ dài 50 cm và đƣợc phủ màu đen.
Quả bóng „ball‟ là một viên bi nhựa màu trắng, đƣờng kính 30 mm.
Trục động cơ đƣợc gắn trực tiếp vào điểm giữa của máng.

Hình 1-6 Mô hình Ball and Beam ĐHKT Australia
8 Nguyên
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái

/>

Phƣơng pháp xác định vị trí quả bóng không dùng các loại cảm biến,
mà áp dụng kỹ thuật xử lý ảnh. Một camera thuộc loại „webcam on board‟,
tức là camera gắn trực tiếp trên bo mạch điều khiển.

Hình 1-7 Wedcam on board ĐHKT Australia
Camera đƣợc gắn trên cao, độ cao thích hợp sao cho vùng chụp của
camera đủ chiều dài của thanh “beam”.
Ƣu điểm của phƣơng pháp này:
- Thiết kế cơ khí đơn giản.

- Không bị nhiễu điện trong quá trình đọc vị trí.
- Mang tính tự động hóa và tính linh hoạt cao.
Tuy nhiên nhược điểm là:
Mạch điều khiển phức tạp.
Độ nhạy và độ chính xác của camera phụ thuộc nhiều vào ánh sáng môi
trƣờng làm việc.
Độ dài của thanh“beam”phải giới hạn trong phạm vi chụp của camera.
Màu sắc của quả bóng phải là màu trắng hơn rất nhiều so với màu của
máng và màu nền trong mô hình.
9 Nguyên
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái

/>

Tốc độ xử lý ảnh để lấy vị trí chậm hơn so với các phƣơng pháp dùng
cảm biến.
1.1.3

Mô hình hệ thống B&B tại phòng thí nghiệm bộ môn đo lƣờng
điều khiển – khoa Điện tử

Hình 1-8 Hình ảnh bộ thí nghiệm
Là mô hình SEVOR CONTROL TRAINING SÝTEM MODEL SRV2
của hãng Labvolt chế tạo năm 2000 .Đây là bộ thí nghiệm điều khiển động cơ
servo của hãng Lab_ Volt nhƣng thông tin về sản phẩm, phần mềm điều khiển
cũng nhƣ máy tính chuyên dụng đều không còn . Mặt khác các linh kiện đã
lâu năm nên một số đã không còn chính xác nữa. Đây cũng là một khó khăn
trong việc nghiên cứu mô hình thí nghiệm này.
Bộ thí nghiệm thực chất vẫn là một hệ thống bóng và thanh đỡ, Sensor
để xác định vị trí bóng là một điện trở thanh, hệ thống sử dụng động cơ servo

FAULHABER- 2034B006S để điều khiển góc nghiêng của thanh. Hệ thống
có tín hiệu phản hồi là, phản hồi tốc độ nhờ một máy phát tốc (Motor
Tachometer) nối song song với động cơ và phản hồi góc (Shaft Angle) nhờ
một biến trở quay. Hệ thống đƣợc bố trí rất rõ ràng với phần trên là mạch
động lực còn phần dƣới là mạch điều khiển (dung các IC khuếch đại thuật
10 Nguyên
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái

/>

toán) và khối nguồn (Power). Ngoài ra còn có các lỗ cắm vào ra số để phục vụ
cho việc điều khiển bằng máy tính.
Các khối sử dụng cho việc kết nối và điều khiển.
* Khối GAIN
Khối này làm nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu điều khiển từ Card NI USB
6008 qua cổng AO0
R2
R1

_

R3
+
R4

Hình 1-9 Khối GAIN
* Khối LEVEL CONVERTER
Nhận tín hiệu điều khiển từ khối GAIN thực hiện cộng tín hiệu để tạo
thành điện áp trong dải từ -5

+5 (V) đƣa tới động cơ để điều khiển góc

nghiêng của thanh. Đây là khối chuyển đổi điện áp.
+VCC

R8
R5

FROM
D/A
J1-3

_

R6

+

5VOLTS
D/A

R7

Hình 1-10 Khối LEVEL CONVERTER

11 Nguyên
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái

/>

* Khối POWER AMPLIFIER
Khối này có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu ra khối LEVEL
CONVERTER để đặt vào động cơ.
R11
R10

C1

_

R9
+

Hình 1-11 Khối POWER AMPLIFIER
* Khối BALL POISTION
Khối này đƣa về tín hiệu phản hồi xác định vị trí của viên bi trên thanh,
dạng tín hiệu là điện áp từ -5

+5(V) đƣa về đầu vào AI3 của Card NI USB

6008

+VCC

_
+

-VCC
ANTI-ALIASING FILTER

Hình 1-12 Khối BALL POISTION
* Khối SHAFT ANGLE
Khối này đƣa tín hiều phản hồi xác định góc quay của cơ cấu nâng hạ
cánh tay đòn, dạng tín hiệu là điện áp (-5

+5(V)) về đầu vào AI7 của Card

NI USB 6008.

12 Nguyên
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái

/>

ANGL
+VCC

_
+

BALL BEAM MOTOR

-VCC
ANTI-ALIASING FILTER

Hình 1-13 Lấy tín hiệu góc quay của thanh
Nhiệm vụ của luận văn là ổn định vị trí viên trên thanh thẳng. Sử dụng
phƣơng pháp điều khiển phản hồi trạng thái kết hợp với điều khiển thích nghi.
Điều khiển từ máy tính thông qua phần mền Matlab kết hợp với Card giao
tiếp NI USB 6008 để điều khiển hệ thống B&B thông qua các khối hàm

khếch đại, cộng và các khối phản hồi tín hiệu.
1.1.4 Sơ đồ kết nối giữa máy tính và mô hình hệ thống B&B.
* Sơ đồ cấu trúc hệ thống:
Động cơ

AO0
Máy tính
PC

Card
NI USB
6008 AI3

Mạch công
suất

AI7

Ball and
Beam
Sensor
vị trí và
góc nghiêng

Hình 1-14 Sơ đồ cấu trúc điều khiển hệ thống B&B.

13 Nguyên
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái

/>

1.1.5 Card NI USB 6008 giao tiếp từ máy tính với mô hình B&B [8].

Hình 1-16 Hình ảnh bộ Card NI USB 6008
Đọc 8 kênh analog vào card ( độ phân giải 14-bit, 48 kS/s) Xuất 2 analog
(12-bit, 150 S/s); 12 kênh xuất/nhập tín hiệu số (digital I/O); Bộ đếm 32-bit
Kết nối với USB của máy tính để bàn (destop) hoặc máy sách tay. Sử dụng
phần mềm LabVIEW, LabWindows/CVI, và Measurement Studio cho Visual
Studio .NET Tƣơng thích với NI-DAQmx driver software và NI LabVIEW
SignalExpress software.
Tóm tắt thông số kỹ thuật:
Thông số chung
Chuẩn kết nối
Hỗ trợ hệ điều hành

USB
Windows, Linux, Mac OS, Pocket PC

Kiểu đo

Điện áp, xung

Họ DAQ

B Series

Đọc tín hiệu Analog
Số kênh

8 SE/4 DI

Tốc độ lấy mẫu

48 kS/s

Độ phân giải

14 bits

Trích mẫu đồng thời

Không

Ngƣỡng điện áp giới hạn lớn nhất
Độ chính xác

15 Nguyên
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái

-10 tới 10 V
138 mV

/>

Ngƣỡng điện áp nhỏ nhất

-1..1 V

Độ chính xác

37.5 mV

Số giới hạn

8

Bộ nhớ tích hợp On-Board

512 B

Xuất tín hiệu Analog
Số kênh

2

Tốc độ cập nhật

150 S/s

Độ phân giải

12 bits

Ngƣỡng điện áp giới hạn lớn nhất

0..5 V

Độ chính xác

7 mV

Ngƣỡng điện áp giới hạn nhỏ nhất

0..5 V

Độ chính xác

7 mV

Tín hiệu điều
(Kênh/Tổng)

khiển

dòng

điện

5 mA/10 mA

Các chân xuất/nhập tín hiệu số
Số kênh

12 DIO

Timing

Software

Logic Levels

TTL

Ngƣỡng điện áp giới vào hạn lớn nhất

0..5 V

Ngƣỡng điện áp ra giới hạn lớn nhất

0..5 V

Dòng điện vào
Bộ lọc vào lập trình đƣợc
Output Current Flow
Dòng điện (Kênh/Tổng)

Sinking, Sourcing
No
Sinking, Sourcing
8.5 mA/102 mA

Bộ đếm và bộ hẹn (định) giờ
Số bộ đếm/hẹn giờ

1

Độ phân giải

32 bits

Tần số nguồn lớn nhất

5 MHz

Độ rộng xung vào nhỏ nhất

100 ns

Mức logic
Ngƣỡng cực đại

16 Nguyên
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái

TTL
0..5 V

/>