Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật Cơ điện tử: Thiết kế và điều khiển hệ thống con lắc ngược quay - Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm Tp. Hồ Chí Minh

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (599.25 KB, 20 trang )

(1)<div class='page_container' data-page=1>

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

---

NGUYỄN THỊ THÚY VÂN

THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN

HỆ THỐNG CON LẮC NGƯỢC QUAY

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành : KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

Mã số ngành: 60520114

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN HÙNG

</div>
(2)<div class='page_container' data-page=2>

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ TP. HCM

Hướng dẫn khoa học

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM
ngày 25 tháng 01 năm 2014

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ)

TT Họ và tên Chức danh Hội đồng

1 TS. Nguyễn Thanh Phương Chủ tịch
2 PGS.TS Trần Thu Hà Phản biện 1

3 TS. Võ Tường Quân Phản biện 2

4 TS. Nguyễn Viễn Quốc Ủy viên

5 TS. Nguyễn Duy Anh Ủy viên, Thư ký

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được
sửa chữa (nếu có).

</div>
(3)<div class='page_container' data-page=3>

TRƯỜNG ĐH CƠNG NGHỆ TP. HCM
PHỊNG QLKH – ĐTSĐH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM 
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

TP. HCM, ngày 12 tháng 06 năm 2013

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Nguyễn Thị Thúy Vân Giới tính: Nữ

Ngày, tháng, năm sinh: 02.10.1977 Nơi sinh: Nam Định
Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ Điện Tử MSHV: 1241840022

I- Tên đề tài:

Thiết kế và điều khiển hệ thống con lắc ngược quay
II- Nhiệm vụ và nội dung:

Thiết kế hệ thống con lắc ngược quay

Sử dụng các giải thuật điều khiển PID, LQR để điều khiển cân bằng và ổn định
hệ thống, so sánh sự ổn định của các giải thuật.

Mô phỏng trên Matlab/Simulink để kiểm chứng các giải thuật đã thiết kế.
III- Ngày giao nhiệm vụ: 12.06.2013

IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 15.12.2013 
V- Hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Hùng

</div>
(4)<div class='page_container' data-page=4>

LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả
trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ cơng
trình nào khác.

Tơi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã được
cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc.

Học viên thực hiện Luận văn 
 (Ký và ghi rõ họ tên)

</div>
(5)<div class='page_container' data-page=5>

LỜI CÁM ƠN

Luận văn được thực hiện theo chương trình đào tạo thạc sĩ của trường Đại học
Công nghệ TP. Hồ Chí Minh. Học viên xin chân thành gửi lời tri ân sâu sắc tới quý
thầy cô, bạn bè và gia đình.

Đến TS. Nguyễn Hùng đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, đơn đốc và đóng góp những
ý kiến q báu để học viên hồn thiện luận văn.

Đến Quý thầy cô Khoa Cơ – Điện – Điện tử Trường Đại học Công nghệ TP. Hồ
Chí Minh đã trang bị cho học viên những kiến thức bổ ích.

Đến Phịng Quản lý Khoa học & Đào tạo Sau đại học và các anh chị em bạn bè
đồng nghiệp trong trường Đại học Công nghệ TP.HCM đã khích lệ động viên trong
q trình học tập và thực hiện luận văn.

Đến các bạn trong lớp cao học Cơ điện tử khóa 2012-2014.

Đến gia đình và người thân đã ln tạo điều kiện và động viên trong suốt quá trình
học, đặc biệt là trong thời gian thực hiên luận văn này.

HỌC VIÊN

</div>
(6)<div class='page_container' data-page=6>

TÓM TẮT

</div>
(7)<div class='page_container' data-page=7>

ABSTRACT

</div>
(8)<div class='page_container' data-page=8>

MỤC LỤC

Lời cam đoan ... i

...
Lời cám ơn ... ii

...
Tóm tắt ... iii

Abstract ... iv

...
Mục lục ... v

Danh sách các chữ viết tắt và ký hiệu khoa học ... viii

Danh sách các bảng ... x

Danh sách các hình ... xi

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ... 1

1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, kết quả nghiên cứu trong và ngoài
nước đã công bố ... 1

1.1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu ... 1

1.1.2 Các nghiên cứu trong và ngồi nước đã cơng bố ... 2

1.2 Mục tiêu và đối tương nghiên cứu ... 3

1.3 Nhiệm vụ của đề tài và phạm vi nghiên cứu ... 3

1.4 Phương pháp nghiên cứu ... 3

1.5 Giới hạn của luận văn ... 3

1.6 Kết cấu của luận văn ... 4

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ... 5

2.1 Lý thuyết điều khiển tự động ... 5

2.1.1 Khái niệm ... 5

2.1.2 Các nguyên tắc điều khiển ... 6

2.2 Lý thuyết điều khiển PID ... 8

2.2.1 Cơ bản về vòng điều khiển ... 8

2.2.2 Giới thiệu bộ điều khiển PID ... 10

2.2.3 Điều khiển vòng lặp ... 17

2.3 Cơ sở kiến thức chung của điều khiển tối ưu ... 21

</div>
(9)<div class='page_container' data-page=9>

2.3.2 Các bước giải phương trình tối ưu ... 22

2.4 Kết luận ... 24

CHƯƠNG 3. MƠ HÌNH TỐN HỌC ... 25

3.1 Giới thiệu hệ thống con lắc ngược quay ... 25

3.2 Thiết lập mô hình tốn học hệ thống con lắc ngược quay ... 26

3.2.1 Động cơ DC ... 26

3.2.2 Mô hình hóa hệ thống con lắc ngược quay ... 28

3.3 Tuyến tính hóa từ mơ hình tốn học ... 31

3.4 Kiểm tra mơ hình tốn học ... 37

3.5 Kết luận ... 39

CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ... 40

4.1 Thiết kế điều khiển cân bằng dùng phương pháp PID ... 41

4.1.1 Giả thiết ... 41

4.1.2 Mô phỏng bộ điều khiển ... 42

4.2 Thiết kế điều khiển cân bằng dùng phương pháp LQR ... 45

4.2.1 Giả thiết ... 45

4.2.2 Thiết kế dùng Matlab ... 45

4.2.3 Mô phỏng ... 45

4.3 Thiết kế bộ điều khiển bất ổn định... 49

4.3.1 Điều khiển vị trí cánh tay ... 49

4.3.2 Mô phỏng ... 51

4.4 Điều khiển Swing-up ... 53

4.4.1 Giả thiết ... 53

4.4.2 Mô phỏng ... 53

4.5 Điều khiển Mode ... 55

4.5.1 Mục đích ... 55

4.5.2 Mơ phỏng ... 55

4.6 Kết hợp điều khiển PID và Swing-up ... 57

4.6.1 Mô phỏng ... 57

4.6.2 Nhận xét ... 60

4.7 Kết hợp điều khiển LQR và swing-up ... 61

4.7.1 Sơ đồ mô phỏng ... 61

4.7.2 Nhận xét ... 63

</div>
(10)<div class='page_container' data-page=10>

CHƯƠNG 5. THIẾT KẾ PHẦN CỨNG ... 64

5.1 Phần cứng ... 64

5.1.1 Board mạch chính ... 64

5.1.2 Mạch công suất ... 66

5.1.3 Mạch nguồn ... 69

5.1.4 Thiết bị đo vận tốc ... 71

5.2 Mơ hình hồn chỉnh ... 72

5.3 Kết quả thực nghiệm ... 73

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ... 74

Kết quả đạt được ... 74

Hạn chế ... 74

</div>
(11)<div class='page_container' data-page=11>

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

DC Dòng điện một chiều
PID Ổn định tỷ lệ

LQR Ổn định tuyến tính bậc 2

Ax Thành phần X của lực tác động lên con lắc ở điểm A
Ay Thành phần Y của lực tác động lên con lắc ở điểm A

Α Vị trí của con lắc



Tốc độ của con lắc



Gia tốc của con lắc
Beq Hệ số ma sát nhớt

G Gia tốc trọng trường

Im Dòng điện vào mạch phần ứng động cơ DC

JB Là moment quán tính của con lắc quy về trọng tâm

Jeq Là moment quán tính của cánh tay và con lắc về trục của
Jm Moment quán tính của động cơ DC

Kg Tỉ số truyền từ động cơ qua tải
Km Hằng số phản hồi

L ½ chiều dài con lắc
Lm Điện cảm phần ứng

M Khối lượng của con lăc
R Bán kính quay của cánh tay
Rm Điện trở phần ứng

Tl Moment xoay của tải
Tm Moment xoay của động cơ

Vị trí góc của cánh tay và của trục tải



Vộc tốc của trục tải



Gia tốc của trục tải

m

</div>
(12)<div class='page_container' data-page=12>

Vm Điệm áp vào phần ứng

g



Là hiệu suất của bộ truyền

B

x Vận tốc của con lắc ở trọng tâm theo hướng x

B

y Vận tốc của con lắc ở trọng tâm theo hướng y

B

x Gai tốc của con lắc ở trọng tâm theo hướng x

B

</div>
(13)<div class='page_container' data-page=13>

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Lựa chọn phương pháp điều chỉnh ...19

Bảng 2.2 Tác động của việc tăng thông số độc lập ...20

Bảng 2.3 Thông số điều chỉnh bằng phương pháp Ziegler-Nichols ...20

</div>
(14)<div class='page_container' data-page=14>

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Mơ hình hệ thống con lắc ngược quay ...1

Hình 2.1 Mơ tả hệ thống điều khiển ...6

Hình 2.2 Sơ đồ điều khiển bù nhiễu ...7

Hình 2.3 Sơ đồ điều khiển cân bằng sai lệch ...7

Hình 2.4 Sơ đồ điều khiển phối hợp ...7

Hình 2.5 Sơ đồ điều khiển thích nghi ...8

Hình 2.6 Sơ đồ hệ thống điếu khiển PID ...9

Hình 2.7 Sơ đồ khối khâu P ...11

Hình 2.8 Đáp ứng khâu P ...12

Hình 2.9 Sơ Đồ khối khâu I ...12

Hình 2.10 Đáp ứng khâu I và khâu PI ...13

Hình 2.11 Sơ đồ khối khâu D ...14

Hình 2.12 Đáp ứng khâu D và khâu PD ...14

Hình 2.13 Sơ đồ khối khâu PID ...15

Hình 2.14 Đáp ứng khâu P, PI và khâu PID ...15

Hình 2.15 Sơ đồ khối khâu PID ...16

Hình 2.16 Sơ đồ điều khiển phương pháp LQR ...21

Hình 3.1 Mơ hình hệ thống con lắc ngược quay ...25

Hình 3.2 Sơ đồ mạch điện tương đương của động cơ DC ...26

Hình 3.3 Cấu trúc hình học hệ con lắc ngược quay ...28

Hình 3.4 Sơ đồ phân tích lực của hệ con lắc quay ...28

Hình 3.5 Mơ hình mơ phỏng điều kiện đầu ...37

Hình 3.6 Sơ đồ mơ phỏng hệ thống phi tuyến ...38

Hình 3.7 Đáp ứng con lắc khi chưa có bộ điều khiển ...38

Hình 4.1 Sơ đồ mơ phỏng bộ điều khiển PID ...42

Hình 4.2 Sơ đồ bộ điều khiển con lắc ngược quay ...43

Hình 4.3 Mơ phỏng tín hiệu ra của góc



... 43

Hình 4.4 Mơ phỏng tín hiệu ra của góc



...44

Hình 4.5 Đáp ứng điện áp vào Vin ...44

Hình 4.6 Đáp ứng vận tốc góc



...44

</div>
(15)<div class='page_container' data-page=15>

Hình 4.8 Sơ đồ mơ phỏng bộ điều khiển LQR ...46

Hình 4.10 Mơ phỏng tín hiệu ra góc



khi



lệch 50 ...47

Hình 4.11 Mơ phỏng tín hiệu ra góc



khi



lệch 50 ...47

Hình 4.12 Tín hiệu điều khiển điện áp vào Vin ...48

Hình 4.13 Đáp ứng vận tốc góc



...48

Hình 4.14 Đáp ứng vận tốc góc



...48

Hình 4.15 Sơ đồ mơ phỏng bộ điều khiển vị trí ...52

Hình 4.16 Sơ đồ điều khiển động cơ ...52

Hình 4.17 Điều khiển tín hiệu vào hệ thống ...53

Hình 4.18 Đáp ứng của hệ thống với ngõ vào hàm nấc ...53

Hình 4.19 Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển ổn định ...54

Hình 4.20 Góc



trong q trình điều khiển Swing-up ...55

Hình 4.21 Góc quay



của bộ điều khiển bất định ...55

Hình 4.22 Vận tốc của cánh tay và con lắc ...55

Hình 4.23 Sơ đồ mơ phỏng bộ điều khiển Mode ...57

Hình 4.24 Tín hiệu điều khiển ...57

Hình 4.25 Kết quả của bộ điều khiển Mode ...57

Hình 4.26 Mô phỏng điều khiển kết hợp bộ ĐK ổn định đứng và cân bằng ...58

Hình 4.28 Sơ đồ bộ điều khiển bất ổn định ...59

Hình 4.29 Sơ đồ bộ điều khiển ổn định ...59

Hình 4.30 Sơ đồ bộ điều khiển MODE ...59

Hình 4.31 Kết quả mơ phỏng của góc α ...60

Hình 4.32 Kết quả mơ phỏng của góc



...60

Hình 4.33 Tín hiệu điều khiển điện áp (Vin) ...60

Hình 4.34 Sơ đồ vận tốc cánh tay và con lắc ...61

Hình 4.35 Mơ phỏng chính kết hợp bộ điều khiển ổn định LQR và Swing_up ...62

Hình 4.36 Kết quả mơ phỏng của góc α ...63

Hình 4.37 Kết quả mơ phỏng của góc



...63

Hình 4.38 Tín hiệu điều khiển điện áp (Vin) ...64

Hình 4.39 Đáp ứng vận tốc của cánh tay và con lắc ...64

Hình 5.1 Sơ đồ chân của ATmega168 ...66

Hình 5.2 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển ...67

</div>
(16)<div class='page_container' data-page=16>

Hình 5.4 Nguyên lý hoạt động của mạch cầu H. ... 69

Hình 5.5Các kiểu dáng bên ngồi của

L

298

. ...69

Hình 5.6 Sơ đồ khối bên trong

L

298

. ...70

Hình 5.7 Sơ đồ nguyên lý mạch công suất. ...70

Hình 5.8 Layout mạch cơng suất. ...71

Hình 5.9 Mạch cơng suất thực tế ...71

Hình 5.10 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn. ...71

Hình 5.11 Layout mạch nguồn. ...73

Hình 5.12 Encoder quang 100 xung. ...73

</div>
(17)<div class='page_container' data-page=17>

CHƢƠNG 1

TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, kết quả nghiên cứu trong và ngồi 
nƣớc đã cơng bố

1.1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu

Con lắc ngược quay là hệ thống có cơ cấu chấp hành bên dưới (under-actuated), tức
là số lượng ngõ vào điều khiển ít hơn số lượng ngõ ra. Hệ thống được mơ tả như
trên hình 1.1, bao gồm 2 cánh tay (arm) và con lắc vật lý (pendulum). Cánh tay gắn
với trục của động cơ, con lắc có thể dao động tự do quanh cánh tay.

Con lắc ngược quay thường được sử dụng để nghiên cứu điều khiển hệ phi tuyến và
trong một số lĩnh vực khác, bởi vì nó đơn giản để phân tích động học và thử nghiệm
mặc dù nó có độ phi tuyến cao và động lực kép giữa hai thanh.

Hình 1.1 Mơ hình hệ thống con lắc ngược quay

</div>
(18)<div class='page_container' data-page=18>

1.1.2 Các nghiên cứu trong và ngoài nƣớc đã cơng bố

Đến nay đã có rất nhiều nghiên cứu sử dụng các thuật toán khác nhau để điều khiển
hệ thống con lắc ngược quay như điều khiển tuyến tính hóa, điều khiển phi tuyến,
điều khiển thơng minh, …

Trong [1] Zhongmin W. và các đồng nghiệp sử dụng bộ điều khiển PIDvới
phương pháp phi tuyến để điều khiển đưa con lắc từ vị trí cân bằng ổn định phía
dưới lên vị trí cân bằng khơng ổn định mới phía trên (swing-up) với góc lệch
khoảng 0

15 nhưng hệ thống con lắc ổn định sau thời gian khoảng 8,7s;

Trong [2] Sukontanakarn V. và các công sự của ông đã sử dụng các giải thuật PD
để xác định vị trí và LQRđể giữ vị trí cân bằng cho hệ thống con lắc ngược quay
nhưng con lắc cân bằng chưa ổn định tuyệt đối do thiết kế bộ điều khiển và bàn đặt
con lắc bị rung khi điều khiển;

Trong [3] Khalil Sultan đã nghiên cứu điều khiển con lắc đơn trên xe bằng phương
pháp PID kết hợp với mô phỏng Matlab để mô phỏng và giữ con lắc ở vị trí cân
bằng thẳng đứng với thời gian ổn định của con lắc khoảng 4.5s nhưng mới chỉ ở
trong phịng thí nghiệm;

[4] Khanesar M.A. Sử dụng phương pháp điều khiển trượt phân cấp để điều khiển
ổn định cân bằng con lắc ngược nhưng việc xác định mặt trượt là rất khó và hệ
thống cân bằng ổn định trong thời gian khoảng 25s.

[5] William V. và các đồng nghiệp điều khiển cân bằng hệ thống con lắc ngược
bằng sử dụng mạng neural. Ở đây đã huấn luyện điều khiển để hệ cân bằng ổn định
thành công, tuy nhiên kết quả chưa được như mong muốn và thời gian ổn định chưa
cao.

</div>
(19)<div class='page_container' data-page=19>

Từ các kết quả nghiên cứu ở trên dựa trên lý thuyết điều khiển PIDvàLQR tác giả
chọn phương pháp điều khiển PIDvà LQRđể ổn định cho hệ con lắc ngược quay
và so sánh thời gian ổn định của hệ khi sử dụng các phương pháp điều khiển.

1.2 Mục tiêu và đối tƣợng nghiên cứu 
Mục tiêu nghiên cứu

- Tìm hiểu về hệ con lắc ngược quay và phương pháp cân bằng.

- Áp dụng phương pháp điều khiển PID và LQRđể điều khiển cân bằng cho hệ con
lắc ngược quay

Đối tƣợng nghiên cứu 
- Hệ con lắc ngược quay

- Các giải thuật điều khiển PIDvà LQR
1.3 Nhiệm vụ của đề tài

- Xây dựng mơ hình tốn học cho hệ con lắc ngược quay

- Thiết kế bộ điều khiển PID và LQR để điều khiển cân bằng cho hệ
- Mô phỏng trên phần mềm Matlab/simulink

- Thiết kế mơ hình thực nghiệm.
1.4 Phƣơng pháp nghiên cứu

- Sử dụng các kiến thức về toán học kết hợp với các định luật về động lực học và các
định lý về cân bằng ổn định, tìm ra phương trình tốn học thể hiện mối quan hệ
giữa các đại lượng điều khiển hệ con lắc ngược quay cân bằng ổn định.

- Sử dụng Matlab/simulink để kiểm chứng kết quả thực nghiệm
1.5 Phạm vi nghiên cứu

- Điều khiển cân bằng cho hệ con lắc ngược quay dùng giải thuật điều khiển PID và
LQR

</div>
(20)<div class='page_container' data-page=20>

1.6 Kết cấu của luận văn

Luận văn kết cấu gồm 6 chương:

- Chương 1. Tổng quan

- Chương 2. Cơ sở lý thuyết

- Chương 3. Mô hình tốn học hệ thống con lắc ngược quay
- Chương 4. Thiết kế bộ điểu khiển

</div>