Đồ án Ðiều khiển mờ hệ Ball And Beam (Phần 1)

Nội dung text: Đồ án Ðiều khiển mờ hệ Ball And Beam (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ÐIỆN – ÐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỰ ĐỘNG ÐIỀU KHIỂN MỜ HỆ BALL AND BEAM GVHD: THS. NGUYỄN VĂN ĐÔNG HẢI SVHD: PHAN XUÂN KỲ MSSV: 08118037 SVTH: LÊ THÔNG MSSV: 08118056 SKL003161 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2014
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Ngành: Công nghệ điện tự động Đề Tài: ĐIỀU KHIỂN MỜ HỆ BALL AND BEAM GVHD: ThS. NGUYỄN VĂN ĐÔNG HẢI SVTH: PHAN XUÂN KỲ MSSV: 08118037 LÊ THÔNG MSSV: 08118056 TP. Hồ Chí Minh, tháng 07/2014
3. GIỚI THIỆU TRƯỜNG ĐH. SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TP. HỒ CHÍ MINH ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Nhiệm Vụ Đồ Án Tốt Nghiệp Giáo viên hướng dẫn: Ths. Nguyễn Văn Đông Hải Sinh viên thực hiện: Phan Xuân Kỳ MSSV: 08118037 Lê Thông MSSV: 08118056 Chuyên ngành: Công nghệ Điện tự động Hệ: Đại học chính quy Niên khóa: 2008 – 2012 1. Tên đề tài: Điều Khiển mờ hệ BALL AND BEAM 2. Nhiệm vụ và nội dung: Thiết kế và thi công điện và cơ khí của hệ BALL AND BEAM Tìm hiểu giải thuật mờ Xây dựng giải thuật mờ điều khiển tối ưu cho hệ 3. Ngày giao nhiệm vụ: 21/3/2014 4. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: TP.HCM, ngày .tháng .năm 2014 TP.HCM, ngày .tháng .năm 2014 Giáo viên hướng dẫn Ban chủ nhiệm khoa ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
4. GIỚI THIỆU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN . Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2014 Giáo viên hướng dẫn ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
5. GIỚI THIỆU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN . Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2014 Giáo viên phản biện ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
6. PHẦN A GIỚI THIỆU
7. LỜI CẢM ƠN  Lời đầu tiên nhóm thực hiện xin gửi lời cảm ơn đến tất cả quý thầy cô giảng dạy tại Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, đặc biệt là quý thầy cô khoa Điện - Đi ện Tử đã giảng dạy và cung cấp những kiến thức bổ ích tạo tiền đề quan trọng cho nhóm thực hiện đồ án này. Nhóm xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến giáo viên hướng dẫn thầy Nguyễn Văn Đông Hải đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn, cung cấp những kiến thức, ý tưởng,trang thiết bị quan trọng và môi trường thi công thuận lợi giúp nhóm rất thoải mái và phát huy hết khả năng trong suốt quá trình thực hiện đồ án. Cảm ơn bạn bè cùng các anh chị đi trước đã đóng góp ý kiến, giúp đỡ và động viên nhóm hoàn thành đồ án này. Sinh viên thực hiện Phan Xuân Kỳ Lê Thông
8. LỜI NÓI ĐẦU  Sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật và sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật máy tính đã cho ra đời các thiết bị điều khiển số như: DSP, PLC, Vi điều khiển . Các thiết bị này cho phép khắc phục được rất nhiều các nhược điểm của hệ thống điều khiển trước đó, và đáp ứng được yêu cầu kinh tế kỹ thuật trong sản xuất. Với sự phát triển của khoa học công nghệ như hiện nay, thì việc ứng dụng vi điều khiển để tự động hóa trong quá trình sản xuất, nhằm mục tiêu tăng năng suất lao động, giảm sức người, nâng cao chất lượng sản phẩm đang là một vấn đề cấp thiết và có tính thời sự cao. Với những kiến thức và kinh nghiệm học được ở trường và bạn bè cùng sự hướng dẫn tận tình của giáo viên hướng dẫn và Thầy/Cô khoa Điện – Điện Tử, nhóm đã cố gắng hoàn thành đồ án này sao cho sát với nguyên lý hoạt động của hệ thống thực tế nhất. Quá trình thực hiện đồ án cũng đã giúp nhóm rất nhiều trong việc áp dụng kiến thức học ở trường, lớp vào công việc thực tiễn, tìm tòi phương hướng khắc phục tối ưu những khó khăn vướng phải trong công việc, phát huy tinh thần làm việc nhóm Trong quá trình làm đồ án, được sự hướng dẫn tận tình của giáo viên hướng dẫn và bản thân nhóm đã cố gắng tham khảo tài liệu và tìm hiểu thực tế, nhưng do thời gian và kinh nghiệm còn hạn chế nên đồ án không thế tránh khỏi những thiếu sót. Do đó, nhóm rất mong nhận được những ý kiến đóng góp và nhận xét đánh giá quý báu của các thầy cô để đồ án của nhóm được hoàn thiện hơn. Xin chân thành cảm ơn!
9. MỤC LỤC Trang NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP . NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN PHẦN A: GIỚI THIỆU LỜI CẢM ƠN i LỜI NÓI ĐẦU ii MỤC LỤC iii DANH MỤC HÌNH ẢNH vi DANH MỤC BẢNG xi PHẦN B: NỘI DUNG Chƣơng 1: Tổng quan 1 1.1 Đặt vấn đề 2 1.2 các hệ thống điều khiển cân bằng 3 1.3 Những vấn đề của hệ thống BALL AND BEAM 3 1.4 Mục tiêu đề tài 4 1.5 Giới hạn đề tài 4 1.6 Ý nghĩa khoa học 5 1.7 Nội dung đề tài 5
10. Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết 7 2.1 Mờ là gì 8 2.2 Phân loại các loại điều khiển mờ 9 2.3 Một số thuật ngữ liên quan 9 2.4 Cấu trúc bộ điều khiển mờ 11 2.4.1Khâu mờ hóa 11 2.4.2 Khâu thực hiện luật hợp thành 12 2.4.3 Khâu giải mờ 14 2.5Tổng quan về DSP 15 2.6 Phương trình toán học hệ ball and beam trục lệch 18 2.7 Mô hình phi tuyến theo Euler-Langrance 25 Chƣơng 3: Thiết kế phần cứng 31 3.1 Cấu tạo chung 32 3.2 Phần điện 33 3.2.1 Bộ kit DSPf28335 33 3.2.2 Cảm biến góc xoay thanh beam 33 3.2.3 Thanh điện trở 35 3.2.4 Mạch cầu H 36 3.2.5 Động cơ 38 3.2.6 Nguồn cung cấp 39 Chƣơng 4: Thuật toán điều khiển 40 4.1 Trình tự hoạt động 41 4.2 Phần mềm lập trình 42
11. 4.3 Các khối chức năng sử dụng trong chương trình 44 4.4 Các bước tạo khối mờ trong malab 44 4.5 Chương trình thiết kế 49 Chƣơng 5: Kết quả 51 5.1 Xét tính ổn định của khối mờ trên mô hình thực tế 52 5.2 Nhận xét 53 Chƣơng 6: Kết quả 54 6.1 Kết luận 55 6.2 Một số khó khăn 55 6.3 Hướng phát triển 56 Phụ lục 57
12. DANH MỤC HÌNH ẢNH Chƣơng 1 Hình 1.1 Một số hệ thống để kiểm tra giải thuật cân bằng 3 Hình 1.2 Các hệ thống ball and beam thường dùng 4 Chƣơng 2 Hình 2.1 Mô tả các định nghĩa 9 Hình 2.2 Biến mờ ngõ ra 10 Hình 2.3 Cấu trúc mờ 11 Hình 2.4 Góc lệch teta và vị trí xe x 11 Hình 2.5 Vận tốc góc quay teta và vận tốc xe x 12 Hình 2.6 Qui luật hình thành các luật mờ 12 Hình 2.7 Nguyên lý PWM 16 Hình 2.8 Xác định chiều encoder 16 Hình 2.9 Mạch nguyên lý cầu H 17 Hình 2.10 Quan hệ giữa điện áp và mã số hóa 18 Hình 2.11 Mô hình miêu tả toán học 18 Hình 2.12 Trục tọa độ và các lực thành phần trên hệ thống ball and beam trục lệch 19 Hình 2.13 Mô hình vật lý và chiều dương quy ước của hệ 25 Chƣơng 3 Hình 3.1 Hệ ball and beam trục lệch 32 Hình 3.2 Hệ ball and beam trục giữa 32
13. Hình 3.3 Dsp TMS320F28335 33 Hình 3.4 Encoder 400 ppr 34 Hình 3.5 Nguyên lý bộ đọc nhân 4 35 Hình 3.6 Mô hình của cảm biến dây trở quấn 36 Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý mạch cầu H 36 Hình 3.8 Mạch cầu H thực tế 37 Hình 3.9 Mạch nguyên lý board cầu H 37 Hình 3.10 Động cơ 38 Hình 3.11 Nguồn 24v-5A 39 Chƣơng 4 Hình 4.1 Giao diện Terminal 41 Hình 4.2 Thư viện Target support package cho DSPF28335 43 Hình 4.3 Dsp TMS320F28335 43 Hình 4.4Giao diện mờ Fuzzy 45 Hình 4.5 Chức năng từng khối 35 Hình 4.6 Chọn và thiết lập các ngõ vào 46 Hình 4.7 Hiệu chỉnh ngõ vào 46 Hình 4.8 Hiệu chỉnh ngõ ra 47 Hình 4.9 Bảng luật trong Fuzzy 47 Hình 4.10 Lưu lại file fis 48 Hình 4.11 Cách sử dụng khối mờ 48 Hình 4.12 Toàn bộ chương trình trên malab 49
14. Chƣơng 5 Hình 5.1 Vị trí viên bi theo thời gian(cm) 52 Hình 5.2 Góc nghiên thanh beam theo thời gian(độ) 52 Hình 5.3 Điện cáp cấp cho động cơ theo thời gian(v) 53
15. DANH MỤC BẢNG Bảng 2. 1 Ký hiệu tên biến ngôn ngữ của ngõ ra U 10 Bảng 2.2 Bộ luật mờ 13 Bảng 2.3 Xét các biến ngôn ngữ 14 Bảng 2.2 Các giá trị được chọn khi sử dụng qui luật max min 14 Bảng 4.1 Tóm lươc chức năng các khối được sử dụng trong chương trình 13
16. PHẦN B NỘI DUNG
17. Chương 1: Tổng quan CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Page 1
18. Chương 1: Tổng quan 1.1 Đặt vấn đề Hệ quả bóng và thanh đỡ đã được biết đến sử dụng từ nhiều thập niên trước đây. Cho đến nay việc giải quyết bài toán này đã đưa ra nhiều ứng dụng đặc biệt là trong học tập và nghiên cứu. Hệ thống này được sử dụng như bài thí nghiệm ở nhiều trường đại học kỹ thuật trên thế giới vì nó khá gần gũi với các thệ thống điều khiển thực. mục đích của hệ thống là điều khiển vị trí của quả bóng trên thanh đỡ sao cho nó đạt đúng giá trị mong muốn dưới các ảnh hưởng của nhiễu bên ngoài. Hệ thống phi tuyến ball&beam là một trong những hệ thống được sử dụng nhiều trong các phòng thí nghiêm điều khiển tự động. Đặc điểm của hệ thống này là phi tuyến và bất ổn định hở.Hệ thống này được sử dụng chuẩn như là một hệ thống mà việc giả quyết bài toán điều khiển hệ thống này được sử dụng trong nhiều sơ đồ điều khiển khác nhau như hệ thống điều khiển bệ nâng tên lửa(rocket) làm cho tên lửa không lệch khỏi vị trí cân bằng của nó trong suốt quá trình khởi động bởi các lực và moment làm nhiễu loạn chuyển động theo chiều thẳng đứng hay điều khiển máy bay trong quá trình cất cánh thẳng đứng. việc thử nghiệm hệ thống bất ổn định như vậy trong thực tế rất nguy hiểm và tốn kém. Hệ ball and beam được xây dựng để giải quyết vấn đề nghiên cứu những hệ thống như vậy với đặc điểm là mô hình cơ khí đơn giản nhưng vẫn bao gồm những đặc tính động học của hệ thống bất ổn định ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Page 2
19. Chương 1: Tổng quan 1.2 Các hệ thống điều khiển tự động cân bằng Bài toán giữ cân bằng cho hệ thống là một bài toán kinh điển trong lý thuyết điều khiển tự động. Một số hệ thống được ứng dụng để kiểm tra các giải thuật cân bằng cho hệ thống điều khiển tự động như hệ con lắc ngược quay (rotary inverted pendulum), hệ xe con lắc ngược (cart and pole), hệ bóng thanh (ball and beam), hệ xe hai bánh tự cân bằng (two-wheel cart), hệ bóng dĩa (ball and plate) . Hệ con lắc ngược quay Hệ Pendubot Hệ Ball and Plate Hình 1.1 Một số hệ thống kiểm tra giải thuật cân bằng Với mong muốn thực hiện một đề tài mới, vẫn đảm bảo mức độ phi tuyến và kết cấu cơ khí không quá phức tạp, học viên xin chọn đề tài nghiên cứu về điều khiển cân bằng cho hệ Ball and Beam. 1.3 Những vấn đề của hệ thống Ball And Beam Hệ Ball and Beam có hai hình thức: Ball and beam trục giữa và Ball and Beam trục lệch. Hệ ball and Beam trục lệch đòi hỏi thách thức về điều khiển so với Ball and Beam trục giữa là bản thân hệ thống không ổn định ở vị trí 0 mà phải tính toán trước một lực để ổn định ban đầu cho hê thống. Ball and beam trục giữa thì ngược lại: nếu quả bóng đặt giữa thanh và thanh nằm ngang lý tưởng thì hệ thống ổn định tại điểm làm việc. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Page 3
20. Chương 1: Tổng quan Ball and Beam trục giữa Ball and Beam trục lệch Hình 1.2 Các hệ thống Ball and Beam hay dùng Trong đề tài này học viên nghiên cứu và làm việc với mô hình ball and beam dạng trục lệch dạng Quanser. Hệ ball and beam này được hãng Quanser chế tạo và sử dụng rộng rãi trong việc nghiên cứu và giảng dạy ở các trường học, phòng thí nghiệm . 1.4Mục tiêu đề tài Điều khiển viên bi nằm yên tại vị trí xác định tùy đặt trước trên thanh beam. Với giải thuật điều khiển tốt hơn nữa, quỹ đạp di chuyển của viên bi trên thanh Beam sẽ tuân theo quỹ đạo hoạch định trước. Thiết kế và xây dựng một hệ thống mạch điện và cơ khí hoàn chỉnh một hệ thống Ball and Beam. Dùng phương pháp điều khiển mờ để điều khiển. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Page 4
21. Chương 1: Tổng quan 1.5 Giới hạn đề tài Vì một số giới hạn về thời gian nghiên cứu và kiến thức chuyên môn, đề tài chỉ tập trung: Có nhiều phương pháp mờ nhưng ở mô hình này ta sử dụng phương pháp mờ Tagaki-Sugeno vàphương pháp giải mờ ở đây được mặc định là phương pháp “trung bình có trọng số” ( Weughted Average Method) 1.6 Ý nghĩa khoa học Việc nghiên cứu thành công đề tài mang lại nhiều ý nghĩa sâu sắc. Bất kỳ một ứng dụng hay thử nghiệm cụ thể nào cũng dựa trên những cơ sở lý thuyết khoa học có sẵn. Về thực tiễn, đề tài là một thành công lớn trong việc vận dụng kiến thức vào công việc thực tế. Khi nghiên cứu thành công đề tài, nhóm làm đồ án là người trực tiếp có được thành quả. Quá trình thực hiện đề tài là một lần trải nghiệm thực tế vô cùng bổ ích. 1.7 Nội dung đề tài Dựa trên nguyên lý hoạt động của hệ ball and beam ta nhận ra quy luật dao động của nó cũng giống như hệ dao động con lắc đơn, từ đó ta sẽ rút ra được quy luật ổn định cho hệ thống. Khi một hệ thống có quy luật vận hành thì ta có thể xây dựng bộ điều khiển thông qua phương pháp mờ mà không cần phải biết mô hình toán học của cả mô hình. Nội dung đề tài: Chương2. Cơ sở lý thuyết Chương này trình bày các vấn đề liên quan đến mờ, DSP, nguyên lý hoạt động một số thiết bị phần cứng, các thuật ngữ thường dùng. Chương3. Thiết kế phần cứng Chương này cho biết cấu tạo từng bộ phận, các linh kiện, thông số của hệ ball and beam. Chương4. Thuật toán điều khiển Nội dung chương nói về trình tự hoạt động của hệ thống, các phần mềm lập trình, các khối thường sử dụng và cách thiết lập. Chương5. Kết quả ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Page 5
22. S K L 0 0 2 1 5 4