Luận văn Ðiều khiển mờ truợt cho hệ bóng thanh (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Ðiều khiển mờ truợt cho hệ bóng thanh (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN THỊ OANH ÐIỀU KHIỂN MỜ TRUỢT CHO HỆ BÓNG THANH NGÀNH: KỸ THUẬT ÐIỆN - 60520202 S KC 0 0 4 8 7 8 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 03/2016
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN THỊ OANH ĐIỀU KHIỂN MỜ TRƯỢT CHO HỆ BÓNG THANH NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 3 năm 2016
3. Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. NGUYỄN MINH TÂM LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: NGUYỄN THỊ OANH Giới tính: Nữ Ngày, tháng, năm sinh: 04/12/1984 Nơi sinh: Thanh Hóa Quê quán: Thanh Hóa Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: KTX Trường TCN CƠ ĐIỆN ĐNB, Thiện Tân – Vĩnh Cửu – Đồng Nai Điện thoại cơ quan: Điện thoại nhà riêng: 01647383272 Fax: E-mail: nguyenoanh0412@gmail II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO 1. Trung học: Từ 2000-2003: là học sinh trường THPT Lê Văn Hưu, tỉnh Thanh Hóa. 2. Đại học: Hệ đào tạo: Chính Quy Thời gian đào tạo từ 09/2004 đến 7/2009 Nơi học (trường, thành phố): Trường Học viện Kỹ thuật Quân Sự Ngành học: Điện – Điện Tử Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Nghiên cứu về ảnh hưởng của công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAR) tới chất lượng của OFDM Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 19/07/2009 – Trường Học viện Kỹ thuật Quân Sự Người hướng dẫn: Đại tá, PGS, TS. ĐINH THẾ CƯỜNG III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 02 /2010–đến nay Trường TCN Cơ điện Đông Nam Bộ Giáo viên HVTH: NGUYỄN THỊ OANH i
4. Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. NGUYỄN MINH TÂM LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của 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. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 03 năm 2016 (Ký tên và ghi rõ họ tên) NGUYỄN THỊ OANH HVTH: NGUYỄN THỊ OANH ii
5. Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. NGUYỄN MINH TÂM LỜI CẢM ƠN Lời cảm ơn đầu tiên, tôi xin chân thành gửi đến Thầy Nguyễn Minh Tâm người đã tận tình hướng dẫn và truyền đạt các kiến thức giúp tôi hoàn thành luận văn này. Bên cạnh đó, tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô trong bộ môn Điều Khiển Tự Động và đặc biệt gửi lời cảm ơn sâu sắc tới Thầy Nguyễn Văn Đông Hải đã cho tôi các kiến thức rất bổ ích và quý giá trong quá trình học tập để ứng dụng vào nghiên cứu và phát triển đề tài này cũng như ứng dụng vào công việc sau này. Tôi cũng xin chân thành gửi lời cảm ơn đến tất cả các bạn cao học Kỹ thuật điện khóa 2014A đã động viên, giúp đỡ, trao đổi kiến thức với nhau trong suốt khóa học. Tp.HCM, ngày 20 tháng 03 năm 2016 Người thực hiện luận văn NGUYỄN THỊ OANH HVTH: NGUYỄN THỊ OANH iii
6. Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. NGUYỄN MINH TÂM TÓM TẮT Hệ thống ball and beam là một hệ thống được sử dụng rất nhiều trong phòng thí nghiệm, nó có thể được sử dụng để kiểm chứng tính xác thực của các giải thuật tuyến tính lẫn phi tuyến, cổ điển cũng như hiện đại. Hệ thống bao gồm động cơ DC, quả banh máng trượt, dây điện trở, Encoder gắn đồng trục với động cơ. Trong luận văn này học viên sẽ xem xét và giải quyết các vấn đề liên quan đến hệ bóng thanh. Do sự tồn tại của lực ma sát lăn, nên đáp ứng của hệ thống chỉ đạt được ở mức độ tương đối. 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 hệ thống. Hơn nữa do quả banh có xu hướng lăn tự do nên việc cho quả banh cân bằng là rất khó và quả banh có xu hướng lệch khỏi vị trí cân bằng là rất cao. Nếu như cảm biến vị trí dây điện trở không chính xác sẽ làm cho viên bi định vị không đúng vị trí dẫn đến sai số lớn và mất cân bằng. Trong luận văn này học viên thiết kế cấu trúc điều khiển trượt và điều khiển mờ trượt. Sau đó áp dụng cấu trúc điều khiển khiển trượt và điều khiển mờ trượt trên mô hình bóng thanh thực tế. HVTH: NGUYỄN THỊ OANH iv
7. Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. NGUYỄN MINH TÂM ABSTRACT Ball and beam system is a system that is used a lot in the lab, it can be used to verify the authenticity of the linear and nonlinear algorithm, as well as a modern or classical algorithm. The system consists of DC motors, ball slides, resistance wire, coaxial encoder attached to the motor. In this thesis, student will consider and resolve issues relating to ball and beam system. Due to the existence of rolling friction, so the response of the system to achieve a relatively high level. Ball and Beam System with deviating-axis requires more controlling challenges than Ball and Beam with between-axis because the system itself is not stable in position 0 which must be calculated before an initial force to stabilize the system. Furthermore, becauseit it is difficult for the ball to roll up the freedom to balance the ball. And the tension of the ball is deviating from the equilibrium position. If the position-sensoring wires sensor incorrectly, it will cause the balls are not in right place, leading to significant error and imbalancing system. In this thesis, student designs sliding mode controller structures and Fuzzy logic controller structures . Then, I applicate sliding mode controller structures and Fuzzy logic controller structures actual ball and beam model. HVTH: NGUYỄN THỊ OANH v
8. Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. NGUYỄN MINH TÂM MỤC LỤC LÝ LỊCH KHOA HỌC i LỜI CAM ĐOAN ii LỜI CẢM ƠN iii TÓM TẮT iv MỤC LỤC vi DANH SÁCH CÁC HÌNH viii DANH SÁCH CÁC BẢNG xi DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT xii Chương 1. TỔNG QUAN 1 1.1. Tổng quan về đề tài 1 1.1.1. Đặt vấn đề 1 1.1.2. Tổng quan về hệ thống Ball and Beam 2 1.1.3. Các đề tài nghiên cứu hệ thống ball and beam 4 1.2. Mục tiêu của luận văn 7 1.3. Nhiệm vụ của đề tài: 7 1.4. Phương pháp thực hiện 8 1.5. Nội dung luận văn 8 1.6. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài 9 Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 10 2.1. Mô hình toán học hệ thống bóng thanh 10 2.2. Điều khiển trượt cho hệ bóng thanh 15 2.2.1. Giới thiệu 15 2.2.2. Hiện tượng chattering 18 2.2.3. Ứng dụng bộ điều khiển trượt cho hệ bóng thanh 19 2. 3. Điều khiển mờ trượt cho hệ thống bóng thanh 19 2.3.1. Tổng quan điều khiển mờ 19 2.3.2. Ứng dụng điều khiển mờ trượt cho hệ bóng thanh 30 2.4. Xây dựng mô hình mờ trượt cho hệ bóng thanh 31 2.4.1. Xây dựng mô hình trượt cho hệ bóng thanh 31 2.4.2. Xây dựng mô hình mờ trượt cho hệ bóng thanh 31 HVTH: NGUYỄN THỊ OANH vi
9. Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. NGUYỄN MINH TÂM Chương 3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 33 3.1. Xây dựng đối tượng trên mô phỏng 33 3.2. Điều khiển trượt 334 3.3. Điều khiển mờ trượt 335 Chương 4. MÔ HÌNH THỰC TẾ 41 4.1. Giới thiệu mô hình thực tế 41 4.2. Cảm biến 43 4.2.1. Encoder 43 4.2.2. Cảm biến dây điện trở 45 4.3. Động cơ 46 4.4. Mạch điện 46 4.4.1. DSP TMS320F28335 46 4.4.2. Cầu H 47 4.4.3. Nguồn 48 4.5. Phần mềm lập trình 49 4.6. Chương trình lập trình 51 4.7. Kết quả thực tế khi dùng SMC và điều khiển mờ trượt 52 4.8. Kết luận 57 Chương 5. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 58 5.1. Kết luận 58 5.1.1. Những nhiệm vụ đã hoàn thành 58 5.1.2. Những hạn chế 58 5.1.3. Kết luận 58 5.2. Hướng phát triển 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO 60 HVTH: NGUYỄN THỊ OANH vii
10. Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. NGUYỄN MINH TÂM DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 1. 1. Một số hệ thống kiểm tra giải thuật cân bằng 1 Hình 1. 2. Các hệ thống Ball and Beam hay dùng 3 Hình 1. 3. Các cảm biến dùng trong hệ Ball and Beam 4 Hình 1. 4. Quả bóng cân bằng trên thanh dầm” được xây dựng bởi Berkeley Robotics Laboratory(Arroyo2005) 4 Hình 1. 5. Sản Phẩm Ball and Beam do Quanser chế tạo năm 2006 5 Hình 1. 6. Hệ Ball and Beam dùng giải thuật PID dựa trên vi điều khiển MC9S12C32 6 Hình 1. 7. Hệ Ball and Beam sử dụng giải thuật Fuzzy Logic 6 Hình 2. 1. Mô hình toán học hệ thống bóng thanh 10 Hình 2. 2. Trục tọa độ và các lực thành phần trên hệ thống bóng thanh 10 Hình 2. 3. Mối quan hệ giữa vị trí động cơ và góc Beam 14 Hình 2. 4. Hệ thống điều khiển trượt 15 Hình 2. 5. Hình chiếu của quỹ đạo pha 18 Hình 2. 6. Hiện tượng chattering 18 Hình 2. 7. Sơ đồ điều khiển trượt 19 Hình 2. 8. Miền xác định, miền tin cậy của tập mờ 20 Hình 2. 9. Các giá trị ngôn ngữ của các biến ngõ vào 22 Hình 2. 10. Miền xác định theo phương pháp cực đại 24 Hình 2. 11. Miền xác định theo phương pháp trọng tâm 26 Hình 2. 12. Cấu trúc bộ điều khiển mờ 28 Hình 2. 13. Cấu trúc luật điều khiển mờ 29 Hình 2. 14. Sơ đồ nguyên lý điều khiển mờ 29 Hình 2. 15. Phương pháp điều khiển mờ trượt 30 Hình 2. 16. Hàm thuộc với 5 tập mờ 32 Hình 3. 1. Bên trong sơ đồ khối mô tả phương trình toán học hệ thống bóng thanh 33 Hình 3. 2. Chương trình mô phỏng bộ điều khiển trượt 34 HVTH: NGUYỄN THỊ OANH viii
11. Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. NGUYỄN MINH TÂM Hình 3.3. Chương trình mô phỏng bộ điều khiển mờ trượt 35 Hình 3.4: Vị trí của viên bi (e 1: SMC, e 4: bộ điều khiển mờ trượt) 35 Hình 3.5: Điện áp cấp cho động cơ (e 2: SMC, e 5: bộ điều khiển mờ trượt) 35 Hình 3.6: Góc lệch của thanh beam (e: SMC, e 3: bộ điều khiển mờ trượt) 35 Hình 3.7: Vị trí của viên bi (e 1: SMC, e 4: bộ điều khiển mờ trượt) 36 Hình 3.8: Điện áp cấp cho động cơ (e 2: SMC, e 5: bộ điều khiển mờ trượt) .36 Hình 3.9: Góc lệch của thanh beam (e: SMC, e 3: bộ điều khiển mờ trượt) 36 Hình 3.10: Vị trí của viên bi (e 1: SMC, e 4: bộ điều khiển mờ trượt) 37 Hình 3.11: Điện áp cấp cho động cơ (e 2: SMC, e 5: bộ điều khiển mờ trượt) 37 Hình 3.12: Góc lệch của thanh beam (e: SMC, e 3: bộ điều khiển mờ trượt) .37 Hình 4. 1. Sơ đồ khối hệ thống ball and beam 39 Hình 4. 2. Mô hình bóng thanh nhìn ngang 39 Hình 4. 3. Mô hình nhìn từ trên xuống 40 Hình 4. 4. Cảm biến Encoder 42 Hình 4. 5. Nguyên lý hoạt động bộ đọc nhân 4 42 Hình 4. 6. Mô hình của cảm biến dây trở quấn 43 Hình 4. 7. Động cơ 44 Hình 4. 8. DSP TMS320F28335 44 Hình 4. 9. Sơ đồ nguyên lý mạch cầu H 45 Hình 4. 10. Mạch cầu H thực tế 46 Hình 4. 11. Nguồn DC 24V – 5A 46 Hình 4. 12. Thư viện Target Support Package cho DSP F28335 47 Hình 4. 13. Hình ảnh chương trình nạp thực tế cho DSP 49 Hình 4. 14. Sơ đồ khối bên trong bộ điều khiển trượt 49 Hình 4. 15. Sơ đồ khối bên trong bộ điều khiển mờ trượt 50 Hình 4. 16. Vị trí quả bi (e 1: SMC, e 4: bộ điều khiển mờ trượt) 52 Hình 4. 17. Góc lệch thanh beam (e: SMC, e 3: bộ điều khiển mờ trượt) 53 Hình 4. 18. Điện áp cấp cho động cơ (e 2: SMC, e 5: bộ điều khiển mờ trượt) .53 HVTH: NGUYỄN THỊ OANH ix
12. Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. NGUYỄN MINH TÂM Hình 4. 19. Vị trí quả bi (e 1: SMC, e 4: bộ điều khiển mờ trượt) 54 Hình 4. 20. Góc lệch thanh beam (e: SMC, e 3: bộ điều khiển mờ trượt) 54 Hình 4. 21. Điện áp cấp cho động cơ (e 2: SMC, e 5: bộ điều khiển mờ trượt) 55 Hình 4. 22. Vị trí quả bi (e 1: SMC, e 4: bộ điều khiển mờ trượt) 55 Hình 4. 23. Góc lệch thanh beam (e: SMC, e 3: bộ điều khiển mờ trượt) 56 Hình 4. 24. Điện áp cấp cho động cơ (e 2: SMC, e 5: bộ điều khiển mờ trượt) 56 HVTH: NGUYỄN THỊ OANH x
13. Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. NGUYỄN MINH TÂM DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 4.1: Thông số mô hình hệ thống bóng thanh 41 Bảng 4.2: Các khối chức năng sử dụng trong chương trình .48 HVTH: NGUYỄN THỊ OANH xi
14. Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. NGUYỄN MINH TÂM DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT Thuật ngữ Từ viết Ý nghĩa tắt Ball and Beam Hệ bóng thanh Digital Signal Processing DSP Xử lý tín hiệu số Genetic Althorithm GA Giải thuật di truyền Linear Quadratic Bộ điều chỉnh phương trình bậc hai LQR Regulator tuyến tính Multi input – multi output MIMO Hệ nhiều ngõ vào – nhiều ngõ ra Proportional Intergral PID Vi tích phân tỉ lệ Derivative Pulse Width Modulation PWM Phương pháp điều xung Single input – single SISO Hệ một ngõ vào – một ngõ ra output Fuzzy logic control FLC Điều khiển mờ Sliding-mode controller SMC Điều khiển trượt HVTH: NGUYỄN THỊ OANH xii
15. Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. NGUYỄN MINH TÂM Chương 1: TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về đề tài Chương này trình bày những nội dung tổng quan liên quan đến đề tài nói chung, hệ thống ball and beam và ứng dụng trong thực tế , các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước. Trên cơ sở đó đưa ra mục tiêu của đề tài, kết quả dự kiến và phương pháp nghiên cứu. 1.1.1. Đặt vấn đề 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 đĩa (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 HVTH: NGUYỄN THỊ OANH 1
16. Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. NGUYỄN MINH TÂM Đối với những hệ thống SISO (single input- single output) như hệ thống vật nâng từ trường, hệ bồn nước đơn hoặc những hệ MIMO (multi input-multi output) như hệ cánh tay máy hai bậc, hệ bồn đôi, hệ bóng đĩa (ball and plate) thì một biến ngõ ra được trực tiếp điều khiển bởi một tín hiệu điều khiển ngõ vào (dù có lúc phải chịu ảnh hưởng qua lại giữa các ngõ ra với nhau) nhưng bài toán cân bằng vẫn tính toán được thông qua điều khiển mờ trượt. Tuy nhiên, đối với một số hệ thống có số ngõ vào/ra không giống nhau, đặc biệt là các hệ thống SIMO (single input-multi output) hoặc MIMO nhưng có số ngõ vào ít hơn số ngõ ra như hệ thống con lắc ngược quay (một ngõ vào là điện áp cấp cho động cơ, hai ngõ ra là góc quay cánh tay và góc quay của con lắc ngược), hệ thống xe hai bánh tự cân bằng (hai ngõ vào là hai điện áp cấp cho hai động cơ, ba ngõ ra là các góc tới, góc quay và góc nghiêng) thì điều khiển mờ trượt được tính toán rất khó khăn. Việc chọn cấu trúc điều khiển và thông số điều khiển là rất khó khăn là do khi chọn thông số điều khiển phù hợp cho ngõ ra này thì lại ảnh hưởng đến ngõ ra kia. Việc ổn định cho tất cả các ngõ ra với số lượng ngõ vào điều khiển tốn rất nhiều công sức. Đối tượng được áp dụng trong đề tài này là hệ bóng thanh (ball and beam). Đây là một hệ thống SIMO thỏa các điều kiện cho trọng tâm nghiên cứu đã nêu ở trên. Mặt khác, mô hình cơ khí là khá đơn giản, hoàn toàn có thể chế tạo và ứng dụng cho các phòng thí nghiệm trong việc thử nghiệm các giải thuật điều khiển. Với mong muốn thực hiện một đề tài mới, kết cấu cơ khí không quá phức tạp, học viên quyết định chọn đề tài “ĐIỀU KHIỂN MỜ TRƯỢT CHO HỆ BÓNG THANH” nhằm nghiên cứu kỹ hơn về lý thuyết mờ trượt, ứng dụng mờ trượt trong điều khiển hệ có độ mất ổn định cao. 1.1.2. Tổng quan về 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 HVTH: NGUYỄN THỊ OANH 2
17. Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. NGUYỄN MINH TÂM 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. 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 . Hệ ball and beam này được chế tạo và sử dụng rộng rãi trong việc nghiên cứu và giảng dạy ở các trường học, phòng thí nghiệm . Mục tiêu điều khiển: điều khiển viên bi (hoặc quả bóng) nằm yên tại vị trí xác định tùy đặt trước trên thanh beam. Với giải thuật điều khiển tốt hơn nữa, quỹ đạo di chuyển của viên bi trên thanh beam sẽ tuân theo quỹ đạo hoạch định trước. Mô hình hệ ball and beam dạng trục lệch bao gồm 3 phần: cơ khí, điện tử và phần chương trình. • Phần cơ khí bao gồm : Thanh di động (Lever arm), quả banh (steel ball), máng trượt (beam), đế mô hình, động cơ DC được nối với đĩa quay. • Phần điện tử gồm: dây điện trở để xác định vị trí viên bi và encoder gắn đồng trục động cơ để xác định góc lệch của thanh beam. HVTH: NGUYỄN THỊ OANH 3
18. Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. NGUYỄN MINH TÂM Dây điện trở Cảm biến encoder đo góc lệch Hình 1.3 : Các cảm biến dùng trong hệ Ball and Beam 1.1.3. Các đề tài nghiên cứu hệ thống ball and beam Hệ “ball and beam” đã được rất nhiều các cá nhân, tổ chức trong nước và trên thế giới nghiên cứu và đã có những thành công. 1.1.3.1. Tình hình nghiên cứu trong nước Luận văn ball and beam điều khiển LQR của Bốc Minh Hùng, luận văn thạc sĩ đại học Bách khoa năm 2011. Luận văn trên đã xây dựng được một mô hình thực tế có thông số với việc chọn lựa ma trận Q, R mang tính thử sai. Bài báo “ Điều khiển PID một Nơron thích nghi dựa trên bộ nhận dạng mạng Nơron mờ hồi qui áp dụng cho hệ thanh và bóng” chỉ thực hiện thành công trên mô phỏng và chưa thử nghiệm thực tế. Luận văn ball nghiên cứu về điều khiển cân bằng cho hệ Ball and Beam trục lệch của Nguyễn Sơn Hà, luận văn thạc sĩ đại học Sư phạm kỹ thuật TPHCM năm 2015. Luận văn trên đã xây dựng được mô hình thực tế, tìm được các thông số ki, kp, kd thông qua thuật toán GA. 1.1.3.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nước Hệ thống “Quả bóng cân bằng trên thanh đỡ”do Arroyo xây dựng năm 2005 sử dụng luật điều khiển PD. Hệ thống sử dụng một cảm biến điện trở dây để xác định vị trí của quả bóng. Tín hiệu từ cảm biến được xử lý trong một bộ DSP và xuất tín hiệu điều khiển động cơ một chiều với hộp giảm tốc. HVTH: NGUYỄN THỊ OANH 4
19. Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. NGUYỄN MINH TÂM Hình 1.4: “Quả bóng cân bằng trên thanh dầm” được xây dựng bởi Berkeley Robotics Laboratory (Arroyo 2005) • Ưu điểm: - Hệ thống trên tương đối dễ thực hiện và bộ điều khiển PD cũng khá đơn giản. • Nhược điểm: - Góc nghiêng của thanh dầm lại không được đo và điều khiển. - Hệ thống hoạt động chưa hoàn toàn ổn định. Hệ Ball and Beam dạng trục lệch được thiết kế bởi Quanser năm 2006 Hình 1.5: Sản Phẩm Ball and Beam do Quanser chế tạo năm 2006 Điều khiển bằng giải thuật PID: • Ưu điểm: - Độ chính xác cao, cân bằng ổn định. - Không bị tác động nhiễu bởi môi trường bên ngoài đặc biệt là ánh sáng vì không dùng cảm biến quang. - Sử dụng Card PCI để giao tiếp nên tương đối dễ dàng cho người lập trình. HVTH: NGUYỄN THỊ OANH 5
20. Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. NGUYỄN MINH TÂM • Nhược điểm: - Do sử dụng giải thuật PID nên việc tìm ra các hệ số Kp, Ki, Kd là vô cùng khó khăn và mất nhiều thời gian. - Sử dụng Card PCI nên chỉ sử dụng được với máy tính không thể hoạt động độc lập. - Giá thành cao, không kinh tế. Ball and beam sử dụng MC9S12C32 Microcontroller Hình 1.6: Hệ Ball and Beam dùng giải thuật PID dựa trên vi điều khiển MC9S12C32 Điều khiển dựa trên PID được nhúng trên vi điều khiển MC9S12C32 • Ưu điểm: - Giải thuật đơn giản dễ thực hiện. - Hệ thống cơ khí khá đơn giản nhưng vẫn đáp ứng tốt yêu cầu cân bằng quả bóng. • Nhược điểm: - Chất lượng bộ điều khiển phụ thuộc rất nhiều vào thông số Kp, Ki, Kd. - Dễ bị nhiễu bởi ánh sáng tác động từ bên ngoài do dùng cảm biến quang. Hệ Ball and Beam sử dụng giải thuật mờ HVTH: NGUYỄN THỊ OANH 6
21. Luận văn thạc sĩ GVHD: TS. NGUYỄN MINH TÂM Hình 1.7: Hệ Ball and Beam sử dụng giải thuật Fuzzy Logic Điều khiển dựa trên Fuzzy Logic • Ưu điểm: - Do điều khiển bằng Fuzzy Logic nên tốc độ đáp ứng nhanh và chính xác. • Khuyết điểm: - Chất lượng bộ điều khiển phụ thuộc rất nhiều bộ kinh nghiệm của tập mờ. Bộ điều khiển này chỉ có thể áp dụng cho một đối tượng duy nhất và giá thành cao. 1.2. Mục tiêu của luận văn - Mục tiêu chính của đề tài là thiết kế điều khiển mờ trượt cho hệ bóng thanh. - Tiến hành mô phỏng điều khiển mờ trượt cho hệ bóng thanh trên chương trình Matlab/Simulink. - Áp dụng điều khiển mờ trượt cho hệ bóng thanh trên mô hình bóng thanh thực tế. 1.3. Nhiệm vụ của đề tài: Các nhiệm vụ của đề tài: • Nghiên cứu cài đặt và lập trình nhúng Matlab/Simulink trên vi xử lí DSP TMS320F28335. HVTH: NGUYỄN THỊ OANH 7