Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ i 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 Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iii 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iv 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ v 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 R a : 23 1.3.3. Xác định hằng số K b 23 1.3.4. Xác định J m qua tính toán. (file: iden_J m ) 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vi 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vii 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 Bóng và thanh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ viii 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 r  35 Hình 2. 8 Vận tốc góc của thanh ngang _dot. 36 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ix 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 r  37 Hình 2. 11 Góc của thanh ngang 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 1 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 [...]... http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 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... đáp ứng nhanh Trong điều khiển công nghi p 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 nghi m các bài toán điều khiển ổn định vị trí, đây là một hệ thống có động học khá... 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. .. 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 ... 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 nghi ng Hình 1-14 Sơ đồ cấu trúc điều khiển hệ thống B&B Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 13 http://www.lrc-tnu.edu.vn/ * Sơ đồ kết nối hệ thống điều khiển B&B +VCC R8 R5 FROM D/A J1-3 C1 R10 _ R11... yếu tố ảnh hƣởng đến hệ thống Ball and beam a, Nhiễu đo lƣờng [4] Để tạo ra một vòng điều khiển kín ta phải các đầu ra của hệ thống Điều này đƣợc thực hiện bằng các cảm biến trong hệ thống Tuy nhiên, các cảm biến này có nhiễu kết hợp với chúng, có nghĩa là các tín hiệu phản hồi của hệ thống bị ảnh hƣởng bởi nhiễu Do đó nhiễu cảm biến sẽ đƣợc đƣa vào đối tƣợng thông qua luật điều khiển Nhiễu đo lƣờng... Trong lý thuyết điều khiển, bất định mô hình đƣợc xem xét từ quan điểm của mô hình hệ thống vật lý Các động học không mô hình và bất định tham số có ảnh hƣởng liên tục đến chất lƣợng điều khiển và thậm chí có thể dẫn đến hệ thống không ổn định Để giảm thiểu ảnh hƣởng của những yếu tố này luận văn này sử dụng bộ điều khiển LQR và bộ điều khiển LQR kết hợp khâu bù thích nghi để điều khiển ổn định vị... http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 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... 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học... thí nghi m 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 nghi ng 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 . 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 nghi m. 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. Gausan)…. Hệ thống Ball and Beam (B&B), dịch tiếng Việt là hệ thống “Bóng và Tay đòn”, là hệ thống dùng để thử nghi m các bài toán điều khiển ổn định vị trí, đây là một hệ thống có động