ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Vũ Đức Thuận NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN CHO MODULE GIỮ THĂNG BẰNG THEO THUẬT TOÁN PI Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện tử TÓM TẮT KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP HÀ NỘI – 2017 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Với định hướng phát triển đất nước theo đường công nghiệp hóa đại hóa mục tiêu đến năm 2020 trở thành nước công nghiệp theo hướng đại, đòi hỏi ngành khoa học kĩ thuật phải không ngừng phát triển, trọng ngành công nghiệp tự động hóa Được biết đến module có ứng dụng nhiều tự động hóa, module thăng Ball and Beam ứng dụng không sống ngày (xe tự thăng bằng) mà ứng dụng lĩnh vực hàng không vũ trụ (kiểm soát máy bay trình hạ cánh) Do việc nghiên cứu module ý nghĩa việc nắm vững lý thuyết mà giúp tìm hướng phát triển tối ưu hệ thống Module thăng Ball and Beam điều khiển nhiều thuật toán cách thức khác nhau, thuật toán có ưu nhược điểm định Phổ biến điều khiển module thằng sử dụng thuật toán PID hay gọi thuật toán PI Chính lý trên, việc thiết kế mô điều khiển module thăng Ball and Beam thuật toán PI có ý nghĩa thực tiễn to lớn Mục tiêu đề tài  Sử dụng thuật toán PID việc mô điều khiển module thăng Ball and Beam  Sử dụng phần mềm Labview Đối tượng nghiên cứu    Module thăng Ball and Beam Phần mềm Labview Thuật toán điều khiển PID Phương pháp thực đề tài    Phương pháp quan sát khoa học Phương pháp phân loại hệ thống lí thuyết Phương pháp phân tích Bố cục khóa luận bao gồm: Chương Giới thiệu chung module thăng hệ bóng đỡ “Ball and Beam” Chương Thuật toán PID Chương Thiết kế mô điều khiển module thăng Ball and Beam Chương Kết đánh giá CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ MODULE THĂNG BẰNG HỆ BÓNG VÀ THANH ĐỠ “BALL AND BEAM” 1.1 Giới thiệu chung kỹ thuật điều khiển Lý thuyết điều khiển phân thành lý thuyết điều khiển cổ điển lý thuyết điều khiển đại Lý thuyết điều khiển cổ điển sử dụng cho hệ thống đầu vào đầu (SISO-single-input and single-output) ngoại trừ phân tích để loại trừ nhiễu cách sử dụng đầu vào thứ hai Quá trình phân tích hệ thống thực miền thời gian cách sử dụng phương trình vi phân, miền phức với biến đổi Laplace miền tần số cách chuyển đổi từ miền phức Một điều khiển thiết kế cách sử dụng lý thuyết cổ điển thường đòi hỏi phải điều chỉnh lại thiết bị thực tế xấp xỉ thiết kế không Trái lại lý thuyết điều khiển đại thực không gian trạng thái xử lý với hệ thống có nhiều đầu vào nhiều đầu (MIMO) Phương pháp vượt qua hạn chế lý thuyết điều khiển cổ điển toán thiết kế phức tạp Trong hệ thống tập phương trình vi phân bậc riêng biệt xác định cách sử dụng biến trạng thái 1.2 Module thăng Ball and Beam 1.2.1 Cấu tạo module thăng Ball and Beam • • Động DC: dùng để điều chỉnh tốc độ Quả bóng: làm kim loại Hình 1.1.Cấu tạo module thăng Ball and Beam • Cảm biến vị trí động cơ: dùng để đóng kiểm soát vòng lặp động điều chỉnh vị trí động • Hộp số: dùng để điều chỉnh tốc độ động theo yêu cầu hệ thống • Thanh ngang: kim loại cho phép bóng di chuyển tự • Thanh truyền động: dùng để truyền chuyển động từ động DC đến ngang • Cảm biến vị trí bóng: cấu tạo từ niken crôm với điện trở mà đầu tỉ lệ thuận với vị trí bóng 1.2.2 Cấu tạo điều khiển  Cấu tạo module điều khiển RYC Bộ điều khiển RYC module dùng để nghiên cứu điều chỉnh điều khiển thiết kế hãng EDIBON Nó cho phép sinh viên điều khiển kiểm soát cách dễ dàng nhanh chóng loại module khác có module giữ thăng Ball and Beam Mô hình thể hình 1.1 [4] Hình 1.2.Các hệ thống thành phần module RYC  Cấu tạo điều khiển module thăng Ball and Beam • • • Công tắc nguồn: sử dụng để đóng cắt nguồn điện Cầu chì: dùng để bảo vệ module SS-1 đầu vào: nơi cảm biến trục vị trí góc nên kết • nối Ngoài có hai thiết bị đầu cuối (màu xanh màu đen), nơi điện áp tỷ lệ với vị trí góc có sẵn SB-1 đầu vào: nơi cảm biến bóng phải kết nối • Ngoài có hai thiết bị đầu cuối (màu xanh màu đen), nơi điện áp tỷ lệ thuận với vị trí bóng có sẵn Kiểm soát động cơ: nơi động kết nối.Ngoài có hai thiết bị đầu cuối (màu vàng màu đen), nơi điện áp điều khiển dùng để kiểm soát tốc độ động Hình 1.12 Cấu tạo điều khiển module ball and beam CHƯƠNG 2: THUẬT TOÁN PID Bộ điều khiển PID (Proportional Integral Derivative) chế phản hồi vòng điều khiển sử dụng cách rộng rãi tất lĩnh vực sống đặc biệt hệ thống điều khiển công nghiệp [2] Hình 2.1 Sơ đồ khối điều khiển PID Một điều khiển PID gồm khâu: • Khâu tỉ lệ P (proportional) tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với sai số (error – e) • Khâu tích phân I (integral) tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với tích phân theo thời gian sai số • Khâu vi phân D (derivative) tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ với vi phân theo thời gian sai số CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN MODULE THĂNG BĂNG BALL AND BEAM 3.1.Ý tưởng thiết kế Ý tưởng để sử dụng cảm biến để thực hai vòng điều khiển Đầu tiên vòng lặp bên kiểm soát vị trí động vòng lặp thứ hai bên kiểm soát vị trí bóng Lợi việc sử dụng kiểm soát loại từ chối rối loạn vòng Vòng lặp bên nhanh so với vòng nên vòng lặp điều khiển vị trí động từ chối rối loạn trước ảnh hưởng đến vị trí bóng CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ 4.1 Kết Bằng cách sử dụng Block Diagram biểu tượng kết nối (Icon/Connector) Labview cho toán mô vị trí bóng ngang, giao diện chương trình thu mô tả hình 4.1 Hình 4.1.Phần mềm mô Chương trình hiển thị kết đáp ứng tín hiệu đầu hệ thống Các thông số Kp, Ki điều khiển PI giá trị thay đổi nhằm đáp ứng tối ưu tín hiệu đầu Kết hiển thị thể vị trí bóng ngang giá trị sai số so với vị trí mong muốn Quá trình mô thể qua việc thử nghiệm cách thay đổi vị trí bóng thay đổi thông số điều khiển PI Kết thử nghiệm cho thấy ảnh hưởng tham số đầu vào lên trình ổn định bóng ví trí cân mong muốn KẾT LUẬN Kết đạt được: 10 Khóa luận “Nghiên cứu xây dựng phần mềm điều khiển cho module giữ thăng theo thuật toán PI” đạt kết sau: Hướng phát triển đề tài: Hệ thống Ball and Beam hệ điều khiển phức tạp, bao gồm hai mạch vòng điều khiển (điều khiển góc nghiêng điều khiển vị trí), chúng coi hệ thống không chống rung Để điều khiển hệ thống này, việc mô sử dụng thuật toán PID thông qua phần mềm Labview, sử dụng hai thuật toán để điều khiển hệ thống, sử dụng “điều khiển mờ thích nghi” theo mô hình mẫu song song điều khiển LQR để mang lại hiệu tối ưu Tài liệu tham khảo [1] https://vi.wikipedia.org/ wiki/Bộ_điều _khiển _PID [2] https://vi.wikipedia.org/wiki/Kỹ_thuật_điều_khiển [3].http://archive.cnx.org/contents/interactive-ball-and-beamexperiment [4] EDIBON – RYC_BB [5] https://vi.wikipedia.org/ wiki/Labview 11 ... dụng thuật toán PID việc mô điều khiển module thăng Ball and Beam  Sử dụng phần mềm Labview Đối tượng nghiên cứu    Module thăng Ball and Beam Phần mềm Labview Thuật toán điều khiển PID Phương... nhược điểm định Phổ biến điều khiển module thằng sử dụng thuật toán PID hay gọi thuật toán PI Chính lý trên, việc thiết kế mô điều khiển module thăng Ball and Beam thuật toán PI có ý nghĩa thực tiễn... bóng 1.2.2 Cấu tạo điều khiển  Cấu tạo module điều khiển RYC Bộ điều khiển RYC module dùng để nghiên cứu điều chỉnh điều khiển thiết kế hãng EDIBON Nó cho phép sinh viên điều khiển kiểm soát cách