báo cáo cuối kì thiết kế bộ điều khiển mờ cho hệ con lắc ngược quay

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.15 MB, 19 trang )

<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

<b>BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO </b>

<b>TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM </b>

KHOA ĐIỆ – N ĐIỆN TỬ

------

<b>MÔN HỌC: ĐIỀU KHIỂN THƠNG MINH BÁO CÁO CUỐI KÌ </b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ... 3

2.1 Mô hình tốn học h con l c ngưệ ắ ợc quay ... 3

2.2 Thiế ế bộ điều khiển mờ (Fuzzy Controller)t k ... 6

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG VÀ MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ TRÊN MATLAB SIMULINK ... 12

3.1 Xây dựng bộ điều khiển mờ trên Matlab Simulink ... 12

3.1.1 Hệ con lắc ngược quay trên Matlab Simulink ... 12

<b>3.1.2 Bộ điều khiển mờ cho hệ con lắc ngược quay trên Matlab Simulink</b> ... Lỗi! Th đánh d Āu không được xác đ椃⌀nh.

</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

Khơng tm th Āy mục nh p no ca bảng hnh minh h漃⌀a.

</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">

<b>CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Đặt v Ān đề </b>

Hệ con lắc ngược quay (Rotary inverted pendulum - RIP) là một nền tảng thử nghiệm nổi tiếng để đánh giá các giải thuật điều khiển khác nhau. Hệ này đã được ứng dụng trong các lĩnh vực trên thế giới như trong nghiên cứu và giáo dục: hệ ống con lắc ngược quay được sử dụng để ảng dạy và nghiên cứth gi u trong các lĩnh vực vật lý, điện tử, điều khiển và robot học; trong công nghiệp: hệ ống con lắc ngược quay có thể ợc sử dụng trong quá trình sản xuất để th đư kiểm tra và hiệu chuẩn các cảm biến và bộ ều khiển. đi

Ở ệt Nam, mặc dù ứng dụng của hệ ống con lắc ngược quay chưa Vi th phổ ến và phát triển, nhưng nó đã được sử dụng trong một số lĩnh vự bao bi c, gồm giáo dục và nghiên cứu. Các trường đại học và viện nghiên cứu đã sử dụng hệ ống con lắc ngược quay để ảng dạy và nghiên cứu trong các ngành kỹ th gi thuật và cơng nghệ. Chính vì vậy, đề tài này được nhóm sinh viên chọn để tìm hiểu, nghiên cứu và báo cáo đề tài cuối kỳ.

- ểu về mô hình con lắc ngược quay, nắm được nguyên lý hoạt độHi ng. - Thiết kế ợc bộ ều khiển mờ cho hệ con lắc ngược quay.đư đi

- Xây dựng mơ hình tốn học cho hệ con lắc ngược quay. - Nghiên cứu lý thuyết điều khiển mờ.

- Xây dựng hệ ống điều khiển mờ cho mơ hình con lắc ngược quay.th 1.4 ới hạn ca đề tiGi

Đề tài giới hạn trong việc nghiên cứu, xây dựng và mô phỏng hệ thống điều khiển mờ cho hệ con lắc ngược quay trên Matlab Simulink.

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

<b>CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT </b>

2.1 Mơ hnh tốn h漃⌀c hệ con lắc ngược quay

Hệ th ng bao g m 2 thanh. Thanh th nhố ồ ứ ất được g i là thanh con l c và ọ ắ thanh th ứ hai được gọi là thanh cánh tay.

Hình 1. Mơ hình con lắc ngược quay (RIP) Trong đó: là góc quay của con lắc

là góc quay của cánh tay là vận tốc của con lắc là vận tốc của cánh tay

là gia tốc của con lắc

là gia tốc của cánh tay

Toán tử Lagrange thu được bằng tổng động năng năng lượng trừ đi tổng thế năng như sau:

L K U=−

(1)

</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">

Bằng một số tính tốn cho (4) và (5), hệ phương trình động lực học của hệ con lắc ngược quay có dạng như sau:

</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">

Mối quan hệ ữa momen xoắn và điện áp của động cơ điện một chiềgi u để mơ phỏng sát với mơ hình thực tế:

Trong đó:

V

<sub>a</sub>là điện áp cho động cơ điện một chiều, K<sub>t</sub>là hằng số mô-men xoắn động cơ,

K

<small>v</small>là hằng số động cơ điện,

Ra

là điện trở phần ứng.

Con lắc khơng ổn định nó sẽ ln ngã xuống trừ khi có lực tác độ thích ng hợp vào phần cánh tay. Bài toán đặt ra là điều khiển cánh tay để ữ cho con gi lắc cân bằng ở vị trí thẳng đứng. Mơ hình tốn của hệ con lắc ngược quay như

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

2.2 Thiết kế bộ ều khiển mờ (Fuzzy Controller)đi Cấu trúc bộ ều khiển mờ:đi

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

Hình 2. Cấu trúc bộ điều khi n m ể ờ cơ bản

Thành ph n chính c a b ầ ủ ộ điều khiển m ờ cơ bản là h quy tệ ắc điều khi n, ể hệ quy t c này có th rút ra t kinh nghi m chuyên gia trong viắ ể ừ ệ ệc điều khi n ể đối tượng. Khâu mờ hóa chuyển giá trị rõ phản hồi từ ngõ ra của đối tượng thành giá tr mị ờ để ệ h quy t c có th suy luắ ể ận được. Khâu gi i m chuy n giá ả ờ ể trị m suy luờ ận đượ ởc ngõ ra c a lo i quy tủ ạ ắc điều khi n. ể

Bộ điều khi n m cho h con lể ờ ệ ắc ngược quay bao g m bồ ốn đầu ra: góc con l c và v n t c c a nó, góc cánh tay và v n tắ ậ ố ủ ậ ốccủa nó. Đầu vào là điện áp cung cấp cho động cơ.

Các tập đầu vào và đầu ra mờ được biểu diễn như sau:

Hình 3. Hàm thành viên c a bủ ốn đầu ra chu n hóa. ẩ

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

Hình 4. Hàm thành viên của đầu vào chu n hóa ẩ

Trong hình 3, bốn đầu ra có cùng t p mậ ờ, chúng được chia thành 3 hàm thành viên. N u sế ố lượng thành viên đầu ra l n, b ng quy t c s ph c t p. Do ớ ả ắ ẽ ứ ạ đó, để đơn giản hóa bảng quy tắc, ta chọn số thành viên của mỗi đầu vào là 3 (số c a các quy t c là 81) và s hàm liên thu c c a tín hiủ ắ ố ộ ủ ệu đầu ra là 7 (hình 4).

Một số thơng tin của bảng quy tắc có thể ợc mơ tả như sau:đư

+ Trong hình 5a, cả con lắc và cánh tay đề ở ểm cân bằng và u đi vận tốc của chúng bằng khơng, do đó điện áp cung cấp cho động cơ bằng không. Quy tắc được thiết lập như sau: nếu đầu ra 1 ( ) là ZE và đầu ra 2 ( ) là ZE và đầu ra 3 ( ) là ZE và đầu ra 4 ( ) là ZE thì đầu vào (V<sub>a</sub>) là ZE.

+ Trong hình 5b, cánh tay quay theo chiều âm, con lắc theo hướng vị trí, vận tốc của con lắc và cánh tay bằng không, động cơ phải quay chậm theo chiều âm.

Quy tắc được thiết lập như sau: nếu đầu ra 1 ( ) là PO và đầu ra 2 ( ) là ZE và đầu ra 3 ( ) là NE và đầu ra 4 ( ) là ZE thì đầu vào (V<sub>a</sub>) là NS.

+ Trong hình 5c, cánh tay ở ớng vị trí, con lắ ở chiều âm, vậhư c n tốc của con lắc và cánh tay bằng không, động cơ phải quay chậm theo hướng vị trí. Theo cách tương tự,

Quy tắc được thiết lập như sau: nếu đầu ra 1 ( ) là NE và đầu ra 2 ( ) là ZE và đầu ra 3 ( ) là PO và đầu ra 4 ( ) là ZE thì đầ vào (u V<sub>a</sub>) là PS.

Đây là 3 quy tắc trong số 81 quy tắc, các quy tắc khác có thể được tạo ra bằng cách này:

</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG VÀ MÔ PHỎNG BỘ ỀU KHIỂN MỜ ĐI

<b>TRÊN MATLAB SIMULINK </b>

3.1 Xây dựng bộ ều khiển mờ trên Matlab Simulinkđi

<b>3.1.1 Hệ con lắc ngược quay trên Matlab Simulink </b>

Chương trình con lắc ngược quay:

Hình 6. Hệ RIP trên Matlab Simulink

</div><span class="text_page_counter">Trang 15</span><div class="page_container" data-page="15">

<b>3.1.2 Bộ điều khiển mờ cho hệ con lắc ngược quay trên Matlab Simulink </b>

Sử dụng công cụ Fuzzy Logic Desiger trong Matlab để xây dựng bộ điều

</div><span class="text_page_counter">Trang 16</span><div class="page_container" data-page="16">

khiển mờ.

Hình 7. Tool Fuzzy Logic Desiger

Bộ điều khiển mờ gồm: 4 tín hiệu vào là , , , và một tín hiệu ra u.

Hình 8. Cấu trúc b ộ điều khiển m ờ

Xác định giá trị ngôn ngữ của các biến ngôn ngữ như sau: alpha = {NE, ZE, PO}

alpha_dot = {NE, ZE, PO} beta = {NE, ZE, PO} beta_dot = {NE, ZE, PO}

u = {NB, NM, NS, ZE, PB, PM, PS}

Xác định hàm liên thuộc cho các biến ngôn ngữ alpha, alpha_dot, beta, beta_dot và u.

</div><span class="text_page_counter">Trang 17</span><div class="page_container" data-page="17">

Hình 9. Hàm liên thu c bi n ngơn ng alpha ộ ế ữ

Hình 10. Hàm liên thu c bi n ngôn ng alpha_dot ộ ế ữ

Hình 11. Hàm liên thu c bi n ngôn ng beta ộ ế ữ

</div><span class="text_page_counter">Trang 18</span><div class="page_container" data-page="18">

Hình 12. Hàm liên thu c bi n ngôn ng beta_dot ộ ế ữ

<b>3.2.2 Bộ điều khiển phản hồi trạng thái </b>

<b>CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN </b>

Khảo sát thành công các hệ ống như mạch RLC và hệ lò xo, giảm xóc.th Phân tích được tính ổn định của các hệ ống đảth m bảo được tính ổn định theo tiêu chuẩn lyapunov.

Thiết kế được bộ quan sát trạng thái xấp xỉ với các giá trị của các biến trạng thái của hệ ống mô phỏng trên simulink.th

Thiết kế thành công bộ điều khiển phản hồi trạng thái theo tiêu chuẩn lyapunov và mô phỏng trên simulink.

</div><span class="text_page_counter">Trang 19</span><div class="page_container" data-page="19">

1.“Lý thuyết Điều khiển tự động”, Nguyễn Th椃⌀ Phương H, Huỳnh Thái

<b>Hong, NXB ĐHQG TPHCM </b>

</div>