ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
_____o0o_____

BỐC MINH HÙNG
ĐỀ TÀI

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
NHÚNG CÂN BẰNG HỆ BALL AND BEAM
CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA
MSHV:09150038

LUẬN ÁN THẠC SỸ

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2011


Luận Văn Cao Học
HVTH: Bốc Minh Hùng

GVHD: PGS.TS.DƯƠNG HỒI NGHĨA

CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: ...............................................................
(ghi rõ họ tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 1:......................................................................
(ghi rõ họ tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 2:......................................................................
(ghi rõ họ tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn Thạc Sỹ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN
VĂN THẠC SỸ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày ….tháng…năm ……..


Luận Văn Cao Học
HVTH: Bốc Minh Hùng

GVHD: PGS.TS.DƯƠNG HOÀI NGHĨA

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------------

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
---oOo--Tp. HCM, ngày . . . . . tháng . . . . . năm ……..

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên:

BỐC MINH HÙNG

Ngày, tháng, năm sinh :

17-09-1984


Chun ngành :

TỰ ĐỘNG HĨA

Khố (Năm trúng tuyển) :

2009

Giới tính : Nam
Nơi sinh : TPHCM

1- TÊN ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHÚNG CÂN BẰNG
HỆ BALL AND BEAM
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:
•

Xây dựng bộ điều khiển nhúng cân bằng hệ ball and beam

•

Mơ phỏng các giải thuật cho hệ ball and beam

•

Xây dựng bộ điều khiển thời gian thực trên DSP TMS320F28335 để kiểm tra tính
xác thực của mơ hình.


3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : ...........................................................................................
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : ..........................................................................
5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi đầy đủ học hàm, học vị ): ........................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
Nội dung và đề cương Luận văn Thạc Sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)


Luận Văn Cao Học
HVTH: Bốc Minh Hùng

GVHD: PGS.TS.DƯƠNG HOÀI NGHĨA

LỜI CẢM ƠN.
Lời cảm ơn đầu tiên, tôi xin chân thành gửi đến Thầy Dương Hồi Nghĩa người
đã tận tình hướng dẫn và truyền đạt các kiến thức giúp tơi hồn thành luận văn này. Bên
cạnh đó, tơi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô trong bộ môn Điều Khiển Tự
Động: thầy Nguyễn Đức Thành, cô Nguyễn Thị Phương Hà, thầy Huỳnh Thái Hoàng,
thầy Nguyễn Vĩnh Hảo, thầy Nguyễn Thiện Thành, thầy Trương Đình Châu….đã cho
tơi 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 khóa 2009 đã

động viên, giúp đỡ, trao đổi kiến thức với nhau trong suốt khóa học.
Tp.HCM, ngày tháng 07 năm 2011.
Tác giả

BỐC MINH HÙNG


Luận Văn Cao Học
HVTH: Bốc Minh Hùng

GVHD: PGS.TS.DƯƠNG HỒI NGHĨA

TĨM TẮT LUẬN VĂN CAO HOC

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
servo, quả banh (ball), máng trượt (beam) , cảm bến vị trí (position sensor).
Trong luận văn này sẽ xem xét và giải quyết các vấn đề lien quan đến hệ bong và
thanh này. Do sự tồn tại của lực ma sát lăn, lực ly tâm nên đáp ứng của hệ thống chỉ
đạt được ở mức độ tương đối. Hơn nữa do quả banh có xu hướng lăn tự do nên việc
cho quả banh cân băng là rất khó và quả banh có xu hướng lệch khỏi vị trí cân bằng
là rất cao. Nếu như cảm biến vị trí khơng chính xác sẽ làm cho viên bi đinh vị
khơng đúng vị trí dẫn đến sai số lớn và mất cân bằng.
Trong luận văn này học viên sẽ dựa trên giải thuật bền vững LQR để cân bằng quả
bóng tại vị trí mong muốn và thực hiện với một số giả thuật khác để so sánh các đáp
ứng của hệ thống.


NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Cán bộ hướng dẫn : PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA
Họ và tên học viên : BỐC MINH HÙNG
Tên đề tài

Khóa : 2009

: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHÚNG CÂN

BẰNG HỆ BALL AND BEAM
Nhận xét

: .............................................................................................

..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
Đánh giá :
Tp.HCM, ngày
tháng
Cán bộ hướng dẫn
(Ký tên, ghi rõ họ tên)


năm


NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN 1
Cán bộ phản biện 1 :
Họ và tên học viên : BỐC MINH HÙNG
Tên đề tài

Khóa : 2009

: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHÚNG CÂN

BẰNG HỆ BALL AND BEAM
Nhận xét

: .............................................................................................

..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................

Đánh giá :
Tp.HCM, ngày
tháng
Cán bộ phản biện 1
(Ký tên, ghi rõ họ tên)

năm


NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN 2
Cán bộ phản biện 2 :
Họ và tên học viên : BỐC MINH HÙNG
Tên đề tài

Khóa : 2009

: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHÚNG CÂN

BẰNG HỆ BALL AND BEAM
Nhận xét

: .............................................................................................

..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................

..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
Đánh giá :
Tp.HCM, ngày
tháng
Cán bộ phản biện 2
(Ký tên, ghi rõ họ tên)

năm


Luận Văn Cao Học
HVTH: Bốc Minh Hùng

GVHD: PGS.TS.DƯƠNG HOÀI NGHĨA

Mục lục
Chương 1: Tổng quan ......................................................................................01
1.1.

Đặt vấn đề .....................................................................................................01

1.2.

Các cơng trình nghiên cứu liên quan ............................................................04

1.3.


Phạm vi nghiên cứu ......................................................................................09

1.4.

Tóm tắt nội dung các chương .......................................................................09

Chương 2: Nhiệm vụ luận văn ....................................................................10
Chương 3: Phân tích mơ hình tốn học hệ ball and beam trục lệch
..................................................................................................................................11
3.1.

Mơ hình thực tế của hệ ball and beam trục lệch

11

3.2.

Mơ hình tốn học của hệ ball and beam trục lệch

13

Chương 4: Thiết kế hệ thống điều khiển nhúng cân bằng hệ
ball and beam trục lệch ...........................................................19
4.1. Lý thuyết bộ điều khiển Linear Quadratic Regulation (LQR).......................20
4.1.1 Khái niệm điều khiển bền vững.............................................................20
4.1.2 Phương pháp điều khiển LQR hệ liên tục .............................................22
4.1.3 Phương Pháp điều khiển LQR hệ rời rạc...............................................23
4.2. Ứng dụng bộ điều khiển LQR cân bằng hệ ball and beam trục lệch .............24
4.2.1 Thiết kế bộ điều khiển LQR rời rạc .....................................................24

4.2.2 Xây dựng bộ điều khiển LQR rời rạc trên nền DSP ............................27
4.3. Lý thuyết bộ điều khiển trượt (Sliding Mode Control)..................................30
4.4 Ứng dụng bộ điều khiển trượt cân bằng hệ ball and beam trục lệch. .............32
4.4.1 Thiết kế bộ điều khiển trượt cân bằng hệ ball and beam......................32


Luận Văn Cao Học
HVTH: Bốc Minh Hùng

GVHD: PGS.TS.DƯƠNG HOÀI NGHĨA

4.4.2 Xây dựng bộ điều khiển trượt trên nền DSP TMS320F28335.............35

Chương 5: Mô phỏng simulink các bộ điều khiển ..............................38
5.1.

Mô phỏng Simulink bộ điều khiển Linear Quadratic Regulation.................38
4.2.1 Mô phỏng bộ điều khiển LQR hệ liên tục ...........................................38
4.2.2 Mô phỏng bộ điều khiển LQR hệ rời rạc ............................................40

5.2.

Simulink điều khiển hệ thống bằng giải thuật Sliding mode control ..........46

5.3

So sánh ưu và khuyết điểm các bộ điều khiển với nhau. ..............................49

Chương 6: Các kết quả từ mơ hình thưc tế. ……… ................................50
6.1. Mơ hình ball and beam thực tế……… ..........................................................50

6.2. Đáp ứng từ mơ hình thực tế . ........................................................................51

Chương 7: Kết luận và hướng phát triển đề tài. ……… ........................60
7.1. Kết luận……… ..............................................................................................60
7.1.1 Các kết quả đạt được...........................................................................60
7.1.2 Các kết quả chưa đạt được ..................................................................60
7.2. Hướng phát triển đề tài . ................................................................................60

Phụ Lục.......................................................................................... 62
Phụ Lục I: Thi công và thiết kế ................................................................ 62
I.1: Thiết kế phần cơ khí .................................................................. 62
I.2: Thiết kế mạch điện tử ................................................................ 65
Phụ Lục II: Vi điều khiển TMS320F28335 ................................................. 68
II.1: Giới thiệu vi điều khiển TMS320F28335 ...................................... 68
II.2: Thông số và chức năng DSP TMS320F28335 ................................ 71
II.3: Phần mềm mô phỏng Code Composer Studio V3.3 và Matlab 2009b ... 94
II.4: Kết nối Matlab 2009b với Code Composer Studio V3.3 ................... 96
Phụ Lục III: Các bộ điều khiển khác ......................................................... 100
III.1: Bộ điều khiển PID .................................................................. 100


Luận Văn Cao Học
HVTH: Bốc Minh Hùng

GVHD: PGS.TS.DƯƠNG HOÀI NGHĨA

........................................... 101
Phụ Lục IV: Mô phỏng simulink các bộ điều khiển khác ............................... 103
III.1: Bộ điều khiển PID .................................................................. 103
III.2: Bộ điều khiển tuyến tính hóa vào ra ........................................... 108

III.2: Bộ điều khiển tuyến tính hóa vào ra

Tài liệu tham khảo ........................................................................ 112
Danh mục các hàm, ký hiệu, từ viết tắt
• Ký hiệu
• Từ viết tắt
1.1.1 LQR: Linear-quadratic regulator
Tồn phương tuyến tính.
DSP: Digital signal processing
Bộ xử lý tín hiệu số
CCS: Code Composer Studio
Trình soạn thảo mã lập trình cho DSP.

Danh mục các hình vẽ, đồ thị, bảng biểu
Hình 1.1. Một hệ thống nhúng trong cơng nghiệp. ................................................01
Hình 1.2. Sơ đồ khối tổng quát giao tiếp giữa máy tính và hệ thống ball and beam
.......................................................................................................................03
Hình 1.3 Phần cơ khí của hệ thống ball and beam.................................................03
Hình 1.4. Động cơ DC servo dùng trong mơ hình ball and beam. .........................04
Hình 1.5. SRV02 Ball and Beam module dùng card PCI_ Dang mơ hình
Ball and beam trục lệch thiết kế bởi hệ Quanser (Quanser 2006) ...........................04
Hình 1.6. Hệ ball and beam sử dụng giải thuật PID dựa trên vi điều khiển
MC9S12C32.............................................................................................................05
Hình 1.7. Hệ ball and beam sử dụng giải thuật Fuzzy logic ..................................06
Hình 1.8. Bảng thơng số dùng giải thuật mờ. .........................................................07


Luận Văn Cao Học
HVTH: Bốc Minh Hùng


GVHD: PGS.TS.DƯƠNG HỒI NGHĨA

Hình 1.9. Hệ ball and beam dùng giải thuật quỹ đạo nghiệm số. ...........................08
Hình 1.10. Ball and beam của trường Shool of Mechanical Engineering the
University of Adeilede South Australia 5005..........................................................08
Hình 3.1. Hệ trục tọa độ của hệ ball and beam .......................................................11
Hình 3.2 Mơ hình hệ thống của hệ ball and beam .. ..............................................13
Hình 3.3. Trục tọa độ và các lực thành phần trên hệ thống ball and beam ............13
Hình 4.1. Sơ đồ khối bộ điều khiển tổng quát hệ thống ball and beam..................19
Hình 4.2. Sơ đồ bộ điều khiển LQR... ....................................................................22
Hình 4.3. Sơ đồ simulink tổng quát bộ điều khiển LQR... ....................................27
Hình 4.4. Sơ đồ khối tổng quát khối sensor...........................................................28
Hình 4.5. Sơ đồ khối ADC.....................................................................................28
Hình 4.6. Sơ đồ khối encorder ...............................................................................29
Hình 4.7. Sơ đồ khối điều khiển và chấp hành ......................................................29
Hình 4.8. Sơ đồ khối giám sát SCI ........................................................................30
Hình 4.9. Sơ đồ khối bộ điều khiển trượt hệ thống ball and beam ........................32
Hình 4.10. Sơ đồ tổng quát bộ điều khiển trượt.....................................................35
Hình 4.11. Sơ đồ khối tổng quát khối sensor.........................................................35
Hình 4.12. Sơ đồ khối bộ điều khiển và chấp hành ...............................................36
Hình 4.13. Sơ đồ khối mặt trượt S .........................................................................36
Hình 4.14. Sơ đồ khối điều khiển trượt .................................................................37
Hình 5.1.

Sơ đồ khối tổng qt mơ phỏng bộ điều khiển LQR liên tục với
tín hiệu vào là hàm nấc.. .....................................................................38

Hình 5.2.

Vị trí quả bóng với tín hiệu vào là hàm nấc rd = 0.1m ........................39


Hình 5.3.

Vận tốc quả bóng với tín hiệu vào là hàm nấc rd = 0.1m ....................39

Hình 5.4.

Góc quay thanh beam với tín hiệu vào là hàm nấc rd = 0.1m .............40


Luận Văn Cao Học
HVTH: Bốc Minh Hùng

GVHD: PGS.TS.DƯƠNG HỒI NGHĨA

Hình 5.5. Vận tốc góc thanh beam với tín hiệu vào là hàm nấc rd = 0.1m ...........40
Hình 5.6. Vị trí quả bóng với tín hiệu vào là hàm nấc rd = 0.5m ..........................41
Hình 5.7. Vận tốc quả bóng với tín hiệu vào là hàm nấc rd = 0.5m .....................41
Hình 5.8. Góc quay thanh beam với tín hiệu vào là hàm nấc rd = 0.5m ..............42
Hình 5.9. Vận tốc góc thanh beam với tín hiệu vào là hàm nấc rd = 0.5m ..........42
Hình 5.10. Vị trí quả bóng với tín hiệu vào là hàm nấc có giá trị ban đầu là
r = 0.1m và giá trị mong muốn rd = 0.6m...........................................43
Hình 5.11. Vận tốc quả bóng với tín hiệu vào là hàm nấc có giá trị ban đầu là
r = 0.1m và giá trị mong muốn rd = 0.6m...........................................43
Hình 5.12. Góc quay thanh beam với tín hiệu vào là hàm nấc có giá trị ban đầu là
r = 0.1m và giá trị mong muốn rd = 0.6m...........................................44
Hình 5.13. Vận tốc góc thanh beam với tín hiệu vào là hàm nấc có giá trị ban đầu là
r = 0.1m và giá trị mong muốn rd = 0.6m...........................................44
Hình 5.14. Sơ đồ khối tổng quát mô phỏng bộ điều khiển LQR hệ liên tục
với tín hiệu vào là hàm sóng sin ..........................................................45

Hình 5.15. Vị trí quả bóng với tín hiệu vào là hàm sin rd = 0.05m.......................46
Hình 5.16. Vận tốc quả bóng với tín hiệu vào là hàm sin rd = 0.05m .................46
Hình 5.17. Góc quay thanh beam với tín hiệu vào là hàm sin rd = 0.05m ...........47
Hình 5.18. Vận tốc góc thanh beam với tín hiệu vào là hàm sin rd = 0.05m ......47
Hình 5.19. Vị trí quả bóng với tín hiệu vào là hàm sin rd = 0.25m.....................48
Hình 5.20. Vận tốc quả bóng với tín hiệu vào là hàm sin rd = 0.25m .................48
Hình 5.21. Góc quay thanh beam với tín hiệu vào là hàm sin rd = 0.25m ...........49
Hình 5.22. Vận tốc góc thanh beam với tín hiệu vào là hàm sin rd = 0.25m ......49
Hình 5.23. Vị trí quả bóng với tín hiệu vào là hàm sin rd = 0.2m và giá trị


Luận Văn Cao Học
HVTH: Bốc Minh Hùng

GVHD: PGS.TS.DƯƠNG HOÀI NGHĨA

đầu r = 0.5m ........................................................................................50
Hình 5.24. Vận tốc quả bóng với tín hiệu vào là hàm sin rd = 0.2m và giá trị
đầu r = 0.5m ........................................................................................50
Hình 5.25. Góc quay thanh beam với tín hiệu vào là hàm sin rd = 0.2m và giá trị
đầu r = 0.5m ........................................................................................51
Hình 5.26. Vận tốc góc thanh beam với tín hiệu vào là hàm sin rd = 0.2m và giá trị
đầu r = 0.5m ........................................................................................51
Hình 5.27.

Sơ đồ khối tổng qt mơ phỏng bộ điều khiển LQR rời rạc với
tín hiệu vào là hàm nấc.. .....................................................................38

Hình 5.28. Ma trận hệ số hồi tiếp K của hệ rời rạc...............................................53
Hình 5.29. Phương trình trạng thái hệ rời rạc .......................................................53

Hình 5.30. Vị trí quả bóng hệ rời rạc với tín hiệu vào là hàm nấc rd = 0.1m........54
Hình 5.31. Vận tốc quả bóng hệ rời rạc với tín hiệu vào là hàm nấc rd = 0.1m....54
Hình 5.32. Góc quay thanh beam hệ rời rạc với tín hiệu vào là hàm
nấc rd = 0.1m ......................................................................................55
Hình 5.33. Vận tốc góc thanh beam với tín hiệu vào là hàm nấc rd = 0.1m .........55
Hình 5.34. Vị trí quả bóng hệ rời rạc với tín hiệu vào là hàm nấc rd = 0.5m........56
Hình 5.35. Vận tốc quả bóng hệ rời rạc với tín hiệu vào là hàm nấc rd = 0.5m ...56
Hình 5.36. Góc quay thanh beam hệ rời rạc với tín hiệu vào là hàm nấc
rd = 0.5m..............................................................................................57
Hình 5.37. Vận tốc góc thanh beam hệ rời rạc với tín hiệu vào là hàm
nấc rd = 0.5m .......................................................................................57
Hình 5.38. Vị trí quả bóng hệ rời rạc với tín hiệu vào là hàm nấc có giá trị
ban đầu là r = 0.1m và giá trị mong muốn rd = 0.6m ........................58


Luận Văn Cao Học
HVTH: Bốc Minh Hùng

GVHD: PGS.TS.DƯƠNG HỒI NGHĨA

Hình 5.39. Vận tốc quả bóng hệ rời rạc với tín hiệu vào là hàm nấc có
giá trị ban đầu là r = 0.1m và giá trị mong muốn rd = 0.6m..............59
Hình 5.40. Góc quay thanh beam hệ rời rạc với tín hiệu vào là hàm nấc
có giá trị ban đầu là r = 0.1m và giá trị mong muốn rd = 0.6m........59
Hình 5.41. Vận tốc góc thanh beam hệ rời rạc với tín hiệu vào là hàm nấc
có giá trị ban đầu là r = 0.1m và giá trị mong muốn rd = 0.6m.........60
Hình 5.42. Sơ đồ khối tổng quát mơ phỏng bộ điều khiển LQR hệ rời rạc
với tín hiệu vào là hàm sóng sin có Ts = 0.01s....................................61
Hình 5.43. Vị trí quả bóng hệ rời rạc với tín hiệu vào là hàm sin rd = 0.05m.......62
Hình 5.44. Vận tốc quả bóng hệ rời rạc với tín hiệu vào là hàm sin

rd = 0.05m ..........................................................................................62
Hình 5.45. Góc quay thanh beam hệ rời rạc với tín hiệu vào là hàm sin
rd = 0.05m..........................................................................................63
Hình 5.46. Vận tốc góc thanh beam hệ rời rạc với tín hiệu vào là hàm sin
rd = 0.05m.........................................................................................63
Hình 5.47. Vị trí quả bóng hệ rời rạc với tín hiệu vào là hàm sin rd = 0.25m.....64
Hình 5.48. Vận tốc quả bóng hệ rời rạc với tín hiệu vào là hàm sin
rd = 0.25m ........................................................................................64
Hình 5.49. Góc quay thanh beam hệ rời rạc với tín hiệu vào là hàm sin
rd = 0.25m..........................................................................................65
Hình 5.50. Vận tốc góc thanh beam hệ rời rạc với tín hiệu vào là hàm sin
rd = 0.25m..........................................................................................65
Hình 5.51. Vị trí quả bóng hệ rời rạc với tín hiệu vào là hàm sin
rd = 0.2m và giá trị đầu r = 0.5m .......................................................66


Luận Văn Cao Học
HVTH: Bốc Minh Hùng

GVHD: PGS.TS.DƯƠNG HỒI NGHĨA

Hình 5.52. Vận tốc quả bóng hệ rời rạc với tín hiệu vào là hàm sin
rd = 0.2m và giá trị đầu r = 0.5m .......................................................66
Hình 5.53. Góc quay thanh beam hệ rời rạc với tín hiệu vào là hàm sin
rd = 0.2m và giá trị đầu r = 0.5m .......................................................67
Hình 5.54. Vận tốc góc thanh beam hệ rời rạc với tín hiệu vào là hàm sin
rd = 0.2m và giá trị đầu r = 0.5m ......................................................67
Hình 5.55. Hệ thống ball and beam điều khiển bằng phương pháp
Sliding Tracking.................................................................................68
Hình 5.56. Khối Sliding Controller.......................................................................68

Hình 5.57. Khối hệ thống ball and beam ..............................................................69
Hình 5.58. Vị trí quả banh trường hợp vị trí đặt là 0.01m ....................................69
Hình 5.57. Vị trí quả banh trường hợp vị trí đặt là -0.03m...................................70
Hình 5.57. Vị trí quả banh trường hợp vị trí đặt là -0.05m...................................71
Hình 6.1. Hình ảnh mơ hình ball and beam thi cơng thực tế ................................73

Phụ lục
Hình I.1. Hệ Ball and Beam..................................................................................79
Hình I.2. Motor Servo kết nối với trục quay.........................................................80
Hình I.3. Kết cấu bộ phận chuyển động hệ ball and beam ...................................80
Hình I.4. Motor Servo của hang Tamagawa TS 1983N146E5.............................81
Hình I.5. Cảm biến điện trở dây quấn...................................................................81
Hình I.6. Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn cung cấp cho tồn hệ thống ...................82
Hình I.7. Hình ảnh mạch nuồn cung cấp cho tồn hệ thống.................................83
Hình I.8. Hình ảnh và sơ đồ nguyên lý về mạch cảm biến encorder ....................83
Hình I.9. Cảm biến vị trí ADC..............................................................................83


Luận Văn Cao Học
HVTH: Bốc Minh Hùng

GVHD: PGS.TS.DƯƠNG HỒI NGHĨA

Hình I.10. Mạch cầu H dùng để đảo chiều động cơ DC.......................................84
Hình I.11. Sơ đồ nguyên lý Mainboard giao tiếp DSP TMS320F28335..............84
Hình II.1. Hình ảnh vi điều khiển TMS 320 F28335............................................85
Hình II.2. Đế JTAG cho TMS320F28335 ............................................................85
Hình II.3. Sơ đồ khối tổng quát của DSP..............................................................87

Hình II.4. Sơ đồ khối module PWM.....................................................................88

Hình II.5. Sơ đồ khối Deadband ...........................................................................91
Hình II.6. Sơ đồ khối AQ......................................................................................92
Hình II.7. Dạng sóng khi qua khối PC..................................................................93
Hình II.8. Sơ đồ khối TripZone ............................................................................93
Hình II.9. Sơ đồ khối Event trigger ......................................................................94
Hình II.10. Sơ đồ khối ADC .................................................................................94
Hình II.11. Bộ chuyển đổi tuần tự ........................................................................97
Hình II.12. Sơ đồ khối các Sequencer đơn ...........................................................97
Hình II.13. Sơ đồ khối các Sequencer kép.............................................................98
Hình II.14. Chế độ lấy mẫu tuần tự ......................................................................99
Hình II.15. Thời gian lấy mẫu đồng bộ.................................................................99
Hình II.16. Ví dụ về chế độ đơi lấy mẫu đồng bộ.................................................100
Hình II.17. Lưu đồ giải thuật chuyển đổi..............................................................102
Hình II.18. Một ví dụ về xung trigger để bắt đầu quá trình chuyển đổi ...............104
Hình II.19. Cửa sổ Target Support Package .........................................................111
Hình II.20. Quá trình chuyển đổi từ Simulink sang ngôn ngữ C chạy
trên chip DSP ...........................................................................................................112


Luận Văn Cao Học
HVTH: Bốc Minh Hùng

GVHD: PGS.TS.DƯƠNG HỒI NGHĨA

Hình II.21. Phần mềm và giao diện Code Composer Studio V3.3 .......................113
Hình II.22. Thư viện hỗ trợ Card DSP TMSF28335 C2000 ................................113
Hình II.23. Thư viện hỗ trợ dịng chip C28x3x ....................................................114
Hình II.24. Giao diện card DSP F28335...............................................................114
Hình II.25. Cách khai báo thơng số ngõ ra ...........................................................115
Hình II.26. Sơ đồ khối mơ phỏng việc test kết nối giữa matlab và card DSP ......115

Hình II.27. Giao diện code composer khi biên dịch chương trình .......................116
Hình III.1. Sơ đồ khối bộ điều khiển PID cho hệ ball and beam..........................117
Hình IV.1. Hệ thống ball and beam điều khiển bằng PID ....................................118
Hình IV.2. Hệ thống motorservo ..........................................................................118
Hình IV.3. Ball Position hàm nấc .........................................................................121
Hình IV.4. Draft motor angle hàm nấc .................................................................121
Hình IV.5. Điện áp vào motor servo hàm nấc ......................................................122
Hình IV.6. Beam angle hàm nấc...........................................................................122
Hình IV.7. Ball Position hàm sin ..........................................................................123
Hình IV.8. Draft motor angle hàm sin ..................................................................123
Hình IV.9. Beam angle hàm sin............................................................................124
Hình IV.10. Hệ thống ball and beam diều khiển bằng phương pháp tuyến
Tính hóa vào ra ........................................................................................................125
Hình IV.11. Khối tuyến tính hóa ..........................................................................125
Hình IV.12. Ball Position hàm nấc phương pháp tuyến tính hóa vào ra ..............125
Hình IV.13. Draft motor angle hàm nấc phương pháp tuyến tính hóa vào ra ......125
Hình IV.14. Beam angle hàm nấc phương pháp tuyến tính hóa vào ra................125
Hình IV.15. Ball Position hàm sin phương pháp tuyến tính hóa vào ra ...............126
Hình IV.16. Draft motor angle hàm sin phương pháp tuyến tính hóa vào ra .......126


Luận Văn Cao Học
HVTH: Bốc Minh Hùng

GVHD: PGS.TS.DƯƠNG HOÀI NGHĨA

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN.
1.1 Đặt vấn đề:
Embedded system là một hệ thống chuyên dụng, thường có khả năng tự
hành và được thiết kế tích hợp vào một hệ thống lớn hơn để thực hiện một chức

năng chuyên biệt nào đó.
Xuất hiện từ những năm đầu thập niên 1960, hệ thống nhúng đang dần trở
thành một ngành phát triển mạnh mẽ, với những ứng dụng rộng rãi trong cơng
nghiệp và đời sống.

Hình 1.1 : Một Hệ Thống Nhúng Dùng Trong Công Nghiệp

Hệ thống nhúng bao gồm cả thiết bị phần cứng và phần mềm, hầu hết
đều phải thỏa mãn yêu cầu hoạt động theo thời gian thực (real-time).
-

Những bộ vi xử lý và phần cứng khác nhau: Texas Instrument,
Freescale, ARM, Intel, Microchip, PIC, Motorola, Atmel, AVR,
Renesas…

-

Những ngơn ngữ lập trình khác nhau : C/C++, B#, Ada, Assembly,
PMC, LabView, PLC…

Trang 1


Luận Văn Cao Học
HVTH: Bốc Minh Hùng

GVHD: PGS.TS.DƯƠNG HOÀI NGHĨA

- Các dòng sản phẩm nhúng càng lúc tốc độ xử lý, bộ nhớ, giá thành rẻ
hơn .


Các hệ thống nhúng thông dụng:
ECP(Embedded Computing Platform)
FPGA/ CPLD (Field-programmable gate array)
PSOC (Programmable System-on-Chip)
DSP (Digital signal processing)
MCU(Microcontroller Unit)
Chương trình sẽ được lập trình bằng các ngơn ngữ trên máy tính, sau đó nó sẽ
được biên dịch ra mã nhị phân và nạp xuống hệ thống nhúng. Ưu điểm của hệ
thống nhúng là nhỏ gọn, hoạt động độc lập, ổn định có tính tự động hóa cao,
tiết kiệm chi phí….

Lý thuyết điều khiển tự đơng:
Lý thuyết điều khiển tự động cho phép chúng ta thiết kế, tính tốn và
mơ phỏng các bộ điều khiển nhằm tiết kiệm thời gian và tăng hiệu quả
của các quá trình điều khiển được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực
như: dân dụng - cơng nghiệp - quốc phịng - kinh tế.
Với sự ra đời của lý thuyết điều khiển hiện đại như Tối ưu, Thích
nghi, Bền vững và điều khiển thông minh như Fuzzy Logic, Neural
Network , Ga, Phỏng Sinh Học lý thuyết điều khiển tự động đã được
những thành tựu hết sức to lớn.
Từ đó, ta thấy việc đưa lý thuyết DKTD vào các chíp nhúng là
một vấn đề tất nhiên và là một nhu cầu thực tế. Tại Việt Nam , việc
nghiên cứu lý thuyết DKTD và hệ thống nhúng tuy đã bắt đầu từ lâu và
đạt được nhiều kết quả quan trọng nhưng các ứng dụng thực tế từ các
kết quả nghiên cứu này chúng ta còn rất nhiều hạn chế so với các nước.

Trang 2



Luận Văn Cao Học
HVTH: Bốc Minh Hùng

GVHD: PGS.TS.DƯƠNG HOÀI NGHĨA

Do đó chúng ta vẩn phải nhập khẩu các bộ điều khiển công nghiệp để
đáp ứng nhu cầu trong nước.

Sơ lược về mơ hình ball and beam thực hiện:

Hình 1.2: Sơ đồ khối tổng quát giao tiếp giữa máy tính và hệ thống
ball and beam
Trong đề tài này học viên nghiên cứu và làm việc với mơ hình ball and beam dạng
trục lệch của 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….
Mơ 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 mơ hình, động cơ DC servo được nối với đĩa quay.

Trang 3


Luận Văn Cao Học
HVTH: Bốc Minh Hùng

GVHD: PGS.TS.DƯƠNG HỒI NGHĨA

Hình1.3: Phần cơ khí của hệ thống ball and beam


Hình 1.4: Động cơ DC servo dùng trong mơ hình ball and beam.

1.2 Các cơng trình nghiên cứu liên quan:
1.2.1. SRV02 Ball and Beam:

Hình 1.5: SRV02 Ball and Beam module dùng card PCI_ Dạng mơ hình hệ ball
and beam dạng trục lệch thiết kế bởi Quanser (Quanser 2006)
Điều khiển bằng giải thuật PID :

Trang 4


Luận Văn Cao Học
HVTH: Bốc Minh Hùng

GVHD: PGS.TS.DƯƠNG HOÀI NGHĨA

Ưu điểm:
• Độ chính xác cao, cân bằng ổn định.
• Khơng bị tác động nhiễu bởi mơi trường bên ngồi đặc biệt là ánh sang vì
khơng dùng cảm biến quang.
• Sử dụng card PCI để giao tiếp nên tu7ng đối dễ dàng cho người lập trình.
Khuyết điểm:
• Do sử dụng giải thuật PID nên việc tìm ra các hệ số Kp, Ki,Kd là vơ cùng khó
khăn và mất nhiều thời gian.
• Sử dụng card PCI nên chỉ sử dụng được với máy tính khơng thể hoạt động độc
lập.
• Giá thành cao, khơng kinh tế.

1.2.2. Ball and Beam sử dụng MC9S12C32 microcontroler


Hình 1.6: Hệ ball and beam sử dụng giải thuật PID dựa trên vi điều khiển

MC9S12C32
Trang 5


Luận Văn Cao Học
HVTH: Bốc Minh Hùng

GVHD: PGS.TS.DƯƠNG HOÀI NGHĨA

Điều khiển dựa trên PID được nhúng trên vi điều khiển MC9S12C32
Ưu điểm:
• Giải thuật đơn giản dễ thực hiện
• Hệ thống với dàn cơ khí khá đơn giàn khơng q đắt tiền nhưng vẫn đáp ứng
tốt yêu cầu cân bằng quả bóng.
• Kinh nghiệm tốt là thế mạnh rất lớn của mơ hình điều khiển dạng này.
Khuyết điểm:
• chất lượng bộ điều khiển phụ thuộc rất nhiều bộ kinh nghiệm Kp,Ki,Kd
• Dễ bị nhiễu bởi ánh sang táo động từ bên ngồi do dùng cảm biến quang.

1.2.3. Mơ hình ball and beam sử dụng giải thuật mờ.

Hình 1.7: Hệ ball and beam sử dụng giải thuật Fuzzy logic

Trang 6


Luận Văn Cao Học

HVTH: Bốc Minh Hùng

GVHD: PGS.TS.DƯƠNG HỒI NGHĨA

Hình 1.8: Bảng thông số dùng giải thuật mờ
Điều khiển dựa trên fuzzy logic .
Ưu điểm: do điều khiển bằng fuzzy logic nên tốc độ đáp ứng rất nhanh và chính xác,
cộng với bộ kinh nghiệm tốt là thế mạnh rất lớn của mơ hình điều khiển dạng này.
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 rất đắt.

Trang 7