Tài liệu XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN NHÚNG TUYẾN TÍNH HOÁ VÀO RA CHO HỆ XE CON LẮC NGƯỢC

See discussions, stats, and author profiles for this publication at: https://www.researchgate.net/publication/311559105 Input-output linearization for Cart and Pole system Thesis · April 2011 DOI: 10.13140/RG.2.2.27132.33924 CITATIONS READS 0 85 1 author: Hai Van Dong Nguyen University of Technical Education Ho Chi Minh 24 PUBLICATIONS 2 CITATIONS SEE PROFILE Some of the authors of this publication are also working on these related projects: Hybrid Control Strategies for Jumping Robots View project Building a humanoid robot (INMOOV type) for Ho Chi Minh city Unversity of Technology and Education View project All content following this page was uploaded by Hai Van Dong Nguyen on 10 December 2016. The user has requested enhancement of the downloaded file. ð I H C QU C GIA TP.HCM TRƯ NG ð I H C BÁCH KHOA _____o0o_____ LU N ÁN TH C S NGUY N VĂN ðÔNG H I ð TÀI XÂY D NG B ðI U KHI N NHÚNG TUY N TÍNH HOÁ VÀO RA CHO H XE CON L C NGƯ C CHUYÊN NGÀNH: T ð NG HÓA MSHV:09150035 Tp. H Chí Minh, ngày 25 tháng 06 năm 2011 Lu n Văn Th c S H c Viên: Nguy n Văn ðông H i GVHD : PGS.TS Dương Hoài Nghĩa LU N VĂN ðƯ C HOÀN THÀNH T I TRƯ NG ð I H C BÁCH KHOA ð I H C QU C GIA TP.H CHÍ MINH Cán b hư ng d n :…………………………………………………………. (ghi rõ h tên, h c hàm, h c v và ch ký) Cán b ch m nh n xét 1:……………………………………………………. (ghi rõ h tên, h c hàm, h c v và ch ký) Cán b ch m nh n xét 2:……………………………………………………. (ghi rõ h tên, h c hàm, h c v và ch ký) Lu n văn Th c S ñư c b o v t i H I ð NG CH M B O V LU N VĂN TH C S TRƯ NG ð I H C BÁCH KHOA, ngày ….tháng 7 năm 2011. -02- Lu n Văn Th c S H c Viên: Nguy n Văn ðông H i GVHD : PGS.TS Dương Hoài Nghĩa ð I H C QU C GIA TP. HCM C NG HOÀ XÃ H I CH NGHIÃ VI T NAM TRƯ NG ð I H C BÁCH KHOA ð c L p - T Do - H nh Phúc ---------------- ---oOo--Tp. HCM, ngày . . . . . tháng . . . . . năm 2011 NHI M V LU N VĂN TH C SĨ H và tên h c viên: NGUY N VĂN ðÔNG H I Ngày, tháng, năm sinh : 01-01-1986 Chuyên ngành : ðI U KHI N T Khoá (Năm trúng tuy n) : Gi i tính : Nam 2009 Nơi sinh : SÓC TRĂNG ð NG 1- TÊN ð TÀI: XÂY D NG B ðI U KHI N NHÚNG TUY N TÍNH HOÁ VÀO RA H XE CON L C NGƯ C 2- NHI M V LU N VĂN: • Xây d ng ph n cơ khí và ñi n t mô hình xe con l c ngư c. • Xây d ng b ñi u khi n th i gian th c trên DSP ñ d ng ngư c và gi cân b ng con l c. 3- NGÀY GIAO NHI M V : ........................................................................................... 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHI M V : .......................................................................... 5- H VÀ TÊN CÁN B HƯ NG D N (Ghi ñ y ñ h c hàm, h c v ): ........................ ............................................................................................................................................. N i dung và ñ cương Lu n văn Th c Sĩ ñã ñư c H i ð ng Chuyên Ngành thông qua. CÁN B HƯ NG D N (H tên và ch ký) CH NHI M B MÔN QU N LÝ CHUYÊN NGÀNH (H tên và ch ký) -03- Lu n Văn Th c S H c Viên: Nguy n Văn ðông H i GVHD : PGS.TS Dương Hoài Nghĩa L i c m ơn. Trư c tiên, tôi xin chân thành c m ơn Th y Dương Hoài Nghĩa, ngư i ñã t n tình hư ng d n và truy n ñ t ki n th c giúp tôi hoàn thành lu n án này. Và quan tr ng hơn h t, th y là ngư i ñã g i m cho tác gi m t hư ng nghiên c u mà tôi c m th y quan tâm và mong mu n theo ñu i. Bên c nh ñó tôi xin chân thành c m ơn ñ n quý th y cô trong b môn ði u Khi n T ð ng: th y Huỳnh Thái Hoàng, th y Nguy n ð c Thành, th y Nguy n Vĩnh H o, th y Nguy n Thi n Thành ….ñã ñ nh hư ng và h tr m t s ph n quan tr ng cho vi c h c t p, nghiên c u và phát tri n ñ tài. Tôi cũng xin chân thành c m ơn th y Phan Vinh Hi u ñã ch d n, h tr tôi r t nhi u v ki n th c, kinh nghi m. Ngoài ra, b n Qu c Hùng, anh ðăng Nguyên, b n Minh Hùng, b n Huỳnh B o và các b n cao h c khóa 2009 ñã ñ ng viên giúp ñ tôi trong su t khóa h c. Cu i cùng, tôi xin chân thành c m ơn s quan tâm, h tr , t o ñi u ki n và ñ ng viên v v t ch t l n tinh th n c a các thành viên trong gia ñình, ñ c bi t là m tôi trong su t th i gian qua. Tp.HCM, ngày….tháng 7 năm 2011 Tác gi NGUY N VĂN ðÔNG H I -04- Lu n Văn Th c S H c Viên: Nguy n Văn ðông H i GVHD : PGS.TS Dương Hoài Nghĩa NH N XÉT C A CÁN B HƯ NG D N Cán b hư ng d n : PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA H và tên h c viên : NGUY N VĂN ðÔNG H I Tên ñ tài Nh n xét Khóa : 2009 : XÂY D NG B ðI U KHI N NHÚNG TUY N TÍNH HOÁ VÀO RA CHO H XE CON L C NGƯ C :...................................................................................... ........................................................................................................................ ........................................................................................................................ ........................................................................................................................ ........................................................................................................................ ........................................................................................................................ ........................................................................................................................ ........................................................................................................................ ........................................................................................................................ ........................................................................................................................ ........................................................................................................................ ........................................................................................................................ ........................................................................................................................ ðánh giá : Tp.HCM, ngày tháng năm Cán b hư ng d n (Ký tên, ghi rõ h tên) -05- Lu n Văn Th c S H c Viên: Nguy n Văn ðông H i GVHD : PGS.TS Dương Hoài Nghĩa NH N XÉT C A CÁN B Cán b ph n bi n 1 PH N BI N 1 : H và tên h c viên : NGUY N VĂN ðÔNG H I Tên ñ tài Nh n xét Khóa : 2009 : XÂY D NG B ðI U KHI N NHÚNG TUY N TÍNH HOÁ VÀO RA CHO H XE CON L C NGƯ C :................................................................................ ..................................................................................................................... ..................................................................................................................... ..................................................................................................................... ..................................................................................................................... ..................................................................................................................... ..................................................................................................................... ..................................................................................................................... ..................................................................................................................... ..................................................................................................................... ..................................................................................................................... ..................................................................................................................... ðánh giá : Tp.HCM, ngày tháng 7 năm 2011 Cán b ph n bi n 1 (Ký tên, ghi rõ h tên) -06- Lu n Văn Th c S H c Viên: Nguy n Văn ðông H i GVHD : PGS.TS Dương Hoài Nghĩa NH N XÉT C A CÁN B PH N BI N 2 Cán b ph n bi n 2 : H và tên h c viên : NGUY N VĂN ðÔNG H I Tên ñ tài Nh n xét Khóa : 2009 : XÂY D NG B ðI U KHI N NHÚNG TUY N TÍNH HOÁ VÀO RA CHO H XE CON L C NGƯ C :................................................................................. ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ðánh giá : Tp.HCM, ngày tháng 7 năm 2011 Cán b ph n bi n 2 (Ký tên, ghi rõ h tên) -07- Lu n Văn Th c S H c Viên: Nguy n Văn ðông H i GVHD : PGS.TS Dương Hoài Nghĩa M cl c trang ð m c CHƯƠNG I: T ng quan…………………………………………………………..11 1.1. 1.2. 1.2.1. 1.2.2. ð t v n ñ ……………………………………...………………11 T ng quan………….………………………………...…………11 Xây d ng mô hình - thu t toán ñi u khi n……………..……….11 Tóm t t n i dung các chương…………………………….……13 CHƯƠNG II: Nhi m v lu n văn…………………………………………………15 CHƯƠNG III: Gi i thi u mô hình………………………………………………16 3.1. Ph n cơ khí…………………………………………………………………16 3.2. Ph n m ch ñi n……………………………………………………………18 3.2.1. Ph n ñi u khi n……………………………………………………..18 3.2.2. Ph n công su t………………………………………………………19 3.3. Ph n chương trình…………………………………………………………...19 CHƯƠNG IV: Mô hình hoá và ư c lư ng tham s ………………………………20 4.1. Mô hình hoá h th ng con l c ngư c……………………………………...20 4.2. Mô hình toán h c c a h th ng con l c ngư c…………………………….26 4.3. Ư c lư ng các thông s còn thi u c a h th ng…..……………………….27 CHƯƠNG V: Thi t k b ñi u khi n……………………………………………..31 5.1. Gi i thi u…………………………………………………………………..31 5.2. ði u khi n cân b ng……………………………………………………….33 5.2.1. Tuy n tính hoá vào – ra h phi tuy n…………………………….33 -08- Lu n Văn Th c S H c Viên: Nguy n Văn ðông H i GVHD : PGS.TS Dương Hoài Nghĩa 5.2.1.1. Lý thuy t t ng quát………………………………………….33 5.2.1.2. ng d ng cho mô hình xe con l c ngư c …………………..34 5.2.2. Thi t k b ñi u khi n LQR….…………………………………….38 5.2.3. ði u khi n LQR r i r c…………………………………………….39 5.2.4. Tinh ñi u khi n ñư c……………………………………………….40 5.3. ði u khi n Swing-up…………………………………………………………41 CHƯƠNG VI: Mô ph ng ho t ñ ng ñi u khi n……………….………………...43 6.1. Xây d ng chương trình mô ph ng b ñi u khi n trên Simulink………….43 6.2. ði u khi n xe v v trí 0…………………………………………………..45 6.2.1. Khi thay ñ i thông s tuy n tính hoá………………………………..45 6.2.1.1. Khi bienso1=2; bienso2=1…………………………………...46 6.2.1.2. Khi bienso1=3; bienso2=1(chu n)…………………………..48 6.2.1.3. Khi bienso1=5; bienso2=1…………………………………..51 6.2.1.4. Nh n xét……………………………………………………..53 6.2.2. Khi thay ñ i thông s ñi u khi n…………………………………..53 6.2.2.1. Khi R=0.1(chu n)…..………………………………………..54 6.2.2.2. Khi R=100…………………………………………………..56 6.2.2.3. Khi R=0.001………………………………………………..59 6.2.2.4. Nh n xét…………………………………………………….61 CHƯƠNG VII: ðáp ng th c t khi ñi u khi n…………………………………..62 7.1. Xây d ng chương trình ñi u khi n trên Simulink…………………….......62 7.2. ðáp ng ngõ ra th c t …………………………………………………….65 7.2.1. V i thông s chu n………………………………………………...65 7.2.2. Khi thay ñ i thông s tuy n tính hoá………………………………67 7.2.2.1. Khi tăng bienso1…………………………………………….67 7.2.2.2. Khi gi m bienso1……………………………………………70 7.2.3. Khi thay ñ i thông s ñi u khi n………………………………......72 -09- Lu n Văn Th c S H c Viên: Nguy n Văn ðông H i GVHD : PGS.TS Dương Hoài Nghĩa 7.2.3.1. 7.2.3.2. 7.3 Khi tăng R…………………………………………………...72 Khi gi m R…………………………………………………..75 Nh n xét…………………………………………………………………....78 CHƯƠNG VIII: T ng k t…………………………………………………………79 Tài li u tham kh o………………………………………………………………...81 -010- Lu n Văn Th c S H c Viên: Nguy n Văn ðông H i CHƯƠNG I: GVHD : PGS.TS Dương Hoài Nghĩa T NG QUAN 1.1 ð t v n ñ ði u khi n LQR có ưu ñi m là ñơn gi n, d th c hi n và làm cho h th ng nhanh chóng v v trí cân b ng r t t t . Tuy nhiên, h th ng còn t n t i m t khuy t ñi m là ch cân b ng t t khi lân c n ñi m làm vi c. H c viên khi th c hi n ñ tài này có mong mu n s m r ng ñư c kho ng làm vi c c a h th ng. Vi c này s h n ch khuy t ñi m khi s d ng ñi u khi n b ng LQR. H c viên ch n vi c xây d ng h th ng nhúng dùng vì mong mu n s ng d ng h th ng nhúng cho các h th ng khác, góp ph n ñưa các gi i thu t ñi u khi n ra ng d ng th c t . ðó chính là m c ñích c a lu n văn cao h c “Thi t k b ñi u khi n nhúng tuy n tính hoá vào ra cho h xe con l c ngư c” 1.2 T ng quan: 1.2.1 Xây d ng mô hình – Thu t toán ñi u khi n: Con l c ngư c là m t ñ i tư ng ñ i di n cho m t l p các ñ i tư ng có ñ phi tuy n cao và không n ñ nh. Hình 1.1: M t s mô hình h con l c ngư c ñư c s d ng trư c ñây -011- Lu n Văn Th c S H c Viên: Nguy n Văn ðông H i GVHD : PGS.TS Dương Hoài Nghĩa H xe con l c ngư c ñư c s d ng nhi u trong các phòng thí nghi m ñ cho h c viên cao h c và sinh viên nghiên c u các gi i thu t ñi u khi n. H xe con l c ngư c 1 b c bao g m 3 ph n chính: - Ph n cơ khí: g m 1 que kim lo i (con l c) quay quanh 1 tr c th ng ñ ng. Que kim lo i ñư c g n gián ti p vào m t xe thông qua m t encoder ñ ño góc. Trên chi c xe có 1 encoder ñ ño góc, xác ñ nh ñư c v trí chi c xe. Do trong quá trình v n hành chi c xe s ch y t i lui v i t c ñ cao ñ l y m u nên ph n cơ khí c n ph i ñư c tính toán thi t k chính xác, ch c ch n nh m tránh rung gây nhi u và hư h ng trong quá trình v n hành. - ði n t : g m 3 ph n nh là: c m bi n ño v trí xe và góc con l c, m ch khu ch ñ i công su t và m ch ñi u khi n. Nhi u lo i c m bi n ñư c s d ng ñ ño góc, trong ñ tài này tác gi s d ng B mã hóa vòng quay (Rotary Encorder) có ñ phân gi i cao. Tín hi u t B mã hóa vòng quay s ñư c khuy ch ñ i, l c nhi u r i k t n i vào module ngoai vi eQEP (Enhanced Quadrature Encorder Pulse) c a DSP. Tùy thu c vào tín hi u t các B mã hóa vòng quay (Rotary Encorder) mà DSP ñư c l p trình ñ xu t tín hi u ngõ ra ñi u khi n ñ ng cơ DC Servo qua m t m ch khu ch ñ i công su t. - Chương trình: Chương trình ñi u khi n con l c tác gi không vi t tr c ti p trên Code Composer Studio mà k t h p v i Matlab2009a thông qua thư vi n Target Support Package TC2 ñ t n d ng các hàm tính toán m nh có s n trong Matlab. Ưu ñi m c a cách vi t này là ñơn gi n, ti t ki m th i gian và như c ñi m là chương trình s n ng và không t i ưu. M c tiêu c a ñ tài là bi n ñ i h th ng t Tuy nhiên vi c làm này không ph i th c hi b ng. H c viên s ñ t bi n ngõ ra ñ h th nh ng ñ c trưng phi tuy n. Lu t ñi u khi n d u ch m ñ ng TMS320F28335. -012- d ng phi tuy n sang d ng tuy n tính. n vi c tuy n tính hoá quanh ñi m cân ng có d ng tuy n tính nhưng v n gi s ñư c xây d ng trên n n DSP x lý Lu n Văn Th c S H c Viên: Nguy n Văn ðông H i GVHD : PGS.TS Dương Hoài Nghĩa Hình 1.2: Sơ ñ kh i h th ng xe con l c ngư c ñư c th c hi n lu n văn 1.2.2 Tóm t t n i dung các chương: Nhi m v c a Chương 2 là trình bày các công vi c c n th c hi n ñ hoàn t t ñ tài. M c tiêu c a Chương 3 là trình bày cách thành l p mô hình toán và gi i thi u phương pháp bình phương c ti u ñ ư c lư ng các tham s c a mô hình con l c. Chương 4, thu t toán L t ngư c và Gi cân b ng con l c d a trên phương pháp tích lũy năng lư ng và ñ t c c cũng như LQR s ñư c tác gi trình bày chi ti t. Các chương s ñư c trình bày theo th t sau: CHƯƠNG I: T ng quát - ð t v n ñ ch n ñ tài, gi i thi u t ng quan ñ tài, các nghiên c u liên quan. CHƯƠNG II: Nhi m v lu n văn - Nêu các công vi c ph i th c hi n CHƯƠNG III: Gi i thi u mô hình - Trình bày ph n cơ khí, ñi n, chương trình mà h c viên th c hi n. CHƯƠNG IV: Mô hình hoá và ư c lư ng tham s - Phân tích mô hình toán h c c a h th ng - Xác ñ nh các thông s có ñư c(t ño ñ c và nhà s n xu t) và phân tích cách tìm thông s còn thi u. -013- Lu n Văn Th c S H c Viên: Nguy n Văn ðông H i GVHD : PGS.TS Dương Hoài Nghĩa CHƯƠNG V: Nêu ra cách thi t k b ñi u khi n: - ði u khi n cân b ng: trình bày kĩ hơn v lý thuy t tuy n hoá h th ng, cách thành l p b ñi u khi n. - ði u khi n Swing_up CHƯƠNG VI: Mô ph ng ho t ñ ng b ñi u khi n - Phân tích ñáp ng ngõ ra khi các thông s x p x tuy n tính hoá thay ñ i (bienso1, bienso2) - Phân tích ñáp ng ngõ ra khi các thông s ñi u khi n thay ñ i (ma tr n Q, R) - Nh n xét k t lu n. CHƯƠNG VII: ðáp ng th c t c a b ñi u khi n - Phân tích ñáp ng ngõ ra khi các thông s x p x tuy n tính hoá thay ñ i (bienso1, bienso2) - Phân tích ñáp ng ngõ ra khi các thông s ñi u khi n thay ñ i (ma tr n Q, R) - Nh n xét k t lu n CHƯƠNG VIII: T ng k t -014- Lu n Văn Th c S H c Viên: Nguy n Văn ðông H i CHƯƠNG II: GVHD : PGS.TS Dương Hoài Nghĩa NHI M V LU N VĂN Nhi m v h c viên khi th c hi n lu n văn này: • Thi t k -thi công m i toàn b h th ng xe con l c ngư c. • Nghiên c u chip DSP TMS320F28335. • Thi t k gi i thu t ñi u khi n thông qua vi c tuy n tính hoá vào ra, ti n hành mô ph ng và áp d ng lên h th c. • Ti n hành ch y th và phân tích ñáp ng c a h th ng. • Nêu nh ng nh n xét rút ra ñư c khi s d ng tuy n tính hoá vào ra. \ -015- Lu n Văn Th c S H c Viên: Nguy n Văn ðông H i GVHD : PGS.TS Dương Hoài Nghĩa CHƯƠNG III: GI I THI U MÔ HÌNH PH N C NG 3.1. Ph n cơ khí: H xe con l c ngư c ñư c tác gi xây d ng g m: • 1 thanh ngang dài 0.8m có d ng ray ăn kh p v i ray trên bánh xe ñ tránh xe b trư t khi di chuy n. • Thanh ray ñư c bu c ch t v i ñ b ng dây rút (ñ ñ m b o c ñ nh t t nhưng v n có th tháo l p mô hình). • Con l c là m t thanh nhôm ñ ng ch t dài 36cm g n vuông góc v i tr c encoder ño góc. • c c ñ nh ñư c g n phía dư i xe ñ tránh xe b rung khi ñ o chi u ñi u khi n liên t c( N u ñ xe rung nhi u thì bánh xe s trư t trên ray ño không chính xác). • ð b ng s t n ng ñ tránh rung cho mô hình. • Encoder dùng cho con l c là encoder 1000 xung/vòng (trên encoder không có tên hãng hay thông tin gì nên h c viên s d ng phép ño th c t ñ xác ñ nh s xung/vòng c a encoder) • ð ng cơ dùng ñ ñi u khi n xe là ñ ng cơ DC SERVO MOTOR c a Tamagawa (lo i 30W). T ñó, ta có th tham kh o ñư c các ttham s c a ñ ng cơ thông qua trang web nhà s n xu t. • ð ng cơ Tamagawa có g n encoder ñ ng tr c ñ ng cơ. Tuy nhiên, encoder ñi kèm v i ñ ng cơ b hư. Do ñó, h c viên ñã g n 1 encoder khác thay th , có thông s là 600 xung/vòng (ño ñư c thông s trên nh ño th c t ). -016- Lu n Văn Th c S H c Viên: Nguy n Văn ðông H i GVHD : PGS.TS Dương Hoài Nghĩa Hình 3.1:Mô hình cơ khí khi nhìn t phía trư c Hình 3.2: Mô hình xe khi nhìn t trên xu ng -017- Lu n Văn Th c S H c Viên: Nguy n Văn ðông H i GVHD : PGS.TS Dương Hoài Nghĩa 3.2. Ph n m ch ñi n: 3.2.1. Ph n ñi u khi n: Board DSP ñư c s d ng là board TMDSDOCK320F28335 c a Texas Instrument. Có c ng k t n i (ñ ng th i c p ngu n n u c n thi t) v i máy tính thông qua c ng USB. Tuy nhiên, khi c p ngu n b ng ngu n c a chính máy tính thì s k t n i th c t là không n ñ nh. Do ñó, h c viên l y ngu n 5V ngoài ñ nuôi board DSP (c ng k t n i Hình 3.3: Board TMDSDOCK320F28335 ñư c s d ng -018- lu n văn Lu n Văn Th c S H c Viên: Nguy n Văn ðông H i GVHD : PGS.TS Dương Hoài Nghĩa 3.2.2. Ph n công su t: Hình 3.4: Board công su t và thu d li u t DSP 3.3. Ph n chương trình: Tác gi l p trình b ng kh i Simulink trong Matlab. Sau ñó, liên k t v i CCS ñ chuy n sang file C tương ng. T file C s compile ñ cho ra file .out ñ n p cho DSP. Vi c n p này th c hi n trên RAM c a DSP nên khi ng t ngu n nuôi thì chương trình s không ñư c lưu gi . L p trình DSP thông qua Matlab s giúp vi c th c hi n chương trình r t d dàng. ð ng th i chương trình vi t ra cũng thân thi n, d hi u. Ngư i ñ c, ki m tra s d dàng k th a và phát tri n. Lo i jtag ñi kèm v i board là jtag 100USB emulator. -019-