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

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

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

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 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

3.Nội dung của luận văn
Với nội dung luận văn bao gồm các chƣơng:
Chương 1: Xây dựng mô 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 bằng máy tính. Sử dụng card giao tiếp vào ra
NI 6008. Với cấu trúc này ta có thể:
- Dễ dàng cài đặt các thuật toán điều khiển phức tạp.
- Thực hiện các thuật toán trên Mallab/Simulink trực quan và dễ dàng.
- Dễ dàng thay đổi các tham số và hiệu chỉnh.
- Dễ dàng hiển thị các đƣờng đặc tính trên màng hình máy tính.
Hệ thống thực nghiệm chạy ổn định, thay đổi thuật toán điều khiển một
cách dễ dàng, hệ thống thực đã chứng minh đƣợc thuật toán điều khiển.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/

3
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

Hình 1-1 Mô hình Ball and Beam dạng 1
Trên mô hình ở hình 1.1, α là góc nghiêng của thanh beam đƣợc tạo ra
làm quả bóng chuyển động “Gear” là cơ cấu bánh răng truyền động, là một
đĩa tròn. Trục động cơ gắn vào tâm của đĩa.“Lever Arm” là cơ cấu tay nâng
thanh beam, gắn trực tiếp trên đĩa tròn, cách trục động cơ khoảng “d”.
Ƣu điểm của mô hình này là động cơ có mô men nhỏ hơn để điều khiển vì
có sử dụng đòn bẩy. Nhƣợc điểm của dạng này là khó trong thuật toán điều khiển.
Dạng 2:

Hình 1-2 Mô hình Ball and Beam dạng 2
Bóng (Ball)
Tay đòn ( Beam)
Tay nâng ( Lever Arm)
Đĩa tròn (Gear)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/

5
Dạng này thanh đƣợc đỡ ở trung tâm. Trục quay đƣợc gắn cố định trên
thanh và quay đƣợc trên giá đỡ.
Ƣu điểm của dạng này là dễ xây dựng mô hình và thuật toán điều khiển
đơn giản. Nhƣợc điểm của mô hình này là phải sử dụng động cơ có mô men
lớn để điều khiển góc quay của thanh.
Nguyên lý hoạt động chung:
Bóng di chuyển đƣợc trên thanh nhờ tác dụng của trọng lực khi thanh
bị nghiêng so với phƣơng nằm ngang. Cảm biến xác định vị trí của Bóng và
đƣa ra tín hiệu điều khiển động cơ thay đổi góc nghiêng của thanh để cho
Bóng di chuyển đến vị trí mong muốn.
1.1.2 Một số hệ thống B&B trong thực tế
a, Mô hình B&B của trƣờng đại học kỹ thuật Hong kong.
Năm 2006, mô hình „ball and beam‟ thuộc đề tài luận văn của sinh viên

bóng là dùng hai cảm biến siêu âm họ SRF05.
Ƣu điểm của hệ thống: Thiết kế cơ khí đơn giản hơn, giảm bớt tải
trên trục động cơ. Động cơ có thể đáp ứng nhanh. Xác định vị trí của quả
bóng chính xác hơn do dùng cảm biến siêu âm có chùm tia hẹp, và khả công
suất thu phát xa.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/

7
Nhƣợc điểm của hệ thống: Khi động cơ quay nhanh và đảo chiều liên
tục, làm rung hệ thống, dễ ảnh hƣởng tới góc quay của cảm biến góc
(encoder) và giá thành cao.
Hiện nay cặp cảm biến siêu âm SRF khoảng cách nhỏ hơn 3m có giá
60 USD. Và giá bán của mô hình „ball and beam‟ này là 300 USD.

Hình 1-4 Mô hình Ball and Beam tại công ty Megachem.
c, Mô hình B&B của trƣờng đại học Phía Bắc Florida
Tháng 7/ 2007 Đề tài luận văn của hai sinh viên Ms Ming Gao và Mr
Sani- Hasim đã đƣợc thực hiện trên mô hình B&B nhƣ hình 1.5 của trƣờng
đại học phía bắc Florida.

Hình 1-5 Mô hình Ball and Beam ĐH Bắc Florida
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/

8
Trong hệ thống „ball and beam‟ này. Động cơ gắn dƣới đế, truyền động
gián tiếp qua tay nâng. Thanh „beam‟ chuyển động quay quanh trục giữa.
Phƣơng pháp xác định vị trí quả bóng dùng cảm biến siêu âm. Nhƣng
hai cảm biến siêu âm này không phải là do một cặp thu và phát, cả hai cảm
biến đều là loại phát, hoạt động độc lập với nhau.
Ƣu điểm của phƣơng pháp này: Tính toán vị trí quả bóng chính xác,

Độ dài của thanh“beam”phải giới hạn trong phạm vi chụp của camera.
Màu sắc của quả bóng phải là màu trắng hơn rất nhiều so với màu của
máng và màu nền trong mô hình.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/

10
Tốc độ xử lý ảnh để lấy vị trí chậm hơn so với các phƣơng pháp dùng
cảm biến.
1.1.3 Mô hình hệ thống B&B tại phòng thí nghiệm bộ môn đo lƣờng
điều khiển – khoa Điện tử

Hình 1-8 Hình ảnh bộ thí nghiệm
Là mô hình SEVOR CONTROL TRAINING SÝTEM MODEL SRV2
của hãng Labvolt chế tạo năm 2000 .Đây là bộ thí nghiệm điều khiển động cơ
servo của hãng Lab_ Volt nhƣng thông tin về sản phẩm, phần mềm điều khiển
cũng nhƣ máy tính chuyên dụng đều không còn . Mặt khác các linh kiện đã
lâu năm nên một số đã không còn chính xác nữa. Đây cũng là một khó khăn
trong việc nghiên cứu mô hình thí nghiệm này.
Bộ thí nghiệm 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 nghiêng 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 phần trên là mạch
động lực còn phần dƣới là mạch điều khiển (dung các IC khuếch đại thuật
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/

11
toán) và khối nguồn (Power). Ngoài ra còn có các lỗ cắm vào ra số để phục vụ
cho việc điều khiển bằng máy tính.


FROM
D/A
J1-3

5VOLTS

D/A
R
5
R
8

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/

12
* Khối POWER AMPLIFIER
Khối này có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu ra khối LEVEL
CONVERTER để đặt vào động cơ.

Hình 1-11 Khối POWER AMPLIFIER
* Khối BALL POISTION
Khối này đƣa về tín hiệu phản hồi xác định vị trí của viên bi trên thanh,
dạng tín hiệu là điện áp từ -5 +5(V) đƣa về đầu vào AI3 của Card NI USB
6008

Hình 1-12 Khối BALL POISTION
* Khối SHAFT ANGLE
Khối này đƣa tín hiều phản hồi xác định góc quay của cơ cấu nâng hạ
cánh tay đòn, dạng tín hiệu là điện áp (-5 +5(V)) về đầu vào AI7 của Card

1.1.4 Sơ đồ kết nối giữa máy tính và mô hình hệ thống B&B.
* Sơ đồ cấu trúc hệ thống:

Hình 1-14 Sơ đồ cấu trúc điều khiển hệ thống B&B.
_
+
+VCC

ANTI-ALIASING FILTER

-VCC

BALL BEAM MOTOR

ANGL

Card
NI USB
6008
AO0
AI3
AI7
Máy tính
PC
Mạch công
suất
Động cơ
Ball and
Beam
Sensor

3
R
2
R
4
_
+
AO0

GND

GND

+VCC

FROM
D/A
J1-3

Máy
tính

GND

NI USB - 6008

R
11
R
10

Đọc 8 kênh analog vào card ( độ phân giải 14-bit, 48 kS/s) Xuất 2 analog
(12-bit, 150 S/s); 12 kênh xuất/nhập tín hiệu số (digital I/O); Bộ đếm 32-bit
Kết nối với USB của máy tính để bàn (destop) hoặc máy sách tay. Sử dụng
phần mềm LabVIEW, LabWindows/CVI, và Measurement Studio cho Visual
Studio .NET Tƣơng thích với NI-DAQmx driver software và NI LabVIEW
SignalExpress software.

Tóm tắt thông số kỹ thuật:
Thông số chung

Chuẩn kết nối
USB
Hỗ trợ hệ điều hành
Windows, Linux, Mac OS, Pocket PC
Kiểu đo
Điện áp, xung
Họ DAQ
B Series
Đọc tín hiệu Analog

Số kênh
8 SE/4 DI
Tốc độ lấy mẫu
48 kS/s
Độ phân giải
14 bits
Trích mẫu đồng thời
Không
Ngƣỡng điện áp giới hạn lớn nhất
-10 tới 10 V

(Kênh/Tổng)
5 mA/10 mA
Các chân xuất/nhập tín hiệu số

Số kênh
12 DIO
Timing
Software
Logic Levels
TTL
Ngƣỡng điện áp giới vào hạn lớn nhất
0 5 V
Ngƣỡng điện áp ra giới hạn lớn nhất
0 5 V
Dòng điện vào
Sinking, Sourcing
Bộ lọc vào lập trình đƣợc
No
Output Current Flow
Sinking, Sourcing
Dòng điện (Kênh/Tổng)
8.5 mA/102 mA
Bộ đếm và bộ hẹn (định) giờ

Số bộ đếm/hẹn giờ
1
Độ phân giải
32 bits
Tần số nguồn lớn nhất
5 MHz