BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM
--------- oOo --------

VÕ VĂN CHÂU
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN
MỜ - TRƯỢT – PD ỔN ĐỊNH VỊ TRÍ
BI SẮT TRÊN THANH CÂN BẰNG
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
MÃ SỐ: 60 52 60

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS. VÕ CÔNG PHƯƠNG

TP. HCM 11- 2014
LUẬN VĂN ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH


Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS VÕ CÔNG PHƯƠNG

Cán bộ chấm nhận xét 1 : PGS.TS HUỲNH THÁI HOÀNG

Cán bộ chấm nhận xét 2 : PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Giao thông vận tải Thành phố Hồ Chí



i

LỜI CẢM ƠN
Cảm ơn chân thành đến quý thầy cô trong bộ môn Điều Khiển Tự Động luôn
nhiệt tình truyền đạt kiến thức và tận tâm chỉ dẫn. Đặc biệt là thầy Võ Công
Phương, người hướng dẫn trực tiếp cho tôi và truyền lại những kinh nghiệm về cách
làm việc, phương pháp tiếp cận vấn đề và những mấu chốt của vấn đề, góp phần
quan trọng vào sự hoàn thành của đề tài.
Cảm ơn rất nhiều đến các bạn học cùng khóa đã giúp tôi hiểu rõ hơn về những
gì mình đã học và cùng tôi vượt qua những khó khăn trong suốt khóa học.
Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn sự quan tâm, hỗ trợ, tạo điều kiện và
động viên về vật chất lẫn tinh thần của các thành viên trong gia đình trong suốt thời
gian qua.

Tp.HCM, ngày 10 tháng 11 năm 2014
Người thực hiện

Võ Văn Châu


ii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đề tài Thiết kế bộ điều khiển mờ-trượt-PD ổn định vị trí bi
sắt trên thanh cân bằng do giảng viên Tiến sĩ Võ Công Phương hướng dẫn là công
trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai

Luật điều khiển sẽ được xây dựng trên nền DSP TMS320F28335 thông qua
thư viện Target hỗ trợ C2000 cho phép người dùng phát mã C và tạo Project liên
kết với CCS 3.3 giúp cho việc lập trình trở nên linh hoạt hơn. Ưu điểm của nó là
kích thước nhỏ gọn, sử dụng linh hoạt và dễ dàng ứng dụng vào thực tế .
Trong quá trình điều khiển, cần thu thập dữ liệu điều khiển để quan sát đáp
ứng của hệ thống, chất lượng của bộ điều khiển và điều khiển hệ thống hoạt động,
các dữ liệu này được hiển thị trên màn hình dựa vào chương trình điều khiển xây
dựng riêng để điều khiển hệ thống.


iv

Mục lục
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ i
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................ii
TÓM TẮT LUẬN VĂN .......................................................................................... iii
Danh mục hình trong luận văn ............................................................................ viii
Danh mục các bảng số liệu ................................................................................... xiii
Các ký hiệu trong luận văn ................................................................................... xiv
Danh mục các chữ viết tắt ...................................................................................... xv
Chƣơng 1 TỔNG QUAN .......................................................................................... 1
1.1 Đặt vấn đề ........................................................................................................1
1.1.1 Giới thiệu hệ “bi sắt trên thanh cân bằng” ................................................1
1.1.2 Nguyên lý hoạt động ................................................................................1
1.2 Mục tiêu luận văn .............................................................................................2
1.3 Phạm vi nghiên cứu ..........................................................................................2
1.4 Phương pháp thực hiện.....................................................................................3
1.5 Các công trình nghiên cứu liên quan................................................................ 4
1.5.1 Các công trình trong nước .........................................................................4
1.5.2 Các công trình ngoài nước ........................................................................5

3.4.1 Mối quan hệ giữa các hệ số .....................................................................24
3.4.2 Phương pháp xác định

............................................................24

3.4.2.1 Phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất .............................................25
3.4.2.2 Phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai ..............................................26
3.5 Thiết kế các bộ điều khiển ..............................................................................27
3.5.1 Xây dựng và kiểm chứng mô hình trên phần mềm Matlab/Simulink ......27
3.5.1.1 Xây dựng mô hình toán học .............................................................. 27
3.5.1.2 Kiểm chứng kết quả mô hình toán học của hệ thống ........................28
3.5.2 Thiết kế bộ điều khiển trượt cho hệ “bi sắt trên thanh cân bằng”...........31
3.5.3 Thiết kế bộ điều khiển PD-trượt cho hệ “bi sắt trên thanh cân bằng” ....37
3.5.4 Thiết kế bộ điều khiển mờ-trượt cho hệ “bi sắt trên thanh cân bằng” .....40
3.5.5 Thiết kế bộ điều khiển mờ-trượt-PD cho
hệ “bi sắt trên thanh cân bằng” .........................................................................44
3.5.5.1 Thiết kế bộ điều khiển mờ-trượt-PD cho hệ “bi sắt trên thanh cân
bằng” với tác động của nhiễu đo lường ........................................................47


vi

3.6 So sánh các kết quả mô phỏng của hệ thống..................................................53
3.7 Kết luận ...........................................................................................................55
Chƣơng 4 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH BI SẮT TRÊN THANH
CÂN BẰNG.............................................................................................................. 56
4.1 Thiết kế phần cứng mô hình “bi sắt trên thanh cân bằng” .............................56
4.1.1 Lựa chọn thiết bị cho mô hình “bi sắt trên thanh cân bằng”...................58
4.1.1.1 Lựa chọn động cơ ..............................................................................58
4.1.1.2 Lựa chọn cảm biến góc quay thanh cân bằng ..................................58


viii

Danh mục hình trong luận văn
Hình 1.1: Hệ thống bi sắt trên thanh cân bằng trục lệch ............................................. 1
Hình 1.2: Hệ thống bi sắt trên thanh cân bằng trục giữa ............................................ 2
Hình 1.3: Sản phẩm của công ty Megachem .............................................................. 5
Hình 1.4: Sản phẩm của trường đại học kỹ thuật Hong Kong .................................... 5
Hình 1.5: Sản phẩm của trường đại học kỹ thuật Australia ........................................ 6
Hình 2.1: Mô hình hệ thống bi sắt trên thanh cân bằng .............................................. 8
Hình 2.2: Tín hiệu vào-ra của hệ thống ...................................................................... 8
Hình 2.3: Sơ đồ thay thế động cơ DC ....................................................................... 10
Hình 3.1: Hàm liên thuộc  B (x) của tập mờ B ........................................................ 16
Hình 3.2: Hàm liên thuộc có mức chuyển đổi tuyến tính ......................................... 17
Hình 3.3: Minh họa về miền xác định và miền tin cậy của một tập mờ ................... 18
Hình 3.4: Bộ điều khiển mờ cơ bản .......................................................................... 18
Hình 3.5: Giải mờ theo phương pháp cực đại ........................................................... 21
Hình 3.6: Giải mờ theo phương pháp trọng tâm ....................................................... 22
Hình 3.7: Sơ đồ khối một hệ hở ................................................................................ 25
Hình 3.8: Đáp ứng nấc của hệ hở .............................................................................. 25
Hình 3.9: Sơ đồ khối của một hệ kín có bộ PID ....................................................... 25
Hình 3.10: Sơ đồ khối của hệ kín có bộ tỉ lệ P.......................................................... 26
Hình 3.11: Đáp ứng của hệ kín ................................................................................. 26
Hình 3.12: Hệ thống bi sắt trên thanh cân bằng ........................................................ 27
Hình 3.13: Cấu trúc bên trong khối Beam and Ball system ...................................... 27
Hình 3.14: Sơ đồ mô phỏng hệ thống vòng hở ......................................................... 28
Hình 3.15: Đáp ứng vòng hở của hệ thống với các điều kiện đầu như giả thiết 1 .... 29
Hình 3.16: Đáp ứng vòng hở của hệ thống với các điều kiện đầu như giả thiết 2 .... 30
Hình 3.17: Sơ đồ mô phỏng hệ thống với bộ điều khiển trượt ................................. 33
Hình 3.18: Cấu trúc khối Sliding mode controller .................................................... 34

Hình 3.31: Đáp ứng vị trí của bộ điều khiển PD-trượt (tín hiệu đặt dạng xung) ...... 39
Hình 3.32: Đáp ứng góc

của bộ điều khiển PD-trượt (tín hiệu đặt dạng xung) .... 39

Hình 3.33: Tín hiệu điều khiển u của bộ điều khiển PD-trượt
(tín hiệu đặt dạng xung) ............................................................................................ 40
Hình 3.34: Mờ hóa đầu vào-ra .................................................................................. 40
Hình 3.35: Sơ đồ mô phỏng hệ với bộ điều khiển mờ-trượt ..................................... 41
Hình 3.36: Cấu trúc khối Fuzzy-Sliding Mode controller ......................................... 42
Hình 3.37: Đáp ứng vị trí của bộ điều khiển mờ-trượt (tín hiệu
Hình 3.38: Đáp ứng góc quay của bộ điều khiển mờ-trượt (tín hiệu

............ 42
..... 43

Hình 3.39: Tín hiệu điều khiển u của bộ điều khiển mờ-trượt
(tín hiệu

................................................................................................... 43

Hình 3.40: Đáp ứng vị trí của bộ điều khiển mờ-trượt (tín hiệu đặt dạng xung) ...... 43
Hình 3.41: Đáp ứng góc quay của bộ điều khiển mờ-trượt
(tín hiệu đặt dạng xung) ............................................................................................ 43
Hình 3.42: Tín hiệu điều khiển u của bộ điều khiển mờ-trượt
(tín hiệu đặt dạng xung) ............................................................................................ 44


x



Hình 3.52: Tín hiệu điều khiển u của bộ điều khiển mờ-trượt-PD có nhiễu đo lường
(tín hiệu

) ................................................................................................... 48

Hình 3.53: Đáp ứng vị trí của bộ điều khiển mờ-trượt-PD có nhiễu đo lường
(tín hiệu đặt dạng xung 1) ......................................................................................... 48
Hình 3.54: Đáp ứng góc quay của bộ điều khiển mờ-trượt-PD có nhiễu đo lường
(tín hiệu đặt dạng xung 1) ......................................................................................... 48
Hình 3.55: Tín hiệu điều khiển u của bộ điều khiển mờ-trượt-PD có nhiễu đo lường
(tín hiệu đặt dạng xung 1) ......................................................................................... 48
Hình 3.56: Đáp ứng vị trí của bộ điều khiển mờ-trượt-PD có nhiễu đo lường
(tín hiệu đặt dạng xung 2) ......................................................................................... 49
Hình 3.57: Đáp ứng góc quay của bộ điều khiển mờ-trượt-PD có nhiễu đo lường
(tín hiệu đặt dạng xung 2) ......................................................................................... 49


xi

Hình 3.58: Tín hiệu điều khiển u của bộ điều khiển mờ-trượt-PD có nhiễu đo lường
(tín hiệu đặt dạng xung 2) ......................................................................................... 49
Hình 3.59: Đáp ứng vị trí của bộ điều khiển mờ-trượt-PD có nhiễu đo lường
(tín hiệu

................................................................................................... 50

Hình 3.60: Đáp ứng góc quay của bộ điều khiển mờ-trượt-PD có nhiễu đo lường
(tín hiệu


xii

Hình 4.4: Encoder E6B2 – CWZ3E .......................................................................... 58
Hình 4.5: Nguyên lý hoạt động bộ đọc nhân 4 ......................................................... 59
Hình 4.6: Sơ đồ nguyên lý cảm biến dây trở quấn .................................................... 60
Hình 4.7: Sơ đồ nguyên lý của mạch cầu H .............................................................. 60
Hình 4.8: DSP TMS320F28335 ................................................................................ 61
Hình 4.9: Nguồn cấp 24V-5A ................................................................................... 62
Hình 4.10: Quan hệ giữa MATLAB, CCS và DSP (TMS320F28335) .................... 63
Hình 4.11: Khối eQEP .............................................................................................. 63
Hình 4.12: Khối ADC ............................................................................................... 64
Hình 4.13: Khối Digital Output ............................................................................... 64
Hình 4.14: Khối SCI Transmit .................................................................................. 64
Hình 4. 15 : Khối SCI receive ................................................................................... 64
Hình 4.16: Khối PWM............................................................................................... 65
Hình 4.17: Sơ đồ điều khiển thời gian thực với thời gian lấy mẫu 0.01s ................. 65
Hình 4.18: Khối xử lý tín hiệu vị trí bi sắt và góc lệch thanh cân bằng ................... 66
Hình 4.19: Khối điều khiển động cơ ......................................................................... 66
Hình 4.20: Cấu trúc khối điều khiển ......................................................................... 67
Hình 4.21: Cấu trúc khối truyền dữ liệu SCI ............................................................ 68
Hình 4.22: Khối nhận dữ liệu nối tiếp....................................................................... 68
Hình 4.23: Giao diện hiển thị .................................................................................... 69
Hình 4.24: Đáp ứng vị trí hệ thống tại điểm 0 .......................................................... 69
Hình 4.25: Đáp ứng góc quay hệ thống tại điểm 0 ................................................... 70
Hình 4.26: Tín hiệu điều khiển u của hệ thống tại điểm 0 ........................................ 70
Hình 4.27: Đáp ứng vị trí hệ thống tại điểm +5 ........................................................ 70
Hình 4.28: Đáp ứng góc quay hệ thống tại điểm +5 ................................................. 71
Hình 4.29: Tín hiệu điều khiển u của hệ thống tại điểm +5...................................... 71
Hình 4.30: Đáp ứng vị trí bám theo tín hiệu đặt ....................................................... 71
Hình 4.31: Đáp ứng góc quay bám theo tín hiệu đặt ................................................ 72

m

g

Gia tốc trọng trường

m/s2

L

Chiều dài thanh cân bằng

m

Moment quán tính của bi sắt

kgm2

Moment quán tính của thanh

kgm2

Vị trí bi sắt trên thanh

m

Góc quay của động cơ DC

rad


-

Ki

Hệ số hằng

N.m

Lm

Cảm kháng cuộn dây

mH

p

Hiệu suất động cơ DC và bộ phận truyền động

-

Moment điều khiển ở thanh cân bằng

Nm

Moment điều khiển ở trục động cơ DC

Nm

Vị trí làm việc của bi sắt


“bi sắt trên thanh cân bằng” cũng rất tốt. Một lần nữa, để kiểm chứng phương pháp
điều khiển, đồng thời phát huy các kết quả đạt được cũng như khắc phục một số vấn
đề còn hạn chế, tác giả đưa ra phương pháp điều khiển mờ-trượt-PD để ổn định vị
trí bi sắt trên thanh cân bằng.
Với mục đích loại bỏ hiện tượng dao động (charttering) khi sử dụng bộ điều
khiển trượt, đồng thời nâng cao khả năng đáp ứng của hệ thống, bộ điều khiển mờtrượt-PD đã thỏa mãn các yêu cầu đề ra. Đó là lý do tác giả chọn đề tài: “Thiết kế
bộ điều khiển mờ-trượt-PD ổn định vị trí bi sắt trên thanh cân bằng”.
1.1.2 Nguyên lý hoạt động
Mô hình “bi sắt trên thanh cân bằng” thường dùng trong phòng thí nghiệm các
trường đại học. Mô hình gồm: Thanh nằm ngang, quả bi sắt, một động cơ DC, một
cảm biến dùng để xác định vị trí bi, một cảm biến dùng để xác định góc nghiêng của
thanh, bộ phận truyền động từ trục động cơ lên thanh và mạch điều khiển. Có hai
dạng mô hình:
Dạng 1: Hệ thống “bi sắt trên thanh cân bằng” trục lệch [12]

Hình 1.1: Hệ thống “bi sắt trên thanh cân bằng” trục lệch


2

Ưu điểm: Động cơ DC không cần phải có moment lớn để điều khiển vì hệ
thống có sử dụng đòn bẩy.
Nhược điểm: Thuật toán điều khiển phức tạp.
Dạng 2: Hệ thống “bi sắt trên thanh cân bằng” trục giữa [12]

Hình 1.2: Hệ thống “bi sắt trên thanh cân bằng” trục giữa

Ưu điểm: Dễ xây dựng mô hình và thuật toán điều khiển.
Nhược điểm: Cần một động cơ DC có moment lớn để điều khiển.
Nguyên lý chung:

điều khiển PD-trượt, bộ điều khiển mờ-trượt và bộ điều khiển mờ-trượt-PD.
- Thực nghiệm bộ điều khiển mờ-trượt-PD trên mô hình thực thông qua
chip vi điều khiển DSP TMS320F28335 để ổn định vị trí bi sắt trên thanh
cân bằng.
1.4 Phƣơng pháp thực hiện
Thu thập thông tin về hệ “bi sắt trên thanh cân bằng” gồm các mô hình toán
học, các phương pháp điều khiển đã được sử dụng, kết quả của các phương pháp đó
thông qua các bài báo, các luận văn trong và ngoài nước.
Chọn và dẫn giải mô hình toán học phù hợp nhất.
Chọn giải thuật điều khiển trượt, PD-trượt, mờ-trượt, mờ-trượt-PD sau khi
xem xét tổng quan các phương pháp có thể dùng để điều khiển hệ “bi sắt trên thanh
cân bằng”.
Nghiên cứu cơ sở lý thuyết các phương pháp điều khiển đã chọn.
Mô phỏng các phương pháp điều khiển trượt, PD-trượt, mờ-trượt, mờ-trượtPD trên máy tính bằng chương trình phần mềm Matlab/Simulink với các thông số
mượn của bài báo.


4

Kết quả mô phỏng khả thi thì tiếp tục thiết kế phần cơ khí và phần điện điều
khiển hệ “bi sắt trên thanh cân bằng”.
Từ thông số thực tế của mô hình khi đã thi công xong, đưa vào mô phỏng lại
các bộ điều khiển và chỉnh cho đến khi đạt được chất lượng yêu cầu đề ra.
Sử dụng bộ điều khiển mờ-trượt-PD đã đạt yêu cầu khi mô phỏng lập chương
trình hoạt động của các giải thuật đó với các công cụ do Matlab/Target Support
Package/C28x3x cung cấp. Sau đó trình Matlab sẽ biên dịch và liên kết với Code
Composer Studio tạo thành file C và nạp xuống chip vi điều khiển DSP
TMS320F28335.
Chạy giải thuật trên mô hình thực nghiệm và điều chỉnh sao cho hệ “bi sắt trên
thanh cân bằng” ổn định như mong muốn.

Wang thực hiện, đã đưa vào làm mô hình thí nghiệm của trường.

Hình 1.4: Sản phẩm của trường Đại học kỹ thuật Hong Kong

Với cơ cấu truyền động gián tiếp qua dây cua-roa và tay nâng. Ưu điểm của hệ
thống là tránh được sự ảnh hưởng của động cơ khi động cơ quay nhanh và đảo
chiều liên tục. Nhược điểm của hệ thống là thanh nằm ngang, cánh tay nâng và đĩa
quay tương đối nặng, do đó khi đưa ra tín hiệu điều khiển động cơ cần phải tính
moment quay của động cơ khi có tải nặng.


6

1.5.2.3 Trƣờng Đại học kỹ thuật Australia [20]
Tháng 5 năm 2008, nhóm sinh viên của trường đại học kỹ thuật Australia đã
áp dụng kỹ thuật xử lý ảnh vào trong mô hình “ball and beam”.

Hình 1.5: Sản phẩm của trường Đại học kỹ thuật Autralia

Trong mô hình này, thanh cân bằng là một máng rộng, hình chữ “V”, máng có
độ dài 50cm và được phủ màu đen. Quả bi là một viên bi nhựa màu trắng, đường
kính 30mm. Trục động cơ được gắn trực tiếp vào điểm giữa của máng. Với việc sử
dụng camera với công nghệ xử lý ảnh, để xác định vị trí bi sẽ hạn chế nhiễu trong
quá trình đọc vị trí bi, tăng tính linh hoạt trong xử lý. Tuy nhiên, quá trình xử lý phụ
thuộc hoàn toàn vào điều kiện ánh sáng môi trường.
1.6 Tầm quan trọng và ý nghĩa thực tiễn
Hệ thống “bi sắt trên thanh cân bằng” là hệ thống phức tạp có tính phi tuyến
cao và không ổn định. Các vấn đề điều khiển liên quan đến hệ thống này bao gồm
thiết kế bộ điều khiển giữ cân bằng vị trí bi sắt tại một điểm xác định, và điều khiển
bi sắt bám theo tín hiệu đặt trước.

Thiết kế và thi công hệ “bi sắt trên thanh cân bằng”. Ứng dụng bộ điều khiển
mờ-trượt-PD trên mô hình thực.
Chương 5: KẾT LUẬN VÀ ĐÁNH GIÁ
Đánh giá kết quả luận văn.


8

Chƣơng 2

ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU
2.1 Mô hình hóa hệ “bi sắt trên thanh cân bằng”
Mô hình vật lý: [12]
Hệ thống “bi sắt trên thanh cân bằng”:

Hình 2.1: Mô hình hệ thống “bi sắt trên thanh cân bằng”

Đối tượng nghiên cứu bao gồm: Một bi sắt, một động cơ DC, hệ thống truyền
động nối giữa động cơ DC và thanh cân bằng. Khi động cơ quay một góc
qua hệ thống truyền động sẽ làm cho thanh cân bằng quay một góc
của bộ điều khiển là kiểm soát góc quay

, thông

và nhiệm vụ

để giữ bi sắt ổn định tại vị trí mong

muốn. Vị trí bi được xác định bởi thanh dây quấn điện trở, góc quay thanh được xác
định bởi encoder.