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

THÁI NGUYÊN, 2014

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Tháii Nguyên

http://www.lrc-tnu.edu.vn/


ii Nguyên
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái

http://www.lrc-tnu.edu.vn/


LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Doãn Thế Công
Sinh ngày 26 tháng 11 năm 1983
Học viên lớp cao học khoá 14 CH.TĐH - Trƣờng đại học kỹ thuật Công nghiệp
Thái Nguyên.


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
Học viên

Doãn Thế Công

iv Nguyên
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái

http://www.lrc-tnu.edu.vn/


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .............................................................................. i
LỜI CẢM ƠN .................................................................................. iv
MỤC LỤC ........................................................................................ v
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT .................................................vii
DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ ............................................. viii
LỜI NÓI ĐẦU .................................................................................. 1

1. Nội dung của luận văn .......................................................................... 1
2. Mục tiêu đạt đƣợc của luận văn ............................................................ 1
3. Tính cấp thiết của đề tài........................................................................ 2
Chƣơng 1. XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG “BALL AND BEAM” . 3
1.1. Mô tả hệ thống “Ball and Beam” ........................................................................3
1.1.1. Đặt vấn đề .........................................................................................................3
1.1.2. Một số hệ thống B&B trong thực tế..................................................................5

3.3.3. Mô hình mẫu của hệ thống..............................................................................46
3.3.4. Sơ đồ khối khâu thích nghi bù nhiễu ..............................................................47
3.3.5. Kết quả sau khi chạy thực nghiệm ..................................................................47
3.4. Kết luận chƣơng 3. .............................................................................................50
Chƣơng 4. KẾT LUẬN CHUNG ..................................................... 51
TÀI LIỆU THAM KHẢO. .....................................................................................52

vi Nguyên
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái

http://www.lrc-tnu.edu.vn/


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ng Anh
LQG

Linear Quadratic Gaussian
Gaussian

LQR

Linear Quadratic Regulator

LFFC

Leaning Feed – Forward Control

Bộ điều khiển học truyền

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 1-14 Sơ đồ cấu trúc điều khiển hệ thống B&B. ....................... 13
Hình 1-16 Hình ảnh bộ Card NI USB 6008 ..................................... 15
Hình 1-17. Nhiễu quá trình và nhiễu đo lƣờng ................................ 18
Hình 1-18.

Mô tả toán học B&B .................................................... 19

Hình 1-20.

Đồ thị điện áp trên biến trở quay .................................. 24

Hình 1-21.

Đồ thị E ( t ) khi động cơ bị ngăt nguồn ............................ 25

Hình 2. 1 Nguyên tắc phản hồi trạng thái .................................................................31
/simulink . 33
Hình 2. 3 Sơ đồ cấu trúc đầu ra điều khiển hệ thống B&B ................. 33


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

ix Nguyên
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái

http://www.lrc-tnu.edu.vn/


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
nhƣ máy tính chuyên dụng đều không còn nữa. Mặt khác các linh kiện đã
lâu năm nên một số không còn chính xác nữa. Đây chính là khó khăn
không nhỏ trong việc nghiên cứu mô hình thí nghiệm này.

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.

2 Nguyên
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái

http://www.lrc-tnu.edu.vn/


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
Ngày nay, khoa học kỹ thuật đạt đƣợc rất nhiều tiến bộ trong lĩnh vực

Dạng 1:

Bóng (Ball)

Tay đòn ( Beam)

Tay nâng ( Lever Arm)

Đĩa tròn (Gear)

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
4 Nguyên
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái

http://www.lrc-tnu.edu.vn/


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

cuộn dây, khi ball ( bằng kim loại) lăn trên bề mặt cuộn dây, dòng điện cảm
ứng sinh ra và biến thiên, từ đó xác định đƣợc tỷ lệ khoảng cách.
Phƣơng pháp xác định vị trí này dễ bị nhiễu khi có vật kim loại đặt gần thanh
„beam‟, và tính toán dòng điện biến thiên khá phức tạp.
b, Mô hình B&B của công ty Megachem.
Công ty Megachem là một công ty chuyên sản xuất các thiết bị dành
trong học tập. Đặc biệt chuyên về các mô hình trong lĩnh vực điều khiền hệ
thống. Công ty Megachem đã có nhiều sản phẩm nhƣ: mô hình điều khiền
cánh tay rô bốt 3 tới 5 bậc tự do, mô hình điều khiển hệ thống con lắc ngƣợc,
mô hình điều khiển mức, và một số mô hình điều khiển băng tải, …
Tháng 11 năm 2005, công ty Megachem đã giới thiệu mô hình hệ
thống „ball and beam‟[2]. Mô hình có thanh „beam‟ dài tới 1m. động cơ gắn
trực tiếp tại trung tâm của thanh „beam‟. Phƣơng pháp xác định vị trí quả
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.

6 Nguyên
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái

http://www.lrc-tnu.edu.vn/


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 1-6 Mô hình Ball and Beam ĐHKT Australia
8 Nguyên
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái

http://www.lrc-tnu.edu.vn/


Phƣơng pháp xác định vị trí quả bóng không dùng các loại cảm biến,
mà áp dụng kỹ thuật xử lý ảnh. Một camera thuộc loại „webcam on board‟,
tức là camera gắn trực tiếp trên bo mạch điều khiển.

Hình 1-7 Wedcam on board ĐHKT Australia
Camera đƣợc gắn trên cao, độ cao thích hợp sao cho vùng chụp của
camera đủ chiều dài của thanh “beam”.
Ƣu điểm của phƣơng pháp này:
- Thiết kế cơ khí đơn giản.
- Không bị nhiễu điện trong quá trình đọc vị trí.
- Mang tính tự động hóa và tính linh hoạt cao.
Tuy nhiên nhược điểm là:
Mạch điều khiển phức tạp.
Độ nhạy và độ chính xác của camera phụ thuộc nhiều vào ánh sáng môi
trƣờng làm việc.
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.
9 Nguyên
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái

http://www.lrc-tnu.edu.vn/

cho việc điều khiển bằng máy tính.
Các khối sử dụng cho việc kết nối và điều khiển.
* Khối GAIN
Khối này làm nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu điều khiển từ Card NI USB
6008 qua cổng AO0
R2
R1

_

R3
+
R4

Hình 1-9 Khối GAIN
* Khối LEVEL CONVERTER
Nhận tín hiệu điều khiển từ khối GAIN thực hiện cộng tín hiệu để tạo
thành điện áp trong dải từ -5

+5 (V) đƣa tới động cơ để điều khiển góc

nghiêng của thanh. Đây là khối chuyển đổi điện áp.
+VCC

R8
R5

FROM
D/A
J1-3

R9
+

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

+VCC

_
+

-VCC
ANTI-ALIASING FILTER

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

NI USB 6008.

12 Nguyên

Card
NI USB
6008 AI3

Mạch công
suất

AI7

Ball and
Beam
Sensor
vị trí và
góc nghiêng

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

13 Nguyên
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái

http://www.lrc-tnu.edu.vn/



1.1.5 Card NI USB 6008 giao tiếp từ máy tính với mô hình B&B [8].

Hình 1-16 Hình ảnh bộ Card NI USB 6008
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

14 bits

Trích mẫu đồng thời

Không

Ngƣỡng điện áp giới hạn lớn nhất
Độ chính xác

15 Nguyên
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái

-10 tới 10 V
138 mV

http://www.lrc-tnu.edu.vn/


Ngƣỡng điện áp nhỏ nhất

-1..1 V

Độ chính xác

37.5 mV

Số giới hạn

8



7 mV

Tín hiệu điều
(Kênh/Tổng)

khiển

dòng

điện

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

100 ns

Mức logic
Ngƣỡng cực đại

16 Nguyên
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái

TTL
0..5 V

http://www.lrc-tnu.edu.vn/