Thiết kế và đánh giá thực nghiệm bộ điều khiển PID ổn định hệ thống cân bằng bóng trên thanh

Hệ thống cân bằng bóng trên thanh có tính chất phi tuyến cao và rất khó để đạt được quỹ đạo điều khiển chính xác. Bài báo trình bày cách xây dựng mô hình hóa và việc áp dụng thuật toán điều khiển PID (Proportional - Integral - Derivative) để điều khiển vị trí bóng.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Thiết kế và đánh giá thực nghiệm bộ điều khiển PID ổn định hệ thống cân bằng bóng trên thanh TRƯỜNG ĐẠI HỌC DUY TÂN DTU Journal of Science and Technology 07(38) (2020) ......... Thiết kế và đánh giá thực nghiệm bộ điều khiển PID ổn định hệ thống cân bằng bóng trên thanh Design and experimental evaluation of a PID controller for stabilization of the Ball and Beam Balancing system Nguyễn Ngô Anh Quân*, Hà Đắc Bình Nguyen Ngo Anh Quan, Ha Dac Binh Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Duy Tân, Đà Nẵng, Việt Nam Faculty of Electrical & Electronic Engineering, Duy Tan University, Da Nang, Vietnam (Ngày nhận bài: 08/01/2020, ngày phản biện xong: 15/01/2020, ngày chấp nhận đăng: 06/02/2020) Tóm tắt Hệ thống cân bằng bóng trên thanh có tính chất phi tuyến cao và rất khó để đạt được quỹ đạo điều khiển chính xác. Bài báo trình bày cách xây dựng mô hình hóa và việc áp dụng thuật toán điều khiển PID (Proportional - Integral - Derivative) để điều khiển vị trí bóng. Mô phỏng mô hình trên Matlab để dự đoán chuyển động của quả bóng và tinh chỉnh các thông số PID để hệ thống ổn định. Bộ PID sẽ xử lý sự khác nhau giữa vị trí mong muốn và thực tế thành tín hiệu điều khiển để hệ thống điều khiển góc quay của thanh sao cho quả bóng cân bằng tại vị trí cân bằng. Kết quả mô phỏng và thử nghiệm trên mô hình thực tế cho thấy được bộ điều khiển PID giúp ổn định hệ thống. Từ khóa: Hệ thống cân bằng bóng trên thanh, bộ điều khiển PID. Abstract The Ball and Beam system is highly non-linear and difficult to achieve correct controlling trajectory. This paper is on how to modelize and apply PID (Proportional - Integral - Derivative) Controlling Algorithm to direct the ball’s position. The model will be simulated in Matlab to predict the ball’s movements and adjust PID parameters in order to stabilize the system. The PID controller will process differences between desired and real position into controlling signal so that the system controls Beam’s angle in order to direct the Ball to it’s balanced position. Simulations and trials on realistic models show that the PID control help stabilize the system. Keywords: Ball and Beam system, PID controller. 1. Giới thiệu Hệ thống cân bằng bóng trên thanh là mô hình Hệ thống cân bằng bóng trên thanh là một mô gồm thanh nằm ngang, quả bóng, một động cơ hình thực nghiệm quen thuộc, với cấu tạo vật lý điện 1 chiều (DC), một cảm biến dùng để xác khá đơn giản nhưng tương đối phức tạp về mặt định vị trí bóng, một cảm biến dùng để xác định động lực học. Nó có độ bất ổn định cao và là góc nghiêng của thanh và mạch điều khiển. Quả cơ sở để tạo ra các hệ thống tự cân bằng như: bóng di chuyển trên thanh nhờ tác dụng của trọng hệ thống phóng tên lửa, cân bằng máy bay theo lực khi thanh bị nghiêng so với mặt phẳng ngang phương ngang, xe tự hành… [1-8]. như Hình 1. Email: nguyenquan97@hotmail.com 66 thiết kế bộ điều khiển và thiết kế phần cứng sẽ được trình bày ở Phần 3, Phần 4 trình bày kết quả và đánh giá, Phần 5 là kết luận và hướng phát triển. 2. Mô hình hóa hệ thống 2.1. Mô hình hóa hệ thống cân bằng bóng Hình 1. Hệ thống cân bằng bóng trên thanh trục giữa trên thanh Vị trí bóng được xác định nhờ cảm biến, bộ Quả bóng lăn trên thanh trượt dưới tác động điều khiển nhận được sai lệch giữa vị trí bóng của lực hấp dẫn. Thanh được nghiêng từ một mô- trên thanh và vị trí bóng mong muốn, từ đó đưa ra men xoắn bên ngoài để kiểm soát vị trí của quả tín hiệu điều khiển động cơ thay đổi góc nghiêng bóng trên thanh. Tập hợp các tọa độ tổng quát mô của thanh đưa bóng về vị trí mong muốn. Đây tả đầy đủ hệ thống [6]: là đối tượng thường được các nhà nghiên cứu  r (t )  (1) q (t ) =   lựa chọn để kiểm chứng những thuật toán điều θ (t )  khiển của mình, từ những thuật toán điều khiển cổ điển cho đến những thuật toán điều khiển hiện đại, điều khiển thông minh [1-10]. Thuật toán điều khiển mờ (Fuzzy) [2,3,9] được sử dụng kết hợp với bộ điều khiển PD hoặc PID để ổn định Hình 2. Tọa độ tổng quát của hệ thống hệ thống, các tác giả đã sử dụng thuật toán điều Với r(t) là vị trí của quả bóng trên thanh và θ(t) khiển mờ để chỉnh định các thông số Kp, Ki và Kd. là góc nghiêng của thanh so với phương ngang. Kết quả là hệ thống ổn định, độ vọt lố thấp cho Phương trình Lagrange có dạng: thấy bóng sắt cân bằng rất nhanh sau khi tác động nhiễu. Giải thuật nơ-ron thích nghi [4] được dùng L= K − U (2) để giải quyết được những ảnh hưởng của tính phi Động năng của thanh: 1 2 tuyến lên độ ổn định của hệ thống, phiên điều K1 = Jθ (3) ...