Thiết kế bộ điều khiển có sử dụng giảm bậc mô hình ứng dụng cho bài toán điều khiển cân bằng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

1

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN VĂN CƯỜNG

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CÓ SỬ DỤNG

GIẢM BẬC MÔ HÌNH ỨNG DỤNG CHO BÀI

TOÁN ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Mã số: 60520216

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Thái Nguyên, 2014

Luận văn tốt nghiệp i

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Nguyễn Văn Cường

Sinh ngày 20 tháng 04 năm 1973

Học viên lớp cao học khoá 14 - 02 Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa -

Trường đại học kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.

Hiện đang công tác tại : Trường Cao đẳng Nghề - Bắc Giang

Xin cam đoan luận văn “Thiết kế bộ điều khiển có sử dụng giảm bậc

mô hình ứng dụng cho bài toán điều khiển cân bằng ” do thầy giáo TS.

Nguyễn Văn Chí hướng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả

các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng.

Tôi xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn được thực hiện

đúng như nội dung trong đề cương và yêu cầu của thầy giáo hướng dẫn.

Thái Nguyên, ngày 15 tháng 7 năm 2014

Học viên

Nguyễn Văn Cường

Luận văn tốt nghiệp ii

LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương và được sự hướng dẫn tận

tình giúp đỡ của thầy giáo TS. Nguyễn Văn Chí, tôi đã hoàn thành luận văn

với đề tài “Thiết kế bộ điều khiển có sử dụng giảm bậc mô hình ứng dụng

cho bài toán điều khiển cân bằng ”

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới:

Thầy giáo hướng dẫn TS. Nguyễn Văn Chí đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ

tôi hoàn thành luận văn.

Các thầy cô giáo Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên và

một số đồng nghiệp, đã quan tâm động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình

học tập để hoàn thành luận văn này, đặc biệt là TS. Đào Huy Du đã hướng

dẫn rất nhiều về kiến thức, cung cấp tài liệu, tiến hành thực nghiệm.

Mặc dù đã cố gắng hết sức, song 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, tôi mong nhận được 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 15 tháng 7 năm 2014

Học viên

Nguyễn Văn Cường

Luận văn tốt nghiệp iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i

LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii

MỤC LỤC................................................................................................................. iii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ................................................................................... iv

LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÀI TOÁN GIẢM BẬC MÔ HÌNH

1.1. Lý do cần phải giảm bậc mô hình. .......................................................................3

1.2. Mô tả hệ thống tuyến tính hệ số hằng -LTI..........................................................4

1.3. Các công cụ toán học sử dụng trong giảm bậc mô hình ......................................5

1.3.1 Cơ sở toán học ............................................................................................5

1.3.2 Các công cụ giảm bậc mô hình ...................................................................6

1.3.3 Các phương pháp giảm bậc mô hình.........................................................13

1.4. Kết luận chương 1 ..............................................................................................21

CHƯƠNG 2: THI T B ĐIỀU HI N CHO H TH NG HAI

BÁNH T C N B NG

2.1 Mô hình x hai bánh X2T ........................................................................23

2.2 Mô hình hóa X2T.....................................................................................24

2.3 Thiết kế bộ điều khiển cho X2T...............................................................29

2.4 Kết luận chương .......................................................................................34

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN GIẢM BẬC MÔ HÌNH CHO

BÀI TOÁN ĐIỀU HI N C N B NG

3.1 Phương pháp MODAL TRUNCATION............................................................35

3.2 Sử dụng bộ điều khiển giảm bậc cho hệ thống điều khiển cân bằng X2T.........41

3.3 Kết quả thực nghiệm điều khiển trên mô hình X2T hai bánh tự cân bằng. .......42

3.4 Kết luận chương 3 ..............................................................................................44

T LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRI N.............................................................46

TÀI LI U THAM HẢO ......................................................................................48

Luận văn tốt nghiệp iv

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình1. 1: Phân chia mô hình hệ thống .............................................................. 8

Hình1. 2: Phân chia mô hình hệ thống thành hệ con trội và hệ con yếu ........... 8

Hình1. 3: Tổ chức của mô hình hệ thống.......................................................... 9

Hình 2. 1: Mô hình của hệ x hai bánh tự cân bằng ....................................... 23

Hình 2. 2: Mô hình hóa X2T hai bánh. .......................................................... 24

Hình 3. 1. Đáp ứng h(t) hệ gốc và các hệ giảm bậc......................................... 40

Hình 3. 2. Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển cân bằng X2T dùng bộ điều

khiển giảm bậc 3 ............................................................................................. 41

Hình 3. 3. Kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển cân bằng X2T di động hai

bánh sử dụng bộ điều khiển đủ bậc và bộ điều khiển giảm bậc 3. ................. 41

Hình 3. 4. Đáp ứng của hệ thống x hai bánh từ cân bằng sử dụng bộ điều

khiển giảm bậc 3. ............................................................................................ 43

Hình 3. 5. Đáp ứng của hệ thống x hai bánh từ cân bằng sử dụng bộ điều

khiển giảm bậc 3 khi có nhiễu. ....................................................................... 43

Hình 3. 6. Đáp ứng của hệ thống x hai bánh tự cân bằng sử dụng bộ điều

khiển giảm bậc 3 khi thay đổi tải lệch tâm. .................................................... 44

Bảng 3. 1. Tham số của các hệ giảm bậc trong mô hình không gian trạng thái

và mô hình hàm truyền.................................................................................... 38