Đề tài Điều khiển hệ phi tuyến dùng giải thuật thông minh

i TRƯỜNG ĐH. SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TP. HỒ CHÍ MINH ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP Y SINH Tp. HCM, ngày 20 tháng 03 năm 2018 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Nguyễn Thành Luân MSSV: 14141179 Tạ Minh Giang MSSV: 14141079 Chuyên ngành: Điện tử công nghiệp Mã ngành: 141 Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 1 Khóa: 2014 Lớp: 14141DT1A I. TÊN ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN HỆ PHI TUYẾN DÙNG GIẢI THUẬT THÔNG MINH II. NHIỆM VỤ: 1. Các số liệu ban đầu: Tìm hiểu các tài liệu hướng dẫn về PID, FUZZY, NEURAL. Tìm hiểu môi trường làm việc Matlab Simulink và thư viện Waijung Blockset. 2. Nội dung thực hiện: Tìm hiểu các linh kiện, thiết bị được sử dụng trong mô hình: STM32F407VG, Encoder E50S8-5000, Encoder E50S8-1024, BLH Heli Emax 40A, biến tần VLT 2807 và phần mềm Matlab/Simulink; cách thức truyền nhận dữ liệu; nghiên cứu giải thuật điều khiển hiện đại; nghiên cứu xây dựng mô hình thuật toán cho mô hình trực thăng hai bậc tự do và nhận dạng được mô hình điều khiển tốc độ động cơ; mô phỏng và lập trình hệ thống trên Matlab/Simulink; tiến hành điều khiển mô hình; nhận xét kết quả thực tế. III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 06/03/2018 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 20/07/2018 V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS. Tạ Văn Phương CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH ii TRƯỜNG ĐH. SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TP. HỒ CHÍ MINH ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP Tp. HCM, ngày 20 tháng 03 năm 2018 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1: Tạ Minh Giang ................................................................................... Lớp: 14141DT1A ......................................................... MSSV: 14141079 ....................... Họ tên sinh viên 2: Nguyễn Thành Luân ........................................................................... Lớp: 14141DT1A ......................................................... MSSV: 14141179 ....................... Tên đề tài: Điều khiển hệ phi tuyến dùng giải thuật thông minh ...................................... ........................................................................................................................................... Tuần/ngày Nội dung Xác nhận GVHD Tuần 1 18/3-24/3 Gặp giảng viên hướng dẫn và trao đổi về đề tài đồ án tốt nghiệp. Tuần 2 25/3-31/3 Viết đề cương và lịch trình thực hiện đồ án tốt nghiệp. Tuần 3 1/4-7/4 Tìm hiểu đề tài và lựa chọn thiết bị. Tuần 4 8/4-14/4 Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của đề tài. Tuần 5 15/4-21/4 Thiết kế sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý. Tuần 6,7 22/4-5/5 Tìm hiểu các giải thuật pid, fuzzy, neural Tuần 8,9 6/5- 19/5 Viết chương trình điều khiển động cơ ba pha Tuần 10,11,12,13 20/5-16/6 Viết chương trình điều khiển mô hình máy bay trực thăng hai bậc tự do Tuần 14,15,16 17/6-6/7 Viết báo cáo GV HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên) iii LỜI CAM ĐOAN Đề tài này là do nhóm sinh viên Nguyễn Thành Luân và Tạ Minh Giang tự thực hiện, do thầy Tạ Văn Phương hướng dẫn, dựa vào một số tài liệu trước đó và không sao chép từ tài liệu hay công trình đã có trước đó. Người thực hiện đề tài Nguyễn Thành Luân Tạ Minh Giang iv LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực hiện đề tài, những người thực hiện được sự giúp đỡ của gia đình, quý thầy cô và bạn bè nên đề tài đã được hoàn thành. Những người thực hiện xin chân thành gửi lời cảm ơn đến: Thầy Tạ Văn Phương, giảng viên trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM đã trực tiếp hướng dẫn và tận tình giúp đỡ tạo điều kiện để nhóm có thể hoàn thành tốt đề tài. Những người thực hiện cũng xin chân thành cám ơn đến các thầy cô trong khoa Điện - Điện tử của trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM đã tận tình dạy dỗ, chỉ bảo, cung cấp cho những người thực hiện những kiến thức nền, chuyên môn làm cơ sở để hoàn thành đề tài này. Cảm ơn gia đình đã động viên và luôn luôn bên cạnh trong những lúc khó khăn nhất. Xin gửi lời cảm ơn đến những người bạn sinh viên khoa Điện-Điện tử đã giúp đỡ những người thực hiện đề tài để có thể hoàn thành tốt đề tài này. Xin chân thành cảm ơn! Người thực hiện đề tài: Nguyễn Thành Luân Tạ Minh Giang v MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP .................................................................................... i LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP .......................................................... ii LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................... iii LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................................... iv MỤC LỤC ........................................................................................................................... v DANH SÁCH HÌNH ......................................................................................................... vii DANH SÁCH BẢNG ......................................................................................................... xi DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................................................. xii TÓM TẮT ......................................................................................................................... xiii CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ............................................................................................. 1 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ : ..................................................................................................... 1 1.2 MỤC TIÊU: ........................................................................................................... 2 1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU: ................................................................................. 3 1.4 GIỚI HẠN: ............................................................................................................ 3 1.5 BỐ CỤC: ................................................................................................................ 3 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................................. 5 2.1 TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH MÁY BAY TRỰC THĂNG HAI BẬC TỰ DO: 5 2.2 TỔNG QUAN VỀ PHẦN CỨNG: ........................................................................ 7 2.2.1 Kit STM32F407VG_disc1 discovery: ............................................................ 7 2.2.2 Encoder E50S8- 5000 (1024): ......................................................................... 8 2.2.3 Emax BL heli ESC: ....................................................................................... 10 2.2.4 Động cơ Brushless DC (BLDC): .................................................................. 11 2.2.5 Biến tần VLT 2807 195N1015: ..................................................................... 13 2.2.6 Nguồn tổ ong 24V 5A: .................................................................................. 16 2.3 GIAO TIẾP UART: ............................................................................................. 16 2.4 HỆ ĐA BIẾN MIMO: .......................................................................................... 20 2.5 LÍ THUYẾT ĐIỀU KHIỀN: ................................................................................ 21 2.5.1 Thuật toán PID: ............................................................................................. 21 2.5.2 Thuật toán Fuzzy: .......................................................................................... 26 2.5.3 Thuật toán Neural: ......................................................................................... 33 CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ .............................................................. 40 vi 3.1 THIẾT KẾ SƠ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ THỐNG: .................................................... 40 3.2 MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG TRMS: ................................................................ 45 3.2.1 Mô hình toán học của hệ TRMS: .................................................................. 46 CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG ..................................................................... 56 4.1 GIỚI THIỆU: ....................................................................................................... 56 4.2 MÔ HÌNH PHẦN CỨNG: ................................................................................... 56 4.2.1 Mô hình TRMS: ............................................................................................ 56 4.2.2 Mô hình điều khiển tốc độ động cơ: ............................................................. 58 4.3 PHẦN MỀM LẬP TRÌNH: ................................................................................. 60 4.3.1 Giới thiệu Matlab: ......................................................................................... 60 4.3.2 Simulink: ....................................................................................................... 61 4.3.3 Thư viện waijung: ......................................................................................... 64 4.3.4 Tool box Fuzzy: ............................................................................................ 65 4.3.5 Toolbox neural và nhận dạng hệ thống: ........................................................ 69 4.4 MÔ HÌNH MÔ PHỎNG: ..................................................................................... 75 4.4.1 Mô hình máy bay trực thăng hai bậc tự do: .................................................. 75 4.4.2 Mô hình điều khiển tốc độ động cơ: ............................................................. 83 4.5 CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN: ...................................................................... 88 4.5.1 Chương trình điều khiển hệ TRMS: .............................................................. 88 4.5.2 Chương trình điều khiển tốc độ động cơ ba pha: .......................................... 89 CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ .................................................... 92 5.1 TÓM TẮT: ........................................................................................................... 92 5.2 KẾT QUẢ ĐÁP ỨNG CỦA HAI HỆ PHI TUYẾN: .......................................... 92 5.2.1 Kết quả đáp ứng của hệ TRMS. .................................................................... 92 5.2.2 Mô hình điều khiển tốc độ động cơ ba pha: .................................................. 96 CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .............................................. 99 6.1 KẾT LUẬN: ......................................................................................................... 99 6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN: .................................................................................... 100 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 101 vii DANH SÁCH HÌNH Hình Trang Hình 2. 1 Trực thăng EC_225. ............................................................................................ 5 Hình 2. 2 Lực nâng trực thăng lên. ...................................................................................... 6 Hình 2. 3 Hệ thống dẫn động giữa cánh quạt chính và cánh quạt đuôi. .............................. 6 Hình 2. 4 Kit STM32F407. .................................................................................................. 7 Hình 2. 5 Encoder E50S8-5000. .......................................................................................... 9 Hình 2. 6 Cấu tạo cơ bản của encoder. .............................................................................. 10 Hình 2. 7 Cấu tạo các chân kết nối BLH Heli Emax. ........................................................ 11 Hình 2. 8 Động cơ và cánh quạt Tarot. ............................................................................. 13 Hình 2. 9 Biến tần VLT 2807 195N1015. ......................................................................... 14 Hình 2. 10 Sơ đồ nguyên lý hoạt động biến tần. ............................................................... 15 Hình 2. 11 Nguồn tổ ong 24V. .......................................................................................... 16 Hình 2. 12 Hệ thống truyền dữ liệu bất đồng bộ. .............................................................. 17 Hình 2. 13 Định dạng của một ký tự truyền theo chuẩn RS-232. ..................................... 19 Hình 2. 14 Sơ đồ nguyên lí của hệ thống đa biến điển hình. ............................................. 20 Hình 2. 15 Quan hệ ngõ vào và ra của hệ MIMO dùng ma trận hàm truyền. ................... 20 Hình 2. 16 Sơ đồ hệ thống điều khiển dùng PID. .............................................................. 22 Hình 2. 17 Điều khiển hồi tiếp với bộ điều khiển PID. ..................................................... 22 Hình 2. 18 Đáp ứng nấc của hệ khi gh K K . .................................................................... 25 Hình 2. 19 Điều khiển trực tiếp. ........................................................................................ 26 Hình 2. 20 Điều khiển gián tiếp. ........................................................................................ 27 Hình 2. 21 Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ. ................................................................... 28 Hình 2. 22 Tập mờ ngõ ra của khâu mờ hóa. .................................................................... 28 Hình 2. 23 Các loại tập mờ ngõ vào và ngõ ra. ................................................................. 29 Hình 2. 24 Các đường đặc tính bị hạn chế bởi sự nội suy giữa các điểm đặc tính. .......... 30 Hình 2. 25 Những nguyên lý giải mờ. ............................................................................... 31 Hình 2. 26 Cấu trúc của một neural. .................................................................................. 34 viii Hình 2. 27 Đồ thị hàm purelin. .......................................................................................... 35 Hình 2. 28 Đồ thị hàm hard limit. ..................................................................................... 35 Hình 2. 29 Đồ thị hàm logsig. ........................................................................................... 36 Hình 2. 30 Đồ thị hàm tansig. ............................................................................................ 36 Hình 2. 31 Mạng neural truyền thẳng. ............................................................................... 37 Hình 2. 32 Mạng neural hồi qui. ........................................................................................ 37 Hình 2. 33 Cấu trúc của mạng neural nhiều lớp. ............................................................... 38 Hình 3. 1 Sơ đồ khối của 2 hệ thống .40 Hình 3. 2 Sơ đồ khối hệ thống thiết bị thực tế mô hình TRMS. ....................................... 41 Hình 3. 3 Sơ đồ khối hệ thống thiết bị thực tế mô hình động cơ. ..................................... 41 Hình 3. 4 Kết nối STLINK- và STM32F407 UART2 (Datasheet). .................................. 42 Hình 3. 5 Kết nối hai Encoder với vi điều khiển. .............................................................. 43 Hình 3. 6 Sơ đồ kết nối biến tần và động cơ. .................................................................... 44 Hình 3. 7 Sơ đồ tổng quát hệ TRMS. ................................................................................ 46 Hình 3. 8 Trọng lực của hệ. ............................................................................................... 47 Hình 3. 9 Momen lực đẩy và ma sát. ................................................................................. 48 Hình 3. 10 Momen của các lực trong mặt phẳng ngang. ................................................... 50 Hình 3. 11Hàm phụ thuộc lực đẩy vào tốc độ động cơ chính. .......................................... 52 Hình 3. 12 Hàm phụ thuộc tốc độ quay của động cơ và điện áp vào. ............................... 53 Hình 3. 13 Phương trình lực đẩy của động cơ đuôi. .......................................................... 53 Hình 3. 14 Hàm phụ thuộc tốc độ quay động cơ đuôi và áp. ............................................ 54 Hình 3. 15 Sơ đồ khối hệ thống TRMS. ............................................................................ 55 Hình 4. 1 Sơ đồ kết nối hệ thống điều khiển với mô hình TRMS 57 Hình 4. 2 Hệ thống điều khiển mô hình TRMS thực tế. ................................................... 57 Hình 4. 3 Sơ đồ kết nối hệ thống điều khiển mô hình. ...................................................... 59 Hình 4. 4 Hệ thống điều khiển mô hình điều khiển tốc độ động cơ thực tế. ..................... 59 Hình 4. 5 Giao diện Matlab. .............................................................................................. 60 Hình 4. 6 Giao diện làm việc của Simulink....................................................................... 62 Hình 4. 7 Thư viện Simulink. ............................................................................................ 63 ix Hình 4. 8 Thiết lặp miền mô phỏng. .................................................................................. 64 Hình 4. 9 Thư viện waijung blockset. ............................................................................... 65 Hình 4. 10 Giao diện ban đầu vủa fuzzy. .......................................................................... 66 Hình 4. 11 Thay đổi số lượng ngõ vào và ra. .................................................................... 66 Hình 4. 12 Tập mờ. ............................................................................................................ 67 Hình 4. 13 Luật mờ. ........................................................................................................... 68 Hình 4. 14 Gọi fuzzy vào chương trình. ............................................................................ 69 Hình 4. 15 Giao diện làm việc của tool ident. ................................................................... 70 Hình 4. 16 Chèn dữ liệu vào để nhận dạng. ...................................................................... 70 Hình 4. 17 Giao diện tool ident sau khi chèn dữu liệu. ..................................................... 71 Hình 4. 18 Chọn số cực và số zero của hệ thống cần nhận dạng. ..................................... 72 Hình 4. 19 Giao diện tool ident sau khi nhận dạng. .......................................................... 72 Hình 4. 20 Giao diện của tool NARMA_L2. .................................................................... 74 Hình 4. 21 Sơ đồ Simulink chi tiết cho hệ TRMS. ............................................................ 76 Hình 4. 22 Tập mờ đầu vào e(t) và de(t)/dt. ...................................................................... 77 Hình 4. 23 Tập mờ đầu ra u. .............................................................................................. 77 Hình 4. 24 Cấu trúc mô phỏng với bộ FUZZY/PID cho hệ thống TRMS. ....................... 79 Hình 4. 25 Mô phỏng đáp ứng góc Pitch. .......................................................................... 79 Hình 4. 26 Mô phỏng đáp ứng góc Yaw. .......................................................................... 80 Hình 4. 27 Mô phỏng đáp ứng góc Pitch khi góc đặt 10 độ. ............................................. 81 Hình 4. 28 Mô phỏng đáp ứng góc Yaw khi giá trị đặt 10 độ. .......................................... 81 Hình 4. 29 Mô phỏng đáp ứng góc Pit