BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ HOÀNG LỆ THỦY THIẾT KẾ LUẬT ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN DỰA TRÊN PHƯƠNG PHÁP BACKSTEPPING CHO HỆ NÂNG TỪ TRƯỜNG LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuât điêu khiên và tự đông hóa Hà Nôi - Năm 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ HOÀNG LỆ THỦY THIẾT KẾ LUẬT ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN DỰA TRÊN PHƯƠNG PHÁP BACKSTEPPING CHO HỆ NÂNG TỪ TRƯỜNG Chuyên ngành: Kỹ thuât điêu khiên và tự đông hóa Mã số: 8.52.02.16 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC Cán bô hướng dẫn chính: TS Ngun Xn Chiêm Cán bơ hướng dẫn phụ: TS Lê Trọng Nghĩa Hà Nôi - Năm 2019 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ Cán chấm phản biện 1: (Học hàm, học vị, họ tên) Cán chấm phản biện 2: (Học hàm, học vị, họ tên) Luận văn thạc sĩ bảo vệ tại: HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ Ngày tháng năm 2020 Tôi xin cam đoan: Những kết nghiên cứu trình bày luận văn hồn tồn trung thực, tôi, không vi phạm điều luật sở hữu trí tuệ pháp luật Việt Nam Nếu sai, tơi hồn tồn chịu trách nhiệm trước pháp luật TÁC GIẢ LUẬN VĂN Hoàng Lệ Thủy MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa: Bản xác nhận chỉnh sửa luận văn: Bản cam đoan: Mục lục: Tóm tắt luận văn: Danh mục ký hiệu, viết tắt, bảng, hình vẽ (nếu có) MỞ ĐẦU……………………………………………………… …………………1 Chương TỔNG QUAN VỀ HỆ NÂNG TỪ TRƯỜNG VÀ XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN CHO HỆ NÂNG TỪ …………………………………………… 1.1 Giới thiệu hệ nâng từ trường……………………………………………… 1.2 Lịch sử phát triển hệ nâng từ trường……………………………………… 1.3 Các dạng vật liệu từ……………………………………………………… 1.4 Cơ sở khoa học từ trường.…………………………………………………… 1.5 Khái niệm nâng từ trường…………………………………………… 1.6 Các dạng nâng từ trường……………………………………………………… 1.7 Mơ hình tốn học hệ nâng từ trường……………………………………… hình hóa mơ hình hệ nâng từ trường mô phỏng Matlab – Simulink…………………………………………………………………….……20 ết luận chương 1………………………………………………………….…22 Chương TỔNG QUAN VỂ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BACKSTEPPING VÀ TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ NÂNG TỪ TRƯỜNG……………………………………………………………………… 23 2.1 Phương pháp thiết kế cuốn chiếu (backstepping)…………………………… 23 2.1.1 Cuốn chiếu hệ truyền thẳng qua khâu tích phân……………… ………24 2.1.2 Ćn chiếu hệ truyền thẳng qua khâu tuyến tính…………….……… 27 2.1.3 Ćn chiếu hệ truyền thẳng qua khâu phi tuyến……………….………35 2.2 Phương pháp backstepping cho hệ truyền ngược…………………….……….43 2.2.1 Phương pháp thiết kế chung………………………………….…………43 2.2.2 Thiết kế điều khiển cuốn chiếu nhờ phép biến đổi vi phơi….…….…45 2.2.3 Xây dựng mơ hình truyền ngược có tính tác động nhanh………………50 2.3 Tởng hợp luật điều khiển cho hệ thống nâng từ sử dụng hệ truyền ngược có tính tác động nhanh…………………………………………………………… …51 2.3.1 Sơ đồ khới điều khiển hệ nâng từ trường………………………………51 2.3.2 Luật điều khiển có tính tác động nhanh………………………… ……52 2.3.3 Kết mơ phỏng đánh giá luật điều khiển phi tuyến tác động nhanh cho hệ nâng từ…………………………………………………………….….53 2.4 Kết luận chương 2…………………………………………………………….57 Chương TỔNG HỢP ĐIỀU KHIỂN BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ NÂNG TỪ TRƯỜNG……… ……… 3.1 Thiết kế mơ hình hệ thớng nâng từ trường……………………………………58 3.1.1 Mơ hình phần cứng hệ thớng nâng từ trường……………………….… 58 3.1.2 Lưu đồ thuật toán……………………………………………………….60 3.1.3 Cấu trúc điều khiển hệ thống nâng từ trường…………………,……… 60 3.1.4 Các thành phần mơ hình…………………………….……….61 3.2 Xây dựng chương trình điều khiển cho hệ thớng nâng từ trường……… ……66 3.3 Thử nghiệm hệ thống nâng từ trường đánh giá kết quả……………….… 67 3.3.1 Thử nghiệm hệ thống nâng từ trường………………………………… 67 3.3.2 Đánh giá kết thử nghiệm hệ thống nâng từ trường………… …… 70 3.4 Kết luận chương 3……………………………………….…………….…… 70 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ……………………………… …………….71 Kết luận……………………………………….……………………………… 71 Khuyến nghị……………………………………….……………………………71 TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………… … …………….73 TÓM TẮT LUẬN VĂN Họ tên học viên: Hoàng Lệ Thủy Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Khố:30 Cán hướng dẫn chính: TS Nguyễn Xuân Chiêm Cán hướng dẫn phụ : TS Lê Trọng Nghĩa Tên đề tài: Thiết kế luật điều khiển phi tuyến dựa phương pháp backstepping cho hệ nâng từ trường Tóm tắt: Luận văn trình bày tởng quan hệ nâng từ trường xây dựng mơ hình tốn cho hệ nâng từ Hệ thớng nâng từ nhiều cơng trình ngồi nước nghiên cứu mơ hình hệ thớng trở thành mơ hình điển hình nghiên cứu phương pháp luật điều khiển lý thuyết điều khiển phi tuyến điều khiển thông minh Cùng với nghiên cứu ứng dụng phương pháp điều khiển backstepping thiết kế luật điều khiển cho hệ nâng từ trường Trình bày đánh giá phương pháp thiết kế cuốn chiếu phương pháp backstepping cho hệ truyền ngược Trọng tâm luận văn tổng hợp luật điều khiển cho hệ thống nâng từ nhờ phép biến đởi vi Sau tiến hành mơ phỏng đánh giá luật điều khiển phi tuyến tác động nhanh cho hệ nâng từ DANH MỤC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 Dây mang dịng điện phát từ trường điểm P…………………….6 Hình 1.2 Lực từ tác dụng điện từ P định…………………………… Hình 1.3 Hai mơ hình khác khái niệm đào tạo MagLev [36]…………9 Hình 1.4 Ổ đỡ từ với điều khiển cảm biến vị trí [37]…………………… Hình 1.5 Trung tâm bay không gian Marshall Huntsvhill, Alabama đường ray dài 15 mét [38]…………………………………………………………………10 Hìn 1.6 U.S Navy model MagLev catapult [39]………………………………11 Hình 1.7 Tua bin gió MagLev theo đề xuất Viện nghiên cứu lượng Quảng Châu [17]……………………………………………………………………….11 Hình 1.8 Khamesee MagLev microrobot [40]………………………………….12 Hình 1.9 Mơ hình hệ nâng vật từ trường………………………………….13 Hình 1.10 Lực rịng tác dụng lên bóng kim loại……………………………13 Hình 1.11 Hệ thớng từ trường bảo thủ………………………………………… 14 Hình2.1 : Đới tượng truyền thẳng với khâu tích phân khâu phi tuyến affine mắc nới tiếp ………………………………………………………………18 Hình 2.2 : Đối tượng phi tuyến truyền thẳng với khâu tuyến tính khâu phi tuyến affine mắc nới tiếp…………………………………………………….21 Hình 2.3: Hệ gồm hai khâu phi tuyến mắc hồi tiếp…………………………… 28 Hình 2.4: Giải thích khái niệm hệ FP FSP……………………………………30 Hình 2.5: Đới tượng nghiên cứu phương pháp cuốn chiếu qua khâu phi tuyến…………………………………………………………………………… 30 Hình 2.6: Minh họa định lý 2.6………………………………………………… 31 Hình 2.7: Bộ điều khiển GAS tìm cịn điều khiển tuyến tính hóa xác…………………………………………………………………………37 Hình 2.8: Bộ điều khiển GAS phép đởi biến tìm tuyến tính hóa xác đới tượng phi tuyến truyền ngược………………………………………….39 [22] , Acessed online 27/5/2015 [23] ,Acessed online 27/5/2015 [24] Jayawant.B, “Review Lecture.Electromagnetic Suspension and Levitation Techniques”, Proceeding of the Royal Society of London.series”, Mathematical and Physical Science, Vol.416, pp 245-320, 1988 [25] Khamesee, M.B et al "Design and control of a microrobotic system using magnetic levitation," Mechatronics, IEEE/ASME Transactions on , vol.7, no.1, pp.1,14, Mar 2002 [26] ,Acessed online 27/5/2015 [27] Vinodh Kumar E, Jovitha Jerome (2013) “LQR based optimal tuning of PID controller for trajectory tracking of Magnetic Levitation System,” Procedia Engineering 64, 254 – 264 [28] Marjan Golob, Boris Tovornik (2003) “Modeling and control of the magnetic suspension system,” ISA Transaction 42, 89-100 [29] Abhishek Nayak “Controller Design for Magnetic Levitation System” Abhishek Nayak Department of Electrical Engineering National Institute of Technology, Rourkela Rourkela-769008, Odisha, India 2013 [30] Nguyen Xuan Chiem, Hai Nguyen Phan Design controler of the quasi-time optimization approach for stabilizing and trajectory tracking of inverted pendulum MATEC Web of Conferences Volume 226, 2018 XIV International Scientific-Technical Conference “Dynamic of Technical Systems” (DTS-2018) [31] Hai N Phan, Chiem X Nguyen Building embedded quasi-time-optimal controller for two-wheeled self-balancing robot MATEC Web Conf.Volume 132, 2017XIII International Scientific-Technical Conference “Dynamic of Technical Systems” (DTS-2017) [32] Nguyen X.C Phan N.H Hoang D.L Truong D.K Kien L M, Thuy X.P Building 71 quasi-time-optimal control laws for ball and beam system 2019 3rd International Conference on Recent Advances in Signal Processing, Telecommunications & Computing (SigTelCom) [33] Design of an embedded control system based on the quasi – time optimal control law when limiting the control signal for the balland beam system C X Nguyen, H N Phan, A D Lukianov, T D Pham, T T Nguyen, and H T Nguyen [34] Design Modeling and synthesizing quasi – time control laws for two degrees of freedom robotic arm C X Nguyen, H N Phan, L D Hoang, H T Nguyen, KH D Truong, and N H V Nguyen Tài liệu tham khảo Tiếng Nga [35] Чан нгуен нгок Синтез законов квазиоптимального по быстродействию управления объектами высокого порядка ДиссертацияРостов-на-Дону – 2007 [36] Нейдорф Р.А, Нелинейное ускорение динамических процессов управления объектами первого порядка с учетом ограниченности воздействий, Вестник ДГТУ Управление и диагностика в динамических системах, 13-21 (1999) [37] Фан Н.Х., Методы распознавания управляемых жордановых форм динамических систем и их декомпозиции на жордановы подсистемы в задачах синтеза квазиоптимальных по быстродействию законов управления, Дисс на соиск уч степ канд техн наук 05.13.01, Ростов-наДону, (2008) [38] Чан н.н., Синтез законов квазиоптимального по быстродействию управления объектами высокого порядка, дисс На соиск Уч Степ Канд Техн Наук 05.13.01, ростов-на-дону, (200.) [39] М.Н Мохсен, Р.А.Нейдорф Синтез законов квазиоптимального управления технологическими объектами первого порядка Электронный научный журнал: Инженерный вестник Дона, №1 (2015) 72 PHỤ LỤC Code chương trình điêu khiên nhúng Arduino IDE //=========================================================| // Phịng thí nghiệm - Bộ mơn tự động kỹ thuật tính | // Khoa Kỹ thuật điều khiển- Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự | // -| // Program Magnetic Levitator cân tác động nhanh | // Luận Văn tốt nghiếp cao học | // THIẾT KẾ LUẬT ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN DỰA TRÊN | // PHƯƠNG PHÁP BACKSTEPING CHO HỆ NÂNG TỪ TRƯỜNG | //=========================================================| // Cấu hình chân giao tiếp int anaPin = A1; // Arduino Analogic Pin A1- nhận tín hiệu từ mơ dul cảm biến Hall 49e int digPin = 5; // Arduino Digital Pin 5- Đưa xung điều khiển mạch công suất int anaVal = 0; // Analogic Valie - biến gán giá trị đọc từ ADC int anaVal_pre=0; // -| // tham sớ mơ hình hệ thống nâng từ luật điều khiển cận tác động nhanh float m=0.001; // Khối lượng viên bi float R=2.4; // điện trở nam châm điện float L1=0.015; // điện cảm cuộn dây nam châm điện float k=0.0000000014; // số lực từ float g=9.8; // gia tốc trọng trường // -| // tham số luật điều khiển cận tác động nhanh float v2=1, v1=10, f1=0.5, f2=0.5; // tham sớ mơ hình cận tác động nhanh float x1, x1_pre,x2, h; // Biến trạng thái mơ hình biến phụ float xs=510; // giá trị dặt ban đầu 73 float output = 0; int digVal = 0; // -| void setup() { // Levitator initialization Begin; Serial.begin(115200); Serial.println("Levitator by PTN-Bộ môn TD&KTT"); Serial.println("Starting "); // Digital Pins Work Mode Setup; pinMode(digPin, OUTPUT); // Levitator initialization End; Serial.println("Started."); } // -| void loop() // PID { // Hall Sensor Read (Magnetic Field Intensity); anaVal = analogRead(A1); //bộ lọc thông thấp anaVal=0.8*anaVal+0.2*anaVal_pre; // gán biến trạng thái x1 x2 x1=anaVal; x2=-x1+x1_pre; x1_pre=x1; //Hàm tinh mẫu hàm Heidof h=sqrt((x1 - xs)*(x1 - xs)+ f1*f1); output=((m)/(k*x1*x1))*(g+v1/(h*h*h)+x2/f2+v1*(-x1 + xs)/(h*f2)); // Tính mức cấp chân PWM if ( output > 0) { digitalWrite(digPin, HIGH); } else { digitalWrite(digPin, LOW); } 74 // Giới hạn phần thời gian cấp if (output 100) output=100; delayMicroseconds(output); Serial.println( output); } //=========================================================| Giao diện phần mêm Arduino IDE Chương trình Arduino IDE có nhiều phiên phù hợp với hệ điều hành máy tính bao gồm Windown, Mac OS hay Linux Đới với Windown có cài đặt (.exe) Zip, đới với Zip cần giải nén chạy chương trình khơng cần cài đặt Sau cài đặt xong giao diện chương trình sau: Hình 2.18 Arduino IDE Arduino IDE nơi để soạn thảo code, kiểm tra lỗi upload code cho arduino a) Arduino Toolbar: có sớ button chức chúng sau : 75 Hình 2.19 Arduino Toolbar ØVerify : kiểm tra code có lỗi hay khơng Ø Upload: nạp code soạn thảo vào Arduino Ø New, Open, Save : Tạo mới, mở Save sketch Ø Serial Monitor : Đây hình hiển thị liệu từ Arduino gửi lên máy tính b) Arduino IDE Menu: Hình 2.20 IDE Menu + File menu: Hình 2.21 File menu Trong File menu nơi chứa code mẫu ví dụ như: cách sử dụng chân digital, analog, sensor … 76 Hình 2.22 Click Examples + Edit menu: Hình 2.23 Edit menu + Sketch menu: Hình 2.24 Sketch menu Trong Sketch menu : - Verify/ Compile : chức kiểm tra lỗi code 77 - Show Sketch Folder : hiển thị nơi code lưu - Add File : thêm vào Tap code - Import Library : thêm thư viện cho IDE + Tool memu: Hình 2.25 Tool memu Trong Tool menu có mục Board Serial Port Mục Board: bạn cần phải lựa chọn bo mạch cho phù hợp với loại bo mà bạn sử dụng Arduino Uno phải chọn hình: Hình 2.26: Chọn Board 78 Nếu sử dụng loại board phải chọn đúng loại board mà có sai code Upload vào chip bị lỗi Serial Port: nơi lựa chọn cổng Com Arduino Khi chúng ta cài đặt driver máy tính thơng báo tên cởng Com Arduino bao nhiêu, ta việc vàoSerial Port chọn đúng cởng Com để nạp code, chọn sai nạp code cho Arduino 79 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: Hồng Lệ Thủy Ngày tháng năm sinh:07/08/1989 Nơi sinh: Đông Anh – Hà Nội Địa liên lạc:Nhà số – Khối phố Nguyên Khê – Đơng Anh – Hà Nội Q trình đào tạo: học thạc sĩ từ 11/2018 đến Q trình cơng tác: - Từ 1/12/2013 đến 31/12/2019:giảng viên trường CĐN Kỹ thuật công nghệ - Từ tháng 1/1/2020 đến nay: giảng viên trường CĐ Việt Nam Hàn Quốc TP Hà Nội XÁC NHẬN QUYỂN LUẬN VĂN ĐỦ ĐIỆU KIỆN BẢO VỆ Họ tên tác giả luân văn: Hoàng Lệ Thủy Đê tài luân văn: Thiết kế luật điều khiển phi tuyến dựa phương pháp backstepping cho hệ nâng từ trường Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 8.52.02.16 Cán bơ hướng dẫn chính: TS Nguyễn Xuân Chiêm Cán bô hướng dẫn phụ : TS Lê Trọng Nghĩa Đã đủ điêu kiện bảo vệ trước Hôi đồng chấm luân văn CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1,2 (Ký ghi rõ họ tên) CHỦ NHIỆM KHOA (BỘ MÔN) QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Ký ghi rõ họ tên) HỌC VIÊN (Ký ghi rõ họ tên) CÁN BỘ KIỂM TRA (Ký ghi rõ họ tên) CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luân văn: Hoàng Lệ Thủy Đê tài luân văn: Thiết kế luật điều khiển phi tuyến dựa phương pháp backstepping cho hệ nâng từ trường Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 8.52.02.16 Cán bô hướng dẫn: TS Nguyễn Xuân Chiêm, TS Lê Trọng Nghĩa Tác giả, cán hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày …/…/…… với nội dung sau: Sửa lỗi tả luận văn …… ……………… ……………………………………………………………………………………… …………… …………………………………….… ……………………………………………………………………………………… .……… …………………………………………………………… Ngày … tháng … năm 20… Cán bô hướng dẫn 1,2 (Kỹ ghi rõ họ tên) TS Nguyên Xuân Chiêm Tác giả luân văn (Kỹ ghi rõ họ tên) Hoàng Lệ Thủy TS Lê Trọng Nghĩa CHỦ TỊCH HOẶC THƯ KÝ HỘI ĐỒNG (Kỹ ghi rõ họ tên) Bản kết luận hội đồng đánh giá LV Nhận xét phản biện ... cứu phương pháp luật điều khiển lý thuyết điều khiển phi tuyến điều khiển thơng minh Cùng với nghiên cứu ứng dụng phương pháp điều khiển backstepping thiết kế luật điều khiển cho hệ nâng từ trường. .. tốn cho hệ nâng từ Chương : Tổng quan điều khiển backstepping tổng hợp điều khiển cho hệ nâng từ trường Chương 3: Tổng hợp điều khiển xây dựng hệ thống điều khiển nhúng cho hệ nâng từ trường. .. Chương TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BACKSTEPPING VÀ TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ NÂNG TỪ TRƯỜNG 2.1 Phương pháp thiết kế chiếu (backstepping) Trong lý thuyết điều khiển, backstepping kỹ