Nghiên cứu khoa học công nghệ<br />
<br />
ĐIỀU KHIỂN BÁM QUỸ ĐẠO CHO HỆ BALL & PLATE<br />
DỰA TRÊN SMC KẾT HỢP PI<br />
Nguyễn Thị Tuyết Hoa, Trần Thiện Dũng*<br />
Tóm tắt: Hệ thống bóng trên đĩa (Ball & Plate system – B&P) có đặc trưng phi<br />
tuyến, hơn nữa các thành phần bất định trong mô hình hệ thống như ma sát giữa<br />
viên bi và đĩa phẳng, hiệu ứng Criolis và lực ly tâm, sự không chính xác trong tham<br />
số hệ thống, ... làm cho chất lượng điều khiển giảm đi đáng kể. Bài báo này đưa ra<br />
một cấu trúc điều khiển bám quỹ đạo cho hệ phi tuyến B&P dựa trên nguyên lý của<br />
điều khiển trượt. Để loại bỏ hiện tượng rung (chattering) trong hệ thống, một bộ<br />
điều khiển tỷ lệ - tích phân (PI) được đưa vào. Các thành phần bất định cũng được<br />
ước lượng và bù bởi bộ điều khiển. Kết quả mô phỏng cho thấy cấu trúc đề xuất<br />
đảm bảo độ chính xác quỹ đạo và khả năng bền vững với bất định mô hình.<br />
Từ khóa: Ball & Plate system (Hệ bóng trên đĩa); Điều khiển trượt; Ước lượng tham số; Điều khiển bám.<br />
<br />
1. ĐẶT VẤN ĐỀ<br />
Hệ thống Ball & Plate bao gồm đĩa phẳng và một viên bi lăn tự do trên đó. Đĩa phẳng<br />
có thể quay quanh hai trục vuông góc làm viên bi chuyển động. Vị trí viên bi được điều<br />
chỉnh bằng cách thay đổi góc nghiêng của mặt phẳng. Đây được xem là phiên bản mở rộng<br />
của hệ Ball & Beam (bóng và thanh), có thể thiết kế theo một số cách khác nhau [3].<br />
Tuy cấu tạo đơn giản, nhưng B&P lại là một hệ đa biến và có tính phi tuyến điển hình. Vì<br />
vậy nó được sử dụng nhiều trong phòng thí nghiệm để nghiên cứu, thử nghiệm các thuật<br />
toán điều khiển [4]. Một số phương pháp dựa trên điều khiển tuyến tính [9], [10] xấp xỉ mô<br />
hình của hệ B&P thành dạng tuyến tính, sau đó áp dụng các thuật toán của điều khiển tuyến<br />
tính như PID, phản hồi trạng thái gán điểm cực, tối ưu LQR, ... và cho đáp ứng đầu ra khá<br />
tốt. Tuy nhiên, do việc xấp xỉ và không tính đến các yếu tố bất định: ma sát giữa viên bi và<br />
mặt phẳng, hiện tượng backlash, tham số không chính xác, ... mà chất lượng điều khiển của<br />
các phương pháp này không được như mong đợi. Điều khiển phi tuyến cho phép nâng cao<br />
chất lượng và khả năng bền vững với các bất định trong dải rộng vận hành. Trong [11],<br />
phương pháp điều khiển cuốn chiếu (backstepping) được sử dụng, tuy vậy lựa chọn các hàm<br />
Lyapunov rất phức tạp và gây khó khăn cho việc thiết kế. Trong [3],[4] sử dụng điều khiển<br />
trượt (Sliding Mode Control) nâng cao đáng kể khả năng bền vững với các bất định. Tuy<br />
nhiên, điều này lại gây ra hiện tượng rung (chattering) trong hệ.<br />
Cấu trúc điều khiển đề xuất gồm 2 mạch vòng phản hồi [8]. Trong cùng là mạch vòng<br />
điều khiển vị trí cho động cơ DC Servo, mạch vòng ngoài điều khiển vị trí của viên bi trên<br />
đĩa. Đầu ra của bộ điều khiển vị trí viên bi chính là góc nghiêng của mặt phẳng, được đưa<br />
tới làm lượng đặt cho mạch vòng trong, điều khiển động cơ bám theo lượng đặt này. Tốc<br />
độ của mạch vòng trong được chọn cao hơn mạch vòng ngoài, có thể bỏ qua động học của<br />
nó so với động học của viên bi.<br />
Chất lượng hệ thống chủ yếu phụ thuộc vào mạch vòng ngoài, được thiết kế dựa trên<br />
điều khiển trượt. Hiện tượng rung xuất hiện do việc sử dụng các tín hiệu điều khiển<br />
không liên tục (discontinous). Bài báo sử dụng luật điều khiển liên tục dạng tỷ lệ - tích<br />
phân (PI) để tránh gây rung cho hệ thống mà vẫn tận dụng được khả năng bền vững của<br />
điều khiển trượt. Bằng việc đưa thêm vào ước lượng của thành phần bất định, đầu ra sẽ ít<br />
chịu tác động của những thành phần này. Các ước lượng được thực hiện dựa trên quan<br />
sát trạng thái.<br />
Trong phần 2, mô hình toán của hệ thống được mô tả, cấu trúc điều khiển đề xuất được<br />
trình bày trong phần 3. Phần 4 là kết quả mô phỏng bộ điều khiển bám quỹ đạo.<br />
<br />
<br />
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san ACMEC, 07 - 2017 209<br />
Điều khiển – Cơ điện tử - Truyền thông<br />
2. MÔ HÌNH TOÁN HỆ BALL & PLATE<br />
Sử dụng phương pháp Euler – Lagrange, mô hình phi tuyến cho hệ Ball & Plate được<br />
cho bởi hệ phương trình sau [5]:<br />
<br />
Ib<br />
(m 2 )px mpx mpy<br />
2<br />
mg sin 0<br />
r<br />
Ib 2<br />
(m 2 )py mpy mpx mg sin 0 (1)<br />
r<br />
<br />
(I P I b mpx ) 2mpx px mpx py mpx py mpy px mgpx cos x<br />
2<br />
<br />
(I I mp 2 ) 2mp p mp p mp p mp p mgp cos <br />
P b y y y x y y x x y y y<br />
<br />
Với các thông số trong mô hình:<br />
<br />
Thông số Ý nghĩa Thông số Ý nghĩa<br />
m Khối lượng viên bi β Góc nghiêng theo trục Y<br />
r Bán kính viên bi τx Moment động cơ trên trục X<br />
px Vị trí viên bi theo trục X τy Moment động cơ trên trục Y<br />
py Vị trí viên bi theo trục Y Ip Moment quán tính của đĩa<br />
α Góc nghiêng theo trục X Ib Moment quán tính của viên bi.<br />
g Gia tốc trọng trường<br />
<br />
Xuất phát từ cấu trúc điều khiển 2 mạch vòng [8], với mạch vòng điều khiển vị trí động<br />
cơ bên trong, để đơn giản có thể coi đầu vào của hệ thống là các góc α, β thay vì τx τy.<br />
Phương trình mô tả hệ Ball & Plate:<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 1. Mô hình hệ thống Ball & Plate.<br />
Ib<br />
(m 2 )px mpx mpy<br />
2<br />
mg sin 0<br />
r (2)<br />
(m I b )p mp 2 mp <br />
mg sin 0<br />
y y x<br />
r2<br />
Mô hình B&P có thể được viết lại như sau:<br />
px b sin fx<br />
(3)<br />
py b sin fy<br />
Trong đó: f(x ,y ) là các thành phần bất định trong mô hình: ma sát, lực Criolis, ly tâm,<br />
sai lệch tham số, ...<br />
<br />
<br />
210 N. T. T. Hoa, T. T. Dũng, “Điều khiển bám quỹ đạo… dựa trên SMC kết hợp PI.”<br />
Nghiên cứu khoa học công nghệ<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 2. Cấu trúc 2 mạch vòng phản hồi.<br />
3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN BÁM QUỸ ĐẠO<br />
Xét riêng mô hình hệ Ball & Plate theo phương X:<br />
px b.u f , u sin (4)<br />
Giả thiết: Thành phần bất định f(t) bị chặn và đã biết. Tức là tồn tại một hằng số:<br />
0 F sao cho f (t ) F . Ngoài ra, b là một tham số hằng và đã biết.<br />
3.1. Thiết kế điều khiển trượt<br />
Bộ điều khiển trượt được sử dụng để đảm bảo khả năng bám quỹ đạo cũng như tính bền<br />
vững với sai lệch mô hình. Gọi quỹ đạo đặt của viên bi theo trục X là rx, ta có, sai lệch<br />
bám: e px rx . Sử dụng biến trượt dạng sau:<br />
z ce e (5)<br />
Từ nguyên lý của điều khiển trượt, nếu trạng thái của hệ x (t ) có thể đạt tới mặt trượt<br />
z (t ) 0 trong khoảng thời gian hữu hạn. Khi đó, hệ (4) sẽ bám tiệm cận theo tín hiệu đặt<br />
rx. Sử dụng tín hiệu điều khiển:<br />
<br />
u b 1 ueq v b 1 rx c.e v (6)<br />
1 2<br />
Chọn hàm Lyapunov: V z (7)<br />
2<br />
Từ (5) và (6) ta có:<br />
z ce e ce (bu f ) rx<br />
(8)<br />
<br />
z ce bb 1 rx c.e v f rx v f<br />
<br />
Lấy đạo hàm của V theo thời gian:<br />
V zz (v f ).z vz F z (9)<br />
Nếu chọn tín hiệu điều khiển phụ:<br />
v k . sign(z ) (10)<br />
Kết hợp với (9), ta có: V (k F ) z (11)<br />
Để quỹ đạo trạng thái x (t ) tiến tới mặt trượt z (t ) 0 trong khoảng thời gian hữu hạn<br />
<br />
[2], cần thiết phải có: V V z (12)<br />
2<br />
<br />
Kết hợp với (11) ta được: V (k F ) z z k F (13)<br />
2 2<br />
Như sẽ được chỉ ra trong phần mô phỏng, hệ (4) với bộ điều khiển trượt (6) có sai lệch<br />
<br />
bám e t tiệm cận tới 0. Tuy nhiên, do trong (10) sử dụng hàm sign(z) gây ra hiện tượng<br />
rung (chattering), điều này là không chấp nhận được do trong thực tế mạch vòng vị trí của<br />
động cơ DC Servo luôn tồn tại quán tính, không thể đáp ứng tức thời các thay đổi nhanh<br />
của tín hiệu điều khiển.<br />
<br />
<br />
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san ACMEC, 07 - 2017 211<br />
Điều khiển – Cơ điện tử - Truyền thông<br />
3.2. Điều khiển trượt kết hợp PI và bộ quan sát trạng thái<br />
Ta có đạo hàm theo thời gian của biến trượt z (t ) như sau (8):<br />
z v f (14)<br />
Rõ ràng (14) là một hệ tuyến tính bậc nhất, với đầu vào là biến điều khiển v(t ) , đầu ra<br />
chính là biến trượt z (t ) . Thành phần f (t ) được coi là nhiễu bất định tác động vào hệ<br />
thống.<br />
Bài toán đặt ra: Thiết kế bộ điều khiển ổn định cho hệ tuyến tính (14) với sự xuất hiện<br />
của thành phần nhiễu bất định f (t ) .<br />
K <br />
Để đơn giản, sử dụng luật điều khiển PI:<br />
s <br />
<br />
v K P I . zd z (15)<br />
<br />
Trong đó: KP: hệ số tỷ lệ, KI: hệ số tích phân, zd: giá trị đặt của biến trượt.<br />
Với bộ điều khiển (15) và zd 0 , hệ (14) trở thành:<br />
K s<br />
z K P i .z f z 2 f (16)<br />
s s K s K<br />
P I<br />
<br />
z (s ) s<br />
Các hệ số: KP, KI được chọn sao cho hàm truyền Gz 2 là ổn định.<br />
f (s ) s K P s K I<br />
Chọn: K P 2n ; K I n2 . Nhờ khâu tích phân, sai lệch tĩnh được triệt tiêu trong<br />
trường hợp nhiễu f (t ) const .<br />
Hơn nữa, bất định f (t ) có thể được bù một phần lớn bởi giá trị ước lượng của nó là<br />
fˆ(t ) . Luật điều khiển PI có bù được viết lại như sau:<br />
K <br />
v K P i .z fˆ (17)<br />
s <br />
<br />
s<br />
Khi đó, hệ (16) trở thành: z f (18)<br />
s KPs Ki<br />
2<br />
<br />
<br />
<br />
Với: f f fˆ là sai lệch ước lượng của thành phần bất định.<br />
<br />
Bộ ước lượng được thiết kế để có được: f(t ) f (t ) nên f (t ) 0 , khi đó biến trượt<br />
z (t ) 0 . Do Gz là ổn định, nên với sai lệch ước lượng: f (t ) bị chặn thì z (t ) bị chặn.<br />
Theo [1] thì sai lệch bám e(t ) cũng sẽ bị chặn, đảm bảo được sai lệch bám luôn nằm trong<br />
giới hạn cho phép.<br />
Việc ước lượng bất định f (t ) có thể được thực hiện dựa trên bộ quan sát trạng thái.<br />
Viết lại (14):<br />
z 0 1 z 1 <br />
. v (19)<br />
f 0 0 f 0 <br />
Giả thiết rằng f(t ) 0 , ta có bộ quan sát Luenberger cho hệ (19):<br />
<br />
<br />
<br />
212 N. T. T. Hoa, T. T. Dũng, “Điều khiển bám quỹ đạo… dựa trên SMC kết hợp PI.”<br />
Nghiên cứu khoa học công nghệ<br />
<br />
d <br />
zˆ 0 1 zˆ 1 l1 <br />
dt . ˆ v z zˆ (20)<br />
d fˆ 0 0 f 0 l 2 <br />
dt <br />
Các tham số l1, l2 được thiết kế theo phương pháp gán điểm cực.<br />
Bằng việc thay thế (10) bởi một hàm điều khiển trơn (17), có thể loại bỏ hiện tượng<br />
chattering mà vẫn đảm bảo được độ chính xác quỹ đạo cũng như tính bền vững đối với<br />
nhiễu và bất định.<br />
Nhận định trên sẽ được kiểm chứng thông qua các kết quả mô phỏng dưới đây.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 3. Cấu trúc điều khiển SMC kết hợp PI cho Ball & Plate.<br />
4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG<br />
4.1. Số liệu đầu vào<br />
Tham số hệ: m = 0,11(kg); g = 9,81(m/s2); r = 0,02(m); Ib = 1,76.10-5(kgm2).<br />
Thông số bộ điều khiển: c 1, 5; k 1; 0, 7; n 20; l1 300; l 2 20000 .<br />
Viên bi được điều khiển bám theo quỹ đạo là đường tròn với bán kín 0,1(m) trong thời<br />
gian 10(s).<br />
2 2<br />
Tín hiệu đặt vị trí cho 2 trục X, Y là: rx 0, 1. 0, 1 cos t và ry 0, 1.(sin t) .<br />
10 10<br />
Thành phần bất định được giả sử là: fx (t ) 0, 2 sin(15t ) 0, 6 1(t 6) 0, 7 px và:<br />
fy (t ) 0, 2 sin(15t ) 0, 8 1(t 4) 1 px<br />
4.2. Kết quả mô phỏng<br />
a) Bộ điều khiển trượt truyền thống<br />
Sử dụng luật điều khiển (10), ta có kết quả mô phỏng như sau:<br />
X trajectory Control Output<br />
0.5<br />
0.3<br />
rx<br />
0.2<br />
Anpha (rad)<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
px<br />
px (m)<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
0<br />
0.1<br />
<br />
0<br />
<br />
-0.1 -0.5<br />
<br />
0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 1 2 3 4 5 6 7 8<br />
<br />
Y trajectory<br />
0.3 0.5<br />
<br />
0.2<br />
Beta (rad)<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
0.1<br />
py (m)<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
0<br />
0<br />
ry<br />
-0.1 py<br />
-0.2 -0.5<br />
<br />
0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 1 2 3 4 5 6 7 8<br />
Time (s) Time (s)<br />
<br />
<br />
Hình 4. Bộ điều khiển SMC truyền thống:<br />
a) Đáp ứng đầu ra, b)Tín hiệu điều khiển.<br />
<br />
<br />
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san ACMEC, 07 - 2017 213<br />
Điều khiển – Cơ điện tử - Truyền thông<br />
Nhận xét: Bộ điều khiển trượt đảm bảo độ chính xác quỹ đạo, bền vững với nhiễu<br />
cũng như các thành phần bất định trong mô hình. Sau thời gian quá độ, đáp ứng đầu ra đã<br />
bám theo quỹ đạo đặt cho trước. Tuy nhiên, tín hiệu điều khiển bị rung với tần số rất lớn<br />
(hiện tượng chattering). Thực tế, không thể sử dụng tín hiệu điều khiển dạng này.<br />
b) Điều khiển trượt kết hợp PI và quan sát trạng thái<br />
Sử dụng luật điều khiển (17), ta có các kết quả mô phỏng như sau:<br />
fx Obs erver fy Obs erver<br />
2 2<br />
<br />
<br />
1.5 fx ^ 1.5<br />
fx<br />
<br />
1 1<br />
<br />
<br />
0.5 0.5<br />
<br />
<br />
0 0<br />
fx<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
fy<br />
-0.5 -0.5<br />
<br />
<br />
-1 -1<br />
<br />
<br />
-1.5 -1.5<br />
<br />
<br />
-2 -2<br />
0 2 4 6 8 0 2 4 6 8<br />
Time (s ) Time (s )<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 5. Kết quả quan sát fx (a) và fy (b).<br />
X trajectory Control Output<br />
2<br />
0.3<br />
rx 1.5<br />
0.2 px<br />
Anpha (rad)<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
1<br />
px (m)<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
0.1<br />
0.5<br />
0<br />
0<br />
-0.1<br />
-0.5<br />
0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 1 2 3 4 5 6 7 8<br />
<br />
Y trajectory<br />
0.3 1.5<br />
<br />
0.2 1<br />
0.1<br />
Beta (rad)<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
0.5<br />
py (m)<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
0<br />
ry 0<br />
-0.1<br />
py -0.5<br />
-0.2<br />
-1<br />
0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 1 2 3 4 5 6 7 8<br />
Time (s) Time (s)<br />
<br />
Hình 6. SMC kết hợp PI: a) Đáp ứng đầu ra, b) Tín hiệu điều khiển.<br />
Nhận xét: Kết quả mô phỏng cho thấy bộ điều khiển trượt kết hợp PI và quan sát trạng<br />
thái có khả năng bám quỹ đạo tốt khi có sự xuất hiện của nhiễu và bất định. Các thành<br />
phần bất định được ước lượng khá tốt bởi bộ quan sát, cho phép nâng cao tính bền vững<br />
của hệ. Đặc biệt, tín hiệu điều khiển có dạng trơn, loại bỏ được hiện tượng rung của bộ<br />
điều khiển trượt truyền thống.<br />
5. KẾT LUẬN<br />
Bài báo trình bày một nghiên cứu về điều khiển bám quỹ đạo cho hệ thống phi tuyến<br />
Ball & Plate với mô hình có chứa thành phần bất định. Dựa trên nguyên lý của điều khiển<br />
trượt, một luật điều khiển liên tục sử dụng thuật toán PI được đưa vào thay thế cho luật<br />
điều khiển gián đoạn của điều khiển trượt truyền thống. Điều này giúp loại bỏ hiện tượng<br />
rung mà vẫn giữ được tính bền vững của hệ. Các thành phần bất định cũng được ước<br />
lượng và được bù lại bởi bộ điều khiển. Kết quả mô phỏng cho thấy khả năng chống rung<br />
cũng như tính bền vững với bất định tham số của thuật toán đề xuất.<br />
TÀI LIỆU THAM KHẢO<br />
[1]. J.J.E. Slotine, Weiping Li, "Applied Nonlinear Control", Prentice-Hall International<br />
(1991), pp. 276-307.<br />
[2]. Y. Shtessel et al, "Sliding Mode Control and Observation", Springer New York<br />
(2014), pp. 1-104.<br />
<br />
<br />
214 N. T. T. Hoa, T. T. Dũng, “Điều khiển bám quỹ đạo… dựa trên SMC kết hợp PI.”<br />
Nghiên cứu khoa học công nghệ<br />
[3]. L. Hongwei, L. Yanyang, "Trajectory tracking sliding mode control of ball and<br />
plate system", 2nd International Asia Conference on Informatics in Control,<br />
Automation and Robotics (2010), pp. 142-145.<br />
[4]. L. Dejun, T. Yantao, D. Huida , "Ball and Plate Control System based on sliding<br />
mode control with uncertain items observe compensation", IEEE International<br />
Conference on Intelligent Computing and Intelligent Systems (ICIS 2009),<br />
Shanghai, China (2009), pp. 216-221.<br />
[5]. S. Awtar et al , "Mechatronic Design of Ball on Plate Balancing System",<br />
Mechatronics, Vol.12 (2002), pp. 217-228.<br />
[6]. J.H. Park; Y.J. Lee, "Robust visual servoing for motion control of the ball on a<br />
plate", Mechatronics, Vol.13 (2003), pp. 723-738.<br />
[7]. Y. Wang, M. Sun, "A novel disturbance-observer based friction compensation<br />
scheme for ball and plate system", ISA Transactions, Vol.53 (2014), pp. 671-678.<br />
[8]. H. Wang, Y. Tian, "Tracking Control of Ball and Plate System with a Double<br />
Feedback Loop Structure", IEEE 2007 International Conference on Mechatronics<br />
and Automation - Harbin, China (2007), pp. 1114-1119.<br />
[9]. A. Jadlovská, Š. Jajčišin, R. Lonščák, "Modelling and PID Control Design of<br />
Nonlinear Educational Model Ball & Plate", 17th International Conference on<br />
Process Control 2009, Pleso, Slovakia (2009), pp. 475-483.<br />
[10]. M. Oravec, A. Jadlovska, "Optimal control of the mechatronicalal laboratory model<br />
B&P_KYB", Electrical Engineering and Informatics 5: Proceedings of the Faculty of<br />
Electrical Engineering and Informatics of the Technical University of Košice (2014)<br />
pp. 1-7.<br />
[11]. Wang Hongrui, Tian Yantao, "Nonlinear Control for Output Regulaton of Ball and<br />
Plate System", Proceedings of the 27th Chinese Control Conference,<br />
Kunming,Yunnan, China (2008), pp. 382-387.<br />
ABSTRACT<br />
TRACKING CONTROL OF BALL & PLATE SYSTEM BASED ON SMC & PI<br />
The Ball & Plate system (B&P) is nonlinear, and the uncertainties in the system<br />
model such as friction between ball and plate, Criolis effect, centrifugal force,<br />
incorrectness in system's parameter, ... make quality control significantly reduced.<br />
This paper presents a structure for tracking control of the B&P nonlinear system<br />
based on sliding control. To eliminate the chattering in the system, a proportional-<br />
integral controller (PI) is introduced. Uncertain components are estimated and<br />
compensated by the controller. The simulation results show that the proposed<br />
structure ensures accurate tracking and robustness with model uncertainty.<br />
Keywords: Ball & Plate system, sliding control, parameter observer, tracking control.<br />
<br />
Nhận bài ngày 20 tháng 5 năm 2017<br />
Hoàn thiện ngày 10 tháng 07 năm 2017<br />
Chấp nhận đăng ngày 20 tháng 07 năm 2017<br />
<br />
Địa chỉ: Khoa Điện tử, Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp – Đại học Thái Nguyên.<br />
* Email : tranthiendung90@gmail.com.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san ACMEC, 07 - 2017 215<br />