Nguyễn Chí Ngôn * , Nguyễn Văn Thọ Trần Thị Hồng Phượng

* Tác giả liên hệ (ncngon@ctu.edu.vn)

Abstract

The Beam and Ball system is an unstable object that is often used to test several control algorithms. Due to the fast movement of the ball on the beam, when the sensor measures the ball position and transmits that data to the computer, the ball has moved to a new position that affects to the control quality. This study focuses on design and implementation of a real model of the beam and ball system, positioning the ball by ultrasonic and infrared sensors. Functions of positioning errors are identified and applied to compensate the sensor errors and the delay time of data transmission. An Arduino UNO R3 module is used to transmit the control signal from the computer to the driver of servo motor, and receive the measured position signal from the sensor to feed back to the control system. Experiments with RBF-PID controller and infrared sensor show that the rise time of the system archives 1.5 ± 0.3 seconds, the setting time is about 6 ± 1 seconds, the overshoot is about 11 ± 2%, and the steady-state error is eliminated.

Keywords: Arduino, PID, Beam & Ball system, Error compensator, Levenberg-Marquardt algorithm, RBF neural networks

Tóm tắt

Hệ cầu cân bằng với thanh và bóng thường được dùng để kiểm nghiệm các giải thuật điều khiển. Do tốc độ di chuyển nhanh của bóng trên thanh trượt nên khi cảm biến lấy mẫu vị trí bóng và truyền dữ liệu về đến máy tính, quả bóng đã di chuyển sang vị trí mới, ảnh hưởng đến chất lượng điều khiển. Nghiên cứu này tập trung thiết kế và chế tạo mô hình cầu cân bằng, định vị quả bóng bằng cảm biến siêu âm và hồng ngoại. Hàm bù sai số cảm biến được áp dụng để khắc phục sai số cảm biến và độ trễ do truyền dữ liệu. Module Arduino UNO R3 được sử dụng để truyền tín hiệu điều khiển từ máy tính xuống mô hình để kiểm soát động cơ và nhận tín hiệu vị trí đo được từ cảm biến để phản hồi cho máy tính. Thực nghiệm với bộ điều khiển RBF-PID và cảm biến hồng ngoại cho thấy đáp ứng của hệ có thời gian tăng đạt 1,5 ± 0,3 giây, thời gian xác lập khoảng 6 ± 1 giây, độ vọt lố khoảng 11 ± 2%, và sai số xác lập là không đáng kể.

Từ khóa: Arduino, bộ bù sai số, giải thuật Levenberg-Marquardt, hệ cầu cân bằng, PID, mạng nơ-ron RBF

Article Details

Tài liệu tham khảo

Ahmad, B., & Hussain, I. (2017). Design and hardware implementation of ball & beam setup. 2017 Fifth International Conference on Aerospace Science & Engineering (ICASE), 1-6, DOI: 10.1109/ICASE.2017.8374271.

Ali, A. T., Ahmed A. M., Almahdi H. A., Osama A. Taha., & A. Naseraldeen A. (2017). Design and Implementation of Ball and Beam System Using PID Controller. Automatic Control and Information Sciences, 3(1), 1-4. DOI: 10.12691/acis-3-1-1.

Choudhary, M. K., & Kumar, G. N. (2016). ESO Based LQR Controller for Ball and Beam System. IFAC-Papers On Line, 49(1), 607-610. DOI: https://doi.org/10.1016/ j.ifacol.2016.03.122

Gavin, H. P. (2000). The Levenberg-Marquardt algorithm for nonlinear least squares curve-fitting problems. Department of Civil and Environmental Engineering, Duke University, September 18, 2020.

Jasim, M. H. (2018). Tuning of a PID controller by bacterial foraging algorithm for position control of DC servo motor. Engineering and Technology Journal, 36A(3), 287-294.
DOI: http://dx.doi.org/10.30684/etj.36.3A.7

Keshmiri, M., Jahromi, A. F., Mohebbi, A., Amoozgar, M. H., & Xie, W.-F. (2012). Modeling and control of ball and beam system using model based and non-model based control approaches. International Journal on Smart Sensing and Intelligent Systems, 5(1), 14-35. DOI: https://doi.org/10.21307/ijssis-2017-468

Kharola, A., & Patil, P. P. (2017). Neural Fuzzy Control of Ball and Beam System. International Journal of Energy Optimization and Engineering (IJEOE), 6(2), 64-78, http://doi.org/10.4018/IJEOE.2017040104.

Latif, S., Muhammad, E., & Naeem, U. (2019). Implementation of ball and beam system using classical and advanced control techniques. 2019 International Conference on Applied and Engineering Mathematics (ICAEM), 74-79, doi: 10.1109/ICAEM.2019.8853822.

Meenakshipriya, B., & Kalpana, K. (2014). Modelling and Control of Ball and Beam System using Coefficient Diagram Method (CDM) based PID controller. IFAC Proceedings Volumes, 47(1), 620-626. DOI: https://doi.org/10.3182/20140313-3-IN-3024.00079

Ngôn, N. C., & Tín, D. (2011). Điều khiển PID một nơron thích nghi dựa trên bộ nhận dạng mạng nơron mờ hồi qui áp dụng cho hệ thanh và bóng. Tạp chí Khoa học Đại học Cần Thơ, 20a, 159-168. URL: https://sj.ctu.edu.vn/ql/docgia/tacgia-1134/baibao-5605.html

Ngôn, N. C., Tân, T. T., Phụng, V. C., & Cảnh, N. M. (2021). Cải thiện thiết bị hỗ trợ người khiếm thị điều hướng  di chuyển dùng sóng siêu âm. Thai Nguyen University Journal of Science and Technology, 226(11), 292-299. DOI: https://doi.org/10.34238/tnu-jst.4812.

The MathWorks Inc. (2021). Curve Fitting Toolbox™ User's Guide. URL: https://www.mathworks.com/help/curvefit/ (truy cập 05/10/2021).

Tứ, N. D., Đăng, L. H., Cường, T. C., & Ngôn, N. C. (2017). Điều khiển thích nghi theo mô hình tham khảo dựa trên mạng nơ-ron RBF. Can Tho University Journal of Science, (50), 37-42. https://doi.org/10.22144/ctu.jvn.2017.064.

Saad, M., & Khalallah, M. (2017). Design and implementation of an embedded ball-beam controller using PID algorithm. Universal J. of Control and Automation, 5(4), 63-70. DOI: 10.13189/ujca.2017.050402. 

Salem, F. (2013). Mechatronics Design of Ball and Beam System: Education and Research. Control Theory and Informatics, 3(4), 1-26.

Sharp (2006). GP2Y0A02YK0F - Distance measuring sensor unit datasheet. Sheet no.: E4-A00101EN, Date Dec.01.2006.

Synacorp (2021). US-015 High Accuracy Ultrasonic Sensor. Article-Nr.:5401418. Link: http://synacorp.my/v3/en/ultrasonic-sensors/957-us-015-high-accuracy-ultrasonic-sensor.html (truy cập 5/10/2021).