I. Cân bằng tại chỗ và hệ bánh quay con lắc ngược tại HCMUTE
Đề tài nghiên cứu tập trung vào cân bằng tại chỗ cho hệ bánh quay con lắc ngược, một hệ thống phi tuyến phức tạp. Nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (HCMUTE), cụ thể là Khoa Điện - Điện tử. Mục tiêu chính là thiết kế và kiểm chứng giải thuật điều khiển cân bằng cho hệ thống này, cả trên mô phỏng và thực nghiệm. Hệ thống được mô tả như một rotary inverted pendulum hoặc inverse pendulum, với điều khiển cân bằng là thách thức chính. Công trình sử dụng mô hình toán học để mô tả động lực học của hệ thống, bao gồm phương trình toán học chi tiết, thông số hệ thống, và các mô hình hoá toán học cho các thành phần như motor bánh quay. Việc xây dựng hệ thống bao gồm cả thiết kế hệ thống và xây dựng mô hình. Kết quả được phân tích dữ liệu và kiểm tra hiệu quả thông qua thí nghiệm cân bằng.
1.1. Tổng quan về hệ thống và lý do chọn đề tài
Hệ bánh quay con lắc ngược (Reaction Wheel Inverted Pendulum) là một hệ thống cơ điện tử phi tuyến điển hình, thường được sử dụng để nghiên cứu và kiểm tra các thuật toán điều khiển cân bằng. HCMUTE lựa chọn đề tài này vì tính chất thách thức của nó, đòi hỏi sự kết hợp giữa lý thuyết và thực hành. Hệ thống này thể hiện nhiều vấn đề trong điều khiển robot, đặc biệt là điều khiển robot cân bằng. Nghiên cứu khoa học về hệ thống này ở Việt Nam còn hạn chế, đặc biệt là về mặt thực nghiệm. Do đó, đề tài này đóng góp vào việc phát triển kiến thức và kỹ thuật trong lĩnh vực điều khiển tự động tại HCMUTE. Các nghiên cứu quốc tế đã đạt được nhiều tiến bộ, nhưng chủ yếu tập trung vào mô phỏng. Đề tài này hướng tới việc kết hợp cả mô phỏng và thực nghiệm, tạo điều kiện cho ứng dụng điều khiển trong thực tế. Sự khó khăn nằm ở việc điều khiển chính xác hệ thống phi tuyến và không ổn định này, đòi hỏi thuật toán điều khiển tinh vi và hiệu quả. Việc cân bằng tại chỗ của hệ thống là một thử thách kỹ thuật đáng kể.
1.2. Phương pháp điều khiển và mô phỏng
Đề tài sử dụng nhiều thuật toán điều khiển, bao gồm LQR (Linear Quadratic Regulator), điều khiển logic mờ (Fuzzy Logic), và các thuật toán tối ưu như Genetic Algorithms (GA) và Particle Swarm Optimization (PSO). Mô hình toán học của hệ thống được xây dựng và mô phỏng trên MATLAB/Simulink. Việc lựa chọn các thuật toán này dựa trên khả năng xử lý hệ thống phi tuyến và tối ưu hoá hiệu suất điều khiển. Mô phỏng giúp kiểm tra và tinh chỉnh thuật toán điều khiển trước khi áp dụng vào hệ thống thực. LQR cung cấp một giải pháp tuyến tính hiệu quả, trong khi điều khiển logic mờ xử lý tốt tính phi tuyến của hệ thống. GA và PSO được sử dụng để tối ưu hoá các tham số của thuật toán điều khiển, giúp cải thiện hiệu suất cân bằng. Mục tiêu là đạt được cân bằng tại chỗ ổn định và chính xác cao. Mô phỏng được thực hiện rộng rãi, bao gồm việc kiểm tra hiệu quả của từng thuật toán và sự kết hợp của chúng. Dữ liệu từ mô phỏng được phân tích để đánh giá hiệu quả của từng phương pháp điều khiển.
1.3. Thực nghiệm và phân tích kết quả
Sau khi hoàn thiện mô hình toán học và thuật toán điều khiển trên MATLAB/Simulink, nhóm nghiên cứu tiến hành xây dựng hệ thống thực nghiệm. Hệ thống này bao gồm phần cơ khí, phần điều khiển dựa trên các vi điều khiển như Arduino hoặc Raspberry Pi, và phần mềm điều khiển. Thí nghiệm cân bằng được tiến hành để đánh giá hiệu quả của các thuật toán điều khiển trong điều kiện thực tế. Dữ liệu thu thập được từ các cảm biến được phân tích để đánh giá độ chính xác, độ ổn định, và khả năng chống nhiễu của hệ thống. Kết quả thực nghiệm được so sánh với kết quả mô phỏng để đánh giá độ chính xác của mô hình toán học và thuật toán điều khiển. Các kết quả được trình bày chi tiết, bao gồm các biểu đồ, số liệu, và phân tích sự khác biệt giữa lý thuyết và thực tế. Kiểm tra hiệu quả của hệ thống là yếu tố quan trọng, đánh giá bằng thời gian cân bằng, độ ổn định, và mức độ chính xác đạt được. Vi điều khiển đóng vai trò quan trọng trong việc thực hiện thuật toán điều khiển trong thời gian thực.
II. Kết luận và ứng dụng
Nghiên cứu đã thành công trong việc thiết kế và kiểm chứng giải thuật điều khiển cân bằng cho hệ bánh quay con lắc ngược. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy hiệu quả của các thuật toán điều khiển được sử dụng, đặc biệt là sự kết hợp giữa LQR và điều khiển logic mờ. Công trình đóng góp vào việc phát triển kiến thức về điều khiển robot và điều khiển cân bằng tại HCMUTE. Các kết quả nghiên cứu có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, ví dụ như điều khiển robot, hệ thống tự cân bằng, và các hệ thống cơ điện tử khác. Độ chính xác và ổn định của hệ thống được cải thiện đáng kể nhờ việc sử dụng các thuật toán tối ưu. Ứng dụng điều khiển trong thực tế có thể được phát triển dựa trên nền tảng của nghiên cứu này. Công trình cũng đóng góp vào việc đào tạo sinh viên cao học trong lĩnh vực điều khiển tự động. Bài báo khoa học được xuất bản trên tạp chí quốc tế khẳng định giá trị của nghiên cứu.
2.1. Đóng góp của nghiên cứu
Đề tài mang tính đổi mới vì đây là một trong những nghiên cứu đầu tiên tại Việt Nam tập trung vào việc điều khiển cân bằng cho hệ bánh quay con lắc ngược cả về lý thuyết và thực nghiệm. Nghiên cứu cung cấp một mô hình toán học chính xác và thuật toán điều khiển hiệu quả cho hệ thống này. Việc kết hợp các thuật toán điều khiển hiện đại và các kỹ thuật tối ưu hoá đã giúp cải thiện đáng kể hiệu suất của hệ thống. Kết quả nghiên cứu được công bố trên tạp chí quốc tế, nâng cao uy tín của HCMUTE trong cộng đồng nghiên cứu quốc tế. Đề tài đóng góp vào việc đào tạo nguồn nhân lực chất lượng cao trong lĩnh vực điều khiển tự động. Các kết quả nghiên cứu có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực này. Xây dựng hệ thống thực nghiệm đã tạo ra một nền tảng quan trọng cho các nghiên cứu tiếp theo, đặc biệt là việc phát triển các hệ thống tự cân bằng phức tạp hơn.
2.2. Khả năng ứng dụng thực tiễn
Giải thuật điều khiển được phát triển trong đề tài có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Ví dụ, nó có thể được sử dụng để thiết kế các hệ thống tự cân bằng cho robot hai bánh, xe máy, hay các phương tiện giao thông khác. Điều khiển robot cân bằng là một ứng dụng quan trọng, đòi hỏi độ chính xác và ổn định cao. Hệ bánh quay con lắc ngược là một mô hình lý tưởng để nghiên cứu các vấn đề này. Công trình cũng có thể được mở rộng để nghiên cứu các hệ thống phức tạp hơn, chẳng hạn như điều khiển robot đa khớp. Việc sử dụng các vi điều khiển như Arduino hoặc Raspberry Pi giúp cho hệ thống có thể được tích hợp vào các thiết bị thực tế. Những kiến thức và kỹ thuật được tích lũy trong quá trình nghiên cứu có thể được áp dụng để giải quyết các vấn đề trong nhiều lĩnh vực khác của kỹ thuật điều khiển. Khả năng tối ưu hoá hệ thống và việc sử dụng các thuật toán thông minh là những điểm mạnh của nghiên cứu này.
