Đồ Án HCMUTE: Điều Khiển Cân Bằng Hệ Con Lắc Ngược Với Bộ Điều Khiển Backstepping

• Tác giả: Võ Minh Tài
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Minh Tâm
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Điều Khiển Và Tự Động Hóa
• Đề tài: Điều Khiển Cân Bằng Hệ Con Lắc Ngược Bằng Bộ Điều Khiển Backstepping
• Loại tài liệu: luận văn tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: DẪN NHẬP
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Đối tượng nghiên cứu
• 1.3. Giới hạn đề tài
• 1.4. Dàn ý nghiên cứu
• 1.5. Cấu trúc hệ con lắc ngược quay
• 1.6. Giải thuật điều khiển
• 1.7. Board STM32F407 Discovery
• 1.8. Phần mềm và Phần cứng
• 1.9. Ý nghĩa thực tiễn
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ CẤU TRÚC HỆ CON LẮC NGƯỢC QUAY
• 2.1. Giới thiệu về hệ con lắc ngược quay
• 2.2. Mô tả toán học hệ con lắc ngược quay
• 2.2.1. Cơ sở khoa học
• 2.2.2. Thành lập phương trình động học cho hệ con lắc ngược quay
• 2.2.3. Mô tả toán học hệ con lắc ngược quay dưới dạng phương trình vi phân
• 2.3. Yêu cầu điều khiển hệ con lắc ngược quay
• 3. CHƯƠNG 3: ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN HỆ CON LẮC NGƯỢC QUAY
• 3.1. Giới thiệu giải thuật điều khiển tuyến tính dạng toàn phương LQR
• 3.2. Giới thiệu nguyên lý ổn định Lyapunov
• 3.2.1. Phương pháp thứ nhất của Lyapunov
• 3.2.2. Phương pháp thứ hai của Lyapunov
• 3.3. Giới thiệu giải thuật điều khiển Backstepping
• 3.4. Giới thiệu giải thuật swing-up
• 3.5. Giải thuật di truyền (GA)
• 3.5.1. Giới thiệu giải thuật di truyền GA
• 3.5.2. Lưu đồ giải thuật của thuật toán di truyền
• 3.6. Giới thiệu phần mềm Matlab của Matworks
• 3.7. Thiết kế bộ điều khiển LQR cho hệ con lắc ngược quay
• 3.8. Thiết lập bộ điều khiển Swing up cho thanh con lắc của hệ con lắc ngược quay
• 3.8.1. Swing up bằng phương pháp năng lượng
• 3.8.2. Swing up bằng phương pháp lũy thừa góc thanh con lắc
• 3.9. Thiết kế bộ điều khiển Backstepping tuyến tính
• 4. CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM
• 4.1. Thiết kế mô hình hệ con lắc ngược quay và gia công cơ khí
• 4.2. Giới thiệu về board STM32F407 DISCOVERY
• 4.3. Lựa chọn động cơ điều khiển
• 4.4. Mạch giao tiếp UART CP2102
• 4.5. Giới thiệu thư viện lập trình Waijung STM32F4 trên Matlab
• 4.6. Phần mềm Terminal
• 5. CHƯƠNG 5: NHẬN DẠNG THÔNG SỐ ĐỘNG CƠ SERVO DC
• 5.1. Mô tả toán học động cơ DC
• 5.2. Phương pháp nhận dạng
• 5.3. Thiết lập chương trình nhận dạng
• 5.4. Thu thập dữ liệu và xác định thông số thực
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
• 6.1. Điều khiển cân bằng hệ con lắc ngược quay bằng phương pháp LQR
• 6.1.1. Điều khiển cân bằng hệ con lắc ngược quay bằng phương pháp LQR khi áp dụng Giải thuật di truyền (GA)
• 6.1.2. Phân tích đáp ứng ngõ ra của hệ con lắc ngược quay khi thay đổi ma trận Q và R
• 6.2. Điều khiển Swing up và ổn định hệ con lắc ngược quay bằng giải thuật LQR
• 6.2.1. Swing up bằng phương pháp bằng năng lượng
• 6.2.2. Swing up bằng phương pháp lũy thừa vị trí thanh con lắc
• 6.3. Kết quả điều khiển hệ con lắc ngược quay bằng bộ điều khiển Backstepping tuyến tính
• 6.4. Kết quả điều khiển Swing up và điều khiển ổn định hệ con lắc ngược quay bằng bộ điều khiển Backstepping tuyến tính
• 6.4.1. Swing up bằng phương pháp năng lượng và ổn định bằng giải thuật Backstepping
• 6.4.2. Swing up bằng phương pháp lũy thừa vị trí và ổn định bằng giải thuật Backstepping
• 6.5. So sánh giữa bộ điều khiển LQR và bộ điều khiển backstepping tuyến tính
• 7. CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giới thiệu về hệ con lắc ngược quay

Hệ con lắc ngược quay là một trong những mô hình phức tạp trong lĩnh vực điều khiển tự động. Nó được sử dụng rộng rãi để nghiên cứu các phương pháp điều khiển phi tuyến. Hệ thống này có cấu trúc đặc biệt, với điểm cân bằng không ổn định, đòi hỏi các kỹ thuật điều khiển tiên tiến để duy trì trạng thái cân bằng. Việc nghiên cứu và phát triển các bộ điều khiển cho hệ con lắc ngược quay không chỉ có ý nghĩa lý thuyết mà còn có ứng dụng thực tiễn trong nhiều lĩnh vực như robot, máy móc tự động hóa. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng việc áp dụng các phương pháp điều khiển như bộ điều khiển Backstepping có thể mang lại hiệu quả cao trong việc duy trì trạng thái cân bằng của hệ thống này.

1.1. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động

Cấu trúc của hệ con lắc ngược quay bao gồm một thanh con lắc gắn trên một trục quay. Khi thanh con lắc được nâng lên, nó tạo ra một lực tác động lên trục quay, làm cho hệ thống có xu hướng quay về vị trí thẳng đứng. Nguyên lý hoạt động của hệ thống dựa trên việc điều khiển góc lệch và vận tốc góc của thanh con lắc. Để duy trì trạng thái cân bằng, cần phải áp dụng các phương pháp điều khiển chính xác, trong đó có kỹ thuật điều khiển Backstepping. Kỹ thuật này cho phép thiết lập một bộ điều khiển phi tuyến, giúp điều chỉnh các tham số của hệ thống một cách linh hoạt và hiệu quả.

II. Giải thuật điều khiển Backstepping

Giải thuật Backstepping là một trong những phương pháp điều khiển phi tuyến hiệu quả, được áp dụng rộng rãi trong việc điều khiển các hệ thống động lực học phức tạp. Phương pháp này cho phép thiết lập một bộ điều khiển theo từng bước, từ trạng thái hiện tại đến trạng thái mong muốn. Trong bối cảnh của hệ con lắc ngược quay, giải thuật Backstepping giúp xác định các tham số điều khiển cần thiết để duy trì trạng thái cân bằng. Việc áp dụng giải thuật này không chỉ giúp cải thiện độ ổn định của hệ thống mà còn giảm thiểu độ rung và sai số trong quá trình điều khiển. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng giải thuật Backstepping có thể mang lại kết quả tốt hơn so với các phương pháp điều khiển truyền thống.

2.1. Nguyên lý hoạt động của giải thuật Backstepping

Giải thuật Backstepping hoạt động dựa trên nguyên lý phân tách hệ thống thành các phần nhỏ hơn, từ đó điều khiển từng phần một cách độc lập. Mỗi bước trong quá trình điều khiển sẽ tập trung vào việc ổn định một phần của hệ thống trước khi tiến tới phần tiếp theo. Điều này giúp giảm thiểu độ phức tạp trong việc thiết lập bộ điều khiển cho toàn bộ hệ thống. Đặc biệt, trong trường hợp của hệ con lắc ngược quay, việc áp dụng giải thuật Backstepping cho phép điều chỉnh các tham số như góc lệch và vận tốc góc một cách linh hoạt, từ đó duy trì trạng thái cân bằng một cách hiệu quả.

III. Ứng dụng thực tiễn của bộ điều khiển Backstepping

Bộ điều khiển Backstepping không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn có nhiều ứng dụng thực tiễn trong các lĩnh vực như robot, tự động hóa công nghiệp và các hệ thống điều khiển phi tuyến khác. Việc áp dụng bộ điều khiển này trong hệ con lắc ngược quay đã cho thấy hiệu quả rõ rệt trong việc duy trì trạng thái cân bằng. Các mô phỏng và thử nghiệm thực tế đã chứng minh rằng bộ điều khiển Backstepping có khả năng điều chỉnh nhanh chóng và chính xác các tham số của hệ thống, từ đó nâng cao hiệu suất hoạt động. Điều này mở ra nhiều cơ hội cho việc phát triển các ứng dụng mới trong lĩnh vực điều khiển tự động.

3.1. Kết quả nghiên cứu và thử nghiệm

Các kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng bộ điều khiển Backstepping trong hệ con lắc ngược quay đã mang lại những cải tiến đáng kể về độ ổn định và hiệu suất điều khiển. Các thử nghiệm thực tế cho thấy hệ thống có thể duy trì trạng thái cân bằng trong nhiều điều kiện khác nhau, từ đó khẳng định tính khả thi của phương pháp này. Hơn nữa, việc so sánh với các phương pháp điều khiển khác như LQR cho thấy bộ điều khiển Backstepping có ưu điểm vượt trội trong việc xử lý các tình huống phi tuyến và không ổn định.