Đồ Án Tốt Nghiệp Ngành Công Nghệ Kỹ Thuật: Điều Khiển LQR Hệ Con Lắc Ngược Quay Kép

• Tác giả: Trần Nhật Cường
• Người hướng dẫn: ThS. Lê Thị Hồng Lam
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật
• Đề tài: Điều Khiển LQR Hệ Con Lắc Ngược Quay Kép
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Nội dung nghiên cứu
• 1.2. Mục tiêu đề tài nghiên cứu
• 1.3. Nội dung nghiên cứu
• 1.4. Giới hạn đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Mô hình hệ con lắc ngược quay kép
• 2.1.1. Mô tả ký hiệu được sử dụng
• 2.1.2. Phương trình phi tuyến hệ con lắc ngược quay kép
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT TRÊN MATLAB SIMULINK
• 3.1. Mô phỏng hệ con lắc ngược quay kép trên Matlab Simulink
• 3.2. Khảo sát bộ điều khiển LQR khi cả 2 thanh cùng hướng lên
• 3.2.1. Ma trận điều khiển Q và R là ma trận đơn vị
• 3.2.2. Tăng thành phần Ā1 và giữ nguyên các thành phần khác
• 3.2.3. Tăng thành phần Ā3 và giữ nguyên các thành phần khác
• 3.2.4. Tăng thành phần Ā5 và giữ nguyên các thành phần khác
• 3.2.5. Giữ nguyên ma trận Q và tăng ma trận R
• 3.3. Khảo sát bộ điều khiển LQR khi link 1 hướng lên link 2 hướng xuống
• 3.3.1. Ma trận điều khiển Q và R là ma trận đơn vị
• 3.3.2. Tăng thành phần Ā1 và giữ nguyên các thành phần khác
• 3.3.3. Tăng thành phần Ā3 và giữ nguyên các thành phần khác
• 3.3.4. Tăng thành phần Ā5 và giữ nguyên các thành phần khác
• 3.3.5. Giữ nguyên ma trận Q và tăng ma trận R
• 3.4. Tổng kết và khảo sát mô phỏng hệ DRIP
• 4. CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC TẾ VÀ KHẢO SÁT
• 4.1. Phương pháp thực hiện
• 4.2. Mô hình tổng quát
• 4.3. Khảo sát mô hình
• 4.4. Tổng kết và khảo sát thực tế hệ DRIP
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 5.1. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng Quan Về Điều Khiển LQR Hệ Con Lắc Ngược Quay Kép

Điều khiển LQR (Linear Quadratic Regulator) là một phương pháp tối ưu trong lĩnh vực điều khiển tự động. Hệ con lắc ngược quay kép là một mô hình phức tạp, thường được sử dụng để nghiên cứu các thuật toán điều khiển. Mô hình này không chỉ có tính ứng dụng cao mà còn là thách thức lớn cho các kỹ sư và nhà nghiên cứu trong việc phát triển các giải pháp điều khiển hiệu quả.

1.1. Định Nghĩa Hệ Con Lắc Ngược Quay Kép

Hệ con lắc ngược quay kép (Double Rotary Inverted Pendulum - DRIP) là một mô hình động lực học phức tạp, bao gồm hai thanh con lắc được gắn với nhau. Mô hình này thường được sử dụng để nghiên cứu các phương pháp điều khiển phi tuyến và tối ưu hóa.

1.2. Tại Sao Chọn Điều Khiển LQR

Điều khiển LQR được lựa chọn vì khả năng tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống. Phương pháp này giúp giảm thiểu sai số và đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định trong các điều kiện khác nhau.

II. Thách Thức Trong Điều Khiển Hệ Con Lắc Ngược

Điều khiển hệ con lắc ngược quay kép gặp nhiều thách thức do tính phi tuyến và độ nhạy cao với các biến động bên ngoài. Việc duy trì trạng thái cân bằng cho hệ thống này là một nhiệm vụ khó khăn, đòi hỏi các phương pháp điều khiển chính xác và hiệu quả.

2.1. Tính Phi Tuyến Của Hệ Thống

Hệ con lắc ngược quay kép có tính phi tuyến cao, điều này làm cho việc phân tích và thiết kế bộ điều khiển trở nên phức tạp hơn. Các phương pháp điều khiển truyền thống như PID thường không đủ hiệu quả.

2.2. Ảnh Hưởng Của Nhiễu Đầu Vào

Nhiễu từ môi trường bên ngoài có thể ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của hệ thống. Việc thiết kế bộ điều khiển cần phải xem xét các yếu tố này để đảm bảo tính ổn định và độ chính xác.

III. Phương Pháp Điều Khiển LQR Cho Hệ Con Lắc Ngược

Phương pháp điều khiển LQR được áp dụng để tối ưu hóa hiệu suất của hệ con lắc ngược quay kép. Bằng cách xây dựng mô hình toán học cho hệ thống, các tham số điều khiển có thể được tính toán để đạt được trạng thái cân bằng mong muốn.

3.1. Xây Dựng Mô Hình Toán Học

Mô hình toán học cho hệ con lắc ngược quay kép được xây dựng dựa trên phương trình Euler-Lagrange. Điều này cho phép xác định các biến trạng thái và điều khiển cần thiết cho việc điều khiển hệ thống.

3.2. Tối Ưu Hóa Bộ Điều Khiển LQR

Quá trình tối ưu hóa bộ điều khiển LQR bao gồm việc xác định ma trận Q và R, giúp cân bằng giữa hiệu suất và độ ổn định của hệ thống. Việc điều chỉnh các tham số này là rất quan trọng để đạt được kết quả tốt nhất.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Điều Khiển LQR

Điều khiển LQR không chỉ được áp dụng trong nghiên cứu mà còn trong các ứng dụng thực tiễn như robot, hệ thống tự động hóa và các thiết bị điều khiển khác. Việc áp dụng thành công phương pháp này có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của các hệ thống phức tạp.

4.1. Ứng Dụng Trong Robot

Điều khiển LQR được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống robot để duy trì trạng thái cân bằng và điều khiển chuyển động. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng phương pháp này giúp cải thiện độ chính xác và hiệu suất của robot.

4.2. Ứng Dụng Trong Hệ Thống Tự Động Hóa

Trong các hệ thống tự động hóa, điều khiển LQR giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và giảm thiểu sai số trong các hoạt động. Điều này dẫn đến hiệu quả cao hơn và tiết kiệm chi phí.

V. Kết Luận Và Tương Lai Của Điều Khiển LQR

Điều khiển LQR đã chứng minh được hiệu quả trong việc điều khiển hệ con lắc ngược quay kép. Tương lai của phương pháp này hứa hẹn sẽ còn nhiều tiềm năng trong các lĩnh vực khác nhau, đặc biệt là trong công nghệ tự động hóa và robot.

5.1. Tiềm Năng Nghiên Cứu

Nghiên cứu về điều khiển LQR có thể mở rộng sang các lĩnh vực mới như điều khiển phi tuyến và các hệ thống phức tạp hơn. Việc phát triển các thuật toán mới sẽ giúp cải thiện hiệu suất của các hệ thống này.

5.2. Hướng Phát Triển Trong Tương Lai

Các nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc kết hợp điều khiển LQR với các phương pháp điều khiển thông minh khác như Fuzzy Logic hoặc Neural Networks để nâng cao khả năng điều khiển trong các tình huống phức tạp.