Đồ án tốt nghiệp: Điều khiển LQR hệ con lắc ngược quay kép

• Tác giả: Trần Nhật Cường
• Người hướng dẫn: ThS. Lê Thị Hồng Lam
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
• 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

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Nội dung nghiên cứu
• 1.2. Mục tiêu
• 1.3. Giới hạn
• 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
• 2.2. 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
• 3.1.1. Khảo sát bộ điều khiển LQR khi cả 2 thanh cùng hướng lên
• 3.1.1.1. Ma trận điều khiển Q và R là ma trận đơn vị
• 3.1.1.2. Tăng thành phần 𝑄1 và giữ nguyên các thành phần khác
• 3.1.1.3. Tăng thành phần 𝑄3 và giữ nguyên các thành phần khác
• 3.1.1.4. Tăng thành phần 𝑄5 và giữ nguyên các thành phần khác
• 3.1.1.5. Giữ nguyên ma trận Q và tăng ma trận R
• 3.1.2. Khảo sát bộ điều khiển LQR khi link 1 hướng lên link 2 hướng xuống
• 3.1.2.1. Ma trận điều khiển Q và R là ma trận đơn vị
• 3.1.2.2. Tăng thành phần 𝑄1 và giữ nguyên các thành phần khác
• 3.1.2.3. Tăng thành phần 𝑄3 và giữ nguyên các thành phần khác
• 3.1.2.4. Tăng thành phần 𝑄5 và giữ nguyên các thành phần khác
• 3.1.2.5. Giữ nguyên ma trận Q và tăng ma trận R
• 3.2. Tổng kết về khảo sát mô phỏng hệ DRIP
• 4. CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC TẾ VÀ KHẢO SÁT
• 4.1. Mục tiêu thiết kế
• 4.2. Phương pháp thực hiện
• 4.2.1. Mô hình tổng quát
• 4.2.2. Lựa chọn thiết bị
• 4.2.3. Khảo sát mô hình
• 4.2.4. Tổng kết về khảo sát thực tế hệ DRIP
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 5.1. Kết quả đạt được
• 5.2. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Hướng dẫn điều khiển LQR hệ con lắc ngược quay kép

Hướng dẫn điều khiển LQR là phương pháp tối ưu hóa điều khiển cho các hệ thống động lực học tuyến tính. Trong đồ án tốt nghiệp này, hệ con lắc ngược quay kép được nghiên cứu để áp dụng bộ điều khiển LQR. Hệ thống này là một mô hình phức tạp, phi tuyến và bất ổn định, đòi hỏi kỹ thuật điều khiển hiện đại để đạt được sự cân bằng. Đồ án tốt nghiệp tập trung vào việc xây dựng mô hình toán học, tuyến tính hóa hệ thống, và thiết kế bộ điều khiển LQR để ổn định hệ thống.

1.1. Mô hình hóa hệ thống

Mô hình hóa hệ thống là bước đầu tiên trong việc thiết kế bộ điều khiển LQR. Hệ con lắc ngược quay kép bao gồm ba thanh rắn và một động cơ. Phương trình Euler-Lagrange được sử dụng để mô tả động lực học của hệ thống. Các biến trạng thái như góc quay và vận tốc góc được xác định để xây dựng mô hình toán học. Phân tích ổn định được thực hiện để đảm bảo hệ thống có thể điều khiển được.

1.2. Tuyến tính hóa hệ thống

Tuyến tính hóa hệ thống tại điểm làm việc là bước quan trọng để áp dụng bộ điều khiển LQR. Hệ thống phi tuyến được tuyến tính hóa xung quanh điểm cân bằng, cho phép sử dụng các phương pháp điều khiển tuyến tính. Hệ thống điều khiển tự động được thiết kế dựa trên mô hình tuyến tính hóa, đảm bảo tính ổn định và hiệu suất cao.

II. Ứng dụng LQR trong kỹ thuật điều khiển

Ứng dụng LQR trong kỹ thuật điều khiển là một phương pháp hiệu quả để tối ưu hóa hệ thống động lực học. Trong đồ án này, bộ điều khiển LQR được áp dụng để điều khiển cân bằng hệ con lắc ngược quay kép. Kỹ thuật điều khiển hiện đại như LQR giúp giảm thiểu sai số và tối ưu hóa hiệu suất hệ thống. Tối ưu hóa điều khiển được thực hiện thông qua việc điều chỉnh các tham số trong hàm chi phí.

2.1. Thiết kế bộ điều khiển LQR

Thiết kế bộ điều khiển LQR bao gồm việc xác định ma trận trọng số Q và R. Ma trận Q ảnh hưởng đến sai số trạng thái, trong khi ma trận R ảnh hưởng đến tín hiệu điều khiển. Tối ưu hóa hệ thống được thực hiện bằng cách điều chỉnh các tham số này để đạt được hiệu suất tối ưu. Điều khiển phản hồi được sử dụng để đảm bảo hệ thống luôn ổn định.

2.2. Mô phỏng và khảo sát

Mô phỏng và khảo sát hệ thống trên phần mềm Matlab Simulink là bước quan trọng để đánh giá hiệu quả của bộ điều khiển LQR. Các kịch bản mô phỏng được thực hiện để kiểm tra tính ổn định và hiệu suất của hệ thống. Kỹ thuật điều khiển được áp dụng để đảm bảo hệ thống đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật.

III. Xây dựng mô hình thực tế và ứng dụng

Xây dựng mô hình thực tế là bước cuối cùng trong đồ án tốt nghiệp. Mô hình hệ con lắc ngược quay kép được thiết kế và chế tạo dựa trên các thông số kỹ thuật. Hệ thống động lực học được kiểm tra và đánh giá để đảm bảo tính ổn định và hiệu suất. Ứng dụng LQR trong kỹ thuật được chứng minh thông qua kết quả thực nghiệm.

3.1. Thiết kế mô hình thực tế

Thiết kế mô hình thực tế bao gồm việc lựa chọn các thiết bị và linh kiện phù hợp. Mô hình được xây dựng dựa trên các thông số kỹ thuật và yêu cầu của hệ thống. Hệ thống điều khiển tự động được tích hợp để đảm bảo tính ổn định và hiệu suất cao.

3.2. Khảo sát và đánh giá

Khảo sát và đánh giá mô hình thực tế được thực hiện để kiểm tra hiệu quả của bộ điều khiển LQR. Các thông số như góc lệch, thời gian đáp ứng và độ ổn định được đo đạc và phân tích. Kỹ thuật điều khiển hiện đại được áp dụng để tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống.