Khảo Sát Điều Khiển Linear Quadratic Regulator Cho Hệ Bóng Trên Bánh Xe

Khảo sát điều khiển linear quadratic regulator cho hệ bóng trên bánh xe, tối ưu hóa hiệu suất và ổn định trong các ứng dụng điều khiển tự động.

• Tác giả: Nguyễn Thanh Nhân
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Văn Đông Hải
• Trường học: Trường 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: Khảo Sát Điều Khiển Linear Quadratic Regulator Cho Hệ Bóng Trên Bánh Xe
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Phương pháp nghiên cứu
• 1.2. Giải hạn và ý nghĩa
• 1.3. Mục tiêu
• 1.4. Kết cấu
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Giải thuật điều khiển
• 2.2. Ứng dụng bộ điều khiển LQR trong mô hình Ball on Wheel
• 2.3. Phương pháp điều chế dạng xung PWM
• 2.4. Mô hình toán học
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG
• 3.1. Chương trình mô phỏng
• 3.2. Kết quả mô phỏng
• 4. CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM
• 4.1. Mô hình thí nghiệm
• 4.2. Giao diện người dùng
• 4.3. Chương trình điều khiển thí nghiệm
• 4.4. Kết quả thí nghiệm
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 5.1. Kết luận
• 5.2. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về Khảo Sát Điều Khiển Linear Quadratic Regulator

Khảo sát điều khiển Linear Quadratic Regulator (LQR) cho hệ bóng trên bánh xe là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong ngành công nghệ điều khiển. Mô hình này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất điều khiển mà còn mở ra nhiều ứng dụng thực tiễn trong các hệ thống tự động hóa. Việc áp dụng LQR cho hệ bóng trên bánh xe giúp tối ưu hóa quá trình điều khiển, đảm bảo sự ổn định và chính xác trong việc duy trì vị trí của bóng.

1.1. Định nghĩa và nguyên lý hoạt động của LQR

LQR là một phương pháp điều khiển tối ưu, sử dụng hàm mục tiêu quadractic để tối ưu hóa trạng thái và điều khiển của hệ thống. Nguyên lý hoạt động của LQR dựa trên việc giải phương trình Riccati để tìm ma trận điều khiển tối ưu.

1.2. Lợi ích của việc sử dụng LQR trong điều khiển

Việc sử dụng LQR mang lại nhiều lợi ích như giảm thiểu năng lượng tiêu thụ, cải thiện độ ổn định của hệ thống và tăng cường khả năng phản ứng nhanh chóng với các thay đổi trong môi trường.

II. Vấn đề và thách thức trong điều khiển hệ bóng trên bánh xe

Hệ bóng trên bánh xe là một mô hình phức tạp, đòi hỏi các phương pháp điều khiển chính xác để duy trì sự ổn định. Các thách thức chính bao gồm việc xử lý các yếu tố như ma sát, độ trễ trong điều khiển và sự không chắc chắn trong mô hình. Những vấn đề này cần được giải quyết để đảm bảo hiệu quả của hệ thống.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất điều khiển

Các yếu tố như ma sát giữa bóng và bánh xe, độ chính xác của cảm biến và độ trễ trong tín hiệu điều khiển có thể ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của hệ thống điều khiển.

2.2. Giải pháp cho các thách thức trong điều khiển

Để giải quyết các thách thức này, cần áp dụng các kỹ thuật điều khiển tiên tiến như điều khiển thích nghi và điều khiển phi tuyến, nhằm cải thiện độ chính xác và độ ổn định của hệ thống.

III. Phương pháp khảo sát điều khiển LQR cho hệ bóng trên bánh xe

Phương pháp khảo sát điều khiển LQR cho hệ bóng trên bánh xe bao gồm việc xây dựng mô hình toán học, thiết kế bộ điều khiển và thực hiện các thí nghiệm để đánh giá hiệu quả. Mô hình toán học được xây dựng dựa trên các phương trình Euler-Lagrange, giúp mô tả chính xác động lực học của hệ thống.

3.1. Xây dựng mô hình toán học cho hệ thống

Mô hình toán học cho hệ bóng trên bánh xe được xây dựng dựa trên các phương trình động lực học, bao gồm các biến trạng thái như góc nghiêng của bóng và bánh xe.

3.2. Thiết kế bộ điều khiển LQR

Bộ điều khiển LQR được thiết kế dựa trên việc tối ưu hóa hàm mục tiêu quadractic, nhằm đảm bảo hiệu suất điều khiển tốt nhất cho hệ thống.

IV. Ứng dụng thực tiễn của LQR trong điều khiển hệ bóng trên bánh xe

Ứng dụng của LQR trong điều khiển hệ bóng trên bánh xe không chỉ giới hạn trong nghiên cứu mà còn mở rộng ra nhiều lĩnh vực khác nhau như robot tự hành, hệ thống tự động hóa trong công nghiệp và các ứng dụng trong đời sống hàng ngày. Việc áp dụng LQR giúp cải thiện đáng kể hiệu suất và độ tin cậy của các hệ thống này.

4.1. Ứng dụng trong robot tự hành

LQR được sử dụng để điều khiển vị trí và hướng di chuyển của robot tự hành, giúp chúng hoạt động hiệu quả trong môi trường phức tạp.

4.2. Ứng dụng trong hệ thống tự động hóa

Trong các hệ thống tự động hóa, LQR giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất, giảm thiểu thời gian và chi phí.

V. Kết luận và hướng phát triển trong nghiên cứu điều khiển LQR

Nghiên cứu về điều khiển LQR cho hệ bóng trên bánh xe đã chỉ ra rằng phương pháp này mang lại nhiều lợi ích trong việc tối ưu hóa hiệu suất điều khiển. Hướng phát triển trong tương lai có thể bao gồm việc áp dụng các công nghệ mới như trí tuệ nhân tạo để cải thiện khả năng điều khiển và thích ứng của hệ thống.

5.1. Tương lai của nghiên cứu điều khiển LQR

Nghiên cứu có thể mở rộng sang việc áp dụng LQR trong các mô hình phức tạp hơn, bao gồm các yếu tố không chắc chắn và phi tuyến.

5.2. Tích hợp công nghệ mới vào điều khiển

Việc tích hợp trí tuệ nhân tạo và học máy vào điều khiển LQR có thể giúp cải thiện khả năng tự động hóa và tối ưu hóa quy trình điều khiển.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HOÁ KHẢO SÁT ĐIỀU KHIỂN LINEAR QUADRATIC REGULATOR CHO HỆ BÓNG TRÊN BÁNH XE GVHD:ThS. NGUYỄN VĂN ĐÔNG HẢI SVTH: NGUYỄN THANH NHÂN LÊ NGỌC TRUNG NHÂN SKL013280 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2024 Bà GIÁO DĀC & ĐÀO T¾O TR¯äNG Đ¾I HâC S¯ PH¾M KĀ THUÂT TP. Hâ CHÍ MINH KHOA ĐIÆN – ĐIÆN TĀ Bà MÔN TĀ ĐàNG ĐIÀU KHIÂN Đâ ÁN TàT NGHIÆP ĐÀ TÀI: KHÀO SÁT ĐIÀU KHIÂN LINEAR QUADRATIC REGULATOR CHO HÆ BÓNG TRÊN BÁNH XE GVHD: TS.

NGUYÄN VN ĐÔNG HÀI SVTH: MSSV: NGUYÄN THANH NHÂN 20151526 LÊ NGâC TRUNG NHÂN 20151525 NHIÆM VĀ Đâ ÁN TàT NGHIÆP Hã và tên sinh viên 1: NguyÅn Thanh Nhân MSSV: 20151526 Hã và tên sinh viên 2: Lê Ngãc Trung Nhân MSSV: 20151525 Chuyên ngành: Công nghÇ Kā thuÃt ĐiÁu khiÃn và Tā đáng hóa HÇ đào t¿o: Đ¿i hãc chính quy Khóa: ĐiÇn – ĐiÇn tā Lãp: 201513A I. TÊN ĐÀ TÀI: KHÀO SÁT ĐIÀU KHIÂN LINEAR QUADRATIC REGULATOR CHO HÆ BÓNG TRÊN BÁNH XE II. Các sá liÇu ban đÁu: - Mô hình có hình d¿ng giá đỡ mát mặt phẳng vãi đáng c¢ điÁu khiÃn bánh xe - Bá xā lý trung tâm STM32 k¿t nái máy tính thông qua cổng USB - Thi¿t bá cÁm bi¿n khoÁng cách hãng ngo¿i dùng đà xác đánh vá trí quÁ bóng - Thi¿t bá khu¿ch đ¿i tín hiÇu điÇn áp H HI216 cho đáng c¢ - Đáng c¢ NISCA 24VDC đà vÃn hành hÇ tháng - QuÁ bóng có bán kính 33.29mm - Bánh xe có bán kính 110 mm 2. Nái dung thāc hiÇn:  Tìm hiÃu ph°¢ng pháp điÁu khiÃn LQR  Nghiên cứu nguyên lý ho¿t đáng căa hÇ tháng đà lāa chãn thi¿t bá, linh kiÇn phù hÿp  Thi¿t k¿ phÁn cứng căa mô hình  Xây dāng ch°¢ng trình điÁu khiÃn  VÃn hành thā nghiÇm, chßnh sāa và hoàn thiÇn hÇ tháng  KhÁo sát, nhÃn xét và đánh giá mô hình  Thi¿t k¿ GUI (Graphic User Interface) đà điÁu khiÃn mô hình, giao ti¿p giÿa máy tính và STM32  Vi¿t báo cáo luÃn vn  Báo cáo đÁ tài tát nghiÇp III.

NGÀY GIAO NHIÆM VĀ: 05/03/2024 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIÆM VĀ: 02/07/2024 V. Hâ VÀ TÊN CÁN Bà H¯âNG DÀN: TS. NguyÅn Vn Đông HÁi CÁN Bà H¯âNG DÀN Bà MÔN TĀ ĐàNG ĐIÀU KHIÂN Tp.

HCM, ngày tháng năm LàCH TRÌNH THĀC HIÆN Đâ ÁN TàT NGHIÆP Hã tên sinh viên 1: NguyÅn Thanh Nhân MSSV: 20151526 Hã tên sinh viên 2: Lê Ngãc Trung Nhân MSSV: 20151525 Tên đÁ tài: KhÁo Sát ĐiÁu KhiÃn Linear Quadratic Cho HÇ Bóng Trên Bánh Xe XÁC NHÂN TUÀN/NGÀY NàI DUNG GVHD 1-2 Thāc hiÇn chãn đÁ tài 3 NhÃn đÁ tài, gặp GVHD đà phổ bi¿n quy đánh 4-5 Nghiên cứu, tìm hiÃu các thông tin liên quan đ¿n đÁ tài 6 Vi¿t đÁ c°¢ng chi ti¿t 7-8 Nghiên cứu c¢ sở lý thuy¿t 9-11 Xây dāng và thi công phÁn cứng 12-14 Tính toán thông sá, vi¿t ch°¢ng trình, xây dāng GUI 15 Ti¿n hành vÃn hành thā nghiÇm hÇ tháng, sau đó khÁo sát, đánh giá và cÁi thiÇn hÇ tháng 16-17 Vi¿t báo cáo. Báo cáo đÁ tài tát nghiÇp GV H¯âNG DÀN (Ký và ghi rõ họ và tên) TR¯äNG ĐH SPKT TP. Hâ CHÍ CàNG HÒA Xà HàI CHĂ NGH)A MINH VIÆT NAM KHOA ĐIÆN-ĐIÆN TĀ ĐàC LÂP - TĀ DO - H¾NH PHÚC Bà MÔN TĀ ĐàNG ĐIÀU KHIÂN ----o0o---- Tp. HCM, ngày tháng năm LäI CAM ĐOAN ĐÁ tài <ĐiÁu khiÃn LQR cho hÇ Ball on Wheel= là nhóm chúng tôi tā thāc hiÇn dāa vào sā nghiên cứu, tìm hiÃu căa bÁn thân cũng nh° k¿ thÿa, tham khÁo căa mát sá tài liÇu và không sao chép tÿ tài liÇu hay công trình nào đã có tr°ãc đó.

Ng°åi thāc hiÇn đÁ tài NGUYÄN THANH NHÂN LÊ NGâC TRUNG NHÂN 1 LäI CÀM ¡N Chúng tôi xin gāi låi cÁm ¢n sâu sắc nh¿t đ¿n nhÿng ng°åi đã đãng hành và hß trÿ chúng tôi trong suát quá trình thāc hiÇn đã án tát nghiÇp này. Đặc biÇt, chúng tôi muán bày tß lòng bi¿t ¢n căa mình đ¿n ThÁy NguyÅn Vn Đông HÁi - ng°åi đã dành nhiÁu thåi gian và nng l°ÿng đà h°ãng dÁn, góp ý và giúp đỡ chúng tôi tÿng b°ãc trong quá trình nghiên cứu. Nhÿng ki¿n thức và sā hß trÿ chân thành căa cô đã giúp chúng tôi v°ÿt qua nhÿng khó khn và thách thức trong quá trình thāc hiÇn đÁ tài. Không thà không nhắc đ¿n sā hß trÿ căa gia đình và b¿n bè trong nhÿng thåi kỳ khó khn.

Låi đáng viên và sā quan tâm căa hã đã là nguãn đáng viên to lãn, giúp chúng tôi v°ÿt qua nhÿng thā thách và đ¿t đ°ÿc k¿t quÁ nh° mong đÿi. Cuái cùng, chúng tôi muán bày tß lòng bi¿t ¢n đ¿n t¿t cÁ nhÿng ng°åi đã góp phÁn nhß bé nh°ng quan trãng trong quá trình hoàn thành đã án này. Xin chân thành cÁm ¢n! Ng°åi thāc hiÇn đÁ tài NGUYÄN THANH NHÂN LÊ NGâC TRUNG NHÂN 2 MĀC LĀC LỜI CAM ĐOAN. 2 DANH MỤC HÌNH ẢNH.

4 CH¯¡NG 1: TỔNG QUAN .3 Ph°¢ng pháp nghiên cứu.4 Giãi h¿n và ý ngh*a. 8 CH¯¡NG 2: C¡ SỞ LÝ THUYẾT. 9 CH¯¡NG 3: MÔ PHỎNG .1 Ch°¢ng trình mô phßng .2 K¿t quÁ mô phßng. 24 CH¯¡NG 4: THỰC NGHIỆM .1 Mô hình thāc nghiÇm .4 Giao diÇn ng°åi dùng .2 Giao diÇn ng°åi dùng .5 Ch°¢ng trình điÁu khiÃn thāc nghiÇm .6 K¿t quÁ thāc nghiÇm.

49 Ch°¢ng 5: KẾT LUẬN VÀ H¯ỚNG PHÁT TRIỂN .2 H°ãng phát triÃn. 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 53 3 DANH MĀC HÌNH ÀNH Hình 2. 1 S¢ đã hÇ tháng bá điÁu khiÃn LQR.

2 Mô hình bóng trên bánh xe. 3 S¢ đã vÃt tā do căa quÁ bóng. 1 S¢ đã điÁu khiÃn LQR căa hÇ bóng trên bánh xe. 2 Đã thá góc lÇch căa quÁ bóng khi thay đổi Q1.

3 Đã thá góc lÇch căa bánh khi thay đổi Q3. 4 Đã thá sā thay đổi căa tính hiÇu điÁu khiÃn khi thay đổi R. 1 BÁn vẽ 2D và 3D căa giá đỡ. 2 BÁn vẽ 2D và 3D căa mặt đ¿.

3 BÁn vẽ 2D và 3D căa mặt phẳng cá đánh gắn giÿa đáng c¢ và bánh xe. 4 BÁn vẽ 2D và 3D căa Bánh xe. 5 Mô hình 3D mô phßng theo mô hình thāc t¿ trên phÁn mÁm Solidworks. 7 CÁm Bi¿n KhoÁng Cách Hãng Ngo¿i.

8 Đáng c¢ có chổi than NISCA 24VDC. 9 Vi điÁu khiÃn STM32F4. Mô hình thāc t¿ hÇ tháng. S¢ đã khái hÇ tháng.

S¢ đã đ¿u dây hÇ tháng. 13 Màn hình giao diÇn Đng NhÃp. 14 Màn hình giao diÇn Đng Kí. 15 Màn hình giao diÇn Quên mÃt kh¿u.

16 Giao diÇn Home. 17 Giao diÇn căa hÇ tháng. Đã thá góc lÇch căa quÁ bóng khi thay đổi Q1. Đã thá góc lÇch căa bánh xe khi thay đổi Q3.

Đã thá sā thay đổi căa tính hiÇu điÁu khiÃn khi thay đổi R. 49 4 CH¯¡NG 1: TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đß Trong l*nh vāc điÁu khiÃn tā đáng, viÇc nghiên cứu và phát triÃn các thuÃt toán điÁu khiÃn là mát khía c¿nh vô cùng quan trãng. ĐiÁu này không chß đóng góp vào sā ti¿n bá căa khoa hãc kā thuÃt mà còn có tác đáng trāc ti¿p đ¿n nhiÁu ngành công nghiÇp và ứng dāng thāc tiÅn trong cuác sáng hàng ngày. Các mô hình kinh điÃn nh° con lắc ng°ÿc[1][2] và bóng trên thanh[3][4] đã trở thành nhÿng nÁn tÁng phổ bi¿n cho nghiên cứu trong điÁu khiÃn tā đáng.

Nhÿng mô hình này cung c¿p mát c¢ sở vÿng chắc đà hiÃu rõ h¢n vÁ hành vi căa hÇ tháng cũng nh° đà thā nghiÇm và xác minh các thuÃt toán điÁu khiÃn mãi. Tuy nhiên, đà đáp ứng nhu cÁu ngày càng tng vÁ đá chính xác và hiÇu quÁ trong các ứng dāng thāc t¿, cÁn phÁi mở ráng và phát triÃn thêm các mô hình khác nhau nhằm xác nhÃn hiÇu quÁ căa các thuÃt toán điÁu khiÃn đái vãi nhiÁu lo¿i hÇ tháng khác nhau. Mát trong nhÿng mô hình đ°ÿc phát triÃn nhằm đáp ứng nhu cÁu này là hÇ tháng Bóng trên Bánh Xe. Đây là mát mô hình đác đáo, k¿t hÿp giÿa c¢ khí và điÁu khiÃn hãc, bao gãm mát bánh xe đ°ÿc điÁu khiÃn bởi mát bá mã hóa đáng c¢ đà quay theo chiÁu dãc, vãi mát quÁ bóng đ°ÿc đặt trên bánh xe.

ChuyÃn đáng quay căa bánh xe đÁm bÁo quÁ bóng ở l¿i trên bánh xe. ĐiÁu này có thà đ°ÿc xem nh° mát hÇ tháng đÁu vào đ¢n-đÁu ra đ¢n (SISO) n¿u chß quan tâm đ¿n vá trí căa quÁ bóng. Ngoài ra, quÁ bóng trên bánh xe có thà đ°ÿc xem nh° mát hÇ tháng đÁu vào đ¢n-nhiÁu-đÁu ra (SIMO) n¿u cÁ góc quay căa bánh xe và vá trí căa quÁ bóng đÁu đ°ÿc xem xét. Nghiên cứu và thā nghiÇm vãi các thuÃt toán c¢ bÁn trên mô hình này không chß giúp chu¿n hóa mô hình mà còn hß trÿ sinh viên và các nhà nghiên cứu hiÃu rõ 5 h¢n và áp dāng các thuÃt toán này vào các đái t°ÿng thāc t¿ t°¢ng tā, nh° các hÇ tháng cân bằng cho tàu ngÁm hoặc hÇ tháng giÁm ch¿n cho các tòa nhà cao tÁng.

Trong đây[5], viÇc xây dāng mát mô hình thāc nghiÇm đ¢n giÁn nh°ng hiÇu quÁ, có khÁ nng kiÃm chứng các thuÃt toán điÁu khiÃn, là điÁu cÁn thi¿t. ĐiÁu này không chß giúp khắc phāc nhÿng h¿n ch¿ căa các nghiên cứu tr°ãc đây mà còn mở ra nhÿng c¢ hái mãi cho viÇc áp dāng các lý thuy¿t điÁu khiÃn vào thāc t¿. STM32, mát bÁng điÁu khiÃn tích hÿp vãi chi phí tÁm trung và đ°ÿc phổ bi¿n ráng rãi, đã đ°ÿc lāa chãn cho nghiên cứu này do sā hß trÿ cáng đãng m¿nh mẽ và tính linh ho¿t trong ứng dāng. ViÇc phát triÃn các thuÃt toán điÁu khiÃn đ¢n giÁn nh° LQR, đ°ÿc xác thāc cÁ trong mô phßng và thā nghiÇm, là mát b°ãc đi thích hÿp và cÁn thi¿t.

Tuy¿n tính hóa phÁn hãi đã đ°ÿc áp dāng thành công vào các v¿n đÁ thāc t¿ cũng nh° các thí nghiÇm trong phòng thí nghiÇm, nh° hÇ tháng điÇn tÿ[7], hÇ tháng c¢ điÇn[8] và đáng c¢[9] – [14]. Trong nghiên cứu này, chúng tôi xây dāng mát mô hình thā nghiÇm Bóng trên Bánh Xe và nghiên cứu thuÃt toán LQR, vì nó là mát thuÃt toán phổ bi¿n trong các ho¿t đáng hãc thuÃt. K¿t quÁ mô phßng và thāc nghiÇm cho th¿y bá điÁu khiÃn ho¿t đáng tát, và mát sá khÁo sát cũng chß ra rằng viÇc điÁu chßnh tham sá trong mô phßng và thā nghiÇm phù hÿp vãi lý thuy¿t LQR. Nghiên cứu này không chß giúp chu¿n hóa mô hình mà còn đóng góp vào viÇc hãc tÃp và nghiên cứu các thuÃt toán điÁu khiÃn vãi chi phí tái thiÃu, t¿o điÁu kiÇn thuÃn lÿi cho sinh viên và các nhà nghiên cứu áp dāng các lý thuy¿t vào thāc t¿.