Kiểm Soát Dựa Trên Tính Thụ Động Trong Hệ Thống Cân Bằng Lật Quay

Task sheet of Master’s Thesis

Acknowledgements

Abstract (in English)

Abstract (in Vietnamese)

The commitment of the thesis’ author

1. Introduction

1.1. Motivation and problem statement

1.2. Objectives of the thesis

1.3. Organization of the thesis

2. Passive system theory

2.1. Passive systems theory

2.2. Stability of passive system

2.3. Passivity-based control

3. Mathematical modeling of rotational inverted pendulum

3.1. The RIP dynamic

3.2. Port controlled Hamiltonian

3.3. Passivity of the RIP

4. Rotational inverted pendulum identification

4.1. Waijung Blockset library

4.2. Introduction of GA

4.3. Design of system identification

4.4. Selection - Crossover - Mutation operations

4.4.1. Linear ranking selection operation (LRS)

4.4.2. Blend −α crossover (BLX-α) operation

4.4.3. Non-uniform mutation operation

4.5. Pseudo-code of system identification using GA

4.6. Collecting draw data from RIP system

4.7. Requirements in control of RIP

4.7.1. Controllability of RIP

4.7.2. Observability of RIP

5. Control of RIP

5.1. Linear quadratic regulator

5.2. Passivity-based control of RIP

5.2.1. Feedback passivation control

5.2.2. Choice of output

5.3. Passivity-based swing-up control

5.4. Swing-up control design using sliding mode technique combined energy-based method

6. Simulation and experimental results

6.1. Simulation results of PBSC for RIP

6.2. Simulation results of SMCCEBM for RIP

6.3. Control of RIP using LQR

6.4. Control of RIP using PBSC-LQR

6.5. Control of RIP using SMCCEBM-LQR

6.6. Comparison between PBSC-LQR and SMCCEBM-LQR

6.7. Control of RIP using PBC

6.8. Comparison of simulation results of PBC and LQR

6.9. Using LQR to qualify the response of experimental setup with the identified parameters

6.10. Experimental result of PBSC-LQR for RIP

6.11. Experimental result of SMCCEBM-LQR for RIP

6.12. Comparison between PBSC-LQR and SMCCEBM-LQR in experiments

6.13. Experimental results of stabilization control of PBC for RIP

7. Conclusion

Publication

Bibliography

Appendix A

VITA

I. Kiểm soát thụ động trong hệ thống cân bằng lật quay

Kiểm soát thụ động là một phương pháp điều khiển dựa trên tính chất thụ động của hệ thống động lực. Trong luận văn này, hệ thống cân bằng lật quay (RIP) được sử dụng làm đối tượng nghiên cứu để áp dụng phương pháp kiểm soát thụ động. Tính thụ động của hệ thống đảm bảo rằng năng lượng không bị tạo ra quá mức, giúp duy trì sự ổn định và hiệu quả trong điều khiển. Phương pháp này đặc biệt hữu ích trong các hệ thống cơ học và robot, nơi mà sự ổn định và bảo toàn năng lượng là yếu tố quan trọng.

1.1. Cơ sở lý thuyết về tính thụ động

Tính thụ động là một đặc tính quan trọng trong lý thuyết điều khiển, đặc biệt là trong các hệ thống động lực. Một hệ thống được gọi là thụ động nếu năng lượng đầu vào luôn lớn hơn hoặc bằng năng lượng đầu ra. Trong hệ thống cân bằng lật quay, tính thụ động được áp dụng để thiết kế các bộ điều khiển như PBSC (Passivity-Based Swing-Up Control) và PBC (Passivity-Based Control). Các phương pháp này giúp đảm bảo rằng hệ thống luôn ổn định và không bị mất kiểm soát.

1.2. Ứng dụng của kiểm soát thụ động trong RIP

Trong hệ thống cân bằng lật quay, kiểm soát thụ động được áp dụng để thiết kế các bộ điều khiển như PBSC-LQR và SMCCEBM-LQR. Các bộ điều khiển này kết hợp giữa tính thụ động và điều khiển tuyến tính hóa dạng toàn phương (LQR) để đạt được hiệu suất cao trong việc điều khiển hệ thống. Kết quả thực nghiệm cho thấy PBSC-LQR có hiệu suất vượt trội so với SMCCEBM-LQR, đặc biệt trong việc duy trì sự cân bằng của hệ thống.

II. Hệ thống cân bằng lật quay và mô hình toán học

Hệ thống cân bằng lật quay (RIP) là một hệ thống cơ học phức tạp, bao gồm một con lắc được gắn trên một trục quay. Mục tiêu của hệ thống là duy trì sự cân bằng của con lắc ở vị trí thẳng đứng. Để đạt được điều này, cần phải xây dựng một mô hình toán học chính xác để mô phỏng và điều khiển hệ thống.

2.1. Mô hình động lực học của RIP

Mô hình động lực học của hệ thống cân bằng lật quay được xây dựng dựa trên các phương trình vi phân mô tả chuyển động của con lắc và trục quay. Các thông số hệ thống như khối lượng, chiều dài con lắc, và mô men quán tính được xác định thông qua thuật toán di truyền (GA). Mô hình này là cơ sở để thiết kế các bộ điều khiển như LQR và PBC.

2.2. Phương pháp nhận dạng thông số hệ thống

Thuật toán di truyền (GA) được sử dụng để nhận dạng các thông số hệ thống của RIP. GA là một phương pháp tối ưu hóa dựa trên nguyên lý tiến hóa tự nhiên, giúp tìm ra các thông số tối ưu dựa trên dữ liệu thực nghiệm. Kết quả nhận dạng thông số được kiểm chứng thông qua LQR, đảm bảo tính chính xác của mô hình toán học.

III. Thiết kế và điều khiển hệ thống cân bằng lật quay

Luận văn tập trung vào việc thiết kế và điều khiển hệ thống cân bằng lật quay sử dụng các phương pháp kiểm soát thụ động và điều khiển tuyến tính hóa dạng toàn phương (LQR). Các bộ điều khiển được thiết kế bao gồm PBSC-LQR và SMCCEBM-LQR, với mục tiêu đạt được sự cân bằng và ổn định của hệ thống.

3.1. Thiết kế bộ điều khiển PBSC LQR

PBSC-LQR là bộ điều khiển kết hợp giữa kiểm soát thụ động và LQR. Phương pháp này tập trung vào việc điều khiển con lắc từ vị trí ổn định đến vị trí không ổn định, sau đó sử dụng LQR để duy trì sự cân bằng. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy PBSC-LQR có hiệu suất cao hơn so với SMCCEBM-LQR.

3.2. Thiết kế bộ điều khiển SMCCEBM LQR

SMCCEBM-LQR là bộ điều khiển kết hợp giữa phương pháp dựa trên năng lượng và điều khiển trượt. Mặc dù phương pháp này cũng đạt được sự cân bằng của hệ thống, nhưng hiệu suất không vượt trội so với PBSC-LQR. Kết quả so sánh cho thấy PBSC-LQR là phương pháp hiệu quả hơn trong việc điều khiển hệ thống cân bằng lật quay.

IV. Kết quả và ứng dụng thực tế

Luận văn đã đạt được các kết quả quan trọng trong việc nhận dạng thông số hệ thống và thiết kế các bộ điều khiển cho hệ thống cân bằng lật quay. Các kết quả này không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn có ứng dụng thực tế trong các lĩnh vực như robot, cơ học, và điều khiển tự động.

4.1. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm

Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy các bộ điều khiển PBSC-LQR và SMCCEBM-LQR đều có khả năng duy trì sự cân bằng của hệ thống. Tuy nhiên, PBSC-LQR có hiệu suất vượt trội hơn, đặc biệt trong việc đối phó với các nhiễu động bên ngoài. Kết quả này khẳng định tính hiệu quả của phương pháp kiểm soát thụ động trong điều khiển hệ thống phức tạp.

4.2. Ứng dụng thực tế của nghiên cứu

Nghiên cứu này có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực thực tế như điều khiển robot, hệ thống cơ học, và các hệ thống tự động hóa. Kiểm soát thụ động đặc biệt hữu ích trong các hệ thống yêu cầu sự ổn định cao và bảo toàn năng lượng, giúp cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống.

Luận Văn Thạc Sĩ Về Kiểm Soát Dựa Trên Tính Thụ Động Trong Hệ Thống Cân Bằng Lật Quay