Đặt vấn đề Cùng với sự phát triển của khoa học kĩ thuật, các phƣơng pháp điều khiển từ kinh điển đến hiện đại, điều khiển thông minh ra đời. Hầu hết các ứng dụng này đều đƣợc giải quyết bởi các bài toán ổn định hệ thống với chất lƣợng tốt nhất. Các phƣơng pháp này ngày càng đƣợc nghiên cứu, phát triển, ứng dụng rộng rãi, góp phần tăng chất lƣợng, độ ổn định của hệ thống. Điều khiển dùng Fuzzy logic (logic mờ) là một trong nhƣng phƣơng pháp điều khiển đơn giản, đạt hiệu quả cao và thƣờng đƣợc sử dụng nhiều trong các ứng dụng công nghiệp.
Kĩ thuật điều khiển này với ƣu điểm là không cần biết nhiều về thông tin đối tƣợng mà dùng kinh nghiệm để đƣa ra các luật điều khiển tƣơng ứng của ngƣời thiết kế. Bộ điều khiển mờ bắt chƣớc sự xử lý thông tin và điều khiển của con ngƣời, vì vậy thích hợp để điều khiển những đối tƣợng phức tạp mà các phƣơng pháp kinh điển không cho đƣợc kết quả mong muốn. Con lắc ngƣợc là hệ thống một vào – nhiều ra, nó có độ bất ổn định cao và là cơ sở để tạo ra các hệ thống tự cân bằng nhƣ: xe hai bánh tự cân bằng, tháp vô tuyến, giàn khoan, công trình biển… Đây là đối tƣợng thƣờng đƣợc các nhà nghiên cứu lựa chọn để kiểm chứng những thuật toán điều khiển của mình, từ những thuật toán điều khiển cổ điển đến những thuật toán điều khiển hiện đại, điều khiển thông minh. Hệ con lắc ngƣợc hai bậc tự do là vấn đề khó, đòi hỏi có bộ điều khiển thích hợp và HVTH: Trần Vi Đô Trang 1 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm có tốc độ đáp ứng nhanh, ở nƣớc ta vẫn chƣa đƣợc thực hiện thành công trên mô hình thực.
Các nghiên cứu về điều khiển hệ thống con lắc ngƣợc đã đƣợc tiến hành khá sớm, xuất phát từ nhu cầu thiết kế các hệ thống điều khiển cân bằng tên lửa trong giai đoạn đầu phóng. Trên phƣơng diện nghiên cứu các kĩ thuật điều khiển thực, con lắc ngƣợc đại diện cho lớp các đối tƣợng phi tuyến phức tạp. Nhiều giải thuật đã đƣợc áp dụng thành công cho hệ con lắc ngƣợc hai bậc tự do, nhƣ PID cho con lắc ngƣợc một bậc [2] [3] [4], SIRMs dựa trên logic mờ [5], LQR điều khiển tối ƣu cho hệ con lắc ngƣợc đôi [6], [7]. Tuy nhiên, các giải thuật này chỉ dừng lại ở việc mô phỏng hệ thống.
Việc điều khiển mô hình thực tế dùng bộ điều khiển LQR cần có thông số chính xác của hệ thống, cân bằng con lắc ngƣợc hai bậc đã đƣợc thực hiện thành công, nhƣng ở nƣớc ta vẫn còn chƣa có công trình đạt đƣợc kết quả tốt. Sử dụng một bộ điều khiển mờ duy nhất để điều khiển hệ con lắc ngƣợc hai bậc tự do cũng là một vấn đề khó, đang đƣợc nghiên cứu. Từ những nguyên nhân trên, tôi quyết định chọn đề tài “ĐIỀU KHIỂN CON LẮC NGƢỢC HAI BẬC TỰ DO DÙNG FUZZY LOGIC” nhằm nghiên cứu kỹ hơn về lý thuyết mờ, ứng dụng logic mờ trong điều khiển hệ có độ mất ổn định cao.2 Giới thiệu con lắc ngƣợc hai bậc tự do Con lắc ngƣợc hai bậc tự do đƣợc phát triển dựa trên con lắc ngƣợc một bậc tự do. Hệ con lắc ngƣợc ở trên là hệ con lắc ngƣợc cổ điển, bao gồm một con chạy có khả năng di chuyển theo phƣơng ngang trên một thanh ray.
Con lắc đƣợc gắn trên con chạy, có khả năng quay tự do trong mặt phẳng thẳng đứng. Nếu gắn thêm một liên kết tự do nữa, hệ thống trở thành hệ con lắc ngƣợc hai bậc tự do. Con lắc ngƣợc hai bậc tự do bao gồm các thành phần: Con chạy: đƣợc truyền động bằng động cơ, có một encoder gắn đồng trục để xác định vị trí hiện tại của con chạy. Trên con chạy đƣợc gắn encoder, encoder HVTH: Trần Vi Đô Trang 2 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm này sẽ dùng để gắp với con lắc thứ nhất.
Con chạy có thể trƣợt trên một thanh ray nằm ngang, giữ cân bằng cho cả hai con lắc ở trên. Con lắc thứ nhất: một đầu gắn trên trục encoder đặt trên con chạy. Đầu kia cũng đƣợc gắn encoder. Con lắc thứ hai: gắn vào trục encoder trên con lắc thứ nhất.
Cả con lắc thứ nhất và con lắc thứ hai đều có thể xoay tự do trong mặt phẳng vuông góc với mặt phẳng ngang.3 Một số công trình nghiên cứu có liên quan Do hệ con lắc ngƣợc là một hệ ứng dụng nhiều trong nghiên cứu giải thuật điều khiển cũng nhƣ mang tính học thuật cao nên nhiều dạng mô hình con lắc ngƣợc đƣợc xây dựng và sử dụng tại các phòng thí nghiệm. Ngoài hệ con lắc ngƣợc hai bậc tự do đƣợc đề cập ở phần trên còn các loại con lắc ngƣợc khác nhƣ con lắc ngƣợc xoay một bậc tự do, con lắc ngƣợc xoay hai bậc tự do, hệ hai con lắc ngƣợc xoay … Hình 1.1: Con lắc ngược hai bậc tự do trên Hình 1.2: Con lắc ngược xoay một bậc tự xe do ở trường ĐH SPKT TP.HCM HVTH: Trần Vi Đô Trang 3 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm Trong luận văn thạc sĩ “Thiết kế, chế tạo mô hình điều khiển cân bằng con lắc ngƣợc hai bậc tự do” của tác giả Đỗ Minh Tiến [1], trƣờng Đại Học Đà Nẵng 2013, hệ thống cũng đã đƣợc phân tích, chế tạo, mô phỏng và điều khiển. Các kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống đáp ứng nhanh, tuy nhiên, việc điều khiển thực tế còn chƣa điều khiển cân bằng đƣợc. Điều đó cho thấy, việc điều khiển cân bằng hệ con lắc ngƣợc hai bậc tự do vẫn là một thách thức đối với các nghiên cứu trong nƣớc ta hiện nay.3: Con lắc ngược hai bậc tự do của trường Đại học Đà Nẵng 2013 Ngoài ra, hệ con lắc ngƣợc hai bậc tự do còn có mối quan hệ tƣơng tự về cấu trúc nhƣ các hệ cần trục (2D, 3D), hệ xe hai bánh tự cân bằng… nhƣng đòi hỏi cao hơn về mức độ ổn định so với hệ cần trục, hệ thống có độ khó điều khiển rất cao.
Mặc dù trên thế giới đã có nhiều công trình đã thực hiện thành công đối với hệ con lắc ngƣợc hai bậc tự do. Tuy nhiên, đây vẫn là một thách thức đối với các nghiên cứu trong nƣớc ta hiện nay. HVTH: Trần Vi Đô Trang 4 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm 1.4 Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu 1.1 Mục tiêu Trong luận văn này, mục tiêu là điều khiển cân bằng con lắc ngƣợc hai bậc tự do ở vị trí hƣớng lên, cụ thể là: Nghiên cứu xây dựng mô hình toán hệ con lắc ngƣợc hai bậc tự do. Nghiên cứu về nguyên lý cân bằng của hệ thống.
Thi công và tìm hiểu cách cái đặt phần mềm và sử dụng vi xử lý DSP 28335. Nghiên cứu phƣơng pháp điều khiển LQR, bộ điều khiển mờ nơron thích nghi, lập trình bằng ngôn ngữ Matlab để mô phỏng điều khiển cân bằng hệ con lắc ngƣợc hai bậc tự do. Lập trình ngôn ngữ Matlab để viết chƣơng trình thu thập dữ liệu phần cứng trên môi trƣờng Matlab/Simulink, nạp cho chip DSP TMS320F28335. Xây dựng mô hình phần cứng hệ con lắc ngƣợc hai bậc tự do.
Tiến hành điều khiển cân bằng hệ con lắc ngƣợc hai bậc tự do trên mô hình đã xây dựng đƣợc. Nhận xét kết quả mô phỏng và thực tế.2 Phạm vi nghiên cứu Ứng dụng bộ điều khiển LQR, bộ điều khiển mờ nơron thích nghi để điều khiển cân bằng hệ con lắc ngƣợc hai bậc tự do. Việc nghiên cứu đƣợc thực hiện cả trên mô phỏng trên môi trƣờng Matlab/Simulink và thực hiện điều khiển cân bằng trên mô hình thực tế. Các kết quả đƣợc từ hai bộ điều khiển trên đƣợc thu thập và so sánh.5 Phƣơng pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu xây dựng mô hình toán học con lắc ngƣợc.
Nghiên cứu bộ điều khiển LQR, bộ điều khiển mờ nơron thích nghi để điều khiển cân bằng con lắc ngƣợc hai bậc tự do. Phƣơng pháp thực nghiệm: HVTH: Trần Vi Đô Trang 5 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm Sử dụng phần mềm Matlab/Simulink làm công cụ xây dựng mô hình và mô phỏng hệ thống. Xây dựng mô hình thực tế hệ thống, dùng chip DSP TMS320F28335 để thu thập dữ liệu và điều khiển hệ thống thực tế đã xây dựng đƣợc.6 Cấu trúc của luận văn Luận văn tìm hiểu cơ sở lý thuyết của điều khiển logic mờ để điều khiển cân bằng con lắc ngƣợc hai bậc tự do, lập trình, mô phỏng trên phần mềm Matlab và thực hiện thi công mô hình phần cứng. Sau đó, tác giả sẽ thực hiện nhúng giải thuật điều khiển trên DSP TMS320F28335 để áp dụng điều khiển con lắc ngƣợc hai bậc tự do thực tế.
Luận văn gồm 7 chƣơng với nội dung cụ thể nhƣ sau: Chƣơng 1: Tổng quan Giới thiệu tổng quan nhằm mục đích giới thiệu đề tài, các vấn đề mà đề tài cần giải quyết, công trình liên quan, mục tiêu nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu và phƣơng pháp nghiên cứu của học viên. Chƣơng 2: Mô hình hóa và tham số Khảo sát đối tƣợng con lắc ngƣợc hai bậc tự do, trình bày việc phân tích mô hình toán học hệ con lắc ngƣợc hai bậc tự do. Xác định các thông số toán học của đối tƣợng, các biến trạng thái. Chƣơng 3: Giới thiệu phần cứng Chƣơng này trình bày phần cơ khí, điện và chƣơng trình mà học viên thực hiện cho hệ thống con lắc ngƣợc hai bậc tự do.
Chƣơng 4: Giải thuật điều khiển Trình bày sơ lƣợc về cơ sở lý thuyết về điều khiển LQR, điều khiển mờ Anfis (mờ nơron thích nghi) – các giải thuật đƣợc áp dụng để điều khiển đối tƣợng trong đề tài. HVTH: Trần Vi Đô Trang 6 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm Chƣơng 5: Mô phỏng điều khiển hệ thống Chƣơng này trình bày cách đƣa mô hình toán học của hệ con lắc ngƣợc hai bậc tự do vào mô phỏng bằng Matlab. Cách xây dựng giải thuật điều khiển bằng LQR, điều khiển mờ dùng mạng Anfis để điều khiển đối tƣợng, kết quả mô phỏng của hệ thống cũng đƣợc trình bày trong phần này. Chƣơng 6: Điều khiển mô hình thực tế Trình bày kết quả điều khiển thực tế cho thiết kế phần cứng ở chƣơng trƣớc.
Các đánh giá và nhận xét về chất lƣợng điều khiển cũng đƣợc trình bày trong chƣơng này. Chƣơng 7: Kết luận và hƣớng phát triển Kết luận tóm tắt về kết quả đã đạt đƣợc cũng nhƣ những hạn chế và hƣớng phát triển để hoàn thiện hơn những thiếu sót của đề tài.