Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật: Nghiên Cứu Điều Khiển Và Tự Động Hóa Cân Bằng Pendubot

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa tập trung nghiên cứu phương pháp điều khiển cân bằng Pendubot, ứng dụng trong công nghiệp hiện đại.

• Tác giả: Bùi Diệp Phát Đạt
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Vĩnh Hảo
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
• Đề tài: Điều Khiển Cân Bằng Pendubot
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu và tổng quan

Luận văn tập trung vào việc điều khiển tự động và cân bằng hệ thống Pendubot, một mô hình robot hai khớp với khả năng di chuyển phức tạp. Pendubot là hệ thống phi tuyến, đòi hỏi các thuật toán điều khiển tiên tiến để đạt được sự ổn định và hiệu quả. Mục tiêu chính của luận văn là xây dựng bộ điều khiển kết hợp giữa thuật toán trượt và LQR để thực hiện Swing Up và cân bằng Pendubot. Các phương pháp nhận dạng hệ thống bằng giải thuật di truyền cũng được đề xuất để tối ưu hóa hiệu suất điều khiển.

1.1. Đặt vấn đề

Pendubot là hệ thống cơ khí phức tạp với hai khớp, trong đó chỉ khớp thứ nhất được điều khiển trực tiếp. Việc điều khiển khớp thứ hai đòi hỏi các thuật toán điều khiển phức tạp để đạt được sự cân bằng và ổn định. Luận văn đề xuất sử dụng thuật toán trượt để thực hiện Swing Up và LQR để duy trì cân bằng tại điểm không ổn định. Các phương pháp nhận dạng hệ thống bằng giải thuật di truyền cũng được áp dụng để tối ưu hóa các thông số vật lý của mô hình.

1.2. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của luận văn là xây dựng và thử nghiệm bộ điều khiển kết hợp giữa thuật toán trượt và LQR để điều khiển Pendubot. Cụ thể, bộ điều khiển sẽ thực hiện Swing Up để đưa Pendubot lên vị trí cân bằng không ổn định và duy trì sự cân bằng tại đó. Ngoài ra, luận văn cũng đề xuất phương pháp nhận dạng hệ thống bằng giải thuật di truyền để tối ưu hóa các thông số vật lý của mô hình.

II. Mô hình toán học và nhận dạng hệ thống

Luận văn trình bày chi tiết về việc xây dựng mô hình toán học của Pendubot dựa trên phương trình Euler-Lagrange. Các thông số vật lý của mô hình được xác định thông qua giải thuật di truyền, một phương pháp tối ưu hóa hiệu quả trong việc nhận dạng hệ thống. Kết quả nhận dạng cho thấy độ chính xác cao trong việc mô phỏng và thực nghiệm.

2.1. Nguyên lý cấu tạo và mô hình toán học

Pendubot được mô tả bằng phương trình động học dựa trên nguyên lý Euler-Lagrange. Mô hình bao gồm hai khớp, trong đó khớp thứ nhất được điều khiển trực tiếp và khớp thứ hai quay tự do quanh khớp thứ nhất. Các thông số vật lý như khối lượng, chiều dài và mô-men quán tính được xác định để xây dựng mô hình toán học chính xác.

2.2. Nhận dạng hệ thống bằng giải thuật di truyền

Phương pháp nhận dạng hệ thống bằng giải thuật di truyền được áp dụng để tối ưu hóa các thông số vật lý của Pendubot. Kết quả nhận dạng cho thấy độ chính xác cao trong việc mô phỏng và thực nghiệm, giúp cải thiện hiệu suất của bộ điều khiển.

III. Ứng dụng lý thuyết trượt và LQR

Luận văn đề xuất sử dụng thuật toán trượt để thực hiện Swing Up và LQR để duy trì cân bằng tại điểm không ổn định. Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy hiệu quả của phương pháp này trong việc điều khiển Pendubot.

3.1. Thiết kế bộ điều khiển Swing Up

Bộ điều khiển Swing Up được thiết kế dựa trên thuật toán trượt, giúp đưa Pendubot từ vị trí cân bằng ổn định lên vị trí cân bằng không ổn định. Kết quả mô phỏng cho thấy bộ điều khiển này có khả năng thích nghi cao và chống nhiễu tốt.

3.2. Thiết kế bộ điều khiển cân bằng LQR

Bộ điều khiển LQR được sử dụng để duy trì cân bằng tại điểm không ổn định. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy bộ điều khiển này có khả năng ổn định cao và đáp ứng nhanh với các tín hiệu điều khiển.

IV. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm

Các kết quả mô phỏng trên Matlab và thực nghiệm trên mô hình Pendubot thực tế cho thấy hiệu quả của bộ điều khiển kết hợp giữa thuật toán trượt và LQR. Các kết quả này cũng được so sánh để đánh giá độ chính xác và hiệu suất của phương pháp đề xuất.

4.1. Kết quả mô phỏng

Các kết quả mô phỏng trên Matlab cho thấy bộ điều khiển kết hợp giữa thuật toán trượt và LQR có khả năng thực hiện Swing Up và duy trì cân bằng tại điểm không ổn định một cách hiệu quả. Các kết quả này cũng được so sánh với các phương pháp điều khiển khác để đánh giá hiệu suất.

4.2. Kết quả thực nghiệm

Các kết quả thực nghiệm trên mô hình Pendubot thực tế cho thấy hiệu quả của bộ điều khiển kết hợp giữa thuật toán trượt và LQR. Các kết quả này cũng được so sánh với kết quả mô phỏng để đánh giá độ chính xác và hiệu suất của phương pháp đề xuất.

V. Kết luận và hướng phát triển

Luận văn đã thành công trong việc xây dựng và thử nghiệm bộ điều khiển kết hợp giữa thuật toán trượt và LQR để điều khiển Pendubot. Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy hiệu quả của phương pháp này. Hướng phát triển trong tương lai bao gồm việc cải tiến các thuật toán điều khiển và ứng dụng Pendubot trong các lĩnh vực tự động hóa công nghiệp.

5.1. Kết luận

Luận văn đã thành công trong việc xây dựng và thử nghiệm bộ điều khiển kết hợp giữa thuật toán trượt và LQR để điều khiển Pendubot. Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy hiệu quả của phương pháp này trong việc thực hiện Swing Up và duy trì cân bằng tại điểm không ổn định.

5.2. Hướng phát triển

Hướng phát triển trong tương lai bao gồm việc cải tiến các thuật toán điều khiển và ứng dụng Pendubot trong các lĩnh vực tự động hóa công nghiệp. Ngoài ra, việc tích hợp các công nghệ mới như trí tuệ nhân tạo và học máy cũng được đề xuất để nâng cao hiệu suất điều khiển.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TONG QUAN VE DE TÀI 1.1 Đặt van đề Hình 1.1 Mô hình Pendubot Pendubot có cau tạo vật lý như hình [1.1], gồm 3 phan chinh: phan co khi, mach điện tử và thuật toán điều khiến. Phương trình động hoc của Pendubot được xây dựng dựa trên phương trình Euler-Lagrange. e Phần cơ khí: Pendubot có hai khớp nhưng chi có khớp thứ nhất được điều khiến trực tiếp, khớp thứ hai quay tự do quanh khớp thứ nhất và được điều khiển gián tiếp thông qua khớp thứ nhất. e Phần mạch điện tử: Gồm mạch điều khiến trung tâm va mạch công suất.

e Phần thuật toán điều khiển: Điều khiến Pendubot từ vi trí cân bằng 6n định tới vi trí cân bang không 6n định và thực hiện cân bằng quanh vị trí nay. Pendubot là hệ phi tuyến, nên việc lựa chọn thuật toán điều khiến và xây dựng bộ điều khiến sao cho chất lượng điều khiến , khả năng thích nghi và khả năng chống nhiễu là tốt nhất. Pendubot được xây dựng khá lâu từ khoảng năm 1995 đến nay. HVTH: Bùi Diệp Phát Đạt Trang | LUẬN VĂN CAO HỌC Rất nhiều công trình nghiên cứu đã dé xuất áp dụng nhiều thuật toán như: Fuzzy, LQR, di truyền, Neuron Fuzzy.

Hiện nay, có không ít trường đại học trên thế giới và Việt Nam đã đưa mô hình Pendubot làm mô hình thí nghiệm cho sinh viên. Sau đây là những công trình nghiên cứu gần đây nhất: Bài báo [4] năm 2001, trong bài báo này tac gia sử dụng thuật toán mờ cho cả Swing up và cân băng Pendubot. Phương pháp nay đơn giản hơn phương pháp điều khiến kinh điển (Phương pháp tuyến tính hóa phản hồi cục bộ). Swing up nhanh hơn và ôn định hơn bộ điều khién kinh điển.

Bài báo có kiếm chứng bằng mô hình thực nhưng chỉ thực hiện tại vị trí Top ([đ:đ; |= pi/2:0]).Tuy nhiên có 1 chút khó khăn trong việc điều chỉnh các thông số điều khiển. Hon nữa tất cả các giải thuật đó không dễ thực hiện vì nó phụ thuộc vao số lượng quy luật điều khiến. Bai báo [5] năm 2002, trong bài báo nay tác giả sẽ đề xuất một bộ điều khiển Hybrid mới để 6n định cho Pendubot. Mục đích chính của bai báo là cân băng xung quanh vị trí cân bằng.

Đầu tiên Swing up Pendubot lên vị trí cân bằng sau đó chuyển sang cân bằng bởi bộ điều khiển Hybird. Swing up bang phương pháp tuyến tinh hóa phản hồi cục bộ. Bộ điều khiến Hybrid gồm 2 phan điều khiến: điều khiến liên tục, và điều khiến rời rac. Phần điều khiến liên tục là bộ điều khiến tuyến tính hóa phản hồi cục bộ và phần điều khiến rời rac được coi như để loại bỏ khoảng trôi (lệch).

Kết quả đạt được như sau: e Thực hiện Swing up đến vị trí Top. e Dễ dang chuyền từ Swing up sang cân bang và thời gian để chuyền sang cân bằng sớm. e Thời gian đáp ứng nhanh; Sai số nhỏ; Đạt được tín hiệu điều khiển mượt, trơn. e Pendubot 6n định trong 1 khoảng thời gian ngăn sau khi chuyển sang cân bang, rất 6n định khi có nhiễu tác động.

HVTH: Bùi Diệp Phát Đạt Trang 2 LUẬN VĂN CAO HỌC Bai báo [6] năm 2004, trong bài báo nay tác giả sử dụng ma trận LMI kết hợp với mô hình mờ Takagi — Sugeno dé Swing up Pendubot, nhưng đặc biệt là chỉ Swing up link 1 theo 1 chu kỳ trong khi đó giữ nguyên vị trí link 2 ở vị trí thăng đứng theo chiều doc. Bài báo này chủ yếu tập trung vào Swing up Pendubot lên vi trí cân bằng, không trình bảy phương pháp cân bằng. Kết quả chỉ dừng ở mô phỏng. Bài báo [7] năm 2009, trong bài báo này tác giả tuyến tính hóa mô hình Pendubot tại điểm làm việc.

Bài báo đưa ra một phương pháp mới để Swing up dựa trên dãy chuyển động “rest to rest” của link 1 đến vị trí “upright” đã được thiết lập sẵn. Chuyển động “rest to rest” được thiết kế dé đưa link 2 tới vị tri cân bằng. Tất cả các bộ điều khiến Swing up co bản đều dựa vào phương pháp năng lượng. Nhưng trong bài báo này tập trung vào lực tương tác giữa 2 link, và tập trung vào lực ở link 2.

Swing up cũng dựa vào phương pháp năng lượng nhưng không bị hạn chế điều kiện ban đầu và điểm kỳ dị. Chuyển động “rest to rest” cho phép tạo được dạng quỹ đạo đường di của link 1. Thế mạnh của phương pháp này là sử dụng lực tác động xung. Bai báo chỉ dừng ở mô phỏng, chưa có mô hình thực nghiệm.

Bai báo [8] năm 2010, trong bài báo này tác giả điều khiến Pendubot dựa vào phương pháp năng lượng. Nhưng khác với các phương pháp điều khiển dựa vào năng lượng trước đó, bài báo này đạt được những kết quả mô phỏng như sau: Đưa ra phạm vi của thông số điều khiến lớn hơn để điều khiến Pendubot. Đặt biệt, tác giả trình bày điều kiện cần và đủ để tránh các điểm kỳ dị trong luật điều khiến. Bài báo tìm được điều kiện cần và đủ cho các thông số điều khiến tại điểm cân bằng up down.

Chứng minh điểm cân bằng up down là điểm yên ngựa bang cách sử dụng tiêu chuẩn Routh-Hurwitz, dé chỉ ra rằng tại điểm đó ma trận Jacobi có hai giá trỊ. Bài báo [10] năm 2014, nội dung chính của bài báo nay là nghiên cứu Swing up Pendubot. Tác giả xây dựng mô hình Pendubot có ma sát. Vấn dé ma sát và trọng HVTH: Bùi Diệp Phát Đạt Trang 3 LUẬN VĂN CAO HỌC lực rất khó dé xác định, nên bài bào dé xuất dùng phương pháp năng lượng kết hợp với bộ điều khiển mạng thần kinh mờ để điều khiến.

So sánh với kết quả của các thuật toán khác thì cho ra kết quả tốt hơn khi thực hiện cùng một điều kiện. Điểm nôi bật của bài báo này là Swing up lên vị trí không cân bằng, mặc dù Swing up lên những vị trí này thì khó hơn rất nhiễu so với Swing up lên vị trí cân bằng không 6n định. Bài báo [11] năm 2016, trong bài báo này tac gia mở rộng phạm vi thực hiện cân bằng cho Pendubot. Do phạm vi để có thể thực hiện cân bằng cho Pendubot thường là nhỏ.

Bài báo dé xuất phương pháp mở rộng phạm vi thực hiện cân bang là sử dụng xung thúc đây cho tín hiệu điều khiến đầu vào. Phương pháp nay được thực hiện bằng cách tác động xung đầu vào có độ lợi đủ lớn trong một khoảng thời gian ngăn, để đưa Pendubot vào khu vực có thể cân bằng được. Lợi thế của phương pháp này là có thé đưa Pendubot từ vị trí bên ngoài vào bên trong khu vực có thể thực hiện cân băng. Nhưng để thực hiện thành công phương pháp này thì phải có sự ước lượng thật chính xác về khu vực có thể cân bằng được.

Kết quả đạt còn hạn chế bởi phân cứng. Công việc cần thực hiện sau này là sửa đôi phần cứng dé có tác động xung lớn hơn. Từ những công trình nghiên cứu trên, các tác giả đã không ngừng áp dụng các thuật toán điều khiển hiện đại hơn vào Pendubot, với mong muốn sẽ cho đáp ứng tốt hơn, và kết quả không nằm ngoài sự mong đợi. Nhung hau hết các công trình nghiên cứu đều dừng lại ở kết quả mô phỏng trên Matlab hay được chứng minh dưới dạng công thức toán học, và rất ít mô hình thực nghiệm.

Đa số chỉ tập trung điều khiến ở vị trí Top ({z. Bên cạnh đó van dé tạo quỹ đạo chuyển động của Pendubot cũng cần phải được thực hiện. Việc phân tích và thực hiện tạo quỹ đạo chuyển động phải được thực nghiệm ở mô hình thực. Vì vậy cần hơn nữa những dé tài nghiên cứu khoa học gan liền giữa lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm, nhằm HVTH: Bùi Diệp Phát Đạt Trang 4 LUẬN VĂN CAO HỌC để cao hơn nữa tính ứng dụng của lý thuyết điều khiến vào thực tiễn.

Đây chính là mục dich của dé tài.2 Mục tiêu đề tài Xây dựng mô hình toán học cho hệ Pendubot dựa trên phương trình Euler- Lagrange và nhận dạng hệ Pendubot. Ứng dụng lý thuyết thuật toán trượt và LQR để thiết kế bộ điều khiến Swing up và cân băng cho hệ Pendubot. Thi công phần cứng, đánh giá, so sánh kết quả mô phỏng với kết quả mô hình thực.3 Phương pháp tiếp cận đề tài Xây dựng mô hình toán học của hệ Pendubot dựa trên phương trình Eurler- Lagrange. Nghiên cứu ly thuyết điều khiển trượt và LQR.

Xây dựng bộ điều khiến trượt dé thực hiện Swing up tới ví trí cân băng không ôn định. Xây dựng bộ điều khiển cân bằng LOR để thực hiện cân bang quanh vị trí cân băng không 6n định. Mô phỏng mô hình Pendubot trên Matlab. Thiết kế hệ thống Pendubot thực.

Nhận dạng thông số Pendubot băng GA. Thu thập, đánh giá kết quả. HVTH: Bùi Diệp Phát Đạt Trang 5 LUẬN VĂN CAO HỌC 1.4 Các công trình liên quan STT Tác gia Nội dung Năm bài báo Mark W. Block, The| Đề xuất phương Pendubot: A Mechatronic System for | pháp tuyến tính hóa [1] Control Research and Education, | phan hồi cục bộ để | 1995 Proceedings of the 34" Conference on| điều khiến hệ Decision & Control New Orleans, LA - | Pendubot.Block, “Mechanical designer | Dùng phương pháp and control fo the Pendubot’, for the | tuyến tinh hóa phan degree of Master of Science in General hồi cục bộ kết hợp Engineering in the Grad uate College of | với bộ điều khiến PD the University of Illinois at Urbana-| dé Swing up lên vị trí Champaign, 1996.

cân bằng không 6n| 1996 [2Ì định Top hay Mid, thông qua việc điều chỉnh các thông số Kd, Kp. Và dùng bộ điều khiến LOR để cân bằng.Spong, Điều khiến mô hình “Energy based control of the dựa vào phương [3] pendubot, IEEE Transaction on pháp năng lượng và | 2000 Automatic Control, Vol.4, đặc tinh thu động cua pp. HVTH: Bùi Diệp Phát Dat Trang 6 LUẬN VĂN CAO HỌC Xiao Qing Ma,”Fuzzy Control for an Dùng giải thuật điều under-actuated RoboticManipirlator: khiển Fuzzy cho cả Pendubot’, For the Degree of Master Swing up và cân 2001 [4] of Appiied Science at Concordia bằng. University Montreal, Quebec, Canada August 2001.

Mingjun Zhang, Student Member, Điều khiến mô hình “Hybrid Control of the Pendubot”, dùng bộ điều khiến IEEE, and Tzyh-Jong Tarn, Fellow, Hybrid: Swing up thì IEEE. dung phuong phap tuyến tính hóa phan 2002 [5] hồi cục bộ kết hợp với bộ điều khiến PD. Cân bang thì kết hợp bộ điều khiển liên tục với bộ điều khiên rời rạc. WeiLi , Kazuo Tanaka, and Hua O.

Sử dụng ma trận Wang, “Acrobatic Control of a LMI kết hợp với mô PendubBof”, IEEE Transactions on hình mờ Takagi — Fuzzy systems, Vol. 4, August Sugeno dé Swing up 2004 [6] 2004.