I. Giới thiệu và bối cảnh nghiên cứu
Luận văn thạc sĩ này tập trung vào việc tự động hóa hệ thống điều khiển cân bằng con lắc ngược sử dụng bộ điều khiển cuốn chiếu. Hệ thống con lắc ngược là một mô hình phổ biến trong nghiên cứu lý thuyết điều khiển và ứng dụng tự động hóa, đặc biệt trong các lĩnh vực như robot, phương tiện di chuyển tự cân bằng, và hệ thống cần cẩu. Mục tiêu của luận văn là thiết kế và thực nghiệm bộ điều khiển cuốn chiếu để đạt được sự cân bằng và ổn định cho hệ thống con lắc ngược, đồng thời so sánh hiệu quả với bộ điều khiển LQR.
1.1. Lý do chọn đề tài
Hệ thống con lắc ngược được chọn làm đối tượng nghiên cứu do tính phức tạp và phi tuyến của nó, đòi hỏi các phương pháp điều khiển thông minh và tự động hóa tiên tiến. Ngoài ra, hệ thống này có nhiều ứng dụng thực tiễn như trong robot tự cân bằng, phương tiện di chuyển Segway, và hệ thống cần cẩu. Việc nghiên cứu và phát triển các thuật toán điều khiển mới như cuốn chiếu mang lại giá trị khoa học và kỹ thuật cao.
1.2. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu chính của luận văn là thiết kế bộ điều khiển cuốn chiếu để cân bằng hệ thống con lắc ngược, đồng thời thực nghiệm và so sánh hiệu quả với bộ điều khiển LQR. Luận văn cũng hướng đến việc phát triển một hệ thống điều khiển thời gian thực sử dụng vi điều khiển DSP TMS320F28335 và giao diện người dùng (GUI) để thu thập và hiển thị dữ liệu.
II. Tổng quan nghiên cứu
Chương này trình bày tổng quan về các công trình nghiên cứu liên quan đến điều khiển con lắc ngược trong và ngoài nước. Các phương pháp điều khiển truyền thống như LQR đã được áp dụng rộng rãi, nhưng vẫn tồn tại những hạn chế về tính linh hoạt và khả năng xử lý phi tuyến. Phương pháp cuốn chiếu được đề xuất như một giải pháp thay thế hiệu quả, đặc biệt trong việc thiết kế các hệ thống điều khiển thông minh và tự động hóa.
2.1. Các công trình nghiên cứu liên quan
Các nghiên cứu trước đây đã tập trung vào việc áp dụng các thuật toán điều khiển như LQR, PID, và điều khiển thích nghi để cân bằng con lắc ngược. Tuy nhiên, các phương pháp này thường yêu cầu thời gian dài để điều chỉnh tham số và không linh hoạt trong việc xử lý các hệ thống phi tuyến. Phương pháp cuốn chiếu được đề xuất như một giải pháp mới, mang lại hiệu quả cao trong việc ổn định và cân bằng hệ thống.
2.2. Vấn đề cần giải quyết
Luận văn tập trung vào việc thiết kế một luật điều khiển mới dựa trên phương pháp cuốn chiếu, đồng thời thực nghiệm và so sánh hiệu quả với bộ điều khiển LQR. Ngoài ra, luận văn cũng đề xuất việc kết hợp thuật toán swing up với bộ điều khiển cuốn chiếu để tạo ra một hệ thống điều khiển hoàn chỉnh.
III. Thiết kế bộ điều khiển cuốn chiếu
Chương này trình bày chi tiết về phương pháp cuốn chiếu và các bước thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống con lắc ngược. Phương pháp cuốn chiếu là một kỹ thuật mạnh mẽ và linh hoạt, đặc biệt phù hợp với các hệ thống phi tuyến. Quá trình thiết kế bao gồm việc xây dựng hàm Lyapunov và xác định luật điều khiển để đảm bảo sự ổn định và cân bằng của hệ thống.
3.1. Cơ sở lý thuyết
Phương pháp cuốn chiếu dựa trên việc phân tách hệ thống thành các hệ con và thiết kế luật điều khiển cho từng hệ con. Quá trình này được thực hiện thông qua việc xây dựng hàm Lyapunov và đảm bảo tính ổn định của hệ thống. Phương pháp này cho phép thiết kế các bộ điều khiển linh hoạt và hiệu quả, đặc biệt trong việc xử lý các hệ thống phi tuyến.
3.2. Thiết kế luật điều khiển
Luật điều khiển được thiết kế dựa trên hàm Lyapunov và các tham số của hệ thống. Quá trình này bao gồm việc xác định các biến trạng thái, thiết kế luật điều khiển cho từng hệ con, và đảm bảo tính ổn định của toàn bộ hệ thống. Kết quả là một bộ điều khiển hiệu quả, có khả năng cân bằng và ổn định hệ thống con lắc ngược.
IV. Mô hình hóa và thiết kế hệ thống
Chương này trình bày quá trình mô hình hóa hệ thống con lắc ngược và thiết kế bộ điều khiển cân bằng sử dụng phương pháp cuốn chiếu. Hệ thống được mô hình hóa dựa trên phương trình động học và tuyến tính hóa quanh điểm cân bằng. Quá trình thiết kế bao gồm việc xác định các tham số hệ thống, thiết kế bộ điều khiển, và mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink.
4.1. Mô hình hóa hệ thống
Hệ thống con lắc ngược được mô hình hóa dựa trên phương trình Lagrange, bao gồm các tham số như khối lượng, chiều dài, và mô-men quán tính. Quá trình tuyến tính hóa được thực hiện quanh điểm cân bằng để đơn giản hóa việc thiết kế bộ điều khiển. Kết quả là một mô hình toán học chính xác, phục vụ cho việc thiết kế và mô phỏng.
4.2. Thiết kế bộ điều khiển
Bộ điều khiển cuốn chiếu được thiết kế dựa trên mô hình toán học của hệ thống. Quá trình này bao gồm việc xác định các biến trạng thái, thiết kế luật điều khiển, và đảm bảo tính ổn định của hệ thống. Kết quả mô phỏng cho thấy bộ điều khiển cuốn chiếu mang lại hiệu quả cao hơn so với bộ điều khiển LQR trong việc cân bằng và ổn định hệ thống.
V. Thực nghiệm và đánh giá
Chương này trình bày kết quả thực nghiệm và đánh giá hiệu quả của bộ điều khiển cuốn chiếu so với bộ điều khiển LQR. Các thí nghiệm được thực hiện trên mô hình thực tế, sử dụng vi điều khiển DSP TMS320F28335 và giao diện người dùng (GUI) để thu thập và hiển thị dữ liệu. Kết quả cho thấy bộ điều khiển cuốn chiếu mang lại hiệu quả cao hơn trong việc cân bằng và ổn định hệ thống, đặc biệt trong điều kiện có nhiễu và thay đổi khối lượng.
5.1. Kết quả thực nghiệm
Các thí nghiệm được thực hiện trên mô hình thực tế, bao gồm việc so sánh hiệu quả của bộ điều khiển cuốn chiếu và LQR. Kết quả cho thấy bộ điều khiển cuốn chiếu mang lại sự ổn định và cân bằng tốt hơn, đặc biệt trong điều kiện có nhiễu và thay đổi khối lượng. Điều này khẳng định tính ưu việt của phương pháp cuốn chiếu trong việc điều khiển các hệ thống phi tuyến.
5.2. Đánh giá và kết luận
Kết quả thực nghiệm và mô phỏng cho thấy bộ điều khiển cuốn chiếu mang lại hiệu quả cao hơn so với bộ điều khiển LQR trong việc cân bằng và ổn định hệ thống con lắc ngược. Luận văn cũng đề xuất các hướng phát triển trong tương lai, bao gồm việc ứng dụng phương pháp cuốn chiếu trong các hệ thống điều khiển phức tạp hơn.
