Nghiên Cứu Thiết Kế Mô Hình Con Lắc Ngược Cho Hệ Thống Điều Khiển Tự Động Trên Ô Tô

Phần này trình bày chi tiết về việc thiết lập phương trình vi phân mô tả chuyển động của mô hình con lắc ngược. Phương trình được xây dựng dựa trên các định luật cơ bản của vật lý, cụ thể là định luật Newton. Các biến trạng thái bao gồm góc lệch của con lắc và vận tốc góc. Việc lựa chọn các tham số hệ thống như khối lượng, chiều dài con lắc và mômen quán tính được xem xét kỹ lưỡng. Phương trình vi phân phi tuyến tính được tuyến tính hóa xung quanh điểm cân bằng để thuận tiện cho quá trình phân tích và thiết kế bộ điều khiển. Mô hình toán học được xây dựng dựa trên giả định con lắc là thanh cứng, không có ma sát, và chuyển động trong mặt phẳng thẳng đứng. Đây là một mô hình con lắc ngược đơn giản, tạo điều kiện cho việc hiểu rõ nguyên lý hoạt động của hệ thống. Tuy nhiên, các yếu tố như ma sát và nhiễu cần được xem xét trong việc xây dựng mô hình con lắc ngược phức tạp hơn để phản ánh chính xác hơn hệ thống thực tế. Kết quả phân tích độ ổn định dựa trên phương trình tuyến tính hóa cho thấy hệ thống con lắc ngược không ổn định khi không có bộ điều khiển.

Sau khi thiết lập mô hình toán học, việc mô phỏng con lắc ngược bằng MATLAB con lắc ngược và Simulink con lắc ngược là bước quan trọng để kiểm chứng tính chính xác và hiệu quả của mô hình. Mô hình con lắc ngược được xây dựng trong môi trường Simulink, sử dụng các khối mô hình hóa các thành phần cơ bản của hệ thống. Các kết quả mô phỏng cho thấy sự phù hợp giữa mô hình lý thuyết và mô hình số. Phân tích đáp ứng tần số được thực hiện để đánh giá tính ổn định của hệ thống và xác định các thông số thiết kế bộ điều khiển. Phân tích độ ổn định của mô hình con lắc ngược được thực hiện bằng phương pháp phân tích cực, cho thấy sự cần thiết của bộ điều khiển để đảm bảo tính ổn định của hệ thống. Mô hình hóa và mô phỏng cho phép kiểm tra nhiều kịch bản điều khiển khác nhau trước khi triển khai trên hệ thống thực tế, tiết kiệm thời gian và chi phí. Phân tích đáp ứng xung và đáp ứng bậc thang giúp đánh giá hiệu suất điều khiển của hệ thống.

Điều khiển PID là một phương pháp điều khiển phổ biến và hiệu quả được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng thực tế. Điều khiển PID được lựa chọn do tính đơn giản và dễ dàng thực hiện. Việc thiết kế bộ điều khiển PID bao gồm việc điều chỉnh ba thông số Kp, Ki và Kd. Thuật toán điều khiển PID được cài đặt và kiểm chứng trên cả mô hình con lắc ngược trong phần mềm mô phỏng và trên hệ thống thực tế. Phân tích ổn định được thực hiện để đảm bảo hệ thống không bị dao động không tắt dần hoặc mất ổn định. Các thông số điều khiển PID được điều chỉnh để tối ưu hóa hiệu suất điều khiển, giảm thời gian xác lập, độ vọt lố và sai số xác lập. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy khả năng điều khiển hiệu quả của điều khiển PID trong việc giữ cân bằng con lắc ngược.

Ngoài điều khiển PID, một số phương pháp điều khiển tiên tiến như điều khiển LQR và điều khiển MPC cũng được xem xét. Điều khiển LQR (Linear Quadratic Regulator) là một phương pháp điều khiển tối ưu, dựa trên nguyên lý tối thiểu hóa một hàm mục tiêu. Điều khiển MPC (Model Predictive Control) là một phương pháp điều khiển dự đoán, sử dụng mô hình hệ thống để dự đoán đáp ứng tương lai và tính toán tín hiệu điều khiển tối ưu. Việc lựa chọn phương pháp điều khiển phụ thuộc vào các yêu cầu cụ thể của hệ thống. Điều khiển LQR thường được sử dụng khi yêu cầu chính xác cao và tính ổn định được đảm bảo. Điều khiển MPC được sử dụng khi hệ thống có tính phi tuyến mạnh hoặc có nhiều ràng buộc. Phân tích so sánh giữa các phương pháp điều khiển khác nhau được thực hiện để đánh giá ưu điểm và nhược điểm của từng phương pháp.

Phần này mô tả chi tiết về thiết kế hệ thống thực nghiệm. Mô hình con lắc ngược được chế tạo sử dụng các vật liệu và linh kiện phù hợp. Cảm biến góc được sử dụng để đo góc lệch của con lắc. Động cơ DC được sử dụng để điều khiển chuyển động của con lắc. Mạch điều khiển được thiết kế để cung cấp năng lượng và điều khiển tín hiệu cho động cơ. Giao tiếp giữa phần cứng và phần mềm được thiết lập thông qua giao tiếp nối tiếp hoặc giao tiếp SPI. Kiểm soát độ ổn định của hệ thống thực nghiệm được đảm bảo thông qua việc lựa chọn các linh kiện và thiết kế mạch điện tử thích hợp. Việc tích hợp các phần mềm điều khiển với phần cứng được thực hiện cẩn thận để đảm bảo hoạt động ổn định và đáng tin cậy của hệ thống.

Phần này trình bày kết quả thực nghiệm của việc điều khiển mô hình con lắc ngược. Kết quả điều khiển con lắc ngược bằng Matlab/Simulink và kết quả điều khiển con lắc ngược bằng Arduino được so sánh và phân tích. Các chỉ số hiệu suất điều khiển như thời gian xác lập, độ vọt lố và sai số xác lập được tính toán và đánh giá. Việc so sánh giữa kết quả thực nghiệm và kết quả mô phỏng giúp đánh giá độ chính xác của mô hình và hiệu quả của bộ điều khiển. Phân tích sai số giữa kết quả thực nghiệm và kết quả mô phỏng được thực hiện để xác định các nguồn sai số và đề xuất các giải pháp khắc phục. Kiểm soát độ ổn định của hệ thống thực nghiệm được đánh giá thông qua việc phân tích đáp ứng của hệ thống đối với các tác động nhiễu. Kết quả thực nghiệm cho thấy hiệu quả của bộ điều khiển trong việc giữ cân bằng con lắc ngược.