Đặt vấn đề Trong những năm trở lại đây chưa bao giờ việc đề xuất phát triển robot và thử nghiệm robot lại đa dạng như vậy. Cuộc sống đương đại đã gợi ý cho các nhà khoa học xu hướng chế tạo robot có tính ứng dụng vào thực tiễn rất cao. Trong lĩnh vực này phải kể đến dự án nghiên cứu các cánh tay robot được sử dụng trong những lĩnh vực điều khiển khác nhau như các lĩnh vực lắp đặt linh kiện IC vào trong các bo mạch, hàn khung xe, máy bay. Trong những dây chuyền lắp ráp cần độ chính xác tỉ mỉ và trong những môi trường độc hại nguy hiểm như lắp ráp sửa chữa cấu trúc trong lò phản ứng hạt nhân, môi trường trong lòng đất hay trong không gian vũ trụ.
Trong lĩnh vực người máy người ta bắt đầu quan tâm đến việc điều khiển máy móc với số ngõ vào điều khiển nhỏ hơn số cơ cấu chấp hành. Trong đó, chiều dài vector cấu hình hệ thống nhỏ hơn chiều dài của vector điều khiển. Những hệ thống máy móc như vậy gọi là hệ thống thiếu cơ cấu truyền động. Hệ thống này có thể thực hiện các nhiệm vụ phức tạp với số lượng cơ cấu truyền động ít và lại có những ưu điểm như: nhẹ, rẻ, ít tiêu hao năng lượng và độ tin cậy rất cao.
Với những ưu điểm này, hệ thống thiếu cơ cấu truyền động đang nhận được sự quan tâm rất lớn trong những năm trở lại đây. Mặc khác bởi vì sự phức tạp của tính phi tuyến và dao động của hệ thống là rất lớn nên vấn đề điều khiển cho loại truyền động này khá khó khăn và phức tạp. Có rất nhiều mô hình đặt trưng cho hệ thống thiếu cơ cấu truyền động này đã được các nhà khoa học nghiên cứu và chế tạo như: Acrobot, mobile robot, Gyrobot, Pendubot, Con lắc ngược hai bật tự do,. Pendubot là một ví dụ điển hình cho hệ thống thiếu cơ cấu truyền động này.
Pendubot trên là robot có hai bật tự do hoạt động trong mặt phẳng đứng. Có một cơ cấu truyền động nằm ở khớp nối thứ nhất, khớp thứ 2 nối với khớp thứ nhất bằng trục liên kết tự do. Khớp thứ nhất được gắn với cơ cấu truyền động, trong đó động cơ sẽ điều khiển momen. Mục tiêu điều khiển trong hệ là chuyển hệ robot hai bật tự do này từ vị trí cân bằng dưới lên vị trí cân bằng trên và giữ cân bằng tại vị trí cân bằng trên đó.
Trang 1 HVTH: Phạm Văn Lợi GVHD: TS. Trương Đình Nhơn Chúng ta thấy được rằng vấn đề điều khiển cân bằng Pendubot được các nhà khoa học trên thế giới quan tâm nghiên cứu và cải tiến, có rất nhiều các giải thuật được đề xuất để phát triển đề tài điều khiển này. Nhiều nhà báo, hội nghị khoa học được đưa ra từ những công trình nghiên cứu đầu tiên dựa vào các phương pháp điều khiển cổ điển như điều khiển hồi tiếp tuyến tính hóa riêng phần, hồi tiếp trạng thái, điều khiển dựa trên cân bằng năng lượng, tiếp đó khi điều khiển hiện đại phát triển thì các nhà khoa học lại có hướng phát triển mới như nhúng giải thuật mờ, mờ trượt thích nghi vào hệ thống. Với những ứng dụng rộng rãi của các luật điều khiển trong hệ thống thiếu cơ cấu truyền động cũng như xu hướng phát triển robot như ngày nay, học viên đã quyết định nghiên cứu đề tài “Điều khiển cân bằng hệ Pendubot” để hiểu rõ hơn về các luật điều khiển đó.
Đề tài áp dụng luật điều khiển LQR để thực hiện việc điều khiển hệ thống và các thông số trong quá trình cân bằng nhằm nâng cao độ ổn định và đây là nội dung mà đề tài này hướng đến. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước Những đề xuất ban đầu cho hệ thống thiếu cơ cấu truyền động này có nhiều nhà nghiên cứu đề xuất để cân bằng cho Pendubot. Như [1] Spong and Block đã áp dụng bộ điều chỉnh phương tuyến tính LQR để cân bằng Pendubot. [2] Fantoni, Lozano and Spong sử dụng năng lượng để cân bằng mô phỏng Pendubot.
[3] Zhang anh Tam đề xuất dùng điều khiển lai để cân bằng Pendubot, các điều khiển lai bao gồm kiểm soát thời gian rời rạc và thời gian liên tục kiểm soát cùng một lúc. Còn về [4] Xio Qing Ma điều khiển cân bằng Pendubot thông qua điều khiển mờ. Kết hợp lý thuyết điều chỉnh tuyến tính với công nghệ mờ Takagi-Sugeno để kiểm soát và theo dõi.Guo thực hiện lái tay, xem con lắc ngược như một cơ điện tử, hệ thống nghiên cứu các trường hợp. Các cánh tay hướng ngược con lắc là giống như Pendubot.
Phát triển của bộ điều khiển cân bằng và phát triển của bộ nhúng cho lái. [6] Pavol Seman sử dụng bộ điều khiển LQ để điều khiển mô hình Pendubot. Trang 2 HVTH: Phạm Văn Lợi GVHD: TS. Trương Đình Nhơn Sau đây ta xem một số kết qủa một số bài báo viết trên như: [6] Control of laboratory model of pendubot.
Trong bài báo này tác giá sử dụng giải thuật LQR để cân bằng hệ pendubot ở một số vị trí. Kết quả đạt được của bài báo Hình 1.1: Kết quả mô phỏng ngõ ra ở vị trí hướng lên.2: Kết quả mô phỏng ngõ ra ở vị hướng lên khi có nhiễu Trong đó [2] Isabelle Fantoni, Rogelio Lozano, and Mark W.Spong (Energy Based Control of the Pendubot: Isabelle Fantoni, Rogelio Lozano, and Mark W.Spong) cũng đã đề xuất phương pháp đưa Pendubot lên vị trí cân bằng dựa trên hướng tiếp cận điều khiển năng lượng. Trong luật điều khiển được thiết kế dựa vào thuyết ổn định Lyapunov, tổng năng lượng của hệ thống được biến đổi thành thế năng để đưa Pendubot lên vị trí cân bằng ngược. Đặc tính của hệ thống là điều khiển vòng kín với luật biến đổi năng lượng.
Ưu điểm của phương pháp này là đạt được mục tiêu đưa hệ thống tới điểm cân bằng ngược thẳng đứng hệ thống dao động trái hay phải xung quanh vị trí cân bằng nhưng trong một lân cận nhỏ được xác định thì nó vẫn có thể dao động về lại vị trí cân bằng một cách dễ dàng. Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là khi luật điều khiển hướng tiếp cận năng lượng được áp dụng, điều khiển vòng kín của hệ thống khó xác định và phức tạp hơn Pendubot, hơn nữa luật điều khiển này còn hạn chế miền giới hạn điều khiển. Kết quả mô phỏng: Trang 3 HVTH: Phạm Văn Lợi GVHD: TS. Trương Đình Nhơn Hình 1.3: Đáp ứng góc và vận tốc góc của hệ thống với phương pháp điều khiển năng lượng 1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước Trong nước hiện có một số đề tài về nghiên cứu hệ Pendubot, ở đây học viên chỉ đưa ra đề tài tiêu biểu sau: Tên đề tài: Nghiên cứu điều khiển cánh tay robot thiếu dẫn động hai bậc tự do – Pendubot Người thực hiện đề tài: Phan Việt Hùng Hướng dẫn nghiên cứu khoa học: TS.
Nguyễn Anh Duy Nội dung: ứng dụng phương pháp tuyến tính hóa phản hồi cục bộ vào thiết kế bộ điều khiển Swing_up; phương pháp PID, LQR, điều khiển phản hồi trạng thái có khâu quan sát Luenberger và giải thuật GA để tối ưu hóa tham số PID để tổng hợp bộ điều khiển Balancing cho hệ thống Pendubot từ đó tiến hành so sánh và đánh giá các bộ điều khiển Kết quả: Đã tổng quan được lý thuyết các bộ điều khiển làm cơ sở để tổng hợp các bộ điều khiển Balancing cho hệ thống Pendubot tại 2 điểm cân bằng Top và Mid_L: Trang 4 HVTH: Phạm Văn Lợi GVHD: TS. Trương Đình Nhơn - Bộ điều khiển PID kinh điển.4: Đáp ứng góc lệch q1, q2 tại lân cận vị trí top với bộ điều khiển PID Hình 1.5: Đáp ứng góc lệch q1, q2 tại lân cận vị trí Mid_L với bộ điều khiển PID - Bộ điều khiển tối ưu LQR Hình 1.6: Đáp ứng góc lệch q1, q2 tại lân cận vị trí top với bộ Trang 5 HVTH: Phạm Văn Lợi GVHD: TS. Trương Đình Nhơn điều khiển LQR Hình 1.7: Đáp ứng góc lệch q1,q2 tại lân cận vị trí Mid_L với bộ điều khiển LQR - Bộ điều khiển phản hồi trạng thái sử dụng khâu quan sát Luenberger.8: Đáp ứng góc lệch q1, q2 tại lân cận vị trí top với bộ điều khiển phản hồi trạng thái sử dụng khâu quan sát Luenberger Trang 6 HVTH: Phạm Văn Lợi GVHD: TS. Trương Đình Nhơn Hình 1.9: Đáp ứng góc lệch q1, q2 tại lân cận vị trí Mid_L với bộ điều khiển phản hồi trạng thái sử dụng khâu quan sát Luenberger 1.3 Giới thiệu đối tượng Pendubot Hệ thống thiếu cơ cấu truyền động mà cụ thể là hệ Pendubot có tính ứng dụng cao nên có rất nhiều công trình nghiên cứu của các nhà khoa học đã được đề xuất đề giải quyết vấn đề cân bằng hệ Pendubot.
Bước đầu ta tìm hiểu về phần cơ khí, điện và xây dựng được phương trình động học của hệ Pendubot. Mô hình Pendubot được phát triển từ mô hình con lắc ngược, là hệ thống máy có cơ cấu chấp hành bên dưới, gồm hai khâu máy hay gọi là hai link, link1 và link2. Hai link này được điều khiển từ vị trí cân bằng ổn định bên dưới sau đó được chuyển sang vị trí cân bằng mới cân bằng không ổn định. Tại trường đại học Illinois, việc nghiên cứu rất rộng và phát triển đã có khái niệm về thiết kế robot hai link khởi động bên dưới trên mặt phẳng được gọi là Acrobot.
Để mở rộng khái niệm trên ta có hệ thống gồm hai link gọi là Pendubot (Hình 1.10: Hệ thống Pendubot 1.1 Phần cơ khí Hệ Pendubot được thiết kế gồm hai thanh: Link 1(l1, m1, v1, I1) và Link 2 (l2, m2, v2, I2) chuyển động trong mặt phẳng thẳng đứng. Có 1 động cơ là cơ cấu truyền động lực cho link1 được cố định đế thép, khớp đầu tiên một đầu được gắn lên cơ cấu Trang 7 HVTH: Phạm Văn Lợi GVHD: TS. Trương Đình Nhơn truyền động, còn đầu kia được gắn tự do với khớp thứ hai nối tự do với khớp 1 thông qua encoder để xác định góc quay. Cả hai link đều được gắn encoder đọc giá trị góc quay tuyệt đối.
Trong đó động cơ sẽ điều khiển khớp thứ nhất bằng momen. Động cơ được gắn trên bệ đỡ, bệ đỡ Pendubot được thiết kế bằng sắt được đặt cố định để cho Pendubot không bị xê dịch lúc chuyển động.11: Các thành phần cơ khí của hệ Pendubot 1.