I. Tổng quan
Hệ bóng trên thanh là một hệ thống phi tuyến, có độ bất ổn định cao, thường được sử dụng để kiểm chứng các thuật toán điều khiển hiện đại. Hệ thống này bao gồm các thành phần như thanh nằm ngang, viên bi, động cơ, cảm biến vị trí và bộ phận truyền động. Mục tiêu chính của nghiên cứu là giữ ổn định viên bi trên thanh nằm ngang và giảm hiện tượng dao động (chattering) do bộ điều khiển trượt gây ra. Việc điều khiển hệ thống này đòi hỏi các giải thuật điều khiển phi tuyến để đạt được chất lượng điều khiển tốt nhất. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng việc sử dụng bộ điều khiển tuyến tính như PID hay LQR không đủ hiệu quả khi đối tượng cần điều khiển ra xa vị trí cân bằng.
1.1. Nguyên lý hoạt động
Nguyên lý hoạt động của hệ bóng trên thanh dựa trên việc sử dụng cảm biến để xác định vị trí viên bi và điều khiển động cơ nhằm giữ viên bi ở vị trí mong muốn. Hệ thống có thể được chia thành hai dạng: trục lệch và trục giữa. Mỗi dạng có cấu trúc và yêu cầu điều khiển khác nhau. Hệ trục lệch thường phức tạp hơn nhưng không yêu cầu động cơ có moment lớn, trong khi hệ trục giữa đơn giản hơn nhưng cần động cơ mạnh hơn. Việc điều khiển viên bi dưới tác động của nhiễu từ bên ngoài là một thách thức lớn, đòi hỏi bộ điều khiển phải có tốc độ đáp ứng nhanh và chính xác.
II. Mô hình hóa hệ thống
Mô hình hóa hệ thống là bước quan trọng trong nghiên cứu điều khiển hệ bóng trên thanh. Việc xây dựng mô hình toán học giúp hiểu rõ hơn về động lực học của hệ thống. Mô hình này thường được xây dựng dựa trên các phương trình phi tuyến, phản ánh chính xác các đặc điểm của hệ thống. Các thông số như vị trí, góc nghiêng của thanh và lực tác động từ động cơ đều được đưa vào mô hình. Việc nhận dạng động cơ cũng là một phần quan trọng trong quá trình mô hình hóa, giúp xác định các thông số cần thiết cho việc điều khiển. Mô hình hóa chính xác sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho việc áp dụng các giải thuật điều khiển thông minh.
2.1. Nhận dạng động cơ
Nhận dạng động cơ là quá trình xác định các thông số động học và động lực học của động cơ trong hệ thống. Điều này bao gồm việc xác định các thông số như moment, tốc độ và lực kéo. Việc nhận dạng chính xác sẽ giúp cải thiện hiệu suất điều khiển và giảm thiểu sai số trong quá trình hoạt động. Các phương pháp nhận dạng có thể bao gồm sử dụng các mô hình toán học hoặc thực hiện các thí nghiệm thực tế để thu thập dữ liệu. Dữ liệu thu thập được sẽ được sử dụng để điều chỉnh các thông số trong mô hình, từ đó nâng cao độ chính xác của hệ thống điều khiển.
III. Thuật toán điều khiển
Thuật toán điều khiển là phần cốt lõi trong nghiên cứu này, với nhiều phương pháp khác nhau được áp dụng cho hệ bóng trên thanh. Các thuật toán như PID, điều khiển mờ và điều khiển trượt đều được xem xét. Mỗi thuật toán có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Thuật toán PID đơn giản và dễ triển khai nhưng không hiệu quả trong các tình huống phi tuyến. Điều khiển mờ giúp giảm hiện tượng chattering nhưng vẫn chưa đạt được hiệu suất tối ưu. Trong khi đó, điều khiển trượt được cho là giải pháp tốt nhất để khắc phục các nhược điểm của các phương pháp trước đó, giúp hệ thống ổn định hơn và đáp ứng nhanh hơn.
3.1. Giới thiệu một số thuật toán
Các thuật toán điều khiển được áp dụng cho hệ bóng trên thanh bao gồm PID, điều khiển mờ và điều khiển trượt. Thuật toán PID là một trong những phương pháp phổ biến nhất, tuy nhiên, nó có hạn chế trong việc điều khiển các hệ thống phi tuyến. Điều khiển mờ, mặc dù có khả năng xử lý các tình huống không chắc chắn, nhưng vẫn gặp khó khăn trong việc giảm thiểu hiện tượng dao động. Điều khiển trượt, với khả năng điều chỉnh linh hoạt và nhanh chóng, đã chứng minh được hiệu quả trong việc duy trì ổn định cho hệ thống, đặc biệt là trong các tình huống có nhiễu lớn.
IV. Thiết kế và điều khiển mô hình thực tế
Thiết kế và điều khiển mô hình thực tế là bước cuối cùng trong nghiên cứu này. Việc xây dựng mô hình thực tế dựa trên các lý thuyết và mô hình đã được phát triển trước đó. Các thành phần như mạch điều khiển, cảm biến và động cơ đều được lắp ráp và kiểm tra. Kết quả điều khiển được thu thập và phân tích để đánh giá hiệu suất của hệ thống. Việc sử dụng phần mềm Matlab/Simulink để mô phỏng và nhúng vào board DSP giúp kiểm tra tính khả thi của các giải thuật điều khiển trong môi trường thực tế.
4.1. Kết quả điều khiển
Kết quả điều khiển được thu thập từ mô hình thực tế cho thấy sự cải thiện rõ rệt trong việc duy trì vị trí của viên bi trên thanh. Các thuật toán điều khiển trượt đã chứng minh được khả năng giảm thiểu hiện tượng dao động và duy trì ổn định cho hệ thống. Kết quả này không chỉ khẳng định tính khả thi của các giải thuật điều khiển mà còn mở ra hướng đi mới cho các nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực điều khiển tự động. Việc phân tích kết quả cũng giúp xác định các yếu tố cần cải thiện trong thiết kế và điều khiển hệ thống.
