CHƯƠNG 1.1 Tính cấp thiết của đề tài Tự động hóa trong công nghiệp đã và đang phát triển rất mạnh mẽ, đặc biệt là trong cuộc sống đương đại. Trong lĩnh vực này phải kể đến dự án nghiên cứu các cánh tay robot để ứng dụng trong các nhà máy chế tạo, lắp ráp công nghiệp cũng như các lĩnh vực điều khiển khác nhau và các cánh tay robot này ngày càng được sử dụng nhiều để thay thế con người làm những công việc nặng nhọc và nâng cao hiệu quả sản xuất 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 mĩ 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. Tuy nhiên, bởi vì sự phức tạp của 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 đặc 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, .Trong đó, Pendubot là một ví dụ điển hình cho hệ thống thiếu cơ cấu truyền động này. Hệ thống Pendubot 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 moment.
HVTH: TRẦN VĨNH TOÀN Trang 1 HVTH: Trần Vĩnh Toàn GVHD: PGS. Trần Thu Hà 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. Vấn đề điều khiển swing-up và 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 như là 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 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. Và các công trình nghiên cứu về giải thuật điều khiển Pendubot gần đây đưa ra các giải thuật như ứng dụng giải thuật di truyền: kết hợp mờ và giải thuật di truyền (GA) hay kết hợp mạng neural và mờ… Trong giới luận văn này học viên sẽ đề xuất luật điều khiển lai, kết hợp điều khiển swing-up bằng phương pháp hồi tiếp tuyến tính hóa và LQR để giữ cân bằng Pendubot tại vị trí cân bằng.2 Lý do chọn đề tài Hệ thống thiếu cơ cấu truyền động thường nhỏ gọn, tiêu thụ ít năng lượng, tuy nhiên việc thiết kế bộ điều khiển cho đối tượng này khó khăn hơn các hệ thống đầy đủ cơ cấu truyền động nên vẫn được các nhà khoa học quan tâm và nghiên cứu.
Học viên quyết định chọn mô hình Pendubot làm đối tượng nghiên cứu nhằm tối ưu thời gian đáp ứng, tối ưu năng lượng, nâng cao chất lượng điều khiển hệ thống. Chính vì thế, bộ điều khiển lai, kết hợp điều khiển Swing-up hệ pendubot bằng phương pháp hồi tiếp tuyến tính hóa và LQR để giữ cân bằng hệ Pendubot tại vị trí cân bằng. Bộ điều khiển vừa xây dựng sẽ được mô phỏng điều khiển và áp dụng vào hệ thống pendubot thực nghiệm để kiểm tra tính ứng dụng và chất lượng điều khiển.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu 1.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước Điều khiển cân bằng (balancing control) pendubot là vấn đề điều khiển quan trọng. Hệ Pendubot là hệ phi tuyến cao, do đó để giải quyết vấn đề trên ta cần xây HVTH: TRẦN VĨNH TOÀN Trang 2 HVTH: Trần Vĩnh Toàn GVHD: PGS.
Trần Thu Hà dựng các bộ điều khiển phi tuyến hoặc bộ điều khiển tuyến tính hóa. Đây là vấn đề đã được nghiên cứu khá nhiều trong nước và trên thế giới, sau đây xin phép được trình bày một số nghiên cứu và kết quả đạt được của các nghiên cứu đó như sau: [1] M.Tarn sử dụng giải thuật hồi tiếp tuyến tính riêng phần để Swing-up lên vị trí cân bằng. Sau đó dùng điều khiển ổn định quanh điểm cân bằng. Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển này được thể hiện ở Hình 1.2, trong đó gian swing-up và cân bằng rất nhanh, chỉ khoảng 1,5s là hệ thống đã ổn định ở vị trí cân bằng hướng lên.1 Kết quả mô phỏng ngỏ ra q1, q2 dùng bộ điều khiển lai Hình 1.2 Kết quả mô phỏng ngõ ra q1_dot, q2_dot dùng bộ điều khiển lai HVTH: TRẦN VĨNH TOÀN Trang 3 HVTH: Trần Vĩnh Toàn GVHD: PGS.
Trần Thu Hà Và theo bài báo [2] 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. Kết quả mô phỏng của bài báo (Energy Based Control of the Pendubot) Hình 1.3 Đáp ứng góc và vận tốc góc của hệ thống với phương pháp 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 để 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 HVTH: TRẦN VĨNH TOÀN Trang 4 HVTH: Trần Vĩnh Toàn GVHD: PGS. Trần Thu Hà 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.2 Tình hình nghiên cứu trong nước Trong nước hiện có một số đề tài về nghiên cứu hệ Pendubot, một số đề tài tiêu biểu có liên quan như sau: 1. 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 cân bằng cho hệ thống Pendubot tại 2 điểm cân bằng Top và Mid_L: - Bộ điều khiển PID kinh điển.4 Đáp ứng góc lệch q1, q2 tại lân cận vị trí top với bộ điều khiển PID HVTH: TRẦN VĨNH TOÀN Trang 5 HVTH: Trần Vĩnh Toàn GVHD: PGS.
Trần Thu Hà Hình 1.5 Đáp ứng góc lệch q1, q2 tại lân cận vị trí Mid_L với - Bộ điều khiển tối ưu LQR Hình 1.6 Đáp ứng góc lệch q1, q2 tại lân cận vị trí top với bộ Hình 1.7 Đáp ứng góc lệch q1,q2 tại lân cận vị trí Mid_L với bộ HVTH: TRẦN VĨNH TOÀN Trang 6 HVTH: Trần Vĩnh Toàn GVHD: PGS. Trần Thu Hà - 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 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 2. Tên đề tài: Xây dựng bộ điều khiển nhúng tuyến tính hóa vào ra cho hệ xe con lắc ngược Người thực hiện đề tài: Nguyễn Văn Đông Hải Hướng dẫn nghiên cứu khoa học: PGS.TS Dương Hoài Nghĩa Nội dung: Biến đổi hệ thống từ dạng phi tuyến sang tuyến tính nhưng vẫn giữ những đặc trưng phi tuyến của ngõ ra kết hợp xây dựng hệ thống nhúng điều khiển LQR với mong muốn mở rộng khoảng làm việc của hệ thống Kết quả: + Xây dựng bộ mô hình xe con lắc ngược + Xây dựng bộ điều khiển thời gian thực trên DSP để swing-up và giữ cân bằng con lắc HVTH: TRẦN VĨNH TOÀN Trang 7 HVTH: Trần Vĩnh Toàn GVHD: PGS. Trần Thu Hà 1.4 Giới thiệu đối tượng 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. Mô hình này có nhiều vị trí cân bằng khác nhau.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 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.