Luận văn thạc sĩ về điều khiển hệ thống pendubot tự swing up và cân bằng tại HCMUTE

Khám phá luận văn thạc sĩ HCMUTE về điều khiển hệ thống pendubot tự swing up và cân bằng, ứng dụng trong công nghệ robot hiện đại.

• Tác giả: Trần Vĩnh Toàn
• Người hướng dẫn: PGS. Trần Thu Hà
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Nghiên cứu điều khiển pendubot tự swing up và cân bằng tại HCMUTE
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu
• 1.2.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
• 1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 1.3. Giới thiệu đối tượng Pendubot
• 1.4. Mục tiêu của đề tài
• 1.5. Mục đích nghiên cứu
• 1.6. Phạm vi nghiên cứu của đề tài
• 2. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN LQR
• 2.1. Ổn định Lyapunov đối với hệ tuyến tính hóa – tiêu chuẩn ổn định Lyapunov – phương pháp thứ 2 Lyapunov
• 2.2. Điều khiển tối ưu hệ tuyến tính với chỉ tiêu chất lượng dạng toàn phương – phương trình Riccati đối với hệ liên tục
• 2.3. Các bước thiết kế và giải bài toán toàn phương tuyến tính cho hệ liên tục
• 2.4. Phương pháp điều khiển LQR áp dụng cho hệ Pendubot
• 3. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TUYẾN TÍNH HÓA RIÊNG PHẦN
• 3.1. Phương pháp tuyến tính hóa hồi tiếp
• 3.2. Tuyến tính hóa ngõ vào
• 3.3. Tuyến tính hóa vào ra
• 3.4. Bài toán tuyến tính hóa hồi tiếp
• 3.5. Phương pháp hồi tiếp tuyến tính hóa riêng phần áp dụng cho hệ Pendubot
• 3.5.1. Thông số mô hình thực nghiệm
• 3.5.2. Nhận dạng thông số động cơ
• 3.5.3. Mô hình hóa động cơ
• 3.5.4. Thu thập thông số động cơ trên thực tế
• 4. MÔ PHỎNG HỆ PENDUBOT BẰNG MATLAB
• 4.1. Xây dựng bộ điều khiển Swing-up và cân bằng cho Pendubot
• 4.2. Mô phỏng bộ điều khiển swing-up và giữ cân bằng LQR
• 4.2.1. Mô phỏng bộ điều khiển swing-up và giữ cân bằng LQR không có nhiễu
• 4.2.2. Mô phỏng bộ điều khiển swing-up và giữ cân bằng LQR có nhiễu
• 5. THIẾT KẾ THI CÔNG MÔ HÌNH THỰC TẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG HỆ PENDUBOT
• 5.1. Vi điều khiển DSP TMS320F28335
• 5.2. Module vi điều khiển TMS320F2335 value module
• 5.3. Board điều khiển đọc các giá trị Encoder và xuất xung PWM
• 5.4. Mạch driver cầu H lái động cơ
• 5.5. Chương trình điều khiển giữ cân bằng hệ Pendubot dùng phương pháp điều khiển LQR
• 5.6. Kết quả đo được thực tế khi dùng bộ LQR
• 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
• 6.1. Kết quả đạt được
• 6.2. Giới hạn của đề tài
• 6.3. Đóng góp của đề tài
• 6.4. Hướng phát triển của đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tính cấp thiết của đề tài

Tự động hóa trong công nghiệp đang phát triển mạnh mẽ, đặc biệt trong việc ứng dụng robot. Các cánh tay robot được sử dụng để thay thế con người trong các công việc nặng nhọc, nâng cao hiệu quả sản xuất. Hệ thống thiếu cơ cấu truyền động, như Pendubot, là một ví dụ điển hình cho việc điều khiển robot với số ngõ vào nhỏ hơn số cơ cấu chấp hành. Hệ thống này có thể thực hiện các nhiệm vụ phức tạp với ít cơ cấu truyền động, mang lại nhiều ưu điểm như nhẹ, rẻ và tiết kiệm năng lượng. Tuy nhiên, việc điều khiển cho loại hệ thống này gặp nhiều khó khăn do tính phi tuyến và dao động lớn. Mục tiêu điều khiển là chuyển hệ robot từ vị trí cân bằng dưới lên vị trí cân bằng trên và giữ ổn định tại đó. Nghiên cứu về điều khiển swing-up và cân bằng cho Pendubot đã thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học, với nhiều giải thuật được đề xuất để cải tiến điều khiển.

II. Lý do chọn đề tài

Hệ thống thiếu cơ cấu truyền động thường có kích thước nhỏ gọn và tiêu thụ ít năng lượng. Tuy nhiên, việc thiết kế bộ điều khiển cho các hệ thống này phức tạp hơn so với các hệ thống đầy đủ cơ cấu truyền động. Do đó, việc nghiên cứu và tối ưu hóa điều khiển cho Pendubot là cần thiết. Mục tiêu là tối ưu thời gian đáp ứng và nâng cao chất lượng điều khiển. Bộ điều khiển lai kết hợp giữa điều khiển swing-up và LQR sẽ được áp dụng để kiểm tra tính ứng dụng và chất lượng điều khiển của hệ thống. Việc này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn mở ra hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực điều khiển robot tự động.

III. Tổng quan tình hình nghiên cứu

Nghiên cứu về điều khiển Pendubot đã được thực hiện rộng rãi cả trong nước và quốc tế. Các phương pháp điều khiển như hồi tiếp tuyến tính hóa và điều khiển năng lượng đã được áp dụng để giải quyết vấn đề cân bằng. Một số nghiên cứu tiêu biểu như của M.Tarn đã sử dụng hồi tiếp tuyến tính để điều khiển swing-up và đạt được kết quả ổn định nhanh chóng. Ngoài ra, phương pháp điều khiển năng lượng cũng được đề xuất, tuy nhiên, nó gặp khó khăn trong việc xác định luật điều khiển và phức tạp hơn so với các phương pháp khác. Trong nước, nhiều đề tài nghiên cứu đã được thực hiện, trong đó có việc ứng dụng các phương pháp như PID, LQR và GA để tối ưu hóa tham số điều khiển cho Pendubot. Những nghiên cứu này đã tạo nền tảng vững chắc cho việc phát triển các bộ điều khiển hiệu quả hơn cho hệ thống này.

IV. Mục tiêu và phương pháp nghiên cứu

Mục tiêu của nghiên cứu này là phát triển một bộ điều khiển lai cho hệ thống Pendubot, kết hợp giữa điều khiển swing-up và LQR để duy trì sự cân bằng. Phương pháp điều khiển sẽ bao gồm hai giai đoạn: điều khiển swing-up sử dụng hồi tiếp tuyến tính hóa và điều khiển cân bằng sử dụng phương pháp LQR. Việc mô phỏng và thực nghiệm sẽ được thực hiện để đánh giá hiệu quả của bộ điều khiển. Kết quả từ mô phỏng và thực nghiệm sẽ cung cấp thông tin quý giá về khả năng ứng dụng của bộ điều khiển trong thực tế, đồng thời giúp cải thiện chất lượng điều khiển cho hệ thống robot tự động.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh tự động hóa công nghiệp phát triển mạnh mẽ, việc nghiên cứu và ứng dụng các hệ thống robot có cấu trúc truyền động thiếu, như hệ Pendubot, ngày càng được quan tâm. Hệ Pendubot là một robot hai bậc tự do hoạt động trong mặt phẳng đứng, với một cơ cấu truyền động duy nhất tại khớp nối thứ nhất, tạo nên thách thức lớn trong việc thiết kế bộ điều khiển hiệu quả. Mục tiêu chính của luận văn là xây dựng và tối ưu hóa giải thuật điều khiển lai cho hệ Pendubot, bao gồm điều khiển swing-up và cân bằng, nhằm rút ngắn thời gian đưa hệ từ vị trí cân bằng dưới lên vị trí cân bằng trên và duy trì trạng thái ổn định tại vị trí này. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi mô hình thực nghiệm tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, với việc nhúng giải thuật vào vi điều khiển DSP TMS320F28335. Ý nghĩa của đề tài thể hiện qua việc nâng cao hiệu quả điều khiển, giảm tiêu hao năng lượng và mở rộng khoảng làm việc của hệ thống, góp phần phát triển các ứng dụng robot trong công nghiệp và tự động hóa.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết và mô hình nghiên cứu chính:

1. Phương pháp điều khiển LQR (Linear Quadratic Regulator): Đây là thuật toán điều khiển tối ưu dựa trên phản hồi trạng thái, nhằm tối thiểu hóa chỉ tiêu chất lượng toàn phương. LQR sử dụng phương trình đại số Riccati để xác định ma trận điều khiển tối ưu, đảm bảo hệ thống tuyến tính hóa quanh điểm cân bằng không ổn định được ổn định tiệm cận.

2. Phương pháp hồi tiếp tuyến tính hóa riêng phần: Phương pháp này tuyến tính hóa hệ thống phi tuyến bằng cách phân tách và điều khiển từng khớp nối riêng biệt, áp dụng cho hệ Pendubot với hai khớp nối, trong đó khớp thứ nhất có cơ cấu truyền động và khớp thứ hai tự do. Luật điều khiển được thiết kế dựa trên việc tuyến tính hóa hồi tiếp biến điều khiển, giúp thực hiện điều khiển swing-up hiệu quả.

Các khái niệm chính bao gồm: hệ thống thiếu cơ cấu truyền động, swing-up control, cân bằng hệ thống, phương trình trạng thái, ổn định Lyapunov, và mô hình động lực học Lagrangian.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu nghiên cứu bao gồm mô hình toán học của hệ Pendubot, thông số thực nghiệm thu thập từ mô hình thực tế, và dữ liệu thu thập từ động cơ DC sử dụng trong hệ. Phương pháp phân tích kết hợp mô phỏng trên Matlab/Simulink và thực nghiệm trên mô hình thực tế với vi điều khiển DSP TMS320F28335.

Cỡ mẫu thực nghiệm được xác định qua các lần đo lặp lại các thông số động cơ và phản hồi hệ thống trong điều kiện khác nhau. Phương pháp chọn mẫu là lấy mẫu liên tục các tín hiệu góc, vận tốc, dòng điện và điện áp trong quá trình vận hành.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ việc xây dựng mô hình toán học, thiết kế bộ điều khiển, mô phỏng, đến thi công mô hình thực tế và kiểm tra hiệu quả điều khiển, trong khoảng thời gian từ năm 2016 đến 2017.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả điều khiển swing-up: Bộ điều khiển lai kết hợp hồi tiếp tuyến tính hóa riêng phần và LQR đã giúp hệ Pendubot thực hiện quá trình swing-up nhanh chóng, với thời gian ổn định tại vị trí cân bằng trên chỉ khoảng 1,5 đến 2 giây trong mô phỏng. Kết quả thực nghiệm cũng cho thấy hệ thống có thể đạt trạng thái cân bằng trong khoảng thời gian tương tự, tuy nhiên chất lượng điều khiển còn bị ảnh hưởng bởi nhiễu và sai số thực tế.

2. Ổn định hệ thống tại vị trí cân bằng: Luật điều khiển LQR đã duy trì được trạng thái cân bằng ổn định cho hệ Pendubot trong vùng giới hạn điều khiển, với góc lệch tối đa cho phép mà hệ vẫn có thể trở về trạng thái cân bằng là khoảng 10 độ. Mô phỏng và thực nghiệm đều cho thấy sự ổn định tiệm cận theo tiêu chuẩn Lyapunov.

3. Nhận dạng thông số động cơ: Qua phương pháp thu thập dữ liệu và phân tích ARMA, các thông số quan trọng của động cơ DC như điện trở phần ứng (2.6824 Ω), hằng số phản điện (0.0924 V/rad/s), hệ số ma sát nhớt (1.0171), moment quán tính rotor (3.4812e-04 kg·m²) và hệ số điện kháng (20.1113 H) đã được xác định chính xác, giúp cải thiện chất lượng điều khiển thực nghiệm.

4. Ảnh hưởng của nhiễu: Mô phỏng có nhiễu cho thấy bộ điều khiển vẫn giữ được sự ổn định, tuy nhiên trong thực tế, các tín hiệu nhiễu làm hệ dao động lệch khỏi vị trí cân bằng ngược, nhưng chỉ trong phạm vi giới hạn nhất định và hệ có khả năng tự cân bằng lại sau một thời gian ngắn.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiệu quả điều khiển là do sự kết hợp linh hoạt giữa phương pháp hồi tiếp tuyến tính hóa riêng phần giúp xử lý phi tuyến trong giai đoạn swing-up và bộ điều khiển LQR tối ưu cho giai đoạn cân bằng. So sánh với các nghiên cứu trước đây, giải thuật này rút ngắn thời gian swing-up và mở rộng khoảng làm việc của hệ so với các phương pháp điều khiển cổ điển như PID hay điều khiển dựa trên năng lượng.

Biểu đồ đáp ứng góc và vận tốc góc trong mô phỏng thể hiện rõ sự ổn định và nhanh chóng đạt trạng thái cân bằng, trong khi bảng số liệu thực nghiệm minh chứng cho độ chính xác của nhận dạng thông số động cơ, góp phần nâng cao chất lượng điều khiển.

Tuy nhiên, hạn chế trong thực nghiệm là do sai số cảm biến, nhiễu tín hiệu và đặc tính không tuyến tính thực tế của động cơ, dẫn đến chất lượng điều khiển chưa đạt mức tối ưu hoàn toàn. Đây là điểm cần cải tiến trong các nghiên cứu tiếp theo.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Cải tiến thuật toán điều khiển: Nâng cấp bộ điều khiển lai bằng cách tích hợp các thuật toán thích nghi hoặc học máy để tự động điều chỉnh tham số trong quá trình vận hành, nhằm giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu và sai số thực tế.

2. Tăng cường hệ thống cảm biến: Sử dụng cảm biến góc và vận tốc có độ chính xác cao hơn, đồng thời áp dụng các bộ lọc tín hiệu tiên tiến để giảm nhiễu, nâng cao độ tin cậy của dữ liệu phản hồi.

3. Mở rộng phạm vi ứng dụng: Áp dụng giải thuật điều khiển đã phát triển cho các hệ thống thiếu cơ cấu truyền động phức tạp hơn như Acrobot hoặc các robot đa bậc tự do, nhằm khai thác tối đa ưu điểm về trọng lượng nhẹ và tiêu thụ năng lượng thấp.

4. Phát triển mô hình mô phỏng thực tế hơn: Xây dựng mô hình mô phỏng có tính đến các yếu tố phi tuyến thực tế như ma sát không tuyến tính, độ trễ tín hiệu và nhiễu môi trường để đánh giá chính xác hơn hiệu quả điều khiển trước khi triển khai thực nghiệm.

Các giải pháp trên nên được thực hiện trong vòng 1-2 năm tới, với sự phối hợp giữa các nhóm nghiên cứu và phòng thí nghiệm chuyên sâu về điều khiển tự động và robot.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật Điện - Điện tử: Luận văn cung cấp kiến thức sâu về điều khiển hệ thống phi tuyến, phương pháp LQR và tuyến tính hóa hồi tiếp, phù hợp để tham khảo trong các đề tài nghiên cứu liên quan.

2. Kỹ sư phát triển hệ thống robot và tự động hóa: Các kỹ sư có thể áp dụng giải thuật điều khiển lai cho các hệ thống robot thiếu cơ cấu truyền động nhằm tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm năng lượng.

3. Giảng viên và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực điều khiển tự động: Tài liệu cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm phong phú, hỗ trợ phát triển các đề tài nghiên cứu mới về điều khiển hệ thống phi tuyến và robot.

4. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị tự động hóa: Các công ty có thể ứng dụng kết quả nghiên cứu để thiết kế các sản phẩm robot công nghiệp nhỏ gọn, hiệu quả, phù hợp với yêu cầu sản xuất hiện đại.

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ điều khiển lai trong luận văn gồm những thành phần nào?
   Bộ điều khiển lai kết hợp điều khiển swing-up sử dụng hồi tiếp tuyến tính hóa riêng phần và điều khiển cân bằng bằng phương pháp LQR, giúp hệ Pendubot nhanh chóng đạt vị trí cân bằng và duy trì ổn định.

2. Tại sao chọn vi điều khiển DSP TMS320F28335 cho hệ thống?
   DSP TMS320F28335 có tốc độ xử lý cao (150 MHz), hỗ trợ tính toán số thực và nhiều ngoại vi phù hợp như ADC, PWM, encoder, giúp thực hiện điều khiển thời gian thực hiệu quả cho hệ Pendubot.

3. Phương pháp nhận dạng thông số động cơ được thực hiện như thế nào?
   Thông số động cơ được xác định bằng cách thu thập dữ liệu dòng điện, vận tốc và điện áp trong quá trình vận hành, sau đó sử dụng mô hình ARMA và phân tích ma trận để tính toán các thông số như điện trở, hằng số phản điện, moment quán tính.

4. Giải thuật điều khiển có thể áp dụng cho các hệ thống khác không?
   Có, giải thuật điều khiển lai này có thể mở rộng áp dụng cho các hệ thống thiếu cơ cấu truyền động khác như Acrobot hoặc các robot đa bậc tự do, giúp tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm năng lượng.

5. Những hạn chế chính của bộ điều khiển trong thực nghiệm là gì?
   Hạn chế bao gồm ảnh hưởng của nhiễu tín hiệu, sai số cảm biến và đặc tính phi tuyến thực tế của động cơ, làm giảm chất lượng điều khiển so với mô phỏng lý tưởng. Cần cải tiến cảm biến và thuật toán để khắc phục.

Kết luận

• Đã xây dựng thành công bộ điều khiển lai kết hợp hồi tiếp tuyến tính hóa riêng phần và LQR cho hệ Pendubot, đạt hiệu quả cao trong mô phỏng và thực nghiệm.
• Thời gian swing-up được rút ngắn xuống khoảng 1,5 đến 2 giây, đồng thời hệ thống duy trì trạng thái cân bằng ổn định trong vùng giới hạn điều khiển.
• Các thông số động cơ DC được nhận dạng chính xác, góp phần nâng cao chất lượng điều khiển thực tế.
• Hệ thống có khả năng chịu nhiễu và tự cân bằng lại sau khi bị lệch khỏi vị trí cân bằng trong phạm vi cho phép.
• Đề tài mở ra hướng phát triển cho các hệ thống robot thiếu cơ cấu truyền động phức tạp hơn và ứng dụng trong công nghiệp tự động hóa.

Next steps: Tiếp tục cải tiến thuật toán điều khiển thích nghi, nâng cấp hệ thống cảm biến và mở rộng ứng dụng cho các hệ thống robot đa bậc tự do.

Các nhà nghiên cứu và kỹ sư trong lĩnh vực điều khiển tự động và robot được khuyến khích áp dụng và phát triển thêm dựa trên kết quả nghiên cứu này để nâng cao hiệu quả và tính ứng dụng thực tiễn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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.