Luận án tiến sĩ về điều khiển phi tuyến cho hệ robot tự hành và con lắc ngược

Luận án tiến sĩ nghiên cứu điều khiển và dự báo phi tuyến cho hệ robot tự hành và con lắc ngược, ứng dụng trong công nghệ tự động hóa.

• Tác giả: Nguyễn Thành Long
• Người hướng dẫn: PGS. Đào Phương Nam
• Trường học: Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
• Đề tài: Nghiên cứu điều khiển phi tuyến cho robot tự hành và con lắc ngược
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. MỞ ĐẦU
• 1.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.2. Mục đích nghiên cứu
• 1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án
• 1.4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 1.6. Bố cục của luận án
• 2. TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO PHI TUYẾN VÀ MÔ HÌNH ROBOT TỰ HÀNH
• 2.1. Tình hình nghiên cứu
• 2.1.1. Điều khiển dự báo
• 2.2. Điều khiển Robot tự hành và một số phương tiện chuyển động liên quan
• 2.3. Nội dung nghiên cứu
• 2.4. Mô hình 1 Robot tự hành
• 2.4.1. Phương trình động học
• 2.4.2. Ràng buộc không tích phân được và liên hệ đến vấn đề điều khiển
• 2.5. Mô hình hệ hai robot tự hành Chủ - Tớ (Master – Slave)
• 2.5.1. Mô hình chưa xét đến góc
• 2.5.2. Mô hình có xét đến góc hướng
• 2.5.3. Nhiệm vụ điều khiển bám theo quỹ đạo của Robot tự hành chủ
• 2.6. Kết luận chương 1
• 3. ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO TUYẾN TÍNH VÀ PHI TUYẾN TRONG CÁC HỆ CHUYỂN ĐỘNG
• 3.1. Điều khiển dự báo Min-Max cho hệ phi tuyến được tuyến tính hóa
• 3.1.1. Điều khiển dự báo kiểu min-max cho hệ không xét đến nhiễu và phân tích ổn định
• 3.1.2. Điều khiển dự báo Min-Max cho hệ không liên tục có nhiễu
• 3.2. Điều khiển dự báo phi tuyến trực tiếp cho hệ 2 Robot tự hành cấu trúc Chủ -tớ
• 3.2.1. Thiết kế luật điều khiển
• 3.2.2. Khảo sát tính ổn định của hệ thống và xét tính khả thi của thuật toán MPC
• 3.2.3. Kết quả Mô phỏng
• 3.3. Kết luận chương 2
• 4. ĐIỀU KHIỂN BÁM THEO QUỸ ĐẠO CỦA ROBOT TỰ HÀNH CHỦ CÓ XÉT ĐẾN GÓC HƯỚNG
• 4.1. Thiết lập Bộ điều khiển dự báo trong điều khiển bám quỹ đạo cho hệ hai robot tự hành kiểu Chủ - Tớ (Master – Slave) không nhiễu
• 4.1.1. Thuật toán điều khiển dự báo phi tuyến
• 4.1.2. Tính ổn định của hệ thống
• 4.1.3. Mô phỏng xem xét với hệ hai Robot tự hành
• 4.2. Thiết lập Bộ điều khiển dự báo bền vững bám quỹ đạo cho hệ hai Robot tự hành kiểu Chủ - Tớ (Master - Slave) có nhiễu
• 4.2.1. Thuật toán Điều khiển dự báo có tính đến Nhiễu và Phân tích tính ổn định
• 4.2.2. Kết quả mô phỏng
• 4.3. Kết luận chương 3
• KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN ÁN
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC 1: Code mô phỏng con lắc ngược
• PHỤ LỤC 2: Code mô phỏng hệ Robot tự hành Master-Slave với quỹ đạo là đường thẳng
• PHỤ LỤC 3: Code mô phỏng hệ Robot tự hành Master-Slave với quỹ đạo là đường tròn có thay đổi hướng

Tóm tắt

I. Tổng quan về điều khiển phi tuyến và mô hình robot tự hành

Chương này tập trung vào việc xây dựng mô hình động lực học cho robot tự hành và con lắc ngược. Mô hình này được phát triển dựa trên các nghiên cứu trước đây, nhằm cung cấp cơ sở cho việc thiết kế bộ điều khiển dự báo. Các kỹ thuật điều khiển phi tuyến được phân tích, nhấn mạnh tầm quan trọng của việc điều khiển trong môi trường không chắc chắn. Đặc biệt, các ràng buộc không tích phân được trong mô hình động lực học của robot tự hành được làm rõ, giúp xác định các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng bám theo quỹ đạo. Việc nghiên cứu này không chỉ có ý nghĩa lý thuyết mà còn có ứng dụng thực tiễn trong việc phát triển các hệ thống tự động hóa hiện đại.

1.1 Tình hình nghiên cứu

Trong những năm gần đây, điều khiển phi tuyến đã trở thành một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong ngành robot và tự động hóa. Các ứng dụng của nó trong các hệ thống công nghiệp như nhà máy lọc dầu và thiết bị cẩu treo cho thấy tính khả thi và hiệu quả của các phương pháp này. Tuy nhiên, việc áp dụng kỹ thuật điều khiển phi tuyến cho robot tự hành vẫn gặp nhiều thách thức, đặc biệt là trong việc xử lý nhiễu và các ràng buộc trong mô hình. Nghiên cứu này nhằm mục đích phát triển các phương pháp điều khiển mới, có khả năng xử lý các vấn đề này một cách hiệu quả.

II. Điều khiển dự báo tuyến tính và phi tuyến trong các hệ chuyển động

Chương này trình bày các phương pháp điều khiển dự báo cho robot tự hành và con lắc ngược. Việc xây dựng cấu trúc điều khiển dự báo cho hệ thống phi tuyến được thực hiện thông qua việc tuyến tính hóa mô hình. Các định lý về tính ổn định của hệ kín được phát biểu và chứng minh, cho thấy khả năng bám theo quỹ đạo của robot tự hành trong điều kiện có nhiễu. Kết quả mô phỏng trên phần mềm Matlab cho thấy các bộ điều khiển dự báo có thể đáp ứng tốt trong các tình huống thực tế, từ đó khẳng định giá trị của nghiên cứu này trong việc phát triển các hệ thống tự động hóa.

2.1 Điều khiển dự báo cho hệ phi tuyến

Việc áp dụng thuật toán điều khiển dự báo cho hệ phi tuyến là một thách thức lớn. Nghiên cứu này đã chỉ ra rằng việc tuyến tính hóa mô hình có thể giúp đơn giản hóa quá trình điều khiển, đồng thời vẫn đảm bảo tính ổn định của hệ thống. Các kết quả mô phỏng cho thấy rằng bộ điều khiển dự báo có thể hoạt động hiệu quả trong các điều kiện khác nhau, từ đó mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các hệ thống robot tự hành trong tương lai.

III. Điều khiển bám theo quỹ đạo của robot tự hành chủ có xét đến góc hướng

Chương này tập trung vào việc thiết lập bộ điều khiển dự báo cho hệ thống robot tự hành với yêu cầu bám theo quỹ đạo có xét đến góc hướng. Việc xây dựng cấu trúc điều khiển này không chỉ giúp cải thiện khả năng bám theo quỹ đạo mà còn đảm bảo tính ổn định của hệ thống trong điều kiện có nhiễu. Các kết quả mô phỏng cho thấy rằng bộ điều khiển này có thể hoạt động hiệu quả trong các tình huống thực tế, từ đó khẳng định giá trị của nghiên cứu trong việc phát triển các hệ thống tự động hóa hiện đại.

3.1 Thiết lập bộ điều khiển dự báo bám quỹ đạo

Bộ điều khiển dự báo được thiết lập nhằm đảm bảo rằng robot tự hành có thể bám theo quỹ đạo một cách chính xác, ngay cả khi có sự thay đổi trong góc hướng. Nghiên cứu này đã chỉ ra rằng việc áp dụng các phương pháp điều khiển phi tuyến có thể giúp cải thiện đáng kể hiệu suất của hệ thống. Các kết quả mô phỏng cho thấy rằng bộ điều khiển này không chỉ đáp ứng tốt trong điều kiện không có nhiễu mà còn có khả năng xử lý hiệu quả các tác động từ môi trường bên ngoài.