Luận văn thạc sĩ về điều khiển trượt hệ con lắc ngược đơn tại HCMUTE

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu hcmute điều khiển trượt hệ con lắc ngược đơn, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp hoàn thiện trong lĩnh vực .

• Tác giả: Lê Quang Vũ
• Người hướng dẫn: PGS.TS Dương Hoài Nghĩa
• 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 Trượt Hệ Con Lắc Ngược Đơn
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN CAO HỌC
• DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC HÌNH
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu về con lắc ngược quay
• 1.2. Một số công trình nghiên cứu có liên quan
• 1.3. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu
• 1.4. Phương pháp nghiên cứu
• 1.5. Cấu trúc của luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HÓA VÀ THAM SỐ
• 2.1. Giới thiệu sơ lược về hệ thống con lắc ngược quay
• 2.2. Thiết lập mô hình toán học hệ thống con lắc ngược quay
• 3. CHƯƠNG 3: GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN
• 3.1. Lý thuyết bộ điều khiển trượt
• 3.2. Phương pháp điều khiển trượt
• 4. CHƯƠNG 4: GIỚI THIỆU MÔ HÌNH PHẦN CỨNG
• 4.1. Giới thiệu mô hình con lắc ngược quay
• 4.2. Phần điều khiển
• 4.3. Phần công suất
• 4.4. Phần chương trình
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
• 5.1. Xây dựng hệ thống
• 5.2. Mô phỏng bộ điều khiển trượt
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT QUẢ TRÊN MÔ HÌNH THỰC
• 6.1. Xây dựng chương trình điều khiển trong Simulink
• 6.2. Đáp ứng ngõ ra thực tế với bộ điều khiển trượt
• 7. CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 7.1. Hướng phát triển của đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan

Chương này trình bày tổng quan về hệ con lắc ngược và ứng dụng của nó trong nghiên cứu điều khiển. Nghiên cứu khoa học về điều khiển trượt cho thấy rằng hệ con lắc ngược là một mô hình lý tưởng để kiểm tra các thuật toán điều khiển phi tuyến. Hệ thống này có độ bất ổn định cao, yêu cầu các phương pháp điều khiển hiệu quả để duy trì trạng thái cân bằng. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng việc sử dụng các giải thuật như PID và LQR có những hạn chế nhất định, đặc biệt là trong các tình huống phi tuyến. Do đó, việc áp dụng kỹ thuật điều khiển trượt là cần thiết để cải thiện độ ổn định và hiệu suất của hệ thống.

1.1 Giới thiệu về con lắc ngược quay

Mô hình con lắc ngược bao gồm hai phần chính: cánh tay gắn vào động cơ DC và con lắc gắn vào trục encoder. Hệ thống này được sử dụng rộng rãi trong các phòng thí nghiệm để nghiên cứu các giải thuật điều khiển. Việc điều khiển con lắc ở vị trí thẳng đứng là một thách thức lớn do tác động của trọng lực và lực ma sát. Hệ thống này không chỉ có ứng dụng trong nghiên cứu mà còn trong các lĩnh vực như robot tự động và điều khiển máy móc. Các nghiên cứu trước đã chỉ ra rằng việc áp dụng kỹ thuật tự động có thể giúp cải thiện khả năng điều khiển của hệ thống con lắc ngược.

1.2 Một số công trình nghiên cứu có liên quan

Nhiều công trình nghiên cứu đã được thực hiện để điều khiển hệ con lắc ngược. Các nghiên cứu này thường sử dụng các giải thuật như PID, LQR và Fuzzy Logic. Tuy nhiên, những giải thuật này có những nhược điểm nhất định, như không thể điều khiển hiệu quả trong các tình huống phi tuyến. Việc áp dụng giải thuật trượt trong nghiên cứu này nhằm khắc phục những hạn chế đó, cho phép điều khiển con lắc ở vị trí thẳng đứng một cách ổn định hơn. Các kết quả từ các nghiên cứu trước đã chứng minh rằng kỹ thuật điều khiển trượt có thể mang lại hiệu quả cao trong việc duy trì trạng thái cân bằng của hệ thống.

II. Mô hình hóa và tham số

Chương này trình bày cách xây dựng mô hình toán học cho hệ con lắc ngược và các thông số cần thiết để điều khiển. Mô hình này được thiết lập dựa trên các phương trình động lực học của hệ thống. Việc xác định các thông số như chiều dài cánh tay, khối lượng con lắc và các hằng số động cơ là rất quan trọng để đảm bảo tính chính xác của mô hình. Mô hình hóa không chỉ giúp hiểu rõ hơn về hành vi của hệ thống mà còn là cơ sở để áp dụng các giải thuật điều khiển. Các thông số được thu thập từ các tài liệu tham khảo và thực nghiệm, đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của mô hình.

2.1 Giới thiệu sơ lược về hệ thống con lắc ngược quay

Hệ thống con lắc ngược là một mô hình điển hình trong nghiên cứu điều khiển. Nó bao gồm một cánh tay gắn vào động cơ DC và một con lắc có khả năng quay tự do. Mô hình này cho phép kiểm tra các thuật toán điều khiển phi tuyến và là một trong những đối tượng nghiên cứu phổ biến trong các phòng thí nghiệm. Việc điều khiển cánh tay để giữ cho con lắc ở vị trí thẳng đứng là một bài toán khó khăn, đòi hỏi các phương pháp điều khiển hiệu quả. Mô hình này không chỉ đơn giản mà còn có thể được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ robot tự động đến các hệ thống điều khiển phức tạp.

2.2 Thiết lập mô hình toán học hệ thống con lắc ngược quay

Mô hình toán học của hệ con lắc ngược được thiết lập dựa trên các phương trình động lực học. Các thông số như chiều dài cánh tay, khối lượng con lắc và các hằng số động cơ được xác định để đảm bảo tính chính xác của mô hình. Việc xây dựng mô hình toán học không chỉ giúp hiểu rõ hơn về hành vi của hệ thống mà còn là cơ sở để áp dụng các giải thuật điều khiển. Các phương pháp điều khiển khác nhau sẽ cho ra các đáp ứng đầu ra khác nhau, do đó việc lựa chọn phương pháp phù hợp là rất quan trọng. Mô hình này sẽ được sử dụng để kiểm tra và đánh giá hiệu quả của các giải thuật điều khiển trong thực tế.

III. Giải thuật điều khiển

Chương này trình bày lý thuyết về giải thuật điều khiển trượt và cách áp dụng nó vào hệ con lắc ngược. Giải thuật điều khiển trượt được thiết kế để xử lý các hệ thống phi tuyến, cho phép duy trì trạng thái cân bằng của con lắc ở vị trí thẳng đứng. Việc áp dụng giải thuật này giúp cải thiện độ ổn định và hiệu suất của hệ thống, đặc biệt trong các tình huống mà các giải thuật truyền thống không thể hoạt động hiệu quả. Các kết quả mô phỏng cho thấy rằng giải thuật điều khiển trượt có thể mang lại hiệu quả cao trong việc duy trì trạng thái cân bằng của hệ thống.

3.1 Lý thuyết bộ điều khiển trượt

Lý thuyết về bộ điều khiển trượt được phát triển để giải quyết các vấn đề trong điều khiển hệ thống phi tuyến. Giải thuật này hoạt động bằng cách xác định một mặt trượt và điều khiển hệ thống sao cho nó duy trì trên mặt trượt đó. Điều này cho phép hệ thống đạt được độ ổn định cao hơn và phản ứng nhanh hơn với các thay đổi trong điều kiện hoạt động. Việc áp dụng lý thuyết này vào hệ con lắc ngược cho thấy rằng nó có thể cải thiện đáng kể khả năng điều khiển và duy trì trạng thái cân bằng của con lắc.

3.2 Phương pháp điều khiển trượt

Phương pháp điều khiển trượt được áp dụng để duy trì con lắc ở vị trí thẳng đứng. Giải thuật này cho phép điều khiển cánh tay sao cho con lắc không bị ngã xuống. Việc sử dụng phương pháp này giúp cải thiện độ ổn định của hệ thống và giảm thiểu sai số trong quá trình điều khiển. Các kết quả từ mô phỏng cho thấy rằng phương pháp điều khiển trượt có thể mang lại hiệu quả cao trong việc duy trì trạng thái cân bằng của hệ thống con lắc ngược. Điều này chứng tỏ rằng việc áp dụng các giải thuật điều khiển hiện đại là cần thiết để nâng cao hiệu suất của hệ thống.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống con lắc ngược quay là một mô hình cơ khí đơn giản nhưng mang tính chất phi tuyến phức tạp, được ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu các giải thuật điều khiển hiện đại. Theo ước tính, hệ thống này có tính bất ổn định cao, đòi hỏi bộ điều khiển phải có khả năng đáp ứng nhanh và ổn định để giữ con lắc cân bằng tại vị trí thẳng đứng. Vấn đề nghiên cứu tập trung vào việc điều khiển cân bằng con lắc ngược quay bằng giải thuật điều khiển trượt nhằm khắc phục các hạn chế của các giải thuật truyền thống như PID, LQR và Fuzzy, vốn chỉ hiệu quả trong phạm vi hoạt động hẹp hoặc phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm chuyên gia.

Mục tiêu cụ thể của luận văn là ứng dụng giải thuật điều khiển trượt để ổn định góc con lắc thẳng đứng và điều khiển góc cánh tay dao động theo quỹ đạo định trước trong khi vẫn giữ con lắc cân bằng. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi mô hình con lắc ngược quay đơn, với thời gian nghiên cứu từ năm 2013 đến 2015 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc nâng cao độ ổn định và chất lượng điều khiển hệ thống con lắc ngược, góp phần phát triển các thuật toán điều khiển phi tuyến có khả năng ứng dụng trong các hệ thống tự cân bằng phức tạp hơn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai nền tảng lý thuyết chính: mô hình toán học hệ con lắc ngược quay và giải thuật điều khiển trượt (Sliding Mode Control - SMC). Mô hình toán học được xây dựng dựa trên phương trình Euler-Lagrange, mô tả động học và động lực học của hệ thống gồm cánh tay gắn động cơ DC và con lắc quay tự do. Hệ thống được biểu diễn dưới dạng phương trình trạng thái với bốn biến trạng thái: góc quay cánh tay, vận tốc góc cánh tay, góc lệch con lắc và vận tốc góc con lắc.

Giải thuật điều khiển trượt được áp dụng nhằm đảm bảo hệ thống tiến về trạng thái cân bằng ổn định bằng cách thiết kế mặt trượt sao cho sai số giữa tín hiệu thực tế và tín hiệu đặt về 0 theo thời gian. Các khái niệm chính bao gồm: mặt trượt (sliding surface), hàm Lyapunov để đánh giá ổn định, và luật điều khiển dựa trên hàm sign và hàm sat nhằm giảm hiện tượng chattering. Việc lựa chọn các hệ số điều khiển λ1, λ2 và tham số α đóng vai trò quan trọng trong việc cân bằng giữa tốc độ đáp ứng và độ ổn định của hệ thống.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu nghiên cứu bao gồm mô hình toán học được xây dựng dựa trên các thông số đo đạc và nhận dạng thực tế của hệ con lắc ngược quay, cùng với dữ liệu thu thập từ mô hình phần cứng thực nghiệm. Phương pháp phân tích chính là mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink và thực nghiệm trên mô hình thực tế sử dụng vi điều khiển DSP TMS320F28335.

Cỡ mẫu trong thực nghiệm là mô hình con lắc ngược quay với các thông số vật lý cụ thể như khối lượng con lắc 0.067 kg, chiều dài cánh tay 0.16 m, và các thông số động cơ DC servo. Phương pháp chọn mẫu là xây dựng mô hình thực tế dựa trên mô hình toán học và kiểm tra đáp ứng điều khiển trong các điều kiện khác nhau. Timeline nghiên cứu kéo dài từ năm 2013 đến 2015, bao gồm giai đoạn nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng, thiết kế phần cứng và thực nghiệm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả điều khiển trượt trên mô phỏng: Kết quả mô phỏng cho thấy góc con lắc và góc cánh tay đạt trạng thái ổn định sau khoảng 20 giây và 10 giây tương ứng, với dao động nhỏ quanh vị trí cân bằng (0,0). Các mặt trượt S1 và S2 dao động nhỏ quanh 0, chứng tỏ bộ điều khiển hoạt động hiệu quả.

2. Đáp ứng thực tế trên mô hình phần cứng: Thực nghiệm với thời gian lấy mẫu 0.01s và số mẫu 1000 cho thấy bộ điều khiển trượt giữ được con lắc cân bằng ổn định trong khoảng thời gian 10 giây. Góc lệch con lắc dao động trong phạm vi nhỏ, điện áp điều khiển động cơ được điều chỉnh linh hoạt theo tín hiệu mặt trượt.

3. Ảnh hưởng của tham số điều khiển λ1: Khi λ1 được chọn là 0.4, hệ thống có đáp ứng ổn định và nhanh chóng hơn so với λ1 = 0.10, cho thấy việc điều chỉnh tham số này ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ và độ ổn định của hệ thống.

4. Hiện tượng chattering: Mặc dù đã sử dụng hàm sat để giảm hiện tượng chattering, các hàm sign còn tồn tại trong luật điều khiển vẫn gây ra dao động nhỏ trong tín hiệu điều khiển, ảnh hưởng nhẹ đến độ mượt của hệ thống.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiện tượng dao động nhỏ quanh vị trí cân bằng là do đặc tính phi tuyến và sự tồn tại của các hàm sign trong luật điều khiển trượt, gây ra hiện tượng chattering. So với các nghiên cứu trước đây sử dụng giải thuật PID, LQR hay Fuzzy, giải thuật điều khiển trượt cho phép mở rộng phạm vi hoạt động và tăng độ ổn định nhờ tận dụng mô hình toán học hệ thống.

Kết quả mô phỏng và thực nghiệm được trình bày qua các biểu đồ góc quay cánh tay, góc lệch con lắc, điện áp điều khiển và giá trị mặt trượt theo thời gian, giúp trực quan hóa hiệu quả của bộ điều khiển. So sánh với các nghiên cứu trước, việc áp dụng giải thuật trượt trên mô hình thực tế đã chứng minh tính khả thi và hiệu quả trong điều khiển hệ con lắc ngược quay.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa tham số điều khiển: Đề xuất điều chỉnh các hệ số λ1, λ2 và α trong giải thuật điều khiển trượt để cân bằng giữa tốc độ đáp ứng và giảm thiểu hiện tượng chattering, nhằm nâng cao chất lượng điều khiển trong vòng 6 tháng tới, do nhóm nghiên cứu thực hiện.

2. Phát triển thuật toán giảm chattering: Khuyến nghị nghiên cứu và áp dụng các kỹ thuật như điều khiển trượt mềm hoặc kết hợp với bộ lọc để giảm hiện tượng chattering, cải thiện độ mượt của tín hiệu điều khiển trong vòng 1 năm, phối hợp với các chuyên gia điều khiển tự động.

3. Mở rộng ứng dụng cho hệ thống đa bậc: Đề xuất áp dụng giải thuật điều khiển trượt cho các hệ thống con lắc ngược đa bậc hoặc các hệ thống tự cân bằng phức tạp hơn, nhằm nâng cao tính ứng dụng thực tiễn trong 2 năm tới, do các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ thực hiện.

4. Nâng cao phần cứng điều khiển: Khuyến nghị sử dụng các vi điều khiển có tốc độ xử lý cao hơn hoặc FPGA để tăng tốc độ tính toán và giảm độ trễ trong quá trình điều khiển, nâng cao hiệu quả điều khiển trong vòng 1 năm, do các đơn vị phát triển phần cứng đảm nhiệm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật Điện - Điều khiển tự động: Luận văn cung cấp kiến thức sâu về mô hình hóa và giải thuật điều khiển trượt, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển đề tài liên quan đến hệ thống phi tuyến.

2. Giảng viên và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực điều khiển tự động: Tài liệu chi tiết về mô hình toán học, phương pháp điều khiển và kết quả thực nghiệm giúp tham khảo và phát triển các thuật toán điều khiển mới.

3. Kỹ sư phát triển hệ thống nhúng và điều khiển: Thông tin về thiết kế phần cứng, lập trình DSP và tích hợp giải thuật điều khiển trong môi trường thực tế hỗ trợ ứng dụng trong công nghiệp.

4. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị tự động hóa: Luận văn cung cấp cơ sở khoa học và kỹ thuật để phát triển các sản phẩm tự cân bằng, robot hoặc hệ thống điều khiển chính xác, nâng cao chất lượng sản phẩm.

Câu hỏi thường gặp

1. Giải thuật điều khiển trượt là gì và tại sao được chọn cho hệ con lắc ngược?
   Giải thuật điều khiển trượt là phương pháp điều khiển phi tuyến dựa trên thiết kế mặt trượt để đưa hệ thống về trạng thái cân bằng ổn định. Nó được chọn vì khả năng chịu được bất ổn định và phi tuyến của hệ con lắc ngược, đồng thời có tốc độ đáp ứng nhanh hơn các giải thuật tuyến tính truyền thống.

2. Hiện tượng chattering là gì và làm thế nào để giảm thiểu?
   Chattering là dao động nhỏ và nhanh trong tín hiệu điều khiển do hàm sign trong luật điều khiển trượt gây ra. Việc sử dụng hàm sat thay thế hàm sign giúp giảm chattering, đồng thời có thể áp dụng các bộ lọc hoặc điều khiển trượt mềm để cải thiện.

3. Phương pháp mô phỏng và thực nghiệm được thực hiện như thế nào?
   Mô phỏng được thực hiện trên Matlab/Simulink với mô hình toán học chi tiết, trong khi thực nghiệm sử dụng mô hình phần cứng con lắc ngược quay điều khiển bằng vi điều khiển DSP TMS320F28335, cho phép đánh giá hiệu quả điều khiển trong môi trường thực tế.

4. Các tham số vật lý của hệ con lắc ngược có ảnh hưởng thế nào đến kết quả điều khiển?
   Các tham số như khối lượng con lắc, chiều dài cánh tay, momen quán tính và đặc tính động cơ ảnh hưởng trực tiếp đến mô hình toán học và hiệu quả điều khiển. Việc đo đạc và nhận dạng chính xác các tham số này giúp thiết kế bộ điều khiển phù hợp và ổn định hơn.

5. Luận văn có thể áp dụng cho các hệ thống điều khiển khác không?
   Có, giải thuật điều khiển trượt và phương pháp xây dựng mô hình có thể áp dụng cho nhiều hệ thống phi tuyến khác như robot, hệ thống tự cân bằng, hoặc các thiết bị điều khiển công nghiệp phức tạp, giúp nâng cao độ ổn định và hiệu quả điều khiển.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công mô hình toán học và phần cứng hệ con lắc ngược quay, áp dụng giải thuật điều khiển trượt để giữ cân bằng hệ thống.
• Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy bộ điều khiển trượt có khả năng ổn định góc con lắc và góc cánh tay trong thời gian ngắn với dao động nhỏ.
• Hiện tượng chattering vẫn tồn tại nhưng đã được giảm thiểu đáng kể nhờ sử dụng hàm sat trong luật điều khiển.
• Nghiên cứu mở ra hướng phát triển các giải thuật điều khiển phi tuyến nâng cao và ứng dụng trong các hệ thống tự cân bằng phức tạp hơn.
• Đề xuất các bước tiếp theo bao gồm tối ưu tham số điều khiển, phát triển thuật toán giảm chattering và mở rộng ứng dụng cho các hệ thống đa bậc.

Các nhà nghiên cứu và kỹ sư được khuyến khích áp dụng và phát triển giải thuật điều khiển trượt trong các dự án thực tế, đồng thời tiếp tục nghiên cứu để khắc phục các hạn chế hiện tại nhằm nâng cao hiệu quả điều khiển.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Cùng với sự phát triển của khoa học kĩ thuật, các phương pháp điều khiển từ kinh điển đến hiện đại, điều khiển thông minh ra đời. Hầu hết các đối tượng như cánh tay máy, hệ con lắc ngược quay… đều được giải quyết bởi các bài toán ổn định hệ thống với chất lượng cao hơn. Các phương pháp này ngày càng được nghiên cứu, phát triển, ứng dụng rộng rãi, góp phần nâng cao chất lượng, độ ổn định của hệ thống. Hệ con lắc ngược quay là hệ thống một vào - nhiều ra, nó có độ bất ổn định cao và là cơ sở để tạo ra các hệ thống tự cân bằng như: hệ xe con lắc ngược quay, hệ con lắc ngược quay, hệ Pendubot,… Đây là đối tượng thường được các nhà nghiên cứu lựa chọn để kiểm chứng những thuật toán điều khiển của mình, từ những thuật toán điều khiển cổ điển đến những thuật toán điều khiển hiện đại, điều khiển thông minh.

Tuy nhiên hệ con lắc ngược quay cũng đặt ra nhiều thách thức đối với lý thuyết điều khiển cũng như các thiết bị điều khiển chúng. Đòi hỏi có bộ điều khiển thích hợp và có tốc độ đáp ứng nhanh. Các nghiên cứu về điều khiển hệ thống con lắc ngược quay đã được tiến hành khá sớm, xuất phát từ nhu cầu thiết kế các hệ thống điều khiển cân bằng tên lửa trong giai đoạn đầu phóng. Trên phương diện nghiên cứu các kĩ thuật điều khiển thực, con lắc ngược quay đại diện cho lớp các đối tượng phi tuyến phức tạp.

HVTH: Lê Quang Vũ Trang 1 Luan van Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS DƢƠNG HOÀI NGHĨA Ở đề tài này đã có một số luận văn thạc sĩ Đại học Bách khoa TP.HCM, Đại học Giao thông Vận tải điều khiển thành công sử dụng giải thuật LQR, PID, Fuzzy. Tuy nhiên các giải thuật trên có những nhược điểm như sau: Giải thuật LQR điều khiển dựa vào thông số K tìm được từ việc tuyến tính hóa hệ thống nên chỉ điều khiển được mô hình quanh vị trí làm việc. Nếu trạng thái hệ thống quá xa vị trí cân bằng thì giải thuật không còn điều khiển tốt. Giải thuật PID là giải thuật tuyến tính trong khi con lắc ngược quay là một hệ phi tuyến mang tính phi tuyến điển hình.

Do vậy, bộ điều khiển PID có thể chưa đủ mức độ phức tạp để điều khiển hệ con lắc ngược quay trong một dải hoạt động rộng. Giải thuật Fuzzy phụ thuộc vào kinh nghiệm chuyên gia nên tốn rất nhiều thời gian thử sai nhiều lần và không tận dụng được hiểu biết về phương trình toán học của hệ thống. Từ các hạn chế nhất định của các bộ điều khiển trên, bộ điều khiển phi tuyến là một giải pháp để củng cố thêm. Với việc tận dụng được những kiến thức về mô hình (thông số hệ thống, phương trình toán học) thì việc thiết kế một bộ điều khiển đáp ứng tốt và ổn định được hệ thống trong một khoảng hoạt động rộng.

Trong khuôn khổ luận văn này, học viên xin chọn hướng đề tài: “ ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT HỆ CON LẮC NGƢỢC ĐƠN” 1. Giới thiệu về con lắc ngƣợc quay Mô hình con lắc ngược quay là một hệ thống máy gồm hai khâu: cánh tay (Arm) và con lắc (pendulum). Trong điều khiển cân bằng, cánh tay gắn vào động cơ DC có một encoder gắn đồng trục để xác định vị trí góc cánh tay quay quanh trục thẳng đứng và con lắc gắn vào trục encoder ở cuối cánh tay tự do trong mặt phẳng vuông góc với cánh tay có khả năng xoay tự do trong mặt phẳng vuông góc với mặt phẳng ngang. HVTH: Lê Quang Vũ Trang 2 Luan van Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS DƢƠNG HOÀI NGHĨA Hình 1.1 Mô hình con lắc ngƣợc quay 1.

Một số công trình nghiên cứu có liên quan. Do hệ con lắc ngược quay là một hệ ứng dụng nhiều trong nghiên cứu giải thuật điều khiển cũng như mang tính học thuật cao nên nhiều dạng mô hình con lắc ngược quay được xây dựng và sử dụng tại các phòng thí nghiệm. Ngoài hệ con lắc ngược quay được đề cập ở phần trên còn có các hệ con lắc ngược khác như: hệ con lắc ngược quay một bậc tự do, hệ xe con lắc ngược… Hình 1.2 Một số mô hình phần cứng con lắc ngƣợc quay trƣớc đây HVTH: Lê Quang Vũ Trang 3 Luan van Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS DƢƠNG HOÀI NGHĨA Trong luận văn thạc sĩ “Nghiên cứu điều khiển trượt điều khiển con lắc ngược” của tác giả Huỳnh Xuân Dũng [2], trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật 2012, hệ thống cũng đã được phân tích, mô phỏng và điều khiển. Các kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống đáp ứng nhanh, tuy nhiên, đề tài chỉ thực hiện mô phỏng để kiểm tra thuật toán bộ điều khiển trượt, chưa ứng dụng bộ điều khiển vào mô hình thực hệ thồng con lắc ngược.

Do đó, chưa đánh giá được tính ổn định và bền vững của bộ điều khiển trượt. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu 1. Mục tiêu Trong luận văn này, mục tiêu là điều khiển cân bằng mô hình con lắc làm việc quanh vị trí cân bằng hướng lên, cụ thể là: Ứng dụng giải thuật trượt để điều khiển ổn định góc con lắc thẳng đứng, góc cánh tay đứng yên tại vị trí đặt. Ứng dụng giải thuật trượt điều khiển góc cánh tay dao động theo một quỹ đạo cho trước trong khi vẫn ổn định được góc con lắc thẳng đứng không ngã.

Phạm vi nghiên cứu Ứng dụng bộ điều khiển trượt, điều khiển mô hình con lắc ngược quay. Việc nghiên cứu được thực hiện cả trên mô phỏng trong môi trường Matlab/Simulink và thực hiện điều khiển cân bằng trên mô hình thực tế. Phƣơng pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu tài liệu để hiểu biết về đối tượng: mô hình toán, mô hình cơ khí, bố trí cảm biến, cách thức hoạt động…của một hệ con lắc ngược. Nghiên cứu tài liệu để nắm vững các giải thuật nhận dạng thông số mô hình, giải thuật điều khiển trượt để điều khiển cân bằng mô hình con lắc ngược quay.

HVTH: Lê Quang Vũ Trang 4 Luan van Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS DƢƠNG HOÀI NGHĨA Phƣơng pháp thực nghiệm: Sử dụng phần mềm Matlab/Simulink mô phỏng trên máy tính: mô phỏng con lắc ngược với các phương trình toán học. Xây dựng mô hình thực tế hệ thống, dùng DSP TMS320F28335 để thu thập dữ liệu và điều khiển hệ thống thực tế đã xây dựng được. Đánh giá kết quả dựa trên mô phỏng và thực nghiệm. Cấu trúc của luận văn Luận văn tìm hiểu cơ sở lý thuyết của điều khiển trượt để điều khiển cân bằng hệ con lắc ngược, lập trình, mô phỏng trên phần mềm Matlab và thực hiện thi công mô hình phần cứng.

Sau đó, học viên sẽ thực hiện nhúng giải thuật điều khiển trên DSP TMS320F28335 để áp dụng điều khiển mô hình lắc ngược quay thực tế. Luận văn gồm 7 chương với nội dung cụ thể như sau: Chƣơng 1: Tổng quan Giới thiệu tổng quan nhằm mục đích giới thiệu đề tài, các vấn đề mà đề tài cần giải quyết, công trình liên quan, mục tiêu nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu và phương pháp nghiên cứu của học viên. Chƣơng 2: Mô hình hóa và tham số Khảo sát đối tượng con lắc ngược, trình bày việc phân tích mô hình toán học hệ con lắc ngược. Xác định các thông số toán học của đối tượng, các biến trạng thái.

Chƣơng 3: Giải thuật điều khiển Trình bày sơ lược về cơ sở lý thuyết về điều khiển trượt. Chƣơng 4: Giới thiệu phần cứng Chương này trình bày phần cơ khí, điện và chương trình mà học viên thực hiện cho hệ con lắc ngược. HVTH: Lê Quang Vũ Trang 5 Luan van Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS DƢƠNG HOÀI NGHĨA Chƣơng 5: Kết quả mô phỏng Chương này trình bày cách đưa mô hình toán học của hệ con lắc ngược vào mô phỏng bằng Matlab. Kết quả mô phỏng của hệ thống.

Chƣơng 6: Kết quả trên mô hình thực Trình bày kết quả điều khiển thực tế cho thiết kế phần cứng ở chương trước. Đánh giá và nhận xét về chất lượng điều khiển. Chƣơng 7: Kết luận và hƣớng phát triển Kết luận tóm tắt về kết quả đã đạt được cũng như những hạn chế và hướng phát triển để hoàn thiện hơn những thiếu sót của đề tài. HVTH: Lê Quang Vũ Trang 6 Luan van Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS DƢƠNG HOÀI NGHĨA Chƣơng 2 MÔ HÌNH HÓA VÀ THAM SỐ Chương này sẽ trình bày cách xây dựng mô hình toán học của hệ con lắc ngược và cơ sở giải thuật áp dụng để điều khiển đối tượng trong đề tài.

Giới thiệu sơ lƣợc về hệ thống con lắc ngƣợc quay Hệ thống con lắc ngược là một vấn đề điều khiển cổ điển nó được sử dụng trong các trường đại học trên khắp thế giới. Hệ thống con lắc ngược là mô hình phù hợp để kiểm tra các thuật toán điều khiển hệ phi tuyến cao trở lại ổn định. Đây là một hệ thống SIMO điển hình vì chỉ gồm một ngõ vào là điện áp cấp cho động cơ (hoặc lực quay của động cơ) mà phải điều khiển cả vị trí cánh tay quay và góc lệch con lắc ngược sao cho thẳng đứng (hai ngõ ra). Ngoài ra, phương trình toán học được đề cập đến của con lắc ngược mang tính chất phi tuyến điển hình.

Đối tượng con lắc ngược lại có kết cấu cơ khí không phức tạp để có thể chế tạo. Vì thế, đây là một mô hình lý tưởng cho các phòng thí nghiệm Điều khiển tự động. Mô hình hệ thống con lắc ngược quay gồm hai phần: cánh tay gắn vào động cơ DC quay quanh trục thẳng đứng và con lắc gắn vào trục encoder ở cuối cánh tay tự do trong mặt phẳng vuông góc với cánh tay được thể hiện ở Hình 2. Con lắc không ổn định, nó luôn ngã xuống trừ khi có lực tác động thích hợp vào cánh tay.

Bài toán đặt ra là điều khiển cánh tay để giữ cho con lắc cân bằng ở vị trí thẳng đứng. Con lắc ổn định nhờ bộ điều khiển trượt. HVTH: Lê Quang Vũ Trang 7 Luan van Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS DƢƠNG HOÀI NGHĨA Hình 2.1 Sơ đồ khối mô hình con lắc ngƣợc đƣợc thực hiện ở luận văn Mô hình mô phỏng được dựa theo phương trình động lực học của hệ thống con lắc ngược quay. Đồng thời bộ điều khiển cơ bản cũng sẽ được trình bày trong phần tiếp theo của chương này.

Mục đích của việc trình bày con lắc ngược trong mô phỏng là để kiểm chứng lại lý thuyết từ các mô hình toán. Từ đó có thể đánh giá sự ổn định của hệ thống con lắc ngược quay trong lí thuyết.