I. Tổng quan về đề tài
Đề tài nghiên cứu điều khiển trượt cho hệ Pendubot nhằm mục tiêu phát triển các phương pháp điều khiển hiệu quả cho hệ thống phi tuyến này. Hệ Pendubot, được xây dựng từ hai liên kết, có cấu trúc động học phức tạp, yêu cầu các thuật toán điều khiển chính xác để duy trì trạng thái cân bằng. Mục tiêu chính là đưa Pendubot từ vị trí cân bằng không ổn định lên vị trí cân bằng ổn định, đồng thời giữ cho nó không bị ngã. Việc lựa chọn thuật toán điều khiển thích hợp, như kỹ thuật điều khiển trượt và LQR, là rất quan trọng để đạt được chất lượng điều khiển tốt nhất. Đề tài không chỉ tập trung vào lý thuyết mà còn thực hiện mô phỏng và thực nghiệm trên mô hình thực tế nhằm kiểm chứng tính khả thi và hiệu quả của các phương pháp đã đề xuất.
1.1 Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu của đề tài bao gồm mô hình hóa hệ Pendubot dựa trên phương trình Euler-Lagrange, nhận dạng hệ thống bằng phương pháp năng lượng, và thiết kế các bộ điều khiển để thực hiện điều khiển tự động hóa. Đặc biệt, việc nghiên cứu các phương pháp swing-up và cân bằng Pendubot là rất cần thiết để đảm bảo rằng hệ thống có thể hoạt động một cách ổn định và hiệu quả. Những mục tiêu này không chỉ giúp giải quyết bài toán cụ thể mà còn đóng góp vào việc phát triển ứng dụng của công nghệ tự động hóa trong thực tiễn.
II. Cơ sở lý thuyết và các phương pháp điều khiển Pendubot
Chương này trình bày nguyên lý cấu tạo và mô hình toán học của hệ Pendubot. Mô hình bao gồm hai liên kết, với các động năng và thế năng được mô tả rõ ràng. Phương trình động học được xây dựng dựa trên phương trình Euler-Lagrange, cho phép phân tích hành vi của hệ thống. Các phương pháp điều khiển như LQR và điều khiển trượt được đề xuất nhằm tối ưu hóa quá trình swing-up và duy trì trạng thái cân bằng. Lý thuyết điều khiển LQR giúp xác định luật điều khiển tối ưu thông qua việc tối thiểu hóa hàm mục tiêu, trong khi điều khiển trượt cung cấp một cách tiếp cận linh hoạt hơn để xử lý các biến động không xác định trong hệ thống. Sự kết hợp giữa lý thuyết và thực tiễn trong chương này là rất quan trọng để đảm bảo tính khả thi của các giải pháp đã đề xuất.
2.1 Nguyên lý cấu tạo và mô hình toán học
Mô hình Pendubot được xây dựng từ hai liên kết có khả năng quay tự do quanh các trục cố định. Việc xác định các tham số như chiều dài, khối lượng và moment quán tính là rất quan trọng để mô phỏng chính xác động học của hệ thống. Phương trình động học được thiết lập dựa trên các định luật vật lý, cho phép phân tích và dự đoán hành vi của hệ Pendubot trong các điều kiện khác nhau. Mô hình toán học không chỉ phục vụ cho việc mô phỏng mà còn là cơ sở để xây dựng các bộ điều khiển hiệu quả. Những thông số này sẽ được sử dụng trong quá trình mô phỏng và thực nghiệm để đánh giá hiệu quả của các phương pháp điều khiển đã được phát triển.
III. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm
Chương này trình bày kết quả của các mô phỏng được thực hiện trên phần mềm Matlab, cùng với các thí nghiệm thực tế trên mô hình Pendubot. Kết quả cho thấy bộ điều khiển LQR và điều khiển trượt đều cho phép Pendubot thực hiện swing-up từ vị trí cân bằng không ổn định lên vị trí cân bằng ổn định một cách hiệu quả. Thời gian thực hiện nhanh và độ vọt lố thấp là những yếu tố quan trọng trong việc đánh giá hiệu suất của các bộ điều khiển. Việc nhúng các bộ điều khiển vào chip STM32F407VG cho thấy khả năng ứng dụng thực tiễn cao của nghiên cứu. Các kết quả thực nghiệm không chỉ khẳng định tính khả thi của các phương pháp mà còn mở ra hướng phát triển cho các nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực kỹ thuật tự động hóa.
3.1 Mô phỏng mô hình trên Matlab
Mô phỏng trên Matlab là một bước quan trọng trong quá trình phát triển và kiểm chứng các bộ điều khiển. Các kết quả mô phỏng cho thấy hệ Pendubot có thể thực hiện swing-up và giữ cân bằng ổn định tại vị trí Up-High. Sự kết hợp giữa bộ điều khiển LQR và điều khiển trượt đã cho thấy hiệu quả cao trong việc giảm thiểu thời gian thực hiện và độ vọt lố. Các biểu đồ và dữ liệu thu được từ mô phỏng cung cấp cái nhìn sâu sắc về hành vi của hệ thống trong các điều kiện khác nhau, từ đó giúp điều chỉnh và tối ưu hóa các tham số điều khiển. Mô phỏng không chỉ là công cụ kiểm tra lý thuyết mà còn là nền tảng để phát triển các ứng dụng thực tiễn cho hệ Pendubot.
IV. Kết luận và đánh giá
Luận văn đã đạt được các mục tiêu đề ra, từ việc mô hình hóa hệ Pendubot cho đến việc phát triển và kiểm chứng các bộ điều khiển. Kết quả thực nghiệm cho thấy tính khả thi của các phương pháp đã đề xuất, với Pendubot có thể tự swing-up và duy trì trạng thái cân bằng ổn định. Tuy nhiên, vẫn còn một số hạn chế cần được khắc phục, như việc cải thiện độ chính xác của các cảm biến và khả năng phản hồi của hệ thống. Hướng phát triển trong tương lai có thể tập trung vào việc áp dụng các thuật toán điều khiển tiên tiến hơn và mở rộng mô hình Pendubot để nghiên cứu các ứng dụng khác trong lĩnh vực kỹ thuật tự động hóa.
4.1 Hướng phát triển của đề tài
Hướng phát triển trong tương lai của nghiên cứu này có thể bao gồm việc áp dụng các công nghệ mới, như trí tuệ nhân tạo và học máy, vào việc tối ưu hóa các thuật toán điều khiển. Sự phát triển của các cảm biến và thiết bị điều khiển cũng có thể giúp cải thiện độ chính xác và khả năng phản hồi của hệ thống. Việc mở rộng mô hình Pendubot để nghiên cứu các dạng điều khiển khác, như điều khiển trong môi trường không chắc chắn hoặc điều khiển trong các ứng dụng thực tế khác, cũng là một hướng đi đầy hứa hẹn. Từ đó, nghiên cứu không chỉ góp phần vào lý thuyết mà còn có thể mang lại giá trị thực tiễn cao trong lĩnh vực công nghệ tự động hóa.
