Nghiên Cứu Hệ Điều Khiển Lai Cho Hệ Pendubot

• 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: Sư Phạm Điện Công Nghiệp
• Đề tài: Nghiên Cứu Hệ Điều Khiển Lai Cho Hệ Pendubot
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: 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
• 3.6. Thông số mô hình thực nghiệm
• 3.7. Nhận dạng thông số động cơ
• 3.8. Mô hình hóa động cơ
• 3.9. 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. Thiết kế cơ khí của hệ Pendubot
• 5.2. Mạch điều khiển hệ Pendubot
• 5.2.1. Vi điều khiển DSP TMS320F28335
• 5.2.2. Module vi điều khiển TMS320F2335 value module
• 5.2.3. Board điều khiển đọc các giá trị Encoder và xuất xung PWM
• 5.2.4. Mạch driver cầu H lái động cơ
• 5.3. Thiết kế chương trình điều khiển Pendubot
• 5.3.1. Giới thiệu các khối điều khiển và thư viện hỗ trợ của simulink
• 5.3.2. Sơ đồ giải thuật của chương trình điều khiển
• 5.3.3. Khối điều khiển hệ Pendubot thực tế
• 5.3.4. Khối truyền tín hiệu hiển thị lên máy tính (SCI transfer data to PC)
• 5.4. Chương trình điều khiển giữ cân bằng hệ Pendubot dùng phương pháp điều khiển LQR
• 5.5. 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. Tổng Quan Về Nghiên Cứu Hệ Điều Khiển Lai Pendubot

Nghiên cứu hệ điều khiển lai cho hệ Pendubot đang thu hút sự quan tâm lớn từ cộng đồng khoa học và kỹ thuật. Pendubot là một hệ thống cơ điện tử thiếu cơ cấu truyền động, điển hình cho các hệ thống phức tạp với tính phi tuyến cao. Bài toán điều khiển Pendubot bao gồm việc đưa con lắc từ vị trí cân bằng dưới lên vị trí cân bằng trên và duy trì trạng thái cân bằng này. Các ứng dụng tiềm năng của Pendubot rất đa dạng, từ robot công nghiệp đến các hệ thống cân bằng trong hàng không vũ trụ. Việc nghiên cứu điều khiển lai mở ra hướng tiếp cận mới, kết hợp ưu điểm của nhiều phương pháp điều khiển khác nhau để đạt hiệu suất tối ưu. Các phương pháp điều khiển PID, điều khiển LQR, điều khiển mờ, và điều khiển thích nghi thường được kết hợp để tạo ra hệ thống điều khiển mạnh mẽ và linh hoạt. Theo tài liệu, Pendubot là robot có hai bậc tự do hoạt động trong mặt phẳng đứng, với một cơ cấu truyền động ở khớp nối thứ nhất.

1.1. Giới Thiệu Chi Tiết Về Hệ Thống Pendubot

Hệ Pendubot là một hệ thống cơ điện tử với hai khớp nối, trong đó chỉ có một khớp được điều khiển trực tiếp bằng động cơ. Khớp còn lại di chuyển tự do, tạo ra tính chất thiếu cơ cấu truyền động. Điều này làm cho việc điều khiển Pendubot trở nên phức tạp hơn so với các hệ thống robot thông thường. Mục tiêu điều khiển thường là đưa con lắc từ vị trí cân bằng dưới (con lắc chúc xuống) lên vị trí cân bằng trên (con lắc thẳng đứng) và giữ nó ở vị trí này. Quá trình này bao gồm hai giai đoạn chính: swing-up (đưa con lắc lên) và balancing (giữ cân bằng). Hệ thống Pendubot thường được sử dụng như một bài toán benchmark để đánh giá hiệu quả của các thuật toán điều khiển robot.

1.2. Ứng Dụng Thực Tế Của Điều Khiển Hệ Pendubot

Mặc dù Pendubot là một hệ thống thí nghiệm, các kỹ thuật điều khiển được phát triển cho nó có thể được áp dụng cho nhiều ứng dụng thực tế. Ví dụ, các hệ thống robot công nghiệp cần thực hiện các thao tác phức tạp trong không gian hẹp có thể hưởng lợi từ các thuật toán điều khiển được phát triển cho Pendubot. Các hệ thống cân bằng trong hàng không vũ trụ, như hệ thống ổn định cho vệ tinh hoặc máy bay không người lái, cũng có thể sử dụng các kỹ thuật tương tự. Ngoài ra, Pendubot còn được sử dụng trong giáo dục để minh họa các khái niệm về lý thuyết điều khiển và robot học.

II. Thách Thức Trong Điều Khiển Lai Hệ Pendubot Hiệu Quả

Điều khiển lai cho hệ Pendubot đối mặt với nhiều thách thức đáng kể. Tính phi tuyến mạnh của hệ thống đòi hỏi các phương pháp điều khiển mạnh mẽ và linh hoạt. Việc chuyển đổi giữa các chế độ điều khiển (ví dụ, từ swing-up sang balancing) cần được thực hiện một cách trơn tru để tránh gây ra sự mất ổn định. Nhiễu và sai số mô hình cũng là những yếu tố quan trọng cần được xem xét. Các thuật toán điều khiển cần có khả năng chống nhiễu và thích nghi với các thay đổi trong hệ thống. Theo tài liệu, 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.

2.1. Vấn Đề Phi Tuyến Trong Mô Hình Hóa Hệ Thống

Hệ Pendubot là một hệ thống phi tuyến, có nghĩa là mối quan hệ giữa đầu vào (moment điều khiển) và đầu ra (vị trí và vận tốc của các khớp) không phải là tuyến tính. Điều này gây khó khăn cho việc mô hình hóa hệ thống và thiết kế các bộ điều khiển dựa trên lý thuyết điều khiển tuyến tính. Các phương pháp tuyến tính hóa, như tuyến tính hóa phản hồi, có thể được sử dụng để đơn giản hóa bài toán, nhưng chúng chỉ có hiệu quả trong một phạm vi hoạt động nhất định. Do đó, cần phải sử dụng các phương pháp điều khiển phi tuyến để đạt được hiệu suất tốt trên toàn bộ không gian trạng thái.

2.2. Ảnh Hưởng Của Nhiễu Đến Tính Ổn Định Hệ Thống

Nhiễu và sai số mô hình có thể ảnh hưởng đáng kể đến tính ổn định và hiệu suất của hệ thống điều khiển. Nhiễu có thể đến từ nhiều nguồn khác nhau, như sai số cảm biến, nhiễu điện từ, hoặc các yếu tố bên ngoài tác động lên hệ thống. Sai số mô hình có thể do các giả định đơn giản hóa trong quá trình mô hình hóa, hoặc do các thông số hệ thống thay đổi theo thời gian. Các thuật toán điều khiển cần có khả năng chống nhiễu và thích nghi với các sai số mô hình để đảm bảo tính ổn định và hiệu suất của hệ thống.

III. Phương Pháp Điều Khiển Lai Tối Ưu Cho Pendubot

Phương pháp điều khiển lai kết hợp các ưu điểm của nhiều phương pháp điều khiển khác nhau để đạt được hiệu suất tối ưu cho hệ Pendubot. Một cách tiếp cận phổ biến là sử dụng điều khiển swing-up để đưa con lắc lên gần vị trí cân bằng trên, sau đó chuyển sang điều khiển cân bằng để giữ con lắc ở vị trí này. Điều khiển swing-up thường sử dụng các phương pháp phi tuyến, như điều khiển dựa trên năng lượng hoặc tuyến tính hóa phản hồi, trong khi điều khiển cân bằng có thể sử dụng các phương pháp tuyến tính, như điều khiển LQR hoặc điều khiển PID. Theo tài liệu, một bộ điều khiển lai sẽ điều khiển hệ thống Swing-up gần với vị trí cân bằng hướng lên và duy trì ổn định hệ thống ở vị trí thẳng đứng.

3.1. Điều Khiển Swing Up Bằng Tuyến Tính Hóa Phản Hồi

Tuyến tính hóa phản hồi là một phương pháp điều khiển phi tuyến được sử dụng để biến đổi hệ thống phi tuyến thành một hệ thống tuyến tính tương đương. Phương pháp này bao gồm việc thiết kế một luật điều khiển sao cho đầu ra của hệ thống tuân theo một phương trình tuyến tính. Trong trường hợp Pendubot, tuyến tính hóa phản hồi có thể được sử dụng để thiết kế một bộ điều khiển swing-up đưa con lắc lên gần vị trí cân bằng trên một cách nhanh chóng và hiệu quả. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng tuyến tính hóa phản hồi chỉ có hiệu quả trong một phạm vi hoạt động nhất định.

3.2. Điều Khiển Cân Bằng Sử Dụng Phương Pháp LQR

Phương pháp LQR (Linear Quadratic Regulator) là một phương pháp điều khiển tối ưu được sử dụng để thiết kế các bộ điều khiển tuyến tính cho các hệ thống tuyến tính. LQR tìm kiếm một luật điều khiển sao cho một hàm chi phí toàn phương, bao gồm cả sai số trạng thái và năng lượng điều khiển, được tối thiểu hóa. Trong trường hợp Pendubot, LQR có thể được sử dụng để thiết kế một bộ điều khiển cân bằng giữ con lắc ở vị trí cân bằng trên một cách ổn định và chính xác. LQR yêu cầu hệ thống phải được tuyến tính hóa xung quanh điểm cân bằng.

IV. Mô Phỏng và Thực Nghiệm Hệ Điều Khiển Lai Pendubot

Để đánh giá hiệu quả của hệ điều khiển lai, cần thực hiện cả mô phỏng và thực nghiệm. Mô phỏng cho phép kiểm tra tính ổn định và hiệu suất của hệ thống trong các điều kiện khác nhau, cũng như tinh chỉnh các tham số điều khiển. Thực nghiệm cho phép đánh giá hiệu quả của hệ thống trong môi trường thực tế, với các yếu tố như nhiễu và sai số mô hình. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cần được so sánh và phân tích để xác định các điểm mạnh và điểm yếu của hệ thống điều khiển. Theo tài liệu, sự ổn định của hệ thống Pendubot trong mô phỏng cho thấy rằng bộ điều khiển lai đề xuất hoạt động tốt.

4.1. Mô Phỏng Hệ Thống Bằng Matlab Simulink

Matlab Simulink là một công cụ mạnh mẽ để mô phỏng và phân tích các hệ thống động học. Simulink cho phép xây dựng các mô hình hệ thống bằng cách kết nối các khối chức năng, mô phỏng hoạt động của hệ thống theo thời gian, và phân tích kết quả mô phỏng. Trong trường hợp Pendubot, Simulink có thể được sử dụng để xây dựng một mô hình hệ thống, thiết kế các bộ điều khiển, và mô phỏng hoạt động của hệ thống với các bộ điều khiển khác nhau. Kết quả mô phỏng có thể được sử dụng để đánh giá tính ổn định và hiệu suất của hệ thống điều khiển.

4.2. Triển Khai Thực Nghiệm Với Vi Điều Khiển DSP

Để triển khai hệ thống điều khiển trong thực tế, cần sử dụng một vi điều khiển để thực hiện các thuật toán điều khiển và giao tiếp với các cảm biến và cơ cấu chấp hành. DSP (Digital Signal Processor) là một loại vi điều khiển được thiết kế đặc biệt để xử lý tín hiệu số, và thường được sử dụng trong các ứng dụng điều khiển thời gian thực. Trong trường hợp Pendubot, DSP có thể được sử dụng để đọc dữ liệu từ các cảm biến vị trí, tính toán các tín hiệu điều khiển, và điều khiển động cơ. Theo tài liệu, thông số thích hợp đã được chọn và nhúng vào DSP TMS320F28335.

V. Kết Quả Nghiên Cứu và Đánh Giá Hệ Điều Khiển Lai

Kết quả nghiên cứu cho thấy hệ điều khiển lai có khả năng điều khiển hệ Pendubot một cách hiệu quả. Mô phỏng cho thấy hệ thống ổn định và đạt được hiệu suất tốt trong các điều kiện khác nhau. Thực nghiệm cũng cho thấy hệ thống hoạt động tốt trong môi trường thực tế, mặc dù có một số hạn chế do nhiễu và sai số mô hình. Các kết quả này cho thấy hệ điều khiển lai là một giải pháp tiềm năng cho bài toán điều khiển Pendubot, và có thể được áp dụng cho các ứng dụng thực tế khác.

5.1. Phân Tích Ưu Điểm Của Phương Pháp Điều Khiển

Phương pháp điều khiển lai có nhiều ưu điểm so với các phương pháp điều khiển truyền thống. Bằng cách kết hợp các ưu điểm của nhiều phương pháp điều khiển khác nhau, hệ điều khiển lai có thể đạt được hiệu suất tốt hơn, tính ổn định cao hơn, và khả năng chống nhiễu tốt hơn. Ví dụ, việc sử dụng tuyến tính hóa phản hồi cho swing-up và LQR cho balancing cho phép tận dụng các ưu điểm của cả hai phương pháp, đồng thời giảm thiểu các nhược điểm.

5.2. Thảo Luận Về Hạn Chế Và Hướng Phát Triển

Mặc dù hệ điều khiển lai có nhiều ưu điểm, nó cũng có một số hạn chế. Việc thiết kế và tinh chỉnh các tham số điều khiển có thể phức tạp và tốn thời gian. Hệ thống cũng có thể nhạy cảm với nhiễu và sai số mô hình. Các hướng phát triển trong tương lai bao gồm việc sử dụng các thuật toán điều khiển thích nghi để tự động điều chỉnh các tham số điều khiển theo thời gian, cũng như việc sử dụng các kỹ thuật học máy để cải thiện khả năng chống nhiễu và thích nghi với các sai số mô hình. Theo tài liệu, 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…

VI. Kết Luận và Triển Vọng Điều Khiển Lai Hệ Pendubot

Nghiên cứu hệ điều khiển lai cho hệ Pendubot đã đạt được những kết quả đáng khích lệ. Hệ thống có khả năng điều khiển Pendubot một cách hiệu quả, và có tiềm năng được áp dụng cho các ứng dụng thực tế khác. Các hướng phát triển trong tương lai bao gồm việc cải thiện tính ổn định, hiệu suất, và khả năng chống nhiễu của hệ thống, cũng như việc mở rộng phạm vi ứng dụng của hệ điều khiển lai. 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.

6.1. Tóm Tắt Các Kết Quả Nghiên Cứu Chính

Nghiên cứu đã trình bày một hệ điều khiển lai cho hệ Pendubot, kết hợp điều khiển swing-up bằng tuyến tính hóa phản hồi và điều khiển cân bằng bằng LQR. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy hệ thống có khả năng điều khiển Pendubot một cách hiệu quả, và có tiềm năng được áp dụng cho các ứng dụng thực tế khác. Các kết quả này đóng góp vào sự hiểu biết về điều khiển các hệ thống cơ điện tử thiếu cơ cấu truyền động, và mở ra các hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực này.

6.2. Hướng Phát Triển Tiềm Năng Trong Tương Lai

Các hướng phát triển tiềm năng trong tương lai bao gồm việc sử dụng các thuật toán điều khiển thích nghi để tự động điều chỉnh các tham số điều khiển theo thời gian, cũng như việc sử dụng các kỹ thuật học máy để cải thiện khả năng chống nhiễu và thích nghi với các sai số mô hình. Ngoài ra, việc nghiên cứu các phương pháp điều khiển mới, như điều khiển dựa trên mô hình dự đoán hoặc điều khiển tối ưu phi tuyến, cũng có thể mang lại những cải tiến đáng kể cho hiệu suất của hệ thống.