Đặt vấn đề Với sự phát triển khoa học kỹ thuật nhanh chóng ngày nay, công nghệ liên tục thay đổi với mục đích đem lại những tiện ích,an toàn nâng cao chất lƣợng cuộc sống của con ngƣời, những công việc nặng nhọc, nguy hiểm mà con ngƣời thực hiện trong môi trƣờng hóa chất dễ cháy nổ, các thao tác phức tạp cần độ chính xác cao dần đƣợc thay thế bởi robot. Robot xuất hiện trong tất cả các lĩnh vực kinh tế, khoa học-kỹ thuật, dân sinh… xã hội ngày càng phát triển thì nhu cầu con ngƣời đƣợc tận hƣởng cuộc sống ngày càng tăng, kéo theo sự xuất hiện các robotphục vụ sinh hoạt hằng ngày cho con ngƣờinhƣ robot có thể pha cà phê, quét dọn nhà cửa Việc chế tạo robot cần tổng hợp các kiến thức về cơ khí, điện tử, kỹ thuật điều khiển và công nghệ thông tin.Theo thuật ngữ hiện nay, robot là sản phẩm của ngành cơđiện tử (mechatronic).Ngày nay robot có nhiều tính năng hiện đại nhƣ nhận dạng đƣợc giọng nói, biết đƣợc cảm xúc con ngƣời và có thể đi lại giống con ngƣời. Càng hiện đại thì việc thiết kế càng phức tạp,để giải quyết một công việc khó ngƣời ta thƣờngchia nhỏ ra thành các phần đơn giản để thực hiện từng phần,sau đó tổng hợp lại, cũng vậy để chế tạo một robot thì có rất nhiều vấn đề nghiên cứu trong đó việc giữ thăng bằng cơ thể của robot khi duy chuyển là một phần không thể thiếu trong việc thiết kế robot duy chuyển giống nhƣ con ngƣời. Để duy chuyển đƣợc nhƣ bƣớc chân ngƣời thì robot phải có trọng lƣợng nhẹ,nhỏ gọn nhằm tiêu thụ ít năng lƣợng hơn, một số cơ cấu dẫn động robot đƣợc bỏ bớt nhƣng vẫn đảm bảo sao cho robot hoạt động linh hoạt, duy chuyển tốt, việc mất đi cơ cấu dẫn động sẽ làm cho một số cơ cấu trở thành thiếu dẫn động.
Có rất nhiều mô hình đặc trƣng cho hệ thống thiếu cơ cấu truyền động này, Pendubot là một ví dụ điển hình cho hệ thống thiếu cơ cấu truyền động này. Pendubot là một robot có hai bậc tự do hoạt động trong mặt phẳng đứng. Có 1 1 Luan van cơcấu truyền động nằm ở khớp nối thứ nhất, khớp thứ hai nối với khớp thứ nhất bằng trục liên kết tự do. Khớp thứ nhất đƣợc gắn với cơ cấu truyền động, trong đóđộng cơ sẽ điều khiển mômen.
Pendubot có hai bậc tự do đƣợc điều khiểnở vị trí cân bằng dƣới lên vị trí cân bằng trên và đƣợc giữ cân bằng ổn định tại vị trí đó.Pendubot là hệ thống không ổn định và cóđộ phi tuyến rất cao, nó thƣờng đƣợc sử dụng nhiều trong kiểm chứng kỹ thuật điều khiển do đó đƣợc ứng dụng nhiều trong thực tế và đặc tính động học của Pendubot gần giống với quá trình vật lý cụ thể của quá trình phóng tên lửa hoặc duy chuyển của cần cẩu. Cùng với sự phát triển khoa học kỹ thuật, các phƣơng pháp điều khiển thông minh ra đời và đƣợc ứng dụng rộng rãi,Việc kết hợp các phƣơng pháp với nhau để điều khiển cùng một đối tƣợng mang lại hiệu quả hơn so với việc sử dụng từng bộ điều khiển riêng lẽ. Trong luận văn này bộ điều khiển kinh điển PID và bộ điều khiển Fuzzy đƣợc kết hợp với nhau với mục đích làm tăng chất lƣợng điều khiển, bộ điều khiển PID sẽ thực hiện công việc chính điều khiển Pendubot cân bằng, bộ điều khiển Fuzzy đƣợc thêm vào để tinh chỉnh một lƣợng bù vào để hệ ổn định hơn, lƣợng bù này xuất hiện bởi nhiễu, mômen tại các giá trị góc khác nhau nhiệt do động cơ sinh ra…., đồng thời ứng dụng thuật toán tối ƣu hóa GA để tìm ra các thông số điều khiển Fuzzy, PID tốt nhất. Do vậy tôi đã chọn đề tài về điều khiển cân bằng Pendubot là “Ứng dụng Fuzzy trong tối ƣu hóa bộ điều khiển PID cho hệ con lắc ngƣợc”.2Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc Đã có nhiều các công trình nghiên cứu khoa học, các bài báo trong và ngoài nƣớc thực hiện công việc nghiên cứu về pendubot.
Đặc biệt vấn đề swing-up và cân bằng Pendubot đƣợc các nhà khoa học đang nghiên cứu và cải tiến, có rất nhiều giải thuật đƣợc đề xuất để phát triển đề tài này nhƣ: điều khiển trƣợt, điều khiển PID, điều khiển PID-Fuzzy… 2 Luan van 1.1 Các kết quả nghiên cứu ngoài nƣớc Các phƣơng pháp đã đƣợc sử dụng để điều khiển Pendubot nhƣ sau: điều khiển tuyến tính hóa hoặc điều khiển tuyến tính hóa từng phần, điều khiển thông minh, điều khiển lai, điều khiển phi tuyến, điều khiển PID, điều khiển trƣợt, thuật toán điều khiển tối ƣu LQR và điều khiển logic mờ Fuzzy, TS Fuzzy. Tiếp cận thuật toán Fuzzy mới để điều khiển swing- up cho Pendubot[1].Bài báo nghiên cứu về swing-up và điều khiển cân bằng cho Pendubot sử dụng bộ điều khiển mờ, đây là phƣơng pháp tiếp cận mới so với các phƣơng pháp cổ điển trƣớc đó về tính khả thi thành công của bộ điều khiển mờ đối với hệ phi tuyến. Ƣu điểm là dễ tiếp cận, tuy nhiên bài báo này chƣa nói lên đƣợc sự kết hợp giữa bộ điều khiển PID-fuzzy Điều khiển fuzzy sử dụng card DSP điều khiển Pendubot tại vị trí giữa [2], bài báo nói về việc swing-up và điều khiển cân bằng cho pendubot sử dụng bộ điều khiển mờ, ƣu điểm bài báo này là sử dụng card DSP sẽ giảm đƣợc thời gian lập trình, bài báo này cũng chỉ phân tích bộ điều khiển mờ, chƣa nói lên việc kết hợp giữa bộ điều khiển PID với bộ điều khiển mờ Pendubot, một hệ thống cơ điện tử cho nghiên cứu điều khiển và học tập [3], ƣu điểm bài báo này tập trung việc thiết kế phần cứng, chƣa phân tích sâu về việc điều khiển cho pendubot 1.2 Các kết quả nghiên cứu trong nƣớc Giữ cân bằng hệ Pendubot sử dụng bộ điều khiển Fuzzy PID cải tiến, Phùng Khánh Vinh, 2014[9].Trong luận văn này tác giả đã sử dụngbộ điều khiển PID-fuzzy với bộ Fuzzy đƣợc đặt sau và nối tiếp bộ PID.Ƣu điểm của luận văn này là sử dụng giải thuật di truyền để cải tiến bộ PID - fuzzy.Nhƣợc điểm của bộ điều khiển này là tín hiệu sẽ đƣợc khuếch đại lên giá trị lớn 3 Luan van Điều khiển hệ Pendubotdùng kỹ thuật điều khiển trƣợt, Nguyễn Hồng Phúc, 2013[10].Bộ điều khiển trƣợt đa bậc đã đƣợc thiết kế để điều khiển hệ Pendubot di chuyển từ vị trí cân bằng ổn định lên vị trí cân bằng bất ổn định và giữ thăng bằng cho hệ tại điểm bất ổn định đó. Cấu trúc đa bậc của mặt trƣợt đã đƣợc thiết kế dựa trên đặc tính của hệ thống.
Luật điều khiển đƣợc đƣa ra và cuối cùng việc ổn định tiệm cận của các mặt trƣợt đƣợc chứng minh trên lý thuyết bằng bổ đề Barbalat. Và ổn định tiệm cận của hai mặt trƣợt con cũng đƣợc chứng minh. Các thông số cận của các mặt trƣợt đƣợc chọn dựa trên các mặt trƣợt cũng đƣợc chứng minh. Kết quả mô phỏng đã kiểm chứng tính khả thi cho việc thiết kế và chiến lƣợc điều khiển cho hệ một cách đúng đắn.
Ƣu điểm là hệ thống vẫn ổn định khi bị tác dụng bởi nhiễu với cƣờng độ thấp, khi cƣờng độ của nhiễu lên cao hệ thống không còn ổn định tuy nhiên chƣa đƣợc thi công thực tế để kiểm chứng tính khả thi Mô hình điều khiển cân bằng Pendubot, Đỗ Minh Thƣ, 2015[11],ƣu điểm là luận văn đã đƣa ra đƣợc cái nhìn tổng quan về các phƣơng pháp điều khiển của các nhà nghiên cứu trƣớc đó cũng nhƣ phƣơng pháp điều khiển cho quá trình Swing-up hệ Pendubot là phƣơng pháp hồi tiếp tuyến tính hóa riêng phần tuy nhiên hệ thống thực nghiệm chỉ swing-up trong 3s và giữ cân bằng tại vị trí trên 1.3 Những vấn đề còn tồn tại luận văn tập trung giải quyết 1.1 Những vấn đề còn tồn đọng Về phần cứng: thiết kế mô hình cơ khí chƣa tốt, rung động nhiều, nhiễu Về phần điều khiển: việc mô phỏng giải thuật PID – Fuzzy trên phần mềm Simulink Matlabtƣơng đối ổn định nhƣng khi đƣa vào mô hình thực tế để điều khiển thì cần hiệu chỉnh lại các thông số để hệ Pendubot cân bằng 1.2 Mục tiêu đề tài hƣớng đến giải quyết Về phần cứng: thiết kế Pendubot sao cho hạn chế rung động Về phần điều khiển: 4 Luan van Tìm hiểu bộ điều khiển PID – fuzzy So sánh kết kết quả mô phỏng giữa bộ điều khiển PID và PID – fuzzy Sử dụng bộ điều khiển PID – fuzzy để điều khiển Pendubot cân bằng tại vị trí trên.2 Ý nghĩa khoa học và cơ sở thực tiễn của đề tài nghiên cứu Có nhiều ứng dụng thực tế từ mô hình Pendubot nhƣ: cánh tay máy, giữ cân bằng robot khi duy chuyển, điều khiển xe 2 bánh tự cân bằng, cân bằng phi hành gia trong vũ trụ, ổn định giàn khoan ngoài biển nhằm giảm dao động rung lắc giàn khoan, điều khiển cẩu hàng và nhiều ứng dụng khác nhau nhằm mang lại lợi ích cho con ngƣời.3 Xác định mục đích nghiên cứu, khách thể và đối tƣợng nghiên cứu 1.1 Mục đích nghiên cứu Tính toán xây dựng mô hình toán học của hệ thống Xác định các thông số của hệ thống Xây dựng mô hình phi tuyến Xây dựng các phƣơng pháp điều khiển PID-Fuzzy dựa trên simulink- Matlab và thực nghiệm Thi công mô hình hệ Pendubot Giữ ổn định cân bằng Pendubot.2 Đối tƣợng nghiên cứu Hệ thống Pendubot Bộ điều khiển PID - fuzzy 1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu Xây dựng mô hình toán hệ Pendubot với thanh 1, thanh 2 Thiết kế, mô phỏng bộ điều khiển PID - fuzzy trên phần mềm Simulink Matlab Thực nghiệm điều khiển hệ Pendubot trên mô hình thực tế Nhận xét kết quả từ thực nghiệm 5 Luan van 1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu Tìm kiếm và thu thập thông tin về hệ Pendubot gồm các mô hình toán học, thực tế qua các bài bài báo, luận văn ở trong nƣớc và ngoài nƣớc Sử dụng kết quả mô phỏng trên phần mềm Matlab – Simulink cho Pendubot để kiểm chứng độ tin cậy của bộ điều khiển đƣợc thiết kế 6 Luan van Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Bộ điều khiển PID Bộ điều khiển PID là một trong những bộ điều khiển đƣợc ứng dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng hiện nay bởi tính hiệu quả của nó.