Nghiên Cứu Xây Dựng Giải Thuật Điều Khiển Tối Ưu Quá Trình Swingup Hệ Acrobot Trong Luận Văn ...

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu giải thuật điều khiển tối ưu cho quá trình swingup hệ acrobot trong kỹ thuật điều khiển và tự động hóa.

• Tác giả: Phạm Thị Hòa
• Người hướng dẫn: PGS. Huỳnh Thái Hoàng
• Trường học: Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Tự động hóa
• Đề tài: Nghiên cứu xây dựng giải thuật điều khiển tối ưu quá trình swing-up hệ Acrobot
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
• 1.1. Tổng quan các đề tài nghiên cứu liên quan
• 1.2. Xây dựng phương trình động học của hệ Acrobot
• 1.3. Đề xuất các luật điều khiển tổng hợp từ những công trình nghiên cứu liên quan
• 1.4. Nhiệm vụ luận văn
• 1.5. Sơ lược nội dung luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Phương pháp điều khiển hồi tiếp tuyến tính hóa riêng phần
• 2.1.1. Phương pháp tuyến tính hóa hồi tiếp
• 2.1.2. Tuyến tính hóa ngõ vào
• 2.1.3. Tuyến tính hóa vào-ra
• 2.1.4. Bài toán tuyến tính hóa hồi tiếp
• 2.1.5. Phương pháp hồi tiếp tuyến tính hóa riêng phần áp dụng cho hệ Acrobot
• 2.2. Phương pháp điều khiển LQR
• 2.2.1. Ổn định Lyapunov với hệ phi tuyến – tiêu chuẩn ổn định lyapunov - phương pháp thứ hai Lyapunov
• 2.2.2. Điều khiển tối ưu hệ phi tuyến với chỉ tiêu chất lượng dạng toàn phương – Phương trình Riccati đối với hệ liên tục
• 2.2.3. Các bước thiết kế và giải bài toán toàn phương tuyến tính cho hệ thống liên tục
• 2.2.4. Phương pháp LQR áp dụng cho hệ Acrobot
• 2.2.4.1. Phương pháp điều khiển LQR
• 2.2.4.2. Xây dựng bộ điều khiển
• 2.3. Phương pháp điều khiển mờ
• 2.3.1. Giới thiệu chung
• 2.3.2. Cấu trúc bộ điều khiển mờ
• 2.3.3. Bộ điều khiển mờ cơ bản
• 2.3.4. Phương pháp điều khiển mờ madani
• 2.3.5. Phương pháp điều khiển mờ Sugeno
• 3. CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH VÀ XÂY DỰNG GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU QUÁ TRÌNH SWING-UP HỆ ACROBOT
• 3.1. Mô hình động học hệ Acrobot
• 3.1.1. Xây dựng mô hình toán học
• 3.1.2. Mô phỏng hệ Acrobot bằng mô hình Matlab/Simulink
• 3.2. Xây dựng bộ điều khiển Swing-up và giữ cân bằng cho hệ Acrobot
• 3.2.1. Mô phỏng bộ điều khiển Swing-Up và giữ cân bằng hệ Acrobot
• 3.2.2. Phương pháp điều khiển mờ tự do để Swing-Up và kết hợp LQR để giữ cân bằng hệ Acrobot
• 3.2.3. Phương pháp điều khiển hồi tiếp tuyến tính hóa để Swing-up và kết hợp LQR để giữ cân bằng hệ Acrobot
• 4. CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ THI CÔNG THỰC TẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU QUÁ TRÌNH SWING-UP HỆ ACROBOT
• 4.1. Thiết kế cơ khí mô hình Acrobot
• 4.2. Mạch điều khiển hệ Acrobot
• 4.2.1. Vi điều khiển DSP TMS320F28335
• 4.2.2. Module vi điều khiển DSP TMS320F28335 value module
• 4.2.3. Board điều khiển đọc các giá trị Encoder và xuất xung PWM
• 4.2.4. Mạch Driver cầu H lái động cơ
• 4.3. Mạch điều khiển hệ Acrobot (tiếp tục)
• 4.3.1. Giới thiệu các khối điều khiển và thư viện hỗ trợ của simulink
• 4.3.2. Sơ đồ giải thuật của chương trình điều khiển
• 4.3.3. Khối điều khiển hệ Acrobot thực tế (Real Acrobot)
• 4.3.4. Khối truyền tín hiệu hiển thị lên máy tính SCI (SCI transfer data to PC)
• 4.3.5. Chương trình điều khiển hệ Acrobot dùng luật điều khiển hồi tiếp tuyến tính hóa riêng phần để Swing-up kết hợp LQR để giữ cân bằng
• 4.3.6. Chương trình điều khiển hệ Acrobot dùng luật điều khiển mờ để Swing-up kết hợp LQR để giữ cân bằng
• 4.3.7. So sánh kết quả của hai bộ điều khiển
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
• 5.1. Đóng góp khoa học của luận văn
• 5.2. Hướng phát triển của đề tài
• PHỤ LỤC
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về đề tài và hệ Acrobot

Luận văn tập trung vào nghiên cứu xây dựng giải thuật điều khiển tối ưu cho quá trình swingup của hệ Acrobot, một hệ thống robot thiếu cơ cấu truyền động. Hệ Acrobot là mô hình robot hai khớp hoạt động trong mặt phẳng thẳng đứng, mô phỏng chuyển động của vận động viên thể dục dụng cụ. Mục tiêu chính là điều khiển hệ từ vị trí cân bằng dưới lên vị trí cân bằng trên và duy trì cân bằng tại đó. Luận văn sử dụng các phương pháp điều khiển hồi tiếp tuyến tính hóa riêng phần, điều khiển mờ, và LQR để đạt được mục tiêu này.

1.1. Giới thiệu hệ Acrobot

Hệ Acrobot là một hệ thống robot thiếu cơ cấu truyền động, với một khớp thụ động và một khớp được điều khiển bằng động cơ. Hệ thống này có ưu điểm nhẹ, tiết kiệm năng lượng và chi phí thấp. Tuy nhiên, việc điều khiển hệ thống này phức tạp do tính phi tuyến và dao động mạnh. Mục tiêu của luận văn là phát triển các giải thuật điều khiển tối ưu để thực hiện quá trình swingup và duy trì cân bằng tại vị trí cao nhất.

1.2. Các phương pháp điều khiển được áp dụng

Luận văn đề xuất sử dụng ba phương pháp chính: điều khiển hồi tiếp tuyến tính hóa riêng phần, điều khiển mờ, và LQR. Điều khiển hồi tiếp tuyến tính hóa riêng phần được sử dụng để điều khiển quá trình swingup, trong khi LQR được áp dụng để duy trì cân bằng. Điều khiển mờ được nghiên cứu để tăng tính linh hoạt và hiệu quả trong điều khiển hệ thống.

II. Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận văn trình bày chi tiết các cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu được áp dụng. Các phương pháp bao gồm tuyến tính hóa hồi tiếp, điều khiển tối ưu, và điều khiển mờ. Các phương pháp này được phân tích và đánh giá để lựa chọn phương án tối ưu nhất cho hệ Acrobot.

2.1. Phương pháp tuyến tính hóa hồi tiếp

Phương pháp tuyến tính hóa hồi tiếp được sử dụng để đơn giản hóa hệ thống phi tuyến bằng cách chuyển đổi hệ thống thành hệ tuyến tính. Phương pháp này giúp dễ dàng thiết kế bộ điều khiển và đảm bảo tính ổn định của hệ thống. Luận văn áp dụng phương pháp này để điều khiển quá trình swingup của hệ Acrobot.

2.2. Phương pháp điều khiển LQR

Phương pháp LQR (Linear Quadratic Regulator) được sử dụng để tối ưu hóa quá trình điều khiển. Phương pháp này giúp giảm thiểu năng lượng tiêu thụ và đảm bảo hệ thống ổn định tại vị trí cân bằng. Luận văn áp dụng LQR để duy trì cân bằng hệ Acrobot sau khi thực hiện quá trình swingup.

III. Mô phỏng và thực nghiệm

Luận văn tiến hành mô phỏng và thực nghiệm trên hệ Acrobot bằng phần mềm Matlab/Simulink. Các kết quả mô phỏng được so sánh và đánh giá để xác định hiệu quả của các giải thuật điều khiển được đề xuất. Kết quả cho thấy sự kết hợp giữa điều khiển hồi tiếp tuyến tính hóa riêng phần và LQR mang lại hiệu quả cao nhất.

3.1. Mô phỏng hệ Acrobot

Luận văn sử dụng Matlab/Simulink để mô phỏng hệ Acrobot và các bộ điều khiển được đề xuất. Các kết quả mô phỏng bao gồm đáp ứng góc, vận tốc và tín hiệu điều khiển. Kết quả cho thấy điều khiển hồi tiếp tuyến tính hóa riêng phần hiệu quả trong quá trình swingup, trong khi LQR duy trì cân bằng tốt.

3.2. Thực nghiệm trên mô hình thực tế

Luận văn thiết kế và chế tạo mô hình thực tế của hệ Acrobot, sử dụng vi điều khiển DSP TMS320F28335 để điều khiển hệ thống. Kết quả thực nghiệm khớp với kết quả mô phỏng, chứng minh tính khả thi của các giải thuật điều khiển được đề xuất.

IV. Kết luận và hướng phát triển

Luận văn kết luận rằng việc kết hợp điều khiển hồi tiếp tuyến tính hóa riêng phần và LQR mang lại hiệu quả cao trong việc điều khiển quá trình swingup và duy trì cân bằng hệ Acrobot. Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm đã chứng minh tính khả thi của phương pháp này. Hướng phát triển tiếp theo là nghiên cứu các giải thuật điều khiển tiên tiến hơn để tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống.

4.1. Đóng góp khoa học

Luận văn đã đóng góp vào việc phát triển các giải thuật điều khiển tối ưu cho hệ Acrobot, đặc biệt là trong quá trình swingup và duy trì cân bằng. Các kết quả nghiên cứu có thể áp dụng trong các hệ thống robot thiếu cơ cấu truyền động khác.

4.2. Hướng phát triển

Hướng phát triển tiếp theo của đề tài là nghiên cứu các giải thuật điều khiển tiên tiến như điều khiển thích nghi và điều khiển mờ thông minh để tăng cường hiệu suất và độ ổn định của hệ Acrobot trong các điều kiện làm việc phức tạp hơn.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Hệ Acrobot là một mô hình robot cơ bản thuộc nhóm hệ thống thiếu cơ cấu truyền động, với cấu trúc gồm hai khớp nối hoạt động trong mặt phẳng thẳng đứng, mô phỏng chuyển động của vận động viên thể dục dụng cụ trên thanh xà đơn. Theo ước tính, các hệ thống thiếu cơ cấu truyền động như Acrobot ngày càng được quan tâm do ưu điểm về trọng lượng nhẹ, chi phí thấp, tiêu hao năng lượng ít và độ tin cậy cao. Tuy nhiên, tính phi tuyến và dao động phức tạp của hệ thống gây khó khăn lớn trong việc thiết kế bộ điều khiển tối ưu.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là xây dựng và tối ưu hóa giải thuật điều khiển quá trình Swing-up (lắc lên) và giữ cân bằng cho hệ Acrobot. Cụ thể, nghiên cứu tập trung vào việc phát triển các bộ điều khiển hồi tiếp tuyến tính hóa riêng phần, điều khiển mờ tự do cho quá trình Swing-up, kết hợp với bộ điều khiển toàn phương tuyến tính (LQR) để giữ cân bằng tại vị trí cân bằng trên. Phạm vi nghiên cứu bao gồm mô phỏng trên Matlab/Simulink và thiết kế, thi công mô hình thực tế sử dụng vi điều khiển DSP TMS320F28335 tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP.HCM trong giai đoạn 2013-2014.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc mở rộng ứng dụng các giải thuật điều khiển tối ưu cho các hệ thống robot thiếu cơ cấu truyền động, góp phần nâng cao hiệu quả điều khiển, giảm thời gian Swing-up và tăng tính ổn định của hệ thống trong môi trường thực tế có nhiễu. Kết quả nghiên cứu cũng hỗ trợ phát triển các ứng dụng robot trong công nghiệp, không gian vũ trụ và các lĩnh vực đòi hỏi độ chính xác cao.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên ba khung lý thuyết chính để xây dựng bộ điều khiển cho hệ Acrobot:

1. Phương pháp hồi tiếp tuyến tính hóa riêng phần (Partial Feedback Linearization):
   Đây là kỹ thuật tuyến tính hóa hệ thống phi tuyến bằng cách loại bỏ tính phi tuyến thông qua hồi tiếp trạng thái, giúp biến đổi hệ thống thành dạng tuyến tính để áp dụng các phương pháp điều khiển cổ điển. Phương pháp này được áp dụng để thiết kế bộ điều khiển Swing-up, giúp đưa hệ Acrobot từ vị trí cân bằng dưới lên vị trí cân bằng trên.

2. Phương pháp điều khiển toàn phương tuyến tính (Linear Quadratic Regulator - LQR):
   LQR là phương pháp điều khiển tối ưu cho hệ thống tuyến tính với hàm mục tiêu toàn phương, nhằm giữ cân bằng hệ Acrobot tại vị trí cân bằng trên. Phương pháp dựa trên tiêu chuẩn ổn định Lyapunov và giải phương trình Riccati liên tục để tính toán độ lợi điều khiển tối ưu.

3. Lý thuyết điều khiển mờ (Fuzzy Control):
   Bộ điều khiển mờ tự do được sử dụng để tối ưu quá trình Swing-up, đặc biệt trong việc điều chỉnh biên độ momen điều khiển dựa trên năng lượng của hệ thống. Luật điều khiển mờ giúp làm trơn chuyển động và giảm dao động không mong muốn trong quá trình đưa Acrobot lên vị trí cân bằng.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: Swing-up (lắc lên), balancing (giữ cân bằng), under-actuated system (hệ thiếu cơ cấu truyền động), partial feedback linearization (tuyến tính hóa hồi tiếp riêng phần), LQR, fuzzy logic (logic mờ), membership functions (hàm thành viên), và DSP (Digital Signal Processing).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu nghiên cứu bao gồm mô hình toán học hệ Acrobot được xây dựng dựa trên phương trình động học phi tuyến, các mô phỏng trên Matlab/Simulink và kết quả thực nghiệm từ mô hình phần cứng Acrobot sử dụng vi điều khiển DSP TMS320F28335.

Phương pháp phân tích gồm:

• Xây dựng mô hình toán học động học và động lực học của hệ Acrobot với các tham số vật lý cụ thể như khối lượng, chiều dài các khớp, moment quán tính.
• Thiết kế và mô phỏng các bộ điều khiển Swing-up bằng hồi tiếp tuyến tính hóa riêng phần và điều khiển mờ, kết hợp với bộ điều khiển LQR để giữ cân bằng.
• Lập trình nhúng giải thuật điều khiển trên vi điều khiển DSP TMS320F28335 bằng ngôn ngữ C và Matlab, đồng thời phát triển ứng dụng Windows Form để giao tiếp và giám sát tín hiệu điều khiển, đáp ứng hệ thống.
• Thiết kế và thi công mô hình phần cứng Acrobot, bao gồm cơ khí, mạch điều khiển, mạch công suất và các bộ phận điện tử liên quan.
• Thời gian nghiên cứu kéo dài từ tháng 6/2013 đến tháng 6/2014, với các giai đoạn chính: xây dựng mô hình, thiết kế giải thuật, mô phỏng, thi công mô hình thực và đánh giá kết quả.

Cỡ mẫu nghiên cứu là mô hình Acrobot hai khớp với các thông số vật lý được xác định cụ thể, lựa chọn phương pháp phân tích dựa trên tính phi tuyến và đặc tính thiếu cơ cấu truyền động của hệ thống.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả của bộ điều khiển hồi tiếp tuyến tính hóa riêng phần kết hợp LQR:
   Mô phỏng cho thấy hệ Acrobot có thể Swing-up và giữ cân bằng sau khoảng 2-3 chu kỳ dao động, với thời gian đáp ứng nhanh hơn so với các phương pháp truyền thống (khoảng 20 giây). Đáp ứng góc và vận tốc góc đạt trạng thái ổn định, sai số bám nhỏ, thể hiện qua các biểu đồ đáp ứng góc và vận tốc góc.

2. Bộ điều khiển mờ tự do tối ưu hóa quá trình Swing-up:
   Luật điều khiển mờ giúp điều chỉnh biên độ momen điều khiển giảm dần khi năng lượng Acrobot tăng, làm chuyển động trơn láng và giảm dao động không mong muốn. Kết quả mô phỏng cho thấy đáp ứng góc và vận tốc mượt mà, thời gian Swing-up được rút ngắn đáng kể so với các bộ điều khiển tuyến tính đơn thuần.

3. Ứng dụng bộ điều khiển LQR giữ cân bằng ổn định:
   Khi Acrobot đạt vị trí cân bằng trên, bộ điều khiển LQR duy trì trạng thái cân bằng với sai số nhỏ, ngay cả khi có nhiễu tín hiệu. Thời gian ổn định sau nhiễu được ước tính trong khoảng vài giây, thể hiện qua các đồ thị tín hiệu điều khiển và đáp ứng góc.

4. Thành công trong việc nhúng giải thuật vào mô hình thực tế:
   Việc lập trình và điều khiển mô hình Acrobot thực tế bằng DSP TMS320F28335 cho kết quả tương tự mô phỏng, chứng minh tính khả thi của giải thuật trong môi trường thực. Các tín hiệu đo đạc từ encoder và tín hiệu PWM điều khiển được xử lý chính xác, đáp ứng online được hiển thị qua ứng dụng Windows Form.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân thành công của bộ điều khiển hồi tiếp tuyến tính hóa riêng phần là do khả năng loại bỏ tính phi tuyến phức tạp, giúp hệ thống trở nên dễ điều khiển hơn. So với các nghiên cứu trước đây sử dụng điều khiển PD hoặc điều khiển mờ kết hợp giải thuật di truyền, giải thuật này rút ngắn thời gian Swing-up và giảm độ phức tạp tính toán.

Bộ điều khiển mờ tự do phát huy ưu điểm trong việc xử lý các bất định và nhiễu trong hệ thống phi tuyến, làm chuyển động trơn láng và ổn định hơn so với các bộ điều khiển tuyến tính. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu về điều khiển mờ thích nghi và điều khiển mờ trượt thích nghi đã được đề xuất trong ngành.

Việc nhúng giải thuật vào phần cứng thực tế và thu được kết quả tương đồng với mô phỏng là bước tiến quan trọng, khẳng định tính ứng dụng thực tiễn của nghiên cứu. Dữ liệu thực nghiệm có thể được trình bày qua các biểu đồ đáp ứng góc, vận tốc góc và tín hiệu điều khiển PWM, giúp đánh giá trực quan hiệu quả điều khiển.

Tuy nhiên, một số hạn chế như hiện tượng đứt gãy trong chuyển giao giữa các bộ điều khiển và tốc độ tiến hóa của mạng neural trong các giải thuật kết hợp vẫn cần được cải thiện trong các nghiên cứu tiếp theo.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Phát triển bộ điều khiển kết hợp mờ và hồi tiếp tuyến tính hóa riêng phần:
   Đề xuất nghiên cứu thêm các giải thuật kết hợp để tận dụng ưu điểm của cả hai phương pháp, nhằm tối ưu thời gian Swing-up và giảm dao động trong quá trình chuyển đổi. Thời gian thực hiện dự kiến 6-12 tháng, do nhóm nghiên cứu tự động hóa thực hiện.

2. Mở rộng ứng dụng cho các hệ thống thiếu cơ cấu truyền động nhiều bậc tự do:
   Áp dụng giải thuật đã phát triển cho các hệ thống phức tạp hơn như pendubot hoặc hệ thống robot đa khớp, nhằm nâng cao tính linh hoạt và hiệu quả điều khiển. Khuyến nghị triển khai trong vòng 1-2 năm, phối hợp với các phòng thí nghiệm robot.

3. Cải tiến phần mềm giám sát và điều khiển thời gian thực:
   Nâng cấp ứng dụng Windows Form để hỗ trợ phân tích dữ liệu trực tuyến, cảnh báo lỗi và điều chỉnh tham số điều khiển tự động, giúp tăng tính ổn định và độ tin cậy của hệ thống. Thời gian phát triển khoảng 3-6 tháng, do nhóm phát triển phần mềm đảm nhận.

4. Nghiên cứu và áp dụng các thuật toán học máy nâng cao:
   Tích hợp mạng neural sâu, học tăng cường hoặc các thuật toán tiến hóa hiện đại để cải thiện khả năng thích nghi và tối ưu hóa điều khiển trong môi trường thực tế có nhiều nhiễu và biến đổi. Khuyến nghị thực hiện trong giai đoạn nghiên cứu tiếp theo, thời gian 1-2 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành Tự động hóa và Robot:
   Luận văn cung cấp kiến thức nền tảng và ứng dụng thực tiễn về điều khiển hệ thống thiếu cơ cấu truyền động, giúp nâng cao kỹ năng thiết kế và lập trình bộ điều khiển.

2. Giảng viên và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực điều khiển tự động:
   Tài liệu tham khảo hữu ích cho việc phát triển các giải thuật điều khiển phi tuyến, mờ và tối ưu, đồng thời cung cấp cơ sở để mở rộng nghiên cứu sang các hệ thống robot phức tạp hơn.

3. Kỹ sư phát triển hệ thống nhúng và điều khiển thời gian thực:
   Luận văn trình bày chi tiết về thiết kế phần cứng, lập trình vi điều khiển DSP và giao tiếp phần mềm, hỗ trợ kỹ sư trong việc triển khai các hệ thống điều khiển nhúng.

4. Doanh nghiệp và tổ chức nghiên cứu ứng dụng robot trong công nghiệp:
   Các giải pháp điều khiển tối ưu giúp cải thiện hiệu suất và độ ổn định của robot trong dây chuyền sản xuất, đặc biệt trong môi trường yêu cầu độ chính xác và an toàn cao.

Câu hỏi thường gặp

1. Giải thuật hồi tiếp tuyến tính hóa riêng phần có ưu điểm gì so với điều khiển tuyến tính truyền thống?
   Giải thuật này loại bỏ tính phi tuyến phức tạp của hệ thống, giúp biến đổi hệ phi tuyến thành hệ tuyến tính dễ điều khiển hơn, từ đó cải thiện thời gian đáp ứng và độ ổn định so với điều khiển tuyến tính đơn thuần.

2. Bộ điều khiển mờ tự do hoạt động như thế nào trong quá trình Swing-up?
   Bộ điều khiển mờ điều chỉnh biên độ momen điều khiển dựa trên năng lượng hiện tại của hệ, giảm dần biên độ khi năng lượng tăng, giúp chuyển động trơn láng và giảm dao động không mong muốn trong quá trình đưa Acrobot lên vị trí cân bằng.

3. Tại sao cần kết hợp bộ điều khiển LQR sau khi Swing-up?
   LQR giữ vai trò duy trì trạng thái cân bằng ổn định tại vị trí cân bằng trên, đảm bảo hệ thống không bị lệch khỏi vị trí mong muốn do nhiễu hoặc dao động nhỏ, từ đó nâng cao độ chính xác và ổn định của hệ thống.

4. Việc nhúng giải thuật điều khiển vào vi điều khiển DSP có khó khăn gì?
   Quá trình này đòi hỏi kiến thức về lập trình nhúng, xử lý tín hiệu số và giao tiếp phần cứng-phần mềm. Tuy nhiên, việc sử dụng thư viện hỗ trợ của Matlab/Simulink và CCS giúp giảm thiểu độ phức tạp, đồng thời cho phép kiểm tra và hiệu chỉnh dễ dàng.

5. Luận văn có thể áp dụng cho các hệ thống robot khác không?
   Có, các giải thuật và phương pháp nghiên cứu có thể mở rộng cho các hệ thống thiếu cơ cấu truyền động khác như pendubot, hệ con lắc ngược hoặc các robot đa khớp có tính phi tuyến cao, giúp nâng cao hiệu quả điều khiển trong nhiều ứng dụng thực tế.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công mô hình toán học và các giải thuật điều khiển tối ưu cho quá trình Swing-up và giữ cân bằng hệ Acrobot, bao gồm hồi tiếp tuyến tính hóa riêng phần, điều khiển mờ tự do và LQR.
• Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy thời gian Swing-up được rút ngắn đáng kể, hệ thống đạt trạng thái cân bằng ổn định với sai số nhỏ và đáp ứng trơn láng.
• Việc nhúng giải thuật vào vi điều khiển DSP TMS320F28335 và thiết kế mô hình phần cứng thực tế đã chứng minh tính khả thi và ứng dụng thực tiễn của nghiên cứu.
• Luận văn góp phần mở rộng hiểu biết về điều khiển hệ thống thiếu cơ cấu truyền động, đồng thời cung cấp nền tảng cho các nghiên cứu và ứng dụng robot phức tạp hơn trong tương lai.
• Đề xuất các hướng phát triển tiếp theo bao gồm kết hợp các giải thuật điều khiển, mở rộng cho hệ thống nhiều bậc tự do, cải tiến phần mềm giám sát và áp dụng các thuật toán học máy nâng cao.

Khuyến khích các nhà nghiên cứu và kỹ sư ứng dụng các giải thuật này vào các dự án robot thực tế, đồng thời phát triển thêm các giải pháp điều khiển thông minh để nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA _____o0o_____ PHẠM THỊ HÒA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU QUÁ TRÌNH SWING-UP HỆ ACROBOT CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA MÃ SỐ : 60.60 LUẬN VĂN THẠC SĨ Tp. Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2014 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS. HUỲNH THÁI HOÀNG (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 1 : . (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2 : . (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM ngày……… tháng ………năm 2013 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1. Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có). CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA………… ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: PHẠM THỊ HÒA MSHV: 11154011 . Ngày, tháng, năm sinh: 01/04/1988 Nơi sinh: THANH HÓA . Chuyên ngành: TỰ ĐỘNG HÓA Mã số: 60. TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU QUÁ TRÌNH SWING-UP HỆ ACROBOT II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:  Nghiên cứu bộ điều khiển hồi tiếp tuyến tính hóa riêng phần cho quá trình Swing-up.  Nghiên cứu bộ điều khiển mờ tự do cho quá trình Swing-up hệ Acrobot.  Nghiên cứu bộ điều khiển LQR cho quá trình giữ cân bằng tại vị trí cân bằng trên.  Mô phỏng hệ thống trên Matlab đưa ra kết quả nhằm thiết kế trên mô hình thực.  Thiết kế chế tạo mô hình thực hệ thống Acrobot.  Dùng card DSP TMS 320 F28335 điều khiển mô hình thực với mục tiêu là điều khiển tối ưu quá trình Swing-up hệ Acrobot.  Tổng kết và báo cáo và so sánh các kết quả đạt được . NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 24/06/2013. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 20/6/2014. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN :PGS. HUỲNH THÁI HOÀNG . CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký) TRƯỞNG KHOA ….……… (Họ tên và chữ ký) LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, tôi xin chân thành cảm ơn PGS. HUỲNH THÁI HOÀNG đã tận tình hướng dẫn và gợi mở cho tôi những vấn đề gặp phải trong suốt quá trình làm luận văn. Ngoài ra, chính sự tận tâm và nhiệt huyết trong quá trình giảng dạy cũng như hướng dẫn của Thầy đã giúp tôi quyết tâm hoàn thành luận văn này. Trong sự biết ơn muôn vàn không thể diễn tả hết bằng lời, tôi xin gửi tặng thành quả này cho gia đình tôi. Chính gia đình là nền tảng và động lực cho tôi trong suốt quá trình học tập và tiếp cận tri thức. Đồng thời, tôi cũng gửi lời tri ân sâu sắc đến thạc sĩ Nguyễn Văn Đông Hải giảng viên trường Đại Học Sư phạm Kỹ Thuật cùng toàn thể giàng viên cùng cán bộ bộ môn điều khiển tự động trường Đại Học Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh đã truyền đạt kiến thức và giải đáp mọi vấn đề về kiến thức chuyên môn trong quá trình tôi thực hiện luận văn. Sau hết, tôi xin cảm ơn các bạn học viên cao học Tự Động Hóa khóa 2011 và 2012 đã đồng hành , động viên , giúp đỡ cho tôi trong suốt quá trình học. TPHCM, ngày 2 tháng 4 năm 2014. Tác giả : Phạm Thị Hòa TÓM TẮT Hệ Acrobot ( viết tắt của ACROBATIC ROBOT) là một hệ mô hình robot cơ bản của các hệ thống robot thiếu cơ cấu truyền động. Acrobot là một hệ cánh tay robot hai khớp nằm trong mặt phẳng thẳng đứng thiết kế mô phỏng theo sự chuyển động của một vận động viên thể dục dụng cụ trên thanh xà đơn. Nội dung cơ bản của luận văn này là: Nghiên cứu xây dựng mô hình toán và điểu khiển hệ Acrobot. Nghiên cứu các giải thuật điều khiển đã học để ứng dụng điều khiển tối ưu quá trình Swing-up và giữ cân bằng hệ Acrobot. Thiết kế bộ điều khiển Swing-up và giữ cân bằng (giải thuật hồi tiếp tuyến tính hóa riêng phần và điều khiển mờ để swing –up đồng thời dùng giải thuật toàn phương tuyến tính hóa LQR để giữ cân bằng) từ các nội dung lý thuyết điều khiển đã được học. Mô phỏng hệ Acrobot và các bộ điều khiển đã được nghiên cứu ở trên bằng MATLAB /Simulink trong miền liện tục và trong miền rời rạc. Nghiên cứu vi điều khiển DSP TMS320F28335 các cách lập trình bằng C và Matlab. Thiết kế lập trình một ứng dụng windows form trên máy tính để giao tiếp với các bo vi điều khiển nhận các tín hiệu và hiển thị các giá trị đo đạc và tín hiệu điều khiển, đồng thời vẽ đồ thị đáp ứng online của chúng kiểm chứng kết quả. Thiết kế và thi công mô hình phần cứng hệ Acrobot, các mạch điện tử điều khiển và công suất. Lập trình nhúng bộ điều khiển trên vi điều khiển thời gian thực TMS320F28335 bằng cách lập trình liên kết với MATLAB để điều khiển mô hình hệ Acrobot bằng các giải thuật hồi tiếp tuyến tính hóa riếng phần và bộ điều khiển mờ để Swing-up hệ và giải thuật LQR để giữ cân bằng hệ thống. Đánh giá so sánh kết quả thu được và hướng phát triển của luận văn. ABSTRACT Acrobot system (ACROBATIC ROBOT is shorted for Acrobot) is a basic robot system of under-Actuated robot series. The Acrobot actually is a planar two-link robotic arm in the vertical plane, which is designed to follow a pattern of a gymnast performing on a horizontal bar. The Acrobot has an actuator at the elbow, but no actuator at the shoulder. The main content of the thesis includes: Researching and building mathematical model of an Acrobot system. Researching some algorithm studying to apply optimal control Swing-up and balance the Acrobot system at the top of its Swing. For solving such problem, the approach of the com- bination of the partial feedback linearization and model- free fuzzy method to Swing the Acrobot up and a LQR method to balance it has been proposed in this thesis. Acrobot system simulation and these control of systems have been built by using Matlab/ Simulink tool in the continous and discrete system. Reseaching the way to Microcontrollers DSP TMS320 F28335 programming by using C and Matlab languages. Designing and programming a Window form application on PC to communicate with board DSP receiving signal and display numerical value signal. Then, draw an online graph to check results. Designing and carrying out hardware model of an Acrobot system : Microcontroller boards and power board. Programming controller on real-time workshop DSP TMS 320F28335 by using chip or component are intergated in Matlab/ Simulink libraly. Then, buitl-in program by CCS composer to control hardware model of an Acrobot system. Using parial feedback linearization alogrithm , fuzzy logic alogrithm to Swing the Acrobot up and LQR alogrithm to balance it. Assessing comparison results, taking notes of some advantage and disadvantages at each real-case. Conclusion and development of thesis. MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI . Tổng quan các đề tài nghiên cứu liên quan .1 Xây dựng phương trình động học của hệ Acrobot .2 Đề xuất các luật điều khiển tổng hợp từ những công trình nghiên cứu liên quan . Nhiệm vụ luận văn . Sơ lược nội dung luận văn . 22 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .2 Phương pháp điều khiển hồi tiếp tuyến tính hóa riêng phần.1 Phương pháp tuyến tính hóa hồi tiếp .2 Tuyến tính hóa ngõ vào .3 Tuyến tính hóa vào-ra .4 Bài toán tuyến tính hóa hồi tiếp .5 Phương pháp hồi tiếp tuyến tính hóa riêng phần áp dụng cho hệ Acrobot .3 Phương pháp điều khiển LQR .1 Ổn định Lyapunov với hệ phi tuyến –tiêu chuẩn ổn định lyapunov-phương pháp thứ hai Lyapunov .2 Điều khiển tối ưu hệ phi tuyến với chỉ tiêu chất lượng dạng toàn phương – Phương trình Riccati đối với hệ liên tục .3 Các bước thiết kế và giải bài toán toàn phương tuyến tính cho hệ thống liên tục .4 Phương pháp LQR áp dụng cho hệ Acrobot .1 Phương pháp điều khiển LQR .2 Xây dựng bộ điều khiển .4 Phương pháp điều khiển mờ . Giới thiệu chung .1 Cấu trúc bộ điều khiển mờ .2 Bộ điều khiển mờ cơ bản .3 Phương pháp điều khiển mờ madani .4 Phương pháp điều khiển mờ Sugeno . 47 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH VÀ XÂY DỰNG GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU QUÁ TRÌNH SWING-UP HỆ ACROBOT .2 Mô hình động học hệ Acrobot .1 Xây dựng mô hình toán học .2 Mô phỏng hệ Acrobot bằng mô hình Matlab/Simulink . Xây dựng bộ điều khiển Swing-up và giữ cân bằng cho hệ Acrobot .Mô phỏng bộ điều khiển Swing-Up và giữ cân bằng hệ Acrobot. Phương pháp điều khiển mờ tự do để Swing-Up và kết hợp LQR để giữ cân bằng hệ Acrobot . Phương pháp điều khiển hồi tiếp tuyến tính hóa để Swing-up và kết hợp LQR để giữ cân bằng hệ Acrobot . 59 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ THI CÔNG THỰC TẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU QUÁ TRÌNH SWING-UP HỆ ACROBOT .2 Thiết kế cơ khí mô hình Acrobot .3 Mạch điều khiển hệ Acrobot .1 Vi điều khiển DSP TMS320F28335 .2 Module vi điều khiển DSP TMS320F28335 vaule module .3 Board điều khiển đọc các giá trị Encoder và xuất xung PWM .4 Mạch Driver cầu H lái động cơ .4 Mạch điều khiển hệ Acrobot .1 Giới thiệu các khối điều khiển và thư viện hỗ trợ của simulink .2 Sơ đồ giải thuật của chương trình điều khiển .3 Khối điều khiển hệ Acrobot thực tế (Real Acrobot) .4 Khối truyến tín hiệu hiển thị lên máy tính SCI (SCI tranfer data to PC) .5 Chương trình điều khiển hệ Acrobot dùng luật điều khiển hồi tiếp tuyến tính hóa riêng phần để Swing-up kết hợp LQR để giữ cân bằng .6 Chương trình điều khiển hệ Acrobot dùng luật điều khiển mờ để Swing-up kết hợp LQR để giữ cân bằng .7 So sánh kết quả của hai bộ điều khiển . 102 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI .2 Đóng góp khoa học của luận văn .3 Hướng phát triển của đề tài . 104 TÀI LIỆU THAM KHẢO . 106 PHỤ LỤC DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Các cánh tay robot trong dây chuyền sản xuất.2: Mô hình hệ Acrobot thực tế .3: Mô hình mô phỏng hệ Acrobot .4: Đáp ứng góc của hệ thống với phương pháp điều khiển phản hồi tuyến tính hóa riêng phần và LQR Hình 1.5: Đáp ứng góc của hệ thống với phương pháp điều khiển mờ và GA Hình 1.6: Đáp ứng góc của hệ thống với phương pháp điều khiển năng lượng Hình 1.