Đồ án tốt nghiệp: So sánh phương pháp điều khiển bám quỹ đạo cho Pendubot

• Tác giả: Trần Trọng Bằng
• Người hướng dẫn: ThS. Lê Thị Hồng Lam
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
• Đề tài: So Sánh Các Phương Pháp Điều Khiển Bám Quỹ Đạo Cho Pendubot
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

• NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
• LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
• PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Mục tiêu
• 1.2. Giới hạn
• 1.3. Nội dung nghiên cứu
• 1.4. Phương pháp nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. SIMO
• 2.2. GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN
• 2.2.1. PID dựa trên LQR
• 2.2.2. GIẢI THUẬT DI TRUYỀN
• 2.2.2.1. Ưu điểm của GA
• 2.2.2.2. Nhược điểm của GA
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
• 3.1. PID dựa trên LQR
• 3.2. THI CÔNG HỆ THỐNG
• 3.2.1. Vi điều khiển
• 3.2.2. Bộ nguồn công suất
• 3.2.3. Module giao tiếp UART
• 3.2.3.1. Xử lý phần cứng với STM32Cube MX
• 3.2.3.2. Viết chương trình với Keil C
• 4. KẾT QUẢ - NHẬN XÉT - ĐÁNH GIÁ
• 4.1. Kết quả thực nghiệm LQR
• 4.2. Kết quả thực nghiệm Fuzzy
• 4.3. Kết quả thực nghiệm PID dựa trên LQR
• 5. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 5.1. Kết luận
• 5.2. Hướng phát triển
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH ẢNH

I. Giới thiệu về Pendubot và điều khiển bám quỹ đạo

Pendubot là một hệ thống cơ điện tử có tính phi tuyến cao, thường được sử dụng trong nghiên cứu và giảng dạy về điều khiển tự động. Hệ thống này bao gồm hai thanh nối với nhau, tạo thành một cơ cấu con lắc kép. Điều khiển bám quỹ đạo là quá trình điều khiển hệ thống để nó di chuyển theo một quỹ đạo mong muốn. Đây là một thách thức lớn do tính phi tuyến và độ phức tạp của hệ thống. Các phương pháp điều khiển như LQR, Fuzzy, và PID được áp dụng để đạt được mục tiêu này. Việc so sánh các phương pháp này giúp xác định phương pháp tối ưu cho từng tình huống cụ thể.

1.1. Cấu trúc và đặc điểm của Pendubot

Pendubot bao gồm hai thanh nối với nhau, tạo thành một hệ thống con lắc kép. Thanh thứ nhất được điều khiển bởi một động cơ, trong khi thanh thứ hai tự do di chuyển. Hệ thống này có tính phi tuyến cao, đòi hỏi các kỹ thuật điều khiển phức tạp để duy trì sự ổn định và bám quỹ đạo. Các thông số như góc nghiêng, vận tốc góc, và momen lực đóng vai trò quan trọng trong việc thiết kế bộ điều khiển.

1.2. Mục tiêu của điều khiển bám quỹ đạo

Mục tiêu chính của điều khiển bám quỹ đạo là đảm bảo hệ thống Pendubot di chuyển theo một quỹ đạo định trước. Điều này đòi hỏi sự chính xác cao trong việc tính toán và điều chỉnh các thông số điều khiển. Các phương pháp điều khiển như LQR, Fuzzy, và PID được sử dụng để đạt được sự ổn định và độ chính xác trong quá trình bám quỹ đạo.

II. Các phương pháp điều khiển bám quỹ đạo

Có nhiều phương pháp điều khiển được áp dụng để điều khiển Pendubot, bao gồm LQR, Fuzzy, và PID. Mỗi phương pháp có ưu nhược điểm riêng, phù hợp với các tình huống cụ thể. LQR là phương pháp điều khiển tuyến tính tối ưu, trong khi Fuzzy là phương pháp điều khiển thông minh dựa trên logic mờ. PID là phương pháp điều khiển cổ điển, được cải tiến bằng cách kết hợp với LQR để tăng hiệu quả điều khiển.

2.1. Phương pháp LQR

LQR (Linear Quadratic Regulator) là một phương pháp điều khiển tuyến tính tối ưu, sử dụng hàm chi phí bậc hai để tối ưu hóa hiệu suất điều khiển. Phương pháp này đảm bảo sự ổn định và độ chính xác cao trong việc bám quỹ đạo. Tuy nhiên, LQR đòi hỏi mô hình hệ thống phải được tuyến tính hóa, điều này có thể gây khó khăn trong các hệ thống phi tuyến như Pendubot.

2.2. Phương pháp Fuzzy

Fuzzy là phương pháp điều khiển thông minh dựa trên logic mờ, cho phép xử lý các hệ thống phi tuyến mà không cần mô hình toán học chính xác. Phương pháp này linh hoạt và dễ dàng điều chỉnh, phù hợp với các hệ thống phức tạp như Pendubot. Tuy nhiên, Fuzzy có thể gặp khó khăn trong việc đảm bảo độ chính xác cao trong một số tình huống cụ thể.

2.3. Phương pháp PID dựa trên LQR

PID là phương pháp điều khiển cổ điển, được cải tiến bằng cách kết hợp với LQR để tăng hiệu quả điều khiển. Phương pháp này kết hợp ưu điểm của cả hai phương pháp, đảm bảo sự ổn định và độ chính xác cao trong việc bám quỹ đạo. Tuy nhiên, việc thiết kế và điều chỉnh các thông số PID có thể phức tạp và đòi hỏi nhiều thời gian.

III. So sánh và đánh giá các phương pháp điều khiển

Việc so sánh các phương pháp điều khiển giúp xác định phương pháp tối ưu cho từng tình huống cụ thể. LQR đảm bảo sự ổn định và độ chính xác cao, nhưng đòi hỏi mô hình hệ thống phải được tuyến tính hóa. Fuzzy linh hoạt và dễ dàng điều chỉnh, nhưng có thể gặp khó khăn trong việc đảm bảo độ chính xác cao. PID kết hợp ưu điểm của cả hai phương pháp, nhưng việc thiết kế và điều chỉnh các thông số có thể phức tạp.

3.1. Hiệu suất điều khiển

LQR đạt hiệu suất điều khiển cao trong các hệ thống tuyến tính hóa, đảm bảo sự ổn định và độ chính xác. Fuzzy linh hoạt và dễ dàng điều chỉnh, phù hợp với các hệ thống phi tuyến. PID kết hợp ưu điểm của cả hai phương pháp, đảm bảo sự ổn định và độ chính xác cao trong việc bám quỹ đạo.

3.2. Độ phức tạp thiết kế

LQR đòi hỏi mô hình hệ thống phải được tuyến tính hóa, điều này có thể gây khó khăn trong các hệ thống phi tuyến. Fuzzy không cần mô hình toán học chính xác, nhưng việc thiết kế và điều chỉnh các thông số có thể phức tạp. PID kết hợp ưu điểm của cả hai phương pháp, nhưng việc thiết kế và điều chỉnh các thông số có thể phức tạp và đòi hỏi nhiều thời gian.