Báo Cáo Nghiên Cứu Thiết Kế Bộ Điều Khiển và Quan Sát Bền Vững cho Hệ Thống Con Lắc Ngược

Chuyên khảo phân tích Đề tài thiết kế bộ điều khiển và bộ quan sát bền vững cho hệ thống con lắc ngược với sự ảnh hưởng, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên

• Tác giả: Vũ Văn Phong
• Người hướng dẫn: TS. Vũ Văn Phong
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Điện – Điện Tử
• Đề tài: Thiết Kế Bộ Điều Khiển và Quan Sát Bền Vững cho Hệ Thống Con Lắc Ngược
• Loại tài liệu: công trình nghiên cứu khoa học
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
• 1.1. Đặt vấn đề
• 1.2. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.3. Đối tượng nghiên cứu
• 1.4. Giải hạn nghiên cứu
• 1.5. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.6. Một số kí hiệu sử dụng trong báo cáo
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Đặt hàm truyền đạt cho hệ con lắc ngược
• 2.2. Mô hình hóa hệ thống
• 2.3. Tuyến tính hóa quanh các điểm làm việc tính
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ BỘ QUAN SÁT CHO HỆ THỐNG CON LẮC NGƯỢC
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ ĐẶT BIỆT
• 4.1. Kết quả mô phỏng cho bộ quan sát
• 4.2. Kết quả mô phỏng cho trường hợp không có thành phần bất định
• 4.3. Kết quả mô phỏng cho trường hợp có thành phần bất định
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan về Thiết Kế Bộ Điều Khiển cho Hệ Thống Con Lắc Ngược

Hệ thống con lắc ngược là một trong những mô hình quan trọng trong lĩnh vực điều khiển tự động. Thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống này không chỉ giúp duy trì trạng thái cân bằng mà còn đảm bảo hiệu suất hoạt động cao. Việc áp dụng các phương pháp hiện đại như LMI (Bất phương trình ma trận tuyến tính) đã mở ra nhiều cơ hội mới trong việc tối ưu hóa thiết kế bộ điều khiển. Nghiên cứu này sẽ tập trung vào việc phát triển bộ điều khiển và quan sát bền vững cho hệ thống con lắc ngược.

1.1. Đặc Điểm và Ứng Dụng của Hệ Thống Con Lắc Ngược

Hệ thống con lắc ngược có nhiều ứng dụng trong thực tiễn như trong robot, máy bay không người lái và các thiết bị tự động khác. Đặc điểm của hệ thống này là khả năng duy trì trạng thái cân bằng trong điều kiện bất định, điều này đòi hỏi các phương pháp điều khiển tiên tiến.

1.2. Tầm Quan Trọng của Bộ Điều Khiển Bền Vững

Bộ điều khiển bền vững giúp cải thiện độ ổn định và độ tin cậy của hệ thống con lắc ngược. Việc thiết kế bộ điều khiển này không chỉ dựa vào các thông số kỹ thuật mà còn phải xem xét đến các yếu tố như độ nhạy và khả năng chống nhiễu.

II. Thách Thức trong Thiết Kế Bộ Điều Khiển cho Hệ Thống Con Lắc Ngược

Thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống con lắc ngược gặp nhiều thách thức, đặc biệt là trong việc xử lý các thành phần bất định. Những yếu tố này có thể gây ra sự không ổn định trong quá trình điều khiển. Việc phát hiện và xử lý các thành phần này là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất của hệ thống.

2.1. Các Thành Phần Bất Định và Ảnh Hưởng của Chúng

Các thành phần bất định có thể đến từ sai số trong mô hình hóa hoặc từ các thiết bị cảm biến. Những yếu tố này có thể làm giảm chất lượng điều khiển và gây ra các vấn đề nghiêm trọng trong hoạt động của hệ thống.

2.2. Khó Khăn trong Việc Đo Lường và Giám Sát

Việc đo lường các biến trạng thái của hệ thống con lắc ngược là một thách thức lớn. Các cảm biến thường gặp khó khăn trong việc cung cấp dữ liệu chính xác, đặc biệt là trong môi trường có nhiều nhiễu.

III. Phương Pháp Thiết Kế Bộ Điều Khiển Bền Vững cho Hệ Thống Con Lắc Ngược

Phương pháp thiết kế bộ điều khiển bền vững cho hệ thống con lắc ngược dựa trên các kỹ thuật hiện đại như LMI. Phương pháp này cho phép tối ưu hóa các tham số điều khiển mà không cần sử dụng cảm biến, từ đó giảm thiểu chi phí và tăng độ tin cậy của hệ thống.

3.1. Ứng Dụng Kỹ Thuật LMI trong Thiết Kế

Kỹ thuật LMI giúp giải quyết các vấn đề liên quan đến bất định trong hệ thống con lắc ngược. Phương pháp này cho phép thiết kế bộ điều khiển mà không cần phải đo lường tất cả các biến trạng thái, từ đó giảm thiểu chi phí và tăng tính khả thi.

3.2. Thiết Kế Bộ Quan Sát Bền Vững

Bộ quan sát bền vững được thiết kế để ước lượng chính xác các biến trạng thái của hệ thống mà không cần cảm biến. Điều này giúp giảm thiểu chi phí và tăng cường độ chính xác trong quá trình điều khiển.

IV. Kết Quả Nghiên Cứu và Ứng Dụng Thực Tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy phương pháp thiết kế bộ điều khiển và quan sát bền vững đã thành công trong việc duy trì trạng thái cân bằng cho hệ thống con lắc ngược. Các mô phỏng thực tế cho thấy hiệu suất của hệ thống được cải thiện đáng kể khi áp dụng các phương pháp này.

4.1. Kết Quả Mô Phỏng và Thực Nghiệm

Các mô phỏng được thực hiện bằng phần mềm Matlab/Simulink cho thấy bộ điều khiển và quan sát bền vững hoạt động hiệu quả trong việc duy trì trạng thái cân bằng của hệ thống con lắc ngược.

4.2. Ứng Dụng trong Thực Tế

Kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng trong các lĩnh vực như robot tự động, máy bay không người lái và các hệ thống điều khiển khác, giúp nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của các thiết bị này.

V. Kết Luận và Triển Vọng Tương Lai của Nghiên Cứu

Nghiên cứu về thiết kế bộ điều khiển và quan sát bền vững cho hệ thống con lắc ngược đã mở ra nhiều hướng đi mới trong lĩnh vực điều khiển tự động. Các phương pháp hiện đại như LMI không chỉ giúp giải quyết các vấn đề hiện tại mà còn tạo ra cơ hội cho các nghiên cứu trong tương lai.

5.1. Tóm Tắt Kết Quả Nghiên Cứu

Kết quả nghiên cứu đã chứng minh tính khả thi của việc thiết kế bộ điều khiển và quan sát bền vững cho hệ thống con lắc ngược, mở ra hướng đi mới cho các nghiên cứu tiếp theo.

5.2. Hướng Nghiên Cứu Tương Lai

Các nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc cải thiện độ chính xác của bộ quan sát và phát triển các phương pháp điều khiển mới nhằm nâng cao hiệu suất của hệ thống con lắc ngược.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CÔNG TRÌNH NCKH CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ BỘ QUAN SÁT BỀN VỮNG CHO HỆ THỐNG CON LẮC NGƯỢC VỚI SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA THÀNH PHẦN BẤT S K C 0 0 3 9 5 9 ĐỊNH DỰA TRÊN CÁCH TIẾP CẬN LMIs Mà SỐ: T2020-42TĐ S KC 0 0 7 3 3 0 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4/2021 Bà GIÁO DĀC VÀ ĐÀO T¾O TR¯âNG Đ¾I HàC S¯ PH¾M KỸ THU¾T THÀNH PHä Hæ CHÍ MINH BÁO CÁO TÞNG K¾T ĐÀ TÀI NCKH CÂP TR¯âNG TRàNG ĐIÂM THI¾T K¾ BÞ ĐIÀU KHIÂN VÀ BÞ QUAN SÁT BÀN VþNG CHO Hà THäNG CON LÀC NG¯þC VàI SĀ ÀNH H¯äNG CĂA THÀNH PHÄN BÂT ĐÞNH DĀA TRÊN CÁCH TI¾P C¾N LMIs Mã så: T2020-42TD Chă nhiám đÁ tài: TS. HCM, 04/2021 TR¯äNG Đ¾I HâC S¯ PH¾M KĀ THUÀT THÀNH PHà Hâ CHÍ MINH KHOA ĐIàN – ĐIàN TỬ BÁO CÁO TÞNG K¾T ĐÀ TÀI NCKH CÂP TR¯âNG TRàNG ĐIÂM THI¾T K¾ BÞ ĐIÀU KHIÂN VÀ BÞ QUAN SÁT BÀN VþNG CHO Hà THäNG CON LÀC NG¯þC VàI SĀ ÀNH H¯äNG CĂA THÀNH PHÄN BÂT ĐÞNH DĀA TRÊN CÁCH TI¾P C¾N LMIs Mã så: T2020-42TĐ Chă nhiám đÁ tài: TS. Vũ Văn Phong Thành viên đÁ tài: PGS.

Nguyßn Minh Tâm TS. TrÅn Vi Đô TP. HCM, 04/2021 DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA ĐÀ TÀI VÀ Đ¡N VÞ PHäI HþP CHÍNH Thành viên: - TS. Nguyßn Minh Tâm - TS.

TrÅn Vi Đô Đ¢n vá phái hÿp chính: - Tr°ång Đ¿i hãc SPKT TP HCM i DANH MĀC HÌNH HÌNH 2.1: Hà TRĀC TâA Đà CHO Hà XE CON LÂC NG¯þC .2: CÁC Và TRÍ LÀM VIàC T)NH CĂA Hà XE CON LÂC NG¯þC.1:CÂU TRÚC Hà THàNG CON LÂC NG¯þC VâI Bà QUAN SÁT. 2: CÂU TRÚC Hà THàNG CON LÂC NG¯þC VâI Bà ĐIÂU KHIÄN KÀT HþP VâI Bà QUAN SÁT .3: CÂU TRÚC Hà THàNG ĐIÂU KHIÄN CON LÂC NG¯þC VâI SĂ TâN T¾I CĂA THÀNH PHÄN BÂT ĐàNH.40 ii DANH MĀC BÀNG BÀNG 2.1: KÍ HIàU VÀ Ý NGH)A CĂA CÁC THAM Sà TRONG CON LÂC NG¯þC 10 BÀNG 2.2: GIÁ TRà CĀ THÄ CĂA CÁC Đ¾I L¯¡NG LIÊN QUAN ĐÀN Hà XE CON LÂC NG¯þC 14 iii BÀNG CÁC CHþ VI¾T TÀT Chÿ vi¿t tÁt Ý ngh*a ti¿ng Anh Ý ngh*a ti¿ng Viát LMI Linear Matrix Inequality BÃt ph°¢ng trình ma trÁn tuyÁn tính BMI Bilinear Matrix Inequality BÃt ph°¢ng trình ma trÁn phi tuyÁn iv MĀC LĀC DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA ĐÀ TÀI VÀ Đ¡N VÞ PHäI HþP CHÍNH. II DANH MĀC BÀNG. III BÀNG CÁC CHþ VI¾T TÀT.

V THÔNG TIN K¾T QUÀ NGHIÊN CĄU .1 INFORMATION ON RESEARCH RESULTS .7 NGHIÊN CĄU GIÀI THU¾T Đ THI¾T K¾ BÞ ĐIÀU KHIÂN VÀ BÞ QUAN SÁT CHO Hà CON LÀC NG¯þC Đ ¯àC L¯þNG BI¾N TR¾NG THÁI VÀ ĐIÀU KHIÂN CON LÀC NG¯þC ÞN ĐÞNH T¾I GäC. K¾T QUÀ NGHIÊN CĄU CHâ THĀC HIàN MÔ PHâNG Đ CHĄNG MINH SĀ THÀNH CÔNG CĂA PH¯¡NG PHÁP. TÌNH HÌNH NGHIÊN CĄU TRONG VÀ NGOÀI N¯àC .7 CH¯¡NG 2: C¡ Sä LÝ THUY¾T .1 Đ¾T Hà TRĀC TàA ĐÞ CHO Hà CON LÀC NG¯þC XE. MÔ HÌNH HOÁ Hà THäNG .10 TUY¾N TÍNH HÓA QUANH CÁC ĐIÂM LÀM VIàC T)NH: .13 CH¯¡NG 3: THI¾T K¾ BÞ ĐIÀU KHIÂN VÀ BÞ QUAN SÁT CHO Hà THäNG CON LÀC NG¯þC .17 CH¯¡NG 4: K¾T QUÀ Đ¾T Đ¯þC .33 TRONG CH¯¡NG NÀY NHÓM TÁC GIÀ SẼ THĀC TÍNH TOÁN CÁC THAM Sä CĂA BÞ ĐIÀU KHIÂN VÀ BÞ QUAN SÁT CHO Hà THäNG CON LÀC NG¯þC CHO CÀ 2 TR¯âNG HþP CÓ VÀ KHÔNG CÓ SĀ ÀNH H¯äNG CĂA THÀNH PHÄN BÂT ĐÞNH.1 K¾T QUÀ MÔ PHâNG CHO BÞ QUAN SÁT.

K¾T QUÀ MÔ PHâNG CHO TR¯âNG HþP KHÔNG CÓ THÀNH PHÄN BÂT ĐÞNH. K¾T QUÀ MÔ PHâNG CHO TR¯âNG HþP CÓ THÀNH PHÄN BÂT ĐÞNH .38 CH¯¡NG 5: K¾T LU¾N. H¯àNG PHÁT TRIÂN ĐÀ TÀI.42 TÀI LIàU THAM KHÀO .43 v TR¯äNG ĐH S¯ PH¾M KĀ THUÀT CÞNG HOÀ Xà HÞI CHĂ NGH)A VIàT NAM THÀNH PHà Hâ CHÍ MINH Đßc l¿p - Tā do - H¿nh phúc KHOA ĐIàN – ĐIàN TỬ Tp. HCM, ngày tháng năm 2021 THÔNG TIN K¾T QUÀ NGHIÊN CĄU 1.

Thông tin chung: - Tên đà tài: THIÀT KÀ Bà ĐIÂU KHIÄN VÀ Bà QUAN SÁT BÂN VĀNG CHO Hà THàNG CON LÂC NG¯þC VâI SĂ ÀNH H¯æNG CĂA THÀNH PHÄN BÂT ĐàNH DĂA TRÊN CÁCH TIÀP CÀN LMIs. - Mã sá: T2020-42TĐ - Chă nhiám: TS. Vũ Văn Phong - C¢ quan chă trì: Tr°ång Đ¿i hãc S° ph¿m Kā thuÁt TP. - Thåi gian thăc hián: 12 tháng.

Māc tiêu: Đà xuÃt ph°¢ng pháp thiÁt kÁ bá quan sát bÃn vāng đÅ °ãc l°ÿng chính xác các biÁn tr¿ng thái căa há tháng con lÃc ng°ÿc khi há tháng có să tãn t¿i thành phÅn bÃt đánh. Đà xuÃt ph°¢ng pháp thiÁt kÁ bá điÃu khiÅn bÃn vāng tích hÿp vãi bá quan sát nhằm māc đích điÃu khiÅn há tháng con lÃc ng°ÿc cân bằng và lo¿i bß nhāng Ánh h°çng do các thành phÅn bÃt đánh gây ra. Tính mái và sáng t¿o: Trong đà tài này bá quan sát đ°ÿc thiÁt kÁ nhằm māc đích °ãc l°ÿng các tham sá căa há tháng con lÃc ng°ÿc mà không cÅn sÿ dāng cÁm biÁn. Viác sÿ dāng bá quan sát đÅ °ãc l°ÿng các tham sá căa há tháng giúp cho biác giÁm kinh phí đÅ mua cÁm biÁn.

Bên c¿nh đó nh° chúng ta đã biÁt cÁm biÁn rÃt nh¿y vãi nhāng Ánh h°çng căa nhißu, viác sÿ dāng bá quan sát s¿ giúp cho tránh đ°ÿc să Ánh h°çng căa nhißu và tăng chÃt l°ÿng há tháng điÃu khiÅn tă đáng. Trong thăc tÁ các há tháng s¿ bá Ánh h°çng căa thành phÅn bÃt đánh. Nguyên nhân gây ra các thành phÅn bÃt đánh là do sai sá trong quá trình tuyÁn tính hoá há tháng con lÃc ng°ÿc hoặc do sai sá căa các thiÁt bá trong mô hình con lÃc ng°ÿc. Các thành phÅn bÃt đánh s¿ gây khó khăn cho viác thiÁt kÁ bá điÃu khiÅn và bá quan sát cũng nh° gây Ánh h°çng tãi chÃt l°ÿng điÃu khiÅn.

Trong đà tài này nhóm tác giÁ đã đà xuÃt ph°¢ng pháp thiÁt kÁ bá điÃu khiÅn và bá quan sát dăa trên cách tiÁp cÁn LMIs giúp cho viác lo¿i bß Ánh h°çng căa thành phÅn bÃt đánh, °ãc l°ÿng các biÁn tr¿ng thái căa há tháng và điÃu khiÅn cân bằng há con lÃc ng°ÿc. K¿t quÁ nghiên cąu: 1 Nhóm tác giÁ đã thành công thiÁt kÁ bá điÃu khiÅn và bá quan sát cho há tháng con lÃc ng°ÿc cho cÁ 2 tr°ång hÿp không bá Ánh h°çng căa thành phÅn bÃt đánh cũng nh° há tháng bá Ánh h°çng căa thành phÅn bÃt đánh. Các ch°¢ng trình Matlab đ°ÿc lÁp trình đÅ tính toán thành công các tham sá bá điÃu khiÅn và bá quan sát nhằm māc đích ån đánh há tháng con lÃc ng°ÿc. KÁt quÁ mô phßng thu đ°ÿc bằng viác sÿ dāng phÅn mÃm Simulink đÅ mô phßng đã chứng minh să thành công căa ph°¢ng pháp đ°ÿc đà xuÃt trong đà tài này.1 SÁn phẩm khoa hãc: Bài báo: Van-Phong Vu, Minh-Tam Nguyen, Anh-Vu Nguyen, Vi-Do Tran, Tran-Minh-Nguyet Nguyen <Disturbance Observer-Based Controller for Inverted Pendulum with Uncertainties: LMI Approach,= International Journal of Electrical and Computer Engineering (Accepted 2021) (ISSN 2088-8708, T¿p chí thuác danh māc Scopus và đ°ÿc xÁp h¿ng Q2 trong Scimango).2 SÁn phẩm đào t¿o: không có 5.3 SÁn phẩm ứng dāng: Không có 5.4 SÁn phẩm khác: Ch°¢ng trình Matlab tính toán tham sá bá điÃu khiÅn và bá quan sát.

Ch°¢ng trình mô phßng Simulink. Hiáu quÁ, ph°¢ng thąc chuyÃn giao k¿t quÁ nghiên cąu và khÁ năng áp dāng: KÁt quÁ căa nghiên cứu có thÅ là tài liáu tham khÁo cho sinh viên đ¿i hãc, cao hãc và nghiên cứu sinh ngành điÃu khiÅn tă đáng. KÁt quÁ còn có thÅ là tham khÁo cho các nhà nghiên cứu đÅ phát triÅn h°ãng nghiên cứu mãi. Tr°ång Đ¢n vß Chă nhiám đÁ tài (ký, họ và tên) (ký, họ và tên) Vũ Văn Phong 2 INFORMATION ON RESEARCH RESULTS 1.

General information: Project title: ROBUST CONTROLLER AND OBSERVER SYNTHESIS FOR THE UNCERTAIN INVERTED PENDULUM: LMI APPROACH Code number: T2020-42TĐ. VU VAN PHONG. Implementing institution: Ho Chi Minh City University of Technology and Education (HCMUTE). Objective(s): The objectives of this project are that: - Propose a method to design a robust observer to estimate exactly the unknown state variables of the Inverted Pendulum with the existence of the uncertainties.

- An observer-based controller design for Inverted Pendulum to eliminate the influences of the uncertainties and make the system stable. Creativeness and innovativeness: In this project, authors propose a method to design an observer to estimate the unknown state variables of the Inverted Pendulum insteading of using sensor. Employing the observer will reduce the cost and avoid the effects of the noise that will improve the quality of the control system. In practice, the Inverted Pendulum system is impacted by the uncertainties that may come from the modeling error and the error of the devices of the system.

The uncertainties make the controller and observer design become much more complicated as well as influence to the performance of the Inverted Pendulum. In addition, in this project, authors propose a method to design observer-based controller based on LMIs technique to eliminate completely the impacts of the uncertainties and keep the Inverted Pendulum stable. Research results: In this project, authors have successfully synthesized the observer and controller for the Inverted Pendulum system with and without the influences of the uncertainties. The Matlab program can compute the observer and controller gains.

The simulation results obtained by using Matlab/Simulink software prove that the 3 controller and observer can eliminate completely the effects of the uncertainties and stabilize the system successfully.1 Scientific Products: Article: Van-Phong Vu, Minh-Tam Nguyen, Anh-Vu Nguyen, Vi-Do Tran, Tran-Minh-Nguyet Nguyen <Disturbance Observer-Based Controller for Inverted Pendulum with Uncertainties: LMI Approach,= International Journal of Electrical and Computer Engineering (Accepted 2021) (ISSN 2088-8708, this journal is indexed in Scopus and ranked Q2 by Scimango).2 Training Products: Not available.3 Application products: Matlab program to calculate the observer and controller gains, simulation programs.4 Others: Not available. Effects, transfer alternatives of reserach results and applicability: The results of this research can be used as references for undergraduate student, graduate students of Automatic Control major. In addition, researchers can use these results to develop a new research topic that relates to the automatic control. The results of this project can be deployed in the automatic control lab of faculty of Electrical and Electronics Engineering.

4 Ch°¢ng 1: Mä ĐÄU Trong chương này nhóm tác giả sẽ phân tích những nghiên cứu hiện tại từ đó trình bày lý do để chọn đề tài nghiên cứu này đồng thßi chỉ ra những điểm mới của đề tài so với những nghiên cứu trước. Đ¿t vÃn đÁ Nghiên cứu và áp dāng các thuÁt toán điÃu khiÅn cân bằng lên các đái t°ÿng phi tuyÁn ç các phòng thí nghiám hay các ph°¢ng tián di chuyÅn nh° máy bay không ng°åi lái là chă đà rÃt đ°ÿc quan tâm trong l*nh văc <Kā thuÁt điÃu khiÅn và tă đáng hóa=. Các thuÁt toán điÃu khiÅn bám māc tiêu cũng là mát trong nhāng h°ãng nghiên cứu quan trãng.