I. Tổng quan về đề tài
Đề tài "Thiết kế và điều khiển hệ con nêm ngược bằng fuzzy logic" tập trung vào việc phát triển một hệ thống điều khiển cho mô hình con nêm ngược, một hệ thống phi tuyến phức tạp. Hệ con nêm ngược được sử dụng rộng rãi trong các nghiên cứu khoa học và ứng dụng thực tiễn, đặc biệt trong lĩnh vực tự động hóa. Mục tiêu chính của nghiên cứu là duy trì sự cân bằng ổn định của hệ thống này thông qua các phương pháp điều khiển hiện đại như fuzzy logic. Việc áp dụng fuzzy logic giúp cải thiện khả năng điều khiển trong các tình huống không chắc chắn và biến động, điều này rất quan trọng trong việc duy trì trạng thái cân bằng của hệ con nêm ngược.
1.1. Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước
Nghiên cứu về hệ con nêm ngược đã được thực hiện ở nhiều nơi trên thế giới. Các phương pháp điều khiển như điều khiển trượt, điều khiển LQR và fuzzy logic đã được áp dụng để đạt được sự ổn định cho hệ thống. Một số nghiên cứu trong nước đã chỉ ra rằng việc sử dụng fuzzy logic có thể mang lại kết quả tốt hơn so với các phương pháp truyền thống. Ví dụ, nghiên cứu của Đặng Hữu Phúc đã sử dụng phương pháp điều khiển mờ để đạt được sự cân bằng ổn định cho hệ con nêm ngược. Kết quả cho thấy rằng fuzzy logic có thể cải thiện đáng kể hiệu suất điều khiển trong các điều kiện không chắc chắn.
II. Cơ sở lý thuyết
Hệ con nêm ngược hoạt động dựa trên nguyên lý cân bằng của trọng lực và lực kéo từ động cơ. Để điều khiển hệ thống này, cần phải xây dựng một mô hình toán học chính xác. Các phương pháp điều khiển như điều khiển trượt, điều khiển LQR và fuzzy logic đều có những ưu điểm riêng. Fuzzy logic cho phép xử lý các thông tin không chắc chắn và mơ hồ, giúp cải thiện khả năng điều khiển trong các tình huống phức tạp. Việc xây dựng bộ điều khiển mờ dựa trên các giá trị đầu vào như góc nghiêng và vị trí vật nặng là rất quan trọng để đạt được sự cân bằng ổn định cho hệ thống.
2.1. Nguyên lý hoạt động của con nêm ngược tự cân bằng
Con nêm ngược tự cân bằng hoạt động dựa trên việc điều chỉnh lực kéo từ động cơ để duy trì trạng thái cân bằng. Khi con nêm ngược bị nghiêng, cảm biến sẽ ghi nhận góc nghiêng và truyền thông tin này đến bộ điều khiển. Bộ điều khiển sẽ sử dụng các thuật toán như fuzzy logic để tính toán giá trị điện áp cần thiết cho động cơ, nhằm điều chỉnh vị trí của vật nặng và giữ cho con nêm ngược ở trạng thái cân bằng. Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng phương pháp điều khiển mờ có khả năng điều khiển tốt hơn so với các phương pháp khác, với thời gian xác lập ngắn và khả năng khắc phục dao động hiệu quả.
III. Thiết kế mô hình mô phỏng
Mô hình mô phỏng hệ con nêm ngược được xây dựng bằng phần mềm Matlab/Simulink. Việc mô phỏng cho phép kiểm tra và đánh giá hiệu suất của các phương pháp điều khiển khác nhau trước khi thực hiện trên mô hình thực tế. Các thông số của hệ thống như góc nghiêng, vị trí vật nặng và lực kéo được đưa vào mô hình để phân tích. Kết quả mô phỏng cho thấy rằng phương pháp điều khiển mờ có thể duy trì sự cân bằng ổn định trong các điều kiện khác nhau, điều này chứng tỏ tính khả thi của việc áp dụng fuzzy logic trong điều khiển hệ con nêm ngược.
3.1. Kết quả so sánh các phương pháp điều khiển
Kết quả so sánh giữa các phương pháp điều khiển cho thấy rằng fuzzy logic mang lại hiệu suất tốt nhất trong việc duy trì sự cân bằng của hệ con nêm ngược. Các phương pháp như điều khiển trượt và LQR cũng cho kết quả khả quan, nhưng không thể đạt được sự ổn định như phương pháp mờ. Thời gian xác lập của hệ thống sử dụng fuzzy logic ngắn hơn, và khả năng khắc phục dao động cũng tốt hơn. Điều này cho thấy rằng việc áp dụng fuzzy logic trong điều khiển hệ con nêm ngược là một hướng đi đúng đắn và có tiềm năng ứng dụng cao trong thực tiễn.
IV. Kết quả thực nghiệm
Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng mô hình con nêm ngược được thiết kế có thể duy trì sự cân bằng ổn định khi áp dụng phương pháp điều khiển mờ. Các thí nghiệm được thực hiện với nhiều điều kiện khác nhau, và kết quả cho thấy rằng giá trị góc nghiêng và vị trí vật nặng luôn dao động xung quanh vị trí cân bằng mong muốn. Việc sử dụng card DSP TMS320F28335 để điều khiển động cơ cho phép thực hiện các phép toán nhanh chóng và chính xác, từ đó nâng cao hiệu suất của hệ thống. Kết quả thực nghiệm khẳng định rằng phương pháp điều khiển mờ hoàn toàn có thể áp dụng hiệu quả trong thực tế.
4.1. Đánh giá kết quả thực nghiệm
Đánh giá kết quả thực nghiệm cho thấy rằng hệ thống điều khiển mờ không chỉ duy trì được sự cân bằng mà còn có khả năng phản ứng nhanh với các thay đổi trong điều kiện hoạt động. Các thông số như thời gian xác lập và độ dao động đều nằm trong giới hạn cho phép, chứng tỏ rằng phương pháp điều khiển mờ là một giải pháp hiệu quả cho việc điều khiển hệ con nêm ngược. Kết quả này mở ra hướng nghiên cứu mới cho việc ứng dụng fuzzy logic trong các hệ thống điều khiển phức tạp khác.
