Luận văn thạc sĩ về thiết kế và điều khiển hệ con nêm ngược sử dụng fuzzy logic

• Tác giả: Nguyễn Thanh Tần
• Người hướng dẫn: Ts. Nguyễn Minh Tâm
• Trường học: Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Cao học
• Đề tài: Thiết kế và điều khiển hệ con nêm ngược bằng fuzzy logic
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
• 1.1. Tổng quan chung về đề tài
• 1.2. Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.3. Mục tiêu của đề tài
• 1.4. Nhiệm vụ và giới hạn đề tài
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Nguyên lý hoạt động của con nêm ngược tự cân bằng
• 2.2. Điều khiển trượt
• 2.3. Điều khiển mờ
• 2.4. Định nghĩa tập mờ. Mô hình mờ Tagaki - Sugeno
• 2.5. Bộ điều khiển mờ
• 2.6. Hệ nơron mờ. Giới thiệu về mạng nơron. Mạng nơron nhân tạo
• 2.7. Cấu trúc mạng nơron
• 2.8. Huấn luyện mạng
• 2.9. Sự kết hợp giữa mạng nơron và logic mờ
• 2.10. Xây dựng bộ điều khiển nơron mờ
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MÔ HÌNH MÔ PHỎNG CÂN BẰNG HỆ CON NÊM NGƯỢC
• 3.1. Mô hình hóa hệ con nêm ngược
• 3.2. Khảo sát mô hình hệ thống con nêm ngược
• 3.3. Các phương trình biến trạng thái của hệ thống
• 3.4. Tuyến tính hóa hệ thống tại điểm cân bằng
• 3.5. Bảng thông số của hệ con nêm ngược tự cân bằng
• 3.6. Bộ điều khiển trượt
• 3.7. Bộ điều khiển tối ưu tuyến tính dạng toàn phương LQR (Linear Quadratic Regulator)
• 3.8. Bộ điều khiển mờ
• 3.9. Thiết kế bộ điều khiển mờ
• 3.10. Mô phỏng bộ điều khiển mờ
• 3.11. Bộ điều khiển nơron mờ
• 3.12. Lưu đồ giải thuật bộ điều khiển nơron mờ
• 3.13. Xây dựng hệ nơ ron mờ dùng ANFIS
• 3.14. Kết quả so sánh các phương pháp điều khiển đã nghiên cứu
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM MÔ HÌNH CON NÊM NGƯỢC TỰ CÂN BẰNG
• 4.1. Thiết kế và thi công mô hình cơ khí hệ con nêm ngược
• 4.2. Hình ảnh mô hình con nêm ngược tự cân bằng đã thi công
• 4.3. Sơ đồ khối hệ thống. Các mạch điện sử dụng trong mô hình cân bằng con nêm ngược
• 4.4. Mạch cầu H công suất điều khiển động cơ DC có cách ly
• 4.5. Card DSP TMS320F28335
• 4.6. Kết quả thực nghiệm sử dụng bộ điều khiển mờ
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN
• 5.1. Các kết quả đạt được
• 5.2. Hướng phát triển đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan về thiết kế và điều khiển hệ con nêm ngược bằng fuzzy logic

Hệ con nêm ngược là một trong những hệ thống điều khiển phi tuyến phức tạp. Việc thiết kế và điều khiển hệ thống này đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về các phương pháp điều khiển hiện đại, đặc biệt là fuzzy logic. Mục tiêu chính của nghiên cứu này là phát triển một bộ điều khiển mờ hiệu quả để duy trì sự ổn định của hệ con nêm ngược. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng phương pháp điều khiển mờ có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của hệ thống này.

1.1. Ứng dụng của hệ con nêm ngược trong thực tiễn

Hệ con nêm ngược được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như hàng hải, robot và tự động hóa. Việc điều khiển chính xác hệ thống này giúp cải thiện hiệu suất và độ an toàn trong các ứng dụng thực tế.

1.2. Lợi ích của việc sử dụng fuzzy logic trong điều khiển

Sử dụng fuzzy logic trong điều khiển hệ con nêm ngược mang lại nhiều lợi ích như khả năng xử lý thông tin không chắc chắn và giảm thiểu độ phức tạp trong việc thiết kế bộ điều khiển. Điều này giúp cải thiện khả năng phản ứng của hệ thống trước các biến động.

II. Vấn đề và thách thức trong điều khiển hệ con nêm ngược

Điều khiển hệ con nêm ngược gặp nhiều thách thức do tính phi tuyến và độ phức tạp của hệ thống. Các yếu tố như độ trễ, nhiễu và sự không chắc chắn trong mô hình có thể ảnh hưởng đến hiệu suất điều khiển. Việc xác định các thông số chính xác cho mô hình là rất quan trọng để đảm bảo sự ổn định của hệ thống.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất điều khiển

Các yếu tố như độ trễ trong hệ thống, nhiễu từ cảm biến và sự không chắc chắn trong mô hình có thể làm giảm hiệu suất của bộ điều khiển. Việc phân tích và tối ưu hóa các yếu tố này là cần thiết để cải thiện khả năng điều khiển.

2.2. Thách thức trong việc mô hình hóa hệ thống

Mô hình hóa hệ con nêm ngược là một thách thức lớn do tính phi tuyến và sự phức tạp của các yếu tố tác động. Việc xây dựng mô hình chính xác là điều kiện tiên quyết để phát triển các phương pháp điều khiển hiệu quả.

III. Phương pháp thiết kế bộ điều khiển mờ cho hệ con nêm ngược

Phương pháp thiết kế bộ điều khiển mờ cho hệ con nêm ngược bao gồm việc xây dựng các luật mờ dựa trên các giá trị đầu vào như góc nghiêng và vị trí vật nặng. Các luật này giúp xác định giá trị điện áp điều khiển động cơ để duy trì sự cân bằng của hệ thống.

3.1. Xây dựng luật mờ cho hệ thống

Luật mờ được xây dựng dựa trên các giá trị đầu vào như góc nghiêng và vị trí vật nặng. Việc xác định các hàm liên thuộc và quy tắc mờ là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất của bộ điều khiển.

3.2. Mô phỏng và kiểm tra hiệu suất của bộ điều khiển

Mô phỏng bộ điều khiển mờ trên phần mềm Matlab cho phép kiểm tra hiệu suất của hệ thống trong các điều kiện khác nhau. Kết quả mô phỏng cho thấy bộ điều khiển mờ có khả năng duy trì sự ổn định tốt hơn so với các phương pháp điều khiển khác.

IV. Kết quả thực nghiệm và ứng dụng của hệ con nêm ngược

Kết quả thực nghiệm cho thấy bộ điều khiển mờ có khả năng duy trì sự cân bằng của hệ con nêm ngược trong nhiều điều kiện khác nhau. Việc ứng dụng các phương pháp điều khiển hiện đại đã mang lại những cải tiến đáng kể trong hiệu suất của hệ thống.

4.1. Kết quả thực nghiệm với bộ điều khiển mờ

Kết quả thực nghiệm cho thấy bộ điều khiển mờ có thể duy trì sự cân bằng của hệ con nêm ngược với góc nghiêng xấp xỉ 0 độ. Điều này chứng tỏ tính hiệu quả của phương pháp điều khiển mờ trong thực tế.

4.2. Ứng dụng trong các lĩnh vực khác

Hệ con nêm ngược không chỉ được ứng dụng trong lĩnh vực tự động hóa mà còn có thể được áp dụng trong các lĩnh vực như robot và hàng hải, nơi mà sự ổn định và chính xác là rất quan trọng.

V. Kết luận và hướng phát triển tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu về thiết kế và điều khiển hệ con nêm ngược bằng fuzzy logic đã chỉ ra rằng phương pháp này có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của hệ thống. Hướng phát triển tương lai có thể bao gồm việc áp dụng các công nghệ mới như học máy để tối ưu hóa hơn nữa các bộ điều khiển.

5.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu cho thấy bộ điều khiển mờ có khả năng duy trì sự ổn định của hệ con nêm ngược tốt hơn so với các phương pháp điều khiển truyền thống.

5.2. Hướng phát triển trong tương lai

Nghiên cứu có thể mở rộng sang việc áp dụng các công nghệ học máy để cải thiện khả năng điều khiển và tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống trong các điều kiện thực tế.