HCMUTE: Thiết kế và điều khiển ổn định hệ Pendubot

Phần này tập trung vào thiết kế Pendubot, bao gồm cả thiết kế cơ khí Pendubot và thiết kế… 63 trang · Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh · 2015.

• Tác giả: ThS Trần Vi Đô
• Người hướng dẫn: GV ThS Trần Vi Đô
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Điện Điện Tử
• Đề tài: Thiết Kế Và Điều Khiển Ổn Định Hệ Pendubot
• Loại tài liệu: báo cáo tổng kết đề tài KH&CN cấp trường
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
• 1.1. Đặt vấn đề
• 1.2. Các bài báo có liên quan tới đề tài
• 1.3. Giới thiệu đối tượng Pendubot
• 2. CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN LQR
• 2.1. Tổng quan
• 2.2. Phương pháp điều khiển LQR
• 3. CHƯƠNG 3: NGUYÊN CỨU MÔ HÌNH VÀ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN HỆ PENDUBOT
• 3.1. Mô hình động học của hệ Pendubot
• 3.2. Xây dựng bộ điều khiển cân bằng cho Pendubot
• 4. CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ THI CÔNG MÔ HÌNH THỰC TẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG HỆ PENDUBOT
• 4.1. Thiết kế cơ khí của hệ Pendubot
• 4.2. Mạch điều khiển hệ Pendubot
• 4.3. Thiết kế chương trình điều khiển Pendubot
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
• 5.1. Đóng góp khoa học của đề tài
• 5.2. Hướng phát triển đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Thiết kế Pendubot

Phần này tập trung vào thiết kế Pendubot, bao gồm cả thiết kế cơ khí Pendubot và thiết kế điện tử Pendubot. Thiết kế cơ khí Pendubot mô tả chi tiết cấu trúc vật lý của hệ thống, bao gồm vật liệu, kích thước, và các thông số kỹ thuật của các liên kết (link). Bản vẽ kỹ thuật, mô hình 3D và các phép tính về trọng tâm, quán tính của các liên kết được trình bày cụ thể. Thiết kế điện tử Pendubot bao gồm lựa chọn các linh kiện điện tử như động cơ DC, encoder, vi điều khiển (DSP TMS320F28335 trong trường hợp này), và các thành phần khác. Sơ đồ mạch điện, nguyên lý hoạt động của từng khối chức năng, và các thông số kỹ thuật của các linh kiện được giải thích rõ ràng. Quá trình lắp ráp và kiểm tra hệ thống cũng được đề cập đến. Việc lựa chọn mô hình Pendubot phù hợp với mục đích nghiên cứu và khả năng chế tạo cũng là một yếu tố quan trọng.

1.1 Mô hình toán học Pendubot

Phần này trình bày mô hình toán học Pendubot, bao gồm việc thiết lập phương trình động học Pendubot. Phương trình động lực học của hệ thống hai liên kết được suy ra dựa trên nguyên lý động lực học. Các tham số hệ thống như khối lượng, chiều dài, quán tính của các liên kết được xác định. Việc tuyến tính hóa mô hình Pendubot quanh điểm cân bằng cũng được xem xét để đơn giản hóa quá trình thiết kế bộ điều khiển. Mô hình hóa hệ thống là bước nền tảng cho việc thiết kế và phân tích hệ thống. Phân tích ổn định của mô hình toán học Pendubot được thực hiện để đảm bảo tính khả thi của thiết kế.

1.2 Mạch điều khiển Pendubot

Phần này tập trung vào mạch điều khiển Pendubot, bao gồm việc lựa chọn vi điều khiển, các mạch giao tiếp, và các thuật toán điều khiển. Việc sử dụng DSP TMS320F28335 được giải thích chi tiết, bao gồm các ưu điểm của việc lựa chọn con chip này. Thiết kế phần mềm nhúng trên vi điều khiển, bao gồm việc lập trình và lập trình Pendubot, xử lý tín hiệu từ encoder, và tạo ra tín hiệu điều khiển cho động cơ cũng được đề cập. Điện tử Pendubot đóng vai trò trung tâm trong việc điều khiển chuyển động của hệ thống. Việc kiểm tra và hiệu chỉnh mạch điều khiển là rất quan trọng để đảm bảo hoạt động ổn định của hệ thống.

II. Điều khiển Ổn định Pendubot

Phần này tập trung vào điều khiển Pendubot, cụ thể là điều khiển ổn định Pendubot. Thuật toán điều khiển được sử dụng là điều khiển LQR (Linear Quadratic Regulator), một phương pháp điều khiển tối ưu cho hệ thống tuyến tính. Quá trình thiết kế bộ điều khiển, bao gồm việc lựa chọn ma trận trọng số Q và R, và giải phương trình Riccati, được trình bày chi tiết. Giải thuật điều khiển được mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink trước khi được triển khai trên hệ thống thực tế. Kiểm soát dao động là một yếu tố quan trọng trong việc đảm bảo sự ổn định của hệ thống.

2.1 Mô phỏng và Thực nghiệm Pendubot

Phần này trình bày kết quả mô phỏng Pendubot trên Matlab/Simulink và kết quả thực nghiệm Pendubot. Các kết quả mô phỏng được so sánh với kết quả thực nghiệm để đánh giá hiệu quả của bộ điều khiển. Phân tích dữ liệu Pendubot từ cả mô phỏng và thực nghiệm được thực hiện để đánh giá hiệu suất của hệ thống. Kết quả thí nghiệm Pendubot được trình bày dưới dạng đồ thị và bảng biểu, thể hiện đáp ứng của hệ thống đối với tín hiệu điều khiển. Việc kiểm soát độ rung và kiểm soát ổn định của hệ thống cũng được đánh giá.

2.2 Phát triển và Ứng dụng Pendubot

Phần này thảo luận về các ứng dụng Pendubot và các hướng phát triển trong tương lai. Nghiên cứu Pendubot có thể mở rộng sang các lĩnh vực khác như robot hai chân, hệ thống điều khiển không tuyến tính. Bài báo Pendubot và các công trình nghiên cứu liên quan được tham khảo để cung cấp thêm thông tin. Việc ứng dụng điều khiển robot hai liên kết vào các hệ thống thực tế khác cũng được xem xét. Nghiên cứu khoa học Pendubot tại Đại học Công nghệ TP.HCM (HCMUTE) đóng góp vào việc đào tạo và nghiên cứu trong lĩnh vực robot và điều khiển tự động.

Nội dung chính

Thiết Kế, Chế Tạo Và Điều Khiển Ổn Định Hệ Pendubot Dựa Trên Giải Thuật LQR và Vi Xử Lý DSP TMS320F28335

---

Tóm tắt nghiên cứu

Nghiên cứu "Thiết kế chế tạo và điều khiển ổn định hệ Pendubot" (Mã số đề tài: T2015-84) do nhóm tác giả ThS. Trần Vi Đô (Chủ nhiệm đề tài), TS. Nguyễn Minh Tâm và ThS. Nguyễn Phong Lưu thuộc Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh (HCMUTE) thực hiện. Đề tài tập trung giải quyết bài toán điều khiển cân bằng cho hệ thống cơ điện tử thiếu cơ cấu chấp hành (Underactuated Mechanical System) – một đối tượng phi tuyến cao, có số bậc tự do ($n=2$) lớn hơn số tín hiệu điều khiển đầu vào ($m=1$).

                      [ Cấu Trúc Hệ Thống Pendubot ]
                      
     +-----------------------------------------------------------+
     |                       HỆ PENDUBOT                         |
     |                                                           |
     |   +-------------------+          +--------------------+   |
     |   | Khớp 1 (Actuated) | -------- | Khớp 2 (Unactuated)|   |
     |   | Động cơ DC 24V    |  Link 1  | Khớp quay tự do    |   |
     |   | Encoder quang     |          | Encoder quang      |   |
     |   +-------------------+          +--------------------+   |
     +-----------------------------------------------------------+
                                   |
                                   v
             [ Tín hiệu đo góc θ1, θ2 & Vận tốc góc ]
                                   |
                                   v
     +-----------------------------------------------------------+
     |                  BỘ ĐIỀU KHIỂN & XỬ LÝ                    |
     |                                                           |
     |    +-------------------------------------------------+    |
     |    | Vi điều khiển DSP TMS320F28335 (150MHz / FPU)   |    |
     |    | - Thuật toán tối ưu toàn phương tuyến tính (LQR)|    |
     |    | - Ma trận phản hồi trạng thái: u(t) = -K·x(t)   |    |
     |    +-------------------------------------------------+    |
     |                             |                             |
     |                             v                             |
     |    +-------------------------------------------------+    |
     |    | Mạch lái Cầu H & Phát xung PWM (Nguồn 24VDC)    |    |
     |    +-------------------------------------------------+    |
     +-----------------------------------------------------------+

Về mặt phương pháp luận, nhóm nghiên cứu đã thiết lập mô hình động lực học hệ thống dựa trên phương trình Euler-Lagrange, kết hợp quy đổi tín hiệu mô-men xoắn sang điện áp động cơ DC thông qua phương pháp nhận dạng tham số ARMA và bình phương bé nhất. Thuật toán điều chỉnh toàn phương tuyến tính (Linear Quadratic Regulator - LQR) được tổng hợp dựa trên tiêu chuẩn ổn định Lyapunov và nghiệm của phương trình đại số Riccati (ARE).

Kết quả nghiên cứu đã chế tạo thành công phần cứng cơ khí (khung nhôm đúc, động cơ DC 24V tích hợp encoder, khớp quay tự do) và hệ thống mạch điện tử hoàn chỉnh sử dụng vi xử lý DSP TMS320F28335 tốc độ cao 150MHz. Kết quả kiểm chứng trên Matlab/Simulink và thực nghiệm phần cứng cho thấy hệ thống giữ cân bằng ổn định tại điểm kỳ dị thẳng đứng hướng lên ($\theta_1 = 0, \theta_2 = 0$) với độ chính xác cao và khả năng triệt tiêu dao động nhanh chóng. Nghiên cứu mang lại giá trị thực tiễn to lớn trong việc phát triển trang thiết bị phục vụ đào tạo và nghiên cứu chuyên sâu về robot học tại Việt Nam.

---

Bối cảnh và tầm quan trọng

Tổng quan tri thức hiện thời

Trong lĩnh vực lý thuyết điều khiển tự động và robot học hiện đại, các hệ thống cơ học thiếu cơ cấu chấp hành (underactuated systems) như Pendubot, Acrobot, Gyrobot, hay con lắc ngược hai bậc tự do luôn là đối tượng nghiên cứu kinh điển và phức tạp. Đặc tính cốt lõi của các hệ thống này là số ngõ vào điều khiển nhỏ hơn số bậc tự do của cấu hình hệ thống, tạo ra tính phi tuyến mạnh, liên kết động học chéo và các ràng buộc không khả tích (nonholonomic constraints). Việc làm chủ và điều khiển ổn định dạng hệ thống này đóng vai trò nền tảng để áp dụng vào các cấu trúc robot di động, tay máy công nghiệp tiết kiệm năng lượng, hệ thống cân bằng tên lửa và thiết bị bay không người lái (UAV).

Khoảng trống nghiên cứu tại Việt Nam

Mặc dù trên thế giới, các nhà khoa học danh tiếng như Spong, Tarn, Fantoni hay Lozano đã phát triển nhiều phương pháp điều khiển nâng cao (như Hybrid Control, Energy-based Control, Fuzzy-LQR), tại Việt Nam ở thời điểm năm 2015, việc tự chủ thiết kế, chế tạo phần cứng và điều khiển thực nghiệm hệ Pendubot còn rất hạn chế. Phần lớn các phòng thí nghiệm trong nước phải nhập khẩu thiết bị với chi phí rất cao hoặc chỉ dừng lại ở các bài toán mô phỏng lý thuyết trên phần mềm máy tính, thiếu mô hình thực nghiệm chuẩn xác để sinh viên và học viên cao học kiểm chứng giải thuật.

Tính cấp thiết và tác động kỳ vọng

Đề tài mã số T2015-84 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM mang tính cấp thiết cao nhằm:

• Xóa bỏ rào cản giữa lý thuyết mô phỏng và thực thi phần cứng thực tế trong giáo dục kỹ thuật.
• Xây dựng quy trình khép kín: từ tính toán động lực học, nhận dạng thông số thực của động cơ, thiết kế phần cứng điện tử - cơ khí chính xác, đến lập trình nhúng thuật toán điều khiển tối ưu.
• Cung cấp nền tảng mở (open-platform) tin cậy phục vụ giảng dạy môn Điều khiển tự động, Kỹ thuật Robot và phát triển các đề tài thạc sĩ, tiến sĩ chuyên sâu.

---

Phương pháp luận và cách tiếp cận

  +--------------------------------------------------------------------------+
  |                   QUY TRÌNH NGHIÊN CỨU & TRIỂN KHAI                      |
  +--------------------------------------------------------------------------+
  |                                                                          |
  |  [Bước 1] Mô hình hóa Động lực học & Quy đổi Điện - Cơ                   |
  |                                                                          |
  |  [Bước 2] Nhận dạng Tham số Động cơ (ARMA & Least Squares)               |
  |                                                                          |
  |  [Bước 3] Tuyến tính hóa & Thiết kế Bộ điều khiển Tối ưu LQR             |
  |                                                                          |
  |  [Bước 4] Mô phỏng Động học trên Matlab/Simulink                         |
  |                                                                          |
  |  [Bước 5] Thiết kế & Thi công Phần cứng Thực tế                          |
  |                                                                          |
  |  [Bước 6] Lập trình Nhúng DSP & Kiểm chứng Thực nghiệm                   |
  +--------------------------------------------------------------------------+

Thiết kế nghiên cứu và mô hình hóa toán học

Nghiên cứu áp dụng quy trình kết hợp chặt chẽ giữa giải tích lý thuyết, mô phỏng máy tính và thực nghiệm công nghiệp. Mô hình động lực học của Pendubot gồm 2 bậc tự do chuyển động trong mặt phẳng thẳng đứng được mô tả bởi hệ phương trình phi tuyến:

$$D(q)\ddot{q} + C(q, \dot{q})\dot{q} + g(q) = \tau$$

Trong đó:

• $q = [q_1, q_2]^T$ là vector vị trí góc của Link 1 và Link 2.
• $D(q)$ là ma trận quán tính đối xứng xác định dương.
• $C(q, \dot{q})$ là ma trận chứa các thành phần Coriolis và lực ly tâm.
• $g(q)$ là vector trọng trường.
• $\tau = [\tau_1, 0]^T$ là vector mô-men điều khiển (chỉ có mô-men tại khớp 1 do động cơ DC sinh ra).

Để điều khiển thực tế, nhóm nghiên cứu đã chuyển đổi quan hệ từ mô-men sang điện áp phần ứng $e(t)$ cấp cho động cơ DC dựa trên các phương trình cân bằng điện - cơ:

$$e = L_m \frac{di}{dt} + R_m i + E_b, \quad E_b = K_b \omega$$ $$J_m \frac{d\omega}{dt} = \tau_m - T_f - C_m \omega - \tau_1, \quad \tau_m = K_t i$$

Kỹ thuật nhận dạng tham số động cơ (Parameter Identification)

Do động cơ DC sử dụng không có đầy đủ datasheet từ nhà sản xuất, nhóm tác giả đã thiết lập thuật toán nhận dạng tham số thực nghiệm:

1. Sử dụng phương trình vi phân sai phân biến đổi về dạng mô hình chuỗi thời gian tự hồi quy trung bình trượt (ARMA).
2. Đo đạc tín hiệu điện áp ngõ vào $e(t)$, dòng điện phần ứng $i(t)$ và vận tốc quay $\omega(t)$ theo chu kỳ lấy mẫu $\Delta t$.
3. Áp dụng giải thuật ước lượng bình phương bé nhất (Least Squares Optimization) để giải ma trận và tính toán chính xác các thông số: điện trở phần ứng $R_m = 2.6824\ \Omega$, điện cảm $L_m$, hằng số phản điện $K_b$, hằng số mô-men $K_t$, mô-men quán tính rô-to $J_m$, và hệ số ma sát $C_m, T_f$.

Kỹ thuật thiết kế bộ điều khiển LQR

Mô hình toán học sau khi nhận dạng được tuyến tính hóa quanh điểm làm việc cân bằng không ổn định thẳng đứng hướng lên ($x_0 = [0, 0, 0, 0]^T$). Không gian trạng thái có dạng:

$$\dot{x} = Ax + Bu$$

Hàm mục tiêu chất lượng toàn phương $J$ được xác định nhằm tối thiểu hóa sai lệch trạng thái và năng lượng điều khiển:

$$J = \int_{0}^{\infty} \left( x^T Q x + u^T R u \right) dt$$

Ma trận trọng số được lựa chọn: $$Q = \text{diag}([10, 1, 10, 1]), \quad R = 10$$

Nghiệm của phương trình đại số Riccati (Algebraic Riccati Equation - ARE):

$$A^T S + SA - S B R^{-1} B^T S + Q = 0$$

Từ đó, vector hệ số hồi tiếp trạng thái tối ưu được xác định:

$$K = R^{-1} B^T S = [-35.0660, \dots]$$ $$u(t) = -K x(t)$$

Triển khai hệ thống phần cứng và đảm bảo độ tin cậy

• Bộ xử lý trung tâm: DSP TMS320F28335 (Texas Instruments) kiến trúc 32-bit, tốc độ 150 MHz, tích hợp bộ xử lý số thực dấu chấm động (FPU), hỗ trợ 18 kênh ePWM, 2 bộ giải mã Encoder QEP 32-bit.
• Cảm biến: Hai encoder quang độ phân giải 400 xung/vòng (quadrature encoder) gắn tại trục động cơ (Link 1) và khớp tự do (Link 2).
• Mạch phối ghép & Cách ly: Tích hợp IC đệm chuyển đổi điện áp logic từ 5V (Encoder) sang 3.3V (DSP), mạch chuyển đổi xung vi sai sang xung NPN, lọc nhiễu đường truyền tín hiệu.
• Mạch công suất: Mạch cầu H chịu dòng cao điều khiển động cơ DC 24V thông qua tín hiệu điều biến độ rộng xung (PWM) và tín hiệu quy định chiều quay (DIR).
• Phần mềm: Lập trình tự động thông qua Embedded Target Preference của Matlab/Simulink nhúng trực tiếp xuống DSP.

---

Phát hiện chính của nghiên cứu

Dựa trên quá trình mô phỏng và chạy thực nghiệm trên phần cứng, nghiên cứu đã rút ra 4 phát hiện cốt lõi:

Hạng mục so sánh	Mô phỏng Matlab/Simulink	Thực nghiệm phần cứng DSP TMS320F28335
Góc Link 1 ($\theta_1$)	Xác lập cân bằng trong ~1.5s, độ vọt lố < 5%	Ổn định quanh vị trí $0^\circ \pm 0.8^\circ$, triệt tiêu rung trong ~2.0s
Góc Link 2 ($\theta_2$)	Xác lập cân bằng trong ~1.8s, không dao động dư	Ổn định quanh vị trí $0^\circ \pm 1.2^\circ$, dao động tự do được dập tắt
Tín hiệu điều khiển ($u$)	Điện áp đáp ứng mượt mà, biến thiên trong dải 0-24V	Xung PWM điều biến liên tục, dòng điện khởi động không vượt ngưỡng
Độ trễ tính toán	Lý tưởng (không xét trễ xử lý)	Chu kỳ trễ lấy mẫu và tính toán cực ngắn (< 1ms), đáp ứng thời gian thực

1. Khả năng ổn định vững chắc của bộ điều khiển LQR

Bộ điều khiển LQR tuyến tính hóa phát huy hiệu quả xuất sắc trong vùng lân cận điểm cân bằng trên. Cả Link 1 và Link 2 từ trạng thái lệch góc ban đầu nhanh chóng hội tụ về vị trí thẳng đứng cân bằng mà không xảy ra hiện tượng bão hòa điện áp kéo dài.

2. Tầm quan trọng của khâu nhận dạng tham số động cơ DC

Thực nghiệm chứng minh rằng nếu chỉ sử dụng mô hình điều khiển mô-men lý thuyết ($\tau$), hệ thống thực tế sẽ mất ổn định do hiện tượng trễ dòng điện và ma sát cơ khí. Việc mô hình hóa chi tiết động cơ DC và nhận dạng tham số chính xác ($R_m, L_m, K_b, K_t$) là điều kiện tiên quyết giúp thuật toán LQR tính toán được điện áp đặt $e(t)$ chính xác cho mạch cầu H.

3. Hiệu năng vượt trội của chip xử lý DSP TMS320F28335

Khối FPU 32-bit của chip TMS320F28335 cho phép tính toán các phép nhân ma trận dấu chấm động với chu kỳ lệnh chỉ 6.67ns. Bộ xử lý ngoại vi eQEP tích hợp đọc trực tiếp 2 kênh xung pha A/B từ encoder với tần số cao mà không làm quá tải CPU, loại bỏ hoàn toàn hiện tượng trôi xung hoặc trễ pha tín hiệu góc quay.

4. Khắc phục triệt để nhiễu cảm biến và rung cơ khí

Các phát hiện bất ngờ trong quá trình thi công thực tế cho thấy rung động cơ khí tại bệ đỡ gây ra nhiễu gai điện áp trên đường truyền encoder. Vấn đề này đã được nhóm nghiên cứu giải quyết thông qua việc gia cố đế thép chịu lực và thiết kế bổ sung tầng IC đệm nắn sóng xung, giúp tín hiệu phản hồi đạt độ mịn và độ tin cậy tuyệt đối trước khi vào DSP.

---

Đóng góp khoa học và giá trị ứng dụng

                +-------------------------------------------------------+
                |             CÁC ĐÓNG GÓP KHOA HỌC CHÍNH               |
                +-------------------------------------------------------+
                                            |
        +-----------------------------------+-----------------------------------+
        |                                   |                                   |
        v                                   v                                   v
+-----------------------+       +-----------------------+       +-----------------------+
|  ĐÓNG GÓP LÝ THUYẾT   |       | ĐÓNG GÓP PHƯƠNG PHÁP  |       |   ỨNG DỤNG ĐÀO TẠO    |
+-----------------------+       +-----------------------+       +-----------------------+
| - Hoàn thiện mô hình  |       | - Kết hợp ARMA và LQR |       | - Thiết bị thí nghiệm |
|   toán Euler-Lagrange |       |   trong hệ cơ điện tử |       |   chuẩn tại HCMUTE    |
| - Quy đổi chính xác   |       | - Ứng dụng thành công |       | - Giáo cụ trực quan   |
|   mô-men sang điện áp |       |   Code Generation từ  |       |   cho sinh viên ĐH &  |
| - Kiểm chứng Lyapunov |       |   Simulink sang C2000 |       |   Học viên Cao học    |
+-----------------------+       +-----------------------+       +-----------------------+

Đóng góp về mặt lý thuyết và phương pháp luận

• Chuẩn hóa quy trình mô hình hóa: Xây dựng tường minh hệ phương trình trạng thái phi tuyến và tuyến tính hóa của hệ Pendubot gắn liền với mô hình toán học chi tiết của động cơ điện một chiều.
• Tích hợp nhận dạng tham số: Ứng dụng thành công mô hình chuỗi thời gian ARMA và thuật toán ước lượng ma trận để nhận dạng tham số động cơ DC không rõ nguồn gốc thông số, tạo tiền đề cho các ứng dụng điều khiển chính xác trong thực tế.

Cải tiến kỹ thuật và công nghệ

• Thiết kế phần cứng tối ưu: Phát triển trọn bộ phần cứng bao gồm cơ khí chính xác (nhôm đúc, vòng bi ma sát thấp) và hệ thống mạch điện tử chuyên dụng (DSP value module, mạch đệm xung, mạch cầu H, mạch giao tiếp máy tính qua FT232R).
• Lập trình nhúng hiện đại: Khai thác hiệu quả luồng thiết kế tự động sinh mã (Automatic Code Generation) từ Matlab/Simulink xuống vi xử lý C2000 TMS320F28335, rút ngắn thời gian phát triển và giảm thiểu sai sót do lập trình thủ công.

Ý nghĩa thực tiễn và giáo dục

• Sản phẩm đào tạo nội địa hóa: Tạo ra một bộ thiết bị thí nghiệm hoàn chỉnh, hoạt động ổn định và tin cậy tại Phòng thí nghiệm Điều khiển tự động – Khoa Điện - Điện tử, Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM.
• Tiết kiệm chi phí đầu tư: Giúp nhà trường tự chủ công nghệ thiết bị thí nghiệm hiện đại với chi phí chỉ bằng một phần nhỏ so với các hệ thống thương mại nhập khẩu từ nước ngoài (như Quanser hay Googol Tech).

---

Đối tượng quan tâm và lợi ích tiếp nhận

Nghiên cứu mang lại giá trị thiết thực cho nhiều nhóm đối tượng trong giới khoa học và công nghiệp:

• Giảng viên và nhà nghiên cứu học thuật: Có tài liệu tham khảo chi tiết về quy trình mô hình hóa động lực học, tính toán đại số Riccati và giải thuật tối ưu hóa cho các hệ thống thiếu cơ cấu chấp hành.
• Học viên cao học và sinh viên ngành Điều khiển tự động, Cơ điện tử, Robotics: Tiếp cận một nền tảng thí nghiệm mở để thực hành, triển khai thử nghiệm các thuật toán điều khiển phi tuyến nâng cao như: Điều khiển trượt (Sliding Mode Control), Điều khiển thích nghi (Adaptive Control), Mạng Nơ-ron và Logic mờ (Fuzzy-Neural Networks), hoặc giải thuật di truyền (GA).
• Kỹ sư phát triển hệ thống nhúng & Robot công nghiệp: Nắm bắt kỹ thuật thiết kế mạch công suất cầu H, mạch giao tiếp cách ly công nghiệp và kỹ năng lập trình thời gian thực trên dòng vi điều khiển DSP C2000 chuyên dụng của Texas Instruments.
• Các trường đại học kỹ thuật: Mô hình mẫu để tự chủ nghiên cứu, chế tạo trang thiết bị phục vụ đào tạo STEM và tự động hóa chất lượng cao.

---

Câu hỏi thường gặp (FAQ)

1. Phát hiện quan trọng nhất của đề tài này là gì?

Phát hiện quan trọng nhất là việc chứng minh tính khả thi và độ ổn định cao của giải thuật LQR khi điều khiển cân bằng hệ Pendubot trên phần cứng thực tế thông qua việc quy đổi chính xác từ mô-men sang điện áp động cơ và nhận dạng đúng các tham số cơ - điện bằng phương pháp ARMA.

2. Phương pháp nghiên cứu của đề tài có điểm gì đặc biệt?

Điểm đặc biệt là phương pháp tiếp cận toàn diện từ "Lý thuyết $\rightarrow$ Nhận dạng tham số $\rightarrow$ Mô phỏng Simulink $\rightarrow$ Thiết kế phần cứng $\rightarrow$ Nhúng mã nguồn thực tế". Việc tích hợp công cụ lập trình Target của Matlab trực tiếp xuống DSP TMS320F28335 giúp đơn giản hóa việc thử nghiệm và tối ưu hóa giải thuật.

3. Kết quả của nghiên cứu có thể khái quát hóa (generalize) cho các hệ thống khác không?

Có. Phương pháp mô hình hóa, nhận dạng tham số động cơ và cấu trúc phần cứng (DSP + IC đệm + Cầu H + Encoder) trong nghiên cứu này hoàn toàn có thể áp dụng cho các hệ thống thiếu cơ cấu chấp hành khác như: Con lắc ngược trên xe (Cart-Pole Inverted Pendulum), Con lắc quay (Furuta Pendulum), Robot 2 bánh tự cân bằng, hoặc tay máy Acrobot.

4. Những hạn chế và bước phát triển tiếp theo (Next Steps) của nghiên cứu là gì?

Đề tài mới tập trung vào bài toán giữ cân bằng (balancing control) tại lân cận điểm cân bằng trên. Hướng phát triển tiếp theo bao gồm:

• Nghiên cứu giải thuật đưa hệ từ vị trí buông thõng tự nhiên lên vị trí cân bằng (Swing-up Control) dựa trên phương pháp năng lượng hoặc điều khiển trượt.
• Tích hợp điều khiển thông minh lai (Hybrid/Fuzzy-LQR) để mở rộng biên độ ổn định khi có nhiễu tác động mạnh từ môi trường.

5. Ứng dụng thực tế của cơ cấu Pendubot trong công nghiệp là gì?

Mặc dù là mô hình phòng thí nghiệm, nguyên lý điều khiển của Pendubot là nền tảng để thiết kế cơ chế giữ thăng bằng cho robot hình người (Humanoid Robots), hệ thống giảm chấn chống rung lắc cho cần cẩu trục tại cảng biển, thiết bị cân bằng cho tàu thủy trên biển và hệ thống phóng tên lửa hàng không vũ trụ.

---

Kết luận

Công trình nghiên cứu khoa học cấp trường "Thiết kế chế tạo và điều khiển ổn định hệ Pendubot" (Mã số: T2015-84) do nhóm tác giả tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM thực hiện đã hoàn thành xuất sắc các mục tiêu đề ra. Nghiên cứu không chỉ làm chủ nền tảng lý thuyết điều khiển tối ưu LQR trên mô hình phi tuyến thiếu cơ cấu chấp hành mà còn chế tạo thành công sản phẩm phần cứng hoàn chỉnh, hoạt động ổn định và chính xác.

Đây là đóng góp khoa học tiêu biểu, thúc đẩy phong trào tự chủ công nghệ chế tạo thiết bị thí nghiệm trong các trường đại học kỹ thuật tại Việt Nam. Kết quả của đề tài mở ra nhiều hướng nghiên cứu tiếp theo về điều khiển Swing-up và điều khiển thông minh, sẵn sàng chuyển giao công nghệ phục vụ đào tạo nguồn nhân lực chất lượng cao trong kỷ nguyên Tự động hóa và Robot học.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề: Trong vài thập niên trở lại đây, trong lĩnh vực người máy người ta bắt đầu quan tâm đến việc điều khiển máy móc với số ngõ vào điều khiển nhỏ hơn số cơ cấu chấp hành. Trong đó, chiều dài vector cấu hình hệ thống nhỏ hơn chiều dài của vector điều khiển. Những hệ thống máy móc như vậy gọi là hệ thống thiếu cơ cấu truyền động. Hệ thống này có thể thực hiện cá nhiệm vụ phúc tạp với số lượng cơ cấu truyền động ít và lại có những ưu điểm như: nhẹ, rẻ, ít tiêu hao năng lượng và độ tin cậy rất cao.

Với những ưu điểm này, hệ thống thiếu cơ cấu truyền động đang nhận được sự quan tâm rất lớn trong những năm trở lại đây. Mặc khác bởi vì sự phức tạp của phi tuyến và dao động của hệ thống là rất lớn nên vấn đề điều khiển cho loại truyền động này khá khó khăn và phức tạp. Có rất nhiều mô hình đặt trưng cho hệ thống thiếu cơ cấu truyền động này đã được các nhà khoa học nguyên cứu và chế tạo như: Acrobot, mobile robot, Gyrobot, Pendubot, Con lắc ngược hai bật tự do,. Pendubot là một ví dụ điển hình cho hệ thống thiếu cơ cấu truyền động này.

Pendubot trên là robot có hai bật tự do hoạt động trong mặt phẳng đứng. Có 1 cơ cấu truyền động nằm ở khớp nối thứ nhất, khớp thứ 2 nối với khớp thứ nhất bằng trục liên kết tự do. Khớp thứ nhất được gắn với cơ cấu truyền động, trong đó động cơ sẽ điều khiển momen. Mục tiêu điều khiển trong hệ là chuyển hệ robot hai bật tự do này từ vị trí cân bằng dưới lên vị trí cân bằng trên và giữ cần bằng tại vị trí cân bằng trên đó.

Một xu hướng mới trong công trình nguyên cứu gần đây các nhà nguyên cứu đã tập trung khai thác và nhúng giải thuật điều khiển thông minh vào hệ Pendubot như việc ứng dụng giải thuật di truyền, kết hợp mờ và GA, kết hợp mạng neural và GA, hay kết hợp mạng neural và mờ. Trong giới hạn để tài này tác giả sẽ đề xuất luật điều khiển LQR giữ cân bằng hệ thống Pendupot.2 Các bài báo có liên quan tới đề tài: Những đề xuất ban đầu cho hệ thống thiếu cơ cấu truyền động này có nhiều nhà nguyên cứu đề xuất để Swing-up và cân bằng cho Pendubot. Như [9] Spong and Block đã áp dụng phương pháp tuyến tính hóa riêng phần để Swing-up và sử dụng bộ điều chỉnh phương tuyến tính LQR để cân bằng Pendubot. [11] Fantoni, Lozano and Spong sử dụng năng lượng để Swing-up và cân bằng mô phỏng Pendubot.

[7] Zhang anh Tam đề xuất dùng điều khiển lai để cân bằng pendubot, các điều khiển lai bao gồm kiểm soát thời gian rời rạc và thời gian liên tục kiểm soát cùng một lúc. Còn về [8] Xio Qing TRANG - 9 Luan van Ma điều khiển cân bằng pendubot thông qua điều khiển mờ. Kết hợp lý thuyết điều chỉnh tuyến tính với công nghệ mờ Takagi-Sugeno để kiểm soát và theo dõi.Guo thực hiện lái tay, xem con lắc ngược như một cơ điện tử, hệ thống nguyên cứu các trường hợp. Các cánh tay hướng ngược con lắc là giống như pendubot.

Phát triển của Swing-up và cân bằng bộ điều khiển và phát triển của bộ nhúng cho lái Sau đây ta xem một số kết qủa một số bài báo viết trên như: điều khiển lai cho hệ pendubot [7] Hybird control of the Pendubot: Mingjun Zhang, Student Member, IEE, and Tzyh-Jong Yam, Fellow, IEEE. Trong bài báo này tác giá sử dụng giải thuật phản hồi tiếp tuyến tính riêng phần để Swing-up lên vị trí cân bằng. Sau đó dung điều khiển lai để ổn định quanh điểm cân bằng đó.