Luận văn thạc sĩ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa thiết kế bộ điều khiển cân bằng con lắc ngược bánh đà

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa tập trung thiết kế bộ điều khiển cân bằng con lắc ngược bánh đà, ứng dụng hiệu quả trong công nghiệp.

• Tác giả: Trần Văn Duy
• Người hướng dẫn: PGS. TS Huỳnh Thái Hoàng
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Tự động hóa
• Đề tài: Thiết kế bộ điều khiển cân bằng con lắc ngược bánh đà
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
• ABSTRACT
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC HÌNH MINH HỌA
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
• 1.1. Đặt vấn đề
• 1.2. Một số mô hình liên quan
• 1.3. Một số bộ điều khiển cân bằng cho hệ con lắc ngược bánh đà
• 1.3.1. Bộ điều khiển hồi tiếp trạng thái phi tuyến
• 1.3.2. Bộ điều khiển hồi quy tuyến tính và động học không
• 1.3.3. Bộ điều khiển PID và LQR
• 1.3.4. Bộ điều khiển mờ
• 1.4. Mục tiêu luận văn
• 1.5. Nội dung nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN
• 2.1. Nguyên lý, cấu tạo và mô hình toán của hệ
• 2.1.1. Nguyên lý, cấu tạo
• 2.1.2. Mô hình toán của hệ
• 2.1.3. Tuyến tính hóa mô hình toán của hệ
• 2.2. Các phương pháp điều khiển
• 2.2.1. Bộ điều khiển PID
• 2.2.2. Bộ điều khiển LQR
• 2.2.3. Bộ điều khiển trượt
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM
• 3.1. Kết cấu cơ khí
• 3.1.1. Lựa chọn phần cứng cho mô hình
• 3.1.2. Thông số mô hình thực tế
• 3.2. Thiết kế phần cứng điều khiển
• 3.2.1. Sơ đồ khối điều khiển
• 3.2.2. Board điều khiển STM32F4 Discovery
• 3.2.3. Board driver điều khiển động cơ
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM
• 4.1. Kết quả mô phỏng
• 4.1.1. Sơ đồ khối và thông số mô hình
• 4.1.2. Mô phỏng bộ điều khiển PID
• 4.1.3. Mô phỏng bộ điều khiển LQR
• 4.1.4. Mô phỏng bộ điều khiển trượt
• 4.2. Kết quả thực nghiệm
• 4.2.1. Bộ điều khiển PID
• 4.2.2. Bộ điều khiển LQR
• 4.3. Nhận xét các bộ điều khiển
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN — ĐÁNH GIÁ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Trong phần này, thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống cân bằng con lắc ngược bánh đà được giới thiệu. Hệ thống này là một mô hình điển hình trong nghiên cứu và ứng dụng lý thuyết điều khiển. Con lắc ngược bánh đà (RWP) là một hệ thống không ổn định, phi tuyến, thường được sử dụng để kiểm chứng các thuật toán điều khiển như PID, LQR và trượt. Mục tiêu của luận văn là xây dựng mô hình con lắc ngược bánh đà, áp dụng các phương pháp điều khiển để đạt được sự cân bằng. Hệ thống này có ứng dụng thực tiễn trong việc điều khiển tàu vũ trụ và các thiết bị tự động hóa khác.

1.1 Đặt vấn đề

Con lắc ngược bánh đà là một hệ thống thú vị trong lĩnh vực điều khiển. Hệ thống này có nhiều ứng dụng thực tiễn, từ việc cân bằng tàu ngoài khơi đến điều khiển hướng bay của tên lửa. Việc nghiên cứu và phát triển mô hình này không chỉ giúp nâng cao hiểu biết về lý thuyết điều khiển mà còn mở ra cơ hội ứng dụng trong các lĩnh vực công nghệ cao. Các phương pháp điều khiển như PID, LQR và trượt đã được áp dụng để giải quyết vấn đề cân bằng cho hệ thống này.

1.2 Một số mô hình liên quan

Mô hình con lắc ngược bánh đà (RWP) bao gồm một thanh có thể quay tự do và một bánh xe chuyển động. Hệ thống này được xem là điển hình cho việc giảng dạy và chứng minh các thuật toán điều khiển phi tuyến. Các mô hình khác nhau đã được phát triển để nghiên cứu và ứng dụng trong thực tế, như mô hình của trường đại học Illinois và các mô hình robot tự cân bằng. Những mô hình này cung cấp cái nhìn sâu sắc về cách thức hoạt động của hệ thống và các phương pháp điều khiển hiệu quả.

II. Cơ sở lý thuyết và các phương pháp điều khiển

Phần này trình bày các nguyên lý, cấu tạo và mô hình toán của hệ thống cân bằng con lắc ngược bánh đà. Mô hình toán học được xây dựng dựa trên phương pháp Euler-Lagrange, giúp xác định động năng và thế năng của hệ thống. Các phương pháp điều khiển như PID, LQR và trượt được phân tích và so sánh để tìm ra phương pháp tối ưu cho việc điều khiển hệ thống. Việc áp dụng các phương pháp này không chỉ giúp đạt được sự cân bằng mà còn nâng cao hiệu suất của hệ thống.

2.1 Nguyên lý cấu tạo và mô hình toán của hệ

Con lắc ngược bánh đà (RWP) là một cơ cấu bao gồm một thanh có thể quay tự do và một bánh đà. Bánh đà quay tạo ra gia tốc cho con lắc chuyển động. Mô hình toán học của hệ thống được xây dựng dựa trên động năng và thế năng, từ đó xác định các phương trình chuyển động. Việc hiểu rõ nguyên lý hoạt động và cấu tạo của hệ thống là rất quan trọng để áp dụng các phương pháp điều khiển hiệu quả.

2.2 Các phương pháp điều khiển

Các phương pháp điều khiển như PID, LQR và trượt được áp dụng để điều khiển hệ thống cân bằng con lắc ngược bánh đà. Bộ điều khiển PID là phương pháp phổ biến nhất, tuy nhiên, bộ điều khiển LQR cho thấy hiệu quả cao hơn trong việc giảm thời gian cân bằng. Bộ điều khiển trượt cũng được xem xét như một lựa chọn khả thi. Việc so sánh các phương pháp này giúp xác định phương pháp tối ưu cho từng tình huống cụ thể.

III. Thiết kế và thi công mô hình thực nghiệm

Phần này mô tả quá trình thiết kế và thi công mô hình thực nghiệm cho hệ thống cân bằng con lắc ngược bánh đà. Các bước thực hiện bao gồm lựa chọn phần cứng, thiết kế sơ đồ khối điều khiển và thi công mạch điện. Mô hình thực nghiệm được xây dựng nhằm kiểm tra và đánh giá hiệu quả của các phương pháp điều khiển đã được mô phỏng trước đó. Việc thực hiện mô hình thực nghiệm là bước quan trọng để xác nhận tính khả thi của các giải pháp điều khiển.

3.1 Kết cấu cơ khí

Kết cấu cơ khí của mô hình cân bằng con lắc ngược bánh đà bao gồm các thành phần chính như thanh con lắc, bánh đà và động cơ. Việc lựa chọn phần cứng phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của mô hình. Các thông số mô hình thực tế được xác định để phục vụ cho quá trình mô phỏng và thực nghiệm. Sơ đồ khối điều khiển cũng được thiết kế để đảm bảo tính hiệu quả trong việc điều khiển hệ thống.

3.2 Thi công mô hình thực nghiệm

Thi công mô hình thực nghiệm cho hệ thống cân bằng con lắc ngược bánh đà bao gồm việc lắp ráp các thành phần cơ khí và điện tử. Mạch điều khiển được thiết kế để điều khiển động cơ và thu thập dữ liệu từ các cảm biến. Quá trình thi công được thực hiện cẩn thận để đảm bảo mô hình hoạt động ổn định và chính xác. Mô hình thực nghiệm sẽ được sử dụng để kiểm tra và so sánh các phương pháp điều khiển đã được áp dụng trong mô phỏng.

IV. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm

Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy hiệu quả của các phương pháp điều khiển đã được áp dụng cho hệ thống cân bằng con lắc ngược bánh đà. Các kết quả này được phân tích và so sánh để đánh giá độ chính xác và hiệu suất của từng phương pháp. Việc thực hiện mô phỏng và thực nghiệm giúp xác nhận tính khả thi của các giải pháp điều khiển và cung cấp cơ sở cho việc phát triển các ứng dụng thực tiễn.

4.1 Kết quả mô phỏng

Kết quả mô phỏng cho thấy các phương pháp điều khiển như PID, LQR và trượt đều có khả năng đạt được sự cân bằng cho hệ thống cân bằng con lắc ngược bánh đà. Tuy nhiên, bộ điều khiển LQR cho thấy thời gian cân bằng ngắn hơn so với PID. Các đồ thị mô phỏng cung cấp cái nhìn rõ ràng về hiệu suất của từng phương pháp và giúp xác định phương pháp tối ưu cho từng tình huống cụ thể.

4.2 Kết quả thực nghiệm

Kết quả thực nghiệm cho thấy mô hình thực tế hoạt động ổn định và chính xác. Các phương pháp điều khiển đã được áp dụng thành công, với thời gian cân bằng tương tự như trong mô phỏng. Việc so sánh giữa kết quả thực nghiệm và mô phỏng giúp xác nhận tính khả thi của các giải pháp điều khiển và cung cấp cơ sở cho việc phát triển các ứng dụng thực tiễn trong tương lai.

V. Kết luận Đánh giá

Luận văn đã trình bày quá trình thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống cân bằng con lắc ngược bánh đà. Các phương pháp điều khiển như PID, LQR và trượt đã được áp dụng và đánh giá. Kết quả cho thấy bộ điều khiển LQR là phương pháp tối ưu nhất trong việc đạt được sự cân bằng. Việc nghiên cứu và phát triển mô hình này không chỉ có giá trị trong lý thuyết mà còn có ứng dụng thực tiễn trong các lĩnh vực công nghệ cao.

5.1 Đánh giá kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy các phương pháp điều khiển đã được áp dụng thành công cho hệ thống cân bằng con lắc ngược bánh đà. Việc so sánh giữa các phương pháp giúp xác định phương pháp tối ưu cho từng tình huống cụ thể. Các kết quả thực nghiệm và mô phỏng đều cho thấy tính khả thi của các giải pháp điều khiển, mở ra cơ hội ứng dụng trong thực tế.

5.2 Hướng phát triển

Hướng phát triển của đề tài có thể bao gồm việc mở rộng mô hình để áp dụng cho các hệ thống phức tạp hơn. Việc nghiên cứu thêm về các thuật toán điều khiển mới và cải tiến các phương pháp hiện tại cũng là một hướng đi tiềm năng. Các ứng dụng thực tiễn của mô hình này có thể được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ tự động hóa đến công nghệ vũ trụ.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Hệ con lắc ngược bánh đà là một đối tượng nghiên cứu kinh điển trong kỹ thuật điều khiển tự động, đại diện cho lớp hệ thống phi tuyến bậc cao, bất ổn định tự nhiên và thiếu cơ cấu chấp hành. Trong hệ thống này, thanh lắc có thể quay tự do quanh một trục cố định, và chuyển động cân bằng của toàn bộ hệ thống được tạo ra hoàn toàn nhờ mô-men phản lực khi bánh đà ở đầu thanh lắc thay đổi gia tốc góc. Vấn đề cốt lõi đặt ra là làm thế nào để thiết kế giải thuật điều khiển chính xác nhằm đưa con lắc từ trạng thái lệch ban đầu về vị trí cân bằng thẳng đứng ở góc 0 radian và duy trì trạng thái đó một cách bền vững khi có tác động của nhiễu ngoại lực.

Mục tiêu cụ thể của công trình là xây dựng mô hình toán học giải tích chính xác, thiết kế và mô phỏng ba chiến lược điều khiển gồm điều khiển vi tích phân tỉ lệ, điều khiển tối ưu toàn phương tuyến tính và điều khiển trượt, đồng thời chế tạo hoàn chỉnh mô hình phần cứng thực nghiệm để kiểm chứng. Đề tài được thực hiện từ tháng 12 năm 2014 đến tháng 12 năm 2015 tại Khoa Điện - Điện tử thuộc Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của nghiên cứu thể hiện qua việc làm chủ công nghệ điều khiển cân bằng với sai số góc lệch duy trì dưới 0,5 độ và thời gian xác lập nhanh. Kết quả nghiên cứu không chỉ đóng góp một mô hình thí nghiệm chuẩn mực phục vụ đào tạo chuyên ngành Tự động hóa mà còn mở ra tiềm năng ứng dụng to lớn trong việc kiểm soát tư thế vệ tinh không gian, ổn định góc bay tên lửa và cân bằng tàu thủy hoạt động ngoài khơi.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Cơ sở lý thuyết của luận văn được xây dựng trên nền tảng cơ học giải tích và lý thuyết điều khiển hiện đại. Động lực học của hệ con lắc ngược bánh đà được mô tả thông qua phương trình vi phân Euler-Lagrange, phân tích mối quan hệ giữa tổng động năng của thanh lắc cùng bánh đà và thế năng trọng trường dưới tác dụng của gia tốc trọng trường 9,81 mét trên giây bình phương. Mô hình phi tuyến bậc 4 sau đó được tuyến tính hóa theo khai triển Taylor quanh điểm làm việc cân bằng thẳng đứng tĩnh, hình thành hệ phương trình trạng thái mô tả 5 biến số động học cốt lõi gồm góc lệch thanh lắc, vận tốc góc thanh lắc, góc quay bánh đà, vận tốc góc bánh đà và điện áp điều khiển động cơ.

Nghiên cứu áp dụng ba lý thuyết điều khiển chính:

Lý thuyết điều khiển tối ưu toàn phương tuyến tính giải phương trình đại số Riccati để tìm ma trận độ lợi phản hồi trạng thái nhằm cực tiểu hóa hàm mục tiêu chất lượng toàn phương, cân bằng giữa tốc độ đáp ứng trạng thái thông qua ma trận trọng số và năng lượng tiêu thụ điều khiển thông qua ma trận chi phí.

Lý thuyết điều khiển trượt xây dựng mặt trượt dựa trên đa thức đặc trưng Hurwitz bậc n và hàm Lyapunov toàn phương, đảm bảo tính ổn định tiệm cận của hệ thống và triệt tiêu sai số bám theo nguyên lý chuyển động trên mặt trượt.

Lý thuyết điều khiển kinh điển vi tích phân tỉ lệ dạng sai phân lùi, tối ưu hóa các thông số độ lợi tỉ lệ, độ lợi tích phân và độ lợi vi phân để khử sai lệch tĩnh và giảm độ vọt lố.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập trực tiếp từ cảm biến encoder quang học Sumtak gắn tại trục bệ đỡ với độ phân giải 1000 xung trên một vòng (kích hoạt chế độ giải mã x4 đạt 4000 xung trên một vòng, tương đương độ nhạy 11 xung trên mỗi độ góc) và encoder tích hợp trên động cơ Maxon độ phân giải 500 xung trên một vòng.

Về cỡ mẫu và phương pháp chọn mẫu, nghiên cứu thực hiện ghi nhận dữ liệu liên tục trên hơn 120 chu kỳ dao động thử nghiệm với chu kỳ trích mẫu thời gian thực cố định là 10 mili-giây trên vi điều khiển. Toàn bộ mẫu dữ liệu góc lệch và dòng điện được thu thập theo phương pháp chọn mẫu định kỳ ngẫu nhiên dưới nhiều điều kiện có tác động lực xung ngoại vi khác nhau nhằm kiểm chứng độ bền vững.

Phương pháp phân tích được thực hiện qua hai giai đoạn: phân tích mô phỏng số trên môi trường Matlab Simulink và phân tích thực nghiệm trên kit nhúng ARM Cortex-M4 STM32F407VG kết hợp mạch lái cầu H sử dụng IC IR2110. Lý do lựa chọn phương pháp này là đảm bảo kiểm chứng độ hội tụ và tính an toàn của giải thuật trên máy tính trước khi nhúng vào phần cứng, giúp ngăn ngừa rủi ro quá dòng làm cháy linh kiện công suất và hư hỏng cơ cấu truyền động khi động cơ đảo chiều liên tục ở tần số cao.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng và thử nghiệm thực tế đã mang lại những phát hiện then chốt về hiệu năng của từng phương pháp điều khiển:

Thứ nhất, bộ điều khiển tối ưu toàn phương tuyến tính thể hiện chất lượng điều khiển vượt trội nhất với thời gian xác lập hệ thống về vị trí cân bằng chỉ mất từ 0,7 đến 1,2 giây, giảm hơn 45% thời gian dao động so với phương pháp truyền thống. Độ vọt lố góc lệch luôn được kiểm soát chặt chẽ ở mức dưới 4%, đáp ứng điện áp điều khiển mượt mà không gây sốc tải cho động cơ.

Thứ hai, bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ tuy có khả năng đưa con lắc về vị trí cân bằng nhưng đòi hỏi thời gian đáp ứng kéo dài từ 2,5 đến 4,0 giây. Do hạn chế về mặt cấu trúc tuyến tính trên đối tượng phi tuyến cao, hệ thống xuất hiện hiện tượng dao động quá độ từ 3 đến 5 chu kỳ trước khi ổn định hoàn toàn và sai số tĩnh góc lệch dao động trong khoảng 1,5 độ.

Thứ ba, bộ điều khiển trượt thể hiện khả năng kháng nhiễu cực kỳ mạnh mẽ trước các tác động ngoại lực đột ngột, đưa hệ thống trở lại mặt trượt trong thời gian dưới 0,8 giây. Tuy nhiên, thuật toán gây ra hiện tượng rung giật điện áp liên tục ở biên độ 12V, đòi hỏi phải thay thế hàm dấu bằng hàm bão hòa để làm trơn tín hiệu và bảo vệ phần cứng.

Thứ tư, về mặt thiết kế cơ khí, việc sử dụng bánh đà mica đường kính 30cm với khối lượng 300g (phân bổ 16 ốc bulong ở chu vi ngoài) kết hợp động cơ Maxon 12VDC cung cấp mô-men quán tính hiệu dụng cao hơn 150% so với phương án bánh đà đường kính 15cm ban đầu, giúp loại bỏ hoàn toàn hiện tượng trượt bước và vỡ hộp số cơ khí.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp bộ điều khiển tối ưu đạt kết quả tốt nhất là nhờ cơ chế giải phương trình Riccati để phân bổ ma trận trọng số tối ưu đồng thời cho cả 4 biến trạng thái, giúp năng lượng điều khiển sinh ra từ động cơ vừa đủ để bù trừ quán tính rơi tự do của thanh nhôm nặng 200g. Ngược lại, điều khiển vi tích phân tỉ lệ chỉ xử lý dựa trên sai số góc lệch đơn lẻ nên phản ứng thường bị trễ pha so với tốc độ biến thiên góc.

Khi so sánh với các công trình nghiên cứu quốc tế như mô hình thí nghiệm của Đại học Illinois hay mô hình của UMIT, hệ thống thực nghiệm tự chế tạo trong luận văn đạt chất lượng bám quỹ đạo tương đương nhưng tiết kiệm hơn 70% chi phí chế tạo nhờ tận dụng dòng chip vi điều khiển thông dụng. Dữ liệu thực nghiệm được trực quan hóa qua biểu đồ đáp ứng góc lệch theo thời gian và bảng so sánh thời gian xác lập, cho thấy đường đặc tính góc lệch của phương pháp tối ưu tiệm cận về 0 nhanh nhất và có quỹ đạo trơn tru nhất.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm hoàn thiện và nâng cao khả năng ứng dụng thực tế của mô hình con lắc ngược bánh đà, luận văn đưa ra bốn đề xuất hành động trọng tâm:

Một là, phát triển thuật toán điều khiển thích nghi thông minh kết hợp mạng nơ-ron hoặc điều khiển mờ lai tối ưu. Nhóm nghiên cứu thuộc bộ môn Tự động hóa nên thực hiện mục tiêu này trong vòng 6 đến 12 tháng tới nhằm tự động nhận dạng và bù trừ ma sát phi tuyến tại các khớp quay, hướng đến mục tiêu giảm sai số xác lập góc lệch xuống dưới 0,02 độ ngay cả khi tải trọng thay đổi 30%.

Hai là, nâng cấp kết cấu cơ khí và tối ưu hóa vật liệu chế tạo. Đội ngũ kỹ sư phần cứng cần triển khai thay thế thanh lắc nhôm bằng vật liệu sợi carbon siêu nhẹ trong thời hạn 3 đến 6 tháng, giúp giảm tổng khối lượng thanh lắc xuống dưới 120g trong khi gia tăng độ cứng vững, nâng cao hiệu suất truyền động mô-men xoắn thêm 20%.

Ba là, tích hợp thuật toán tự kích lắc dựa trên nguyên lý điều khiển năng lượng. Các học viên cao học chuyên ngành cần bổ sung giải thuật này trong thời gian 6 tháng để hệ thống có khả năng tự động đưa con lắc từ vị trí buông thõng 180 độ lên vị trí cân bằng thẳng đứng 0 độ trong vòng dưới 3 giây mà không cần tác động mớm ban đầu từ người vận hành.

Bốn là, chuyển giao và nhân rộng mô hình thực nghiệm vào hệ thống phòng thí nghiệm đại học. Ban chủ nhiệm Khoa Điện - Điện tử cần đưa thiết bị vào chương trình thực hành kỹ thuật điều khiển tự động trong năm học tiếp theo, với quy mô triển khai từ 5 đến 10 bộ kit nhằm nâng cao năng lực thực hành cho trên 300 sinh viên mỗi khóa.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình luận văn là nguồn tài liệu học thuật và kỹ thuật chuyên sâu, mang lại giá trị thiết thực cho nhiều nhóm đối tượng:

Nhóm thứ nhất là các giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa. Luận văn cung cấp tài liệu mẫu mực về phương pháp mô hình hóa động lực học hệ phi tuyến bằng phương trình Euler-Lagrange, kỹ thuật tuyến tính hóa Jacobian và phương pháp tổng hợp các bộ điều khiển hiện đại.

Nhóm thứ hai là các kỹ sư nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực Robot học và Cơ điện tử. Công trình cung cấp hướng dẫn chi tiết về thiết kế mạch lực cầu H chịu dòng cao bằng MOSFET và IR2110, kỹ thuật lập trình bộ đếm timer giải mã xung encoder quang học và xử lý thuật toán thời gian thực trên vi điều khiển ARM 32-bit.

Nhóm thứ ba là sinh viên đại học chuẩn bị làm đồ án tốt nghiệp chuyên ngành Tự động hóa và Điện tử công nghiệp. Sinh viên có thể tham khảo trực tiếp quy trình triển khai từ mô phỏng lý thuyết trên Matlab Simulink đến gia công cơ khí thực tế và tinh chỉnh thông số phần cứng.

Nhóm thứ tư là các chuyên gia nghiên cứu trong ngành Hàng không vũ trụ và Kỹ thuật Hàng hải. Luận văn là tài liệu tham khảo giá trị về nguyên lý truyền động bánh đà phản lực để ứng dụng trong bài toán ổn định tư thế vệ tinh quan sát Trái Đất và hệ thống chống lắc thân tàu thủy hoạt động trong điều kiện sóng lớn.

Câu hỏi thường gặp

Nguyên lý cân bằng của hệ con lắc ngược bánh đà hoạt động dựa trên cơ chế vật lý nào? Hệ thống hoạt động dựa trên định luật bảo toàn mô-men động lượng. Khi động cơ DC điều khiển bánh đà quay nhanh dần theo một chiều, một mô-men phản lực có chiều ngược lại sẽ tác động trực tiếp lên đầu thanh lắc. Bằng cách thay đổi gia tốc góc của bánh đà một cách chính xác, hệ thống tạo ra lực nâng và lực hãm để giữ cho thanh lắc luôn đứng thẳng tại góc 0 radian.

Tại sao phương pháp điều khiển tối ưu lại vượt trội hơn điều khiển vi tích phân tỉ lệ trong đề tài này? Bộ điều khiển tối ưu thu được từ nghiệm phương trình đại số Riccati giúp tính toán đồng thời cả 4 biến trạng thái của hệ thống bao gồm góc và vận tốc góc của cả thanh lắc lẫn bánh đà. Điều này giúp hệ thống đạt thời gian cân bằng chỉ từ 0,7 đến 1,2 giây, triệt tiêu hiện tượng trễ pha và giảm thiểu tối đa năng lượng tiêu thụ trên động cơ so với thuật toán vi tích phân tỉ lệ đơn biến.

Tại sao nghiên cứu phải thay đổi cảm biến đo góc nghiêng từ mô-đun quán tính sang encoder quang học? Trong các thử nghiệm ban đầu, cảm biến quán tính IMU6050 gặp hiện tượng trôi số liệu gia tốc nghiêm trọng khi bánh đà đảo chiều ở tốc độ cao, gây sai số tích lũy lớn. Tác giả đã thay thế bằng encoder quang học Sumtak 1000 xung trên một vòng với chế độ giải mã x4 đạt 4000 xung trên một vòng, mang lại tín hiệu đo góc tuyệt đối chính xác với độ phân giải xấp xỉ 0,09 độ mà không bị nhiễu trôi theo thời gian.

Quá trình lựa chọn động cơ truyền động đã trải qua những thử nghiệm thực tế nào? Tác giả đã lần lượt thử nghiệm động cơ không chổi than từ ổ cứng máy tính nhưng bị trượt bước do thiếu mô-men tải, sau đó thử nghiệm động cơ servo Pittman có hộp số nhưng bị vỡ bánh răng khi đảo chiều liên tục. Giải pháp thành công cuối cùng là sử dụng động cơ Maxon 12VDC truyền động trực tiếp không qua hộp số, kết hợp bánh đà mica 30cm nặng 300g để tạo mô-men quán tính lớn và an toàn tuyệt đối cho cơ cấu cơ khí.

Làm thế nào để triệt tiêu hiện tượng rung giật cơ khí khi áp dụng điều khiển trượt trên phần cứng thực tế? Hiện tượng rung giật xuất hiện do hàm dấu chuyển mạch tức thời giữa hai mức điện áp cực đại âm 12V và dương 12V. Luận văn đã giải quyết triệt để vấn đề này bằng cách thay thế hàm dấu bằng hàm bão hòa tuyến tính trong một lớp biên hẹp quanh mặt trượt, giúp làm trơn tín hiệu điều khiển điện áp và bảo vệ mạch cầu H khỏi hiện tượng quá nhiệt.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công mô hình toán học giải tích toàn diện cho hệ con lắc ngược bánh đà dựa trên phương pháp động lực học Euler-Lagrange và tuyến tính hóa không gian trạng thái bậc 4.
• Thiết kế, mô phỏng và kiểm chứng thành công ba cấu trúc điều khiển gồm vi tích phân tỉ lệ, tối ưu toàn phương tuyến tính và điều khiển trượt trên môi trường Matlab Simulink.
• Chế tạo hoàn chỉnh mô hình phần cứng thực nghiệm độ chính xác cao với động cơ Maxon 12VDC, cảm biến encoder Sumtak 4000 xung trên một vòng và bộ điều khiển trung tâm STM32F407VG Cortex-M4.
• Khẳng định thuật toán điều khiển tối ưu toàn phương tuyến tính mang lại hiệu quả cân bằng vượt trội nhất với thời gian xác lập dưới 1,2 giây và độ vọt lố dưới 4%.
• Đề xuất lộ trình mở rộng bài toán tự kích lắc năng lượng và điều khiển thích nghi thông minh nhằm hoàn thiện sản phẩm trong vòng 12 tháng tới.

Công trình là tài liệu tham khảo học thuật giá trị cho cộng đồng nghiên cứu kỹ thuật điều khiển; quý độc giả hãy khai thác toàn văn luận văn để ứng dụng hiệu quả các giải thuật điều khiển vào các dự án cơ điện tử và robot tự hành tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề: Con lắc là hệ khá thú vị, được nghiên cứu và ứng dụng rất nhiều. Có nhiều loại mô hình con lắc trong thực tế: con lắc đơn, con lắc kép, con lắc trên xe dịch chuyên, con lắc ngược,. trong con lắc ngược còn có con lắc ngược không có vật và có vật ở đầu, hay con lắc ngược có bánh đà điều khiển ở phía dưới hay trên,. Hệ thống con lắc ngược là hệ thống không ổn định, phi tuyến ở mức cao.

Cân bằng con lắc ngược là đề tài ứng dụng một trong những vấn để quan trọng của lý thuyết điều khiển và được đề cập nhiều trong các tải liệu về điều khiển. Nó được sử dụng như một mô hình phổ biến cho các ứng dụng trong kỹ thuật điều khiển tuyến tính và phi tuyến. Mô hình con lắc ngược dùng để kiểm chứng lại các thuật toán như điều khiển PID, hồi tiếp trạng thái, mạng noron, điều khiển mờ, thuật toán di truyền GA, LỌR, trượt. đồng thời các lý thuyết nhận dạng được dùng để ước lượng lại mô hình toán học của hệ thống này.

Tuy nhiên con lắc ngược cũng đặt ra nhiều thách thức đối với lý thuyết điều khiển cũng như các thiết bị điều khiển chúng. Vì đây là hệ thống phi tuyến nên vấn đề điều khiển con lắc ổn định gặp nhiều khó khăn. Hiện nay có rất nhiều nghiên cứu đã sử dụng các thuật toán điều khiển khác nhau dé điều khiển hệ thống con lắc như thuật toán điều khiển PID, điều khiển trượt, thuật toán điều khiển tối ưu LQR và điều khiển mờ đã thu được một số thành công đáng kẻ. Tuy vậy mô hình con lắc ngược bánh đà lại chưa được tập trung nghiên cứu ở Việt Nam, vì vậy tôi muốn xây dựng một mô hình về cân bằng con lắc ngược bánh đà để có thể áp dụng các thuật toán điều khiển trong việc học tập, nghiên cứu cũng như phát triển thành sản phâm ứng dụng.

Con lắc ngược bánh đà được ứng dụng trong cân bằng tàu ngoài khơi, hay điều khiển hướng bay của tàu vũ trụ, tên lửa,. HVTH: TRÀN VĂN DUY Trang 1 Thiết kế bộ điều khiển cân bằng con lắc ngược bánh đà GVHD: PGS. Huỳnh Thái Hoàng 1.2 Một số mô hình liên quan: Con lắc ngược bánh đà (RWP — Reaction Wheel Pendulum) là I cơ cấu bao gồm 1 thanh có thể quay tự do với 1 bánh xe chuyên động ở ngay đầu của thanh. Gia tốc của bánh xe quay tạo gia tốc cho con lắc chuyên động.

Con lắc ngược bánh đà được xem như là hệ thống điển hình cho giảng dạy và chứng minh trong hệ thống điều khiển phi tuyến. Về kết cầu cơ khí, RWP gồm | con lac đơn giản và 1 bánh xe, hay 1 quả lắc, bánh xe được nối với I động cơ DC và moment quay giữa bánh xe và con lắc có thê điều khiển chuyển dộng của hệ thống. RWP có thể được xem như là hệ con lắc đơn mắc song song với quán tính moment xoắn điều khiển. Trong thực tế, khi chưa có sự điều khiến, con lắc sau một thời gian dao dộng tắt dần do ma sát sẽ dừng lại ở vị trí cân bằng dưới (vị trí thấp nhất, thắng đứng hướng xuống).

Khi có các bộ điều khiển bánh đà sẽ chuyên động để đưa con lắc lên vị trí cân bằng trên (thắng đứng hướng lên) và giữ cân bằng con lắc ở vị trí này dù có ngoại lực tác động.1: Mô hình thí nghiệm của truong dai hoc Illinois, mô hình này được xây dựng bởi Dan Block và giáo su Mark W. Spong, được cung cấp bởi Quanser [1]. Đây là mô hình được thiết kế phần cơ khí chuẩn xác, dùng làm mô hình trong phòng thí nghiệm, với một bộ xử lý số mạnh mẽ, nó có thể thực thi nhiều thuật toán, bộ điều khiển lên mô hình. HVTH: TRÀN VĂN DUY Trang 2 Thiết kế bộ điều khiển cân bằng con lắc ngược bánh đà GVHD: PGS.

Huỳnh Thái Hoàng Hình 1.2: Phiên bản mới của mô hình năm 2011 [2].3: Mô hình của trường UMITT [2]. Mô hình dùng bộ điều khiển LQR.4: Robot Murata boy va Murata girl, day la robot da duoc thuong mai cua Nhat. HVTH: TRAN VAN DUY Trang 3 Thiết kế bộ điều khiên cân bằng con lắc ngược bánh đà GVHD: PGS. Huỳnh Thái Hoàng Và một số mô hình khác sưu tầm được, WHYS ©-" SEEM Ea a MOS-FET 2SK3484xSiñl (c) Hình 1.5: Đây là mô hình của Aoki người Nhật phát triển từ cơ bản tới nâng cao, (a) ban đầu là con lắc ngược tự cân bằng, (b) thêm I1 bánh xe để di chuyên, (c) thành xe đạp tự cân bằng.

Mô hình nhỏ gọn, thiết kế khá đơn giản. HVTH: TRÀN VĂN DUY Trang 4 Thiết kế bộ điều khiển cân bằng con lắc ngược bánh đà GVHD: PGS. Huỳnh Thái Hoàng (b) Hình 1.6: (a), (b) Mô hình thí nghiệm tự thiết kế của một số cá nhân.3 Một số bộ điều khiển cân bằng cho hệ con lắc ngược bánh đà: 1.1 Bộ điều khiến hồi tiếp trạng thái phi tuyến [3]: Hệ phương trình trạng thái của hệ: Z, =m, sin z, & = (4 — My Z3)/m, (1.1) %3 =U Moment tác động: HVTH: TRÀN VĂN DUY Trang 5 Thiết kế bộ điều khiển cân bằng con lắc ngược bánh đà GVHD: PGS. Huỳnh Thái Hoàng T=(m,, —m,,m,, /m,,)u+(m,m, /m,,)sin gq, (1.2) Mô phỏng với bộ thông số: THỊỊ = 4.83x103, m2 = M21 = „M22 = 32x10°, : dl + 2 i s s-2 + =3 Bh, 8 Vy Lý x tị 4 ti 3H.

~8 s , $e SS sec % sa 035 03} so sai oa 4000) > san z § 3 8 Lom 8 s Ẹ %Ẳ ¿ : g 3 ons 2000 Ql 0.1: Đồ thị trạng thái và điều khiển của hệ TWP [3] (a) đồ thị (a,. (b) trạng thái cuả (z,. (c) ¿„, (d) tín hiệu điều khiển t Nhận xét: hệ thống mắt 4 giây để trở về trang thái cân bằng. HVTH: TRÀN VĂN DUY Trang 6 Thiết kế bộ điều khiển cân bằng con lắc ngược bánh đà GVHD: PGS.

Huỳnh Thái Hoàng 1.2 Bộ điều khiển hồi quy tuyến tính và động học không [4]: Đề tài diing m6 hinh Mechatronic kit cua Quanser (hinh 1), Phần điều khiển cân bằng dùng giải thuật hồi quy tuyến tính (FL) và tuyến tính hóa (AL) FL: gi = Š ;=& (1.3) é,= Lyh+ LL ht 1 3 =——| u-L,h 1.4 xo Xu 9 u=—k 6, —k,5, — ks; (1.5) AL: 0 1 0 0 A= mgd), 0 0|;B= -d; det D det D (1.6) _mgdy, 0 0 Ay det D det D T= Kx Phần điều khiển quay ngược lên: X= %, 1 d, #;=———0(x)——>u (1.7) di, d, x, =u E, = 5dyxi + mg (1—cos(x) (1.8) HVTH: TRAN VAN DUY Trang 7 Thiết kế bộ điều khiển cân bằng con lắc ngược bánh đà GVHD: PGS. Huỳnh Thái Hoàng øi 10 " = AAS /| N ol ° 0 4 ? $ + ‡ 3 o 2 4 é @ To 500, Tone. 1000 # s 500 o +18 s So C - 500 5900 1 2 3 4 s 6 9 2 4 6 8 10 02 cm 02 cỶ : + + £ ae 4 3 é Tô th vê 10 te NaN " ol _—————] 9, 5 1 š ý + Ỹ J 95 š 4 š é T6 s ° H 3" A \ ° we rine Hình 1.2: Đồ thị bộ điều khiển lai (a) PFBLC + AL, (b) PFBLC + FL [4] Ta thấy ở bộ điều khiển kết hợp tuyến tính hóa PFBLC + AL thi con lac mat 5 lần dao động để trở về vị trí cân bằng, ở bộ điều khiển hồi quy tuyến tính thì vận tốc góc của bánh đà tăng cao hơn. HVTH: TRÀN VĂN DUY Trang 8 Thiết kế bộ điều khiển cân bằng con lắc ngược bánh đà GVHD: PGS.

Huỳnh Thái Hoàng 1.3 Bộ điều khiển PID và LỌR [5]: (PID Control) pidOut.mat Saturation ~ System States Dump Dynamics [10 |e <Kuv — PID Controller Error Gains Pendulum Pendulum Wheel Angle ang.3a: So d6 khéi hé ding b6 diéu khién PID [5] Inverted IWP Control using PID Inverted IWP Control using LQR Time [sec] ‘Time [sec] Hình 1.3b: Đồ thị đáp ứng dùng bộ điều khiển PID và LQR [5] Ta thấy bộ điều khiên LỌR cho thời gian cân bằng của hệ ngắn hơn PID => bộ điều khiển LQR tối ưu hơn PID.4 Bộ điều khiển mờ [6]: Tác giả dùng bộ điều khiển mờ theo quy tắc Mamdani. Inverted Fizzy k pendulum controller besedan k, Hình 1.4: Cấu trúc bộ điều khién mo diéu khién độ lệch và góc quay của con lắc với các thông số theta, theta_dot, phi, phi_dot. [6] HVTH: TRAN VAN DUY Trang 9 Thiết kế bộ điều khiển cân bằng con lắc ngược bánh đà GVHD: PGS. Huỳnh Thái Hoàng Ở đây tác giả đã gộp 4 thông số trên vào 2 nhóm, theta, theta_dot 1 nhóm, phi, phi_dot 1 nhóm, điều này làm giảm bớt số luật điều khiển mờ và giúp nhận dạng chính xác hơn hệ thống.

Chỉnh các thông s6 k_theta, k_theta_dot, k_phi, k_phi_dot hgp ly để có bộ điều khiển mờ tốt hơn. 9 NB [NM [NS |Z PS [PM [PB NB |NB |[NB [NM [NM |NS [NS |Z NM |NB |[NM [NM [|NS |NS |Z PS NS.5: (a) Bảng luật điều khiển góc lệch con lắc (b) Bảng điều khiển góc quay của bánh đà [6] HVTH: TRÀN VĂN DUY Trang 10 Thiết kế bộ điều khiển cân bằng con lắc ngược bánh đà GVHD: PGS. Huỳnh Thái Hoàng Response curves of delination and angular velocity Response curve of declination and angualr velocity under the disturbance 02 T T T T T T T T AT aAA Awl Et eof J L JH Pott lJ TTTT—T—T—T—T—T—T—T 8 rà gœsaErlT-L _I_-L_lI_—-L_I_—L _l_- 1š + Rat + a ee Ey | eat Patras rin In dạ | | Ee TT TT - 8 o6 — — — — — — —— —— — —_—_ ¬ § ẫ II Soe J—} —l— E—l—- +—l- + —l—~¬ gost 4-4-4 -1—-+-i1-+4+-1-42 Pobrote Ed ' Bose —- — — — —- — — —- — ~ — —- — — 4 LÔ T1 1 TT TT š L1 1 h- — — — — — —— —._— — — — — — — e "T1 TT TT TT TT TT Tl é ¬-=r-I-trrI-r-Ict-I¬ s1 1 TT TL 1L TL 1L L1 "4.6: Đồ thị liền là góc lệch con lắc, đồ thị gạch đi t là vận tốc góc của bánh đà. [6] Dựa theo kết quả mô phỏng ta thấy hệ thống cân bằng sau 0.7 giây, và đáp ứng của hệ là khá tốt, hình trên là khi không có tác động bên ngoài, hình dưới khi có tác động bên ngoài con lắc cũng không dao động nhiều và mất 1.5 giây để trở về vị trí cân bằng.

HVTH: TRÀN VĂN DUY Trang 11 Thiết kế bộ điều khiển cân bằng con lắc ngược bánh đà GVHD: PGS. Huỳnh Thái Hoàng 1.