Đồ án tốt nghiệp: Tối ưu bộ điều khiển LQR cho hệ thống con lắc ngược bằng giải thuật PSO

• Tác giả: Phạm Thành Công
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn Đông Hải
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
• Đề tài: Tối Ưu Bộ Điều Khiển LQR Cho Hệ Thống Con Lắc Ngược Bằng Giải Thuật PSO
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

• NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
• LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
• NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: HƯỚNG TIẾP CẬN
• 1.1. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
• 1.2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• 1.3. GIỚI HẠN
• 1.4. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG RIP
• 2. CHƯƠNG 2: GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN LQR
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
• 4. CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ THỰC HIỆN
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giới thiệu về bộ điều khiển LQR và hệ thống con lắc ngược

Bộ điều khiển LQR (bộ điều khiển LQR) là một phương pháp điều khiển tuyến tính được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển tự động. Hệ thống con lắc ngược (hệ thống con lắc ngược) là một trong những mô hình điển hình trong lĩnh vực này. Mô hình này có cấu trúc đơn giản nhưng lại có tính phi tuyến cao, tạo ra nhiều thách thức trong việc thiết kế bộ điều khiển. Việc áp dụng bộ điều khiển LQR cho hệ thống này giúp ổn định vị trí mong muốn và cải thiện hiệu suất điều khiển. Theo nghiên cứu, việc tối ưu hóa bộ điều khiển LQR có thể đạt được thông qua các thuật toán tối ưu như PSO (giải thuật PSO).

1.1. Tính chất của hệ thống con lắc ngược

Hệ thống con lắc ngược có cấu trúc cơ khí đơn giản, dễ chế tạo và chi phí thấp. Tuy nhiên, các phương trình động của nó lại phi tuyến và phức tạp. Điều này khiến cho việc áp dụng các thuật toán điều khiển tuyến tính như LQR trở nên khó khăn. Hệ thống này thường được sử dụng trong các phòng thí nghiệm để nghiên cứu và phát triển các thuật toán điều khiển mới. Việc hiểu rõ về tính chất của hệ thống con lắc ngược là rất quan trọng để thiết kế bộ điều khiển hiệu quả.

II. Giải thuật tối ưu PSO trong điều khiển LQR

Giải thuật PSO (giải thuật PSO) là một phương pháp tối ưu hóa dựa trên hành vi của các đàn động vật. Trong bối cảnh tối ưu hóa bộ điều khiển LQR, PSO được sử dụng để tìm kiếm các tham số tối ưu cho ma trận Q và R trong bộ điều khiển. Việc tối ưu hóa này giúp cải thiện hiệu suất điều khiển và giảm thiểu sai số trong quá trình điều khiển. Nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng PSO có thể mang lại kết quả tốt hơn so với các phương pháp tối ưu hóa truyền thống.

2.1. Nguyên lý hoạt động của PSO

PSO hoạt động dựa trên nguyên lý tìm kiếm đồng thời của nhiều cá thể trong không gian giải pháp. Mỗi cá thể đại diện cho một giải pháp tiềm năng và được cập nhật vị trí của nó dựa trên thông tin từ chính nó và các cá thể khác trong đàn. Điều này giúp PSO tìm ra giải pháp tối ưu một cách hiệu quả. Trong nghiên cứu này, PSO được áp dụng để tối ưu hóa các tham số của bộ điều khiển LQR, từ đó nâng cao khả năng ổn định của hệ thống con lắc ngược.

III. Kết quả thực nghiệm và đánh giá

Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng việc áp dụng bộ điều khiển LQR được tối ưu hóa bằng PSO mang lại hiệu suất điều khiển tốt hơn so với các phương pháp truyền thống. Các mô phỏng trên MATLAB cho thấy rằng hệ thống có thể duy trì trạng thái cân bằng một cách ổn định và nhanh chóng. Đặc biệt, việc giảm thiểu hiện tượng chattering trong quá trình điều khiển là một trong những điểm mạnh của phương pháp này. Điều này chứng tỏ rằng việc tối ưu hóa bộ điều khiển LQR bằng PSO không chỉ cải thiện hiệu suất mà còn nâng cao độ tin cậy của hệ thống.

3.1. So sánh với các phương pháp khác

So với các phương pháp điều khiển khác như PID hay SMC, bộ điều khiển LQR tối ưu hóa bằng PSO cho thấy sự vượt trội về khả năng ổn định và hiệu suất. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng các phương pháp này thường gặp khó khăn trong việc duy trì trạng thái cân bằng trong các điều kiện không ổn định. Trong khi đó, bộ điều khiển LQR tối ưu hóa có khả năng điều chỉnh nhanh chóng và hiệu quả hơn, từ đó giảm thiểu sai số và cải thiện độ chính xác trong quá trình điều khiển.

IV. Kết luận và hướng phát triển

Nghiên cứu này đã chứng minh rằng việc áp dụng giải thuật PSO để tối ưu hóa bộ điều khiển LQR cho hệ thống con lắc ngược là một phương pháp hiệu quả. Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng bộ điều khiển này không chỉ ổn định mà còn có khả năng điều chỉnh linh hoạt trong các tình huống khác nhau. Hướng phát triển tiếp theo có thể bao gồm việc mở rộng nghiên cứu sang các hệ thống phức tạp hơn và áp dụng các thuật toán tối ưu hóa khác để so sánh hiệu quả.

4.1. Đề xuất nghiên cứu trong tương lai

Các nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc áp dụng các thuật toán tối ưu hóa khác như GA (Genetic Algorithm) hoặc DE (Differential Evolution) để so sánh với PSO. Ngoài ra, việc nghiên cứu các hệ thống điều khiển phi tuyến phức tạp hơn cũng là một hướng đi tiềm năng. Điều này không chỉ giúp mở rộng kiến thức trong lĩnh vực điều khiển tự động mà còn đóng góp vào việc phát triển các ứng dụng thực tiễn trong công nghiệp.