Luận án tiến sĩ: Ứng dụng điều khiển thích nghi cho hệ thiếu cơ cấu chấp hành trên xe tự hành ba bánh

• Tác giả: Phạm Thị Hương Sen
• Người hướng dẫn: GS. Phan Xuân Minh
• Trường học: Đại học Điện lực
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
• Đề tài: Ứng dụng điều khiển thích nghi cho xe tự hành ba bánh
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỤC LỤC
• DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
• MỞ ĐẦU
• 0.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 0.2. Mục đích nghiên cứu
• 0.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án
• 0.4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
• 0.5. Phương pháp nghiên cứu
• 0.6. Bố cục của luận án
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THIẾU CƠ CẤU CHẤP HÀNH VÀ XE TỰ HÀNH
• 1.1. Giới thiệu chung về hệ thiếu cơ cấu chấp hành
• 1.2. Mô hình hệ thiếu cơ cấu chấp hành
• 1.3. Phân loại hệ thiếu cơ cấu chấp hành
• 1.4. Mô hình toán học của Pendubot
• 1.5. Kết luận của chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT TẦNG BACKSTEPPING CHỈNH ĐỊNH MỜ CẤU TRÚC MỘT MẠCH VÒNG
• 2.1. Cơ sở lý thuyết về điều khiển trượt tầng và backstepping
• 2.2. Kỹ thuật backstepping
• 2.3. Kỹ thuật trượt tầng
• 2.4. Mô hình mờ Sugeno
• 2.5. Tổng hợp bộ điều khiển trượt tầng backstepping cho xe tự hành ba bánh
• 2.6. Xây dựng bộ điều khiển bám trượt tầng cho xe bám vị trí
• 2.7. Bộ điều khiển bám backstepping cho góc hướng
• 2.8. Phát biểu định lý và chứng minh tính ổn định của hệ kín
• 2.9. Tổng hợp bộ điều khiển trượt tầng backstepping chỉnh định mờ cho xe tự hành ba bánh
• 2.10. Mô phỏng kiểm chứng
• 2.11. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI DỰA TRÊN ƯỚC LƯỢNG NHIỄU CẤU TRÚC HAI MẠCH VÒNG
• 3.1. Điều khiển thích nghi
• 3.2. Điều khiển thích nghi ước lượng nhiễu vòng trong
• 3.3. Tổng hợp bộ điều khiển động lực học
• 3.4. Tổng hợp bộ điều khiển động học
• 3.5. Tổng hợp bộ điều khiển thích nghi ước lượng nhiễu mạch vòng trong và ngoài
• 3.6. Cơ sở phương pháp luận
• 3.7. Tổng hợp bộ điều khiển cho mạch vòng trong động lực học
• 3.8. Tổng hợp bộ điều khiển cho mạch vòng ngoài động học
• 3.9. Chứng minh tính ổn định
• 3.10. Mô phỏng kiểm chứng
• 3.11. Mô phỏng với cấu trúc điều khiển thích nghi ước lượng vòng trong
• 3.12. Kết quả mô phỏng điều khiển thích nghi ước lượng nhiễu cả hai mạch vòng
• 3.13. Kết luận chương 3
• 4. CHƯƠNG 4: TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI MỜ LOẠI 2 CẤU TRÚC HAI MẠCH VÒNG
• 4.1. Hệ mờ loại 2
• 4.2. Tập mờ loại 2
• 4.3. Suy diễn và giảm loại trong hệ mờ loại 2
• 4.4. Tổng hợp bộ điều khiển bộ điều khiển thích nghi mờ loại 2 cho mạch vòng trong và ngoài
• 4.5. Thiết kế bộ điều khiển mạch vòng động lực học
• 4.6. Thiết kế bộ điều khiển mạch vòng động học
• 4.7. Chứng minh tính ổn định
• 4.8. Mô phỏng kiểm chứng
• 4.9. Kết luận chương 4
• KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN ÁN
• DANH MỤC NHỮNG CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giới thiệu chung về hệ thiếu cơ cấu chấp hành và xe tự hành

Chương này giới thiệu tổng quan về hệ thiếu cơ cấu chấp hành và xe tự hành ba bánh, đồng thời phân tích tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về các phương pháp điều khiển. Hệ thiếu cơ cấu chấp hành là hệ có số thiết bị chấp hành ít hơn số bậc tự do, thường gặp trong các hệ thống như tàu thủy, máy bay, và robot. Xe tự hành ba bánh thuộc lớp đối tượng robot di động trên mặt đất, được ứng dụng rộng rãi trong các nhà máy và môi trường nguy hiểm. Luận án tập trung vào việc điều khiển xe tự hành bám quỹ đạo, đặc biệt khi có yếu tố nhiễu và ma sát trượt bánh.

1.1. Mô hình hệ thiếu cơ cấu chấp hành

Mô hình động lực học của hệ thiếu cơ cấu chấp hành được thiết lập từ phương trình Euler-Lagrange. Các hệ này thường có dạng tổng quát với ma trận quán tính, lực Coriolis, và ngoại lực tác động. Phương trình mô tả hệ thống có thể được biểu diễn dưới dạng tường minh hoặc có tham số bất định. Xe tự hành ba bánh là một ví dụ điển hình của hệ thiếu cơ cấu chấp hành với ràng buộc non-holonomic, đòi hỏi các phương pháp điều khiển phức tạp để đảm bảo ổn định và bám quỹ đạo.

1.2. Tình hình nghiên cứu về xe tự hành

Nghiên cứu về xe tự hành đã được thực hiện rộng rãi trong và ngoài nước. Các phương pháp điều khiển như điều khiển trượt, điều khiển thích nghi, và điều khiển mờ đã được áp dụng để giải quyết các vấn đề liên quan đến bám quỹ đạo và khắc phục nhiễu. Luận án này kế thừa và phát triển các phương pháp hiện có, đề xuất các giải pháp mới nhằm nâng cao hiệu quả điều khiển cho xe tự hành ba bánh trong điều kiện thực tế.

II. Tổng hợp bộ điều khiển trượt tầng backstepping chỉnh định mờ

Chương này đề xuất một cấu trúc điều khiển mới cho xe tự hành ba bánh dựa trên điều khiển trượt tầng và kỹ thuật backstepping. Phương pháp này kết hợp với hệ mờ Sugeno để chỉnh định tham số điều khiển, đảm bảo hệ thống ổn định và bám quỹ đạo chính xác. Các kết quả mô phỏng cho thấy hiệu quả của phương pháp trong việc khắc phục các yếu tố bất định và nhiễu.

2.1. Cơ sở lý thuyết về điều khiển trượt tầng và backstepping

Điều khiển trượt tầng là phương pháp điều khiển phi tuyến, được sử dụng để đảm bảo hệ thống bám theo một mặt trượt xác định. Kỹ thuật backstepping được áp dụng để thiết kế bộ điều khiển từng bước, đảm bảo tính ổn định của hệ thống. Sự kết hợp hai phương pháp này tạo ra một cấu trúc điều khiển mạnh mẽ, phù hợp với xe tự hành ba bánh.

2.2. Tổng hợp bộ điều khiển trượt tầng backstepping

Bộ điều khiển được thiết kế bao gồm hai phần: bộ điều khiển bám trượt tầng cho vị trí và bộ điều khiển backstepping cho góc hướng. Phương pháp này đảm bảo hệ thống ổn định và bám quỹ đạo chính xác, ngay cả khi có sự thay đổi thông số mô hình. Các kết quả mô phỏng cho thấy hiệu quả của phương pháp trong việc khắc phục các yếu tố bất định.

III. Tổng hợp bộ điều khiển thích nghi dựa trên ước lượng nhiễu

Chương này tập trung vào việc tổng hợp bộ điều khiển thích nghi cho xe tự hành ba bánh khi có nhiễu tác động. Phương pháp sử dụng cơ cấu ước lượng nhiễu để bù trừ các thành phần bất định, đảm bảo hệ thống ổn định và bám quỹ đạo chính xác. Các kết quả mô phỏng cho thấy hiệu quả của phương pháp trong việc khắc phục nhiễu và nâng cao chất lượng điều khiển.

3.1. Điều khiển thích nghi ước lượng nhiễu

Phương pháp điều khiển thích nghi được áp dụng để ước lượng và bù trừ các thành phần nhiễu tác động lên hệ thống. Cơ cấu ước lượng nhiễu được thiết kế để đảm bảo hệ thống ổn định và bám quỹ đạo chính xác, ngay cả khi có sự thay đổi thông số mô hình và nhiễu tác động.

3.2. Mô phỏng kiểm chứng

Các kết quả mô phỏng cho thấy hiệu quả của bộ điều khiển thích nghi trong việc khắc phục nhiễu và nâng cao chất lượng điều khiển. Phương pháp này đảm bảo hệ thống ổn định và bám quỹ đạo chính xác, ngay cả khi có sự thay đổi thông số mô hình và nhiễu tác động.

IV. Tổng hợp bộ điều khiển thích nghi mờ loại 2

Chương này đề xuất bộ điều khiển thích nghi mờ loại 2 cho xe tự hành ba bánh, kết hợp với điều khiển thích nghi để chỉnh định tham số đầu ra của bộ mờ. Phương pháp này giúp loại bỏ ảnh hưởng của ma sát trượt và nhiễu ngoài, đảm bảo hệ thống ổn định và bám quỹ đạo chính xác. Các kết quả mô phỏng cho thấy hiệu quả của phương pháp trong việc nâng cao chất lượng điều khiển.

4.1. Hệ mờ loại 2

Hệ mờ loại 2 là một mở rộng của hệ mờ truyền thống, được sử dụng để xử lý các yếu tố bất định và nhiễu. Phương pháp này được áp dụng để thiết kế bộ điều khiển thích nghi, đảm bảo hệ thống ổn định và bám quỹ đạo chính xác, ngay cả khi có sự thay đổi thông số mô hình và nhiễu tác động.

4.2. Tổng hợp bộ điều khiển thích nghi mờ loại 2

Bộ điều khiển được thiết kế bao gồm hai phần: bộ điều khiển mạch vòng động lực học và bộ điều khiển mạch vòng động học. Phương pháp này kết hợp với hệ mờ loại 2 để chỉnh định tham số đầu ra, đảm bảo hệ thống ổn định và bám quỹ đạo chính xác. Các kết quả mô phỏng cho thấy hiệu quả của phương pháp trong việc nâng cao chất lượng điều khiển.