Luận Văn Thạc Sĩ: Ứng Dụng Thuật Toán Tiến Hóa Để Điều Khiển Con Lắc Ngược

Luận văn thạc sĩ trình bày ứng dụng thuật toán tiến hóa trong ước lượng tham số điều khiển con lắc ngược, góp phần nâng cao hiệu quả điều khiển.

• Tác giả: Nguyễn Văn Hòa
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thanh Dũng
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghệ TP.HCM
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử
• Đề tài: Ứng Dụng Thuật Toán Tiến Hóa Trong Điều Khiển Con Lắc Ngược
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về Ứng Dụng Thuật Toán Tiến Hóa Trong Điều Khiển Con Lắc Ngược

Trong lĩnh vực điều khiển tự động, thuật toán tiến hóa đã trở thành một công cụ mạnh mẽ để tối ưu hóa các tham số điều khiển cho hệ thống con lắc ngược. Hệ thống này không chỉ là một mô hình lý thuyết mà còn có ứng dụng thực tiễn trong nhiều lĩnh vực như robot, xe tự cân bằng và các thiết bị tự động khác. Việc áp dụng thuật toán tiến hóa giúp cải thiện hiệu suất điều khiển, giảm thiểu sai số và tăng cường độ ổn định cho hệ thống.

1.1. Khái niệm về Con Lắc Ngược và Thuật Toán Tiến Hóa

Con lắc ngược là một hệ thống điều khiển phi tuyến, trong đó con lắc phải được giữ thẳng đứng để duy trì trạng thái cân bằng. Thuật toán tiến hóa là một phương pháp tối ưu hóa dựa trên nguyên lý chọn lọc tự nhiên, giúp tìm ra các tham số điều khiển tối ưu cho hệ thống này.

1.2. Lịch sử và Phát Triển của Hệ Thống Con Lắc Ngược

Hệ thống con lắc ngược đã được nghiên cứu từ lâu và trở thành một mô hình tiêu chuẩn trong lý thuyết điều khiển. Sự phát triển của thuật toán tiến hóa đã mở ra nhiều hướng nghiên cứu mới, giúp cải thiện khả năng điều khiển cho các hệ thống phức tạp.

II. Thách Thức Trong Điều Khiển Con Lắc Ngược

Điều khiển con lắc ngược gặp nhiều thách thức do tính phi tuyến và không ổn định của nó. Các vấn đề như độ trễ trong phản hồi, sai số trong quá trình điều khiển và sự thay đổi của các tham số môi trường đều ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống. Việc áp dụng thuật toán tiến hóa giúp giải quyết những thách thức này bằng cách tối ưu hóa các tham số điều khiển một cách linh hoạt.

2.1. Tính Phi Tuyến và Không Ổn Định của Hệ Thống

Tính phi tuyến của con lắc ngược làm cho việc điều khiển trở nên phức tạp. Các phương pháp điều khiển truyền thống thường không hiệu quả trong việc duy trì trạng thái cân bằng của con lắc.

2.2. Độ Trễ và Sai Số Trong Quá Trình Điều Khiển

Độ trễ trong phản hồi từ cảm biến và bộ điều khiển có thể dẫn đến sai số lớn trong quá trình điều khiển. Thuật toán tiến hóa có khả năng điều chỉnh tham số điều khiển để giảm thiểu sai số này.

III. Phương Pháp Ứng Dụng Thuật Toán Tiến Hóa Trong Điều Khiển

Có nhiều phương pháp khác nhau để áp dụng thuật toán tiến hóa trong điều khiển con lắc ngược. Các phương pháp này bao gồm tối ưu hóa PID, GA-PID và LQR. Mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng, tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể của hệ thống.

3.1. Tối Ưu Hóa PID Bằng Thuật Toán Di Truyền

Phương pháp tối ưu hóa PID sử dụng thuật toán di truyền để tìm ra các tham số tối ưu cho bộ điều khiển PID, giúp cải thiện độ ổn định và hiệu suất của hệ thống.

3.2. Ứng Dụng GA PID Trong Điều Khiển Con Lắc

GA-PID là sự kết hợp giữa thuật toán tiến hóa và bộ điều khiển PID, cho phép tối ưu hóa các tham số điều khiển một cách hiệu quả hơn, đặc biệt trong các tình huống phức tạp.

3.3. LQR và Ứng Dụng Trong Hệ Thống Con Lắc

Bộ điều khiển LQR (Linear Quadratic Regulator) là một phương pháp điều khiển hiện đại, giúp tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống con lắc ngược bằng cách giảm thiểu sai số và thời gian ổn định.

IV. Kết Quả Nghiên Cứu và Ứng Dụng Thực Tiễn

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng thuật toán tiến hóa trong điều khiển con lắc ngược mang lại nhiều kết quả khả quan. Các mô hình được tối ưu hóa cho thấy khả năng duy trì trạng thái cân bằng tốt hơn và thời gian ổn định ngắn hơn. Những ứng dụng thực tiễn của nghiên cứu này bao gồm robot tự cân bằng và các thiết bị tự động khác.

4.1. Kết Quả Mô Phỏng và Thực Nghiệm

Các kết quả mô phỏng cho thấy rằng hệ thống con lắc ngược có thể duy trì trạng thái cân bằng ổn định khi áp dụng thuật toán tiến hóa. Thực nghiệm cũng xác nhận tính hiệu quả của các phương pháp điều khiển đã được nghiên cứu.

4.2. Ứng Dụng Trong Robot và Thiết Bị Tự Động

Nghiên cứu này có thể được áp dụng trong việc phát triển các robot tự cân bằng và các thiết bị tự động khác, mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực công nghệ tự động hóa.

V. Kết Luận và Hướng Phát Triển Tương Lai

Việc ứng dụng thuật toán tiến hóa trong điều khiển con lắc ngược không chỉ giúp cải thiện hiệu suất điều khiển mà còn mở ra nhiều hướng nghiên cứu mới. Tương lai của lĩnh vực này hứa hẹn sẽ có nhiều tiến bộ hơn nữa, đặc biệt là trong việc phát triển các hệ thống tự động phức tạp.

5.1. Tóm Tắt Kết Quả Nghiên Cứu

Nghiên cứu đã chứng minh rằng thuật toán tiến hóa có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của hệ thống con lắc ngược, giúp duy trì trạng thái cân bằng ổn định hơn.

5.2. Hướng Nghiên Cứu Tương Lai

Các nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc phát triển các phương pháp điều khiển mới, kết hợp với thuật toán tiến hóa để giải quyết các vấn đề phức tạp hơn trong điều khiển tự động.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Mở đầu Chương 2: Tổng quan Chương 3: Cơ sở lý thuyết Chương 4: Mô phỏng. Chương 5: Thiết kế và thi công. Chương 6: Tổng kết. 3 Chương 2: TỔNG QUAN 2.1 Giới thiệu về hệ thống con lắc ngược quay Con lắc ngược quay là hệ thống có cơ cấu truyền động đặt ở phía dưới (under- actuated), tức là số lượng ngõ vào điều khiển ít hơn số lượng ngõ ra.

Hệ thống được mô tả hình vẽ, bao gồm 1 cánh tay (arm) và con lắc (pendulum). Cánh tay gắn với trục của động cơ, con lắc có thể dao động tự do quanh cánh tay. Con lắc ngược quay thường được sử dụng để nghiên cứu điều khiển hệ phi tuyến và trong một số lĩnh vực khác, bởi vì nó đơn giản để phân tích động học và thử nghiệm mặc dù nó có độ phi tuyến cao và động lực kép giữa hai thanh. Mục tiêu điều khiển con lắc ngược là điều khiển để di chuyển nó từ điểm cân bằng ổn định phía dưới lên điểm cân bằng không ổn định phía trên.

Đây là đối tượng cần nghiên cứu của luận văn. Con lắc theo định nghĩa chung nhất là một vật gắn vào một trục cố định mà nó có thể xoay (hay dao động) một cách tự do. Khi đưa con lắc dịch chuyển khỏi vị trí cân bằng, nó sẽ chịu một lực khôi phục do tác dụng của lực hấp dẫn kéo nó trở lại vị trí cân bằng.1 Mô hình con lắc Một con lắc bình thường ổn định ở vị trí dưới. Trong khi đó con lắc ngược là con lắc không ổn định, và phải được chủ động cân bằng để giữ thẳng đứng.

Con lắc ngược là một vấn đề kinh điển trong động lực và lý thuyết điều khiển. Con lắc 4 ngược là cơ sở để tạo ra các hệ thống tự cân bằng như: xe hai bánh tự cân bằng, tháp vô tuyến, giàn khoan, công trình biển…Khi lý thuyết về các bộ điều khiển hiện đại ngày càng hoàn thiện hơn thì con lắc ngược là một trong những đối tượng được áp dụng để kiểm tra các lý thuyết đó. Con lắc ngược quay (hay còn gọi là con lắc Furura) là mô hình bao gồm một cánh tay quay trong mặt phẳng nằm ngang và một con lắc gắn vào cánh tay có thể xoay tự do trong mặt phẳng thẳng đứng. Mô hình được phát minh vào năm 1992 bởi Katsuhisa Futura và các đồng nghiệp.2 Ứng dụng của hệ thống con lắc ngược quay Trong nghiên cứu hệ thống con lắc ngược quay là mô hình có tính phi tuyến cao nên được dùng để khảo sát, so sánh các lý thuyết điều khiển về thời gian đáp ứng, độ vọt lố, sai số xác lập.

Từ cách điều khiển con lắc ngược ta có thể phát triển để điều khiển những hệ phức tạp hơn, ví dụ như :  Chân robot: khi robot dạng người đứng trên 1 chân sẽ tương đương với con lắc ngược, nguyên lý điều khiển robot không ngã tương tự như điều khiển con lắc.  Tàu vũ trụ: khi phóng lên không gian, phi thuyền có thể chệch khỏi quỹ đạo định sẵn. Nguyên lý điều khiển tương tự như con lắc (mong muốn góc nghiêng của phi thuyền so với phương quỹ đạo trong giới hạn cho phép).  Xe tự cân bằng: khá phổ biến hiện nay.3 Tổng quan về các bài toán trên hệ thống con lắc ngược quay 2.1 Swingup (bật lên) Bài toán đưa con lắc từ vị trí cân bằng dưới lên vị trí cân bằng trên.

Phương pháp được sử dụng để giải quyết bài toán này là phương pháp điều khiển năng lượng được đề xuất bởi K.2 Cân bằng con lắc Bài toán giữ cho con lắc cân bằng ở vị trí cân bằng trên. Có rất nhiều phương 5 pháp để giải bài toán này bằng cách áp dụng nhiều bộ điều khiển tuyến tính cũng như phi tuyến khác nhau. Vị trí cân bằng trên Vị trí cân bằng dưới Hình 2.2 Các vị trí đặc biệt của con lắc 2.4 Các nghiên cứu trong và ngoài nước công bố Đến nay đã có rất nhiều nghiên cứu sử dụng các giải thuật toán khác nhau để điều khiển hệ thống con lắc ngược quay như điều khiển tuyến tính hóa, điều khiển phi tuyến, điều khiển thông minh,…  Hệ thống con lắc ngược quay KRi – PP300, được thiết kế và chế tạo bởi nhà sản xuất Kent Ridge Instruments Pte. dựa trên sự hợp tác với Trường đại học công nghệ Nanyang, Singapore.

Hệ thống này đã được ứng dụng, sử dụng tại nhiều phòng thí nghiệm thuộc các viện nghiên cứu, nhiều trường Đại học kỹ thuật trên thế giới, trong đó Việt Nam. Đây là hệ thống phục vụ cho công việc nghiên cứu một số thuật toán điều khiển trong nhiều ứng dụng từ cơ bản đến phức tạp như: điều khiển con lắc ở vị trí ổn định dưới, cân bằng con lắc, swing up và cân bằng con lắc, swing up và cân bằng con lắc ở vị trí bất kì cho trước,… 6 Hình 2.3 Hệ thống KRi – PP300  Trong một báo cáo ở Tạp chí Quốc tế về Khoa học, Kỹ thuật và Nghiên cứu Công nghệ (IJSETR), Tập 3, Số 10, tháng 10 năm 2014 với đề tài “Modeling and Controller Designing of Rotary Inverted Pendulum (RIP)-Comparison by Using Various Design Methods”[3], 2 tác giả Mr.Kurella Pavan Kumar và Prof.Vsiva KrishnaRao đã tiến hành mô phỏng, thiết kế và so sánh 2 bộ điều khiển hiện đại trên mô hình con lắc ngược quay là Full State Feedback (FSF) và Linear Quadratic Regulator (LQR) trong bài toán swingup và cân bằng con lắc. Kết quả nghiên cứu cho thấy, bộ điều khiển LQR là tốt hơn trong chế độ swing up, trong khi để cân bằng con lắc tại vị trí thẳng đứng thì cả hai bộ điều khiển đều đáp ứng tốt.  Trong một báo cáo khác ở Tạp chí Quốc tế về điều khiển mô hình hóa và mô phỏng (IJCCMS) Tập 3, số 1 2, tháng 6 năm 2014 với đề tài “A Comparative study of controllers for stabilizing a Rotary Inverted Pendulum” [4], 2 tác giả Velchuri Sirisha và Dr.

Junghare đến từ trường đại học Visvesvaraya National Institute of Technology, Ấn Độ đã so sánh 4 mô hình toán điều khiển PID, LQR, Fuzzy Logic và H∞ trong môi trường Matlab Simulink và trong phòng thí nghiệm. Kết quả cho thấy trong môi trường mô phỏng thì bộ điều khiển Fuzzy Logic có độ vọt lố và thời gian tăng (63% giá trị xác lập) ít hơn 3 bộ điều khiển còn lại trong khi ở môi trường phòng thí nghiệm thì bộ điều khiển LQR có độ vọt lố và thời gian tăng ít nhất. Ngoài ra còn có một số đề tài nghiên cứu khác như: 7  Md.Shafie,(2010),“Modeling and Controlofa Rotary Inverted Pendulum Using Various Methods, Comparative Assessment and Result Analysis” [5], Proceeding softhe 2010 IEEE, International Conferenceon Mechatronics and Automation, Xi'an, China. (2011), “Controller design for rotary inverted pendulum system using evolutionary algoritms”[6], Hindawi Publishing Corporation Mathematical Problems in Enginnering.

 Tại trường Đại học Bách Khoa TP.HCM có công trình nghiên cứu Bộ điều khiển mờ giữa cân bằng con lắc ngược quay dùng giải thuật di truyền. Con lắc cân bằng chưa ổn định tuyệt đối do thiết kế điều khiển sai số các tham số  MOHD RAHAIRI BIN RANI với đề tài: Tối ưu hóa đa mục tiêu số điều khiển PID sử dụng thuật toán di truyền kết quả chưa ổn định tuyệt đối. Từ các kết quả nghiên cứu ở trên dựa trên lý thuyết điều khiển LQR và GA – PID tác giả chọn phương pháp điều khiển LQR và GA-PID để ổn định cho hệ con lắc ngược quay và so sánh thời gian ổn định của hệ khi sử dụng các phương pháp điều khiển.5 Nhiệm vụ và mục tiêu của luận văn.1 Nhiệm vu  Tìm hiểu tổng quan về hệ thống con lắc ngược quay.  Tính toán, thiết kế và chế tạo mô hình con lắc ngược quay.

 Thiết kế bộ điều khiển để điều khiển mô hình con lắc ngược quay.  Sử dụng bộ điều khiển đã thiết kế để điều khiển mô hình con lắc ngược quay đã chế tạo.  So sánh, đánh giá và rút ra kết luận.2 Mục tiêu  Thiết kế và chế tạo được một mô hình con lắc ngược quay.  Thiết kế luật điều khiển cho mô hình đã chế tạo.

 Kiểm nghiệm luật điều khiển trên mô hình đã chế tạo. 8 Chương 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Mô hình toán học hệ con lắc ngược quay được xây dựng trên cơ sở các định luật cân bằng lực của Newton, phương trình Euler cho chuyển động quay và phương trình cân bằng năng lượng của con lắc. Sau đó tuyến tính hóa mô hình toán học.1 Giới thiệu sơ lược hệ thống con lắc ngược quay Hệ thống con lắc ngược là một vấn đề điều khiển cổ điển nó được sử dụng trong các trường đại học trên khắp thế giới, nó là mô hình phù hợp để kiểm tra các thuật toán điều khiển phi tuyến cao. Mô hình hệ thống con lắc ngược quay gồm hai phần: cánh tay, gắn vào động cơ DC quay quanh trục thẳng đứng và con lắc (khớp quay tự do) gắn vào trục encoder ở cuối cánh tay tự do, trong mặt phẳng vuông góc với cánh tay.

Con lắc ngược là hệ thống không ổn định nó luôn ở vị trí buông thõng ngã xuống, trừ khi có lực tác động thích hợp vào cánh tay. Bài toán đặt ra là điều khiển cánh tay để swing-up sao cho con lắc ổn định ở vị trí cân bằng thẳng đứng hướng lên trên.1 Mô hình hệ thống con lắc ngược quay Mô hình mô phỏng được dựa theo phương trình động lực học của hệ thống con lắc ngược quay. Đồng thời bộ điều khiển cơ bản cũng được trình bày trong phần tiếp theo của chương này. Mục đích của việc trình bày con lắc ngược trong mô phỏng là để kiểm chứng lại lý thuyết từ các mô hình toán.

Từ đây có để đánh giá được sự ổn định của hệ thống con lắc ngược quay trong lý thuyết.2 Thiết lập mô hình toán học hệ thống con lắc ngược quay 3.1 Động cơ DC Hình 3.2 Sơ đồ mạch điện tương đương của động cơ DC Trong đó:  Vin: Là điện áp cấp cho động cơ V  Im: Là cường độ dòng điện qua động cơ A  Rm: Là điện trở của động cơ Ω  Lm: Là điện cảm của cuộn dây trong động cơ H  : Là sức điện động tạo ra trong động cơ có độ lớn ̇ V Áp dụng định luật Kirchhoff 2 cho sơ đồ trên ta được: Vin = VR + VL + Vemf = ImRm + Lm ̇ (3.