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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM NGUYỄN VĂN HÒA ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN TIẾN HÓA ƯỚC LƯỢNG THAM SỐ ĐIỀU KHIỂN CON LẮC NGƯỢC LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử Mã ngành: 60520114 TP. HỒ CHÍ MINH, năm 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM NGUYỄN VĂN HÒA ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN TIẾN HÓA ƯỚC LƯỢNG THAM SỐ ĐIỀU KHIỂN CON LẮC NGƯỢC LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử Mã ngành: 60520114 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN THANH DŨNG TP. HỒ CHÍ MINH, năm 2017 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN THANH DŨNG Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. Ngô Hà Quang Thịnh Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Võ Hoàng Duy Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM ngày 12 tháng 11 năm 2017. Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: TT Họ và tên Chức danh Hội đồng 1 PGS. Nguyễn Thanh Phương Chủ tịch 2 TS. Ngô Hà Quang Thịnh Phản biện 1 3 TS. Võ Hoàng Duy Phản biện 2 4 TS. Nguyễn Hùng Ủy viên 5 TS. Nguyễn Hoài Nhân Ủy viên, Thư ký Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có). Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn Khoa quản lý chuyên ngành TRƯỜNG ĐH KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG QLKH – ĐTSĐH Độc lập - Tự do - Hạnh phúc Tp. Hồ Chí Minh, ngày 16 tháng 06 năm 2017 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN VĂN HÒA Giới tính: Nam. Ngày, tháng, năm sinh: 20/10/1983 Nơi sinh: Bắc Ninh Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ điện tử MSHV: 1441840009 I. TÊN ĐỀ TÀI Ứng dụng thuật toán tiến hóa ước lượng tham số điều khiển con lắc ngược II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG a. Nhiệm vụ của đề tài  Nghiên cứu các phương pháp điều khiển.  Xác định mô hình toán học của Con lắc ngược quay.  Xây dựng mô hình và thuật toán điều khiển.  Mô phỏng sử dụng Matlab.  Thi công mô hình để kiểm nghiệm thực tế.  Nhận xét kết quả đạt được và so sánh với các kết quả đã được trong và ngoài nước. Nội dung của đề tài  Phần 1: Nghiên cứu các phương pháp điều khiển, từ đó đưa ra các vấn đề cần giải quyết để phục vụ cho việc xây dựng mô hình.  Phần 2: Xác định mô hình toán học của Con lắc ngược quay.  Phần 3: Xây dựng mô hình và thuật toán điều khiển, mô phỏng đáp ứng bằng phần mềm Matlab Simulink.  Phần 4: Thi công mô hình thực nghiệm. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: ngày 23 tháng 01 năm 2016. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: ngày 16 tháng 06 năm 2017. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. NGUYỄN THANH DŨNG CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên và chữ ký) TS. Nguyễn Thanh Dũng i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng luận văn với nội dung “Ứng dụng thuật toán tiến hóa ước lượng tham số điều khiển con lắc ngược” là công trình nghiên cứu của riêng tôi, dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Thanh Dũng. Các số liệu, kết quả mô phỏng nêu trong luận văn là trung thực, có nguồn trích dẫn và chưa được công bố trong các công trình nghiên cứu khác. Hồ Chí Minh, ngày 16 tháng 06 năm 2017 Người thực hiện luận văn Nguyễn Văn Hòa ii LỜI CẢM ƠN Xin cảm ơn Trường Đại học Công nghệ thành phố Hồ Chí Minh, cùng Quý Thầy, Cô đã tận tình truyền đạt kiến thức và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho lớp chúng tôi trong suốt quá trình học cao học. Với lòng tri ân sâu sắc, tôi muốn nói lời cám ơn đến Thầy TS. Nguyễn Thanh Dũng, người đã nhiệt tình hướng dẫn và chỉ bảo cho tôi trong suốt thời gian thực hiện nghiên cứu đề tài này. Cám ơn lãnh đạo Khoa Cơ – Điện – Điện tử và quý Thầy Cô trong khoa đã giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện đề tài. Cám ơn tất cả các bạn trong khóa học, những người cùng chung chí hướng trong con đường tri thức để tất cả chúng ta có được kết quả ngày hôm nay. Cảm ơn gia đình và những người thân đã động viên, hỗ trợ tôi trong suốt thời gian thực hiện nghiên cứu này. Xin trân trọng gửi lòng tri ân và cảm ơn quý Thầy Cô. Hồ Chí Minh, ngày 16 tháng 06 năm 2017 Người thực hiện luận văn Nguyễn Văn Hòa iii TÓM TẮT Trong nhiều năm trở lại đây, hệ thống con lắc ngược quay được biết đến là một nền tảng thử nghiệm phổ biến để đánh giá các thuật toán điều khiển khác nhau và là một trong những mô hình cơ bản trong lý thuyết điều khiển do tính chất phi tuyến và không ổn định của nó. Nhiều phương pháp điều khiển từ cổ điển đến hiện đại đã được áp dụng trên hệ thống con lắc ngược quay. Trên cơ sở tìm hiểu về hệ thống con lắc ngược quay, thông qua luận văn này, người thực hiện muốn vận dụng các kiến thức đã được học để chế tạo một mô hình con lắc ngược quay có thể sử dụng trong việc nghiên cứu các thuật toán điều khiển. từ đó có thể ứng dụng các thuật toán này trong các ứng dụng thực tế trong nhiều lĩnh vực của đời sống. iv ABSTRACT For the past many years till now, the rotary inverted pendulum is known to be a popular basic experiment in oder to evaluate the different control algorithms and be one of the basic model in control theory due to its non - linearity and unstable. Many methods of control from classic to modern have been applied on the rotary inverted pendulum. Based on the learning about it, through this thesis, I want to use the knowledge that I have been studied to model the rotary inverted pendulum which can be used to research in the control algorithms. Hopefully, then comming out of the lab and into the world. v MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN . iv MỤC LỤC . v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT . viii DANH MỤC CÁC BẢNG. x DANH MỤC HÌNH ẢNH . xi Chương 1: MỞ ĐẦU .1 Lý do chọn đề tài .2 Mục đích nghiên cứu .3 Phương pháp nghiên cứu .4 Phạm vi nghiên cứu .5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn .1 Ý nghĩa khoa học .2 Ý nghĩa thực tiễn.6 Bố cục của luận văn. 2 Chương 2: TỔNG QUAN .1 Giới thiệu về hệ thống con lắc ngược quay .2 Ứng dụng của hệ thống con lắc ngược quay .3 Tổng quan về các bài toán trên hệ thống con lắc ngược quay .2 Cân bằng con lắc .4 Các nghiên cứu trong và ngoài nước công bố .5 Nhiệm vụ và mục tiêu của luận văn. 7 Chương 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .1 Giới thiệu sơ lược hệ thống con lắc ngược quay.2 Thiết lập mô hình toán học hệ thống con lắc ngược quay .2 Mô hình hóa hệ thống con lắc ngược quay .3 Tuyến tính hóa từ mô hình phi tuyến .4 Lý thuyết về giải thuật toán tiến hóa GA (Genetic Algorithm) .2 Các tính chất đặc thù của thuật toán di truyền.3 Các phép toán của thuật toán di truyền .4 Hàm thích nghi (Fitness) .4 Cấu trúc của thuật toán di truyền tổng quát .5 Tối ưu hóa bộ điều khiển PID bằng giải thuật di truyền .6 Thiết kế bộ điều khiển LQR .2 Thiết kế dùng Matlab . 31 Chương 4: MÔ PHỎNG .1 Hệ phương trình RIP (Rotary Inverted Pendulum).2 Xây dựng mô hình - Mô phỏng RIP .1 Xây dựng mô hình RIP .2 Kết quả mô phỏng .3 Mô phỏng RIP (Rotary Inverted Pendulum) dùng thuật toán LQR.1 Mô hình Matlab Simulink .4 Mô phỏng RIP (Rotary Inverted Pendulum) dùng thuật toán GA-PID.1 Xây dựng file Init.2 Xây dựng fileMutate_Random.3 Xây dựng file “Mutate_Uniform.4 Xây dựng file GA-PID.5 Mô hình Matlab Simulink .6 Thông số PID tìm được sau khi chạy 20000 thế hệ .45 Chương 5: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG .1 Thiết kế mô hình RIP (Rotary Inverted Inverted) .1 Mô hình RIP.2 Thiết kế con lắc (Pendulum) .4 Trụ đỡ đế trên và đế dưới.6 Cánh tay con lắc .2 Thiết kế điện mô hình RIP .2 Sơ đồ nguyên lý – chức năng các khối . 53 Chương 6: TỔNG KẾT .1 Kết quả đạt được.2 Hạn chế và hướng khắc phục .3 Hướng phát triển của đề tài . 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO . 59 viii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT RIP (Rotary Inverted Pendulum) Con lắc ngược quay PID (Proportional Integral Derivative) Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ LQR (Linear Quadratic Regulator) Bộ điều khiển bậc hai tuyến tính GA (Genetic Algorithm) Thuật toán di truyền NST Nhiễm sắc thể DC (Direct current) Dòng điện một chiều Ax Thành phần X của lực tác động lên con lắc ở điểm A Ay Thành phần Y của lực tác động lên con lắc ở điểm A Α Vị trí của con lắc ̇ Tốc độ của con lắc ̈ Gia tốc của con lắc Beq Hệ số ma sát nhớt G Gia tốc trọng trường Im Dòng điện vào mạch phần ứng động cơ DC JB Là moment quán tính của con lắc quy về trọng tâm Jeq Là moment quán tính của cánh tay và con lắc về trục của Jm Moment quán tính của động cơ DC Kg Tỉ số truyền từ động cơ qua tải Km Hằng số phản hồi L ½ chiều dài con lắc Lm Điện cảm phần ứng M Khối lượng của con lăc R Bán kính quay của cánh tay Rm Điện trở phần ứng Tl Moment xoay của tải Tm Moment xoay của động cơ Vị trí góc của cánh tay và của trục tải ̇ Vộc tốc của trục tải ix ̈ Gia tốc của trục tải Vị trí của trục động cơ Vemf Điện áp phản hồi Vm Điện áp vào phần ứng Là hiệu suất của bộ truyền ̇ Vận tốc của con lắc ở trọng tâm theo hướng x ̇ Vận tốc của con lắc ở trọng tâm theo hướng y ̈ Gia tốc của con lắc ở trọng tâm theo hướng x ̈ Gia tốc của con lắc ở trọng tâm theo hướng y x DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1 Thông số hệ thống .2 Các nhiễm sắc thể và các giá trị thích nghi.3 Kết quả tính toán cho các nhiễm sắc thể.4 Quần thể mới .5 So sánh thông số của bộ điều khiển PID theo các tiêu chuẩn thiết kế .6 So sánh các chỉ tiêu chất lượng điều khiển . 30 xi DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1 Mô hình con lắc .2 Các vị trí đặc biệt của con lắc .3 Hệ thống KRi – PP300 .1 Mô hình hệ thống con lắc ngược quay .2 Sơ đồ mạch điện tương đương của động cơ DC .3 Cấu trúc hình học hệ con lắc ngược quay .