BÁO CÁO MÔN HỌC MÔN NHẬN DẠNG VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN -⸙∆⸙ - BÁO CÁO MÔN HỌC MÔN: NHẬN DẠNG VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG GVHD: TS Trần Đức Thiện SVTH: Lý Phi Cường 19151206 Văn Hoàng Phước Tồn 19151298 Bùi Minh Khơi 19151245 Tp Hồ Chí Minh tháng năm 2022 LỜI CẢM ƠN Chúng em chân thành cảm ơn, quý thầy cô trường Đại Học Sư Phạm kỹ Thuật TP.HCM nói chung q thầy mơn Điều khiển tự động nói riêng, trang bị kiến thức giúp đỡ chúng em, giải khó khăn q trình làm báo cáo mơn học Đặc biệt chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Trần Đức Thiện, giảng viên trường Đại học Sư phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh hướng dẫn, cung cấp tài liệu để nhóm hồn thành báo cáo Sau nhóm xin cảm ơn bạn bè giúp đỡ để báo cáo mơn học hồn thành tốt đẹp Tuy nhiên chưa tự nghiên cứu kĩ lưỡng chuyên môn cịn hạn chế, nên khơng tránh khỏi sai sót Chúng em mong nhận thơng cảm, góp ý hướng dẫn quý thầy cô bạn Xin chúc quý thầy cô nhiều sức khoẻ thành cơng q trình cơng tác học tập Chúng em xin chân thành cảm ơn Tp Hồ Chí Minh, ngày 28 tháng 06 năm 2022 Sinh viên thực Lý Phi Cường - Bùi Minh Khôi – Văn Hoàng Phước Toàn MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .i MỤC LỤC ii DANH SÁCH HÌNH ẢNH iv DANH SÁCH BẢNG vi PHẦN MỞ ĐẦU 1 Đặt vấn đề Mục tiêu Giới hạn .2 Phương pháp nghiên cứu Nội dung nghiên cứu CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ XE CON LẮC NGƯỢC .4 1.1 Mơ hình hệ xe lắc ngược 1.2 Mơ hình tốn học hệ xe lắc ngược .5 1.3 Mơ hình hóa hệ xe lắc ngược .7 CHƯƠNG 2: NHẬN DẠNG THƠNG SỐ MƠ HÌNH SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP BÌNH PHƯƠNG CỰC TIỂU .10 2.1 Mơ hình tốn hệ xe lắc ngược 10 2.2 Các bước xây dựng mơ hình thu thập liệu từ hệ thống: .11 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN LQR CHO HỆ XE CON LẮC NGƯỢC .18 3.1 Lý thuyết điều khiển LQR .18 3.2 Thiết kế mô điều khiển LQR cho hệ xe lắc ngược 20 3.3 Mơ hình điều khiển LQR cho hệ xe lắc ngược trường hợp có nhiễu đo lường 26 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ KHẢO SÁT BỘ LỌC KALMAN CHO HỆ XE CON LẮC NGƯỢC 29 4.1 Lý thuyết lọc Kalman 29 4.2 Thiết kế khảo sát lọc Kalman cho hệ xe lắc ngược .30 CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN LQG CHO HỆ XE CON LẮC NGƯỢC 34 5.1 Lý thuyết điều khiển LQR .34 5.2 Thiết kế mô điều khiển LQG cho hệ xe lắc ngược 34 CHƯƠNG 6: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SLIDING MODE CONTROL CHO HỆ XE CON LẮC NGƯỢC 36 6.1 Lý thuyết điều khiển trượt .36 6.2 Xây dựng mơ hình mơ điều khiển trượt 38 6.3 Kết luận điều khiển trượt 42 TÀI LIỆU THAM KHẢO 43 DANH SÁCH HÌNH ẢNH Hình 1.1: Mơ hình hệ lắc ngược Hình 2.1: Mơ hình thu thập liệu từ hệ thống 12 Hình 2.2: Mơ hình tốn hệ Xe lắc ngược 12 Hình 2.3: Đặt thơng số đầu vào tác động đến hệ thống 13 Hình 2.4: Tín hiệu ngõ vào lực tác động hệ thống 14 Hình 2.5: Tín hiệu ngõ góc Theta 14 Hình 2.6: Tín hiệu ngõ Vị trí xe 15 Hình 2.7: Thu thập liệu từ phương trình vi phân từ ngõ hệ thống 15 Hình 2.8: Kết sau thu thập 16 Hình 3.1: Bộ điều khiển LQR .18 Hình 3.2: Mơ hình mơ hệ lắc ngược 20 Hình 3.3: Mơ hình mơ điều khiển LQR cho hệ lắc ngược .21 Hình 3.4: Đáp ứng độ lượng tiêu tốn hệ trường hợp .23 Hình 3.5: Đáp ứng độ lượng tiêu tốn hệ trường hợp .24 Hình 3.6: Đáp ứng độ lượng tiêu tốn hệ trường hợp .25 Hình 3.7: Mơ hình mơ điều khiển LQR cho hệ xe lắc có nhiễu .26 Hình 3.8: Nhiễu đo vị trí xe .27 Hình 3.9: Nhiễu đo góc lệch lắc 27 Hình 3.10: Đáp ứng độ lượng tiêu tốn hệ thống có nhiễu đo lường 28 Hình 4.1: Bộ lọc Kalman 30 Hình 4.2: Mơ hình mơ khảo sát lọc Kalman 33 Hình 4.3: So sánh tín hiệu trước sau qua lọc Kalman cho góc lệch 34 Hình 4.4: So sánh tín hiệu trước sau qua lọc Kalman cho vị trí xe 34 Hình 5.1: Mơ hình mơ điều khiển LQG cho hệ lắc ngược .35 Hình 5.2: Đáp ứng độ lượng tiêu tổn dùng điều khiẻn LQG 36 Hình 6.1: Mơ hình mô điều khiển trượt .40 Hình 6.2: Tín hiệu đầu vào thay đổi vị trí xe 41 Hình 6.3: Tín hiệu đầu vào tác động đến vị trí xe .42 Hình 6.4: Tín hiệu quan sát ngõ hệ thống 42 DANH SÁCH BẢNG Bảng 1: Thơng số liên quan đến phương trình vi phân :………………… 17 Bảng 2: Thông số liên quan đến phương trình vi phân :……………… 17 PHẦN MỞ ĐẦU PHẦN MỞ ĐẦU Đặt vấn đề Với thời đại 4.0 thứ vận hành tự động để vận hành hệ thống ta phải có thơng số mơ hình cần điều khiển, điều khiển để điều khiển hệ thống hoạt động cách ổn định bám theo tín hiệu đặt mà ta đặt ban đầu Nhờ vào nội dung môn học “Nhận Dạng Và Điều Khiển Hệ Thống” giúp cho tụi em có nhìn tổng quan hệ thống để tự thiết kế điều khiển thích hợp cho hệ thống từ đơn giản đến phức tạp, đáp ứng yêu cầu cầu thực tế tương lai gần lĩnh vực điều khiển Trong lĩnh vực kỹ thuật điều khiển, “hệ xe lắc ngược” lĩnh vực nghiên cứu phổ biến đồng thời cịn hình mẫu cho việc kiểm soát ổn định hệ thống Ngày nay, có nhiều cơng trình nghiên cứu hệ thống nhà khoa học khơng ngừng thí nghiệm hệ lắc ngược bước đệm để điều khiển ổn định cân hệ thống phức tạp robot thăng bằng, tàu vũ trụ, máy bay không người lái,… Và điều khiển thông minh có nhiều điều khiển để ổn định hệ thống điều khiển kinh điển PID, LQR, LQG, Sliding Mode, Fuzzy,… Trong điều khiển LQG có khả thích ứng với hệ phi tuyến tốt, tính trực quan Với hệ xe lắc ngược có chất phi tuyến, với có nhiều chuyên gia lĩnh vực điều khiển thông minh thành công việc xây dựng điều khiển LQG Sliding Mode Control cho hệ xe lắc ngược Và lí nhóm em chọn đề tài “ Thiết kế mơ điều khiển LQG Sliding Mode Control cho hệ xe lắc ngược” BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG PHẦN MỞ ĐẦU Mục tiêu Hệ xe lắc ngược dễ bị ổn định nhiễu tác động nhỏ Vì mục tiêu đề tài thiết kế điều khiển LQG điều khiển trượt điều khiển cho xe đứng n vị trí đặt lắc bị lệch sau giữ thăng tức lệch so với phương thẳng đứng Giới hạn Đề tài dừng lại việc mô phỏng, chưa thực thực tế nên chưa điều chỉnh thông số để phù hợp với yêu cầu Ngoài hệ thống đáp ứng tốt lắc không lệch so với phương thẳng đứng Nếu lệch hệ thống cân Phương pháp nghiên cứu Dựa đề tài nghiên cứu có sách, báo, tạp chí khoa học,… từ nghiên cứu phát triển đề tài Khảo sát mơ hình hệ xe lắc để hiểu nguyên lí hoạt động hệ thống Sử dụng Matlab/Simulink phần mềm khác mơ để chạy mơ hệ thống Nhóm sử dụng phương pháp thiết kế điều khiển LQG điều khiển trượt để mơ Cùng với kinh nghiệm học học phần lý thuyết “Nhận dạng điều khiển hệ thống” để thiết kế có chọn lọc Nội dung nghiên cứu Chương 1: Tổng quan hệ xe lắc ngược Chương trình bày lý thuyết mơ hình tốn hệ xe lắc ngược Chương 2: Nhận dạng thơng số mơ hình sử dụng phương pháp bình phương cực tiểu BỘ MƠN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG PHẦN MỞ ĐẦU Chương nhận dạng thông số hệ thống để so sánh thơng số mơ hình với thơng số nhận dạng dùng phương pháp bình phương cực tiểu Chương 3: Thiết kế điều khiển LQR cho hệ xe lắc ngược Chương trình bày thiết kế mơ hình điều khiển LQR Simulink sau tiến hành mơ hệ thống Chương 4: Thiết kế khảo sát lọc Kalman cho hệ xe lắc ngược Chương trình bày thiết kế lọc Kalman sau tiến hành mơ khảo sát lọc Matlab Simulink Chương 5: Thiết kế mô phòng điều khiển LQG cho hệ xe lắc ngược Chương trình bày kết khảo sát điều khiển LQG sau áp dụng lọc Kalman vào điều khiển LQR Matlab Simulink Chương 6: Thiết kế điều khiển Sliding Mode Control cho hệ xe lắc ngược Chương trình bày thiết kế mơ hình điều khiển Sliding Mode Control Simulink sau tiến hành mơ hệ thống BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG ... hành hệ thống ta phải có thơng số mơ hình cần điều khiển, điều khiển để điều khiển hệ thống hoạt động cách ổn định bám theo tín hiệu đặt mà ta đặt ban đầu Nhờ vào nội dung môn học ? ?Nhận Dạng Và Điều. .. nghiệm hệ lắc ngược bước đệm để điều khiển ổn định cân hệ thống phức tạp robot thăng bằng, tàu vũ trụ, máy bay không người lái,… Và điều khiển thơng minh có nhiều điều khiển để ổn định hệ thống điều. .. thiết kế điều khiển LQG điều khiển trượt để mô Cùng với kinh nghiệm học học phần lý thuyết ? ?Nhận dạng điều khiển hệ thống? ?? để thiết kế có chọn lọc Nội dung nghiên cứu Chương 1: Tổng quan hệ xe lắc