(Luận văn thạc sĩ) Điều khiển cân bằng hệ con lắc ngược

(Luận văn thạc sĩ) Điều khiển cân bằng hệ con lắc ngược(Luận văn thạc sĩ) Điều khiển cân bằng hệ con lắc ngược(Luận văn thạc sĩ) Điều khiển cân bằng hệ con lắc ngược(Luận văn thạc sĩ) Điều khiển cân bằng hệ con lắc ngược(Luận văn thạc sĩ) Điều khiển cân bằng hệ con lắc ngược(Luận văn thạc sĩ) Điều khiển cân bằng hệ con lắc ngược(Luận văn thạc sĩ) Điều khiển cân bằng hệ con lắc ngược(Luận văn thạc sĩ) Điều khiển cân bằng hệ con lắc ngược(Luận văn thạc sĩ) Điều khiển cân bằng hệ con lắc ngược(Luận văn thạc sĩ) Điều khiển cân bằng hệ con lắc ngược(Luận văn thạc sĩ) Điều khiển cân bằng hệ con lắc ngược(Luận văn thạc sĩ) Điều khiển cân bằng hệ con lắc ngược(Luận văn thạc sĩ) Điều khiển cân bằng hệ con lắc ngược(Luận văn thạc sĩ) Điều khiển cân bằng hệ con lắc ngược(Luận văn thạc sĩ) Điều khiển cân bằng hệ con lắc ngược(Luận văn thạc sĩ) Điều khiển cân bằng hệ con lắc ngược(Luận văn thạc sĩ) Điều khiển cân bằng hệ con lắc ngược

LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa ngồi tơi cơng bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2021 (Ký tên ghi rõ họ tên) ix LỜI NÓI ĐẦU Kỹ thuật điều khiển lĩnh vực Điều khiển Tự động khơng đóng vai trị quan trọng q trình tự động hóa giới nói chung nói Việt Nam nói riêng Mọi q trình tự động hóa u cầu ngày cao độ xác, tin cậy, khả làm việc môi trường khắc nghiệt với thời gian dài hệ thống Điều khiển tự động Vì vậy, việc nghiên cứu phát triển hệ thống để đáp ứng yêu cầu việc cần thiết Trong lĩnh vực điều khiển tự động, kỹ thuật điều khiển thông minh, điều khiển đại với ứng dụng mạng nơron, PID kinh điển, logic mờ, điều khiển lai, điều khiển trượt, v.v xem ngành kỹ thuật tương lai Nhờ có giải thuật điều khiển mà máy móc thiết bị, mơ hình nghiên cứu điều khiển tự động hóa, robot ngày đạt ổn định tối ưu Đối với sinh viên chuyên ngành Điều khiển Tự động, với yêu thích, đam mê, với nhận thấy lĩnh vực mới, hứa hẹn mở nhiều triển vọng Nhằm đóng góp nghiên cứu, người thực định chọn đề tài: “ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG HỆ CON LẮC NGƯỢC” để tiến hành nghiên cứu Mặc dù người thực đề tài cố gắng hoàn thành nhiệm vụ đề tài đặt chắn không tránh khỏi thiếu sót, mong q Thầy/Cơ bạn học viên thông cảm Người thực đề tài mong nhận ý kiến đóng góp q Thầy/Cơ bạn học viên để đề tài hoàn thiện Xin chân thành cảm ơn! x LỜI CẢM TẠ Để luận văn đạt kết tốt đẹp, nhận nhiều hỗ trợ, giúp đỡ q Thầy/Cơ bạn Với tình cảm sâu sắc, chân thành, cho phép bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến tất cá nhân tạo điều kiện giúp đỡ trình học tập nghiên cứu đề tài Đặc biệt xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy TS Vũ Văn Phong, trưởng môn Tự động hóa quan tâm giúp đỡ, hướng dẫn tơi hồn thành tốt luận văn thời gian qua Tôi xin bày tỏ lịng biết ơn đến q thầy Khoa Điện – Điện Tử, khoa Đào tạo Chất lượng cao trực tiếp gián tiếp giúp đỡ suốt trình học tập nghiên cứu đề tài Với điều kiện thời gian kinh nghiệm hạn chế học viên, luận văn khơng thể tránh thiếu sót Tơi mong nhận bảo, đóng góp ý kiến thầy để tơi có điều kiện bổ sung, nâng cao ý thức mình, phục vụ tốt công tác nghiên cứu thực tế sau Tôi xin chân thành cảm ơn! xi TÓM TẮT Trong luận văn sinh viên thiết kế điều khiển để cân lắc ngược Mơ hình tốn hệ thống lắc ngược xây dựng dựa theo phương pháp Euler-Lagrange Các thông số chưa biết hệ thống xác định qua việc đo đạc, tính tốn nhận dạng Bộ điều khiển LQR - Swing Up LQR - Swing Down thiết kế để điều khiển hệ hai trạng thái bất ổn định Ngoài ra, quan sát tuyến tính thiết kế để ước lượng biến trạng thái không đo điều khiển kết hợp với quan sát tuyến tính thiết kế để ổn định hóa cho hệ lắc ngược Trong luận án này, điều khiểu LQG, FLQR FLQG thiết kế để điều khiển hệ thống lắc ngược điều kiện có nhiễu đo lường, nhiễu hệ thống thành phần bất định hệ thống Trước nhúng giải thuật vào mơ hình thực tế, người thực kiểm chứng đáp ứng hệ thống với giải thuật LQR, LMI, LQG, FLQR, FLQG môi trường mô Với kết ổn định từ việc mô phỏng, người thực nhúng chương trình xuống board vi điều khiển Aruino Mega 2560 Vi điều khiển kết nối với ngoại vi cần thiết để đo đạc biến trạng thái điều khiển cấu chấp hành cho mơ encoder, cầu H, nút nhấn, … xii ABSTRACT First of all, we design the inverted pendulum model and analyse these dynamic equations of the system using Euler-Lagrange method These unknown parameters from the system could be determined using the measurement, computing and identifying process Based on that result, the LQR - Swing Up and LQR - Swing Down control system is designed for controlling two unstable point, designing the linear observers and control system for IPC, LQG, FLQR and FLQG in order to compare with the advantages and disadvantages of each algorithms as well as evaluating the uncertainties and results from measurement noises or system ones Before integrating into a practical system, we could evaluate the outputs of this system using LQR, LMI, LQG, FLQR and FLQG algorithm based on this simulating environment According to these simulating results, we could implement these algorithms on Arduino MEGA 2560 This microcontroller is connected to peripheral ports using for measuring and controlling the system actuators such as two encoders, H-bridges, button …etc xiii MỤC LỤC LÝ LỊCH KHOA HỌC i LỜI CAM ĐOAN ix LỜI NÓI ĐẦU x LỜI CẢM TẠ xi TÓM TẮT xii ABSTRACT xiii MỤC LỤC xiv DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT .x DANH SÁCH CÁC HÌNH xi DANH SÁCH CÁC BẢNG .xv TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan hướng nghiên cứu, tóm tắt kết nghiên cứu nước, vấn đề khoa học tồn cần nghiên cứu để giải .1 1.1.1 Đặt vấn đề 1.1.2 Các kết nghiên cứu nước .2 1.1.3 Những vấn đề tồn luận văn tập trung giải .3 1.2 Tính cấp thiết, ý nghĩa khoa học sở thực tiễn đề tài 1.3 Mục tiêu nghiên cứu 1.4 Đối tượng nghiên cứu 1.5 Nhiệm vụ giới hạn đề tài .4 1.6 Phương pháp nghiên cứu CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Đặt hệ trục tọa độ cho hệ lắc ngược xe .5 2.2 Tốn học hóa quan hệ vào .6 2.3 Tuyến tính hóa quanh điểm làm việc tĩnh 11 xiv THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN .11 3.1 Cơ sở lý thuyết điều khiển 11 3.1.1 Bộ điều khiển LQR 11 3.1.2 Bộ điều khiển LQG 13 3.1.3 Thiết kế điều khiển LMI - quan sát điều khiển dựa quan sát sử dụng định lý Lyapunov [21] 14 3.1.4 Thiết kế điều khiển phối hợp FLQR FLQG: 20 22 THI CƠNG MƠ HÌNH 22 4.1 Thiết kế mơ hình khí 22 4.2 Kết nối phần điện tử cho mơ hình lắc ngược xe .22 4.2.1 Vi xử lý Arduino Mega2560 23 4.2.2 Encoder .23 4.2.3 Động DC 24 4.2.4 Cầu H HI 216 24 4.3 Phần mềm 25 4.4 Thi công mơ hình thực tế .26 28 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU .28 5.1 Kết mô 28 5.1.1 Các thông số ban đầu mô 28 5.1.2 Thiết kế điều khiển LQR, Swing Up Swing Down 29 5.1.3 Thiết kế điều khiển LQG .39 5.1.4 Thiết kế điều khiển LMI 43 5.1.5 Thiết kế điều khiển Fuzzy 47 5.1.6 Thiết kế điều khiển F-LQR 52 5.1.7 Thiết kế điều khiển F-LQG 57 5.2 Kết thực tế 62 xv 5.3 Kết so sánh phương pháp 64 5.3.1 So sánh kết giải thuật LQR LQG 64 5.3.2 So sánh kết giải thuật FLQR FLQG .65 5.3.3 So sánh kết giải thuật 67 69 KẾT LUẬN 69 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 xvi DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT LQR Linear Quadratic Regulator LQG Linear Quadratic Gaussian LMI Linear Matrix Inequality BMI Bilinear Matrix Inequality FLQR Fuzzy - Linear Quadratic Regulator FLQG Fuzzy - Linear Quadratic Gaussian LFF Linear Fusion Function HJ Hamilton - Jacobi PTVP Phương trình vi phân PTTT Phương trình trạng thái POT Độ vọt lố Ess Sai số xác lập Tr Thời gian lên Tss Thời gian xác lập Ts Thời gian lấy mẫu IPC Inverted Pendulum on Cart x DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 2.1: Hệ trục tọa độ cho hệ xe lắc ngược Hình 3.1: Sơ đồ khối cấu trúc điều khiển LQR 11 Hình 3.2: Sơ đồ khối cấu trúc hệ thống sử dụng giải thuật LQG .13 Hình 3.3: Sơ đồ khối cấu trúc quan sát với hệ IPC 14 Hình 3.4: Sơ đồ khối cấu trúc điều khiển dựa quan sát .16 Hình 3.5: Sơ đồ khối cấu trúc điều khiển FLQR 20 Hình 3.6: Sơ đồ khối cấu trúc điều khiển FLQG .21 Hình 4.1: Cấu trúc phần cứng hệ xe lắc ngược 22 Hình 4.2: Sơ đồ khối kết nối phần điện tử 22 Hình 4.3: Board vi xử lý Arduino Mega 2560 23 Hình 4.4: Encoder sử dụng cho lắc trượt .23 Hình 4.5: Động Nidec 24 Hình 4.6: Cầu H điều khiển động .25 Hình 4.7: Phần mềm Matlab .25 Hình 4.8: Phần mềm Arduino IDE 26 Hình 4.9: Mạch điều khiển 26 Hình 4.10: Tổng quan phần mạch điều khiển mạch cơng suất 27 Hình 4.11: Tổng quan phần cấu khí mơ hình 27 Hình 5.1: Hệ xe lắc ngược sử dụng giải thuật LQR Swing Up 30 Hình 5.2: [LQR (TOP)] đáp ứng trục X mơ hình (cm - giây) 31 Hình 5.3: [LQR (BOT)] đáp ứng góc nghiên mơ hình (độ - giây) .31 Hình 5.4: [LQR – Swing Up] đáp ứng trục X mô hình (cm - giây) 32 Hình 5.5: [LQR – Swing Up] đáp ứng góc nghiên mơ hình (độ - giây) 32 Hình 5.6: [LQR – Swing Up] đáp ứng trục X mơ hình nhiều điểm đặt khác (cm - giây) 33 Hình 5.7: [LQR – Swing Up] đáp ứng góc nghiên mơ hình nhiều điểm đặt khác (độ - giây) .33 Hình 5.8: Hệ xe lắc ngược sử dụng giải thuật LQR Swing Down 35 Hình 5.9: [LQR (BOT)] đáp ứng trục X mơ hình (cm - giây) 36 xi 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 S K L 0 ... định hóa cho hệ lắc ngược Trong luận án này, điều khiểu LQG, FLQR FLQG thiết kế để điều khiển hệ thống lắc ngược điều kiện có nhiễu đo lường, nhiễu hệ thống thành phần bất định hệ thống Trước... ưu điểm Các thuật toán điều khiển (đặc biệt thuật toán điều khiển cân bằng) ngày nhà khoa học quan tâm quan trọng ứng dụng Để thực việc điều khiển cân cho hệ thống cân bằng, cần phải có cách... trợ giải tìm K 3.1.2 Bộ điều khiển LQG Có phần tương tự điều khiển LQR, điều khiển LQG xem xét điều khiển tối ưu cho hệ hệ thống chịu tác động nhiễu Gauss, xem xét điều khiển tốt LQR trường hợp