Ứng dụng giải thuật di truyền tối ưu hóa các phương pháp điều khiển tuyến tính cho hệ con lắc ngược quay một bậc

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CNKT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA ỨNG DỤNG GIẢI THUẬT DI TRUYỀN TỐI ƯU HÓA CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TUYẾN TÍNH CHO HỆ CON LẮC NGƯỢC QUAY MỘT BẬC GVHD: PhD NGUYỄN VĂN ĐÔNG HẢI SVTH: NGUYỄN NGỌC THIỆN NGUYỄN THANH TÙNG SKL009759 Tp Hồ Chí Minh, tháng 12/2022 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ  ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Ngành Công nghệ kỹ thuật điều khiển tự động hóa ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG GIẢI THUẬT DI TRUYỀN TỐI ƯU HÓA CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TUYẾN TÍNH CHO HỆ CON LẮC NGƯỢC QUAY MỘT BẬC GVHD PhD Nguyễn Văn Đông Hải Nguyễn Ngọc Thiện MSSV: 18151245 Nguyễn Thanh Tùng MSSV: 18151258 SVTH Tp.Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM KHOA: ĐIỆN – ĐIỆN TỬ CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC - -  NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TÊN ĐỀ TÀI: “Ứng dụng giải thuật di truyền tối ưu hoá phương pháp điều khiển tuyến tính cho hệ lắc ngược quay bậc” NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG  Nghiên cứu phương pháp điều khiển tối ưu LQR, điều khiển đặt cực giải thuật di truyền GA  Xây dựng phương trình động lực học hệ lắc ngược quay  Xây dựng điều khiển LQR, điều khiển phân bố cực mô hệ thống phần mềm Matlab Simulink  Xây dựng chương trình GA tối ưu hoá phương pháp điều khiển LQR đặt cực Matlab để tìm thơng số phù hợp làm cho hệ thống cân ổn định vị trí mong muốn  Xây dựng chương trình vi điều khiển phần mềm Arduino IDE, tiến hành thu thập liệu Terminal để vẽ đồ thị SẢN PHẨM  Mơ hình vật lý hệ lắc ngược quay  Chương trình điều khiển Arduino, chương trình Matlab  Quyển báo cáo đồ án tốt nghiệp GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: TS Nguyễn Văn Đông Hải NGÀY GIAO ĐỀ TÀI: Ngày 25 tháng năm 2022 NGÀY HOÀN THÀNH ĐỀ TÀI: Ngày 25 tháng 12 năm 2022 TP.HCM, ngày… tháng … năm 2022 Giáo viên hướng dẫn TP HCM, ngày … tháng … năm 2022 Chủ nhiệm môn BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM KHOA: ĐIỆN – ĐIỆN TỬ CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC - -  PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ tên sinh viên Ngành Tên đề tài Nguyễn Ngọc Thiện MSSV: 18151245 Nguyễn Thanh Tùng MSSV: 18151258 Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa Ứng dụng giải thuật di truyền tối ưu hóa phương pháp điều khiển tuyến tính cho hệ lắc ngược quay bậc Họ tên giảng viên phản biện NHẬN XÉT Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện: Ưu điểm: Khuyết điểm: Đề nghị cho bảo vệ hay không ? Đánh giá loại: Điểm: (Bằng chữ: ) Tp HCM, ngày….tháng năm 2022 Giảng viên phản biện LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành đồ án tốt nghiệp, khó khăn q trình thực khơng thể tránh khỏi Luận văn khó hồn thành khơng có nhiệt tình giúp đỡ, hỗ trợ thầy cô, bạn bè hỗ trợ sở vật chất trường đại học Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh Chúng em xin chân thành cảm ơn đến thầy Nguyễn Văn Đông Hải quan tâm, hướng dẫn tận tình đến tạo điều kiện tốt sở vật chất, trang thiết bị học tập Hơn nữa, thầy hướng dẫn, cung cấp cho nhóm tài liệu, kiến thức chuyên môn quý báu với lời động viên, khích lệ tinh thần học tập giúp nhóm chúng em hồn thành đồ án Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy cô giáo Khoa Điện – Điện tử cung cấp cho chúng em kiến thức tảng để hồn thành đồ án Tuy nhiên, đồ án khó tránh khỏi thiếu sót, mong nhận ý kiến đóng góp quý thầy để hồn thiện Chúng em xin chân thành cảm ơn MỤC LỤC TÓM TẮT DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ ĐỐI CHIẾU CHƯƠNG TỔNG QUAN 10 1.1 Tổng quan chung lĩnh vực nghiên cứu, kết nghiên cứu nước quốc tế công bố 10 1.1.1 Tổng quan chung lĩnh vực nghiên cứu 10 1.1.2 Các kết nghiên cứu nước giới công bố 10 1.2 Mục tiêu đề tài 11 1.3 Nhiệm vụ đề tài .11 1.4 Phương pháp nghiên cứu .12 1.5 Giới hạn đề tài .12 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 13 2.1 Hệ thống điều khiển hồi tiếp trạng thái (FSF – Full State Feedback) 13 2.2 Phương pháp phân bố cực 13 2.3 Thiết kế điều khiển đặt cực cho hệ thống RIP .14 2.4 Giải thuật di truyền 15 2.5 Phương pháp điều khiển tối ưu LQR 18 2.6 Thiết kế điều khiển tối ưu LQR cho hệ thống RIP .20 CHƯƠNG CẤU TRÚC CỦA HỆ THỐNG CON LẮC NGƯỢC QUAY .22 3.1 Giới thiệu hệ thống lắc ngược quay .22 3.2 Phương trình tốn học 24 CHƯƠNG THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH VẬT LÝ 34 4.1 Mơ hình hoàn chỉnh hệ thống RIP 34 4.2 Thi cơng mơ hình vật lý hệ thống RIP 34 4.1.1 Board Arduino Mega 2560 36 4.1.2 Mạch cầu H L298N 39 4.1.3 Encoder 42 4.1.4 Lựa chọn động 43 4.1.5 Bộ nguồn tổ ong 5V 44 CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 46 5.1 Kết mô hệ thống RIP ứng dụng giải thuật GA tối ưu hóa LQR 46 5.2 Kết mô hệ thống RIP ứng dụng giải thuật GA tối ưu hóa đặt cực 48 CHƯƠNG 6: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 52 6.1 Kết thực nghiệm hệ thống RIP ứng dụng giải thuật GA tối ưu hóa LQR 52 6.1.1 Thế hệ GA tối ưu hóa LQR với Jmin = 0.1139 .52 6.1.2 Thế hệ GA tối ưu hóa LQR với Jmin = 0.1341 .55 6.1.3 Thế hệ GA tối ưu hóa LQR với Jmin = 1.8232 .58 6.1.4 Thế hệ GA tối ưu hóa LQR với Jmin = 2.7134 .60 6.2 Kết thực nghiệm hệ thống RIP ứng dụng giải thuật GA tối ưu hóa phương pháp đặt cực .63 6.2.1 Thế hệ GA tối ưu hóa đặt cực với Jmin = 0.1791 63 6.2.2 Thế hệ GA tối ưu hóa đặt cực với Jmin = 0.6832 65 6.2.3 Thế hệ GA tối ưu hóa đặt cực với Jmin = 2.0250 67 6.2.4 Thế hệ GA tối ưu hóa đặt cực với Jmin = 4.3878 69 CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 73 7.1 Kết luận .73 7.2 Hạn chế 73 7.3 Hướng phát triển 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO .74 PHỤ LỤC 75 I Chương trình GA tối ưu hoá LQR 75 II Chương trình GA tối ưu hố đặt cực 79 III Chương trình Arduino 84 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ ĐỐI CHIẾU RIP Rotary Inverted Pendulum LQR Linear Quadratic Regulator GA Genetic Algorithm PWM Pulse Width Modulation SMC Sliding Mode Control PID Proportional Integral Derivative SIMO Single Input - Multiple Output LQG Linear Quadratic Gausian FSF Full State Feedback DC Direct Current NST Nhiễm Sắc Thể DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1 Những kí hiệu hệ lắc ngược quay 25 Bảng 3.2 Thông số động 29 Bảng 4.1 Danh sách phần cứng thiết bị hệ lắc ngược quay 35 Bảng 4.2 Thông số kỹ thuật Arduino Mega 2560 Board .36 Bảng 4.3 Thông số kỹ thuật mạch cầu H L298N 41 Bảng 4.4 Thông số Encoder lắc 42 Bảng 4.5 Thông số động Servo Nisca NF5475E DC .43 Bảng 4.6 Thông số kỹ thuật động encoder DC 43 Bảng 5.1 thơng số GA tối ưu hóa LQR tìm qua hệ 46 Bảng 5.2 thơng số GA tối ưu hóa đặt cực tìm qua hệ 48 PHỤ LỤC J = 10^100; fitness(pop_index)=1/(J+eps); end end; [bestfit(generation),bestchrom]=max(fitness); if generation == max_generation Terminal = 1; elseif generation>1, if abs(bestfit(generation)-bestfit(generation-1)) 9800) && (J < Jmin) %% hàm thích nghi chạy đủ 10000 mẫu (100s) dừng clc p = [p1 p2 p3 p4] K Jmin = J fitness(pop_index)=1/(J+eps); else J = 10^100; fitness(pop_index)=1/(J+eps); end end; 83 PHỤ LỤC [bestfit(generation),bestchrom]=max(fitness); %% cá thể có p1, p2, p3, p4 làm cho J nhỏ nhất, tức best fit lớn chọn làm cá thể tối ưu sau chạy chương trình GA, tức cá thể bestchrom if generation == max_generation Terminal = 1; elseif generation>1, if abs(bestfit(generation)-bestfit(generation-1))