Nghiên cứu điều khiển ổn định cân băng hệ thống con lắc ngược

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN NGUYỄN VĂN ĐẠT NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH CÂN BẰNG HỆ THỐNG CON LẮC NGƯỢC LUẬN VĂN THẠC SĨ CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hưng Yên – 2023 i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN NGUYỄN VĂN ĐẠT NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH CÂN BẰNG HỆ THỐNG CON LẮC NGƯỢC LUẬN VĂN THẠC SĨ CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS Đặng Quang Đồng Hưng Yên – 2023 ii LỜI MỞ 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 học 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: “Nghiên cứu điều khiển ổn định cân bằng hệ thống lắc ngược ” để tiến hành nghiên cứu Mặc dù người thực đề tài cố gắng hoàn thành nhiệm vụ đề tài đặt thời hạn quy định 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 quý Thầy/Cô bạn học viên để đề tài hoàn thiện Xin chân thành cảm ơn! Người thực đề tài Nguyễn Văn Đạt LỜI CẢM ƠN Trong q trình thực đề tài, tơi nhận giúp đỡ Qúy thầy/cô bạn, nhờ đề tài hoàn thành thời gian quy định Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến: TS Đặng Quang Đồng , Giảng viên Khoa Điện – Điện tử người tận tình hướng dẫn giúp đỡ q trình tơi thực luận văn Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý thầy cô Khoa Điện – Điện Tử, khoa Điện – điện tử cung cấp cho kiến thức tảng, để hồn thành luận văn Đồng thời, tơi xin gửi lời cảm ơn đến anh Võ Minh Tài giúp đỡ tận tình, trả lời những thắc mắc tơi suốt q trình tơi thực luận văn Tơi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình tạo điều kiện thuận lợi cho tơi sớm hồn thành đồ án Hưng Yên, ngày…tháng…năm 2022 Học viên thực Nguyễn Văn Đạt MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC BẢNG DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT MỞ ĐẦU 10 Lý lựa trọn đề tài 10 Lịch sử nghiên cứu nước 10 Mục tiêu đối tượng nghiên cứu 13 Giới hạn đề tài dàn ý nghiên cứu 13 Phương pháp nghiên cứu 14 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CẤU TRÚC HỆ CON LẮC NGƯỢC 16 1.1 GIỚI THIỆU VỀ HỆ CON LẮC NGƯỢC QUAY 16 1.2 MƠ TẢ TỐN HỌC HỆ CON LẮC NGƯỢC QUAY 17 1.2.1 Cơ sở khoa học 17 1.2.2 Phương trình động học cho hệ lắc ngược quay 18 1.2.3 Phương trình vi phân cho hệ lắc ngược quay 24 1.3 YÊU CẦU ĐIỀU KHIỂN HỆ CON LẮC NGƯỢC QUAY 27 1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 28 CHƯƠNG 2: ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN 29 2.1 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KIỂN TUYẾN TÍNH PID 29 2.1.1 Lý thuyết điều khiển PID 29 2.1.2 Điều khiển hệ lắc ngược quay sử dụng điều khiển PID 29 2.1.3 Kết mô 31 2.2 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TUYẾN TÍNH DẠNG TỒN PHƯƠNG LQR 33 2.2.1 Lý thuyết điều khiển LQR 33 2.2.2 Điều khiển lắc ngược quay sử dụng điều khiển LQR 34 2.2.3 Lý thuyết giải thuật di truyền GA 35 2.2.4 Kết mô 38 2.3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN SWING-UP 44 2.3.1 Lý thuyết điều khiển swing-up 44 2.3.2 Lý thuyết giải thuật Partial Feedback Linearization cho hệ lắc 45 2.3.3 Điều khiển lắc ngược quay sử dụng điều khiển Swing up 47 2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 49 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CON LẮC NGƯỢC QUAY 51 3.1 THIẾT KẾ HỆ THỐNG 51 3.1.1 Thiết kế mơ hình hệ lắc ngược quay 51 3.1.2 Thông số thiết kế hệ thống 52 3.2 LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 59 3.2.1 Nhận dạng thông số động 59 3.2.2 Lập trình điều khiển hệ thống lắc ngược quay 63 3.3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 66 3.3.1 Điều khiển phương pháp LQR giải thuật di truyền 66 3.3.3 Điều khiển phương pháp LQR swing up 89 KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN 92 TÀI LIỆU THAM KHẢO 93 PHỤ LỤC 97 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Mơ hình lắc ngược quay 16 Hình 1.2 Mơ hình lắc ngược quay thực tế 17 Hình 1.3 Cấu trúc hệ lắc ngược quay tọa độ Oxyz 18 Hình Cấu trúc động DC 22 Hình 1.5 Khối mơ tả động DC theo hàm truyền 23 Hình 1.6 Vị trí lắc ngược quay thẳng đứng hướng xuống 27 Hình 1.7 Vị trí hệ lắc ngược quay thẳng đứng hướng lên 27 Hình 2.1 Cấu trúc giải thuât PID 29 Hình 2.2 Sơ đồ giải thuật PID 30 Hình 2.3 Chương trình mơ điều khiển PID lắc ngược quay 31 Hình 2.4 Chương trình mơ hệ lắc ngược quay 31 Hình 2.5 Kết mơ hệ lắc ngược sử dụng điều khiển PID TH1 32 Hình 2.6 Cấu trúc giải thuật LQR 33 Hình 2.7 Cấu trúc điều khiển LQR cho hệ lắc ngược 34 Hình 2.8 Sơ đồ giải thuật di truyền tổng quát 36 Hình 2.9 Sơ đồ giải thuật di truyền GA 37 Hình 2.10 Bộ điều khiển LQR cho lắc ngược quay 38 Hình 2.11 Sơ đồ điều khiển LQR cho hệ lắc ngược quay 41 Hình 2.12 Hệ lắc ngược quay mơ tả Matlab 42 Hình 2.13 Kết mô hệ lắc ngược sử dụng điều khiển LQR TH1 43 Hình 2.14 Khoảng chia vùng điều khiển swing-up 44 Hình 2.15 Sơ đồ khối giải thuật điều khiển swing-up 45 Hình 3.1 Mơ hình phần cứng hệ thống lắc ngược quay 51 Hình 3.2 Sơ đồ kết nối phần điện hệ thống 52 Hình 3.3 Kit STM32F407 Discovery 53 Hình 3.4 Sơ đồ cấu trúc phần cứng Kit 53 Hình 3.5 Động servo motor DC 24VDC 54 Hình 3.6 Sơ đồ kết nối Encoder 55 Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý mạch cầu H 56 Hình 3.8 Cầu H IR21 57 Hình 3.9 Sơ đồ chân cầu H IR21C\Z84 57 Hình 3.10 Encoder 58 Hình 3.11 Module truyền tín hiệu CP2102 58 Hình 3.12 Cấu trúc động DC 59 Hình 3.13 Chương trình thu thập liệu để nhận dạng động DC 61 Hình 3.14 Kết nối phần cứng thu thập dòng điện 61 Hình 3.15 Khối đọc thơng số 63 Hình 3.16 Khối điều khiển ổn định cân 63 Hình 3.17 Khối điều khiển swing-up 64 Hình 3.18 Khối chuyển đổi điều khiển 64 Hình 3.19 Khối điều khiển 65 Hình 3.20 Khối hiển thị 66 Hình 3.21 Kết mơ góc lệch 𝛼 𝛽 sử dụng giải thuật LQR 67 Hình 3.22 Kết thực tế góc lệch 𝛼 sử dụng giải thuật LQR 67 Hình 3.23 Kết thực mơ góc lệch 𝛽 sử dụng giải thuật LQR 68 Hình 3.24 Kết mơ góc 𝛼 𝛽 dùng giải thuật LQR GA hệ 68 Hình 3.25 Kết thực tế góc lệch 𝛼 sử dụng giải thuật LQR GA hệ 69 Hình 3.26 Kết thực tế góc lệch 𝛽 sử dụng giải thuật LQR GA hệ 69 Hình 3.27 Kết mơ góc 𝛼 𝛽 dùng giải thuật LQR GA hệ 70 Hình 3.28 Kết thực tế góc lệch 𝛼 sử dụng giải thuật LQR GA hệ 70 Hình 3.29 Kết thực tế góc lệch 𝛽 sử dụng giải thuật LQR GA hệ 70 Hình 3.30 Kết mơ góc 𝛼 𝛽 dùng giải thuật LQR GA hệ 12 71 Hình 3.31 Kết thực tế góc lệch 𝛼 sử dụng giải thuật LQR GA hệ 12 71 Hình 3.32 Kết thực tế góc lệch 𝛽 sử dụng giải thuật LQR GA hệ 12 72 Hình 3.33 Kết mơ góc 𝛼 𝛽 dùng giải thuật LQR GA hệ 47 72 Hình 3.34 Kết thực tế góc lệch 𝛼 sử dụng giải thuật LQR GA hệ 47 73 Hình 3.35 Kết thực tế góc lệch 𝛽 sử dụng giải thuật LQR GA hệ 47 73 Hình 3.36 Kết mơ đáp ứng góc lệch 𝛼 (rad) 75 Hình 3.37 Kết thực tế đáp ứng góc lệch 𝛼 (rad) 75 Hình 3.38 Kết mơ đáp ứng vận tốc góc 𝛼 (rad/s) 75 Hình 3.39 Kết thực tế đáp ứng vận tốc góc 𝛼 (rad/s) 76 Hình 3.40 Kết mơ đáp ứng góc lệch 𝛽 (rad) 76 Hình 3.41 Kết thực tế đáp ứng góc lệch 𝛽 (rad/s) 76 Hình 3.42 Kết mơ đáp ứng vận tốc góc 𝛽 (rad) 77 Hình 3.43 Kết đáp ứng thực tế vận tốc góc 𝛽 (rad/s) 77 Hình 3.44 Kết mơ đáp ứng góc lệch 𝛼 (rad) 79 Hình 3.45 Kết thực tế đáp ứng góc lệch 𝛼 với ma trận 𝐾1 80 Hình 3.46 Kết thực tế đáp ứng góc lệch 𝛼 với ma trận 𝐾2 80 Hình 3.47 Kết thực tế đáp ứng góc lệch 𝛼 với ma trận 𝐾3 80 Hình 3.48 Kết thực tế đáp ứng góc lệch 𝛼 với ma trận 𝐾4 81 Hình 3.49 Kết thực tế đáp ứng góc lệch 𝛼 với ma trận 𝐾5 81 Hình 3.50 Kết mơ đáp ứng vận tốc góc 𝛼 (rad/s) 82 Hình 3.51 Kết thực tế đáp ứng vận tốc góc 𝛼 (rad/s) với ma trận 𝐾1 82 Hình 3.52 Kết thực tế đáp ứng vận tốc góc 𝛼 (rad/s) với ma trận 𝐾2 83 Hình 3.53 Kết thực tế đáp ứng vận tốc góc 𝛼 (rad/s) với ma trận 𝐾3 83 Hình 3.54 Kết thực tế đáp ứng vận tốc góc 𝛼 (rad/s) với ma trận 𝐾4 83 Hình 3.55 Kết thực tế đáp ứng vận tốc góc 𝛼 (rad/s) với ma trận 𝐾5 84 Hình 3.56 Kết mơ đáp ứng góc lệch 𝛽 (rad) 84 Hình 3.57 Kết thực tế đáp ứng góc lệch 𝛽 (rad) với ma trận 𝐾1 85 Hình 3.58 Kết thực tế đáp ứng góc lệch 𝛽 (rad) với ma trận 𝐾2 85 Hình 3.59 Kết thực tế đáp ứng góc lệch 𝛽 (rad) với ma trận 𝐾3 85 Hình 3.60 Kết thực tế đáp ứng góc lệch 𝛽 (rad) với ma trận 𝐾4 86 Hình 3.61 Kết thực tế đáp ứng góc lệch 𝛽 (rad) với ma trận 𝐾5 86 Hình 3.62 Kết mơ đáp ứng vận tốc góc lệch 𝛽 (rad) 87 Hình 3.63 Kết thực tế đáp ứng vận tốc góc 𝛽 (rad) với ma trận 𝐾1 87 Hình 3.64 Kết thực tế đáp ứng vận tốc góc 𝛽 (rad) với ma trận 𝐾2 88 Hình 3.65 Kết thực tế đáp ứng vận tốc góc 𝛽 (rad) với ma trận 𝐾3 88 Hình 3.66 Kết thực tế đáp ứng vận tốc góc 𝛽 (rad) với ma trận 𝐾4 88 Hình 3.67 Kết thực tế đáp ứng vận tốc góc 𝛽 (rad) với ma trận 𝐾5 89 Hình 3.68 Kết mơ góc lệch 𝛼 𝛽 sử dụng LQR swing up 89 Hình 3.69 Kết thực góc lệch 𝛼 sử dụng LQR swing up 90 Hình 3.70 Kết thực góc lệch 𝛽 sử dụng LQR swing up 90 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Các kí hiệu hệ lắc ngược quay 20 Bảng 1.2 Thông số động 22 Bảng 1.3 Tham số mô PID…………………………………………………32 Bảng 1.4 Tham số mô LQR………………………… ……………… ….43 Bảng 3.1 Thông số kĩ thuật kit STM32F407 Discovery 54 Bảng 3.2 Thông số động Servo 24VDC 55 Bảng 3.3 Thông số kĩ thuật enocoder động Servo 55 Bảng 3.4 Thông số encoder lắc 58 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Từ nguyên nghĩa Từ viết tắt RIP SIMO Rotary inverted pendulum Single Input Multipl Output PID Proportional–Integral–Derivative controller LQR Linear Quadratic Regulator GA Genetic Algorithm n/a Not Applicable MỞ ĐẦU Lý lựa trọn đề tài Sự phát triển ngành kỹ thuật điện tử, công nghệ thông tin, ngành kỹ thuật điều khiển tự động hoá đạt nhiều tiến Tự động hố q trình sản xuất phổ biến rộng rãi hệ thống công nghiệp giới nói chung Việt Nam nói riêng Do nhu cầu phát triển xã hội, máy móc, robotics, quy trình sản xuất khơng đòi hỏi suất đạt chất lượng cao mà phải vận hành cách thơng minh xác cao Để đạt yêu cầu này, giải pháp điều khiển thông minh, điều khiển đại ngày quan tâm nghiên cứu, đối tượng để kiểm nghiệm phương pháp điều kiển hệ under-actuated, hệ có độ phức tạp hệ phi tuyến cao Đại diện cho hệ phi tuyến mơ hình lắc ngược quay Do đó, học viên chọn đề tài “Nghiên cứu điều khiển ổn định cân bằng hệ thống lắc ngược” làm đề tài cho luận văn tốt nghiệp Trong luận văn này, học viên thực mô phỏng, điều khiển thực tế giải thuật điều khiển tối ưu toàn phương tuyến tính LQR PID kết hợp giải thuật di truyền GA để điều khiển ổn định, đồng thời thiết kế điều kiển swing-up phương pháp Partial Feedback Linearization Ngồi học viên chế tạo mơ hình phần cứng lắc ngược quay để thực kiểm thử giải thuật Lịch sử nghiên cứu nước ❖ Các kết nghiên cứu nước Vào năm 2011, nhóm tác giả Iraj Hassanzadeh Saleh Mobayen thực đề tài nghiên cứu với đối tượng hệ lắc ngược quay áp dụng giải thuật điều khiển thông minh giải thuật di truyền, giải thuật PSO giải thuật ACO [12] Bằng việc áp dụng giải thuật điều khiển thông minh này, nhóm tác giả thực so sánh giải thuật có nhiễu, tăng vật nặng lắc với hệ phi tuyến lắc ngược quay Sau đó, vào năm 2013, tác giả Jen-Hising Li đạ thực 10 nghiên cứu đối tượng lắc ngược quay [18] Trong nghiên cứu này, tác giả thực áp dụng giải thuật điều khiển thông minh logic mờ dạng Mamdani để điều khiển đối tượng cân ổn định vị trí thẳng đứng hướng lên Nhóm tác giả Philippe Faradja, Guoyuan Qi, Martial Tatchum thuộc trường Đại học Pretoria, Nam Phi nghiên cứu giải thuật điều khiển trượt có giám sát với đối tượng lắc ngược quay [6] Nhóm tác giải thực mô thực nghiệm hệ thống để khảo sát tính bền vững điều khiển hiệu giám sát Không lâu sau đó, vào năm 2015, với đối tượng hệ lắc ngược quay, nhóm tác giả Deepak Chandran, Bipin Krishna, Dr V I George, Dr I Thirunavukkarasu, thuộc Viện Kỹ thuật Manipal, Ấn Độ thực nhận dạng mô hình đối tượng mang thần kinh [1] Trong viết này, nhóm tác giả nhận dạng mơ hình hệ thống dựa cấu trúc FNN Nhóm tác giả Arturo Rojas–Moreno, Juan Hernandez–Garagatti, Oscar Pacheco–De la Vega, Luis Lopez–Lozano Peru, năm 2016, nhóm tác giả thực nghiên cứu ổn định hệ lắc ngược quay áp dụng điều khiển FO dựa điều khiển LQR [21] Nhóm tác giả thực mơ thực nghiệm để so sánh điều khiển LQR FO-LQR Con lắc ngược quay tiếp tục đối tượng nhà nghiên cứu quan tâm, áp dụng điều khiển vào mô hình Năm 2017, tác giả Galsanbadam Sainzaya cộng thực nghiên cứu kết hợp điều khiển tồn phương tuyến tính LQR điều khiển PID Đài Loan [26] Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả thực mô hệ thống với phương pháp nghiên cứu đặt ra, kết nghiên cứu cho thấy khả ổn định lắc vị trí cân ổn định, thời gian đáp ứng nhanh Năm 2018, tác giả Xuebo Yang cộng thực nghiên cứu mô thực nghiệm với đối tượng lắc ngược quay, giải thuật điều khiển mà nhóm tác giả áp dụng đối tượng mạng thần kinh thích nghi phi tuyến kết hợp với giải thuật bất đẳng thức ma trận tuyến tính [30] Trong viết tác giả Xuebo đề phương pháp swing-up bám có kế hoạch xét theo tính hiệu quán tính Trong năm tiếp theo, tác giả Gia Bao Hong cộng thực nghiên cứu bám quỹ đạo với đối tượng lắc ngược 11 quay [13] Trong nghiên cứu này, nhóm tác giải thực mô thực nghiệm mơ hình với điều khiển trượt Kết ngõ cánh tay bám quỹ đạo hình sin, lắc ổn định vị trí cân mô thực tế Cùng thời gian này, nhóm tác giả Jingwen Huang, TingTing Zhang, You Fan, JianQiao Sun thực nghiên cứu lắc ngược quay áp dụng phương pháp Model-Free Backstepping (MFBS) [11] Nhóm tác giả đánh giá hiệu điều khiển MFBS với điều khiển tối ưu tồn phương tuyến tính Và năm 2020, nhóm tác giả Seyed Hassan Zabihifar, Arkady Semenovich Yushchenko, Hamed Navvabi đến từ Moscow, Liên bang Nga có cơng trình nghiên cứu áp dụng giải thuật điều khiển thơng minh mạng thần kinh thích nghi (ANN) [31] ❖ Các kết nghiên cứu nước Năm 2012, nhóm tác giả Nguyễn Văn Đông Hải Ngô Văn Thuyên thực nghiên cứu hệ lắc ngược quay áp dụng điều khiển PID kết hợp với mạng thần kinh [10] Nhóm tác giả thực mô thực nghiệm để đánh giá đáp ứng hệ thống mô thực tế Năm 2014, nhóm tác giả Nguyễn Văn Khanh, Nguyễn Vĩnh Hảo, Nguyễn Ngô Phong, thuộc trường Đại học Cần Thơ thực xây dựng nghiên cứu hệ lắc ngược xe áp dụng giải thuật điều khiển chiếu [15] Nhóm tác giả thực mơ áp dụng lên mơ hình thực tế với luật điều khiển nhóm tác giả đề xuất Các tác giả thực so sánh với điều khiển LQR để đánh giá luật điều khiển điều khiển chiếu Năm 2015, tác giả Nguyễn Văn Sơn đến từ trường Đại học Thủ Dầu Một thực đề tài “Xây dựng mơ hình lắc ngược dạng quay Simulink Matlab” [27] Trong viết này, tác giả áp dụng giải thuật điều khiển mờ để đánh giá mơ hình mà tác giả xây dựng phần mềm Matlab Hai năm sau, vào năm 2017, nhóm tác giả Lê Quang Vũ, Nguyễn Minh Tâm, Dương Hoài Nghĩa, thực cơng trình nghiên cứu hệ lắc ngược quay áp dụng giải thuật điều khiển trượt [28] Giải thuật trượt điều khiển ổn định vị trí cánh tay góc lắc hệ thống mà tác giả đề xuất Vào năm 2018, nhóm tác giả Vo Anh Khoa, Nguyen Minh Tam, Tran Vi Do, Nguyen Thien Van, Nguyen Van Dong Hai, thực 12