Thiết kế hệ thống điều khiển cho Acrobot

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP HÀ MẠNH QUÂN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO ACROBOT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT (KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA) Thái Nguyên - 2014 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của bản thân. Mọi kết quả nghiên cứu cũng nhƣ ý thƣởng của các tác giả khác nếu có đều đƣợc trích dẫn nguồn gốc cụ thể. Các số liệu sử dụng phân tích trong luận văn có nguồn gốc rõ ràng, đã công bố theo đúng quy định. Các kết quả nghiên cứu trong luận văn do tôi tự tìm hiểu, phân tích một cách trung thực, khách quan và phù hợp với thực tiễn của Việt Nam. Luận văn này cho đến nay chƣa đƣợc bảo vệ tại bất kỳ một hội đồng bảo vệ luận văn thạc sĩ nào và chƣa từng đƣợc công bố trên bất kỳ một phƣơng tiện thông tin nào. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về những gì mà tôi đã cam đoan ở trên. Thái Nguyên, ngày tháng năm 2014 Học viên Hà Mạnh Quân Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iii LỜI CẢM ƠN Trong thời gian học tập và nghiên cứu tại nhà trƣờng tôi đã tích lũy đƣợc khá nhiều kiến thức chuyên nghành. Sau gần hai năm học tập tại nhà trƣờng những học viên chúng tôi đƣợc nhận luận văn tốt nghiệp đó là một vinh dự lớn của bản thân. Sau 6 thánh nghiên cứu và làm việc khẩn trƣơng với sự hƣớng dẫn, giúp đỡ tận tình của T.S Nguyễn Hoài Nam (Trƣờng Đại học Công Nghiệp – Đại học Thái Nguyên) luận văn “Thiết kế hệ thống điều khiển cho Acrobot” đã cơ bản hoàn thành. Trong quá trình thực hiện luận văn ngoài sự cố gắng của bản thân, tôi đã nhận đƣợc rất nhiều sự quan tâm giúp đỡ, chỉ bảo tận tình của các thầy giáo, cô giáo trong nhà trƣờng. : , ph . Nhân dịp này tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới T.S Nguyễn Hoài Nam . Tuy đã rất cố gắng, nhƣng luận văn còn nhiều thiếu sót, rất mong nhận đƣợc sự góp ý để đề tài đƣợc hoàn thiện hơn. Thái Nguyên, ngày tháng năm 2014 Học viên Hà Mạnh Quân Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iv MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN……………….………………… ……………….……… i LỜI CẢM ƠN…………………… …………………………… ….……….ii DANH MỤC HÌNH ẢNH ……………………….……….………….………vi DANH MỤC CÁC BẢNG ………… ……… ……….…………… … viii MỞ ĐẦU…………….…………………………………….……… ……… 1 1. Lý do chọn đề tài………………… ……… ……….…………………1 2. Mục tiêu nghiên cứu………………………… ………………….……1 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu………………………………………2 3.1. Đối tƣợng nghiên cứu ……………………………………….…2 3.2. Phạm vi nghiên cứu …………………………………………… 2 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu … ………………2 4.1. Ý nghĩa khoa học của đề tài …………………………………… 2 4.2. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài nghiên cứu ………………………….2 5. Phƣơng pháp nghiên cứu……………….…………………………….…2 5.1. Nghiên cứu lý thuyết………………………………………… ….2 5.2. Phương pháp thực nghiệm…………………………… ……… 3 CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ACROBOT……… …… … 4 CHƢƠNG II: MÔ HÌNH HÓA ACROBOT………… … ……………… 6 2.1. Hệ thống Acrobot …………………………….……………….…….6 2.2. Luật điều khiển cho Acrobot …………………………………… …8 2.3. Chƣơng trình mô phỏng Acrobot trong không gian 2 chiều…….…10 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ v CHƢƠNG III: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ……………… …….…… 15 3.1. Tuyến tính hóa mô hình tại điểm cân bằng không ổn định…… 15 3.2. Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái………… …….…… 18 3.2.1. Phƣơng pháp gán điểm cực ……………………… 18 3.2.2. Ứng dụng Matlab tìm bộ điều khiển cho Acrobot .….… 20 3.3. Bộ điều khiển LQR QUADRATIC REGULATOR:… ……. 20 3.3.1. Phƣơng trình Riccati đại số … ………… …………… 20 3.3.2. Sử dụng Matlab tìm ma trận P, K ….………………….….22 CHƢƠNG IV: MÔ PHỎNG…… ….24 4.1. Bài toán 1………………………………………………………… 24 4.1.1 . Bộ điều khiển phản hồi trạng thái.……………… …… 26 4.1.2. Bộ điều khiển LQR QUADRATIC REGULATOR………29 4.1.3. Bộ điều khiển phi tuyến…… …………………… …….33 4.2. Bài toán 2………………………………………… ………………38 4.2.1 . Bộ điều khiển phản hồi trạng thái theo phƣơng pháp gán điểm cực…………………………………………………………40 4.2.2. Khảo sát khi có nhiễu tác động…… …….………………46 CHƢƠNG V: GIẢI PHÁP THIẾT KẾ MÔ HÌNH THỰC CHO ACROBOT 50 5.1 Thiết kế hệ thống điều khiển Acrobot………………………… 50 5.2. Mô hình thí nghiệm Acrobot …………………………………… 51 5.2.1. Động cơ DC………………………………………………51 5.2.2. Động cơ DC gear motor encoder…………………………52 5.2.3. IC L298N…………………………………………………53 5.2.4. IC SN74HC08N…… ……………………………………53 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vi 5.2.5. Giới thiệu Card Arduino………………… …………… 54 5.2.6. Thiết kế bộ điều khiển PI cho Acrobot… … ………… 54 5.2.7. Kết quả thực nghiệm…………………… ……………….55 CHƢƠNG VI: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ………………… …………… …56 6.1 Kết luận…………………………………….……………………….56 6.2 Kiến nghị………………………………………………………… 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………… ……………………… …57 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vii DANH MỤC HÌNH ẢNH Trang Hình 1.1: Sơ đồ cấu trúc Acrobot ……………………………………………4 Hình 2. 1: Hệ thống Acrobot……………………………….…………………6 Hình 2.2: Mô phongrAcrobot 2 chiều……………… ……………… ……14 Hình 3. 1: Điểm cân bằng không ổn định của hệ thống…………… ………15 Hình 3. 2: Bộ điều khiển cho đối tƣợng……………………………… … 19 Hình 4.1: Hệ thống Acrobot…………………………………………… ….24 Hình 4.2: Sơ đồ hệ thống điều khiển trong Simulink………………… … 26 Hình 4.3: Biến trạng thái x 1 …………………………………… …… … 27 Hình 4.4: Biến trạng thái x 2 …………………………………………… … 28 Hình 4.5: Biến trạng thái x 3 …………………………………….……….… 28 Hình 4.6: Biến trạng thái x 4 …………………………………………… … 29 Hình 4.7: Sơ đồ hệ thống điều khiển trong Simulink…………………… …30 Hình 4.8: Biến trạng thái x 1 ……………………………………… ……… 31 Hình 4.9: Biến trạng thái x 2 ……………………………………………… 31 Hình 4.10: Biến trạng thái x 3 ……………………………………….……… 32 Hình 4.11: Biến trạng thái x 4 ……………………………………….……… 32 Hình 4.12: Sơ đồ hệ thống điều khiển trong Simulink……………… … …34 Hình 4.13: Biến trạng thái x 1 …………………………………….………… 35 Hình 4.14: Biến trạng thái x 2 …………………………………….………… 35 Hình 4.15: Biến trạng thái x 3 ………………………………………….….….36 Hình 4.16: Biến trạng thái x 4 ……………………………………….……… 36 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ viii Hình 4.17: Hệ thống Acrobot thực nghiệm………………………… ……38 Hình 4.18: Sơ đồ hệ thống điều khiển trong Simulink……………… …41 Hình 4.19: Biến trạng thái x 1 ………………………………………….…… 42 Hình 4.20: Biến trạng thái x 2 …………………………………………….… 42 Hình 4.21: Biến trạng thái x 3 …………………………………….….……….43 Hình 4.22: Biến trạng thái x 4 …………………………………….………… 43 Hình 4.23: Biến trạng thái x 1 …………………………………………….… 44 Hình 4.24: Biến trạng thái x 2 …………………………………………….… 45 Hình 4.25: Biến trạng thái x 3 ……………………………….…………….….45 Hình 4.26: Biến trạng thái x 4 ………………………………………….…… 46 Hình 4.27: Sơ đồ hệ thống điều khiển trong Simulink………… …… …47 Hình 4.28: Biến trạng thái x 1 …………………………………………….… 47 Hình 4.29: Biến trạng thái x 2 ………………………………………….…… 48 Hình 4.30: Biến trạng thái x 3 ………………………………….…….……….48 Hình 4.31: Biến trạng thái x 4 ……………………………………….……… 49 Hình 5.1. Mô hình Acrobot thực…………………………………………… 50 Hình 5.2. Sơ đồ khối mô hình thí nghiệm………………………………… 51 Hình 5.3. Kí hiệu chân động cơ…………………………………………… 52 Hình 5.4 Động cơ DC gear motor encoder………………………………… 52 Hình 5.5. Giới thiệu IC L298N…………………………………………… 53 Hình 5.6. Giới thiệu IC SN74HC08N……………………………………… 53 Hình 5.7 Card Arduino Mega……………………………………………… 54 Hình 5.8 Sơ khối bộ điều khiển…………………………………………… 55 Hình 5.9 Vị trí góc của thanh 2…………………………………………… 55 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ix DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1: Các thông số của mô hình acrobot…… …………… ……….……24 Bảng 2: Các thông số của hệ thống acrobot thực………………… ….…….39 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ x [...]... sắc Acrobot là một ví dụ tiêu biểu cho các hệ thống hụt (số đầu vào điều khiển nhỏ hơn bậc của mô hình) Đây là một hệ thống phi tuyến và rất khó điều khiển, có thể sử dụng làm đối tƣợng thử nghiệm cho các thuật toán điều khiển phi tuyến mới Thấy đƣợc tầm quan trọng đó, tôi đã chọn đề tài: Thiết kế hệ thống điều khiển cho Acrobot 2 Mục tiêu nghiên cứu - Tìm hiểu về acrobot và các phƣơng pháp điều khiển. .. điều khiển acrbot - Thiết kế hệ thống điều khiển cho acrobot tại điểm cân bằng không ổn định Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 2 - Thiết kế và chế tạo mô hình thực cho acrobot để phục vụ cho việc nghiên cứu và thí nghiệm 3 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tƣợng nghiên cứu - Xây dựng mô hình toán cho acrobot - Nghiên cứu các phƣơng pháp điều khiển cho acrobot 3.2 Phạm vi... thuyết - Nghiên cứu xây dựng mô hình acrobot - Nghiên cứu các phƣơng pháp điều khiển và thiết kế bộ điều khiển trên cơ sở mô hình toán học đã đƣợc kiểm chứng của acrobot Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 3 - Kiểm tra chất lƣợng của hệ thống điều khiển sử dụng phần mềm Matlab và sử dụng hệ thống thực - Nghiên cứu bộ điều khiển LQR điều khiển cân bằng acrobot 5.2 Phương pháp thực nghiệm... tính nhƣ sau:  x u Ax bu Kx Yêu cầu đặt ra là thiết kế bộ điều khiển u 1 2 Kx để cho hệ kín đạt đƣợc chất lƣợng ổn định Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển đƣợc thể hiện nhƣ hình vẽ 3.2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 19 Hình 3.2: Bộ điều khiển cho đối tƣợng Các bƣớc thiết kế bộ điều khiển: - Bƣớc 1: Chọn trƣớc các điểm cực của hệ kín nằm bên trái mặt phẳng phức p1, p2 , p3... nghiên cứu 4.1 Ý nghĩa khoa học của đề tài Acrobot là một ví dụ điển hình của các hệ thống hụt Đây là một hệ thống phi tuyến rất khó điều khiển Có thể sử dụng hệ thống này nhƣ một đối tƣợng để thử nghiệm các lý thuyết điều khiển điển kinh điển cũng nhƣ lý thuyết điều khiển mới 4.2 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài nghiên cứu Hệ acrobot là cơ sở để tạo ra các hệ thống tự cân bằng nhƣ: Xe hai bánh tự cân bằng,... PHỎNG 4.1 Bài toán 1 Trong phần này chúng tôi sẽ thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái, bộ điều khiển phi tuyến (2.11) cho acrobot với các thông số đã cho trong bài báo [3] Sau đó sẽ mô phỏng trong Matlab/Simulink và so sánh với kết quả trong bài báo [3] Thanh 2 g lc2 q2 Thanh 1 lc1 q 1 Hình 4.1: Hệ thống Acrobot Bảng 1: Các thông số của hệ thống Acrobot l1 ( m ) l2 ( m ) m1 ( kg ) m2 ( kg ) I... xác cao để điều khiển acrobot Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 5 Nhóm nghiên cứu Sam Duong Châu, Hiroshi Kinjo, Eiho Uezato, và Tetsuhiko Yamamoto [7] đã ngiên cứu điều khiển tƣơng tự cho acrobot thông qua máy tính Brown và Kevin M PASSINO [8] đã phát triển bộ điều khiển thông minh cho acrobot Gần đây nhất Mahindrakar và Banavar đã đề xuất một chiến lƣợc điều khiển cho acrobot. .. phỏng hệ thống - Xây dựng mô hình acrobot thực Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 4 CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ACROBOT Acrobot là rô bốt phẳng, hai bậc tự do nhƣng chỉ có khớp thứ hai đƣợc điều khiển nhƣ hình vẽ 1 Hệ phƣơng trình động lực học của acrobot là một hệ phi tuyến có hai bậc tự do và một đầu vào Vấn đề đặt ra là tìm thuật toán điều khiển cho khớp thứ 2 để lắc đƣa acrobot. .. thẳng đứng và điều khiển duy trì nó ở trạng thái thẳng đứng cân bằng không ổn định này Hình 1.1: Sơ đồ cấu trúc Acrobot Thuật ngữ Acrobot đƣợc đặt ra tại Berkeley, ở đó những nghiên cứu đầu tiên về điều khiển của acrobot đƣợc thực hiện bởi Murray và Hauser [5] Các kết quả thử nghiệm đầu tiên cho Acrobot đƣợc thực hiện bởi Bortoff [6] Kỹ thuật giả tuyến tính đã đƣợc sử dụng để điều khiển acrobot Nhóm... lý điều khiển con lắc ngƣợc [2] Trong luận văn này chúng tôi sẽ nghiên cứu, mô phỏng và kiểm tra lại các kết quả nghiên cứu của hai tác giả này [3] Trên cơ sở đó sẽ thiết kế một mô hình acrobot thực trong phòng thí nghiệm nhằm mục đích nghiên cứu và thử nghiệm Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 6 CHƢƠNG II MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG ACROBOT 2.1 Hệ thống Acrobot Sơ đồ cấu trúc của acrobot . nghiệm cho các thuật toán điều khiển phi tuyến mới. Thấy đƣợc tầm quan trọng đó, tôi đã chọn đề tài: Thiết kế hệ thống điều khiển cho Acrobot . 2. Mục tiêu nghiên cứu - Tìm hiểu về acrobot. phƣơng pháp điều khiển acrbot. - Thiết kế hệ thống điều khiển cho acrobot tại điểm cân bằng không ổn định. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 2 - Thiết kế và chế. tài Acrobot là một ví dụ điển hình của các hệ thống hụt. Đây là một hệ thống phi tuyến rất khó điều khiển. Có thể sử dụng hệ thống này nhƣ một đối tƣợng để thử nghiệm các lý thuyết điều khiển