Điều khiển hệ pendubot dùng kỹ thuật điều khiển trượt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM NGUYỄN HỒNG PHÚC ĐIỀU KHIỂN HỆ PENDUBOT DÙNG KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ Mã số ngành: 60520114 TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM NGUYỄN HỒNG PHÚC ĐIỀU KHIỂN HỆ PENDUBOT DÙNG KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ Mã số ngành: 60520114 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN THANH PHƯƠNG TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2013 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc. Học viên thực hiện Luận văn Nguyễn Hồng Phúc LỜI CÁM ƠN Để hoàn thành chương trình cao học và thực hiện được đề tài này, tác giả đã nhận được sự hướng dẫn, giúp đỡ nhiệt tình từ Quý thầy cô, bạn bè, đồng nghiệp và gia đình. Trước hết, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS. Nguyễn Thanh Phương, người đã dành nhiều thời gian và tâm huyết để hướng dẫn tác giả trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn này. Tác giả chân thành cảm ơn Quý thầy cô khoa Cơ điện tử Trường Đại học Công nghệ Thành phố Hồ Chí Minh đã cung cấp kiến thức và tạo điều kiện tốt nhất để tác giả thực hiện đề tài. Xin cảm ơn Quý thầy cô phòng Quản lý khoa học – Đào tạo sau đại học Trường Đại học Công nghệ Thành phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện học tập tốt nhất cho tôi trong suốt quá trình học tập tại Trường. Chân thành gửi lời cảm ơn đến Ban lãnh đạo Trường Trung Cấp Kinh Tế - Kỹ Thuật Nguyễn Hữu Cảnh và các thầy cô đồng nghiệp nơi công tác, đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện để tác giả hoàn thành tốt khóa học này. Cuối cùng, tác giả xin gửi lời cảm ơn đến gia đình và bạn bè đã động viên về vật chất cũng như tinh thần cho tác giả trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn. Xin trân trọng biết ơn! Người thực hiện NGUYỄN HỒNG PHÚC TÓM TẮT Con lắc quay Pendubot là đối tượng có độ phi tuyến cao là đại diện tiêu biểu cho hệ thống có một ngõ vào nhiều ngõ ra SIMO (Single–Input–Multi–Output). Pendubot bao gồm hai thanh quay trên hai khớp nối. Hai thanh lần lượt là vai và khủy, khớp vai là khớp nhận kích thích và khớp khủy là khớp bị động. So với các hệ thống thông thường có một ngõ vào một ngõ ra SISO (Single–Input– Single –Output), bộ điều khiển cho hệ SIMO có cấu tạo phức tạp hơn hẳn. Mục tiêu của luận văn là điều khiển pendubot di chuyển từ vị trí ổn định hướng xuống, lên vị trí không ổn định đảo ngược và cân bằng nó theo phương thẳng đứng. Bộ điều khiển trượt đa bậc sẽ được xây dựng để điều khiển hệ thống con lắc quay SIMO. Mô hình toán của đối tượng và bộ điều khiển trượt đa bậc sẽ được xây dựng và mô phỏng bằng phần mềm Matlab/Simulink. Từ kết quả mô phỏng, ta sẽ chứng minh được bộ điều khiển trượt đa bậc có thể điều khiển tốt đối tượng SIMO Pendubot. Đây là cơ sở để ta áp dụng bộ điều khiển vào mô hình thật. ABSTRACT Pendulum Robot (Pendubot) is a nonlinear object and it is representative of a Single– Input–Multi–Output system (SIMO). Pendubot includes two rotary bars on two joints. Two bars are shoulder and elbow respectively, shoulder joint is received the stimulus and elbow joint is a passive joint. Compared with the normal system – a Single–Input–Single– Output system (SISO), SIMO system controller is designed with much more complex. The objective of the thesis is control pendubot to move from stable downward position to unstable inverted position and balance it vertically. The multi-level sliding controller will be built to control the pendulum Robot SIMO system. Mathematical model of the object and multi-level sliding controller will be built by simulator software Matlab / Simulink. From the simulation results, we will demonstrate that the multi-level sliding mode controller can control SIMO Pendubot subject. This is our basis for applying the model in real control. MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i LỜI CÁM ƠN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ii TÓM TẮT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iii ABSTRACT. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i v MỤC LỤC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .v LỜI MỞ ĐẦU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Chương 1 TỔNG QUAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 1.1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .30 1.2. Mục tiêu, khách thể và đối tượng nghiên cứu . . . . . . . . . . . . . . . . . .31 1.3. Nhiệm vụ của đề tài và phạm vi nghiên cứu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 1.4. Phương pháp nghiên cứu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31 Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.1. Điều khiển trượt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.2 Điều khiển trượt đa bậc cho hệ thống SIMO . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 Chương 3 MÔ HÌNH TOÁN HỌC PENDUBOT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 Chương 4 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO PENDUBOT . . . . . . . . . . . . . . 53 4.1. Thiết kế bộ điều khiển trượt cho hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 4.2. Phân tích ổn định . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.3 Kết luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .60 Chương 5 MÔ PHỎNG 5.1 Mô phỏng luật điều khiển hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .60 5.2 Hiện tượng chattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 5.3 Nhiễu trắng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 5.4 Kết luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 Chương 6 KẾT LUẬN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 6.1 Kết luận chung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 6.2 Hướng phát triển luận văn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .87 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 5.1: Các thông số của Pendubot Trang 61 Bảng 5.2: Giá trị của các thông số 1 q , 2 q , 3 q , 4 q , 5 q Trang 61 Bảng 5.3: Biên độ hiện tượng chattering của các tín hiệu hệ thống Trang 69 Bảng 5.4: Biên độ hiện tượng chattering của các tín hiệu hệ thống khi giảm hệ số 2 η Trang 72 Bảng 5.5: Biên độ hiện tượng chattering khi thay hàm signum bằng hàm saturation Trang 76 Bảng 5.6: Biên độ hiện tượng chattering của các tín hiệu hệ thống khi giảm hệ số 2 η và thay hàm signum bằng hàm saturation Trang 79 Bảng 5.7: So sánh biên độ của hiện tượng chattering của các tín hiệu hệ thống Trang 80 Bảng 5.8: Biên độ dao động của các tín hiệu trong hệ thống khi bị ảnh hưởng của nhiễu với cường độ thấp Trang 83 Bảng 5.9: Biên độ dao động của các tín hiệu trong hệ thống khi bị ảnh hưởng của nhiễu với cường độ cao Trang 85 Bảng 5.10: Biên độ dao động của các tín hiệu hệ thống khi có nhiễu tác dụng trong hai trường hợp Trang 86 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 2.1: Quĩ đạo trạng thái ở chế độ trượt Trang 35 Hình 2.2: Hàm Signum Trang 35 Hình 2.3: Hiện tượng chattering Trang 37 Hình 2.4: Hàm Saturation Trang 37 Hình 2.5: Cấu trúc đa bậc của các mặt trượt Trang 39 Hình 3.1: Cấu trúc của Pendubot Trang 46 Hình 3.2 : Bốn điểm cân bằng của hệ thống Trang 52 Hình 4.1: Mô tả mục tiêu điều khiển của bộ điều khiển trượt Trang 54 Hình 4.2: Cấu trúc các mặt trượt đa bậc Trang 55 Hình 5.1: Mô hình simulink Trang 62 Hình 5.2: Góc 1 θ và 2 θ được vẽ trên cùng một hệ trục tọa độ Trang 63 Hình 5.3: Góc 1 θ và 2 θ được vẽ riêng lẻ Trang 64 Hình 5.4: Vận tốc của hai thanh được vẽ trên một hệ trục tọa độ Trang 64 Hình 5.5: Vận tốc của hai thanh được vẽ riêng lẻ Trang 65 Hình 5.6: Các mặt trượt 1 S , 2 s và 2 S được vẽ trên cùng một hệ trục tọa độ Trang 65 Hình 5.7: Các mặt trượt 1 S , 2 s và 2 S được vẽ riêng lẻ Trang 66 Hình 5.8: Tín hiệu ngõ vào u= τ Trang 66 Hình 5.9: Tín hiệu điều khiển )(tu với hiện tượng chattering Trang 67 Hình 5.10: Góc 1 θ và 2 θ với hiện tượng chattering Trang 68 Hình 5.11: Các mặt trượt 1 S , 2 s và 2 S với hiện tượng chattering Trang 68 Hình 5.12: Tín hiệu điều khiển )(tu khi giảm hệ số 1,0 2 = η Trang 69 Hình 5.13: Khảo sát biên độ tín hiệu điều khiển )(tu khi giảm hệ số 1,0 2 = η Trang 70 Hình 5.14: Góc 1 θ và 2 θ khi giảm hệ số 1,0 2 = η Trang 70 Hình 5.15: Khảo sát biên độ tín hiệu của góc 1 θ và 2 θ khi giảm hệ số 1,0 2 = η Trang 71 Hình 5.16: Các mặt trượt 1 S , 2 s và 2 S khi giảm hệ số 1,0 2 = η Trang 71 Hình 5.17: Khảo sát biên độ tín hiệu của các mặt trượt 1 S , 2 s và 2 S khi giảm hệ số 1,0 2 = η Trang 72 Hình 5.18: Tín hiệu điều khiển )(tu khi thay hàm signum bằng hàm saturation Trang 73 Hình 5.19: Khảo sát biên độ của tín hiệu điều khiển )(tu khi thay hàm signum bằng hàm saturation Trang 73 Hình 5.20: Góc 1 θ và 2 θ khi thay hàm signum bằng hàm saturation Trang 74 Hình 5.21: Khảo sát biên độ tín hiệu của góc 1 θ và 2 θ khi thay hàm signum bằng hàm saturation Trang 74 Hình 5.22: Các mặt trượt 1 S , 2 s và 2 S khi thay hàm signum bằng hàm saturation Trang 75 [...]... xoắn điều khiển là lý tưởng so với thực tế Mục tiêu nghiên cứu: • Tìm hiểu về hệ thống Pendubot và phương pháp cân bằng nó • Tìm hiểu về điều khiển trượt Đối tượng nghiên cứu: • Hệ thống Pendubot • Bộ điều khiển trượt đa bậc 1.3 Nhiệm vụ của đề tài và phạm vi nghiên cứu • Xây dựng mô hình toán học cho hệ thống Pendubot • Thiết kế bộ điều khiển trượt đa bậc điều khiển cân bằng cho Pendubot • Mô phỏng hệ. .. một bộ điều khiển mờ để điều khiển Pendubot và các thử nghiệm phần cứng của họ đã chỉ ra tính khả thi của bộ điều khiển mờ Trong [3], Zhang và Tarn đã trình bày một phương pháp điều khiển lai, họ đã điều khiển Pendubot thành công về việc ổn định hóa Trong [4] và [5], Fantoni, Lozano và Spong tách ứng dụng điều khiển dựa vào năng lượng và điều khiển dựa trên tính thụ động để thực hiện điều khiển Pendubot. .. sw2  + c x + f ( X )   2 4 2  Sau đó luật điều khiển tổng quát của điều khiển trượt đa bậc có thể được suy ra như sau u2 =  αb1 ( X ) u eq1 + b2 ( X ) u eq 2 + S 2 αb1 ( X ) + b2 ( X ) (4.9) Nhận xét: từ luật điều khiển tổng quát, chỉ có điều khiển chuyển mạch của bộ điều khiển trượt lớp thứ hai làm việc và điều khiển chuyển mạch của bộ điều khiển trượt lớp thứ nhất được gộp vào quá trình suy... kế một bộ điều khiển trượt được tiến hành theo hai bước: + Bước thứ nhất: thiết kế một mặt trượt (Sliding surface), còn được gọi là mặt cân bằng, để đưa quĩ đạo trạng thái của đối tượng điều khiển về mặt trượt theo các đặc tính mong muốn + Bước thứ hai: thiết kế luật điều khiển để đưa hệ thống về và di chuyển trên mặt trượt trong một khoảng thời gian hữu hạn 2.1 Điều khiển trượt 2.1.1 Điều khiển bám... một hệ thống con lệch từ mặt trượt hệ thống con của nó, điều khiển chuyển mạch của lớp cuối cùng sẽ đưa nó trở lại Do đó, ở chế độ trượt, hệ thống tiếp tục trượt trên mặt trượt lớp cuối cùng Hơn nữa, các trạng thái của mỗi hệ thống con tiếp tục trượt trên mặt trượt hệ thống con của chính nó 2.2.2 Phân tích ổn định Ba định lý sẽ được chứng minh trong phần này Định lý 1 là về ổn định tiệm cận của mặt trượt. .. động [3] Mục đích điều khiển cho pendubot là chuyển động lên từ ( − π ,0 ) lên ( 0,0 ) và cân bằng hệ thống tại vị trí này ( 0,−π ) ( − π ,−π ) ( − π ,0) ( 0,0) Hình 3.2: Bốn điểm cân bằng của hệ thống Chương 4 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO PENDUBOT 4.1 Thiết kế bộ điều khiển trượt cho hệ thống Pendubot có cấu trúc là hai thanh quay trên hai điểm khớp Hai thanh có thể được coi như là hai hệ thống con: thanh... khiển Pendubot được phân loại như sau: điều khiển tuyến tính hóa hoặc điều khiển tuyến tính hóa từng phần [1], điều khiển thông minh [2], điều khiển lai [3] và điều khiển phi tuyến [4] - [6] Spong và Block [1] đã sử dụng phương pháp tuyến tính hóa hồi tiếp từng phần được đưa ra bằng một bộ điều chỉnh tuyến tính bậc hai, và họ đã thành công cho việc điều khiển Pendubot từ điểm cân bằng ổn định lên điểm... động học, nếu bất kỳ trạng thái của hệ bị lệch so với mặt trượt, điều khiển chuyển mạch của lớp thứ hai sẽ đưa nó về mặt trượt của nó Điều này sẽ làm cho trạng thái hệ thống trượt trên bề mặt trượt lớp thứ hai Và các trạng thái của hệ thống con vẫn trượt trên mặt trượt của nó 4.2 Phân tích ổn định 4.2.1 Phân tích ổn định tiệm cận của mặt trượt mỗi lớp Đối với mặt trượt lớp thứ hai, hàm Lyapunov sẽ không... nhiễu từ bên ngoài cũng như những biến đổi trong thông số của hệ thống Ngày nay, với sự phổ biến của bộ chuyển mạch tần số cao cùng với vi xử lý mạnh, kỹ thuật điều khiển trượt ngày càng được áp dụng rộng rãi hơn Điều khiển trượt được xem như một trong những phương pháp đơn giản nhất cho việc điều khiển các hệ thống phi tuyến kể cả những hệ thống có mô hình không chắc chắn dễ bị tác động bởi nhiễu từ... luật điều khiển trượt thích nghi và ứng dụng nó để điều khiển Pendubot 1.2 Mục tiêu, khách thể và đối tượng nghiên cứu Đối với hầu hết các phương pháp điều khiển Pendubot di chuyển từ vị trí ổn định hướng xuống lên vị trí không ổn định đảo ngược và cân bằng nó theo phương thẳng đứng, Pendubot được xem như một hệ thống hoàn toàn là cơ khí trong suốt quá trình thiết kế Điều này đã làm các phương pháp điều . DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM NGUYỄN HỒNG PHÚC ĐIỀU KHIỂN HỆ PENDUBOT DÙNG KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ Mã số ngành: 60520114 TP DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM NGUYỄN HỒNG PHÚC ĐIỀU KHIỂN HỆ PENDUBOT DÙNG KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ Mã số ngành: 60520114 CÁN. sử dụng để điều khiển Pendubot được phân loại như sau: điều khiển tuyến tính hóa hoặc điều khiển tuyến tính hóa từng phần [1], điều khiển thông minh [2], điều khiển lai [3] và điều khiển phi