Điều khiển trượt hệ con lắc ngược đơn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ QUANG VŨ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT HỆ CON LẮC NGƯỢC ĐƠN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202 S K C0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ QUANG VŨ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT HỆ CON LẮC NGƯỢC ĐƠN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202 Hướng dẫn khoa học: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA Tp Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2015 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ tên: LÊ QUANG VŨ Giới tính: Nam Ngày sinh: 10-10-1982 Nơi sinh: Thanh Hoá Quê quán: Thanh Hoá Dân tộc: Kinh Địa tạm trú: 46A đường 11, P Tăng Nhơn Phú B, Q.9, TP.HCM Điện thoại quan: (08)37421331 Điện thoại di động: 0903095968 Fax: Email: quangvuspkt@gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Từ 2007 - 2009: sinh viên trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, chuyên ngành: Điện Công Nghiệp Từ 2013 - 2015: học viên cao học trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, chuyên ngành: Kỹ thuật điện III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 09/2009 - 05/2012 Công ty CP Công nghệ Hải Sơn Giám sát, thiết kế 06/2012 - 09/2015 Công ty TNHH SX & TM Thanh Luân Tổ trưởng tổ điện 10/2015 - đến Công ty Cổ Phần XNK Nam Thái Sơn Thiết kế HVTH: Lê Quang Vũ Trang Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn “Điều khiển trƣợt hệ lắc ngƣợc đơn” thực hiện, không chép kết người khác Tôi xin chịu trách nhiệm cam đoan Tp Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 10 năm 2015 (Ký tên ghi rõ họ tên) Lê Quang Vũ HVTH: Lê Quang Vũ Trang Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin chân thành gửi đến thầy PGS.TS Dƣơng Hoài Nghĩa người tận tình hướng dẫn truyền đạt kiến thức giúp hoàn thành luận văn Bên cạnh đó, xin chân thành gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô môn khoa Điện-Điện tử truyền đạt cho kiến thức bổ ích quý giá trình học tập để ứng dụng vào nghiên cứu phát triển đề tài ứng dụng vào công việc sau Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến tất bạn cao học Kỹ thuật điện khóa 2013A động viên, giúp đỡ, trao đổi kiến thức với suốt khóa học Tp.HCM, ngày 25 tháng 10 năm 2015 Học viên Lê Quang Vũ HVTH: Lê Quang Vũ Trang Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA TÓM TẮT LUẬN VĂN CAO HỌC Hệ thống lắc ngược hệ thống có kết cấu khí đơn giản mang đầy đủ đặc tính hệ phi tuyến SIMO điển hình Do đó, hệ thống sử dụng rộng rãi phòng thí nghiệm để nghiên cứu giải thuật điều khiển điều khiển tuyến tính, điều khiển thông minh, điều khiển phi tuyến, nhận dạng hệ thống… Hệ thống lắc ngược gồm hai phần: cánh tay gắn vào động DC quay quanh trục thẳng đứng lắc gắn vào trục encoder cuối cánh tay tự mặt phẳng vuông góc với cánh tay Trong luận văn học viên xem xét giải vấn đề liên quan đến hệ lắc ngược Do tồn lực ma sát trượt, lực ly tâm nên đáp ứng hệ thống đạt mức độ tương đối Hơn lắc có xu hướng rơi xuống vị trí cân hướng xuống tác dụng trọng lực nên việc điều khiển cân lắc vị trí cân hướng lên khó khăn lắc có xu hướng lệch khỏi vị trí cân cao Nếu cảm biến vị trí không xác làm cho lắc định vị không vị trí dẫn đến sai số lớn cân Trong luận văn học viên dựa giải thuật trượt để điều khiển cân lắc vị trí mong muốn so sánh đáp ứng hệ thống HVTH: Lê Quang Vũ Trang Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT PID: Proportional Integral Derivative LQR: Linear Quadratic Regulator PWM: Pulse Width Modulation SISO: Single Input Single Outputs SIMO: Single Input Multi Outputs DSP: Digital Signal Processing PCI: Peripheral Component Interconnect QEP: Quadrature Encoder Pulse HVTH: Lê Quang Vũ Trang Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Mô hình lắc ngược quay Hình 1.2: Một số mô hình phần cứng lắc ngược quay Hình 2.1: Sơ đồ khối mô hình lắc ngược thực luận văn Hình 2.2: Mô hình toán học lắc Hình 2.3: Phân tích lực tác dụng 10 Hình 2.4: Hệ thống lắc nhìn từ phía 12 Hình 4.1: Mô hình thực tế hệ lắc ngược quay 18 Hình 4.2: Motor DC Servo hãng Tamagawa với Seri TS 1983N146E5 20 Hình 4.3: Cảm biến tốc độ 20 Hình 4.4: Board điều khiển TMDSF28335 21 Hình 4.5: Sơ đồ nguyên lý mạch cầu H 22 Hình 4.6: Mạch cầu H cho động 22 Hình 4.7: Quá trình chuyển đổi từ Simulink sang ngôn ngữ C chạy chip DSP 23 Hình 5.1: Mô hình hệ lắc ngược quay Matlab 24 Hình 5.2: Mô hình lắc có quan tâm đến giá trị mặt trượt 25 Hình 5.3: Bên khối Sliding Mode Control 25 Hình 5.4: Khối điều khiển ta quan tâm giá trị mặt trượt 26 Hình 5.5: Sơ đồ bên khối mô hệ thống 27 Hình 5.6: Góc quay cánh tay (rad) 28 Hình 5.7: Góc quay lắc (rad) 29 Hình 5.8: Tín hiệu điện áp điều khiển (V) 29 Hình 5.9: Giá trị mặt trượt S1 theo thời gian 29 Hình 5.10: Giá trị mặt trượt S2 theo thời gian 30 HVTH: Lê Quang Vũ Trang Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA Hình 6.1: Thời gian lấy mẫu 31 Hình 6.2: Sơ đồ khối Matlab dùng để điều khiển lắc ngược 32 Hình 6.3: Sơ đồ khối Matlab dùng để truy xuất liệu .34 Hình 6.4: Kết điều khiển giữ cân lắc 35 Hình 6.5: Góc lệch lắc với điều khiển trượt 35 Hình 6.6: Góc quay cánh tay với điều khiển trượt 36 Hình 6.7: Điện áp đặt vào động với điều khiển trượt 36 Hình 6.8: Mặt trượt S1 36 Hình 6.9: Mặt trượt S2 37 Hình 6.10: Góc lệch lắc với điều khiển trượt 37 Hình 6.11: Góc quay cánh tay với điều khiển trượt 37 Hình 6.12: Điện áp đặt vào động với điều khiển trượt 38 Hình 6.13: Mặt trượt S1 39 Hình 6.14: Mặt trượt S2 38 Hình 6.15: Góc lệch lắc với điều khiển trượt 39 Hình 6.16: Góc quay cánh tay với điều khiển trượt 39 Hình 6.17: Điện áp đặt vào động với điều khiển trượt 39 Hình 6.18: Mặt trượt S1 40 Hình 6.19: Mặt trượt S2 40 Hình 6.20: Góc lệch lắc với điều khiển trượt 40 Hình 6.21: Góc quay cánh tay với điều khiển trượt 41 Hình 6.22: Điện áp đặt vào động với điều khiển trượt 41 Hình 6.23: Mặt trượt S1 41 Hình 6.24: Mặt trượt S2 42 Hình 6.25: Kết điều khiển giữ cân gắn m1 lắc 42 HVTH: Lê Quang Vũ Trang Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA Hình 6.26: Góc lệch lắc với điều khiển trượt 42 Hình 6.27: Góc quay cánh tay với điều khiển trượt 43 Hình 6.28: Điện áp đặt vào động với điều khiển trượt 43 Hình 6.29: Mặt trượt S1 43 Hình 6.30: Mặt trượt S2 44 Hình 6.31: Kết điều khiển giữ cân gắn m1 đầu lắc 44 Hình 6.32: Góc lệch lắc với điều khiển trượt 44 Hình 6.33: Góc quay cánh tay với điều khiển trượt 45 Hình 6.34: Điện áp đặt vào động với điều khiển trượt 45 Hình 6.35: Mặt trượt S1 45 Hình 6.36: Mặt trượt S2 46 HVTH: Lê Quang Vũ Trang Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1: Thông số mô hình Bảng 5.1: Các giá trị thông số mô 28 HVTH: Lê Quang Vũ Trang Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA MỤC LỤC LÝ LỊCH KHOA HỌC i LỜI CAM ĐOAN ii LỜI CẢM ƠN iii TÓM TẮT LUẬN VĂN CAO HỌC iv Danh mục chữ viết tắt v Danh mục hình .vi Danh mục bảng .vii Mục lục viii Chƣơng TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Giới thiệu lắc ngược quay 1.3 Một số công trình nghiên cứu có liên quan 1.4 Mục tiêu phạm vi nghiên cứu 1.4.1 Mục tiêu 1.4.2 Phạm vi nghiên cứu 1.5 Phương pháp nghiên cứu 1.6 Cấu trúc luận văn Chƣơng MÔ HÌNH HÓA VÀ THAM SỐ 2.1Giới thiệu sơ lược hệ thống lắc ngược quay 2.2Thiết lập mô hình toán học hệ thống lắc ngược quay Chƣơng GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN 14 3.1 Lý thuyết điều khiển trượt 14 3.1.1 Phương pháp điều khiển trượt 14 HVTH: Lê Quang Vũ Trang 10 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA Chƣơng GIỚI THIỆU MÔ HÌNH PHẦN CỨNG 18 4.1 Giới thiệu mô hình lắc ngược quay 18 4.2 Phần khí 19 4.3 Phần điện 20 4.3.1 Phần điều khiển 20 4.3.2 Phần công suất 21 4.4 Phần chương trình 23 Chƣơng KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 24 5.1 Xây dựng hệ thống 24 5.2 Mô điều khiển trượt 27 5.3 Nhận xét 30 Chƣơng KẾT QUẢ TRÊN MÔ HÌNH THỰC 31 6.1 Xây dựng chương trình điều khiển Simulink 31 6.2 Đáp ứng ngõ thực tế với điều khiển trượt 35 6.4 Nhận xét 46 Chƣơng KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 47 7.1 Kết luận 47 7.2 Hướng phát triển đề tài 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO 49 PHỤ LỤC HVTH: Lê Quang Vũ Trang 11 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS DƢƠNG HOÀI NGHĨA Chƣơng TỔNG QUAN Chương trình bày nội dung tổng quan liên quan đến đề tài nói chung, hệ thống lắc ngược quay ứng dụng thực tế, kết nghiên cứu nước Trên sở học viên đưa mục tiêu đề tài, kết dự kiến phương pháp nghiên cứu 1.1 Đặt vấn đề Cùng với phát triển khoa học kĩ thuật, phương pháp điều khiển từ kinh điển đến đại, điều khiển thông minh đời Hầu hết đối tượng cánh tay máy, hệ lắc ngược quay… giải toán ổn định hệ thống với chất lượng cao Các phương pháp ngày nghiên cứu, phát triển, ứng dụng rộng rãi, góp phần nâng cao chất lượng, độ ổn định hệ thống Hệ lắc ngược quay hệ thống vào - nhiều ra, có độ bất ổn định cao sở để tạo hệ thống tự cân như: hệ xe lắc ngược quay, hệ lắc ngược quay, hệ Pendubot,… Đây đối tượng thường nhà nghiên cứu lựa chọn để kiểm chứng thuật toán điều khiển mình, từ thuật toán điều khiển cổ điển đến thuật toán điều khiển đại, điều khiển thông minh Tuy nhiên hệ lắc ngược quay đặt nhiều thách thức lý thuyết điều khiển thiết bị điều khiển chúng Đòi hỏi có điều khiển thích hợp có tốc độ đáp ứng nhanh Các nghiên cứu điều khiển hệ thống lắc ngược quay tiến hành sớm, xuất phát từ nhu cầu thiết kế hệ thống điều khiển cân tên lửa giai đoạn đầu phóng Trên phương diện nghiên cứu kĩ thuật điều khiển thực, lắc ngược quay đại diện cho lớp đối tượng phi tuyến phức tạp HVTH: Lê Quang Vũ Trang Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS DƢƠNG HOÀI NGHĨA Ở đề tài có số luận văn thạc sĩ Đại học Bách khoa TP.HCM, Đại học Giao thông Vận tải điều khiển thành công sử dụng giải thuật LQR, PID, Fuzzy Tuy nhiên giải thuật có nhược điểm sau: Giải thuật LQR điều khiển dựa vào thông số K tìm từ việc tuyến tính hóa hệ thống nên điều khiển mô hình quanh vị trí làm việc Nếu trạng thái hệ thống xa vị trí cân giải thuật không điều khiển tốt Giải thuật PID giải thuật tuyến tính lắc ngược quay hệ phi tuyến mang tính phi tuyến điển hình Do vậy, điều khiển PID chưa đủ mức độ phức tạp để điều khiển hệ lắc ngược quay dải hoạt động rộng Giải thuật Fuzzy phụ thuộc vào kinh nghiệm chuyên gia nên tốn nhiều thời gian thử sai nhiều lần không tận dụng hiểu biết phương trình toán học hệ thống Từ hạn chế định điều khiển trên, điều khiển phi tuyến giải pháp để củng cố thêm Với việc tận dụng kiến thức mô hình (thông số hệ thống, phương trình toán học) việc thiết kế điều khiển đáp ứng tốt ổn định hệ thống khoảng hoạt động rộng Trong khuôn khổ luận văn này, học viên xin chọn hướng đề tài: “ ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT HỆ CON LẮC NGƢỢC ĐƠN” 1.2 Giới thiệu lắc ngƣợc quay Mô hình lắc ngược quay hệ thống máy gồm hai khâu: cánh tay (Arm) lắc (pendulum) Trong điều khiển cân bằng, cánh tay gắn vào động DC có encoder gắn đồng trục để xác định vị trí góc cánh tay quay quanh trục thẳng đứng lắc gắn vào trục encoder cuối cánh tay tự mặt phẳng vuông góc với cánh tay có khả xoay tự mặt phẳng vuông góc với mặt phẳng ngang HVTH: Lê Quang Vũ Trang Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS DƢƠNG HOÀI NGHĨA Hình 1.1 Mô hình lắc ngƣợc quay 1.3 Một số công trình nghiên cứu có liên quan Do hệ lắc ngược quay hệ ứng dụng nhiều nghiên cứu giải thuật điều khiển mang tính học thuật cao nên nhiều dạng mô hình lắc ngược quay xây dựng sử dụng phòng thí nghiệm Ngoài hệ lắc ngược quay đề cập phần có hệ lắc ngược khác như: hệ lắc ngược quay bậc tự do, hệ xe lắc ngược… Hình 1.2 Một số mô hình phần cứng lắc ngƣợc quay trƣớc HVTH: Lê Quang Vũ Trang Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS DƢƠNG HOÀI NGHĨA Trong luận văn thạc sĩ “Nghiên cứu điều khiển trượt điều khiển lắc ngược” tác giả Huỳnh Xuân Dũng [2], trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật 2012, hệ thống phân tích, mô điều khiển Các kết mô cho thấy hệ thống đáp ứng nhanh, nhiên, đề tài thực mô để kiểm tra thuật toán điều khiển trượt, chưa ứng dụng điều khiển vào mô hình thực hệ thồng lắc ngược Do đó, chưa đánh giá tính ổn định bền vững điều khiển trượt 1.4 Mục tiêu phạm vi nghiên cứu 1.4.1 Mục tiêu Trong luận văn này, mục tiêu điều khiển cân mô hình lắc làm việc quanh vị trí cân hướng lên, cụ thể là: Ứng dụng giải thuật trượt để điều khiển ổn định góc lắc thẳng đứng, góc cánh tay đứng yên vị trí đặt Ứng dụng giải thuật trượt điều khiển góc cánh tay dao động theo quỹ đạo cho trước ổn định góc lắc thẳng đứng không ngã 1.4.2 Phạm vi nghiên cứu Ứng dụng điều khiển trượt, điều khiển mô hình lắc ngược quay Việc nghiên cứu thực mô môi trường Matlab/Simulink thực điều khiển cân mô hình thực tế 1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu tài liệu để hiểu biết đối tượng: mô hình toán, mô hình khí, bố trí cảm biến, cách thức hoạt động…của hệ lắc ngược Nghiên cứu tài liệu để nắm vững giải thuật nhận dạng thông số mô hình, giải thuật điều khiển trượt để điều khiển cân mô hình lắc ngược quay HVTH: Lê Quang Vũ Trang Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS DƢƠNG HOÀI NGHĨA Phƣơng pháp thực nghiệm: Sử dụng phần mềm Matlab/Simulink mô máy tính: mô lắc ngược với phương trình toán học Xây dựng mô hình thực tế hệ thống, dùng DSP TMS320F28335 để thu thập liệu điều khiển hệ thống thực tế xây dựng Đánh giá kết dựa mô thực nghiệm 1.6 Cấu trúc luận văn Luận văn tìm hiểu sở lý thuyết điều khiển trượt để điều khiển cân hệ lắc ngược, lập trình, mô phần mềm Matlab thực thi công mô hình phần cứng Sau đó, học viên thực nhúng giải thuật điều khiển DSP TMS320F28335 để áp dụng điều khiển mô hình lắc ngược quay thực tế Luận văn gồm chương với nội dung cụ thể sau: Chƣơng 1: Tổng quan Giới thiệu tổng quan nhằm mục đích giới thiệu đề tài, vấn đề mà đề tài cần giải quyết, công trình liên quan, mục tiêu nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu phương pháp nghiên cứu học viên Chƣơng 2: Mô hình hóa tham số Khảo sát đối tượng lắc ngược, trình bày việc phân tích mô hình toán học hệ lắc ngược Xác định thông số toán học đối tượng, biến trạng thái Chƣơng 3: Giải thuật điều khiển Trình bày sơ lược sở lý thuyết điều khiển trượt Chƣơng 4: Giới thiệu phần cứng Chương trình bày phần khí, điện chương trình mà học viên thực cho hệ lắc ngược HVTH: Lê Quang Vũ Trang Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS DƢƠNG HOÀI NGHĨA Chƣơng 5: Kết mô Chương trình bày cách đưa mô hình toán học hệ lắc ngược vào mô Matlab Kết mô hệ thống Chƣơng 6: Kết mô hình thực Trình bày kết điều khiển thực tế cho thiết kế phần cứng chương trước Đánh giá nhận xét chất lượng điều khiển Chƣơng 7: Kết luận hƣớng phát triển Kết luận tóm tắt kết đạt hạn chế hướng phát triển để hoàn thiện thiếu sót đề tài HVTH: Lê Quang Vũ Trang Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS DƢƠNG HOÀI NGHĨA Chƣơng MÔ HÌNH HÓA VÀ THAM SỐ Chương trình bày cách xây dựng mô hình toán học hệ lắc ngược sở giải thuật áp dụng để điều khiển đối tượng đề tài 2.1 Giới thiệu sơ lƣợc hệ thống lắc ngƣợc quay Hệ thống lắc ngược vấn đề điều khiển cổ điển sử dụng trường đại học khắp giới Hệ thống lắc ngược mô hình phù hợp để kiểm tra thuật toán điều khiển hệ phi tuyến cao trở lại ổn định Đây hệ thống SIMO điển hình gồm ngõ vào điện áp cấp cho động (hoặc lực quay động cơ) mà phải điều khiển vị trí cánh tay quay góc lệch lắc ngược cho thẳng đứng (hai ngõ ra) Ngoài ra, phương trình toán học đề cập đến lắc ngược mang tính chất phi tuyến điển hình Đối tượng lắc ngược lại có kết cấu khí không phức tạp để chế tạo Vì thế, mô hình lý tưởng cho phòng thí nghiệm Điều khiển tự động Mô hình hệ thống lắc ngược quay gồm hai phần: cánh tay gắn vào động DC quay quanh trục thẳng đứng lắc gắn vào trục encoder cuối cánh tay tự mặt phẳng vuông góc với cánh tay thể Hình 2.1 Con lắc không ổn định, ngã xuống trừ có lực tác động thích hợp vào cánh tay Bài toán đặt điều khiển cánh tay để giữ cho lắc cân vị trí thẳng đứng Con lắc ổn định nhờ điều khiển trượt HVTH: Lê Quang Vũ Trang Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS DƢƠNG HOÀI NGHĨA Hình 2.1 Sơ đồ khối mô hình lắc ngƣợc đƣợc thực luận văn Mô hình mô dựa theo phương trình động lực học hệ thống lắc ngược quay Đồng thời điều khiển trình bày phần chương Mục đích việc trình bày lắc ngược mô để kiểm chứng lại lý thuyết từ mô hình toán Từ đánh giá ổn định hệ thống lắc ngược quay lí thuyết 2.2 Thiết lập mô hình toán học hệ thống lắc ngƣợc quay Có nhiều phương pháp khác sử dụng để điều khiển hệ lắc ngược quay (vd: PID, LQR, Fuzzy Logic, Neural Network…) Với phương pháp khác điều khiển có đáp ứng đầu khác nhau.Như vậy, cần xây dựng mô hình mô hệ thống lắc Simulink Matlab Hệ thống lắc ngược quay bao gồm lắc có khối lượng m, chiều dài 2L quay tự do, góc lắc so với phương thẳng α, lắc gắn với nằm ngang có chiều dài r Động DC dùng để di chuyển cánh tay theo hai hướng thuận ngược với góc θ, thể Hình 2.2 HVTH: Lê Quang Vũ Trang S K L 0 [...]... chứng những thuật toán điều khiển của mình, từ những thuật toán điều khiển cổ điển đến những thuật toán điều khiển hiện đại, điều khiển thông minh Tuy nhiên hệ con lắc ngược quay cũng đặt ra nhiều thách thức đối với lý thuyết điều khiển cũng như các thiết bị điều khiển chúng Đòi hỏi có bộ điều khiển thích hợp và có tốc độ đáp ứng nhanh Các nghiên cứu về điều khiển hệ thống con lắc ngược quay đã được tiến... hình con lắc ngược quay được xây dựng và sử dụng tại các phòng thí nghiệm Ngoài hệ con lắc ngược quay được đề cập ở phần trên còn có các hệ con lắc ngược khác như: hệ con lắc ngược quay một bậc tự do, hệ xe con lắc ngược Hình 1.2 Một số mô hình phần cứng con lắc ngƣợc quay trƣớc đây HVTH: Lê Quang Vũ Trang 3 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS DƢƠNG HOÀI NGHĨA Trong luận văn thạc sĩ “Nghiên cứu điều khiển trượt. .. toán học của hệ con lắc ngược và cơ sở giải thuật áp dụng để điều khiển đối tượng trong đề tài 2.1 Giới thiệu sơ lƣợc về hệ thống con lắc ngƣợc quay Hệ thống con lắc ngược là một vấn đề điều khiển cổ điển nó được sử dụng trong các trường đại học trên khắp thế giới Hệ thống con lắc ngược là mô hình phù hợp để kiểm tra các thuật toán điều khiển hệ phi tuyến cao trở lại ổn định Đây là một hệ thống SIMO... lập mô hình toán học hệ thống con lắc ngƣợc quay Có rất nhiều phương pháp khác nhau được sử dụng để điều khiển hệ con lắc ngược quay (vd: PID, LQR, Fuzzy Logic, Neural Network…) Với mỗi phương pháp khác nhau các bộ điều khiển sẽ có những đáp ứng đầu ra khác nhau.Như vậy, cần xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống con lắc trong Simulink Matlab Hệ thống con lắc ngược quay bao gồm một con lắc có khối lượng m,... trình toán học) thì việc thiết kế một bộ điều khiển đáp ứng tốt và ổn định được hệ thống trong một khoảng hoạt động rộng Trong khuôn khổ luận văn này, học viên xin chọn hướng đề tài: “ ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT HỆ CON LẮC NGƢỢC ĐƠN” 1.2 Giới thiệu về con lắc ngƣợc quay Mô hình con lắc ngược quay là một hệ thống máy gồm hai khâu: cánh tay (Arm) và con lắc (pendulum) Trong điều khiển cân bằng, cánh tay gắn vào động... “Nghiên cứu điều khiển trượt điều khiển con lắc ngược của tác giả Huỳnh Xuân Dũng [2], trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật 2012, hệ thống cũng đã được phân tích, mô phỏng và điều khiển Các kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống đáp ứng nhanh, tuy nhiên, đề tài chỉ thực hiện mô phỏng để kiểm tra thuật toán bộ điều khiển trượt, chưa ứng dụng bộ điều khiển vào mô hình thực hệ thồng con lắc ngược Do đó, chưa đánh giá... cơ) mà phải điều khiển cả vị trí cánh tay quay và góc lệch con lắc ngược sao cho thẳng đứng (hai ngõ ra) Ngoài ra, phương trình toán học được đề cập đến của con lắc ngược mang tính chất phi tuyến điển hình Đối tượng con lắc ngược lại có kết cấu cơ khí không phức tạp để có thể chế tạo Vì thế, đây là một mô hình lý tưởng cho các phòng thí nghiệm Điều khiển tự động Mô hình hệ thống con lắc ngược quay gồm... quyết bởi các bài toán ổn định hệ thống với chất lượng cao hơn Các phương pháp này ngày càng được nghiên cứu, phát triển, ứng dụng rộng rãi, góp phần nâng cao chất lượng, độ ổn định của hệ thống Hệ con lắc ngược quay là hệ thống một vào - nhiều ra, nó có độ bất ổn định cao và là cơ sở để tạo ra các hệ thống tự cân bằng như: hệ xe con lắc ngược quay, hệ con lắc ngược quay, hệ Pendubot,… Đây là đối tượng... LQR điều khiển dựa vào thông số K tìm được từ việc tuyến tính hóa hệ thống nên chỉ điều khiển được mô hình quanh vị trí làm việc Nếu trạng thái hệ thống quá xa vị trí cân bằng thì giải thuật không còn điều khiển tốt Giải thuật PID là giải thuật tuyến tính trong khi con lắc ngược quay là một hệ phi tuyến mang tính phi tuyến điển hình Do vậy, bộ điều khiển PID có thể chưa đủ mức độ phức tạp để điều khiển. .. quay 7 2.2Thiết lập mô hình toán học hệ thống con lắc ngược quay 8 Chƣơng 3 GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN 14 3.1 Lý thuyết bộ điều khiển trượt 14 3.1.1 Phương pháp điều khiển trượt 14 HVTH: Lê Quang Vũ Trang 10 Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA Chƣơng 4 GIỚI THIỆU MÔ HÌNH PHẦN CỨNG 18 4.1 Giới thiệu mô hình con lắc ngược quay 18 4.2 Phần cơ khí