Xây dựng giải thuật điều khiển trượt swing up và cân bằng LQR hệ pendubot

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN ANH TUẤN XÂY DỰNG GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT SWING UP VÀ CÂN BẰNG LQR HỆ PENDUBOT Chuyên ngành : Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 60.52.02.16 LUẬN VÀN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2017 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐHQG TP.HCM Cán hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Vĩnh Hảo (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét 1: PGS TS Nguyễn Thị Phương Hà (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét 2: PGS TS Hồ Phạm Huy Ánh (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG Tp.HCM ngày 10 tháng năm 2017 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị cùa Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) PGS TS Nguyễn Thị Phương Hà PGS TS Hồ Phạm Huy Ánh PGS TS Huỳnh Thái Hoàng TS Ngô Mạnh Dũng TS Phạm Việt Cường Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận vãn sữa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ CỦA LUẬN VĂN THẠC SĨ MSHV: 13151150 Họ tên học viên: NGUYỄN ANH TUẤN Nơi sinh: Tiền Giang Ngày, tháng, năm sinh: 05-10-1980 Mã số: 60.52.02.16 Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hoá I TÊN ĐỀ TÀI: Xây dựng giải thuật điều khiển trượt Swing up cân LQR hệ Pendupot II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG Xây dựng giải thuật điều khiển trượt LQR mô áp dụng mô hình thực nghiệm điều khiển Swing up cân Pendubot III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 04/07/2016 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 01/12/2016 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Nguyễn Vĩnh Hảo CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) Tp.HCM, ngày tháng năm CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) TRƯỞNG KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ (Họ tên chữ ký) LỜI CẢM ƠN Đầu tiên xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy TS Nguyễn Vĩnh Hảo nhận lời hướng dẫn tận tình hướng dẫn tơi từ q trình làm đề cương đến hồn thành luận văn Tôi xin gửi lời cảm ơn đến tất q thầy ừong mơn Tự động hóa trường Đại học Bách Khoa TPHCM tận tình truyền đạt kiến thức q báu để tơi hồn thành luận văn Những kiến hành ttang giúp cho nghiên cứu khoa học chuyên sâu mở rộng để ngày hoàn thiện kiến thức tương lai Nhân xin có lời cám ơn đến gia đình tạo điều kiện động viên tơi suốt q trình học cao học Đặc biệt xin cảm ơn đến người bạn giúp đỡ chia kinh nghiệm ừong q trình làm luận văn TĨM TẮT Luận văn trình bày thiết ke thực nghiệm giải thuật điều khiển swing up, cân bám tín hiệu sine mơ hình Pendubot Đầu tiên hệ thống swing up phương pháp điều khiển trượt, sau chuyển sang ừạng thái cân bằng phương pháp điều khiển tối ưu dạng toàn phương tuyến tính LQR ( Linear Quadratic Regulator) Các thơng số mơ hình thực ước lượng giải thuật tối ưu GA (Gientic Algorithm) Từ thông số thiết kế mơ hình mơ thực nghiệm Các kết mô thực nghiệm chứng minh giải thuật điều khiển LQR điều khiển cân bám tín hiệu sin tốt hệ thống phi tuyến có số đầu vào điều khiển số ngỏ điều khiển ABSTRACT This thesis presents the design and experiment the conttol methods to executive swing up, balance and sine wave ttacking the Pendubot model Fừst of all the system is swinged up by Sliding mode conttol method, then switched to balance conttol by LQR conttol method (Linear Quadratic Regulator) The parameters of the real model were estimated by GA optimal scheme (Gientic Algorithm) These parameters were used to design the simulation model and experiment model The results of simulation and experimentation prove that the LQR conttol method presents the good capable of balance and sine wave tracking the Pendubot system which is a representative non linear system has input conttol quantity less than output conttol quantity eventhrough the hardware have limitation of motor quality and low resolution of motor’s encoder LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài “Xây dựng giải thuật điều khiển trượt Swing up cân LQR hệ Pendupot” hướng dẫn thầy TS Nguyễn Vĩnh Hảo thực Tất kết ừong luận văn thực chưa công bố tác giả khác Tôi xin chịu trách nhiệm nghiên cứu MỤC LỤC Mục lục i Danh mục hình iv Danh mục bảng vi Chữ viết tắt vii CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Giới thiệu đề tài .1 1.2.1 Mục tiêu đề tài 1.2.2 Phương pháp tiếp cận đề tài 1.3 Các cơng trình liên quan 1.4 Phạm vi nghiên cứu 1.5 Cấu trúc luận văn CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Bộ điều khiển tồn phương tuyến tính LQR 2.2 Bộ điều khiển trượt 2.3 Phương pháp nhận dạng thơng số mơ hình GA CHƯƠNG TRIỀN KHAI NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 11 3.1 Mơ tả mơ hình tốn pendubot 11 3.2 Ước lượng thông số hệ thống thực 16 3.2.1 Chỉ tiêu ước lượng 17 3.2.2 Phương pháp ước lượng 17 3.2.3 Lấy mẫu liệu 18 3.2.4 Kết ước lượng 19 3.3 Thiết kế điều khiển trượt Swing up 20 3.4 Thiết kế điều khiển Tồn phương tuyến tính ( LQR) .21 3.5 Thiết kế điều khiển kết hợp trượt Swing up cân LQR 22 CHƯƠNG MỘT SỐ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG TRONG MATLAB 24 4.1 Mô hệ thống pendubot chưa có nhiễu 24 i 4.1.1 Mô hệ thống pendubot điểm cân khác chưa có điều khiển 25 4.1.2 Mơ tín hiệu tham chiếu điều khiển trượt Swing up 27 4.1.3 Mô điều khiển Tồn phương tuyến tính ( LQR) 28 4.1.3.1 Mô điều khiển cân LQR 28 4.1.3.2 Mơ điều khiển LQR bám tín hiệu sin 30 4.1.4 Mô kết hợp trượt Swing up cân LQR 34 4.2 Mô hệ thống có nhiễu 37 4.2.1 Kết mô điều khiển cân LQR có nhiễu 38 4.2.1.1 Mô điều khiển cân LQR có nhiễu 38 4.2.1.2 Mơ điều khiển LQR bám tín hiệu sin có nhiễu 39 4.2.2 Mơ kết hợp Trượt Swing up cân LQR có nhiễu 44 4.2.2.1 Mơ Trượt Swing up cân có nhiễu 44 4.2.2.2 Mô Trượt Swing up cân bằng, bám tín hiệu sin có nhiễu 44 CHƯƠNG MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM PENDUBOT 48 5.1 Cấu trúc phần cứng mơ hình Pendubot 48 5.1.1 Cấu trúc phần khí 49 5.1.2 Cấu trúc phần mạch điện điều khiển truyền liệu 51 5.1.2.1 Mạch điều khiển trung tâm 51 5.1.2.2 Mạch truyền liệu UART máy tính 52 5.1.2.3 Mạch Công suất 53 5.2 Cấu trúc chương trình điều khiển thực nghiệm 54 5.2.1 Mơ hình pendubot thực nghiệm 56 5.2.2 Bộ điều khiển LQR thực nghiệm 58 5.2.3 Bộ điều khiển swing up trượt thực nghiệm 59 5.3 Kết thực nghiệm 60 5.3.1 Kết thực nghiệm điều khiển LQR 60 5.3.1.1 Điều khiển cân vị trí cân khơng ổn định 60 5.3.1.2 Điều khiển cân bám tín hiệu sin 61 ii 5.3.2 Kết thực nghiệm Trượt Swing up, cân bằng, bám tín hiệu sine LQR 65 5.3.2.1 Thực nghiệm trượt Swing up cân 65 5.3.2.2 Thực nghiệm Trượt Swing up cân bằng, bám tín sin 66 5.4 So sánh kết mô thực nghiệm 68 5.5 Kết luận 68 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỀN 69 6.1 Kết đạt 69 6.1.1 Mục tiêu luận vãn 69 6.1.2 Các kết khác 69 6.2 Những hạn che hướng phát triển 69 6.2.1 Phần cứng 69 6.2.2 Giải thuật điều khiển 70 iii 5.2.2 Bộ điều khiển LQR thực nghiệm ,LR Wnijhing: 19.04a Campiùr: GNU ARM MCU; S"TM3ÍF