Luận văn thạc sĩ kỹ thuật: Thiết kế hệ thống điều khiển cho acrobot

Acrobot là một ví dụ điển hình của các hệ thống hụt. Đây là một hệ thống phituyến rất khó điều khiển. Có thể sử dụng hệ thống này nhƣ một đối tượng để thửnghiệm các lý thuyết điều khiển điển kinh điển cũng như lý thuyết điều khiển mới.

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 Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu khoa học độc lập thân Mọi kết nghiên cứu nhƣ ý thƣởng tác giả khác có đƣợc trích dẫn nguồn gốc cụ thể Các số liệu sử dụng phân tích luận văn có nguồn gốc rõ ràng, công bố theo quy định Các kết nghiên cứu luận văn tơi tự tìm hiểu, phân tích cách trung thực, khách quan phù hợp với thực tiễn Việt Nam Luận văn chƣa đƣợc bảo vệ hội đồng bảo vệ luận văn thạc sĩ chƣa đƣợc công bố phƣơng tiện thơng tin Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm mà tơi cam đoan Thái Nguyên, ngày tháng năm 2014 Học viên Hà Mạnh Quân Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iii LỜI CẢM ƠN Trong thời gian học tập nghiên cứu nhà trƣờng tơi tích lũy đƣợc nhiều kiến thức chuyên nghành Sau gần hai năm học tập nhà trƣờng học viên đƣợc nhận luận văn tốt nghiệp vinh dự lớn thân Sau thánh nghiên cứu làm việc khẩn trƣơng với hƣớng dẫn, giúp đỡ tận tình T.S Nguyễn Hồi Nam (Trƣờng Đại học Công Nghiệp – Đại học Thái Nguyên) luận văn “Thiết kế hệ thống điều khiển cho Acrobot” hồn thành Trong q trình thực luận văn ngồi cố gắng thân, tơi nhận đƣợc nhiều quan tâm giúp đỡ, bảo tận tình thầy giáo, giáo nhà trƣờng : , ph Nhân dịp xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới T.S Nguyễn Hoài Nam Tuy cố gắng, nhƣng luận văn cịn nhiều thiếu sót, mong nhận đƣợc góp ý để đề tài đƣợc hoàn thiện Thái Nguyên, ngày tháng năm 2014 Học viên Hà Mạnh Quân Số hóa 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 Lý chọn đề tài………………… ……… ……….…………………1 Mục tiêu nghiên cứu………………………… ………………….……1 Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu………………………………………2 3.1 Đối tƣợng nghiên cứu ……………………………………….…2 3.2 Phạm vi nghiên cứu …………………………………………… Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài nghiên cứu … ………………2 4.1 Ý nghĩa khoa học đề tài …………………………………… 4.2 Ý nghĩa thực tiễn đề tài nghiên cứu ………………………….2 Phƣơng pháp nghiên cứu……………….…………………………….…2 5.1 Nghiên cứu lý thuyết………………………………………… ….2 5.2 Phương pháp thực nghiệm…………………………… ……… CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ACROBOT……… …… … CHƢƠNG II: MƠ HÌNH HĨA ACROBOT………… … ……………… 2.1 Hệ thống Acrobot …………………………….……………….…….6 2.2 Luật điều khiển cho Acrobot …………………………………… …8 2.3 Chƣơng trình mơ Acrobot khơng gian chiều…….…10 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ v CHƢƠNG III: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ……………… …….…… 15 3.1 Tuyến tính hóa mơ hình điểm cân không ổn định…… 15 3.2 Thiết kế điều khiển phản hồi trạng thái………… …….…… 18 3.2.1 Phƣơng pháp gán điểm cực ……………………… .18 3.2.2 Ứng dụng Matlab tìm 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: MƠ 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 có nhiễu tác động…… …….………………46 CHƢƠNG V: GIẢI PHÁP THIẾT KẾ MƠ HÌNH THỰC CHO ACROBOT 50 5.1 Thiết kế hệ thống điều khiển Acrobot………………………… 50 5.2 Mơ hình thí nghiệm Acrobot …………………………………… 51 5.2.1 Động DC………………………………………………51 5.2.2 Động DC gear motor encoder…………………………52 5.2.3 IC L298N…………………………………………………53 5.2.4 IC SN74HC08N…… ……………………………………53 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vi 5.2.5 Giới thiệu Card Arduino………………… …………… 54 5.2.6 Thiết kế điều khiển PI cho Acrobot… … ………… 54 5.2.7 Kết 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 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 1: Hệ thống Acrobot……………………………….…………………6 Hình 2.2: Mơ phongrAcrobot chiều……………… ……………… ……14 Hình 1: Điểm cân không ổn định hệ thống…………… ………15 Hình 2: Bộ điều khiển cho đối tƣợng……………………………… … 19 Hình 4.1: Hệ thống Acrobot…………………………………………… ….24 Hình 4.2: Sơ đồ hệ thống điều khiển Simulink………………… … 26 Hình 4.3: Biến trạng thái x1…………………………………… …… … 27 Hình 4.4: Biến trạng thái x2…………………………………………… … 28 Hình 4.5: Biến trạng thái x3…………………………………….……….… 28 Hình 4.6: Biến trạng thái x4…………………………………………… … 29 Hình 4.7: Sơ đồ hệ thống điều khiển Simulink…………………… …30 Hình 4.8: Biến trạng thái x1……………………………………… ……… 31 Hình 4.9: Biến trạng thái x2……………………………………………… 31 Hình 4.10: Biến trạng thái x3……………………………………….……… 32 Hình 4.11: Biến trạng thái x4……………………………………….……… 32 Hình 4.12: Sơ đồ hệ thống điều khiển Simulink……………… … …34 Hình 4.13: Biến trạng thái x1…………………………………….………… 35 Hình 4.14: Biến trạng thái x2…………………………………….………… 35 Hình 4.15: Biến trạng thái x3………………………………………….….….36 Hình 4.16: Biến trạng thái x4……………………………………….……… 36 Số hóa 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 Simulink……………… …41 Hình 4.19: Biến trạng thái x1………………………………………….…… 42 Hình 4.20: Biến trạng thái x2…………………………………………….… 42 Hình 4.21: Biến trạng thái x3…………………………………….….……….43 Hình 4.22: Biến trạng thái x4…………………………………….………… 43 Hình 4.23: Biến trạng thái x1…………………………………………….… 44 Hình 4.24: Biến trạng thái x2…………………………………………….… 45 Hình 4.25: Biến trạng thái x3……………………………….…………….….45 Hình 4.26: Biến trạng thái x4………………………………………….…… 46 Hình 4.27: Sơ đồ hệ thống điều khiển Simulink………… …… …47 Hình 4.28: Biến trạng thái x1…………………………………………….… 47 Hình 4.29: Biến trạng thái x2………………………………………….…… 48 Hình 4.30: Biến trạng thái x3………………………………….…….……….48 Hình 4.31: Biến trạng thái x4……………………………………….……… 49 Hình 5.1 Mơ hình Acrobot thực…………………………………………… 50 Hình 5.2 Sơ đồ khối mơ hình thí nghiệm………………………………… 51 Hình 5.3 Kí hiệu chân động cơ…………………………………………… 52 Hình 5.4 Động 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 điều khiển…………………………………………… 55 Hình 5.9 Vị trí góc 2…………………………………………… 55 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ix DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1: Các thơng số mơ hình acrobot…… …………… ……….……24 Bảng 2: Các thông số hệ thống acrobot thực………………… ….…….39 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ x Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 43 x3 -1 -2 -3 -4 -5 -6 0.5 1.5 2.5 3.5 4.5 Hình 4.21: Biến trạng thái x3 x4 -1 -2 -3 0.5 1.5 2.5 3.5 4.5 Hình 4.22: Biến trạng thái x4 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 44 Hệ thống đạt tới trạng thái ổn định sau khoảng giây Mô với điều kiện đầu x1 , x2 0, x3 0, x4 0.1 ta thu đƣợc quỹ đạo trạng thái nhƣ hình x1 -1 -2 -3 -4 0.5 1.5 2.5 3.5 4.5 Hình 4.23: Biến trạng thái x1 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 45 x2 -1 -2 -3 -4 -5 -6 0.5 1.5 2.5 3.5 4.5 Hình 4.24: Biến trạng thái x2 30 x3 25 20 15 10 -5 0.5 1.5 2.5 3.5 4.5 Hình 4.25: Biến trạng thái x3 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 46 10 x4 -5 -10 -15 -20 -25 -30 -35 0.5 1.5 2.5 3.5 4.5 Hình 4.26: Biến trạng thái x4 Sau khoảng giây hệ thống đạt đƣợc trạng thái xác lập ổn định 4.2.2 Khảo sát có nhiễu tác động Mơ với điều kiện đầu x1 Số hóa Trung tâm Học liệu , x2 0, x3 0, x4 0.1 http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 47 Hình 4.27: Sơ đồ hệ thống điều khiển Simulink x1 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 Hình 4.28: Biến trạng thái x1 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 10 48 14 x2 12 10 -2 -4 -6 10 Hình 4.29: Biến trạng thái x2 30 x3 20 10 -10 -20 -30 Hình 4.30: Biến trạng thái x3 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 10 49 40 x4 30 20 10 -10 -20 -30 -40 10 Hình 4.31: Biến trạng thái x4 Chúng ta thấy với mơ hình tốn này, cần điều khiển phản hồi trạng thái đủ để đƣa acrobot trạng thái cân không ổn định từ trạng thái ban đầu Nhƣ từ mơ hình tốn [3], thiết kế chế tạo mơ hình acrobot thực có nhiều vấn đề cần phải quan tâm Thứ vấn đề tỉ lệ mơ hình thực mơ hình toán, chẳng hạn nhƣ tỉ lệ khối lƣợng độ dài hai mơ hình tốn [3] 1:2, mơ hình thực gần nhƣ 1:1 độ dài 10:1 khối lƣợng Vấn đề thứ kết cấu khí, ma sát độ xác chế tạo phần Với kết mô với kinh nghiệm thiết kế chế tạo mơ hình acrobot thực, hồn tồn xây dựng mơ hình acrobot thực để phục vụ nghiên cứu thí nghiệm Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 50 CHƢƠNG V: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MƠ HÌNH ACROBOT THỰC Trong phần chúng tơi thiết kế giới thiệu hệ thống điều khiển thời gian thực cho mơ hình acrobot phịng thí nghiệm Hệ thống bao gồm mơ hình acrobot thực đƣợc trình bày phần trƣớc, Arduino Mega, mạch đảo chiều động cơ, nguồn động chiều có gắn kèm encorder 5.1 Thiết kế hệ thống điều khiển Acrobot Để phục vụ cho việc nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển Acrobot gồm có hai khớp, có khớp thứ đƣợc điều khiển để lắc đƣa Acrobot vị trí cân Hình 5.1: Hình ảnh mơ hình Acrobot thực Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 51 5.2 Mơ hình thí nghiệm Acrobot Cấu trúc mơ hình thí nghiệm Acrobot gồm: - Máy tính xách tay: Core i5, 1,8Hz, Ram 4G – Phần mềm Matlab 2013a - Card điều khiển Arduino - Động DC Encoder 334 xung - IC L298N - IC SN74HC08N - Động DC gear motor encoder - Bo mạch đa Vị trí đặt Hệ thống Acrobot Computer, Matlab Bo mạch Card Arduino Nguồn vào, IC L298N, IC SN74HC08N Hình 5.2 Sơ đồ khối mơ hình thí nghiệm 5.2.1 Động DC Động Encoder V2 chạy đƣợc với điện áp nguồn DC tối đa 31V, tích hợp đĩa Encoder 334 xung, cho kênh A B tần số nhƣng lệch pha 90 độ Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 52 DC 12V, dây màu trắng GND, dây màu vàng Kênh A, dây màu xanh dƣơng DC 5V, dây màu đỏ Kênh B, dây màu xanh GND, dây màu đen Hình 5.3 Kí hiệu chân động 5.2.2 Động DC gear motor encoder Động DC gear motor encoder chạy đƣợc với điện áp nguồn DC tối đa 24V, sử dụng hộp số tích hợp đĩa Encoder Hình 5.4 Động DC gear motor encoder - Điện áp: 12V - Công suất: 1W - Đƣờng kính trục: mm - Khối lƣợng: 0.2kg - Tốc độ: 12 vịng/phút Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 53 5.2.3 IC L298N IC L298N mạch bán dẫn tích hợp khối, có 15 chân Nó kiểm sốt khơng mà hai động Với điện áp lớn, sai số tín hiệu nhỏ tản nhiệt tốt Do chúng tơi lựa chọn IC L298N cho mơ hình thí nghiệm Hình 5.5 Giới thiệu IC L298N 5.2.4 IC SN74HC08N 14 VCC 1B 13 4B 1Y 12 4A 2A 11 4Y 2B 10 3B 2Y 3A GND 3Y SN74HC08N 1A Hình 5.6 Giới thiệu IC SN74HC08N Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 54 5.2.5 Giới thiệu Card Arduino Card Arduino 2560 Mega bo mạch vi xử lý có 54 ngõ I/O tƣơng tác điều khiển nhiều thiết bị, đƣợc dùng để lập trình tƣơng tác với thiết bị phần cứng nhƣ cảm biến, động cơ, đèn thiết bị khác Đặc điểm bật Arduino môi trƣờng phát triển ứng dụng dễ sử dụng, với ngôn ngữ lập trình học cách nhanh chóng Hình 5.7 Card Arduino Mega 5.2.6 Thiết kế điều khiển PI cho Acrobot Sử dụng máy tính Card Ardiuno điều khiển Acrobot Các thông số đƣợc chọn phƣơng pháp thực nghiệm Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 55 Hình 5.8 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển thời gian thực 5.2.7 Kết thực nghiệm 50 Vi tri goc cua link 40 30 20 10 -10 -20 -30 -40 -50 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Hình 5.9 Vị trí góc Ta nhận thấy đƣa Acrobot lệch khỏi vị trí cân bằng, sau khoảng thời gian tác động (khoảng 10 giây) Acrobot điều khiển đƣợc vị trí cân Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 56 CHƢƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 6.1 Kết luận - Viết đƣợc chƣơng trình mơ acrobot khơng gian chiều - Thiết kế, mô kiểm tra đƣợc kết báo [3] xác - Thiết kế chế tạo đƣợc mơ hình acrobot thực - Thử nghiệm thuật toán để điều khiển acrobot thực - Điều khiển đƣợc Acrobot lân cận vị trí cân vị trí cân 6.2 Kiến nghị - Hồn thiện mơ hình acrobot thực phịng thí nghiệm - Nhận dạng mơ hình acrobot thực phịng thí nghiệm - Thử nghiệm thuật toán điều khiển acrobot khác - Thiết kế chế tạo (link 1) có dạng thẳng thay chữ T Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Thƣơng Ngô (2006) “Lý thuyết điều khiển tự động thông thường đại Quyển 3: Hệ phi tuyến & Hệ ngẫu nhiên”, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Nguyễn Thƣơng Ngô (2006) “Lý thuyết điều khiển tự động thông thường đại Quyển 4: Hệ tối ưu & Hệ thích nghi”, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Arun D Mahindrakar and Ravi N Bnavar (2005) “A swing-up of the acrobot based on a simple pendulum strategy”, International Journal of Control, ( 6), 424 - 429 R'emi Coulom CORTEX, Loria Nancy (2004) “High-Accuracy ValueFunction Approximation with Neural Networks Applied to the Acrobot”, European Symposium on Artificial Neural Networks, 28-30 R M Murray and J Hauser (1991) “A case study in approximate linearization: the acrobot example”, American control conference, 1- 40 S A Bortoff (1992) “Pseudolinearization Using Spline Functions With Application to the Acrobot” Ph.D thesis, Dept of Electrical and Computer Engineering, University of Illinois at Urbana- Champaign Sam Chau Duong, Hiroshi Kinjo, Eiho Uezato and Tetsuhiko Yamamoto (2009) “On the Continuous Control of the Acrobot via Computational Intelligence”, 231 – 241 Scott C Brown and Kevin M Passino (1997) “Intelligent Control for an Acrobot”, Journal of Intelligent and Robotic Systems, (18), 209–248 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ... nghiệm cho thuật toán điều khiển phi tuyến Thấy đƣợc tầm quan trọng đó, tơi chọn đề tài: ? ?Thiết kế hệ thống điều khiển cho Acrobot? ?? Mục tiêu nghiên cứu - Tìm hiểu acrobot phƣơng pháp điều khiển. .. acrbot - Thiết kế hệ thống điều khiển cho acrobot điểm cân khơng ổn định Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - Thiết kế chế tạo mơ hình thực cho acrobot để phục vụ cho việc nghiên... tài Acrobot ví dụ điển hình hệ thống hụt Đây hệ thống phi tuyến khó điều khiển Có thể sử dụng hệ thống nhƣ đối tƣợng để thử nghiệm lý thuyết điều khiển điển kinh điển nhƣ lý thuyết điều khiển