Nghiên cứu ứng dụng thuật toán chặt cân bằng cho bài toán điều khiển cân bằng xe hai bánh

N C C N N P  N ỄN VĂN N N CỨ ỨN DỤN O N C Ặ CÂN BẰN C O BÀ O N Ề ỂN CÂN BẰN XE A B N N ÀN : L Ề ỂN VÀ Ự ỘN N VĂN Ề C SĨ OA C ỂN VÀ Ự ỘN ƯỜ DẪ K OA ƯỚ TS Vũ Ngọc iên Thái Nguyên – năm 2020 : ÓA ÓA i LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu Các kết quả, số liệu nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Thái ngun, ngày 20/7/2020 Tác giả luận văn Nguyễn Văn Đô ii LỜI CẢM ƠN Lời em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành, lời cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo TS Vũ Ngọc Kiên, người trực tiếp bảo hướng dẫn em suốt thời gian qua Em xin bày tỏ lòng cảm ơn thầy cô giáo Khoa, môn đông đảo bạn bè, đồng nghiệp cổ vũ nhiều cho việc thực luận văn Mặc dù bảo sát thầy hướng dẫn, nỗ lực cố gắng thân Song kiến thức hạn chế, nên chắn luận văn khơng tránh khỏi thiếu sót định Em mong bảo thầy cô giáo góp ý chân thành bạn Em xin chân thành cảm ơn! iii MỞ ĐẦU Tăng tốc độ xử lý tính tốn hướng ưu tiên nghiên cứu lĩnh vực kỹ thuật Để tăng tính tốn, có số hướng tiếp cận sau: Sử dụng tối ưu thông lượng nhớ cho vi xử lý song song Phân rã tốn lập trình song song theo nghĩa tính tốn hiệu cao Quay dùng chip tương tự mạng nơ ron tế bào (CNN) Tìm cách giảm độ phức tạp thuật tốn mà đảm bảo sai số theo yêu cầu Giảm độ phức tạp thuật tốn giảm bậc mơ hình mà luận văn tập trung nghiên cứu Trong năm gần đây, nghiên cứu giảm bậc mơ hình xe hai bánh tự cân nhiều nhà khoa học giới quan tâm Một khó khăn vấn đề nghiên cứu xe hai bánh khả trì cân ổn định địa hình khác Trong đó, vấn đề khó khăn nghiên cứu điều khiển cân xe hai bánh Để giải vấn đề cân xe hai bánh, có ba phương pháp sau: (i) điều khiển cân bằng bánh đà, (ii) điều khiển cân sử dụng lực ly tâm (iii) điều khiển cân cách thay đổi tâm trọng lực Trong số ba phương pháp đó, cân nhờ sử dụng bánh đà có ưu điểm đáp ứng nhanh cân xe không di chuyển Do xe hai bánh thường phải làm việc điều kiện khác nhau, tải trọng mang theo thay đổi, ngoại lực tác động vào xe thay đổi nên việc mơ hình hóa xe hai bánh tự cân gặp nhiều khó khăn coi xe hai bánh đối tượng bất định Do tính chất bất định mơ hình xe hai bánh nên thuật tốn điều khiển bền vững nghiên cứu thích hợp Lý thuyết điều khiển H∞ lý thuyết điều khiển đại cho việc thiết kế điều khiển tối ưu bền vững cho đối tượng điều khiển có thơng số thay iv đổi chịu tác động nhiễu bên Tuy nhiên, thiết kế điều khiển theo lý thuyết điều khiển H∞, điều khiển thu thường có bậc cao (bậc điều khiển xác định bậc đa thức mẫu) Bậc điều khiển cao có nhiều bất lợi đem thực điều khiển xe hai bánh, mã chương trình phức tạp Vì vậy, việc giảm bậc điều khiển mà đảm bảo chất lượng có ý nghĩa thực tiễn Mục tiêu nghiên cứu - Nghiên cứu đánh giá ưu nhược điểm phương pháp giảm bậc mô hình - Nghiên cứu xây dựng mơ hình xe hai bánh tự cân thiết kế hệ thống điều khiển cân mơ hình xe hai bánh - Ứng dụng thuật toán chặt cân hệ thống điều khiển cân xe hai bánh Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng: Các thuật toán giảm bậc mơ hình, xe hai bánh tự cân - Phạm vi nghiên cứu: Thuật toán chặt cân cho hệ tuyến tính ổn định khơng ổn định; toán điều khiển cân xe hai bánh Phương pháp nghiên cứu - Thu thập nội dung phương pháp giảm bậc mơ hình, thuật tốn điều khiển cân xe hai bánh thơng qua sách, tạp chí chuyên ngành qua mạng internet - Lựa chọn thuật tốn thuật tốn giảm bậc mơ hình có khả giảm bậc hệ ổn định không ổn định - Lựa chọn thuật toán điều khiển cân xe dựa khả hoạt động ổn định xe hai bánh Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Áp dụng thuật toán chặt cân để giảm bậc điều khiển bậc cao giúp giảm độ phức tạp thuật tốn điều khiển, giảm thơng tin thừa, tăng tốc độ xử lý Mơ hình giảm bậc sử dụng giúp xử lý tín hiệu cách đơn giản, tăng tốc v độ tính tốn, thiết kế hệ thống điều khiển đơn giản đồng thời đảm bảo độ xác yêu cầu Nội dung luận văn gồm chương sau: Chương 1: Tổng quan giảm bậc mơ hình Chương 2: Thuật tốn giảm bậc mơ hình Chương 3: Ứng dụng giảm bậc mơ hình cho tốn điều khiển cân xe hai bánh Sau thời gian tìm hiểu nghiên cứu đặc biệt hướng dẫn Thầy TS Vũ Ngọc Kiên luận văn em hồn thành Trong q trình thực luận văn, chắn khơng tránh khỏi thiếu sót Em mong bảo thầy giáo, giáo góp ý chân thành bạn vi MỤC LỤC Nội dung Trang LỜI CAM ĐOAN .i LỜI CẢM ƠN ii MỞ ĐẦU iii MỤC LỤC vi Danh mục bảng viii Danh mục hình vẽ, đồ thị ix Danh mục ký hiệu viết tắt xii CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ GIẢM BẬC MƠ HÌNH 1.1 Giới thiệu giảm bậc mơ hình 1.2 Bài tốn giảm mơ hình 1.3 Các phương pháp giảm bậc mơ hình 1.3.1 Các nghiên cứu giảm bậc mơ hình giới 1.3.2 Các nghiên cứu nước giảm bậc 1.4 Kết luận chương CHƯƠNG THUẬT TOÁN GIẢM BẬC MƠ HÌNH 2.1 Một số phép tính tốn sử dụng giảm bậc mơ hình 2.1.1 Một số phép phân tích ma trận 2.1.2 Gramian điều khiển quan sát hệ tuyến tính 2.2 Thuật toán chặt cân cho hệ ổn định 2.3 Thuật tốn chặt cân cho hệ khơng ổn định 11 2.3.1 Gramian điều khiển Gramian quan sát hệ không ổn định 13 2.3.2 Thuật toán chặt cân gián tiếp cho hệ không ổn định 16 2.3.3 Thuật toán chặt cân trực tiếp Zhou 17 2.4 Kết luận chương 18 CHƯƠNG ỨNG DỤNG GIẢM BẬC MƠ HÌNH CHO BÀI TỐN ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG XE HAI BÁNH 20 3.1 Mơ hình xe hai bánh tự cân 20 vii 3.2 Mơ hình hóa xe hai bánh tự cân 21 3.3.Thiết kế điều khiển bền vững RH∞ 28 3.3.1 Khái niệm lý thuyết điều khiển RH∞ 28 3.3.2 Mô tả không gian H∞ RH∞ 29 3.3.3 Xác định tập R( s ) điều khiển làm hệ SISO ổn định 31 3.3.4 Tìm R( s ) R ( s ) để hệ có độ nhạy nhỏ 33 3.3.5 Thiết kế tối ưu RH ∞ cho toán cân xe hai bánh 34 3.4 Ứng dụng giảm bậc mơ hình cho tốn điều khiển cân xe hai bánh 42 3.4.1 Giảm bậc điều khiển cân xe hai bánh 42 3.4.2 Sử dụng điều khiển giảm bậc để điều khiển cân xe hai bánh 47 3.5 Kết luận chương 61 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 62 A KẾT LUẬN 62 B KIẾN NGHỊ 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 viii Danh mục bảng Tên bảng Trang Bảng 3.1 Các thông số mô hình xe hai bánh tự cân 21 Bảng 3.2 Kết giảm bậc phân hệ ổn định điều khiển bậc cao 43 Bảng 3.3 Kết giảm bậc điều khiển bậc cao 43 Bảng 3.4 Kết giảm bậc điều khiển bậc cao 45 ix Danh mục hình vẽ, đồ thị Tên hình Trang Hình 3.1 Mơ hình xe hai bánh tự cân 20 Hình 3.2 Mơ hình xe hai bánh từ cân 21 Hình 3.3 Mơ hình điều khiển bền vững 28 Hình 3.4 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển bền vững RH ∞ 30 Hình 3.5 Mơ hình Simulink xe hai bánh tự cân 38 Hình 3.6 Sơ đồ Simulink hệ thống điều khiển cân xe hai bánh tự cân 38 Hình 3.7 Đáp ứng góc lệch θ xe tham số mơ hình danh định 39 Hình 3.8 Đáp ứng góc lệch θ xe tham số mơ hình thay đổi 40 Hình 3.9 Đáp ứng góc lệch θ xe tham số mơ hình thay đổi 41 Hình 3.10 Đáp ứng bước nhảy điều khiển gốc điều khiển 44 giảm bậc theo thuật toán chặt cân gián tiếp Hình 3.11 Đáp ứng tần số điều khiển gốc điều khiển giảm 44 bậc theo thuật toán chặt cân gián tiếp Hình 3.12 Đáp ứng bước nhảy điều khiển gốc điều khiển 46 giảm bậc theo thuật tốn chặt cân trực tiếp Hình 3.13 Đáp ứng tần số điều khiển gốc điều khiển giảm 46 bậc theo thuật toán chặt cân trực tiếp Hình 3.14 Mơ hình Simulink hệ thống điều khiển cân xe hai bánh 47 Hình 15 Đáp ứng đầu hệ thống điều khiển cân xe hai bánh sử 48 dụng điều khiển gốc điều khiển bậc theo thuật toán chặt cân gián tiếp ... thống điều khiển cân xe hai bánh sử 59 dụng điều khiển gốc điều khiển bậc 4, bậc theo thuật toán chặt cân trực tiếp Hình 27 Đáp ứng đầu hệ thống điều khiển cân xe hai bánh sử dụng điều khiển gốc điều. ..Đáp ứng đầu hệ thống điều khiển cân xe hai bánh sử dụng điều khiển gốc điều khiển bậc theo thuật toán chặt cân gián tiếp Chất lượng đáp ứng hệ thống điều khiển cân xe hai bánh sử dụng điều khiển ...Đáp ứng đầu hệ thống điều khiển cân xe hai bánh sử dụng điều khiển gốc điều khiển bậc theo thuật toán chặt cân trực tiếp Chất lượng đáp ứng hệ thống điều khiển cân xe hai bánh sử dụng điều khiển