Balance and trackinn control of the double inverted pendulum

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA MAI VĂN QUANG ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG VÀ BÁM HỆ CON LẮC ĐÔI BALANCE AND TRACKING CONTROL OF THE DOUBLE INVERTED PENDULUM Chuyên ngành : Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Mã số : 8520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2020 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM Cán hướng dẫn khoa học : PGS.TS Huỳnh Thái Hoàng (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : TS Ngô Thanh Quyền (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : TS Nguyễn Vĩnh Hảo (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 tháng năm 2020 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) GS.TS Hồ Phạm Huy Ánh Chủ tịch hội đồng bảo vệ TS Nguyễn Trọng Tài Thư ký hội đồng bảo vệ TS Ngô Thanh Quyền Phản biện hội đồng bảo vệ TS Nguyễn Vĩnh Hảo Phản biện hội đồng bảo vệ PGS.TS Trương Đình Nhơn Ủy viên hội đồng bảo vệ Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA………… ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên : Mai Văn Quang MSHV : 1870629 Ngày, tháng, năm sinh: 09/10/1985 Nơi sinh: Quy Nhơn, Bình Định Chuyên ngành:Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Mã số : 8520216 I TÊN ĐỀ TÀI: Điều khiển cân bám hệ lắc đôi (Balance and tracking control of the double inverted pendulum) II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Xây dựng điều khiển LQR, LQR+Kalman filter điều khiển hệ Xe – Con lắc đơi cân vị trí hướng lên trên; - Xây dựng điều khiển Tracking điều khiển xe trượt hệ Xe – Con lắc đơi bám vị trí đặt, lắc đơi cân vị trí hướng lên III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 24/02/2020 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 21/06/2020 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS Huỳnh Thái Hoàng Tp HCM, ngày tháng năm 2020 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) TRƯỞNG KHOA….……… (Họ tên chữ ký) LỜI CẢM ƠN Lời nói đầu tiên, tơi xin gửi lời cám ơn sâu sắc đến thầy Huỳnh Thái Hoàng người tận tình hướng dẫn, giải đáp thắc mắc, tháo gỡ vướng mắc mà gặp phải suốt q trình làm luận văn Đơi khi, với vài lời định hướng thầy, giúp nhận thấy sai sót tìm hướng đắn, giúp tơi hồn thành luận văn “Khơng Thầy đố Mày làm nên”, lần câu nói từ ngàn xưa ý nghĩa này, kiểm chứng từ thực tiễn Khoảng thời gian học cao học Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh lần thứ hai trở lại học tập mái trường này, truyền đạt kiến thức giúp đỡ tận tình từ q thầy Giảng viên, tơi bổ sung cho kiến thức quý báu Tôi xin chân thành cảm ơn tất quý Thầy Cô, đặc biệt quý Thầy Cô thuộc Khoa Điện – Điện Tử trường Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh nơi tơi học tập chun ngành Vì làm việc quê nhà, khoảng thời gian học tập, gia đình xảy nhiều khó khăn, không nhận giúp đỡ từ quý Thầy Cô, đặc biệt động viên tạo điều kiện từ thầy Nguyễn Vĩnh Hảo, tơi khơng thể hồn thành chương trình học “Em xin chân thành cám ơn Thầy!” Cảm ơn bạn học viên lớp cao học chuyên ngành Kỹ thuật Điều khiển Tự Động Hóa khóa 2018 nhiệt tình giúp đỡ, trao đổi kiến thức, suốt trình học tập Cuối xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, đồng nghiệp ln bên ủng hộ tơi Vì kiến thức vơ tận, hiểu biết thân cịn hạn chế, q trình thực luận văn này, chắn không tránh khỏi sai sót, kính mong nhận ý kiến đóng góp từ q Thầy Cơ TP Hồ Chí Minh, tháng năm 2020 Mai Văn Quang i TÓM TẮT LUẬN VĂN Hệ lắc ngược tốn kinh điển ngành tự động hóa Hệ lắc ngược hai bậc toán phức tạp nhiều, học viên lựa chọn hệ để kiểm tra đáp ứng hệ thống điều khiển: Bộ điều khiển toàn phương tuyến tính, Bộ điều khiển tuyến tính tồn phương Gaussian, Bộ điều khiển Tracking (PID LQT) Các nội dung luận văn bao gồm: - Nghiên cứu xây dựng mơ hình tốn học cho Hệ lắc ngược xe trượt bậc tự Xây dựng phương pháp điều khiển thích hợp cho hệ vừa tìm được, sau mơ phương pháp MATLAB để kiểm chứng tính hiệu phương pháp - Điều khiển Hệ lắc ngược xe trượt bậc tự điều khiển số sử dụng vi điều khiển STM32F407 Discovery thông qua môi trường Keil C 5.0 - Thiết kế ứng dụng GUI (Giám sát hệ thống) máy tính ngơn ngữ lập trình C# ii ABSTRACT The inverted pendulum system is a classic problem for the automation industry The two degree inverted pendulum system is a much more complex problem, student have chosen this system to test the system response of the controllers: Full linear controller, full linear controller Gaussian Direction, Tracking Controller (PID and LQT) The main contents of this thesis include: - Research ad build a mathematical model for the system of inverted pendulum on degrees of freedom sled Build appropriate control methods for the newly found system, then simulate these methods on MATLAB to verify the effectiveness of each method - Control the system of inverted pendulum on degrees of freedom by digital controller using STM32F407 Discovery microcontroller through Keil C 5.0 environment - Designing GUI application (System monitoring) on the computer using c# programming language iii LỜI CAM ĐOAN CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng hướng dẫn khoa học PGS.TS Huỳnh Thái Hoàng; nội dung nghiên cứu, kết đề tài trung thực chưa công bố hình thức trước Những số liệu bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá tác giả thu thập từ mơ thực nghiệm thân thực Ngoài ra, luận văn này, tác giả có tham khảo số tài liệu ngồi nước, tất có ghi cụ thể Nếu phát có gian lận tơi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm nội dung luận văn Trường Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh khơng liên quan đến vi phạm tác quyền, quyền gây trình thực (nếu có) TP Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2020 Mai Văn Quang iv MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i TÓM TẮT LUẬN VĂN ii ABSTRACT iii LỜI CAM ĐOAN iv DANH SÁCH HÌNH ẢNH vi CÁC TỪ VIẾT TẮT viii CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan Con lắc ngược 1.2 Ứng dụng thực tiễn .1 1.3 Các cơng trình liên quan .3 1.3 Mục tiêu phạm vi nghiên cứu 1.4 Cấu trúc luận văn CHƯƠNG MƠ HÌNH HĨA HỆ CON LẮC HAI BẬC TRÊN XE TRƯỢT 2.1 Xây dựng mơ hình tốn học cho hệ thống 2.2 Các điều khiển áp dụng cho hệ thống 15 2.2.1 Bộ điều khiển tối ưu LQR .15 2.2.2 Bộ ước lượng Kalman Filter 16 2.2.3 Bộ điều khiển toàn phương Gaussian (LQG) 17 2.2.4 Điều khiển bám 18 2.3 Thơng số mơ hình thực tế 20 CHƯƠNG MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG 21 3.1 Bộ điều khiển LQR liên tục 21 3.2 Bộ điều khiển rời rạc 24 3.2.1 Bộ điều khiển LQR rời rạc 24 3.2.2 Bộ điều khiển LQG rời rạc 27 CHƯƠNG THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO PHẦN CỨNG .30 4.1 Phần khí 30 4.1.1 Thiết kế mơ hình khí 30 4.1.2 Gia công mơ hình khí 31 4.2 Phần mạch điện 34 4.1.1 Thiết kế mạch điện 34 4.1.2 Gia công mạch điện 36 CHƯƠNG LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT 38 5.1 Lập trình điều khiển 38 5.1.1 Cấu hình 38 5.1.2 Lập trình 41 5.2 Lập trình giám sát máy tính .44 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM .46 6.1 Bộ điều khiển LQR + PID Tracking 46 6.2 Bộ điều khiển LQG 52 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 59 7.1 Kết đạt hạn chế 59 v 7.2 Hướng phát triển 60 Tài liệu tham khảo 61 DANH SÁCH HÌNH ẢNH Hình 1.1 Xe hai bánh tự cân Segway Hình 1.2 Tòa nhà cao tầng Burj Khalifa Dubai Hình 1.3 Giàn PV DRILLING II Hình 1.4 Hệ Xe – Con lắc ngược hai bậc xe Hình 1.5 Xệ Xe – Con lắc bậc Đại học Tabriz - Iran .3 Hình 1.6 Hệ Xe – Con lắc ngược hai bậc Khoa Kỹ thuật Cơ khí Công nghiệp, Đại học Concordia, Montreal Hình 1.7 Hệ Xe – Con lắc ngược hai bậc Viện công nghệ Blekinge, Karlskrona, Thụy Điển Hình 1.8 Double pendulum robot Hình 2.1 Bộ điều khiển Tracking 16 Hình 2.2 Bộ điều khiển PID 16 Hình 2.3 Sơ đồ hệ lắc hai bậc xe 20 Hình 2.4 Sơ đồ tổng hệ thống điều khiển Con lắc bậc xe trượt 27 Hình 2.5 Mơ hình hóa động DC 28 Hình 3.1 Hệ Xe-Con lắc hai bậc với điều khiển LQR (Liên tục) 21 Hình 3.2 Các ma trận phương trình biến trạng thái (Liên tục) 21 Hình 3.3 Ma trận trọng số Q, R (Liên tục) 22 Hình 3.4 Vector độ lợi K (Liên tục) .22 Hình 3.5 Khai báo tham số cho hệ thống 22 Hình 3.6 Phương sai nhiễu đo 23 Hình 3.7 Đáp ứng ngõ hệ thống 23 Hình 3.8 Hệ Xe-Con lắc hai bậc với điều khiển LQR (Rời rạc) .24 Hình 3.9 Các ma trận hệ phương trình biến trạng thái (Rời rạc) 24 Hình 3.10 Ma trận trọng số Q, R (Rời rạc) 25 Hình 3.11 Vector độ lợi K (Rời rạc) 25 Hình 3.12 Khai báo tham số cho hệ thống 25 Hình 3.13 Đáp ứng vị trí xe góc lệch hai lắc hệ thống 26 Hình 3.14 Đáp ứng vận tốc xe vận tốc góc hai lắc hệ thống 26 Hình 3.15 Mơ hình Simulink hệ Con lắc hai bậc xe trượt với điều khiển LQG (Rời rạc) 27 Hình 3.16 Cập nhật thông số cho Kalman mở rộng 27 Hình 3.17 Độ lợi ước lượng Kalman filter .28 Hình 3.18 Đáp ứng vị trí xe góc lệch hai lắc hệ thống 28 Hình 3.19 Đáp ứng vận tốc xe vận tốc góc hai lắc hệ thống 29 Hình 4.1 Mơ hình hệ thống thiết kế Solidworks 30 Hình 4.2 Động Tamagawa DC Servo encoder 31 Hình 4.3 Thông số động 31 Hình 4.4 Bộ truyền động 32 Hình 4.5 Khớp xoay trợ lực cho trục encoder 32 vi Hình 4.6 Kết cấu khớp xoay trợ lực cho trục encoder 33 Hình 4.7 Encoder đọc góc lệch lắc 33 Hình 4.8 Mơ hình khí hệ lắc hai bậc xe trượt 33 Hình 4.9 Board STM32F407 Discovery .34 Hình 4.10 Mạch cơng suất 35 Hình 4.11 Sơ đồ đấu encoder kiểu Line Driver Output .35 Hình 4.12 Mạch xử lý tín hiệu encoder 36 Hình 4.13 Mạch điện tổng 36 Hình 4.14 Mơ hình thực tế hệ thống 37 Hình 5.1 Cấu hình cho Timer 38 Hình 5.2 Cấu hình cho Timer 38 Hình 5.3 Cấu hình cho Timer 39 Hình 5.4 Cấu hình cho Timer 39 Hình 5.5 Cấu hình cho Timer 40 Hình 5.6 Cấu hình cho cổng giao tiếp USB 40 Hình 5.7 Giải thuật chương trình tổng quát 41 Hình 5.8 Giải thuật Tracking 41 Hình 5.9 Giải thuật LQR 42 Hình 5.10 Giao diện giám sát hệ thống máy tính viết C# 45 Hình 5.11 Giao diện giám sát hệ thống STMStudio 45 Hình Hệ Xe – Con lắc bậc tự hoạt động .46 Hình 6.2 Bộ tiền xử lý tín hiệu đặt .47 Hình 6.3 Đáp ứng vị trí xe trượt (LQR) 47 Hình 6.4 Đáp ứng vị trí xe trượt khoảng thời gian 27.5s đến 67.5s .48 Hình 6.5 Đáp ứng góc lệch lắc (LQR) 48 Hình 6.6 Đáp ứng góc lệch lắc khoảng thời gian 27.5s đến 67.5s 49 Hình 6.7 Đáp ứng vận tốc góc lắc (LQR) 49 Hình 6.8 Đáp ứng vận tốc góc lắc khoảng thời gian 27.5s đến 67.5s .50 Hình 6.9 Đáp ứng vận tốc xe trượt (LQR) 50 Hình 6.10 Đáp ứng vận tốc xe trượt khoảng thời gian 27.5s đến 67.5s .51 Hình 6.11 Điện áp điều khiển khoảng thời gian 27.5s đến 67.5s .51 Hình 6.12 Ma trận phương sai nhiễu hệ thống .52 Hình 6.13 Ma trận phương sai nhiễu đo lường 52 Hình 6.14 Độ lợi lọc Kalman 52 Hình 6.15 Đáp ứng vị trí xe trượt (LQG) 53 Hình 6.16 Đáp ứng góc lệch lắc (LQG) .53 Hình 6.17 Đáp ứng vận tốc góc lắc (LQG) 54 Hình 6.18 Đáp ứng vận tốc xe trượt (LQG) 54 Hình 6.19 Đáp ứng điện áp điều khiển (LQG) 55 vii Hình 6.4 Đáp ứng vị trí xe trượt khoảng thời gian 27.5s đến 67.5s Nhận xét: Vị trí xe trượt Tracking tốt, dao động quanh vị trí đặt ±0.05m Khi vị trí đặt thay đổi lớn, độ vọt lố tăng theo, trường hợp trên, thay đổi vị trí đặt từ -0.1m thành 0.1m, vị trí xe đáp ứng tốt, ổn định sau khoảng 10s, sau dao động quanh vị trí đặt ±0.05m + Góc lệch lắc: Hình 6.5 Đáp ứng góc lệch lắc (LQR) 48 Hình 6.6 Đáp ứng góc lệch lắc khoảng thời gian 27.5s đến 67.5s Nhận xét: góc lệch lắc thứ hai ±30, góc lệch lắc thứ ±70 Con lắc giữ vị trí cân hướng lên tồn thời gian hoạt động Góc ban đầu lắc thay đổi phạm vi lớn ±150 Tuy nhiên, rõ ràng đáp ứng góc lệch lắc không thực tốt, sử dụng lọc Kalman lọc nhiễu; nguyên nhân tải trọng hệ Xe – Con lắc lớn thiết kế gia cơng mơ hình thực tế, điều dẫn đến việc lượng cấp vào để điều khiển hệ thống phải lớn làm xe dao động mạnh, vận tốc gia tốc xe lớn, hệ thống rung mạnh, góc lệch lắc thứ bị ảnh hưởng (±70) + Vận tốc góc lắc: Hình 6.7 Đáp ứng vận tốc góc lắc (LQR) 49 Hình 6.8 Đáp ứng vận tốc góc lắc khoảng thời gian 27.5s đến 67.5s Nhận xét: Vận tốc góc lắc thứ ±6.5 Rad/s, vận tốc góc lắc thứ hai ±1.5 Rad/s Con lắc dao động lớn, công thức rời rạc hóa để tính tốn thơng số cho kết khơng tốt; điều dẫn đến việc tính tốn điện áp điều khiển LQR cho kết lớn làm hệ thống rung lắc mạnh Hình 6.9 Đáp ứng vận tốc xe trượt (LQR) 50 Hình 6.10 Đáp ứng vận tốc xe trượt khoảng thời gian 27.5s đến 67.5s Nhận xét: Vận tốc xe trượt ±0.7 m/s Xe trượt dao động lớn, cơng thức rời rạc hóa để tính tốn thơng số cho kết khơng tốt; điều dẫn đến việc tính tốn điện áp điều khiển LQR cho kết lớn, hệ thống rung lắc + Năng lượng điều khiển hệ thống: Sử dụng động có cơng suất định mức 100W-32VDC, điện áp nguồn 24VDC, động làm việc chế độ đặc biệt nặng nhọc (Đảo chiều quay liên tục); xây dựng mơ hình mơ Matlab, lập trình, thân xén mức điện áp xuống 15VDC để điều khiển Kết điện áp điều khiển cấp vào động hình bên dưới: Hình 6.11 Điện áp điều khiển khoảng thời gian 27.5s đến 67.5s 51 Nhận xét: Điện áp điều khiển lớn, bão hòa Kết phù hợp với kết mô hệ thống Matlab Chúng ta khắc phục tình trạng điện áp điều khiển cách sử dụng ước lượng Kalman, lựa chọn ma trận trọng số QN RN phù hợp, để giá trị ước lượng biến trạng thái: Vận tốc xe, vận tốc góc lắc tốt hơn, để giảm lượng hệ thống, hay nói cách khác giảm điện áp điều khiển 6.2 Bộ điều khiển LQG Xây dựng lọc Kalman filter dựa việc lựa chọn ma trận phương sai nhiễu hệ thống nhiễu đo lường sau: Hình 6.12 Ma trận phương sai nhiễu hệ thống Hình 6.13 Ma trận phương sai nhiễu đo lường Độ lợi lọc Kalman thu sau: Hình 6.14 Độ lợi lọc Kalman 52 Hình 6.15 Đáp ứng vị trí xe trượt (LQG) Nhận xét: Vị trí xe trượt đáp ứng tốt, ổn định sau khoảng 4s, sau dao động quanh vị trí đặt với biên độ 0.06m Khi tác dụng lực vào lắc thứ hai, xe dao động khoảng từ -0.05m đến 0.08m, khoảng thời gian giây, sau ổn định với biên độ 0.06m Đáp ứng hệ thống với điều khiển LQG tốt hơn, ổn định so với điều khiển LQR Hình 6.16 Đáp ứng góc lệch lắc (LQG) Nhận xét: góc lệch lắc thứ hai ±1.40, góc lệch lắc thứ ±4.30 Con lắc giữ vị trí cân hướng lên tồn thời gian hoạt động Góc ban đầu lắc thay đổi phạm vi lớn ±100 Tại thời điểm học viên tác động lực vào lắc thứ 2, góc lệch lắc dao động lớn (con lắc 1: ±6.50, 53 lắc 2: ±3.50 ) khoảng thời gian giây, sau ổn định ±1.70 Hệ thống ổn định sử dụng điều khiển LQR kết hợp với lọc Kalman Hình 6.17 Đáp ứng vận tốc góc lắc (LQG) Nhận xét: Vận tốc góc lắc thứ ±4.8 Rad/s, vận tốc góc lắc thứ hai ±1.7 Rad/s Con lắc dao động ổn định so với trường hợp sử dụng điều khiển LQR, hệ thống hoạt động rung lắc Hình 6.18 Đáp ứng vận tốc xe trượt (LQG) Nhận xét: Vận tốc xe trượt ±0.5 m/s Xe trượt dao động ổn định so với trường hợp sử dụng điều khiển LQR Vì khối lượng xe trượt lớn, hệ thống hoạt động xe trượt chuyển hướng liên tục, lúc ảnh hưởng quán tính lớn, điều làm cho hệ thống khí rung lắc Nếu xe di chuyển chậm hơn, ảnh hưởng hơn, hệ thống hoạt động ổn định 54 Hình 6.19 Đáp ứng điện áp điều khiển (LQG) Nhận xét: Bộ ước lượng Kalman, giúp giá trị ước lượng biến trạng thái: Vận tốc xe, vận tốc góc lắc tốt hơn, làm giảm lượng hệ thống Cụ thể, đáp ứng điện áp điều khiển hình 6.19 tốt so với điện áp điều khiển hình 6.11 Ở thời điểm 8s, học viên tác động lực vào lắc thứ hai, để kiểm tra tính ổn định hệ thống Kết quả, xe dao động lớn từ -0.5m đến 0.8m khoảng thời gian giây, sau ổn định dao động khoảng -0.5m đến 0.3m Rõ ràng, với điều khiển này, hệ thống hoạt động ổn định so với điều khiển LQR Để dễ dàng so sánh điều khiển LQR LQG, quan sát bảng thống kê sau: STT THÔNG SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN LQR + Tracking LQG + Tracking Vị trí xe ±0.05 m ±0.03 m Vận tốc xe ±0.7 m/s ±0.5 m/s Góc lệch lắc ±70 ±4.30 Vận tốc góc lắc ±6.3 Rad/s ±4.8 Rad/s Góc lệch lắc ±30 ±1.40 Vận tốc góc lắc ±1.5 Rad/s ±1.7 Rad/s Điện áp điều khiển Hình 6.11 Hình 6.19 55 Qua trường hợp sử dụng điều khiển trên, học viên nhận thấy: Thay đổi vị trí xe góc lệch lắc khoảng thời gian lấy mẫu lớn, điều dẫn đến giá trị như: vận tốc xe trượt, vận tốc góc lắc lớn, lượng cấp vào để điều khiển hệ thống lớn theo, xe dao động mạnh hệ thống rung lắc ổn định Vậy thời gian lấy mẫu nhỏ (1ms) không phù hợp Học viên tiến hành thay đổi thời gian lấu mẫu lên 5ms, kết thực nghiệm thu sau: Hình 6.20 Đáp ứng vị trí xe trượt (LQG_5ms) Hình 6.21 Đáp ứng vận tốc góc lắc (LQG_5ms) 56 Hình 6.22 Đáp ứng góc lệch lắc (LQG_5ms) Hình 6.23 Đáp ứng vận tốc xe trượt (LQG_5ms) Với thời gian lấy mẫu 5ms, việc giao tiếp với máy tính thơng qua chuẩn USB với tốc độ 12Mbits/s diễn tốt Tuy nhiên, phần đồ thị hiển thị không thuận 57 tiện cho việc giám sát, hình ảnh mà học viên thực giám sát hệ thống máy tính thơng qua chuẩn USB, phần mềm viết ngơn ngữ C# Hình 6.24 Giám sát hệ thốngtrên máy tính qua cổng USB 58 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Trong khoảng thời gian từ lúc nhận đề tài đến lúc kết thúc, thu số kết đáp ứng theo yêu cầu nhiệm vụ luận văn Tuy nhiên, số hạn chế kết thu Sau đây, kết qua thu được, mặt hạn chế đề tài hướng phát triển để khắc phục mặt hạn chế 7.1 Kết đạt hạn chế - Kết thu được: + Xây dựng xác mơ hình toán học hệ thống Con lắc ngược bậc xe trượt + Mơ hình hóa hệ thống Matlab tương đối xác với mơ hình thực tế + Xây dựng điều khiển LQR kết hợp với lọc Kalman điều khiển Tracking, mô hệ thống Con lắc ngược bậc xe trượt Matlab + Xây dựng điều khiển LQR kết hợp với lọc Kalman để điều khiển thành cơng mơ hình thực tế hệ thống Con lắc ngược bậc xe trượt + Điều khiển Tracking thành cơng cho xe trượt mơ hình thực tế - Hạn chế: + Gia cơng khí mơ hình hệ thống Con lắc ngược bậc xe trượt, vấn đề khó khăn, khơng chủ động việc gia cơng tồn hệ thống, số chi tiết không gia công phải mua từ bãi phế liệu hiệu chỉnh lắp ráp Hệ thống cồng kềnh, ma sát, quán tính xe lắc lớn…chính điều dẫn đến việc khó khăn vấn đề điều khiển + Chưa khai thác tốt khả lọc Kalman, dùng phần nhỏ công dụng lọc nhiễu Kalman Học viên nhận thấy, khả lớn lọc Kalman đề tài ước lượng trạng thái vận tốc để làm giảm lượng điều khiển hệ thống, giúp hệ thống ổn định Khi mô phỏng, với Kalman thiết kế, đáp ứng hệ thống tốt nhiều so với điều khiển LQR Khi điều khiển mơ hình thực tế, học viên làm đáp ứng hệ thống tốt chút, hệ thống ổn định ít, điều quan sát mắt thường, thể qua số liệu mà học viên giám sát thu hoạch từ máy tính Nguyên nhân mơ hình thực mơ có sai lệch, lọc Kalman thu từ mô 59 áp dụng qua thực tế không cho kết thực tốt, vấn đề học viên cần thêm thời gian để hiệu chỉnh 7.2 Hướng phát triển Dựa kết mà học viên thực được, hướng nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển lắc ngược hai bậc tự do, trì tính ổn định cho hệ thống Cụ thể là: - Cải thiện phần mơ hình khí như: Giảm tải (Giảm khối lượng xe trượt, khối lượng lắc), tăng chiều dài lắc, tăng chiều dài ray trượt mở rộng hành trình xe - Sử dụng Xử lý ảnh để thay phần encoder đo góc lệch lắc thứ hai, với phương pháp phần khí xác hơn, tránh nhiễu gây dây tín hiệu bị rung lắc q trình hoạt động encoder này; - Tiếp tục hoàn thiện lọc Kalman để nâng cao chất lượng đáp ứng điều khiển LQG; - Thiết kế điều khiển khác H ͚ , tuyến tính hóa vào áp dụng lắc ngược hai bậc tự để kiểm chứng giải thuật điều khiển này; - Mặc dù học viên sử dụng động DC Servo có đầy đủ thơng số từ nhà sản xuất mong muốn sử dụng phương pháp nhận dạng để ước lượng thông số động cơ, từ áp dụng vào phương pháp điều khiển LQR Đây hướng phát triển, động đáp ứng tốt giá thành cao, việc mua động cũ lựa chọn nhiều học viên Với lựa chọn này, vấn đề nhận dạng động quan trọng Đôi động cũ, sử dụng tốt phương pháp nhận dạng cho kết tốt sử dụng thông số từ nhà sản xuất; - Đề tài thực điều khiển ổn định hai lắc vị trí cân hướng lên bám tín hiệu đặt cho vị trí xe trượt Học viên tận dụng trọng lực lắc, xây dựng hệ trục tọa độ với góc lệch lắc hướng xuống 1800 Khi muốn sử dụng điều khiển tối ưu, học viên phải đưa lắc đến vị trí góc lệch ban đầu nằm khoảng ±100 Một hướng phát triển cho đề tài học viên xây dựng điều khiển Swing Up nhằm đưa lắc ngược từ vị trí cân lên vị trí cân 60 Tài liệu tham khảo [1] Naghmehm.Bandari, Amir Hooshiar, Masoudrazban, Javaddargahi, Chun-Yi Su, Stabilization of double inverted pendulum on cart: LQR Approach, Proceedings of 57th ISERD International Conference, Toronto, Canada, 22nd23rd December 2016, ISBN: 978-93-86291-61-5 [2] Lazaros Moysis, Balancing a double inverted pendulum using optimal control and Laguerre functions, Aristotle University of Thessaloniki, Greece, 54124, 2016 [3] DAREINI Ali & DABRETEAU Teerapong, Control of Double Inverted Pendulum First Approach, Degree Project in Electrical Engineering Blekinge Institute of Technology Karlskrona, Sweden 2015 [4] Mandar R Nalavade, Mangesh J Bhagat, Vinay V Patil, Balancing Double Inverted Pendulum on A cart by Linearization Technique, International Journal of Recent Technology and Engineering (IJRTE) ISSN: 2277-3878, Volume-3, Issue-1, March 2014 [5] Trần Vi Đô, Nguyễn Minh Tâm, Ngô Văn Thuyên, Nguyễn Văn Đông Hải, Một số phương pháp điều khiển cân lắc ngược hai bậc tự do, Hội nghị toàn quốc lần thứ Cơ Điện tử - VCM-2014 61 PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: MAI VĂN QUANG Giới tính: Nam Sinh ngày: 09/10/1985 Nơi sinh: Quy Nhơn - Bình Định Địa theo hộ khẩu: Tổ 36, khu vực 4, phường Quang Trung, thành phố Quy Nhơn, Bình Định Q TRÌNH ĐÀO TẠO Đại học: Tên trường đại học: Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh Khoa: CƠ KHÍ Chuyên ngành: CƠ - ĐIỆN TỬ Hệ đào tạo: Chính qui Đề tài tốt nghiệp: MOBILE ROBOT PLATFORM Điểm tốt nghiệp tồn khóa : 7.06 Cao học: Tên trường đại học: Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh Khoa : ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hệ đào tạo: Chính qui Khóa 2018-2020 Đề tài tốt nghiệp : ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG VÀ BÁM HỆ CON LẮC ĐÔI Điểm tốt nghiệp tồn khóa : 7.57 Q TRÌNH CƠNG TÁC Tháng 9/2011 đến tháng 11/2012: Cán kỹ thuật, cơng tác Cơng ty Ống thép Dầu khí Việt Nam,Tổng cơng ty khí Việt Nam Địa chỉ:Tịa nhà PV GAS, số 673 đường Nguyễn Hữu Thọ, xã Phước Kiển, huyện Nhà Bè, TP.HCM Tháng 12/2012 đến tháng 8/2013: Trưởng nhóm quản lý chất lượng dây chuyền (Line QC), cơng tác Cơng ty Ống thép Dầu khí Việt Nam,Tổng cơng ty khí Việt Nam Tháng 09/2013 đến tháng 7/2015: Kỹ sư bảo trì hệ thống, cơng tác Cơng ty Ống thép Dầu khí Việt Nam,Tổng cơng ty khí Việt Nam Tháng 08/2015 đến tháng 9/2015 Chuyên viên, làm việc Cơng ty Khí hóa lỏng Miền Nam chi nhánh Nhơn Hội - Quy Nhơn Địa chỉ: Địa chỉ: Lô D601, KCN Nhơn Hội A , Xã Nhơn Hội, TP Quy Nhơn, Tỉnh Bình Định Tháng 10/ 2015 đến làm việc trường Cao đẳng nghề Quy Nhơn trường Cao đẳng Kỹ thuật Công nghệ Quy Nhơn Địa 172 An Dương Vương thành phố Quy Nhơn Bình Định 62 ... response of the controllers: Full linear controller, full linear controller Gaussian Direction, Tracking Controller (PID and LQT) The main contents of this thesis include: - Research ad build a mathematical... for the system of inverted pendulum on degrees of freedom sled Build appropriate control methods for the newly found system, then simulate these methods on MATLAB to verify the effectiveness of. .. khiển Tự động hóa Mã số : 8520216 I TÊN ĐỀ TÀI: Điều khiển cân bám hệ lắc đôi (Balance and tracking control of the double inverted pendulum) II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Xây dựng điều khiển LQR, LQR+Kalman