Điều khiển và Nhận dạng Hệ Thống Con Lắc Ngược Quay bằng Phương Pháp PID Hai Biến và Mạng Nơron Truyền Thẳng

Giới thiệu sơ lược về hệ thống con lắc ngược quay

Thiết lập mô hình toán học của con lắc ngược quay

Tuy nhiên, kết quả đáp ứng góc lệch θ của cánh tay nằm ngang có xu hướng ngày càng gia tăng khi chỉ có hồi tiếp góc α nên khi áp dụng đối với đối tượng thực tế thì phương pháp này có thể cho kết quả không tốt, con lắc sẽ bị trôi theo một hướng nhất định mà không thể kiểm soát được. Với bộ điều khiển PID hai biến này không cần phải thay đổi các thông số của bộ PID1 mà chỉ cần điều chỉnh thông số của bộ PID2 bằng cách thực hiện mô phỏng nhiều lần với các bộ thông số Kp, Ki, Kd khác nhau, bộ thông số bộ PID2 được chọn có giá trị Kp=2, Ki=0, Kd=1.

Nhận dạng hệ thống con lắc tuyến tính

Trong quá trình huấn luyện, vector ngừ vào sẽ truyền vào mạng nơron và cỏc trọng số của mạng sẽ được hiệu chỉnh khoảng 500 lần, tốc độ học là 0.001 (tốc độ học càng nhỏ thì học càng lâu nhưng càng chắc). Sơ đồ khối điều khiển ổn định hệ thống con lắc ngược trên Hình 3.12 cho thấy hệ thống được điều khiển bởi bộ PID hai biến để lấy dữ liệu vào và ra phục vụ cho việc nhận dạng hệ thống. Chất lượng của mô hình mạng truyền thẳng được kiểm tra bằng cách so sánh kết quả 2 ngừ ra của mụ hỡnh mạng nơron truyền thẳng với 2 ngừ ra của mụ hỡnh hệ thống con lắc được thể hiện trên sơ đồ khối Hình 3.13.

Từ bảng kết quả nhận dạng cho thấy mạng nơron truyền thẳng với số nơron trong lớp ẩn là 40 nơron thì cho kết quả nhận dạng tốt nhất với sai số bằng 6.7929e-013. Kết quả đáp ứng so sánh góc con lắc và góc cánh tay giữa mô hình mạng nơron truyền thẳng và mô hình con lắc cũng được trình bày trên Hình 3.14 và Hình 3.15. Phương pháp nhận dạng mạng nơron truyền thẳng có thể được kiểm tra thêm bằng cách hệ thống nên được mô phỏng thêm trường hợp đưa nguồn nhiễu ngẫu nhiên vào với biên độ 0.01 thì sơ đồ khối được thiết lập trên Hình 3.18.

Từ bảng kết quả so sánh các mô hình nhận dạng tuyến tính (Bảng 2) cho thấy việc sử dụng mô hình ARX để nhận dạng thì cho kết quả nhận dạng tốt hơn 3 mô hình còn lại là ARMAX, BJ và OE. Khi hệ thống con lắc ngược được điều khiển ổn định bởi một bộ PID với ngừ vào là điện ỏp và 2 ngừ ra là gúc lệch α và θ được nhận dạng bằng mạng truyền thẳng thì kết quả đáp ứng của mô hình cho thấy mạng nơron truyền thẳng nhận dạng khá tốt với góc lệch α có sai số khá nhỏ nhưng góc lệch θ chưa tốt và có sai số lớn. Khi hệ thống con lắc ngược được điều khiển ổn định bởi bộ điều khiển PID hai biến thì kết quả đáp ứng của mô hình cho thấy mạng nơron truyền thằng nhận dạng rất tốt với góc lệch α và θ rất nhỏ.

Điều khiển con lắc khi chưa có nguồn nhiễu vào hệ thống

Qua nhiều lần thực hiện huấn luyện mạng truyền thẳng, mạng truyền thẳng được chọn có 1 lớp ẩn (số nơron trong lớp ẩn thay đổi trong một khoảng rộng), 1 lớp ra với số lần học 500 lần, tốc độ học của mạng là 1e-6 (Code Matlab huấn luyện mạng được thể hiện trong phụ lục 4). Từ bảng kết quả điều khiển cho thấy đáp ứng của góc con lắc và góc cánh tay khi sử dụng bộ điều khiển nơron của mạng truyền thẳng với số nơron trong lớp ẩn là 7 thì. Bộ điều khiển nơron của mạng truyền thẳng ở bên trên được thiết lập bằng cách mô phỏng theo bộ điều khiển PID hai biến để điều chỉnh trọng số cho mạng truyền thẳng.

Điều này được thể hiện trên Hình 4.6 khi khối lượng của con lắc được thay đổi từ 0,125 kg đến 1 kg, kết quả cho thấy bộ điều khiển PID hai biến chỉ giữ con lắc ổn định trong khoảng 7s sau đó con lắc rơi xuống. Nhưng đối với bộ điều khiển nơron của mạng truyền thẳng là nếu những thông số của hệ thống thay đổi thì bộ điều khiển nơron của mạng truyền thẳng sẽ thích nghi để điều khiển cho con lắc ổn định. Sơ đồ khối mô phỏng bộ điều khiển nơron của mạng truyền thẳng điều khiển hệ thống khi khối lượng con lắc thay đổi được trình bày trên Hình 4.7.

Kết quả đáp ứng của góc con lắc khi sử dụng bộ điều khiển nơron của mạng truyền thẳng được thể hiện trong Hình 4.8 cho thấy góc con lắc vẫn giữ ổn định tốt với góc lệch nằm trong khoảng [-0.8e-4˚,1e-4˚]. Kết quả đáp ứng cho thấy khi nguồn nhiễu được đưa vào hệ thống thì bộ điều khiển nơron của mạng truyền thẳng cũng thích ứng điều khiển cho con lắc vẫn ổn định với góc lệch nằm trong khoảng [-0.4e-3˚,0.4e- 3˚].được thể hiện trong Hình 4.10. Kết quả mô phỏng cho thấy khi thay đổi khối lượng con lắc thì bộ điều khiển nơron của mạng truyền thẳng cũng thích nghi khá tốt điều khiển cho con lắc vẫn ổn định trong khoảng [-0.6e-3˚,0.6e-3˚] được thể hiện trên Hình 4.12.

Giới thiệu phần cứng hệ thống con lắc ngược quay

Hệ thống con lắc ngược quay được thiết kế gồm 3 phần chính: Phần cơ khí, phần mạch điện tử và phần thu thập dữ liệu giữa máy tính và hệ thống con lắc thông qua card DSP-F2812.

DSP TMS320F2812 9. Khung nhôm

- Mạch giao tiếp Encoder: Dạng súng tại ngừ ra của encoder cần được xử lý trước khi đưa vào ngừ vào QEP của chip F2812 để tương thớch với mức logic của chip F2812 (sơ đồ nguyên lý mạch giao tiếp Encoder được thể hiện trong phụ lục 3). Với nguyên lý hoạt động của chúng, các IC driver được sử dụng trong mạch sẽ nhận tín hiệu PWM và sẽ đóng các FET tương ứng để làm cho động cơ quay theo chiều xác định (sơ đồ nguyên lý. mạch cầu H được thể hiện trong phụ lục 3). Đây là IC chuyên dùng có tần số đóng ngắt cao để xử lý tín hiệu PWM và được sử dụng để nhận tín hiệu điều khiển từ chip F2812, cùng với đó Opto PC817 được dùng để xuất tín hiệu đảo chiều cho động cơ (sơ đồ. nguyên lý mạch cách ly được thể hiện trong phụ lục 3).

Chức năng của card DSP-F2812 trong ứng dụng này là cho phép máy tính có thể giao tiếp với các thiết bị ngoại vi, giúp cho bộ điều khiển trung tâm (máy tính) có thể thu thập dữ liệu, xử lý và xuất tín hiệu điều khiển đạt được độ chính xác và ổn định cao. Để nhận dạng bộ điều khiển cần phải thu thập dữ liệu ban đầu để huấn luyện mạng, dữ liệu ngừ vào và ra từ bộ điều khiển PID hai biến được dùng để làm dữ liệu học cho mạng nơron truyền thẳng trong đú ngừ vào là điện ỏp điều khiển cũn 4 ngừ ra là hai ngừ ra gúc. Sau khi huấn luyện mạng nơron truyền thẳng học theo bộ điều khiển PID hai biến thay thế bộ PID hai biến bởi bộ điều khiển nơron của mạng truyền thẳng để điều khiển giữ cho con lắc ổn định được trình bày trờn sơ đụ̀ khối Hỡnh 5.15.

Góc con lắc ổn định trong khoảng [-3˚,2˚] với mạng truyền thẳng Trong hai bộ điều khiển PID hai biến và mạng nơron truyền thẳng để biết được bộ điều khiển nào ổn định hệ thống con lắc tốt hơn thì hệ thống con lắc ngược được tiến hành khảo sát thêm trường hợp thay đổi khối lượng trên con lắc với khối lượng. Nhận xét: Khi hệ thống thực được điều khiển bởi bộ PID hai biến thì kết quả đáp ứng cho thấy hệ thống ổn định trong khoảng [-4˚,2˚] và khi khối lượng con lắc được thay đổi tới vị trí L=32cm thì bộ điều khiển PID hai biến không thể điều khiển con lắc ổn định. Khi sử dụng bộ điều khiển nơron của mạng truyền thẳng để điều khiển hệ thống con lắc ngược thì con lắc ổn định trong khoảng [-3˚,2˚] và khi khối lượng con lắc được thay đổi thì bộ điều khiển mạng nơron truyền thẳng cũng thích nghi khá tốt để điều khiển hệ thống con lắc ổn định.