Thạc Sĩ điều khiển robot hai bánh tự cân bằng sử dụng kỹ thuật điều khiển trượt

Luận văn thạc sĩ năm 2012
Đề tài: ĐIỀU KHIỂN ROBOT HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG SỬ DỤNG KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT
ĐỊnh dạng file word

MỤC LỤC


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT iii

DANH MỤC CÁC BẢNG iv

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH v

MỞ ĐAU 1^`

Chương 1: TỔNG QUAN .2

11. Thế nào là xe hai bánh tự cân bang .2(`

12. Tại sao phải thiết kế robot hai bánh tự cân bằng . 4

13. Ưu, khuyết điểm 6

13.1. Ưu điểm 6

13.2. Khuyết điểm .6

14. Khả năng ứng dụng .6

15. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 6

15.1. Một số dạng xe hai bánh tự cân bằng dùng trên robot 6

15.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 10

16. Nhu cầu thực tế . 11

17. Mục đích của đề tài 11

18. Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài 12

18.1. Nhiệm vụ của đề tài . 12

18.2. Giới hạn của đề tài . 12

19. Phương pháp nghiên cứu 12
Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT . 13

21. Tổng quan về phi tuyến 13

22. Lý thuyết về điều khiển trượt 16

22.1. Giới thiệu về điều khiển trượt . 16

22.2. Khái niệm mặt trượt 17

22.3. Luật điều khiển chuyển mạch xấp xỉ liên tục 27

Chương 3: MÔ HÌNH TOÁN HỌC . 34

31. Phương pháp tính động lực học 34

32. Mô hình động cơ điện một chiều 35

33. Mô hình động học của con lắc ngược di động . 37

33.1. Động lực học bánh xe . 38

33.2. Động lực học con lắc ngược . 40

Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 43

41. Thiết kế bộ điều khiển tĩnh . 43

42. Bộ điều khiển động 45

Chương 5: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 49

51. Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển trượt 50

52. Kết luận 53

Chương 6: KẾT LUẬN 54

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC



TÓM TẮT


Vấn đề điều khiển con lắc ngược di động đã được nghiên cứu mạnh từ những
yêu cầu đặt ra là thực hiện nhanh và chính xác. Cấu trúc cơ khí ở đây được chia làm
ba phần chính, một là con lắc với một bậc tự do được đặt trên đế quay quanh trực
thẳng đứng hoặc chuyển động trượt tuyến tính.

Để đạt được tính chính xác cao, hệ thống điều khiển con lắc ngược di động
được thiết kế thông qua kỹ thuật điều khiển trượt. Kỹ thuật này là phương pháp điều
khiển bền vững, nó tạo ra ngõ vào để mang lại quỹ đạo mong muốn cho hệ thống.
Trình tự thiết kế của nó là đầu tiên chọn ra mặt trượt thoả đáp ứng vòng kín trong
không gian trạng thái và sau đó thiết kế bộ điều khiển sao cho quỹ đạo hệ thống
trạng thái theo mặt trượt và ở trên nó.

Luận văn trình bày ba vấn đề.

Thứ nhất, mô hình toán học tuyến tính, làm tiền đề phát triển hệ thống điều
khiển.

Thứ hai, kỹ thuật điều khiển trượt được phát triển để ổn định và bám theo hệ
thống.

Sau cùng, mô phỏng và dựa vào kết quả để kiểm chứng giải thuật đã điều
khiển.
ABSTRACT


Inverted pendulum control problems have been intensively stuđie due to the

challenging đeman of fast and precise performance, where the mechanical

structure can be divied into three main types: One is a pendulum with one degree

of freedom (DOF) mounted on a base rotating around the vertical axis or actuated

by a linear slide.

For achieving high-precision performance the control system for the mobile

inverted pendulum is designed via sliding mode control (SMC) in this thesis. SMC

is a robust control method which generates an input to yield a desired trajectory for

a given system. Its design procedure is to first select a sliding surface that satisfies

the desired closed-loop performance in the state space, and then to design a

controller such that the system state trajectories are forced toward the sliding

surface and stay on it.

This thesis considers the control system design for a mobile inverted

pendulum via sliding mode technique.

Firstly, a linear mathematical model was used in order to facilitate the

development of an efficient control system.

Secondly, sliding mode controllers were developed for stabilizing and

tracking this system.

Lastly, the simulations were given to validate of the proposed controllers.



MỞ ĐẦU



Hệ thống con lắc ngược luôn thể hiện nhiều vấn đề trong các ứng dụng công
nghiệp, ví dụ như các động thái phi tuyến khác trong những điều kiện hoạt động
khác nhau, nhiễu loạn bên ngoài và các ràng buộc vật lý với một số biến. Do đó,
công việc ổn định thời gian thực, điều khiển bám hệ thống con lắc ngược di động
không ổn định là một thách thức trong lãnh vực điều khiển hiện đại.

Con lắc ngược di động là một hệ thống bao gồm con lắc ngược gắn trên xe
có hai bánh đồng trục với nhau và mỗi bánh kết nối với động cơ điện một chiều.

Để đảm bảo con lắc ngược thăng bằng, sự phát triển của hệ thống điều khiển
rất quan trọng. Gần đây, các vấn đề về điều khiển con lắc ngược được nghiên cứu
mạnh với yêu cầu đặt ra là nhanh và chính xác. Kỹ thuật điều khiển con lắc ngược
trong các tài liệu có thể được chia thành hai phần riêng biệt: điều khiển tuyến tính
và điều khiển phi tuyến.

Các phương pháp điều khiển tuyến tính thường là tuyến tính hoá động lực
học về điểm hoạt động chắc chắn. Các bộ điều khiển tuyến tính thường phổ biến
hơn trong các nghiên cứu, thiết kế con lắc ngược di động. Điều khiển v ị trí – cực và
các bộ ổn định tuyến tính bậc hai (LQR) là phương pháp thực hiện phổ biến.

Mặc dù điều khiển phi tuyến cung cấp cho hệ thống bền vững hơn, do những
khó khăn và phức tạp của phương pháp này nên các nhà nghiên cứu phần lớn sử
dụng phương pháp điều khiển tuyến tính [3-17].

Phương pháp điều khiển trượt là phương pháp điều khiển bền vững, nó tạo ra
một ngõ vào bám theo quỹ đạo mong muốn với hệ thống đã định. Trong thập kỷ
qua, kỹ thuật điều khiển trượt được sử dụng nhiều trong các ứng dụng thực t iễn
khác nhau.

Trong luận văn này, mục tiêu điều khiển là thực hiện kỹ thuật điều khiển
trượt để ổn định con lắc ngược di động.
Chương 1

TỔNG QUAN

12. Thế nào là xe hai bánh tự cân bằng

Đối với xe có ba hoặc bốn bánh điều khiển, việc thăng bằng và ổn định của
chúng là nhờ trọng tâm của mặt phẳng được tạo ra nhờ các bánh xe làm chân đế.
Đối với các loại robot chỉ có hai bánh điều khiển chính thì việc tự giữ thăng bằng khi
di chuyển là hoàn toàn không thể, hầu như chúng phải có thêm từ một hoặc hai bánh
phụ để đỡ. Hiện nay có hai ki ểu giữ cân bằng đối với robot chỉ có hai bánh xe.

Một là, loại có hai bánh xe có trục bánh xe song song với nhau, điển hình là
robot xe đạp (hình 11.). Việc giữ thăng bằng của robot dựa trên tính chất con quay hồi
chuyển ở hai bánh xe khi xe đang chạy.



TÀI LIỆU THAM KHẢO
F. Grasser, A. D. Arrigo, S. Colombi and A. C. Rufer, “JOE: A Mobile,

Inverted Pendulum”, IEEE Trans. Indus. Elec., Vol. 49, No. 1, 107-114, Feb.

2002.

V. Williams and K. Matsuoka, “Learning to Balance the Inverted Pendulum

Using Neural Networks”, IEEE Conference on Neural Networks, Vol. 1, pp.

214-219, 2002.

R. J. Lee, K. C. Chou, S. H. Liu and J. Y. Yen, “Solid Modeling Based Servo

System Design for a High Speed Micro Grinding Machine”, Machine Tools

& Manufacture, Vol. 46, pp208-217., 2006.

F. Esfandiari and H. K. Khalil, “Output Feedback Stabilization of Fully

Control System”, International Journal of Control, Vol. 56, pp. 1007-1037,

1992.

R. J. Wai and L. J. Chang, “Adaptive Stabilizing and Tracking Control for a

Nonlinear Inverted-Pendulum System via Sliding-Mode Technique”, IEEE

Trans. Indus. Elec., Vol. 53, No. 2, Apr. 2006.

R. N. Gasimov, A. Karamancioglu and A. Yazici, “A Nonlinear

Programming Approach for the Sliding Mode Control Design”, Applied

Mathematical Modeling, Vol. 29, pp. 1135-1148, 2005.

C. Eđwars, “A Practical Method for the Design of Sliding Mode Controllers

Using Linear Matrix Inequalities”, Automatica, Vol. 40, pp. 1761-1769,

2004.

J. H. Wu, D. L. Pu and H. Ding, “Adaptive Robust Motion Control of SISO

Nonlinear Systems with Implementation on Linear Motors”, Mechatronics,

2007R J. Lee, K. C. Chou, S. H. Liu and J. Y. Yen, “Solid Modeling Based Servo

System Design for a High Speed Micro Grinding Machine”, Machine Tools

& Manufacture, Vol. 46, pp. 208-217, 2006.

C. Bonivento, L. Marconi and R. Zanasi, “Output Regulation of Nonlinear

System by Sliding Mode”, Automatica, Vol. 37, pp. 535-542, 2001.

J. J. E. Slotine, J. K. Hedrick and E. A. Misawa, “On Sliding Observer for

Nonlinear System”, Journal of Dynamics System, Measurement and Control,

Vol. 109, pp. 245-252, 1987.

R. Sreedhar, B. Fernandez and J. Y. Masawa, “Robust Fault Detection in

Nonlinear System Using Sliding Mode Observer”, Proceedings of IEEE

Conference on Control and Applications, Vol. 2, pp. 715-721, Sept. 1993.

Y. Yao and M. Tomizuka, “Adaptive and Robust Control of Robot

Manipulators: Theory and Comparative Experiment”, Proceedings IEEE

Conference on Decision and Control, pp. 1290-1295, 1994.

Y. Huang and J. Han, “Analysis and Design for Nonlinear Continuous

Extenđe State Observer”, Chinese Science Bulletin, pp. 1373-1379, 2000.

Z. Gao, S. Hu and F. Jiang, “A Novel Motion Control Design Approach

Based on Active Disturbance Projection”, Proceedings the 40th IEEE

Conference on Decision and Control, Vol. 5, pp. 4877-4882, Dec. 2001.

Z. Gao, Y. Huang and J. Han, “An Alternative Paradigm for Control System

Design”, Proceedings the 40th IEEE Conference on Decision and Control,

Orlando, Florida USA, Vol. 5, pp. 4578-4585, Dec. 2001.

J. Han, “Auto-Disturbance-Rejection Control and Its Application”, Control

and Decision, Vol. 13, No. 1, pp. 19-23, 1998.

J. Ackermann and V. Utkin, “Sliding Mode Control Design Based on

Ackermanns’ Formula”, IEEE Trans. Auto. Con., Vol43., No2., 234-237,

Feb. 1998.
P. J. McKerrow, Introduction to Robotics, Ađivision Wesley Longman

China Ltd., VVP, 1998.

G. F. Franklin, J. D. Powell and A. Emami-Naeini, Feedback Control of

Dynamic Systems, London: Prentice Hall, Inc., New Jersey, 2002.

J. J. E. Slotine and W. Li, Applied Nonlinear Control, New Jersey: Prentice-

Hall International, Inc., Englewood Cliffs, 1991.

D. Necsulescu, Mechatronics, Prentice Hall, 2002.

V. I. Utkin, Sliding-modes in Control Optimization, Springer-Verlag, 1992.

C. Eđwars and S. K. Spurgeon, Sliding Mode Control: Theory and

Applications, Taylor & Francis, Mar. 1998.

T. L. Chung, A Nonlinear Feedback Control of Wall-Following Robot di
động, Master Thesis, The Graduate School of Pukyong National University,
Feb. 2004.

[26] Dương Hoài Ngh
2007.

Điều khiển hệ thống đa biến, NXB ĐHQG TPHCM.,

[27]

Nguyễn Thị Phương Hà : Lý Thuyết điều khiển Hiện Đại , NXB ĐHQG
TPHCM., 2009.

[28] Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, Hán Thành Trung, Lý thuyết điều
khiển phi tuyến, NXB Khoa học kỹ thuật, 2006.