Luận Văn Nghiên cứu và điều khiển mô hình con lắc ngược quay

GIỚI THIỆU
1.1. Đặt vấn đề
Kỹ thuật thiết kế hệ thống điều khiển hiện đại dựa trên miền thời gian. Mô tả toán học dùng
để phân tích và thiết kế hệ thống là phương trình trạng thái. Mô hình không gian trạng thái có
ưu điểm là mô tả được đặc tính động học bên trong hệ thống (các biến trạng thái) và có thể dễ
dàng áp dụng cho hệ MIMO và hệ thống biến đổi theo thời gian. Lý thuyết điều khiển hiện đại
ban đầu được phát triển chủ yếu cho hệ tuyến tính, sau đó được mở rộng cho hệ phi tuyến
bằng cách sử dụng lý thuyết của Lyapunov.
Bộ điều khiển được sử dụng chủ yếu trong thiết kế hệ thống điều khiển hiện đại là bộ điều
khiển hồi tiếp trạng thái. Tùy theo cách tính vector hồi tiếp trạng thái mà ta có phương pháp
phân bố cực, điều khiển tối ưu, điều khiển bền vững .Với sự phát triển của lý thuyết điều
khiển số và hệ thống rời rạc, lý thuyết điều khiển hiện đại rất thích hợp để thiết kế các bộ điều
khiển là các chương trình phần mềm chạy trên vi xử lý và máy tính số. Điều này cho phép
thực thi được các bộ điều khiển có đặc tính động phức tạp hơn cũng như hiệu quả hơn so với
các bộ điều khiển đơn giản như PID hay sớm trễ pha trong lý thuyết cổ điển.
Trong ba thập niên gần đây, lĩnh vực nghiên cứu về robot ứng dụng điều khiển bằng lý thuyết
điều khiển hiện đại đã có những bước tiến vượt bậc cả về lý thuyết và ứng dụng. Nhiều
nghiên cứu robot điều khiển bằng phương pháp điều khiển mờ, điều khiển LQR đã được
thiết kế cho các mục đích ứng dụng khác nhau. Trong đó phần lớn cánh tay robot được sử
dụng trong lĩnh vực điều khiển robot như lắp đặc IC vào bo mạch, hàn và sơn khung xe trên
những dây chuyền láp ráp, kiểm tra và sửa chữa cấu trúc trong lò phản ứng hạt nhân, thám
hiểm dưới biển và thăm dò dưới lòng đất đòi hỏi những sự chính xác cao.Lĩnh vực của robot
rất rộng từ những việc đơn giản như tháo lắp thiết bị điều khiển đến những việc phức tạp đòi
hỏi sự an toàn chính xác trong môi trường khắc nghiệt như kiểm tra độ phóng xạ, thám hiểm
vũ trụ đòi hỏi phải ứng dụng những lý thuyết mới để tăng cường sự chính xác, giảm sai số.
Chương 1: Giới thiệu
Trang 2
Sự phát triển gần đây của lý thuyết điều khiển hiện đại là trong nhiều lĩnh vực điểu khiển tối
ưu của các hệ thống ngẫu nhiên và tiền định. Những robot gần đây áp dụng lý thuyết điều
khiển hiện đại vào ngay cả những ngành kỹ thuật như: sinh học, y học
Con lắc ngược là loại robot ứng dụng một trong những vấn đề quan trọng lý thuyết điều khiển
và được đề cập nhiều trong các tài liệu về điều khiển. Mô hình thực tế con lắc ngược có thể
kiểm chứng lại các lý thuyết điều khiển như PID, Fuzzy, Neural Network, các lý thuyết điều
khiển hiện đại Tuy nhiên con lắc ngược cũng đặt ra nhiều thách thức đối với lý thuyết điều
khiển cũng như các thiết bị điều khiển chúng. Vì đây là hệ thống phi tuyến nên vấn đề điều
khiển con lắc ổn định gặp nhiều khó khăn.
Họ C28x DSP là họ mới nhất của dòng TMS320C2000 DSP. Chương trình của C28x tương
thích với họ 24x/240x DSP. Với khả năng 32 x 32 – bit MAC của họ C28x và khả năng xử lý
64 – bit, cho phép C28x trở thành sự lựa chọn cho những ứng dụng đòi hỏi những nhân điều
khiển foating – point. Với tốc độ xử lý cao cho phép chúng ta nhúng các giải thuật điều khiển
như PID, Fuzzy, LQR, Neural DSP có điểm thuận lợi để nhúng các giải thuật là chúng ta
có thể viết các giải thuật này trên Matlap và CCS sẽ liên kết với Matlap để nhúng các giải
thuật này xuống DSP. DSP TMS320F2812 xử lí 32 bit và hoạt động ở 150Mhz. Với Bộ nhớ
là 18K words on chip RAM và 128K words on chip FLASH memory.DSP TMS320F2812 hỗ
trợ ngoại vi với: 12 kênh PWM, Hai khối sự kiện EVA và EVB hỗ trợ đọc tín hiệu từ hai
Encoder, 16 kênh ngõ vào ADC với thanh ghi 12 bit, hỗ trợ truyền thông SCI, SPI, CAN,
McBSP.Với những thuận lợi như đã nêu ở trên, nhóm đã tiến hành tìm hiểu về DSP
TMS320F28x và tiến hành thiết kế bộ điều khiển mờ và bộ điều khiển LQR hồi tiếp về biến
vị trí để con lắc ngược có thể đứng ổn định hơn. Vì vậy nhóm đã thực hiện đề tài: “Nghiên
cứu và điều khiển mô hình con lắc ngược quay”.
Tầm quan trọng của đề tài 1.2. và ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Hệ thống con lắc ngược là hệ thống phức tạp có tính phi tuyến cao và không ổn định. Các vấn
đề điều khiển liên quan đến hệ thống này bao gồm thiết kế bộ điều khiển Swing-up, thiết kế
bộ điều khiển giữ cân bằng con lắc là những vấn đề rất thú vị và là thách thức của lĩnh vực
điều khiển tự động. Bên cạnh đó, nếu hệ thống được chế tạo với độ chính xác và tin cậy cao
thì đây là mô hình lý tưởng để thực hiện các thí nghiệm thu thập dữ liệu, từ đó có thể sử dụng
các thuật toán nhận dạng để nhận dạng mô hình của hệ thống con lắc ngược.
Chương 1: Giới thiệu
Trang 3
Hiện nay có rất nhiều nhà nghiên cứu đã sử dụng các thuật toán điều khiển khác nhau để điều
khiển hệ thống con lắc như thuật toán điều khiển PID, điều khiển trượt, thuật toán điều khiển
tối ưu LQR và điều khiển logic mờ Fuzzy đã thu được một số thành công đáng kể. Từ đề tài
con lắc ngược có thể phát triển lên để nghiên cứu về các vấn đề như: điều khiển cầu trục Hình
1.a, điều khiển góc tên lửa khi rời bệ phóng Hình 1.b và xe hai bánh tự cân bằng như Hình
1.c.
a. Hệ cầu trục b. Điều khiển góc tên lửa c. Xe hai bánh tự cân bằng
Hình 1.Các đối tượng điều khiển phức tạp trong thực tế.
1.3. Mục tiêu của đề tài
Mục đích của đề tài là khảo sát phương trình động lực học, xây dựng mô hình toán học, mô
phỏng đặc tuyến hoạt động của hệ con lắc ngược quay, tổng quan các công trình nghiên cứu
về hệ con lắc ngược quay, khảo sát một số phương pháp điều khiển có thể áp dụng cho hệ
con lắc ngược quay.
Đề tài đi sâu vào nghiên cứu các giải thuật điều khiển sử dụng công nghệ tính toán mềm ứng
dụng cho hệ con lắc ngược quay , tiến hành khảo sát tổng hợp thiết kế điều khiển và xây dựng
các mô hình mô phỏng của giải thuật điều khiển tính toán mềm ứng dụng vào hệ con lắc
ngược, so sánh các kết quả mô phỏng đạt được về đặc tuyến làm việc, thời gian đáp ứng xác
lập, sự ổn định của hệ thống rồi ứng dụng phương pháp vào chạy thực tế trên mô hình con lắc.
Kết quả mô phỏng sẽ cho chúng ta thấy ứng dụng giải thuật tính toán mềm vào hệ con lắc
ngược sẽ giúp chúng ta phân tích được những mặt ưu điểm và mặt khuyết điểm từ đó rút ra
phương pháp hợp lý cho hệ con lắc ngược và ứng dụng vào điều khiển.
Chương 1: Giới thiệu
Trang 4
Dựa và mô hình mô phỏng, tiến hành thiết kế và xây dụng mô hình thực ứng dụng vào hệ con
lắc ngược.
Khảo sát chi tiết các thành phần cấu tạo nên mô hình thực của hệ con lắc ngược và thiết kế thi
công mô hình con lắc ngược quay . Xây dựng được mô hình thực của hệ con lắc ngược có
nhúng thuật toán điều khiển sử dụng công nghệ tính toán mềm,giải quyết được những trường
hợp nhiễu hệ thống và thực hiện được giải thuật swing-up, giải thuật giữ cân bằng được hệ
con lắc ngược ở bất kì vị trí nào.
So sánh giữa kết quả lý thuyết và thực tiễn, ta tiến hành kiểm chứng lại vấn đề của công trình
rồi xây dụng hướng phát triển của công trình hoàn thiện hơn. Đồng thời, mở rộng phạm vi
ứng dụng của giải thuật điều khiển trên tất cả hệ thống thiếu cơ cấu truyền động.
1.4. Phương pháp nghiên cứu
Nội dung luận văn này nhằm đi sâu vào nghiên cứu hệ con lắc ngược và tổng hợp các giải
pháp điều khiển nó. Xây dựng mô hình mô phỏng hệ con lắc trên một số giải pháp đó bằng
phần mềm MATLAB để nghiên cứu đặc tính về đặc tính làm việc, thời gian xác lập giải thuật
đưa lên (swing- up) và giải thuật cân bằng hệ con lắc ngược ở vị trí bất kì. Đồng thời, dựa vào
kết quả thu thâp được qua quá trình mô phỏng của giải thuật điều khiển, ta tiến hành so sánh
đánh giá ưu khuyết điển của các giải thuật mà nhóm đã sử dụng trong luận văn từ đó cải thiện
thêm phương pháp điều khiển mô hình con lắc ngược quay.
Khảo sát giải thuật giữ cân bằng cho hệ con lắc ngược ở vị trí cân bằng. Điều khiển toàn
phương tuyến tính(LQR), điều khiển mờ trực tiếp.
Xây dựng giải thuật swing-up cho hệ con lắc ngược, truyền cho con lắc một năng lượng đủ
lớn cần thiết để làm cho con lắc ngược chuyển động đến vị trí mong muốn.
Thực hiện mô phỏng hệ con lắc ngược bằng giải thuật vừa đề xuất ở trên với tín hiệu điều
khiển và vị trí góc đặt khác nhau. Đồng thời thiết kế thi công mô hình thực của hệ con lắc
ngược với thông số thích hợp đã chọn được trong lúc mô phỏng mô hình toán của hệ con lắc
ngược.
Khi đã chọn được thuật toán điều khiển tính toán mềm thích hợp và thi công xong mô hình
thực của hệ con lắc ngược, ta tiến hành thiết kế và xây dựng giải thuật điều khiển hệ con lắc
ngược có nhúng thuật toán điều khiển tính toán mềm để điều khiển hệ con lắc ngược. Sau đó
đem kết quả thu thập được từ việc ứng dụng thực tế kiểm chứng lại kết quả mô phỏng của
Chương 1: Giới thiệu
Trang 5
thuật toán điều khiển tính toán mềm được chọn ở trên nếu kết quả chưa đúng ta tiến hành hiệu
chỉnh thông số của bộ điều khiển và thông số mô hình thực của hệ con lắc ngược cho đến khi
kết quả thu được từ việc ứng dụng thực tế gần giống với kết quả mô phỏng của hệ con lắc
ngược. Sau đó đề xuất hướng phát triển của luận văn và mở rộng phạm vi ứng dụng của thuật
toán điều khiển trong các hệ thống phi tuyến có thuộc tính giống hệ con lắc ngược quay.
1.5. Nội dung của đề tài
Nội dung đề tài gồm các chương sau:
Chương 1. Giới thiệu.
Nội dung chương này sẽ giới thiệu sơ lược về các phương pháp điều khiển hiện đại của hệ
thống con lắc ngược quay, tổng quan về các công trình nghiên cứu và mục tiêu của luận văn.
Chương 1 cũng đề cập đến phương pháp nghiên cứu của luận văn. Cuối chương này trình bày
sơ lược nội dung của luận văn.
Chương 2. Cơ sở lý thuyết các phương pháp điều khiển.
Trình bày khái quát phương pháp điều khiển được sử dụng trong luận văn là phương pháp
điều khiển LQR và phương pháp điều khiển mờ. Chương 2 là nền tảng cơ sở lý thuyết để xây
dựng thuật toán điều khiển cho hệ con lắc ngược quay.
Chương 3. Nghiên cứu thuật toán điều khiển hệ thống con lắc ngược quay
Chương này nghiên cứu mô hình toán học của con lắc ngược quay. Xây dựng mô hình mô
phỏng hệ con lắc ngược quay, giải thuật điều khiển swing-up và giải thuật điều khiển cân
bằng, ứng dụng mô phỏng trên Simulink của Matlab để kiểm tra các giải thuật điều khiển.
Chương 4. Thiết kế và thi công mô hình con lắc ngược quay
Chương này trình bày thiết kế phần cứng mô hình con lắc ngược quay, cách nhúng giải thuật
điều khiển từ Matlab xuống vi điều khiển điều khiển mô hình con lắc ngược quay, chạy thử
nghiệm mô hình và truyền số liệu lên máy để vẽ đồ thị.
Chương 5. Kết luận và đánh giá
Chương này trình bày về những kết quả đạt được trong luận văn , ưu điểm và nhực điểm của
giải thuật điều khiển, những đóng góp và đề xuất hướng phát triển tiếp theo để hoàn thiện và
mở rộng của luận văn