Luận Văn Xây dựng bộ điều khiển LQR cho hệ con lắc ngược quay

Tóm Tắt Luận Văn
Hệ thống con lắc ngược là hệ thống không ổn định, phi tuyến ở mức cao. Nó được sử dụng như một mô hình phổ biến cho các ứng dụng trong kỹ thuật điều khiển tuyến tính và phi tuyến. Mô hình con lắc được dùng để kiểm chứng lại các thuật toán điều khiển như: điều khiển trượt, đặt cực, LQR, PID, logic mờ, mạng neural . Điều khiển con lắc ngược gồm hai quá trình: điều khiển lật ngược con lắc và điều khiển cân bằng con lắc quanh vị trí lật ngược.
Trong các phương pháp điều khiển hiện hành đối với hệ phi tuyến, LQR là phương pháp không mới. Tuy nhiên, LQR còn nhiều vấn đề cần quan tâm. Những kết quả nghiên cứu trước đây đã cho thấy LQR điều khiển tốt hơn các phương pháp khác đối với hệ phi tuyến có phương trình toán học chính xác.
Trong công trình này, tác giả sử dụng thuật toán LQR để xây dựng bộ điều khiển cân bằng con lắc.Tác giả sử dụng thuật toán logic mờ để xây dựng bộ điều khiển lật ngược con lắc. Dựa trên vị trí và vận tốc con lắc, bộ điều khiển lật ngược sẽ tính toán và quyết định điện áp điều khiển nhằm đưa con lắc lên vị trí dựng ngược sao cho vận tốc tại đó là nhỏ nhất, sau đó chuyển sang bộ điều khiển cân bằng để giữ con lắc ổn định tại vị trí này.
Kết quả thực nghiệm đạt được: Bộ điều khiển lật ngược dùng logic mờ đã đưa con lắc từ vị trí buông thõng lên vị trí lật ngược, sau đó hệ thống điều khiển chuyển sang bộ điều khiển cân bằng để giữ con lắc ổn định tại vị trí này. Bộ điều khiển cân bằng con lắc dùng LQR đạt được đáp ứng sai số của hệ thống rất nhỏ và duy trì con lắc ổn định tốt ở vị trí lật ngược.

MỤC LỤC

Trang phụ bìa.
Lời cam đoan.
Lời cảm ơn.
Mục lục.
Danh mục hình vẽ, đồ thị.
Lời mở đầu.
CHƯƠNG I: TÔNG QUAN 1
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ - LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU 1
1.2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI 3
1.3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3
1.4 DỰ KIẾN NỘI DUNG LUẬN VĂN 3
CHƯƠNG II : NHIỆM VỤ LUẬN VĂN 6
2.1 Xây dựng mô hình toán học và mô phỏng 6
2.2 Xây dựng bộ điều khiển cân bằng con lắc dùng PID 6
2.3 Xây dựng bộ điều khiển cân bằng con lắc dùng LQR 6
2.4 Xây dựng bộ điều khiển lật ngược dùng Logic mờ 7
2.5 Hoàn thành bộ điều khiển lật ngược con lắc 7
CHƯƠNG III: MÔ HÌNH TOÁN HỌC 8
3.1 Mô hình hóa hệ thống con lắc ngược quay 8
3.1.1 Mô hình thực tế của hệ thống con lắc ngược quay 8
3.1.2 Mô hình toán học của con lắc ngược quay 10
3.1.2.1 Hệ phương trình phi tuyến 10
3.1.2.2 Hệ phương trình tuyến tính (tuyến tính hóa quanh điểm dừng) 11
3.2 Mô phỏng con lắc ngược quay trên Matlap 13
3.2.1 Khảo sát đáp ứng của con lắc phi tuyến 14
3.2.2 Khảo sát đáp ứng góc của con lắc với bộ điều khiển PID một biến 15
3.2.3 Khảo sát đáp ứng góc của con lắc với bộ điều khiển PID hai biến 17
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 24
4.1 Điều khiển Swing – up dùng Logic mờ 24
4.1.1 Tổng quan về điều khiển mờ 24
4.1.2 Tiền xử lý 25
4.1.3 Mờ hóa 25
4.1.4 Hệ quy tắc mờ 26
4.1.5 Các phép toán trên tập mờ 26
4.1.6 Giải mờ 27
4.1.7 Điều khiển Swing-up 27
4.1.8 Áp dụng điều khiển mờ trong Swing-up con lắc 29
4.2 Thiết kế bộ điều khiên cân bằng 31
4.2.1 Khả năng điều khiển được 31
4.2.2 Bộ điều khiển LQR 32
4.3 Mô phỏng bộ điều khiển cân bằng 33
CHƯƠNG V: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CON LẮC NGƯỢC TRÊN SIMULINK 36
5.1 Điều khiển cân bằng con lắc ngược dùng thuật toán LQR 36
5.1.1 Đáp ứng của con lắc khi chưa thay đổi thông số mô hình 37
5.1.2 Đáp ứng của con lắc khi thay đổi thông số mô hình 41
5.2 Điều khiển Swing-up sử dụng Logic mờ 50
5.3 Bộ điều khiển lật ngược và cân bằng 54
CHƯƠNG VI: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 58
6.1 Kết luận 58
6.2 Hướng phát triển của đề tài 59
Tài liệu tham khảo 60
Phục lục A
Phục lục B