Điều khiển trượt hệ con lắc ngược đơn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
LÊ QUANG VŨ

ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT HỆ CON LẮC NGƯỢC ĐƠN

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202

S K C0 0 4 7 0 8

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
LÊ QUANG VŨ

ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT HỆ CON LẮC NGƯỢC ĐƠN

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202
Hướng dẫn khoa học:
PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2015

Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA

LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:
Họ và tên: LÊ QUANG VŨ

Giới tính: Nam

Ngày sinh: 10-10-1982

Nơi sinh: Thanh Hoá

Quê quán: Thanh Hoá

Dân tộc: Kinh

Địa chỉ tạm trú: 46A đường 11, P. Tăng Nhơn Phú B, Q.9, TP.HCM
Điện thoại cơ quan: (08)37421331

Điện thoại di động: 0903095968

Fax:

Email:

II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
Từ 2007 - 2009: là sinh viên trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM,

chuyên ngành: Điện Công Nghiệp
Từ 2013 - 2015: là học viên cao học trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật
TP.HCM, chuyên ngành: Kỹ thuật điện
III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:

Thời gian

Nơi công tác

Công việc đảm nhiệm

09/2009 - 05/2012 Công ty CP Công nghệ Hải Sơn

Giám sát, thiết kế

06/2012 - 09/2015 Công ty TNHH SX & TM Thanh Luân

Tổ trưởng tổ điện

10/2015 - đến nay Công ty Cổ Phần XNK Nam Thái Sơn

Thiết kế

HVTH: Lê Quang Vũ

Trang 1


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn “Điều khiển trƣợt hệ con lắc ngƣợc đơn” là do tôi
thực hiện, không sao chép kết quả của người khác.
Tôi xin chịu mọi trách nhiệm về cam đoan của mình.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 10 năm 2015
(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Lê Quang Vũ

HVTH: Lê Quang Vũ

Trang 2


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, em xin chân thành gửi đến thầy PGS.TS Dƣơng Hoài Nghĩa người
đã tận tình hướng dẫn và truyền đạt các kiến thức giúp tôi hoàn thành luận văn này.
Bên cạnh đó, tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô trong bộ môn trong
khoa Điện-Điện tử đã truyền đạt cho tôi các kiến thức rất bổ ích và quý giá trong quá
trình học tập để ứng dụng vào nghiên cứu và phát triển đề tài này cũng như ứng dụng
vào công việc sau này.
Tôi cũng xin chân thành gửi lời cảm ơn đến tất cả các bạn cao học Kỹ thuật điện
khóa 2013A đã động viên, giúp đỡ, trao đổi kiến thức với nhau trong suốt khóa học.

Tp.HCM, ngày 25 tháng 10 năm 2015
Học viên

Lê Quang Vũ

HVTH: Lê Quang Vũ

Trang 3


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA

TÓM TẮT LUẬN VĂN CAO HỌC
Hệ thống con lắc ngược là hệ thống có kết cấu cơ khí đơn giản nhưng mang đầy
đủ đặc tính của một hệ phi tuyến SIMO điển hình. Do đó, hệ thống trên được sử dụng
rộng rãi trong các phòng thí nghiệm để nghiên cứu các giải thuật điều khiển như điều
khiển tuyến tính, điều khiển thông minh, điều khiển phi tuyến, nhận dạng hệ thống….
Hệ thống con lắc ngược gồm hai phần: cánh tay gắn vào động cơ DC quay quanh
trục thẳng đứng và con lắc gắn vào trục encoder ở cuối cánh tay tự do trong mặt
phẳng vuông góc với cánh tay.
Trong luận văn này học viên sẽ xem xét và giải quyết các vấn đề liên quan đến
hệ con lắc ngược. Do sự tồn tại của lực ma sát trượt, lực ly tâm nên đáp ứng của hệ
thống chỉ đạt được ở mức độ tương đối. Hơn nữa do con lắc có xu hướng rơi xuống
vị trí cân bằng hướng xuống do tác dụng của trọng lực nên việc điều khiển cân bằng
con lắc ở vị trí cân bằng hướng lên là khó khăn và con lắc có xu hướng lệch khỏi vị
trí cân bằng là rất cao. Nếu như cảm biến vị trí không chính xác sẽ làm cho các con
lắc định vị không đúng vị trí dẫn đến sai số lớn và mất cân bằng.

Trong luận văn này học viên sẽ dựa trên giải thuật trượt để điều khiển cân bằng
con lắc tại vị trí mong muốn và so sánh các đáp ứng của hệ thống.

HVTH: Lê Quang Vũ

Trang 4


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
1. PID:

Proportional Integral Derivative

2. LQR: Linear Quadratic Regulator
3. PWM: Pulse Width Modulation
4. SISO: Single Input Single Outputs
5. SIMO: Single Input Multi Outputs
6. DSP:

Digital Signal Processing

7. PCI:

Peripheral Component Interconnect

8. QEP:

Quadrature Encoder Pulse

HVTH: Lê Quang Vũ

Trang 5


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1: Mô hình con lắc ngược quay ....................................................................... 3
Hình 1.2: Một số mô hình phần cứng con lắc ngược quay .......................................... 3
Hình 2.1: Sơ đồ khối mô hình con lắc ngược được thực hiện trong luận văn ............. 8
Hình 2.2: Mô hình toán học của con lắc. ...................................................................... 9
Hình 2.3: Phân tích lực tác dụng. ............................................................................... 10
Hình 2.4: Hệ thống con lắc nhìn từ phía trên ............................................................ 12
Hình 4.1: Mô hình thực tế hệ con lắc ngược quay. .................................................... 18
Hình 4.2: Motor DC Servo của hãng Tamagawa với Seri TS 1983N146E5 ............. 20
Hình 4.3: Cảm biến tốc độ .......................................................................................... 20
Hình 4.4: Board điều khiển TMDSF28335 ................................................................ 21
Hình 4.5: Sơ đồ nguyên lý mạch cầu H ...................................................................... 22
Hình 4.6: Mạch cầu H cho động cơ ........................................................................... 22
Hình 4.7: Quá trình chuyển đổi từ Simulink sang ngôn ngữ C chạy trên chip DSP . 23
Hình 5.1: Mô hình hệ con lắc ngược quay trong Matlab............................................ 24
Hình 5.2: Mô hình con lắc khi có quan tâm đến giá trị mặt trượt ............................. 25
Hình 5.3: Bên trong khối Sliding Mode Control ........................................................ 25
Hình 5.4: Khối điều khiển khi ta quan tâm giá trị mặt trượt ...................................... 26

Hình 5.5: Sơ đồ bên trong của khối mô phỏng hệ thống. ........................................... 27
Hình 5.6: Góc quay cánh tay (rad) ............................................................................. 28
Hình 5.7: Góc quay con lắc (rad) ............................................................................... 29
Hình 5.8: Tín hiệu điện áp điều khiển (V) .................................................................. 29
Hình 5.9: Giá trị mặt trượt S1 theo thời gian ............................................................. 29
Hình 5.10: Giá trị mặt trượt S2 theo thời gian ............................................................ 30

HVTH: Lê Quang Vũ

Trang 6


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA

Hình 6.1: Thời gian lấy mẫu ....................................................................................... 31
Hình 6.2: Sơ đồ khối Matlab dùng để điều khiển con lắc ngược .............................. 32
Hình 6.3: Sơ đồ khối Matlab dùng để truy xuất dữ liệu ............................................ .34
Hình 6.4: Kết quả điều khiển giữ cân bằng con lắc ................................................... 35
Hình 6.5: Góc lệch con lắc với bộ điều khiển trượt .................................................. 35
Hình 6.6: Góc quay cánh tay với bộ điều khiển trượt ................................................ 36
Hình 6.7: Điện áp đặt vào động cơ với bộ điều khiển trượt ....................................... 36
Hình 6.8: Mặt trượt S1 ................................................................................................ 36
Hình 6.9: Mặt trượt S2 ................................................................................................ 37
Hình 6.10: Góc lệch con lắc với bộ điều khiển trượt ................................................ 37
Hình 6.11: Góc quay cánh tay với bộ điều khiển trượt .............................................. 37
Hình 6.12: Điện áp đặt vào động cơ với bộ điều khiển trượt ..................................... 38
Hình 6.13: Mặt trượt S1 .............................................................................................. 39
Hình 6.14: Mặt trượt S2 .............................................................................................. 38

Hình 6.15: Góc lệch con lắc với bộ điều khiển trượt ................................................ 39
Hình 6.16: Góc quay cánh tay với bộ điều khiển trượt ............................................. 39
Hình 6.17: Điện áp đặt vào động cơ với bộ điều khiển trượt .................................... 39
Hình 6.18: Mặt trượt S1 ............................................................................................. 40
Hình 6.19: Mặt trượt S2 ............................................................................................. 40
Hình 6.20: Góc lệch con lắc với bộ điều khiển trượt ............................................... 40
Hình 6.21: Góc quay cánh tay với bộ điều khiển trượt ............................................. 41
Hình 6.22: Điện áp đặt vào động cơ với bộ điều khiển trượt ..................................... 41
Hình 6.23: Mặt trượt S1 .............................................................................................. 41
Hình 6.24: Mặt trượt S2 .............................................................................................. 42
Hình 6.25: Kết quả điều khiển giữ cân bằng khi gắn m1 ở giữa con lắc ................... 42

HVTH: Lê Quang Vũ

Trang 7


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA

Hình 6.26: Góc lệch con lắc với bộ điều khiển trượt ............................................... 42
Hình 6.27: Góc quay cánh tay với bộ điều khiển trượt ............................................. 43
Hình 6.28: Điện áp đặt vào động cơ với bộ điều khiển trượt ..................................... 43
Hình 6.29: Mặt trượt S1 .............................................................................................. 43
Hình 6.30: Mặt trượt S2 .............................................................................................. 44
Hình 6.31: Kết quả điều khiển giữ cân bằng khi gắn m1 ở đầu con lắc ..................... 44
Hình 6.32: Góc lệch con lắc với bộ điều khiển trượt ............................................... 44
Hình 6.33: Góc quay cánh tay với bộ điều khiển trượt ............................................. 45
Hình 6.34: Điện áp đặt vào động cơ với bộ điều khiển trượt ..................................... 45

Hình 6.35: Mặt trượt S1 .............................................................................................. 45
Hình 6.36: Mặt trượt S2 .............................................................................................. 46

HVTH: Lê Quang Vũ

Trang 8


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1: Thông số mô hình ........................................................................................ 9
Bảng 5.1: Các giá trị thông số mô phỏng ................................................................... 28

HVTH: Lê Quang Vũ

Trang 9


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA

MỤC LỤC
LÝ LỊCH KHOA HỌC ..................................................................................................i
LỜI CAM ĐOAN .........................................................................................................ii
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ iii
TÓM TẮT LUẬN VĂN CAO HỌC ...........................................................................iv

Danh mục các chữ viết tắt ............................................................................................. v
Danh mục các hình .......................................................................................................vi
Danh mục các bảng .....................................................................................................vii
Mục lục ...................................................................................................................... viii
Chƣơng 1. TỔNG QUAN ........................................................................................... 1
1.1 Đặt vấn đề ............................................................................................................ 1
1.2 Giới thiệu về con lắc ngược quay ........................................................................ 2
1.3 Một số công trình nghiên cứu có liên quan.......................................................... 3
1.4 Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu.......................................................................... 4
1.4.1 Mục tiêu ......................................................................................................... 4
1.4.2 Phạm vi nghiên cứu ....................................................................................... 4
1.5 Phương pháp nghiên cứu ..................................................................................... 4
1.6 Cấu trúc của luận văn ........................................................................................... 4
Chƣơng 2. MÔ HÌNH HÓA VÀ THAM SỐ ............................................................. 7
2.1Giới thiệu sơ lược về hệ thống con lắc ngược quay ............................................. 7
2.2Thiết lập mô hình toán học hệ thống con lắc ngược quay .................................... 8
Chƣơng 3. GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN ................................................................ 14
3.1 Lý thuyết bộ điều khiển trượt ............................................................................. 14
3.1.1 Phương pháp điều khiển trượt ..................................................................... 14

HVTH: Lê Quang Vũ

Trang 10


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA

Chƣơng 4. GIỚI THIỆU MÔ HÌNH PHẦN CỨNG .............................................. 18

4.1 Giới thiệu mô hình con lắc ngược quay ............................................................. 18
4.2 Phần cơ khí ......................................................................................................... 19
4.3 Phần điện ............................................................................................................ 20
4.3.1 Phần điều khiển ............................................................................................ 20
4.3.2 Phần công suất ............................................................................................. 21
4.4 Phần chương trình .............................................................................................. 23
Chƣơng 5. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ........................................................................ 24
5.1 Xây dựng hệ thống ............................................................................................. 24
5.2 Mô phỏng bộ điều khiển trượt............................................................................ 27
5.3 Nhận xét ............................................................................................................. 30
Chƣơng 6. KẾT QUẢ TRÊN MÔ HÌNH THỰC ................................................... 31
6.1 Xây dựng chương trình điều khiển trong Simulink ........................................... 31
6.2 Đáp ứng ngõ ra thực tế với bộ điều khiển trượt ................................................. 35
6.4 Nhận xét ............................................................................................................. 46
Chƣơng 7. KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ............................................ 47
7.1 Kết luận .............................................................................................................. 47
7.2 Hướng phát triển của đề tài ................................................................................ 48
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 49
PHỤ LỤC .......................................................................................................................

HVTH: Lê Quang Vũ

Trang 11


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS DƢƠNG HOÀI NGHĨA

Chƣơng 1

TỔNG QUAN
Chương này trình bày những nội dung tổng quan liên quan đến đề tài nói
chung, hệ thống con lắc ngược quay và ứng dụng trong thực tế, các kết quả nghiên
cứu trong và ngoài nước. Trên cơ sở đó học viên đưa ra mục tiêu của đề tài, kết quả
dự kiến và phương pháp nghiên cứu.
1.1. Đặt vấn đề
Cùng với sự phát triển của khoa học kĩ thuật, các phương pháp điều khiển từ
kinh điển đến hiện đại, điều khiển thông minh ra đời. Hầu hết các đối tượng như
cánh tay máy, hệ con lắc ngược quay… đều được giải quyết bởi các bài toán ổn
định hệ thống với chất lượng cao hơn. Các phương pháp này ngày càng được
nghiên cứu, phát triển, ứng dụng rộng rãi, góp phần nâng cao chất lượng, độ ổn định
của hệ thống.
Hệ con lắc ngược quay là hệ thống một vào - nhiều ra, nó có độ bất ổn định
cao và là cơ sở để tạo ra các hệ thống tự cân bằng như: hệ xe con lắc ngược quay,
hệ con lắc ngược quay, hệ Pendubot,… Đây là đối tượng thường được các nhà
nghiên cứu lựa chọn để kiểm chứng những thuật toán điều khiển của mình, từ
những thuật toán điều khiển cổ điển đến những thuật toán điều khiển hiện đại, điều
khiển thông minh. Tuy nhiên hệ con lắc ngược quay cũng đặt ra nhiều thách thức
đối với lý thuyết điều khiển cũng như các thiết bị điều khiển chúng. Đòi hỏi có bộ
điều khiển thích hợp và có tốc độ đáp ứng nhanh.
Các nghiên cứu về điều khiển hệ thống con lắc ngược quay đã được tiến hành
khá sớm, xuất phát từ nhu cầu thiết kế các hệ thống điều khiển cân bằng tên lửa
trong giai đoạn đầu phóng. Trên phương diện nghiên cứu các kĩ thuật điều khiển
thực, con lắc ngược quay đại diện cho lớp các đối tượng phi tuyến phức tạp.

HVTH: Lê Quang Vũ

Trang 1

Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS DƢƠNG HOÀI NGHĨA

Ở đề tài này đã có một số luận văn thạc sĩ Đại học Bách khoa TP.HCM, Đại
học Giao thông Vận tải điều khiển thành công sử dụng giải thuật LQR, PID, Fuzzy.
Tuy nhiên các giải thuật trên có những nhược điểm như sau:
Giải thuật LQR điều khiển dựa vào thông số K tìm được từ việc tuyến tính hóa
hệ thống nên chỉ điều khiển được mô hình quanh vị trí làm việc. Nếu trạng thái hệ
thống quá xa vị trí cân bằng thì giải thuật không còn điều khiển tốt.
Giải thuật PID là giải thuật tuyến tính trong khi con lắc ngược quay là một hệ
phi tuyến mang tính phi tuyến điển hình. Do vậy, bộ điều khiển PID có thể chưa đủ
mức độ phức tạp để điều khiển hệ con lắc ngược quay trong một dải hoạt động
rộng.
Giải thuật Fuzzy phụ thuộc vào kinh nghiệm chuyên gia nên tốn rất nhiều thời
gian thử sai nhiều lần và không tận dụng được hiểu biết về phương trình toán học
của hệ thống.
Từ các hạn chế nhất định của các bộ điều khiển trên, bộ điều khiển phi tuyến
là một giải pháp để củng cố thêm. Với việc tận dụng được những kiến thức về mô
hình (thông số hệ thống, phương trình toán học) thì việc thiết kế một bộ điều khiển
đáp ứng tốt và ổn định được hệ thống trong một khoảng hoạt động rộng.
Trong khuôn khổ luận văn này, học viên xin chọn hướng đề tài:
“ ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT HỆ CON LẮC NGƢỢC ĐƠN”

1.2. Giới thiệu về con lắc ngƣợc quay
Mô hình con lắc ngược quay là một hệ thống máy gồm hai khâu: cánh tay
(Arm) và con lắc (pendulum).
Trong điều khiển cân bằng, cánh tay gắn vào động cơ DC có một encoder gắn
đồng trục để xác định vị trí góc cánh tay quay quanh trục thẳng đứng và con lắc gắn

vào trục encoder ở cuối cánh tay tự do trong mặt phẳng vuông góc với cánh tay có
khả năng xoay tự do trong mặt phẳng vuông góc với mặt phẳng ngang.

HVTH: Lê Quang Vũ

Trang 2


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS DƢƠNG HOÀI NGHĨA

Hình 1.1 Mô hình con lắc ngƣợc quay

1.3. Một số công trình nghiên cứu có liên quan.
Do hệ con lắc ngược quay là một hệ ứng dụng nhiều trong nghiên cứu giải
thuật điều khiển cũng như mang tính học thuật cao nên nhiều dạng mô hình con lắc
ngược quay được xây dựng và sử dụng tại các phòng thí nghiệm. Ngoài hệ con lắc
ngược quay được đề cập ở phần trên còn có các hệ con lắc ngược khác như: hệ con
lắc ngược quay một bậc tự do, hệ xe con lắc ngược…

Hình 1.2 Một số mô hình phần cứng con lắc ngƣợc quay trƣớc đây

HVTH: Lê Quang Vũ

Trang 3


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS DƢƠNG HOÀI NGHĨA

Trong luận văn thạc sĩ “Nghiên cứu điều khiển trượt điều khiển con lắc ngược”
của tác giả Huỳnh Xuân Dũng [2], trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật 2012, hệ
thống cũng đã được phân tích, mô phỏng và điều khiển. Các kết quả mô phỏng cho
thấy hệ thống đáp ứng nhanh, tuy nhiên, đề tài chỉ thực hiện mô phỏng để kiểm tra
thuật toán bộ điều khiển trượt, chưa ứng dụng bộ điều khiển vào mô hình thực hệ
thồng con lắc ngược. Do đó, chưa đánh giá được tính ổn định và bền vững của bộ
điều khiển trượt.
1.4. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu
1.4.1. Mục tiêu
Trong luận văn này, mục tiêu là điều khiển cân bằng mô hình con lắc làm việc
quanh vị trí cân bằng hướng lên, cụ thể là:
Ứng dụng giải thuật trượt để điều khiển ổn định góc con lắc thẳng đứng, góc
cánh tay đứng yên tại vị trí đặt.
Ứng dụng giải thuật trượt điều khiển góc cánh tay dao động theo một quỹ đạo
cho trước trong khi vẫn ổn định được góc con lắc thẳng đứng không ngã.
1.4.2. Phạm vi nghiên cứu
Ứng dụng bộ điều khiển trượt, điều khiển mô hình con lắc ngược quay. Việc
nghiên cứu được thực hiện cả trên mô phỏng trong môi trường Matlab/Simulink và
thực hiện điều khiển cân bằng trên mô hình thực tế.
1.5. Phƣơng pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết:
Nghiên cứu tài liệu để hiểu biết về đối tượng: mô hình toán, mô hình cơ khí,
bố trí cảm biến, cách thức hoạt động…của một hệ con lắc ngược.
Nghiên cứu tài liệu để nắm vững các giải thuật nhận dạng thông số mô hình,
giải thuật điều khiển trượt để điều khiển cân bằng mô hình con lắc ngược quay.

HVTH: Lê Quang Vũ

Trang 4


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS DƢƠNG HOÀI NGHĨA

Phƣơng pháp thực nghiệm:
Sử dụng phần mềm Matlab/Simulink mô phỏng trên máy tính: mô phỏng con
lắc ngược với các phương trình toán học.
Xây dựng mô hình thực tế hệ thống, dùng DSP TMS320F28335 để thu thập
dữ liệu và điều khiển hệ thống thực tế đã xây dựng được.
Đánh giá kết quả dựa trên mô phỏng và thực nghiệm.
1.6. Cấu trúc của luận văn
Luận văn tìm hiểu cơ sở lý thuyết của điều khiển trượt để điều khiển cân bằng
hệ con lắc ngược, lập trình, mô phỏng trên phần mềm Matlab và thực hiện thi công
mô hình phần cứng. Sau đó, học viên sẽ thực hiện nhúng giải thuật điều khiển trên
DSP TMS320F28335 để áp dụng điều khiển mô hình lắc ngược quay thực tế.
Luận văn gồm 7 chương với nội dung cụ thể như sau:
Chƣơng 1: Tổng quan
Giới thiệu tổng quan nhằm mục đích giới thiệu đề tài, các vấn đề mà đề tài cần
giải quyết, công trình liên quan, mục tiêu nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu và
phương pháp nghiên cứu của học viên.
Chƣơng 2: Mô hình hóa và tham số
Khảo sát đối tượng con lắc ngược, trình bày việc phân tích mô hình toán học
hệ con lắc ngược. Xác định các thông số toán học của đối tượng, các biến trạng thái.
Chƣơng 3: Giải thuật điều khiển
Trình bày sơ lược về cơ sở lý thuyết về điều khiển trượt.
Chƣơng 4: Giới thiệu phần cứng
Chương này trình bày phần cơ khí, điện và chương trình mà học viên thực

hiện cho hệ con lắc ngược.

HVTH: Lê Quang Vũ

Trang 5


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS DƢƠNG HOÀI NGHĨA

Chƣơng 5: Kết quả mô phỏng
Chương này trình bày cách đưa mô hình toán học của hệ con lắc ngược vào
mô phỏng bằng Matlab. Kết quả mô phỏng của hệ thống.
Chƣơng 6: Kết quả trên mô hình thực
Trình bày kết quả điều khiển thực tế cho thiết kế phần cứng ở chương trước.
Đánh giá và nhận xét về chất lượng điều khiển.
Chƣơng 7: Kết luận và hƣớng phát triển
Kết luận tóm tắt về kết quả đã đạt được cũng như những hạn chế và hướng
phát triển để hoàn thiện hơn những thiếu sót của đề tài.

HVTH: Lê Quang Vũ

Trang 6


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS DƢƠNG HOÀI NGHĨA

Chƣơng 2

MÔ HÌNH HÓA VÀ THAM SỐ
Chương này sẽ trình bày cách xây dựng mô hình toán học của hệ con lắc
ngược và cơ sở giải thuật áp dụng để điều khiển đối tượng trong đề tài.
2.1. Giới thiệu sơ lƣợc về hệ thống con lắc ngƣợc quay
Hệ thống con lắc ngược là một vấn đề điều khiển cổ điển nó được sử dụng
trong các trường đại học trên khắp thế giới. Hệ thống con lắc ngược là mô hình phù
hợp để kiểm tra các thuật toán điều khiển hệ phi tuyến cao trở lại ổn định.
Đây là một hệ thống SIMO điển hình vì chỉ gồm một ngõ vào là điện áp cấp
cho động cơ (hoặc lực quay của động cơ) mà phải điều khiển cả vị trí cánh tay quay
và góc lệch con lắc ngược sao cho thẳng đứng (hai ngõ ra). Ngoài ra, phương trình
toán học được đề cập đến của con lắc ngược mang tính chất phi tuyến điển hình.
Đối tượng con lắc ngược lại có kết cấu cơ khí không phức tạp để có thể chế tạo. Vì
thế, đây là một mô hình lý tưởng cho các phòng thí nghiệm Điều khiển tự động.
Mô hình hệ thống con lắc ngược quay gồm hai phần: cánh tay gắn vào động
cơ DC quay quanh trục thẳng đứng và con lắc gắn vào trục encoder ở cuối cánh tay
tự do trong mặt phẳng vuông góc với cánh tay được thể hiện ở Hình 2.1. Con lắc
không ổn định, nó luôn ngã xuống trừ khi có lực tác động thích hợp vào cánh tay.
Bài toán đặt ra là điều khiển cánh tay để giữ cho con lắc cân bằng ở vị trí thẳng
đứng. Con lắc ổn định nhờ bộ điều khiển trượt.

HVTH: Lê Quang Vũ

Trang 7


Luận văn thạc sĩ

GVHD: PGS.TS DƢƠNG HOÀI NGHĨA

Hình 2.1 Sơ đồ khối mô hình con lắc ngƣợc đƣợc thực hiện ở luận văn
Mô hình mô phỏng được dựa theo phương trình động lực học của hệ thống
con lắc ngược quay. Đồng thời bộ điều khiển cơ bản cũng sẽ được trình bày trong
phần tiếp theo của chương này. Mục đích của việc trình bày con lắc ngược trong mô
phỏng là để kiểm chứng lại lý thuyết từ các mô hình toán. Từ đó có thể đánh giá sự
ổn định của hệ thống con lắc ngược quay trong lí thuyết.
2.2. Thiết lập mô hình toán học hệ thống con lắc ngƣợc quay
Có rất nhiều phương pháp khác nhau được sử dụng để điều khiển hệ con lắc
ngược quay (vd: PID, LQR, Fuzzy Logic, Neural Network…). Với mỗi phương
pháp khác nhau các bộ điều khiển sẽ có những đáp ứng đầu ra khác nhau.Như vậy,
cần xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống con lắc trong Simulink Matlab.
Hệ thống con lắc ngược quay bao gồm một con lắc có khối lượng m, chiều dài
2L có thể quay tự do, góc của con lắc so với phương thẳng là α, con lắc được gắn
với một thanh nằm ngang có chiều dài r. Động cơ DC được dùng để di chuyển cánh
tay theo cả hai hướng thuận và ngược với một góc θ, được thể hiện trên Hình 2.2.

HVTH: Lê Quang Vũ

Trang 8


S

K

L

0

0

2

1

5

4