điều khiển con lắc ngược hai bậc tự do dùng fuzzy logic
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (4.12 MB, 111 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRẦN VI ĐÔ
ĐIỀU KHIỂN CON LẮC NGƯỢC HAI BẬC TỰ DO
DÙNG FUZZY LOGIC
NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202
S K C0 0 4 3 4 2
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2014
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
_____o0o_____
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRẦN VI ĐÔ
ĐIỀU KHIỂN CON LẮC NGƯỢC HAI
BẬC TỰ DO DÙNG FUZZY LOGIC
Ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN
Mã số ngành: 60520202
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 10 năm 2014
Luận văn thạc sĩ
GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm
CÔNG TRÌNH ĐƢỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hƣớng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN MINH TÂM
(ghi rõ họ tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 1: ......................................................................
(ghi rõ họ tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2: ......................................................................
(ghi rõ họ tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ trƣớc
HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH.
Ngày 19 tháng 10 năm 2014
HVTH: Trần Vi Đô
Trang i
Luận văn thạc sĩ
GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
----------------
---oOo--Tp. HCM, ngày . . . . . tháng . . . . . năm ……..
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên:
TRẦN VI ĐÔ
Giới tính: Nam
Ngày, tháng, năm sinh:
18-08-1989
Nơi sinh:
Chuyên ngành:
KỸ THUẬT ĐIỆN
Phú Yên
Khoá (Năm trúng tuyển): 2012B
1- TÊN ĐỀ TÀI:
ĐIỀU KHIỂN CON LẮC NGƢỢC HAI BẬC TỰ DO DÙNG FUZZY LOGIC
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:
Xây dựng bộ điều khiển nhúng cân bằng hệ con lắc ngƣợc hai bậc tự do.
Mô phỏng các giải thuật cho hệ con lắc ngƣợc hai bậc tự do.
Xây dựng bộ điều khiển thời gian thực trên DSP TMS320F28335 để kiểm tra tính
xác thực của mô hình.
3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : ...........................................................................................
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : ..........................................................................
5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: TS NGUYỄN MINH TÂM ...........................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
Nội dung và đề cƣơng Luận văn Thạc Sĩ đã đƣợc Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)
HVTH: Trần Vi Đô
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)
Trang ii
Luận văn thạc sĩ
GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm
LÝ LỊCH KHOA HỌC
Họ và tên:
TRẦN VI ĐÔ
Phái:
Nam
Ngày sinh:
18-08-1989
Quê quán:
PHÚ YÊN
Địa chỉ tạm trú:
113A Quang Trung, Tăng Nhơn Phú B, Q.9, TP.HCM.
Điện thoại:
01687791683.
Email:
QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO
Từ 2004-2007: là học sinh trƣờng THPT Lê Hồng Phong, tỉnh Phú Yên.
Từ 2007-2012: là sinh viên trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP.HCM,
chuyên ngành Điện tự động.
Từ 2012-nay: là học viên cao học trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật
TP.HCM, chuyên ngành Kỹ thuật điện.
QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC
Từ 01-2012 đến 9-2012: Kỹ sƣ thiết kế, Công ty TNHH Fujitsu Việt Nam.
Từ 10-2012 đến nay: Giảng viên Khoa Điện-Điện Tử - bộ môn Tự Động
Điều Khiển thuộc trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP.HCM.
CÁC BÀI BÁO ĐÃ CÔNG BỐ
1. Trần Vi Đô, Nguyễn Minh Tâm, Ngô Văn Thuyên, Nguyễn Văn Đông Hải,
Một Số Phương Pháp Điều Khiển Cân Bằng Con Lắc Ngược Hai Bậc Tự Do,
Hội nghị cơ điện tử toàn quốc lần thứ 7, Accepted, tháng 11 năm 2014.
2. Nguyễn Văn Đông Hải, Đỗ Đức Trí, Trần Vi Đô, Ứng dụng giải thuật điều
khiển tuyến tính hóa hồi tiếp cân bằng cho hệ xe con lắc ngược, Tạp chí
HVTH: Trần Vi Đô
Trang iii
Luận văn thạc sĩ
GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm
Khoa học giáo dục kỹ thuật, Trƣờng Đại học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP.HCM,
số 28, trang 58-62, 2014.
3. Tran Vi Do, Nguyen Minh Tam, Nguyen Van Dong Hai, Optimization
Fuzzy Controller For Double-link Inverted Pendulum Using Genetic
Algorthm, International conference on Green technology and sustainable
development 2014, Accepted, Oct. 2014.
4. Nguyen Van Dong Hai, Tran Vi Do, Ngo Van Thuyen, Nguyen Minh Tam,
Anti-fluctuation of payload for 3D crane using fuzzy controller, International
conference on Green technology and sustainable development 2014,
Accepted, Oct. 2014.
5. Nguyen Van Dong Hai, Tran Vi Do, Ngo Van Thuyen, Nguyen Phong Luu,
Nguyen Minh Tam, Application Of Smith Predictor Using Neural Network
To Terminate Delay Process In PID Controlling Two-link Robot Arm,
International conference on Green technology and sustainable development
2014, Accepted, Oct. 2014.
6. Nguyen Van Dong Hai, Tran Vi Do, Nguyen Tran Minh Nguyet, Do Duc
Tri, Le Thi Thanh Hoang, Verification Fuzzy And PID Algorithm In
Controlling Gantry Crane, International conference on Green technology
and sustainable development 2014, Accepted, Oct. 2014.
HVTH: Trần Vi Đô
Trang iv
Luận văn thạc sĩ
GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm
LỜI CẢM ƠN
Lời cảm ơn đầu tiên, tôi xin chân thành gửi đến Thầy Nguyễn Minh Tâm
ngƣời đã tận tình hƣớng 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 Điều Khiển Tự Động và đặc biệt gửi lời cảm ơn sâu sắc tới Thầy Nguyễn Văn
Đông Hải đã 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 nhƣ 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 2012B đã động viên, giúp đỡ, trao đổi kiến thức với nhau trong suốt khóa
học.
Tp.HCM, ngày 15 tháng 09 năm 2014
Tác giả
TRẦN VI ĐÔ
HVTH: Trần Vi Đô
Trang v
Luận văn thạc sĩ
GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm
TÓM TẮT LUẬN VĂN CAO HỌC
Hệ thống con lắc ngƣợc hai bậc tự do là một hệ thống phi tuyến cao, đƣợc sử
dụng rất nhiều trong phòng thí nghiệm. Mô hình trên có thể đƣợc sử dụng để kiểm
chứng tính xác thực của các giải thuật tuyến tính lẫn phi tuyến, cổ điển cũng nhƣ
hiện đại. Hệ thống bao gồm động cơ DC servo kéo một con trƣợt; trên con trƣợt gắn
con lắc ngƣợc thứ nhất (link 1); con lắc ngƣợc thứ hai (link 2) gắn trên đầu còn lại
của con lắc thứ nhất. Vị trí của các con lắc và con trƣợt đƣợc đo đạt nhờ cảm biến vị
trí (position sensor).
Trong luận văn này sẽ xem xét và giải quyết các vấn đề liên quan đến hệ con
lắc ngƣợc hai bậc tự do này. Do sự tồn tại của lực ma sát trƣợt, lực ly tâm nên đáp
ứng của hệ thống chỉ đạt đƣợc ở mức độ tƣơng đối. Hơn nữa do cả hai con lắc có xu
hƣớng rơi xuống vị trí cân bằng hƣớng xuống do tác dụng của trọng lực nên việc
điều khiển cân bằng cả hai con lắc ở vị trí cân bằng hƣớng lên là rất khó và các con
lắc có xu hƣớng lệch khỏi vị trí cân bằng là rất cao. Nếu nhƣ 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 bền vững LQR, điều khiển
logic mờ đƣợc huấn luyện bằng mạng Anfis để cân bằng hai con lắc tại vị trí mong
muốn và so sánh các đáp ứng của hệ thống.
HVTH: Trần Vi Đô
Trang vi
Luận văn thạc sĩ
GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn “Điều khiển con lắc ngƣợc hai bậc tự do dùng
Fuzzy logic” là do tôi thực hiện, không sao chép kết quả của ngƣời khác.
Tôi xin chịu mọi trách nhiệm về cam đoan của mình.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày
tháng
năm 2014
(Ký & ghi rõ họ tên)
Trần Vi Đô
HVTH: Trần Vi Đô
Trang vii
Luận văn thạc sĩ
GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm
NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƢỚNG DẪN
Cán bộ hƣớng dẫn : TS NGUYỄN MINH TÂM
Họ và tên học viên : TRẦN VI ĐÔ
Tên đề tài:
Khóa : 2012 - 2014
ĐIỀU KHIỂN CON LẮC NGƢỢC HAI BẬC TỰ DO
DÙNG FUZZY LOGIC
Nhận xét: ..........................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
Đánh giá :
Tp.HCM, ngày
tháng
năm
Cán bộ hƣớng dẫn
(Ký tên, ghi rõ họ tên)
HVTH: Trần Vi Đô
Trang viii
Luận văn thạc sĩ
GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm
NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN 1
Cán bộ phản biện 1:
Họ và tên học viên : TRẦN VI ĐÔ
Tên đề tài:
Khóa : 2012 - 2014
ĐIỀU KHIỂN CON LẮC NGƢỢC HAI BẬC TỰ DO
DÙNG FUZZY LOGIC
Nhận xét : .........................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
Đánh giá :
Tp.HCM, ngày
tháng
năm
Cán bộ phản biện 1
(Ký tên, ghi rõ họ tên)
HVTH: Trần Vi Đô
Trang ix
Luận văn thạc sĩ
GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm
NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN 2
Cán bộ phản biện 2:
Họ và tên học viên : TRẦN VI ĐÔ
Tên đề tài:
Khóa: 2012 - 2014
ĐIỀU KHIỂN CON LẮC NGƢỢC HAI BẬC TỰ DO
DÙNG FUZZY LOGIC
Nhận xét : .........................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
Đánh giá :
Tp.HCM, ngày
tháng
năm
Cán bộ phản biện 2
(Ký tên, ghi rõ họ tên)
HVTH: Trần Vi Đô
Trang x
Luận văn thạc sĩ
GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm
Danh mục các hình
Hình 1.1: Con lắc ngƣợc hai bậc tự do trên xe ...........................................................3
Hình 1.2: Con lắc ngƣợc xoay một bậc tự do ở trƣờng ĐH SPKT TP.HCM .............3
Hình 1.3: Con lắc ngƣợc hai bậc tự do của trƣờng Đại học Đà Nẵng 2013 ...............4
Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ con lắc ngƣợc hai bậc tự do .................................................9
Hình 2.2: Mô hình động cơ .......................................................................................14
Hình 2.3: Khối động cơ sau khi phân tích hàm truyền .............................................15
Hình 2.4: Mối quan hệ giữa lực tác động và chiều quay các con lắc thứ hai ...........20
Hình 2.5: Mối quan hệ giữa lực tác động và chiều quay các con lắc thứ nhất .........21
Hình 3.1: Mô hình thực tế con lắc ngƣợc hai bậc tự do ............................................22
Hình 3.2: Đế trƣợt đƣợc gắn encoder........................................................................23
Hình 3.3: Encoder gắn giữa con lắc thứ nhất và con lắc thứ hai ..............................24
Hình 3.4: Motor Servo của hãng Tamagawa với Seri TS 1983N146E5...................25
Hình 3.5: Board điều khiển TMDSF28335 ...............................................................25
Hình 3.6: Board ARM Cotex M3 ..............................................................................26
Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý mạch cầu H ....................................................................27
Hình 3.8: Mạch cầu H cho động cơ ..........................................................................27
Hình 3.9: Quá trình chuyển đổi từ Simulink sang ngôn ngữ C chạy trên chip DSP 28
Hình 4.1: Sơ đồ bộ điều khiển LQR .........................................................................29
Hình 4.2: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển mờ. .........................................................32
Hình 4.3: Cấu trúc bộ điều khiển mờ với sáu ngõ vào, một ngõ ra ..........................35
Hình 4.4: Mô hình hệ mờ - nơron .............................................................................37
Hình 4.5: Mạng nơron ...............................................................................................38
Hình 4.6: Biến ngôn ngữ ...........................................................................................40
Hình 4.7: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển mờ cho hệ con lắc ngƣợc hai bậc tự do. 43
Hình 4.8: Cửa sổ huấn luyện Anfis ...........................................................................43
Hình 5.1: Mô hình con lắc ngƣợc hai bậc tự do trong Matlab. .................................45
Hình 5.2: Sơ đồ bên trong của khối mô phỏng hệ thống. .........................................46
Hình 5.3: Mô hình Simulink mô phỏng hệ con lắc ngƣợc hai bậc tự do ..................47
HVTH: Trần Vi Đô
Trang xi
Luận văn thạc sĩ
GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm
Hình 5.4: Bên trong khối điều khiển dùng LQR .......................................................48
Hình 5.5: Bên trong khối điều khiển dùng Fuzzy .....................................................48
Hình 5.6: Góc lệch con lắc thứ hai với bộ điều khiển LQR......................................51
Hình 5.7: Góc lệch con lắc thứ nhất với bộ điều khiển LQR....................................52
Hình 5.8: Vị trí con trƣợt với bộ điều khiển LQR ....................................................52
Hình 5.9: Điện áp đặt vào động cơ với bộ điều khiển LQR .....................................53
Hình 5.10: Góc lệch con lắc thứ hai với bộ điều khiển LQR....................................54
Hình 5.11: Góc lệch con lắc thứ nhất với bộ điều khiển LQR..................................54
Hình 5.12: Vị trí con trƣợt với bộ điều khiển LQR ..................................................55
Hình 5.13: Điện áp đặt vào động cơ với bộ điều khiển LQR ...................................55
Hình 5.14: Góc lệch con lắc thứ hai với bộ điều khiển LQR trƣờng hợp hai ...........57
Hình 5.15: Góc lệch con lắc thứ nhất với bộ điều khiển LQR trƣờng hợp hai .........57
Hình 5.16: Vị trí con trƣợt với bộ điều khiển LQR trƣờng hợp thứ hai ...................58
Hình 5.17: Điện áp đặt vào động cơ với bộ điều khiển LQR trƣờng hợp thứ hai ....58
Hình 5.18: Góc lệch con lắc thứ hai với bộ điều khiển LQR trƣờng hợp hai ...........59
Hình 5.19: Góc lệch con lắc thứ nhất với bộ điều khiển LQR trƣờng hợp hai .........59
Hình 5.20: Vị trí con trƣợt với bộ điều khiển LQR trƣờng hợp thứ hai ...................60
Hình 5.21: Điện áp đặt vào động cơ với bộ điều khiển LQR trƣờng hợp thứ hai ....60
Hình 5.22: Hàm liên thuộc tƣơng ứng mỗi ngõ vào trƣớc khi huấn luyện ...............61
Hình 5.23: Cửa sổ huấn luyện Anfis .........................................................................62
Hình 5.24: Bộ điều khiển Fuzzy huấn luyện đƣợc....................................................63
Hình 5.25: Hàm liên thuộc cho mỗi biến ngõ vào ....................................................64
Hình 5.26: Góc lệch con lắc thứ hai với bộ điều khiển Fuzzy 64 luật ......................65
Hình 5.27: Góc lệch con lắc thứ nhất với bộ điều khiển Fuzzy 64 luật ....................65
Hình 5.28: Vị trí con trƣợt với bộ điều khiển Fuzzy 64 luật.....................................66
Hình 5.29: Điện áp đặt vào động cơ với bộ điều khiển Fuzzy 64 luật......................66
Hình 5.30: Hàm liên thuộc tƣơng ứng vị trí và vận tốc con trƣợt trƣớc khi huấn
luyện ..........................................................................................................................67
Hình 5.31: Hàm liên thuộc tƣơng ứng các biến của con lắc trƣớc khi huấn luyện ...67
Hình 5.32: Góc lệch con lắc thứ hai với bộ điều khiển Fuzzy 324 luật ....................68
HVTH: Trần Vi Đô
Trang xii
Luận văn thạc sĩ
GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm
Hình 5.33: Góc lệch con lắc thứ nhất với bộ điều khiển Fuzzy 324 luật ..................68
Hình 5.34: Vị trí con trƣợt với bộ điều khiển Fuzzy 324 luật...................................69
Hình 5.35: Điện áp đặt vào động cơ với bộ điều khiển Fuzzy 324 luật....................69
Hình 6.1: Chƣơng trình Matlab dùng để điều khiển .................................................71
Hình 6.2: Góc lệch của con lắc thứ hai với bộ điều khiển LQR ...............................75
Hình 6.3: Góc lệch của con lắc thứ nhất với bộ điều khiển LQR .............................75
Hình 6.4: Góc lệch của xe với bộ điều khiển LQR ...................................................76
Hình 6.5: Góc lệch của con lắc thứ hai với bộ điều khiển Fuzzy .............................77
Hình 6.6: Góc lệch của con lắc thứ nhất với bộ điều khiển Fuzzy ...........................77
Hình 6.7: Vị trí xe với bộ điều khiển Fuzzy .............................................................78
Hình 6.8: Điện áp đặt vào động cơ với bộ điều khiển Fuzzy....................................78
HVTH: Trần Vi Đô
Trang xiii
Luận văn thạc sĩ
GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm
Danh mục các bảng
Bảng 2.1. Bảng biến trạng thái của mô hình ...............................................................9
Bảng 2.2. Bảng thông số mô hình ...............................................................................9
Bảng 2.3. Bảng thông số của động cơ .......................................................................14
Bảng 2.4. Giá trị các thông số của mô hình đo đƣợc thực tế ....................................18
Bảng 2.5. Giá trị các thông số của động cơ ..............................................................19
Bảng 2.6. Giá trị các thông số của mô hình tính toán từ thực tế ...............................19
Bảng 2.7. Giá trị các thông số ƣớc lƣợng .................................................................19
Bảng 4.1. So sánh Mạng nơron và Logic mờ............................................................36
Bảng 5.1. Chất lƣợng bộ điều khiển LQR của công trình khác đã thực hiện ...........70
Bảng 5.2. Chất lƣợng bộ điều khiển Fuzzy 324 luật do học viên thực hiện .............70
HVTH: Trần Vi Đô
Trang xiv
Luận văn thạc sĩ
GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm
Mục lục
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ.......................................................................... ii
LÝ LỊCH KHOA HỌC ............................................................................................. iii
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................v
TÓM TẮT LUẬN VĂN CAO HỌC ........................................................................ vi
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................... vii
NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƢỚNG DẪN.......................................................... viii
NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN 1 ............................................................ ix
NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN 2 ..............................................................x
Danh mục các hình .................................................................................................... xi
Danh mục các bảng ................................................................................................. xiv
Mục lục ......................................................................................................................xv
CHƢƠNG 1 ................................................................................................................1
TỔNG QUAN .............................................................................................................1
1.1
Đặt vấn đề ......................................................................................................1
1.2
Giới thiệu con lắc ngƣợc hai bậc tự do ..........................................................2
1.3
Một số công trình nghiên cứu có liên quan ...................................................3
1.4
Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu ...................................................................5
1.4.1
Mục tiêu ..................................................................................................5
1.4.2
Phạm vi nghiên cứu ................................................................................5
1.5
Phƣơng pháp nghiên cứu ...............................................................................5
1.6
Cấu trúc của luận văn ....................................................................................6
CHƢƠNG 2 ................................................................................................................8
MÔ HÌNH HÓA VÀ THAM SỐ ................................................................................8
HVTH: Trần Vi Đô
Trang xv
Luận văn thạc sĩ
2.1
GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm
Mô hình hóa hệ con lắc ngƣợc hai bậc tự do .................................................8
2.1.1
Mô hình toán học con lắc ngƣợc hai bậc tự do .......................................8
2.1.2
Mô hình toán học động cơ ....................................................................13
2.1.3
Mô hình toán học toàn hệ thống ...........................................................16
2.2
Các thông số của hệ thống ...........................................................................18
2.3
Điều khiển cân bằng hệ con lắc ngƣợc hai bậc tự do ..................................20
CHƢƠNG 3 ..............................................................................................................22
GIỚI THIỆU MÔ HÌNH PHẦN CỨNG ..................................................................22
3.1
Giới thiệu mô hình con lắc hai bậc tự do ....................................................22
3.2
Phần cơ khí ..................................................................................................23
3.2
Phần điện .....................................................................................................25
3.2.1
Phần điều khiển .....................................................................................25
3.2.2
Phần công suất ......................................................................................26
3.3
Phần chƣơng trình ........................................................................................28
CHƢƠNG 4 ..............................................................................................................29
GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN ....................................................................................29
4.1
Lý thuyết bộ điều khiển Linear Quadratic Regulation (LQR) ....................29
4.1.1
Phƣơng pháp điều khiển LQR ..............................................................29
4.1.2
Phƣơng pháp điều khiển LQR rời rạc ...................................................31
4.2
Lý thuyết bộ điều khiển logic mờ ................................................................31
4.2.1
Giới thiệu bộ điều khiển mờ .................................................................31
4.2.2
Cấu trúc bộ điều khiển mờ trực tiếp .....................................................32
4.2.3
Phân loại bộ điều khiển mờ ..................................................................34
4.2.4
Bộ điều khiển mờ trực tiếp cho hệ con lắc ngƣợc hai bậc tự do ..........34
HVTH: Trần Vi Đô
Trang xvi
Luận văn thạc sĩ
4.3
GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm
Lý thuyết hệ mờ - nơron (Fuzzy-Neural) ....................................................35
4.3.1
Sự kết hợp giữa logic mờ và mạng nơron.............................................35
4.3.2
Nơron mờ ..............................................................................................38
4.3.3
Huấn luyện mạng Nơron mờ ................................................................39
4.3.4
Công cụ ANFIS để thiết kế hệ mờ - nơron ...........................................40
4.3.5
Sơ đồ khối điều khiển mờ Anfis cho hệ con lắc ngƣợc hai bậc tự do ..42
4.3.6
Huấn luyện bộ điều khiển mờ dùng Anfis trong Matlab ......................43
CHƢƠNG 5 ..............................................................................................................45
MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG BỘ ĐIỀU KHIỂN ......................................................45
5.1
Xây dựng hệ thống ......................................................................................45
5.2
Mô phỏng bộ điều khiển LQR .....................................................................49
5.2.1
Trƣờng hợp thứ nhất .............................................................................50
5.2.2
Trƣờng hợp thứ hai ...............................................................................55
5.3
Mô phỏng bộ điều khiển mờ dùng Anfis .....................................................61
5.3.1 Trƣờng hợp thứ nhất ..................................................................................61
5.3.2 Trƣờng hợp thứ hai ....................................................................................66
5.3.3 Nhận xét ....................................................................................................69
5.4
So sánh kết quả với công trình khác đã thực hiện .......................................70
CHƢƠNG 6 ..............................................................................................................71
ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH THỰC TẾ .......................................................................71
6.1
Xây dựng chƣơng trình điều khiển trong Simulink .....................................71
6.2
Đáp ứng ngõ ra thực tế khi dùng bộ điều khiển LQR .................................73
6.3
Đáp ứng ngõ ra thực tế khi dùng bộ điều khiển Fuzzy logic ......................76
6.4
Nhận xét .......................................................................................................79
HVTH: Trần Vi Đô
Trang xvii
Luận văn thạc sĩ
GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm
CHƢƠNG 7 ..............................................................................................................80
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ................................................................80
7.1
Kết quả đạt đƣợc ..........................................................................................80
7.2
Hƣớng phát triển của đề tài .........................................................................81
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................82
PHỤ LỤC ..................................................................................................................84
HVTH: Trần Vi Đô
Trang xviii
Luận văn thạc sĩ
GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN
Chƣơng này trình bày những nội dung tổng quan liên quan đến đề tài nói chung, hệ
thống con lắc ngƣợc và ứng dụng trong thực tế, các kết quả nghiên cứu trong và
ngoài nƣớc. Trên cơ sở đó đƣa ra mục tiêu của đề tài, kết quả dự kiến và phƣơng
pháp nghiên cứu.
1.1
Đặt vấn đề
Cùng với sự phát triển của khoa học kĩ thuật, các phƣơng pháp điều khiển từ kinh
điển đến hiện đại, điều khiển thông minh ra đời. Hầu hết các ứng dụng này đều
đƣợc giải quyết bởi các bài toán ổn định hệ thống với chất lƣợng tốt nhất. Các
phƣơng pháp này ngày càng đƣợc nghiên cứu, phát triển, ứng dụng rộng rãi, góp
phần tăng chất lƣợng, độ ổn định của hệ thống. Điều khiển dùng Fuzzy logic (logic
mờ) là một trong nhƣng phƣơng pháp điều khiển đơn giản, đạt hiệu quả cao và
thƣờng đƣợc sử dụng nhiều trong các ứng dụng công nghiệp. Kĩ thuật điều khiển
này với ƣu điểm là không cần biết nhiều về thông tin đối tƣợng mà dùng kinh
nghiệm để đƣa ra các luật điều khiển tƣơng ứng của ngƣời thiết kế. Bộ điều khiển
mờ bắt chƣớc sự xử lý thông tin và điều khiển của con ngƣời, vì vậy thích hợp để
điều khiển những đối tƣợng phức tạp mà các phƣơng pháp kinh điển không cho
đƣợc kết quả mong muốn.
Con lắc ngƣợc 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 nhƣ: xe hai bánh tự cân bằng, tháp vô tuyến, giàn
khoan, công trình biển… Đây là đối tƣợng thƣờng đƣợc 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.
Hệ con lắc ngƣợc hai bậc tự do là vấn đề khó, đòi hỏi có bộ điều khiển thích hợp và
HVTH: Trần Vi Đô
Trang 1
Luận văn thạc sĩ
GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm
có tốc độ đáp ứng nhanh, ở nƣớc ta vẫn chƣa đƣợc thực hiện thành công trên mô
hình thực.
Các nghiên cứu về điều khiển hệ thống con lắc ngƣợc đã đƣợc 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 phƣơng diện nghiên cứu các kĩ thuật điều khiển thực, con lắc
ngƣợc đại diện cho lớp các đối tƣợng phi tuyến phức tạp. Nhiều giải thuật đã đƣợc
áp dụng thành công cho hệ con lắc ngƣợc hai bậc tự do, nhƣ PID cho con lắc ngƣợc
một bậc [2] [3] [4], SIRMs dựa trên logic mờ [5], LQR điều khiển tối ƣu cho hệ con
lắc ngƣợc đôi [6], [7]. Tuy nhiên, các giải thuật này chỉ dừng lại ở việc mô phỏng
hệ thống. Việc điều khiển mô hình thực tế dùng bộ điều khiển LQR cần có thông số
chính xác của hệ thống, cân bằng con lắc ngƣợc hai bậc đã đƣợc thực hiện thành
công, nhƣng ở nƣớc ta vẫn còn chƣa có công trình đạt đƣợc kết quả tốt. Sử
dụng một bộ điều khiển mờ duy nhất để điều khiển hệ con lắc ngƣợc hai bậc tự do
cũng là một vấn đề khó, đang đƣợc nghiên cứu.
Từ những nguyên nhân trên, tôi quyết định chọn đề tài “ĐIỀU KHIỂN CON LẮC
NGƢỢC HAI BẬC TỰ DO DÙNG FUZZY LOGIC” nhằm nghiên cứu kỹ hơn về
lý thuyết mờ, ứng dụng logic mờ trong điều khiển hệ có độ mất ổn định cao.
1.2
Giới thiệu con lắc ngƣợc hai bậc tự do
Con lắc ngƣợc hai bậc tự do đƣợc phát triển dựa trên con lắc ngƣợc một bậc tự do.
Hệ con lắc ngƣợc ở trên là hệ con lắc ngƣợc cổ điển, bao gồm một con chạy có khả
năng di chuyển theo phƣơng ngang trên một thanh ray. Con lắc đƣợc gắn trên con
chạy, có khả năng quay tự do trong mặt phẳng thẳng đứng.
Nếu gắn thêm một liên kết tự do nữa, hệ thống trở thành hệ con lắc ngƣợc hai bậc tự
do.
Con lắc ngƣợc hai bậc tự do bao gồm các thành phần:
Con chạy: đƣợc truyền động bằng động cơ, có một encoder gắn đồng trục để
xác định vị trí hiện tại của con chạy. Trên con chạy đƣợc gắn encoder, encoder
HVTH: Trần Vi Đô
Trang 2
Luận văn thạc sĩ
GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm
này sẽ dùng để gắp với con lắc thứ nhất. Con chạy có thể trƣợt trên một thanh
ray nằm ngang, giữ cân bằng cho cả hai con lắc ở trên.
Con lắc thứ nhất: một đầu gắn trên trục encoder đặt trên con chạy. Đầu kia cũng
đƣợc gắn encoder.
Con lắc thứ hai: gắn vào trục encoder trên con lắc thứ nhất. Cả con lắc thứ nhất
và con lắc thứ hai đều có thể xoay tự do trong mặt phẳng vuông góc với mặt
phẳng ngang.
1.3
Một số công trình nghiên cứu có liên quan
Do hệ con lắc ngƣợc là một hệ ứng dụng nhiều trong nghiên cứu giải thuật điều
khiển cũng nhƣ mang tính học thuật cao nên nhiều dạng mô hình con lắc ngƣợc
đƣợc xây dựng và sử dụng tại các phòng thí nghiệm. Ngoài hệ con lắc ngƣợc hai
bậc tự do đƣợc đề cập ở phần trên còn các loại con lắc ngƣợc khác nhƣ con lắc
ngƣợc xoay một bậc tự do, con lắc ngƣợc xoay hai bậc tự do, hệ hai con lắc ngƣợc
xoay …
Hình 1.1: Con lắc ngược hai bậc tự do trên
Hình 1.2: Con lắc ngược xoay một bậc tự
xe
do ở trường ĐH SPKT TP.HCM
HVTH: Trần Vi Đô
Trang 3
Luận văn thạc sĩ
GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm
Trong luận văn thạc sĩ “Thiết kế, chế tạo mô hình điều khiển cân bằng con lắc
ngƣợc hai bậc tự do” của tác giả Đỗ Minh Tiến [1], trƣờng Đại Học Đà Nẵng 2013,
hệ thống cũng đã đƣợc phân tích, chế tạo, mô phỏng và điều khiển. Các kết quả mô
phỏng cho thấy hệ thống đáp ứng nhanh, tuy nhiên, việc điều khiển thực tế còn chƣa
điều khiển cân bằng đƣợc. Điều đó cho thấy, việc điều khiển cân bằng hệ con lắc
ngƣợc hai bậc tự do vẫn là một thách thức đối với các nghiên cứu trong nƣớc ta hiện
nay.
Hình 1.3: Con lắc ngược hai bậc tự do của trường Đại học Đà Nẵng 2013
Ngoài ra, hệ con lắc ngƣợc hai bậc tự do còn có mối quan hệ tƣơng tự về cấu trúc
nhƣ các hệ cần trục (2D, 3D), hệ xe hai bánh tự cân bằng… nhƣng đòi hỏi cao hơn
về mức độ ổn định so với hệ cần trục, hệ thống có độ khó điều khiển rất cao.
Mặc dù trên thế giới đã có nhiều công trình đã thực hiện thành công đối với hệ con
lắc ngƣợc hai bậc tự do. Tuy nhiên, đây vẫn là một thách thức đối với các nghiên
cứu trong nƣớc ta hiện nay.
HVTH: Trần Vi Đô
Trang 4
Luận văn thạc sĩ
1.4
GVHD: TS Nguyễn Minh Tâm
Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu
1.4.1 Mục tiêu
Trong luận văn này, mục tiêu là điều khiển cân bằng con lắc ngƣợc hai bậc tự do ở
vị trí hƣớng lên, cụ thể là:
Nghiên cứu xây dựng mô hình toán hệ con lắc ngƣợc hai bậc tự do.
Nghiên cứu về nguyên lý cân bằng của hệ thống.
Thi công và tìm hiểu cách cái đặt phần mềm và sử dụng vi xử lý DSP 28335.
Nghiên cứu phƣơng pháp điều khiển LQR, bộ điều khiển mờ nơron thích nghi,
lập trình bằng ngôn ngữ Matlab để mô phỏng điều khiển cân bằng hệ con lắc
ngƣợc hai bậc tự do.
Lập trình ngôn ngữ Matlab để viết chƣơng trình thu thập dữ liệu phần cứng trên
môi trƣờng Matlab/Simulink, nạp cho chip DSP TMS320F28335.
Xây dựng mô hình phần cứng hệ con lắc ngƣợc hai bậc tự do.
Tiến hành điều khiển cân bằng hệ con lắc ngƣợc hai bậc tự do trên mô hình đã
xây dựng đƣợc.
Nhận xét kết quả mô phỏng và thực tế.
1.4.2 Phạm vi nghiên cứu
Ứng dụng bộ điều khiển LQR, bộ điều khiển mờ nơron thích nghi để điều khiển cân
bằng hệ con lắc ngƣợc hai bậc tự do. Việc nghiên cứu đƣợc thực hiện cả trên mô
phỏng trên môi trƣờng Matlab/Simulink và thực hiện điều khiển cân bằng trên mô
hình thực tế. Các kết quả đƣợc từ hai bộ điều khiển trên đƣợc thu thập và so sánh.
1.5
Phƣơng pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết:
Nghiên cứu xây dựng mô hình toán học con lắc ngƣợc.
Nghiên cứu bộ điều khiển LQR, bộ điều khiển mờ nơron thích nghi để điều
khiển cân bằng con lắc ngƣợc hai bậc tự do.
Phƣơng pháp thực nghiệm:
HVTH: Trần Vi Đô
Trang 5
