Luận văn Điều khiển cân bằng hệ Pendubot (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Điều khiển cân bằng hệ Pendubot (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHẠM VĂN LỢI ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG HỆ PENDUBOT NGÀNH: KỸ THUẬT ÐIỆN – 60520202 S K C0 0 4 9 3 1 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 9/2016
2. HVTH: Phạm Văn Lợi GVHD: TS. Trương Đình Nhơn LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: Phạm Văn Lợi Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 20/05/1991 Nơi sinh: Phú Yên Quê quán: Phú Yên Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 113A Quang Trung, Phường Tăng Nhơn Phú B, Quận 9, TP. HCM Điện thoại cơ quan: Điện thoại di động: 0165 690 5574 Fax: E-mail: vanloispkt@gmail.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Trung học chuyên nghiệp: Không học 2. Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 2009 đến 2013 Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM Ngành học: Sư Phạm Điện Công Nghiệp Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Điều khiển ổn định mực chất lỏng Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM Người hướng dẫn: Ths. Trần Vi Đô III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Từ 6/2014 Công ty TNHH tư vấn xây dựng Nam Kỹ sư điện đến 7/2016 Khải Từ 7/2016 Công ty TNHH Rankine-Hill (Việt Nam) Kỹ sư điện đến nay Trang i
3. HVTH: Phạm Văn Lợi GVHD: TS. Trương Đình Nhơn LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Tp. Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 9 năm 2016 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Phạm Văn Lợi Trang ii
4. HVTH: Phạm Văn Lợi GVHD: TS. Trương Đình Nhơn LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến TS. Trương Đình Nhơn trưởng bộ môn điện tự động khoa Điện – Điện tử trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã tận tình hướng dẫn tôi thực hiện luận văn tốt nghiệp này. Tôi cũng xin trân trọng cảm ơn các quí Thầy, Cô trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh đã giảng dạy, hướng dẫn và tạo điều kiện tốt nhất để tôi học tập và và công tác. Cuối cùng tôi xin cảm ơn các anh chị, bạn bè đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi hoàn thành luận văn này. Học viên Phạm Văn Lợi Trang iii
5. HVTH: Phạm Văn Lợi GVHD: TS. Trương Đình Nhơn TÓM TẮT Hệ thống thiếu cơ cấu truyền động được nhiều nhà nghiên cứu trong nước và thế giới quan tâm, Pendubot là một ví dụ điển hình cho hệ thống thiếu cơ cấu truyền động này với hai bậc tự do hoạt động trong mặt phẳng đứng. Các nhà nghiên cứu đã đưa ra nhiều phương pháp điều khiển như: Thuật toán cổ điển PID, tuyến tính hóa riêng phần, hồi tiếp trạng thái, giải thuật mờ Trong đề tài này tác giả áp dụng thuật toán toàn phương tuyến tính LQR để điều khiển cân bằng ngược hệ Pendubot. Đề tài mô phỏng giải thuật điều khiển LQR để hệ thống cân bằng sau thời gian nhỏ nhất, giải thuật và bộ thông số thích hợp đã được chọn trong lúc mô phỏng mô hình toán học của đối tượng được nhúng vào DSP TMS320F28335. Mô hình thực của Pendubot sau khi thi công phần cứng và nhúng giải thuật điều khiển sẽ được giữ cân bằng ở vị trí cân bằng ngược. ABSTRACT Underactuated mechanical system were paid attention by many researchers in Vietnam and all over the world, Pendubot is a typical example for the underactuated mechanical system with two degrees of freedom which operates in vertical plane. The researchers came up with several methods of control such as PID algorithm, partial linearization, state feedback, fuzzy algorithm In this thesis, author applies Linear-Quadratic regulator method (LQR) to control balancing unstable inverted equilibrium Pedubot system. This project simulates LQR control algorithm to balance system after the minimum time, algorithms and appropriate parameters have been selected during simulating mathematical model of the object which is embedded into DSP TMS320F28335. Actual model of Pendubot after constructing the hardware and embedding algorithm control will be kept in balance unstable inverted equilibrium position. Trang iv
6. HVTH: Phạm Văn Lợi GVHD: TS. Trương Đình Nhơn MỤC LỤC Quyết định giao đề tài Xác nhận của cán bộ hướng dẫn Lý lịch khoa học Trang i Lời cam đoan Trang ii Lời cảm ơn Trang iii Tóm tắt Trang iv Mục lục Trang v Chương 1: TỔNG QUAN Trang 01 1.1. Đặt vấn đề Trang 01 1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước Trang 02 1.2.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước Trang 02 1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước Trang 04 1.3. Giới thiệu đối tượng Pendubot Trang 07 1.3.1. Phần cơ khí Trang 07 1.3.2. Phần điện Trang 08 1.4. Nhiệm vụ đề tài Trang 08 1.4.1. Mục đích nghiên cứu Trang 09 1.4.2. Phạm vi nghiên cứu Trang 09 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Trang 10 2.1. Tổng quan Trang 10 2.2. Phương pháp điều khiển LQR Trang 10 2.2.1. Ổn định Lyapunov đối với hệ tuyến tính hóa – tiêu chuẩn ổn định Lyapunov – phương pháp thứ 2 Lyapunov Trang 10 2.2.2. Điều khiển tối ưu hệ tuyến tính với chỉ tiêu chất lượng dạng toàn phương – phương trình Riccati đối với hệ liên tục Trang 12 Trang v
7. HVTH: Phạm Văn Lợi GVHD: TS. Trương Đình Nhơn 2.2.3. Các bước thiết kế và giải bài toán toàn phương tuyến tính cho hệ thống liên tục Trang 14 2.2.4. Phương pháp điều khiển LQR áp dụng cho hệ Pendubot Trang 15 2.3. Cơ sở lý thuyết bộ điều khiển PID Trang 17 2.4. Phương pháp nhận dạng thông số động cơ Trang 27 2.4.1. Tổng quan Trang 27 2.4.2. Mô hình hóa động cơ Trang 27 Chương 3: NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH Trang 28 3.1. Mô hình động học của hệ pendubot Trang 28 3.2. Mô phỏng hệ Pendubot bằng Matlab/Simulink Trang 31 Chương 4: MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN HỆ PENDUBOT Trang 31 4. Xây dựng bộ điều khiển giữ cân bằng hệ Pendubot Trang 31 4.1. Mô phỏng bộ điều khiển giữ cân bằng LQR Trang 33 4.2. Mô phỏng bộ điều khiển giữ cân bằng LQR khi có nhiễu Trang 35 Chương 5: THIẾT KẾ THI CÔNG MÔ HÌNH THỰC TẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG HỆ PENDUBOT Trang 40 5.1. Giới thiệu Trang 40 5.2. Thiết kế cơ khí của hệ bendubot Trang 40 5.3. Mạch điều khiển hệ Pendubot Trang 42 5.3.1. Vi điều khiển DSP TMS320F28335 Trang 42 5.3.2. Module vi điều khiển TMS230F28335 Trang 44 5.3.3. Board điều khiển đọc các giá trị encoder và xuất xung PWM Trang 45 5.3.3.1. Sơ đồ nguyên lý chân ra của DSP TMS320F28335 value module Trang 46 5.3.3.2. Sơ đồ nguyên lý khối đọc xung encoder Trang 47 Trang vi
8. HVTH: Phạm Văn Lợi GVHD: TS. Trương Đình Nhơn 5.3.3.3. Sơ đồ nguyên lý khối phát xung PWM Trang 48 5.3.3.4. Sơ đồ nguyên lý khối giao tiếp với máy tính Trang 49 5.3.3.5. Sơ đồ nguyên lý mạch chuyển dổi xung vi sai qua xung NPN Trang 49 5.3.3.6. Khối cấp nguồn cho mạch điều khiển Trang 49 5.3.4. Mạch driver cầu H lái động cơ Trang 51 5.4. Thiết kế chương trình điều khiển giữ cân bằng hệ Pendubot Trang 51 5.4.1. Giới thiệu các khối điều khiển và thư viện hỗ trợ của simulink Trang 51 5.4.2. Sơ đồ giải thuật của chương trình điều khiển Trang 53 5.4.3. Khối thực hiện hệ Pendubot thực tế Trang 55 5.4.3.1. Khối đọc xung Trang 55 5.4.3.2. Khối xử lý điều khiển lái động cơ Trang 56 5.4.4. Khối truyền tín hiệu lên máy tính Trang 56 5.4.5. Chương trình điều khiển giữ cân bằng hệ Pendubot dung phương pháp LQR Trang 57 5.4.5.1. Chương trình thực tế của bộ điều khiển Trang 57 5.5. Kết quả đo được thực tế khi dùng bộ LQR Trang 59 Chương 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Trang 60 6.1. Kết luận Trang 60 6.2. Đóng góp khoa học của luận văn Trang 60 6.3 Hướng phát triển đề tài Trang 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO Trang 62 Trang vii
9. HVTH: Phạm Văn Lợi GVHD: TS. Trương Đình Nhơn Danh mục các hình Hình 1.1 Kết quả mô phỏng ngõ ra ở vị trí hướng lên Trang 03 Hình 1.2 Kết quả mô phỏng ngõ ra ở vị trí hướng lên khi có nhiễu Trang 03 Hình 1.3 Đáp ứng góc và vận tốc góc của hệ thống với phương pháp điều khiển năng lượng Trang 04 Hinh 1.4 Đáp ứng góc lệch q1, q2 tại lân cận vị trí top với bộ điều khiển PID Trang 05 Hinh 1.5 Đáp ứng góc lệch q1, q2 tại lân cận vị trí Mid_L với bộ điều khiển PID Trang 05 Hinh 1.6 Đáp ứng góc lệch q1, q2 tại lân cận vị trí top với bộ điều khiển LQR Trang 05 Hinh 1.7 Đáp ứng góc lệch q1, q2 tại lân cận vị trí Mid_L với bộ điều khiển LQR Trang 06 Hinh 1.8 Đáp ứng góc lệch q1, q2 tại lân cận vị trí top với bộ điều khiển phản hồi trạng thái sử dụng khâu quan sát Luenberger Trang 06 Hinh 1.9 Đáp ứng góc lệch q1, q2 tại lân cận vị trí Mid_L với bộ điều khiển phản hồi trạng thái sử dụng khâu quan sát Luenberger Trang 06 Hinh 1.10 Hệ thống Pendubot Trang 07 Hình 1.11 Các thành phần cơ khí của hệ Pendubot Trang 08 Hình 2.1 Khối động cơ DC Trang 16 Hình 2.2 Khối động cơ DC sau khi phân tích hàm truyền Trang 18 Hình 3.1 Mô hình đông lực Pendubot Trang 22 Hinh 3.2 Khối mô phỏng Pendubot Trang 25 Hình 3.3 Mô phỏng mô hình trạng thái hệ pendubot bằng simulink Trang 25 Hình 4.1 Mô hình mô phỏng Simulink bộ điều khiển Pendubot không có nhiễu tác động Trang 25 Trang viii
10. HVTH: Phạm Văn Lợi GVHD: TS. Trương Đình Nhơn Hình 4.2 Đáp ứng vị trí góc link1 của hệ pendubot khi áp dụng bộ điều khiển LQR Trang 27 Hình 4.3 Đáp ứng vị trí góc link2 của hệ pendubot khi áp dụng bộ điều khiển LQR Trang 27 Hình 4.4 Đáp ứng vận tốc góc link1 của hệ pendubot khi áp dụng bộ điều khiển LQR Trang 28 Hình 4.5 Đáp ứng vận tốc góc link2 của hệ pendubot khi áp dụng bộ điều khiển LQR Trang 28 Hình 4.6 Ngõ ra của bộ điều khiển Trang 29 Hình 4.7 Mô hình mô phỏng simulink bộ điều khiển Pendubot có nhiễu tác động. Tín hiệu nhiễu cho vào hệ pendubot Trang 29 Hình 4.8 Tín hiệu nhiễu đưa vào hệ pendubot mô phỏng Trang 30 Hình 4.9 Đáp ứng vị trí góc link1 của hệ pendubot áp dụng bộ điều khiển giữ cân bằng khi có nhiễu Trang 30 Hình 4.10 Đáp ứng vị trí góc link2 của hệ pendubot áp dụng bộ điều khiển LQR giữ cân bằng khi có nhiễu Trang 31 Hình 4.11 Đáp ứng vận tốc góc link1 của hệ pendubot áp dụng bộ điều khiển LQR giữ cân bằng khi có nhiễu Trang 31 Hình 4.12 Đáp ứng vận tốc góc link2 của hệ pendubot áp dụng bộ điều khiển LQR giữ cân bằng khi có nhiễu Trang 32 Hình 4.13 Tín hiệu ngõ ra bộ điều khiển khi có nhiễu Trang 32 Hình 5.1 Encoder được gắn giữa 2 link để đo vị trí link2 so với link1 Trang 34 Hình 5.2 Mô hình pendubot thực tế của đề tài. Trang 35 Hình 5.3 Động cơ DC có tích hợp encoder đo vị trí link1 Trang 35 Hình 5.4 Sơ đồ khối chức năng của DSP TMS320F28335 Trang 37 Trang ix
11. HVTH: Phạm Văn Lợi GVHD: TS. Trương Đình Nhơn Hình 5.5 Board điều khiển TMS320F28335 Trang 38 Hình 5.6 Hình vẽ chi tiết các chân, kích thước của value module Trang 39 Hình 5.7 Hình sơ đồ chân ra TMS320F28335 value module Trang 40 Hình 5.8 Vị trí sắp xếp chân ra của value module Trang 41 Hình 5.9 IC đệm cho encoder Trang 41 Hình 5.10 Encoder ứng dụng xác định vị trí Trang 42 Hình 5.11 Sơ đồ nguyên lý mạch đệm phát xung điều khiển PWM Trang 42 Hình 5.12 Sơ đồ nguyên lý mạch giao thiếp SCI với máy tính Trang 42 Hình 5.13 Sơ đồ chuyển đổi xung vi sai qua xung NPN Trang 43 Hình 5.14 Sơ đồ mạch điều khiển trung tâm Trang 44 Hình 5.15 Bộ nguồn 24vdc thực tế cấp cho pendubot Trang 44 Hình 5.16 Sơ đồ nguyên lý mạch cầu H Trang 45 Hình 5.17 Mạch cầu H thực tế Trang 46 Hình 5.18 Quá trình lập trình viết code và đổ xuống board vi điều khiển Trang 46 Hình 5.19 Thư viện Target Preferences Trang 47 Hình 5.20 Thư viện các ngoại vi được hỗ trợ cho dòng C28x3x Trang 47 Hình 5.21 Sơ đồ giải thuật điều khiển cân bằng Pendubot Trang 48 Hình 5.22 Thiết lập chu kỳ điều khiển cho bộ điều khiển trong Simulink Trang 49 Hình 5.23 Khối đọc encoder link1 Trang 49 Hình 5.24 Khối đọc encoder link2 Trang 50 Hình 5.25 Chương trình điều khiển hệ Pendubot thực tế Trang 51 Hình 5.26 Đáp ứng thực tế góc link1 Trang 53 Hình 5.27 Đáp ứng thực tế góc link 2 Trang 53 Hình 5.28 Đáp ứng thực tế điện áp ngõ ra Trang 55 Trang x
12. HVTH: Phạm Văn Lợi GVHD: TS. Trương Đình Nhơn CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề Trong những năm trở lại đây chưa bao giờ việc đề xuất phát triển robot và thử nghiệm robot lại đa dạng như vậy. Cuộc sống đương đại đã gợi ý cho các nhà khoa học xu hướng chế tạo robot có tính ứng dụng vào thực tiễn rất cao. Trong lĩnh vực này phải kể đến dự án nghiên cứu các cánh tay robot được sử dụng trong những lĩnh vực điều khiển khác nhau như các lĩnh vực lắp đặt linh kiện IC vào trong các bo mạch, hàn khung xe, máy bay . . . Trong những dây chuyền lắp ráp cần độ chính xác tỉ mỉ và trong những môi trường độc hại nguy hiểm như lắp ráp sửa chữa cấu trúc trong lò phản ứng hạt nhân, môi trường trong lòng đất hay trong không gian vũ trụ. Trong lĩnh vực người máy người ta bắt đầu quan tâm đến việc điều khiển máy móc với số ngõ vào điều khiển nhỏ hơn số cơ cấu chấp hành. Trong đó, chiều dài vector cấu hình hệ thống nhỏ hơn chiều dài của vector điều khiển. Những hệ thống máy móc như vậy gọi là hệ thống thiếu cơ cấu truyền động. Hệ thống này có thể thực hiện các nhiệm vụ phức tạp với số lượng cơ cấu truyền động ít và lại có những ưu điểm như: nhẹ, rẻ, ít tiêu hao năng lượng và độ tin cậy rất cao. Với những ưu điểm này, hệ thống thiếu cơ cấu truyền động đang nhận được sự quan tâm rất lớn trong những năm trở lại đây. Mặc khác bởi vì sự phức tạp của tính phi tuyến và dao động của hệ thống là rất lớn nên vấn đề điều khiển cho loại truyền động này khá khó khăn và phức tạp. Có rất nhiều mô hình đặt trưng cho hệ thống thiếu cơ cấu truyền động này đã được các nhà khoa học nghiên cứu và chế tạo như: Acrobot, mobile robot, Gyrobot, Pendubot, Con lắc ngược hai bật tự do, . . . Pendubot là một ví dụ điển hình cho hệ thống thiếu cơ cấu truyền động này. Pendubot trên là robot có hai bật tự do hoạt động trong mặt phẳng đứng. Có một cơ cấu truyền động nằm ở khớp nối thứ nhất, khớp thứ 2 nối với khớp thứ nhất bằng trục liên kết tự do. Khớp thứ nhất được gắn với cơ cấu truyền động, trong đó động cơ sẽ điều khiển momen. Mục tiêu điều khiển trong hệ là chuyển hệ robot hai bật tự do này từ vị trí cân bằng dưới lên vị trí cân bằng trên và giữ cân bằng tại vị trí cân bằng trên đó. Trang 1
13. HVTH: Phạm Văn Lợi GVHD: TS. Trương Đình Nhơn Chúng ta thấy được rằng vấn đề điều khiển cân bằng Pendubot được các nhà khoa học trên thế giới quan tâm nghiên cứu và cải tiến, có rất nhiều các giải thuật được đề xuất để phát triển đề tài điều khiển này. Nhiều nhà báo, hội nghị khoa học được đưa ra từ những công trình nghiên cứu đầu tiên dựa vào các phương pháp điều khiển cổ điển như điều khiển hồi tiếp tuyến tính hóa riêng phần, hồi tiếp trạng thái, điều khiển dựa trên cân bằng năng lượng, tiếp đó khi điều khiển hiện đại phát triển thì các nhà khoa học lại có hướng phát triển mới như nhúng giải thuật mờ, mờ trượt thích nghi vào hệ thống. Với những ứng dụng rộng rãi của các luật điều khiển trong hệ thống thiếu cơ cấu truyền động cũng như xu hướng phát triển robot như ngày nay, học viên đã quyết định nghiên cứu đề tài “Điều khiển cân bằng hệ Pendubot” để hiểu rõ hơn về các luật điều khiển đó. Đề tài áp dụng luật điều khiển LQR để thực hiện việc điều khiển hệ thống và các thông số trong quá trình cân bằng nhằm nâng cao độ ổn định và đây là nội dung mà đề tài này hướng đến. 1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước Những đề xuất ban đầu cho hệ thống thiếu cơ cấu truyền động này có nhiều nhà nghiên cứu đề xuất để cân bằng cho Pendubot. Như [1] Spong and Block đã áp dụng bộ điều chỉnh phương tuyến tính LQR để cân bằng Pendubot. [2] Fantoni, Lozano and Spong sử dụng năng lượng để cân bằng mô phỏng Pendubot. [3] Zhang anh Tam đề xuất dùng điều khiển lai để cân bằng Pendubot, các điều khiển lai bao gồm kiểm soát thời gian rời rạc và thời gian liên tục kiểm soát cùng một lúc. Còn về [4] Xio Qing Ma điều khiển cân bằng Pendubot thông qua điều khiển mờ. Kết hợp lý thuyết điều chỉnh tuyến tính với công nghệ mờ Takagi-Sugeno để kiểm soát và theo dõi. [5] Z.Wang, Y.Guo thực hiện lái tay, xem con lắc ngược như một cơ điện tử, hệ thống nghiên cứu các trường hợp. Các cánh tay hướng ngược con lắc là giống như Pendubot. Phát triển của bộ điều khiển cân bằng và phát triển của bộ nhúng cho lái. [6] Pavol Seman sử dụng bộ điều khiển LQ để điều khiển mô hình Pendubot. Trang 2
14. HVTH: Phạm Văn Lợi GVHD: TS. Trương Đình Nhơn Sau đây ta xem một số kết qủa một số bài báo viết trên như: [6] Control of laboratory model of pendubot. Trong bài báo này tác giá sử dụng giải thuật LQR để cân bằng hệ pendubot ở một số vị trí. Kết quả đạt được của bài báo Hình 1.1: Kết quả mô phỏng ngõ ra ở vị trí hướng lên. Hình 1.2: Kết quả mô phỏng ngõ ra ở vị hướng lên khi có nhiễu Trong đó [2] Isabelle Fantoni, Rogelio Lozano, and Mark W.Spong (Energy Based Control of the Pendubot: Isabelle Fantoni, Rogelio Lozano, and Mark W.Spong) cũng đã đề xuất phương pháp đưa Pendubot lên vị trí cân bằng dựa trên hướng tiếp cận điều khiển năng lượng. Trong luật điều khiển được thiết kế dựa vào thuyết ổn định Lyapunov, tổng năng lượng của hệ thống được biến đổi thành thế năng để đưa Pendubot lên vị trí cân bằng ngược. Đặc tính của hệ thống là điều khiển vòng kín với luật biến đổi năng lượng. Ưu điểm của phương pháp này là đạt được mục tiêu đưa hệ thống tới điểm cân bằng ngược thẳng đứng hệ thống dao động trái hay phải xung quanh vị trí cân bằng nhưng trong một lân cận nhỏ được xác định thì nó vẫn có thể dao động về lại vị trí cân bằng một cách dễ dàng. Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là khi luật điều khiển hướng tiếp cận năng lượng được áp dụng, điều khiển vòng kín của hệ thống khó xác định và phức tạp hơn Pendubot, hơn nữa luật điều khiển này còn hạn chế miền giới hạn điều khiển. Kết quả mô phỏng: Trang 3
15. HVTH: Phạm Văn Lợi GVHD: TS. Trương Đình Nhơn Hình 1.3: Đáp ứng góc và vận tốc góc của hệ thống với phương pháp điều khiển năng lượng 1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước Trong nước hiện có một số đề tài về nghiên cứu hệ Pendubot, ở đây học viên chỉ đưa ra đề tài tiêu biểu sau: Tên đề tài: Nghiên cứu điều khiển cánh tay robot thiếu dẫn động hai bậc tự do – Pendubot Người thực hiện đề tài: Phan Việt Hùng Hướng dẫn nghiên cứu khoa học: TS. Nguyễn Anh Duy Nội dung: ứng dụng phương pháp tuyến tính hóa phản hồi cục bộ vào thiết kế bộ điều khiển Swing_up; phương pháp PID, LQR, điều khiển phản hồi trạng thái có khâu quan sát Luenberger và giải thuật GA để tối ưu hóa tham số PID để tổng hợp bộ điều khiển Balancing cho hệ thống Pendubot từ đó tiến hành so sánh và đánh giá các bộ điều khiển Kết quả: Đã tổng quan được lý thuyết các bộ điều khiển làm cơ sở để tổng hợp các bộ điều khiển Balancing cho hệ thống Pendubot tại 2 điểm cân bằng Top và Mid_L: Trang 4
16. HVTH: Phạm Văn Lợi GVHD: TS. Trương Đình Nhơn - Bộ điều khiển PID kinh điển. Hình 1.4: Đáp ứng góc lệch q1, q2 tại lân cận vị trí top với bộ điều khiển PID Hình 1.5: Đáp ứng góc lệch q1, q2 tại lân cận vị trí Mid_L với bộ điều khiển PID - Bộ điều khiển tối ưu LQR Hình 1.6: Đáp ứng góc lệch q1, q2 tại lân cận vị trí top với bộ Trang 5
17. HVTH: Phạm Văn Lợi GVHD: TS. Trương Đình Nhơn điều khiển LQR Hình 1.7: Đáp ứng góc lệch q1,q2 tại lân cận vị trí Mid_L với bộ điều khiển LQR - Bộ điều khiển phản hồi trạng thái sử dụng khâu quan sát Luenberger. Hình 1.8: Đáp ứng góc lệch q1, q2 tại lân cận vị trí top với bộ điều khiển phản hồi trạng thái sử dụng khâu quan sát Luenberger Trang 6
18. HVTH: Phạm Văn Lợi GVHD: TS. Trương Đình Nhơn Hình 1.9: Đáp ứng góc lệch q1, q2 tại lân cận vị trí Mid_L với bộ điều khiển phản hồi trạng thái sử dụng khâu quan sát Luenberger 1.3 Giới thiệu đối tượng Pendubot Hệ thống thiếu cơ cấu truyền động mà cụ thể là hệ Pendubot có tính ứng dụng cao nên có rất nhiều công trình nghiên cứu của các nhà khoa học đã được đề xuất đề giải quyết vấn đề cân bằng hệ Pendubot. Bước đầu ta tìm hiểu về phần cơ khí, điện và xây dựng được phương trình động học của hệ Pendubot. Mô hình Pendubot được phát triển từ mô hình con lắc ngược, là hệ thống máy có cơ cấu chấp hành bên dưới, gồm hai khâu máy hay gọi là hai link, link1 và link2. Hai link này được điều khiển từ vị trí cân bằng ổn định bên dưới sau đó được chuyển sang vị trí cân bằng mới cân bằng không ổn định. Tại trường đại học Illinois, việc nghiên cứu rất rộng và phát triển đã có khái niệm về thiết kế robot hai link khởi động bên dưới trên mặt phẳng được gọi là Acrobot. Để mở rộng khái niệm trên ta có hệ thống gồm hai link gọi là Pendubot (Hình 1.10) Hình 1.10: Hệ thống Pendubot 1.3.1 Phần cơ khí Hệ Pendubot được thiết kế gồm hai thanh: Link 1(l1, m1, v1, I1) và Link 2 (l2, m2, v2, I2) chuyển động trong mặt phẳng thẳng đứng. Có 1 động cơ là cơ cấu truyền động lực cho link1 được cố định đế thép, khớp đầu tiên một đầu được gắn lên cơ cấu Trang 7
19. HVTH: Phạm Văn Lợi GVHD: TS. Trương Đình Nhơn truyền động, còn đầu kia được gắn tự do với khớp thứ hai nối tự do với khớp 1 thông qua encoder để xác định góc quay. Cả hai link đều được gắn encoder đọc giá trị góc quay tuyệt đối. Trong đó động cơ sẽ điều khiển khớp thứ nhất bằng momen. Động cơ được gắn trên bệ đỡ, bệ đỡ Pendubot được thiết kế bằng sắt được đặt cố định để cho Pendubot không bị xê dịch lúc chuyển động. Hình 1.11: Các thành phần cơ khí của hệ Pendubot 1.3.2 Phần điện Gồm có các phần chính là: Cảm biến đo vị trí góc khớp thứ nhất, vị trí góc khớp thứ hai, board điều khiển đọc các giá trị Encoder, xuất xung PWM và mạch vi điều khiển DSP TMS320F28335 [7], DSP TMS320F28335 là một trong những series mạnh nhất của dòng xử lý tín hiệu số 32 bit C2000 nằm trong nhóm sản phẩm của hang Texas Instruments. Được phát triển ở giai đoạn sau của thế hệ TMS320, do đó TMS320F28335 được sử dụng rất rộng rãi hiện nay trong các phòng thí nghiệm, trong ngành công nghiệp điện tự động hóa, robot, năng lượng điện tử công suất và các lĩnh vực cơ điện tử tiên tiến khác. TMS được trang bị lõi (core) hỗ trợ tính toán số thực với dấu phẩy động (FCU). Với bộ nhớ là 68kb bộ nhớ RAM và 128kb bộ nhớ flash, tốc độ hoạt động tối đa lên tới 150MHz với mỗi chu kỳ lệnh là 6.67ns, tốc độ xử lý cao cho phép chúng a nhúng các giải thuật điều khiển như PID, Trang 8
20. HVTH: Phạm Văn Lợi GVHD: TS. Trương Đình Nhơn LQR, LQD, Neutral, Vì lý do này nên học viên đã chon DSP TMS320F28335 để áp dụng cho đề tài này. 1.4 Nhiệm vụ đề tài Hệ thống thiếu cơ cấu truyền động là một đề tài nghiên cứu không còn mới, tuy nhiên việc thiết kế bộ điều khiển cho đối tượng này khó khăn hơn các hệ thống đầy đủ cơ cấu truyền động nên vẫn được các nhà khoa học quan tâm và nghiên cứu. Các tài liệu tham khảo cũng có những khuyết điểm nhất định. Sau thời gian tìm hiểu, học viên quyết định chọn mô hình Pendubot làm đối tượng nghiên cứu. Dựa vào lý thuyết bộ điều khiển LQR để điều khiển cân bằng. Học viên sẽ áp dụng thuật đã nêu trên để điều khiển đối tượng này và chứng minh được rằng hệ thống với bộ điều khiển vừa xây dụng sẽ đảm bảo được tính ổn định của hệ thống trong giới hạn miền điều khiển được. 1.4.1 Mục đích nghiên cứu Đề tài nhằm mục đích khi đưa Pendubot vào vùng không cân bằng và bộ điều khiển LQR sẽ được thiết lập để giữ cân bằng cho hệ thống. Giải thuật điều khiển đã xây dựng sẽ được nhúng vào cad DSP TMS320F28335. Nghiên cứu này sẽ giúp mở rộng hiểu biết về giải thuật điều khiển tối ưu hệ Pendubot nói riêng và các hệ thống thiếu cơ cấu tác động khác nói chung như hệ con lắc ngược, hệ Acrobot . . . Hệ thống thiếu cơ cấu truyền động có thể thực hiện các nhiệm vụ phức tạp với số lượng cơ cấu truyền động ít và lại có những ưu điểm như: nhẹ, rẻ, lại tiêu hao ít năng lượng, độ tin cậy cao và hệ thống cũng linh hoạt hơn so với hệ thống có đầy đủ cơ cấu truyền động. Từ kết quả đạt được của nghiên cứu này khi áp dụng cho các hệ thống có thuộc tính tương đương hay những hệ thống thiếu cơ cấu tác động có số bậc cao hơn sẽ phát huy được những ứng dụng quan trọng trong lĩnh vực công nghệ robot. 1.4.2 Phạm vi nghiên cứu Trang 9
21. HVTH: Phạm Văn Lợi GVHD: TS. Trương Đình Nhơn Mô phỏng giải thuật điều khiển bằng Matlab, kết quả mô phỏng thu được đáp ứng thời gian nhỏ nhất, hệ thống cân bằng ngược sau khoảng 1 hoặc 2 chu kỳ dao động. Giải thuật và bộ thông số thích hợp đã được chọn trong lúc mô phỏng mô hình toán học của đối tượng được nhúng vào DSP TMS320F28335. Mô hình thực của Pendubot sau khi thi công phần cứng và nhúng giải thuật điều khiển sẽ cho kết quả hoạt động theo đúng mục tiêu cần đạt là hệ thống ổn định và cân bằng. Cho Pendubot hoạt động trong môi trường nhiễu, trong quá trình đưa lên và giữ cân bằng hệ tại vị trí cân bằng ngược. Các tín hiệu nhiễu làm cho hệ dao động lệch khỏi vị trí cân bằng, qua trái hoặc qua phải (trong miền giới hạn) nhưng chỉ sau một thời gian t bé thì nó sẽ cân bằng lại được tại vị trí ngược đó. Giới hạn đề tài: Đề tài tập trung nghiên cứu bộ điều khiển LQR. Hệ thống chỉ hoạt động khi đưa hai thanh link 1 và link 2 lên vị trí cân bằng ngược và giữ cân bằng hệ ở vùng giới hạn điều khiển được. Trang 10
22. S K L 0 0 2 1 5 4