Đang tải... (xem toàn văn)
Thiết kế hệ thống điều khiển cho AcrobotThiết kế hệ thống điều khiển cho AcrobotThiết kế hệ thống điều khiển cho AcrobotThiết kế hệ thống điều khiển cho AcrobotThiết kế hệ thống điều khiển cho AcrobotThiết kế hệ thống điều khiển cho AcrobotThiết kế hệ thống điều khiển cho Acrobot
i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP HÀ MẠNH QUÂN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO ACROBOT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT (KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA) Thái Nguyên - 2014 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu khoa học độc lập thân Mọi kết nghiên cứu nhƣ ý thƣởng tác giả khác có đƣợc trích dẫn nguồn gốc cụ thể Các số liệu sử dụng phân tích luận văn có nguồn gốc rõ ràng, công bố theo quy định Các kết nghiên cứu luận văn tơi tự tìm hiểu, phân tích cách trung thực, khách quan phù hợp với thực tiễn Việt Nam Luận văn chƣa đƣợc bảo vệ hội đồng bảo vệ luận văn thạc sĩ chƣa đƣợc công bố phƣơng tiện thơng tin Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm mà tơi cam đoan Thái Nguyên, ngày tháng năm 2014 Học viên Hà Mạnh Quân Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iii LỜI CẢM ƠN Trong thời gian học tập nghiên cứu nhà trƣờng tơi tích lũy đƣợc nhiều kiến thức chuyên nghành Sau gần hai năm học tập nhà trƣờng học viên đƣợc nhận luận văn tốt nghiệp vinh dự lớn thân Sau thánh nghiên cứu làm việc khẩn trƣơng với hƣớng dẫn, giúp đỡ tận tình T.S Nguyễn Hồi Nam (Trƣờng Đại học Công Nghiệp – Đại học Thái Nguyên) luận văn “Thiết kế hệ thống điều khiển cho Acrobot” hồn thành Trong q trình thực luận văn ngồi cố gắng thân, tơi nhận đƣợc nhiều quan tâm giúp đỡ, bảo tận tình thầy giáo, giáo nhà trƣờng : , ph Nhân dịp xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới T.S Nguyễn Hoài Nam Tuy cố gắng, nhƣng luận văn cịn nhiều thiếu sót, mong nhận đƣợc góp ý để đề tài đƣợc hoàn thiện Thái Nguyên, ngày tháng năm 2014 Học viên Hà Mạnh Quân Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iv MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN……………….………………… ……………….……… i LỜI CẢM ƠN…………………… …………………………… ….……….ii DANH MỤC HÌNH ẢNH ……………………….……….………….………vi DANH MỤC CÁC BẢNG ………… ……… ……….…………… … viii MỞ ĐẦU…………….…………………………………….……… ……… 1 Lý chọn đề tài………………… ……… ……….…………………1 Mục tiêu nghiên cứu………………………… ………………….……1 Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu………………………………………2 3.1 Đối tƣợng nghiên cứu ……………………………………….…2 3.2 Phạm vi nghiên cứu …………………………………………… Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài nghiên cứu … ………………2 4.1 Ý nghĩa khoa học đề tài …………………………………… 4.2 Ý nghĩa thực tiễn đề tài nghiên cứu ………………………….2 Phƣơng pháp nghiên cứu……………….…………………………….…2 5.1 Nghiên cứu lý thuyết………………………………………… ….2 5.2 Phương pháp thực nghiệm…………………………… ……… CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ACROBOT……… …… … CHƢƠNG II: MƠ HÌNH HĨA ACROBOT………… … ……………… 2.1 Hệ thống Acrobot …………………………….……………….…….6 2.2 Luật điều khiển cho Acrobot …………………………………… …8 2.3 Chƣơng trình mơ Acrobot khơng gian chiều…….…10 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ v CHƢƠNG III: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ……………… …….…… 15 3.1 Tuyến tính hóa mơ hình điểm cân không ổn định…… 15 3.2 Thiết kế điều khiển phản hồi trạng thái………… …….…… 18 3.2.1 Phƣơng pháp gán điểm cực ……………………… .18 3.2.2 Ứng dụng Matlab tìm điều khiển cho Acrobot ….… 20 3.3 Bộ điều khiển LQR QUADRATIC REGULATOR:… …… 20 3.3.1 Phƣơng trình Riccati đại số … ………… …………… 20 3.3.2 Sử dụng Matlab tìm ma trận P, K ….………………….….22 CHƢƠNG IV: MƠ PHỎNG…… ….24 4.1 Bài toán 1………………………………………………………… 24 4.1.1 Bộ điều khiển phản hồi trạng thái.……………… …… 26 4.1.2 Bộ điều khiển LQR QUADRATIC REGULATOR………29 4.1.3 Bộ điều khiển phi tuyến…… …………………… …….33 4.2 Bài toán 2………………………………………… ………………38 4.2.1 Bộ điều khiển phản hồi trạng thái theo phƣơng pháp gán điểm cực…………………………………………………………40 4.2.2 Khảo sát có nhiễu tác động…… …….………………46 CHƢƠNG V: GIẢI PHÁP THIẾT KẾ MƠ HÌNH THỰC CHO ACROBOT 50 5.1 Thiết kế hệ thống điều khiển Acrobot………………………… 50 5.2 Mơ hình thí nghiệm Acrobot …………………………………… 51 5.2.1 Động DC………………………………………………51 5.2.2 Động DC gear motor encoder…………………………52 5.2.3 IC L298N…………………………………………………53 5.2.4 IC SN74HC08N…… ……………………………………53 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vi 5.2.5 Giới thiệu Card Arduino………………… …………… 54 5.2.6 Thiết kế điều khiển PI cho Acrobot… … ………… 54 5.2.7 Kết thực nghiệm…………………… ……………….55 CHƢƠNG VI: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ………………… …………… …56 6.1 Kết luận…………………………………….……………………….56 6.2 Kiến nghị………………………………………………………… 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………… ……………………… …57 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vii DANH MỤC HÌNH ẢNH Trang Hình 1.1: Sơ đồ cấu trúc Acrobot ……………………………………………4 Hình 1: Hệ thống Acrobot……………………………….…………………6 Hình 2.2: Mơ phongrAcrobot chiều……………… ……………… ……14 Hình 1: Điểm cân không ổn định hệ thống…………… ………15 Hình 2: Bộ điều khiển cho đối tƣợng……………………………… … 19 Hình 4.1: Hệ thống Acrobot…………………………………………… ….24 Hình 4.2: Sơ đồ hệ thống điều khiển Simulink………………… … 26 Hình 4.3: Biến trạng thái x1…………………………………… …… … 27 Hình 4.4: Biến trạng thái x2…………………………………………… … 28 Hình 4.5: Biến trạng thái x3…………………………………….……….… 28 Hình 4.6: Biến trạng thái x4…………………………………………… … 29 Hình 4.7: Sơ đồ hệ thống điều khiển Simulink…………………… …30 Hình 4.8: Biến trạng thái x1……………………………………… ……… 31 Hình 4.9: Biến trạng thái x2……………………………………………… 31 Hình 4.10: Biến trạng thái x3……………………………………….……… 32 Hình 4.11: Biến trạng thái x4……………………………………….……… 32 Hình 4.12: Sơ đồ hệ thống điều khiển Simulink……………… … …34 Hình 4.13: Biến trạng thái x1…………………………………….………… 35 Hình 4.14: Biến trạng thái x2…………………………………….………… 35 Hình 4.15: Biến trạng thái x3………………………………………….….….36 Hình 4.16: Biến trạng thái x4……………………………………….……… 36 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ viii Hình 4.17: Hệ thống Acrobot thực nghiệm………………………… ……38 Hình 4.18: Sơ đồ hệ thống điều khiển Simulink……………… …41 Hình 4.19: Biến trạng thái x1………………………………………….…… 42 Hình 4.20: Biến trạng thái x2…………………………………………….… 42 Hình 4.21: Biến trạng thái x3…………………………………….….……….43 Hình 4.22: Biến trạng thái x4…………………………………….………… 43 Hình 4.23: Biến trạng thái x1…………………………………………….… 44 Hình 4.24: Biến trạng thái x2…………………………………………….… 45 Hình 4.25: Biến trạng thái x3……………………………….…………….….45 Hình 4.26: Biến trạng thái x4………………………………………….…… 46 Hình 4.27: Sơ đồ hệ thống điều khiển Simulink………… …… …47 Hình 4.28: Biến trạng thái x1…………………………………………….… 47 Hình 4.29: Biến trạng thái x2………………………………………….…… 48 Hình 4.30: Biến trạng thái x3………………………………….…….……….48 Hình 4.31: Biến trạng thái x4……………………………………….……… 49 Hình 5.1 Mơ hình Acrobot thực…………………………………………… 50 Hình 5.2 Sơ đồ khối mơ hình thí nghiệm………………………………… 51 Hình 5.3 Kí hiệu chân động cơ…………………………………………… 52 Hình 5.4 Động DC gear motor encoder………………………………… 52 Hình 5.5 Giới thiệu IC L298N…………………………………………… 53 Hình 5.6 Giới thiệu IC SN74HC08N……………………………………… 53 Hình 5.7 Card Arduino Mega……………………………………………… 54 Hình 5.8 Sơ khối điều khiển…………………………………………… 55 Hình 5.9 Vị trí góc 2…………………………………………… 55 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ix DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1: Các thơng số mơ hình acrobot…… …………… ……….……24 Bảng 2: Các thông số hệ thống acrobot thực………………… ….…….39 Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ x Số hóa Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ... đó, tơi chọn đề tài: ? ?Thiết kế hệ thống điều khiển cho Acrobot? ?? Mục tiêu nghiên cứu - Tìm hiểu acrobot phƣơng pháp điều khiển acrbot - Thiết kế hệ thống điều khiển cho acrobot điểm cân khơng... đắn sâu sắc Acrobot ví dụ tiêu biểu cho hệ thống hụt (số đầu vào điều khiển nhỏ bậc mơ hình) Đây hệ thống phi tuyến khó điều khiển, sử dụng làm đối tƣợng thử nghiệm cho thuật toán điều khiển phi... tài Acrobot ví dụ điển hình hệ thống hụt Đây hệ thống phi tuyến khó điều khiển Có thể sử dụng hệ thống nhƣ đối tƣợng để thử nghiệm lý thuyết điều khiển điển kinh điển nhƣ lý thuyết điều khiển