Đang tải... (xem toàn văn)
Tóm tắt: Trong luận văn này, tác giả đã xây dựng bộ điều khiển trượt để đưa Pendubot lên vị trí cân bằng. Kết hợp bộ điều khiển trượt là bộ điều khiển tối ưu toàn phương tuyến tính (LQR) để cân bằng tại điểm cân bằng không ổn định. Sau đó thực hiện bám theo tín hiệu tham chiếu sin và chuyển động đến lân cận điểm cân bằng. Để việc xây dựng bộ điều khiển được chính xác, cần phải xác định được chính xác thông số vật lý của mô hình. Vì thế, trong luận vận này tác giả đề xuất phương pháp nhận dạng thông số mô hình thực bằng giải thuật di truyền
LUẬN YĂN CAO HỌC • qn= 200, 022 = , q33 = 100,044=1; 7ìme(s) 1ÌITB(S) 1ÌITB(S) Hình 5.22 Đáp ứng ngõ Swing up bám sin biên độ pi/4, với qn =200, #33 100 • qn= 200, q22=\ , q33 = 200,?44 =1; 0.5 ế° 10 15 2D 25 lìrr©(s) 30 10 15 20 25 30 1ÌITB(S) ỉ0 10 15 lĩms(s) 20 25 30 lĩms(s) 10 15 20 25 30 Hình 5.23 Đáp ứng ngõ Swing up bám sin biên độ pi/4,với qn=200, #33 200 HVTH: Bùi Diệp Phát Đạt Trang 65 LUẬN YĂN CAO HỌC Trường #22 #33 #44 Sai số đỉnh họp #11 90 20 biên độ sin 0,334 Rad 90 90 0,307 Rad 200 20 0,279 Rad 200 100 0,284 Rad 200 200 0,237 Rad Bảng 5.1 Tổng hcrp kết thực nghiệm bám sin biên độ pi/4 ừọng số ma ừận Q thay đổi Nhận xét: Từ hình (5.19) tới hình (5.23) bảng (5.1) tổng họp kết thực nghiệm cho thấy tăng giá trị ừọng số ma ừận Q điều khiển LQR hệ thống bám tốt hon tín hiệu đặt sin, sai số giảm xuống Tuy nhiên lực tác động tăng lên, làm cho hệ rung lắc nhiều i- i- Trường họp 2: Thay đổi giá ừị R điều khiển LQR, cố định ừọng số ma ừận Q để kiểm ừa khả bám theo tín hiệu đặt hình sin Thực Swing up cân bằng, bám sin có biên độ pi/4, với giá ừị R thay đổi • #11 = > #22 = °> 033= 1,#44=0,R=1 o5 1 I 1 1 I 10 H I 1 15 Lyntrd — - — 20 25 I I I _ I I I 30 lĩrre(s) 10 30 o5 10 15 lĩms(s) 20 25 15 20 25 7ìrre(s) I I I _ I I I 30 10 15 7ìrre(s) 20 25 30 - 4- - - I- ì o5 10 15 lĩms(s) 20 2Ơ 3CT lĩms(s) Hình 5.24 Đáp ứng ngõ Swing up bám sin biên độ pi/4,với R = HVTH: Bùi Diệp Phát Đạt Trang 66 LUẬN YĂN CAO HỌC 9u= » ?22 = 0> ?33 = 1,^44= °>R=0'8' • H ị ị — - — 10 10 Lyxtrd 15 2D 25 Tìme(s) 15 30 20 25 30 TIITB(S) 1ÌITB(S) ỉ ỉ 1ÌITB(S) 1ÌITB(S) Hình 5.25 Đáp ứng ngõ Swing up bám sin biên độ pi/4,với R = 0.8 • 9u= » ?22 = 0> ?33 = 1,^44= °>R=0'5' Hình 5.26 Đáp ứng ngõ Swing up bám sin biên độ pi/4,với R = 0.5 HVTH: Bùi Diệp Phát Đạt Trang 67 LUẬN YĂN CAO HỌC #11 = > #22= °> #33 = 1,#44=0,R=0.1 • 10 15 1ÌITB(S) 20 25 30 TIITB(S) 0.1 I - T - T T T - T - T - I 0II1 _ ! I I ! I r ! I 1I 15 1ÌITB(S) I II ! 20 I True Hình 5.27 Đáp ứng ngõ Swing up bám sin biên độ pi/4,với R = 0.1 Trường #22 #33 #44 R Sai số hcrp #11 1 1 1 0,8 0,512 1 0,5 0,447 1 0,1 0,342 đỉnh biên độ sin 0,517 Bảng 5.2 Tổng hợp kết thực nghiệm bám sin biên độ pi/4 giá trí R thay đổi Nhận xét: Từ hình (5.24) tới hình (5.27) bảng (5.2 ) tổng hợp kết thực nghiệm cho thấy giảm dần giá trị R điều khiển LQR hệ thống bám tốt tín hiệu đặt sin, sai số giảm xuống, lực tác động nhỏ, tiêu tốn luợng Vì hệ thống hoạt động rung lắc HVTH: Bùi Diệp Phát Đạt Trang 68 LUẬN YĂN CAO HỌC ■4- Trường họp 3: Sau chọn giá trị R điều khiển LQR để sai số đỉnh biên độ sin nhỏ nhất, tiến hành thay đổi biên độ sin để kiểm ừa khả bám theo tín hiệu sin • Sin biên độ pi/10,với R = 0.1; 1imB(s) Tìme(s) Hình 5.28 Đáp ứng ngõ Swing up bám sin biên độ pi/10,với R = 0.1 • Sin biên độ pi/8,với R = 0.1; í11í Lyxtrd 1111 11r1 10 15 lĩrre(s) 20 25 E Z 11 30 1ĩrTB(s) ì o 1 10 1 15 lĩmB(s) I 10 15 lĩrre(s) 25 30 "íìrTBÍs) í I 20 I I I 20 0.11 - - - I I 0.1 Ễ Cf2-ref 25 30 -0.1 1 15 Tru eI - Th r: 2D lĩrTB(s) 30 Hình 5.29 Đáp ứng ngõ Swing up bám sin biên độ pi/8,với R = 0.1 HVTH: Bùi Diệp Phát Đạt Trang 69 LUẬN YĂN CAO HỌC • Sin biên độ pi/6,với R = 0.1 Ẽ E Z 00 10 15 20 25 30 Tìme(s) Tìme(s) lìrr©(s) 1ÌITB(S) 1| -T T T - T - T - T i \r 10 I 15 Time(s) 0.1 I~ I _ I 20 I 25 Cf2 — c^-ref 30 ỉ I I I ! 11 True) _ I _ I I _ I _ I I -0.1 15 20 ~lĩme(s) Hình 5.30 Đáp ứng ngõ Swing up bám sin biên độ pi/6, với R = 0.1 • Sin biên độ pi/4,với R = 0.1; p 20 — — + — — I - — Lyntrd 15 20 1ÌITB(S) 25 30 10 c o 5 10 10 15 20 25 30 lĩms(s) lĩms(s) 0.1 I T -T - T - T T - T - ỉo 11 -0.1 - lĩms(s) 10 15 20 !| 11 25 True I 30 lĩms(s) Hình 5.31 Đáp ứng ngõ Swing up bám theo sin biên độ pi/4, với R = 0.1 HVTH: Bùi Diệp Phát Đạt Trang 70 LUẬN YĂN CAO HỌC • Sin biên độ pi/3,với R = 0.1; 10 15 ao 25 30 TĨITB(S) 10 15 ao 25 30 TĨITB(S) 10 15 TĨITB(S) 20 25 30 "Tĩms(s) Hình 5.32 Đáp ứng ngõ Swing up bám sin biên độ pi/3,với R = 0.1 Trường #22 #33 #44 R Biên Sai số đỉnh họp #11 1 0.1 độ sin biên độ sin pi/10 0,141 Rad 1 0.1 pi/8 0,182 Rad 1 0.1 pi/6 0,234 Rad 1 0.1 pi/4 0,342 Rad 1 0.1 pi/3 0,484 Rad Bảng 5.3 Tổng hợp kết thực nghiệm bám tín hiệu sin với biên độ khác Nhận xét: Từ hình (5.28) đến hình (5.32) bảng (5.3) tổng họp kết thực nghiệm cho thấy tăng dần biên độ tín hiệu đặt hệ khả bám sin Tuy nhiên sai số tăng dần, chứng tỏ khả bám giảm dần tăng đến biên độ lớn pi/3 hệ ổn định HVTH: Bùi Diệp Phát Đạt Trang 71 LUẬN YĂN CAO HỌC Kết luận: Thông qua kết đạt đuợc từ thực nghiệm cho thấy, thay đổi ừọng số ma ừận Q khả bám tín hiệu sin tốt hon thay đổi R Tuy nhiên, thay đổi R Pendubot hoạt động rung lắc thay đổi trọng số ma ứận Q Và tăng biên độ có tín hiệu đặt có khả bám theo Tuy nhiên, tăng biên độ lớn khả bám giảm dần ổn định Khi tăng đến giá ừị đủ lớn, xa vị ừí cân không ổn định, hệ ổn định 5.4 So sánh kết thực nghiệm với kết mô Matlab Sau thu thập kết mơ ừên Matlab thực nghiệm mơ hình Pendubot Tác giả nhận đuợc kết gần nhu giống nhau, có đặc điểm nhu sau: • Khi khơng có điều khiển, có lực tác động vào hệ hệ chuyển từ điểm cân khơng ổn định sang điểm cân ổn định • Trong giai đoạn Swing up hệ thống bám tốt với tín hiệu đặt, tạo điều kiện thuận lợi để chuyển sang cân • Trong giai đoạn cân s Khi có lực tác động vào hệ đặt lệch vị ừí cân hệ có khả lấy lại đuợc trạng thái cân s Hệ có khả chuyển động đến vị ừí lân cận điểm cân cân vị trí ■S Khả bám với tín hiệu đặt hình sin tốt ■S Giá trị trọng số ma trận Q điều khiển LQR tăng sai số đỉnh biên độ sin tín hiệu tham chiếu giảm ■S Giá trị R điều khiển LQR giảm khả bám với tín hiệu đặt tốt, nhiên hệ thống dao động HVTH: Bùi Diệp Phát Đạt Trang 72 LUẬN YĂN CAO HỌC Kết SO sánh mô thực nghiêm việc kiểm ừa khả bám theo tín hiệu đặt hình sin: Trường họp Sai số đỉnh biên độ Sai số đỉnh biên độ #11 #22 #33 #44 0,1628 Rad 0.334 Rad 0,1461 Rad 0.307 Rad sin (mô phỏng) sin (thực nghiệm) 90 90 20 90 200 20 0,1349 Rad 0.279 Rad 200 100 0,1291 Rad 0.284 Rad 200 200 0,1248 Rad 0.237 Rad Bảng 5.4 Kết so sánh mô thực nghiệm thay đổi trọng số Q điều khiển LQR Trường họp Sai số đỉnh biên Sai số đỉnh biên #11 #22 #33 #44 R độ phỏng) 0,5717 sin (mô độ sin (thực nghiệm) 0.517 1 1 1 0,8 0,541 0.512 1 0,5 1 0,1 0,4726 0,2614 0.477 0,342 Bảng 5.5 Ket so sánh mô thực nghiệm thay đổi giá trị R điều khiển LQR HVTH: Bùi Diệp Phát Đạt Trang 73 LUẬN YĂN CAO HỌC Trường họp Sai số đỉnh biên Sai số đỉnh biên độ #11 #22 #33 R #44 Biên độ sin độ sin (mô sin (thực nghiệm) phỏng) 0,106 Rad 0,141 Rad 1 0.1 pi/10 1 0.1 pi/8 0,1323 Rad 0,182 Rad 1 0.1 pi/6 0,1759 Rad 0,234 Rad 1 0.1 pi/4 0,2614 Rad 0,342 Rad 1 0.1 pi/3 0,344 Rad 0,484 Rad Bảng 5.6 Kết so sánh mô thực nghiệm thay đổi biên độ giá ừị đặt HVTH: Bùi Diệp Phát Đạt Trang 74 LUẬN YĂN CAO HỌC Chương KẾT LUẬN VÀ ĐÁNH GIÁ 6.1 Kết đạt Luận văn chủ yếu tập trung vào việc xây dựng giải thuật trượt LQR cho mơ hình Pendubot Việc thực mô thực nghiệm cho kết tốt Có kết họp mơ thực nghiệm, thơng qua việc nhận dạng mơ hình giải thuật di truyền Luận vãn đạt kết sau: • Mơ hình hóa hệ Pendubot • Xây dựng mơ hình Pendubot ừên Matlab • Xây dựng điều khiển Swing up (trượt) cân LQR ừên Matlab • Nhận dạng xác mơ hình thực nghiệm dựa thuật tốn di truyền • Thiết kế thi cơng thành cơng mơ hình Pendubot thực nghiệm • ứng dụng lý thuyết trượt để xây dựng điều khiển Swing up Pendubot s Xây dựng điều khiển Swing up dựa vào lý thuyết trượt s Thực Swing up đến vị ừí cân khơng ổn định qx= pH2,q2=ồ • ứng dụng lý thuyết LQR để giữ cân bám theo tín hiệu đặt s Xây dựng điều khiển giữ cân LQR ■S Giữ cân vị trí cân không ổn đinh qx = pi / 2,q2=0 ■S Lấy lại trạng thái cân có ngoại lực tác động ■S Thực bám theo tín hiệu đặt hình sin ■S Thực điều khiển chuyển động đến lân cận điểm cân không ổn định cân qx = pi/3,q2 = pil ,qx = 2pi/3, q2 = -pi / HVTH: Bùi Diệp Phát Đạt Trang 75 LUẬN YĂN CAO HỌC 6.2 Hạn chế • Các thơng số điều khiển chưa phải giá ừị tốt • Chưa Swing up tới vị ừí cân khơng ổn định khác • Khả Swing up chưa cao khoảng 70% • Mơ tơ hoạt động nhanh nóng, dẫn đến thơng số nhận dạng ban đầu khơng xác • Thay động có moment lớn encoder có độ phân giải cao để giảm sai số 6.3 Hướng phát triển • Sử dụng kết họp nhiều giải thuật khác cho điều khiển • Tìm thơng số điều khiển trượt giải thuật tối ưu • Ước lượng tham số hệ thống online • Điều khiển bám ừên phạm vi lớn HVTH: Bùi Diệp Phát Đạt Trang 76 LUẬN YĂN CAO HỌC TÀI LIỆU THAM KHẢO Những báo nước [1] Mark w Spong Daniel J Block, The Pendubot: A Mechatronic System for Control Research and Education, Proceedings of the 34th Conference on Decision & Control New Orleans, LA - December 1995 [2] Daniel J.Block, “Mechanical designer and control fo the Pendubot”, for the degree of Master of Science in General Engineering in the Grad uate College of the University of Illinois at Urbana-Champaign, 1996 [3] I.Fantoni, R.Lozano, and M.W.Spong, “Energy based control of the pendubotflEEE Transaction on Automatic Conứol, Vol.45, No.4, pp.725- 729, 2000 [4] Xiao Qing Ma,"Fuzzy Control for an under-actuated RoboticManipirlator: Pendubot”, For the Degree of Master of Applied Science at Concordia University Monừeal, Quebec, Canada August 2001 [5] Mingjun Zhang, Student Member, “Hybrid Control of the Pendubot”, IEEE, and Tzyh-Jong Tam, Fellow, IEEE [6] WeiLi , Kazuo Tanaka, and Hua o Wang, “Acrobatic Control of a Pendubot”, IEEE Transactions on Fuzzy systems, Vol 12, No 4, August 2004 [7] Thamer Albahkali, Ranjan Mukherjee, and Tuhin Das, “Swing-Up Control of the Pendubot: An Impulse-Momentum Approach”, IEEE Transactions on Robotics, Vol 25, No 4, August 2009 [8] Xin Xin, Seiji Tanaka, Jin-Hua She, and Taiga Yamasaki, “Revisiting Energy- Based Swing-up Control for the Pendubot”, IEEE International Conference on Control Applications Part of 2010 IEEE Multi-Conference on Systems and Control Yokohama, Japan, September 8-10, 2010 HVTH: Bùi Diệp Phát Đạt Trang 77 LUẬN YĂN CAO HỌC [9] Djamila Zehar and Khier Benmahammed, ”Optimal sliding mode control of the pendubot”, International Research Journal of Computer Science and Information Systems (IRJCSIS) Vol 2(3) pp 45-51, April, 2013 [10] Deyin Xia, Tianyou Chai, Fellow, IEEE, and Liangyong Wang, “Fuzzy Neural-Network Friction Compensation-Based Singularity Avoidance Energy Swing-Up to Nonequilibrium Unstable Position Control of Pendubot”, IEEE Transactions on confrol system technology, Vol 22, No 2, March 2014 [11] Rouhollah Jafari, Frank B Mathis, Ranjan Mukherjee, and Hassan Khalil, “Enlarging the Region of Attraction of Equilibria of Underactuated Systems Using Impulsive Inputs”, IEEE Transactions on conứol system technology 2016 [12] Nguyễn Anh Tuấn “Luận văn tốt nghiệp Điều khiển cân hệ thống Pendubot”, Chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển tự động hóa, Trường đại học Bách Khoa TPHCM 2017 [13] Takagi -Sugeno Fuzzy Scheme for Real-Time Tajectory Tracking of an Underactuated Robot [14] N T p Hà, H T Hoàng, Cơ sở lỷ thuyết điều khiển tự động, NXB Đại học quốc gia TPHCM [15] N T p Hà, Lỷ thuyết điều khiển đại, NXB Đại học quốc gia TPHCM [16] H T Hồng, Hệ thống điều khiển thơng minh, NXB Đại học quốc gia TPHCM 2006 [17] D H Nghĩa, Điều khiển hệ thống đa biến, NXB Đại học quốc gia TPHCM 2007 HVTH: Bùi Diệp Phát Đạt Trang 78 LÝ LICH TRÍCH NGANG Họ tên: BÙI DIỆP PHÁT ĐẠT Phái: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 14/08/1990 Nơi sinh: Bến Tre Địa liên lạc: Bùi Diệp Phát Đạt, 15/3 Khuông Việt, phường Phú Trung, quận Tân Phú, TP HCM Email: datbdp@4stech.vn Điện thoại: 0903.469.761 Khóa (năm trúng tuyển): 2014 - đợt QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO 2011 - 2013: Học đại học trường Đại Học Tôn Đức Thắng Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa 2014 - 2018: Học cao học trường Đại Học Bách Khoa TP HCM Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Q TRÌNH CƠNG TÁC 02/2013 - 03/2016: Làm việc công ty kỹ thuật TMK 04/2017 - nay: Làm việc công ty điện nhà thông minh 4STECH ... vầ điều khiển gián tiếp thông qua khớp thứ • Phần mạch điện tử: Gồm mạch điều khiển trung tâm mạch cơng suất • Phần thuật tốn điều khiển: Điều khiển Pendúbot từ vị trí cân ổn định tới vị trí cân. .. cân xung quanh vị trí cân Đầu tiên Swing up Pendubot lên vị trí cân sau chuyển sang cân điều khiển Hybird Swing up phuơng pháp tuyến tính hóa phản hồi cục Bộ điều khiển Hybrid gồm phần điều khiển: ... Nghiên cứu lý thuyết điều khiển trượt LQR • Xây dựng điều khiển trượt để thực Swing up tới ví trí cân khơng ổn định • Xây dựng điều khiển cân LQR để thực cân quanh vị trí cân khơng ổn định • Mơ