Cân bằng hệ con nêm ngược dùng phương pháp LQR và điều khiển mờ

Ngày nay, có rất nhiều phương pháp được sử dụng để điều khiển hệ phi tuyến như phương pháp tuyến tính hóa, điều khiển trượt, điều khiển dùng mạng thần kinh nhân tạo, điều khiển mờ, điều khiển thích nghi hoặc các thuật toán tối ưu bầy đàn, giải thuật di truyền...Đề tài trình bày các kết quả quá trình nghiên cứu cân bằng hệ con nêm ngược dùng phương pháp LQR và điều khiển mờ
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Cân bằng hệ con nêm ngược dùng phương pháp LQR và điều khiển mờKỹ thuật và Công nghệ 157CÂN BẰNG HỆ CON NÊM NGƯỢC DÙNG PHƯƠNG PHÁP LQRVÀ ĐIỀU KHIỂN MỜBALANCING CONTROL OF INVERTED WEDGE SYSTEM BY USING LQR AND FUZZY LOGICMETHODSNguyễn Thanh Tần1Đặng Hữu Phúc2Dương Minh Hùng3Tóm tắtAbstractTrong bài viết , chúng tôi đã sử dụng haiphương pháp điều khiển trên hệ con nêm ngược làphương pháp LQR (Linear Quadratic Regulator)và phương pháp điều khiển mờ. Kết quả mô phỏngcho thấy cả hai phương pháp điều khiển trên đềucó khả năng cân bằng ổn định hệ con nêm ngược.Bên cạnh đó, chúng tôi đã xây dựng thành côngmô hình thực nghiệm hệ con nêm ngược thôngqua giao tiếp máy tính giữa phần mềm Matlab vớicard DSP TMS320F28335. Kết quả thực nghiệmcho thấy phương pháp điều khiển mờ hoàn toàncó thể điều khiển cân bằng hệ con nêm ngược theophương thẳng đứng. Giá trị góc nghiêng và vị trívật nặng thu được luôn dao động xung quanh vị trícân bằng mong muốn.In this paper, the author uses two controlalgorithms on the inverted wedge: LQR controlmethod and Fuzzy Control method. The simulationresults show that the both methods are able tobalance the steady inverted wedge. Besides that,the author has built the experimental invertedwedge model successfully through computercommunication between the Matlab software andDSP TMS320F28335 card. The experimentalresults show that fuzzy control method cancompletely control the balance of inverted wedgeby vertical way. The obtained results of the valuesof angle and position loads fluctuated around thedesired equilibrium position.Keywords: Balance, inverted wedge, fuzzycontrol, Linear Quadratic Regulator.Từ khóa: Cân bằng, con nêm ngược, điều khiểnmờ, điều khiển LQR.1. Mở đầu123Ngày nay, có rất nhiều phương pháp đượcsử dụng để điều khiển hệ phi tuyến như phươngpháp tuyến tính hóa, điều khiển trượt, điều khiểndùng mạng thần kinh nhân tạo, điều khiển mờ,điều khiển thích nghi hoặc các thuật toán tối ưubầy đàn, giải thuật di truyền... Việc lựa chọn mộtphương pháp điều khiển phù hợp với đối tượng phituyến nhất định nào đó đòi hỏi nhiều thời gian vàthực nghiệm lâu dài.Xuất phát từ ý tưởng áp dụng các phương phápđiều khiển hiện đại vào điều khiển đối tượng thậttrong thực tế và việc tiếp cận được một số tài liệuvề hệ con nêm ngược - là một hệ thống phi tuyến,được ứng dụng trong cân bằng mô hình chiếc tàutrong lĩnh vực hàng hải - đã thúc đẩy chúng tôithực hiện đề tài này. Hệ thống dùng trọng lực củavật nặng thông qua lực kéo của motor để cân bằng1Thạc sĩ, Khoa Kỹ thuật và Công nghệ, Trường Đại học Trà VinhThạc sĩ, Khoa Kỹ thuật và Công nghệ, Trường Đại học Trà Vinh3Thạc sĩ, Khoa Kỹ thuật và Công nghệ, Trường Đại học Trà Vinh2trọng tâm của toàn hệ thống con nêm. Vì hệ connêm ngược có tính chất phi tuyến rất phức tạpnên rất khó xác định mô hình toán học một cáchchính xác, đồng thời các thông số hệ thống phảicó độ chính xác tuyệt đối và phải đáp ứng nhanh.Tuy nhiên, vấn đề là cần phải thiết kế một bộ điềukhiển phù hợp để điều khiển hệ thống cân bằng vàđây cũng là mục đính chính của đề tài.Đề tài “Thiết kế, thi công điều khiển mờ hệ connêm ngược” (Đặng Hữu Phúc 2012) đã sử dụngphương pháp điều khiển trượt-mờ-PID để cânbằng hệ con nêm ngược. Mô hình được thực hiệnbằng cách cân bằng hệ thống dựa vào sức nặng củacon chạy trên mặt phẳng trượt. Kết quả mô phỏngđạt được cân bằng ổn định với góc nghiêng lớn đến±π/2, thời gian đáp ứng khoảng 2.5s.Nhóm tác giả Jeng-Hann Li, Tzuu-HsengS. Li, Ting-Han Ou, July đã nghiên cứu đề tài“Design and Implementation of Fuzzy SlidingMode Controller for a Wedge Balancing System”Số 22, tháng 7/2016157158 Kỹ thuật và Công nghệ(2003). Đề tài sử dụng phương pháp điều khiển mờ- trượt để cân bằng hệ con nêm ngược. Mô hình sửdụng vật nặng di chuyển trên mặt phẳng ngang vàdùng dây đai kéo vật nặng. Kết quả mô phỏng chothấy hệ thống cân bằng ổn định với thời gian xáclập khoảng 7s.Năm 2002, đề tài “Genetic Adaptive Control foran Inverted Wedge: Experiments and ComparativeAnalyses” do các tác giả Moore M.L,MusacchioJ.T, PassinoK.M nghiên cứu. Hệ thống sử dụng dâyxích nằm ở trung tâm để kéo vật nặng di chuyểntrên mặt phẳng ngang. Giải thuật điều khiển đãnghiên cứu trong đề tài là giải thuật di truyền.Kết quả cho thấy hệ thống cân bằng ổn định trongkhoảng thời gian 3s và độ dao động góc nghiênglớn nhất là 50% so với trạng thái cài đặt ban đầu.Đề tài “Balancing Control of SlidingInverted Wedge System: classical-method-basedcompensation” do các tác giả Shinq-Jen Wu,Cheng-Tao Wu, Yung-Yi chiou, Chin-Teng Lin,Yi-Nung Chung nghiên cứu vào năm 2006 sử dụnghệ thống dây đai kéo hai vật nặng ở hai cạnh của hệcon nêm ngược giúp hệ thống cân bằng. Phươngpháp điều khiển chính của đề tài là thiết kế bộ điềukhiển tối ưu tuyến tính dạng toàn phương LQR vàđiều khiển trượt cho kết quả hệ thống cân bằng ổnđịnh trong 2,5s với góc nghiêng nhỏ.2. Nội ...