Nâng cao chất lượng điều khiển cho Robot hai bánh tự cân bằng

Bộ điều khiển phản hồi đầu ra được thiết kế sử dụng kỹ thuật thiết kế backstepping kết hợp với bộ quan sát hệ số khuếch đại cao (HGOs). Kỹ thuật tách xen kênh hệ phi tuyến cho hệ thiếu cơ cấu chấp hành cũng được trình bày trong nội dung bài báo. Các kết quả mô phỏng thể hiện hiệu quả của bộ điều khiển.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nâng cao chất lượng điều khiển cho Robot hai bánh tự cân bằng Nghiên cứu khoa học công nghệ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN CHO ROBOT HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG Gia Thị Định1*, Nguyễn Duy Cương2 Tóm tắt: Một biện pháp nâng cao chất lượng điều khiển chuyển động và ổn định cho robot hai bánh tự cân bằng (TWMR) khi hệ chịu sự tác động của nhiễu nội sinh và ngoại sinh được trình bày trong bài báo này. Bộ điều khiển phản hồi đầu ra được thiết kế sử dụng kỹ thuật thiết kế backstepping kết hợp với bộ quan sát hệ số khuếch đại cao (HGOs). Kỹ thuật tách xen kênh hệ phi tuyến cho hệ thiếu cơ cấu chấp hành cũng được trình bày trong nội dung bài báo. Các kết quả mô phỏng thể hiện hiệu quả của bộ điều khiển. Từ khóa: Hệ phi tuyến thiếu cơ cấu chấp hành, HGOs, TWMR. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Trong những năm gần đây, robot hai bánh tự cân bằng, hình 1, là một đối tượng phi tuyến, xen kênh và thiếu cơ cấu chấp hành [1, 2] đã nhận được sự quan tâm của nhiều nhóm nghiên cứu. Theo [3], không thể áp dụng trực tiếp các thuật toán điều khiển của hệ đủ cơ cấu chấp hành cho hệ thiếu cơ cấu chấp hành do không thể đạt được mục tiêu và chất lượng mục tiêu điều khiển đề ra. Ngoài ra, trong quá trình làm việc, TWMR chịu ảnh hưởng của các nhiễu nội, ngoại sinh không biết trước làm cho việc thiết kế điều khiển cho hệ trở lên khó khăn hơn. Thêm nữa, TWMR là hệ phi tuyến xen kênh, do vậy, việc thiết kế bộ điều khiển cần sử dụng kỹ thuật tách xen kênh hệ phi tuyến, chuyển hệ về dạng phản hồi chặt [4]. Rất nhiều giải pháp đã đưa ra trong việc giải bài toán này bao gồm phương pháp tiếp cận bài toán cũng như phương pháp thiết kế bộ điều khiển. Nếu không quan tâm tới nhiễu ngoại sinh và hướng chuyển động của TWMR, tác giả trong [5-7] sử dụng phương pháp tiếp cận năng lượng thiết kế điều khiển để đưa thanh lắc tới điểm cân bằng trên và lắc xung quanh điểm cân bằng này. Các nghiên cứu [8, 9] sử dụng các kỹ thuật thiết kế điều khiển dựa trên phương pháp Lyapunov trực tiếp giữ cho TWMR cân bằng. Tác giả [10] sử dụng kỹ thuật tổ hợp bão hòa nhằm thiết kế điều khiển sao cho lực điều khiển nằm trong giới hạn nhưng vẫn giữ cho TWMR ở vị trí cân bằng. Tiếp tục phát triển và mở rộng dưới tác động của nhiễu ngoại sinh và yêu cầu điều chỉnh hướng chuyển động, tác giả [2] đã sử dụng bộ quan sát nhiễu thích nghi kết hợp với kỹ thuật tổ hợp bão hòa nhằm loại bỏ ảnh hưởng của nhiễu và giữ cho thanh lắc ở vị trí thẳng đứng cũng như hoàn thành các mục tiêu điều khiển khác. Điều khiển thông minh [11], điều khiển mờ thích nghi [12] là các kỹ thuật thiết kế điều khiển thích nghi nổi tiếng nhưng thường yêu cầu khối lượng tính toán lớn cũng như lựa chọn cẩn thận các tham số mờ. Trong [13] các tác giả sử dụng hàm switching trong việc thiết kế luật điều khiển thích nghi để đảm bảo tính bền vững của bộ điều khiển thiết kế. Tuy nhiên, tác giả đã xem các phương trình chuyển động của hệ là các tham số không biết trước, do đó, tính bền vững của bộ điều khiển cần nghiên cứu thêm. Tác giả [1] sử dụng bộ điều khiển thích nghi bền vững nhằm loại bỏ ảnh hưởng của nhiễu và sự thay đổi cả các tham số, tuy nhiên chất lượng đáp ứng và chất lượng động cần tiếp tục cải thiện. Bài báo sử dụng kỹ thuật thiết kế backstepping kết hợp với HGOs nhằm nâng cao chất lượng điều khiển cho TWMR dưới ảnh hưởng của nhiễu. Kết quả thiết kế được so sánh với kết quả nghiên cứu của tác giả trong [1]. Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san ACMEC, 07 - 2016 11  Điều khiển – Cơ điện tử - Truyền thông 2. MÔ HÌNH TOÁN HỌC VÀ MỤC TIÊU ĐIỀU KHIỂN Nội dung của mục 2 mô tả phương trình chuyển động của TWMR và mục tiêu điều khiển. 2.1. Mô hình toán học Từ mô hình vật lý và sơ đồ phân bố lực và mô men của TWMR, hình 1 và hình 2, hệ phương trình chuyển động của hệ được biểu diễn trong (1). Các bước xây dựng mô hình toán của hệ tham khảo trong [1]. Hình 1. Robot hai bánh tự cân bằng. Hình 2. Sơ đồ phân bố lực và moment. Bảng 1. Các thông số và các biến của TWMR. Ký hiệu Ý nghĩa Ký hiệu Ý nghĩa FL , FR Lực tương tác giữa bánh trái, bánh phải và bệ Jp Momen quán tính của thanh lắc quanh trục y HL, HR Lực ma sát đặt trên bánh trái và bánh phải Mp Momen tương tác giữa thanh lắc và bệ theo trục y TL , TR Momen được cung cấp bởi động cơ đặt trên bánh Fp Lực tương tác giữa thanh lắc và bệ theo trục x trái và bánh phải f dL , f dR Lực tác động ngoài đặt vào bánh trái và bánh l Khoảng cách từ O đến trọng tâm của thanh lắc CG phải L , R Góc quay của bánh trái và bánh phải so với trục D Khoảng cách giữa bánh trái và bánh phải theo trục z y x L , xR Khoảng dịch chuyển của bánh trái, bánh phải dọc Jc Momen quán tính của bệ quanh trục y theo trục x  Góc nghiêng của thanh lắc M Khối lượng của bệ  Góc quay của xe R Bán kính của bánh xe x Khoảng dịch chuyển của xe dọc theo trục x g Gia tốc trọng trường Mw Khối lượng của bánh xe m Khối lượng của thanh lắc Jw Momen quán tính của bánh xe theo phương y Jv Momen quán tính của bệ và thanh lắc quanh trục z Hệ phương trình chuyển động của TWMR: J J T T  gm 2l 2 sin()cos () x  ...