Phân tích thực nghiệm quá trình tự cân bằng LQR của hệ thống con lắc ngược hệ trượt điều khiển bởi vi xử lý C2000

Bài viết Phân tích thực nghiệm quá trình tự cân bằng LQR của hệ thống con lắc ngược hệ trượt điều khiển bởi vi xử lý C2000 trình bày các bước xây dựng và thực nghiệm mô hình con lắc ngược được điều khiển bằng vi xử lý C2000 của Texas Instrument. Trước tiên, mô hình động lực học của hệ thống được thiết lập.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Phân tích thực nghiệm quá trình tự cân bằng LQR của hệ thống con lắc ngược hệ trượt điều khiển bởi vi xử lý C2000 ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL. 20, NO. 7, 2022 25 PHÂN TÍCH THỰC NGHIỆM QUÁ TRÌNH TỰ CÂN BẰNG LQR CỦA HỆ THỐNG CON LẮC NGƯỢC HỆ TRƯỢT ĐIỀU KHIỂN BỞI VI XỬ LÝ C2000 AN EXPERIMENTAL ANALYSIS FOR LQR SELF-ADJUSTING BASED CONTROL OF AN INVERTED PENDULUM CONTROLLED BY C2000 MICROPROCESSOR Thái Bá Hòa, Tôn Nữ Huyền Trang, Phạm Anh Đức, Lê Hoài Nam* Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng1 Tác giả liên hệ: lehoainam@dut.udn.vn (Nhận bài: 25/4/2022; Chấp nhận đăng: 30/5/2022) Tóm tắt - Con lắc ngược hệ phẳng là mô hình đặc trưng cho hệ Abstract - The Planar inverted pendulum is a typical model for a thống máy móc có tay máy liền thân xe có mang vật dựng đứng cần system having an arm directly attached to a cart moving on a rail di chuyển trên hệ ray tịnh tiến theo một quảng đường cố định. Đây system along a fixed distance. This is also a model widely used cũng là mô hình được sử dụng nhiều trong các trường đại học trên in universities around the world for research and teaching. In this thế giới để nghiên cứu và giảng dạy. Trong nghiên cứu này, nhóm study, the authors introduce details to build and experiment with tác giả trình bày các bước xây dựng và thực nghiệm mô hình con lắc an inverted pendulum controlled by Texas Instrument’s C2000 ngược được điều khiển bằng vi xử lý C2000 của Texas Instrument. microprocessor. Firstly, a dynamic model of the system is Trước tiên, mô hình động lực học của hệ thống được thiết lập. Tiếp established. Next, the control parameters corresponding to the theo các thông số điều khiển tương ứng với kết cấu cụ thể của mô specific structure of the model are described. Then, the hình được mô tả. Từ đó, kết quả thực nghiệm quá trình nâng con lắc experimental results of the Swing-up term and balancing (swing-up) và giữ cân bằng của hệ thống được phân tích. pendulum process are analyzed. Từ khóa - Mô hình động lực học; hệ con lắc ngược phẳng; LQR; Key words - Dynamics model; Planar inverted pendulum; Linear C2000 microprocessor Quadratic Regulator (LQR), C2000 microprocessor 1. Giới thiệu dụng để kiểm tra tính hiệu quả đối với mô hình điều khiển Con lắc ngược là mô hình được sử dụng rộng rãi trong đó [8-12]. Rõ ràng việc ứng dụng và kiểm thử các phương các trường đại học trên thế giới dành cho việc nghiên cứu và pháp điều khiển đối với mô hình dễ mất ổn định và khó điều giảng dạy [1-5]. Mô hình con lắc ngược hệ trượt là một hệ khiển như hệ con lắc ngược cũng tạo được các định hướng con lắc đơn hai bậc tự do được đặt trên một xe đẩy di chuyển phù hợp cho việc ứng dụng các phương pháp này đối với các tịnh tiến qua lại trong vùng không gian đã định trước. Đây là hệ thống tương tự nhưng có quy mô lớn hơn. mô hình có hai bậc tự do và chỉ sử dụng một bộ động cơ đặt Một vài công trình trong nước đã thể hiện sự quan tâm ở đầu vào (xe đẩy) để kiểm soát con lắc đơn duy trì trạng thái đối với loại mô hình con lắc ngược này [13]-[14]. Đa phần ổn định cân bằng trong quá trình dựng ngược. Hệ thống con các nghiên cứu này chú trọng thực hiện việc giả lập các thuật lắc ngược này là đặc trưng cho mô hình thực tế của một cơ toán điều khiển trong môi trường mô phỏng trên các ứng cấu tay gấp robot có hai bậc tự do nhưng chỉ có một khớp có dụng tiêu biểu như Matlab. Trong nghiên cứu [13], các tác thể kiểm soát hoạt động cơ cấu đó. Một hệ thống như vậy rất giả đã mô phỏng hệ thống điều khiển con lắc ngược hệ tịnh dễ mất ổn định và khó điều khiển. Do đó, các nhà nghiên cứu tiến với hai vòng phản hồi để tăng tính chính xác và ổn định hoặc các kỹ sư thường có xu hướng sử dụng loại mô hình này của hệ thống. Mô hình điều khiển của hệ thống đó được dựa để ứng dụng các giải pháp kiểm soát cân bằng trong quá trình trên phương pháp điều khiển cân bằng tuyến tính toàn dựng ngược con lắc. Từ khi xuất hiện vào những thập niên phương (LQR), tuy nhiên kết quả phương án điều khiển chưa 60 của thế kỷ trước trong công trình nghiên cứu của trường có sự kiểm nghiệm trên hệ thống thực nghiệm đặc trưng. MIT (Mỹ) [1], cho đến nay các mô hình con lắc ngược đã Bài báo mô tả các bước thực hiện và thí nghiệm trên được sử dụng nhiều trong nghiên cứu các trường đại học ở một hệ con lắc ngược được thiết kế để điều khiển với bộ vi khắp nơi trên thế giới [2-5]. Các hệ con lắc ngược này có thể xử lý C2000 của Texas Instrument (TI). Trước tiên, cơ sở có nhiều biến thể khác nhau (con lắc ngược đôi, con lắc lý thuyết (mô hình toán học hệ thống, các hệ số đầu vào và ngược quay, con lắc ngược hệ phẳng…) nhưng mô hình con đầu ra của mô hình cần điều khiển) của hệ con lắc ngược lắc ngược chuyển động trượt qua lại trên một hệ trục là loại hệ trượt truyền thống sẽ được mô tả. Thêm vào đó, đặc cơ bản nhất và có được nhiều sự quan tâm hơn cả. điểm và thông số chế tạo của mô hình thực nghiệm hệ con Có nhiều nghiên cứu với các cách tiếp cận khác nhau lắc ngược này cũng được giới thiệu ở phần tiếp theo. Dựa được ứng dụng trên mô hình con lắc ngược. Trước hết, mô trên nền tảng của phương pháp LQR kết hợp với bộ điều hình động lực học và các phương trình chuyển động của hệ ...