BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THƠNG VẬN TẢI TP.HCM
--------- oOo --------

ĐỒN TUỆ TÂM

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI ỔN
ĐỊNH CÂN BẰNG HỆ PENDUBOT

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

TP. HCM 10 – 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THƠNG VẬN TẢI TP.HCM
--------- oOo --------

ĐỒN TUỆ TÂM

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI ỔN
ĐỊNH CÂN BẰNG HỆ PENDUBOT
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
MÃ SỐ: 60520216

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
Ts. VÕ CÔNG PHƯƠNG

TP. HCM 10 – 2016


i

LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, tôi xin gửi đến thầy Võ Cơng Phương lời cảm ơn sâu sắc. Thầy đã
tận tình hướng dẫn và truyền đạt kiến thức giúp tơi hồn thành luận văn này. Quan
trọng hơn hết, thầy đã gợi mở cho tôi một đề tài, một hướng nghiên cứu phù hợp với
năng lực của tôi.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn đến các quý thầy cô trong bộ môn Điều khiển
tự động Khoa Điện – Điện tử Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải TP.HCM đã
chỉ dạy truyền đạt kiến thức trong suốt quá trình học tập tại trường.
Cuối cùng tôi gửi lời cảm ơn tới những người thân, gia đình và bạn bè đã động
viên, khuyến khích ủng hộ vật chất lẫn tinh thần giúp tôi trong suốt q trình học tập
và nghiên cứu để hồn thành đề tài này.
…Dành cho ba mẹ, cho Cua, và Quỳnh, như những gì mọi người mong đợi
anh hồn thành…

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 28 tháng 09 năm 2016
Người thực hiện

Đoàn Tuệ Tâm


ii


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu “Thiết kế bộ điều khiển mờ lai ổn định
cân bằng hệ pendubot” đảm bảo tính chân thật của bài viết cũng như các chương
trình, kết quả mơ phỏng và thực nghiệm, các giá trị của thông số được nêu ra trong
bài một cách rõ ràng và cơ sở lý thuyết đều được trích dẫn đầy đủ chiếu theo tài liệu
tham khảo.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 28 tháng 09 năm 2016
Tác giả luận văn

Đoàn Tuệ Tâm


iii

TÓM TẮT
Trong đề tài luận văn này tác giả nghiên cứu, giới thiệu về hệ pendubot và các
phương pháp điều khiển PID, fuzzy logic, fuzzy hybrid để giữ cân bằng cho hệ. Hệ
pendubot tự động cân bằng là một hệ phi tuyến phức tạp, rất khó điều khiển và được
ứng dụng phổ biến trong các thí nghiệm về điều khiển hệ thống phi tuyến. Kết quả
những thực nghiệm về hệ pendubot làm nền tảng ứng dụng vào các hệ thống tự động
cân bằng trong thực tế như cân bằng cánh tay máy, cân bằng trọng tâm robot…..Tác
giả đã tiến hành mô phỏng trên Matlab-Simulink bằng các phương pháp điều khiển
PID, Fuzzy logic, Fuzzy hybrid. Sau đó, các phương pháp này cũng được thí nghiệm
trên phần cứng hệ pendubot thực tế sử dụng bộ TMS320C2000TM Experimenter Kit
có chip DSP TMS320F28335 thơng qua thư viện Embedded Coder Target
Preferences for TI C2000 tạo ra khối rồi biên dịch sang mã hex giúp cho việc lập trình
dễ dàng hơn. Ưu điểm của bộ kit này có sẵn thực tế, nhỏ gọn, sử dụng linh hoạt và dễ
dàng ứng dụng vào thực tế. Dữ liệu về vị trí góc link 1 và link 2 được gởi về máy tính

thơng qua khối truyền thơng và các dữ liệu này được thu thập bằng chương trình
Hyperterminal để phục vụ cho việc vẽ đồ thị khảo sát đáp ứng của hệ thống.
Kết quả điều khiển mô phỏng thực nghiệm cho thấy điều khiển mờ lai (fuzzy
hybrid) có thể điều khiển ổn định, cho kết quả tốt, đáp ứng cịn chậm nhưng đảm bảo
được tính chất mơ hình thực, độ vọt lố ít. Cịn phương pháp PID và fuzzy logic cho
ra đáp ứng cũng ổn nhưng còn đáp ứng chậm và dao động quanh điểm cân bằng.


iv

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ......................................................................................................... i
LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................ii
TÓM TẮT .............................................................................................................iii
MỤC LỤC............................................................................................................. iv
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ............................................................................ viii
DANH MỤC BẢNG VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................. xiii
LỜI MỞ ĐẦU ..................................................................................................... xiv
CHƯƠNG 1 ........................................................................................................... 1
1.1. Đặt vấn đề ........................................................................................................ 1
1.2. Giới thiệu về mơ hình pendubot ........................................................................ 3
1.3. Phân tích đánh giá các cơng trình nghiên cứu trong và ngồi nước ................... 4
1.3.1. Các cơng trình nghiên cứu ngồi nước .................................................... 5
1.3.2. Các cơng trình nghiên cứu trong nước..................................................... 6
1.4. Những vấn đề còn tồn tại luận văn tập trung giải quyết ..................................... 7
1.4.1. Những vấn đề còn tồn tại ........................................................................ 7
1.4.2. Mục tiêu đề tài hướng đến giải quyết ...................................................... 8
1.5. Mục tiêu khoa học của đề tài............................................................................. 8
1.6. Phạm vi nghiên cứu và công việc cần thực hiện ................................................ 8
1.7. Phương pháp nghiên cứu .................................................................................. 9

1.8. Ý nghĩa của đề tài ............................................................................................. 9
1.9. Tóm lược nội dung luận văn ............................................................................. 9


v

CHƯƠNG 2 ......................................................................................................... 11
2.1. Tổng quan phương pháp nghiên cứu ............................................................... 11
2.2. Phương pháp điều khiển PID .......................................................................... 11
2.2.1. Khái niệm và phương trình PID ............................................................ 11
2.2.2. Vấn đề chỉnh định cho bộ điều khiển PID ............................................. 14
2.3. Phương pháp điều khiển mờ (fuzzy logic)....................................................... 15
2.3.1. Tổng quan về logic mờ.......................................................................... 15
2.3.2. Bộ điều khiển mờ .................................................................................. 16
2.3.3. Những nguyên tắc tổng hợp bộ điều khiển mờ ...................................... 19
2.4. Hệ mờ lai ........................................................................................................ 21
2.4.1. Hệ mờ lai khơng thích nghi có bộ điều khiển kinh điển ......................... 21
2.4.2. Hệ mờ lai cascade ................................................................................. 24
2.4.3. Công tắc mờ.......................................................................................... 25
CHƯƠNG 3 ......................................................................................................... 27
3.1. Cơ sở chung.................................................................................................... 27
3.2. Phương trình tốn hệ thống ............................................................................. 27
3.2.1. Giới thiệu các thông số của hệ thống ..................................................... 27
3.2.2. Thiết lập mơ hình tốn học cho hệ thống pendubot ............................... 29
3.3. Diễn tả không gian trạng thái hệ thống............................................................ 35
3.4. Những điểm cân bằng của hệ thống ................................................................ 39
3.5. Tính chất có thể điều khiển được và khơng điều khiển được ........................... 41
3.6. Tuyến tính hóa phương trình chuyển động ...................................................... 43
CHƯƠNG 4 ......................................................................................................... 47
4.1. Mơ phỏng đáp ứng của hệ pendubot khi chưa có bộ điều khiển ...................... 47



vi

4.2. Mô phỏng điều khiển cân bằng hệ pendubot dùng bộ điều khiển PID ............. 49
4.2.1. Giải thuật điều khiển PID cho hệ pendubot ........................................... 49
4.2.2. Mô phỏng điều khiển cân bằng pendubot dùng bộ điều khiển PID ........ 52
4.3. Mô phỏng điều khiển cân bằng hệ pendubot dùng bộ điều khiển mờ .............. 57
4.3.1. Giải thuật điều khiển mờ cho hệ pendubot ............................................ 57
4.3.2. Mô phỏng bộ điều khiển mờ cho hệ pendubot ....................................... 62
4.4. Mô phỏng điều khiển cân bằng hệ pendubot dùng bộ điều khiển mờ lai (fuzzy
hybid) .................................................................................................................... 64
4.4.1. Giải thuật điều khiển mờ lai cho hệ pendubot........................................ 64
4.4.2. Mô phỏng bộ điều khiển mờ lai cho hệ pendubot .................................. 69
CHƯƠNG 5 ......................................................................................................... 73
5.1. Thiết kế phần cứng mơ hình hệ pendubot........................................................ 73
5.1.1. Giới thiệu phần cứng của hệ pendubot. ................................................. 73
5.1.2. Thiết kế phần điện của mơ hình hệ pendubot......................................... 74
5.2. Lựa chọn thiết bị cho mơ hình hệ pendubot. ................................................... 75
5.2.1. Lựa chọn động cơ. ................................................................................ 75
5.2.2. Lựa chọn cảm biến quay (encoder)........................................................ 76
5.3. Thiết kế phần cứng mạch điện ........................................................................ 78
5.3.1. Board TMS320C2000TM Experimenter Kit ........................................... 78
5.3.2. Cấu trúc board mạch I2C ...................................................................... 83
5.3.3. Khối giao tiếp với máy tính ................................................................... 84
5.3.4. Mạch cầu H (mạch công suất) ............................................................... 84
5.3.5. Nguồn cấp............................................................................................. 86
5.4. Thiết kế chương trình điều khiển cho hệ pendubot .......................................... 87



vii

5.4.1. Giới thiệu Matlab Simulink và Target for TI C2000 library .................. 87
5.4.2. Giới thiệu các khối (module) trong giải thuật điều khiển hệ pendubot
thực tế............................................................................................................. 89
5.4.2.1. Khối F28335 eZdsp ..................................................................... 90
5.4.2.2. Khối truyền tín hiệu hiển thị lên máy tính (SCI transfer data to PC:
SCI Transmit) .......................................................................................... 90
5.4.2.3. Khối đọc xung eQEP ................................................................... 91
5.4.2.4. Khối Digital Output ..................................................................... 92
5.4.2.5. Khối ePWM ................................................................................ 92
5.4.3. Các sơ đồ khối thiết kế chương trình điều khiển cho hệ pendubot ......... 93
5.4.3.1. Sơ đồ khối xử lý vị trí góc link 1 ................................................. 93
5.4.3.2. Sơ đồ khối xử lý góc link 2 .......................................................... 94
5.4.3.3. Sơ đồ khối điều khiển mờ lai cho link 1....................................... 96
5.4.3.4. Sơ đồ khối điều khiển mờ lai cho link 2....................................... 96
5.4.3.5. Sơ đồ khối điều khiển động cơ của hệ pendubot .......................... 96
5.4.3.6. Sơ đồ khối thu thập dữ liệu (read).............................................. 100
5.5. Sơ đồ thiết kế bộ điều khiển mờ lai của hệ pendubot .................................... 101
5.6. Kết quả thực tế.............................................................................................. 101
Kết luận và hướng phát triển đề tài.................................................................. 104
 Đánh giá kết quả luận văn ............................................................................. 104


Những kết quả đạt được ...................................................................... 104



Những kết quả chưa đạt được .............................................................. 104


 Hướng phát triển đề tài ................................................................................. 105
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 106


viii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Tên hình

STT
Hình 1

Ứng dụng của mơ hình pendubot.

Trang
xvi

Hình 1.1

Hệ thống Pendubot

4

Hình 2.1

Cấu trúc bộ điều khiển PID.

13

Hình 2.2


Sơ đồ điều khiển hồi tiếp với bộ điều khiển PID.

13

Hình 2.3

Sơ đồ khối quá trình xử lý mờ.

16

Hình 2.4

Cấu trúc bộ điều khiển mờ

17

Hình 2.5

Nguyên lý điều khiển mờ

17

Hình 2.6

Bộ điều khiển mờ cơ bản

17

Hình 2.7


Hệ thống điều khiển mờ

18

Hình 2.8

Hệ thống MIMO với nhiều thiết bị hợp thành

19

Hình 2.9

Hệ thống MIMO với nhiều thiết bị hợp thành nối song song

19

Hình 2.10 Cấu trúc hệ mờ lai khơng thích nghi có khâu tiền xử lý mờ

21

Hình 2.11 Hệ mờ lai với bộ lọc mờ cho tín hiệu chủ đạo x

22

Hình 2.12 Đáp ứng hệ thống khơng có bộ lọc mờ với tín hiệu 1(t)

23

Hình 2.13 Định nghĩa các giá trị mờ cho biến ngôn ngữ E, DE và ∆x


24

Hình 2.14 Đáp ứng của hệ thống có bộ lọc mờ cho tín hiệu chủ đạo

24

Hình 2.15 Cấu trúc hệ mờ lai cascade

25

Hình 2.16 Cơng tắc mờ

25

Hình 3.1

Hệ trục tọa độ Pendubot

28


ix

Hình 3.2

Cơ cấu chấp hành và cơ cấu chấp hành bên dưới của
Pendubot

39


Hình 3.3

Bốn điểm cân bằng của hệ thống

41

Hình 3.4

Vị trí khơng điều khiển được

Hình 3.5

Vị trí cân bằng TOP

45

Hình 4.1

Sơ đồ mơ phỏng hệ pendubot

47

Hình 4.2

Sơ đồ bên trong khối hệ pendubot

47

Hình 4.3


Sơ đồ mơ phỏng của hệ pendubot khi chưa có bộ điều khiển

48

Hình 4.4

Đồ thị áp ứng vị trí và góc của hệ pendubot khi khơng có
bộ điều khiển

49

Hình 4.5

Sơ đồ khối mơ phỏng bộ điều khiển PID hệ pendubot bằng
Matlab Simulink

52

Hình 4.6

Bên trong khối PID link 1 và link 2

52

Hình 4.7

Đáp ứng vị trí góc link 1 của hệ pendubot

53


Hình 4.8

Đáp ứng vị trí góc link 2 của hệ pendubot

54

Hình 4.9

Đáp ứng tín hiệu moment điều khiển của hệ pendubot

54

=0
=

Hình 4.10 Đáp ứng vị trí góc link 1 của giải thuật PID và PID-GA
Hình 4.11

Đáp ứng vị trí góc link 2 của giải thuật PID và PID-GA so
với link 1 của hệ pendubot

42

56
56

Hình 4.12 Khối mơ tả bộ điều khiển mờ thiết kế

58


Hình 4.13 Các tập mờ của biến E

59

Hình 4.14 Các tập mờ của biến DE

60

Hình 4.15 Tập mờ chuẩn hố dạng Singleton của biến ngõ ra u

60

Hình 4.16 Xây dựng khối vào ra cho luật mờ và logic mờ

61


x

Hình 4.17

Sơ đồ khối mơ phỏng bộ điều khiển mờ (Fuzzy logic) hệ
nêm ngược bằng Matlab Simulink

62

Hình 4.18 Kết quả mơ phỏng vị trí góc link 1 (rad)

63


Hình 4.19 Kết quả mơ phỏng vị trí góc link 2 (rad)

63

Hình 4.20 Kết quả mơ phỏng moment điều khiển

63

Hình 4.21 Mặt đặc tính của bộ mờ

64

Hình 4.22 Cấu trúc bộ điều khiển mờ lai được sử dụng

65

Hình 4.23 Sự phân bố các giá trị mờ của biến đầu vào input

66

Hình 4.24 Tập mờ chuẩn hố dạng Singleton của biến ngõ ra u

67

Hình 4.25 Xây dựng khối vào ra cho luật mờ và logic mờ

68

Hình 4.26


Sơ đồ khối mơ phỏng bộ điều khiển mờ lai (fuzzy hybrid)
hệ pendubot bằng Matlab Simulink

69

Hình 4.27

Đáp ứng vị trí góc link 1 của giải thuật mờ lai so sánh với
giải thuật PID và giải thuật mờ

70

Hình 4.28

Đáp ứng vị trí góc link 2 của giải thuật mờ lai so sánh với
giải thuật PID và giải thuật mờ

70

Hình 4.29

Moment điều khiển của giải thuật mờ lai so sánh với giải
thuật PID và giải thuật mờ

71

Hình 5.1

Sơ đồ phần cứng và cơ khí của hệ pendubot.


74

Hình 5.2

Phác họa sơ đồ kết nối hệ thống Pendubot với thiết bị điều
khiển

75

Hình 5.3

Động cơ servo có tích hợp encoder đo vị trí góc link 1

76

Hình 5.4

Ngun lý hoạt động bộ đọc nhân 4

77

Hình 5.5

Encoder được gắn giữa link 1 và link 2 để đo vị trí góc link
2

78

Hình 5.6


Board TMS320C2000TM Experimenter Kit

79

Hình 5.7

Card DSP TMS320F28335

80


xi

Hình 5.8

Board TMS320C2000TM Experimenter Kit đã gắn card
TMS32F28335

80

Hình 5.9

Nguyên tắc truyền thơng giữa máy tính và kit

82

Hình 5.10 Mặt trước và sau board mạch I2C

83


Hình 5.11

Sơ đồ kết nối chân với encoder và DSP của mạch I2C cho
encoder link1

83

Hình 5.12

Dạng xung ra của encoder sau khi qua mạch chuyển đổi
I2C

83

Hình 5.13 Điều chỉnh tốc độ động cơ theo nguyên tắc PWM

84

Hình 5.14 Board mạch cầu H

85

Hình 5.15 Sơ đồ kết nối giữa DSP – board cầu H – động cơ

85

Hình 5.16 Nguồn cấp động cơ 24VDC-5A

86


Hình 5.17 Sơ đồ kết nối tồn bộ hệ thống

86

Q trình lập trình viết code và đổ xuống board vi điều
khiển
Thư viện Embedded Coder Target Preferences for TI
Hình 5.19
C2000
Thư viện các thiết bị ngoại vi được hỗ trợ cho dịng DSP
Hình 5.20
C28x3x
Hình 5.18

Hình 5.21 Thiết lập chu kỳ điều khiển trong Simulink
Hình khối F28335 eZdsp bên ngoài và block parameters
bên trong
Khối SCI Transmit bên ngoài và block parameters bên
Hình 5.23
trong
Hình 5.22

87
88
89
90
90
91


Hình 5.24 Khối eQEP và block parameters bên trong

92

Hình 5.25 Khối Digital Output và thơng số cài đặt bên trong

92

Hình 5.26 Khối ePWM và thơng số cài đặt bên trong

93


xii

Hình 5.27

Khối xử lý vị trí góc link 1 (encoder read link 1) và bên
trong khối

Hình 5.28 Code của data convert link 1 cho khối xử lý góc link 1
Hình 5.29

Khối xử lý vị trí góc link 2 (encoder read link 2) và bên
trong khối

93
94
94


Hình 5.30 Code của data convert link 2 cho khối xử lý góc link 2

95

Hình 5.31 Bên trong khối mờ lai cho link 1

96

Hình 5.32 Bên trong khối mờ lai cho link 2

96

Hình 5.33 Khối điều khiển động cơ Motor

97

Hình 5.34 Bên trong khối điều khiển động cơ Motor

97

Hình 5.35 Khối điều khiển u control limit

98

Hình 5.36 Code của khối u control limit

98

Hình 5.37 Khối dien ap dieu khien


99

Hình 5.38 Code của khối dien ap dieu khien

99

Hình 5.39 Khối read và S-Function Builder của khối

100

Hình 5.40 Chương trình thu thập dữ liệu thơng qua cổng USB

100

Hình 5.41 Sơ đồ khối bộ điều khiển mờ lai của hệ pendubot

101

So sánh đáp ứng góc q1 của bộ điều khiển PID và bộ điều
khiển mờ lai
So sánh đáp ứng góc q2 của bộ điều khiển PID và bộ điều
Hình 5.43
khiển mờ lai
Điện áp điều khiển đặt lên động cơ trong giải thuật PID và
Hình 5.44
mờ lai
Hình 5.42

101
102

103


xiii

DANH MỤC BẢNG VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT
DANH MỤC BẢNG
STT
Bảng 2.1

Tên bảng

Trang

Ảnh hưởng của việc tăng các thông số KP, KI, KD lên đáp
ứng của hệ thống.

15

Bảng 3.1 Các thông số của hệ pendubot

29

Bảng 3.2 Giá trị các thông số của hệ pendubot

34

Bảng 4.1 Giá trị các thông số của hệ pendubot

48


Bảng 4.2 Các luật hợp thành của giải thuật mờ cho hệ pendubot

61

Bảng 4.3 Các luật hợp thành của giải thuật mờ lai cho hệ pendubot

68

Bảng 5.1 Các chân DSP sử dụng trong đề tài hệ pendubot

82

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
 PID

Proportional Integral Derivative.

 PCI

Peripheral Component Interconnect.

 PWM

Pulse-Width Modulation.

 LQR

Linear Quadratic Regulator.


 SIMO

Single Input Multi Outputs.

 FLC

Fuzzy Logic Control.

 GA

Genetic Algorithm.

 SMC

Sliding Mode Control.

 FSMC

Fuzzy Sliding Mode Control.

 MIMO

Multi Input Multi Outputs.

 DAC

Audio to analog converter.

 PPR


Pulse per revolution.

 DSP

Digital Signal Processor


xiv

LỜI MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Hiện nay đất nước Việt Nam ngày càng phát triển, bước vào thời kỳ cơng
nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước. Cho nên cơng nghệ tự động đóng một vai trị vơ
cùng quan trọng trong mọi hoạt động của cuộc sống con người. Việc nghiên cứu các
giải thuật tự động cả kinh điển, hiện đại và thông minh nhằm ứng dụng và đáp ứng
xây dựng, cải tiến các quy trình sản xuất, chế tạo các thiết bị điều khiển phục vụ cho
công nghiệp, cho cuộc sống.
Vì các đặc tính rất riêng của hệ con pendubot nên việc nghiên cứu và thiết kế
bộ điều khiển cho mơ hình này là một thách thức và rất thú vị trong lĩnh vực điều
khiển tự động. Bên cạnh đó, với sự ứng dụng của mơ hình trong nhiều lĩnh vực thực
tế đời sống hiện đại ngày nay, mơ hình con pendubot đang nhận được sự quan tâm
của rất nhiều các nghành nghề khác nhau như quân sự, xây dựng, hàng không vũ
trụ….
Mặt khác, trong lĩnh vực nghiên cứu, hệ con pendubot là mơ hình phổ biến sử
dụng để nghiên cứu phát triển các phương pháp điều khiển mới, so sánh và kiểm tra
các lý thuyết điều khiển, tạo ra phương pháp học tập nghiên cứu bằng mô hình cụ thể
phục vụ cho việc kiểm chứng các thuật toán điều khiển.
Pendubot là một robot hai chiều với hai bậc tự do và 1 ngõ vào. Mục đích là
là tìm bộ điều khiển số giữ cân bằng cho pendubot tại vị trí TOP và MID. Do nó kém
ổn định và có mơ hình phi tuyến phức tạp nên hệ pendubot thường được dùng để

kiểm tra các thuật toán mới và phân tích so sánh giữa các phương pháp điều khiển.
Sau quá trình học tập và thực tế nghiên cứu, với mong muốn có thiết bị mơ
hình thực tế để khảo sát, đánh giá một số thuật toán điều khiển cân bằng phục vụ cho
nghiên cứu giải thuật điều khiển ứng dụng trong hệ robot sau này. Được sự giúp đỡ
hướng dẫn của thầy Võ Công Phương tôi đã tiến hành nghiên cứu và xây dựng mơ
hình pendubot và đã thực xây dựng mơ hình tốn học hệ phi tuyến của mơ hình, xây
dựng phương trình tốn học tuyến tính hóa của mơ hình, thực hiện khảo sát một số


xv

thuật tốn điều khiển tuyến tính và phi tuyến trên mơ hình tốn nhằm đánh giá chất
lượng các thuật tốn điều khiển, chọn ra thuật toán phù hợp nhất cho mơ hình
pendubot.
2. Mục đích nghiên cứu
-

Tính tốn xây dựng mơ hình tốn học của hệ thống.

-

Xác định các thơng số của hệ thống.

-

Xây dựng mơ hình tốn phi tuyến và tuyến tính hóa mơ hình tốn học phi
tuyến.

-


Xây dựng các phương pháp điều khiển PID, mờ và mờ lai bằng Matlab và mơ
hình thực nghiệm, từ đó so sánh các kết quả đạt được giữa các phương pháp
điều khiển trên.

-

Thi cơng hệ pendubot bằng mơ hình thực tế.

Giữ ổn định cân bằng hệ pendubot tại vị trí TOP.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
-

Xây dựng mơ hình pendubot.

-

Xác định các thơng số hệ pendubot.

-

Xây dựng mơ hình tốn phi tuyến và tuyến tính hóa mơ hình tốn học phi
tuyến hệ pendubot.

-

Xây dựng các phương pháp điều khiển PID, mờ và mờ lai bằng Matlab và
mơ hình thực nghiệm hệ pendubot, từ đó so sánh các kết quả đạt được giữa
các phương pháp điều khiển trên.

4. Ý nghĩa khoa học và cơ sở thực tiễn của đề tài nghiên cứu

Trong cuộc sống hiện đại ngày nay, nhiều ứng dụng thực tế của mơ hình
pendubot như: cánh tay máy, ổn định tháp vơ tuyến, ổn định giàn khoan ngồi biển,
điều khiển các thiết bị quân sự, hàng không vũ trụ… và nhiều ứng dụng khác nhau
đang dần phổ biến và mang lại lợi ích của con người. Các nghiên cứu và ứng dụng
phổ biến của mơ hình penbubot tại Việt Nam như: điều khiển tàu biển, điều khiển xe
hai bánh tự cân bằng, cơng trình dao động rung lắc giàn khoan ….


xvi

Mặt khác, trong lĩnh vực nghiên cứu, pendubot là mô hình phổ biến sử dụng để
nghiên cứu phát triển các phương pháp điều khiển mới, so sánh và kiểm tra các lý
thuyết điều khiển, tạo ra phương pháp học tập nghiên cứu bằng mơ hình cụ thể.

Hình 1: Ứng dụng của mơ hình pendubot
Hiện nay nhiều nhà nghiên cứu đã sử dụng các thuật toán điều khiển khác
nhau để điều khiển hệ thống như thuật toán điều khiển PID, điều khiển trượt, thuật
toán điều khiển LQR, điều khiển Fuzzy logic hay ứng dụng mạng Neural để điều
khiển đã thu được một số thành công đáng kể. Từ thành công trong việc điều khiển
hệ pendubot nhiều nhà nghiên cứu đã phát triển mở ra hướng phát triển ứng dụng
cao hơn về điều khiển cân bằng trong thực tế cuộc sống như điều khiển cách tay
máy nhiều bậc tự do, cơng trình làm giảm dao động rung lắc giàn khoan, robot, điều
khiển cân bằng tàu trong lĩnh vực hàng hải…..
5. Nhiệm vụ nghiên cứu
-

Nghiên cứu Matlab mô phỏng hoạt động trong thời gian thực.

-


Nghiên cứu xây dựng mơ hình tốn hệ pendubot.

-

Mơ phỏng hệ pendubot trong phần mềm Matlab.

-

Nghiên cứu mô phỏng lập chương trình hoạt động của các giải thuật đó với
các công cụ do Matlab/Code Composer Studio sẽ biên dịch và liên kết và nạp
xuống bộ TMS320C2000TM Experimenter Kit để điều khiển.

-

Thực nghiệm điều khiển hệ pendubot trên mơ hình thực.

-

Nhận xét kết quả thực nghiệm.


xvii

6. Phương pháp nghiên cứu
-

Khảo sát, tìm kiếm và thu nhập thơng tin về hệ pendubot gồm các mơ hình
tốn học đã được dẫn xuất, các phương pháp điều khiển đã sử dụng, kết quả
các phương pháp đó thơng qua các bài báo, các phịng thí nghiệm các luận
văn trong và ngồi nước.


-

Chọn và trình bày mơ hình tốn của con pendubot cho phù hợp nhất.

-

Chọn giải thuật điều khiển PID, mờ và mờ lai sau khi xem xét một cách chính
xác và tổng quan có thể dùng cho hệ pendubot.

-

Nghiên cứu cơ sở lý thuyết cho các phương pháp điều khiển đã chọn.

-

Mơ phỏng các phương pháp đó bằng chương trình Matlab/Simulink với các
thơng số có được mượn từ các kết quả tờ báo.

-

Sau khi mô phỏng trên máy tính cho kết quả tốt thì ta bắt đầu thi cơng phần
cơ khí, phần điện và mạch điều khiển cho hệ pendubot.

-

Từ mơ phỏng trên lý thuyết bằng chương trình Matlab cho kết quả khả thi ta
chuyển sang chương trình thực nghiệm điều khiển bằng các phương pháp đã
chọn.


-

Từ các thơng số thực tế của mơ hình khi đã thi công xong, đưa vào mô phỏng
lại các bộ điều khiển và chỉnh cho đến khi đạt được kết quả tốt nhất.

-

Lấy bộ điều khiển đã đạt được yêu cầu khi mơ phỏng lập chương trình hoạt
động của các giải thuật đó với các cơng cụ do Matlab, Simulink, Embedded
Coder Target Preferences for TI C2000. Sau đó chương trình Matlab liên kết
với Code Composer Studio v3.3 sẽ biên dịch và liên kết và nạp xuống bộ
TMS320C2000TM Experimenter Kit để điều khiển.

-

Chạy giải thuật trên mơ hình cơ khí thực nghiệm và điều chỉnh sao cho hệ
pendubot giữ cân bằng tốt nhất.

-

So sánh các kết quả đạt được giữa các bộ điều khiển và rút ra kết luận.

7. Kết quả nghiên cứu
-

Xây dựng được mơ hình tốn học hệ phi tuyến pendubot.

-

Tuyến tính hóa mơ hình phi tuyến hệ pendubot.



xviii

-

Khảo sát các phương pháp điều khiển và đã chạy thành cơng trên chương
trình mơ phỏng cho kết quả khả thi nhất.

-

Xây dựng thành cơng mơ hình cơ khí và phần điện cho hệ pendubot.

-

Điều khiển hệ pendubot giữ cân bằng ổn định tại vị trí TOP bằng các phương
pháp điều khiển đã chọn.

-

Nhận xét các kết quả điều khiển đã chọn và phát triển các phương pháp điều
khiển sau này.


1

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN

1.1. Đặt vấn đề

Hiện nay khái niệm về robot và chế tạo robot để phục vụ nhu cầu của con
người được phát triển rất mạnh mẽ. Robot là một ngành khoa học có nhiệm vụ nghiên
cứu thiết kế chế tạo các robot và ứng dụng chúng trong các hoạt động khác nhau của
xã hội loài người, như nghiên cứu khoa học-kỹ thuật, kinh tế, quốc phòng và dân sinh,
thiết kế máy, phân tích hoạt động và điều khiển, xử lý tín hiệu và hình ảnh, giải thuật
tính tốn. Hay nói cách khác, robot là một liên ngành, gồm cơ khí, điện tử, kỹ thuật
điều khiển và cơng nghệ thông tin. Theo thuật ngữ hiện nay, robot là sản phẩm của
ngành cơ điện tử (mechatronic).
Trong những thập niên gần đây việc chế tạo robot để phục vụ nhu cầu sản xuất
trong môi trường công nghiệp ngày càng được phát triển. Gần đây hàng loạt robot đã
được sản xuất với những mục đích và nhu cầu khác nhau nhằm đáp ứng những nhu
cầu của con người, thay thế con người thực hiện những công việc .lặp đi lặp lại, nặng
nhọc, phức tạp, địi hỏi độ chính xác cao, làm việc trong môi trường khắc nghiệt,
nguy hiểm,…
Trong một số lĩnh vực địi hỏi cánh tay robot phải có trọng lượng nhẹ bằng
cách giảm bớt một số cơ cấu dẫn động và đo lường nhưng vẫn đảm bảo được tính
điều khiển. Vậy nên, cánh tay robot thiếu dẫn động thường nhỏ gọn và tiêu thụ ít năng
lượng hơn. Nhưng với những hệ thống thiếu dẫn động này thường có tính phi tuyến
và bất ổn định cao nên vấn đề điều khiển và ổn định nó đã được nghiên cứu từ lâu.
Trong vài thập niên trở lại đây, trong lĩnh vực người máy người ta bắt đầu
quan tâm đến việc điều khiển máy móc với số ngõ vào điều khiển nhỏ hơn số cơ cấu
chấp hành. Trong đó, chiều dài vector cấu hình hệ thống nhỏ hơn chiều dài của vector
điều khiển. Những hệ thống máy móc như vậy gọi là hệ thống thiếu cơ cấu truyền
động (hay hệ thống thiếu dẫn động). Hệ thống này có thể thực hiện các nhiệm vụ
phức tạp với số lượng cơ cấu truyền động ít và lại có những ưu điểm như: nhẹ, rẻ, ít


2

tiêu hao năng lượng và độ tin cậy cao. Hệ thống thiếu cơ cấu truyền động đang ngày

càng được quan tâm hơn bởi thế mạnh của nó. Hệ thống này có nhiều ứng dụng quan
trọng như: hệ thống tàu khơng gian vũ trụ, hệ thống tàu thủy, hệ thống cần trục,…
Có rất nhiều mơ hình đặc trưng cho hệ thống thiếu cơ cấu truyền động này đã
được các nhà khoa học nghiên cứu và chế tạo như: acrobot, mobile robot, gyrobot,
pendubot, con lắc ngược hai bậc tự do,… Pendubot là một ví dụ điển hình cho hệ
thống thiếu có cấu truyền động này. Pendubot là một robot có hai bậc tự do hoạt động
trong mặt phẳng đứng. Có 1 cơ cấu truyền động nằm ở khớp nối thứ nhất, khớp thứ
hai nối với khớp thứ nhất bằng trục liên kết tự do. Khớp thứ nhất được gắn với cơ cấu
truyền động, trong đó động cơ sẽ điều khiển mơmen. Mục tiêu điều khiển trong hệ là
chuyển hệ robot hai bậc tự do này từ vị trí cân bằng dưới lên vị trí cân bằng trên và
giữ cân bằng ổn định tại vị trí cân bằng trên đó.
Để điều khiển được các hệ thống thiếu dẫn động n bậc thực tế như khớp tay
chân của robot người và robot động vật…thường phải trải qua q trình nghiên cứu
lâu dài. Chính vì vậy các hệ thống với số lượng bậc ít hơn được tạo ra trong phịng
thí nghiệm để thử nghiệm các luật điều khiển từ đó ứng dụng vào điều khiển hệ thống
có bậc cao hơn. Mơ hình cánh tay robot thiếu dẫn động 2 bậc tự do cũng được khởi
xướng và chế tạo từ đó. Vì tính độc đáo và phức tạp nên từ khi ra đời nó đã thu hút
được sự quan tâm của những người nghiên cứu điều khiển tự động.
Pendubot là hệ thống không ổn định và độ phi tuyến ở mức cao. Do đó, nó
thường được dùng phổ biến cho các ứng dụng trong kiểm chứng kỹ thuật điều khiển.
Điều khiển hệ thống pendubot cũng là một vấn đề kiểm soát cổ điển đã được áp dụng
nhiều trong thực tế vì đặc tính động học của pendubot gần giống với quá trình vật lý
cụ thể của q trình phóng tên lửa hoặc hoặt động của các cần cẩu khi chuyển động,…
Nhờ tính năng động học đó pendubot đã được các nhà nghiên cứu sử dụng như một
mơ hình chuẩn để thử nghiệm các thuật tốn điều khiển như điêu khiển PID, điều
khiển trượt, tuyến tính hóa, mạng nơron, logic mờ, kiểm chứng các giả thuật tìm kiếm
thông số như di truyền (Genetic Algorithm) hoặc bầy đàn (PSO),… Điều khiển phi
tuyến địi hỏi phải biêt rõ mơ hình tốn học của đối tượng cũng như các thành phần



3

bất định của chúng. Để điều khiển chính xác các đối tượng khi chưa biết rõ được
thông số, giải thuật PID hoặc điều khiển mờ là giải pháp tối ưu.
Cùng với sự phát triển của xã hội, khoa học kỹ thuật, các phương pháp điều
khiển hiện đại, điều khiển thông minh ra đời. Các phương pháp này ngày càng được
nghiên cứu, phát triển, ứng dụng rộng rãi. Chúng tỏ ra có nhiều ưu thế vượt trội so
với các phương pháp điều khiển kinh điển trước đây, nhất là trong lĩnh vực điều khiển
đối tượng phi tuyến. Điều khiển mờ (fuzzy control) là một trong những phương pháp
điều khiển thông minh lâu đời, đơn giản, có hiệu quả để điều khiển đối tượng phi
tuyến. Kỹ thuật điều khiển này với ưu điểm điều khiển đưa vào những thông tin không
rõ ràng, dùng kinh nghiệm của người thiết kế để điều khiển những đối tượng phi tuyến
khơng xác định được mơ hình toán. Điều khiển mờ là hệ thống điều khiển mà thông
số và cấu trúc của bộ điều khiển thay đổi trong quá trình vận hành pendubot nhằm
giữ vững chất lượng của hệ thống có sự hiện diện của những thơng số bất định hoặc
biến đổi không biết trước thông số của hệ thống. Thực tế, đối tượng luôn tồn tại những
thông số bất định như: nhiễu, ảnh hưởng của điều kiện làm việc,… Vì vậy việc kết
hợp bộ điều khiển kinh điển PID và bộ điều khiển fuzzy làm tăng chất lượng điều
khiển. Do vậy tôi đã chọn đề tài về điều khiển cân bằng pendubot là “Thiết kế bộ
điều khiển mờ lai ổn định cân bằng hệ pendubot”.
1.2. Giới thiệu về mơ hình pendubot
Con lắc quay (Pendulum Robot) được gọi tắt là Pendubot là một loại hệ thống
cơ khí kích thích dưới (under-actuated), tức là số lượng ngõ vào điều khiển ít hơn so
với số lượng ngõ ra. Hệ thống cơ khí này bao gồm hai thanh (links) quay trên hai
khớp nối. Hai thanh lần lượt là vai (thanh 1) và khủy (thanh 2). Khớp vai là một khớp
được kích thích và khớp khủy là khớp bị động. Pendubot thường được sử dụng để
nghiên cứu điều khiển hệ phi tuyến và trong một số lĩnh vực nghiên cứu khác, bởi vì
nó đơn giản để phân tích động học và thử nghiệm mặc dù có phi tuyến mạnh mẽ và
động lực kép giữa hai tay.
Hệ thống Pendubot gồm hai link, link1 gắn ở trục motor DC và ở đuôi motor

gắn một encoder. Link 2 nối kết đến link 1 tại khủy chung và tại đây gắn 1 encoder.


4

Những encoder tại những điểm nối cung cấp phép đo vị trí góc mối liên kết. Hệ thống
PENDUBOT được tạo ra bằng từ ghép (Pendulum và robot) như hình 1.1. Hệ thống
Pendubot này hoạt động tại vai (shoulder) của link 1 và không hoạt động tại khủy
(elbow) link 2. Link 2 này có thể dao động tự do xung quanh link 1 và nó hoạt động
nhờ vào moment qn tính chuyển động của link 1 được gắn trực tiếp với trục động
cơ servo .

Hình 1.1: Hệ thống Pendubot
Để điều khiển cân bằng hệ thống này là rất khó khăn. Mơ hình phải được thiết
kế chính xác, giải thuật điều khiển phải thật tốt mới có thể điều khiển cân bằng được
hệ thống. Có nhiều phương pháp điều khiển hệ thống này, như là điều khiển tối ưu,
điều khiển thich nghi, hay là điều khiển thích nghi bền vững, điều khiển fuzzy ...
Nhiệm vụ trong luận văn này điều khiển cân bằng hệ thống Pendubot sử dụng
phương pháp fuzzy hybrid (mờ lai), thuật toán này được thực hiện trên Matlab bằng
bằng phương pháp bóc khối trong simulink và đổ xuống DSP để chạy.
1.3. Phân tích đánh giá các cơng trình nghiên cứu trong và ngồi nước
Đã có rất nhiều các cơng trình nghiên cứu khoa học, các báo cáo chuyên ngành
trong và ngồi nước đề cập đến mơ hình pendubot này. Đặc biệt, trong ba thập niên
gần đây, vấn đề điều khiển swing-up và cân bằng pendubot được các nhà khoa học


5

trên thế giới quan tâm nghiên cứu và cải tiến, có rất nhiều giải thuật được đề xuất để
phát triển đề tài điều khiển này, ví dụ như: điều khiển trượt, điều khiển hồi tiếp tuyến

tính hóa riêng phần, hồi tiếp trạng thái, điều khiển dựa trên mức năng lượng, … Khi
lý thuyết điều khiển hiện đại phát triển thì các nhà khoa học lại có hướng tìm tịi
những giải thuật mới như giải thuật mờ, giải thuật di truyền, mờ thích nghi, kết hợp
giải thuật di truyền và mờ, kết hợp mạng neural và mờ… để điều khiển và đã thu
được một số thành công đáng kể.
1.3.1. Các công trình nghiên cứu ngồi nước
Hệ thống Pendubot là hệ thống phức tạp, khơng ổn định có tính phi tuyến cao
việc điều khiển giữ cho con lắc cân bằng hay thiết kế bộ điều khiển Swing-up là
những vấn đề rất được quan tâm trong lĩnh vực điều khiển tự động. Thêm vào đó, nếu
hệ thống được chế tạo với độ chính xác và tin cậy cao thì đây là mơ hình lý tưởng cho
các nhà nghiên cứu thực hiện các thí nghiệm về thu thập dữ liệu từ hệ thống để có thể
sử dụng các thuật tốn nhận dạng mơ hình hệ thống mà khơng cần biết mơ hình tốn
học của nó. Bên cạnh đó, việc sử dụng bộ điều khiển như thế nào để có thể giữ cho
Pendubot đứng yên ở vị trí cân bằng là vấn đề rất quan trọng.
Các phương pháp đã sử dụng để điều khiển Pendubot được phân loại như sau:
điều khiển tuyến tính hóa hoặc điều khiển tuyến tính hóa từng phần, điều khiển thơng
minh, điều khiển lai, điều khiển phi tuyến, điều khiển PID, điều khiển trượt, thuật
toán điều khiển tối ưu LQR và điều khiển logic mờ Fuzzy,…
Có nhiều nhà nghiên cứu đã đề xuất các phương pháp swing-up và điều khiển
cân bằng cho pendubot, nổi bật có thể kể đến như: Mark W. Spong và Daniel J. Block
đã áp dụng phương pháp tuyến tính hóa riêng phần để swing-up và sử dụng bộ điều
khiển tồn phương tuyến tính LQR để cân bằng pendubot [17]; Isabelle Fantoni,
Rogelio Lozano, và Mark W. Spong tách ứng dụng điều khiển dựa vào năng lượng
và điều khiển dựa trên tính thụ động để thực hiện điều khiển Pendubot [13]; Mingjun
Zhang và Tzyh-Jong Tarn đề xuất phương pháp điều khiển hybrid, bao gồm kiểm
soát thời gian rời rạc và liên tục [19]; còn Xiao Qing Ma và Chun-Yi Su điều khiển
cân bằng pendubot bằng giải thuật mờ, kết hợp lý thuyết điều chỉnh tuyến tính với