Điều khiển trượt thích nghi cho hệ robot hai bánh tự cân bằng dựa trên mạng neural :Luận văn thạc sĩ - Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

VÕ BÁ VIỆT NGHĨA

ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT THÍCH NGHI CHO

HỆ ROBOT HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG

DỰA TRÊN MẠNG NEURAL

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

Mã chuyên ngành: 60520203

LUẬN VĂN THẠC SĨ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2019

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

VÕ BÁ VIỆT NGHĨA

ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT THÍCH NGHI CHO

HỆ ROBOT HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG

DỰA TRÊN MẠNG NEURAL

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

Mã chuyên ngành: 60520203

LUẬN VĂN THẠC SĨ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2019

Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Công nghiệp TP. Hồ Chí Minh.

Người hướng dẫn khoa học: .........................................................................................

Người phản biện 1: .......................................................................................................

Người phản biện 2: .......................................................................................................

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn thạc sĩ Trường Đại

học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh ngày . . . . . tháng . . . . năm . . . . . .

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1. ...................................................................................- Chủ tịch Hội đồng

2. ...................................................................................- Phản biện 1

3. ...................................................................................- Phản biện 2

4. ...................................................................................- Ủy viên

5. ...................................................................................- Thư ký

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Võ Bá Việt Nghĩa MSHV: 16083551

Ngày, tháng, năm sinh: 11-09-1994 Nơi sinh: Bà Rịa - Vũng Tàu

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã chuyên ngành: 60520203

I. TÊN ĐỀ TÀI:

Điều khiển trượt thích nghi cho hệ robot hai bánh tự cân bằng dựa trên mạng neural

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Nghiên cứu, thiết kế và thực nghiệm giải thuật trượt thích nghi dựa trên mạng neural

ứng dụng cho mô hình robot hai bánh tự cân bằng.

Phân tích đánh giá các kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm.

II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: Quyết định số 2057/QĐ-ĐHCN, ngày 02/10/2018

của Trường Đại học Công Nghiệp TPHCM về việc giao đề tài và cử người hướng

dẫn luận văn thạc sĩ.

III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 02/04/2019

IV. NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: Tiến sĩ Mai Thăng Long.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2019

NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

i

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến toàn bộ ban lãnh đạo và quý

đồng nghiệp tại trường SaigonTech đã tạo điều kiện cho tôi ổn định về công việc, yên

tâm công tác và luôn động viên việc học tập, nghiên cứu nâng cao trình độ của tôi.

Tiếp đến tôi xin trân trọng cảm ơn Trường Đại học Công nghiệp thành phố Hồ Chí

Minh đã tạo điều kiện và cung cấp các thiết bị học tập tốt nhất cho chúng tôi. Bên

cạnh đó, không thể thiếu sự đóng góp của quý thầy cô trong khoa Công Nghệ Điện

Tử đã đồng hành chia sẽ các kiến thức, kinh nghiệm quý báu của mình dành cho các

học viên lớp Cao học điện từ 6B trong đó có tôi. Đặc biệt, tôi rất cảm ơn thầy Mai

Thăng Long và thầy Nguyễn Ngọc Sơn đã tận tình hướng dẫn, tháo gỡ những khúc

mắc về kiến thức và nhắc nhở tôi trong quá trình mà tôi thực hiện luận văn. Hơn nữa,

cảm ơn các bạn và các anh trong lớp Cao học điện tử 6B đã đồng cam cộng khổ, hết

lòng giúp đỡ lẫn nhau lúc thuận lợi cũng như lúc khó khăn trong hai năm học vừa qua

để cùng nhau đến được ngày hôm nay. Cảm ơn Thiện, người bạn, người anh em là

người đã, đang và sẽ dành cả thanh xuân cùng tôi đi trên con đường học vấn.

Sau tất cả, là lời cảm ơn đến gia đình. Cảm ơn vợ và con đã là nguồn động lực chính

đáng là to lớn nhất, luôn luôn bên cạnh lo lắng và chăm sóc cho tôi trong suốt quá

trình học tập.

ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Luận văn này trình bày bộ điều khiển trượt thích nghi dựa trên mạng neural để điều

khiển bám quỹ đạo tham chiếu cho hệ robot hai bánh tự cân bằng. Trong sơ đồ điều

khiển, một mạng neural ba lớp được áp dụng để ước lượng trực tuyến các thông số

mô hình chưa biết và một bộ điều khiển thích nghi bền vững để bù sai số ước lượng

và nhiễu. Việc thiết kế luật cập nhật trực tuyến các thông số của mạng neural, bù

nhiễu và sai số ước lượng có được bằng việc sử dụng định lý ổn định Lyapunov. Do

đó, bộ điều khiển đã đề xuất có thể đảm bảo tính ổn định và bền vững. Dựa theo các

kết quả mô phỏng, chúng ta nhận thấy rằng các giá trị ngõ ra của hệ thống bám theo

các giá trị đặt mong muốn ở lân cận vùng không, cung cấp bằng chứng xác minh tính

hiệu quả của bộ điều khiển đã đề xuất đến hiệu suất làm việc của robot. Tính hiệu quả

và bền vững của hệ điều khiển đề xuất được xác minh bằng cách so sánh các kết quả

mô phỏng.

iii

ABSTRACT

This thesis presents an adaptive sliding controller based on a neural network to a

control reference trajectory for a two-wheeled self-balancing robot system. In the

control scheme, a three-layer neural network is applied to estimate the unknown

model parameters online and a robust adaptive controller to compensate for

estimating errors and noise. The design of the law updates the parameters of neural

networks, noise compensation, and estimation errors is derived using Lyapunov

stability theorem. Therefore, the proposed controller can guarantee the stability and

robustness. Based on the simulation results, we found that the output values of the

system follow the desired values near a neighborhood of zero, provided evidence to

verify the effectiveness of the proposed controller to the performance of the robot.

The effectiveness and sustainability of the proposed control system are verified by

comparing simulation results.

iv

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tôi. Các kết quả nghiên

cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn

nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực

hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định.

Học viên

Võ Bá Việt Nghĩa

v

MỤC LỤC

MỤC LỤC...................................................................................................................v

DANH MỤC HÌNH ẢNH ...................................................................................... viii

DANH MỤC BẢNG BIỂU ...................................................................................... xi

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT................................................................................... xii

MỞ ĐẦU.....................................................................................................................1

1. Đặt vấn đề ......................................................................................................1

2. Mục tiêu nghiên cứu ......................................................................................1

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .................................................................1

4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu....................................................2

5. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài...........................................................................2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN..................................................................................3

1.1 Giới thiệu .......................................................................................................3

1.2 Khó khăn trong việc thiết kế bộ điều khiển...................................................6

1.3 Đóng góp chính của bài nghiên cứu ..............................................................6

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT.......................................................................7

2.1 Cơ sở lý thuyết toán học ................................................................................7

2.1.1 Chuẩn của véc-tơ và tín hiệu ..................................................................7

2.1.2 Các tính chất của ma trận......................................................................10

2.2 Khái niệm về sự ổn định..............................................................................12

2.3 Lý thuyết ổn định Lyapunov .......................................................................13

2.4 Mạng neural.................................................................................................16

2.5 Động lực học của robot hai bánh tự cân bằng .............................................18

2.6 Giảm động lực học ......................................................................................19

vi

CHƯƠNG 3 BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT THÍCH NGHI DỰA TRÊN MẠNG

NEURAL ........................................................................................................22

3.1 Sơ đồ khối bộ điều khiển.............................................................................22

3.2 Cơ sở thiết kế bộ điều khiển trượt thích nghi ..............................................22

3.3 Cơ sở việc dùng mạng neural để ước lượng................................................25

3.4 Thiết kế bộ điều khiển trượt thích nghi dùng mạng neural .........................27

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG ..................................................................................30

4.1 Xây dựng sơ đồ mô phỏng dùng MATLAB –Simulink..............................30

4.2 Các thông số mô hình ..................................................................................30

4.3 Kết quả mô phỏng........................................................................................34

4.3.1 Trường hợp 1 – Thành phần trượt chứa hàm sign s ...........................34

4.3.2 Trường hợp 2 – Thành phần trượt chứa hàm sign s ..........................36

4.3.3 Trường hợp 3 – Thành phần trượt chứa hàm sign s ...........................38

4.3.4 Trường hợp 1 – bộ điều khiển PD ........................................................41

4.3.5 Trường hợp 1 – bộ điều khiển SMC.....................................................43

4.3.6 Trường hợp 1 – bộ điều khiển SMC + NN...........................................45

4.3.7 Trường hợp 1 – bộ điều khiển SMC + NN + bù nhiễu.........................47

4.3.8 Trường hợp 2 – bộ điều khiển PD ........................................................50

4.3.9 Trường hợp 2 – bộ điều khiển SMC.....................................................52

4.3.10 Trường hợp 2 – bộ điều khiển SMC + NN .......................................54

4.3.11 Trường hợp 2 – bộ điều khiển SMC + NN + bù nhiễu .....................56

4.3.12 Trường hợp 3 – bộ điều khiển PD.....................................................59

4.3.13 Trường hợp 3 – bộ điều khiển SMC..................................................61

4.3.14 Trường hợp 3 – bộ điều khiển SMC + NN .......................................63