Thuật toán PID - thích nghi dùng mạng nơ ron điều khiển hệ con lắc ngược đơn :Luận văn thạc sĩ - Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

NGUYỄN HOÀNG HIẾU

THUẬT TOÁN PID – THÍCH NGHI DÙNG

MẠNG NƠ-RON ĐIỀU KHIỂN HỆ CON LẮC

NGƯỢC ĐƠN

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

Mã chuyên ngành: 8520203

LUẬN VĂN THẠC SĨ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2021

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

Người hướng dẫn khoa học: Tiến sỹ Mai Thăng Long

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 29 tháng 01 năm 2021

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

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA CN ĐIỆN TỬ

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Nguyễn Hoàng Hiếu MSHV: 18105181

Ngày, tháng, năm sinh: 16/12/1976 Nơi sinh: Tp. Hồ Chí Minh

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã chuyên ngành: 8520203

I. TÊN ĐỀ TÀI:

“Thuật toán PID – thích nghi dùng mạng nơ-ron điều khiển hệ con lắc ngược đơn.”

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Tìm hiểu thuật toán điều khiển thích nghi bám

Thiết kế và mô phỏng thuật toán điều khiển PID thích nghi dùng mạng nơ-ron cho

hệ con lắc ngược đơn

Thực nghiệm thuật toán trên mô hình và đánh giá kết quả.

II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: Thực hiện Quyết định số 841/QĐ-ĐHCN ngày

10/07/2020 của Trường Đại Học Công Nghiệp Thành Phố Hồ Chí Minh về việc

giao đề tài và cử người hướng dẫn luận văn thạc sỹ

III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 10/01/2021

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

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 18 tháng 01 năm 2021

NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA CN 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

Trong quá trình thực hiện luận văn, tôi đã nhận được nhiều góp ý về chuyên môn

cũng như sự ủng hộ giúp đỡ của cán bộ hướng dẫn, của các đồng nghiệp nơi tôi học

tập và công tác. Tôi xin được gửi tới họ lời cảm ơn sâu sắc.

Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn đến thầy hướng dẫn Ts. Mai Thăng Long đã trực tiếp

hướng dẫn tôi bằng cả tâm huyết trong suốt thời gian qua.

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp, tập thể Bộ môn Điện tử tự động,

khoa Công nghệ Điện Tử, trường Đại học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh đã

tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu thực hiện

luận án.

Cuối cùng là lời cảm ơn sự ủng hộ, động viên khích lệ của gia đình thân yêu để tôi

hoàn thành nhiệm vụ học tập.

.

ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Luận văn này trình bày về việc xây dựng giải thuật điều khiển PID thích nghi dùng

mạng nơ-ron bám tín hiệu sin cho hệ con lắc ngược quay. Các giải thuật Swing-up,

thuật toán PID, thuật toán thích nghi dùng mạng nơ-ron được thực hiện trong mô

phỏng và thực nghiệm. Thuật toán điều khiển thích nghi bám được xây dựng dựa trên

lật điều khiển hồi tiếp tuyến tính hóa và lý thuyết ổn định Lyapunov cho kết quả tốt

trong thực nghiệm. Kết quả đạt được có tính ứng dụng và mở rộng cho các mô hình

hệ dưới bậc khác và các luật điều khiển thích nghi tối ưu, thích nghi bền vững.

iii

ABSTRACT

This thesis presents the construction of adaptive PID control algorithm using a sine￾based neural network for the rotating inverting pendulum system. Swing-up

algorithms, PID algorithm, neural network adaptation algorithm are performed in

simulation and experiment. The adaptive control algorithm is built based on the

feedback linearization control and Lyapunov's stability theory with good results in

experiment. The results obtained are applicable and extended to other subordinate

system models and optimal adaptive, sustainable adaptive control laws.

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 (nếu có) đã được

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

Học viên

Nguyễn Hoàng Hiếu

v

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. i

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ............................................................................ ii

ABSTRACT.............................................................................................................. iii

LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... iv

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

DANH MỤC HÌNH ẢNH ....................................................................................... vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU ...................................................................................... ix

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT......................................................................................x

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

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

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

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ..........................................................................2

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

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

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU .............................3

1.1 Giới thiệu đề tài ....................................................................................................3

1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu...........................................................................4

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT.......................................................................6

2.1 Mô hình con lắc ngược quay ................................................................................6

Mô hình phần cứng ..........................................................................................6

Phương trình động lực học của hệ thống .........................................................7

Thông số mô hình...........................................................................................12

2.2 Phương pháp điều khiển PID..............................................................................12

2.3 Điều khiển tuyến tính hóa hồi tiếp cho hệ phi tuyến..........................................14

2.4 Mạng Nơ-ron (Neural Network - NN) ...............................................................17

Khái niệm .......................................................................................................17

Mạng nhiều lớp ..............................................................................................18

Đặc tính xấp xỉ hàm tổng quát của mạng nơ-ron ...........................................19