การออกแบบตัวควบคุมแบบโมเดลเรฟเฟอร์เรนซ์อะแดปทีฟสำหรับระบบอินเวอร์ทเพนดูลัม

Abstract

วิทยานิพนธ์ฉบับนี้ นำเสนอการออกแบบตัวควบคุมเสถียรภาพของระบบอินเวอร์ทเพนดูลัม ซึ่งระบบอินเวอร์ทเพนดูลัมเป็นระบบไม่เป็นเชิงเส้นและไม่เสถียรภาพ ตัวควบคุมการรักษาเสถียรภาพของระบบ จะถูกออกแบบด้วยหลักการควบคุมแบบโมเดลเรฟเฟอร์เรนซ์อะแดปทีฟ (Model Reference Adaptive Control) ซึ่งเป็นตัวควบคุมแบบปรับตัวได้จะทำให้ค่าอัตราขยายที่ได้จากระบบแบบป้อนกลับมีการปรับค่าตัวเองตามสภาพของระบบ ซึ่งต่างจากการควบคุมที่มีค่าอัตราขยายคงที่ ทำให้ระบบมีความยืดหยุ่นมากยิ่งขึ้น ในวิทยานิพนธ์ฉบับนี้ ใช้ระบบอินเวอร์ทเพนดูลัมและรถรางซึ่งเคลื่อนที่อยู่บนรางเลื่อนระบบที่ใช้ในการทดลองจะประกอบไปด้วยชุดเพนดูลัมที่ปลายมีจุดหมุนยึดติดกับตัวรถราง ตัวรางเลื่อนใช้เซอร์โวมอเตอร์ในการขับเคลื่อนและใช้เอนโค๊ดเดอร์วัดตำแหน่งการเคลื่อนที่ นอกจากนี้ยังใช้กล้องความเร็วสูงในการตรวจจับตำแหน่งปลายของเพนดูลัมเพื่อวัดมุมเอียง ซึ่งแตกต่างจากการวัดมุมเอียงของเพนดูลัมโดยทั่วไปซึ่งจะใช้เอนโค๊ดเดอร์ ส่วนการทดลองแบ่งเป็นสองส่วนคือ การรักษาเสถียรภาพของระบบและการติดตามตำแหน่งของรถราง โดยเปรียบเทียบระหว่างตัวควบคุม Model Reference Adaptive Control (MRAC) และตัวควบคุม Linear Quadratic Regulator (LQR) ซึ่งเป็นตัวควบคุมแบบมีค่าอัตราขยายคงที่ จากผลการทดลองพบว่าตัวควบคุม LQR และ MRAC สามารถควบคุมให้เพนดูลัมรักษาเสถียรภาพไว้ได้ ส่วนการทดลองการติดตามตeแหน่งเมื่อพิจารณาตำแหน่งการเคลื่อนที่ของรถราง ตัวควบคุม MRAC สามารถควบคุมให้รถรางติดตามตำแหน่งได้ใกล้เคียงและคงที่เมื่อเปรียบเทียบกับตำแหน่งอ้างอิงมากกว่าตัวควบคุม LQR ซึ่งตำแหน่งการเคลื่อนที่ของรถรางมีการเหลื่อมล้ำและไม่คงที่เมื่อเปรียบเทียบกับตำแหน่งอ้างอิง แสดงให้เห็นว่าตัวควบคุม MRAC ที่มีค่าอัตราขยายปรับตัวได้ สามารถควบคุมตำแหน่งได้ใกล้เคียงกว่าตัวควบคุม LQR ที่มีค่าอัตราขยายคงที่

This thesis presents the controller design for stabilizing the inverted pendulum system which is nonlinear and unstable system. Model Reference Adaptive Control (MRAC) technique was designed for controlled the inverted pendulum system. MRAC technique was designed for control the pendulum system. The adaptive controller will adapt the gain of state feedback system which is difference from the fixed gain controller and makes the system more flexible. In this thesis the system used in this experiment was compounded of the inverted pendulum which connects with the linear drive transmission. The linear drive transmission was drived by servomotor and measured the position by encoder. Besides, a high speed camera was used to measure the tilt angle of the pendulum which unlike a general measure which will be used encoder. The experiments can be divided into 2 parts as stabilizing the system and tracking the position of linear drive transmission which their results were compared between MRAC controller and the LQR controller which is the fixed gain controller. From the experiments shown that the LQR and MRAC controllers can stabilize the inverted pendulum into upright the position. As for the tracking position result, MRAC can control the position of the cart close to the reference position than the LQR controller which denotes that the adaptive gain controller is able to adjust the gain for controller the position better than the fixed gain controller.