Điều khiển tay máy 3 bậc tự do theo thuật toán PID cải tiến

Ngoài ra, robot công nghiệp còn có một tính năng quan trọng khác là nó có thể làm việc trong những môi trường khắc nghiệt mà con người không thể tham gia vào được như: môi trường nhiều k

tự động hóa quá trình sản xuất với sự có mặt của các robot sẽ làm tăng khả năng mềm dẻo của hệ thống sản xuất, tăng chất lượng của sản phẩm và đặc biệt là có thể làm giảm giá thành sản phẩm để tăng tính cạnh tranh Ngoài ra, robot công nghiệp còn có một tính năng quan trọng khác là nó có thể làm việc trong những môi trường khắc nghiệt mà con người không thể tham gia vào được như: môi trường nhiều khói bụi, môi trường độc hại của hóa chất, môi trường nhiệt độ cao…

Hiện nay, trên thế giới đã có rất nhiều nghiên cứu và ứng dụng robot vào quá trình sản xuất như các robot hàn trong nhà máy sản xuất ô tô, robot lắp máy, robot đào đường hầm, robot cấp phôi trong các máy gia công chi tiết cơ khí, robot quay camera trong các sân vận động, robot tự động nâng hàng… Tuy nhiên ở Việt Nam thì việc nghiên cứu và chế tạo robot mới ở giai đoạn bắt đầu, chủ yếu dừng lại ở mức độ chế thử, chỉ một số ít được chuyển giao vào quá trình sản xuất Các robot này chưa có tính thích nghi ứng với môi trường thay đổi mà chủ yếu hoạt động theo chương trình định trước

Việc nghiên cứu các bộ điều khiển để nâng cao độ chính xác của robot hiện vẫn còn đang được các nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm rất nhiều Đối với hệ điều khiển robot, việc lựa chọn sử dụng các bộ biến đổi, các loại động cơ điện, các thiết bị đo lường, cảm biến, các bộ điều khiển và đặc biệt là phương pháp điều khiển có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng điều khiển bám chính xác quỹ đạo của hệ

Các công trình nghiên cứu về hệ thống điều khiển robot tập trung chủ yếu theo hai hướng là sử dụng các mô hình có tính đặc tính phi tuyến có thể ước lượng

được để đơn giản việc phân tích và thiết kế hoặc đề ra các thuật toán điều khiển mới nhằm nâng cao chất lượng đáp ứng của robot

Với mong muốn tìm hiểu sâu về lĩnh vực cánh tay Robot Chính vì vậy đề tài

“Điều khiển tay máy 3 bậc tự do theo thuật toán PID cải tiến” được thực hiện 1.2 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, phương pháp điều khiển robot cánh tay 3 bậc tự do theo thuật toán PID cải tiến cũng là lựa chọn mới trong các kỹ thuật điều khiển động cơ DC với những ưu điểm sau:

- Đơn giản, không cần đến các khối chuyển đổi tương quan

- Tính linh hoạt cao

- Khả năng điều khiển bền bỉ và chính xác

- Có đầy đủ các yếu tố cho việc thiết kế bộ điều khiển có các tính năng theo yêu cầu đề ra Tính ổn định của điều khiển PID cải tiến rất rộng và bền vững đối với tác động bên ngoài

- Khả năng bám tốc độ đặt cao, ngay cả khi tải thay đổi

 Ưu điểm của phương pháp PID cải tiến so với phương pháp PID thông thường

- Đáp ứng tốc độ vẫn đảm bảo trong các điều kiện tải thay đổi hoặc thông số động cơ thay đổi trong quá trình làm việc

- Cho đáp ứng nhanh, chất lượng truyền động tốt, hiệu suất cao

1.3 MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

1.3.1 Mục tiêu của đề tài

Đề tài này tập trung nghiên cứu bộ điều khiển PID mờ điều khiển động cơ DC nhằm cho thấy sự thích nghi tốt của bộ điều khiển mờ trong điều khiển tốc độ động

cơ DC Việc thiết kế sẽ được mô phỏng trên Matlab/simulink

Để điều khiển được tay máy ta cần giải quyết bài toán sau đây Trước tiên người vận hành nhập giá trị tọa độ (X,Y) vào giao diện điều khiển Phần mềm tính

toán hai góc θ1, θ2 theo bài toán động học ngược Sau đó giá trị θ1, θ2 được đưa qua

bộ điều khiển PID cải tiến để cho ra giá trị trong chế độ thực (θ1r, θ2r là 2 góc cần đạt được, θ1, θ2 l à các góc phản hồi trong quá trình vận hành cánh tay robot)

Hình 1-1: Sơ đồ khối điều khiển tay máy

Sơ đồ khối dưới đây là mạch điều khiển của động cơ 1

Lấy hiệu hai giá trị θ1r và θ1 ta được giá trị sai số e Sau đó e được đưa qua bộ PID cải tiến ta được giá trị điện áp u, qua bộ khuếch đại công suất và đưa đến động cơ

H ình 1-2: Sơ đồ mạch điều khiển cho động cơ 1 Tương tự như trên ta áp dụng cho hai giá trị θ2r và θ2

H ình 1-3: Sơ đồ mạch điều khiển cho động cơ 2

Để thực hiện được bài toán như trên, tác giả xây dựng mô hình robot tay máy

3 bậc tự do như hình (1 – 4) Động cơ (3) điều khiển link1 (5), có encoder (4) phản

hồi góc θ1 Động cơ (7) điều khiển link1 (8), có encoder (6) phản hồi góc θ2 Xylanh

(9) tịnh tiến bàn tay kẹp lên xuống và xylanh (10) điều khiển bàn tay kẹp

6

9 Khớp 1

Khớp 2

12

a b c d

h

10

Link2 Link1

Hình 1-4: Mô hình tay máy 3 bậc tự do

1.3.2 Nội dung nghiên cứu

- Các phương pháp điều khiển động cơ DC

- Động học tay máy

- Thiết kế bộ điều khiển PID mờ cho động cơ dẫn động các khớp

- Mô phỏng

- Xây dựng mô hình thực nghiệm

1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU:

- Trao đổi với giáo viên hướng dẫn về nhiệm vụ được giao và các vấn đề có liên quan

- Tìm hiểu lý thuyết về điều khiển cánh tay 3 bậc tự do và thuật toán PID làm

cơ sở cho việc thiết kế bộ điều khiển cho robot

- Tham khảo các sách, bài báo trên mạng về robot

- Nghiên cứu Thuật toán điều khiển PID cải tiến cho robot

1.5 ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN VĂN:

Nghiên cứu các nhiệm vụ và yêu cầu mới về ổn định, tin cậy của hệ robot tay máy để phù hợp với tình hình kinh tế phát triển Tìm hiểu cấu trúc và hoạt động của robot theo thuật toán PID cải tiến và mô phỏng 3D trên LabVIEW

1.6 GIÁ TRI THỰC TIỄN CỦA LUẬN VĂN:

Hệ tay máy 3 bậc tự do Scara được sử dụng nhiều trong công nghiệp trên thế

giới Đề tài “ Điều khiển tay máy 3 bậc tự do theo thuật toán PID cải tiến” góp

phần vào việc phát triển nghiên cứu robot này ở Việt Nam, nhằm mục đích phục vụ cho công tác đào tạo và nghiên cứu ở các trường đại học, cao đẳng và trung cấp chuyên nghiệp

1.7 BỐ CỤC LUẬN VĂN:

Luận văn gồn 5 chương:

các khớp

 Tài liệu tham khảo

CHƯƠNG II

CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP

2.1.1 Lịch sử phát triển

Thuật ngữ “Robot” lần đầu tiên xuất hiện năm 1922 trong tác phẩm

“Rosum’s Universal Robot “ của Karal Capek Theo tiếng Séc thì Robot là người làm tạp dịch Trong tác phẩm này nhân vật Rosum và con trai ông đã tạo ra những chiếc máy gần giống như con người để hầu hạ con người

Hơn 20 năm sau, ước mơ viễn tưởng của Karel Capek đã bắt đầu hiện thực Ngay sau chiến tranh thế giới lần thứ 2, ở Mỹ đã xuất hiện những tay máy chép hình điều khiển từ xa, trong các phòng thí nghiệm phóng xạ Năm 1959, Devol và Engelber đã chế tạo Robot công nghiệp đầu tiên tại công ty Unimation

Năm 1967 Nhật Bản mới nhập chiếc Robot công nghiệp đầu tiên từ công ty AMF của Mỹ Đến năm 1990 có hơn 40 công ty của Nhật, trong đó có những công

ty khổng lồ như Hitachi, Mitsubishi và Honda đã đưa ra thị trường nhiều loại Robot nổi tiếng

Những robot đầu tiên thực chất là sự nối kết giữa các khâu cơ khí của cơ cấu điều khiển từ xa với khả năng lập trình của máy công cụ điều khiển số

Từ những năm 70, việc nghiên cứu nâng cao tính năng của robot đã chú ý nhiều đến sự lắp đặt thêm các cảm biến ngoại tín hiệu để nhận biết môi trường làm việc Tại trường đại học tổng hợp Stanford, người ta đã tạo ra loại Robot lắp ráp tự động điều khiển bằng vi tính trên cơ sở xử lý thông tin từ các cảm biến lực và thị giác Vào thời gian này công ty IBM đã chế tạo Robot có các cảm biến xúc giác và cảm biến lực điều khiển bằng máy vi tính để lắp ráp các máy in gồm 20 cụm chi tiết

Những năm 90 do áp dụng rộng rãi các tiến bộ khoa học về vi xử lý và công nghệ thông tin, số lượng Robot công nghiệp đã tăng nhanh, giá thành giảm đi

rõ rệt, tính năng đã có nhiều bước tiến vượt bậc Nhờ vậy Robot công nghiệp đã

có vị trí quan trọng trong các dây truyền sản xuất hiện đại Ngày nay, chuyên ngành khoa học nghiên cứu về Robot “Robotics” đã trở thành một lĩnh vực rộng trong khoa học, bao gồm các vấn đề cấu trúc cơ cấu động học, động lực học, lập trình quỹ đạo, cảm biến tín hiệu, điều khiển chuyển động v.v…

Có thể nói, Robot là sự tổ hợp khả năng hoạt động linh hoạt của các cơ cấu điều khiển từ xa với mức độ “tri thức” ngày càng phong phú của hệ thống điều khiển theo chương trình số cũng như kỹ thuật chế tạo các bộ cảm biến, công nghệ lập trình và các phát triển của trí khôn nhân tạo, hệ chuyên gia

Trong những năm sau này, việc nâng cao tính năng hoạt động của robot không ngừng phát triển Các robot được trang bị thêm các loại cảm biến khác nhau

để nhận biết môi trường chung quanh, cùng với những thành tựu to lớn trong lĩnh vực Tin học - Điện tử đã tạo ra các thế hệ robot với nhiều tính năng đăc biệt, Số lượng robot ngày càng gia tăng, giá thành ngày càng giảm Nhờ vậy, robot công nghiệp đã có vị trí quan trọng trong các dây chuyền sản xuất hiện đại

2.1.2 Phân loại Robot công nghiệp

2.1.2.1 Theo chủng loại, mức độ điều khiển, và nhận biết thông tin của tay máy-người máy đã được sản xuất trên thế giới có thể phân loại các IR thành các thế hệ sau:

Thế hệ 1: Thế hệ có kiểu điều khiển theo chu kỳ dạng chương trình cứng không có khả năng nhận biết thông tin

Thế hệ 2: Thế hệ có điều khiển theo chu kỳ dạng chương trình mềm bước đầu đã có khả năng nhận biết thông tin

Thế hệ 3: Thế hệ có kiều điều khiển dạng tinh khôn, có khả năng nhận biết thông tin và bước đầu đã có một số chức năng lý trí của con người

2.1.2.2 Phân loại tay máy theo cấu trúc sơ đồ động:

Thông thường cấu trúc chấp hành của tay máy công nghiệp được mô hình hóa trong dạng chuỗi động với các khâu và các khớp như trong nguyên lý máy với các giả thuyết cơ bản sau:

- Chỉ sử dụng các khớp động loại 5 ( khớp quay, khớp tịnh tiến, khớp vít)

- Trục quay hướng tịnh tiến của các khớp thì song song hay vuông góc với nhau

- Chuỗi động chỉ là chuỗi động hở đơn giản

Robot công nghiệp rất phong phú đa dạng, có thể được phân loại theo các cách sau:

- Cấu trúc chuyển động toàn bộ (chân người) cấu trúc này thực hiện chuyển động đem toàn bộ tay máy (tay người) đến vị trí làm việc Cấu trúc này hết sức đa dạng và thông thường nếu không phải là tay máy hoạt động trong hệ thống

mà chuyển động này cần có sự kiểm soát Người ta thường coi tay máy là đứng yên, khâu 0 gọi là giá cố định của tay máy

- Cấu trúc xác định bàn kẹp bao gồm các khớp A,B và F các khâu 1, 2 và 3, chuyển động của cấu trúc này đem theo bàn kẹp với vị trí làm việc Do giả thiết về loại khớp động dùng trong chế tạo máy thông thường ta có những phối hợp sau đây của các khớp và từ đó tạo nên những cấu trúc xác định vị trí của bàn kẹp trong các không gian vị trí khác nhau của bản kẹp Phối hợp TTT nghĩa là 3 khớp đều là khớp tịnh tiến và một khớp quay Đây là cấu trúc hoạt động trong hệ toạ độ Đề Các so với các toạ độ So vì 3 điểm M nằm trên khâu 3 khớp đều là khớp tịnh tiến và một chuyển động quay ( tức là hai toạ độ dài)

Phối hợp TRT, RTT, hay TTR nghĩa là một khớp tịnh tiến hai khớp quay ( các cấu trúc 2, 3, và 4) Đây là cấu trúc hoạt động trong hệ toạ độ trụ so với điểm M trên khâu 3 được xác định bởi 2 chuyển động tịnh tiến và một chuyển động quay( tức là hai toạ độ dài một toạ độ gốc)

Phối hợp RTR, RRT, TTR nghĩa là hai khớp tịnh tiến và hai khớp quay Đây

là cấu trúc hoạt động trong hệ tọa độ cầu so với hệ So, vì điểm M trên khâu 3 được xác định bởi một chuyển động tịnh tiến và hai chuyển động quay

Phối hợp RRR tức là 3 khớp quay , đây là các cấu trúc hoạt trong toạ

độ góc so với hẹ So, vì điểm M trên khâu 3 được xác định bởi ba chuyển động quay, cấu trúc này được gọi là cấu trúc phỏng sinh học

Tuy nhiên trong thực tế, đối với các tay máy chuyên dùng ta chuyên môn hoá

và đặc biệt đảm bảo giá thành và giá đầu tư vào tay máy thấp, người ta không nhất thiết lúc nào cũng phải chế tạo tay máy có đủ số ba khớp động cho cấu trúc xác định

2.1.2.3 Phân loại theo kết cấu :

Theo kết cấu của tay máy người ta phân thành robot kiểu toạ độ Đề các, Kiểu toạ độ trụ, kiểu toạ độ cầu, kiểu toạ độ góc, robot kiểu SCARA

2.1.2.4 Phân loại theo hệ thống truyền động :

Có các dạng truyền động phổ biến là :

Hệ truyền động điện : Thường dùng các động cơ điện 1 chiều (DC : Direct Current) hoặc các động cơ bước (step motor) Loại truyền động này dễ điều khiển, kết cấu gọn

Hệ truyền động thuỷ lực : có thể đạt được công suất cao, đáp ứng những điều kiện làm việc nặng Tuy nhiên hệ thống thủy lực thường có kết cấu cồng kềnh, tồn tại độ phi tuyến lớn khó xử lý khi điều khiển

Hệ truyền động khí nén : có kết cấu gọn nhẹ hơn do không cần dẫn ngược nhưng lại phải gắn liền với trung tâm tạo ra khí nén Hệ này làm việc với công suất trung bình và nhỏ, kém chính xác, thường chỉ thích hợp với các robot hoạt động

theo chương trình định sẳn với các thao tác đơn giản “nhấc lên - đặt xuống” (Pick and Place or PTP : Point To Point)

2.1.2.5 Phân loại theo ứng dụng :

Dựa vào ứng dụng của robot trong sản xuất có Robot sơn, robot hàn, robot lắp ráp, robot chuyển phôi v.v

2.1.2.6 Phân loại theo cách thức và đặc trưng của phương pháp điều khiển :

Có robot điều khiển hở (mạch điều khiển không có các quan hệ phản hồi), Robot điều khiển kín (hay điều khiển servo) : sử dụng cảm biến, mạch phản hồi để tăng độ chính xác và mức độ linh hoạt khi điều khiển

Ngoài ra còn có thể có các cách phân loại khác tuỳ theo quan điểm và mục đích nghiên cứu

2.1.3 Ứng dụng của ROBOT:

Robot được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau Có thể phân loại ứng dụng công nghiệp của robot làm các lĩnh vực chính: Vận chuyển, bốc dỡ vật liệu, gia công, lắp ráp thăm dò và các ứng dụng khác

2.1.3.1 Ứng dụng robot trong vận chuyển, bốc dỡ vật liệu

Trong ứng dụng vận chuyển, robot có nhiệm vụ di chuyển đối tượng từ vị trí này đến vị trí khác Nhiệm vụ này của robot thực hiện bởi các thao tác nhặt và đặt vật thể Robot nhặt chi tiết ở một vị trí và chuyển dời đến một vị trí khác Robot có thể gấp một chi tiết ở một vị trí cố định hoặc trên một băng tải đang chuyển động và đặt ở một vị trí cố định khác hoặc đặt trên một băng tải khác đang chuyển động với định hướng chi tiết Robot có khả năng bốc xếp và vận chuyển các chi tiết có hình dạng và kích thước khác nhau nhờ các thông tin chuẩn về lưu trữ trong bộ nhớ và robot sử dụng các cảm biến để nhận dạng các chi tiết thực

2.1.3.2 Ứng dụng trong lĩnh vực gia công vật liệu

Trong công nghiệp gia công vật liệu, robot thực hiện nhiệm vụ như một máy gia công Do đó tay robot sẽ gắn một dụng cụ thay cho một cơ cấu kẹp Ứng dụng

của robot trong cong nghiệp gia công vật liệu bao gồm các công nghệ sau: Hàn điểm; hàn hồ quang liên tục;sơn phủ; công nghệ gia công kim loại…

2.1.3.3 Ứng dụng robot trong lắp ráp và kiểm tra sản phẩm

Công nghệ lắp ráp là lắp một chi tiết vào một bộ phận khác Robot được sử dụng trong dây chuyền lắp ráp thông thường ở bốn dạng sau:lắp chi tiết vào lỗ, lắp

lỗ vào chi tiết, lắp chi tiết nhiều chân vào lỗ và lắp ngăn xếp Ở công đoạn lắp chi tiết vào lỗ, robot nhặt một chi tiết, thông thường là một chốt lắp vào một bộ phận khác Chi tiết có thể là hình trụ tròn hoặc hình hộp chữ nhật Robot sử dụng trong lắp ráp thông thường có 5 - 6 bậc tự do để có thể lắp chính xác

Trong công nghiệp lắp ráp, robot có thể hoạt động đơn lẻ để lắp hoàn thiện một thiết bị hoặc làm việc trong một dây chuyền, trong đó mỗi robot sẽ có nhiệm vụ lắp một chi tiết trong một thiết bị máy

Bộ phận chấp hành giúp cho Robot có đủ “sức” chịu được tải trọng mà Robot phải chịu trong quá trình làm việc, bộ phận này bao gồm:

Phần 1: Bộ phận chịu chuyển động , phần tạo các khả năng chuyển động cho Robot

Phần 2: Bộ phận chịu lực, phần chịu lực của Robot.Bộ cảm biến tín hiệu: làm nhiệm vụ nhận biết, đo lường và biến đổi thông tin các loại tín hiệu như : các nội tín trong bản thân Robot, đó là các tín hiệu về vị trí, vận tốc, gia tốc, trong từng thành phần của bộ phận chấp hành các ngoại tín hiệu, là các tín hiệu từ môi trường bên ngoài có ảnh hưởng tới hoạt động của Robot

Với cấu trúc và chức năng như trên, Robot phần nào mang tính “người” còn phần máy chính là trạng thái vật lý của cấu trúc

Với IR tính chất “ người” và “máy”cũng được thể hiện đầy đủ như trên, duy trì hình thức mang dáng dấp của tay “người”

Tay máy công nghiệp thường có những bộ phận sau:

Hệ thống điều khiển: thường là loại đơn giản làm việc có chu kỳ vận hành theo nguyên lý của hệ thống điều khiển hở hoặc kín

Hệ thống chấp hành: bao gồm các nguồn động lực, hệ thống truyền động, hệ thống chịu lực như: các động cơ thuỷ, khí nén, cơ cấu servo điện tử, động

cơ bước Mỗi chuyển động của IR thường có một động cơ riêng và các thanh chịu lực

- Bàn kẹp: là bộ phận công tác cuối cùng của tay máy, nơi cầm nắm các thiết

bị công nghệ háy vật cần di chuyển

Dưới đây là một số hình ảnh về các robot và nơi ứng dụng của chúng mà chúng ta thường gặp:

Hình 2 – 1: Robot trên dây chuyền của một trung tâm sản xuất linh hoạt

hình 2 – 2: Rôbốt phục vụ máy phay CNC

Hình 2 – 3: Robot Mitsubishi RV-2AJ

Hình 2 – 4: Một số loại robot

• Tại các lò phản ứng hạt nhân (a)

• Thám hiểm đại dương (b)

• Khám phá vũ trụ (c)

2.1.4 Tổng quan tình hình nghiên cứu Robot trong và ngoài nước

Ngày nay, tự động hóa là một trong những ngành kỹ thuật cao đang phát triển mạnh mẽ và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của đời sống xã hội Đặc biệt trong các dây chuyền sản xuất công nghiệp, các tay máy và người máy đã được sử dụng rộng rãi nhằm thay thế sức lao dộng của con người, góp phần nâng cao năng suất, chất lượng, giãm giá thành sản phẩm

Ở nước ta trong thập niên qua, tình hình ứng dụng robot có những thay đổi lớn Nhiều doanh nghiệp phải nhập các thiết bị robot trong dây chuyền sản xuất Do nhu cầu thực tế đặt ra như vậy, đòi hỏi phải nghiên cứu và đào tạo về các hệ thống robot để phát triển ngành này ở nước ta

Một số đề tài nghiên cứu khoa học ở nước ta từ trước cho tới nay như:

bảo hộ lao động

xuất trong các điều kiện môi trường độc hại và không an toàn”

1 = 120,28 mm

3.2 Bài toán động học ngược :

* Giải bài toán động học ngược bằng phép biến đổi giải tích

Nội dung bài toán này được phát biểu như sau: “Cho trước số khâu, số khớp, loại khớp, kích thước di động của các khâu thành viên, và cho trước vị trí hướng của khâu tác động cuối trong hệ tọa độ Descarters Ta phải xác định vị trí của các khâu thành viên thong qua các tọa độ suy rộng của chúng sao cho khâu tác động cuối đạt được vị trí và hướng yêu cầu”

Nếu như so với bài toán thuận có một đáp số duy nhất thì ngược lại bài toán ngược có vô số đáp số, lý do là sự mô tả vị trí tương đối giữa các khâu thành viên chỉ là ánh xạ theo chiều thuận mà không có chiều nghịch Để giải quyết vấn đề này nhằm chọn ra nghiệm tối ưu, người ta đưa ra các ràng buộc về động học bên trong vùng không gian hoạt động của nó Hoặc đặt vấn đề phải tối ưu hóa hoạt động của tay máy theo hàm mục tiêu cụ thể nào đó để chọn lời giải tối ưu nhất Để giải bài toán ngược trước tiên ta đưa ra các bài toán mục tiêu và giải bài toán đó với các ràng buộc

Thiết lập thông số ban đầu

Giải bài toán động học ngược

Gọi M(X,Y) là điểm cuối cùng của tay máy

Ta có:

)()

sin,(cos

2

tan

)()

,(2tan)

,(

)2

/(

)(

2 2 2

2 1 1

2 2

2

2 2

1

1

2 2 2

2 1 2

2 2 1 2 2 2

Rad a

Rad K

K a

Y X a

d Y X

3.3 Lưu đồ thuật toán điều khiển robot

Ở chế độ Run, nhập giá trị tọa độ (X,Y) Giá trị này được đưa vào bài toán động học ngược giải ra hai góc θ1r và θ2r Sau đó ta tính sai số e(t) = θ1r - θ2r= 0 Nếu đúng tiến hành gắp vật, nếu sai giá trị e(t) được đưa qua bộ PID c ải tiến để tính

ra giá trị u Giá trị này được khuếch đại và đưa ra động cơ

Hình 3 – 2: Lưu đồ thuật toán điều khiển tay máy

Bắt đầu

Nhập (X1,Y1); (X2,Y2)

S

Đ

CHƯƠNG IV

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CHO ĐỘNG CƠ DẪN ĐỘNG CÁC KHỚP 4.1 Giới thiệu về bộ điều khiển PID thông thường

Một bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (bộ điều khiển PID) là một cơ chế

phản hồi vòng điều khiển (bộ điều khiển) tổng quát được sử dụng rộng rãi trong các

hệ thống điều khiển công nghiệp – bộ điều khiển PID được sử dụng phổ biến nhất trong số các bộ điều khiển phản hồi Một bộ điều khiển PID tính toán một giá trị

"sai số" là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt mong muốn Bộ

điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển

đầu vào Trong trường hợp không có kiến thức cơ bản về quá tr.nh, bộ điều khiển

PID là bộ điều khiển tốt nhất [1] Tuy nhiên, để đạt được kết quả tốt nhất, các thông

số PID sử dụng trong tính toán phải điều chỉnh theo tính chất của hệ thống-trong khi kiểu điều khiển là giống nhau, các thông số phải phụ thuộc vào đặc thù của hệ thống

Giải thuật tính toán bộ điều khiển PID bao gồm 3 thông số riêng biệt, do đó

đôi khi nó c.n được gọi là điều khiển ba khâu: các giá trị tỉ lệ, tích phân và đạo

hàm, viết tắt là P, I, và D Giá trị tỉ lệ xác định tác động của sai số hiện tại, giá trị

tích phân xác định tác động của tổng các sai số quá khứ, và giá trị vi phân xác định

tác động của tốc độ biến đổi sai số Tổng chập của ba tác động này dùng để điều

chỉnh quá trình thông qua một phần tử điều khiển như vị trí của van điều khiển hay

bộ nguồn của phần tử gia nhiệt Nhờ vậy, những giá trị này có thể làm sáng tỏ về

quan hệ thời gian: P phụ thuộc vào sai số hiện tại, I phụ thuộc vào tích lũy các sai

số quá khứ, và D dự đoán các sai số tương lai, dựa vào tốc độ thay đổi hiện tại.[2]

Bằng cách điều chỉnh 3 hằng số trong giải thuật của bộ điều khiển PID, bộ điều khiển có thể dùng trong những thiết kế có yêu cầu đặc biệt Đáp ứng của bộ điều khiển có thể được mô tả dưới dạng độ nhạy sai số của bộ điều khiển, giá trị mà bộ điều khiển vọt lố điểm đặt và giá trị dao động của hệ thống Lưu là công dụng của giải thuật PID trong điều khiển không đảm bảo tính tối ưu hoặc ổn định cho hệ thống

Vài ứng dụng có thể yêu cầu chỉ sử dụng một hoặc hai khâu tùy theo hệ thống Điều này đạt được bằng cách thiết đặt đội lợi của các đầu ra không mong muốn về 0 Một bộ điều khiển PID sẽ được gọi là bộ điều khiển PI, PD, P hoặc I nếu vắng mặt các tác động bị khuyết Bộ điều khiển PI khá phổ biến, do đáp ứng vi phân khá nhạy đối với các nhiễu đo lường, trái lại nếu thiếu giá trị tích phân có thể khiến hệ thống không đạt được giá trị mong muốn

4.1.1 Khâu tỷ lệ P (Proportional)

Sơ đồ điều khiển PID được đặt tên theo ba khâu hiệu chỉnh của nó, tổng của

ba khâu này tạo thành bởi các biến điều khiển (MV) Ta có:

Khâu tỉ lệ được cho bởi:

trong đó

Pout: thừa số tỉ lệ của đầu ra

Kp: Độ lợi tỉ lệ, thông số điều chỉnh

e: sai số = SP - PV

t: thời gian hay thời gian tức thời (hiện tại)

Độ lợi của khâu tỉ lệ lớn là do thay đổi lớn ở đầu ra mà sai số thay đổi nhỏ Nếu độ lợi của khâu tỉ lệ quá cao, hệ thống sẽ không ổn định (xem phần điều chỉnh vòng) Ngược lại, độ lợi nhỏ là do đáp ứng đầu ra nhỏ trong khi sai số đầu vào lớn,

và làm cho bộ điều khiển kém nhạy, hoặc đáp ứng chậm Nếu độ lợi của khâu tỉ lệ quá thấp, tác động điều khiển có thể sẽ quá bé khi đáp ứng với các nhiễu của hệ thống

Với khâu tỷ lệ P ta có luật điều khiển P, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của khâu P được mô tả theo hình 4.1:

* Khâu tích phân

Đồ thị PV theo thời gian, tương ứng với 3 giá trị Ki (Kp và Kd không đổi)

Phân phối của khâu tích phân (đôi khi còn gọi là reset) tỉ lệ thuận với cả biên độ sai

số lẫn quảng thời gian xảy ra sai số Tổng sai số tức thời theo thời gian (tích phân sai số) cho ta tích lũy bù đã được hiệu chỉnh trước đó Tích lũy sai số sau đó được nhân với độ lợi tích phân và cộng với tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển Biên độ

phân phối của khâu tích phân trên tất cả tác động điều chỉnh được xác định bởi độ lợi tích phân, KI

Thừa số tích phân được cho bởi:

trong đó

Iout: thừa số tích phân của đầu ra

KI: độ lợi tích phân, 1 thông số điều chỉnh

e: sai số = SP - PV

t: thời gian hoặc thời gian tức thời (hiện tại)

: một biến tích phân trung gian

Khâu tích phân (khi cộng thêm khâu tỉ lệ) sẽ tăng tốc chuyển động của quá trình tới điểm đặt và khử số dư sai số ổn định với một tỉ lệ chỉ phụ thuộc vào bộ điều khiển Tuy nhiên, vì khâu tích phân là đáp ứng của sai số tích lũy trong quá khứ, nó

có thể khiến giá trị hiện tại vọt lố qua giá trị đặt (ngang qua điểm đặt và tạo ra một

độ lệch với các hướng khác) Để t.m hiểu thêm các đặc điểm của việc điều chỉnh độ lợi tích phân và độ ổn của bộ điều khiển

* Khâu vi phân

Đồ thị PV theo thời gian, với 3 giá trị Kd (Kp and Ki không đổi) Tốc độ thay đổi của sai số qua trình được tính toán bằng cách xác định độ dốc của sai số theo thời gian (tức là đạo hàm bậc một theo thời gian) và nhân tốc độ này với độ lợi tỉ lệ

Kd Biên độ của phân phối khâu vi phân (đôi khi được gọi là tốc độ) trên tất cả các

hành vi điều khiển được giới hạn bởi độ lợi vi phân, Kd

Thừa số vi phân được cho bởi:

trong đó

Dout: thừa số vi phân của đầu ra

Kd: Độ lợi vi phân, một thông số điều chỉnh

e: Sai số = SP - PV

t: thời gian hoặc thời gian tức thời (hiện tại)

Khâu vi phân làm chậm tốc độ thay đổi của đầu ra bộ điều khiển và đặc tính này là đang chú nhất để đạt tới điểm đặt của bộ điều khiển Từ đó, điều khiển vi phân được sử dụng để làm giảm biên độ vọt lố được tạo ra bởi thành phần tích phân

và tăng cường độ ổn định của bộ điều khiển hỗn hợp Tuy nhiên, phép vi phân của một tín hiệu sẽ khuếch đại nhiễu và do đó khâu này sẽ nhạy hơn đối với nhiễu trong sai số, và có thể khiến quá tr.nh trở nên không ổn định nếu nhiễu và độ lợi vi phân

đủ lớn Do đó một xấp xỉ của bộ vi sai với băng thông giới hạn thường được sử dụng hơn Chẳng hạn như mạch bù sớm pha

* Tóm tắt

Khâu tỉ lệ, tích phân, vi phân được cộng lại với nhau để tính toán đầu ra của

bộ điều khiển PID Định nghĩa rằng u(t) là đầu ra của bộ điều khiển, biểu thức cuối cùng của giải thuật PID là:

trong đó các thông số điều chỉnh là:

Độ lợi tỉ lệ, KP

giá trị càng lớn thì đáp ứng càng nhanh do đó sai số càng lớn, bù khâu tỉ lệ càng lớn Một giá gị độ lợi tỉ lệ quá lớn sẽ dấn đến quá tr.nh mất ổn định và dao động

Độ lợi tích phân, Ki

giá trị càng lớn kéo theo sai số ổn định bị khử càng nhanh Đổi lại là độ vọt

lố càng lớn: bất kỳ sai số âm nào được tích phân trong suốt đáp ứng quá độ phải được triệt tiêu tích phân bằng sai số dương trước khi tiến tới trạng thái ổn định

Độ lợi vi phân, Kd

giá trị càng lớn càng giảm độ vọt lố, nhưng lại làm chậm đáp ứng quá độ và

có thể dẫn đến mất ổn định do

khuếch đại nhiễu tín hiệu trong phép vi phân sai số

4.2 ĐIỀU KHIỂN PID cải tiến

4.2.1 Giới thiệu chung

Điều khiển mờ được thực hiện dựa trên lý thuyết logic mờ gọi là điều khiển

Điều khiển mờ có thế mạnh trong các hệ thống sau:

 Hệ thống điều khiển phi tuyến

 Hệ thống điều khiển mà các thông tin đầu vào và đầu ra không đủ hoặc không xác định

 Hệ thống điều khiển khó xác định hoặc không xác định được mô hình đối tượng

Sơ đồ điều khiển có nhiều dạng khác nhau Dưới dây là một sơ đồ điều khiển đơn giản thường gặp, trong đó bộ điều khiển mờ được dùng thay thế cho bộ điều khiển kinh điển