NGHIÊN cứu ỨNG DỤNG điều KHIỂN mờ THÍCH NGHI CHO TAY máy ROBỎ 2 bậc tự DO

Với sự ra đời của lý thuyết điều khiển hiện đại điều khiển thích nghi, điều khiển mờ, mạng nơron… đã tạo điều kiện cho việc xây dựng các bộ điều khiển thông minh đáp ứng yêu cầu công ngh

` ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

Công trình được hoàn thành tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Thanh Hà

Phản biện 1: PGS.TS Lại Khắc Lãi

Phản biện 2: TS Nguyễn Văn Chí

Luận văn này được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn

Họp tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN

Vào hồi 13 h30 ngày 23 tháng 8 năm 2014

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm học liệu Đại học Thái Nguyên

- Thư viện trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Việc nâng cao chất lượng điều khiển tay máy luôn là vấn đề cấp thiết được nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm Các hệ thống điều khiển tay máy hiện nay chủ yếu dùng phương pháp điều khiển kinh điển và được thiết kế theo phương pháp tuyến tính hóa gần đúng Khi thông số của hệ thống thay đổi thì thống số của bộ điều khiển giữ nguyên dẫn đến làm giảm độ chính xác điều khiển ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm

Với sự ra đời của lý thuyết điều khiển hiện đại (điều khiển thích nghi, điều khiển mờ, mạng nơron…) đã tạo điều kiện cho việc xây dựng các bộ điều khiển thông minh đáp ứng yêu cầu công nghệ ngày càng cao của nền sản xuất hiện đại Trong mấy năm gần đây đã có nhiều đề tài nghiên cứu ứng dụng hệ mờ để điều khiển các đối tượng phi tuyến Song phần lớn các nghiên cứu chưa đạt được kết quả như mong muốn Trong đề tài này tác giả nghiên cứu và ứng dụng hệ mờ thích nghi để điều khiển tay máy hai bậc tự do

Trên đây là lý do tác giả chọn đề tài: "Nghiên cứu ứng dụng điều

khiển mờ thích nghi cho tay máy robot hai bậc tự do"

2 Mục đích nghiên cứu

Xây dựng bộ điều khiển mờ thích nghi cho cánh tay robot đảm bảm các yêu cầu chất lượng

3 Đối tượng nghiên cứu

Điều khiển cánh tay robot hai bậc tự do theo mờ thích nghi

4 Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn của đề tài

a) Ý nghĩa khoa học

Bộ điều khiển mờ thích nghi đang nổi lên như một công cụ điều khiển các hệ thống phi tuyến với các thông số chưa xác định Điều

này có ý nghĩa rất lớn về mặt khoa học trong việc điều khiển các đối tượng phi tuyến

Đề tài này sẽ đề cập đến ứng dụng của mờ thích nghi trong việc điều khiển đối tượng phi tuyến đặc biệt là điều khiển cánh tay robot

b) Ý nghĩa thực tiễn

Việc điều khiển cánh tay robot ứng dụng mờ thích nghi có ý nghĩa thực tiễn rất lớn Bởi vì robot được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, chúng buộc phải có khả năng làm việc trong các môi trường không xác định trước và thay đổi Đặc biệt chúng phải nhạy cảm với môi trường làm việc và thực hiện thao tác bất chấp sự có mặt của vật cản trong vùng làm việc Việc nâng cao chất lượng điều khiển robot

sẽ góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm, nâng cao năng suất và hiệu quả lao động

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP VÀ TAY MÁY 1.1 Lịch sử phát triển

1.2 Robot công nghiệp và các ứng dụng

1.3 Ứng dụng robot công nghiệp

1.4 Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp

1.5 Kết cấu tay máy

Hình 1.1 Tay máy kiểu tọa độ Đề các

Hình 1.2 Tay máy kiểu tọa độ trụ

Hình 1.3 Tay máy kiểu tọa độ cầu

Hình 1.4 Tay máy kiểu tọa độ góc

Hình 1.5 Tay máy kiểu SCARA 1.6 Kết luận

Chương I: "Tổng quan về Robot công nghiệp và tay máy" đã nêu một

số vấn đề sau:

- Lịch sử phát triển;

- Robot công nghiệp và các ứng dụng;

- Ứng dụng robot công nghiệp

- Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp

- Kết cấu tay máy

Chương 2 TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN 2.1 Các hệ điều khiển kinh điển

2.1.1 Tổng hợp bộ điều khiển tuyến tính

2.1.2 Tổng hợp bộ điều khiển phi tuyến

- Phương pháp tuyến tính hoá gần đúng

- Phương pháp tuyến tính hoá điều hoà

- Phương pháp tuyến tính hoá từng đoạn

Hình 2.1 Các khối chức năng của bộ điều khiển mờ

b) Giao diện vào, ra

-Luật hợp thành SUM - PROD:

e) Khối giải mờ (rõ hoá)

*Phương pháp cực đại

*Phương pháp điểm trọng tâm

* Phương pháp độ cao

Hình 2.11 So sánh các phương pháp giải mờ

2.3 Điều khiển thích nghi :

2.3.1 Lịch sử phát triển của hệ điều khiển thích nghi

Chương 3 THIẾT KẾ HỆ THÓNG ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI CHO CÁNH TAY ROBOT HAI BẬC TỰ DO VÀ MÔ PHỎNG 3.1 Xây dựng mô hình toán học cánh tay robot hai bậc tự do:

Phương trình động học của robot hai bậc tự do được miêu tả bởi công thức sau:

Hình 3.1 Mô hình robot 2 bậc tự do

Mô hình đối tượng sử dụng các khối Function trong Matlab được mô tả như sau:

Hình 3.1 Mô hình cấu trúc đối tượng trong phần mềm Matlab

Hình 3.2 Mô hình cấu trúc bộ điều khiển PI - Fuzzy trong

phần mềm Matlab

Cấu trúc của bộ lọc đầu vào (State Variable Fiter) được mô tả như sau:

Hình 3.3 Mô hình cấu trúc bộ lọc đầu vào

trong phần mềm Matlab

Hình 3.4 Mô hình cấu trúc mô phỏng điều khiển trong phần

mềm Matlab

* Định nghĩa các biến vào ra:

Hình 3.5: Định nghĩa các biến vào ra của bộ điều khiển mờ 1

Hình 3.6: Định nghĩa các biến vào ra của bộ điều khiển mờ 2

* Định nghĩa tập mờ (giá trị ngôn ngữ) cho các biến vào ra:

Bộ thông số cho Robot được xác định như sau:

Kết quả mô phỏng sử dụng công cụ Matlab-Simulink

Hình 3.13: Quỹ đạo bám của biến khớp1 sử dụng

bộ điều khiển mờ

Hình 3.14: Quỹ đạo bám của biến khớp2 sử dụng

bộ điều khiển mờ

Hình 3.15: Sai lệch tín hiệu đặt và tín hiệu bám của biến khớp 1

và 2

3.3 Kết luận:

Bộ điều khiển PI-FUZZY cho đáp ứng đầu ra của hệ thống khá

tốt ( hình 3.13, hình 3.14) với sự thay đổi tín hiệu vào có dạng bậc thang qua bộ lọc có dạng như hình 3.13, cụ thể sai lệch giữa tín hiệu đặt

được

Tuy nhiên, có hiện tượng dao động khi hệ thống ở trạng

thái xác lập (hình 3.13 và 3.14) Điều này sẽ được khắc phục bằng bộ điều khiển DAFC (Direct Adaptive Fuzzy Controller).

Chương 4 THỰC NGHIỆM BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI TRÊN

ROBOT RD5NT 4.1 Thực nghiệm trên Robot sử dụng bộ điều khiển Fuzzy-PI

- Sơ đồ khối hệ thống thực nghiệm điều khiển Robot tại phòng thí nghiệm Điện – Điện tử - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Hệ thống thực nghiệm có các thành phần: Arduino Board: nhận tín hiệu phản hồi từ sensor vị trí (encoder) và giao tiếp với máy tính, xuất tín hiệu ra mạch công suất (Cầu H) để điều khiển động cơ; Mạch cầu H: Thực hiện nhiệm vụ đảo chiều động cơ; Động cơ dùng

để truyền động cho cánh tay robot

- Mô hình thực nghiệm:

Hình 4.1 Mô hình thực nghiệm

- Sơ đồ khối hệ thống thí nghiệm điều khiển Robot tại phòng thí nghiệm:

Hình 4.2: Sơ đồ khối chạy thực nghiệm

Trong đó:

Simulink:

Hình 4.3: Sơ đồ khối chạy thực nghiệm

Kết quả chạy thực nghiệm điều khiển cho một cánh tay Robot

Hình 4.4.Kết quả chạy thực nghiệm cho một biến khớp

Trong đó:

1 Đường “mầu xanh” là quỹ đâọ đặt cho biến khớp

2 Đường “mầu tím gạch” là quỹ đạo chuyển động của tay máy

Kết quả chạy thực nghiệm trong 7 chu kỳ:

Hình 4.5: Kết quả chạy thực nghiệm cho một biến khớp

Nhận xét:

Bộ điều khiển PI-FUZZY cho kết quả khá tốt trong 7 chu kỳ chạy thực nghiệm, trong một, hai chu kỳ đầu sai lệch giữa quỹ đạo thực

và quỹ đạo đặt của biến khớp điều khiển khoảng 0.05, trong các chu kỳ

tiếp theo quỹ đạo robot được điều khiển ổn định thể hiện trên hình 5.4

và hình 5.5

Qua thực nghiệm ta thấy, khi cánh tay Robot bám theo quỹ đạo xuống thì có hiện tượng giật, và theo quỹ đạo đi lên thì vẫn tồn tại sai lệch tĩnh Điều này sẽ được khắc phục khi sử dụng bộ điều khiển mờ thích nghi trực tiếp

4.2 Thiết kế bộ điều khiển DAFC (Direct Adaptive Fuzzy

Controller) cho tay máy 2 bậc tự do

Bước 1: Chọn số lượng đầu vào, và miền giá trị

Bước 2: Chọn dạng hàm liên thuộc đàu vào

S-function buider

Bước 4: Xây dựng luật thích nghi (cập nhật tham số)

Bước 5: Xây dựng bộ điều khiển mờ thích nghi trực tiếp

Bước 6: Chạy mô phỏng để lấy kết quả

Bộ lọc đầu vào:

Kết quả mô phỏng:

Hình 4.9 Quỹ đạo bám của cánh tay Robot

Hình 4.10 Tin hiệu điều khiển quỹ đạo bám của cánh tay Robot

Hình 4.11 Sai lệch quỹ đạo bám của cánh tay Robot

Đáp ứng đầu ra của hai bộ điều khiển PI-FUZZY và DAFC:

Hình 4.12 So sánh đáp ứng đầu ra của hai bộ điều khiển Nhận xét:

Bộ điều khiển DAFC (Direct Adaptive Fuzzy Controller)cho đáp ứng đầu ra của hệ thống khá tốt ( hình 4.9) với sự thay đổi tín hiệu vào có dạng bậc thang qua bộ lọc có dạng như hình 4.9, cụ thể sai lệch

giữa tín hiệu đặt và tín hiệu thực của hai biến khớp 1 và 2 là khá nhỏ

Đáp ứng đầu ra sau khoảng 1.5 chu kỳ, sai lệch giữa tín hiệu

trên hình 4.9 và hình 4.11 Điều này chứng tỏ bộ điều khiển mờ thích nghi đã hiệu chỉnh các tham số của đầu ra (hình 4.12) sao cho sai lệch

điều khiển là nhỏ nhất

Hơn nữa hiện tượng dao động nhỏ khi xác lập ở bộ điều khiển

mờ truyền thống cũng được khắc phục hoàn toàn bằng luật thích nghi

theo Lyapunov (hình 4.12)

Hình 4.13 Tham số thích nghi cua hàm thuộc đầu ra của bộ điều

khiển mờ 1,2 4.3 Thực nghiệm trên Robot sử dụng bộ điều khiển DAFC

Kết quả chạy thực nghiệm điều khiển cho một cánh tay Robot

Hình 4.14 Tin hiệu điều khiển quỹ đạo bám của cánh tay

Robot

Hình 4.15 Tin hiệu điều khiển quỹ đạo bám của cánh tay

Robot 4.4 Kết luận:

Bộ điều khiển DAFC cho kết quả khá tốt trong 7 chu kỳ chạy thực nghiệm, trong một, hai chu kỳ đầu sai lệch giữa quỹ đạo thực và quỹ đạo đặt của biến khớp

KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHI

Kết luận:

Như vậy, Nội dung cơ bản trong luận văn tập trung vào nghiên cứu ứng dụng phương pháp điều khiển cho cánh tay robot hai bậc tự do

Nhiệm vụ cụ thể là “Nghiên cứu ứng dụng điều khiển mờ thích nghi

cho cánh tay robot hai bậc tự do”

Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn đã hoàn thành các Chương sau: Chương 1: Tổng quan về Robot công nghiệp và tay máy

Chương 2: Tổng quan về các hệ điều khiển

Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển mờ thích nghi cho cánh tay robot hai bậc tự do và mô phỏng

Chương 4: Thực nghiệm bộ điều khiển mờ thích nghi trên robot RD5NT

Kết quả luận văn đã đạt được là:

Thiết kế được bộ điều khiển mờ thích nghi để điều khiển cánh tay robot hai bậc tự do Kết quả mô phỏng và thực nghiệm đã chứng minh bộ điều khiển đã thiết kế đáp ứng được yêu cầu công nghệ điều khiển và bám theo quỹ đạo đặt trước

Luận văn cũng đã đề xuất một phương án cải thiện chất lượng điều khiển bằng điều khiển mờ thích nghi Kết quả mô phỏng cho thấy khi thông số thay đổi và nhiễu tác động vào hệ thống thì bộ điều khiển vẫn duy trì được chất lượng

Kiến nghị :

Với việc nghiên cứu cánh tay robot hai bậc tự do thì bộ điều khiển mờ thích nghi đã đảm bảo được chất lượng làm việc Tuy nhiên

khi số bậc tự do nhiều hơn thì mô hình đối tượng và cấu trúc điều khiển phức tạp hơn nhiều Nên trong thời gian tới hướng nghiên cứu được đề xuất là nghiên cứu bộ mờ thích nghi cho cánh tay robot có số bậc tự do nhiều hơn