tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật NGHIÊN cứu ỨNG DỤNG bộ điều KHIỂN HIỆN đại CHO hệ điều KHIỂN các CHUYỂN ĐỘNG của ROBOT THEO QUỸ đạo PHẲNG

Kỹ thuật Robot đã và đang được ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực ởnhiều nước, nó đã đem lại hiệu quả to lớn trong sản xuất công nghiệp, trong quốcphòng, y tế, xã hội, thám hiểm

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

Luận văn được hoàn thành tại trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp TháiNguyên.

Cán bộ HDKH: PGS.TS Nguyễn Như Hiển

Phản biện 1: PGS.TS Trần Xuân Minh

Phản biện 2: GS.TSKH Phạm Hữu Đức Dục

Luận văn đã được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn, họp tại: Phòng caohọc số 02, trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

Vào 10 giờ 30 phút ngày 06 tháng 11 năm 2010

Có thể tìm hiểu luận văn tại Trung tâm Học liệu tại Đại học Thái Nguyên vàThư viện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

MỞ ĐẦU

Đất nước ta đang trong giai đoạn công nghiệp hóa hiện đại hóa, trong mộttương lai không xa một số lĩnh vực hoạt động phải được trang bị lại để tiến kịp cácnước trong khu vực và thế giới, tiếp cận các công nghệ hiện đại để đẩy nhanh quátrình phát triển của đất nước

Kỹ thuật Robot đã và đang được ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực ởnhiều nước, nó đã đem lại hiệu quả to lớn trong sản xuất công nghiệp, trong quốcphòng, y tế, xã hội, thám hiểm vũ trụ…

Có thể nói rằng, Robot là một ngành khoa học tổng hợp đòi hỏi nhiều kiếnthức của nhiều ngành khác liên quan như: Toán học, Cơ học, Cơ khí, Điện tử, Điềukhiển tự động, Tin học, trí tuệ nhân tạo,…Trong đó lĩnh vực điều khiển tự động, là

ngành khoa học đóng vai trò quan trọng, là động lực thúc đẩy sự phát triển của khoa

học về Robot Tuy vậy vào thời điểm hiện tại, lĩnh vực này được xem là còn khámới mẻ

Từ khi mới ra đời, Robot được áp dụng trong nhiều lĩnh vực dưới góc độthay thế sức người Nhờ vậy các dây chuyền sản xuất được tổ chức lại, năng suất vàhiệu quả sản xuất tăng lên rõ rệt

Cũng như khoa học về Robot, khoa học về các phương pháp điều khiển hiệnđại đã và đang được phát triển hoàn thiện Từ những ngày đầu mới hình thành, cácphương pháp điều khiển hiện đại được nhiều nhà khoa học quan tâm và đã được ápdụng điều khiển nhiều hệ thống khác nhau trong công nghiệp, đặc biệt là các hệchuyển động Robot nhằm nâng cao chất lượng của hệ thống

Với ý nghĩa đó, tôi đã chọn đề tài “NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU

KHIỂN HIỆN ĐẠI CHO HỆ ĐIỀU KHIỂN CÁC CHUYỂN ĐỘNG CỦA ROBOT THEO QUỸ ĐẠO PHẲNG ” để làm đề tài nghiên cứu.

Nội dung của luận văn được chia thành 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về Robot và các bộ điều khiển hiện đại.

Chương 2: Thiết kế bộ điều khiển mờ lai cascade để điều khiển chuyển động của Robot 2DOF trong mặt phẳng

Chương 3: Mô phỏng và đánh giá chất lượng hệ thống.

Các kết luận và kiến nghị.

Tôi xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy PGS TS Nguyễn

Như Hiển – người đã hướng dẫn tận tình và giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn thạc sĩ

này

Tôi xin chân thành cám ơn các thầy cô ở Khoa Điện – Trường Đại học Kỹthuật Công nghiệp đã đóng góp nhiều ý kiến và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoànthành luận văn

Tôi xin chân thành cám ơn Khoa sau Đại học, xin chân thành cám ơn BanGiám Hiệu Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp đã tạo những điều kiện thuậnlợi nhất về mọi mặt để tôi hoàn thành khóa học

Tôi xin chân thành cám ơn!

Thái Nguyên, ngày 06 tháng 11 năm 2010

Người thực hiện

Đào Quốc Chính

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP

ĐIỀU KHIỂN HIỆN ĐẠI 1.1 Tổng quan về Robot

1.1.1 Lịch sử phát triển

Đầu thập kỷ 60 của thế kỷ XX, công ty AMF của Mỹ đã quảng cáo một loạimáy tự động vạn năng và gọi là “Người máy công nghiệp” Ngày nay, các thiết bịđược điều khiển tự động thực hiện các chức năng thay thế con người để tiến hànhcác thao tác trong sản xuất hoặc các nhiệm vụ khác được gọi là Robot

Robot đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong đời sống con người, nhất là trongsản xuất và trong các nhiệm vụ đặc biệt khác Về kỹ thuật, sự ra đời của Robot có nguồn

gốc từ hai lĩnh vực là các cơ cấu điều khiển từ xa và các máy công cụ điều khiển số.

Vào những năm giữa thế kỷ XX, sự ra đời của các máy công cụ điều khiển

số đã đáp ứng yêu cầu gia công các chi tiết trong ngành chế tạo máy bay NhữngRobot đầu tiên ra đời từ đó, thực chất là việc kết hợp giữa các khâu cơ khí của cơcấu điều khiển từ xa với khả năng lập trình của máy công cụ điều khiển số

Sau đó, cùng với các tiến bộ của khoa học trong lĩnh vực điện tử, nhất là việcchế tạo được các vi xử lý có khả năng tính toán và xử lý số liệu phức tạp một cáchnhanh chóng, Robot được phát triển để sử dụng trong nhiều lĩnh vực sản xuất côngnghiệp (như sản xuất ô-tô), thực hiện các tác nghiệp dịch vụ, với những tính năngngày càng nâng cao và gần gủi với con người hơn

Càng ngày, sự phát triển của các loại Robot càng mạnh với mức độ “tri thức”càng cao, hệ thống điều khiển được số hoá và ứng dụng các lý thuyết về trí tuệ nhântạo, tính toán mềm,

Trong các “bộ phận” cấu thành Robot, cánh tay Robot (Robot arm) đóng mộtvai trò hết sức quan trọng Nó được thiết kế và điều khiển linh hoạt, ổn định, càngcao thì khả năng ứng dụng càng lớn

Cùng với sự phát triển không ngừng của lý thuyết điều khiển, cũng như nhucầu sử dụng Robot trong công nghiệp, người ta đã nghiên cứu và ứng dụng trongthực tế các phương pháp điều khiển Robot và cánh tay Robot, ví dụ như:

- Các phương pháp điều khiển kinh điển, sử dụng các bộ điều khiển PIDnhằm đảm bảo cho điểm tác động cuối (end-effector) của tay máy dịch chuyển bámtheo một quỹ đạo định trước

- Các phương pháp điều khiển hiện đại: điều khiển tối ưu, điều khiển thíchnghi, điều khiển bền vững (điều khiển mờ, điều khiển trượt, …)

1.1.2 Hệ truyền động trong Robot

1.1.2.1 Truyền động điện

1.1.2.2 Truyền động khí nén và thuỷ lực

1.1.3 Vần đề điều khiển cánh tay Robot

1.1.3.1 Khái quát

Cánh tay Robot là thành phần quan trọng, nó quyết định khả năng làm việc

của Robot Mô hình cấu trúc chung của cánh tay Robot gồm n khâu như Hình 1.1.

Hình 1.1: Sơ đồ minh họa cánh tay Robot n khâu

1.1.3.2 Vấn đề điều khiển cánh tay Robot

Trong phạm vi đề tài này, tác giả tập trung vào việc nghiên cứu điều khiểncánh tay Robot với những giới hạn sau:

- Điều khiển cánh tay Robot hai khâu quay (Hình 1.2) hai bậc tự do (2DOF)với thông số cho ở Bảng 1.2

- Hệ dẫn động gồm hai động cơ điện một chiều kích từ độc lập dùng để tạo

ra mô men quay cho hai khớp của Robot

- Phương thức dịch chuyển theo quỹ đạo

Hình 1.2: Sơ đồ cánh tay Robot 2DOF

1.1.3.3 Động học của cánh tay Robot 2DOF

a Động học thuận

b Động học ngược

c Động lực học cánh tay Robot 2DOF

1.2 Giới thiệu về lý thuyết điều khiển logic mờ

1.2.1 Lịch sử phát triển Logic mờ

1.2.2 Bộ điều khiển mờ lý tưởng

1.2.3 Điều khiển mờ cơ bản

Sơ đồ khối của bộ điều khiển gồm có 4 khối: khối mờ hóa (fuzzifiers), khốihợp thành, khối luật mờ và khối giải mờ (defuzzifiers) như hình

Hình 1.3: Sơ đồ khối chức năng của bộ điều khiển mờ

Khối mờ hóa

Khối hợp thành (Defuzzifiers)Giải mờ

Khối luật mờĐầu vào

1.3.2.3 Điều khiển công tắc thích nghi bằng khóa mờ

Hình 1.5a Bộ điều khiển mờ lai có khâu tiền xử lý mờ

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI CASCADE ĐỂ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG ROBOT 2DOF THEO QUỸ ĐẠO PHẲNG

2.1 Khái quát

Để tổng hợp bộ điều chỉnh vị trí, chúng ta tiến hành tổng hợp điều khiển vịtrí động cơ theo ba vòng kín sau:

- Vòng trong cùng điều chỉnh dòng điện,

- Vòng thứ hai điều chỉnh tốc độ động cơ,

- Vòng ngoài cùng điều chỉnh vị trí

2.2 Tổng hợp bộ điều chỉnh vị trí PID cho động cơ điện một chiều

2.2.1 Các thông số ban đầu

2.2.1.1 Động cơ điện một chiều.

a Động cơ điện một chiều

b Các phương trình mô tả động cơ điện một chiều

c Sơ đồ cấu trúc của động cơ điện một chiều

Hình 2.2: Cấu trúc của động cơ điện một chiều khi từ thông không đổi

2.2.1.3 Biến dòng:

Hàm truyền bộ biến dòng là:

1

I bd

I

K W

T p



 (2.9)Chọn KI = Idm/10 = 0.6; TI = 0.001 (s)

2.2.1.4 Máy phát tốc:

Hàm truyền của máy phát tốc có dạng:

1

K W

K W

Ri

Ui

đ

(-) E(p)U

đ

Hình 2.4: Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh

dòng điện

OM 2 2

1

F i =

1 2 p2p (2-15)Chọn  = min(Tsi , Tư ) = Tsi

Vậy ta có hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện:

u i

cl i

u

PT T

u cl i si

R K

K K

1

vt vt

K pT



(-)(-)

2.2.4 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh vị trí (R).

Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều chỉnh vị trí còn lại như hình 2.8:

Khi tổng hợp mạch vòng tốc độ dùng chuẩn tối ưu đối xứng ta có hàm truyềncủa đối tượng:

s vt

K K K

ưu modul

p

Khi dùng chuẩn tối

ưu đối xứng

1

vt vt

K pT



Hình 2.8

2.2.5 Tính phi tuyến của bộ điều khiển vị trí.

2.3 Xây dựng bộ điều khiển mờ lai cascade để điều chỉnh vị trí cho cánh tay Robot 2DOF

2.3.1 Đặt vấn đề

2.3.2 Bộ điều khiển mờ lai cascade

Sơ đồ cấu trúc khâu mờ lai cho vòng điều khiển vị trí như sau:

Bộ điều khiển mờ cần 2 đầu vào và 1 đầu ra

Hai đầu vào là sai lệch vị trí góc (eq) và đạo hàm của sai lệch vị trí góc (deq) của khớp 1 và 2.

Một đầu ra là tín hiệu bù tốc độ

2.3.2.1 Biến ngôn ngữ và miền giá trị của nó

- Miền giá trị của biến đầu vào thứ nhất (sai lệch vị trí eq) được chọn là:

eq i = {AL, AV, AN, ZE, DN, DV, DL},

deq i = { AL, AV, AN, ZE, DN, DV, DL },

i , = { AL, AV, AN, ZE, DN, DV, DL } = Bui,

với i = 1; 2 và ký hiệu: AL = âm lớn, AV = âm vừa, AN = âm nhỏ, ZE = không, DN

= dương nhỏ, DV = dương vừa và DL = dương lớn.

2.3.2.2 Xác định hàm liên thuộc (membership function).

Rời rạc hóa hàm liên thuộc của biến đầu vào eq, deq

Biến ngôn ngữ eq và deq có miền giá trị trong khoảng [-3.142 3.142] và có 7

hàm liên thuộc được rời rạc hóa như sau :

Rời rạc hóa các hàm liên thuộc đầu ra delU dk :

Biến ngôn ngữ đầu ra có 7 hàm liên thuộc được rời rạc hóa như sau :

Việc thiết kế bộ điều khiển mờ cũng rất đa dạng, qua việc tổ chức cácnguyên tắc điều khiển và chọn tập mờ cho các biến ngôn ngữ cho phép người tathiết kế các bộ điều khiển mờ khác nhau

Khối lượng công việc cần thực hiện khi thiết kế một bộ điều khiển mờ khôngphụ thuộc vào đặc tính của đối tượng Điều này có nghĩa là quá trình xử lý của một

bộ điều khiển mờ với những nguyên tắc điều khiển cho các đối tượng có đặc tínhđộng học khác nhau là hoàn toàn như nhau

Quy dao dat

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 SAI LECH QUY DAO

Thoi gian t

CHƯƠNG 3

MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG

3.1 Mô phỏng hệ thống điều khiển chuyển động cánh tay Robot sử dụng bộ điều chỉnh PID.

3.1.1 Mô hình simulink hệ thống điều khiển chuyển động cánh tay Robot sử dụng bộ điều chỉnh PID.

Hình 3.1 Mô hình hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID

3.1.2 Kết quả mô phỏng điều khiển vị trí của cánh tay Robot dùng bộ hiệu

chỉnh PID (với trường hợp khối lượng tải Mt=0; mô men quán tính tải Jt=0).

 Kết quả về quỹ đạo di chuyển của Robot theo quỹ đạo đặt.

Hình 3.9 Đồ thị quỹ đạo đặt và quỹ đạo thực

của Robot dùng PID

Hình 3.10 Đồ thị sai lệch quỹ đạo dùng PID

Quy dao dat

Quy dao thuc Robot

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025

Thoi gian t

Dựa vào đồ thị quỹ đạo đặt và quỹ đạo thực của di chuyển cánh tay Robot,

đồ thị sai lệch quỹ đạo, ta nhận thấy rằng:

+ Trong khoảng thời gian từ 0 giây đến 10 giây: Đây là khoảng thời giancánh tay Robot di chuyển đến vị trí đầu của quỹ đạo Do Robot đáp ứng chậm và

mô men sinh ra bởi cánh tay khá lớn, nên hệ thống dao động với biên độ dao độnglớn nhất khoảng 10% giá trị lớn nhất đặt của quỹ đạo Thời gian dao động trongkhoảng 2s Sai số xác lập khoảng 0.005, điều này do đáp ứng đầu ra của hệ thốngtrễ so với giá trị đầu vào Điều này hợp lí vì hệ thống luôn có thời gian đáp ứng trễ

+ Tại t = 10s đến 20s: Do có sự thay đổi đường đi quỹ đạo, điều này làm thayđổi chiều quay của động cơ hai khớp, nên dẫn đến sự dao động của tín hiệu trướckhi xác lập Tuy nhiên, biên độ dao động của tín hiệu quỹ đạo đầu ra đã nhỏ đi rấtnhiều, và sai số xác lập cũng nhỏ đi rất nhiều khoảng 0,001

3.2 Mô phỏng hệ thống điều khiển chuyển động cánh tay Robot sử dụng bộ mờ lai.

3.2.1 Mô hình simulink hệ thống điều khiển chuyển động cánh tay Robot sử dụng bộ mờ lai.

3.2.2 Kết quả mô phỏng điều khiển vị trí của cánh tay Robot dùng bộ mờ lai (với trường hợp khối lượng tải Mt = 0; mô men quán tính tải Jt = 0).

* Kết quả về quỹ đạo di chuyển của Robot theo quỹ đạo đặt.

Hình 3.24 Đồ thị quỹ đạo đặt và quỹ đạo

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 -0.5

0 0.5 1 1.5 2 2.5 Do thi goc quay khop 2

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025

Hình 3.36 Sai lệch quỹ đạo dùng PID và Fuzzy

3.3.1.2 Sai lệch góc quay hai khớp của cánh tay Robot.

Hình 3.37 Đồ thị góc quay khớp 1 giữa giá

0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 Do thi sai lech quy dao Robot

ta thấy rằng độ sai lệch quỹ đạo ở cả hai trường hợp gần bằng nhau Tuy nhiên biên

độ dao động ở các thời gian quá độ ở bộ mờ lai giảm so với bộ điều khiển PID

3.3.2.2 Sai lệch góc quay hai khớp của cánh tay Robot.

-0.5 0 0.5 1 1.5 2

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045

giữa PID và Fuzzy

3.3.2.3 Sai lệch về tốc độ góc quay hai khớp.

Hình 3.48 Đồ thị sai lệch tốc độ góc khớp 1

giữa PID và Fuzzy

Hình 3.49 Đồ thị sai lệch tốc độ góckhớp 2 giữa PID và Fuzzy

3.3.3 Trường hợp Mt=2, Jt = 0.5

3.3.3.1 Sai lệch quỹ đạo cánh tay Robot.

-0.5 0 0.5 1 1.5 2

Hình 3.50 Đồ thị sai lệch quỹ đạo giữa PID và Fuzzy

3.3.3.2 Sai lệch góc quay hai khớp của cánh tay Robot.

Hình 3.51 Đồ thị góc quay khớp 1 giữa giá

giữa PID và Fuzzy

3.3.3.3 Sai lệch về tốc độ góc quay hai khớp.

NHẬN XÉT:

- Khi cánh tay chuyển động theo quỹ đạo, ta phải đưa cánh tay Robot về vịtrí ban đầu Việc chọn vị trí ban đầu phải thích hợp để cơ cấu không sinh ra lực cảnlớn, mô men cản lớn

- Sai lệch tốc độ trong quá trình chuyển động của cánh tay Robot so với tốc

độ của quỹ đạo đặt là tốt (gần bằng 0) so với khi dùng bộ PID Biên độ dao động tạicác thời điểm quá độ và sai lệch quỹ đạo được giảm

- Khi chọn các tập giá trị mờ và luật điều khiển thích hợp thì luật điều khiển

mờ giúp cho hệ đạt được độ chính xác khá cao, ngay cả với giá trị đặt rất nhỏ

- Hệ thống mô phỏng đã được xét các trường hợp cánh tay Robot mang cácphụ tải khác nhau, điều đó càng chứng tỏ tính bền vững cao của hệ điều khiển

Như vậy hệ thống làm việc ở chế độ không tải hoặc có tải, bộ điều khiển mờ laiđảm bảo được chất lượng tĩnh và động tốt hơn khi dùng bộ điều khiển PID kinh điển

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

1 Kết luận

- Trong bản luận văn này đã nghiên cứu khảo sát cho một số kết quả như sau:+ Khảo sát tổng quan về Robot , Điều khiển mờ lai cascade và quá trình tínhtoán đề cập đến các thông số: Kp, Kd, Ki, mô men quán tính, mô men cản, quỹ đạoRobot Từ đó mô phỏng cho kết quả: Quỹ đạo, sai lệch quỹ đạo, sai lệch tốc độ, đápứng dòng điện, tốc độ, mô men Với các kết quả này giúp cho việc khảo sát, đánhgiá và hiệu chỉnh nâng cao chất lượng hệ thống

+ Để nâng cao chất lượng của cánh tay Robot chuyển động bám theo quỹđạo trong mặt phẳng được nhận dạng trước, bản luận văn đã nghiên cứu và ứngdụng bộ điều khiển mờ lai cascade, với hệ thống điều khiển này chất lượng bámtheo quỹ đạo của cánh tay Robot được nâng lên nhiều so với hệ điều khiển PID kinhđiển: Làm giảm biên độ giao động ở các thời điểm quá độ (như thời điểm bắt đầuchuyển động của cánh tay, thời điểm cánh tay Robot thay đổi chiều chuyển độngtheo hướng di chuyển của quỹ đạo), giảm sai lệch quỹ đạo thực so với quỹ đạo đặt(<1%), giảm sai lệch tốc độ của chuyển động về gần bằng 0

+ Tuy nhiên, trong quá tình chuyển động của cánh tay Robot theo quỹ đạo,

do chịu ảnh hưởng của các mô men quán tính, mô men cản của cơ cấu cánh tayRobot và các hệ truyền động nên các đáp ứng của hệ điều khiển thường dao động,trễ hệ thống Việc khắc phục các yếu tố trên là một bài toán khó khăn, phức tạp.Trong bản luận văn, tác giả ứng dụng bộ điều khiển mờ lai cascade nhằm giảm bớtdao động, trễ hệ thống và giảm sai lệch quỹ đạo nhằm nâng cao chất lượng của hệthống

2 Kiến nghị

Để giảm bớt sai lệch quỹ đạo, dao động và trễ hệ thống của các cơ cấu cánhtay Robot hiện nay bằng giải pháp sử dụng kết hợp bộ điều khiển PID kết hợp vớicác bộ điều khiển hiện đại khác như: Mờ trượt, thích nghi, nơ ron