(Luận văn thạc sĩ) thiết kế bộ điều khiển PID thích nghi cho robot di động

Đề tài nghiên cứu này nghiên cứu sự kết hợp giữa điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu MRAC, luật MIT và bộ điều khiển PID để tự động điều chỉnh các hệ số của bộ điều khiển PID thích ng

TRẦN ĐÌ

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công

bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

TRẦN ĐÌNH DUẪN

DUT.LRCC

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN

MỤC LỤC

TÓM TẮT LUẬN VĂN

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CÁC KÝ HIỆU:

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

MỞ ĐẦU 1

Chương 1: TỔNG QUAN ROBOT DI ĐỘNG HIỆN NAY 4

1.1 Tổng quan về tình hình thực tế 4

1.1.1 Thực trạng robot di động 4

1.1.2 Phân loại robot di động 5

1.1.3 Phương pháp điều hướng cho robot di động 6

1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 9

1.3 Tính cấp thiết của đề tài 9

Chương 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC ROBOT DI ĐỘNG 11

2.1 Mô hình bánh xe robot 11

2.2 Mô hình động học robot di động 12

2.3 Mô hình động lực học của robot di động 14

Chương 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID THÍCH NGHI 19

3.1 Bộ điều khiển PID 19

3.1.1 Giới thiệu chung 19

3.1.2 Các phương pháp xác định tham số bộ điều khiển PID 20

3.1.2.1 Phương pháp Ziegler-Nichols 20

3.1.2.2 Phương pháp Chien-Hrones-Reswick 22

3.1.2.3 Phương pháp tối ưu độ lớn 24

3.1.2.4 Phương pháp tối ưu đối xứng 26

3.1.2.5 Phương pháp dựa trên luật kinh nghiệm 27

3.2 Điều khiển thích nghi 28

3.2.1 Giới thiệu chung 28

DUT.LRCC

3.2.2 Hệ thống thích nghi theo mô hình mẫu (MRAS) 28

3.2.3 Luật thích nghi 29

3.2.3.1 Phương pháp độ nhạy (luật MIT) 30

3.2.3.2 Gradient và phương pháp bình phương bé nhất dựa trên tiêu chí đánh giá hàm chi phí sai số 31

3.2.3.3 Hàm Lyapunov 31

3.3 Mô hình hóa bộ điều khiển PID thích nghi theo mô hình mẫu 32

3.3.1 Xây dựng mô hình mẫu 32

3.3.2 Xây dựng luật thích nghi theo MIT 33

Chương 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 38

4.1 Mô hình robot di động với các tham số ban đầu 38

4.2 Mô hình robot di động với tham số thay đổi 41

4.2.1 So sánh đáp ứng vận tốc của động cơ khi tham số thay đổi 41

4.2.2 Mô hình hóa hệ thống với bộ điều khiển PID khi tham số thay đổi 47

4.2.3 Mô hình hóa hệ thống với bộ điều khiển PID thích nghi khi tham số thay đổi 48

4.2.4 So sánh kết quả bộ điều khiển PID và PID thích nghi khi tham số thay đổi 50 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 52

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 53

DUT.LRCC

TÓM TẮT LUẬN VĂN THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID THÍCH NGHI CHO ROBOT DI ĐỘNG

Họ tên: Trần Đình Duẫn Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Tóm tắt - Robot di động hay robot tự hành được định nghĩa là một loại xe robot có khả

năng tự dịch chuyển, tự vận động (có thể lập trình lại được) dưới sự điều khiển tự động có khả năng hoàn thành công việc được giao Lĩnh vực robot di động đang ngày càng chiếm được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu và xã hội Trong điều khiển robot di động thì bộ điều khiển PID được ứng dụng rất nhiều, các hệ số trong bộ điều khiển PID cần phải điều chỉnh sao cho chất lượng điều khiển đạt yêu cầu từng robot di động cụ thể Đề tài nghiên cứu này nghiên cứu sự kết hợp giữa điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu (MRAC), luật MIT và bộ điều khiển PID để tự động điều chỉnh các hệ số của bộ điều khiển PID thích nghi cho robot di động Phương pháp đề xuất sẽ giúp robot di động vận hành với độ ổn định cao hơn phương pháp điều khiển truyền thống Kết quả mô phỏng với robot di động có hàm truyền bậc hai thể hiện rõ các hệ số điều khiển tự động điều chỉnh và chất lượng điều khiển bám rất tốt theo mô hình mẫu

Từ khóa – Robot di động, Bộ điều khiển PID, Điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu

(MRAC), Luật MIT, PID thích nghi

DESIGN THE ADAPTIVE PID CONTROLLER FOR MOBILE ROBOT

Abstract - A mobile robot or Autonomous robot is defined as a kind of robotic vehicle

that has the capability of self-moving, self-replicating (self re-programming) and can accomplish the work assignment under the automatic control The field of mobile robots is increasingly attracted the attention of researchers and societies In mobile robot control, the PID controller is commonly applied, the parameters of PID controller need to be tuned so that the control quality meets the requirements of each specific mobile robot application This research topic investigates the combination of Model Reference Adaptive Control (MRAC), MIT rule and PID controller to automatically tune the adaptive PID controller for the mobile robots The proposed method will help the mobile robot operates with better stability than traditional control methods The simulation results of the mobile robot together with the quadratic transfer function clearly show the improvement of the automatically control algorithm and the quality of the traction control is very good according to the MRAC model

Keywords - Mobile Robot, PID Controller, Model Reference Adaptive Control (MRAC), MIT Rule, Adaptive PID

DUT.LRCC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

V in Điện áp đầu vào (V)

J equiv Quán tính tương đương (kg.m2)

b equiv Giảm xóc tương đương (N.m.s)

K tac Hằng số bộ mã hóa (rad/s)

CÁC CHỮ VIẾT TẮT:

MRAS Model reference adaptive systems

MRAC Model reference adaptive control

DUT.LRCC

DANH MỤC CÁC BẢNG

DUT.LRCC

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Số hiệu

1.2 Hình ảnh thực tế robot đang phục vụ tại các cửa hàng hiện nay 6

3.8 Sơ đồ khối của bộ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu trực

4.1 Sơ đồ khối mô phỏng vận tốc bánh xe với các tham số ban đầu 38 4.2 Sơ đồ khối mô phỏng của robot sử dụng bộ điều khiển PID

4.10 Kết quả khi hàm truyền robot thay đổi, thông số PID không đổi 42

DUT.LRCC

4.11 Mô phỏng tín hiệu đáp ứng vận tốc 42

4.20 Đáp ứng vận tốc di chuyển của robot với P ; I ; D giảm 46 4.21 Đáp ứng vận tốc di chuyển của robot với P ; I ; D tăng 46 4.22 Mô hình hóa hệ thống với bộ điều khiển PID thích nghi khi

4.23 Kết quả mô phỏng góc định hướng θ khi sai lệch khác 0 khi

4.24 Kết quả mô phỏng vị trí robot khi sai lệch khác 0 khi tham số

4.25 Mô hình hóa hệ thống với bộ điều khiển PID thích nghi khi

4.26 Mô phỏng vận tốc thẳng của robot khi có MRAC và khi không

4.27 Kết quả mô phỏng góc định hướng θ khi sai lệch khác 0 với

4.28 Kết quả mô phỏng vị trí robot khi sai lệch khác 0 khi tham số

DUT.LRCC

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Cuộc cách mạng công nghiệp là những bước phát triển vượt bậc của con người, cuộc cách mạng cho phép ứng dụng rộng rãi các robot trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống Yếu tố này phù hợp với nhận thức về vấn đề an toàn trong công việc, robot thay thế cho con người trong sản xuất, trong lao động, trong các nhà máy điều đó đã góp phần vào sự xuất hiện nhu cầu sử dụng các robot Trong các loại robot thì robot di động là loại robot có thể thực hiện các tác vụ ở các địa điểm khác nhau, không ở cố định một vị trí nào Khác với robot cố định, robot di động có những yêu cầu cao hơn, đòi hỏi đầu tư nhiều hơn Trong khi robot cố định vận hành khá đơn giản, chỉ cần không gian cố định để thực các công việc lặp đi lặp lại, còn hệ thống robot di động hoạt động trong không gian mở, thay đổi liên tục và đôi khi rất phức tạp Linh động là đặc tính của robot di động, có thể có được từ các bộ phận chuyển động như bánh xe, chân, tay, cánh quạt,… Robot di động “phải biết” định vị và “thu nhận” được thông tin đầy đủ về môi trường xung quanh, sau đó mới có quyết định thực hiện hành động nào cho phù hợp

Đối với robot di động trên không, các bộ phận chuyển động là cánh quạt hay cánh bay và động cơ; với robot di động dưới nước, tùy thuộc vào nơi làm việc trên hay trong mặt nước mà sẽ có cấu trúc truyền động khác nhau: làm việc trên mặt nước, bộ phận chuyển động là phao hoặc động cơ với bộ phận điều khiển, hoạt động sâu dưới nước, bộ phận chuyển động có thể là chân hoặc có thể là cả động cơ phản lực; robot di động trên cạn có bộ phận chuyển động khá đa dạng, phụ thuộc vào địa hình hoạt động

mà bộ phận chuyển động có thể là chân, bánh xe, bánh xích hay là loại kết hợp Phổ biến nhất là robot di chuyển bằng bánh xe thông qua động cơ điện một chiều [5-7]

Động cơ điện một chiều thường dùng trong các hệ thống truyền động đòi hỏi chất lượng cao Chính vì vậy mà hệ thống điều khiển cho các hệ truyền động này cũng phải đáp ứng nhiều chỉ tiêu rất chặt chẽ Đối với các phương pháp điều khiển kinh điển, do cấu trúc đơn giản và bền vững nên các bộ điều khiển PID (tỷ lệ, tích phân, đạo hàm) được dùng phổ biến trong các hệ điều khiển công nghiệp Chất lượng của hệ thống phụ thuộc vào các tham số KP, KI, KD của bộ điều khiển PID Nhưng vì các hệ

số của bộ điều khiển PID chỉ được tính toán cho một chế độ làm việc cụ thể của hệ thống, do vậy trong quá trình vận hành luôn phải chỉnh định các hệ số này cho phù hợp với thực tế để phát huy tốt hiệu quả của bộ điều khiển thì ta phải biết chính xác các thông số và kiểu của đối tượng cần điều khiển Hơn nữa, bộ điều khiển này chỉ chính xác trong giai đoạn tuyến tính còn trong giai đoạn phi tuyến thì các phương pháp điều khiển kinh điển không thực hiện được Và nói chung, phần lớn các hệ thống truyền động trong thực tế đều có cấu trúc và tham số không cố định hoặc không thể biết trước Do vậy việc nghiên cứu và ứng dụng phương pháp điều khiển thích nghi để điều khiển vận tốc động cơ điện một chiều ứng dụng trong robot di động đang là hướng

DUT.LRCC

nghiên cứu được rất nhiều người quan tâm và là hướng nghiên cứu có nhiều triển vọng, cũng như có nhiều giá trị ứng dụng trong thực tiễn [8-11]

Vì vậy, đề tài “Thiết kế bộ điều khiển PID thích nghi cho Robot di động” là đề

tài nghiên cứu, nhằm đưa ra một phương pháp điều khiển PID thích nghi phù hợp với

sự thay đổi của các thông số trong quá trình vận hành của robot di động với mong

muốn đạt được chất lượng điều khiển cao khi có sự thay đổi diễn ra

2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển PID thích nghi phù hợp cho robot di động

nhằm đạt được đáp ứng ngõ ra của hệ thống thỏa mãn các yêu cầu của robot di động di chuyển trên mặt phẳng thực hiện chức năng bám mục tiêu và ổn định vận tốc trong quá trình di chuyển

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu

- Robot di động kiểu bánh xe gồm hai bánh xe chủ động được điều khiển bởi hai động cơ điện một chiều và một bánh xe thụ động phía trước được sử dụng để làm điểm tựa tạo thế cân bằng trọng lực

- Thuật toán điều khiển PID thích nghi

3.2 Phạm vi nghiên cứu

- Cấu trúc của robot di động kiểu bánh xe, mô hình động học, động lực học

- Thiết kế bộ điều khiển PID thích nghi điều khiển vận tốc, vị trí

- Mô phỏng trên phần mềm máy tính

4 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu được thể hiện theo trình tự công việc như sau:

- Phân tích và xây dựng mô hình của robot di động kiểu bánh xe ở địa hình bằng phẳng

- Nghiên cứu, thiết kế bộ điều khiển PID thích nghi cho robot di động như đã nêu trên

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ góp phần hoàn thiện phương pháp điều khiển PID thích nghi khắc phục được một số nhược điểm của các phương pháp điều khiển kinh điển trong quá trình điều khiển robot di động nói chung

6 Cấu trúc luận văn

Luận văn được trình bày theo cấu trúc sau:

Mở đầu

Chương 1: Tổng quan robot di động hiện nay

- Giới thiệu chung về robot di động

- Phân loại robot di động

- Các phương pháp điều hướng cho robot di động

Chương 2: Xây dựng mô hình toán học robot di động

DUT.LRCC

- Giới thiệu cấu trúc cơ bản của robot di động

- Mô tả mô hình động học, động lực học robot di động

Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển PID thích nghi

- Các phương pháp xác định bộ điều khiển PID

- Các phương pháp thiết kế luật thích nghi

- Thiết kế bộ điều khiển PID thích nghi

Chương 4: Mô phỏng và đánh giá kết quả

- Dựa vào mô hình động học, động lực học ở chương 2 và kết quả thiết kế bộ điều khiển ở chương 3, từ đó áp dụng để mô phỏng hệ thống điều khiển thích nghi cho robot di động trên phần mềm Matlab Simulink

- So sánh và bàn luận về các đặc tính của 2 bộ điều khiển: PID kinh điển và PID thích nghi

Kết luận và kiến nghị

DUT.LRCC

có khả năng hoạt động một cách linh hoạt trong các môi trường khác nhau mà không cần sự can thiệp của con người Với những cảm biến, chúng có khả năng nhận biết về môi trường xung quanh

Vấn đề của robot di động là làm thế nào để robot di động có thể hoạt động, nhận biết môi trường và thực thi các nhiệm vụ đề ra Vấn đề đầu tiên là di chuyển, robot di động nên di chuyển như thế nào và cơ cấu di chuyển nào là sự lựa chọn tốt nhất Điều hướng là vấn đề cơ bản trong nghiên cứu và chế tạo robot di động Trong hiệp hội nghiên cứu về robot di động có 2 hướng nghiên cứu khác nhau:

- Hướng thứ nhất: Là nghiên cứu về robot di động có khả năng điều hướng ở tốc độ cao nhờ thông tin thu được từ cảm biến, đây là loại robot có khả năng hoạt động

ở môi trường trong phòng cũng như môi trường bên ngoài Loại robot này yêu cầu khả năng tính toán đồ sộ và được trang bị cảm biến có độ nhạy cao, dải đo lớn để có thể điều khiển robot di chuyển ở tốc độ cao, trong những môi trường có địa hình phức tạp

- Hướng thứ 2: Nhằm giải quyết các vấn đề về các loại robot di động chỉ dùng

để hoạt động trong môi trường trong phòng Loại robot di động này có kết cấu đơn giản hơn loại trên, thực hiện những nhiệm vụ đơn giản

Bài toán dẫn hướng cho robot di động hành được chia làm 2 loại: bài toán toàn cục (global) và bài toán cục bộ (local) Ở bài toàn cục, môi trường làm việc của robot hoàn toàn xác định, đường đi và vật cản là hoàn toàn biết trước Ở bài toán cục bộ, môi trường hoạt động của robot là chưa biết trước hoặc chỉ biết một phần Các cảm biến và thiết bị định vị cho phép robot xác định được vật cản, vị trí của nó trong môi trường giúp nó đi tới mục tiêu

Các vấn đề gặp phải khi điều hướng cho robot di động thường không giống như các loại robot khác Để có thể điều hướng cho robot di động, quyết định theo thời gian thực phải dựa vào thông tin liên tục từ về môi trường thông qua các cảm biến, hoặc ở môi trường trong phòng hoặc ngoài trời, đây là điểm khác biệt lớn nhất so với kỹ thuật lập kế hoạch ngoại tuyến Robot di động phải có khả năng tự quyết định về phương thức điều hướng, định hướng chuyển động để có thể tới đích thực hiện nhiệm vụ nhất định

DUT.LRCC

Điều hướng cho robot di động là công việc đòi hỏi phải thực hiện được một số khả năng khác nhau, bao gồm:

- Khả năng di chuyển ở mức cơ bản, ví dụ như hoạt động đi tới vị trí cho trước

- Khả năng phản ứng các sự kiện theo thời gian thực, ví dụ như khi có sự xuất hiện đột ngột của vật cản

- Khả năng xây dựng, sử dụng và duy trì bản đồ môi trường hoạt động; khả năng xác định vị trí của robot trong bản đồ đó

- Khả năng thiết lập kế hoạch để đi tới đích hoặc tránh các tình huống không mong muốn

- Khả năng thích nghi với các thay đổi của môi trường hoạt động

1.1.2 Phân loại robot di động

Robot di động được chia làm 2 loại chính đó là loại robot di động chuyển động bằng chân và robot di động chuyển động bằng bánh

Ngoài ra một số loại robot hoạt động trong các môi trường đặc biệt như dưới nước hay trên không trung thì chúng được trang bị cơ cấu di chuyển đặc trưng

- Robot di động di chuyển bằng chân:

Ưu điểm lớn nhất của loại robot này là có thể thích nghi và di chuyển trên các địa hình gồ ghề Hơn nữa chúng còn có thể đi qua những vật cản như hố, vết nứt sâu Nhược điểm chính của robot loại này chính là chế tạo quá phức tạp Chân robot là kết cấu nhiều bậc tự do, đây là nguyên nhân làm tăng trọng lượng của robot đồng thời giảm tốc độ di chuyển Các kĩ năng như cầm, nắm hay nâng tải cũng là nguyên nhân làm giảm độ cứng vững của robot Robot loại này càng linh hoạt thì chi phí chế tạo càng cao Robot di động di chuyển bằng chân được mô phỏng theo các loài động vật vì thế mà chúng có loại 1 chân, loại 2, 4, 6 chân và có thể nhiều hơn

Hình 1.1– Các loại robot di chuyển bằng chân

- Robot di động di chuyển bằng bánh xe:

Bánh xe là cơ cấu chuyển động được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghệ robot di động Vấn đề cân bằng thường không phải là vấn đề được chú ý nhiều trong robot di chuyển bằng bánh Ba bánh là kết cấu có khả năng duy trì cân bằng nhất, tuy nhiên kết cấu 2 bánh cũng có thể cân bằng được

DUT.LRCC

Khi robot có số bánh nhiều hơn 3 thì thông thường người ta phải thiết kế hệ thống treo để duy trì sự tiếp xúc của tất cả các bánh xe với mặt đất Vấn đề của robot loại này là về lực kéo, độ ổn định và khả năng điều khiển chuyển động,

Những năm gần đây, robot di động được chú trọng phát triển mạnh để ứng dụng trong nhiều lĩnh vực từ quân sự đến dân sự và trong công nghiệp Robot di động phát huy tối đa hiệu quả của chúng nhờ vào sự tích hợp các cảm biến thông minh, công nghệ xử lý ảnh và thậm chí nhờ vào hệ thống định vị toàn cầu

Tuy nhiên, khi robot di động trong không gian bằng phẳng, nhỏ hẹp thì robot di chuyển theo các vạch được kẻ trước là sự lựa chọn tối ưu Các robot này có thể thực hiện nhiều nhiệm vụ khác nhau, chúng có thể là: robot vận chuyển và sắp xếp hàng hóa, robot y tế, robot dẫn đường cho người khiếm thị,…

Hình 1.2 – Hình ảnh thực tế robot đang phục vụ tại các cửa hàng hiện nay

1.1.3 Phương pháp điều hướng cho robot di động

Kỹ thuật điều hướng sử dụng trí thông minh nhân tạo trong robot di động có thể được chia làm hai loại chính, đó là điều hướng có tính toán và điều hướng theo phản ứng Đúng như tên gọi, điều hướng có tính toán là phương pháp điều hướng có kế hoạch còn điều hướng theo phản ứng là điều hướng tức thời, là quá trình tự động thực hiện các phản ứng theo môi trường xung quanh Ngoài ra còn có phương pháp điều hướng lai ghép là phương pháp kết hợp cả hai phương pháp có tính toán và điều hướng theo phản ứng để xây dựng một bộ điều khiển thông minh hơn

 Phương pháp điều hướng có tính toán

Phương pháp điều hướng có tính toán là phương pháp thực hiện theo trình tự: quan sát - lập kế hoạch - hành động Thông thường một hệ thống có tính toán bao gồm

5 khâu: nhận thức (perception), mô hình thế giới (word modelling), lập kế hoạch (planning), thực hiện công việc (task excution) và điều khiển động cơ (motor control) Các khâu trên có thể được coi như là một chuỗi các “lát mỏng theo phương thẳng đứng” với các đầu vào là tín hiệu nhận được từ cảm biến ở phía bên trái và đầu

ra tới các khâu chấp hành ở phía bên phải

DUT.LRCC

Hình 1.3 – Sơ đồ cấu trúc của phương pháp điều khiển có tính toán

- Khâu nhận thức có nhiệm vụ điều khiển các thiết bị cảm ứng, các thiết bị này được kết nối với robot sẽ cho các thông tin về môi trường quan sát được

- Khâu mô hình thế giới: chuyển các tín hiệu từ cảm biến thành mô tả mối liên quan giữa robot với mô hình bên trong môi trường

- Khâu lập kế hoạch: cố gắng xây dựng kế hoạch thực hiện của robot sao cho đạt được mục tiêu phù hợp với tình trạng thế giới hiện thời

- Khâu thực hiện công việc: chia kế hoạch vừa được xây dựng thành các lệnh điều khiển chuyển động chi tiết

- Khâu điều khiển động cơ: dùng để thực hiện các lệnh này

Mỗi một hệ thống con như là một khâu tương đối phức tạp và tất cả phải hoạt động một cách đồng bộ với hoạt động của robot tại mọi thời điểm Phương pháp này đòi hỏi phải trang bị các cảm biến, các thiết bị đo để nhận biết thông tin từ môi trường hoặc dạng thông tin dự đoán trước từ bản đồ toàn cục Thông tin đó sẽ được tham chiếu với một bản đồ môi trường nếu có thể, và sử dụng thuật toán lập kế hoạch để tạo

ra quỹ đạo chuyển động giúp robot tránh vật cản và tăng xác suất tới mục tiêu đến tối

đa Do sự phức tạp của môi trường làm tăng thời gian để nhận biết, xây dựng mô hình

và lập kế hoạch về thế giới cũng tăng theo hàm mũ Đây chính là bất lợi của phương pháp này Phương pháp này tỏ ra rất hữu hiệu cho các tình huống mà trong đó môi trường làm việc là tương đối tĩnh (môi trường trong đó có thể bao gồm vật cản, tường chắn, hành lang, điểm đích, là các đối tượng có vị trí không thay đổi trong bản đồ toàn cục)

Trong phương pháp điều hướng có tính toán, khâu lập kế hoạch đường đi cho robot là cực kì quan trọng Việc lập kế hoạch đường đi cho robot di động thường có hai giai đoạn đó là lập kế hoạch toàn cục và lập kế hoạch cục bộ Lập kế hoạch toàn cục có thể được hiểu như là cách di chuyển robot qua một môi trường tùy ý và môi trường này là tương đối lớn Còn lập kế hoạch cục bộ sẽ đưa ra quyết định khi robot đối mặt với môi trường tĩnh, ví dụ như khi robot gặp phải vật cản, hành lang, Kế hoạch cục bộ đưa ra phương pháp để đi tới đích ngắn nhất, an toàn nhất Chính vì thế khi gặp phải các vật cản, kế hoạch cục bộ sẽ giúp cho robot tránh không va chạm rồi mới tiếp tục thực hiện kế hoạch toàn cục để tới đích

DUT.LRCC

 Phương pháp điều hướng robot theo phản ứng

Như phân tích ở phần trên, phương pháp điều hướng có tính toán có nhiều ưu điểm đối với quá trình điều hướng cho robot di động Tuy nhiên, điều hướng có tính toán thường yêu cầu khối lượng tính toán tương đối lớn và phương pháp này tỏ ra không tối ưu khi môi trường hoạt động của robot thay đổi

Phương pháp điều hướng theo phản ứng ra đời nhằm giải quyết các vấn đề có liên quan tới môi trường không biết trước hoặc môi trường thường xuyên thay đổi Điều hướng theo phản ứng khắc phục được những hạn chế của phương pháp điều hướng tính toán, giúp giảm khối lượng tính toán, tăng tốc độ xử lý trong môi trường phức tạp Điều hướng theo phản ứng là phương pháp kết hợp các phản ứng thực hiện một cách tự động với các kích thích từ cảm biến để điều khiển robot sao cho an toàn

và đạt hiệu suất cao nhất Phương pháp này đặc biệt phù hợp đối với những ứng dụng nơi mà môi trường là hoàn toàn động hoặc không biết trước, ví dụ như trong không gian hoặc dưới nước Trong thực tế, các thiết bị vệ tinh thám hiểm kiểu robot đã sử dụng phương pháp điều hướng theo phản ứng, lý do là phương pháp điều hướng theo tính toán đòi hỏi việc lập kế hoạch phức tạp có quá nhiều phép tính toán bị giới hạn bởi khả năng của bộ nhớ và tốc độ tính toán Điều hướng theo phản ứng chỉ phụ thuộc vào trạng thái hiện thời của robot và đòi hỏi rất ít các phép tính toán để tác động lại môi trường hoạt động

Tuy nhiên, phương pháp điều hướng theo phản ứng cũng có nhiều mặt hạn chế, việc không có kế hoạch toàn cục có thể khiến cho quá trình điều khiển gặp phải những khó khăn Các hoạt động tối ưu cục bộ chủ yếu thu được nhờ điều khiển theo phản ứng, chính vì thế mà có thể gây ra hiện tượng lệch hướng toàn cục Trong phương pháp điều hướng theo tính toán, hệ thống không bao giờ mất tầm quan sát đích trong khi các hệ thống điều hướng theo phản ứng cần phải giữ các đích tức thời để độ lệch hướng so với đích toàn cục là không quá lớn

Một thuận lợi ở điều hướng theo phản ứng so với các phương pháp tính toán đó

là khả năng mở rộng bộ điều khiển để thêm vào các thành phần phản ứng khác mà không cần phải điều chỉnh lại toàn bộ phần mềm điều khiển Chính vì thế, ta có thể dễ dàng bổ sung thêm tính năng cho robot bằng cách thêm vào các hoạt động mới mà không làm thay đổi những hoạt động đã có trước Ví dụ, để robot phản ứng với một kích thích thu được từ một cảm biến mới, ta chỉ cần thêm một thành phần khác vào bộ điều khiển để nó phản ứng với kích thích thu được từ cảm biến đó Còn ở các phương pháp tính toán, bạn cần phải xây dựng một thuật toán hoàn toàn mới để sử dụng dữ liệu thu được từ cảm biến mới được thêm vào này

 Phương pháp điều khiển lai ghép

Điều hướng lai ghép là phương pháp kết hợp các ưu điểm của phương pháp điều hướng theo tính toán truyền thống với các hệ thống điều hướng dựa phản ứng Mỗi phương pháp đều có những nhược điểm mà phương pháp kia có thể khắc phục

DUT.LRCC

được Phương pháp điều hướng theo tính toán gặp phải khó khăn khi hoạt động trong các môi trường động, là nơi yêu cầu khả năng tính toán nhanh cũng như các kỹ năng tránh vật cản Nếu phương pháp điều hướng theo phản ứng không kết hợp với bất cứ quá trình lập kế hoạch chuyển động nào thì có thể sẽ không đưa robot theo quỹ đạo tối

ưu Phương pháp điều khiển lai ra đời nhằm kết hợp các hoạt động có tính toán bậc cao với các hoạt động phản ứng bậc thấp Các hoạt dộng phản ứng giúp robot an toàn

và xử lý các tình trạng khẩn cấp trong khi phần điều khiển có tính toán sẽ giúp robot đạt được mục đích cuối cùng Phương pháp điều khiển lai ghép có thể cho ta kết quả khả quan hơn khi sử sụng phương pháp điều hướng theo phản ứng hoặc điều hướng theo tính toán

1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Hiện nay, việc ứng dụng robot để phục vụ cho đời sống con người không còn quá xa lạ với cuộc sống hiện đại Trên thế giới, nhất là các nước có công nghệ phát triển vượt bậc thì hầu hết các công nghệ đều được phát triển để phục vụ cho con người

và đó là mục đích chính của việc phát triển khoa học công nghệ và khám phá tri thức Hiện nay, có nhiều loại robot phục vụ trực tiếp cũng như gián tiếp cho đời sống chúng

ta ví dụ như robot hút bụi Iromba, robot phục vụ nhà hàng và các loại như robot Kuka, Yaskawa thì được dùng trong các dây chuyền sản xuất lắp ráp máy hiện đại như dây chuyền sản xuất ô tô qua đó gián tiếp phục vụ cho đời sống của con người

Robot ngày nay ngoài việc dùng để phục vụ cho con người thì còn được sử dụng trong các cơ sở thương mại để phục vụ mục đích hỗ trợ kinh doanh và tạo ra các trải nghiệm hiện đại cho người sử dụng

Hoa Kỳ, Trung Quốc ứng dụng để phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau như làm robot chạy bàn, robot hướng dẫn, robot lễ tân,… Ngoài ra ở Nhật Bản, việc phát triển robot nấu ăn hoặc phục vụ nhà hàng ngoài chức năng hỗ trợ viêc kinh doanh thì một số doanh nghiệp cũng có thiết kế các robot phục vụ nhà hàng mà có thể điều khiển bởi những người khuyết tật nặng (không thể di chuyển) Nhờ đó những người khuyết tật này thông qua robot có thể phục vụ được cho người khác từ đó có thể có thêm thu nhập và tự tạo thêm niềm vui riêng cho mình Đây cũng là một trong những khía cạnh nhân văn của việc chế tạo các robot phục vụ con người ở Nhật Bản

Ở trong nước hiện nay thì tại Hà Nội có robot Mortar do nhóm anh Phạm Quang Việt, nghiên cứu và phát triển để phục vụ cho quán cà phê do nhóm anh mở Ở

Hồ Chí Minh, thì có robot Cô Ba vừa ra mắt năm 2018 do TS Nguyễn Bá Hải phát triển, robot này theo như hình ảnh công bố thì giống như một manocanh đặt trên một

cơ cấu đế di chuyển được

1.3 Tính cấp thiết của đề tài

Cùng với sự phát triển của một nền kinh tế năng động đòi hỏi một nền kỹ thuật công nghệ cũng phải phát triển, đáp ứng kịp thời và đầy đủ những nhu cầu cần thiết của sự phát triển đó Điều này được thể hiện qua sự xuất hiện ngày càng nhiều của

DUT.LRCC

robot trên toàn cầu nói chung và ở Việt Nam nói riêng Với sự phát triển của khoa học công nghệ, một điều chắc chắn là robot sẽ ngày càng đóng vai trò quan trọng trong cuộc sống của con người Theo dự đoán trên trang công nghệ Zdnet, năm 2018, robot

sẽ được sử dụng nhiều hơn trong thương mại điện tử Các doanh nghiệp sẽ sử dụng hệ thông robot phục vụ trong kho hàng Một ứng dụng tiêu biểu của Robot trong thời đại công nghiệp 4.0 hiện nay đó là phục vụ trong các nhà hàng Dù robot chưa thể thay thế con người nhưng công nghệ lại đóng vai trò giúp nhà hàng vận hành nhanh chóng, chính xác và tiện ích hơn để nâng cao chất lượng dịch vụ, tăng trải nghiệm cho thực khách

Với các lý do trên, tác giả đã lựa chọn việc nghiên cứu mô hình và thiết kế bộ điều khiển PID thích nghi cho robot di động có các tham số thay đổi với mong muốn đạt được đáp ứng ngõ ra và các đặc tính của hệ thống thỏa mãn các yêu cầu đã đề ra

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Robot di động không mới trên thế giới, nhưng tại Việt Nam vẫn có nhiều vấn

đề phải tập trung nghiên cứu, phát triển đặc biệt là các thuật toán điều khiển mới nhằm nâng cao khả năng chế tạo loại robot này trong nước Chương 1 đã trình bày nghiên cứu tổng quan về phân loại robot, trong đó tập trung vào robot di động di chuyển bằng bánh xe, từ đó rút ra hướng nghiên cứu thích hợp cho luận văn, cụ thể:

- Đề tài chỉ nghiên cứu về robot di động có hai bánh xe chủ động được điều khiển bởi hai động cơ độc lập và một bánh xe bị động ở phía trước

- Với điều kiện robot di chuyển bên trong nhà xưởng với địa hình bằng phẳng

và vận tốc không đổi vì vậy bỏ qua các lực tác động bên ngoài ảnh hưởng đến hoạt động của robot

DUT.LRCC

Một trong những cấu trúc đơn giản và được sử dụng nhiều trong các ứng dụng của robot di dộng sử dụng bánh xe là dạng robot di động hai bánh chủ động ở hình 2.1,

nó bao gồm một khung với hai động cơ một chiều cố định, thẳng hàng với nhau và thường có một hoặc hai bánh xe làm điểm tựa

Hình 2.1 – Cấu trúc của robot di động

Trong đề tài này sẽ nghiên cứu điều khiển mô hình robot di động cơ bản gồm 3 bánh, trong đó 2 bánh chủ động phía sau được điều khiển bởi hai động cơ độc lập (điều khiển vận tốc bánh trái và vận tốc bánh phải), vị trí của robot được xác định thông qua ba biến trạng thái (x, y, θ)

Để đánh giá cơ chế di chuyển của robot, tác giả đưa ra một số giả thiết sau:

- Khi robot thực hiện chuyển động, ta giả thuyết các bánh xe di chuyển trên mặt phẳng là lăn không trượt, trên cơ sở ma sát giữa bánh xe và sàn là rất lớn

DUT.LRCC

- Chuyển động được xét ở tốc độ thấp, do vậy lực quán tính theo mọi phương nhỏ hơn lực ma sát

Mô hình bánh xe robot được lý tưởng hóa như hình 2.2 Bánh xe quay quanh trục của nó (trục y) Bánh xe chuyển động theo phương x (trục x) Khi chuyển động ở tốc độ thấp, có thể bỏ qua ảnh hưởng của sự trượt của bánh xe so với mặt đường

Hình 2.2 - Mô hình bánh xe đã được lý tưởng hóa

Hình 2.3 - Mô hình động học của robot di động

Trước tiên để xác định vị trí của robot trong mặt phẳng, ta xây dựng mối quan

hệ giữa tọa độ tham chiếu toàn cục của mặt phẳng và hệ tọa độ tham chiếu cục bộ của robot như hình 2.3

- Các trục xI, yI xác định tọa độ của điểm bất kỳ trong hệ tọa độ toàn cục có gốc

O (xIOyI)

DUT.LRCC

- Hệ tọa độ xRPyR là hệ tọa độ tham chiếu cục bộ của robot, gắn liền với robot Với vị trí điểm P là trung điểm trên trục của hai bánh xe, điểm C là tọa độ trọng tâm

của robot Điểm P cách điểm C một khoảng là d

Đầu tiên vector vị trí của robot trên bề mặt là:

Với R θ là ma trận chuyển đổi giữa hai khung tọa độ:

Xét 1 hệ thống robot có n chiều cấu hình không gian C, với vector trục tổng quát q Robot là đối tượng ràng buộc theo công thức:

Ma trận toàn hạng G(q) ở (2.7) được xác định bởi:

G q =

[

cosθ cosθ sinθ sinθ

cosθ cosθ sinθ sinθ

cosθ v r

cosθ v l sinθ v r

v r v l cosθ

v r v l sinθ

Công thức (2.14) là phương trình động học của robot

2.3 Mô hình động lực học của robot di động

Một lớp rộng các hệ thống cơ non-holonomic được mô tả bởi dạng công thức động lực học sau dựa trên công thức Euler-Lagrange:

DUT.LRCC

M q q̈ C q q̇ q̇ q d q T q (2.15) Với điều kiện ràng buộc là:

+ d là vector nhiễu tác động và nhiễu sai lệch mô hình,

+ B(q) là ma trận chuyển đổi đầu vào cỡ n x r (r<n),

+ là vector đầu vào r chiều,

+  tích số lực ràng buộc Lagrange

Ràng buộc non-holonomic phát biểu rằng robot chỉ có thể di chuyển dọc theo trục vuông góc với trục nối giữa 2 bánh lái, với giả thiết thỏa mãn điều kiện lăn trơn và không trượt:

Mối liên hệ giữa vận tốc giữa hai tọa độ cố định và di động:

S(q) là một ma trận Jacobian chuyển vận tốc ở hệ tọa độ di động sang vận tốc ở

hệ tọa độ Cactter q̇ Do đó, các thuộc tính động lực học cơ bản vẫn được giữ trong hệ tọa độ mới

Dạng thức Lagrange được sử để tìm phương trình động lực học của robot di động Trong trường hợp này:

- Vì bỏ qua ảnh hưởng của nhiễu tác động và nhiễu sai lệch mô hình nên d = 0

- G(q) = 0 bởi vì quỹ đạo của robot cơ bản bị giới hạn trong mặt phẳng ngang,

vì thế nên hệ thống không thể thay đổi vị trí theo chiều thẳng đứng, nên thế năng của

hệ trở thàng hằng số

Động năng của thân robot di động là:

Trong đó:

+ m là khối lượng của thân robot di động;

+ I là mô men quán tính của thân này xung quanh trục thẳng đứng đi qua

Trong đó: IW , I D lần lượt là mô men quán tính của bánh xe xung quanh trục quay và trục thẳng đứng

Khi đó ta có nhận xét rằng phương trình Euler-Lagrange sẽ đơn giản hơn nếu ta

loại bớt thành phần d trong hệ, việc loại thành phần này đơn giản chỉ là ta thiết kế hệ

robot tự hành có trọng tâm nằm chính giữa trục nối hai bánh xe chủ động sau, tức là dời trọng tâm từ điểm C về điểm P

Vector vị trí của robot trên bề mặt là: q = (x P , y P θ T , với x P , y P là các tọa độ

điểm P, và θ là góc định hướng của robot trong hệ quy chiếu quán tính

Lúc đó (2.23) được viết lại:

M q = [

m m I

Phương trình (2.33) là phương trình động lực học của robot di động

 Xây dựng hàm truyền vận tốc góc của động cơ

Như đã đề cập ở trên, động cơ điện một chiều được sử dụng để dẫn động các bánh xe của robot di động

Trong các loại động cơ một chiều trên thì động cơ một chiều nam châm vĩnh cửu thường được sử dụng Ta có các phương trình cho mạch phần ứng:

n m

Để thuận tiện trong quá trình mô phỏng simulink, tác giả tiến hành triển khai các công thức trong (2.34) và thay thế tham số mô hình ở bảng 2.1 vào và được hàm truyền vận tốc góc của động cơ khi đã thay các tham số (2.35)

Bảng 2.1: Tham số mô phỏng mô hình robot di động

Hàm truyền vận tốc góc của động cơ khi đã thay các thông số như sau:

để thuận tiện trong quá trình xây dựng thuận toán điền khiển cũng như mô phỏng Simulink sau này

DUT.LRCC

Chương 3:

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID THÍCH NGHI

3.1 Bộ điều khiển PID

3.1.1 Giới thiệu chung

Phương pháp điều khiển vòng kín thông thường được điều khiển bằng bộ điều khiển PID hay còn gọi giải thuật PID PID là tên gọi của bộ điều khiển gồm 3 thành phần Proportional (P) là tỉ lệ, Integral (I) là tích phân và Derivative (D) là vi phân Giải thuật điều khiển PID hiệu chỉnh sai số giữa giá trị biến đo được và giá trị mong muốn đạt đến bằng cách tính toán và xuất ra một "hành động điều chỉnh" nhanh chóng

để giữ cho sai lệch ở mức nhỏ nhất có thể được Bộ điều khiển này có 3 tham số KP, KI

và KD biểu thị cho mức độ điều chỉnh sai lệch của bộ điều khiển

Hình 3.1 – Sơ đồ khối hệ thống với bộ điều khiển PID

Phương trình PID tổng quát:

U t K P e t K I ∫ e t d t K D

t 0

de t

Sai lệch e(t) tại thời điểm t: độ lệch giữa giá trị mong muốn và giá trị đo được

e(t) = V set – V mo (t) (3.2) Trong đó:

+ V set : giá trị điện áp mong muốn

+ V mo (t) : giá trị điện áp đo được tại thời điểm t

- P(t) (hàm tỉ lệ): điều khiển tỉ lệ với giá trị sai lệch hiện tại

P(t) = K P e(t) (3.3)

Trong đó: K p - hằng số tỉ lệ, tham số dùng để tinh chỉnh

- I(t) (hàm tích phân): điều khiển tương ứng với mức sai lệch được tích lũy theo

thời gian

I t K I ∫ e t d t

t 0

(3.4)

Trong đó: K I - hằng số điều chỉnh hàm tích phân

DUT.LRCC

- D(t) (hàm vi phân): điều khiển tương ứng với tốc độ thay đổi của sai lệch, hay

độ dốc lệch theo thời gian

D t K D de t

Trong đó: K D - hằng số điều chỉnh hàm vi phân

Giải thuật PID được tích hợp vào trong giải thuật điều khiển robot để tính toán

và điều khiển 2 động cơ gắn với 2 bánh sau của robot dựa vào độ sai lệch giữa giá trị

đo đạc ngõ vào và giá trị mong muốn Độ sai lệch, hay còn gọi là giá trị lỗi, được tính toán trong giải thuật PID là độ lệch giữa trạng thái hiện tại của robot so với đường đi

Có nghĩa là, độ sai lệch giữa giá trị hiện tại của bộ cảm biến so với giá trị của cảm biến trong trường hợp robot chạy thẳng về phía trước

Có nhiều phương pháp xác định tham số của bộ điều khiển PID:

- Phương pháp Ziegler-Nichols

- Phương pháp Chien-Hrones-Reswick

- Phương pháp tổng T của Kuhn

- Phương pháp tối ưu độ lớn và phương pháp tối ưu đối xứng

- Phương pháp tối ưu theo sai lệch bám

- Phương pháp dựa trên luật kinh nghiệm

Dưới đây tác giả xin điểm qua một số phương pháp chỉ định được xếp vào các nhóm trên

3.1.2 Các phương pháp xác định tham số bộ điều khiển PID

Phương pháp Ziegler-Nichols

Phương pháp Ziegler-Nichols là phương pháp thực nghiệm để xác định tham số

bộ điều khiển P, PI, hoặc PID bằng cách dựa vào đáp ứng quá độ của đối tượng điều khiển Tùy theo đặc điểm của từng đối tượng, Ziegler và Nichols đưa ra hai phương pháp lựa chọn tham số của bộ điều khiển:

- Nhanh chóng về chế độ xác lập

- Độ quá điều chỉnh không quá lớn (không lớn hơn 40% giá trị xác lập)

Đặc tính quá độ cần phải được lấy quanh điểm làm việc Từ đường đặc tính quá

độ thu được, bằng cách kẻ tiếp tuyến tại điểm uốn, ta có thể xác định tương đối chính xác các tham số như: hằng số thời gian trễ T1, hệ số khuếch đại k, hằng số thời gian quán tính T2

Thông số của các bộ điều khiển được chọn theo bảng sau:

Bảng 3.1: Tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất

- Phương pháp này chỉ có thể áp dụng với những đối tượng có đặc tính quán tính hoặc quán tính tích phân với thời gian trễ tương đối nhỏ

- Việc lấy đáp ứng tín hiệu bậc thang dễ bị ảnh hưởng của nhiễu và không thể

áp dụng cho đối tượng có tính chất dao động hoặc đối tượng không ổn định

- Đối với các đối tượng có tính phi tuyến mạnh, các số liệu đặc tính nhận được phụ thuộc nhiều vào biên độ và chiều thay đổi giá trị đặt

 Phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai:

Phương pháp này áp dụng cho đối tượng có khâu tích phân lý tưởng như mực chất lỏng trong bồn chứa, vị trí hệ truyền động dùng động cơ,… Đáp ứng quá độ của

hệ hở của đối tượng tăng đến vô cùng Phương pháp này được thực hiện như sau:

Hình 3.3 - Xác định hằng số khuếch đại tới hạn

- Thay bộ điều khiển PID trong hệ kín bằng bộ khuếch đại (hình 3.3)

DUT.LRCC

- Tăng hệ số khuếch đại tới giá trị tới hạn kth để hệ kín ở chế độ biên giới ổn định, tức là h(t) có dạng dao động điều hòa

- Xác định chu kỳ Tth của dao động

Hình 3.4 - Đáp ứng nấc của hệ kín khi k k th

Thông số của các bộ điều khiển được chọn theo bảng sau:

Bảng 3.2: Tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ 2

Hình 3.5 - Đáp ứng nấc của hệ thích hợp cho phương pháp Chien-Hrones-Reswick

Phương pháp Chien-Hrones-Reswic đưa ra bốn cách xác định tham số bộ điều khiển cho bốn yêu cầu chất lượng khác nhau:

- Yêu cầu tối ưu theo nhiễu và hệ kín không có độ quá điều chỉnh:

Bảng 3.3: Tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick 1

- Yêu cầu tối ưu theo nhiễu và hệ kín có độ quá điều chỉnh ∆h không vượt quá 20% so với h = limt h(t) :

Bảng 3.4: Tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick 2

- Yêu cầu tối ưu theo tín hiệu đặt trước và hệ kín không có độ quá điều chỉnh: Bảng 3.5: Tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick 3

DUT.LRCC

- Yêu cầu tối ưu theo tín hiệu đặt trước và hệ kín có độ quá điều chỉnh ∆h

không vượt quá 20% so với h = limt h(t) :

Bảng 3.6: Tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick 4

Phương pháp tối ưu độ lớn

Phương pháp tối ưu độ lớn là phương pháp lựa chọn tham số bộ điều khiển PID cho đối tượng có đáp ứng đối với tín hiệu vào là hàm nấc có dạng hình chữ S Xét một

hệ thống điều khiển kín như trên hình 3.6 Bộ điều khiển R(s) điều khiển cho đối

tượng S(s)

Hình 3.6 - Sơ đồ khối hệ thống điều khiển kín

Phương pháp tối ưu độ lớn được áp dụng để chọn tham số bộ điều khiển PID

điều khiển các đối tượng S(s) có bản chất quán tính

 Đối với đối tƣợng điều khiển là khâu quán tính bậc nhất:

với T1,T2,…,Tn rất nhỏ, dùng phương pháp tổng các hằng số thời gian nhỏ

để chuyển mô hình về dạng xấp xỉ khâu quán tính bậc nhất Bộ điều khiển tối ưu độ lớn sẽ là khâu tích phân với tham số:

DUT.LRCC

 Đối với đối tƣợng khiển là khâu quán tính bậc ba:

Việc thiết kế bộ điều khiển PID theo phương pháp tối ưu modul có nhược điểm

là đối tượng S(s) phải ổn định, hàm quá độ h(t) của nó phải đi từ 0 và có dạng hình chữ

S Trong trường hợp này, có thể chọn tham số PID theo nguyên tắc tối ưu đối xứng

 Đối với đối tƣợng điều khiển là khâu tích phân-quán tính bậc nhất:

Hàm truyền đạt của đối tượng:

Bộ PI này có các tham số xác định như sau :

- Xác định a từ độ quá điều chỉnh ∆h cần có của hệ kín theo:

+ T I = aT 1

k P

kT √a

 Đối với đối tƣợng điều khiển là khâu tích phân-quán tính bậc hai:

Hàm truyền đạt của đối tượng:

Để tính toán tham số của bộ điều khiển, người ta dựa theo những suy luận mang tính kinh nghiệm của con người Phương pháp này cũng thường sử dụng cả đáp ứng của quá trình và các đặc tính đáp ứng khác Một số phương pháp thường thấy được xếp vào loại này như: sử dụng phương pháp chỉnh định mờ, chỉnh định trên cơ sở hệ chuyên gia, chỉnh định sử dụng mạng nơ ron,

* Ưu điểm:

- Phương pháp tận dụng được các ưu điểm của các phương pháp thiết kế bộ điều khiển PID có sẵn, phép chỉnh định thực hiện ngay trong hệ thống kín như vậy có khả năng ứng dụng cao trong thực tế

- Phương pháp này không đòi hỏi việc phải nhận dạng chính xác đối tượng điều khiển hay hệ thống

- Phương pháp này cũng dễ thực hiện và lập trình để chỉnh định tự động trên máy tính trong các hệ thống thực

DUT.LRCC

* Nhược điểm:

Chất lượng bộ điều khiển phụ thuộc rất nhiều vào kinh nghiệm của người thiết

kế Để có chất lượng điều khiển tốt, có thể phải thực hiện việc chạy thử và hiệu chỉnh rất nhiều lần Đây chính là hạn chế lớn nhất của phương pháp này để có được sự ứng dụng rộng rãi trong thực tế

3.2 Điều khiển thích nghi

3.2.1 Giới thiệu chung

Điều khiển thích nghi là sự tổng hợp các kỹ thuật nhằm tự động tinh chỉnh các

bộ điều chỉnh trong mạch điều khiển để thực hiện hay duy trì ở một mức độ nhất định chất lượng của hệ khi thông số của quá trình điều khiển không biết trước hoặc thay đổi theo thời gian

Hệ thống điều khiển thích nghi gồm có hai vòng: vòng hồi tiếp thông thường và vòng hồi tiếp điều khiển thích nghi

Các bộ điều khiển thích nghi thường là sự lựa chọn hợp lý, khi ta không có khả năng hoặc không kinh tế, khi khảo sát một cách hoàn hảo sự thay đổi của các biến quá trình

Có thể phân loại các hệ thích nghi theo các tiêu chuẩn sau:

- Hệ thích nghi theo mô hình mẫu (MRAS: Model Reference Adaptive System)

- Bộ tự chỉnh định (STR: Self Tuning Regulator)

- Hệ tự học (Self learning – thường là mạng nơ ron xuyên tâm)

- Hệ tự tổ chức (Self organizing – thưởng là mạng nơ ron tự tổ chức)

3.2.2 Hệ thống thích nghi theo mô hình mẫu (MRAS)

Mô hình MRAS (hình 3.7) đầu tiên được đề nghị bởi Whitaker vào năm 1958 với hai ý tưởng mới được đưa ra: trước hết sự thực hiện của hệ thống được xác định bởi một mô hình, thứ hai sai lệch của bộ điều khiển được hiệu chỉnh bởi sai lệch của

mô hình mẫu và hệ thống Cấu trúc hệ thống điều khiển hình 3.7 được gọi là hệ MRAS song song

Hình 3.7 – Sơ đồ khối của hệ thống thích nghi theo mô hình mẫu

Mô hình mẫu được chọn để tạo ra một đáp ứng mong muốn đối với tín hiệu đặt,

ym, mà ngõ ra của hệ thống, y, phải bám theo Hệ thống có một vòng hồi tiếp thông thường bao gồm đối tượng và bộ điều khiển Sai lệch bám e là hiệu của ngõ ra hệ

DUT.LRCC