Luận văn thạc sĩ thiết kệ bộ điều khiển pid mờ để điều khiển vị trí tay máy có tính đến độ đàn hồi

Học viên: Bùi Tuấn Việt Linh Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 60.52.60 Khóa: 33PFIEV Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt – Robot công nghiệp đang được ứng dụng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

BÙI TUẤN VIỆT LINH

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI

ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ TAY MÁY CÓ TÍNH ĐẾN MODULE ĐÀN HỒI CỦA CÁNH TAY

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Đà Nẵng - Năm 2017

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

BÙI TUẤN VIỆT LINH

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ TAY MÁY CÓ TÍNH ĐẾN MODULE ĐÀN HỒI CỦA CÁNH TAY

Chuyên ngành : Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa

Tôi 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

Bùi Tuấn Việt Linh

Học viên: Bùi Tuấn Việt Linh

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Mã số: 60.52.60 Khóa: 33PFIEV Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Tóm tắt – Robot công nghiệp đang được ứng dụng rất rộng rãi trong các ngành sản

xuất hiện đại.Với ưu điểm độ chính xác cao, thao tác lặp lại liên tục, tiêu tốn ít năng lượng và làm việc trong những môi trường khắc nghiệt Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của hệ tay máy là chưa linh hoạt như con người và chưa đảm bảo tính ổn định

về chất lượng Mặc dù đã siết chặt chất lượng chế tạo, thiết kế, cải thiện các chiến lược điều khiển để nâng cao độ chính xác động h ọ c, động lực học của robot, nhưng biến dạng của cấu trúc ở trạng thái tĩnh và tác động dưới ảnh hưởng của tải trọng ít được xem xét Luận văn này đề cập đến xây dựng phương pháp bù sai số

do biến dạng đàn hồi của cấu trúc dưới ảnh hưởng của ngoại lực dựa trên công thức kết hợp giữa phương trình Lagrange-Euler với phương pháp giả định, sau

đó thiết kế bộ điều khiển PID Mờ với mong muốn đạt được các chỉ tiêu chất lượng của hệ thống để hoàn thiện các phương pháp nói trên Tác giả đã tóm tắt các kết quả đã đạt được và đưa ra các hướng phát triển tiếp theo

Từ khóa – Robot Công Nghiệp; Phương pháp giả định; Biến dạng đàn hồi; Tay

máy cứng; Tay máy mềm; Điều khiển PID Mờ

DESIGN OF FUZZY PID CONTROLLER FOR POSITION CONTROL OF

MANIPULATOR WITH ELASTIC LINK Abstract – Industrial robots are being used extensively in modern manufacturing

industries With high precision, repeatability, low power consumption and work in harsh environments However, the biggest disadvantage of the manual system is not flexible as human beings and does not guarantee the stability of system quality Despite tightening the quality of manufacturing, designing, and improving control strategies to improve the dynamics of robots, but the deformation of the static structure and influenced by load is less considered This thesis refers to the construction of the error correction method due to the elastic deformation of the structure under the influence of external forces based on the formula combining the Lagrange-Euler equation with the assumed model method, then designing the Fuzzy PID controller with the desire to achieve the quality criteria of the system to perfect the aforementioned methods The author has summarized the results achieved and set out the next direction

Key words – Industrial Robot; Assumed model method; Elastic deformation; Rigid

manipulator; Flexible manipulator; Fuzzy PID Controller

LỜI CAM ĐOAN

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 1

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 3

5 Kết quả đạt được 3

6 Cấu trúc luận văn 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT 5

1.1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP 5

1.1.1 Cấu trúc cơ bản của Robot công nghiệp 5

1.1.2 Động học của Robot công nghiệp 11

1.1.3 Tổng hợp chuyển động của Robot công nghiệp 13

1.2 TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT 14

1.2.1 Tổng quan về bộ điều khiển PID 14

1.2.2 Lý thuyết điều khiển Mờ 22

1.2.3 Hệ điều khiển PID – Mờ 25

1.3 MỘT SỐ NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN BÙ SAI SỐ TRÊN THẾ GIỚI CHO ROBOT ĐÀN HỒI 27

1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 29

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC CHO TAY MÁY HAI BẬC TỰ DO CÓ TÍNH ĐẾN ĐÀN HỒI 30

2.1 ĐỘNG LỰC HỌC CỦA ROBOT CÔNG NGHIỆP 30

2.1.1 Nhiệm vụ và phương pháp phân tích động lực học của Robot công nghiệp 30

2.1.2 Phương trình Lagrange_Euler 30

2.1.3 Phương trình động lực học của tay máy 31

2.1.4 Động lực học của tay máy 2 bậc tự do 36

2.2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC CHO TAY MÁY HAI BẬC TỰ DO CÓ TÍNH ĐẾN ĐÀN HỒI 38

2.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 40

TỰ DO CÓ TÍNH ĐẾN ĐỘ ĐÀN HỒI 41

3.1 MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CỦA TAY MÁY HAI BẬC TỰ DO 41

3.2 PHƯƠNG ÁN SỬ DỤNG BĐK PID 43

3.2.1 Sơ đồ cấu trúc HTĐK Robot sử dụng PID 44

3.2.2 Sơ đồ mô phỏng HTĐK Robot sử dụng bộ PID như sau 44

3.3 SƠ ĐỒ CẤU TRÚC HTĐK ROBOT SỬ DỤNG BĐK PID MỜ 45

3.4 XÂY DỰNG BĐK PID MỜ CHO ROBOT 2 KHÂU 45

3.4.1 Thiết kế bộ điều khiển mờ cho khâu 1 45

3.4.2 Thiết kế bộ điều khiển mờ cho khâu 2 49

3.4.3 Sơ đồ mô phỏng HTĐK Robot 2 khâu sử dụng bộ điều khiển PID mờ 53

3.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 54

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 55

4.1 CÁC THÔNG SỐ CỦA MÔ HÌNH ROBOT HAI BẬC TỰ DO 55

4.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 55

4.2.1 So sánh quỹ đạo hệ thống trong hai trường hợp: Xét đến biến dạng và không xét đến biến dạng tại vị trí (q1,q2) = (pi/2,0) và (pi/3,pi/6) 55

4.2.2 Khi chưa có tác động của nhiễu 58

4.2.3 Khi có nhiễu nhỏ tác động 58

4.2.4 Khi có nhiễu lớn tác động 59

4.2.5 Khi có nhiễu Sin tác động 60

4.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 62

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao)

Số hiệu

1.1 Số lượng Robot các nước công nghiệp phát triển 6 1.2 Ảnh hưởng của mỗi bộ điều khiển Kp, Ki, Kd 16 1.3 Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất 17 1.4 Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ 2 17 1.5 Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick 1 18 1.6 Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick 2 18 1.7 Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick 3 18 1.8 Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick 4 19

Số hiệu

a Cấu trúc động học của tay máy hai bậc tự do 2

b Biến dạng của cánh tay robot và sai lệch vị trí các trục theo lý thuyết 2 1.1 Các thành phần chính của Robot công nghiệp 7

1.6b Các hệ toạ độ đối với 2 khâu động liên tiếp 12

1.12 Quan hệ giữa diện tích và tổng các hằng số 19

1.14 Sơ đồ khối chức năng của bộ điều khiển mờ 23

1.16 Bộ điều khiển mờ lai có khâu tiền xử lý mờ 26 1.17 Hệ mờ với bộ lọc mờ cho tín hiệu chủ đạo x 26

3.3 Sơ đồ kích thích lực  lên 2 khâu Robot 43 3.4 Góc quay Teta1, Teta2 của khâu 1, khâu 2 khi có kích thích lực  43 3.5 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển Robot sử dụng PID 44 3.6 Sơ đồ mô phỏng HTĐK Robot 2 khâu sử dụng bộ PID 44 3.7 Sơ đồ cấu trúc của HTĐK Robot 2 khâu sử dụng BĐK mờ 45

3.9 Bộ điều khiển mờ cho khâu 1 46

3.13 Luật hợp thành giữa đầu vào và đầu ra cho khâu 1 48 3.14 Quan hệ giữa đầu vào và đầu ra theo LHT cho khâu 1 48

3.21 Luật hợp thành giữa đầu vào và đầu ra cho khâu 2 52 3.22 Quan hệ giữa đầu vào và đầu ra theo luật hợp thành khâu 52

3.24 Sơ đồ khối mô phỏng HTĐK Robot 2 khâu sử dụng BĐK PID mờ 54 4.1 Quỹ đạo khớp 1 tại vị trí có góc quay pi/2 56 4.2 Quỹ đạo khớp 2 tại vị trí có góc quay 0 56 4.3 Quỹ đạo khớp 1 tại vị trí có góc quay pi/3 57 4.4 Quỹ đạo khớp 2 tại vị trí có góc quay pi/6 57 4.5 Đáp ứng đầu ra Teta1,TeTa2 với bộ điều khiển PID mờ khi chƣa

4.12 Đáp ứng đầu ra Teta1, TeTa2 với bộ PID khi có nhiễu lớn tác động 60

4.14 Đáp ứng đầu ra Teta1, TeTa2 với bộ điều khiển PID mờ khi 61 4.15 Đáp ứng đầu ra Teta1, TeTa2 với bộ PID khi có nhiễu sin tác động 61

độ công nghiệp hóa và tự động hóa cao

Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của hệ tay máy là chưa linh hoạt như con người

và chưa đảm bảo tính ổn định về chất lượng Do đó, để nâng cao hiệu quả sử dụng robot cần phải đẩy mạnh nghiên cứu về công nghệ chế tạo và công nghệ điều khiển mà trong đó việc nghiên cứu các luật điều khiển và xây dựng bộ điều khiển cho hệ tay máy là rất quan trọng Từ đó đã có rất nhiều công trình nghiên cứu ra đời về phân bổ dung sai chế tạo cho từng khâu trong cấu trúc, các nghiên cứu về chiến lược điều khiển giám sát tích cực có phản hồi nhiều thông số với độ chính xác chế tạo cơ khí thông thường, các công trình về hiệu chỉnh lời giải bài toán động học ngược để khắc phục sai

số quy tròn khi tính toán v.v

Mặc dù đã siết chặt chất lượng chế tạo, thiết kế, cải thiện các chiến lược điều khiển để nâng cao độ chính xác động h ọ c, động lực học của robot, nhưng biến dạng của cấu trúc ở trạng thái tĩnh và tác động dưới ảnh hưởng của tải trọng ít được xem xét Để hoàn thiện bức tranh chung v ề độ chính xác củ a robot công nghiệp, bên cạnh những công trình đã có không thể thiếu m ộ t nghiên cứu v ề tính toán

bù sai s ố đ i ể m cuối dưới ảnh hưởng của tải trọng

Với các lý do trên, tác giả sẽ lựa chọn việc xây dựng phương pháp bù sai số

do biến dạng đàn hồi của cấu trúc dưới ảnh hưởng của ngoại lực, sau đó thiết kế

bộ điều khiển PID - Mờ với mong muốn đạt được các chỉ tiêu chất lượng của hệ thống để hoàn thiện các phương pháp nói trên

2 Mục tiêu nghiên cứu

 Nắm bắt được lí thuyết điều khiển PID và phương pháp điều chỉnh tham số

Kp, Ki, Kd

 Nắm bắt ứng dụng bộ điều khiển Mờ

 Tập trung xây dựng mô hình toán xác định mối quan hệ giữa biến dạng của các khâu tạo thành cánh tay và khâu tác động cuối, sau khi tính toán định lượng, các sai lệch này được sử dụng làm thông tin cho mạch bù chuyển vị trong hệ thống điều khiển PID Mờ

 Ứng dụng bộ điều khiển PID Mờ nhằm hiệu chỉnh lại chính xác vị trí khâu cuối của Robot

 Sử dụng được phần mềm MATLAB SIMULINK làm công cụ xây dựng mô hình mô phỏng kết quả và so sánh, kết luận

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Trong luận văn giới hạn đối tượng điều khiển là tay máy hai bậc tự do: dưới đây

mô tả cấu trúc động học của tay máy hai bậc tự do

Hình a Cấu trúc động học của tay máy hai bậc tự do

Trong đó:

- 1, 2: Góc quay của từng khâu

- l1, l2 : Chiều dài của từng khâu

- m1, m2: Khối lượng toàn bộ của mỗi khâu

Yêu cầu bài toán điều khiển: Thiết kế bộ điều khiển PID – Mờ để điều khiển vị trí tay máy có tính đến độ đàn hồi

3.1 Giới thiệu bài toán

Khi các cánh tay robot có kích thước lớn hoạt động (như máy nâng hạ nhiều bậc

tự do) thì độ đàn hồi vật liệu sẽ xuất hiện và gây ra những hiệu ứng phi tuyến mạnh, dẫn đến khó điều khiển chính xác vị trí nếu dùng các phương trình mô tả cánh tay máy thông thường như phương trình Lagrange II cho tay máy cứng Do đó việc xây dựng một phương pháp tính toán bù sai số điểm cuối do biến dạng đàn hồi của cấu trúc dưới ảnh hưởng của ngoại lực là rất cần thiết

Xuất phát từ mô hình toán của cơ hệ trong trạng thái dừng luôn tìm được biến dạng của cấu trúc, trên cơ sở đó xác định lượng bù động học để tác động lên các động

cơ nhằm điều chỉnh lại vị trí chính xác theo yêu cầu

Hình b Biến dạng của cánh tay robot và sai lệch vị trí các trục theo lý thuyết

Định tính và định lượng các thành phần sai số là bước quan trọng để bù sai số, phương pháp xác định sai số cần có tính tổng quát để áp dụng được trên các cấu trúc khác nhau, bên cạnh đó cần đưa ra được các thông tin đa dạng như biến dạng dài, biến

dạng góc của tất cả các trục thuộc cấu trúc kể cả khâu cuối

3.2 Phạm vi nghiên cứu

Do hạn chế về điều kiện thực nghiệm xác định các ma trận khối lượng cấu trúc

và ma trận hệ số cản, đề tài giới hạn trong phạm vi chỉ xem xét cấu trúc ở trạng thái dừng hoặc chỉ khởi tạo các số liệu bù tại các điểm xác định của quỹ đạo sau đó nội suy ghép nối dữ liệu động học bằng các đa thức bậc thấp

Đề tài cũng giới hạn chỉ can thiệp vào các thông số động học trong nỗ lực bù sai lệch của robot, trong khi nếu xác định được ma trận khối lượng cấu trúc và ma trận hệ

số cản sẽ tạo ra số liệu bù dưới dạng động lực học

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Ý nghĩa khoa học:

Nghiên cứu này cũng như các nghiên cứu khác có cùng mục tiêu nâng cao độ chính xác sẽ cung cấp thêm cho những nhà nghiên cứu, chế tạo và sử dụng robot như một công cụ hiệu quả để hiểu rõ hơn và làm chủ thiết bị khi vận hành Nó cho phép thiết kế các khâu có tỉ lệ độ mảnh/ độ dài hợp lý nhất với vận tốc tối đa cho phép còn đảm bảo độ chính xác, là điều kiện không thể thiếu khi nâng cao tốc độ thao tác nhằm tăng năng suất nhưng không tạo ra sai lệch vị trí hoặc hướng trên khâu cuối vượt quá giới hạn cho phép

Với kết quả nghiên cứu được, đề tài này mang lại ý nghĩa khoa học về vấn đề ứng dụng lý thuyết điều khiển PID Mờ trong việc điều khiển các đối tượng phi tuyến nói chung và robot nói riêng Đề tài đã chỉ ra được sự kết hợp giữa điều khiển mờ và điều khiển PID sẽ mang lại kết quả tốt hơn so với việc chỉ sử dụng bộ điều khiển PID Bên cạnh đó, kết quả nghiên cứu là cơ sở lý thuyết để có thể ứng dụng trong công nghệ chế tạo và sản xuất robot

- Ý nghĩa thực tiễn:

Do chi phí ban đầu cho robot tương đối cao nên năng suất lao động cần được đẩy lên để giảm thời gian khấu hao thiết bị, thực tiễn cho thấy tất cả nhà sản xuất muốn có năng suất tối đa, đồng nghĩa với vận hành thiết bị ở tốc độ lớn nhất có thể Với cấu trúc có sẵn hoặc thiết kế mới điều kiện biên để xác định vận tốc chính là đảm bảo độ chính xác dưới ảnh hưởng của quán tính do khối lượng bản thân và tải trọng gây ra Tập trung vào giải quyết vấn đề này nên luận văn có ý nghĩa thực tiễn trên nhiều khía cạnh như khi thiết kế sao cho khâu có tỉ lệ độ dài/độ mảnh hợp lý nhất, sử dụng sao cho vận tốc robot lớn nhất có thể, trong khi dung sai vị trí khâu cuối là thấp nhất

5 Kết quả đạt được

 Xác định được các biến dạng đàn hồi của cấu trúc robot theo từng phương riêng biệt

 Phương pháp bù sai số do biến dạng đàn hồi của cấu trúc dưới ảnh hưởng của ngoại lực

 Bộ điều khiển PID Mờ đáp ứng được các yêu cầu về độ chính xác và độ ổn định cao của hệ thống

6 Cấu trúc luận văn

MỞ ĐẦU

Luận văn bao gồm có 4 chương

 Chương 1 Tổng quan về Robot công nghiệp và điều khiển Robot

 Chương 2 Xây dựng mô hình toán học của tay máy hai bậc tự do

 Chương 3 Thiêt kế bộ điều khiển PID Mờ điều khiển tay máy hai bậc tự do

 Chương 4 Mô phỏng và đánh giá kết quả

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP

VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT

1.1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP

1.1.1 Cấu trúc cơ bản của Robot công nghiệp

1.1.1.1 Tổng quan về Robot Công nghiệp

Hiện nay đã có rất nhiều nghiên cứu cũng như ứng dụng của Robot trong cuộc sống và các ngành công nghiệp, nông nghiệp… Có thể nói Robot là tập hợp bao gồm hai phần là phần cứng và phần mềm Phần cứng là toàn bộ các cơ cấu như là cơ cấu cơ khí, cơ cấu truyền động, vi mạch điều khiển, cảm biến… Phần mềm là chương trình điều khiển của Robot Việc kết hợp phần cứng và các chương trình điều khiển đã mang lại khả năng ứng dụng rộng lớn cho Robot

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

1.1.1.2 Khái niệm về Robot Công nghiệp

Robot công nghiệp có thể được định nghĩa theo một số tiêu chuẩn sau:

 Theo tiêu chuẩn AFNOR của Pháp: Robot công nghiệp là một cơ cấu chuyển động tự động có thể lập trình, lặp lại các chương trình, tổng hợp các chương trình đặt

ra trên các trục tọa độ, có khả năng định vị, định hướng, di chuyển các đối tượng vật chất như chi tiết, đạo cụ, gá lắp theo những hành trình thay đổi đã được chương trình hóa nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác nhau

 Theo tiêu chuẩn RIA của Mỹ (Robot Institute of America): Robot là một tay máy vạn năng có thể lặp lại các chương trình, được thiết kế để di chuyển vật liệu, chi tiết, dụng cụ, hoặc các thiết bị chuyên dùng thông qua các chương trình chuyển động

có thể thay đổi để hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau

 Theo tiêu chuẩn TOCT 25686-85 của Nga: Robot công nghiệp là một máy tự động, được đặt cố định hoặc di động được, liên kết giữa một tay máy và một hệ thống điều khiển theo chương trình, có thể lặp đi lặp lại để hoàn thành các chức năng vận động và điều khiển trong quá trình sản xuất

 Do đó, robot công nghiệp có thể được hiểu là những thiết bị tự động linh hoạt, thực hiện các chức năng lao động công nghiệp của con người dưới một hệ thống điều khiển theo những chương trình đã được lập trình sẵn

 Với đặc điểm có thể lập trình lại được, robot công nghiệp là thiết bị tự động hóa và ngày càng trở thành bộ phận không thể thiếu được của các hệ thống sản xuất linh hoạt Vì vậy, robot công nghiệp trở thành phương tiện hữu hiệu để tự động hóa,

nâng cao năng suất lao động và giảm nhẹ cho con người những công việc nặng nhọc, độc hại dưới sự giám sát của con người

 Kết luận: Robot công nghiệp là một máy tự động có khả năng lập trình và tái lập trình được phát minh ra nhằm phục vụ lợi ích con người

Quá trình phát triển của Robot được tóm tắt như sau:

 Từ những năm 1950 ở Mỹ đã xuất hiện sản phẩm có tên là Versatran của công

Châu Á có Nhật Bản bắt đầu nghiên cứu ứng dụng Robot từ năm 1968

- Tuy Mỹ là nước đầu tiên phát minh ra Robot nhưng Nhật Bản là nước sản xuất

ra nhiều nhất

- Một vài số liệu về số lượng Robot được sản xuất ở một vài nước phát triển:

Bảng 1.1 Số lượng Robot các nước công nghiệp phát triển

1.1.1.4 Phân loại Robot Công nghiệp

Ngày nay, robot công nghiệp đã phát triển rất phong phú và đa dạng, vì vậy phân loại chúng không đơn giản Có rất nhiều quan điểm khác nhau và mỗi quan điểm lại phục vụ một mục đích riêng Dưới đây là các cách phân loại chính

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

- 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 kiểu 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 kiểu điều khiển thông minh, có khả năng nhận biết thông tin và bước đầu đã có một số chức năng lý trí của con người

 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 như đã trình bày ở trên

 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

 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

1.1.1.5 Ứng dụng của Robot công nghiệp

Robot công nghiệp được áp dụng trong công nghiệp dưới góc độ thay thế con người, nhờ vậy các dây chuyền sản xuất được tăng năng suất và hiệu quả

 Ứng dụng trong công nghiệp: Robot được sử dụng trong công nghệ đúc, hàn, cắt, sơn, phun phủ, tháo lắp, vận chuyển…

 Ứng dụng trong Y học: Robot được sử dụng trong lĩnh vực y tế như nội soi

b Kết cấu tay máy

Kết cấu của tay máy gồm hai chuyển động:

 Chuyển động tịnh tiến ( kí hiệu T )

 Chuyển động quay ( kí hiệu R)

Kết cấu tay máy là tổ hợp, là chuyển động tịnh tiến, chuyển động quay tạo nên các vùng làm việc khác nhau Các kiểu tay máy:

 Robot kiểu toạ độ Đề các: là tay máy có 3 chuyển động cơ bản tịnh tiến theo phương của các trục hệ toạ độ gốc (cấu hình T.T.T) Trường công tác có dạng khối chữ nhật Do kết cấu đơn giản, loại tay máy này có độ cứng vững cao, độ chính xác cơ khí dễ đảm bảo vì vậy nó thường dùng để vận chuyển phôi liệu, lắp ráp, hàn trong mặt phẳng

Hình 1.2 Robot hoạt động theo tọa độ Đề Các

 Robot kiểu toạ độ trụ : Vùng làm việc của Robot có dạng hình trụ rỗng Thường khớp thứ nhất chuyển động quay

Ví dụ: Robot 3 bậc tự do, cấu hình R.T.T như hình vẽ 1.4 Có nhiều robot kiểu toạ độ trụ như : Robot Versatran của hãng AMF (Hoa kỳ)

Hình 1.3 Robot kiểu toạ độ trụ

 Robot kiểu toạ độ cầu: Vùng làm việc của Robot có dạng hình cầu Thường độ cứng vững của loại Robot này thấp hơn so với hai loại trên

Ví dụ: Robot 3 bậc tự do, cấu hình R.R.R hoặc R.R.T làm việc theo kiểu toạ độ cầu (hình 1.5)

Hình 1.4 Robot hoạt động theo hệ toạ độ cầu

 Robot kiểu toạ độ góc (Hệ toạ độ phỏng sinh) : Đây là kiểu Robot được dùng nhiều hơn cả Ba chuyển động đầu tiên là các chuyển động quay,trục quay thứ nhất vuông góc với hai trục kia Các chuyển động định hướng khác cũng là các chuyển động quay Vùng làm việc của tay máy này gần giống một phần khối cầu Tất cả các khâu đều nằm trong mặt phẳng thẳng đứng nên các tính toán cơ bản là bài toán phẳng,

ưu điểm nổi bật của các loại robot hoạt động theo hệ toạ độ góc là gọn nhẹ, tức là có vùng làm việc tương đối lớn so với kích cỡ của bản thân Robot, độ linh hoạt cao Một

ví dụ của Robot hoạt động theo hệ tọa độ phỏng sinh, có cấu hình RRR.RRR

Hình 1.5 Robot hoạt động theo hệ tọa độ góc

Các robot hoạt động theo hệ toạ độ góc như: Robot PUMA của hãng Unimation- Nokia (Hoa Kỳ - Phần Lan), Irb-6, Irb-60 (Thụy Điển), Toshiba, Mitsubishi, Mazak (Nhật Bản) …

 Robot kiểu SCARA : Robot SCARA ra đời vào năm 1979 tại trường đại học Yamanashi (Nhật Bản) là một kiểu robot mới nhằm đáp ứng sự đa dạng của các quá trình sản xuất Tên gọi SCARA là viết tắt của "Selective Compliant Articulated Robot Arm": Tay máy mềm dẻo tuỳ ý Loại robot này thường dùng trong công việc lắp ráp nên SCARA đôi khi được giải thích là từ viết tắt của "Selective Compliance Assembly

Robot Arm" Ba khớp đầu tiên của kiểu Robot này có cấu hình R.R.T, các trục khớp đều theo phương thẳng đứng Sơ đồ của Robot SCARA

Hình 1.6a Robot kiểu SCARA

1.1.1.7 Bậc tự do của Robot công nghiệp

b Xác định số bậc tự do của robot (DOF- Degree Of Freedom)

Bậc tự do là số khả năng chuyển động của một cơ cấu (chuyển động quay hoặc tịnh tiến) Để dịch chuyển được một vật thể trong không gian, cơ cấu chấp hành của robot phải đạt được một số bậc tự do Nói chung cơ hệ của robot là một cơ cấu hở, do

đó bậc tự do của nó có thể tính theo công thức:

W = 6n

-5

1

i i

Để định vị và định hướng khâu chấp hành cuối một cách tuỳ ý trong không gian

3 chiều robot cần có 6 bậc tự do, trong đó 3 bậc tự do để định vị và 3 bậc tự do để định hướng Một số công việc đơn giản nâng hạ, sắp xếp có thể yêu cầu số bậc tự do ít

hơn Các robot hàn, sơn thường yêu cầu 6 bậc tự do Trong một số trường hợp cần sự khéo léo, linh hoạt hoặc khi cần phải tối ưu hoá quỹ đạo, người ta dùng robot

1.1.2 Động học của Robot công nghiệp

Cơ cấu chấp hành của Robot thường là một cơ cấu hở gồm một chuỗi các khâu (link) nối với nhau bằng các khớp (joints) Các khớp động này là khớp quay (R) hoặc khớp tịnh tiến (T) Để robot có thể thao tác linh hoạt cơ cấu chấp hành của nó phải có cấu tạo sao cho điểm mút của khâu cuối cùng đảm bảo dễ dàng di chuyển theo một quỹ đạo nào đó, đồng thời khâu này có một hướng nhất định theo yêu cầu Khâu cuối cùng này thường là bàn kẹp (griper), điểm mút của nó chính là “điểm tác động cuối” E (end-effector)

Để xét vị trí và hướng của E trong không gian ta gắn vào nó một hệ toạ độ động thứ n và gắn với mỗi khâu động một hệ toạ độ khác, còn gắn liền với giá đỡ một hệ toạ

độ cố định Đánh số ký hiệu các hệ này từ 0 đến n bắt đầu từ giá cố định Khi khảo sát chuyển động của Robot cần biết “định vị và định hướng” tại điểm tác động cuối trong mọi thời điểm Các lời giải của bài toán này được xác định từ những phương trình động học của Robot Các phương trình này là mô hình động học của Robot Chúng được xây dựng trên cơ sở thiết lập các mối quan hệ giữa các hệ toạ độ động nói trên so với hệ toạ độ cố định

1.1.2.1 Xác định trạng thái của Robot tại điểm tác động cuối

Trạng thái của Robot tại “điểm tác động cuối” hoàn toàn xác định bằng sự định

vị và định hướng tại điểm tác động cuối bằng ma trận trạng thái cuối TE :

Hệ toạ độ gắn liền với bàn kẹp của robot có các vectơ đơn vị chỉ phương các trục như sau :

a – vector có hướng tiếp cận (approach) với đối tác

Một điểm bất kì nào đó trong không gian được xác định trong hệ toạ độ thứ i bằng bán kính ri và trong hệ toạ độ cố định x0, y0, z0 được xác định bằng bán kính vector r0 :

r0 = A1A2…Airi (1.3) hoặc r0 = Tiri (1.4) với Ti = A1A2…Ai, i= 1, 2, …n (1.5) Trong đó ma trận A1 mô tả vị trí hướng của khâu đầu tiên; ma trận A2 mô tả vị trí

và hướng của khâu thứ 2 so với khâu đầu; ma trận Ai mô tả vị trí và hướng của khâu thứ i so với khâu thứ i-1

Như vậy, tích của các ma trận Ai là ma trận Ti mô tả vị trí và hướng của khâu thứ

i so với giá trị cố định Thường kí hiệu ma trận T với 2 chỉ số: trên và dưới Chỉ số dưới chỉ khâu đang xét còn chỉ số trên để chỉ toạ độ được dùng để đối chiếu Ví dụ, biểu thức (1.4) có thể viết lại là :

Ti  0Ti  A T11 i (1.6) với 1Ti  A A2 3 Ai (1.7)

là ma trận mô tả vị trí và hướng của khâu thứ i so với khâu thứ nhất Trong kí hiệu thường bỏ qua chỉ số trên nếu chỉ số đó bằng 0

Denavit & Hartenberg đã đề xuất dùng ma trận thuần nhất 4x4 mô tả quan hệ giữa 2 khâu liên tiếp trong không gian

b Bộ thông số DH

Dưới đây trình bày cách xây dựng các hệ toạ động đối với 2 khâu động liên tiếp i và

i+1 Hình dưới đây là trường hợp 2 khớp động liên tiếp là 2 khớp quay

Hình 1.6b Các hệ toạ độ đối với 2 khâu động liên tiếp

Trước hết ta xác định bộ thông số cơ bản giữa 2 trục quay của khớp động i+1 và i:

 ai là độ dài đường vuông góc chung giữa 2 trục khớp động i+1 và i

i là góc chéo giữa 2 trục khớp động i+1 và i

 di là khoảng cách đo dọc trục khớp động i từ đường vuông góc chung giữa trục khớp động i+1 và trục khớp động i tới đường vuông góc chung giữa khớp động i và trục khớp động i -1

i là góc giữa 2 đường vuông góc chung nói trên

Bộ thông số này được gọi là bộ thông số Denavit – Hartenberg (DH)

Biến khớp (joint variable):

Nếu khớp động i là khớp quay thì biến khớp là i

Nếu khớp động i là khớp tịnh tiến thì biến khớp là di

Để kí hiệu thêm biến khớp dùng thêm dấu * và trong trường hợp khớp tịnh tiến thì ai được xem là bằng 0

1.1.2.3 Phương trình động học

Với Robot có n khâu, ma trận mô tả vị trí và hướng điểm cuối E của tay máy được miêu tả :

Tn = A1A2…An (1.9) Mặt khác, hệ toạ độ tại “điểm tác động cuối” này được mô tả bằng ma trận TE Vì vậy hiển nhiên là:

TE = Tn (1.10) Tức là ta có :

Phương trình (1.11) là phương trình động học cơ bản của Robot

1.1.3 Tổng hợp chuyển động của Robot công nghiệp

1.1.3.2 Bài toán động học ngược

Bài toán động học ngược được đặc biệt quan tâm vì lời giải của nó là cơ sở chủ yếu để xây dựng chương trình điều khiển chuyển động của Robot bám theo quỹ đạo

cho trước

Xuất phát từ phương trình động học cơ bản (1.11) ta có :

Các ma trận Ai là hàm của các biến khớp qi Vector định vị bàn kẹp p =

(px,py,pz)T cũng là hàm của qi Các vector n, s, a là các vector đơn vị chỉ phương các

trục của hệ toạ độ gắn liền với bàn kẹp biểu diễn trong hệ toạ độ cố định XYZ Các vector này vuông góc với nhau từng đôi một nên trong 9 thành phần của chúng chỉ tồn tại độc lập chỉ có 3 thành phần Hai ma trận ở vế phải và vế trái của phương trình (1.12) đều là các ma trận thuần nhất 4x4 So sánh các phần tử tương ứng của 2 ma trận trên ta có 6 phương trình độc lập với các ẩn qi (i = 1, 2, ,n)

1.1.3.3 Các phương pháp giải bài toán động học ngược

Trường hợp tổng quát ta xét hệ phương trình động học của Robot có n bậc tự do

Vế trái của phương trình (1.12) theo các kí hiệu như (1.4)-(1.6) có thể viết lại

như sau:

TnT Ti.i n (1.13) Nhân 2 vế của (1.13) với Ti1 ta có:

Ai-1 A2-1A1-1 Tn = Tn

i

(1.14) Kết hợp (1.12) ta có:

z z z z

y y y y

x x x x

p a s n

p a s n

p a s n

(1.15)

với i=1, ,n-1

Ứng với mỗi giá trị của i, khi so sánh các phần tử tương ứng của 2 ma trận ở biểu thức (1.15) ta có 6 phương trình tồn tại độc lập để xác định biến khớp qi

1.2 TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT

1.2.1 Tổng quan về bộ điều khiển PID

1.2.1.1 Cấu trúc chung của hệ điều khiển

Cấu trúc chung của hệ điều khiển tự động như hình 1.8

Trong đó:

- ĐTĐT : Đối tượng điều khiển

- TBĐK : Thiết bị điều khiển

- TBĐL – CĐTH: Thiết bị đo lường và chuyển đổi tín hiệu

Hình 1.7 Cấu trúc hệ thống điều khiển

U(t): Là tín hiệu vào của hệ thống – còn gọi là tín hiệu đặt hay đại lượng chủ đạo

để xác đinh điểm làm việc của hệ thống

y(t): Tín hiệu đầu ra của hệ thống Đây chính là đại lượng được điều chỉnh

x(t): Là tín hiệu điều khiển tác động lên đối tượng

Z(t): Là tín hiệu phản hồi

Thiết bị điều khiển là thành phần quan trọng nhất duy trì chế độ làm việc cho cả

hệ thống điều khiển

1.2.1.2 Các phương pháp xác định tham số PID

Tên gọi PID là chữ viết tắt của ba thành phần cơ bản có trong bộ điều khiển gồm khâu khuếch đại (P), khâu tích phân (I), và khâu vi phân (D)

Bộ điều khiển PID được sử dụng khá rộng rãi để điều khiển đối tượng SISO theo nguyên lý hồi tiếp Bộ PID được sử dụng rộng rãi nhờ tính đơn giản của nó cả về cấu trúc và nguyên lý làm việc Bộ PID có nhiệm vụ đưa sau lệch e(t) của hệ thống về 0 sao cho quá trình quá độ thỏa món các yêu cầu cơ bản về chất lượng:

Điều khiển tỉ lệ (KP) có ảnh hưởng làm giảm thời gian lên và sẽ làm giảm nhưng không loại bỏ sai số xác lập Điều khiển tích phân (KI) sẽ loại bỏ sai số xác lập nhưng

có thể làm đáp ứng quá độ xấu đi Điều khiển vi phân (KD) có tác dụng làm tăng sự ổn định của hệ thống, giảm vọt lố và cải thiện đáp ứng quá độ Ảnh hưởng của mỗi bộ điều khiển KP, KI và KD lên hệ thống vòng kín được tóm tắt ở bảng bên dưới:

y(t) e(t)

Bảng 1.2 Ảnh hưởng của mỗi bộ điều khiển Kp, Ki, Kd

Đáp ứng vòng kín Thời gian lên Lọt vố Thời gian xác lập Sai số xác lập

Kd Thay đổi nhỏ Giảm Giảm Thay đổi nhỏ

Bộ điều khiển PID được mô tả bằng mô hình vào ra:

- 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

a Phương pháp Ziegler-Nichols

Phương pháp Ziegler-Nichols là pháp thực nghiệm để xác định tham số bộ điều khiển P, PI, hoặc PID bằng cách dự 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:

Phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất: Phương pháp này áp dụng cho các đối tượng có đáp ứng đối với tín hiệu vào là hàm nấc có dạng chữ S (hình 1.9) như nhiệt

độ lò nhiệt, tốc độ động cơ…

Hình 1.8 Đáp ứng nấc của hệ hở có dạng S

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

Bảng 1.3 Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất

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 1.9 Xác định hằng số khuếch đại tới hạn

- Thay bộ điều khiển PID trong hệ kín bằng bộ khuếch đại

- 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 1.10 Đáp ứng nấc của hệ kín khi k = k th

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

Bảng 1.4 Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ 2

b Phương pháp Chien-Hrones-Reswick

Phương pháp này cũng áp dụng cho các đối tượng có đáp ứng đối với tín hiệu vào là hàm nấc có dạng chữ S (hình 1.12) nhưng có thêm điều kiện: (b/a) > 3

Hình 1.11 Đáp ứng nấc của hệ thích hợp cho phương pháp Chien-Hrones-Reswick

Phương pháp Chien-Hrones-Reswick 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 1.5 Các 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 lim ( )

Yêu cầu tối ưu theo tín hiệu đặt trước và hệ kín không có độ quá điều chỉnh:

Bảng 1.7 Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick 3

Yêu cầu tối ưu theo tín hiệu đặt trước và hệ kín có độ quá điều chỉnh ∆h không vượt quá 20% so với lim ( )

t

h h t





Bảng 1.8 Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick 4

c Phương pháp tổng T của Kuhn

Cho đối tượng có hàm truyền đạt

Ở đây các chữ cái t và m trong T T không có ý nghĩa luỹ thừa mà chỉ là i t, j m

ký hiệu nói rằng nó thuộc về đa thức tử số hay mẫu số trong hàm truyền đạt S(s)

Hình 1.12 Quan hệ giữa diện tích và tổng các hằng số

Gọi A là diện tích bao bởi đường cong h(t) và lim ( )

Trên cơ sở hai giá trị k, T đó có của đối tượng Kuhn đề ra phương pháp tổng T xác định tham số kp, TI, TD cho bộ điều khiển PID sao cho hệ hồi tiếp có quá trình quá

độ ngắn hơn và độ quá điều chỉnh h không vượt quá 25%

Phương pháp tổng T của Kuhn bao gồm hai bước sau:

b Phương pháp tối ưu modul

Phương pháp tối ưu modul 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 [4] Xét một hệ thống điều khiển kín như trên hình 2.7 Bộ điều khiển R(s) điều khiển cho đối tượng S(s)

Hình 1.13 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển kín

Phương pháp tối ưu modul 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 tượng điều khiển là khâu quán tính bậc nhất:

( ) 1

( )(1 )(1 ) (1 n )

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 modul

sẽ là khâu tích phân với tham số:

1

2

n I

i p



Trường hợp đối tượng điều khiển có dạng:

( )(1 )(1 ) (1 n )

(1 )(1 )

n i i

T k

T T





1 2 3

2

p

T T k

T T k

Từ đầu những năm 1990 đến nay hệ điều khiển mờ và mạng nơron (fuzzy system

và neural network) được các nhà khoa học, các kỹ sư trong các lĩnh vực khoa học kỹ thuật quan tâm nghiên cứu và ứng dụng vào sản xuất

Việc nghiên cứu thuật điều khiển tiếp cận với tư duy của con người được gọi là điều khiển trí tuệ nhân tạo, đây là lĩnh vực khá mới mẽ Những ứng dụng gần đây

về điều khiển mờ đã mang lại hiệu quả đáng kể trong các hệ điều khiển hiện đại

1.2.2.2 Khái niệm điều khiển mờ

Logic mờ (Fuzzy logic) là dựa trên thông tin không được đầy đủ hoặc không chính xác, con người suy luận đưa ra cách xử lý và điều khiển chính xác hệ thống phức tạp hoặc đối tượng mà trước đây chưa giải quyết được

Điều khiển mờ sử dụng kinh nghiệm vận hành đối tượng và xử lý điều khiển của các chuyên gia trong thuật toán điều khiển, do vậy hệ điều khiển mờ là một bước tiến gần hơn tới tư duy của con người

Điều khiển mờ thường được sử dụng trong các hệ thống sau đây:

 Hệ thống điều khiển phi tuyến; hệ thống điều khiển mà các thông tin đầu vào hoặc đầu ra là không đầy đủ, không xác định được chính xác; hệ thống điều khiển không xác định được mô hình đối tượng

Về nguyên lý, hệ thống điều khiển mờ cũng gồm các khối chức năng tương tự như các hệ điều khiển truyền thống, điểm khác biệt duy nhất ở đây sử dụng bộ điều khiển mờ

Các nguyên lý điều khiển mờ tuy chúng có thể khác nhau về các mệnh đề điều kiện, nhưng đều có một cấu trúc:

“Nếu thì ” theo một hay nhiều điều kiện

Vậy bản chất nguyên lý điều khiển mờ là xây dựng mô hình, xây dựng thuật toán

để điều khiển theo nguyên lý điều khiển mờ, nói cách khác là làm cách nào để có thể tổng quát hóa chúng thành một nguyên lý điều khiển mờ chung và từ đó áp dụng cho các quá trình tương tự

Điều khiển mờ chiếm một vị trí rất quan trọng trong điều khiển học kỹ thuật hiện đại

Những ứng dụng trong công nghiệp của điều khiển mờ rộng rãi như : điều khiển nhiệt độ, điều khiển giao thông vận tải, điều khiển trong công nghiệp và dân dụng Trong thực tế, bộ điều khiển kinh điển thường bị bế tắc khi gặp những bài toán

có độ phức tạp của hệ thống cao, độ phi tuyến lớn, sự thường xuyên thay đổi trạng thái

và cấu trúc của đối tượng…Trong khi đó Bộ điều khiển được thiết kế dựa trên cơ sở logic mờ giải quyết được các vấn đề trên

 Đối với các bài toán thiết kế có độ phức tạp cao, giải pháp dùng bộ điều khiển

mờ cho phép giảm khối lượng tính toán và giá thành sản phẩm

 Trong nhiều trường hợp bộ điều khiển mờ làm việc ổn định hơn, bền vững (robust) hơn và chất lượng điều khiển cao hơn

1.2.2.3 Điều khiển mờ cơ bản

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

Hình 1.14 Sơ đồ khối chức năng của bộ điều khiển mờ

Trong đó, các khối có các chức năng sau:

mờ như là một bộ xấp xỉ vạn năng Nguyên tắc chung việc thực hiện mờ hóa là:

 Từ tập giá trị thực đầu vào sẽ tạo ra tập mờ với hàm liên thuộc có giá trị đủ rộng tại các điểm rõ

 Nếu có nhiễu ở đầu vào thì việc mờ hóa sẽ góp phần khử nhiễu

 Việc mờ hóa phải tạo điều kiện đơn giản cho tính toán

Thông thường có 3 phương pháp mờ hóa: mờ hóa đơn trị, mờ hóa Gause

(Gaussian fuzzifier) và mờ hóa hình tam giác (Triangular fuzzifier) Thường sử dụng

mờ hóa Gause hoặc mờ hóa hình tam giác vì hai phương pháp này không những cho phép tính toán tương đối đơn giản mà còn đồng thời có thể khử nhiễu đầu vào

b Khối hợp thành

Dùng để biến đổi các giá trị mờ hóa của biến ngôn ngữ đầu vào thành các giá trị

mờ của biến ngôn ngữ đầu ra theo các luật hợp thành

Theo ngôn ngữ toán học thì nhiệm vụ của khối hợp thành là thực hiện ánh xạ tập

mờ đầu vào thành tập mờ đầu ra theo các luật mờ đã có

Có thể chọn thiết bị hợp thành theo những nguyên tắc sau:

 Sử dụng công thức có luật max-MIN, max-PROD

 Sử dụng công thức Lukasiewics có luật sum-MIN, sum-PROD

Dựa vào kinh nghiệm của người vận hành khi đã biết rõ về đối tượng thì ta xây dựng khối luật mờ bằng cách đặt ra các mối quan hệ vào ra theo quy luật nếu thì Khi chưa biết rõ về đối tượng thì phương pháp chuyên gia (đo lường các giá trị vào ra) để xây dựng bộ điều khiển theo phương pháp lập bảng dữ liệu, chọn cấu trúc trước và chỉnh định tham số

d Khối giải mờ

Biến đổi các giá trị mờ đầu ra thành giá trị rõ để điều khiển đối tượng Để mở rộng cho các bài toán điều khiển, người ta còn bổ sung thêm vào bộ điều khiển

mờ các khâu điều khiển kinh điển khác như PID, feedforward…

Khi chọn phương pháp giải mờ phải lưu ý:

G = yYB’(y) = H    (1.34) Xác định y’ có thể chấp nhận được từ G

B s

Trong đó S là miền xác định của tập mờ

Phương pháp trọng tâm có ưu điểm là có tính đến ảnh hưởng của tất cả các luật điều khiển đến giá trị đầu ra, tuy vậy cũng có nhược điểm là khi gặp các dạng hàm liên thuộc hợp thành như trên

 Phương pháp trung bình trọng tâm

Vì tập mờ hợp thành thường là hợp hoặc giao của M tập mờ, do vậy ta có thể tính gần đúng giá trị y là trung bình theo trọng số tâm của M tập mờ hợp thành

Hình 1.15 Sơ đồ xác định trung bình tâm

Thực tế ứng dụng kỹ thuật mờ cho thấy: không phải là cứ thay một bộ điều khiển

mờ vào chỗ bộ điều khiển kinh điển thì sẽ có một hệ thống tốt hơn Trong nhiều

trường hợp, để hệ thống có đặc tính động học tốt và bền vững cần phải thiết kế thiết bị điều khiển lai giữa bộ điều khiển mờ và bộ điều khiển kinh điển

Hệ mờ lai (viết tắt là F-PID) là một hệ thống điều khiển tự động trong đó thiết bị điều khiển bao gồm hai thành phần:

 Thành phần điều khiển kinh điển

 Thành phần điều khiển mờ

1.2.3.2 Các dạng hệ mờ lai phổ biến

a Hệ lai không thích nghi có bộ điều khiển kinh điển

Hãy quan sát hình 1.17 của một hệ lai có bộ tiền xử lý mờ Nhiệm vụ điều khiển được giải quyết bằng bộ điều khiển kinh điển và các thông số của bộ điều khiển không được chỉnh định thích nghi Hệ mờ được sử dụng để điều chế tín hiệu chủ đạo cho phù hợp với hệ thống điều khiển Về nguyên tắc, tín hiệu chủ đạo là một hàm thời gian bất

kỳ và phụ thuộc vào những ứng dụng cụ thể Một cấu trúc cụ thể của hệ mờ lai có bộ tiền xử lý mờ như vậy được biểu diễn trong hình 1.18

Hình 1.16 Bộ điều khiển mờ lai có khâu tiền xử lý mờ

Hình 1.17 Hệ mờ với bộ lọc mờ cho tín hiệu chủ đạo x

Tín hiệu chủ đạo đạo x đưa vào hệ thống được điều chế qua bộ mờ Tín hiệu vào

x được so sánh với tín hiệu ra y của hệ thống và sai lệch E cùng đạo hàm DE của nó được đưa vào đầu vào bộ lọc mờ tạo ra một lượng hiệu chỉnh x, tín hiệu chủ đạo đã được lọc có giá trị x + x Tác dụng của bộ lọc mờ trong toàn bộ hệ thống là làm cho

hệ thống có đặc tính động tốt hơn và nâng cao khả năng bền vững của hệ khi các thông

số trong hệ biến đổi

b Hệ mờ lai Cascade

Một cấu trúc mờ lai khác được biểu diễn trong hình 1.11, ở đó phần bù tín hiệu điều chỉnh u được lấy từ bộ điều khiển mờ

Hình 1.18 Cấu trúc hệ mờ lai Cascade

Trong trường hợp hệ thống có cấu trúc như trên thì việc chọn các đại lượng đầu vào của hệ mờ phụ thuộc vào từng ứng dụng cụ thể Tất nhiên các đại lượng thường được sử dụng làm tín hiệu vào của hệ mờ là tín hiệu chủ đạo x, sai lệch E, tín hiệu ra y cùng với đạo hàm hoặc tích phân của các đại lượng này Về nguyên tắc có thể sử dụng các đại lượng khác của đối tượng cũng như sử dụng các nhiễu xác định được

1.3 MỘT SỐ NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN BÙ SAI SỐ TRÊN THẾ GIỚI CHO ROBOT ĐÀN HỒI

Những nghiên cứu liên quan đến bù sai số gồm các mô hình tay máy mềm một

và nhiều khâu, các lý thuyết về dầm đàn hồi và các giải pháp về bù sau khi đã tính toán định lượng được sai số của cấu trúc, điển hình trong lĩnh vực này có thể kể tới một số công trình tiêu biểu như:

Việc điều khiển cánh tay robot mềm được đề xuất bởi Cannon và Schmiz vào năm 1984 [15], họ đã đưa ra mô hình toán học và thực hiện một số thí nghiệm để giải quyết vấn đề điều khiển của robot một khâu Vị trí của khâu chấp hành cuối được điều khiển bằng việc đo lường vị trí và sử dụng các đại lượng đo như 1 đơn vị chuẩn cho việc ứng dụng điều khiển momen quay đến điểm khác của cánh tay robot Vì vậy, nó được trích dẫn trong những công trình của Harashima và Ueshiba, Wang và Vidyasagar, Sangveraphunsiri và nhiều những công trình khác Trong tất cả những công trình trên cánh tay robot mềm được mô hình hóa như một khâu mà sai lệch được biểu diễn bằng một chuỗi hàm riêng hữu hạn

Subudhi và Morris (2002) [6] đã thực hiện các nghiên cứu về mô hình hóa các robot mềm và đo lường các biến dạng này Cơ sở của phương pháp này là giả thuyết các chuyển vị đàn hồi là nhỏ và có thể được xếp chồng lên chuyển động tổng thể lớn Chaeyoun Oh (1990) [8] lại đề xuất một kỹ thuật khác trong đó các đáp ứng động lực được tính bằng cách tham chiếu tới một hệ tọa độ cơ sở cố định Điều này đòi hỏi việc

sử dụng các lý thuyết dầm biến dạng hữu hạn có khả năng xử lý các kết quả chuyển vị lớn và phép quay hữu hạn Bayo và Serna (1989) [11] sử dụng phương pháp bổ sung các ràng buộc động lực học vào phương trình của Lagrange để tính toán lại giá trị của

mô men động ở thời điểm bất kỳ nhằm tác động lên khâu cuối một dư lực nữa để điều chỉnh vị trí mong muốn

Balas (1982) và Book (1989) [19] giới thiệu những cách tiếp cận khác nhau cho bài toán bám quỹ đạo của robot mềm Bài toán cơ bản được rất nhiều tác giả nghiên cứu là vị trí của tâm bàn kẹp trong cơ cấu tay máy mềm có một liên kết, đây là cơ sở

để mở rộng kết quả nghiên cứu cho các cơ hệ phức tạp hơn về sau này

Cannon và Schmith (1984) [15] trong các nghiên cứu kể trên chỉ ra những hệ thống robot mềm này có dao động tắt dần xung quanh một vị trí cuối cùng mong muốn

và đưa ra một luật phản hồi trong đó bao gồm các biến đàn hồi Hệ thống được bù cuối cùng di chuyển nhanh về phía vị trí cuối cùng nhưng các chuyển động trung gian không phải là mịn, các nghiên cứu được tiến hành trong điều kiện các khâu có biến dạng và mômen dẫn động lớn Để đạt được chuyển động mịn hơn, đã có đề xuất cần sử dụng các luật điều khiển phản hồi khác nhau và luôn tham chiếu tới một quỹ đạo đã chọn trong khi cố gắng để giữ cho robot dao động ít nhất

Biswas và Klafter (1988) [16] thiết kế một điều khiển tối ưu để theo dõi một cấu hình vận tốc của khớp cần thiết bao gồm cả độ võng của dầm và theo dõi lỗi trong các chỉ số hiệu suất Paolp và Book (1988) [14] bằng cách sử dụng kỹ thuật nhiễu đơn lẻ, xem xét luật điều khiển là tổng của hai luật: Luật chậm và luật nhanh Luật chậm điều khiển sự chuyển động tổng của cánh tay và luật nhanh kiểm soát rung động của nó Một phương pháp mang tính tổng quát khác để tính toán mô-men xoắn đã được giới thiệu bởi Chevallereau và Aoustin (1992) [9] có tác dụng giảm thiểu khoảng cách giữa gia tốc thực tế và mong muốn của robot Singer và Seering (1990) đề xuất kỹ thuật lọc hàm tần số của đầu vào để tránh các tần số cộng hưởng của hệ thống, phương pháp này đã mang lại kết quả thử nghiệm tốt Gần đây hơn, Rattan và Feliu (1992) đã thiết kế một bộ bù tổng quát hơn là giảm thiểu sự khác biệt giữa sự di chuyển mong muốn và thực tế của khâu cuối

Một kỹ thuật thay thế để giải quyết việc theo dõi quỹ đạo điểm cuối dựa trên giải pháp của bài toán động lực học ngược đối với các robot mềm (Lopez-Linares và cộng

sự, 1991) Động lực học ngược tính toán mômen dẫn động tại khớp phải được áp dụng

để có được một chuyển động theo chỉ định

Giải pháp đầu tiên cho bài toán động lực học ngược đối với một robot mềm một khâu đã được đưa ra bởi Bayo (1987) [11] Kỹ thuật được đề xuất là sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để rời rạc hoá biến dạng đàn hồi và phương pháp miền tần số để giải quyết bài toán số Bayo và cộng sự (1989) mở rộng các bài toán động lực học ngược ở các hệ thống đa khâu, phẳng bằng một quy trình lặp đi lặp lại Gần đây (Ledesma và cộng sự, 1994; Ledesma và Bayo, 1993, 1994) phương pháp đã được áp dụng cho các hệ thống mềm ba chiều, giữ các đặc điểm miền tần số và lặp đi lặp lại Các kỹ thuật động lực học ngược miền thời gian đã được trình bày bởi Bayo và Moulin (1989) và Kwon và Book (1990) [10] Phương pháp tiếp cận đầu tiên là dựa vào chức năng đáp ứng xung không mang tính nhân-quả cho một hệ thống một liên kết Trong bài thứ hai, cũng áp dụng cho một cánh tay có một khâu duy nhất, quan hệ

không nhân-quả của mô-men xoắn được tính bằng cách chia các đặc tính của hệ thống thành các phần mang tính nhân quả và các phần mang tính phản nhân quả

1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Chương 1 đã trình bày tổng quát về Robot công nghiệp từ lịch sử ra đời đến các giai đoạn phát triển, những ưu – nhược điểm trong các lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng của Robot Tìm hiểu cấu trúc chung của Robot và các phương pháp điều khiển chuyển động của Robot để Robot ngày càng linh hoạt, thông minh đáp ứng nhu cầu sử dụng của con người trong mọi lĩnh vực: sản xuất, công nghiệp, dịch vụ Việc nhìn nhận các tay máy công nghiệp là những cấu trúc mềm dẻo và tồn tại sai số chế tạo là một hướng tiếp cận đúng đắn và hiện đại trong việc đạt độ chính xác điều khiển của chúng Bên cạnh đó nếu chấp nhận cấu trúc mạch bù vào hệ điều khiển của robot sẽ góp phần giảm giá thành chế tạo và duy trì độ chính xác lâu dài cho thiết bị, đây là cách tiếp cận hợp lý cho giải pháp đạt độ chính xác của các tay máy đang được quan tâm nhiều hiện nay Mục đích nghiên cứu trong luận văn thiết kế bộ điều khiển PID

Mờ cho tay máy 2 bậc tự do có tính đến đàn hồi