Thiết kế bộ điều khiển PID mờ cho tay máy 3 bậc tự do

MỞ ĐẦU Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật các ngành công nghệ thông tin, ñiện tử viễn thông, tự ñộng hóa… ñã có một bước tiến rất lớn, nhiều công trình khoa học, các sản phẩm ñ

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRẦN DOÃN TƯỜNG MINH

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID MỜ CHO TAY MÁY 3 BẬC TỰ DO

Chuyên ngành : Tự ñộng hóa

Mã số : 60.52.60

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - 2011

Công trình ñược hoàn thành tại

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN HOÀNG MAI

Phản biện 1 : PGS.TS Nguyễn Doãn Bình

Phản biện 2 : TS Nguyễn Anh Duy

Luận văn sẽ ñược bảo vệ tại Hội ñồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật tại Đại học Đà Nẵng vào ngày

07 tháng 05 năm 2011

* Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng

- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng

MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật các ngành công nghệ thông tin, ñiện tử viễn thông, tự ñộng hóa… ñã có một bước tiến rất lớn, nhiều công trình khoa học, các sản phẩm ñược ra ñời nhằm ñáp ứng nhu cầu của con người như: máy rút tiền tự ñộng (ATM), thiết bị nhận dạng vân tay, robot giúp việc nhà, người máy Asimo có khả năng giao tiếp giống như người …

Để nâng cao chất lượng ñiều khiển ñối với hệ thống tay máy

robot và các bộ dẫn ñộng thì có nhiều cách khác nhau, xác ñịnh hệ dẫn ñộng, mô hình toán học của bộ dẫn ñộng và thiết kế bộ ñiều khiển PID mờ cho hệ dẫn ñộng theo yêu cầu ñiều khiển tay máy robot quĩ ñạo, xem tay máy robot như là ñối tượng chấp hành, sau ñó

mô phỏng hệ thống và tiến hành hiệu chỉnh các thông số của bộ ñiều

khiển ñể ñạt ñược yêu cầu ñặt ra Với lý do ñó tôi chọn ñề tài

“THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID MỜ CHO TAY MÁY 3

- Nghiên cứu lý thuyết về tay máy và lý thuyết mờ

- Thiết kế bộ ñiều khiển cho tay máy 3 bậc tự do

- Nghiên cứu mô hình tay máy 3 bậc tự do

- Nghiên cứu lý thuyết ñể xây dựng thuật toán ñiều khiển

- Mô hình hóa và mô phỏng ñể kiểm tra các thuật toán và kiểm nghiệm kết quả nghiên cứu trên matlab simulink

Mờ ñể ñiều khiển và nâng cao chất lượng, tăng ñộ mềm dẻo và ñộ

linh hoạt của bộ truyền ñộng trong các dây chuyền sản xuất, cụ thể

ñiều khiển tay máy 3 bậc tự do là một vấn ñề có ý nghĩa cao về

khoa học

Về thực tiễn: Việc tích hợp ñiều khiển PID Mờ vào vi ñiều

khiển mở ra triển vọng mới trong việc khai thác, áp dụng cho các hệ thống ñiều khiển trong công nghiệp ñể thay ñổi công nghệ sản xuất

cũ bằng việc tự ñộng hóa ñiểu khiển và khai thác triệt ñể năng lực, giảm vốn ñầu tư, nâng cao chất lượng hệ thống ñiều khiển, ñưa lại nhiều hơn các sản phẩm chất lượng tốt với giá thành thấp và cạnh tranh hơn

Luận văn có phần mở ñầu giới thiệu về nội dung, mục lục, danh mục các bảng, hình vẽ, kết luận và kiến nghị và bao gồm 5 chương

ñược nghiên cứu cụ thể:

Chương 2: Tổng quan về ñiều khiển PID và ñiều khiển Mờ Chương 3: Xây dựng mô hình toán học của tay máy 3 bậc tự do Chương 4: Thiết kế bộ ñiều khiển PID Mờ ñiều khiển tay máy

3 bậc tự do

Chương 5: Mô phỏng và ñánh giá kết quả

TAY MÁY

1.3.1 Định nghĩa về Robot công nghiệp

1.3.2 Các khái niệm

1.3.2.1 Bậc tự do của robot

1.3.2.2 Hệ tọa ñộ

1.3.2.3 Trường công tác của robot

1.4 Phân loại robot công nghiệp

1.4.1 Phân loại theo kết cấu

1.4.2 Phân loại theo hệ thống truyền ñộng

1.4.3 Phân loại theo ứng dụng

1.4.4 Phân loại theo cách thức và ñặc trưng của phương pháp ñiều khiển

Robot có thể ñược ñiều khiển bằng các hệ truyền ñộng như: truyền ñồng ñiện, truyền ñộng thuỷ lực, truyền ñộng thuỷ khí,

1.5.1 Các thành phần chính của Robot công nghiệp

1.5.2 Kết cấu của tay máy

Cho ñến nay robot ñược ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực kinh tế, khoa học kỹ thuật và công nghệ Đặc biệt robot tay máy với các cơ cấu 2 và 3 bậc tự do ñược sử dụng rộng rãi trong công nghệp

ñiện tử với ñộ chính xác cao như hệ thống quay ra ña, ñiều chỉnh tầm

và hướng pháo cao xạ, lắp ráp trong các dây chuyền sản xuất…với

ưu ñiểm là có tính chính xác và ñộ ổn ñịnh cao chính vì thế việc

thông minh hóa các hệ thống ñiều khiển này ñang ñược nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu

Chương 2 - TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN PID VÀ PID MỜ

2.2.1.2 Khối hợp thành (Inference Mechanism)

Biến ñổi các giá trị mờ hoá của biến ngôn ngữ ñầu vào thành các giá trị mờ của biến ngôn ngữ ñầu ra theo các luật hợp thành

2.2.1.3 Kh ối luật mờ (Rule-base)

Gồm tập các luật “Nếu Thì ” dựa vào các luật mờ cơ sở do người thiết kế xây dựng thích hợp cho từng biến và giá trị của các

2.2.1.4 Khối giải mờ (Defuzzifier)

Biến ñổi các giá trị mờ ñầu ra thành các giá trị rõ ñể ñiều khiển ñối tượng

2.2.2 Phân loại ñiều khiển mờ

Là hệ thống ñiều khiển tự ñộng trong ñó thiết bị ñiều khiển gồm 2 thành phần: Thiết bị ñiều khiển rõ và thiết bị ñiều khiển mờ

Với hệ kết hợp này có: Hệ ñiều khiển mờ lai kinh ñiển và Bộ

ñiều khiển mờ chỉnh ñịnh tham số PID

2.3.2.1 Hệ ñiều khiển mờ lai kinh ñiển

2.3.2.2 Bộ ñiều khiển mờ chỉnh ñịnh tham số bộ ñiều khiển PID

Việc áp dụng lôgic mờ ñã cho tạo ra các bộ ñiều khiển mờ, mờ lai, với những tính chất khá tốt nhằm ñáp ứng yêu cầu trong ñiều khiển tự ñộng, ví dụ ñiều khiển các ñối tượng phức tạp Ngoài ra, các bộ

ñiều khiển mờ cho phép lặp lại các tính chất của các bộ ñiều khiển kinh ñiển Thiết kế bộ ñiều khiển mờ cũng rất ña dạng, qua việc tổ chức các

nguyên tắc ñiều khiển và chọn tập mờ cho các biến ngôn ngữ cho phép người ta thiết kế các bộ ñiều khiển mờ khác nhau

Chương 3 - XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA

TAY MÁY 3 BẬC TỰ DO

3.1.1 Điều khiển theo chuỗi các ñiểm giới hạn

3.1.2 Điều khiển lặp lại

3.1.2.1 Ph ương pháp ñiều khiển thep quỹ ñạo

Điều khiển kiểu ñiểm - ñiểm

3.1.3 Điều khiển kiểu Robot thông minh

3.2 Sơ ñồ ñộng học cánh tay Robot 3 bậc tự do

Phạm vi ñề tài tập trung vào việc nghiên cứu ñiều khiển cánh tay robot 3 bậc chuyển ñộng quay (QQQ)

Điều khiển cánh tay máy ba khâu như hình vẽ 3.1 với các

thông số của cánh tay cho ở bảng 3.2

Hình 3.2: Sơ ñồ cánh tay Robot 3DOF

Bảng 3.2: Thông số vật lý của cánh tay robot 3DOF

Đơn vị tính

Khoảng cách ñến trọng tâm khâu 1 d 1 0,08 m

Khoảng cách ñến trọng tâm khâu 2 d 2 0,13 m

Khoảng cách ñến trọng tâm khâu 3 d 3 0,17 m

3.2.1 Các phương trình ñộng học của cánh tay Robot 3 DOF

3.2.1.1 Vận tốc của chuyển ñộng thứ i

3.2.1.2 Gia tốc của chuyển ñộng thứ i

3.2.2 Thành lập phương trình ñộng lực học của tay máy 3 DOF

3.2.2.1 Động năng của tay máy 3 DOF

3 2

W

Với Wi là ñộng năng của các khớp 1,2,3 ñược tính ở (2.33)

3.2.2.2 Tính thế năng của tay máy 3 DOF

3 2

1 P P

P

)]sin(

dsinlg[lm)sind-g(lm

3.2.3.2 Mô tả hệ bằng phương trình Lagrange bậc hai

3.2.4 Mô tả hệ tay máy 3DOF bằng phương trình trạng thái

Các moomen của các khớp tay mấy lần lượt là Q1, Q2, Q3 ñược tính ở (3.56)

Trong ñó:

2 3 113 2 2 112 3 2 113 3 1 112 2

1

312

K = ϕ&ϕ& + ϕ& + ϕ& + ϕ& +

3.2.4.1 Các biến trạng thái và phương trình trạng thái

Đặt các biến trạng thái cho các khớp quay X1, X2, X3 ñặt ở (3.57)

Đặt các tín hiệu vào tay máy: u1, u2, u3 có ở (3.58)

Phương trình trạng thái cho chuyển ñộng I, II, III ñược mô tả: (3.59), (3.60), (3.61)

3.2.4.2 Ph ương trình trạng thái khớp quay

Với x& x& x& ñược mô tả ở (3.64), (3.65),( 3.66)

3.3 Kết luận chương 3

- Hoạt ñộng của tay máy robot ba khớp trong không gian là

việc kết hợp chuyển ñộng riêng của ba khớp lại với nhau

- Tay máy hoạt ñộng luôn có sự thay ñổi về tốc ñộ nên thông

số ñộng học của tay máy cũng thay ñổi theo, chịu ảnh hưởng của các thông số bên ngoài làm cho sai lệch lớn hơn

- Với các phương trình trạng thái các khớp của tay máy ba

bậc trên ta thấy ñược tay máy ba bậc là hệ có tính phi tuyến mạnh

Chương 4 – THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID MỜ ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY 3 BẬC TỰ DO

4.1.1 Thuật toán ñiều khiển tỉ lệ (P) có phản hồi tốc ñộ và ñiều khiển PD

4.1.2 Thuật toán ñiều khiển PD có bù gia tốc trọng trường

4.1.3 Thuật toán ñiều khiển PID

4.1.4 Nhận xét chung

4.2 Tổng hợp bộ ñiều khiển vị trí PID cho ñộng cơ ñiện một

chiều

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

- Vòng trong cùng ñiều chỉnh dòng ñiện

- Vòng thứ hai ñiều chỉnh tốc ñộ ñộng cơ

- Vòng ngoài cùng ñiều chỉnh vị trí

4.2.1 Các thông số ban ñầu

4.2.1.1 Động cơ ñiện một chiều

Bảng 4.1: Các thông số của ñộng cơ ñiện một chiều

KW

T s 1

=+

4.2.1.4 Máy phát tốc

Hàm truyền của máy phát tốc có dạng: ft

ft

KW

T s 1

=+

4.2.1.5 Cảm biến vị trí

Hàm truyền của cảm biến vị trí có dạng:

=T s+1

K W

vt

vt vt

Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu modul

Ta có hàm truyền của bộ ñiều chỉnh dòng ñiện:

Ri(p) = u

si

cl i

1 pT T 2pK K Ru

i cl

u

pT

11 T.K2K

.T C K

R.K

1

σ σ

sω c

u 1

.T C K

+ ττ

Bộ ñiều khiển mờ cần 2 ngõ vào và 2 ngõ ra

Hai ngõ vào (input) là sai lệch vị trí góc (et) và ñạo hàm của sai lệch vị trí góc (det) của khớp 1 và 2

Hai ngõ ra (output) là tín hiệu ñiều khiển Hesokp và Hesokd

(ñã chuẩn hóa) cho bộ PD

4.3.2.1 Biến ngôn ngữ và miền giá trị của nó

Miền giá trị của biến ñầu vào (sai lệch ) ñược chọn là: et1 = {-3,14 3,14}; (ñơn vị tính: rad) et2 = {-3,14 3,14}; (ñơn vị tính: rad) Miền giá trị của biến ñầu vào ñạo hàm của sai lệch det ñược chọn là:

det1 = et1 = {-3.14, 3.14} (ñơn vị tính: rad/s) det2 = et2 = {-3.14, 3.14} (ñơn vị tính: rad/s) Miền giá trị của biến ñầu ra HesoHesokp và HesoHesokd ñược chuẩn hóa là:

Hesokp = Hesokd = {0, 1}

4.3.2.2 Xác ñịnh hàm liên thuộc

4.3.2.3 Xây dựng các luật ñiều khiển

4.3.2.4 Luật hợp thành

4.4 Kết luận chương 4

- Việc áp dụng lô-gic mờ ñã cho tạo ra các bộ ñiều khiển mờ,

mờ lai, với những tính chất khá tốt nhằm ñáp ứng yêu cầu trong

ñiều khiển tự ñộng, ví dụ ñiều khiển các ñối tượng phức tạp Ngoài

ra, các bộ ñiều khiển mờ cho phép lặp lại các tính chất của các bộ

ñiều khiển kinh ñiển Việc thiết kế bộ ñiều khiển mờ cũng rất ña

dạng, qua việc tổ chức các nguyên tắc ñiều khiển và chọn tập mờ cho các biến ngôn ngữ cho phép người ta thiết kế các bộ ñiều khiển mờ khác nhau

Chương 5 – MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ

BỘ ĐIỀU KHIỂN PID VÀ BỘ ĐIỀU KIỂN PID MỜ

5.1 Hệ thống ñiều khiển tay máy sử dụng bộ ñiều khiển PID

5.1.1 Mô hình simulink của hệ thống

Hình 5.1: Mô hình hệ thống sử dụng bộ ñiều khiển PID

5.1.2 Kết quả mô phỏng hệ thống ñiều khiển tay máy ba bậc tự

do khi dùng bộ ñiều khiển PID

Khi vị trí ñặt góc quay có dạng y= 0.15Sin(0.025t) ñưa vào

hệ thống ñiều khiển như hình 5.1 ta có kết quả mô phỏng như sau:

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

0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.01

Sai lech quy dao RoBot

-1 0 1 2 3 4 5 6 7

-10 -5 0 5 10 15

Toc do Dong Co khop 1

-0.03 -0.02 -0.01 0 0.01 0.02

Sai lech goc quay khop 2

-60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120

Toc do Dong Co khop 2

-2 0 2 4 6 8 10 12

-30 -20 -10 0 10 20 30

Toc do Dong Co khop 3

+ Tại t=10s sai lệch bằng 0, ñến 20s, do có sự thay ñổi

ñường ñi quỹ ñạo, làm thay ñổi chiều quay các khớp của tay máy,

nên dẫn ñến sự dao ñộng của tín hiệu trước khi xác lập Tuy nhiên,

biên ñộ dao ñộng của tín hiệu quỹ ñạo ñầu ra rất nhỏ, và sai số xác lập cũng nhỏ (nhỏ hơn 0,002)

5.2 Hệ thống ñiều khiển tay máy sử dụng bộ ñiều khiển mờ chỉnh ñịnh tham số bộ PID

5.2.1 Mô hình simulink hệ thống bộ ñiều khiển mờ (Fuzzy logic)

Hình 5.19: Mô hình hệ thống ñiều khiển sử dụng

bộ ñiều khiển Fuzzy

5.2.2 Kết quả mô phỏng hệ thống ñiều khiển tay máy ba bậc tự

do dùng bộ ñiều khiển mờ chỉnh ñịnh tham số PID

Khi vị trí ñặt góc quay có dạng y= 0.15Sin(0.025t) ñưa vào

hệ thống ñiều khiển như hình 5.19 ta có kết quả mô phỏng như sau:

Kết quả về sai lệch quỹ ñạo thực của tay máy

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

1 2 3 4 5 6 7 8

-2 0 2 4 6

-10 -5 0 5 10 15

Toc do Dong Co khop 1

-0.03 -0.02 -0.01 0 0.01 0.02 Sai lech goc quay khop 2

-60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120

Toc do Dong Co khop 2

-2 0 2 4 6 8 10 12

-30 -20 -10 0 10 20 30

Toc do Dong Co khop 3

Tuy nhiên biên ñộ dao ñộng ở các thời gian quá ñộ ở bộ chỉnh ñịnh

mờ giảm so với bộ ñiều khiển PID, và thời gian tín hiệu sai lệch về không nhanh hơn

5.3 Kết luận chương 5

- Sai lệch tốc ñộ trong quá trình chuyển ñộng của cánh tay Robot so với tốc ñộ của quỹ ñạo ñặt là tốt (gần bằng 0) so với khi dùng bộ PID Biên ñộ dao ñộng tại các thời ñiểm quá ñộ và sai lệch

quỹ ñạo ñược giảm

- Khi chọn các tập giá trị mờ và luật ñiều khiển thích hợp thì luật ñiều khiển mờ giúp cho hệ ñạt ñược ñộ chính xác khá cao, ngay

cả với giá trị ñặt rất nhỏ

- Hệ thống mô phỏng ñã ñược xét các trường hợp cánh tay Robot mang các phụ tải khác nhau, ñiều ñó càng chứng tỏ tính bền vững cao của hệ ñiều khiển

Như vậy hệ thống làm việc ở chế ñộ không tải hoặc có tải,

bộ ñiều khiển mờ chỉnh ñịnh tham số bộ PID ñảm bảo ñược chất lượng tĩnh và ñộng tốt hơn khi dùng bộ ñiều khiển PID kinh ñiển

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

1 KẾT LUẬN

- Việc xây dựng bộ ñiều khiển cho các ñối tượng có tính phi tuyến cao là rất cần thiết trong lĩnh vực tự ñộng hóa và các quá trình công nghiệp như hiện nay, tay máy robot là ñối tượng có tính phi tuyến cao, ñặc biệt là các tay máy có nhiều bậc tự do khác nhau, chính vì thế việc kết hợp và ứng dụng các phương pháp ñiều khiển hiện ñại khác nhau là cần thiết cho các ñối tượng khi có tính phi tuyến mạnh hoặc biến ñổi lớn trong bản luận văn này ñã nghiên cứu xây dựng và ñạt ñược các kết quả:

- Tổng quan về tay máy và robot công nghiệp, là robot ba bậc

tự do, lý thuyết về ñiều khiển mờ Tính toán và thiết kế bộ ñiều khiển kinh ñiển PID cho hệ dẫn ñộng của tay máy ba bậc tự do, nghiên cứu thiết kế bộ ñiều khiển mờ chỉnh ñịnh các tham số bộ ñiều khiển PID ñể

ñiều khiển quá trình chuyển ñộng của tay máy di chuyển trong quỹ ñạo ñặt trước Thiết kế chương trình mô phỏng trên simulink cho các

kết quả quỹ ñạo, sai lệch quỹ ñạo, sai lệch tốc ñộ, tốc ñộ, và sai lệch quỹ ñộng tổng của tay máy có kết quả ñáp ứng tốt Với các kết quả này giúp cho việc khảo sát, ñánh giá và hiệu chỉnh nâng cao chất lượng hệ thống ñiều khiển cánh tay robot ñược tốt hơn

- Luận văn cũng ñã nghiên cứu lựa chọn bộ ñiều khiển mờ với các thông số nhằm chỉnh ñịnh cho các tham số của bộ ñiều khiển PID ñược lựa chọn phù hợp ñể nâng cao chất lượng ñiều khiển của

cánh tay Robot chuyển ñộng theo quỹ ñạo ñặt trước, giúp cho việc

tạo ra các quỹ ñạo ñáp ứng thực tốt, với hệ thống ñiều khiển này chất

với hệ ñiều khiển PID kinh ñiển, với kết quả mô phỏng cho ta thấy

ñược giảm biên ñộ dao ñộng ở các thời ñiểm quá ñộ giảm sai lệch

quỹ ñạo thực so với quỹ ñạo ñặt nhỏ hơn 0.97 % so với 1,02% của

bộ ñiều khiển PID, giảm sai lệch của góc quay và tốc ñộ của chuyển

2 KIẾN NGHỊ

Việc xây dựng và nghiên cứu bộ ñiều khiển cho tay máy ba bậc với ñiều kiện về thời gian, cơ sở vật chất hạn chế không cho

phép nên luận văn chỉ dừng lại ở phần xây dựng lý thuyết và kết quả

mô phỏng trên phần mêm Matlab simulink Chưa làm trên mô hình thực tế của tay máy robot ba bậc tự do sử dụng bộ ñiều khiển mờ tích hợp ñể ñiều khiển, ñây cũng chính là phần còn hạn chế mà luận văn chưa thể hoàn thiện ñược Tuy nhiên kết quả mô phỏng trên simulink cũng ñã kiểm chứng và cho thấy tính ñúng ñắn của ñề tài cần nghiên cứu Để phát triển hơn nữa có thể tiến hành nghiên cứu thiết kế chế

tạo mô hình tay máy ba bậc tự do dùng bộ ñiều khiển mờ tích hợp ñể ñiều khiển thì bản luận văn sẽ hoàn thiện hơn