Phương pháp điều khiển robot cánh tay 3 bậc tự do theo thuật toán PID cải tiến

1 MỤC LỤC CHƯƠNG GIỚI THIỆU LUẬN VĂN 1.1 Đặt vấn đề - 1.2 Mục tiêu đề tài - 1.3 Nội dung nghiên cứu 1.4 Phương pháp thực 1.5 Điểm luận văn 1.6 Giá trị thực tiễn luận văn - 1.7 Bố cục luận văn CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP 2.1.1 Lịch sử phát triển 2.1.2 Phân loại Robot công nghiệp -6 2.1.3 Ứng dụng robot 2.1.4 Tổng quan tình hình nghiên cứu Robot ngồi nước -7 CHƯƠNG CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ROBOT. -8 3.1 Phương pháp điều khiển động lực học ngược -8 CHƯƠNG ĐỘNG HỌC TAY MÁY VÀ ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY 4.1 Giải tốn phép biến đổi giải tích 4.2 Lưu đồ thuật toán điều khiển Robot 11 4.3 Ngơn ngữ lập trình LabVIEW - 13 4.3.1 Giới thiệu - 13 4.3.2 Lập trình LabVIEW 14 4.3.3 Mô 3D LabVIEW 15 CHƯƠNG THIẾT KẾ ROBOT VÀ LẬP TRÌNH CHO ROBOT THEO PID CẢI TIẾN 5.1 Thuật toán điều khiển PID cải tiến cho robot -16 5.2 Thiết kế phần khí tay máy robot -18 5.3 Thiết kế phần điện - 19 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 20 TÀI LIỆU THAM KHẢO CHƯƠNG GIỚI THIỆU LUẬN VĂN 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ: Trong q trình cơng nghiệp hóa đại hóa nước ta, việc nghiên cứu thiết kế chế tạo robot công nghiệp để ứng dụng vào sản xuất có ý nghĩa quan trọng, đặc biệt giai đoạn hội nhập kinh tế Việc tự động hóa q trình sản xuất với có mặt robot làm tăng khả mềm dẻo hệ thống sản xuất, tăng chất lượng sản phẩm đặc biệt làm giảm giá thành sản phẩm để tăng tính cạnh tranh Ngồi ra, robot cơng nghiệp cịn có tính quan trọng khác làm việc mơi trường khắc nghiệt mà người tham gia vào như: mơi trường nhiều khói bụi, mơi trường độc hại hóa chất, mơi trường nhiệt độ cao… Hiện nay, giới có nhiều nghiên cứu ứng dụng robot vào trình sản xuất robot hàn nhà máy sản xuất ô tô, robot lắp máy, robot đào đường hầm, robot cấp phôi máy gia cơng chi tiết khí, robot quay camera sân vận động, robot tự động nâng hàng… Tuy nhiên Việt Nam việc nghiên cứu chế tạo robot giai đoạn bắt đầu, chủ yếu dừng lại mức độ chế thử, số chuyển giao vào q trình sản xuất Các robot chưa có tính thích nghi ứng với môi trường thay đổi mà chủ yếu hoạt động theo chương trình định trước Việc nghiên cứu điều khiển để nâng cao độ xác robot nhà khoa học nước quan tâm nhiều Đối với hệ điều khiển robot, việc lựa chọn sử dụng biến đổi, loại động điện, thiết bị đo lường, cảm biến, điều khiển đặc biệt phương pháp điều khiển có ảnh hưởng lớn đến chất lượng điều khiển bám xác quỹ đạo hệ Các cơng trình nghiên cứu hệ thống điều khiển robot tập trung chủ yếu theo hai hướng sử dụng mơ hình có tính đặc tính phi tuyến ước lượng để đơn giản việc phân tích thiết kế đề thuật toán điều khiển nhằm nâng cao chất lượng đáp ứng robot Các phương pháp điều khiển thơng thường sử dụng biện pháp phân tích gián tiếp thơng qua mơ hình làm việc hệ, song lại không cung cấp thông tin cách đầy đủ tồn hệ thống Cịn phương pháp phân tích trực tiếp ngoại trừ tiêu chuẩn Lyapunov cho việc phân tích ổn định phương pháp mặt phẳng pha giới hạn hệ phi tuyến có hai biến trạng thái, chưa có phương pháp cụ thể khác Phương pháp điều khiển phân ly phi tuyến có nhược điểm hệ thống điều khiển có tính phi tuyến cao, độ phức tạp điều khiển lớn, khó có khả thực thực tế 3 Phương pháp điều khiển thích nghi theo mơ hình chuẩn thực đơn giản cho mơ hình tuyến tính với giả thuyết bỏ qua liên hệ động lực học chuyển động thành phần hệ Ngoài ra, ổn định hệ thống kín vấn đề khó giải với tính phi tuyến cao mơ hình chuẩn Phương pháp điều khiển thích nghi theo sai lệch có luật điều khiển thích nghi đơn giản hóa cách áp dụng phương pháp điều khiển thích nghi suy giảm phân ly, phương pháp tồn sai lệch quỹ đạo trình điều khiển thực khơng phù hợp với yêu cầu hệ thống điều khiển xác quỹ đạo Phương pháp điều khiển robot cánh tay bậc tự theo thuật toán PID cải tiến có đầy đủ yếu tố cho việc thiết kế điều khiển có tính theo u cầu đề Tính ổn định điều khiển PID cải tiến rộng bền vững tác động bên 1.2 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI: Để thực đề tài cần thực công việc: - Thiết kế lập trình cho robot theo thuật tốn PID cải tiến - Mơ 3D LabVIEW 1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU - Để đạt mục tiêu cần giải vấn đề sau: + Lập phương trình động học ngược + Các phép tốn LabVIEW + Mơ 3D LabVIEW + Thiết kế phần - điện robot + Thuật toán điều khiển PID cải tiến cho robot 1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU: - Trao đổi với giáo viên hướng dẫn nhiệm vụ giao vấn đề có liên quan - Tìm hiểu lý thuyết điều khiển cánh tay bậc tự thuật toán PID làm sở cho việc thiết kế điều khiển cho robot - Tham khảo sách, báo mạng robot - Thiết kế phần - điện robot - Nghiên cứu Thuật toán điều khiển PID cải tiến cho robot 1.5 ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN VĂN: Nghiên cứu nhiệm vụ yêu cầu ổn định, tin cậy hệ robot tay máy để phù hợp với tình hình kinh tế phát triển Tìm hiểu cấu trúc hoạt động robot theo thuật tốn PID cải tiến mơ 3D LabVIEW 1.6 GIÁ TRI THỰC TIỄN CỦA LUẬN VĂN: Hệ tay máy bậc tự Scara sử dụng nhiều công nghiệp giới Đề tài “ Điều khiển tay máy bậc tự theo thuật tốn PID cải tiến” góp phần vào việc phát triển nghiên cứu robot Việt Nam, nhằm mục đích phục vụ cho cơng tác đào tạo nghiên cứu trường đại học, cao đẳng trung cấp chuyên nghiệp 1.7 BỐ CỤC LUẬN VĂN: Luận văn gồm chương:  Chương 1: Giới thiệu luận văn  Chương 2: Cơ sở lý thuyết  Chương 3: Các phương pháp điều khiển robot  Chương 4: Động học tay máy điều khiển tay máy  Chương 5: Thiết kế robot lập trình robot theo PID cải tiến  Chương 6: Kết thực nghiệm kết luận Phụ lục tài liệu tham khảo CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP 2.1.1 Lịch sử phát triển Thuật ngữ “Robot” lần xuất năm 1922 tác phẩm “Rosum’s Universal Robot “ Karal Capek Theo tiếng Séc Robot người làm tạp dịch Trong tác phẩm nhân vật Rosum trai ông tạo máy gần giống người để hầu hạ người Hơn 20 năm sau, ước mơ viễn tưởng Karel Capek bắt đầu thực Ngay sau chiến tranh giới lần thứ 2, Mỹ xuất tay máy chép hình điều khiển từ xa, phịng thí nghiệm phóng xạ Năm 1959, Devol Engelber chế tạo Robot công nghiệp công ty Unimation Năm 1967 Nhật Bản nhập Robot công nghiệp từ công ty AMF Mỹ Đến năm 1990 có 40 cơng ty Nhật, có cơng ty khổng lồ Hitachi, Mitsubishi Honda đưa thị trường nhiều loại Robot tiếng Những robot thực chất nối kết khâu khí cấu điều khiển từ xa với khả lập trình máy công cụ điều khiển số Từ năm 70, việc nghiên cứu nâng cao tính robot ý nhiều đến lắp đặt thêm cảm biến ngoại tín hiệu để nhận biết mơi trường làm việc Tại trường đại học tổng hợp Stanford, người ta tạo loại Robot lắp ráp tự động điều khiển vi tính sở xử lý thơng tin từ cảm biến lực thị giác Vào thời gian cơng ty IBM chế tạo Robot có cảm biến xúc giác cảm biến lực điều khiển máy vi tính để lắp ráp máy in gồm 20 cụm chi tiết Những năm 90 áp dụng rộng rãi tiến khoa học vi xử lý công nghệ thông tin, số lượng Robot công nghiệp tăng nhanh, giá thành giảm rõ rệt, tính có nhiều bước tiến vượt bậc Nhờ Robot cơng nghiệp có vị trí quan trọng dây truyền sản xuất đại Ngày nay, chuyên ngành khoa học nghiên cứu Robot “Robotics” trở thành lĩnh vực rộng khoa học, bao gồm vấn đề cấu trúc cấu động học, động lực học, lập trình quỹ đạo, cảm biến tín hiệu, điều khiển chuyển động v.v… Có thể nói, Robot tổ hợp khả hoạt động linh hoạt cấu điều khiển từ xa với mức độ “tri thức” ngày phong phú hệ thống điều khiển theo chương trình số kỹ thuật chế tạo cảm biến, công nghệ lập trình phát triển trí khơn nhân tạo, hệ chuyên gia Trong năm sau này, việc nâng cao tính hoạt động robot không ngừng phát triển Các robot trang bị thêm loại cảm biến khác để nhận biết môi trường chung quanh, với thành tựu to lớn lĩnh vực Tin học - Điện tử tạo hệ robot với nhiều tính đăc biệt, Số lượng robot ngày gia tăng, giá thành ngày giảm Nhờ vậy, robot công nghiệp có vị trí quan trọng dây chuyền sản xuất đại 2.1.2 Phân loại Robot công nghiệp 2.1.2.1 Theo chủng loại, mức độ điều khiển, nhận biết thông tin tay máy-người máy sản xuất giới phân loại IR thành hệ sau: Thế hệ 1: Thế hệ có kiểu điều khiển theo chu kỳ dạng chương trình cứng khơng có khả nhận biết thơng tin Thế hệ 2: Thế hệ có điều khiển theo chu kỳ dạng chương trình mềm bước đầu có khả nhận biết thơng tin Thế hệ 3: Thế hệ có kiều điều khiển dạng tinh khơn, có khả nhận biết thơng tin bước đầu có số chức lý trí người 2.1.2.2 Phân loại tay máy theo cấu trúc sơ đồ động: Thông thường cấu trúc chấp hành tay máy công nghiệp mô hình hóa dạng chuỗi động với khâu khớp nguyên lý máy với giả thuyết sau: - Chỉ sử dụng khớp động loại ( khớp quay, khớp tịnh tiến, khớp vít) - Trục quay hướng tịnh tiến khớp song song hay vng góc với - Chuỗi động chuỗi động hở đơn giản Tuy nhiên thực tế, tay máy chuyên dùng ta chun mơn hố đặc biệt đảm bảo giá thành giá đầu tư vào tay máy thấp, người ta không thiết lúc phải chế tạo tay máy có đủ số ba khớp động cho cấu trúc xác định vị trí 2.1.2.3 Phân loại theo kết cấu : Theo kết cấu 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 2.1.2.4 Phân loại theo hệ thống truyền động : Có dạng truyền động phổ biến : Hệ truyền động điện : Thường dùng động điện chiều (DC : Direct Current) động bước (step motor) Loại truyền động dễ điều khiển, kết cấu gọn 7 Hệ truyền động khí nén : có kết cấu gọn nhẹ khơng cần dẫn ngược lại phải gắn liền với trung tâm tạo khí nén Hệ làm việc với cơng suất trung bình nhỏ, xác, thường thích hợp với robot hoạt động theo chương trình định sẳn với thao tác đơn giản “nhấc lên - đặt xuống” 2.1.3 Ứng dụng ROBOT: Robot sử dụng rộng rãi nhiều ngành công nghiệp khác Có thể phân loại ứng dụng cong nghiệp robot làm lĩnh vực chính: Vận chuyển, bốc dỡ vật liệu, gia cơng, lắp ráp thăm dị ứng dụng khác 2.1.4 Tổng quan tình hình nghiên cứu Robot nước Ngày nay, tự động hóa ngành kỹ thuật cao phát triển mạnh mẽ ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực đời sống xã hội Đặc biệt dây chuyền sản xuất công nghiệp, tay máy người máy sử dụng rộng rãi nhằm thay sức lao dộng người, góp phần nâng cao suất, chất lượng, giãm giá thành sản phẩm Ở nước ta thập niên qua, tình hình ứng dụng robot có thay đổi lớn Nhiều doanh nghiệp phải nhập thiết bị robot dây chuyền sản xuất Do nhu cầu thực tế đặt vậy, đòi hỏi phải nghiên cứu đào tạo hệ thống robot để phát triển ngành nước ta Một số đề tài nghiên cứu khoa học nước ta từ trước như: - Đề tài 58A-03 với nội dung nghiên cứu ứng dụng robot kỹ thuật bảo hộ lao - Đề tài 52B.0301: “Ứng dụng tay máy – người máy công nghiệp” - Đề tài KC.03.02 “Nghiên cứu thiết kế chế tạo robot phục vụ sản xuất điều động kiện môi trường độc hại không an tồn” Trong năm 1980, robot cơng nghiệp có bước phát triển mạnh mẽ, yêu cầu cao tự động hóa linh hoạt kinh tế thám hiểm không gian công nghệ ô tô Vào năm 1990, nhiều công ty Bắc Mỹ, Châu Âu Nhật Bản sử dụng rộng rãi robot nhiều lĩnh vực công nghiệp 8 Chương CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ROBOT 3.1 Phương pháp điều khiển động lực học ngược Nguyên lý phương pháp chọn luật điều khiển phù hợp để khử thành phần phi tuyến phương trình động lực học phân ly đặc tính động lực học khớp nối  (t )  H ( q ).q (t )  h(q , q )  g (q ) (3 – ) Nếu ta biết tham số robot ta tính ma trận H, h, g từ có luật điều khiển  dk  H (q )U  h( q , q )  g ( q )  cân  dk   với điều kiện H(q) (3 – ) q  U q (vectơ điều khiển phụ ) Như động lực học hệ thống kín phân tích thành hệ phương trình vi phân tuyến tính hệ số q  U Với robot n khớp nối tương đương với n hệ độc lập Chọn U tín hiệu điều khiển phụ có cấu trúc PID Lúc đó: t  (q d  q ) dt U = qd + KD (qd – q) + KP (qd – q) + KI (3–3) đó: dq , q biến khớp đặt biến khớp thực khớp qd , q tốc độ đặt tốc độ thực khớp qd - e q qd + Kp e + KDe +KI qd U qd - e  e(t )dt Tính H(q)U +h (q,q) +g(q)  Robot Hình 3.1: Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển động lực học ngược Và phương trình sai số tương ứng là: ,,, ,, ,   KD   KP   KI (3 – ) q Các hệ số KD, KP, KI chọn theo điều kiện ổn định Lyapunov để sai số quỹ đạo chuyển động chuẩn quỹ đạo chuyển động thực hội tụ điểm không phụ thuộc vào điều kiện ban đầu Ưu điểm phương pháp khử tính phi tuyến ràng buộc phương trình động lực học Nhược điểm phải biết đầy đủ xác thơng số đặc tính động lực học robot, đồng thời phát sinh tính tốn phụ Thuật tốn tính tốn điều khiển U liên quan phép tính lượng giác nên phải thực số phép nhân ma trận vectơ ma trận phụ Thời gian tính tốn lớn yếu tố ảnh hưởng đến hạn chế phương pháp Chương ĐỘNG HỌC TAY MÁY VÀ ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY 4.1 Giải toán phép biến đổi giải tích Nội dung tốn phát biểu sau: “Cho trước số khâu, số khớp, loại khớp, kích thước di động khâu thành viên, cho trước vị trí hướng khâu tác động cuối hệ tọa độ Descarters Ta phải xác định vị trí khâu thành viên thong qua tọa độ suy rộng chúng cho khâu tác động cuối đạt vị trí hướng yêu cầu” Nếu so với tốn thuận có đáp số ngược lại tốn ngược có vơ số đáp số, lý mơ tả vị trí tương đối khâu thành viên ánh xạ theo chiều thuận mà khơng có chiều nghịch Để giải vấn đề nhằm chọn nghiệm tối ưu, người ta đưa ràng buộc động học bên vùng khơng gian hoạt động Hoặc đặt vấn đề phải tối ưu hóa hoạt động tay máy theo hàm mục tiêu cụ thể để chọn lời giải tối ưu Để giải toán ngược trước tiên ta đưa tốn mục tiêu giải tốn với ràng buộc Hình 4-1: Cánh tay máy bậc tự vị trí ban đầu Thiết lập thơng số ban đầu Chiều dài Link (d1-mm) Chiều dài Link (d2-mm) Giải toán động học ngược 110 95 10 Gọi M(X,Y) điểm cuối tay máy Hình 4-2: tốn động học ngược Ta có: Cos   ( X  Y  d12  d 22 ) /(2  d  d ) Sin   cos 22 K  d1  d  cos K  d  sin  Suy : 1  a tan 2( X , Y )  a tan 2( K 1, K )   a tan 2(cos , sin  ) ( Rad ) ( Rad ) 11 4.2 Lưu đồ thuật tốn điều khiển robot 12 Hình 3-4: Lưu đồ thuật tốn điều khiển robot 3.4 NGƠN NGỮ LẬP TRÌNH LabVIEW 3.4 13 4.3 Giới thiệu phần mềm LabVIEW  LabVIEW gì? LabVIEW cơng cụ phần mềm hàng đầu công nghiệp việc phát triển hệ thống thiết kế, điều khiển kiểm tra Kể từ đời năm 1986, kỹ sư nhà khoa học toàn giới tin cậy vào NI LabVIEW nhờ chất lượng ngày cao, hiệu sản xuất lớn Tên gọi LabVIEW? LabVIEW viết tắt : Laboratory Virtural Instrumentation Engineering Workbench (công cụ kĩ thuật- thiết bị ảo phịng thí nghiệm)  Lịch sử: LabVIEW thành lập vào năm: 1976 công ty National Instruments (NI) chủ yếu ứng dụng điều khiển, đo lường Năm 1986 LabVIEW cho đời phiên Labview 6.1 … Và phiên LabVIEW 2009 Hình 4-3: Giao diện phần mềm LabVIEW phiên 2009  LabVIEW làm gì? LabVIEW phần mềm lập trình Graphic (hay lập trình G) Labview dùng nhiều phịng thí nghiệm, lĩnh vực khoa học kỹ thuật như: tự động hóa, điều khiển, điện tử, điện tử, hàng khơng, hóa sinh, điện tử y sinh,… Hiện ngồi phiên 14 LabVIEW cho hệ điều hành Windows, Linux, hãng NI phát triển mô-đun LabVIEW cho máy hỗ trợ cá nhân (PDA) Các ứng dụng LabVIEW tóm tắt sau: - Thu thập tín hiệu từ thiết bị bên cảm biến nhiệt độ, hình ảnh từ webcam, vận tốc động cơ,… - Giao tiếp với thiết bị ngoại vi thông qua chuẩn giao tiếp: RS232, RS485, USB, PCI, Ethernet Để điều khiển thiết bị nơi người khơng thể làm việc được, ví dụ : Một robot máy xúc điều khiển để làm việc đáy biển, nơi mà người khó thực tốt nhiệm vụ đặc biệt… - Mơ xử lí tín hiệu thu nhận để phục vụ mục đích nghiên cứu hay mục đích hệ thống mà người lập trình mong muốn - Xây dựng giao diện người dùng cách nhanh chóng thẩm mỹ nhiều so với ngơn ngữ lập trình khác Visual Basic, Matlab,… - Cho phép thực thuật toán điều khiển PID, Logic mờ ( Fuzzy Logic), cách nhanh chóng thơng qua chức tích hợp sẵn LabVIEW - Cho phép kết hợp với nhiều ngơn ngữ lập trình truyền thống C, C++, Matlab … 4.4 Lập trình với LabVIEW Để làm việc với phần mềm LabVIEW ta thao tác cửa sổ Front Panel Block Diagram Hai cửa sổ xuất sau ta khởi động phần mềm LabVIEW Hình 4-4: Giao diện làm việc phần mềm LabVIEW, a- cửa sổ Front Panel, b- cửa sổ Block Diagram 15 Cửa sổ Front Panel hay gọi giao diện người dùng Của sổ dùng để khởi tạo Control (Input) Indicator (ouput) Nghĩa cửa sổ ta thiết lập thông số đầu vào ứng dụng thấy kết khảo sát hay tính tốn ứng dụng Cửa sổ Block Diagram cửa sổ dùng để người lập trình khởi tạo, viết thuật tốn cho ứng dụng Nó bao gồm hàm tốn học (cộng, trừ, nhân, chia, đạo hàm, tích phân, ma trận…), hàm lặp (while loop), hàm tạo trễ… Nghĩa cửa sổ Block Diagram chứa thuật toán giải tốn ứng dụng mà người lập trình khởi tạo, điều khiển hiển thị kết cửa sổ Front Panel Các hàm tính tốn có liên quan sổ Block Diagram nối với dây dẫn theo kiểu truyền tín hiệu Đây lợi điểm LabVIEW so với phần mềm khác tính trực quan dễ làm việc Để hình dung LabVIEW làm việc sao, tác giả đưa toán nhỏ giải phần mềm 4.5 Mơ 3D LabVIEW Với toolkit 3D Picture Control LabVIEW cho phép mô động học, động lực học hệ thống vật lý từ đơn giản đến phức tạp, cánh tay robot… Có thể nói LabVIEW ngơn ngữ lập trình-mơ mạnh mẽ Cịn nhiều toolkit khác mà giới hạn đề tài tác giả trình bày hết Trong phần đề tài tác giả ứng dụng LabVIEW để giao tiếp với thiết bị phần cứng để điều khiển Robot cánh tay bậc tự Hình 4-5: Ứng dụng LabVIEW để mô cánh tay robot bậc tự Chương 16 THIẾT KẾ ROBOT VÀ LẬP TRÌNH CHO ROBOT THEO PID CẢI TIẾN 5.1 Thuật toán điều khiển PID cải tiến cho robot Khâu tỉ lệ, tích phân, vi phân cộng lại với để tính tốn đầu điều khiển PID Định nghĩa u(t) đầu điều khiển, biểu thức cuối giải thuật PID là: Trong thông số điều chỉnh là: Độ lợi tỉ lệ, KP Giá trị lớn đáp ứng nhanh sai số lớn, bù khâu tỉ lệ lớn Một giá trị độ lợi tỉ lệ lớn dẫn đến trình ổn định dao động Độ lợi tích phân, Ki Giá trị lớn kéo theo sai số ổn định bị khử nhanh Đổi lại độ vọt lố lớn: sai số âm tích phân suốt đáp ứng độ phải triệt tiêu tích phân sai số dương trước tiến tới trạng thái ổn định Độ lợi vi phân Kd: Giá trị lớn giảm độ vọt lố, lại chậm đáp ứng độ dẫn đến ổn định khuếch đại nhiễu tín hiệu phép vi phân sai số * Các cải tiến thuật toán PID Thuật toán PID xuất vài thử thách ứng dụng điều khiển, khắc phục cải tiến nhỏ biểu thức PID Tích phân khởi động Một vấn đề phổ biến PID lý tưởng Tích phân khởi động, nơi xảy thay đổi điểm đặt lớn (tức thay đổi dương) khâu tích phân tích lũy sai số đáng kể lúc tăng (khởi động), làm vọt lố trì liên tục việc tăng sai số tích lũy bị gián đoạn Có thể khắc phục điều cách: • Thiết đặt giá trị tích phân ban đầu cho điều khiển tới giá trị mong muốn • Tăng điểm đặt với độ dốc thích hợp • Khơng cho phép chức tích phân PV vào vùng điều khiển • Giới hạn khoảng thời gian vượt sai số tích phân tính tốn • Ngăn khơng cho khâu tích phân tích lũy biên xác định trước * Các hạn chế điều khiển PID Trong điều khiển PID dùng cho nhiều toán điều khiển, thường đạt kết ý mà không cần cải tiến hay chí điều chỉnh nào, chúng yếu vài ứng dụng, thường không cho ta điều khiển tối ưu Khó khăn điều khiển PID 17 hệ thống phản hồi, với thơng số khơng đổi, khơng có tin tức trực tiếp q trình, tất kết phản ứng thỏa hiệp - điều khiển PID điều khiển tốt mà khơng cần mơ hình điều khiển, kết tốt đạt cách kết hợp với mơ hình điều khiển Cải tiến quan trọng kết hợp điều khiển nuôi-tiến với kiến thức hệ thống, sử dụng PID để điều khiển sai số Thay vào đó, PID cải tiến nhiều cách, thay đổi thơng số (hoặc lập chương trình độ lợi nhiều trường hợp sử dụng khác cải tiến thích nghi chúng dựa kết quả), cải tiến đo lường (tốc độ lấy mẫu cao hơn, xác, lọc thông thấp cần thiết) nối tầng nhiều điều khiển PID với Các điều khiển PID, sử dụng độc lập, cho kết xấu độ lợi vòng PID buộc phải giảm hệ điều khiển khơng xảy vọt lố, dao động rung quanh giá trị điểm đặt điều khiển Chúng khó khăn xuất phi tuyến, cân điều tiết chống lại đáp ứng thời gian, không phản ứng lại việc thay đổi hành vi điều khiển (do đó, q trình thay đổi sau hâm nóng), bị trể đáp ứng với nhiễu lớn 18 5.2 Thiết kế khí tay máy robot 16 Khớp 15 14 14 17 Link1 13 Link2 d Khớp c b a h 12 10 11 Robot Scara gồm hai khớp chuyển động quay khớp chuyển động tịnh tiến Gắn cho nối hệ trục tọa độ ta có: - Khớp quay quanh trục Z0 góc θ1 - Khớp quay quanh trục z1 góc θ2 - Khớp chuyển động tịnh tiến theo trục z2 đoạn d3 * Các thông số kỹ thuật robot Scara Thông số động 3,7 tương ứng với khớp dẫn động 1,2 tay máy Robot Scara - Động truyền động cho khớp (main) - Động truyền động cho khớp (fore) - Link1 làm mica suốt (công nghệ laser ) dày ly, kích thước (mm) hình vẽ 5.3 Thiết kế phần điện 19 -+ -+ -+ -+ Connector HDL DIR2 PWM2 PWM1 DIR1 220VAC 12VDC HDL Dual driver Van điều khiển Ben 10 12VDC MOTOR2 VDC GND MOTOR1 Card điều khiển động (7) (Link 2) Card điều khiển động (3) (Link 1) 12VDC Van điều khiển Ben h 20 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 Kết Luận: Qua thời gian nghiên cứu, mô đến thiết kế thi công phần cứng Đề tài giải vấn đề sau: - Nghiên cứu cách tổng quan robot: phát triển, phân loại, s đồ cấu trúc chức robot ứng dụng robot cơng nghiệp… - Xây dựng phân tích lý thuyết điều khiển robot, giới thiệu số phương pháp thường sử dụng để điều khiển robot công nghiệp - Nghiên cứu phần tử truyền động, cấu chấp hành robot cấp phơi tự động, tìm hiểu tính chất phần tử khí nén, loại động điện ứng dụng chúng, từ đưa phương án thích hợp trường hợp cụ thể - Thiết kế thi công robot cánh tay bậc tự với cấu gấp/ thả - Thiết kế thi công mạch điều khiển, mạch động lực cho robot tay máy - Ứng dụng thuật toán PID cải tiến với phần mềm labVIEW vào chức tay máy robot - Ứng dụng mô 3D labVIEW để trực quan tính hiệu điều khiển - Hồn thiện mơ hình tay máy bậc tự điều khiển tự động dùng labVIEW, thiết bị chương trình chạy theo yêu cầu thiết kế cách ổn định xác 6.2 Hướng phát triển đề tài: 21 - Tăng kích thước cơng suất tay máy cách thay đổi động có cơng suất lớn - Tăng độ xác tay máy TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Thiện Phúc, Robot Công nghiệp, NXB KH & KT Hà Nội 2002, 326 p [2] Nguyễn Thiện Phúc, Báo cáo tổng hợp tình hình nghiên cứu ứng dụng phát triển khoa học công nghệ Robot Việt Nam, Sở Khoa Học Công Nghệ, 5/2010 [3] Lê Quốc Hà, Đỗ Quang Minh, Ngô Văn Thành, Trần Viết Thắng, Nguyễn ngọc Lâm, Nguyễn Công Hiền, Thiết kế, chế tạo mô hình thực nghiệm điều khiển thơng minh mơ cho tay máy bậc tự VICA, Hà Nội 2005 [4] Nguyễn Mạnh Tiến, Điều Khiển Robot công nghiệp, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2007 [5] Nguyễn Thiện Phúc, Tay máy-Người máy công nghiệp [6] Đào Văn Hiệp, Kỹ thuật ROBOT ... để điều khiển Robot cánh tay bậc tự Hình 4-5: Ứng dụng LabVIEW để mơ cánh tay robot bậc tự Chương 16 THIẾT KẾ ROBOT VÀ LẬP TRÌNH CHO ROBOT THEO PID CẢI TIẾN 5.1 Thuật toán điều khiển PID cải tiến. .. trình điều khiển thực không phù hợp với yêu cầu hệ thống điều khiển xác quỹ đạo Phương pháp điều khiển robot cánh tay bậc tự theo thuật tốn PID cải tiến có đầy đủ yếu tố cho việc thiết kế điều khiển. .. toán điều khiển PID cải tiến cho robot 1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU: - Trao đổi với giáo viên hướng dẫn nhiệm vụ giao vấn đề có liên quan - Tìm hiểu lý thuyết điều khiển cánh tay bậc tự thuật toán