Nghiên Cứu Điều Khiển Mờ Cho Chuyển Động Của Robot Hai Bậc Tự Do 4150601.Pdf

B/ ROBOTÝCS MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết của đề tài Robot ngày càng đóng vai trò quan trọng trong công nghiệp tự động bởi tính linh hoạt và hiệu quả của nó Robot đem lại năng suất lao động cao, giảm chi ph[.]

MỞ ĐẦU 1.Tính cấp thiết đề tài Robot ngày đóng vai trị quan trọng cơng nghiệp tự động tính linh hoạt hiệu Robot đem lại suất lao động cao, giảm chi phí nguyên vật liệu dạng lượng tiêu thụ, nâng cao chất lượng giảm giá thành sản phẩm, tạo khả cạnh tranh cao thị trường quốc tế Mặt khác, Robot giải phóng người khỏi lao động chân tay, giúp xã hội văn minh hơn, nâng cao dân trí tổ chức trình sản xuất tổ chức xã hội Chính nghiên cứu điều khiển chuyển động Robot lĩnh vực đầy thách thức nhà khoa học quan tâm Lĩnh vực điều khiển Robot phong phú, từ phương pháp điều khiển truyền thống PID, phương pháp tính mơ men, phương pháp điều khiển trượt đến phương pháp điều khiển thông minh điều khiển sử dụng mạng nơ ron, logic mờ, thuật gen phương pháp điều khiển tự thích nghi, phương pháp học cho Robot, hệ visual servoing… Mục đích nghiên cứu đề tài Mục đích nghiên cứu đề tài ứng dụng logic mờ thiết kế điều khiển mờ vào điều khiển chuyển động Robot nhằm nâng cao chất lượng điều khiển Cơ sở khoa học đề tài kết đạt lĩnh vực điều khiển sử dụng logic mờ Việc sử dụng logic mờ điều khiển có khả cài đặt tri thức, kinh nghiệm chuyên gia đặc điểm bật so với điều khiển kinh điển… Trong công nghiệp, đa số đối tượng điều khiển phi tuyến Robot đối tượng phi tuyến hệ MIMO, Robot sản xuất công nghiệp hệ thống sản xuất cần độ xác cao cơng nghiệp sản xuất ơtơ, cơng nghệ y học, cơng nghiệp vũ trụ…vì thiết kế điều khiển để nâng cao chất lượng điều khiển chuyển động ln địi hỏi thực tế Đối tượng phạm vi nghiên cứu đề tài Với mục đích nghiên cứu trên, tác giả lựa chọn đề tài tốt nghiệp Thạc sỹ “Nghiên cứu điều khiển mờ cho chuyển động Robot hai bậc tự do” Trong đối tượng nghiên cứu Robot hai bậc tự Phạm vi nghiên cứu đề tài là: “ Nghiên cứu xây dựng điều khiển mờ áp dụng cho toán điều khiển chuyển động Robot khâu” Trong đề tài tập trung nghiên cứu mơ hình động lực học Robot khâu ứng dụng mơ hình điều khiển mờ theo Mamdani (MCFC) để nâng cao chất lượng hệ Phương pháp nghiên cứu đề tài Nghiên cứu lý thuyết mơ hình chuyển động Robot hai bậc tự phương pháp điều khiển mờ cách thiết kế điều khiển mờ theo Mamdani (MCFC) Thực nghiệm mô hệ thống điều khiển máy tính sử dụng Matlab – Simulink So sánh đáp ứng điều khiển mờ với điều khiển PID để thấy điều khiển mờ có chất lượng tốt Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Luận văn mang tính chất nghiên cứu, vận dụng lý thuyết khoa học ứng dụng khoa học Từ kết nghiên cứu luận văn ứng dụng phát triển đề tài nghiên cứu điều khiển cánh tay Robot nhiều bậc tự ứng dụng vào điều khiển Robot công nghiệp thực tiễn Đồng thời kết luận văn dùng làm tài liệu tham khảo cho người quan tâm đến điều khiển mờ Mamdani (MCFC) cho Robot CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP 1.1 Sự đời Robot công nghiệp Theo định nghĩa, Người máy (Robot) thiết bị thực chức thông thường người máy hình dạng người Từ thập kỷ 18, J de Vancauson xây dựng búp bê khí chơi nhạc Đây coi sản phẩm tự động hoá Robot Người sử dụng thuật ngữ “Robot” nhà viết kịch người Czech tên Karel Capek Năm 1922, tác phẩm “Rossum’s Universal Robot “, Capek sử dụng thuật ngữ “Robot” Robot theo tiếng Czech có nghĩa lao động bị bắt ép nông nô Trong tác phẩm này, nhân vật Rossum trai ông tạo máy gần giống người để hầu hạ phục dịch người Cho đến trước năm đại chiến giới thứ hai, việc ứng dụng cấu máy móc trở thành nhu cầu thực nhằm đáp ứng thao tác cần thiết môi trường phóng xạ viện nghiên cứu nguyên tử Ngay sau chiến tranh giới lần thứ hai, Mỹ xuất tay máy chép hình điều khiển từ xa phịng thí nghiệm vật liệu phóng xạ Trên sở cấu điều khiển từ xa đời ngày phát triển Đây thực chất cấu máy móc mô sinh học bao gồm khớp nối, dây gắn liền với hệ điều hành tay người thao tác thơng qua khâu khuyếch đại khí Tuy thao tác cấu tinh vi khéo léo có nhiều hạn chế ví dụ như: Tốc độ hoạt động chậm, lực tác dụng hạn chế, hệ điều khiển tuý khí Vào năm 1950, bên cạnh tay máy chép hình khí đó, xuất loại tay máy chép hình thủy lực điện từ, tay máy Minotaur I tay máy Handyman General Electric Năm 1954, George C.Devol thiết kế thiết bị có tên “Cơ cấu lề dùng để chuyển hàng theo chương trình” Năm 1956, George C.Devol J.Engelberger gặp thảo luận tác phẩm I.asimov Cả hai trí hợp tác chế tạo người máy vào năm 1959 tạo loại Robot công nghiệp mang tên Unimate Công ty Unimation Công ty Unimation J.Engelberger sáng lập, công ty chuyên chế tạo người máy Devol nghiên cứu phát minh, đăng ký sáng chế cho công ty Unimate đưa vào sử dụng nhà máy ô tô hãng General Motors Trenton, New Jersey vào năm 1961 Chỉ đến năm 1975, Unimation bắt đầu có lợi nhuận từ sản phẩm Robot Từ năm 1980, người máy công nghiệp bắt đầu sử dụng rộng rãi ngành công nghiệp khác nhờ công nghệ tiên tiến bước phát triển vượt bậc lĩnh vực máy tính điện tử vi điện tử Đặc biệt từ năm 1990 trở lại đây, phát triển vượt bậc kỹ thuật vi xử lý công nghệ thông tin, số lượng robot tăng nhanh, giá thành giảm rõ rệt, tính ngày hồn thiện Do đó, robot chiếm vị trí quan trọng dây chuyền sản xuất tự động đại Ngày nay, người máy ngày hoàn thiện, nhiều tính có hình dáng gần với người Tuy vậy, công nghiệp, người máy thực cánh tay máy điều khiển máy tính [4] 1.2 Ứng dụng Robot cơng nghiệp 1.2.1 Ưu điểm Robot cơng nghiệp Robot làm việc thời gian dài với độ ổn định xác cao, tiết kiệm nguyên vật liệu suốt thời gian làm việc Khi cần phải đẩy nhanh, tăng nhịp độ sản xuất dây chuyền sản xuất, khơng có Robot người cơng nhân khơng thể theo kịp tiến độ sản xuất chóng bị mệt mỏi Do Robot góp phần nâng cao chất lượng khả cạnh tranh sản phẩm Robot cịn nhanh chóng thay đổi cơng việc có biển đổi q trình đa dạng hố sản phẩm mà không cần phải đào tạo lại người Hiện nay, với trợ giúp mạnh mẽ tiến tiên tiến Khoa học kỹ thuật làm cho giá thành lắp đặt, chế tạo Robot ngày giảm Đối với nước có giá lao động cao việc sử dụng Robot dây chuyền sản xuất giảm đáng kể giá thành sản phẩm giảm chi phí cho người lao động mà Robot khơng cần đến như: tiền lương, phụ cấp, bảo hiểm xã hội.[4] 1.2.2 Nhược điểm Robot công nghiệp Từ hiệu to lớn Robot mang lại, đặc biệt từ thực tế Robot giải phóng sức lao động, nhiều người lo ngại việc sử dụng nhiều Robot dẫn đến tình trạng thất nghiệp Trên thực tế, điều khơng phải khơng có sở đồng thời với việc gây dư sức lao động đơn giản, tạo nhiều cơng việc phức tạp như: kỹ thuật viên, chuyên gia chuyên người máy, nhà lập trình.[4] 1.2.3 Các ứng dụng Robot cơng nghiệp Các Robot nói chung sử dụng rộng rãi với nhiều mục đích, nhiều lĩnh vực, từ nhà máy, xí nghiệp lớn tới công việc phục vụ sinh hoạt đời sống người Robot làm việc mơi trường độc hại, nguy hiểm lò phản ứng hạt nhân, phóng xạ,…hay cơng việc thám hiểm khơng gian, thăm dị hành tinh thuộc hệ Mặt trời Trong sinh hoạt, có Robot trợ giúp, phục vụ người già, cắt cỏ, lau nhà…[4] Đối với Robot cơng nghiệp nói riêng, mức độ ứng dụng diễn mạnh mẽ sâu rộng Hầu hết dây chuyền tự động hoá sản xuất đại có xuất Robot Các Robot công nghiệp ứng dụng lĩnh vực cụ thể sau: + Robot công nghiệp công nghệ gia cơng lắp ráp Độ xác định vị thời gian yếu tố quan trọng thiết kế Robot lắp ráp Có nhiều dây chuyền tự động gồm máy vạn Robot công nghiệp Các dây chuyền đạt mức độ tự động hoá cao, tự động hồn tồn khơng có tham gia người, linh hoạt khơng địi hỏi đầu tư lớn Trong máy Robot dây chuyền điều khiển hệ thống chương trình Đó dây chuyền lắp ráp tơ, sản phẩm điện tử (hình 1.1) Yêu cầu Robot công nghiệp loại nâng cao tính linh hoạt để đáp ứng nhiều loại cơng việc, hạ giá thành dễ thích hợp với sản phẩm loại nhỏ [4] Hình 1.1 Robot công nghệ gia công lắp ráp + Robot cơng nghiệp q trình hàn nhiệt luyện (hình 1.2) Các trình bao gồm công việc nặng nhọc, độc hại, nhiệt độ cao Hàn đường thường thực tay Tuy nhiên suất thấp yêu cầu chất lượng bề mặt mối hàn liên quan đến thao tác đầu mỏ hàn với mơi trường khắc nghiệt khói nhiệt độ phát q trình hàn Khơng giống kỹ thuật hàn điểm, mối hàn có vị trí cố định, mối hàn kỹ thuật hàn đường nằm dọc theo mối ghép hai kim loại Những hệ thống hàn đường thực tế phụ thuộc vào người việc kẹp chặt xác chi tiết hàn sau robot di chuyển dọc theo quĩ đạo lập trình trước Ưu điểm so với hàn tay chất lượng mối hàn ổn định Người vận hành thực việc đơn giản kẹp chặt chi tiết [4] Hình 1.2 Robot trình hàn nhiệt luyện + Robot công nghiệp công nghiệp đúc – rèn (hình 1.3), ngành gia cơng áp lực nơi mà điều kiện làm việc nặng nề, dễ gây mệt mỏi Công việc đa dạng điều kiện làm việc khắc nghiệt, sản phẩm thay đổi đặc biệt chất lượng sản phẩm phụ thuộc nhiều vào q trình thao tác Robot làm cơng việc như: rót kim loại nóng chảy vào khuôn, lấy vật đúc khỏi khuôn Ngày nay, nhiều nước giới, Robot sử dụng rộng rãi để tự động hố cơng nghệ đúc chủ yếu để phục vụ máy đúc áp lực [4] Hình 1.3 Robot cơng nghiệp cơng nghiệp đúc – rèn Ví dụ cơng nghệ rèn: Robot thực nhiều việc như: đưa phơi vào lị nung, vận chuyển phơi sau khỏi lị… So với phương tiện giới tự động khác phục vụ máy rèn dập dùng Robot có ưu điểm nhanh, xác động + Robot cơng nghiệp nhà máy sản xuất (hình 1.4) Trong sản xuất lớn, robot hệ thống tự động hố hồn tồn: chúng đo đạc, cắt, khoan thiết bị xác cịn có khả hiệu chỉnh cơng việc mình, không cần giúp đỡ người trừ chương trình điều khiển máy tính điện tử Chỉ với vài người giám sát công việc; máy móc hoạt động suốt ngày đêm; robot làm tất công việc vận chuyển sản phẩm từ công đoạn sản xuất tới công đoạn sản xuất khác kể việc đưa xếp thành phẩm vào kho [4] Hình 1.4 Robot nhà máy sản xuất 1.3 Tình hình phát triển Robot công nghiệp Hơn nửa thể kỷ qua, Robot có bước phát triển tiến hóa mạnh mẽ Các hướng nghiên cứu Robot chuyển từ Robot cơng nghiệp sang phát triển Robot dịch vụ đa dụng đưa Robot hịa nhập vào nhu cầu xã hội lồi người Theo dự báo vịng 20 năm tới người có nhu cầu sử dụng Robot cá nhân cần máy tính PC Robot tâm điểm cách mạng công nghệ lớn sau Internet Với xu này, với ứng dụng truyền thống khác Robot công nghiệp, y tế, giáo dục đào tạo, giải trí đặc biệt an ninh quốc phịng thị trường Robot dịch vụ ăn theo Robot vô lớn Robot có tiến đáng kể nửa kỷ qua Robot ứng dụng công nghiệp vào năm 60 để thay người làm công việc nặng nhọc, nguy hiểm môi trường độc hại Do nhu cầu cần sử dụng ngày nhiều trình sản xuất phức tạp nên Robot cơng nghiệp cần có khả thích ứng linh hoạt thơng minh Ngày nay, ứng dụng sơ khai ban đầu Robot chế tạo máy ứng dụng khác y tế, chăm sóc sức khỏe, nơng nghiệp, đóng tàu, xây dựng, an ninh quốc phịng gia đình có nhu cầu gia tăng động lực cho Robot địa hình Robot dịch vụ phát triển Có thể kể đến số loại Robot quan tâm nhiều thời gian qua là: tay máy Robot (Robot Manipulators), Robot di động (Mobile Robots), Robot sinh học (Bio Inspired Robots) Robot cá nhân (Personal Robots) Tay máy Robot bao gồm loại Robot công nghiệp (Industrial Robot), Robot y tế (Medical Robot) Robot trợ giúp người tàn tật (Rehabilitation robot) Robot di động nghiên cứu nhiều xe tự hành mặt đất AGV (Autonomous Guided Vehicles), Robot tự hành nước AUV (Autonomous Underwater Vehicles), Robot tự hành không UAV (Unmanned Arial Vehicles) Robot vũ trụ (Space robots) Với Robot sinh học, nghiên cứu thời gian qua tập trung vào loại Robot (Walking robots) Robot dáng người (Humanoid Robots) – giới thiệu hình 1.5 Bên cạnh đó, loại Robot sinh học nước Robot cá, cấu trúc chuyển động theo sinh vật biển nhiều nhóm nghiên cứu phát triển [4] Hình 1.5 Robot dáng người Mặc dù cấu trúc loại Robot có nhiều điểm khác nghiên cứu hướng ứng dụng dịch vụ hoạt động Robot môi trường tự nhiên Mỹ nước tập trung đầu tư hàng trăm tỷ USD cho phát triển hệ thống tác chiến tương lai Robot qn hoạt động địa hình cạn, nước không chiếm phần không nhỏ Với phát triển xã hội trình đại hóa nước G7 nhiều dịch vụ hình thành làm thay đổi quan điểm Robot, từ Robot phục vụ công nghiệp sang Robot phục vụ cho nhu cầu xã hội nhu cầu cá nhân người Robot thiết kế phục vụ cho người người giúp việc đắc lực, đa Quá trình dẫn đến khái niệm tay máy công nhiệp lẫn Robot di động truyền thống phải thay đổi cách đáp ứng yêu cầu thị trường dịch vụ người Trên hình 1.6 giới thiệu Robot thám hiểm Sao Hỏa Hình 1.6 Robot thám hiểm Sao Hoả Song song với chế tạo Robot cơng trình nghiên cứu khoa học Robot công bố nhà khoa học Việt Nam đa dạng theo sát hướng nghiên cứu giới Các nghiên cứu Robot Việt Nam liên quan nhiều đến vấn đề động học, động lực học, thiết kế quỹ đạo, xử lý thông tin cảm biến, cấu chấp hành, điều khiển phát triển trí thơng minh cho Robot Các nghiên cứu động học động lực học Robot khoa khí, chế tạo máy trường đại học viện nghiên cứu học, chế tạo máy, khí quan tâm dân qn Ngồi việc tìm phương pháp giải toán liên quan đến học loại Robot nối tiếp, song song, di động, chương trình mơ kết cấu chuyển động 3D áp dụng phát triển để minh họa phục vụ cho phân tích, thiết kế Robot Các công bố liên quan học Robot thường thực cán Viện Cơ học - Viện KH&CN Việt Nam, Khoa Cơ khí Chế tạo máy thuộc đại học Bách Khoa Hà Nội Đại học Bách Khoa Tp.HCM, môn Robot Cơ điện tử trường đại học khác Trên hình 1.7 giới thiệu Robot cơng nghiệp hãng Tosy Robotics, Việt Nam 10 Hình 1.13 Robot SCARA 1.4.2.2 Phân loại theo điều khiển - Có phương pháp điều khiển Robot Đó kỹ thuật điều khiển không servo kỹ thuật điều khiển servo + Điều khiển khơng servo dùng phương pháp hãm khí để cung cấp phạm vi biên chuyển động lệnh dịch chuyển sử dụng, khớp dẫn động hãm khí chạm tới Kỹ thuật lỗi thời + Kỹ thuật servo dùng cấu trúc phản hồi để đáp ứng với thay đổi cục khớp động robot [4] 1.5 Hệ thống điều khiển Robot Hệ thống điều khiển robot có nhiệm vụ điều khiển hệ truyền động điện để thực điều chỉnh chuyển động robot theo u cầu q trình cơng nghệ Hệ thống Điều khiển Robot chia ra: + Điều khiển thơ (điều khiển vị trí - quỹ đạo): tốn xác định cách điều khiển thích hợp cho khớp tay Robot bám sát quỹ đạo thiết kế trình thời gian Ở bao gồm tốc độ vị trí tay Điều khiển thô thực điều khiển quỹ đạo + Điều khiển tinh (điều khiển lực): tốn có tính đến mơi trường làm việc Robot, bao gồm điều khiển lực điều khiển quỹ đạo 20 Hình 1.14 Sơ đồ tổng quan hệ thống điều khiển Robot 1.5.1 Các phương thức điều khiển - Điều khiển theo quỹ đạo đặt gồm phương thức điều khiển):  Điều khiển Robot theo chuỗi điểm giới hạn  Điều khiển lặp lại :  Điều khiển Robot theo kiểu điểm - điểm (PTP)  Robot điều khiển theo quỹ đạo liên tục PCC  Điều khiển ứng dụng kỹ thuật cao (Robot thơng minh) - Điều khiển lực: dựa vào tính chất đối tượng điều khiển tuyến tính hay phi tuyến 1.5.1.1 Điều khiển theo quỹ đạo đặt Điều khiển theo chuỗi điểm giới hạn Là phương thức điều khiển cách thiết lập công tắc giới hạn điểm dừng khí Chuyển động khớp nối bắt đầu kết thúc gặp công tắc giới hạn điểm dừng khí Việc thiết lập điểm dừng công tắc giới hạn tương đương với việc lập chương trình cho robot, cơng tắc coi phần tử nhớ Phương pháp điều khiển thường dùng loại robot đơn giản Điều khiển lặp lại Thường dùng hệ thống điều khiển phức tạp quỹ đạo chuyển động robot theo quỹ đạo tính tốn xác định từ trước 21 thông qua chuỗi vị trí xác định Các vị trí ghi vào nhớ robot robot phải tự tính tốn điều khiển để đạt tới vị trí mong muốn theo điều kiện tối ưu Robot điều khiển playback chia làm hai loại tùy theo phương thức điều khiển: + Điều khiển theo kiểu điểm - điểm (PTP) Phương thức điều khiển kiểu điểm - điểm phương thức điều khiển mà việc xác định quỹ đạo chuyển động từ điểm sang điểm khác thân robot xác định tuỳ theo điều kiện cụ thể Quỹ đạo chuyển động robot ghi từ trước nhớ chuỗi vị trí điểm mong muốn Robot tự tìm cách đạt tới điểm mong muốn cách so sánh tọa độ với tọa độ điểm mong muốn tính toán xây dựng quỹ đạo điều khiển chuyển động theo hướng làm giảm sai lệch Dạng quỹ đạo phù hợp cho robot có hoạt động “gắp”, “nhả” + Điều khiển theo quỹ đạo liên tục Là phương thức điều khiển mà quỹ đạo chuyển động robot tới điểm xác định Trong trình hoạt động robot phải điểu khiển hệ thống bám theo quỹ đạo ghi nhớ Quỹ đạo liên tục cho dạng điểm liên tục cho dạng điểm cần phải qua với tham số vận tốc, gia tốc, thời gian.v.v xây dựng đa thức nội suy bậc cao Quỹ đạo liên tục đòi hỏi nguyên công công nghệ sơn, hàn, cắt mà tay máy thực việc trực tiếp Điều khiển Robot thông minh Ứng dụng để điều khiển cho robot ngồi việc thực chương trình đặt trước, cịn có khả tùy biến thực hành động phù hợp với cảm nhận từ mơi trường Robot thơng minh thay đổi chương trình phù hợp với điều kiện làm việc môi trường nhận từ sensor (quang, nhiệt, vị trí, tốc độ, từ trường, âm thanh, tần số…) sử dụng logic mờ mạng nơron Robot loại có khả giao tiếp với người với hệ thống máy tính chung để đưa xử lý thông minh Hiện giới 22 xuất robot thơng minh hiểu lệnh đơn giản người, giao tiếp, giúp đỡ để thực công việc phức tạp nhà máy 1.5.1.2 Điều khiển lực Các hệ thống điều khiển hệ tuyến tính Khi khảo sát đặc tính động học đối tượng điều khiển hay hệ thống, thông thường đối tượng khảo sát xem tuyến tính, dẫn đến cho phép mô tả hệ thống hệ phương trình vi phân tuyến tính Sử dụng ngun lý xếp chồng hệ tuyến tính, ta cịn dễ dàng tách riêng thành phần đặc trưng cho chế độ làm việc để nghiên cứu với công cụ tốn học chặt chẽ, xác mà lại đơn giản, hiệu Sử dụng mơ hình tuyến tính để mơ tả hệ thống có nhiều ưu điểm như: - Mơ hình đơn giản, tham số mơ hình tuyến tính dễ dàng xác định phương pháp thực nghiệm mà không cần phải từ phương trình hố lý phức tạp mơ tả hệ - Các phương pháp tổng hợp điều khiển tuyến tính phong phú không tốn nhiều thời gian để thực - Cấu trúc đơn giản mơ hình cho phép theo dõi kết điều khiển cách dễ dàng chỉnh định lại mơ hình cho phù hợp với u cầu thực tế Chính ưu điểm mơ hình tuyến tính mà lý thuyết điều khiển tuyến tính mơ hình tuyến tính có miền ứng dụng rộng lớn Các hệ thống điều khiển hệ phi tuyến Trong thực tế phần lớn đối tượng điều khiển lại mang tính động học phi tuyến (đặc biệt robot đối tượng có tính phi tuyến mạnh - thấy rõ hệ thống điều khiển Robot luận văn trình bày), tức khơng thoả mãn nguyên lý xếp chồng; đối tượng nào, hệ thống mơ tả mơ hình tuyến tính, khơng phải lúc giả thiết cho phép xấp xỉ hệ thống mơ hình tuyến tính thoả mãn Hơn độ tối ưu tác động nhanh tổng hợp ta sử dụng 23 điều khiển phi tuyến Các hạn chế bắt buộc người ta phải trực tiếp nghiên cứu tính tốn động học đối tượng, tổng hợp hệ thống cơng cụ tốn học phi tuyến 1.5.2 Các phương pháp điều khiển Robot Cho đến thực tế, nhiều phương pháp hệ thống điều khiển Robot thiết kế sử dụng, phương pháp điều khiển chủ yếu là: - Điều khiển động lực học ngược - Điều khiển phản hồi phân ly phi tuyến - Các hệ thống điều khiển thích nghi + Điều khiển thích nghi theo sai lệch + Điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu (MRAC) + Điều khiển động lực học ngược thích nghi + Điều khiển trượt 1.6 Giới hạn toán điều khiển Trong luận văn giới hạn đối tượng điều khiển Robot khâu: Trên mô tả cấu trúc động học Robot khâu Hình 1.15 Cấu trúc động học Robot khâu Trong đó: - θ1, θ2: Góc quay khâu - l1, l2 : Chiều dài khâu - m1, m2: Khối lượng toàn khâu - g: gia tốc trọng trường 24 Yêu cầu toán điều khiển là: thiết kế điều khiển tính tốn lực (mơmen) điều khiển cho quỹ đạo chuyển động tay máy Robot bám theo quỹ đạo đặt 1.7 Kết luận chương Chương trình bày tổng qt Robot cơng nghiệp từ lịch sử đời đến giai đoạn phát triển, ưu – nhược điểm lĩnh vực ứng dụng Robot Tìm hiểu cấu trúc chung Robot phương pháp điều khiển chuyển động Robot để Robot ngày linh hoạt, thông minh đáp ứng nhu cầu sử dụng người lĩnh vực: sản xuất, cơng nghiệp, dịch vụ Mục đích nghiên cứu luận văn thiết kế điều khiển chuyển động Robot khâu dựa logic mờ Luận văn tập trung nghiên cứu phương pháp điều khiển phương pháp điều khiển dựa logic mờ phân tích chương 25 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN LOGIC MỜ 2.1 Giới thiệu chung logic mờ Những tảng Logic mờ đời Mỹ vào năm 60, giáo sư Lotfi Zadeh thuộc trường đại học Bekeley, bang California Sau liên tục phát triển trở thành ngành kỹ thuật điều khiển mới, ứng dụng rộng rãi sản phẩm công nghiệp châu Âu Nhật Bản Kỹ thuật điều khiển dựa cách xử lý thông tin điều khiển não người, từ hệ sinh học sang hệ kỹ thuật Nhờ mà mang lại bước nhảy vọt kỹ thuật điều khiển, ví dụ điều khiển xe chạy thành phố điều phức tạp mà người không giám nghĩ tới kỹ thuật điều khiển mờ chưa đời [1] Đặc điểm ưu điểm điều khiển mờ xử lý thơng tin khơng xác khơng đầy đủ, cách thức xử lý não người áp dụng đưa vào ngành kỹ thuật điều khiển Đó điều khơng có hệ thống lý thuyết cổ điển Những lĩnh vực mà logic mờ ứng dụng có nhiều thành tựu: - Điều khiển; - Định dạng mơ hình mẫu (hình ảnh, âm thanh, xử lý liệu); - Phân tích định lượng (nghiên cứu khoa học, quản lý); - Suy luận (giao diện thông minh, robot, kỹ thuật phần mềm); - Phục hồi thông tin (dữ liệu) 2.2 Cơ sở lý thuyết mờ 2.2.1 Tập mờ Định nghĩa: Tập mờ F xác định tập kinh điển M tập mà phần tử cặp giá trị (x,μF(x)), x∈ M μF làm ánh xạ: μF : M → [0 1] - Tập kinh điển M sở tập mờ F - Ánh xạ μF gọi hàm đặc trưng tập mờ F 26 Ý nghĩa y x Hình 2.1 Hàm đặc trưng Tập mờ F ánh xạ giá trị x tập kinh điển thành số nằm đoạn [0,1] để mức độ phụ thuộc vào tập M Độ phụ thuộc tức x không phụ thuộc tập M, độ phụ thuộc có nghĩa đại diện cho tập M Khi μF (x) tăng dần độ phụ thuộc x tăng dần Điều tạo nên đường cong qua phần tử tập hợp (hình 2.1) Một tập mờ gồm thành phần: - Miền làm việc [x1, x2] - Đoạn [0, 1] trục tung thể độ phụ thuộc tập mờ - Hàm đặc trưng μF (x) xác định độ phụ thuộc tương ứng phần tử tập mờ [1] Miền logic mờ (hình 2.2) Độ cao tập mờ F giá trị h = Sup μF(x), SupμF(x) giá trị nhỏ tất chặn hàm μF(x) Miến xác định tập mờ F, kí hiệu S tập thỏa mãn : S = SupμF(x) = { x ∈ M | μF(x) > 0} Miền tin cậy tập mờ F, kí hiệu T tập thỏa mãn : T = { x ∈ M | µF(x) = } Các dạng hàm liên thuộc logic mờ Có nhiều dạng hàm liên thuộc : Gaussian, PI-shape, S-shape, Singmoidal, Z-shape… 27 Hình 2.2 Miền logic mờ 2.2.2 Biến ngơn ngữ Là thành phần hệ thống mờ, thành phần ngôn ngữ ngữ cảnh kết hợp lại với Về biến ngôn ngữ loại biến mà giá trị từ, câu nói theo ngơn ngữ tự nhiên không tự nhiên [1] 2.2.3 Hàm đặc trưng Mức độ thỏa mãn giá trị vật lý vào khái niệm ngôn ngữ gọi độ phụ thuộc Đối với biến liên tục, mức độ biểu diễn hàm gọi hàm đặc trưng Hàm đặc trưng ánh xạ tập giá trị vật lý thành tập giá trị phụ thuộc giá trị ngôn ngữ [1] Sau số dạng đặc trưng: Dạng tuyến tính (hình 2.3) Là dạng đơn giản nhất, thường dùng mô tả khái niệm chưa biết hay chưa hiểu rõ ràng y y 1 a) x b) x Hình 2.3 Tập mờ tuyến tính (a)- Tập mờ tuyến tính tăng (b) – Tập mờ tuyến tính giảm 28 Dạng đường cong S (hình 2.4) Đặc trưng thơng số α, β, γ tương ứng với độ phụ thuộc là: 0; 0.5; y 0.5 α β x γ Hình 2.4 Dạng đường cong S Độ phụ thuộc điểm x xác định theo công thức sau: Dạng đường cong hình chng Dạng đường cong hình chng (hình 2.5) đặc trưng cho số mờ xấp xỉ giá trị trung tâm, hai đường cong S tăng S giảm 0.5 x γ Hình 2.5 Dạng đường cong hình chng Dạng hình tam giác, hình thang hình vai Dạng hình chng thay dạng hình tam giác, hình thang yêu cầu tiết kiệm nhớ vi xử lý - Dạng hình thang (hình 2.6) y β α x Hình 2.6 Dạng hình thang 29 -Dạng hình tam giác (hình 2.7) y x Hình 2.7 Dạng hình tam giác - Dạng hình vai Thơng thường vùng biến mơ hình đặc trưng tập mờ có hàm đặc trưng hàm tam giác, vùng biên thường dùng hàm đặc trưng hình vai (hình 2.8) Hình 2.8 Hai tập nhanh chậm có hàm đặc trưng hình vai Các phép toán tập mờ Một nguyên tắc việc xây dựng phép toán tập mờ khơng mâu thuẫn với phép tốn có lý thuyết tập hợp kinh điển Giống định nghĩa tập mờ, phép toán tập mờ định nghĩa thông qua hàm phụ thuộc, xây dựng tương tự phép toán tập hợp kinh điển Như việc thành lập phép toán tập mờ xác định hàm phụ thuộc đại diện cho phép hợp, giao, bù tập mờ [1] Nói chung, phép tốn tập hợp mờ có nhiều cơng thức đại diện, nghĩa có nhiều hàm phụ thuộc khác Điều dẫn đến tốn điều khiển mờ có nhiều lời giải khác 30 * Cho X,Y hai tập mờ khơng gian B, có hàm thuộc tương ứng μX, μY ta có phép toán sau : Phép hợp hai tập mờ : X ∪ Y 1.Theo luật MAX (hình 2.15): μX(b) ∪ μY(b) = Max{ μX (b) , μY (b)} A 0,8 1 A 0,2 -5 B1 B2 0,8 x 0,2 x Hình 2.9 Phép hợp hai tập mờ theo luật lấy max 2.Theo luật MIN : μX (b) ∪ μY (b) = MIN{ μX (b) + μY (b)} 3.Tổng trực tiếp : μX (b) ∪ μY (b) = μX (b) + μY (b) – μX (b)* μY (b) Phép giao hai tập mờ : X ∩ Y 1.Theo luật MIN : μX (b) ∩ μY (b) = MIN{ μX (b) ; μY (b)} 2.Theo luật LUKASIEWICZ : μX (b) ∩ μY (b) = Max{0, μX (b)+ μY (b)-1} 3.Theo luật Prod : μX (b) ∩ μY (b) = μX (b) μY (b) Phép bù tập mờ : AC = − µ A [ x ] *Các phép toán hai tập mờ khác Cho hai tập mờ A tập mờ X có hàm thuộc μA(x) B tập mờ Y có hàm thuộc μB(y) A tập mờ mở rộng tập mờ A XxY có hàm thuộc μA(x,y) = μA(x), VY B tập mờ mở rộng tập mờ B XxY có hàm thuộc μB(x,y) = μB(y), VX Hợp A,B μAUB(x,y) = μAUB(x,y) Giao A,B μA∩B(x,y) = μA∩B(x,y) 31 2.2.4 Luật hợp thành mờ (Mamdani) Mệnh đề hợp thành Cho hai biến ngôn ngữ x y Nếu biến x nhận giá trị mờ A với hàm phụ thuộc µA(x) y nhận giá trị mờ B với hàm phụ thuộc µA(y) biếu thức : x = A gọi mệnh đề điều kiện biểu thức: y = B gọi mệnh đề kết luận Nếu ký hiệu hai mệnh đề p q ta có mệnh đề hợp thành: p⇒q Và mệnh đề hoàn toàn tương ứng với luật điều khiển: Nếu x = A y = B Như vậy, mệnh đề hợp thành cho phép từ giá trị đầu vào x hay xác từ độ phụ thuộc µA(x0) tập mờ A giá trị x0 ta xác định hệ số thỏa mãn mệnh đề kết luận q giá trị đầu y Hệ số thỏa mãn mệnh đề kết luận gọi giá trị mệnh đề hợp thành đầu vào A giá trị mờ Nếu biểu diễn giá trị mờ tập hợp C mệnh đề hợp thành mờ ánh xạ: µA(x0) → µC(y) Tải FULL (67 trang): https://bit.ly/3fQM1u2 Dự phòng: fb.com/KhoTaiLieuAZ Định lý Mamdani : “Độ phụ thuộc kết luận không lớn độ phụ thuộc điều kiện” Nếu hệ thống có nhiều đầu vào nhiều đầu mệnh đề suy diễn có dạng tổng qt sau: Nếu N = ni M = mi … Thì R = ri K = ki and… Mơ tả mệnh đề hợp thành mờ Ánh xạ µA(x0) → µC(y) mệnh đề hợp thành tập hợp mà phần tử giá trị (µA(x0), µC(y)), tức phần tử tập mờ Mơ tả mệnh đề hợp thành mô tả ánh xạ Dựa định nghĩa tính chất lý thuyết tập kinh điển, ta có định nghĩa mệnh đề hợp thành mờ sau: giá trị mệnh đề hợp thành mờ tập mờ B’ định nghĩa Y (là không gian B) có hàm liên thuộc 32 µ(µA,µB): [0,1] tuân theo quy tắc hợp thành mờ Hai quy tắc thường sử dụng là: * Quy tắc hợp thành Giá trị mệnh đề hợp thành mờ tập mờ B ’ định nghĩa Y (không gian B) có hàm liên thuộc µB’ = min{µA,µB(y)} * Quy tắc hợp thành PROD Giá trị mệnh đề hợp thành mờ B’ định nghĩa Y (không gian B) có hàm liên thuộc µB’ = µA,µB(y) Luật hợp thành mờ Tải FULL (67 trang): https://bit.ly/3fQM1u2 Dự phòng: fb.com/KhoTaiLieuAZ Luật hợp thành tên gọi chung mơ hình biều diễn hay nhiều hàm thuộc cho hay nhiều mệnh đề hợp thành Nói cách khác tập hợp cuả nhiều mệnh đề hợp thành Các luật hợp thành Luật MAX – MIN; Luật MAX – PROD Luật SUM – MIN; Luật SUM – PROD Trong thực tế, có điều khiển mờ việc với mệnh đề hợp thành mà với tập hợp gồm nhiều mệnh đề Ta xét số luật hợp thành thường sử dụng Thuật toán xây dựng luật hợp thành có nhiều mệnh đề hợp thành Cho p mệnh đề hợp thành: R1: NẾU x=A1 THÌ y=B1 R2: NẾU x=A2 THÌ y=B2 Rp: NẾU x=Ap THÌ y=Bp 33 Trong giá trị mờ A1,……, Ap có tập hợp X B1,…, Bp có tập hợp Y Gọi hàm phụ thuộc A k Bk µAK(x) µBK(y) (k=1,2, …,p) thuật tốn triển khai R= R1∪ R2 ∪ …∪Rp thực sau: - Rời rạc hóa tập X n điểm x1, x2,…,xn tập Y mờ điểm y1, y2,…,ym - Mờ hóa điểm rời rạc X Y cách xác định vectơ µAK µBK (k=1,2,…,p) theo công thức: µ TAK = ( µ AK ( x1 ), µ AK ( x2 ), µ AK ( xn )) T µ BK = ( µ BK ( y1 ), µ AK ( y2 ), µ AK ( yn )) 2.2.5 Các phương pháp giải mờ (defuzzification) Giải mờ trình tạo ảnh từ hoạt động điều khiển hoạt động không gian khảo sát mờ qua hoạt động điều khiển thực Đây trình cần thiết giá trị đầu suy luận mờ giá trị mờ liệu điều khiển cho thiết bị cần thiết giá trị rõ Giải mờ xác định giá trị rõ y’ chấp nhận từ hàm phụ thuộc µB, (y) giá trị mờ B’ (tập mờ) Ba phương pháp giải mờ thường sử dụng phương pháp cực đại, phương pháp điểm trọng tâm phương pháp độ cao trình bày đây, ký hiệu tập tập mờ B’ Y Phương pháp cực đại Qui trình thực gồm bước: - Xác định miền chứa giá trị rõ y’ Giá trị rõ y’ giá trị mà hàm phụ thuộc đạt giá trị cực đại (độ cao H tập mờ B’), tức miền: G = { y∈Y | μB,(y) = H} - Xác định y’ chấp nhận từ G theo nguyên lý sau : +Ngun lí trung bình +Ngun lí cận trái +Ngun lí cận phải µB’ A A H 34 y y y 4150601 ... vi nghiên cứu đề tài Với mục đích nghiên cứu trên, tác giả lựa chọn đề tài tốt nghiệp Thạc sỹ ? ?Nghiên cứu điều khiển mờ cho chuyển động Robot hai bậc tự do? ?? Trong đối tượng nghiên cứu Robot hai. .. Robot hai bậc tự Phạm vi nghiên cứu đề tài là: “ Nghiên cứu xây dựng điều khiển mờ áp dụng cho toán điều khiển chuyển động Robot khâu” Trong đề tài tập trung nghiên cứu mơ hình động lực học Robot. .. hình điều khiển mờ theo Mamdani (MCFC) để nâng cao chất lượng hệ Phương pháp nghiên cứu đề tài Nghiên cứu lý thuyết mơ hình chuyển động Robot hai bậc tự phương pháp điều khiển mờ cách thiết kế điều