Tài liệu trình bày mô hình toán của cánh tay máy hai bậc, giới thiệu và thiết kế bộ điều khiển PID cho hệ cánh tay máy hai bậc. Tiến hành tính toán mô phỏng hệ thống trên matlab simulink để tìm ra bộ điều khiển PID cho hai góc khớp của cánh tay máy.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN CÁCH TAY MÁY HAI BẬC SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID SVTH: BÙI TẤN TÀI MSSV: 19151013 PHẠM VĂN THẮNG MSSV: 19151175 Khóa : 2019- 2023 Ngành: Công nghệ kỹ thuật điều khiển tự động hóa GVHD: thầy Nguyễn Minh Tâm TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN CÁCH TAY MÁY HAI BẬC SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID SVTH: BÙI TẤN TÀI MSSV: 19151013 PHẠM VĂN THẮNG MSSV: 19151175 Khóa : 2019- 2023 Ngành: Công nghệ kỹ thuật điều khiển tự động hóa GVHD: thầy Nguyễn Minh Tâm NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN TP.HCM, ngày… tháng 01 năm 2021 Giáo viên hướng dẫn MỤC LỤC CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU I.1Đặt vấn đề .1 I.2Tính cấp thiết đề tài I.3Nội dung nghiên cứu I.4 Phương pháp nghiên cứu I.5 Mục tiêu nghiên cứu I.6 Giới hạn nghiên cứu CHƯƠNG II:TỔNG QUAN VỀ ROBOT II.1Robot công nghiệp II.2 Ứng dụng Robot công nghiệp CHƯƠNG III: TÍNH TỐN PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC CỦA CÁNH TAY MÁY HAI BẬC 10 III.1Tính tốn phương trình động học từ mơ hình cánh tay hai bậc .10 CHƯƠNG IV: GIỚI THIỆU VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 16 IV.1 Giới thiệu điều khiển PID 16 IV.2 Thiết kế điều khiển PID cho cánh tay robot hai bậc 17 IV.3 Tìm thơng số PID theo phép thử, luật định PID .18 CHƯƠNG V: MÔ PHỎNG .19 V.1 Thiết kế mơ hình điều khiển PID cho cánh tay máy simulink 20 V.2Khảo sát chọn thông số PID điều khiển cho θ 21 V.3 Khảo sát chọn thông số PID điều khiển cho θ 29 CHƯƠNG VI: KẾT LUẬN .36 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 3.1 : Mơ hình tương đương hệ robot hai bậc tự Hình 4.1 : Sơ đồ khối điều khiển cánh tay robot hai bậc Hình 4.2: Sơ đồ khối điều khiển cho θ1 Hình 4.3 : Sơ đồ mơ điều khiển cho θ1 Hình 4.4 : Sơ đồ khối điều khiển cho θ2 Hình 4.5 : Sơ đồ mô điều khiển cho θ2 Hình 4.6 : Luật định PID Hình 5.1 : Sơ đồ khối mơ Hình 5.2 : Khối điều khiển θ1 Hình 5.3 : Khối điều khiển θ2 Hình 5.4 : Khối cánh tay máy Hình 5.5 : dạng sóng ( kI = 0.01, kD = 1, kp=120) Hình 5.6 : dạng sóng ( kI = 0.01, kD = 1, kp=100) Hình 5.7 : dạng sóng ( kI = 0.01, kD = 1, kp=60) Hình 5.8 : dạng sóng ( kI = 0.01, kD = 1, kp=30) Hình 5.9 : dạng sóng ( kI = 0.01, kD = 1, kp=20) Hình 5.10 : dạng sóng ( kI = 0.5, kD = 25, kp=45) Hình 5.11 : dạng sóng ( kI = 1.5, kD = 25, kp=45) Hình 5.12 : dạng sóng ( kI = 2.5, kD = 25, kp=45) Hình 5.14: dạng sóng ( kI = 4.5, kD = 25, kp=45) Hình 5.15 : dạng sóng ( kp = 0.024, kI = 0, KD = 13) Hình 5.16 : dạng sóng ( kp = 0.024, kI = 0, KD = 18) Hình 5.17 : dạng sóng ( kp = 0.024, kI = 0, KD = 23) Hình 5.18: dạng sóng ( kp = 0.024, kI = 0, KD = 28) Hình 5.19 : dạng sóng ( kp = 0.024, kI = 0, KD = 30) Hình 5.20: dạng sóng ( kp = 47, kI = 4, KD = 27) Hình 5.21: dạng sóng ( kI = 0.5, kD = 7, Kp = 100) Hình 5.22: dạng sóng ( kI = 0.5, kD = 7, Kp = 80) Hình 5.23: dạng sóng ( kI = 0.5, kD = 7, Kp = 50) Hình 5.24: dạng sóng ( kI = 0.5, kD = 7, Kp = 30) Hình 5.25: dạng sóng ( kI = 0.5, kD = 7, Kp = 10) Hình 5.26: dạng sóng (kp = 50 , kD = 10, Ki = 5) Hình 5.27: dạng sóng (kp = 50 , kD = 10, Ki = 10) Hình 5.28: dạng sóng (kp = 50 , kD = 10, Ki = 20) Hình 5.29: dạng sóng (kp = 50 , kD = 10, Ki = 30) Hình 5.30: dạng sóng (kp = 50 , kD = 10, Ki = 40) Hình 5.31: dạng sóng (kp = 50, kI = 40, KD = 3) Hình 5.32: dạng sóng (kp = 50, kI = 40, KD = 10) Hình 5.33: dạng sóng (kp = 50, kI = 40, KD = 30) Hình 5.34 : dạng sóng (kp = 50, kI = 40, KD = 50) CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU I.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 môi trường khắc nghiệt mà người tham gia vào như: môi 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 công 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 trình sản xuất Các robot chưa có tính thích nghi ứng với mơi trường thay đổi mà chủ yếu hoạt động theo chương trình định trước Việc nghiên cứu điều khiển để nâng cao độ xác robot cịn 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 I.2 Tính cấp thiết đề tài Hiện nay, phương pháp điều khiển robot cánh tay bậc tự theo thuật toán PID cải tiến lựa chọn kỹ thuật điều khiển động DC với ưu điểm sau: - Đơn giản, không cần đến khối chuyển đổi tương quan - Tính linh hoạt cao - Khả điều khiển bền bỉ xác - Có đầy đủ yếu tố cho việc thiết kế điều khiển có tính theo yêu cầu đề Tính ổn định điều khiển PID cải tiến rộng bền vững tác động bên - Khả bám tốc độ đặt cao, tải thay đổi => Ưu điểm phương pháp PID - Đáp ứng tốc độ đảm bảo điều kiện tải thay đổi thông số động thay đổi trình làm việc - Cho đáp ứng nhanh, chất lượng truyền động tốt, hiệu suất cao I.3 Nội dung nghiên cứu - Tính tốn phương trình hàm truyền - Thiết kế PID - Mô I.4 Phương pháp nghiên cứu - Trao đổi với giáo viên - Tìm hiểu lý thuyết điều khiển cánh tay máy bậc thuật toán PID - Tham khảo báo, sách mạng I.5 Mục tiêu nghiên cứu - Tìm phương trình tốn học hệ cánh tay máy hai bậc - Thiết kế điều khiển PID cho hệ cánh tay máy - Điều khiển hệ thống với sai số thấp - Mô phần mềm matlab I.6 Giới hạn nghiên cứu - Chưa điều khiển hệ thống liên tục với nhiều góc quay khác - Chỉ điều khiển vị trí cánh tay với giá trị đặt trước - Phải điều khiển PID cho khớp cánh tay máy - Do dịch bệnh nên nhóm chúng em chưa thể thi cơng phần cứng nên chưa thấy rõ hoạt động hệ thống thực I.1 CHƯƠNG II:TỔNG QUAN VỀ ROBOT II.1 Robot công nghiệp II.1.1 Robot gì? Nguồn gốc thuật ngữ Robot Trước sâu vào cách thức hoạt động ưu điểm bật Robot cần phải hiểu chúng có nghĩa Robot, tên tiếng anh nghĩa người máy Nguồn gốc từ “Robot” dựa tiếng Séc robota Được dịch “lao động cưỡng bức” Thuật ngữ nhà văn Séc Karel Čapek thức lần đưa vào sử dụng kịch “Các Robot Tồn Rossum” ơng, vào năm 1920 Và kể từ, từ Robot đời mở kỳ nguyên mới, làm thay đổi tương lai nhân loại Về mặt lý thuyết, Robot hiểu là: loại máy lập trình sẵn chương trình hoạt động bo vi mạch điện tử điều khiển hệ thống máy tính, để từ chúng thực cơng việc định cách tự động, khơng có tham gia người Về mặt cấu tạo kỹ thuật, Robot hệ thống khí điện tử, hồn tồn làm chất xám, tư bàn tay người Do đó, chúng có đặc điểm là: ảo nhân tạo Từ “Robot” cấu tạo từ phần mềm lập trình hoạt động hệ thống khí Trên giới, có nhiều loại Robot với đa dạng cơng dụng hình dáng Sự khác xuất phát từ mức độ tự động hệ thống khí – điện tử chúng Theo tiêu chuẩn AFNOR Pháp Khái niệm robot công nghiệp cấu chuyển động tự động lập trình, lặp lại chương trình, tổng hợp chương trình đặt trục tọa độ, có khả định vị, định hướng, di chuyển đối tượng vật chất chi tiết, đạo cụ, gá lắp theo hành trình thay đổi chương trình hóa nhằm thực nhiệm vụ công nghệ khác Theo tiêu chuẩn RIA Mỹ ,Robot institute of America Khái niệm robot công nghiệp tay máy vạn lặp lại chương trình, thiết kế để di chuyển vật liệu, chi tiết, dụng cụ, thiết bị chuyên dùng thông qua chương trình chuyển động thay đổi để hồn thành nhiệm vụ khác Theo tiêu chuẩn TOCT 25686-85 Nga Robot công nghiệp máy tự ... 2* l1*l2 ^2* lc2*m2*m3*u (2) *u(4)*sin(u(3)))/(J1*J2 + l1 ^2* l2 ^2* m3 ^2 + l1 ^2* lc2 ^2* m2 ^2 + J2*l1 ^2* m2 + J1*l2 ^2* m3 + J2*l1 ^2* m3 + J2*lc1 ^2* m1 + J1*lc2 ^2* m2 2* l1*l2^3*m3 ^2* cos(u(3)) + l1 ^2* l2 ^2* m2*m3 + l2 ^2* lc1 ^2* m1*m3 + l1 ^2* lc2 ^2* m2*m3 +... + J1*lc2 ^2* m2 2* l1*l2^3*m3 ^2* cos(u(3)) + l1 ^2* l2 ^2* m2*m3 + l2 ^2* lc1 ^2* m1*m3 + l1 ^2* lc2 ^2* m2*m3 + lc1 ^2* lc2 ^2* m1*m2 - 4*l1 ^2* l2 ^2* m3 ^2* cos(u(3)) ^2 l1 ^2* lc2 ^2* m2 ^2* cos(u(3)) ^2 - 2* J2*l1*l2*m3*cos(u(3))... l1 ^2* lc2 ^2* m2*m3 + lc1 ^2* lc2 ^2* m1*m2 - 4*l1 ^2* l2 ^2* m3 ^2* cos(u(3)) ^2 l1 ^2* lc2 ^2* m2 ^2* cos(u(3)) ^2 - 2* J2*l1*l2*m3*cos(u(3)) 4*l1 ^2* l2*lc2*m2*m3*cos(u(3)) ^2 2*l1*l2*lc2 ^2* m2*m3*cos(u(3))) (1 .23 ) ? ?2 = -(J2*u(5)