Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển hiện đại cho hệ điều khiển các chuyển động của robot theo quỹ đạo phẳng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN HIỆN ĐẠI CHO HỆ ĐIỀU KHIỂN CÁC CHUYỂN ĐỘNG CỦA ROBOT THEO QUỸ ĐẠO PHẲNG Ngành : TỰ ĐỘNG HÓA Mã số : Học viên : ĐÀO QUỐC CHÍNH Cán bộ HDKH : PGS.TS. NGUYỄN NHƯ HIỂN THÁI NGUYÊN - 2010 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP ***** CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA TÊN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN HIỆN ĐẠI CHO HỆ ĐIỀU KHIỂN CÁC CHUYỂN ĐỘNG CỦA ROBOT THEO QUỸ ĐẠO PHẲNG Học viên : Đào Quốc Chính Lớp : Cao học K11-TĐH Cán bộ HDKH: PGS.TS Nguyễn Nhƣ Hiển CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Nguyễn Nhƣ Hiển HỌC VIÊN Đào Quốc Chính BAN GIÁM HIỆU KHOA SAU ĐẠI HỌC 1 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình do tôi tự làm và nghiên cứu, trong luận văn có sử dụng một số tài liệu tham khảo như đã nêu trong phần tài liệu tham khảo. Tác giả luận văn Đào Quốc Chính 2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN 1 MỤC LỤC 2 DANH MỤC CÁC BẢNG 5 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 6 MỞ ĐẦU 9 CHƢƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ ROBOT VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP 11 ĐIỀU KHIỂN HIỆN ĐẠI 11 1.1 Tổng quan về Robot 11 1.1.1 Lịch sử phát triển 11 1.1.2 Hệ truyền động trong Robot 12 1.1.2.1 Truyền động điện 12 1.1.2.2 Truyền động khí nén và thuỷ lực 13 1.1.3 Vần đề điều khiển cánh tay Robot 13 1.1.3.1 Khái quát 13 1.1.3.2 Vấn đề điều khiển cánh tay Robot 14 1.1.3.3 Động học của cánh tay Robot 2DOF 16 1.2 Giớ i thiệ u về lý thuyết điều khiển logic mờ 20 1.2.1 Lịch sử phát triển Logic mờ 20 1.2.2 Bộ điều khiển mờ lý tưởng 20 1.2.3 Điều khiển mờ cơ bản 21 1.2.3.1 Khối mờ hóa 22 1.2.3.2 Khối hợp thành 22 1.2.3.3 Khối luật mờ 23 1.2.3.4 Khối giải mờ 23 1.2.4 Tính ổn định của hệ điều khiển mờ 25 1.2.4.1 Những điểm cần lưu ý 25 1.2.4.2 Khảo sát tính ổn định của hệ mờ 27 1.2.5 Tối ưu 28 1.2.6 Kết luận về điều khiển mờ 29 3 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1.2.6.1 Ưu điểm 29 1.2.6.2 Khuyết điểm 30 1.3. Hệ điều khiển mờ lai (F - PID) 31 1.3.1 Khái niệm .31 1.3.2 Các dạng hệ mờ lai phổ biến 32 1.3.2.1. Hệ lai không thích nghi có bộ điều khiển kinh điển 32 1.3.2.2 Hệ mờ lai Cascade 33 1.3.2.3 Điều khiển công tắc thích nghi bằng khóa mờ 33 CHƢƠNG 2 34 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI CASCADE ĐỂ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG ROBOT 2DOF THEO QUỸ ĐẠO PHẲNG 34 2.1 Khái quát 34 2.2 Tổng hợp bộ điều chỉnh vị trí PID cho động cơ điện một chiều 35 2.2.1 Các thông số ban đầu 35 2.2.1.1 Động cơ điện một chiều. 35 2.2.1.2 Bộ chỉnh lưu. 38 2.2.1.3 Biến dòng: 39 2.2.1.4 Máy phát tốc: 39 2.2.1.5 Cảm biến vị trí: 39 2.2.2 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng (RI): 40 2.2.3 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ ( R  ): 43 2.2.4 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh vị trí ( R  ). 46 2.2.5 Tính phi tuyến của bộ điều khiển vị trí. 49 2.3 Xây dựng bộ điều khiển mờ lai cascade để điều chỉnh vị trí cho cánh tay Robot 2DOF. 51 2.3.1 Đặt vấn đề 51 2.3.2 Bộ điều khiển mờ lai cascade 52 2.3.2.1 Biến ngôn ngữ và miền giá trị của nó 53 2.3.2.2 Xác định hàm liên thuộc (membership function) 54 2.3.2.3 Xây dựng các luật điều khiển 56 2.3.2.4 Luật hợp thành 57 4 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2.4 Kết luận Chương 2 57 CHƢƠNG 3 58 MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG 58 3.1 Mô phỏng hệ thống điều khiển chuyển động cánh tay Robot sử dụng bộ điều chỉnh PID. 58 3.1.1 Mô hình simulink hệ thống điều khiển chuyển động cánh tay Robot sử dụng bộ điều chỉnh PID. 58 3.1.2 Kết quả mô phỏng điều khiển vị trí của cánh tay Robot dùng bộ hiệu chỉnh PID (với trường hợp khối lượng tải Mt=0; mô men quán tính tải Jt=0). 60 3.2 Mô phỏng hệ thống điều khiển chuyển động cánh tay Robot sử dụng bộ mờ lai. 66 3.2.1 Mô hình simulink hệ thống điều khiển chuyển động cánh tay Robot sử dụng bộ mờ lai. 66 3.2.2 Kết quả mô phỏng điều khiển vị trí của cánh tay Robot dùng bộ mờ lai (với trường hợp khối lượng tải Mt = 0; mô men quán tính tải Jt = 0). 66 3.3 So sánh quỹ đạo giữa PID và Mờ lai. 73 3.3.1 Trường hợp Mt = 0, Jt = 0. 73 3.3.2 Trường hợp Mt = 1, Jt = 0.5. 76 3.3.3 Trường hợp Mt=2, Jt = 0.5. 79 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 84 1.Kết luận. 84 2. Kiến nghị. 84 TÀI LIỆU THAM KHẢO 85 5 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Dịch chuyển theo quĩ đạo và theo điểm đến điểm của cánh tay Robot 15 Bảng 1.2: Thông số vật lý của cánh tay Robot 2DOF 16 Bảng 2.1: Các thông số của động cơ điện một chiều 36 Bảng 2.2: Luật điều khiển deltaU dk 56 Bảng 2.3: Luật điều khiển xây dựng bằng MATLAB 57 6 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Sơ đồ minh hoạ cánh tay Robot n khâu 14 Hình 1.2: Sơ đồ cánh tay Robot 2DOF 15 Hình 1.3: Sơ đồ khối chức năng của bộ điều khiển mờ 22 Hình 1.4: Sơ đồ xá c định trung bình tâm 25 Hình 2.1: Sơ đồ thay thế động cơ điện một chiều kích từ độc lập 35 Hình 2.2: Cấu trúc của động cơ điện một chiều khi từ thông không đổi. 38 Hình 2.3. Sơ đồ khối mạch chỉnh lưu có điều khiển. 38 Hình 2.4: Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh dòng điện. 40 Hình 2.5. 41 Hình 2.6: Sơ đồ cấu trúc của hệ điều chỉnh vị trí………………………………………….41 Hình 2.7: 43 Hình 2.8 44 Hình 2. 9 47 Hình 2.10: Sơ đồ cấu trúc của hệ điều chỉnh vị trí 49 Hình 2. 11: Quan hệ giữa  và  50 Hình 2. 12: Sơ đồ cấu trúc bộ mờ lai 52 Hình 2.13: Cấu trúc bộ mờ lai khớp 1 52 Hình 2.14: Cấu trúc bộ mờ lai khớp 2 53 Hình 2.15 Xác định tập mờ cho biến vào eq1 55 Hình 2.16 Xác định tập mờ cho biến vào deq1 55 Hình 2.17 Xác định tập mờ cho biến đầu ra deltaU dk 56 Hình 3.1 Mô hình hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID 58 Hình 3.2 Mô hình khối điều khiển dòng điện và tốc độ động cơ 1 58 Hình 3.3 Mô hình khối điều khiển dòng điện và tốc độ động cơ 2 59 Hình 3.4 Mô hình khối subsystem1 59 Hình 3.5 Mô hình khối subsystem2 59 Hình 3.6 Mô hình khâu phản hồi vị trí 1 59 Hình 3.7 Mô hình khâu phản hồi vị trí 2 59 Hình 3.8 Mô hình Robot 2DOF 60 Hình 3.9 Đồ thị quỹ đạo đặt và quỹ đạo thực của Robot dùng PID 60 7 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 3.10 Đồ thị sai lệch quỹ đạo dùng PID 61 Hình 3.11 So sánh quỹ đạo góc đặt và quỹ đạo góc ra của khớp 1 62 Hình 3.12 Sai lệch góc của khớp 1 62 Hình 3.13 Tốc độ sai lệch góc của khớp 1 62 Hình 3.14 Dòng điện Động cơ 1 63 Hình 3.15 Tốc độ của Động cơ 1 63 Hình 3.16 So sánh quỹ đạo góc đặt và quỹ đạo góc ra của khớp 2 63 Hình 3.17 Sai lệch quỹ đạo góc khớp 2 64 Hình 3.18 Tốc độ sai lệch quỹ đạo góc khớp 2 64 Hình 3.19 Dòng điện Động cơ 2 65 Hình 3.20 Tốc độ Động cơ 2 65 Hình 3.21 Mô hình hệ thống sử dụng bộ mờ lai 66 Hình 3.22 Kết quả mô phỏng bằng RuleWiewer FLC1 66 Hình 3.23 Kết quả mô phỏng bằng RuleWiewer FLC2 67 Hình 3.25 Đồ thị sai lệch quỹ đạo dùng Fuzzy 68 Hình 3.26 Đồ thị so sánh quỹ đạo góc đặt và quỹ đạo góc ra của khớp 1 68 Hình 3.27 Sai lệch góc của khớp 1 69 Hình 3.28 Tốc độ sai lệch góc của khớp 1 69 Hình 3.29 Dòng điện Động cơ 1 70 Hình 3.30 Tốc độ Động cơ 1 70 Hình 3.31 Đồ thị so sánh quỹ đạo góc đặt và quỹ đạo góc ra của khớp 2 71 Hình 3.32 Sai lệch quỹ đạo góc khớp 2 71 Hình 3.33 Tốc độ sai lệch quỹ đạo góc khớp 2 72 Hình 3.34 Dòng điện Động cơ 2 72 Hình 3.35 Tốc độ Động cơ 2 73 Hình 3.36 Sai lệch quỹ đạo dùng PID và Fuzzy 73 Hình 3.37 Đồ thị góc quay khớp 1 giữa giá trị đặt, PID và Fuzzy 74 Hình 3.38 Đồ thị góc quay khớp 2 giữa giá trị đặt, PID và Fuzzy 74 Hình 3.39 Đồ thị sai lệch góc quay khớp 1 giữa PID và Fuzzy 75 Hình 3.40 Đồ thị sai lệch góc quay khớp 2 giữa PID và Fuzzy 75 Hình 3.41 Đồ thị sai lệch tốc độ góc khớp 1 giữa PID và Fuzzy 76 Hình 3.42 Đồ thị sai lệch tốc độ góc khớp 2 giữa PID và Fuzzy 76 8 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 3.43 Đồ thị góc sai lệch quỹ đạo giữa PID và Fuzzy 77 Hình 3.44 Đồ thị góc quay khớp 1 giữa giá trị đặt, PID và Fuzzy 77 Hình 3.45 Đồ thị góc quay khớp 2 giữa giá trị đặt, PID và Fuzzy 78 Hình 3.46 Đồ thị sai lệch góc quay khớp 1 giữa PID và Fuzzy 78 Hình 3.47 Đồ thị sai lệch góc quay khớp 2 giữa PID và Fuzzy 78 Hình 3.48 Đồ thị sai lệch tốc độ góc khớp 1 giữa PID và Fuzzy 79 Hình 3.50 Đồ thị sai lệch quỹ đạo giữa PID và Fuzzy 80 Hình 3.51 Đồ thị góc quay khớp 1 giữa giá trị đặt, PID và Fuzzy 80 Hình 3.52 Đồ thị góc quay khớp 2 giữa giá trị đặt, PID và Fuzzy 81 Hình 3.53 Đồ thị sai lệch góc quay khớp 1 giữa PID và Fuzzy 81 Hình 3.54 Đồ thị sai lệch góc quay khớp 2 giữa PID và Fuzzy 81 Hình 3.55 Đồ thị sai lệch tốc độ góc khớp 1 giữa PID và Fuzzy 82 Hình 3.56 Đồ thị sai lệch tốc độ góc khớp 2 giữa PID và Fuzzy 82 [...]... tế các phương pháp điều khiển Robot và cánh tay Robot, ví dụ như: - Các phương pháp điều khiển kinh điển, sử dụng các bộ điều khiển PID nhằm đảm bảo cho điểm tác động cuối (end-effector) của tay máy dịch chuyển bám theo một quỹ đạo định trước; - Các phương pháp điều khiển hiện đại: điều khiển tối ưu, điều khiển thích nghi, điều khiển bền vững (điều khiển mờ, điều khiển trượt, …) 1.1.2 Hệ truyền động. .. áp dụng điều khiển nhiều hệ thống khác nhau trong công nghiệp, đặc biệt là các hệ chuyển động Robot nhằm nâng cao chất lượng của hệ thống Với ý nghĩa đó, tôi đã chọn đề tài “NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN HIỆN ĐẠI CHO HỆ ĐIỀU KHIỂN CÁC CHUYỂN ĐỘNG CỦA ROBOT THEO QUỸ ĐẠO PHẲNG ” để làm đề tài nghiên cứu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 10 Nội dung của luận... 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 1.3.2 Các dạng hệ mờ lai phổ biến 1.3.2.1 Hệ lai không thích nghi có bộ điều khiển kinh điển Hãy quan sát hình 1.5a 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... 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. .. dầu, các van điều chỉnh, đường ống, làm cho hệ truyền động- Robot khá cồng kềnh so với các hệ truyền động khác 1.1.3 Vần đề điều khiển cánh tay Robot 1.1.3.1 Khái quát Cấu trúc của Robot thường bao gồm các thành phần chính như: - Cánh tay Robot, - Hệ thống, - Dụng cụ gắn trên khâu chấp hành cuối, - Các cảm biến, - Các bộ điều khiển, - Các phần mềm lập trình, Cánh tay Robot là một hệ thống bao gồm các. .. 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. .. biệt Các đại lượng vào của hệ mờ được xác định theo từng ứng dụng cụ thể Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 34 CHƢƠNG 2 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI CASCADE ĐỂ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG ROBOT 2DOF THEO QUỸ ĐẠO PHẲNG 2.1 Khái quát Để tổng hợp bộ điều chỉnh vị trí, chúng ta tiến hành tổng hợp điều khiển vị trí động cơ theo ba vòng kín sau: - Vòng trong cùng điều chỉnh... bằng điều hòa, … Khi đối tượng và bộ điều khiển vẫn được coi là tuyến tính hay nói một cách khác là có thể bỏ qua các đặc tính phi tuyến của hệ thống thì có thể kiểm tra tính ổn định của hệ dựa trên các tiêu chuẩn đại số và tần số tuyến tính quen biết Nhưng khi đã sử dụng bộ điều khiển mờ để điều khiển đối tượng, các tiêu chuẩn cho hệ tuyến tính không còn sử dụng được nữa Như đã biết, bộ điều khiển. .. quỹ đạo pha có phần cuối nằm gọn trong một ô cân bằng thì hệ ổn định (tuyệt đối) Cách biểu diễn quỹ đạo pha trên lưới mặt phẳng pha như vậy còn cho biết thêm những luật điều khiển Rk nào đã tham gia vào điều khiển quỹ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 28 đạo pha đó Do vậy ứng với mỗi một quỹ đạo pha của hệ thống là một quỹ đạo ngôn ngữ gồm các luật điều khiển. .. đến điểm của cánh tay Robot Điều khiển Robot nói chung và cánh tay Robot nói riêng, đó là việc điều khiển các hệ thống dẫn động (Actuators) Hệ thống dẫn động có nhiệm vụ tạo ra lực hoặc mô men để làm dịch chuyển các khâu tương ứng Ta gọi lực hoặc mô men cần tạo ra để điều khiển Robot là véc-tơ  = [1, 2, n] Trong phạm vi đề tài này, tác giả tập trung vào việc nghiên cứu điều khiển cánh tay Robot với . VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA TÊN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN HIỆN ĐẠI CHO HỆ ĐIỀU KHIỂN CÁC CHUYỂN ĐỘNG CỦA ROBOT THEO QUỸ ĐẠO PHẲNG Học viên : Đào Quốc. “NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN HIỆN ĐẠI CHO HỆ ĐIỀU KHIỂN CÁC CHUYỂN ĐỘNG CỦA ROBOT THEO QUỸ ĐẠO PHẲNG ” để làm đề tài nghiên cứu. 10 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên. pháp điều khiển hiện đại: điều khiển tối ưu, điều khiển thích nghi, điều khiển bền vững (điều khiển mờ, điều khiển trượt, …). 1.1.2 Hệ truyền động trong Robot Robot có thể được điều khiển