nghiên cứu điều khiển cân bằng robot có sử dụng thuật toán giảm bậc mô hình

ĐẠ I HỌ C THÁ I NGUYÊN TRƯỜ NG ĐẠ I HỌ C KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP  LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG ROBOT CÓ SỬ DỤNG THUẬT TOÁN GIẢM BẬC MÔ HÌNH NGUYẾN ĐẠI TÙNG THI NGUYÊN - 2011 ĐẠ I HỌ C THÁ I NGUYÊN TRƯỜ NG ĐẠ I HỌ C KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP  LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG ROBOT CÓ SỬ DỤNG THUẬT TOÁN GIẢM BẬC MÔ HÌNH Ngnh: TỰ ĐỘNG HÓA M s: Học viên: NGUYỄN ĐẠI TÙNG Người HD khoa học: PGS. TS NGUYỄN HỮU CÔNG THI NGUYÊN - 2011 ĐẠ I HỌ C THÁ I NGUYÊN TRƯỜ NG ĐẠ I HỌ C KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP  CỘNG HOÀ 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 ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG ROBOT CÓ SỬ DỤNG THUẬT TOÁN GIẢM BẬC MÔ HÌNH Học viên: NGUYỄN ĐẠI TÙNG Lớp: K12 - TĐH Người HD khoa học: PGS. TS NGUYỄN HỮU CÔNG Người hướng dẫn khoa học PGS. TS NGUYỄN HỮU CÔNG Học viên NGUYỄN ĐẠI TÙNG Ban giám hiệu Khoa Sau Đại học Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trì nh nghiên cứ u củ a tôi . Cc kết qu, số liệ u nêu trong luậ n văn là trung thự c và chưa từ ng đượ c công bố trong bấ t kỳ công trì nh nà o khá c. Tc giả lun văn Nguyễn Đại Tùng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜ I CẢ M ƠN Tc gi chân thnh cm ơn s hưng dn tn tnh ca PGS .TS Nguyễ n Hữu Công trong suố t quá trì nh hon thnh lun văn ny. Tc gi xin chân thnh cm ơn s gip đ ca cc thy cô gio Khoa Điện tử, Khoa Điện trườ ng Đạ i họ c Kỹ thut Công nghiệp Thá i Nguyên đã to điều kiện gip đ tn tnh trong việc nghiên cu đề ti. Cui cng tc gi xin chân thnh cm ơn s gip đ ca Ban gim hiệ u, Khoa Sau Đi học trườ ng Đạ i họ c Kỹ thut Công nghiệp Thá i Nguyên đã cho phé p và tạ o điề u kiệ n thuậ n lợ i để tá c giả hoà n thà nh bả n luậ n văn nà y. Tc giả Nguyễn Đại Tùng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Mục lục Lờ i cam đoan Lờ i cả m ơn Mục lục Danh mụ c cá c bả ng Danh mụ c cá c hì nh vẽ, đồ thị Mở đu 1 1. Tính cấp thiết ca đề ti 1 2. Ý nghĩa khoa học v thc tiễn 2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP VÀ BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG ROBOT 1.1 Tổng quan về robot công nghiệp 3 1.1.1 Robot và Robotics 3 1.1.2 Robot công nghiệp 7 1.2 T động ho v robot công nghiệp 8 1.2.1 Ti trọng 10 1.2.2 Tm vi 10 1.2.3 Độ phân gii không gian 10 1.2.4 Độ chính xc 11 1.2.5 Độ lặp li 12 1.2.6 Độ nhn 12 1.3 Chất lượng qu trnh lm việc v cc bi ton điều khiển robot 13 1.3.1 Yêu cu về chất lượng trong điều khiển robot 13 1.3.2 Cc bi ton điều khiển robot 14 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 1.3.2.1 Bi ton điều khiển động học ngược robot 14 1.3.2.2 Bi ton điều khiển cân bằng robot 15 1.4 Bi ton điều khiển cân bằng robot 15 1.4.1 Mô hnh ton học ca hệ Robot 16 1.4.2 Phn cơ khí ca Robot 18 1.4.2.1 Thân Robot 18 1.4.2.2 Cơ cấu li 19 1.4.2.3 Cơ cấu chuyển động 20 1.4.2.4 Cơ cấu thăng bằng 21 1.5 Kết lun chương 1 24 CHƯƠNG 2 THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH DẠNG H  ÁP DỤNG CHO ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG ROBOT VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢM BẬC MÔ HÌNH 2.1 Gii thiệu chung 25 2.2 Thut ton điều khiển định dng vòng H ∞ 26 2.2.1 Điều khiển định dng vòng H ∞ 26 2.2.2 Thiết kế bộ điều khiển định dng vòng H ∞ đ bc 29 2.2.2.1 La chọn hm định dng 29 2.2.2.2 Kết qu mô phỏng 29 2.3 Cc phương php gim bc mô hnh 32 2.3.1 Gii thiệu 32 2.3.2 Pht biểu bi ton gim bc mô hnh 32 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 2.3.3 Cc phương php gim bc cơ bn 33 2.3.2.1 Phương php ghép hợp 35 2.3.2.2 Phương php trên cơ sở trng khp ti cc thời điểm 37 2.3.2.3 Phương php nhiễu x kỳ dị 40 2.3.2.4 Phương php cân bằng nội 41 2.3.2.5 Cc phương php sử dụng phép gn đng ti ưu 42 2.3.2.6 Phương php ti ưu theo trng thi 43 2.3.4 Kết lun 45 2.4. Gim bc mô hnh theo phương php cân bằng nội .46 2.5 Kết lun chương 2 48 CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP GIẢM BẬC CÂN BẰNG CHO BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG ROBOT 3.1 Gim bc bộ điều khiển hệ thng điều khiển cân bằng theo phương php cân bằng 50 3.2 Chất lượng qu độ ca bộ điều khiển gc v cc bộ điều khiển gim bc 54 3.3 Sử dụng bộ điều khiển gim bc cho hệ thng điều khiển cân bằng robot 56 3.3.1 Bộ điều khiển gim bc 3 điều khiển cân bằng robot 56 3.3.2 Sử dụng bộ điều khiển gim bc 1 điều khiển cân bằng robot 58 3.3.3 So snh hệ điều khiển cân bằng robot dng bộ điều khiển gim bc 1 theo phương php cân bằng v theo PSO 59 3.4 Kết lun chương 3 62 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 65 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn PHỤ LỤC TÓM TẮT LUẬN VĂN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Danh mục cc bảng Bảng Tên bả ng Trang 1.1 S lượng Robot sn xuất ở một s nưc công nghiệp pht triển 6 1.2 Thông s động cơ DC ca robot 21 3.1 Tham s ca cc hệ gim bc trong mô hnh không gian trng thi v mô hnh hm truyền. 52 [...]... điều khiển cân bằng cho robot thì có rất nhiều thuật toán điều khiển như: - Điều khiển định dạng vòng H∞ - Điều khiển định dạng vòng H2 - Điều khiển định dạng vòng H2/H∞ - Điều khiển tối ưu - Điều khiển thích nghi Trong giới hạn luận văn này tác giả lựa chọn xây dựng hệ thống điều khiển cân bằng robot theo thuật toán điều khiển định dạng H∞ Thuật toán điều khiển định dạng vòng H∞ là một kỹ thuật điều. .. http://www.lrc-tnu.edu.vn robot dùng bộ điều khiển gốc bậc 6 và bộ điều khiển giảm bậc 3 Kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển cân bằng robot dùng 3.3 bộ điều khiển gốc bậc 6 và bộ điều khiển giảm bậc 3 56 Sơ đồ mô phỏng Simulink hệ thống điều khiển cân bằng 3.4 robot dùng bộ điều khiển gốc bậc 6 và bộ điều khiển giảm 57 bậc 1 Kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển cân bằng robot dùng 3.5 bộ điều khiển. .. bánh có thể được ứng dụng rộng sang lĩnh vực điều khiển cho robot đi bằng hai chân, như robot ASIMO, bởi vì nguyên tắc điều khiển cân bằng là như nhau Có một số phương pháp được sử dụng để điều khiển cân bằng cho robot hai bánh, đó là: cân bằng bằng cách sử dụng một bánh đà (flywheel); cân bằng bằng cách di chuyển tâm trọng lực và cân bằng nhờ lực hướng tâm Trong các phương pháp trên, cân bằng bằng... pháp điều khiển căn bằng robot dựa theo nguyên lý “con quay hồi chuyển” Xây dựng phần cứng hệ thống điều khiển cân bằng robot thu được mô hình hàm truyền của hệ thống điều khiển cân bằng robot là dạng hàm truyền bậc 2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 24 CHƢƠNG 2 THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH DẠNG H ÁP DỤNG CHO ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG ROBOT VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP GIẢM BẬC MÔ HÌNH... tài Nghiên cứu sử dụng thuật toán giảm bậc mô hình và ứng dụng thuât toán toán giảm bậc mô hình cho bài toán điều khiển cân bằng robot có sử dụng bánh đà, khả năng di chuyển trên hai bánh là phương tiện hiệu quả và linh động, dễ dàng xoay trở trong điều kiện không gian chật hẹp Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 3 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP VÀ BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN... bậc 6 và bộ điều khiển giảm bậc 1 57 Sơ đồ mô phỏng Simulink hệ thống điều khiển cân bằng 3.6 robot dùng bộ điều khiển gốc bậc 6 và bộ điều khiển giảm 59 bậc 1 theo PSO và theo phương pháp giảm bậc cân bằng Kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển cân bằng robot dùng 3.7 bộ điều khiển gốc bậc 6 và bộ điều khiển giảm bậc 1 theo 60 PSO và theo phương pháp giảm bậc cân bằng Số hóa... http://www.lrc-tnu.edu.vn 23 Hình 1.14 Trục đỡ bánh đà Trục đỡ bánh đà là phần tử quan trọng, yêu cầu có độ chính xác gia công cao Hình ảnh hoàn thiện Robot như trên Hình 1.15 Hình 1.15: Mô hình robot 1.5 Kết luận chương 1 Bài toán điều khiển cân bằng robot là một trong các bài toán điều khiển quan trọng trong hệ thống điều khiển robot Để thiết kế hệ thống điều khiển cân băng robot có nhiều phương pháp, trong... gia tốc, rung động và va chạm Robot công nghiệp hiện đại thường duy trì cả hai mạch điều khiển là điều khiển vị trí trên cơ sở bài toán động học ngược, và điều khiển lực trên cơ sở mô hình động lực học hệ thống 1.3.2 Các bài toán điều khiển robot Trong điều khiển robot thường gặp một số bài toán điều khiển như sau: 1.3.2.1 Bài toán điều khiển động học ngƣợc Robot Bài toán động học ngược được đặc biệt... đến bài toán điều khiển cân bằng robot 1.4 Bài toán điều khiển cân bằng robot Để giữ cân bằng robot chuyển động bằng 2 bánh có thể thực hiện theo các nguyên lý như sau: - Nguyên lý cân bằng động lượng : Cho robot chuyển động tịnh tiến (phía trước hoặc phía sau) sao cho động lượng mà chuyển động tịnh tiến tạo ra thoả mãn phương trình cân bằng động lượng, tức là duy trì tổng động lượng của robot bằng không... đưa ra vào năm 1992 và kể cả các nghiên cứu sau này về lý thuyết điều khiển H2/H∞, bộ điều khiển thu được thường có bậc cao (bậc của bộ điều khiển được xác định là bậc của đa thức mẫu) Bậc của bộ điều khiển cao có nhiều bất lợi khi chúng ta đem thực hiện điều khiển trên robot, vì mã chương trình phức tạp Vì vậy, việc giảm bậc bộ điều khiển mà vẫn đảm bảo chất lượng có một ý nghĩa thực tiễn Số hóa bởi . và thực tiễn của đề tài Nghiên cứu sử dụng thuật toán giảm bậc mô hình và ứng dụng thuât toán toán giảm bậc mô hình cho bài toán điều khiển cân bằng robot có sử dụng bánh đà, khả năng di. ca bộ điều khiển gc v cc bộ điều khiển gim bc 54 3.3 Sử dụng bộ điều khiển gim bc cho hệ thng điều khiển cân bằng robot 56 3.3.1 Bộ điều khiển gim bc 3 điều khiển cân bằng robot. 48 CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP GIẢM BẬC CÂN BẰNG CHO BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG ROBOT 3.1 Gim bc bộ điều khiển hệ thng điều khiển cân bằng theo phương php cân bằng 50 3.2 Chất lượng