Nghiên cứu, ứng dụng hệ mờ lai cho tay máy

S húa bi Trung tõm Hc liu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ i đại học tháI nguyên Tr-ờng đại học kỹ thuật công nghiệp Phùng thanh kiên NGHIÊN CứU, ứNG DụNG hệ mờ lai cho tay máy Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Thái nguyên, 2014 S húa bi Trung tõm Hc liu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ii đại học tháI nguyên Tr-ờng đại học kỹ thuật công nghiệp Phùng thanh kiên NGHIÊN CứU, ứNG DụNG hệ mờ lai cho tay máy Chuyên ngành: kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 60520216 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Phòng quản lý đt sau đại học ng-ời h-ớng dẫn khoa học PGS.TS lại khắc lãi Thái Nguyên, 2014 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iii LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Phùng Thanh Kiên Sinh ngày: 31/7/1981 Học viên lớp cao học Khoá 14 - Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa - Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên. Hiện đang công tác tại: Trường Cao đẳng nghề Yên Bái. Xin cam đoan về luận văn “Nghiên cứu, ứng dụng hệ mờ lai cho tay máy ” do Thầy giáo PGS.TS Lại Khắc Lãi hướng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng. Tác giả xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng như nội dung trong đề cương và yêu cầu của thầy giáo hướng dẫn. Nếu có vấn đề gì trong nội dung của luận văn tác giả xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình./. Thái Nguyên, ngày tháng năm 2013 Học viên Phùng Thanh Kiên Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ iv LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương, nghiêm túc dưới sự hướng dẫn của Thầy giáo PGS.TS Lại Khắc Lãi, luận văn với đề tài “Nghiên cứu, ứng dụng hệ mờ lai cho tay máy” đã được hoàn thành. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới: Thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Lại Khắc Lãi đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn. Các giảng viên thuộc Khoa Điện; Khoa Điện tử; Phòng Sau đại học … Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên và một số đồng nghiệp, đã quan tâm động viên, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập để hoàn thành luận văn này. Mặc dù với cố gắng triệt để, song do hạn chế về điều kiện thời gian và kinh nghiệm thực tế của bản thân còn ít nên đề tài không thể tránh khỏi thiếu sót. Vì vậy, tác giả mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo, cô giáo và các bạn bè đồng nghiệp. Từ đó, góp phần đưa ứng dụng của đề tài nghiên cứu này vào trong thực tế một cách rộng rãi, hiệu quả. Tôi xin chân thành cảm ơn! Học viên Phùng Thanh Kiên Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ v MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN iv MỤC LỤC v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ viii DANH MỤC CÁC BẢNG x LỜI NÓI ĐẦU 1 PHẦN 1: PHẦN MỞ ĐẦU 3 1. Lý do chọn đề tài 3 2. Mục tiêu cần đạt được 3 3. Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn của đề tài 3 PHẦN 2: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 5 CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN MỜ 5 1.1. Tổng quan về lôgic mờ và điều khiển mờ 5 1.1.1. Tổng quan về lôgic mờ 5 1.1.2. Tổng quan về điều khiển mờ 9 1.2. Các bộ điều khiển mờ và phương pháp tổng hợp bộ điều khiển mờ 17 1.2.1. Các bộ điều khiển mờ 17 1.2.2. Phương pháp tổng hợp bộ điều khiển mờ 18 1.3. Bộ điều khiển mờ lai 20 1.3.1. Khái niệm 20 1.3.2. Các cấu trúc bộ điều khiển mờ lai thông dụng 20 1.3.3. Một số ví dụ về ứng dụng của bộ điều khiển mờ lai 23 1.4. Kết luận chương 1. 27 CHƢƠNG 2: MÔ TẢ TOÁN HỌC TAY MÁY 28 2.1. Sơ lược quá trình phát triển của robot công nghiệp 28 2.2. Ứng dụng của robot công nghiệp 29 2.3. Các cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp 31 2.3.1. Cấu trúc chung 31 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vi 2.3.2. Kết cấu tay máy 32 2.4. Tay máy 2 bậc tự do 33 2.4.1. Thiết lập hệ tọa độ: 33 2.4.2. Mô hình biến đổi: 34 2.4.3. Phương trình động học: 35 2.4.4. Tổng hợp chuyển động Robot : 35 2.4.5. Động lực học Robot: 37 2.5. Kết luận chương 2. 48 CHƢƠNG 3: ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI CHO TAY MÁY (FUZZY - PID) 49 49 3.2. Thiết kế bộ điều khiển mờ lai cho tay máy 2 bậc tự do 53 64 3.4. Kết luận chương 3. 70 PHẦN 3: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO 72 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ vii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Stt Viết tắt Ý nghĩa 1. PID Proportional Integral Derivative 2. PI Proportional Integral Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1. 1 - Mờ hóa biến “tốc độ” 8 Hình 1. 2 - Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ 9 Hình 1. 3 - Hàm liên thuộc của luật hợp thành 12 Hình 1. 4 - Giải mờ bằng phương pháp cực đại 14 Hình 1. 5 - Giải mờ theo nguyên lý trung bình 15 Hình 1. 6 - Giải mờ theo nguyên lý cận trái 15 Hình 1. 7 - Giải mờ theo nguyên lý cận phải 16 Hình 1. 8 - Giải mờ theo phương pháp điểm trọng tâm 16 Hình 1. 9 - Các bộ điều khiển mờ 18 Hình 1. 10 - Cấu trúc tổng quát một hệ mờ 18 Hình 1. 11 - Mô hình bộ điều khiển mờ lai kinh điển 21 Hình 1. 12 - Cấu trúc hệ mờ lai Cascade 22 Hình 1. 13 - Điều khiển PI mờ hệ ổn định mực chất lỏng RT010 23 Hình 1. 14 - Kết quả điều khiển PI mờ hệ ổn định mực chất lỏng RT010 24 Hình 1. 15 - Điều khiển PI mờ hệ ổn định lưu lượng RT020 24 Hình 1. 16 - Kết quả điều khiển PI mờ hệ ổn định lưu lượng RT020 25 Hình 1. 17 - Điều khiển PI mờ hệ ổn định áp suất RT030 26 Hình1. 18 - Kết quả điều khiển PI mờ hệ ổn định áp suất RT030 27 Hình 2. 1 - Sơ đồ cấu trúc chung của robot công nghiệp 31 Hình 2. 2 - Sơ đồ cấu trúc chung của hệ thống cảm biến 32 Hình 2. 3 - Sơ đồ kết cấu tay máy 33 Hình 2. 4 - Tay máy 2 khâu phẳng (vị trí bất kỳ) 34 Hình 2. 5 - Cơ cấu tay máy 2 bậc (khâu) 45 Hình 3. 1 - Mô hình cấu trúc đối tượng trong phần mềm Matlab 49 Hình 3. 2 - Cấu trúc chi tiết đối tượng trong phần mềm Matlab 49 Hình 3. 3 - Mô hình cấu trúc bộ điều khiển trong phần mềm Matlab 50 Hình 3. 4 - Mô hình cấu trúc bộ lọc đầu vào trong phần mềm Matlab 50 Hình 3. 5 - Sơ đồ cầu trúc mô phỏng hệ điều khiển Robot 2 bậc tự do 51 Hình 3. 6 - Đáp ứng đầu ra của các biến khớp Robot 51 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ix Hình 3. 7 - Sai lệch giữa tín hiệu đặt và tín hiệu thực của các biến khớp 52 Hình 3. 8 - Tín hiệu điều khiển các biến khớp của Robot 52 Hình 3. 9 - Đáp ứng nhiễu của hệ thống có bộ điều khiển PD 53 Hình 3. 10 - Bộ điều khiển Mờ lai 54 Hình 3. 11 - Định nghĩa các biến vào ra của bộ điều khiển mờ 1 54 Hình 3. 12 - Định nghĩa các biến vào ra của bộ điều khiển mờ 2 55 Hình 3. 13 - Định nghĩa các tập mờ cho biến ET của bộ điều khiển mờ 56 Hình 3. 14 - Định nghĩa các tập mờ cho biến dET của bộ điều khiển mờ 57 Hình 3. 15 - Định nghĩa các tập mờ cho biến U của bộ điều khiển mờ 57 Hình 3. 16- Xây dựng các luật điều khiển cho bộ điều khiển mờ 58 Hình 3. 17 - Quan sát tín hiệu vào ra của bộ mờ 59 Hình 3. 18 - Bề mặt đặc trưng cho quan hệ vào ra của bộ điều khiển mờ 59 Hình 3.19 - Đáp ứng nhiễu của hệ thống có bộ điều khiển mờ 60 Hình 3. 20 - Các thông số của cánh tay robot 2 bậc tự do 60 Hình 3. 21 - Quỹ đạo bám của biến khớp 1 và 2 sử dụng bộ điều khiển mờ 61 Hình 3. 22 - Tín hiệu điều khiển của biến khớp 1 và 2 62 Hình 3. 23 - Sai lệch tín hiệu đặt và tín hiệu bám của biến khớp 1 và 2 62 Hình 3.24 - Mô hình thực nghiệm 64 Hình 3. 25 - Sơ đồ khối chạy thực nghiệm 65 Hình 3. 26 - Cấu hình cổng kết nối 65 Hình 3. 27 - . 66 Hình 3. 28 - Cấu hình đọc encoder 66 Hình 3. 29 - Cấu hình xuất tín hiệu PWM. 67 Hình 3. 30 - Điều khiển tốc độ và chiều quay động cơ. 67 Hình 3. 31 - Cấu hình đầu ra số 68 Hình 3. 32 - Sơ đồ khối chạy thực nghiệm 68 Hình 3. 33 - Kết quả chạy thực nghiệm cho một biến khớp 69 Hình 3. 34 - Kết quả chạy thực nghiệm cho một biến khớp 69 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ x DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2. 1- Thông số DH của tay máy phẳng 34 Bảng 2. 2 - Bộ thông số DH của tay máy toàn khớp 45 Bảng 3. 1 - Thông số cho cánh tay robot 2 bậc tự do 61 [...]... cứu, ứng dụng hệ mờ lai để điều khiển cho tay máy, cụ thể với tên đề tài là: "Nghiên cứu, ứng dụng hệ mờ lai cho tay máy" 2 Mục tiêu cần đạt đƣợc Xây dựng bộ điều khiển mờ lai cho cánh tay robot đảm bảm các yêu cầu chất lượng, cụ thể là: - Nghiên cứu, ứng dụng hệ mờ lai để điều khiển cho tay máy với việc mô phỏng cho 2 bậc tự do (phần lý thuyết) - Thiết kế bộ điều khiển mờ lai cho tay máy 1 bậc tự do... mạng neural thích nghi cho cánh tay robot bao gồm động lực học cơ cấu truyền động” Tạp Chí Đại Học Công Nghiệp, số 9(06) Các bài báo này đã đưa ra các phương pháp khác nhau xây dựng cấu trúc điều khiển cho cánh tay Robot, hoặc điều khiển tay máy công nghiệp Đề tài Nghiên cứu, ứng dụng hệ mờ lai cho tay máy đề xuất ra một phương pháp thiết kế bộ điều khiển cho mô hình Cánh tay Robot RD5NT trong phòng... bền vững cần phải thiết kế thiết bị điều khiển lai giữa bộ điều khiển mờ và bộ điều khiển kinh điển Từ đó dẫn đến khái niệm "hệ mờ lai" và lĩnh vực thiết kế, ứng dụng bộ điều khiển mờ lai để nâng cao chất lượng điều khiển của hệ thống Hệ điều khiển mờ lai sẽ phát huy hết các ưu điểm của bộ điều khiển mờ và bộ điều khiển rõ Hệ mờ lai (Fuzzy- hybrid) là một hệ thống điều khiển tự động trong đó thiết bị... dựa trên thuật toán điều khiển mờ lai được tham khảo ở một số các bài báo, tạp chí, luận văn trong nước và quốc tế Nội dung chính của đề tài bao gồm: Chương 1: Tổng quan về điều khiển mờ Chương 2: Mô tả toán học tay máy Chương 3: Ứng dụng điều khiển mờ lai cho tay máy (PID - Fuzzy) Do điều kiện thời gian không cho phép, tác giả chỉ dừng lại ở việc thiết kế bộ điều khiển cho 01 trong 5 khớp của mô hình... đầu dùng logic mờ vào kỹ thuật điều khiển từ năm 1980 Nhưng do các phần cứng chuẩn tính toán theo giải thuật logic mờ rất kém nên hầu hết các ứng dụng đều dùng các phần cứng chuyên về logic mờ Một trong những ứng dụng dùng logic mờ đầu tiên tại đây là nhà máy xử lý nước của Fuji Electric vào năm 1983, hệ thống xe điện ngầm của Hitachi vào năm 1987 b Cơ sở toán học của logic mờ Logic mờ và xác xuất... kiện cho việc xây dựng các bộ điều khiển thông minh đáp ứng yêu cầu công nghệ ngày càng cao của nền sản xuất hiện đại Trong mấy năm gần đây đã có nhiều đề tài nghiên cứu ứng dụng hệ mờ để điều khiển các đối tượng phi tuyến Song phần lớn các nghiên cứu chưa đạt được kết quả như mong muốn Từ tình hình thực tế và điều kiện nghiên cứu của bản thân, trong đề tài này tác giả lựa chọn vấn đề nghiên cứu, ứng dụng. .. định cho hệ thống thì bộ điều khiển PID ở mạch vòng ngoài sẽ can thiệp nhằm đã hệ thống về trạng thái ổn định Hình 1 11 - Mô hình bộ điều khiển mờ lai kinh điển b Bộ điều khiển mờ lai cascade Một hệ mờ lai khác được biểu diễn (Hình 1.12) ở đó phần bù tín hiệu điều chỉnh ∆u được lấy ra từ bộ điều khiển mờ Trong Trường hợp hệ thống có cấu trúc như trên thì việc chọn các đại lượng đầu vào của hệ mờ phụ... (Fuzzy Hybrid) là một hệ thống điều khiển tự động trong đó thiết bị điều khiển bao gồm: phần điều khiển kinh điển và phần hệ mờ 1.3.2 Các cấu trúc bộ điều khiển mờ lai thông dụng Thực tế ứng dụng của kỹ thuật điều khiển mờ cho thấy rằng không phải cứ thay thế một bộ điều khiển kinh điển bằng một bộ điều khiển mờ thì sẽ có một hệ thống tốt hơn Trong nhiều Trường hợp đặc biệt, để hệ thống có đặc tính... lập ra cơ sở nghiên cứu hệ thống điều khiển mờ ở Nhật, năm 1980 hãng Smith Co bắt đầu nghiên cứu điều khiển mờ cho lò hơi Những năm đầu thập kỷ 90 cho đến nay hệ thống điều khiển mờ và mạng nơron (Fuzzy system and neural network) được các nhà khoa học, các kỹ sư và sinh viên trong mọi lĩnh vực khoa học kỹ thuật đặc biệt quan tâm và ứng dụng trong sản xuất và đời sống Tập mờ và Lôgic mờ đã dựa trên... bán độc lập Mô hình thí nghiệm Cánh tay Robot 5 bậc tự do, nhãn hiệu RD5NT là một mô hình thí nghiệm trường học, mô hình hóa một cánh tay Robot 5 bậc tự do mà khá phổ biến trong các dây chuyền sản xuất hiện nay Mô hình Cánh tay Robot 5 bậc tự do RD5NT có 5 khớp, mỗi khớp được hoạt động bởi một động cơ điện một chiều Đề tài Nghiên cứu, ứng dụng hệ mờ lai cho tay máy được đề xuất với mục đích: 1 Mô . tài này tác giả lựa chọn vấn đề nghiên cứu, ứng dụng hệ mờ lai để điều khiển cho tay máy, cụ thể với tên đề tài là: " ;Nghiên cứu, ứng dụng hệ mờ lai cho tay máy& quot;. 2. Mục tiêu cần đạt. khiển cho cánh tay Robot, hoặc điều khiển tay máy công nghiệp. Đề tài Nghiên cứu, ứng dụng hệ mờ lai cho tay máy đề xuất ra một phương pháp thiết kế bộ điều khiển cho mô hình Cánh tay Robot. Xây dựng bộ điều khiển mờ lai cho cánh tay robot đảm bảm các yêu cầu chất lượng, cụ thể là: - Nghiên cứu, ứng dụng hệ mờ lai để điều khiển cho tay máy với việc mô phỏng cho 2 bậc tự do (phần