nhận dạng hệ thống acrobot

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ĐỖ NGỌC TRUNG NHẬN DẠNG HỆ THỐNG ACROBOT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Thái Nguyên - 2014 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ĐỖ NGỌC TRUNG NHẬN DẠNG HỆ THỐNG ACROBOT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 60520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: T.S Nguyễn Hoài Nam Thái Nguyên - 2014 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ĐỖ NGỌC TRUNG NHẬN DẠNG HỆ THỐNG ACROBOT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 60520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: T.S Nguyễn Hoài Nam Thái Nguyên - 2014 i LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Đỗ Ngọc Trung Học viên lớp cao học khóa 14 – Tự động hóa – Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên. Hiện đang công tác tại: Trường Cao đẳng nghề Yên Bái Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của bản thân. Mọi kết quả nghiên cứu cũng như ý thưởng của các tác giả khác nếu có đều được trích dẫn nguồn gốc cụ thể. Các số liệu sử dụng phân tích trong luận văn có nguồn gốc rõ ràng. Các kết quả nghiên cứu trong luận văn do tôi tự tìm hiểu, phân tích một cách trung thực, khách quan và phù hợp với thực tiễn của Việt Nam. Luận văn này cho đến nay chưa được bảo vệ tại bất kỳ một hội đồng bảo vệ luận văn thạc sĩ nào và chưa từng được công bố trên bất kỳ một phương tiện thông tin nào. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về những gì mà tôi đã cam đoan ở trên. Thái Nguyên, ngày tháng năm 2014 Học viên Đỗ Ngọc Trung ii LỜI CẢM ƠN Trong thời gian học tập và nghiên cứu tại nhà trường tôi đã tích lũy được khá nhiều kiến thức chuyên nghành. Sau gần hai năm học tập tại nhà trường những học viên chúng tôi được nhận luận văn tốt nghiệp đó là một vinh dự lớn của bản thân. Sau 6 tháng nghiên cứu và làm việc khẩn trương với sự hướng dẫn, giúp đỡ tận tình của T.S Nguyễn Hoài Nam (Trường Đại học Công Nghiệp – Đại học Thái Nguyên) luận văn “Nhận dạng hệ thống Acrobot” đã cơ bản hoàn thành. Trong quá trình thực hiện luận văn ngoài sự cố gắng của bản thân, tôi đã nhận được rất nhiều sự quan tâm giúp đỡ, chỉ bảo tận tình của các thầy giáo, cô giáo trong nhà trường. Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc nhất tôi xin được bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới: Ban giám hiệu, phòng đào tạo sau đại học, các thầy cô giáo trong khoa Điện trường Đại học kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn. Nhân dịp này tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới T.S Nguyễn Hoài Nam đã tận tâm hết lòng giúp đỡ, dạy bảo, động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình hoàn thành luận văn tốt nghiệp này. Tuy đã rất cố gắng, nhưng luận văn còn nhiều thiếu sót, rất mong nhận được sự góp ý để đề tài được hoàn thiện hơn. Tôi xin trân trọng cảm ơn! iii MỤC LỤC Trang phụ bìa Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Danh mục các hình vẽ vi Danh mục các bảng vii MỞ ĐẦU……………………………………………………………….…. 1 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ROBOT VÀ ACROBOT………………. 4 1.TỔNG QUAN VỀ ROBOT…………………………………………… 4 1.1 Sơ lược quá trình phát triển…………………………………………… 4 1.2. Những ứng dụng điển hình của robot……………………………… 5 1.3. Phân loại robot……………………………………………… ……… 7 2. TỔNG QUAN VỀ ACROBOT………………………………………… 9 CHƯƠNG II: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG ACROBOT……. 13 2.1 Lựa chọn mô hình ACROBOT……………………………….……… 13 2.2 Chế tạo mô hình ACROBOT……………………………………… 14 2.2.1. Thanh 1……………………………………………….…………… 15 2.2.2 Encorder của động cơ số 1………………………………………… 16 2.2.3 Động cơ số 2……………………………………………………… 16 2.2.4 Encoder 334 xung………………………………………………… 18 2.2.5 Thuật toán đo tốc độ động cơ………………………………………. 19 iv 2.2.6 Điều khiển tốc độ và chiều động cơ………………………………… 20 2.2.7 Giới thiệu hộp số (giảm tốc)……………………………….……… 20 2.2.8. Thanh 2………………………………………………………… 21 2.3. Giới thiệu Card Arduino…………………………… …………… 22 CHƯƠNG III: NHẬN DẠNG HỆ THỐNG ACROBOT……………… 23 3.1. Phương pháp nhận dạng ACROBOT……………………………… 23 3.2. Xây dựng mô hình toán trong simulink……………………………. 25 3.2.1. Hệ thống ACROBOT……………………………………………… 25 3.2.2. Xác định các tham số cho mô hình ACROBOT…………………. 28 3.3. Xác định các thông số của acrobot…………………………………. 31 3.4. Nhận dạng động cơ điều khiển thanh thứ hai…………………… 33 3.4.1. Các phương pháp nhận dạng hệ tuyến tính……………………… 33 3.4.2 Nhận dạng tham số mô hình ARMA……………………………… 34 3.4.2.1 Nhận dạng bị động tham số mô hình ARMA …………………. 34 3.4.2.2 Nhận dạng bị động khi các tín hiệu vào ra là tiền định ……… 35 3.4.3. Nhận dạng động cơ 38 3.4.3.1. Thu thập dữ liệu mẫu từ động cơ………………………………. 41 3.4.3.2. Nhận dạng sử dụng công cụ Ident trong Matlab……………… 44 3.4.3.3 Xây dựng hàm truyền của động cơ……………………………… 53 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ…………………………………………… 56 PHỤ LỤC…………………………………………………………………. 57 Phụ lục 1………………………………………………………………… 57 v Phụ lục 2. ………………………………………………….……………… 58 Phụ lục 3………………………………………………………………… 59 Phụ lục 4………………………………………………………………… 60 Phụ lục 5……………………………………………….…………………. 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO 62 vi DANH MỤC HÌNH VẼ Nôi dung hình vẽ Trang Hình 1.1: Sơ đồ cấu trúc Acrobot 9 Hình 1.2: Hệ thống hụt 11 Hình 2.1: Một hệ thống acrobot trong phòng thí nghiệm 13 Hình 2.2: Hình ảnh của mô hình Acrobot thực. 14 Hình 2.3: Thanh 1 và 2 động cơ 15 Hình 2.4: Encorder của động cơ số 1. 16 Hình 2.5: Động cơ và các dây nối 17 Hình 2.6: Hình ảnh động cơ DC Encodor 334 xung + giảm tốc 18 Hình 2.7: Hình ảnh Encoder 334 xung 18 Hình 2.8: Hình ảnh và kích thước hộp giảm tốc 20 Hình 2.9: Thanh 2 21 Hình 2.10: Card Arduino Mega 22 Hình 3.1: Sơ đồ hệ thống đo vị trí góc cách tay máy 24 Hình 3.2 Hệ thống Acrobot 25 Hình 3.3 Sơ đồ kết cấu thanh thứ nhất 28 Hình 3.4 Mô hình acrobot trong simulink 31 Hình 3.5: Vị trí góc thực và ước lượng từ mô hình toán 32 Hình 3.6: Sai số giữa vị trí góc thực và vị trí góc từ mô hình toán 33 Hình 3.7: Nhận dạng bị động tham số mô hình ARMA. 35 Hình 3.8-a Đặc tính cơ N-T 39 Hinh 3.8-b Họ các đường đặc tính N-T 40 Hình 3.8-c Đặc tính điện 40 Hình 3.8-d Đặc tính cơ điện 41 Hình 3.9: Sơ đồ tạo tín hiệu tốc độ góc mẫu 42 vii Hình 3.10: Tín hiệu điện áp cung cấp cho động cơ 43 Hình 3.11: Tốc độ góc của động cơ 43 Hình 3.12: Giao diện nhận dạng đối tượng 44 Hình 3.13: Giao diện nhận dang sau khi nhập dữ liệu mẫu 45 Hình 3.14: Giao diện nhận dạng sau khi chọn Preprocess 45 Hình 3.15: Tín hiệu gốc và mới 46 Hình 3.16: Di chuyển dữ liệu mydatad vào Working Data 47 Hình 3.17: Bộ dữ liệu mydatade và mydatadv 47 Hình 3.18: Dữ liệu mydatade và mydatadv 48 Hình 3.19: Di chuyển mydatade và mydatadv vào vùng làm việc 49 Hình 3.20: Giao diện lựa chọn cấu trúc hàm truyền đạt 50 Hình 3.21: Hàm truyền đạt sau khi ước lượng 51 Hình 3.22: Hàm truyền đạt 52 Hình3.23: Mô hình động cơ điện một chiều 53 DANH MỤC BẢNG Nội dung bảng Trang Bảng 3.1 Các thông số của acrobot 25 Bảng 3.2 Các thông số của acrobot thực 30 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Trong công cuộc kiến thiết xây dựng đất nước đang bước vào thời kỳ công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước với những cơ hội thuận lợi và những khó khăn thách thức lớn. Cùng với sự phát triển của khoa học kĩ thuật, ngành tự động hóa đã có những bước tiến quan trọng. Quá trình đó góp phần không nhỏ vào việc tăng năng suất lao động, giảm giá thành, tăng chất lượng và độ đồng đều về chất lượng, đồng thời tạo điều kiện cải thiện môi trường làm việc của con người, đặc biệt trong một số công việc có độ an toàn thấp hoặc có tính độc hại cao. Điều này đặt ra cho thế hệ trẻ những chủ nhân tương lai của đất nước những nhiệm vụ nặng nề. Sự phát triển nhanh chóng của cách mạng khoa học kỹ thuật nói chung và trong lĩnh vực điện - điện tử nói riêng làm cho bộ mặt xã hội đất nước biến đổi từng ngày. Để đáp ứng được những yêu cầu đó, chúng em những chủ nhân tương lai của đất nước cần có ý thức học tập và nghiên cứu về chuyên môn của mình trong Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp một cách đúng đắn và sâu sắc. Acrobot là một ví dụ tiêu biểu cho các hệ thống hụt (số đầu vào điều khiển nhỏ hơn bậc của mô hình). Đây là một hệ thống phi tuyến và rất khó điều khiển, có thể sử dụng làm đối tượng thử nghiệm cho các thuật toán điều khiển phi tuyến mới. Thấy được tầm quan trọng đó, tôi đã chọn đề tài: “Nhận dạng hệ thống acrobot ”. 2. Mục tiêu nghiên cứu - Chế tạo một hệ thống acrobot trong phòng thí nghiệm. - Xây dựng mô hình toán học cho hệ thống acrobot. [...]... tiễn của đề tài nghiên cứu Hệ acrobot là cơ sở để tạo ra các hệ thống tự cân bằng như: Xe hai bánh tự cân bằng, tháp vô tuyến, giàn khoan, công trình biển… 5 Phương pháp nghiên cứu 5.1 Nghiên cứu lý thuyết - Xây dựng mô hình toán cho hệ thống acrobot - Xác định tham số của mô hình cho hệ thống acrobot 5.2 Phương pháp thực nghiệm - Xác định các thông số cơ, điện của acrobot như hệ số ma sát, mô men quán... đã chế tạo được mô hình acrobat trong phòng thi nghiệm 23 CHƯƠNG III: NHẬN DẠNG HỆ THỐNG ACROBOT 3.1 Phương pháp nhận dạng ACROBOT Chúng tôi đã chế tạo mô hình acrobot thực dựa trên cơ sở một mô hình toán đã biết Cho nên bài toán nhận dạng ở đây chỉ bao gồm việc xác định các thông số của mô hình toán từ những thông số của mô hình acrobot thực Việc xác định này dựa trên cơ sở sai lệch giữa tín hiệu đầu... của acrobot - Nghiên cứu các phương pháp nhận dạng cho acrobot 3.2 Phạm vi nghiên cứu Phục vụ việc nghiên cứu trong phòng thí nghiệm tại Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp - Đại học Thái Nguyên 4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu 4.1 Ý nghĩa khoa học của đề tài Acrobot là một ví dụ điển hình của các hệ thống hụt Đây là một hệ thống phi tuyến rất khó điều khiển Có thể sử dụng hệ thống. .. tạo acrobot, đã có một số mô hình acrobot được chế tạo Gần đây Hà Mạnh Quân [7] đã thiết kế và chế tạo ra một mô hình acrobot như hình 2.1 Hình 2.1: Một hệ thống acrobot trong phòng thí nghiệm Chúng ta thấy rằng đối với mô hình này việc nhận dạng và điều khiển nó rất khó khăn Thanh 1 được thiết kế có dạng hình chữ T Một đầu gắn động cơ điều khiển khớp thứ 2 thông qua hệ thống dây đai và bánh, còn đầu... toán của acrobot Acrobot trong [7] sẽ được nâng cấp với cấu trúc mới khả thi hơn cho quá trình nhận dạng và điều khiển Kết luận Chương 1 đã tìm hiểu về sự phát triển của robot ,ứng dụng của robot và phân loại của robot trong ngành công nghiệp Tìm hiểu về sự phát triển của Acrobot 13 CHƯƠNG II: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG ACROBOT 2.1 Lựa chọn mô hình ACROBOT Trong việc thiết kế và chế tạo acrobot, ... trong tài liệu số [16] Một hệ thống tương tự như vậy, nhưng có cơ cấu chấp hành ở khớp 1 nhưng khớp 2 không có cơ cấu chấp hành, và có tên gọi là Pendubot theo tài liệu [17] Nhiệm vụ điều khiển thông thường nhất được nghiên cứu cho acrobot là dựng ngược acrobot, trong đó hệ thống phải sử dụng mô men khớp 2 (hoặc khớp 2) để dịch chuyển hệ thống thẳng đứng và sau đó là cân bằng Acrobot là đại điện cho thử... chốt xuống nền, thì các bậc tự do của hệ thống bao gồm cả các khớp và 6 bậc tự do định nghĩa vị trí và hướng của rô bốt trong không gian Vì số cơ cấu chấp hành là N nhỏ hơn N+6 bậc tự do của hệ thống, các rô bốt có chân là hụt cơ cấu chấp hành Tương tự các rô bốt bay, bơi và các cánh tay máy đều có thể xem là các hệ thống hụt cơ cấu chấp hành Hình 1.2: Hệ thống hụt 12 Acrobot là một cánh tay máy hai thanh... và cân bằng toàn bộ hệ thống, bộ điều khiển phải tạo ra sự điều chỉnh và khai thác sự tương tác phụ thuộc vào trạng thái giữa bậc tự do có chấp hành và bậc tự do không có chấp hành Nó là một hệ thống quan trọng, bởi vì nó rất giống với một trong những mô hình của rô bốt đi bộ Trong luận văn này, một mô hình acrobot trong phòng thí nghiệm sẽ được xây dựng và các phương pháp nhận dạng sẽ được sử dụng... toán từ thông số của mô hình acrobot thực Giá trị đầu ra của mô hình toán sẽ được so sánh với đầu ra mẫu Các tham số của mô hình toán được điều chỉnh sao cho sai số đủ nhỏ Bước này sẽ được tiến hành nhiều lần để chọn ra bộ tham số của mô hình toán đủ chính xác 25 3.2 Xây dựng mô hình toán trong simulink 3.2.1 Hệ thống ACROBOT Thanh 2 g lc2 q2 Thanh 1 lc1 q1 Hình 3.2 Hệ thống Acrobot Trong phần này chúng... [6], cụ thể là 0.5 Tác giả trên đã xây dựng một mô hình acrobot trong phòng thí nghiệm dựa vào mô hình toán trong [6] Tuy nhiên acrobot này còn có nhiều hạn chế, khó có thể dùng làm mô hình để thí nghiệm Việc điều khiển các hệ thống hụt là một vấn đề mở và có được nhiều sự quan tâm trong điều khiển, mặc dù có một số trường hợp đặc biệt ở đó các hệ thống hụt được điều khiển, có tương đối ít các phương . 22 CHƯƠNG III: NHẬN DẠNG HỆ THỐNG ACROBOT …………… 23 3.1. Phương pháp nhận dạng ACROBOT …………………………… 23 3.2. Xây dựng mô hình toán trong simulink……………………………. 25 3.2.1. Hệ thống ACROBOT ……………………………………………. tôi đã chọn đề tài: Nhận dạng hệ thống acrobot ”. 2. Mục tiêu nghiên cứu - Chế tạo một hệ thống acrobot trong phòng thí nghiệm. - Xây dựng mô hình toán học cho hệ thống acrobot. 2 3 Nhận dạng tham số mô hình ARMA……………………………… 34 3.4.2.1 Nhận dạng bị động tham số mô hình ARMA …………………. 34 3.4.2.2 Nhận dạng bị động khi các tín hiệu vào ra là tiền định ……… 35 3.4.3. Nhận dạng