NGHIÊN cứu ỨNG DỤNG điều KHIỂN mờ THÍCH NGHI CHO TAY máy ROBỎ 2 bậc tự DO

` ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN THỊ HÒA NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI CHO TAY MÁY ROBỎ 2 BẬC TỰ DO Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 60520216 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Thái Nguyên, 2014 Công trình được hoàn thành tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Thanh Hà Phản biện 1: PGS.TS Lại Khắc Lãi Phản biện 2: TS. Nguyễn Văn Chí Luận văn này được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn Họp tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN Vào hồi 13 h30 ngày 23 tháng 8 năm 2014. Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm học liệu Đại học Thái Nguyên - Thư viện trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Việc nâng cao chất lượng điều khiển tay máy luôn là vấn đề cấp thiết được nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm. Các hệ thống điều khiển tay máy hiện nay chủ yếu dùng phương pháp điều khiển kinh điển và được thiết kế theo phương pháp tuyến tính hóa gần đúng. Khi thông số của hệ thống thay đổi thì thống số của bộ điều khiển giữ nguyên dẫn đến làm giảm độ chính xác điều khiển ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm. Với sự ra đời của lý thuyết điều khiển hiện đại (điều khiển thích nghi, điều khiển mờ, mạng nơron…) đã tạo điều 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. Trong đề tài này tác giả nghiên cứu và ứng dụng hệ mờ thích nghi để điều khiển tay máy hai bậc tự do. Trên đây là lý do tác giả chọn đề tài: "Nghiên cứu ứng dụng điều khiển mờ thích nghi cho tay máy robot hai bậc tự do" 2. Mục đích nghiên cứu Xây dựng bộ điều khiển mờ thích nghi cho cánh tay robot đảm bảm các yêu cầu chất lượng. 3. Đối tượng nghiên cứu Điều khiển cánh tay robot hai bậc tự do theo mờ thích nghi 4. Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn của đề tài a) Ý nghĩa khoa học Bộ điều khiển mờ thích nghi đang nổi lên như một công cụ điều khiển các hệ thống phi tuyến với các thông số chưa xác định. Điều 2 này có ý nghĩa rất lớn về mặt khoa học trong việc điều khiển các đối tượng phi tuyến. Đề tài này sẽ đề cập đến ứng dụng của mờ thích nghi trong việc điều khiển đối tượng phi tuyến đặc biệt là điều khiển cánh tay robot. b) Ý nghĩa thực tiễn Việc điều khiển cánh tay robot ứng dụng mờ thích nghi có ý nghĩa thực tiễn rất lớn. Bởi vì robot được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, chúng buộc phải có khả năng làm việc trong các môi trường không xác định trước và thay đổi. Đặc biệt chúng phải nhạy cảm với môi trường làm việc và thực hiện thao tác bất chấp sự có mặt của vật cản trong vùng làm việc. Việc nâng cao chất lượng điều khiển robot sẽ góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm, nâng cao năng suất và hiệu quả lao động. 3 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP VÀ TAY MÁY 1.1. Lịch sử phát triển 1.2. Robot công nghiệp và các ứng dụng 1.3. Ứng dụng robot công nghiệp 1.4. Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp 1.5. Kết cấu tay máy Hình 1.1. Tay máy kiểu tọa độ Đề các Hình 1.2. Tay máy kiểu tọa độ trụ Hình 1.3. Tay máy kiểu tọa độ cầu 4 Hình 1.4. Tay máy kiểu tọa độ góc Hình 1.5. Tay máy kiểu SCARA 1.6. Kết luận Chương I: "Tổng quan về Robot công nghiệp và tay máy" đã nêu một số vấn đề sau: - Lịch sử phát triển; - Robot công nghiệp và các ứng dụng; - Ứng dụng robot công nghiệp. - Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp - Kết cấu tay máy 5 Chương 2 TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN 2.1 Các hệ điều khiển kinh điển 2.1.1 Tổng hợp bộ điều khiển tuyến tính 2.1.2 Tổng hợp bộ điều khiển phi tuyến - Phương pháp tuyến tính hoá gần đúng. - Phương pháp tuyến tính hoá điều hoà - Phương pháp tuyến tính hoá từng đoạn. - Phương pháp mặt phẳng pha 2.2 Logic mờ và điều khiển mờ 2.2.1. Giới thiệu 2.2.2. Cấu trúc của hệ điều khiển mờ a) Sơ đồ khối: Hình 2.1. Các khối chức năng của bộ điều khiển mờ b) Giao diện vào, ra. c) Khối mờ . d) Khối thiết bị hợp thành: - Luật hợp thành Max-min: -Luật hợp thành MAX-PROD: -Luật hợp thành SUM-MIN: -Luật hợp thành SUM - PROD: e) Khối giải mờ (rõ hoá) *Phương pháp cực đại *Phương pháp điểm trọng tâm 6 * Phương pháp độ cao Hình 2.11. So sánh các phương pháp giải mờ 2.3. Điều khiển thích nghi : 2.3.1. Lịch sử phát triển của hệ điều khiển thích nghi Chương 3 THIẾT KẾ HỆ THÓNG ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI CHO CÁNH TAY ROBOT HAI BẬC TỰ DO VÀ MÔ PHỎNG 3.1. Xây dựng mô hình toán học cánh tay robot hai bậc tự do: Phương trình động học của robot hai bậc tự do được miêu tả bởi công thức sau:         uGSDCM          sgn, (3.1) Hình 3.1. Mô hình robot 2 bậc tự do 7 Mô hình đối tượng sử dụng các khối Function trong Matlab được mô tả như sau: Hình 3.1. Mô hình cấu trúc đối tượng trong phần mềm Matlab 8 Hình 3.2. Mô hình cấu trúc bộ điều khiển PI - Fuzzy trong phần mềm Matlab Cấu trúc của bộ lọc đầu vào (State Variable Fiter) được mô tả như sau: Hình 3.3. Mô hình cấu trúc bộ lọc đầu vào trong phần mềm Matlab [...]... chất lượng Kiến nghị : Với việc nghi n cứu cánh tay robot hai bậc tự do thì bộ điều khiển mờ thích nghi đã đảm bảo được chất lượng làm việc Tuy nhiên 23 khi số bậc tự do nhiều hơn thì mô hình đối tượng và cấu trúc điều khiển phức tạp hơn nhiều Nên trong thời gian tới hướng nghi n cứu được đề xuất là nghi n cứu bộ mờ thích nghi cho cánh tay robot có số bậc tự do nhiều hơn 24 ... Bộ điều khiển DAFC cho kết quả khá tốt trong 7 chu kỳ chạy thực nghi m, trong một, hai chu kỳ đầu sai lệch giữa quỹ đạo thực và quỹ đạo đặt của biến khớp 22 KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHI Kết luận: Như vậy, Nội dung cơ bản trong luận văn tập trung vào nghi n cứu ứng dụng phương pháp điều khiển cho cánh tay robot hai bậc tự do Nhiệm vụ cụ thể là Nghi n cứu ứng dụng điều khiển mờ thích nghi cho cánh tay. .. hai bậc tự do Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn đã hoàn thành các Chương sau: Chương 1: Tổng quan về Robot công nghi p và tay máy Chương 2: Tổng quan về các hệ điều khiển Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển mờ thích nghi cho cánh tay robot hai bậc tự do và mô phỏng Chương 4: Thực nghi m bộ điều khiển mờ thích nghi trên robot RD5NT Kết quả luận văn đã đạt được là: Thiết kế được bộ điều khiển mờ. .. khiển mờ truyền thống cũng được khắc phục hoàn toàn bằng luật thích nghi theo Lyapunov (hình 4. 12) 20 Hình 4.13 Tham số thích nghi cua hàm thuộc đầu ra của bộ điều khiển mờ 1 ,2 4.3 Thực nghi m trên Robot sử dụng bộ điều khiển DAFC Kết quả chạy thực nghi m điều khiển cho một cánh tay Robot Hình 4.14 Tin hiệu điều khiển quỹ đạo bám của cánh tay Robot 21 Hình 4.15 Tin hiệu điều khiển quỹ đạo bám của cánh tay. .. khiển mờ thích nghi để điều khiển cánh tay robot hai bậc tự do Kết quả mô phỏng và thực nghi m đã chứng minh bộ điều khiển đã thiết kế đáp ứng được yêu cầu công nghệ điều khiển và bám theo quỹ đạo đặt trước Luận văn cũng đã đề xuất một phương án cải thiện chất lượng điều khiển bằng điều khiển mờ thích nghi Kết quả mô phỏng cho thấy khi thông số thay đổi và nhiễu tác động vào hệ thống thì bộ điều khiển. .. chạy thực nghi m điều khiển cho một cánh tay Robot Hình 4.4.Kết quả chạy thực nghi m cho một biến khớp 14 Trong đó: 1 Đường “mầu xanh” là quỹ đâọ đặt cho biến khớp 2 Đường “mầu tím gạch” là quỹ đạo chuyển động của tay máy Kết quả chạy thực nghi m trong 7 chu kỳ: Hình 4.5: Kết quả chạy thực nghi m cho một biến khớp Nhận xét: Bộ điều khiển PI-FUZZY cho kết quả khá tốt trong 7 chu kỳ chạy thực nghi m, trong... (kg.m2) 0. 02 0.035 Tỉ số truyền của động cơ 1 1 Lực Viscous friction (Ns/m) 0.15 0.15 Lực coulomb friction (N) 2 2 10 Kết quả mô phỏng sử dụng công cụ Matlab-Simulink Hình 3.13: Quỹ đạo bám của biến khớp1 sử dụng bộ điều khiển mờ Hình 3.14: Quỹ đạo bám của biến khớp2 sử dụng bộ điều khiển mờ 11 Hình 3.15: Sai lệch tín hiệu đặt và tín hiệu bám của biến khớp 1 và 2 3.3 Kết luận: Bộ điều khiển PI-FUZZY cho. .. Controller) 12 Chương 4 THỰC NGHI M BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI TRÊN ROBOT RD5NT 4.1 Thực nghi m trên Robot sử dụng bộ điều khiển Fuzzy-PI - Sơ đồ khối hệ thống thực nghi m điều khiển Robot tại phòng thí nghi m Điện – Điện tử - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghi p Thái Nguyên Hệ thống thực nghi m có các thành phần: Arduino Board: nhận tín hiệu phản hồi từ sensor vị trí (encoder) và giao tiếp với máy tính,... của cánh tay Robot Hình 4.10 Tin hiệu điều khiển quỹ đạo bám của cánh tay Robot 18 Hình 4.11 Sai lệch quỹ đạo bám của cánh tay Robot Đáp ứng đầu ra của hai bộ điều khiển PI-FUZZY và DAFC: 19 Hình 4. 12 So sánh đáp ứng đầu ra của hai bộ điều khiển Nhận xét: Bộ điều khiển DAFC (Direct Adaptive Fuzzy Controller )cho đáp ứng đầu ra của hệ thống khá tốt ( hình 4.9) với sự thay đổi tín hiệu vào có dạng bậc thang... để điều khiển động cơ; Mạch cầu H: Thực hiện nhiệm vụ đảo chiều động cơ; Động cơ dùng để truyền động cho cánh tay robot - Mô hình thực nghi m: Hình 4.1 Mô hình thực nghi m 13 - Sơ đồ khối hệ thống thí nghi m điều khiển Robot tại phòng thí nghi m: Hình 4 .2: Sơ đồ khối chạy thực nghi m Trong đó: - Sơ đồ thực nghi m hệ thống điều khiển Robot sử dụng Matlab Simulink: Hình 4.3: Sơ đồ khối chạy thực nghi m . chọn đề tài: " ;Nghi n cứu ứng dụng điều khiển mờ thích nghi cho tay máy robot hai bậc tự do& quot; 2. Mục đích nghi n cứu Xây dựng bộ điều khiển mờ thích nghi cho cánh tay robot đảm bảm. NGHI P NGUYỄN THỊ HÒA NGHI N CỨU ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI CHO TAY MÁY ROBỎ 2 BẬC TỰ DO Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 60 520 216. phần lớn các nghi n cứu chưa đạt được kết quả như mong muốn. Trong đề tài này tác giả nghi n cứu và ứng dụng hệ mờ thích nghi để điều khiển tay máy hai bậc tự do. Trên đây là lý do tác giả chọn