ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ---HÀ XUÂN VINH NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHO HỆ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG CÁNH TAY ROBOT TRONG MẶT PHẲNG THEO QUỸ ĐẠO.
Trang 1ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
-HÀ XUÂN VINH
NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHO HỆ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG CÁNH TAY ROBOT TRONG MẶT PHẲNG THEO QUỸ ĐẠO
Trang 2Công trình được hoàn thành tại
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN NHƯ HIỂN
Phản biện 1: TS Nguyễn Văn Vỵ
Phản biện 2: TS Trần Xuân Minh
Luận văn sẽ được bảo vệ tại Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ ngành Tự động hóa Đại học Thái Nguyên vào ngày tháng 08 năm 2010.
Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Trung tâm thông tin Học liệu – Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên
- Trung tâm học liệu Đại học Thái Nguyên
Trang 3MỞ ĐẦU
Theo quá trình phát triển của xã hội, nhu cầu nâng cao sản xuất và chất lượngsản phẩm ngày càng đòi hỏi ứng dụng rộng rãi các phương tiện tự động hóa sảnxuất Xu hướng tạo ra những dây chuyền và thiết bị tự động có tính linh hoạt cao đãhình thành và phát triển mạnh mẽ Vì thế ngày càng tăng nhanh nhu cầu ứng dụngngười máy để tạo ra các hệ sản xuất tự động linh hoạt
Robot đóng vai trò quan trọng trong tự động hoá linh hoạt như công tác vậnchuyển bổ trợ cho máy CNC, trong dây chuyền lắp ráp, sơn hàn tự động, trong cácthao tác lặp đi lặp lại, trong các vùng nguy hiểm Ưu điểm quan trọng nhất của kỹthuật robot là tạo nên khả năng linh hoạt hóa sản xuất
Để hệ điều khiển Robot (ĐKRB) có độ tin cậy, độ chính xác cao, giá thành
hạ và tiết kiệm năng lượng thì nhiệm vụ cơ bản là hệ ĐKRB phải đảm bảo giá trịyêu cầu của các đại lượng điều chỉnh và điều khiển Khi thiết kế hệ ĐKRB mà trong
đó sử dụng các hệ điều chỉnh tự động truyền động, cần phải đảm bảo hệ thực hiệnđược tất cả các yêu cầu về công nghệ, các chỉ tiêu chất lượng và các yêu cầu kinhtế Đối với hệ ĐKRB, việc lựa chọn sử dụng các bộ biến đổi, các loại động cơ điện,các thiết bị đo lường, cảm biến, các bộ điều khiển và đặc biệt là phương pháp điềukhiển có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng điều khiển bám chính xác quỹ đạo củahệ
Đặc điểm cơ bản của hệ thống ĐKRB là thực hiện được điều khiển bám theomột quỹ đạo phức tạp đặt trước trong không gian, tuy nhiên khi dịch chuyển thìtrọng tâm của các chuyển động thành phần và mômen quán tính của hệ sẽ thay đổi,điều đó dẫn đến thông số động học của hệ cũng thay đổi theo quỹ đạo chuyển động
và đồng thời xuất hiện những lực tác động qua lại, xuyên chéo giữa các chuyểnđộng thành phần trong hệ với nhau Các yếu tố trên tác động sẽ làm cho hệ ĐKRB
Trang 4mang tính phi tuyến, gây cản trở rất lớn cho việc mô tả và nhận dạng chính xác hệthống ĐKRB
Căn cứ vào những nhận xét, đánh giá trên, tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu và
ứng dụng bộ Điều khiển mờ cho hệ điều khiển chuyển động cánh tay Robot trong mặt phẳng theo quỹ đạo được nhận dạng trước ” để làm đề tài nghiên
cứu
Nội dung của luận văn được chia thành 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về Robot và Điều khiển mờ.
Chương 2: Thiết kế bộ điều khiển mờ chỉnh định bộ tham số PID để điều khiển chuyển động cánh tay Robot trong mặt phẳng theo quỹ đạo được nhận dạng trước
Chương 3: Mô phỏng và đánh giá chất lượng hệ thống.
Các kết luận và kiến nghị.
Tôi xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy PGS TS Nguyễn
Như Hiển – người đã hướng dẫn tận tình và giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn thạc sĩ
này
Tôi xin chân thành cám ơn các thầy cô ở Khoa Điện – Trường Đại học Kỹthuật Công nghiệp đã đóng góp nhiều ý kiến và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoànthành luận văn
Tôi xin chân thành cám ơn Khoa sau Đại học, xin chân thành cám ơn BanGiám Hiệu Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp đã tạo những điều kiện thuậnlợi nhất về mọi mặt để tôi hoàn thành khóa học
Tôi xin chân thành cám ơn!
Thái Nguyên, ngày 30 tháng 07 năm 2010
Người thực hiện
Trang 5Hà Xuân Vinh
Trang 6CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT VÀ ĐIỀU KHIỂN MỞ 1.1 Tổng quan về Robot
1.1.1 Lịch sử phát triển
Đầu thập kỷ 60 của thế kỷ XX, công ty AMF của Mỹ đã quảng cáo một loạimáy tự động vạn năng và gọi là “Người máy công nghiệp” Ngày nay, các thiết bịđược điều khiển tự động thực hiện các chức năng thay thế con người để tiến hànhcác thao tác trong sản xuất hoặc các nhiệm vụ khác được gọi là robot
Cùng với sự phát triển không ngừng của lý thuyết điều khiển, cũng như nhucầu sử dụng robot trong công nghiệp, người ta đã nghiên cứu và ứng dụng trongthực 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 PIDnhằm đảm bảo cho điểm tác động cuối (end-effector) của tay máy dịch chuyển bámtheo một quỹ đạo định trước;
- Các phương pháp điều khiển hiện đại: điều khiển tối ưu, điều khiển thíchnghi, điều khiển bền vững (điều khiển mờ, điều khiển trượt, …)
1.1.2 Hệ truyền động trong Robot
Trang 7Cánh tay robot là thành phần quan trọng, nó quyết định khả năng làm việc
của robot Mô hình cấu trúc chung của cánh tay robot gồm n khâu như Hình 1.1.
Hình 1.1: Sơ đồ minh hoạ cánh tay robot n khâu
1.1.3.2 Vấn đề điều khiển cánh tay Robot
Trong phạm vi đề tài này, tác giả tập trung vào việc nghiên cứu điều khiểncánh tay robot với những giới hạn sau:
ra mô men quay cho hai khớp của robot
Hình 1.2: Sơ đồ cánh tay robot 2DOF
Trang 8Bảng 1.2: Thông số vật lý của cánh tay robot 2DOF
tính
Khoảng cách đến trọng tâm của
Khoảng cách đến trọng tâm của
Mô men quán tính của khâu thứ
c Động lực học cánh tay robot 2DOF
1.2 Giới thiệu về lý thuyết điều khiển logic mờ
1.2.1 Lịch sử phát triển Logic mờ
1.2.2 Bộ điều khiển mờ lý tưởng
1.2.3 Điều khiển mờ cơ bản
Trang 9Sơ đồ khối của bộ điều khiển gồm có 4 khối: khối mờ hóa (fuzzifiers), khốihợp thành, khối luật mờ và khối giải mờ (defuzzifiers) như hình
Hình 1.3: Sơ đồ khối chức năng của bộ điều khiển mờ
ĐẠO ĐƯỢC NHẬN DẠNG TRƯỚC 2.1 Khái quát
Để tổng hợp bộ điều chỉnh vị trí, chúng ta tiến hành tổng hợp điều khiển vịtrí động cơ theo ba vòng kín sau:
Khối mờ hóa
Khối hợp thành (Defuzzifiers)Giải mờ
Khối luật mờĐầu vào
Trang 10Một điều cần chú ý nữa là, trong các vòng điều chỉnh đều có phản hồi Để cóđược tín hiệu phản hồi, chúng ta sử dụng các bộ cảm biến dòng (cho phản hồidòng), máy phát tốc (cho phản hồi tốc độ) và cảm biến vị trí có thể dùng encoder, Tất cả các bộ cảm biến để có tín hiệu phản hồi đều được đặc trưng bởi hàm truyềnquán tính bậc nhất với các hằng số thời gian trễ cho trước.
2.2 Tổng hợp bộ điều chỉnh vị trí PID cho động cơ điện một chiều.
2.2.1 Các thông số ban đầu.
2.2.1.1 Động cơ điện một chiều.
a Động cơ điện một chiều
Bảng 2.1: Các thông số của động cơ điện một chiều
Trang 11Hệ số ma sát F m 0,055 N
m
b Các phương trình mô tả động cơ điện một chiều
c Sơ đồ cấu trúc của động cơ điện một chiều
Từ các kết quả trên, động cơ điện một chiều kích từ độc lập với từ thôngkhông đổi và bỏ qua mô men ma sát trên trục động cơ có sơ đồ cấu trúc như sau:
Hình 2.2: Cấu trúc của động cơ điện một chiều khi từ thông không đổi
I
K W
T p
(2.9)Chọn KI = Idm/10 = 0.6; TI = 0.001 (s)
2.2.1.4 Máy phát tốc:
-L
Eb
Trang 12Hàm truyền của máy phát tốc có dạng:
1
K W
K W
vt
vt
vf (2.11)Chọn Kvt= 0.032; Tvt = 0.003 (s)
2.2.2 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng (RI):
Hình 2.4: Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh dòng điện
Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu modul ta có hàm truyền của hệ thống kín:
(-) Mc
Trang 13Vậy ta có hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện:
u i
u
PT T
R K
Trang 14Hình 2.6: Sơ đồ cấu trúc của hệ điều chỉnh vị trí.
K K
1Si
1
p T C
1
vt vt
K pT
(-)(-)
đ
(p)
Trang 152.2.4 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh vị trí (R).
Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều chỉnh vị trí còn lại như hình 2.8:
Hình 2 8Khi tổng hợp mạch vòng tốc độ dùng chuẩn tối ưu đối xứng ta có hàm truyềncủa đối tượng:
K K K
ưu modul
p
Kr
Khi dùng chuẩn tối
ưu đối xứng
1
vt vt
K pT
Trang 16R cũng là khâu tỷ lệ - đạo hàm (PD).
2.2.5 Tính phi tuyến của bộ điều khiển vị trí.
2.3 Xây dựng bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID để điều chỉnh vị trí cho cánh tay Robot 2DOF.
2.3.1 Đặt vấn đề
2.3.2 Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID
2.3.3 Tổng hợp mô hình bộ điều khiển mờ chỉnh định bộ tham số PD.
Hình 2.14: Sơ đồ bộ điều khiển mờ
của khớp 1 và 2
PD
2.3.3.1 Biến ngôn ngữ và miền giá trị của nó
Miền giá trị của biến đầu vào (sai lệch ) được chọn là:
Ta chọn 7 tập giá trị ngôn ngữ như sau:
et = {âm nhiều, âm vừa, âm ít , không, dương ít, dương vừa, dương nhiều}
Trang 17Với ký hiệu: NB = âm nhiều, NM = âm vừa, NS = âm ít, ZE = không, PS =dương ít , PM =dương vừa, PB = dương nhiều, ta viết lại tập giá trị ngôn ngữ của
biến sai lệch vị trị et cho hai khớp như sau:
et1 = { NB, NM, NS, ZE, PS, PM, PB}.
et2 = { NB, NM, NS, ZE, PS, PM, PB}.
Miền giá trị của biến đầu vào đạo hàm của sai lệch det được chọn là:
det1 = et1 = {-3.14, 3.14} (đơn vị tính: rad/s)
det2 = et2 = {-3.14, 3.14} (đơn vị tính: rad/s)
Hình 2.17: Mô hình rời rạc hóa
hàm liên thuộc trapmf của biến et, det
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0
0.2 0.4 0.6 0.8 1
Trang 18Rời rạc hóa hàm liên thuộc của biến đầu vào et, det
2.3.3.3 Xây dựng các luật điều khiển
Xây dựng các luật điều khiển cần chú ý các lỗ hổng Ta biểu diễn các luật
điều khiển này dưới dạng ma trận như sau :
Bảng 2.2: Luật điều khiển Hesokp
Trang 19Cách biểu diễn bằng ma trận như trên rất tiện lợi và bao quát Ta có thể thấy
có 49 luật Các luật điều khiển được thiết lập dựa trên mệnh đề hợp thành với haiđiều kiện và hai kết luận
2.3.3.4 Luật hợp thành
2.4 Kết luận Chương 2
Việc áp dụng lô-gic mờ đã cho tạo ra các bộ điều khiển mờ, mờ lai, vớinhững tính chất khá tốt nhằm đáp ứng yêu cầu trong điều khiển tự động, ví dụ điềukhiển các đối tượng phức tạp Ngoài ra, các bộ điều khiển mờ cho phép lặp lại cáctính chất của các bộ điều khiển kinh điển
Việc thiết kế bộ điều khiển mờ cũng rất đa dạng, qua việc tổ chức cácnguyên tắc điều khiển và chọn tập mờ cho các biến ngôn ngữ cho phép người tathiết kế các bộ điều khiển mờ khác nhau
Trang 20Khối lượng công việc cần thực hiện khi thiết kế một bộ điều khiển mờ khôngphụ thuộc vào đặc tính của đối tượng Điều này có nghĩa là quá trình xử lý của một
bộ điều khiển mờ với những nguyên tắc điều khiển cho các đối tượng có đặc tínhđộng học khác nhau là hoàn toàn như nhau
Hình 3.1: Mô hình hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID
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; moment quán tính tải Jt=0).
* Kết quả về quỹ đạo di chuyển của Robot theo quỹ đạo đặt.
Trang 21Hình 3.9: Đồ thị quỹ đạo đặt và quỹ đạo
thực của Robot dùng PID
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 SAI LECH QUY DAO
Thoi gian t
Hình 3.10: Đồ thị sai lệch quỹđạo dùng PID
Dựa vào đồ thị quỹ đạo đặt và quỹ đạo thực của di chuyển cánh tay Robot,
đồ thị sai lệch quỹ đạo, ta nhận thấy rằng:
+ Trong khoảng thời gian từ 0 giây đến 10 giây: Đây là khoảng thời giancánh tay Robot di chuyển đến vị trí đầu của quỹ đạo Do Robot đáp ứng chậm vàmomen sinh ra bởi cánh tay khá lớn, nên hệ thống dao động với biên độ dao độnglớn nhất khoảng 10% giá trị lớn nhất đặt của quỹ đạo Thời gian dao động trongkhoảng 2s Sai số xác lập khoảng 0.005, điều này do đáp ứng đầu ra của hệ thốngtrễ so với giá trị đầu vào Điều này hợp lí vì hệ thống luôn có thời gian đáp ứng trễ
+ Tại t=10s đến 20s: Do có sự thay đổi đường đi quỹ đạo, điều này làm thay đổichiều quay của động cơ hai khớp, nên dẫn đến sự dao động của tín hiệu trước khi xác lập.Tuy nhiên, biên độ dao động của tín hiệu quỹ đạo đầu ra đã nhỏ đi rất nhiều, và sai số xáclập cũng nhỏ đi rất nhiều khoảng 0,001
3.2 Mô phỏng hệ thống điều khiển chuyển động cánh tay Robot sử dụng bộ chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PD.
3.2.1 Mô hình simulink hệ thống điều khiển chuyển động cánh tay Robot sử dụng bộ chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PD.
Trang 22Hình 3.23: Mô hình hệ thống sử dụng bộ chỉnh định tham số bộ điều khiển PD
3.2.2 Kết quả mô phỏng điều khiển vị trí của cánh tay Robot dùng bộ chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PD(với trường hợp khối lượng tải Mt=0; moment quán tính tải Jt=0).
* Kết quả về quỹ đạo di chuyển của Robot theo quỹ đạo đặt.
0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 SAI LECH QUY DAO
Trang 23a Sai lệch quỹ đạo cánh tay Robot.
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0
0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 Do thi sai lech quy dao Robot
m Sai lech quy dao PID
Sai lech quy dao FUZZY
Hình 3.42: Sai lệch quỹ đạo dùng PID và Fuzzy
b Sai lệch góc quay hai khớp của cánh tay Robot.
Hình 3.43: Đồ thị góc quay khớp 1 giữa
giá trị đặt, PID và Fuzzy
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 -0.5
0 0.5 1 1.5 2 2.5
3 Do thi goc quay khop 2
-0.04 -0.02 0 0.02 0.04 0.06 Do thi sai lech goc quay khop 2
c Sai lệch về tốc độ góc quay hai khớp.
Trang 24] Sai lech toc do q1 PID
Sai lech toc do q1 FUZZY
Hình 3.47: Đồ thị sai lệch tốc độ góc
khớp 1 giữa PID và Fuzzy
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 -0.4
-0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4
Sai lech toc do q2 FUZZY
Hình 3.48: Đồ thị sai lệch tốc độ góckhớp 2 giữa PID và Fuzzy
3.3.2 Trường hợp Mt = 1.
a Sai lệch quỹ đạo cánh tay Robot.
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0
0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035
] Sai lech quy dao PID
Sai lech quy dao FUZZY
Hình 3.49: Đồ thị góc sai lệch quỹ đạo giữa PID và FuzzyDựa vào đồ thị so sánh hai sai lệch quỹ đạo khi dùng PID và dùng bộ chỉnhđịnh mờ các tham số bộ điều khiển PD, ta thấy rằng độ sai lệch quỹ đạo ở cả haitrường hợp gần bằng nhau Tuy nhiên biên độ dao động ở các thời gian quá độ ở bộchỉnh định mờ giảm so với bộ điều khiển PID
b Sai lệch góc quay hai khớp của cánh tay Robot.
Trang 25Hình 3.50: Đồ thị góc quay khớp 1
giữa giá trị đặt, PID và Fuzzy
-0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5
Hình 3.51: Đồ thị góc quaykhớp 2 giữa giá trị đặt, PID và Fuzzy
-0.04 -0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08 Do thi sai lech goc quay khop 2
c Sai lệch về tốc độ góc quay hai khớp.
Sai lech toc do q1 FUZZY
Hình 3.54: Đồ thị sai lệch tốc độ góc khớp
1 giữa PID và Fuzzy
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 -0.4
-0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Do thi sai lech toc do goc quay khop 2
] Sai lech toc do q2 PID
Sai lech toc do q2 FUZZY
Hình 3.55: Đồ thị sai lệch tốc độ góckhớp 2 giữa PID và Fuzzy
Trang 26Trong hai đồ thị trên, ta thấy tốc độ sai lệch góc khi dùng bộ chỉnh định mờgần bằng 0 ở thời gian xác lập, khi dùng PID thì có sự sai lệch khá lớn về tốc độgóc Điều đó có nghĩa là tốc độ bám quỹ đạo khi dùng bộ chỉnh định mờ tốt hơn khidùng bộ PID
3.3.3 Trường hợp Mt=3.
a Sai lệch quỹ đạo cánh tay Robot.
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0
0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 Do thi sai lech quy dao Robot
] Sai lech quy dao PID
Sai lech quy dao FUZZY
Hình 3.56: Đồ thị sai lệch quỹ đạo giữa PID và Fuzzy
b Sai lệch góc quay hai khớp của cánh tay Robot.
Hình 3.57: Đồ thị góc quay khớp 1 giữa
giá trị đặt, PID và Fuzzy
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 -0.5
0 0.5 1 1.5 2 2.5
3 Do thi goc quay khop 2
Hình 3.58: Đồ thị góc quay khớp
2 giữa giá trị đặt, PID và Fuzzy
Trang 27c Sai lệch về tốc độ góc quay hai khớp.
-0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 Do thi sai lech toc do goc quay khop 2
NHẬN XÉT:
- Khi cánh tay chuyển động theo quỹ đạo, ta phải đưa cánh tay Robot về vịtrí ban đầu Việc chọn vị trí ban đầu phải thích hợp để cơ cấu không sinh ra lực cảnlớn, momen cản lớn
- Sai lệch tốc độ trong quá trình chuyển động của cánh tay Robot so với tốc
độ của quỹ đạo đặt là tốt (gần bằng 0) so với khi dùng bộ PID Biên độ dao động tạicác thời điểm quá độ và sai lệch quỹ đạo được giảm