Ứng dụng điều khiển thích nghi mặt trượt cho điều khiển chuyển động tay máy

1 Header Page of 126 Công trình ñược hoàn thành ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Hoàng Mai BÙI DUY THÁI ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI MẶT Phản biện 1: TRƯỢT CHO ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG Phản biện 2: TAY MÁY Chuyên ngành: Tự ñộng hóa Mã số: 60.52.60 Luận văn ñược bảo vệ hội ñồng chấm luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật họp Đại học Đà Nẵng vào ngày …… tháng …… năm 2011 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thông tin – Học liệu, Đại học Đà Nẵng Đà Nẵng – Năm 2011 Footer Page of 126 - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng MỞ ĐẦU trúc ñiều khiển ñơn giản, ñáp ứng ñộ tốt, không ñòi hỏi mô Header Page of 126 Lý chọn ñề tài hình ñối tượng phải xác Lĩnh vực ñiều khiển tự ñộng ñã ñược xây dựng, phát triển Việc nghiên cứu ứng dụng thuật toán ñiều khiển kỷ qua ngày ñược hoàn thiện, từ việc ñưa ñại cho tay máy thu hút ñược quan tâm, nghiên cứu mô hình thuật toán ñiều khiển kinh ñiển tiếng PID cho nhà khoa học gần hai thập kỷ qua, ñó ñiển hình ñối tượng ñiều khiển tuyến tính ñơn giản ñến việc nghiên cứu, xây ñiều khiển trượt (SMC) Tuy nhiên SMC tồn số nhược dựng thuật toán hoàn chỉnh ñể ñiều khiển cho mô hình ñiểm ñịnh tượng rung(chattering), rung làm tổn ñiều khiển phi tuyến phức tạp chưa có mô hình toán học thất nhiệt thiết bi ñiện, gây dao ñộng cho thiết bị ñầy ñủ xác học làm hỏng chúng Với ñiều khiển thích nghi mặt trượt vấn Trong thời gian gần ñây, lĩnh vực khoa học kỹ thuật phát ñề chattering ñược khử ñáng kể triển mạnh mẽ, trãi khắp ngành: ñiện tử, viễn thông, ñiều Với lý trên, tác giả ñã lựa chọn việc nghiên cứu mô khiển, công nghệ vi xử lý, máy tính…, ñã cho phép thực mô hình thiết kế ñiều khiển thích nghi mặt trượt cho tay máy robot hình ñiều khiển có yêu cầu tính toán phức tạp, tạo ñiều kiện thuận lợi vận dụng công cụ mô ñể khẳng ñịnh tính ñúng ñắng ñề ñể việc giải toán ñiều khiển cho ñối tượng phi tuyến tài nhiều ngõ vào (MIMO: multi input_multi output) ñặt Mục ñích nghiên cứu yêu cầu phải nghiên cứu hoàn thiện hệ ñiều khiển nhằm ñáp ứng yêu cầu ngày cao sống Xây dựng ñiều khiển thích nghi mặt trượt cho tay máy robot nhằm mục ñích xác ñịnh mô hình toán học cho tay máy Tay máy robot, ñối tượng ñược ñiều khiển, hệ ñịnh chiến lược ñiều khiển dựa mô hình cho ñặc thống ñộng lực học phi tuyến có nhiều ngõ vào ra, có quan hệ tương tính ñáp ứng mong muốn ngõ hệ thống ñiều khiển tốt hỗ khớp nối phức tạp có tham số không xác ñịnh Vì nhất, giảm thiểu ñược chattering, ñảm bảo hành trình bền vững vây, ñể nhận ñược ñặc tính ñiều khiển xác, tốc ñộ ñiều cho tay máy khiển cao thuật toán ñiều khiển cần phải ñược hoàn thiện Đối tượng phạm vi nghiên cứu so với ñiều khiển kinh ñiển Trong kỹ thuật ñiều khiển chuyển ñộng tay máy, vấn ñề bám Xây dựng thuật toán ñiều khiển thích nghi mặt trượt cho tay máy robot áp dụng mô thuật toán ñiều khiển mô quĩ ñạo tác ñộng nhanh cần thiết Nhiều phương pháp ñã ñược hình tay máy có bậc tự ñề xuất ñể giải vấn ñề Trong ñó phương pháp ñiều khiển Phương pháp nghiên cứu trượt (SMC-Sliding Mode Control) lên nhiều ưu ñiểm cấu Trong phạm vi ñề tài này, ñể xây dựng thuật toán ñiều khiển, tác giả sử dụng phương pháp sau: Footer Page of 126 3 - Về lý thuyết: Nghiên cứu ñộng lực học tay máy, lý thuyết Chương Header Page of 126 phương pháp ñiều khiển trượt số phương pháp ñiều khiển TỔNG QUAN VỀ TAY MÁY VÀ ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY - Mô hình hóa mô hệ thống ñiều khiển cho tay máy 1.1 Cấu trúc ñộng học robot công nghiệp phần mềm Matlab 1.1.1 Cấu trúc robot công nghiệp Ý nghĩa khoa học thực tiễn ñề tài Robot tổ hợp khả hoạt ñộng linh hoạt - Ứng dụng ñể ñiều khiển robot bậc tự cấu ñiều khiển với mức ñộ “tri thức” ngày phong phú hệ - Nâng cao ñược chất lượng ñiều khiển ñối với ñiều khiển tay máy thống ñiều khiển theo chương trình kỹ thuật chế tạo robot Góp phần giúp cho việc ứng dụng robot ngày phổ biến cảm biến, công nghệ lập trình phát triển trí khôn nhân tạo nước ta Cấu trúc luận văn Trong năm sau này, việc nâng cao tính hoạt ñộng Robot không ngừng phát triển Các Robot ñược trang bị thêm Nội dung luận văn bao gồm chương, ñó: cảm biến khác ñể nhận biết môi trường xung quanh, Chương 1: Tổng quan tay máy ñiều khiển tay máy với thành tựu to lớn lĩnh vực ñiều khiển học, tin học Chương giới thiệu tổng quan cấu trúc ñộng học ñiện tử ñã tạo hệ Robot với nhiều tính ñặc biệt robot công nghiệp Đồng thời giới thiệu phương pháp 1.1.2 Cấu trúc tổng quan Robot ñiều khiển 1.1.3 Điều khiển chuyển ñộng tay máy robot Chương 2: Động lực học tay máy công nghiệp 1.2 Đặc ñiểm hệ ĐKCĐ tay máy robot Robot ñối tượng có tính phi tuyến mạnh ta phải trực 1.3 Phương thức ñiều khiển tiếp nghiên cứu tính toán ñộng học ñối tượng, tổng hợp hệ thống 1.3.1 Điều khiển theo quĩ ñạo ñặt công cụ toán học phi tuyến 1.3.1.1 Điều khiển theo chuỗi ñiểm giới hạn Chương 3: Điều khiển trượt 1.3.1.2 Điều khiển lặp lại (playback) Chương giới thiệu lý thuyết ñiều khiển trượt 1.3.1.3 Điều khiển kiểu robot thông minh Chương 4: Ứng dụng ñiều khiển thích nghi mặt trượt cho ñiều 1.4 Một số phương pháp ñiều khiển tay máy khiển chuyển ñộng tay máy Thiết kế ñiều khiển trượt cho tay máy, sở ñó ứng dụng thuật toán thích nghi cho ñiều khiển trượt tay máy 1.4.1 Phương pháp ñiều khiển dùng PID 1.4.2 Phương pháp ñiều khiển thích nghi theo sai lệch 1.4.3 Phương pháp ñiều khiển thích nghi theo mô hình mẫu Chương 5: Kết mô 1.5 Nhận xét phương pháp ñã trình bày Tiến hành mô so sánh ñiều khiển ñã xây dựng 1.6 Kết luận Footer Page of 126 5 Header Page of 126 Phương trình Lagrange-Euler lực tổng quát tác ñộng Chương ĐỘNG LỰC HỌC CỦA TAY MÁY CÔNG NGHIỆP 2.1 Mô hình ñộng lực học tay máy robot lên khâu thứ i (với toán lực tổng quát moment τ) ñược xác ñịnh bởi: 2.2 Các tính chất mô hình ñộng lực học tay máy robot τi = 2.2.1 Ma trận quán tính H(q) 2.2.2 Ma trận lực ly tâm lực Coriolis d  ∂L ( q, q& )  ∂L ( q , q& ) − ; i = 1;2 ∂q dt  ∂q&  2.3.4 Hệ phương trình trạng thái tay máy robot 2.2.3 Vector mômen trọng lực Đặt biến trạng thái cho khớp là: 2.2.4 Tuyến tính hóa tham số ñộng lực học 2.3 Mô hình ñộng lực học cho tay máy hai bậc tự Mô hình tay máy sử dụng mô chương ñược mô tả hình 2.2 (tay máy có khớp xoay)  x  q  X1 =  11  =    x12  q&1   x  q  X =  21  =    x22  q&2  (2.55) tín hiệu vào thành phần mômen khớp tương ứng: u  τ  U =  1 =  1 u2  τ  Với biến trạng thái (2.33), (2.34), viết lại hệ phương trình vi phân trạng thái khớp khớp sau: 2.3.1 Động học thuận 2.3.2 Động học ngược 2.3.3 Phương trình Lagrange – Euler Hàm Lagrange tay máy ñã cho hình 2.2, ñược xác ñịnh: L(q, q&) = K (q, q&) − P(q) Trong ñó: K, P ñại lượng vô hướng tổng ñộng tổng hệ thống K(q, q&) = K1 (q, q&) + K2 (q, q&) P(q) = P1 (q) + P2 (q) Footer Page of 126 (2.36) x&11 = x12   Khớp 1: x& = a ( X) + b u ∑ 1j j  12 j=1 x&21 = x22   Khớp 2: x& = a ( X) + b u ∑ 2j j  22 j=1 (2.58) Khi ñó phương trình ñược viết lại sau: τ1  h11 h12 C11 C12  g1  τ  = h h [q&&] + C C [q&] + g     21 22  21 22  2 (2.59) Header Page of 126 Đặt: x11 = q1; x12 = q&1; x&12 = q&&1; x21 = q2 ; x22 = q&2 ; x&22 = q&&2; u1 = τ1; u2 = τ u1  h11 h12 x&12  C11 C12 x12   g1  u  = h h x&  + C C x  + g     21 22 22  21 22 22   Chương (2.60) h u −h u +h C x +h C x +h g −h C x −h g x&12 = 12 22 22 11 12 22 12 22 22 12 21 12 12 h12h21 − h22h11 h u −h u +h C x +h C x +h g −h C x −h g x&22 = 11 21 21 11 12 21 12 22 21 11 12 12 11 h22h11 − h12h21 ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI MẶT TRƯỢT CHO ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG TAY MÁY 4.1 Tổng quan 4.2 Đặt trưng phi tuyến mô hình ñộng lực tay máy 4.3 Điều khiển trượt cho hệ nhiều ñầu vào nhiều ñầu (MIMO) 4.3.1 Cơ sở toán học 2.3.4.1 Các thông số mô tay máy hai bậc tự không tải: 4.3.2 Xây dựng ñiều khiển trượt 2.3.4.2 Các thông số mô tay máy hai bậc tự có tải Từ phương trình ñộng lực học tay máy phi tuyến n bậc tự do: 2.4 Xây dựng quỹ ñạo chuyển ñộng chuẩn từ ñiểm tới ñiểm τ = H (q)q&& + C (q, q& )q& + G (q) + D(t ) = u 2.4.1 Tính toán ñộng học ngược 4.3.2.1 Các giả thiết thành phần hệ ñiều khiển phi tuyến 2.4.2 Xây dựng quĩ ñạo chuẩn 4.3.2.2 Hệ phương trình trạng thái mô tả ñộng lực học 2.5 Kết luận 4.3.2.3 Các bước xây dựng ñiều khiển trượt Đặt sai lệch quĩ ñạo: Chương ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT 3.1 Điều khiển bền vững qe = e = x − xd q&e = e& = x& − x&d Với e sai lệch quĩ ñạo sai lệch chuyển ñộng + Bước 1: 3.1.1 Đặt vấn ñề 3.1.2 Cơ sở lý thuyết phương pháp ñiều khiển bền vững 3.2 Điều khiển trượt 3.2.1 Cơ sở ñiều khiển trượt (4.28) Định nghĩa mặt s(t) sau: d  S ( X ,t) =  + λ   dt  ( n −1) e (4.29) ñó λ số dương Cho S ( X , t ) = không gian trạng thái Rn , n = mặt 3.2.1.1 Khái niệm s(X,t) là: S(X,t) = e& + λe = 3.2.1.2 Điều kiện trượt Khi trạng thái hệ thống mặt trượt S = e& + λe = e=AE-λt nên t → ∞ e → nghĩa x ≡ xd x& ≡ x&d Đây mục 3.2.1.3 Ổn ñịnh Mode trượt 3.2.2 Phân tích ñịnh lí Liapunov ñể xác ñịnh vùng trượt 3.2.3 Vấn ñề giảm rung ñiều khiển trượt 3.3 Kết luận Footer Page of 126 ñích cần ñạt ñến + Bước 2: (4.30) 10 Header Page of 126 Tính u ñể cho trạng thái hệ thống tiến mặt s(t) nằm ñó Ta có: hình 4.1 S& = e&& + λ e& = &x& − &x&d + λ e& (4.32) S& = λ e& − &x&d + a ( X ) + B ( X )u (4.33) Chọn tín hiệu ñầu vào theo công thức sau [10],[13]: [ ] ~ u = B − u~eq − K sgn( S ) = u eq + u r (4.34) Để thỏa mãn ñiều kiện : V& ( x) = S T S& < 4.3.3 Xây dựng ñiều khiển trượt ñơn Ta xét hàm lượng V ( x ) = S T S > hệ thống kín Giả sử có ñiểm cân ñiểm x = ñó V(x) cực Với Khớp tiểu Nếu chứng minh ñược: & ( x ) = S T S& < V Với tay máy hai bậc tự do, chọn mặt trượt cho tường khớp dạng: Khớp S1 = λ1e11 + e12 = (4.46) (4.31) Với e11 = x11 − x11d e12 = x12 − x12 d S2 = λ2e21 + e22 = e21 = x21 − x21d e22 = x22 − x22 d ñiểm x = ñược gọi ñiểm ổn ñịnh Tín hiệu ñiều khiển ñã cho khớp ñược chọn theo (4.34), (4.35), Theo nguyên lý ổn ñịnh Lyapunov, chọn hàm: V( x ) = S T S > với S ≠ (4.41), ta có: Khi S=0 V(x)=0 Phải làm cho V& ( x) < , nghĩa là: Trong ñó K ñược chọn theo công thức (4.42) & = S S& < V ~ u = B −1 ( X )[ − λ e& + &x&d − a~ ( X ) − K sgn( S )] = u eq + u r (4.48) Ki ≥ βx − ~ u eq + β x (η + ∆a max ) (i = 1, 2, , n ) T Đây ñiều kiện ñể hệ thống luôn ổn ñịnh tiệm cận toàn thể S = Khi ñiều kiện (4.31) ñược thỏa mãn trạng thái hệ thống Sử dụng phương trình trạng thái (4.23), (3.24) ta viết lại: u1  h11 h12   λ1.e12   x&12  a~1 ( X )  K1.sgn(S1 )   u  = h h  − λ e  + x&  − a~ ( X ) − K sgn(S )  (4.49)    21 22   22   22     2   4.4 Ứng dụng phương pháp thích nghi cho ñiều khiển trượt tay luôn ñược ñưa mặt trượt S = giữ ñó Đó yêu máy cầu bước Điều khiển theo chế ñộ trượt (SMC) ñược biết ñến Như phải thiết kế tín hiệu ñiều khiển u cho ñiều kiện (4.31) ñược thỏa mãn Footer Page of 126 kỹ thuật phổ biến ñơn giản ñể ñiều khiển bền vững cho hệ thống Robot có nhiễu thay ñổi theo môi trường hoạt 11 12 ñộng với ñộ ñáp ứng nhanh ñặc tính ñiều khiển tốt Tuy nhiên, Với hệ (2.5), sử dụng mặt trượt (4.30) với luận ñiều khiển (4.34) a Luật thích nghi K S theo hàm mũ sai lệch mặt trượt EEAC [5]: Header Page of 126 việc sử dụng mô hình SMC thông thường mặt trượt cố ñịnh, mặt trượt cố ñịnh cho trạng thái làm việc không cho chất Nếu K S chứa phần tử K Si biến thiên theo dạng: K Si = K 0i + e lượng tốt Si −ψ i , K 0i > 0, ψ i > (4.54) Thì quĩ ñạo chuyển ñộng qi bám theo quĩ ñạo mong muốn sai lệch tĩnh tiến ñến zero Vector K S ñược kí hiệu là: KS = K0 + e S +ψ b Luật thích nghi K S theo hàm mũ tích phân sai lệch mặt trượt EIAC [5]: Nếu K S chứa phần tử K Si biến thiên theo dạng: t2 K Si = (1 + sgn( qei − δ i ))e Hình 4.2: Chuyển ñộng siêu diện 4.4.1 Nâng cao chất lượng với luật thích nghi tín hiệu gián ñoạn SMC qei + K 0i + e ∫t ( S i −ψ i ) dt , i = n (4.55) Thì quĩ ñạo chuyển ñộng hệ bám theo quĩ ñạo mong muốn, với sai lệch tĩnh tiến ñến phạm vi Si < ψ i sai lệch xác lập qei < δ i Trong ñó ψ δ hai vectơ chứa phần tử dương bé tùy ý, phụ thuộc yêu cầu cho phép sai lệch hệ Khi ñó K S t2 Nhằm giảm rung trình xác lập giảm thời gian ñộ chuyển mặt trượt Ta thấy KS nhỏ sai lệch xác lập nhỏ thời gian ñộ kéo dài, ảnh hưởng ñến tốc ñộ hệ, với robot dòi hỏi ñộ tác ñộng nhanh Tuy nhiên ưu ñiểm giảm hẳn biên ñộ rung trình xác lập, nên vùng xác lập, cụ thể ñã mặt trượt, sử dụng KS nhỏ có lợi KS lớn Ngược lại, chưa tìm ñược mặt trượt, thường thời ñiểm t = nhiễu biên ñộ lớn ñánh bật hệ khỏi quĩ ñạo làm việc, giá trị lớn KS lại cho phép hệ nhanh chóng tìm lại ñược mặt trượt ban ñầu Như vậy, việc thích nghi KS theo sai lệch mặt trượt sai lệch quĩ ñạo yếu tố cần thiết ñể phối hợp ưu ñiểm loại trừ nhược ñiểm ñã phân tích tác ñộng nhanh với nhiễu Footer Page of 126 ñược kí hiệu là: K S = (1 + sgn( qe − δ ))e qe + K + e ∫t ( S −ψ ) dt ) Hệ với ñiều khiển trượt thích nghi phần gián ñoạn ổn ñịnh tiệm cận lớp biên mặt trượt 4.4.2 Thuật toán thích nghi mặt trượt (SMAC) [5] * Lựa chọn mặt trượt: Với mặt trượt ñã chọn: S = q&e + λqe = Xem θ ñối tượng phi tuyến theo biến trạng thái Mặt trượt tuyến tính với θ , với ma trận tham số ñược ñịnh nghĩa: (θ , λ ) = θ + λ Siêu diện trượt trở thành: S = q&e + (λ + θ )qe = , * Tín hiệu ñiều khiển: 13 14 Header Page of 126 λijmax , ∀i, j = n (4.58) λmin ij Với tín hiệu ñiều khiển (4.34) Gọi θ ước lượng θ m , θ * = θ − θ m sai lệch tham số Ta có hai mô hình siêu diện: Sm = (θ m − λ )qe + q&e = siêu diện mong muốn S = (θ − λ )qe + q&e = siêu diện ước lượng thích nghi Sm Ta thấy phần tử θ bị chặn: ≤ θ ij ≤ e e e Thì hệ (2.5) ổn ñịnh sai lệch tiến ñến zero giữ hệ bám mặt trượt Để nghiệm θ có tính tổng quát hơn, ta sử dụng dạng: θi = − Pi sgn( S i ) (1 − exp(− (4.65) (4.60) tử dương * Xác ñịnh luật thích nghi θ [5]: (4.61) (4.62) Luật thích nghi θ nhằm ñể thỏa mãn ñiều kiện bám (4.63), xét mặt trượt ñịnh, θ m ñó xác ñịnh ñược, nên coi ñã biết, nhiên ñể S bám S m sai lệch hai siêu diện phải Chọn hàm Lyapunov: Điều kiện chuyển ñộng bám theo siêu diện xác mong muốn ñảm bảo sai lệch hai siêu diện trượt (4.59) tiến ñến zero, hay nói cách khác S có xu hướng bám theo Sm nghĩa thỏa mãn ñược: V= ( ) (4.63) * Xác ñịnh luật biến ñổi tham số θ [5]: Xét (θ&qe + θq& e )T S thành phần âm hay (4.63) ñảm bảo, chọn: T Se Se T V& = S& eT S e = θ& * q e + θ * q& e θ * q e = (θ& * q e ) T θ * q e + (θ * q& e ) T θ * q e n S&eT Se < q& ei t )), ∀i = n qei Với Pi phân tử ma trận ñường chéo Pi ∈ R nxn có phần e (θ&qe + θq&e )T S + (λq&e + q&&e )T S ≤ −η T S (4.64) (4.59) Điều kiện hút mặt trượt ñược ñảm bảo thỏa mãn: S& T S ≤ −η T S < 0, η = diag [ηi ]∈ R nxn ,ηi > 0, S& T S = (θ&q + θq& + λq& + q&& )T S ≤ −η T S q& ei t ) + θ (0), ∀i = n qei qei Định nghĩa sai lệch hai siêu diện: Se = S − S m = θ *qe ⇒ S& e = θ& * q e + θ * q& e θ i = exp(− θ&*T qeTθ *qe + θ *T q&eT θ *qe = ∑ (θ&i*θ i qei2 + q&ei qeiθ i*2 ) * i =1 Để ñảm bảo (4.63), luật cập nhật θ * ñược chọn có dạng hồi qui: θ&i* = −(η + q&ei * )θi ,ηi > 0, ∀i = n qei (4.66) (θ&qe + θq& e )T S = ⇒ θ&q = −θq& Luật cập nhật ñồng thời vừa lấy thông tin phản hồi từ ñầu sai lệch quĩ ñạo, sai lệch vận tốc, vừa sử dụng giá trị kế trước θ i ñể ⇒ θ& = −θq& e qeT (qe qeT ) −1 tìm ñược nghiêm θ xác ñịnh vi phân tiếp theo, sau ñó tính giá trị θ i , Khi e e θ ñược chon ma trận dạng ñường chéo, ñó phân tử θ ñược xác ñịnh: Footer Page of 126 4.5 Kết luân 15 16 Header Page of 126 Chương MÔ HÌNH HÓA, MÔ PHỎNG VÀ NHẬN XÉT 5.1 Mô hình tay máy 5.2 Mô hình khối tạo quĩ ñạo chuyển ñộng chuẩn 5.3 Mô hình ñiều khiển trượt ñơn 5.4 Mô hình ñiều khiển trượt kiểu EEAC Hình 5.10a: Sai lệch quĩ ñạo khớp khớp 5.5 Mô hình ñiều khiển trượt kiểu EIAC 5.6 Mô hình ñiều khiển thích nghi mặt trượt (SMAC) 5.7 Mô hình ñiều khiển thích nghi mặt trượt (SMAC) kiểu EEAC 5.8 Mô hình ñiều khiển thích nghi mặt trượt (SMAC) kiểu Hình 5.10b: Sai lệch tốc ñộ khớp khớp EIAC 5.9 Sơ ñồ khối mô hình hệ thống Hình 5.10c: Quĩ ñạo yêu cầu quĩ ñạo thực khớp khớp Trường hợp tăng Ks = 150, thời gian tìm mặt trượt giãm xuống Biên ñộ rung khớp rõ rệt Nếu KS lớn, ảnh hưởng thông số rõ ràng Như KS tăng thời gian tìm mặt trượt giảm biên ñộ rung tăng Hình 5.9: Sơ ñồ khối mô hình hóa toàn hệ thống 5.10 Kết mô 5.10.1 Mô hình ñiều khiển trượt ñơn Các kết mô KS = 100 cho ta thấy, thời gian tìm mặt trượt lớn Biên ñộ rung khớp nhỏ Nếu KS nhỏ, ảnh hưởng thông số không rõ ràng Footer Page of 126 Hình 5.11a: Sai lệch quĩ ñạo khớp khớp 17 18 Hình 5.11b: Sai lệch tốc ñộ khớp khớp Hình 5.12c: Quĩ ñạo yêu cầu quĩ ñạo thực khớp khớp Header Page 10 of 126 5.10.3 Mô hình ñiều khiển trượt kiểu EIAC Sử dụng thuật toán EIAC, ta có kết hình 5.13a ñến 5.13c Hình 5.11c: Quĩ ñạo yêu cầu quĩ ñạo thực khớp khớp 5.10.2 Mô hình ñiều khiển trượt kiểu EEAC Sử dụng thuật toán EEAC, ta có kết hình 5.12a ñến 5.12c Hình 5.13a: Sai lệch quĩ ñạo khớp khớp Hình 5.12a: Sai lệch quĩ ñạo khớp khớp Hình 5.12b: Sai lệch tốc ñộ khớp khớp Hình 5.13b: Sai lệch tốc ñộ khớp khớp Hình 5.13c: Quĩ ñạo yêu cầu quĩ ñạo thực khớp khớp Việc sử dụng thuật toán ñiều khiển thích nghi EEAC, EIAC cho KS quĩ ñạo làm việc tương tự sử dung nhiều mặt trượt cố ñịnh khác Nhưng hoạt ñộng tốt hơn, làm giảm rung Footer Page 10 of 126 19 20 Header Page 11 of 126 ñể nguyên KS, ñồng thời thời gian ñộ hay tìm mặt trượt - Khi ñộ dốc mặt trượt λ=15 giảm nhỏ hơn, hai quĩ ñạo ñặt thực bám sát 5.10.4 Mô hình ñiều khiển trượt ñơn với giá trị khác λ Từ (4.34) ta thấy có phụ thuộc trạng thái ñầu với tham số mặt trượt Nó thể tính ổn ñịnh hệ phụ thuộc vào mặt Hình 5.15a: Sai lệch quĩ ñạo khớp khớp λ=15 trượt ñược chọn tồn nhiều mặt trượt ñể hệ chuyển ñộng mặt trượt ñáp ứng khoảng ñó quĩ ñạo hệ thống Trong (4.30) λ ñược gọi ñộ dốc mặt trượt S Độ dốc ñịnh tính tác ñộng nhanh ổn ñịnh hệ - Khi ñộ dốc mặt trượt λ=7 Hình 5.15b: Sai lệch tốc ñộ khớp khớp λ=15 Hình 5.14a: Sai lệch quĩ ñạo khớp khớp λ=7 Hình 5.15c: Quĩ ñạo yêu cầu quĩ ñạo thực khớp khớp λ=15 Qua kết mô ta thấy, ñáp ứng hệ thống nhanh Hình 5.14b: Sai lệch tốc ñộ khớp khớp λ=7 ñộ dốc mặt trượt λ lớn tín hiệu ñiều khiển lớn, hệ ổn ñịnh Ngược lại, ñáp ứng hệ thống chậm ñộ dốc mặt trượt biên ñộ tín hiệu ñiều khiển nhỏ, ñộ ổn ñịnh tăng lên 5.10.5 Mô hình ñiều khiển thích nghi mặt trượt (SMAC) Sử dụng thuật toán thích nghi mặt trượt (SMAC), ta có kết Hình 5.14c: Quĩ ñạo yêu cầu quĩ ñạo thực khớp khớp λ=7 Footer Page 11 of 126 hình 5.16a ñến 5.16c 21 22 Hình 5.16a: Sai lệch quĩ ñạo khớp khớp Hình 5.17b: Sai lệch tốc ñộ khớp khớp Hình 5.16b: Sai lệch tốc ñộ khớp khớp Hình 5.17c: Quĩ ñạo yêu cầu quĩ ñạo thực khớp khớp Header Page 12 of 126 5.10.7 Mô hình ñiều khiển thích nghi mặt trượt (SMAC) kiểu EIAC Sử dụng thuật toán thích nghi mặt trượt (SMAC) kiểu EIAC, ta có kết hình 5.18a ñến 5.18c Hình 5.16c: Quĩ ñạo yêu cầu quĩ ñạo thực khớp khớp 5.10.6 Mô hình ñiều khiển thích nghi mặt trượt (SMAC) kiểu EEAC Sử dụng thuật toán thích nghi mặt trượt (SMAC) kiểu EEAC, ta có kết hình 5.17a ñến 5.17c Hình 5.17a: Sai lệch quĩ ñạo khớp khớp Footer Page 12 of 126 Hình 5.18a: Sai lệch quĩ ñạo khớp khớp Hình 5.18b: Sai lệch tốc ñộ khớp khớp 23 24 Header Page 13 of 126 tổng hợp ñược ñiều khiển thích nghi mặt trượt, tận dụng ñược ưu ñiểm, khắc phục ñược nhược ñiểm ñiều khiển trượt ñơn tượng chattering ñưa hệ thống trạng thái xác lập nhanh Hình 5.18c: Quĩ ñạo yêu cầu quĩ ñạo thực khớp khớp Qua kết mô ta thấy việc dùng ñiều khiển thích nghi mặt trượt SMAC ñiều khiển thích nghi mặt trượt kiểu EEAC, EIAC ñảm bảo tính bền vững với biến thiên nhiễu tham số, cho ñáp ứng hệ phi tuyến tốt phương pháp ñiều khiển trượt thông thường Các kết nghiên cứu ñược tóm tắt sau: - Tổng quan tay máy trình bày ưu nhược ñiểm phương pháp ñiều khiển tay máy - Xây dựng phương trình ñộng lực học tay máy công nghiệp cụ thể tay máy hai bậc tự - Ứng dụng phương pháp thích nghi cho ñiều khiển trượt tay máy - Kết nghiên cứu ñược kiểm chứng phần mềm mô 5.11 Kết luận Với việc ứng dung phương pháp ñiều khiển thích nghi mặt trượt (SMAC) cho tay máy trình bày ñã làm thay ñổi chất lượng trình ñiều khiển so với dùng mặt trượt cố ñịnh, cho thấy tính bền vững cao, với tham số thay ñổi trong vùng rộng Luật ñiều khiển EEAC EIAC ñã mềm dẻo giá trị KS trình chuyển mặt trượt bám mặt trượt, khắc phục ñược tượng rung (chattering) ñể cho hệ thống hoạt ñộng ổn ñịnh giảm thiểu sai lệch hệ thống với thời gian ñáp ứng hệ thống nhanh, ñảm bảo ñược tiêu chất lượng hệ thống KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Sau thời gian nghiên cứu làm việc nghiêm túc, ñược giúp ñỡ nhiệt tình TS Nguyễn Hoàng Mai thầy cô giáo khoa ñến luận văn tác giả ñã hoàn thành ñúng thời gian dự kiến Luận văn ñã nghiên cứu ứng dụng phương pháp ñiều khiển ñại ñể nâng cao chất lượng ñiều khiển chuyển ñộng tay máy Đã Footer Page 13 of 126 matlab-simulink cho tay máy hai bậc tự cho thấy tính ñúng ñắn xác lý thuyết Mặc dù dừng lại ñối tượng tay máy hai bậc tự do, ñây loại ñối tượng có tính phi tuyến mạnh cho thấy khả mở rộng lớp ñối tượng ñể ñiều khiển, phạm vi hệ phi tuyến bậc hai Việc xây dựng ñiều khiển ñể áp dụng cho tay máy công nghiệp ñể phù hợp với môi trường làm việc khắc nghiệt nhiệt ñộ, rung lắc, nhiễu tác ñộng, trình nghiên cứu thử nghiệm phức tạp Vì ñiều kiện thời gian nên luận văn dừng lại mức ñộ mô Trong thời gian tới, có ñiều kiện, tác giả xin tiếp tục tiếp cận ứng dụng vào mô hình thực nghiệm ñể kiểm chứng lại phương pháp ñiều khiển  ... phương pháp ñiều khiển tay máy khiển chuyển ñộng tay máy Thiết kế ñiều khiển trượt cho tay máy, sở ñó ứng dụng thuật toán thích nghi cho ñiều khiển trượt tay máy 1.4.1 Phương pháp ñiều khiển dùng PID... h22h11 − h12h21 ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI MẶT TRƯỢT CHO ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG TAY MÁY 4.1 Tổng quan 4.2 Đặt trưng phi tuyến mô hình ñộng lực tay máy 4.3 Điều khiển trượt cho hệ nhiều ñầu... Ứng dụng phương pháp thích nghi cho ñiều khiển trượt tay máy - Kết nghi n cứu ñược kiểm chứng phần mềm mô 5.11 Kết luận Với việc ứng dung phương pháp ñiều khiển thích nghi mặt trượt (SMAC) cho tay