Thiết kế bộ điều khiển mờ theo đại số gia tử cho robot 2 bậc tự do

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KÝ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN THỊ THU HẰNG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ THEO ĐẠI SỐ GIA TỬ CHO ROBOT BẬC TỰ DO Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KHOA CHUYÊN MÔN TRƯỞNG KHOA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS LẠI KHẮC LÃI PHÒNG ĐÀO TẠO THÁI NGUYÊN 2018 ii LỜI CAM ĐOAN Tên là: Nguyễn Thị Thu Hằng Sinh ngày: 25/8/1991 Học viên lớp cao học Khóa 18 – Kỹ thuật điều khiển tự động hóa – Trường Đại học kỹ thuật cơng nghiệp Thái Nguyên Hiện công tác tại: Trường cao đẳng nghề số 1- Bộ Quốc Phòng Xin cam đoan luận văn “ Thiết kế điều khiển mờ theo đại số gia tử cho robot bậc tự do” thầy giáo PGS.TS Lại Khắc Lãi hướng dẫn công trình nghiên cứu riêng tơi Tất tài liệu tham khảo có nguồn gốc, xuất xứ rõ rang Tác giả xin cam đoan tất nội dung luận văn nội dung đề cương yêu cầu thầy giáo hướng dẫn Nếu có vấn đề nội dung luận văn tác giả xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với lời cam đoan mình/ Thái Nguyên, ngày tháng năm 2018 Học viên Nguyễn Thị Thu Hằng iii LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương giúp đỡ, hướng dẫn tận tình thầy PGS - TS Lại Khắc Lãi, luận văn với đề tài “Thiết kế điều khiển mờ theo đại số gia tử cho robot bậc tự do” hoàn thành Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến: Thầy giáo hướng dẫn PGS - TS Lại Khắc Lãi tận tình dẫn, giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn Khoa sau đại học, thầy giáo, cô giáo khoa Điện - Trường đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên giúp đỡ tác giả suốt trình học tập q trình nghiên cứu thực luận văn Tồn thể đồng nghiệp, bạn bè, gia đình quan tâm động viên, giúp đỡ suốt trình học tập iv MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ii LỜI CẢM ƠN iii MỤC LỤC iv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vi DANH MỤC NHỮNG CHỮ VIẾT TẮT vi PHẦN MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục đích nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn đề tài 4.1 Ý nghĩa khoa học 4.2 Ý nghĩa thực tiễn CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP VÀ TAY MÁY3 1.1 Lịch sử phát triển 1.2 Robot công nghiệp ứng dụng 1.3 Cấu trúc robot công nghiệp 1.4 Kết cấu tay máy 1.5 Động học robot 11 1.5.1 Bảng thông số DH 12 1.5.2 Tính tốn ma trận mơ tả quan hệ khâu i hệ tọa độ gốc 0Ti 15 1.6 Động lực học robot 16 1.6.1 Hàm Lagrange 16 1.6.2 Phương trình động lực học robot bậc tự 19 1.6.3 Phương trình động lực học robot bậc tự 21 1.7 Kết luận chương 24 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN MỜ VÀ ĐẠI SỐ GIA TỬ25 v 2.1 Suy luận xấp xỉ dựa tập mờ 25 2.1.1 Khái niệm 25 2.1.2 Mô hình mờ đa điều kiện 26 2.2 Điều khiển mờ 28 2.2.1 Cấu trúc điều khiển mờ 28 2.2.2 Phương pháp thiết kế điều khiển mờ dựa luật 29 2.3 Suy luận xấp xỉ dựa đại số gia tử 31 2.3.1 Một số kiến thức đại số gia tử 32 2.3.2 Ứng dụng đại số gia tử giải toán suy luận sấp xỉ 42 2.4 Bộ điều khiển sử dụng đại số gia tử 47 2.5 Kết luận chương 48 CHƯƠNG : THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ TRÊN NỀN 50 ĐẠI SỐ GIA TỬ CHO TAY MÁY HAI BẬC TỰ DO 50 3.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tay máy bậc tự 50 3.2 Tổng hợp độ điều chỉnh PID cho động điện chiều 52 3.2.1 Mô Hình tốn động điện chiều kích từ độc lập 52 3.2.2 Tổng hợp mạch vòng dòng điện 53 3.2.3 Tổng hợp mạch vòng tốc độ 55 3.3 Xây dựng mô hình mơ tay máy bậc tự 58 3.4 Thiết kế điều khiển mờ cho tay máy hai bậc tự 59 3.4.1 Định nghĩa tập mờ đầu vào đầu 60 3.4.2 Xây dựng luật điều khiển 61 3.4.3 Chọn luật hợp thành phương pháp giải mờ 62 3.4.4 Kết mô 63 3.5 Xây dựng điều khiển đại số gia tử 64 3.6 Kết luận chương 68 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Tay máy kiểu tọa độ Đề Hình 1.2 Tay máy kiểu tọa độ trụ Hình 1.3 Tay máy kiểu tọa độ cầu Hình 1.4 Tay máy kiểu tọa độ góc 10 Hình 1.5 Tay máy kiểu SCARA 10 Hình 1.6 Sơ đồ khối đơn giản động học robot 11 Hình 1.7 Minh họa phương pháp DH 11 Hình 1.8 Khảo sát tốc độ vi khối lượng dm 16 Hình 1.9 Hệ tọa độ robot bậc tự 16 Hình 2.1 Phép “and” thực theo công thức 26 Hình 2.2 Sơ đồ cấu trúc điều khiển mờ 27 Hình 2.3 Sơ đồ hệ thống với điều khiển mờ 29 Hình 2.4 Độ đo tính mờ phần tử sinh 36 Hình 2.5 Độ tính mờ số hạng từ ngữ 37 Hình 2.6 Sự xếp xX, hjH, cG 38 Hình 2.7 Hàm ánh xạ ngữ nghĩa định lượng 39 Hình 2.8 Mơ hình suy luận xấp xỉ dựa đại số gia tử 43 Hình 2.9 Sơ đồ điều khiển theo tiếp cận đại số gia tử 45 Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ điều khiển tay máy bậc tự 48 Hình 3.2 Cấu trúc khối động khớp 49 Hình 3.3 Sơ đồ cấu trúc động điện chiều 51 Hình 3.4 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện 51 Hình 3.5 Sơ đồ thu gọn mạch vòng điện 52 Hình 3.6 Sơ đồ mạch vòng tốc độ động điện chiều 53 Hình 3.7 Sơ đồ thu gọn mạch vòng tốc độ 54 vii Hình 3.8 Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển tốc độ động điện chiều kích từ độc lập 55 Hình 3.9 Mơ Hình mơ tay máy hai bậc tự 56 Hình 3.10 Sơ đồ mô khớp tay máy 56 Hình 3.11 Sơ đồ mơ khớp tay máy 57 Hình 12 Cấu trúc điều khiển mờ 57 Hình 13 Các hàm liên thuộc đầu vào 58 Hình 14 Các hàm liên thuộc đầu vào (sau hiệu chỉnh) 58 Hình 15 Các hàm liên thuộc đầu 59 Hình 3.16 Tác động luật điều khiển ứng với cặp giá trị đầu vào 60 Hình 3.17 Quan hệ Vào – điều khiển mờ 61 Hình 3.18 Sơ đồ mơ hệ điều khiển tay máy điều khiển mờ 61 Hình 3.19 Đường cong quĩ đạo khớp sử dụng điều khiển mờ 62 Hình 3.20 Cấu trúc hệ thống điều khiển sử dụng đại số gia tử 62 Hình 3.21 Sơ đồ mơ hệ thống điều khiển tay máy sử dụng đại số gia tử Hình 3.22 Đáp ứng độ tay máy điều khiển đai số gia tử Hình 3.23 65 65 So sánh đáp ứng độ hệ thống điều khiển mờ điều khiển đại số gia tử 66 viii DANH MỤC NHỮNG CHỮ VIẾT TẮT SISO: Single in put -Single output MISO: Mult input – Single output MIMO: Mult input – Mult output ĐSGT: Đại số gia tử FAM : Fuzzy Associate Memory HAC: Hệ thống điều khiển sử dụng đại số gia tử PHẦN MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Trong nghiệp cơng nghiệp hóa, đại hóa đất nước, vấn đề tự động hóa sản xuất có vai trò đặc biệt quan trọng Một phương pháp giúp cho vấn đề tự động hóa đạt hiệu cao sử dụng robot cơng nghiệp vào q trình sản xuất Mục tiêu ứng dụng kỹ thuật robot công nghiệp nhằm nâng cao suất dây chuyền công nghệ, nâng cao chất lượng, giảm giá thành sản phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện lao động Sự cạnh tranh hàng hóa đặt cho vấn đề thời để hệ thống tự động hóa sản xuất phải có tính linh hoạt cao nhằm đáp ứng với biến động thường xuyên thị trường hàng hóa cạnh tranh Robot cơng nghiệp phận thiếu việc tạo hệ thống tự động sản xuất linh hoạt Việc nâng cao chất lượng điều khiển tay máy vấn đề cấp thiết nhiều nhà khoa học nước quan tâm Các hệ thống điều khiển tay máy chủ yếu dùng phương pháp kinh điển thiết kế theo phương pháp tuyến tính hóa gần Khi thơng số hệ thống thay đổi thơng số điều khiển giữ ngun dẫn đến làm giảm độ xác điều khiển ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm Với đời lý thuyết điều khiển đại (điều khiển thích nghi, điều khiển mờ, mạng nơron,…) tạo điều kiện cho việc xây dựng điều khiển thông minh đáp ứng yêu cầu công nghệ ngày cao sản xuất đại Trong năm gần có nhiều đề tài nghiên cứu ứng dụng hệ mờ để điều khiển đối tượng phi tuyến Trong đề tài này, tác giả nghiên cứu về: “Thiết kế điều khiển mờ theo đại số gia tử cho robot bậc tự do” Sau đề tài nghiên cứu này, thiết kế điều khiển để điều khiển robot 2 bậc tự theo dạng điều khiển đại, tính tốn thiết kế điều khiển đại số gia tử cho robot bậc tự do, đảm bảo điều khiển chuyển động robot cách xác Trên lý tác giả chọn đề tài: “Thiết kế điều khiển mờ theo đại số gia tử cho robot bậc tự do” Mục đích nghiên cứu - Tính tốn thiết kế điều khiển mờ đại số gia tử cho robot bậc tự do; kiểm tra kết thông qua mô thực nghiệm Đối tượng nghiên cứu - Điều khiển cánh tay robot hai bậc tự theo mờ đại số gia tử Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn đề tài 4.1 Ý nghĩa khoa học Bộ điều khiển mờ đại số gia tử giống công cụ điều khiển hệ thống phi tuyến với thông số chưa xác định Điều có ý nghĩa lớn mặt khoa học việc điều khiển đối tượng phi tuyến Đề tài đề cập đến ứng dụng mờ đại số gia tử việc điều khiển đối tượng phi tuyết đặc biệt điều khiển robot 4.2 Ý nghĩa thực tiễn Việc điều khiển canh tay robot áp dụng mờ đại số gia tử có ý nghĩa thực tiễn lớn Bời vì, robot áp dụng ngày rộng rãi nhiều lĩnh vực khác nhau, chúng phải làm việc môi trường có điều kiện khắc nghiêt ln thay đổi để thay cho người Việc nâng cao chất lượng điều khiển robot góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm, nâng cao suất hiệu lao động Hình 3.11: Sơ đồ mơ khớp tay máy 3.4 Thiết kế điều khiển mờ cho tay máy hai bậc tự Mục trình bày việc thiết kế điều khiển mờ Fuzzy1 Fuzzy2 cho mạch vòng vị trí hệ thống điều khiển tay máy, điều khiển mờ thay vào vị trí điều khiển ĐK1, ĐK2 Hình 3.1 Các điều khiển mờ cho khớp có cấu trúc tương tự nhau, sử dung mơ Hình mờ Mandani có đầu vào sai lệch tích phân sai lệch, đầu tín hiệu điều khiển (Hình 3.12) Dưới trình bày chi tiết việc thiết kế điều khiển mờ (Fuzzy1) Hình 12: Cấu trúc điều khiển mờ 3.4.1 Định nghĩa tập mờ đầu vào đầu Đầu vào sai lệch vị trí đặt vị trí thực khớp 1, mờ hóa tập mờ Hình Gauss (Hình 3.13) Đầu vào tích phân sai lệch, mờ hóa tập mờ Hình tam giác (Hình 3.14) Đầu mờ hóa hàm liên thuộc có hạng hàm Gauss (Hình 3.15) Hình 13: Các hàm liên thuộc đầu vào Hình 14: Các hàm liên thuộc đầu vào (sau hiệu chỉnh) Hình 15: Các hàm liên thuộc đầu 3.4.2 Xây dựng luật điều khiển Tổ hợp đầu vào ta có 25 luật điều khiển có dạng biểu thức (3.2) liệt kê bảng 3.2 If Input1 = mf-i and Input2 = mf-j Then output = mf-(i+j) Bảng 3.2: Các luật điều khiển (3.2) 3.4.3 Chọn luật hợp thành phương pháp giải mờ Chọn luật hợp thành Max-Min, giải mờ phương pháp điểm trọng tâm ta thu điều khiển mờ có luật tác động biểu diễn Hình 3.16 có quan hệ Vào – Ra biểu diễn Hình 3.17 Hình 3.16: Tác động luật điều khiển ứng với cặp giá trị đầu vào Hình 3.17: Quan hệ Vào – điều khiển mờ 3.4.4 Kết mô Kết nối điều khiển mờ vào hệ thống tay máy hai bậc tự do, ta có sơ đồ mơ Matlab-Simulink Hình 3.18 Kết mơ Hình 3.19 Hình 3.18: Sơ đồ mô hệ điều khiển tay máy điều khiển mờ Hình 3.19: Đường cong quĩ đạo khớp sử dụng điều khiển mờ 3.5 Xây dựng điều khiển đại số gia tử Cấu trúc hệ thống điều khiển sử dụng đại số gia tử (HAC) Hình 3.20) Trong điều khiển đại số gia tử gồm khối chức chính: - Khối ngữ nghĩa hóa định lượng ngử nghĩa - Khối hệ luật phương pháp luận - Khối giải ngữ nghĩa r e Ngữ nghĩa hóa & ĐLNN Hệ luât sở phương pháp luận Giải ngữ nghĩa u Đối tượng HAC Hình 3.20: Cấu trúc hệ thống điều khiển sử dụng đại số gia tử y - Các tham số tính tóan chọn sau: G = {0, Small, W, Large,1} H- = {Little} = {h-1}; q = H+ = {Very} = {h1}; p = fm(Small) = µ(h1) = 0,5 fm(Little) = µ(h-1) = 0,5 Khi đó: α = β = 0,5 fm(Large) = – fm(Small) = – 0,5 = 0,5 - Chuyển biến ngôn ngữ điều khiển mờ sang biến ngôn ngữ đại số gia tử + Biến đầu vào thứ E (sai lệch) fm-2  Small fm-1  Little Small fm0  fm+1  Little Large fm+2  Large W + Biến đầu vào thứ thứ hai TE (tích phân sai lệch) fm-2  Small fm-1  Little Small fm0  fm+1  Little Large fm+2  Large W + Biến đầu U (tín hiệu điều khiển) fm-4  Very very Small fm-3  Very Small fm-2  Small fm-1  Little Small fm0  fm+1  Little Large fm+2  Large fm+3  Very Large fm+4  Very Very Large W Sau chuyển nhãn ngơn ngữ ta có giá trị định lượng ngữ nghĩa, từ chuyển bảng FAM điều khiển mờ sang bảng SAM đại số gia tử, xây dựng chương trình giải ngữ nghĩa nội suy cho điều khiển HAC Kết nối điều khiển HAC vào đối tượng ta có sơ đồ mơ Hình 3.21 Đáp ứng độ hệ thống Hình 3.22 Hình 3.23 đáp ứng độ sử dụng điều khiển mờ sử dụng điều khiển đại số gia tử Hình 3.21: Sơ đồ mơ hệ thống điều khiển tay máy sử dụng đại số gia tử Hình 3.22: Đáp ứng độ tay máy điều khiển đai số gia tử Hình 3.23: So sánh đáp ứng độ hệ thống điều khiển mờ điều khiển đại số gia tử Nhận xét: Qua kết mơ từ Hình 3.23 ta thấy hai điều khiển (Fuzzy HAC) thỏa mãn yêu cầu chất lượng tay máy thời gian độ, độ điều chỉnh, … Song điều khiển sử dụng đại số gia tử có đáp ứng độ nhanh hơn, thời gian chạy mô nhanh so với điều khiển mờ 3.6 Kết luận chương Từ kết thu chương chương 2, chương thiết kế hẹ thống điều khiển cho tay máy bậc tự do, xây dựng điều khiển mờ điều khiển đại số gia tử cho mạch vòng điều khiển vị trí khớp tay máy; Tiến hành mơ hình hóa, mơ phần mềm MatlabSimulink để đánh giá chất lượng so sánh hai phương án: Sử dụng điều khiển mờ sử dụng đại số gia tử KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận: Đề tài : “Thiết kế điều khiển mờ theo đại số gia tử cho robot bậc tự do” Với nội dung chương: Chương 1: Tổng quan robot công nghiệp tay máy Chương 2: Tổng quan điều khiển mờ đại số gia tử Chương 3: Thiết kế điều khiển mờ đại số gia tử cho robot bậc tự Kết luận văn đạt là: - Nghiên cứu lý thuyết hệ mờ đại số gia tử, phân tích ưu, nhược điểm loại việc so sánh, kết hợp chúng tạo thành điều khiển robot bậc tự do, nhằm phát huy ưu điểm điều khiển mờ theo đại số gia tử điều khiển hệ thống phi tuyến - Xây dựng mơ hình tốn học cho robot bậc tự do, mô matlab; xây dựng hệ điều khiển qui luật điều khiển kinh điển, đồng thời tiến hành mô với quĩ đạo chuyển động khác để thấy rõ mối quan hệ tác động ảnh hưởng qua lại chuyển động đến chất lượng độ xác điều khiển vị trí robot - Xây dựng điều khiển mờ điều khiển theo đại số gia tử cho mạch vòng điều khiển khớp Các kết mô cho thấy hai điều khiển (Fuzzy HAC) thỏa mãn yêu cầu chất lượng tay máy thời gian độ, độ điều chỉnh, … Song điều khiển sử dụng đại số gia tử có đáp ứng độ nhanh hơn, thời gian chạy mô nhanh so với điều khiển mờ Kiến nghị Với việc nghiên cứu cánh tay robot hai bậc tự điều khiển mờ theo đại số gia tử đảm bảo chất lượng làm việc Tuy nhiên số bậc tự nhiều mơ hình đối tượng cấu trúc điều khiển phức tạp nhiều Nên thời gian tới nghiên cứu đề cuất nghiên cứu mờ theo đại số gia tử cho cánh tay robot có nhiều bậc tự TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Phạm Thanh Hà (2009), Phát triển phương pháp suy luận mờ sử dụng đại số gia tử ứng dụng, Luận án tiến sĩ bảo đảm tốn học cho máy tính hệ thống tính tốn, Viện cơng nghệ thơng tin Hà Nội [2] Nguyễn Cát Hồ, Phạm Thanh Hà (2007), “ Giải pháp kết hợp sử dụng đại số gia tử mạng nơ ron RBF việc giải toán điều khiển mờ”, Tạp chí tin học điều khiển học, 23(1),tr.39-49 [3] Nguyễn Như Hiển, Lại Khắc Lãi (2007), Hệ mờ mạng neuron kỹ thuật điều khiển, NXB Khoa học tự nhiên công nghệ, Hà Nội [4] Nguyễn Phương Huy (2014), Mơ hình kết hợp logic mờ giải thuật di truyền cho toán quản lý hàng đợi tích cực mạng TCP/IP, Luận án tiến sĩ chuyên ngành kỹ thuật viễn thông, trường ĐH Bách Khoa Hà Nội, Hà Nội [5] Bùi Quốc Khánh, Đoàn Quang Vinh, Nguyễn Hữu Phước (2007),” Điều khiển mờ PI cho truyền động T-Đ có tham số J biến đổi” Tạp chí khoa học & cơng nghệ, số 23, đại học Đà Nẵng, Đà Nẵng [6] Nguyễn Mạnh Tiến (2016), Điều khiển robot công nghiệp,NXB khoa học kỹ thuật , Hà Nội [7] Nguyễn Phùng Quang (2006), Matlab & Simulink, NXB khoa học kỹ thuật, Hà Nội [8] Nguyễn Thiện Phúc (2006), Robot công nghiệp, NXB khoa học kỹ thuật [9] Vũ Như Lân, Vũ Chấn Hưng, Đặng Thành Phu (2005), “Điều khiển sử dụng đại số gia tử”, Tạp chí khoa học Điều khiển học, 21(1),tr.23-27 Tiếng anh [10].N.D Anh, Hai – Le Bui, Nhu – Lan vu and Duc – Trung Tran (2013), “ Application of hedge algebra –based fuzzy controller to active control of a structure against earthquake”, Structural Control anh Health Monitoring, 20, pp, 483 – 495, Published online 23 December 2011 in Wiley Online Library (wileyonlinelibrary.com) DOI: 10,1002/stc.508 [11] Anirban BANREJEE,M J NIGAM (2011), “ Designing of proportional sliding mode controller for linear one stage inverted pendulum”, Power Engineering and Electrical Engineerinh, 9(2) [12] A N K Nasir, R M T Raja Ismail, M A Ahamd (2010), “ Performance Comparison between Sling Mode Control (SMC) and PD – PID Controllers for a Nonlinear Inverted Pendulum System”, World Academy of Science, Engineering anh Technology, ... giả chọn đề tài: Thiết kế điều khiển mờ theo đại số gia tử cho robot bậc tự do Mục đích nghiên cứu - Tính tốn thiết kế điều khiển mờ đại số gia tử cho robot bậc tự do; kiểm tra kết thông qua mô... tập mờ 25 2. 1.1 Khái niệm 25 2. 1 .2 Mơ hình mờ đa điều kiện 26 2. 2 Điều khiển mờ 28 2. 2.1 Cấu trúc điều khiển mờ 28 2. 2 .2 Phương pháp thiết kế điều khiển. .. thiết kế điều khiển để điều khiển robot 2 bậc tự theo dạng điều khiển đại, tính tốn thiết kế điều khiển đại số gia tử cho robot bậc tự do, đảm bảo điều khiển chuyển động robot cách xác Trên lý