Điều khiển tay máy 3 bậc tự do theo thuật toán PID cải tiến

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP HCM - PHẠM CÔNG VŨ Đề tài: ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY BẬC TỰ DO THEO THUẬT TOÁN PID CẢI TIẾN LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : Kỹ thuật điện Mó số ngành: 60520202 TP HỒ CHÍ MINH, tháng … năm …… CễNG TRèNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP HCM Cán hướng dẫn khoa học : TS Đồng Văn Hướng Luận văn Thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ TP HCM ngày … thỏng … năm … Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: (Ghi rừ họ, tờn, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ) …………………………………………………………… …………………………………………………………… …………………………………………………………… …………………………………………………………… …………………………………………………………… Xỏc nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau Luận văn sửa chữa (nếu cú) Chủ tịch Hội đồng đỏnh giỏ LV TRƯỜNG ĐH KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP HCM PHềNG QLKH - ĐTSĐH CỘNG HềA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc TP HCM, ngày … thỏng… năm 20 … NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tờn học viờn: Phạm Cụng Vũ Giới tớnh: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 26/03/1977 Nơi sinh:Biờn Hũa Chuyờn ngành: Kỹ thuật điện MSHV:1181031075 I- TÊN ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY BẬC TỰ DO THEO THUẬT TOÁN PID CẢI TIẾN II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Tỡm hiểu tổng quan cỏc phương pháp điều khiển robot - Lập phương trỡnh động học ngược - Lập trỡnh điều khiển tay máy scara theo thuật toán PID LabVIEW - Mụ 3D trờn LabVIEW - Thiết kế thi cụng robot III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 21/06/2012 IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 12/2012 V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Đồng Văn Hướng CÁN BỘ HƯỚNG DẪN Đồng Văn Hướng KHOA QUẢN LÍ CHUN NGHÀNH LỜI CAM ĐOAN Tơi tên Phạm Công Vũ học viên cao học ngành Kỹ Thuật Điện Khóa 2011 Trường Đại Học Kỹ Thuật Cơng Nghệ TP Hồ Chí Minh Tơi xin cam đoan hoàn toàn chịu trách nhiệm: - Toàn nội dung luận văn tơi thực hướng dẫn tận tình TS Đồng Văn Hướng - Các kết thí nghiệm mơ hình thực nghiệm cánh tay bậc tự sử dụng luận văn Thạc sỹ hoàn tồn chân thật - Trong q trình thực luận văn, tơi có sử dụng tài liệu tham khảo ngồi nước Phạm Cơng Vũ LỜI CẢM ƠN Trong q trình thực luận văn, tơi gặp nhiều khó khăn, phải cố gắng nỗ lực nhiều để hoàn thành luận văn thạc sĩ Tuy nhiên, tơi khơng thể hồn thành luận văn khơng có quan tâm, giúp đỡ gia đình, thầy cơ, bạn bè đồng nghiệp Đạt kết ngày hôm nay, xin gởi lời cảm ơn chân thành đến: - Các Thầy Cô Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghệ TP Hồ Chí Minh giảng dạy cho tơi nhiều kiến thức bổ ích suốt q trình học, trình nghiên cứu - Trường Đại Học Kỹ Thuật Cơng Nghệ TP Hồ Chí Minh, Phòng QLKH – ĐTSĐH tạo điều kiện để tơi hồn thành luận văn - Người Thầy, TS Đồng Văn Hướng người trực tiếp tận tình hướng dẫn giúp đỡ tơi đường nghiên cứu để tơi hồn thành luận văn - Cuối tơi xin cảm ơn tất bạn bè, người thân gia đình giúp đỡ tơi đường học tập nghiên cứu Phạm Cơng Vũ TĨM TẮT Luận văn thực nghiên cứu sau: - Tìm hiểu tình hình nghiên cứu robot nước ta nước khác giới Trình bày lý chọn đề tài, mục tiêu nội dung nghiên cứu đề tài, điểm đề tài, giá trị thực tiển phương pháp nghiên cứu, nội dung thực chương - Trình bày sở lý thuyết tổng quan robot cơng nghiệp, phân loại ứng dụng robot, Tìm hiểu chung động điện chiều Các nội dung trình bày chương I - Các phương pháp điều khiển động lực học ngược, phản hồi phân ly tuyến tính, thích nghi theo sai lệch, thích nghi theo mơ hình mẫu, động lực học thích nghi phương pháp điều khiển trượt Các phương pháp điều khiển trình bày chương II - Nghiên cứu toán động học tay máy scara, lập phương trình động học ngược, giải tốn theo phép biến đổi giải tích, Viết chương trình điều khiển tay máy scara theo thuật tốn PID mơ 3D dựa ngơn ngữ lập trình LabVIEW Các nội dung trình bày chương III - Thiết kế thi cơng robot, trình bày chương IV - Trong chương cuối cùng, chương V, tác giả kết luận lại ý nghĩa đề tài nêu kiến nghị hướng phát triển đề tài ABSTRACT Presentation of selected topics reasons, objectives and content of research topics, new topics, practical value and research methods, this content is made in chapter Presentation of the theoretical basis of an overview of the industrial robots, classification and application of robots, Learn common DC motor The content is presented in Chapter I The method of dynamic contrast control, feedback linear separation, adaptation by bias, adapted by models, dynamic adaptive and slider control method These control methods are presented in Chapter II The mathematical study of robotics SCARA, reverse kinematic equations, solve by analytic transformations, Write a program to control SCARA manipulator with PID algorithm and simulation-based 3D programming languageLabVIEW The content is presented in Chapter III Design and construction of the robot, is presented in Chapter IV In the final chapter, Chapter V, the authors conclude that the meaning of the subject and outlined proposals on development topics MỤC LỤC Trang Lời cam đoan i Lời cám ơn ii Mục lục v Danh mục hình - vii CHƯƠNG GIỚI THIỆU LUẬN VĂN -1 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Tính cấp thiết đề tài 1.3 Mục tiêu, nội dung phương pháp nghiên cứu 1.4 Phương pháp nghiên cứu -4 1.5 Điểm luận văn -5 1.6 Giá trị thực tiễn luận văn 1.7 Bố cục luận văn -5 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP -6 2.1.1 Lịch sử phát triển -6 2.1.2 Phân loại Robot công nghiệp 2.1.3 Ứng dụng robot -10 2.1.4 Tổng quan tình hình nghiên cứu Robot nước- -14 CHƯƠNG ĐỘNG HỌC TAY MÁY. 15 3.1 Động học thuận 15 3.2 Bài toán động học ngược -16 3.3 Lưu đồ thuật toán điều khiển robot 16 CHƯƠNG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CHO ĐỘNG CƠ DẪN ĐỘNG CÁC KHỚP 4.1 Giới thiệu điều khiển PID thông thường -18 4.2 Điều khiển pid cải tiến. -23 4.3 Thiết kế pid cải tiến 31 4.4 Mô -32 4.5 Giao diện điều khiển tay máy 34 4.6 Kết thực nghiệm tay máy bậc tự -43 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO -47 PHỤ LỤC - 48 10 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình -1: Sơ đồ khối điều khiển tay máy Hình - 2: Sơ đồ mạch điều khiển động -3 Hình - 3: Sơ đồ mạch điều khiển động -3 Hình - 4: Mơ hình tay máy bậc tự Hình – 1: Robot dây chuyền trung tâm sản xuất linh hoạt. -12 Hình – 2: Rôbốt phục vụ máy phay CNC. 13 Hình – 3: Robot Mitsubishi RV-2AJ 14 Hình - 1: Sơ đồ cánh tay máy hai khâu -15 Hình – 2: Lưu đồ thuật toán điều khiển tay máy 17 Hình 4-1: Sơ đồ hệ thống điều khiển mờ 24 Hình 4-2: Cấu trúc điều khiển mờ -24 Hình 4-3: Sơ đồ điều khiển mờ -24 Hình 4-4: Sơ đồ điều khiển sử dụng PID mờ 27 Hình 4-5: Luật chỉnh định PID 29 Hình 4-6: Bộ điều khiển PD mờ dùng hệ quy tắc Mamdani -29 Hình 4-7: Bộ điều khiển PI mờ dùng hệ quy tắc Mamdani 30 Hình 4-8: Bộ điều khiển PID mờ dùng hệ quy tắc Mamdani 31 Hình 4-9: Điều khiển PID cải tiến 32 Hình –10: Mơ PID thông thường -32 Hình 4-11: Kết mô PID thông thường -32 Hình 4-12: PID mờ -33 Hình 4-13: Kết mơ phỏngPID cải tiến -35 Hình -14: Thiết bị phần cứng 36 Hình 4- 15: Sơ đồ động học tay máy -45 Hình 4- 16: Sơ đồ kết nối mạch điều khiển dẫn động khớp -46 Hình 4- 17: Sơ đồ kết nối mạch điều khiển dẫn động khớp khí nén 47 43 Kết mơ PID thơng thường H ình 4.11: Kết mô PID thông thường 4.4.2 Mô PID cải tiến cho động DC Matlab H ình 4.12: PID mờ Kết mô PID cải tiến H ình 4.13: Kết mô phỏngPID cải tiến 44 Nhận xét: - Kết mô PID thông thường cho thấy tốc độ bám động khoảng giây Trong tốc độ bám PID cải tiến o,1 giây 4.5 Giao diện điều khiển tay máy Hình 4-14: Giao diện điều khiển tay máy bậc tự 45 Hình 4-15: Lập trình PID Hình 4.16: Lập trình PID cho khớp 46 Hình 4-17: Lập trình PID cho khớp Hình 4-18: Giải tốn động học ngược 47 Do chuyển động robot Scara đơn giản, dễ dàng nên sử dụng phổ biến công nghiệp Ở nghiên cứu robot Scara (Hình 4-15) loại nhóm robot cơng nghiệp Hình 4-19: Robot Scara Chiều cao Robot thay đổi dễ dàng tùy theo thơng số thiết kế vị trí gá thân robot trục bản, giúp tay máy thuận lợi việc thay đổi công việc Truyền động cho khớp tay máy động DC chiều có phản hồi vị trí tạo thành vòng điều khiển kín Chuyển động thẳng đứng thực piton khí nén Robot Scara lập trình từ máy tính cách đặt liệu cho trục Hoặc điều khiển tay sử dụng thiết bị lái điện (steering) cho tay máy dùng cuộn dây điện từ giá treo (pendant) 4.5.1 Sơ đồ cấu trúc điều khiển tay máy: 48 4.5.2 Mạch điện tay máy robot scara Hình 4-20: Thiết bị phần cứng Card USB HDL 9090 card thu thập liệu xuất tín hiệu điều khiển đa Ngoài chức thu thập liệu từ cảm biến, điều khiển ON/OFF, điều chế xung PWM v.v HDL 9090 có chức Digital input ứng dụng linh hoạt 49 Mơ tả cụ thể chân tín hiệu card HDL 9090 bảng sau: • NIVISA phiên 3.1 cao hơn: phần mềm công ty NI, phải cài phần mềm trước muốn giao tiếp LabVIEW (PC) với thiết bị ngoại vi • Thực bước kết nối thiết bị USB HDL 9090 vào máy tính • Hàm hocdelam USB 9090: Để truyền nhận tín hiệu từ LabVIEW với card HDL 9090 cần sử dụng hàm 50 Mô tả chân hàm USD HDL 9090 để lập trình bảng sau: 51 Sơ đồ mạch điều khiển -+ -+ -+ -+ Connector HDL DIR2 PWM2 PWM1 DIR1 220VAC 12VDC HDL Dual driver 12VDC Van điều khiển Ben 10 MOTOR2 VDC GND MOTOR1 Card điều khiển động (7) (Link 2) Card điều khiển động (3) (Link 1) 12VDC Van điều khiển Ben (Sơ đồ đấu nối chi tiết xem trang sau) Hình 4-21: Sơ đồ mạch điều khiển h 52 HDL HDL Dual Dual driver driver Hình 4-22: Sơ đồ kết nối mạch điều khiển dẫn động khớp 53 Hình 4-23: Sơ đồ kết nối mạch điều khiển dẫn động khớp khí nén 4.6 Kết thực nghiệm tay máy bậc tự Chưa cải tiến: Vị trí khớp KP KI KD 0.2 Đồ thị đáp ứng: Vị trí khớp Chưa cải tiến: Vị trí khớp 2,5 0.2 Vị trí khớp 54 Vị trí khớp KP KI KD 0,5 Vị trí khớp 0,5 Đồ thị đáp ứng: Vị trí khớp Vị trí khớp Sau cải tiến: Vị trí khớp KP KI KD 0,5 Vị trí khớp 3,5 0,5 Đồ thị đáp ứng: Vị trí khớp Vị trí khớp Sau cải tiến: Vị trí khớp KP KI KD 0,12 Vị trí khớp 0,12 55 Đồ thị đáp ứng: Vị trí khớp Vị trí khớp Để có kết đáp ứng cuối mong muốn Tác giả cải tiến PID cách đóng băng tích phân sau: 500 · 100 50 ·· · · · · · · Cao (100) - 100 – 500 Giá trị đầu vào 100 500 CHƯƠNG V: Thấp (0) KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 5.1 Kết Luận: Qua thời gian nghiên cứu, mô đến thiết kế thi công phần cứng Đề tài giải vấn đề sau: 56 - Nghiên cứu cách tổng quan robot: phát triển, phân loại, sơ đồ cấu trúc chức robot ứng dụng robot công nghiệp… - Xây dựng phân tích lý thuyết điều khiển robot, giới thiệu số phương pháp thường sử đụng để điều khiển robot công nghiệp - Nghiên cứu phần tử truyền động, cấu chấp hành robot cấp phôi tự động, tìm hiểu tính chất phần tử khí nén, loại động điện ứng dụng chúng, từ đưa phương án thích hợp trường hợp cụ thể - Thiết kế thi công robot cánh tay bậc tự với cấu gấp/ thả - Thiết kế thi công mạch điều khiển, mạch động lực cho robot tay máy - Ứng dụng thuật toán PID cải tiến với phần mềm labVIEW vào chức tay máy robot - Ứng dụng mô 3D labVIEW để trực quan tính hiệu điều khiển - Hồn thiện mơ hình tay máy bậc tự điều khiển tự động dùng labVIEW, thiết bị chương trình chạy theo yêu cầu thiết kế cách ổn định xác 5.2 Hướng phát triển đề tài: - Tăng kích thước cơng suất tay máy cách thay đổi động có cơng suất lớn - Tăng độ xác tay máy - Điều khiển tay máy giọng nói TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Thiện Phúc, Robot Công nghiệp, NXB KH & KT Hà Nội 2002, 326 p 57 [2] Nguyễn Thiện Phúc, Báo cáo tổng hợp tình hình nghiên cứu ứng dụng phát triển khoa học công nghệ Robot Việt Nam, Sở Khoa Học Công Nghệ, 5/2010 [3] Lê Quốc Hà, Đỗ Quang Minh, Ngô Văn Thành, Trần Viết Thắng, Nguyễn ngọc Lâm, Nguyễn Công Hiền, Thiết kế, chế tạo mô hình thực nghiệm điều khiển thơng minh mơ cho tay máy bậc tự VICA, Hà Nội 2005 [4] Nguyễn Mạnh Tiến, Điều Khiển Robot công nghiệp, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2007 [5] Nguyễn Thiện Phúc, Tay máy-Người máy công nghiệp [6] Đào Văn Hiệp, Kỹ thuật ROBOT ... thiết kế đề thuật toán điều khiển nhằm nâng cao chất lượng đáp ứng robot Với mong muốn tìm hiểu sâu lĩnh vực cánh tay Robot Chính đề tài Điều khiển tay máy bậc tự theo thuật toán PID cải tiến thực... hiểu lý thuyết điều khiển cánh tay bậc tự thuật toán PID làm sở cho việc thiết kế điều khiển cho robot - Tham khảo sách, báo mạng robot 15 - Nghiên cứu Thuật toán điều khiển PID cải tiến cho robot... Ngày, tháng, năm sinh: 26/ 03/ 1977 Nơi sinh:Biờn Hũa Chuyờn ngành: Kỹ thuật điện MSHV:1181 031 075 I- TÊN ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY BẬC TỰ DO THEO THUẬT TOÁN PID CẢI TIẾN II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: