Nghiên cứu, ứng dụng hệ mờ lai cho tay máy

i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP PHÙNG THANH KIÊN NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG HỆ MỜ LAI CHO TAY MÁY LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT THÁI NGUYÊN, 2014 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP PHÙNG THANH KIÊN NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG HỆ MỜ LAI CHO TAY MÁY CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA MÃ SỐ: 60520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT PHÒNG QUẢN LÝ ĐT SAU ĐẠI HỌC NG•ỜI H•ỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS LẠI KHẮC LÃI Thái Nguyên, 2014 LỜI CAM ĐOAN Tên là: Phùng Thanh Kiên Sinh ngày: 31/7/1981 Học viên lớp cao học Khoá 14 - Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa - Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên Hiện công tác tại: Trường Cao đẳng nghề Yên Bái Xin cam đoan luận văn “Nghiên cứu, ứng dụng hệ mờ lai cho tay máy ” Thầy giáo PGS.TS Lại Khắc Lãi hướng dẫn cơng trình nghiên cứu riêng tơi Tất tài liệu tham khảo có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng 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 Học viên Phùng Thanh Kiên năm 2013 LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương, nghiêm túc hướng dẫn Thầy giáo PGS.TS Lại Khắc Lãi, luận văn với đề tài “Nghiên cứu, ứng dụng hệ mờ lai cho tay máy” hồn thành Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới: Thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Lại Khắc Lãi tận tình dẫn, giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn Các giảng viên thuộc Khoa Điện; Khoa Điện tử; Phòng Sau đại học … Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên số đồng nghiệp, quan tâm động viên, giúp đỡ tác giả suốt trình học tập để hoàn thành luận văn Mặc dù với cố gắng triệt để, song hạn chế điều kiện thời gian kinh nghiệm thực tế thân nên đề tài khơng thể tránh khỏi thiếu sót Vì vậy, tác giả mong nhận đóng góp ý kiến thầy giáo, cô giáo bạn bè đồng nghiệp Từ đó, góp phần đưa ứng dụng đề tài nghiên cứu vào thực tế cách rộng rãi, hiệu Tôi xin chân thành cảm ơn! Học viên Phùng Thanh Kiên MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN iv MỤC LỤC v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ viii DANH MỤC CÁC BẢNG x LỜI NÓI ĐẦU PHẦN 1: PHẦN MỞ ĐẦU .3 Lý chọn đề .3 Mục tiêu cần .3 tài đạt Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn đề tài .3 PHẦN 2: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN MỜ .5 1.1 Tổng quan lôgic mờ điều khiển mờ 1.1.1 Tổng quan lôgic mờ 1.1.2 Tổng quan điều khiển mờ 1.2 Các điều khiển mờ phương pháp tổng hợp điều khiển mờ 17 1.2.1 Các điều khiển mờ 17 1.2.2 Phương pháp tổng hợp điều khiển mờ .18 1.3 Bộ điều khiển mờ lai 20 1.3.1 Khái 20 niệm 1.3.2 Các cấu trúc điều khiển mờ lai thông dụng 20 1.3.3 Một số ví dụ .23 ứng dụng điều khiển mờ lai 1.4 Kết luận chương 27 CHƯƠNG 2: MƠ TẢ TỐN HỌC TAY MÁY 28 2.1 Sơ lược trình phát triển robot công nghiệp 28 2.2 Ứng dụng .29 robot công nghiệp 2.3 Các cấu trúc robot công nghiệp .31 2.3.1 Cấu trúc chung 31 2.3.2 Kết cấu tay máy .32 2.4 Tay máy bậc tự 33 2.4.1 Thiết lập hệ tọa độ: 33 2.4.2 Mô hình biến đổi: 34 2.4.3 Phương trình động học: 35 2.4.4 Tổng hợp chuyển động Robot : .35 2.4.5 Động lực học Robot: .37 2.5 Kết luận chương 48 CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI CHO TAY MÁY (FUZZY - PID) 49 49 3.2 Thiết kế điều khiển mờ lai cho tay máy bậc tự .53 64 3.4 Kết luận chương 70 PHẦN 3: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO 72 vi i DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Stt Viết tắt Ý nghĩa PID Proportional Integral Derivative PI Proportional Integral DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1 - Mờ hóa biến “tốc độ” Hình - Sơ đồ khối điều khiển mờ Hình - Hàm liên thuộc luật hợp thành 12 Hình - Giải mờ phương pháp cực đại 14 Hình - Giải mờ theo nguyên lý trung bình 15 Hình - Giải mờ theo nguyên lý cận trái 15 Hình - Giải mờ theo nguyên lý cận phải 16 Hình - Giải mờ theo phương pháp điểm trọng tâm 16 Hình - Các điều khiển mờ .18 Hình 10 - Cấu trúc tổng quát hệ mờ .18 Hình 11 - Mơ hình điều khiển mờ lai kinh điển .21 Hình 12 - Cấu trúc hệ mờ lai Cascade 22 Hình 13 - Điều khiển PI mờ hệ ổn định mực chất lỏng RT010 23 Hình 14 - Kết điều khiển PI mờ hệ ổn định mực chất lỏng RT010 24 Hình 15 - Điều khiển PI mờ hệ ổn định lưu lượng RT020 24 Hình 16 - Kết điều khiển PI mờ hệ ổn định lưu lượng RT020 25 Hình 17 - Điều khiển PI mờ hệ ổn định áp suất RT030 .26 Hình1 18 - Kết điều khiển PI mờ hệ ổn định áp suất RT030 27 Hình - Sơ đồ cấu trúc chung robot công nghiệp 31 Hình 2 - Sơ đồ cấu trúc chung hệ thống cảm biến 32 Hình - Sơ đồ kết cấu tay máy .33 Hình - Tay máy khâu phẳng (vị trí bất kỳ) .34 Hình - Cơ cấu tay máy bậc (khâu) 45 Hình - Mơ hình cấu trúc đối tượng phần mềm Matlab 49 Hình - Cấu trúc chi tiết đối tượng phần mềm Matlab .49 Hình 3 - Mơ hình cấu trúc điều khiển phần mềm Matlab 50 Hình - Mơ hình cấu trúc lọc đầu vào phần mềm Matlab .50 Hình - Sơ đồ cầu trúc mô hệ điều khiển Robot bậc tự 51 Hình - Đáp ứng đầu biến khớp Robot .51 Hình - Sai lệch tín hiệu đặt tín hiệu thực biến khớp .52 Hình - Tín hiệu điều khiển biến khớp Robot 52 Hình - Đáp ứng nhiễu hệ thống có điều khiển PD 53 Hình 10 - Bộ điều khiển Mờ lai 54 Hình 11 - Định nghĩa biến vào điều khiển mờ 54 Hình 12 - Định nghĩa biến vào điều khiển mờ 55 Hình 13 - Định nghĩa tập mờ cho biến ET điều khiển mờ 56 Hình 14 - Định nghĩa tập mờ cho biến dET điều khiển mờ 57 Hình 15 - Định nghĩa tập mờ cho biến U điều khiển mờ 57 Hình 16- Xây dựng luật điều khiển cho điều khiển mờ 58 Hình 17 - Quan sát tín hiệu vào mờ 59 Hình 18 - Bề mặt đặc trưng cho quan hệ vào điều khiển mờ 59 Hình 3.19 - Đáp ứng nhiễu hệ thống có điều khiển mờ 60 Hình 20 - Các thơng số cánh tay robot bậc tự 60 Hình 21 - Quỹ đạo bám biến khớp sử dụng điều khiển mờ 61 Hình 22 - Tín hiệu điều khiển biến khớp 62 Hình 23 - Sai lệch tín hiệu đặt tín hiệu bám biến khớp 62 Hình 3.24 - Mơ hình thực nghiệm 64 Hình 25 - Sơ đồ khối chạy thực nghiệm .65 Hình 26 - Cấu hình cổng kết nối 65 Hình 27 - 66 Hình 28 - Cấu hình đọc encoder 66 Hình 29 - Cấu hình xuất tín hiệu PWM 67 Hình 30 - Điều khiển tốc độ chiều quay động 67 Hình 31 - Cấu hình đầu số 68 Hình 32 - Sơ đồ khối chạy thực nghiệm .68 Hình 33 - Kết chạy thực nghiệm cho biến khớp .69 Hình 34 - Kết chạy thực nghiệm cho biến khớp .69 Hình 17 - Quan sát tín hiệu vào mờ Hình 18 - Bề mặt đặc trưng cho quan hệ vào điều khiển mờ Sử dụng công cụ Toolbox Fuzzy Logic Simulink phần mềm Matlab để xây dựng điều khiển mờ theo thiết kế Công cụ Toolbox Fuzzy Logic cho phép người sử dụng thiết kế điều khiển mờ nhanh chóng, xác Số hóa Trung tâm Học liệu tnu.edu.vn/ cho phép kết xuất kết vùng Workspace để tiến hành mô công cụ Simulink Matlab Sơ đồ mô điều khiển mờ phần mềm Matlab Simulik sau: Hình 3.19 - Đáp ứng nhiễu hệ thống có điều khiển mờ Robot viết dạng khối function tùy nhập thơng số Hình 10 - Các thơng số cánh tay robot bậc tự Số hóa Trung tâm Học liệu tnu.edu.vn/ Bộ thông số cho Robot xác định sau: Thông số Cánh tay Cánh tay Khối lượng cánh tay (kg) 1.5 Chiều dài cánh tay (m) 0.5 0.5 Momen quán tính (kg.m ) 0.02 0.035 Tỉ số truyền động 1 Lực Viscous friction (Ns/m) 0.15 0.15 Lực coulomb friction (N) 2 Bảng - Thông số cho cánh tay robot bậc tự Kết mơ sử dụng cơng cụ Matlab-Simulink Hình 11 - Quỹ đạo bám biến khớp sử dụng điều khiển mờ Số hóa Trung tâm Học liệu tnu.edu.vn/ Hình 12 - Tín hiệu điều khiển biến khớp Hình 13 - Sai lệch tín hiệu đặt tín hiệu bám biến khớp Số hóa Trung tâm Học liệu tnu.edu.vn/ Nhận xét: Bộ điều khiển PD-FUZZY cho đáp ứng đầu hệ thống tốt (hình 3.21) với thay đổi tín hiệu vào có dạng bậc thang qua lọc có dạng (hình 3.21), cụ thể sai lệch tín hiệu đặt tín hiệu thực hai biến khớp nhỏ tầm 10- biểu thị (hình 3.23) Đồng thời tín hiệu điều khiển cho hai biến khớp cụ thể cung cấp giá trị điện áp đầu vào cho hai động để quay hai biến khớp thể (hình 3.22) Số hóa Trung tâm Học liệu tnu.edu.vn/ 3.3 Kết Điện - Điện tử - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên : Arduino Board: nhận tín hi - : Máy tính cài đặt phần mềm Matlab Simulink Mơ hình Cánh tay robot bậc tự Mạch công suất điều khiển động cánh tay robot Hình 14 Card Arduino Board - : kết nối với Simulink Hình 3.24 - Mơ hình thực nghiệm Khối nguồn - Cấu trúc mơ hình: Hình 15 - Sơ đồ khối chạy thực nghiệm Việc điều khiển chuyển động bám ch thực qua điều khiển vị trí, việc thực qua điều khiển động servo Tín hiệu hệ thống bám xác theo tín hiệu đặt, có sai lệch, tín hiệu hệ thống qua encoder gửi so sánh với giá trị đặt điều khiển, từ điều khiển gửi tín hiệu để điều khiển động cho tín hiệu bám chặt theo tín hiệu đặt Hình 16 - Cấu hình cổng kết nối Hình 17 - Hình 18 - Cấu hình đọc encoder Hình 19 - Cấu hình xuất tín hiệu PWM Hình 20 - Điều khiển tốc độ chiều quay động Hình 21 - Cấu hình đầu số - Sơ đồ thực nghiệm hệ thống điều khiển Robot sử dụng Matlab Simulink: Hình 32 - Sơ đồ khối chạy thực nghiệm Kết chạy thực nghiệm điều khiển cho cánh tay Robot Hình 33- Kết chạy thực nghiệm cho biến khớp Trong đó: Đường “mầu xanh” quỹ đạo đặt cho biến khớp Đường “mầu tím gạch” quỹ đạo chuyển động tay máy Kết chạy thực nghiệm chu kỳ: Quỹ đạo đặt Tín hiệu sai lệch Tín hiệu điều khiển Hình 224 - Kết chạy thực nghiệm cho biến khớp Nhận xét: Bộ điều khiển PI-FUZZY cho kết tốt chu kỳ chạy thực nghiệm, một, hai chu kỳ đầu sai lệch quỹ đạo thực quỹ đạo đặt biến khớp điều khiển khoảng 0.05, chu kỳ quỹ đạo robot điều khiển ổn định thể (hình 3.33) (hình 3.34) 3.4 Kết luận chương Trong chương tác giả xây dựng điều khiển mờ lai (FUZZY - PID) để điều khiển cánh tay Robot Đồng thời tác giả tiến hành mô thực nghiệm để kiểm nghiệm lý thuyết Kết cho thấy điều khiển mờ lai làm việc theo chế thích nghi thực bám tín hiệu đặt tốt Bộ điều khiển linh hoạt có nhiều ưu điểm so với điều khiển kinh điển khác áp dụng cho điều khiển cánh tay robot PHẦN 3: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Đề tài: "Nghiên cứu, ứng dụng hệ mờ lai (Fuzzy - PID) cho tay máy" hoàn thành mục đích, yêu cầu tác giả đặt thu số kết cụ thể sau: - Nghiên cứu lý thuyết lôgic mờ, điều khiển mờ hệ điều khiển kinh điển; phân tích ưu nhược điểm loại kết hợp chúng thành hệ mờ lai nhằm phát phát huy ưu điểm điều khiển mờ điều khiển PID điều khiển hệ thống phi tuyến; - Xây dựng mơ hình tốn học robot bậc tự do; mô robot Matlab; xây dựng hệ điều khiển chuyển động robot 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 lai (FUZZY - PID) cho mạch vòng điều khiển cánh tay robot Các kết mô cho thấy điều khiển mờ lai làm việc theo chế thích nghi thực việc bám tốt Bộ điều khiển linh hoạt áp dụng để điều khiển hệ thống thực - , TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT [1] Nguyễn Như Hiển, Lại Khắc Lãi (2007), Hệ mờ nơron kỹ thuật điều khiển, NXB Khoa học tự nhiên công nghệ, Hà Nội [2] Lại Khắc Lãi (2007), "Một phương pháp xây dựng mơ hình đối tượng phi tuyến hệ điều khiển dự báo" Tạp chí Khoa học Cơng nghệ - Đại học Thái Nguyên, số 3(43), trang 73-79 [3] Nguyễn Quốc Định, Phan Xuân Lễ (2007), Nghiên cứu sử dụng hệ mờnơron điều khiển mức chất lỏng cho hệ bồn nước đơi Tạp chí Khoa học Cơng nghệ - Đại học Đà Nẵng, số 4(39) [4] Nguyễn Mạnh Tiến (2007), Điều khiển Robot công nghiệp, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [5] Bùi Cơng Cường, Nguyễn Dỗn Phước (2006), Hệ mờ mạng nơron ứng dụng, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [6] Nguyễn Phùng Quang (2006), Matlab & Simulink, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [7] Nguyễn Trọng Thuần (2006), Điều khiển lôgic ứng dụng, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [8] Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh (2006), Lý thuyết điều khiển mờ, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [9] Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, Hán Thành Trung (2003), Lý thuyết điều khiển hệ phi tuyến, NXB Khoa học Kỹ thuật [10] Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, Vũ Vân Hà (2004), Tự động hoá với Simatic S7-300, NXB Khoa học Kỹ thuật [11] Nguyễn Vãn Minh Trí, Lê Vãn Mạnh (2010), “Thiết kế điều khiển PID bền vững cho hệ thống phi tuyến bậc hai nhiều đầu vào – Nhiều đầu ứng dụng điều khiển tay máy công nghiệp”, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ, Đại học Đà Nẵng , số 4(39) [12] Nguyễn Manh Hùng, Ngô Thanh Quyền (2011), “Thiết kế điều khiển mờ đầu vào cho cánh tay robot”, Tạp Chí Đại Học Cơng Nghiệp, số 9(06) [13] Nguyễn Manh Hùng, Ngô Thanh Quyền (2011), “Điều khiển bám đuổi mạng neural thích nghi cho cánh tay robot bao gồm động lực học cấu truyền động” Tạp Chí Đại Học Cơng Nghiệp, số 9(06) TIẾNG ANH: [14] Nikos C Tsourveloudis, Ramesh Kolluru, Kimon P Valavanis and Denis Gracanin, 1999, Suction Control of a Robotic Gripper: A Neuro Fuzzy Approach, Robotics and Automation Laboratory, The Center for Advanjced Computer Studies and A-CIM Center, University of Louisiana at Lafayette, Lafayette, LA, USA; [15] C Altrock and B Krause, "Fuzzy Logic and Neurofuzzy Technologies in Embedded Automotive Applications", Proceedings of Fuzzy Logic '93, pp A113-1 A113-9 [16] R Lea, Y Jani, and H Berenji, "Fuzzy Logic Controller with Reinforcement Learning for Proximity Operations and Docking", Fifth IEEE International Symposium on Intelligent Control, 1990 [17] TS.Nguyễn Duy Cương (2013), Design of a PD Controller Combined with a MRAS-based LFFC for a Two – Link Robot Manipulator CÁC WEBSITE http://www.siemens.com.vn/index.htm www.sciencedirect.com/ www.ebook.edu.vn/ www.tailieu.vn/ www.tnut.edu.vn/ ... tài là: "Nghiên cứu, ứng dụng hệ mờ lai cho tay máy" Mục tiêu cần đạt Xây dựng điều khiển mờ lai cho cánh tay robot đảm bảm yêu cầu chất lượng, cụ thể là: - Nghiên cứu, ứng dụng hệ mờ lai để điều... trúc điều khiển cho cánh tay Robot, điều khiển tay máy công nghiệp Đề tài Nghiên cứu, ứng dụng hệ mờ lai cho tay máy đề xuất phương pháp thiết kế điều khiển cho mơ hình Cánh tay Robot RD5NT... tài Nghiên cứu, ứng dụng hệ mờ lai cho tay máy đề xuất với mục đích: Mơ việc điều khiển bậc mô hình Cánh tay Robot bậc tự RD5NT phần mềm MatLab 2 Thiết kế điều khiển cho bậc mơ hình Cánh tay