Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển trượt bậc hai cho tay máy robot công nghiệp

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA  MAI TIẾN SỸ NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT BẬC HAI CHO TAY MÁY ROBOT CÔNG NGHIỆP Chuyên ngành : Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Mã số : 62.52.02.16 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ TỰ ĐỘNG HĨA Đà Nẵng – Năm 2020 Cơng trình hoàn thành TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS Lê Tiến Dũng Phản biện 1: TS Nguyễn Quốc Định Phản biện 2: TS Hà Xuân Vinh Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật điều khiển tự động hóa họp Trường Đại học Bách khoa vào ngày 18 tháng năm 2020 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thông tin - Học liệu, Trường ĐHBK - Đại học Đà Nẵng - Thư viện Khoa điện, Trường ĐHBK - Đại học Đà Nẵng MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Vấn đề nghiên cứu thuật toán điều khiển tay máy robot công nghiệp nhà nghiên cứu, trường đại học, viện nghiên cứu công ty đầu tư thực nhiều thập kỷ qua Trong đó, phương pháp điều khiển trượt (Sliding mode control) nhận nhiều ý phương pháp điều khiển hữu ích, mạnh mẽ hiệu để khắc phục thành phần bất định, nhiễu loạn bên biến thiên tham số khơng thể đốn trước tay máy robot công nghiệp Tuy nhiên, phương pháp điều khiển trượt tồn số nhược điểm cần phải xây dựng mơ hình động lực học tay máy robot tồn tượng dao động (chattering) tín hiệu điều khiển Chính vậy, ngày biến thể cải tiến phương pháp điều khiển trượt áp dụng cho tay máy robot công nghiệp tiếp tục nghiên cứu để nâng cao chất lượng, hiệu hoạt động điều khiển tay máy robot công nghiệp Trong đề tài này, học viên hướng đến việc nghiên cứu, thiết kế thuật toán điều khiển trượt bậc hai (Second-order sliding mode control) cho tay máy robot công nghiệp nhằm mục tiêu tăng độ xác, bền vững đồng thời khắc phục tượng chattering Mục tiêu nhiệm vụ nghiên cứu  Mục tiêu tổng quát:  Mục tiêu cụ thể: Đối tƣợng phƣơng pháp nghiên cứu Đối tƣợng nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu  Phương pháp nghiên cứu lý thuyết:  Nghiên cứu thực tiễn: C u tr c uận văn Bản luận văn gồm chương chính, nội dung tóm tắt sau: Chƣơng 1: Giới thiệu chung Chƣơng 2: Động ực học tay máy robot Chƣơng 3: Thiết kế thuật tốn điều khiển tay máy robot cơng nghiệp Chƣơng 4: Mô đánh giá kết Tổng quan tài iệu nghiên cứu CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Giới thiệu ịch sử phát triển Robot công nghiệp 1.2 Giới thiệu tay máy robot công nghiệp Robot công nghiệp tay máy tự động linh hoạt thay phần toàn hoạt động bắp hoạt động trí tuệ Robot kết hợp mối liên kết học, điều khiển điện, thủy lực khí nén Hầu hết robot sử dụng động DC AC-servo động bước giá thành rẻ, hoạt động êm tương đối dễ kiểm soát Các ứng dụng chẳng hạn hàn, mài, lắp ráp,chuyển động phức tạp có thêm số dạng cảm biến bên cảm biến thị giác, xúc giác cảm biến lực Phân oại Robot công nghiệp Ứng dụng robot công nghiệp Dưới số hình ảnh robot cơng nghiệp ứng dụng mà thường gặp 1.3 1.4 Một số phƣơng pháp điều khiển tay máy Robot cơng nghiệp 1.5.1 Điều khiển tính momen 1.5 1.5.2 Điều khiển thích nghi 1.5.3 Điều khiển trượt CHƢƠNG 2: XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN HỌC CỦA TAY MÁY ROBOT 2.1 Động học thuận, động học ngƣợc tay máy Robot hai bậc tự 2.1.1 Động học thuận tay máy robot 2.1.1.1 Các khái niệm 2.1.1.2 Các bước để lập phương trình động học tay máy robot tổng quát 2.1.1.3 hương trình động học tay máy robot bậc tự Khảo sát tay máy robot có khâu phẳng hình 2.7 Ta gắn lên hệ trục tọa độ sau: trục z, z1 vng góc với mặt phẳng tờ giấy Hệ tọa độ sở Oxyz hệ O1x1y1z1 gắn lên khâu số hình vẽ Chọn biến khớp q1, q2 góc quay khâu khâu hình vẽ Giả sử khâu chấp hành cuối gắn điểm mút P khâu số có tọa độ P(x,y) tọa độ vật thể Phương trình động học tay máy robot quan hệ tọa độ vật thể  x  y hệ tọa độ sở [x y] biến khớp [q1 q2]:     q1 , q  2.1.2 Động học ngược tay máy robot bậc tự 2.2 Mơ hình động ực học tay máy Robot n bậc tự 2.2.1 Giới thiệu động lực học robot 2.2.2 Động lực học Lagrange tay máy robot n bậc tự CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN BẬC CAO CHO TAY MÁY ROBOT CÔNG NGHIỆP 3.1 Thuật toán điều khiển trƣợt truyền thống áp dụng cho tay máy robot 3.2 Lý thuyết thuật toán điều khiển trƣợt bậc cao 3.3 Thuật toán điều khiển trƣợt bậc cho tay máy robot cơng nghiệp CHƢƠNG 4: MƠ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 4.1 Mô hệ thống điều khiển tay máy Robot công nghiệp bậc tự hoạt động với thuật toán điều khiển trƣợt truyền thống theo phƣơng pháp ớp biên (BLM) Bảng 3.1: Các thông số kỹ thuật tay máy robot bậc tự Tên thông số Ký hiệu Giá trị Khối lượng tay máy thứ m1 (kg) Khối lượng tay máy thứ m2 3.5 (kg) Chiều dài tay máy thứ l1 0.5 (m) Chiều dài tay máy thứ l2 0.5 (m) Khoảng cách trọng tâm tay máy thứ đến khớp nối lc1 0.3 (m) Khoảng cách trọng tâm tay máy thứ đến khớp nối lc2 0.3 (m) Gia tốc trọng trường g 9.81 (m/s2) lc2 = 0.3m l2 = 0.5m l1 = 0.5m m2 = 3,5kg lc1 = 0.3m m1 = 3kg Hình 4.1 Cánh tay máy bậc tự Desired trajectory Feedback signals Torque Desired trajectory Torque Mechanical Model Two-link Arm Desired trajectory Sliding Mode Controller Hình 4.1 Mơ hình mơ tồn hệ thống Matlab, Simulink SimMechanics Input torque1 Joint Actuator Torque sensor Torque Link Torque sensor 2 Input torque2 Joint Actuator Env Machine Environment B F Ground CS1 CS2 B F Body Revolute CS1 CS2 Body Body Sensor Scope Revolute2 Angular Sensor Measurement values Angular Sensor Hình 4.2 Mơ phần khí tay máy robot SimMechanics Hình 4.3 Khối mô Robot Giá trị tham số thuật toán điều khiển điều khiển trượt truyền thống sử dụng phương pháp lớp biên: Scope [ ] [ ] [ ] [ ] Scope1 q1 q2 Scope2 Feedback si gnal s q1_dot Tor que 1 T orque q2_dot qd1 Desi red traj ectory qd2 SlidingModeController qd1_dot Tor que qd2_dot T orque qd1_dotdot qd2_dotdot Scope3 Sliding Mode Controller Hình 4.4 Khối mơ thuật toán điều khiển trượt truyền thống a) Trường hợp 1:  = 0,3 (lớp biên) Hình 4.5 Đồ thị góc quay khớp Hình 4.6 Đồ thị góc quay khớp Đồ thị hình 4.5 hình 4.6 thể góc quay khớp khớp đường nét màu đỏ góc quay mong muốn, đường nét màu xanh góc quay thực tế khớp khớp thuật toán điều khiển đạt Qua nhận thấy sau khoảng thời gian độ ngắn ban đầu, góc quay thực tế điều khiển bám sát với góc quay mong muốn đồ thị góc quay khớp Nhưng góc quay khớp chậm bám sát Hình 4.7 Tín hiệu mơ-men điều khiển khớp Hình 4.8 Zoom tín hiệu mơ-men điều khiển khớp Hình 4.9 Tín hiệu mơ-men điều khiển khớp Hình 4.10 Zoom tín hiệu mơ-men điều khiển khớp Hình 4.7 4.9 thể kết tín hiệu mơ men điều khiển truyền động cho khớp khớp Hình phóng đại tín hiệu thể hình 4.8 4.10 kết cho thấy tượng chattering lớn Hiện tượng làm ảnh hưởng xấu đến thiết bị dẫn đến nhanh chóng hỏng hóc mặt khí Hình 4.11 Mặt trượt s1 10 Hình 4.11 hình 4.13 thể kết mặt trượt S1 mặt trượt S2 Hình phóng đại mặt trượt thể hình 4.12 hình 4.14 Cho ta thấy s  0, nên kết bị dao động nên xảy tượng chattering Trường hợp lớp biên:  = 2.2 Hình 4.15 Đồ thị góc quay khớp Hình 4.16 Đồ thị góc quay khớp Đồ thị hình 4.15 hình 4.16 thể góc quay khớp khớp đường nét màu đỏ góc quay mong muốn, đường màu xanh góc quay thực tế khớp khớp thuật tốn điều khiển đạt Qua nhận thấy góc quay thực tế khơng bám với góc quay mong muốn Nhưng sai số điều khiển bám quỹ đạo lại tăng lên so với Trường hợp lớp biên:  = 0,9 11 Hình 4.17: Tín hiệu mơ-men điều khiển khớp Hình 4.18 Zoom tín hiệu mơ-men điều khiển khớp Hình 4.19 Tín hiệu mơ-men điều khiển khớp 12 Hình 4.20 Zoom tín hiệu mơ-men điều khiển khớp Hình 4.17 4.19 thể kết tín hiệu mơ men điều khiển truyền động cho khớp khớp Hình phóng đại tín hiệu thể hình 4.18 4.20 kết cho thấy tượng chattering Nhưng tượng chattering giảm nhiều so trường hợp lớp biên  = 0,9 Và tượng làm ảnh hưởng xấu đến thiết bị dẫn đến nhanh chóng hỏng hóc mặt khí Hình 4.21 Mặt trượt s1 Hình 4.22 Zoom mặt trượt s1 cho thấy s  0, bị dao động nên xảy chattering 13 Hình 4.23 Mặt trượt s2 Hình 4.24 Zoom mặt trượt s2 cho thấy s  0, bị dao động nên xảy chattering Hình 4.21 hình 4.23 thể kết mặt trượt S1 mặt trượt S2 Hình phóng đại mặt trượt thể hình 4.22 hình 4.24 Cho ta thấy s  0, nên kết bị dao động nhỏ so với trường hợp lớp biên  = 0,9 Nhưng xảy tượng chattering Nhận xét: Với kết cho thấy mơ thuật tốn điều khiển tay máy robot công nghiệp bậc tự hoạt động với thuật tốn điều khiển trượt truyền thống Thì tăng giá trị lớp biên tượng chattering giảm sai số điều khiển bám quỹ đạo lại tăng lên ngược lại giảm giá trị lớp biên tượng chattering tăng sai số bám quỹ đạo lại giảm nhỏ 14 Mô hệ thống điều khiển tay máy Robot công nghiệp bậc tự hoạt động với thuật toán điều khiển trƣợt bậc (SOSMC – Second order Sliding Mode Control) Giá trị tham số thuật toán điều khiển điều khiển trượt bậc 2: 4.2 [ ] [ ] Hình 4.25 Tín hiệu momen điều khiển khớp Hình 4.26 Zoom tín hiệu momen điều khiển khớp Hình 4.27 Tín hiệu momen điều khiển khớp 15 Hình 4.28 Zoom tín hiệu momen điều khiển khớp Hình 4.25 4.27 thể kết tín hiệu mơ men điều khiển truyền động cho khớp khớp Hình phóng đại tín hiệu thể hình 4.26 4.28 kết cho thấy tượng chattering giảm nhiều, so với trượt truyền thống Hình 4.29 Góc quay mong muốn góc quay thực tế khớp Hình 4.30 Góc quay mong muốn góc quay thực tế khớp Đồ thị hình 4.29 hình 4.30 thể góc quay khớp khớp đường nét liền màu xanh góc quay mong muốn, đường nét liền màu xanh dương góc quay thực tế khớp khớp 16 thuật tốn điều khiển đạt Qua nhận thấy sau khoảng thời gian độ, góc quay thực tế điều khiển bám sát với góc quay mong muốn Hình 4.31 Góc quay mong muốn góc quay thực tế khớp Hình 4.32 Góc quay mong muốn góc quay thực tế khớp Đồ thị hình 4.31 hình 4.32 thể góc quay khớp khớp tải m1=3kg, m2=3,5kg Như đồ thị hình 4.29 hình 4.30 thể góc quay khớp khớp tải m1=3kg, m2=6kg Qua đồ thị sau cho ta biết tăng tải lên ta nhận thấy thời gian góc quay thực tế bám sát với góc quay mong muốn trể so với tải nhỏ 17 Hình 4.33 Sai số góc quay mong góc quay thực tế khớp Hình 4.34 Sai số góc quay mong góc quay thực tế khớp Đồ thị hình 4.31 hình 4.32 thể Sai số góc quay mong góc quay thực tế khớp khớp Qua nhận thấy thuật tốn điều khiển bậc sau khoảng thời gian độ ban đầu, sai số tín hiệu điều khiển gần khơng 18 Hình 4.35 Mặt trượt S1_SOSMC Hình 4.36 Zoom mặt trượt S1_SOSMC Hình 4.37 Mặt trượt S2_SOSMC 19 Hình 4.38 Zoom mặt trượt S2_SOSMC Hình 4.35 hình 4.37 thể kết mặt trượt S1 mặt trượt S2 Hình phóng đại mặt trượt thể hình 4.36 hình 4.38 Của thuật toán điều khiển bậc Cho ta thấy kết mặt trượt không xảy tượng chattering Nhận xét: Với kết cho thấy mô thuật tốn điều khiển tay máy robot cơng nghiệp bậc tự hoạt động với thuật toán điều khiển trượt bậc Thì cho ta kết tốt ta dùng hàm dấu sign 4.3 So sánh kết hoạt động điều khiển tay máy robot công nghiệp bậc tự trƣờng hợp sử dụng thuật toán BLM SOSMC: 20 Hình 4.39 Sai số momen góc quay khớp Hình 4.40 Zoom Sai số momen góc quay khớp Hình 4.41: Sai số momen góc quay khớp 21 Hình 4.42: Zoom Sai số momen góc quay khớp Đồ thị hình 4.39 hình 4.41 thể sai số góc quay khớp khớp Hình phóng đại tín hiệu thể hình 4.40 hình 4.42 đường nét màu xanh thuật tốn điều khiển trượt truyền thống đường nét màu đường nét màu thuật toán điều khiển trượt bậc So sánh hai tín hiệu ta nhận thấy tín hiệu thuật tốn điều khiển trượt truyền thống sai số nhiều so với thuật toán điều khiển trượt bậc Hình 4.43: So sánh momen khớp 22 Hình 4.44: Zoom So sánh momen khớp Hình 4.45: So sánh momen khớp Hình 4.46: Zoom so sánh momen khớp Đồ thị hình 4.43 hình 4.45 thể momen khớp khớp Đường nét đứt màu xanh dương điều khiển trượt truyền thống đường nét đứt màu đỏ điều khiển trượt bậc Hình phóng 23 đại tín hiệu thể hình 4.44 hình 4.46 Qua nhận thấy momen thuật toán điều khiển trượt bậc momen thuật toán điều khiển trượt truyền thống, hai momen chạy gần sát chứng tỏ momen hai điều khiển gần Hình 4.47: So sánh góc quay khớp Hình 4.48: Zoom so sánh góc quay khớp Hình 4.49: So sánh góc quay khớp 24 Hình 4.50: Zoom so sánh góc quay khớp Đồ thị hình 4.47 hình 4.49 thể góc quay khớp khớp Hình phóng đại tín hiệu thể hình 4.48 hình 4.50 Đường nét màu xanh quỹ đạo yêu cầu đường nét màu xanh dương tín hiệu điều khiển trượt truyền thống, đường nét màu đỏ tín hiệu điều khiển trượt bậc Qua ta nhận thấy tín hiệu điều khiển trượt bậc bám sát quỹ đạo tốt so với tín hiệu thuật toán điều khiển truyền thống Kết luận: So sánh hai thuật tốn Giữa tín hiệu điều khiển trượt truyền thống tín hiệu điều khiển trượt bậc tác giả sử dụng điều khiển trượt bậc theo hàm dấu sign Cịn tín hiệu trượt truyền thống dùng theo lớp biên Nhưng tín hiệu điều khiển trượt bậc cho tín hiệu đạt kết cao: thời gian độ ngắn nhanh đến xác lập, tín hiệu điều khiển bám sát với quỹ đạo mong muốn, tượng chattering giảm nhiều khơng cịn so với tín hiệu điều khiển trượt truyền thống Qua nghiên cứu thiết kế thành công việc thiết kế điều khiển trượt bậc cho tay máy Robot công nghiệp Ta nên nghiên cứu thêm để áp dụng điều khiển trượt bậc vào thực tế cho tay máy robot công nghiệp Việt Nam ... hiệu điều khiển trượt truyền thống Qua nghiên cứu thiết kế thành công việc thiết kế điều khiển trượt bậc cho tay máy Robot công nghiệp Ta nên nghiên cứu thêm để áp dụng điều khiển trượt bậc vào... điều khiển tay máy robot công nghiệp Trong đề tài này, học viên hướng đến việc nghiên cứu, thiết kế thuật toán điều khiển trượt bậc hai (Second-order sliding mode control) cho tay máy robot công. .. thiệu động lực học robot 2.2.2 Động lực học Lagrange tay máy robot n bậc tự 4 CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN BẬC CAO CHO TAY MÁY ROBOT CÔNG NGHIỆP 3.1 Thuật toán điều khiển trƣợt truyền