Nghiên cứu hệ thống điều khiển bền vững thích nghi cho chuyển động robot

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI *********♦********* NGUYỄN NGỌC TÙNG NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG DIỀU KHIỂN BỀN VỮNG THÍCH NGHI CHO CHUYỂN ĐỘNG RÔ BỐT LUẬN VĂN THẠC SĨ NGHÀNH : ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS NGUYỄN MẠNH TIẾN HÀ NỘI 2008 Môc lôc Trang Lời mở đầu Lời cảm ơN Lời cam đoan Chương I: Tổng quan Robot điều khiển Robot 1.1 CÊu tróc Robot c«ng nghiƯp………………………………… 1.2 Bậc tự toạ độ suy rộng 1.3 Nhiệm vụ lập trình điều khiển robot 1.4 Hệ toạ độ vùng làm việc 1.5 Phân loại Robot công nghiệp 1.6 Mô hình toán học Robot 1.7 Một số mô hình với điều khiển PID Chương II: Các hệ thống điều khiển chuyển động 10 2.1 Phương pháp điều khiển độc lập có phản hồi 10 2.2 Phương pháp điều khiển động lực học ngược 13 2.3 Phương pháp điều khiển phân ly phi tuyến 15 2.4 Phương pháp điều khiển kiểu trượt 16 2.5 Phương pháp điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu 20 2.6 Phương pháp điều khiển thích nghi tự chỉnh 22 2.7 Phương pháp điều khiển động lực học thích nghi 24 Chương III: Xây dựng thuật toán điều khiển theo phương pháp ®iỊu khiĨn thÝch nghi bỊn v÷ng……………………………………… 25 3.1 Tỉng quan điều khiển bền vững 25 3.2 Độ bất định đối tượng điều khiển thích nghi bền vững 31 3.3 Uớc lượng thông số online 37 3.4 Tổng hợp điều khiển phương pháp áp đặt cực 44 3.5 Xây dựng hệ điều khiển thích nghi tù chØnh…………………… 52 3.6 HƯ ®iỊu khiĨn thÝch nghi bỊn vững 59 4.3 Các thuật toán đánh giá bền vững 60 Chương IV: Xây dựng thuật toán hệ điều khiển thích nghi bền vững cho cấu Robot ứng dụng cho cấu Robot hai nối, mô hình khớp độc lập 68 4.1 Phương trình ®éng häc cña Robot hai nèi ……………… 68 4.2 Động lực học robot với cấu chấp hành 69 4.3 Xây dựng thuật toán điều khiển 72 Chương Mô máy tính 79 5.1 ứng dụng thùc tÕ cho Robot Scara Serpent………………… … 79 5.2 C¸c kết mô 87 Kết luận 93 Tài liệu tham khảo 95 Lời Mở đầu Ngày nay, lý thuyết điều khiển thích nghi đà phát triển đa dạng, có nhiều công trình nghiên cứu vấn đề này, đặc biệt hệ tuyến tính đà nghiên cứu tương đối hoàn chỉnh Điều khiển thích nghi đà đưa vào ứng dụng thực tế cho hệ chất lượng cao, đặc biệt nhờ vào phát triển mạnh thiết bị tính to¸n xư lý cho phÐp thùc thi c¸c tht to¸n thích nghi phức tạp chương trình hóa đảm bảo khả đáp ứng thời gian thực nâng cao chất lượng điều khiển cho đối tượng phức tạp Hầu hết hệ thích nghi thiết kế bền vững với bất định thông số điều kiện lý tưởng với giả thiết đà biết đầy đủ đối tượng, tức mô hình đánh giá phản ánh xác đối tượng Nhược điểm hệ thích nghi phương pháp đánh giá dựa giả thiết tham số đánh giá không đổi biến đổi chậm không đảm bảo ổn định bền vững đối tượng tồn thành phần động học khó mô hình (unmodeled dynamics) có nhiễu bị chặn (bounded disturbances) Nhiều công trình nghiên cứu lý thuyết thực tế đà chứng tỏ điều Do đó, từ thập niên 80 đến nay, nhiều công trình nghiên cứu thiết kế lại hiệu chỉnh nhằm nâng cao tính bền vững (robustness) hệ điều khiển thích nghi cho đối tượng Điều dẫn đến hệ điều khiĨn thÝch nghi míi: HƯ ®iỊu khiĨn thÝch nghi bỊn vững (Robust adaptive control) Vì điều khiển thích nghi có hai phần chính: điều khiển luật thích nghi (luật đánh giá) nên hướng xây dựng hệ điều khiển thích nghi bền vững theo hai hướng: - Xây dựng luật điều khiển bền vững cho điều khiển sơ đồ điều khiển thích nghi Ví dụ điều khiển bền vững không gian Hardy, H H2 - Xây dựng đánh giá đặc biệt để đạt tính bền vững hệ điều khiển thích nghi Đa số đánh giá đặc biệt hiệu chỉnh lại đánh giá kinh điển Ví dụ luật đánh gi¸ víi hiƯu chØnh Leakage, Lyapunop leakage, least square leakage, gradient leakage, luật projection, vùng chết Luận văn tập trung xây dựng hệ điều khiển thích nghi bền vững theo hướng thứ hai, luận văn gồm chương: Chương 1: Tổng quan Robot điều khiển Robot Chương 2: Các hệ thống điều khiển chuyển động Chương 3: Xây dựng thuật toán điều khiển theo phương pháp điều khiển thích nghi bền vững Chương 4: Xây dựng thuật toán hệ điều khiển thích nghi bền vững cho cơcấu robot ứng dụng cho cấu robot hai nối, mô hình khớp độc lập Chương 5: Mô máy tính Lời Cảm ơn Tôi xin gửi lời cám ơn chân thành tới thầy giáo, Tiến sỹ Nguyễn Mạnh Tiến, người đà hướng dẫn hoàn thành luận văn Xin gửi lời cám ơn tới thầy, cô giáo Khoa Điện - Trường đại học Bách Khoa Hà Nội , Trung tâm đào tạo sau đại học bạn bè lớp đà giúp đỡ suốt trình học tập trình thực luận văn Học viên Nguyễn Ngọc Tùng Lời CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết luận văn xây dựng hoàn toàn thân nghiên cứu thực dựa hướng dẫn thầy giáo hướng dẫn tham khảo tài liệu đà trích dẫn Học viên Nguyễn Ngọc Tùng Chương I Tổng quan Robot điều khiển Robot 1.1 Cấu tróc Robot c«ng nghiƯp Mét Robot c«ng nghiƯp th«ng th­êng bao gåm c¸c bé phËn chđ u sau: 1.1.1 Tay máy Tay máy gồm phận: - Chân đế ; - Xe di động; - Thân; - Cách tay trên; - Cánh tay dưới; - Bàn kẹp 1.1.2 Hệ thèng trun dÉn ®éng HƯ thèng trun dÉn ®éng cã thể khí, thuỷ khí điện khí, phận chủ yếu tạo nên dịch chuyển khớp động 1.1.3 Hệ thống điều khiển Hệ thống điều khiển đảm bảo hoạt động Robot theo thông tin đặt trước nhận biết trình làm việc 1.1.4 Hệ thống cảm biến tín hiệu HƯ thèng c¶m biÕn tÝn hiƯu thùc hiƯn viƯc nhËn biết biến đổi thông tin hoạt động thân Robot (cảm biến nội tín hiệu) môi trường, đối tượng mà Robot phục vụ (cảm biến ngoại tín hiệu) Các thông tin đặt trước cảm biến đưa vào hệ thống điều khiển sau xử lý máy vi tính, tác động vào hệ thống truyền dẫn động tay máy Trực tiếp liên hệ với bàn kẹp dụng cụ (tools) thao tác với môi trường đối tượng làm việc 2 Bậc tự tọa ®é suy réng 1.2.1 BËc tù Robot c«ng nghiƯp loại thiết bị tự động nhiều công dụng Cơ cấu tay máy chúng phải cấu tạo cho bàn kẹp giữ vật kẹp theo hướng định di chuyển dễ dàng vùng làm việc Muốn cấu tay máy phải đạt ®­ỵc mét sè bËc tù chun ®éng 1.2.2 Täa độ suy rộng Các cấu hình khác cấu tay máy thời điểm xác định độ dịch chuyển góc độ dịch chuyển dài khớp động khớp tịnh tiến Các độ dịch chuyển tức thời đó, so với giá trị ban đầu lấy làm mốc tính toán gọi tọa độ suy rộng, gọi giá trị biến khớp 1.3 Nhiệm vụ lập trình điều khiển Robot Việc thực điều khiển vị trí cho khâu tác động cuối robot đảm bảo đạt tới vị trí mong muốn không gian decade mà phải đạt tới vị trí với hướng tuỳ ý xác định Chính để điều khiển Robot phải quan tâm đến vị trí chiếm không gian làm việc hướng tác động cuối Vị trí điểm tác động cuối, điểm E, xác định tọa độ xE, yE, zE hệ tọa độ cố định, hướng tác động khâu cuối xác định trục xn, yn, zn gắn liền với khâu cuối điểm E, thông số góc , , Giá trị tọa độ xE, yE, zE thông số góc , , phụ thuộc vào giá trị biến khớp qi cấu tay máy 1.4 Hệ tọa độ vùng làm việc 1.4.1 Hệ tọa độ Các chuyển động tay máy hoạt động hệ tọa độ khác như: - Hệ tọa độ trụ; - Hệ tọa độ cầu; - Hệ tọa độ vuông; - Hệ tọa độ góc hay gọi hệ tọa độ sinh: hệ tọa độ dùng nhiều Robot dùng hệ tọa độ có ưu điểm vùng thao tác tương đối lớn so với kích cỡ thân Robot Ngày nay, đa dạng sản xuất đà thúc đẩy đời nhiều loại robot kể hệ tọa độ mới, không hoàn toàn giống hệ tọa độ đà kể 1.4.2 Vùng làm việc Vùng làm việc Robot khoảng không gian mà thao tác 1.5 Phân loại Robot công nghiệp Có thể phân loại Robot công nghiệp theo nhiều cách khác nhau: - Theo vị trí công tác phân làm loại: Robot cấp thoát phôi, Robot vận chuyển, Robot vặn năng; - Theo dạng công nghệ chuyên dụng phân loại: robot sơn, robot hàn, robot lắp ráp; - Theo cách thức đặc trưng điều khiển phân loại: Robot điều khiển tự động, robot điều khiển dạy học, robot điều khiển tay, robot nhìn được; - Theo hệ toạ độ dùng thực chuyển động phân robot hoạt động theo hệ tọa độ trụ, cầu sinh 1.6 Mô hình toán học Robot Một tay máy mô tả dạng giản đồ, theo quan điểm học chuỗi động học hở nối cứng nối với theo khớp quay khớp tịnh tiến để tạo thành góc quay chuyển động cấu Để Robot thao tác linh hoạt, cấu chấp hành phải cấu tạo cho điểm mút khâu cuối (điểm tác động cuối) đảm bảo dễ dàng di chuyển theo quỹ đạo đó, đồng thời khâu có định hướng 86 Hình 5.7 Sơ đồ khối đối tượng điều khiển Yp khớp Hình 5.8 Sơ đồ khối vecto tham số điều khiển Hình 5.9 Sơ đồ khối ước lượng sai số chuẩn hóa Epsilon 87 Hình 5.10 Sơ đồ khối luật thích nghi bền vững để ước lượng tham số p đối tượng 5.2 Các kết mô 5.2.1 Các kết mô tín hiệu đặt số, bỏ qua momen nhiễu, Mc =0 5.2.1.1 Các kết mô khíp 88 Do thi bieu dien vi tri Yd - Yp Mc=0 1.4 1.2 Yd VÞ trÝ (rad) Yp 0.8 0.6 0.4 0.2 0 Thêi gian (sec) 10 10 Hình 5.11 Đồ thị biểu diễn vị trÝ Yd- Yp Do thi bieu dien bien thien momen Mc=0 M«men (kg.m2) -2 -4 -6 Thời gian (sec) Hình 5.12 Đồ thị biểu diễn biến thiên mômen 89 5.2.1.2 Các kết mô cđa khíp Do thi bieu dien vi tri Yd - Yp Mc = 1.4 1.2 VÞ trÝ (rad) Yd Yp 0.8 0.6 0.4 0.2 0 Thêi gian (sec) 10 10 Hình 5.13 Đồ thị biểu diƠn vÞ trÝ Yd-Yp Do thi bieu dien bien thien momen Mc=0 1.5 M«men (kg.m2) 0.5 -0.5 -1 -1.5 Thời gian (sec) Hình 5.14 Đồ thị biểu diễn biến thiên mômen 90 5.2.2 Các kết mô tín hiệu đặt số, có tính đến nhiễu 5.2.2.1 Các kết mô khớp Do thi bieu dien vi tri Yd - Yp co tinh den momen nhieu 1.2 Yd Yp VÞ trÝ (rad) 0.8 0.6 0.4 0.2 -0.2 10 Thêi gian (sec) Hình 5.16 Đồ thị biểu diễn vị trí Yd – Yp cã tÝnh ®Õn momen nhiƠu Do thi bieu dien bien thien momen M«men (kg.m2) -2 -4 -6 Thêi gian (sec) H×nh 5.17 Đồ thị biểu diễn biến thiên mômen 10 91 0.5 M«men nhiƠu (kg.m2) 0.4 0.3 0.2 0.1 -0.1 -0.2 -0.3 Thêi gian (sec) 10 Hình 5.18 Đồ thị biểu diễn biến thiên mômen nhiễu 5.2.2.2 Các kết mô khớp Do thi bieu dien vi tri Yp - Yd co tinh den momen nhieu 1.2 Yd Yp VÞ trÝ (rad) 0.8 0.6 0.4 0.2 -0.2 10 Thêi gian (sec) H×nh 5.19 §å thÞ biĨu diƠn vÞ trÝ Yp – Yd cã tính đến mômen nhiễu 92 Do thi bieu dien bien thien momen 1.5 M«men (kg.m2) 0.5 -0.5 -1 -1.5 Thêi gian (sec) 10 Hình 5.20 Đồ thị biểu diễn biến thiên mômen 0.4 Mômen nhiễu (kg.m2) 0.3 0.2 0.1 -0.1 -0.2 -0.3 10 Thêi gian (sec) H×nh 5.21 Đồ thị biểu diễn biến thiên mômen nhiễu 93 Kết luận Luận văn đà thực nội dung sau: Nghiên cứu cấu trúc dạng hệ thống điều khiển thích nghi; Nghiên cứu dạng sai lệch mô hình số yếu tố tác động gây nên sai lệch mô hình nhiễu; Xây dựng số phương pháp cải tiến để nâng cao tính bền vững hệ thống điều khiển thích nghi thông thường; Xây dựng phương pháp tham số hóa mô hình có nhiễu; Nghiên cứu số phương pháp ước lượng tham số (luật thích nghi bền vững); Nghiên cứu số sơ đồ điều khiển thích nghi bền vững; Xây dựng mô hình hệ điều khiển thích nghi bền vững cho cấu Robot sử dụng hệ điều khiển truyền động động chiều; Khảo sát, kiểm nghiệm kết hệ thống điều khiển thích nghi bền vững điều kiện làm việc khác Qua khảo sát mô hình ®èi t­ỵng, cã thĨ kÕt ln r»ng:  HƯ ®iỊu khiển thích nghi bền vững đà cải thiện nâng cao tính ổn định, tính bền vững hệ thống điều khiển đà nêu lý thuyết; Việc xây dựng hệ điều khiển thực thiết bị lập trình thông thường máy tính điều khiển công nghiệp PLC, àC , DSP ; Hệ điều khiển thích nghi bền vững có khả chống lại biến thiên thông số ảnh hưởng số nhiễu định Một số nhược điểm tồn 94 Chưa khảo sát số tượng dao động hệ thống điều khiển thích nghi bền vững tượng bursting, tượng hỗn độn, tượng rẽ nhánh, tượng dao động độ đột ngột ; Chưa khảo sát nhược điểm sơ đồ điều khiển thích nghi bền vững khác nhau; Chưa so sánh ưu sơ đồ điều khiển thích nghi bền vững so với sơ đồ thích nghi thông thường phần mô đối tượng Một số vấn đề tiếp tục nghiên cứu để hoàn thiện mở rộng luận văn Khảo sát số tượng dao động hệ thống điều khiển thích nghi bền vững đà nêu mục 3; Xây dựng mô hình điều khiển cho khối Robot có tính đến ảnh hưởng xuyên chéo link 95 Tài liệu tham khảo Astrom K.J and B.Wittenmark Adaptive control Addison Wesley Massachusetts, USA, 1989 Astrom K.J and B.Wittenmark Computer controlled system: Theory and design Prentice-Hall 1990 ISBN -13 - 172784 - Carlos Canudas de Wit, Bruno Siciliano and Georges Bastin, Theory of Robot control, Verlag London limited, 1996 Chea H.An, Christopher G.Atkeson and John M.Hollerback, Model based control of a Robot Manipulator, Massachusetts Institude of Technology, 1998 James, D.J Stability of a model reference control system AIAA Journal, Vol 9, 1971 P.Ioannou, Jing Sun Robust Adaptive Control Prentice Hall Upper Saddle River, 1996 P.Ioannou, P.A and J.Sun Theory and design of robust direct and indirect adaptive control schemes Int Journal of Control Vol.47, 1988 Peterka, V Adaptive digital regulation of noisy system Proc.2nd.IFAC Symposium of Identification and process parameter estimation prague, 1970 Bïi Qc Kh¸nh, Ngun Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi Điều chỉnh tự động truyền động điện Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 2002 10 Phạm Công Ngô Lý thuyết điều khiển tự động Nhà xuất khoa häc vµ kü tht, Hµ Néi, 1994 11 Ngun ThiƯn Phúc Robot công nghiệp Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 2006 96 12 Nguyễn Mạnh Tiến Điều khiển Robot công nghiệp Nhà xuất khoa häc vµ kü thuËt, Hµ Néi, 2007 97 tãm tắt luận văn Luận văn với đề tài Nghiên cứu hệ thống điều khiển bền vững thích nghi cho chuyển động Robot trình bày gồm thành chương với nội dung sau: Chương trình bày tổng quan Robot điều khiển Robot nhằm đưa khái niệm chung nghiên cứu Robot, mô hình điều khiển chung thường ứng dụng điều khiển Robot Chương luận văn trình bày hệ thống điều khiển chuyển động nhằm tổng hợp lại phương pháp điều khiển đà ®­ỵc øng dơng ®iỊu khiĨn chun ®éng cđa Robot Chương tập trung trình bày nội dung điều khiển theo phương pháp điều khiển thích nghi bền vững, mục đích nhằm lý giải câu hỏi điều khiển thích nghi bền vững lại phải sử dụng phương pháp điều khiển thích nghi bền vững chuyển động Robot Ưu điểm so với phương pháp khác vấn đề có liên quan cần nghiên cứu tìm hiểu phương pháp điều khiển thích nghi bền vững Chương trình bày nội dung xây dựng thuật toán hệ điều khiển thích nghi bền vững cho cấu Robot ứng dụng cho cấu Robot hai nối với mô hình khớp độc lập Chương trình bày phương pháp kết mô máy tính áp dụng thuật toán đà nghiên cứu Robot thực tế Scara-Serpent, qua rút kết luận kết thu hoàn toàn phù hợp với lý thuyết phương pháp ®iỊu khiĨn ®· nghiªn cøu Mét sè vÊn ®Ị cã thể tiếp tục nghiên cứu để hoàn thiện mở rộng luận văn: khảo sát số tượng dao ®éng hƯ thèng ®iỊu khiĨn thÝch nghi bỊn vững xây dựng mô hình điều khiển cho khối Robot có tính đến ảnh hưởng xuyên chéo c¸c link 98 summarize the contents of thesis The thesis “Research robust adaptive controller for kinematics of Robot” was be classified into five chapter with specific contents: Chapter present overview of Robot and Robot controller in order to give general concepts when researching on Robot, general model of controllers which usually applied in field of Robot Chapter present about controlled methods of kinematics in order to collect the methods are used to applied in field of Robot Chapter concentrate to present the contents, that are control following robust adaptive methods, purpose of this chapter is explained some questions how is robust adaptive method, why to be used robust adaptive method in field of robot What is advantage of the method different between other methods and related things that need to know when researching on Robot Chapter present how to make algorithm of robust adaptive method of Robot and apply of its for – degree of freedom (D.O.F) robot, the model of degree of freedom is considered independent Chapter present method and results achieve by simulated on computer when apply controlled method which mentioned above to Scara Serpent Robot Correspondingly, give some conclusions the achieved result are suitable to theory of researching methods Some matter can research in the future to finish and extend are survey some fluctuated phenomenon in robust adaptive system and make algorithm of robust adaptive method of Robot, consider the influence crossed through between links Tài liệu tham khảo Astrom K.J and B.Wittenmark Adaptive control Addison Wesley Massachusetts, USA, 1989 Astrom K.J and B.Wittenmark Computer controlled system: Theory and design Prentice-Hall 1990 ISBN -13 - 172784 - Carlos Canudas de Wit, Bruno Siciliano and Georges Bastin, Theory of Robot control, Verlag London limited, 1996 Chea H.An, Christopher G.Atkeson and John M.Hollerback, Model based control of a Robot Manipulator, Massachusetts Institude of Technology, 1998 James, D.J Stability of a model reference control system AIAA Journal, Vol 9, 1971 P.Ioannou, Jing Sun Robust Adaptive Control Prentice Hall Upper Saddle River, 1996 P.Ioannou, P.A and J.Sun Theory and design of robust direct and indirect adaptive control schemes Int Journal of Control Vol.47, 1988 Peterka, V Adaptive digital regulation of noisy system Proc.2nd.IFAC Symposium of Identification and process parameter estimation prague, 1970 Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi Điều chỉnh tự động truyền động điện Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 2002 10 Phạm Công Ngô Lý thuyết điều khiển tự động Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 1994 11 Nguyễn Thiện Phúc Robot công nghiệp Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 2006 12 Nguyễn Mạnh Tiến Điều khiển Robot công nghiệp Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 2007 ... Một số hệ thống điều khiển thích nghi đà nghi? ?n cứu ứng dụng điều khiển robot là: Điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu, điều khiển thích nghi theo sai lệch, điều khiển ĐLH ngược thích nghi 2.1... luật điều khiển bền vững cho điều khiển sơ đồ điều khiển thích nghi Ví dụ điều khiển bền vững không gian Hardy, H H2 - Xây dựng đánh giá đặc biệt để đạt tính bền vững hệ điều khiển thích nghi. .. pháp điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu Trong số phương pháp điều khiển thích nghi (điều chỉnh thích nghi thông qua điều chỉnh hệ số khuếch đại, điều khiển thích nghi tự chỉnh, điều khiển thích