Điều khiển robot scara bằng phương pháp điều khiển trượt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM NGUYỄN THÀNH NHẪN NGUYỄN THÀNH NHẪN LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐIỀU KHIỂN ROBOT SCARA BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT KHÓA 2011 LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : CƠ ĐIỆN TỬ Mã số ngành: 60 52 01 14 TP HỒ CHÍ MINH, tháng 05 năm 2014 Mẫu nhãn đĩa CD-ROM: Học viên: Nguyễn Thành Nhẫn MSHV: 1241840009 Ngành: Cơ Điện Tử Mã ngành: 60 52 01 14 khóa 2011 Tên đề tài: ĐIỀU KHIỂN ROBOT SCARA BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM - NGUYỄN THÀNH NHẪN ĐIỀU KHIỂN ROBOT SCARA BẰNG ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT PHƢƠNG PHÁP LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : Kỹ Thuật Cơ Điện Mã số ngành: 60 52 01 14 HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN VIỄN QUỐC TP HỒ CHÍ MINH, 29 tháng năm 2014 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM Cán hướng dẫn khoa học : Tiến Sĩ NGUYỄN VIỄN QUỐC Luận văn Thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Công nghệ TP HCM Ngày 10 tháng năm 2014 Cán chấm nhận xét 1: Cán chấm nhận xét 2: Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: TS Nguyễn Thanh Phương Chủ tịch Hội đồng TS Võ Hoàng Duy Phản biện PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến Phản biện TS Nguyễn Hùng Ủy viên TS Võ Đình Tùng Ủy viên, Thư ký Hội đồng Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Quản lý chuyên ngành TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ TP HCM PHỊNG QLKH - ĐTSĐH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc TP HCM, ngày 29 tháng năm 2014 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN NGUYỄN THÀNH NHẪN Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 14/03/1981 Nơi sinh: TP HCM Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện tử MSHV: 1241840018 I- TÊN ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN ROBOT SCARA BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Nghiên cứu lý thuyết điều khiển PID trượt - Áp dụng phương pháp điều khiển phương pháp PID trượt vào Robot SCARA - Mô kết điều khiển đối tượng Matlab-Simulink - Kiểm chứng kết mô thực nghiệm điều khiển đối tượng thực III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 12/06/2013 IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 29/3/2014 V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Cán hướng dẫn khoa học TS NGUYỄN VIỄN QUỐC TS NGUYỄN VIỄN QUỐC Quản lý chuyên ngành i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận văn với nội dung “ĐIỀU KHIỂN ROBOT SCARA BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT” cơng trình nghiên cứu riêng tơi hướng dẫn TS Nguyễn Viễn Quốc Tôi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực Luận văn cảm ơn thông tin trích dẫn Luận văn rõ nguồn gốc Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực, có nguồn trích dẫn chưa cơng bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 29 tháng năm 2014 Học viên thực luận văn Nguyễn Thành Nhẫn ii LỜI CÁM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Tiến sĩ Nguyễn Viễn Quốc, người Thầy tận tình hướng dẫn, động viên khích lệ, dành nhiều thời gian trao đổi định hướng cho tơi q trình thực luận án Tơi xin bày tỏ long biết ơn chân thành sâu sắc đến Tiến sĩ Nguyễn Thanh Phương, Thầy Cô khoa Cơ - Điện - Điện Tử, Phịng quản lý khóa học & đào tạo sau đại học trường Đại Học Công Nghệ Thành Phố Hồ Chí Minh nhiệt tình giúp đỡ suốt thời gian học tập Trường Tôi xin chân thành cảm ơn, bạn học viên lớp 12SCĐ11 Trường Đại học Công Nghệ Thành Phố Hồ Chí Minh nhiệt tình giúp đỡ chia sẻ kinh nghiệm giúp tơi hồn thành luận án TP Hồ Chí Minh, ngày 29 tháng năm 2014 Học viên thực luận văn Nguyễn Thành Nhẫn iii TÓM TẮT LUẬN VĂN Hiện Robot ứng dụng phổ biến sản xuất công nghiệp Robot SCARA nhà khoa học nghiên cứu đưa vào ứng dụng số lĩnh vực Luận án giới thiệu Robot SCARA với điều khiển PID có cấu trúc thay đổi kết hợp điều khiển có cấu trúc thay đổi mặt trượt PID để điều khiển cho góc quay tay máy SCARA bám theo góc đặt Điều kiện tồn mặt trượt tính ổn định tiệm cận tồn cục hệ thống thiết lập dạng toàn phương hàm Lyapunov Tính khả thi điều khiển kiểm chứng thông qua kết mô phần mềm Matlab, hoạt động mơ hình thực nghiệm Luận văn tập trung chủ yếu tính tốn điều khiển xây dựng mơ hình thực nghiệm robot SCARA thực tế bao gồm thi công thực nghiệm phần cứng bao gồm : Cơ cấu truyền động tay máy; Card giao tiếp DSP C2000 sử dụng vi điều khiển TMS320F28335 ; Mạch nguồn; Mạch công suất điều khiển động Bộ điều khiển phần mềm MATLAP dịch phần mềm CCS_v4 nạp trực tiếp xuống vi điều khiển TMS320F28335 thông qua Card giao tiếp DSP C2000, điều khiển chuyển động tay máy bám theo quỹ đạo đặt robot Thông qua luận văn này, hy vọng cung cấp mơ hình thực nghiệm hệ robot SCARA với điều khiển PID trượt số kiến thức hữu ích cho kỹ sư, sinh viên v.v… học tập nghiên cứu hệ thống robot iv ABSTRACTS Currently the robot has been popular applications in industrial production SCARA Robot Scientists have been studied and put into application in some fields This thesis introduces SCARA Robot with a PID controller combines structural changes between the controller and the changing structure PID sliding surface to control the angle of SCARA manipulator follow the mounting angle Conditions existence of sliding surface and the asymptotic stability of the global system is set up in the form of a quadratic Lyapunov function The feasibility of the controller is verified through simulation results on Matlab software, and operation of experimental models This thesis focuses primarily calculate the controller and built empirical models SCARA robot actual experiments included construction hardware including: actuators of the manipulator; C2000 DSP Card interface using micro-TMS320F28335 control, power circuits, power circuits motor control The controller is adapted on MATLAP software CCSV4 translated by software loaded directly into TMS320F28335 microcontroller via C2000 DSP Card communication, motion control and robotics followed the trajectory of the robot set v MỤC LỤC Tên đề mục Trang Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Tóm tắt luận văn iii Mục lục iv Danh mục bảng biểu vii Danh mục sơ đồ, hình ảnh viii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Cấu trúc tổng quan Robot 2.2 Các Hệ Thống Điều Khiển Robot 2.3 Các Phương Thức Điều Khiển Robot 2.3.1 Điều khiển theo quỹ đạo đặt 2.3.1.1 Điều khiển theo chuỗi điểm giới hạn 2.3.1.2 Điều khiển lặp lại (playback) 2.4 1.3 Điều khiển kiểu robot thông minh 2.3.2 Các hệ thống điều khiển hệ tuyến tính 2.3.3 Các hệ thống điều khiển hệ phi tuyến 2.4 Phương Pháp Điều Khiển Robot 2.4.1 Điều khiển trượt 40 CHƯƠNG KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Nội dung chương trình bày kết mơ tay máy SCARA với điều khiển thiết kế chương 5.1 THƠNG SỐ MƠ HÌNH VÀ CHƯƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG: Thơng số tay máy cho bảng Bảng 5.1: Thông số tay máy Thông số Giá trị Đơn vị m1 1,06 kg m2 0,408 kg a1 0,36 m a2 0,24 m Với thông số tay máy cho, mơ hình động lực học tay máy xác định sau: M q q  V q , q q   Với:  m  m2 a12  m2 a22  2m2 a1a2 M q    m2 a22  m2 a1a2 cos     V q, q     m2 a1a21 sin   m a 2    m2 a1a2 cos    m2 a22   m2 a1a22 sin     Có thể viết lại dạng ma trận sau:  M11 M12  1  V11 V12  1    M           21 M 22  2  V21 V22  2    Với thông số tay máy cho trên, thông số điều khiển xác định bảng 41 Bảng 5.2: Thông số điều khiển Thông số Giá trị KI 10 Kp 1000 KD 10 Kr 100 C1 10 C2 10 Chương trình mơ thực simulink phần mềm Matlab Mơ hình simulink tay máy hệ thống hình sau: Hình 5.1: Mơ hình simulink tay máy 42 Hình 5.2: Chương trình mơ tay máy 43 5.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG: Kết mô hệ thống tay máy với thông số cho điều khiển thiết kế chương với dạng tín hiệu ngõ vào khác trình bày từ hình 5.3 đến hình 5.11 Từ kết mơ cho thấy, góc quay tay máy bám theo góc đặt với sai số nhỏ Hình 5.3: Góc đặt/góc quay khớp 44 Hình 5.4: Sai số góc đặt góc quay khớp Hình 5.5: Góc đặt/goc quay khớp 45 Hình 5.6: Sai số góc đặt góc quay khớp Hình 5.7: Tín hiệu điều khiển 46 Hình 5.8: Tín hiệu điều khiển Hình 5.9: Mặt trượt 47 Hình 5.10: Mặt trượt Hình 5.11 Quỹ đạo mong muốn quỹ đạo quay 48 CHƯƠNG 6: MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM Nội dung chương này: thiết kế tay máy SCARA, thiết kế điều khiển, điều khiển tay máy hoạt động theo quỹ đạo (đường tròn), kết thực nghiệm 6.1 BỘ ĐIỀU KHIỂN Bộ điều khiển trung tâm: sử dụng DSP card model C2000 F28335; DSP C2000 sử dụng vi điều khiển 32 bit F28335 cho phép kết nối, giao tiếp vối máy tính qua cồng USB Trong luận án tay máy SCARA với điều khiển PID trượt mô phần mềm Matlap sau dử liệu truyền trực tiếp xuống Card DSPC2000, tín hiệu điều khiển tiếp tục truyền dến board điều khiển động MB2D để điều khiển tay máy di chuyển theo quỷ đạo mong muốn Máy Tính Bộ điểu khiển trung tâm Modul Điều khiển động MB2D Khối Nguồn Hình 6.1: sơ đồ khối điều khiển mơ hình Scara 6.2 MƠ HÌNH TAY MÁY SCARA Hình 6.2 Mơ hình thực nghiệm tay máy Scara Tay Máy SCARA 49 Hinh 6.3 Chương trình mơ điều khiển SCARA sử dụng DSP Card C2000F28335 6.3 Kết thực nghiệm Hình 6.4 : Kết mơ quỷ đạo SCARA MatLap 50 Hình 6.5: kết quỷ đạo SCARA mơ hình thực  Kết thực nghiệm: Qua việc thi cơng, thiết kế mơ hình thực nghiệm Scara robot có đặc điểm sau: - Bộ điều khiển hoạt động tốt phần mềm mô phỏng, đưa vào điều khiển đối tượng thật hoạt động chưa tốt, cần tinh chỉnh lại thông số kỹ thuật - Thuật toán áp dụng điều khiển sử dụng cho tay máy - Bộ điều khiển trung tâm DSP Card C2000F28335có tốc độ xử lý nhanh xác, mạch điều khiển động sử dụng mơ hình đáp ứng u cầu kỹ thuật - Mơ hình hoạt động chưa quỹ đạo mong muốn Ngun nhân:  Khi điều khiển mơ hình thực thông số kỹ thuật tay máy không lý tưởng lý thuyết gây khó khăn việc chọn thơng số điều khiển  Mơ hình thực nghiệm có kết cấu khí chưa phù hợp với điều khiển thiết kế: mơ hình làm Mica nên độ “ Rơ” khớp lớn, có “ma sát” khớp chuyển động, gây sai số điều khiển Biện pháp khắc phục: Thiết kế mơ hình với vật liệu phù hợp, tính tốn chọn động có thơng số kỹ thuật, cơng suất phù hợp với thuật toán 51 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 7.1 KẾT LUẬN:  Luận án trình bày hệ thống điều khiển tay máy sở kỹ thuật điều khiển trượt  Mơ hình động học thuận động học ngược tay máy trình bày dựa sở hình học  Mơ hình động lực học tay máy trình bày dựa phương trình Lagrange  Bộ điều khiển PID trượt với mặt trượt PID thiết kế Điều kiện ổn định mặt trượt ổn định toàn cục hệ thống xác định dựa vào tiêu chuẩn ổn định Lyapunov  Bộ điều khiển thiết kế kiểm nghiệm kết mô phần mềm matlab  Mơ hình vật lý kiểm nghiệm thuật tốn 7.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI: Xây dựng mô hình phù hợp sản xuất sử dụng thuật tốn thuật tốn ứng dụng vào cơng nghiệp 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] V I Utkin, Sliding Modes in Control and Optimization New York: Springer-Verlag, 1991 [2] J.-J E Slotine and W Li, Applied Nonlinear Control Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall, 1991 [3] J Y Hung, W Gao, and J C Hung, “Variable structure control: A survey,” IEEE Trans Ind Electron., vol 40, no 1, pp 2–21, Feb 1993 [4] A Ferrara, L Magnani, and R Scattolini, “A globally stabilizing hybrid variable structure control strategy,” IEEE Trans Automat Contr., vol 47, no 8, pp 1334–1337, Aug 2002 [5] K D Young, “Controller design for a manipulator using the theory of variable structure systems,” IEEE Trans Syst., Man, Cybern., vol SMC– 8, no 2, pp 101–109, Feb 1978 [6] K S Yeung and Y P Chen, “A new controller design for manipulators using the theory of variable structure systems,” IEEE Trans Automat Cont., vol 33, no 2, pp 200–206, Feb 1988 [7] E Bailey and A Arapostathis, “A simple sliding mode scheme applied to robot manipulators,” Int J Control, vol 45, no 4, pp 1197–1209, 1987 [8] M Zhihong and M Palaniswami, “Robust tracking control for rigid robotic manipulators,” IEEE Trans Automat Contr., vol 39, no 1, pp 154–159, Jan 1994 [9] K Erbatur, M O Kaynak, and A Sabanovic, “A study on robustness property of sliding-mode controllers: A novel design and experimental 54 investigations,” IEEE Trans Ind Electron., vol 46, no 5, pp 1012– 1017, Oct 1999 [10] K.-Y Lian and C.-R Lin, “Sliding-mode motion/force control of constrained robots,” IEEE Trans Automat Contr., vol 43, no 8, pp 1101–1103, Aug 1998 [11] E M Jafarov and R Tasaltin, “Design of robust autopilot output ntegral sliding mode controllers for guided missile systems with parameter perturbations,” Int J Aircraft Eng Aerospace Technol., vol 33, no 1, pp 16–25, 2001 [12] D S Yoo, H H Choi, and M J Chung, “Adaptive variable structure control for robot manipulators,” in Proc IEEE-TENCON’92, Melbourne, Australia, Nov., pp 1028–1032 [13] E Jafarov, Y Istefanopulos, and M N A Parlakỗ, A new variable structure-PID controller for robot manipulators with parameter erturbations: An augmented sliding surface approach,” in Proc 15th IFAC World Congr., Barcelona, Spain, Jul 2002 [14] T L Chern and Y C Wu, “Integral variable structure control approach for robot manipulators,” Proc Inst Electr Eng., vol 139, no 2, pp 161–166, 1992 [15] “Design of integral variable structure controller and application to electrohydraulic velocity servosystems,” Proc Inst Electr Eng., vol 138, no 5, pp 439–444, 1991 55 [16] C Abdallah, D Dawson, P Dorato, and M Jamshidi, “Survey of robust control for rigid robots,” IEEE Control Syst Mag., vol 11, no 2, pp 24– 30, Feb 1991 [17] H G Sage, M F De Mathelin, and E Ostertag, “Robust control of robot manipulators: A survey,” Int J Control, vol 72, no 16, pp 1498–1522, 1999 [18] Y Stepanenko, Y Cao, and C Su, “Variable structure control of robotic manipulator with PID sliding surfaces,” Int J Robust Nonlinear Control, vol 8, pp 79–90, 1998 [19] V Parra-Vega and G Hirzinger, “Chattering-free sliding mode control for a class of nonlinear mechanical systems,” Int J Robust Nonlinear Control, vol 11, pp 1161–1178, 2001 [20] H Asada and J.-J E Slotine, Robot Analysis and Control New York: Wiley, 1986 [21] M Spong and M Vidyasagar, Robot Dynamics and Control New York: Wiley, 1989 [22] NSK Robot Manual, IMI (Integrated Motions Corporated) Direct Drive Manipulator Research and Development Package, 1992 [23] F Lewis, Control of Robot Manipulators, Prentice-Hall, 2002 [24] Rafael C.Gonzalez, Digital Image Processing, Addison-Wesley Publishing Company, 1995 [25] Lê Hồi Quốc, Robot cơng nghiệp người máy, NXB ĐH Quốc gia TP HCM – 2003 ... TÀI: ĐIỀU KHIỂN ROBOT SCARA BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Nghiên cứu lý thuyết điều khiển PID trượt - Áp dụng phương pháp điều khiển phương pháp PID trượt vào Robot. .. đề tài: ĐIỀU KHIỂN ROBOT SCARA BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM - NGUYỄN THÀNH NHẪN ĐIỀU KHIỂN ROBOT SCARA BẰNG ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT... + Điều khiển thích nghi theo sai lệch + Điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu (MRAC) + Điều khiển động lực học ngược thích nghi + Điều khiển trượt 2.4.1 Điều khiển trượt: Điều khiển trượt phương