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

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 Mã số ngành: 60520202 TP HỒ CHÍ MINH, tháng … năm …… 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 Mã số ngành: 60520202 HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Đồng Văn Hướng TP HỒ CHÍ MINH, tháng … năm …… CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN 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 … tháng … năm … Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ) …………………………………………………………… …………………………………………………………… …………………………………………………………… …………………………………………………………… …………………………………………………………… Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau Luận văn sửa chữa (nếu có) Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV TRƯỜNG ĐH KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP HCM PHÒNG QLKH - ĐTSĐH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc TP HCM, ngày … tháng… năm 20 … NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Phạm Cơng Vũ Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 26/03/1977 Nơi sinh:Biên Hòa Chuyên 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: - Tìm hiểu tổng quan phương pháp điều khiển robot - Lập phương trình động học ngược - Lập trình điều khiển tay máy scara theo thuật tốn PID LabVIEW - Mơ 3D LabVIEW - Thiết kế thi công 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 LÝ CHUYÊN NGÀNH CHƢƠNG I GIỚI THIỆU LUẬN VĂN 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ: Trong q trình cơng nghiệp hóa đại hóa nước ta, việc nghiên cứu thiết kế chế tạo robot công nghiệp để ứng dụng vào sản xuất có ý nghĩa quan trọng, đặc biệt giai đoạn hội nhập kinh tế Việc tự động hóa q trình sản xuất với có mặt robot làm tăng khả mềm dẻo hệ thống sản xuất, tăng chất lượng sản phẩm đặc biệt làm giảm giá thành sản phẩm để tăng tính cạnh tranh Ngồi ra, robot cơng nghiệp cịn có tính quan trọng khác làm việc môi trường khắc nghiệt mà người tham gia vào như: môi trường nhiều khói bụi, mơi trường độc hại hóa chất, môi trường nhiệt độ cao… Hiện nay, giới có nhiều nghiên cứu ứng dụng robot vào trình sản xuất robot hàn nhà máy sản xuất ô tô, robot lắp máy, robot đào đường hầm, robot cấp phôi máy gia cơng chi tiết khí, robot quay camera sân vận động, robot tự động nâng hàng… Tuy nhiên Việt Nam việc nghiên cứu chế tạo robot giai đoạn bắt đầu, chủ yếu dừng lại mức độ chế thử, số chuyển giao vào trình sản xuất Các robot chưa có tính thích nghi ứng với mơi trường thay đổi mà chủ yếu hoạt động theo chương trình định trước Việc nghiên cứu điều khiển để nâng cao độ xác robot cịn nhà khoa học ngồi nước quan tâm nhiều Đối với hệ điều khiển robot, việc lựa chọn sử dụng biến đổi, loại động điện, thiết bị đo lường, cảm biến, điều khiển đặc biệt phương pháp điều khiển có ảnh hưởng lớn đến chất lượng điều khiển bám xác quỹ đạo hệ Các cơng trình nghiên cứu hệ thống điều khiển robot tập trung chủ yếu theo hai hướng sử dụng mơ hình có tính đặc tính phi tuyến ước lượng để đơn giản việc phân tích 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 tốn PID cải tiến” thực 1.2 Tính cấp thiết đề tài Hiện nay, phương pháp điều khiển robot cánh tay bậc tự theo thuật toán PID cải tiến lựa chọn kỹ thuật điều khiển động DC với ưu điểm sau: - Đơn giản, không cần đến khối chuyển đổi tương quan - Tính linh hoạt cao - Khả điều khiển bền bỉ xác - Có đầy đủ yếu tố cho việc thiết kế điều khiển có tính theo u cầu đề Tính ổn định điều khiển PID cải tiến rộng bền vững tác động bên - Khả bám tốc độ đặt cao, tải thay đổi  Ưu điểm phương pháp PID cải tiến so với phương pháp PID thông thường - Đáp ứng tốc độ đảm bảo điều kiện tải thay đổi thông số động thay đổi trình làm việc - Cho đáp ứng nhanh, chất lượng truyền động tốt, hiệu suất cao 1.3 MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1.3.1 Mục tiêu đề tài Đề tài tập trung nghiên cứu điều khiển PID mờ điều khiển động DC nhằm cho thấy thích nghi tốt điều khiển mờ điều khiển tốc độ động DC Việc thiết kế mô Matlab/simulink Để điều khiển tay máy ta cần giải toán sau Trước tiên người vận hành nhập giá trị tọa độ (X,Y) vào giao diện điều khiển Phần mềm tính tốn hai góc θ1, θ2 theo tốn động học ngược Sau giá trị θ1, θ2 đưa qua điều khiển PID cải tiến giá trị chế độ thực (θ1r, θ2r góc cần đạt được, θ1, θ2 l góc phản hồi trình vận hành cánh tay robot) Động học ngược Cho (X,Y) 1r , r Bộ ĐK PID cải tiến 1  1r DC 2  2r Hình 1-1: Sơ đồ khối điều khiển tay máy Sơ đồ khối mạch điều khiển động Lấy hiệu hai giá trị θ1r θ1 ta giá trị sai số e Sau e đưa qua PID cải tiến ta giá trị điện áp u, qua khuếch đại công suất đưa đến động 1r e u PID KĐCS DC1 1 MĐ H ình 1-2: Sơ đồ mạch điều khiển cho động Tương tự ta áp dụng cho hai giá trị θ2r θ2 2r e PID KĐCS DC2 2 MĐ H ình 1-3: Sơ đồ mạch điều khiển cho động Để thực tốn trên, tác giả xây dựng mơ hình robot tay máy bậc tự hình (1 – 4) Động (3) điều khiển link1 (5), có encoder (4) phản hồi góc θ1 Động (7) điều khiển link1 (8), có encoder (6) phản hồi góc θ2 Xylanh (9) tịnh tiến bàn tay kẹp lên xuống xylanh (10) điều khiển bàn tay kẹp 16 15 14 Khớp 14 Link1 13 17 d Khớp Link2 c b a 10 11 h 12 Hình 1-4: Mơ hình tay máy bậc tự 1.3.2 Nội dung nghiên cứu - Các phương pháp điều khiển động DC - Động học tay máy - Thiết kế điều khiển PID mờ cho động dẫn động khớp - Mơ - Xây dựng mơ hình thực nghiệm 1.4 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU: - Trao đổi với giáo viên hướng dẫn nhiệm vụ giao vấn đề có liên quan - Tìm 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 - Nghiên cứu Thuật toán điều khiển PID cải tiến cho robot 1.5 ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN VĂN: Nghiên cứu nhiệm vụ yêu cầu ổn định, tin cậy hệ robot tay máy để phù hợp với tình hình kinh tế phát triển Tìm hiểu cấu trúc hoạt động robot theo thuật toán PID cải tiến mô 3D LabVIEW 1.6 GIÁ TRI THỰC TIỄN CỦA LUẬN VĂN: Hệ tay máy bậc tự Scara sử dụng nhiều công nghiệp giới Đề tài “ Điều khiển tay máy bậc tự theo thuật toán PID cải tiến” góp phần vào việc phát triển nghiên cứu robot Việt Nam, nhằm mục đích phục vụ cho cơng tác đào tạo nghiên cứu trường đại học, cao đẳng trung cấp chuyên nghiệp 1.7 BỐ CỤC LUẬN VĂN: Luận văn gồn chương:  Chương I: Giới thiệu luận văn  Chương II: Cơ sở lý thuyết  Chương III: Động học tay máy điều khiển tay máy  Chương IV: Thiết kế điều khiển PID cải tiến cho động dẫn động khớp  Chương V:Kết thực nghiệm kết luận  Tài liệu tham khảo CHƢƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP 2.1.1 Lịch sử phát triển Thuật ngữ “Robot” lần xuất năm 1922 tác phẩm “Rosum’s Universal Robot “ Karal Capek Theo tiếng Séc Robot người làm tạp dịch Trong tác phẩm nhân vật Rosum trai ông tạo máy gần giống người để hầu hạ người Hơn 20 năm sau, ước mơ viễn tưởng Karel Capek bắt đầu thực Ngay sau chiến tranh giới lần thứ 2, Mỹ xuất tay máy chép hình điều khiển từ xa, phịng thí nghiệm phóng xạ Năm 1959, Devol Engelber chế tạo Robot công nghiệp công ty Unimation Năm 1967 Nhật Bản nhập Robot công nghiệp từ công ty AMF Mỹ Đến năm 1990 có 40 cơng ty Nhật, có cơng ty khổng lồ Hitachi, Mitsubishi Honda đưa thị trường nhiều loại Robot tiếng Những robot thực chất nối kết khâu khí cấu điều khiển từ xa với khả lập trình máy cơng cụ điều khiển số Từ năm 70, việc nghiên cứu nâng cao tính robot ý nhiều đến lắp đặt thêm cảm biến ngoại tín hiệu để nhận biết môi trường làm việc Tại trường đại học tổng hợp Stanford, người ta tạo loại Robot lắp ráp tự động điều khiển vi tính sở xử lý thông tin từ cảm biến lực thị giác Vào thời gian công ty IBM chế tạo Robot có cảm biến xúc giác cảm biến lực điều khiển máy vi tính để lắp ráp máy in gồm 20 cụm chi tiết Những năm 90 áp dụng rộng rãi tiến khoa học vi xử lý công nghệ thông tin, số lượng Robot công nghiệp tăng nhanh, giá thành giảm rõ rệt, tính có nhiều bước tiến vượt bậc Nhờ Robot cơng nghiệp 33 Kết mô PID thông thường H ình 4.11: Kết mơ PID thơng thường 4.4.2 Mô PID cải tiến cho động DC Matlab H ình 4.12: PID mờ Kết mơ PID cải tiến H ình 4.13: Kết mơ phỏngPID cải tiến 34 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 35 Hình 4-15: Lập trình PID Hình 4.16: Lập trình PID cho khớp 36 Hình 4-17: Lập trình PID cho khớp Hình 4-18: Giải tốn động học ngược 37 Do chuyển động robot Scara đơn giản, dễ dàng nên sử dụng phổ biến cơng 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 vịng 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: 38 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 cịn có chức Digital input ứng dụng linh hoạt 39 Mô 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 40 Mô tả chân hàm USD HDL 9090 để lập trình nhƣ bảng sau: 41 Sơ đồ mạch điều khiển Connector HDL -+ -+ -+ -+ 220VAC 12VDC DIR2 PWM2 PWM1 DIR1 HDL Dual driver Van điều khiển Ben 10 12VDC 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 42 HDL HDL Dual Dual driver driver Hình 4-22: Sơ đồ kết nối mạch điều khiển dẫn động khớp 43 Hình 4-23: Sơ đồ kết nối mạch điều khiển dẫn động khớp khí nén 4.6 Kết thực nghiệm tay máy bậc tự Chƣa cải tiến: Vị trí khớp Vị trí khớp KP 2,5 KI 1 KD 0.2 0.2 Đồ thị đáp ứng: Vị trí khớp Vị trí khớp 44 Chƣa cải tiến: Vị trí khớp Vị trí khớp KP KI 0,5 0,5 KD 0 Đồ thị đáp ứng: Vị trí khớp Vị trí khớp Sau cải tiến: Vị trí khớp Vị trí khớp KP 3,5 KI 0,5 0,5 KD 0 Đồ thị đáp ứng: Vị trí khớp Vị trí khớp 45 Sau cải tiến: Vị trí khớp Vị trí khớp KP KI 0,12 0,12 KD 0 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 Thấp (0) 46 CHƢƠNG V: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG 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: - Nghiên cứu cách tổng quan robot: phát triển, phân loại, sơ đồ cấu trúc chức robot ứng dụng robot cơng 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 phơi 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 Hƣớng 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 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Thiện Phúc, Robot Công nghiệp, NXB KH & KT Hà Nội 2002, 326 p [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 Cơng Hiền, Thiết kế, chế tạo mơ hình thực nghiệm điều khiển thông minh mô 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 ... 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 35 Hình 4-15: Lập trình PID Hình 4.16: Lập trình PID cho khớp 36 Hình 4-17: Lập trình PID. .. 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 - Nghiên cứu Thuật toán điều khiển PID cải tiến cho robot... Ngày, tháng, năm sinh: 26/ 03/ 1977 Nơi sinh:Biên Hòa Chuyên 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: