Nhận dạng hệ thống acrobot

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ĐỖ NGỌC TRUNG NHẬN DẠNG HỆ THỐNG ACROBOT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Thái Nguyên - 2014 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ĐỖ NGỌC TRUNG NHẬN DẠNG HỆ THỐNG ACROBOT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 60520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: T.S Nguyễn Hoài Nam Thái Nguyên - 2014 i LỜI CAM ĐOAN Tên là: Đỗ Ngọc Trung Học viên lớp cao học khóa 14 – Tự động hóa – Trường Đại học kỹ thuật cơng nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên Hiện công tác tại: Trường Cao đẳng nghề Yên Bái Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu khoa học độc lập thân Mọi kết nghiên cứu ý thưởng tác giả khác có trích dẫn nguồn gốc cụ thể Các số liệu sử dụng phân tích luận văn có nguồn gốc rõ ràng Các kết nghiên cứu luận văn tơi tự tìm hiểu, phân tích cách trung thực, khách quan phù hợp với thực tiễn Việt Nam Luận văn chưa bảo vệ hội đồng bảo vệ luận văn thạc sĩ chưa công bố phương tiện thông tin Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm mà tơi cam đoan Thái Nguyên, ngày tháng Học viên Đỗ Ngọc Trung năm 2014 ii LỜI CẢM ƠN Trong thời gian học tập nghiên cứu nhà trường tơi tích lũy nhiều kiến thức chuyên nghành Sau gần hai năm học tập nhà trường học viên nhận luận văn tốt nghiệp vinh dự lớn thân Sau tháng nghiên cứu làm việc khẩn trương với hướng dẫn, giúp đỡ tận tình T.S Nguyễn Hồi Nam (Trường Đại học Công Nghiệp – Đại học Thái Nguyên) luận văn “Nhận dạng hệ thống Acrobot” hoàn thành Trong q trình thực luận văn ngồi cố gắng thân, nhận nhiều quan tâm giúp đỡ, bảo tận tình thầy giáo, giáo nhà trường Với lịng kính trọng biết ơn sâu sắc tơi xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới: Ban giám hiệu, phòng đào tạo sau đại học, thầy cô giáo khoa Điện trường Đại học kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ tơi q trình học tập hồn thành luận văn Nhân dịp tơi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới T.S Nguyễn Hoài Nam tận tâm hết lòng giúp đỡ, dạy bảo, động viên tạo điều kiện thuận lợi cho suốt q trình hồn thành luận văn tốt nghiệp Tuy cố gắng, luận văn nhiều thiếu sót, mong nhận góp ý để đề tài hồn thiện Tơi xin trân trọng cảm ơn! iii MỤC LỤC Trang phụ bìa Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Danh mục hình vẽ vi Danh mục bảng vii MỞ ĐẦU……………………………………………………………….… CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ROBOT VÀ ACROBOT……………… 1.TỔNG QUAN VỀ ROBOT…………………………………………… 1.1 Sơ lược trình phát triển…………………………………………… 1.2 Những ứng dụng điển hình robot……………………………… 1.3 Phân loại robot……………………………………………… ……… TỔNG QUAN VỀ ACROBOT………………………………………… CHƯƠNG II: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG ACROBOT…… 13 2.1 Lựa chọn mơ hình ACROBOT……………………………….……… 13 2.2 Chế tạo mơ hình ACROBOT……………………………………… 14 2.2.1 Thanh 1……………………………………………….…………… 15 2.2.2 Encorder động số 1………………………………………… 16 2.2.3 Động số 2……………………………………………………… 16 2.2.4 Encoder 334 xung………………………………………………… 18 2.2.5 Thuật toán đo tốc độ động cơ……………………………………… 19 iv 2.2.6 Điều khiển tốc độ chiều động cơ………………………………… 20 2.2.7 Giới thiệu hộp số (giảm tốc)……………………………….……… 20 2.2.8 Thanh 2………………………………………………………… 21 2.3 Giới thiệu Card Arduino…………………………… …………… 22 CHƯƠNG III: NHẬN DẠNG HỆ THỐNG ACROBOT……………… 23 3.1 Phương pháp nhận dạng ACROBOT……………………………… 23 3.2 Xây dựng mơ hình tốn simulink…………………………… 25 3.2.1 Hệ thống ACROBOT……………………………………………… 25 3.2.2 Xác định tham số cho mơ hình ACROBOT………………… 28 3.3 Xác định thông số acrobot………………………………… 31 3.4 Nhận dạng động điều khiển thứ hai…………………… 33 3.4.1 Các phương pháp nhận dạng hệ tuyến tính……………………… 33 3.4.2 Nhận dạng tham số mơ hình ARMA……………………………… 34 3.4.2.1 Nhận dạng bị động tham số mơ hình ARMA ………………… 34 3.4.2.2 Nhận dạng bị động tín hiệu vào tiền định ……… 35 3.4.3 Nhận dạng động 38 3.4.3.1 Thu thập liệu mẫu từ động cơ……………………………… 41 3.4.3.2 Nhận dạng sử dụng công cụ Ident Matlab……………… 44 3.4.3.3 Xây dựng hàm truyền động cơ……………………………… 53 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ…………………………………………… 56 PHỤ LỤC………………………………………………………………… 57 Phụ lục 1………………………………………………………………… 57 v Phụ lục ………………………………………………….……………… 58 Phụ lục 3………………………………………………………………… 59 Phụ lục 4………………………………………………………………… 60 Phụ lục 5……………………………………………….………………… 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO 62 vi DANH MỤC HÌNH VẼ Nơi dung hình vẽ Trang Hình 1.1: Sơ đồ cấu trúc Acrobot Hình 1.2: Hệ thống hụt 11 Hình 2.1: Một hệ thống acrobot phịng thí nghiệm 13 Hình 2.2: Hình ảnh mơ hình Acrobot thực 14 Hình 2.3: Thanh động 15 Hình 2.4: Encorder động số 16 Hình 2.5: Động dây nối 17 Hình 2.6: Hình ảnh động DC Encodor 334 xung + giảm tốc 18 Hình 2.7: Hình ảnh Encoder 334 xung 18 Hình 2.8: Hình ảnh kích thước hộp giảm tốc 20 Hình 2.9: Thanh 21 Hình 2.10: Card Arduino Mega 22 Hình 3.1: Sơ đồ hệ thống đo vị trí góc cách tay máy 24 Hình 3.2 Hệ thống Acrobot 25 Hình 3.3 Sơ đồ kết cấu thứ 28 Hình 3.4 Mơ hình acrobot simulink 31 Hình 3.5: Vị trí góc thực ước lượng từ mơ hình tốn 32 Hình 3.6: Sai số vị trí góc thực vị trí góc từ mơ hình tốn 33 Hình 3.7: Nhận dạng bị động tham số mơ hình ARMA 35 Hình 3.8-a Đặc tính N-T 39 Hinh 3.8-b Họ đường đặc tính N-T 40 Hình 3.8-c Đặc tính điện 40 Hình 3.8-d Đặc tính điện 41 Hình 3.9: Sơ đồ tạo tín hiệu tốc độ góc mẫu 42 vii Hình 3.10: Tín hiệu điện áp cung cấp cho động 43 Hình 3.11: Tốc độ góc động 43 Hình 3.12: Giao diện nhận dạng đối tượng 44 Hình 3.13: Giao diện nhận dang sau nhập liệu mẫu 45 Hình 3.14: Giao diện nhận dạng sau chọn Preprocess 45 Hình 3.15: Tín hiệu gốc 46 Hình 3.16: Di chuyển liệu mydatad vào Working Data 47 Hình 3.17: Bộ liệu mydatade mydatadv 47 Hình 3.18: Dữ liệu mydatade mydatadv 48 Hình 3.19: Di chuyển mydatade mydatadv vào vùng làm việc 49 Hình 3.20: Giao diện lựa chọn cấu trúc hàm truyền đạt 50 Hình 3.21: Hàm truyền đạt sau ước lượng 51 Hình 3.22: Hàm truyền đạt 52 Hình3.23: Mơ hình động điện chiều 53 DANH MỤC BẢNG Nội dung bảng Trang Bảng 3.1 Các thông số acrobot 25 Bảng 3.2 Các thông số acrobot thực 30 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Trong công kiến thiết xây dựng đất nước bước vào thời kỳ cơng nghiệp hóa, đại hóa đất nước với hội thuận lợi khó khăn thách thức lớn Cùng với phát triển khoa học kĩ thuật, ngành tự động hóa có bước tiến quan trọng Q trình góp phần khơng nhỏ vào việc tăng suất lao động, giảm giá thành, tăng chất lượng độ đồng chất lượng, đồng thời tạo điều kiện cải thiện môi trường làm việc người, đặc biệt số cơng việc có độ an tồn thấp có tính độc hại cao Điều đặt cho hệ trẻ chủ nhân tương lai đất nước nhiệm vụ nặng nề Sự phát triển nhanh chóng cách mạng khoa học kỹ thuật nói chung lĩnh vực điện - điện tử nói riêng làm cho mặt xã hội đất nước biến đổi ngày Để đáp ứng yêu cầu đó, chúng em chủ nhân tương lai đất nước cần có ý thức học tập nghiên cứu chun mơn Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp cách đắn sâu sắc Acrobot ví dụ tiêu biểu cho hệ thống hụt (số đầu vào điều khiển nhỏ bậc mơ hình) Đây hệ thống phi tuyến khó điều khiển, sử dụng làm đối tượng thử nghiệm cho thuật toán điều khiển phi tuyến Thấy tầm quan trọng đó, chọn đề tài: “Nhận dạng hệ thống acrobot ” Mục tiêu nghiên cứu - Chế tạo hệ thống acrobot phịng thí nghiệm - Xây dựng mơ hình tốn học cho hệ thống acrobot 49 Hình 3.19: Di chuyển mydatade mydatadv vào vùng làm việc Để ước lượng mơ hình ta chọn Estimate → Transfer Functions Sau chọn số điểm cực 2, số điểm không chọn Discrete-time Ta chọn bậc mơ hình tử mẫu bậc mơ hình động Hình 3.20 thể giao diện lựa chọn cấu trúc hàm truyền đạt 50 Hình 3.20: Giao diện lựa chọn cấu trúc hàm truyền đạt Sau xuất giao diện hình 3.21 với hàm truyền đạt thể tf1 51 Hình 3.21: Hàm truyền đạt sau ước lượng Nháy chuột vào khối tf1 giao diện hình 3.22 Trong thể hàm truyền động sau nhận dạng Các thơng số hàm truyền thơng số mơ hình ARMA cần tìm 52 Hình 3.22: Hàm truyền đạt Mơ hình toán học động sau nhận dạng công cụ System Identtifcation Toolbox phần mềm Matlab là: Gz  14.57  27.98 z 1  14.56 z 2  1.893 z 1  0.9473 z 2 Hàm truyền s tương ứng với hàm truyền z là: 14.57 s  6.244s  1319 Gs  s  1.805s  62.27 (3.11) Ở phần tiếp theo, ta xây dựng mơ hình hàm truyền động miền s Cuối cân hệ số mơ hình hàm truyền với hàm truyền s ta xác định tham số cần tìm động 53 3.4.3.3 Xây dựng hàm truyền động Để xét chế độ làm việc động điện chiều kích từ độc lập, ta xuất phát từ sơ đồ nguyên lý động hình sau: Hình 3.23: Mơ hình động điện chiều Trong đó:  kg m2  J: Moomen quán tính roto    s  b: Hệ số cản trục roto (N.m.s) N m  ke: Hằng số sức điện động    A  R: Điện trở phần ứng    L: Điện cảm phần ứng (L) U: Điện áp nguồn chiều không đổi cấp cho mạch phần ứng (V)  rad   : Vận tốc quay roto    s  Quan hệ moomen trục động T dòng điện phần ứng I xác định qua số mô men kt sau: M = kt.i Sức điện động e quan hệ với vận tốc quay sau: e = ke  (3.12) Mômen cản trục động tính sau: M c  b (3.13) 54 Theo định luật Newton ta có: M  Mc  J d dt (3.14) Hay J d  b  kti dt (3.15) Theo định luận Kirchhoff ta có hệ phương trình sau: J d  Ri  U  e dt (3.16) L di  Ri  U  ke dt (3.17) Biến đổi Laplace phương trình (3.15) ta có:  Js  b   s   ki I  s  (3.18) Biến đổi Laplace phương trình (3.17) ta có:  Ls  R  I  s   U  ke  s  (3.19) Từ phương trình (3.18) (3.19) ta có quan hệ tốc độ đầu điện áp đầu vào sau:  s U s  1  Ls  R  js  b   ke ki (3.20) Hay  s U s  k0 a0 s  a1s  a2 (3.21) Phương trình (3.21) mơ hình hàm truyền động điện chiều Đây khâu bậc hai So sánh (3.11) với (3.21) ta thấy bậc mơ hình đúng, hệ số tử chưa xác Điều tín hiệu mẫu bị ảnh hưởng nhiễu mà chưa xác định 55 Kết luận Chương III tìm hiểu phương pháp nhận dạng hệ thống acrobat, Lựa chọn mơ hình tốn học cho hệ thống acrobot Nhận dạng động điểu khiển Thanh sử dụng Công cụ nhận dạng System Identtifcation Toolbox phần mềm Matlab, nhiên kết cịn thiếu xác 56 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận: - Đã thiết kế, chế tạo lắp ráp hoàn thiện mơ hình hệ thống acrobot trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên - Lựa chọn mơ hình tốn học cho hệ thống acrobot - Đã nhận dạng động điểu khiển Thanh sử dụng Công cụ nhận dạng System Identtifcation Toolbox phần mềm Matlab, nhiên kết cịn thiếu xác - Đã nhận dạng số thông số mơ hình Acrobot phịng thí nghiệm, nhiên giá trị nhận chưa đủ xác - Đã nghiên cứu sử dụng Card Arduino Mega kết hợp với thư viện vào IO Arduino library để điều khiển động đo góc Acrobot Kiến nghị: - Các thông số động cần xác định xác - Cần phải xác định mơ men qn tính, trọng tâm Thanh xác - Nên dùng động tốt hơn, có thơng số rõ ràng, xác tin cậy Điều làm giá thành hệ thống đắt nhiều so với hệ thống - Nên dùng encoder có độ phân dải xác - Thiết kế hệ thống lọc nhiễu cho hệ thống đo góc hai 57 PHỤ LỤC Phụ lục 1: Bảng kí hiệu chân IC L298N Số chân Kí hiệu CURRENT SENSING A OUTPUT OUTPUT SUPPLY VOLTAGE VS INPUT ENABLE A INPUT GND LOGIC SUPPLY VOLTAGE VSS 10 INPUT 11 ENABLE B 12 INPUT 13 OUTPUT 14 OUTPUT 15 CURRENT SENSING B Ghi 58 Phụ lục 2: Bảng kí hiệu chân IC SN74HC08N Số chân Kí hiệu Ghi 1A DATA INPUT 1B DATA INPUT 1Y DATA OUTPUT 2A DATA INPUT 2B DATA INPUT 2Y DATA OUTPUT GND 3Y DATA OUTPUT 3A DATA INPUT 10 3B DATA INPUT 11 4Y DATA OUTPUT 12 4A DATA INPUT 13 4B DATA INPUT 14 Vcc SUPPLY VOLTAGE GROUND (0v) 59 Phụ lục 3: Chương trình tính tốn thơng số cho mơ hình tốn Simulink Myparameters.m l1 = 0.24; l2 = 0.48; m1 = 0.14; m2 = 0.08; i1 = (m5*l1^2)/3+m4* l1^2; i2 = (m2*l2^2)/3; lc1 = l1/2; lc2 = l2/2; c1 = m1*lc1^2+m2*l1^2+i1; c2 = m2*lc2^2+i2; c3 = m2*l1*lc2; c4 = m1*lc1+m2*l1; c5 = m2*lc2; g = 9.8; x01 = pi; x02 = 0; x03 = 0; x04 = 0; Ts = 0.03; 60 Phụ lục 4: Chương trình vẽ tín hiệu đầu ước lượng từ mơ hình toán sai số Myplot.m Ts = 0.03; ni = length(T2)-1; ti = 0:Ts:(ni-1)*Ts; figure(1) T3 = T2(1:ni,1); plot(ti,T1,'b',ti,T3,'k') grid on legend('Vi tri goc thuc cua acrobot','Vi tri goc tu mo hinh toan') figure(2) plot(ti,T3-T1,'r') title('Sai so') grid on 61 Phụ lục 5: Tạo tín hiệu điện áp mẫu Myreference.m tmin = 0.2; tmax = 5; umin = -4; umax = 4; Ts = 0.05; % Sampling time t_desired = 100; % number of samples data_length = 0; t_data = 0; % store time ref_data = rand*umax; % store reference input while data_length < t_desired a = tmin + rand*(tmax-tmin); b = umin + rand*(umax-umin); t = [data_length+Ts data_length+a]; t_data = [t_data t]; ref_data = [ref_data b b]; data_length = data_length + a; end reference_input = [t_data;ref_data]'; plot(t_data,ref_data) title('Reference input') grid on 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Anh: [1] R M Murray and J Hauser, “A case study in approximate linearization: the acrobot example,” American control conference, p.1- 40, 1991 [2] S A Bortoff, “Pseudolinearization Using Spline Functions With Application to the Acrobot,” Ph.D thesis, Dept of Electrical and Computer Engineering, University of Illinois at Urbana- Champaign, 1992 [3] R'emi Coulom CORTEX and Loria Nancy, “High-Accuracy ValueFunction Approximation with Neural Networks Applied to the Acrobot,” European Symposium on Artificial Neural Networks, p.28-30, 2004 [4] Sam Chau Duong, Hiroshi Kinjo, Eiho Uezato and Tetsuhiko Yamamoto, “On the Continuous Control of the Acrobot via Computational Intelligence,” p.231 – 241, 2009 [5] Scott C Brown and Kevin M Passino, “Intelligent Control for an Acrobot,” Journal of Intelligent and Robotic Systems, p.209–248, 1997 [6] Arun D Mahindrakar and Ravi N Bnavar, “A swing-up of the acrobot based on a simple pendulum strategy,”International Journal of Control, p.424 – 429, 2005 Tiếng Việt: [7] Hà Mạnh Quân,“Thiết kế hệ thống điều khiển cho Acrobot,” Luận văn Thạc sĩ, Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên, 2014 [8] Phạm Thành Long, Lê Thị Thu Thủy, “Bài giảng môn học Robot công nghiệp,” Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp, NXB Lao động Xã hội, 2011 [9] Phan Xuân Minh Nguyễn Doãn Phước, “Nhận dạng hệ thống điều khiển,” Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2004 63 [10] Nguyễn Phùng Quang, “Matlab  Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động”, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2006 [11] Đỗ Sanh, Nguyễn Văn Đình Nguyễn Văn Khang, “Cơ học - Tập 1: Tĩnh học động học,” NXB Giáo dục, 2007 [12] Đỗ Sanh, “Cơ học - Tập 2: Động lực học,” NXB Giáo dục, 2007 [13] Lê Hoài Quốc, “Kỹ thuật người máy Phần I: Robot Công Nghiệp,” NXB ĐHQG TP.HCM, 2005 [14] Nguyễn Thương Ngô, “Lý thuyết điều khiển tự động thông thường đại  Quyển 3: Hệ phi tuyến & Hệ ngẫu nhiên,” Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2006 [15] Nguyễn Thương Ngô, “Lý thuyết điều khiển tự động thông thường đại  Quyển 4: Hệ tối ưu & Hệ thích nghi,” Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 2006 [16] Richard M Murray and John Hauser A case study in approximate linearization: The acrobot example, April 1991 [17] M.W Spong Underactuated mechanical systems In B Siciliano and K P Valavanis, editors, Control Problems in Robotics and Automation, Lecture notes in control and information sciences 230 Springer-Verlag, 1997 ... …………… 22 CHƯƠNG III: NHẬN DẠNG HỆ THỐNG ACROBOT? ??…………… 23 3.1 Phương pháp nhận dạng ACROBOT? ??…………………………… 23 3.2 Xây dựng mơ hình tốn simulink…………………………… 25 3.2.1 Hệ thống ACROBOT? ??……………………………………………... quan trọng đó, chọn đề tài: ? ?Nhận dạng hệ thống acrobot ” Mục tiêu nghiên cứu - Chế tạo hệ thống acrobot phịng thí nghiệm - Xây dựng mơ hình tốn học cho hệ thống acrobot 2 Đối tượng phạm vi... thi nghiệm 23 CHƯƠNG III: NHẬN DẠNG HỆ THỐNG ACROBOT 3.1 Phương pháp nhận dạng ACROBOT Chúng chế tạo mơ hình acrobot thực dựa sở mơ hình tốn biết Cho nên toán nhận dạng bao gồm việc xác định