Điều khiển thích nghi phi tuyến cho robot công nghiệp trên cơ sở mạng nở ron nhân tạo

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI oOo THÁI HỮU NGUYÊN ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI PHI TUYẾN CHO ROBOT CÔNG NGHIỆP TRÊN CƠ SỞ MẠNG NƠ RON NHÂN TẠO Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 62520216 LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC GS TS Phan Xuân Minh GS TS Nguyễn Doãn Phước HÀ NỘI - 2014 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án công trình nghiên cứu thân Các kết nghiên cứu luận án trung thực chưa cơng bố cơng trình khác, ngồi cơng trình tác giả cơng bố TẬP THỂ HƯỚNG DẪN TÁC GIẢ LUẬN ÁN THÁI HỮU NGUYÊN LỜI CẢM ƠN Bản luận án hoàn thành sở kết nghiên cứu hướng dẫn khoa học GS.TS Phan Xn Minh GS.TS Nguyễn Dỗn Phước thuộc Bộ mơn Điều khiển Tự động, trường Đại học Bách khoa Hà Nội Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới thầy, cô tin tưởng, quan tâm, giúp đỡ tạo điều kiện cho tơi hồn thành luận án Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Phạm Thục Anh, GS.TSKH Cao Tiến Huỳnh, PGS.TSKH Phạm Thượng Cát, PGS.TS Hán Thành Trung, PGS.TS Hoàng Minh Sơn gợi ý khoa học q báu giúp tơi hồn thiện cơng việc nghiên cứu hồn thành luận án Xin cảm ơn quý thầy cô giáo thuộc Bộ môn Điều khiển Tự động, Viện Điện, Đại học Bách khoa Hà Nội, có nhiều giúp đỡ ủng hộ nhiệt tình thời gian tơi học tập nghiên cứu Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn tới bậc lãnh đạo trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vinh nơi công tác, tạo điều kiện thuận lợi cho thời gian vật chất suốt trình nghiên cứu Trân trọng cảm ơn Viện Đào tạo sau Đại học, Đại học Bách khoa Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành tốt luận án Tơi xin cảm ơn q thầy giáo, giáo, bạn bè, đồng nghiệp giúp đỡ, động viên chia sẻ khó khăn, ln cho tơi thêm nghị lực để hoàn thành luận án Cuối đặc biệt quan trọng, chân thành cảm ơn người thân gia đình tơi tất TÁC GIẢ LUẬN ÁN THÁI HỮU NGUYÊN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ CÁC KÝ HIỆU DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU 10 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 10 Tính cấp thiết đề tài luận án 13 Mục tiêu luận án 14 Đối tượng phạm vi nghiên cứu luận án 14 Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án 14 Nội dung luận án .14 Chương 17 NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ROBOT 17 1.1 Mơ hình tốn học định hướng thiết kế điều khiển cho robot .17 1.1.1 Mơ hình toán học robot 17 1.1.1.1 Động học vị trí 17 1.1.1.2 Động học thuận vận tốc 18 1.1.1.3 Động lực học 18 1.1.2 Định hướng thiết kế điều khiển cho robot 20 1.2 Điều khiển chuyển động tay máy robot 22 1.2.1 Các thuật toán điều khiển kinh điển 22 1.2.1.1 Điều khiển không gian khớp 22 1.2.1.2 Điều khiển không gian làm việc 25 1.2.2 Các thuật toán điều khiển nâng cao 27 1.2.2.1 Các thuật tốn điều khiển thích nghi 27 1.2.2.2 Tuyến tính hóa xác 28 1.2.2.3 Điều khiển bám quỹ đạo cho robot phương pháp Jacobian xấp xỉ thích nghi 35 1.2.2.4 Điều khiển thích nghi bền vững sử dụng kỹ thuật backstepping điều khiển chuyển động robot 41 1.2.2.5 Điều khiển thích nghi robot sở mờ mạng nơ ron 44 1.3 Hướng nghiên cứu luận án .45 1.3.1 Phát biểu toán 45 1.3.2 Phương pháp luận 45 1.4 Kết luận chương 45 Chương 46 ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI TAY MÁY ROBOT SỬ DỤNG MẠNG NƠ RON TRÊN CƠ SỞ KỸ THUẬT BACKSTEPPING 46 2.1 Tổng hợp điều khiển thích nghi sử dụng mạng nơ ron 46 2.1.1 Xấp xỉ hàm số mạng nơ ron nhân tạo 46 2.1.2 Tổng hợp điều khiển thích nghi sở kỹ thuật backstepping 49 2.1.3 Phân tích tính ổn định hệ thống 56 2.1.4 Tổng hợp ANNC cho robot bậc tự 59 2.1.4.1 Biến đổi mô hình dạng truyền ngược chặt 59 2.1.4.2 Tổng hợp ANNC 60 2.1.4.3 Kết mô 61 2.2 Tổng hợp ANNC cho robot n bậc tự 62 2.2.1 Biến đổi mô hình dạng truyền ngược chặt 62 2.2.2 Tổng hợp ANNC 63 2.2.3 Tổng hợp ANNC cho robot bậc tự 63 2.2.3.1 Biến đổi mơ hình dạng truyền ngược chặt 63 2.2.3.2 Tổng hợp ANNC 65 2.2.3.3 Kết mô 65 2.3 Kết luận chương 67 Chương 69 ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT NƠ RON THÍCH NGHI BỀN VỮNG CHO TAY MÁY ROBOT BẤT ĐỊNH HÀM SỐ 69 3.1 Đặt toán tổng hợp điều khiển trượt .69 3.2 Tổng hợp điều khiển trượt 69 3.3 Xấp xỉ hàm bất định mạng nơ ron hướng tâm .71 3.4 Phân tích tính ổn định hệ thống .74 3.5 Tổng hợp RANNSMC cho robot n bậc tự 75 3.5.1 Biến đổi mơ hình dạng truyền ngược chặt 75 3.5.2 Tổng hợp RANNSMC 75 3.6 Tổng hợp RANNSMC cho robot bậc tự 76 3.6.1 Biến đổi mơ hình dạng truyền ngược chặt 76 3.6.2 Tổng hợp RANNSMC 80 3.6.3 Kết mô 80 3.7 Kết luận chương 82 Chương 83 ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI BỀN VỮNG TAY MÁY ROBOT SỬ DỤNG MẠNG NƠ RON KẾT HỢP ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT 83 4.1 Cơ sở lý thuyết 83 4.1.1 Điều khiển thích nghi sử dụng mạng nơ ron sở kỹ thuật backstepping 84 4.1.2 Điều khiển trượt 85 4.1.2.1 Tổng hợp điều khiển trượt cho đối tượng xác định 85 4.1.2.2 Tổng hợp điều khiển trượt cho đối tượng bất định 86 4.2 Tổng hợp RAC cho robot n bậc tự 87 4.2.1 Biến đổi mơ hình dạng truyền ngược chặt 87 4.2.2 Tổng hợp điều khiển RAC 88 4.3 Phân tích tính ổn định hệ thống .89 4.4 Tổng hợp ANNC, RANNSMC RAC cho robot bậc tự 94 4.4.1 Biến đổi mơ hình dạng truyền ngược chặt 94 4.4.2 Tổng hợp ANNC, RANNSMC RAC 94 4.4.3 Kết mô 95 4.4.4 Nhận xét 95 4.5 Mô khiểm chứng RAC với mơ hình robot bậc tự thiết kế phần mềm Solidworks sử dụng công cụ SimMechanics .96 4.5.1 Chọn thông số mô 96 4.5.2 Kết mô 97 4.5.3 Nhận xét 99 4.6 Kết luận chương 99 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 100 - Kết luận 100 - Kiến nghị 100 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 101 TÀI LIỆU THAM KHẢO 102 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ CÁC KÝ HIỆU Các chữ viết tắt: STT 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 Chữ viết tắt Tiếng Anh Adaptive Neural Network Control SMC Sliding Mode Control Robust Adaptive Neural RANNSMC Networks Sliding Mode Control RAC Robust Adaptive Control GAS Global Asymptotic Stable MNN Multiple Layer Neural Networks NN Neural Network RBF Radial Basis Function CLF Control Lyapunov Function PD Proportional-Derivative PID Proportional-Integral-Derivative SISO Single Input – Single Output Multiple Inputs–Multiple MIMO Outputs EL Euler – Lagrange DH Denavit – Hartenberg 3D Dimensions DOF Degree - of - Freedom ĐHT ĐHN ĐLH BĐK ANNC Tiếng Việt Điều khiển mạng nơ ron thích nghi Điều khiển trượt Điều khiển trượt nơ ron thích nghi bền vững Điều khiển thích nghi bền vững Ổn định tiệm cận toàn cục Mạng nơ ron nhiều lớp Mạng nơ ron Hàm sở xuyên tâm Hàm điều khiển Lyapunov Tỷ lệ – Vi phân Tỷ lệ - Tích phân – Vi phân Hệ vào – Hệ nhiều vào – nhiều Euler-Lagrange (tên riêng) Denavit – Hartenberg (tên riêng) Không gian chiều Bậc tự Động học thuận Động học ngược Động lực học Bộ điều khiển 22 tr . 23 diag . Ma trận đường chéo 24 sgn . Hàm dấu 25 26 DSP IPC Vết ma trận Digital signal Processor Inter-Process Communication Xử lý tín hiệu số Máy tính cơng nghiệp IPC Các ký hiệu: STT 10 11 Ký hiệu  d Ý nghĩa Véc tơ mô men tác dụng lên khớp quay robot Véc tơ nhiễu tác động lên hệ thống F H Hˆ Véc tơ lực tác dụng lên khớp tịnh tiến robot Ma trận quán tính C Cˆ Ma trận tương hỗ ly tâm G Gˆ Véc tơ lực trọng trường N Ma trận đối xứng lệch Ma trận tương hỗ, ly tâm trọng trường Ma trận quán tính ước lượng Ma trận tương hỗ ly tâm ước lượng Véc tơ lực trọng trường ước lượng 13 N Nˆ q 14 q Véc tơ tốc độ góc khớp robot 15 q Véc tơ gia tốc góc khớp robot 16 qd Véc tơ vị trí góc đặt khớp robot 17 qd Véc tơ tốc độ góc đặt khớp robot 18 qd Véc tơ gia tốc góc đặt khớp robot 19 20 W p 21 pˆ Ma trận hồi quy Véc tơ tham số động lực học robot Véc tơ ước lượng p 22 23 24 V X 25 Véc tơ gia tốc không gian làm việc 26 X Xd 27 Xd Véc tơ vận tốc đặt không gian làm việc 28 Xd Véc tơ gia tốc đặt không gian làm việc 29 Ma trận Jacobi 30 J Jˆ 31 KP , KI , KD 32 33 34 L K P 12 X Ma trận ước lượng N Véc tơ vị trí góc khớp robot Hàm Lyapunov Véc tơ quỹ đạo không gian làm việc Véc tơ vận tốc không gian làm việc Véc tơ quỹ đạo đặt không gian làm việc Ma trận Jacobi ước lượng Hệ số tỷ lệ, tích phân, vi phân Hàm Lagrange Hàm tổng động Hàm tổng 35 Hàm lượng 36 A Fd 37 u, U Tín hiệu điều khiển véc tơ tín hiệu điều khiển 38 e, E Sai lệch véc tơ sai lệch 39 e, E Đạo hàm sai lệch véc tơ đạo hàm sai lệch 40 41 42 43 I l m x, x Mơ men qn tính Chiều dài cánh tay robot Khối lượng cánh tay robot Biến trạng thái véc tơ trạng thái 44 x, x Đạo hàm biến trạng thái đạo hàm véc tơ biến trạng thái 45 x, x Đạo hàm bậc biến trạng thái đạo hàm bậc véc tơ biến trạng thái 46 xˆ, xˆ Biến trạng thái véc tơ biến trạng thái ước lượng 47 xd , xd 48 xd Véc tơ đạo hàm tín hiệu đặt 49 xd Véc tơ đạo hàm bậc tín hiệu đặt 51 L f 52 r 53 z, Z , Z 54 y Bậc tương đối hệ Tín hiệu vào, véc tơ tín hiệu vào, véc tơ tín hiệu vào có thành phần đỡ mạng nơron nhân tạo Tín hiệu đầu 55 yd Tín hiệu mong muốn 56 R W ( s) Bộ điều khiển gán điểm cực 58 59 60 S W,V Mặt trượt Ma trận trọng số mạng nơ ron Thành phần phi tuyến mạng nơ ron 61 * 57 S Véc tơ lực ma sát Tín hiệu đặt véc tơ tín hiệu đặt Đạo hàm Lie Hàm truyền đạt Ma trận trọng số lý tưởng 62 W ,V * ˆ ˆ W,V 63 W,V Ma trận sai số 64 Wˆ ,Vˆ Ma trận đạo hàm ma trận Wˆ ,Vˆ 65 W 66  w , v 67 z Tập compact 68 69 A B Ma trận hệ thống Ma trận quan sát Ma trận trọng số ước lượng Đạo hàm ma trận sai số Ma trận số 70 C Ma trận điều khiển 71 Am Ma trận hệ thống mẫu 72 Bm Ma trận quan sát mẫu 73 Cm Ma trận điều khiển mẫu 74 75 76 z Véc tơ trạng thái sau phép đổi trục Số nơ ron lớp Véc tơ tham số động học 78 T Tˆ  79 F ( x) Hàm phi tuyến, bất định 80 Fˆ ( x ) Hàm ước lượng F ( x ) 81 F ( x) Véc tơ hàm phi tuyến, bất định 82 Fˆ ( x ) Véc tơ hàm ước lượng F ( x ) 83 F ( x) Véc tơ hàm sai lệch 84  Hàm sở xuyên tâm mạng nơ ron RBF 85 f (.) Hàm phi tuyến trơn bất định 86 fˆ (.) Hàm ước lượng f (.) 77 Véc tơ tham số động học ước lượng Hàm ước lượng sai lệch mạng nơ ron DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1: Thông số động học tay máy DOF Bảng 2.2: Thông số động học Robot DOF Bảng 3.1: Thông số động học DH Robot Scara DOF Bảng 3.2: Thông số động học Robot Scara DOF ... khiển phi tuyến, điều khiển thích nghi, mạng nơ ron nhân tạo, làm tảng cho việc phát triển giải thuật điều khiển thích nghi cho robot n bậc tự có mơ hình phi tuyến bất định kiểu hàm số Nghi? ?n... nghi bền vững cho robot n bậc tự mơ kiểm chứng mơ hình robot bậc tự Kết nghi? ?n cứu cơng bố tạp chí Khoa học Cơng nghệ, số 5, năm 2014: - Điều khiển trượt nơ ron thích nghi bền vững cho robot ba bậc... (2008): Robot công nghi? ??p NXB KH&KT [2] Nguyễn Mạnh Tiến (2007): Điều khiển robot công nghi? ??p NXB KH&KT [3] Đào Văn Hiệp (2006): Kỹ thuật robot NXB KH&KT [4] Nguyễn Thiện Phúc (2011): Robot công nghi? ??p