Thiết kế bộ điều khiển PID thích nghi cho robot di động (tt)

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN ĐÌNH DUẪN THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CHO ROBOT DI ĐỘNG C C R L T DU Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Mã số: 8520216 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Đà Nẵng – Năm 2020 Cơng trình hồn thành TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Người hướng dẫn khoa học: TS VÕ NHƯ THÀNH Phản biện 1: TS NGUYỄN HOÀNG MAI Phản biện 2: TS TRẦN KIM QUYÊN C C R L T DU Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa họp Trường Đại học Bách khoa vào ngày 19 tháng 12 năm 2020 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Học liệu Truyền thông – Đại học Bách khoa - ĐHĐN - Thư viện Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Cuộc cách mạng công nghiệp bước phát triển vượt bậc người, cách mạng cho phép ứng dụng rộng rãi robot nhiều lĩnh vực sống Yếu tố phù hợp với nhận thức vấn đề an tồn cơng việc, robot thay cho người sản xuất, lao động, nhà máy điều góp phần vào xuất nhu cầu sử dụng robot Trong loại robot robot di động loại robot thực tác vụ địa điểm khác nhau, khơng cố định vị trí Khác với robot cố định, robot di động có yêu cầu cao hơn, đòi hỏi đầu tư nhiều Trong robot cố định vận hành đơn giản, cần không gian cố định để thực công việc lặp lặp lại, hệ thống robot di động hoạt động không gian mở, thay đổi liên tục đơi phức tạp Linh động đặc tính robot di động, có từ phận chuyển động bánh xe, chân, tay, cánh quạt,… Robot di động “phải biết” định vị “thu nhận” thông tin đầy đủ môi trường xung quanh, sau có định thực hành động cho phù hợp Đối với robot di động không, phận chuyển động cánh quạt hay cánh bay động cơ; với robot di động nước, tùy thuộc vào nơi làm việc hay mặt nước mà có cấu trúc truyền động khác nhau: làm việc mặt nước, phận chuyển động phao động với phận điều khiển, hoạt động sâu nước, phận chuyển động chân động phản lực; robot di động cạn có phận chuyển động đa dạng, phụ thuộc vào địa hình hoạt động mà phận chuyển động chân, bánh xe, bánh xích loại kết hợp Phổ biến robot di chuyển bánh xe thông qua động điện chiều [57] Động điện chiều thường dùng hệ thống truyền động địi hỏi chất lượng cao Chính mà hệ thống điều khiển cho hệ truyền động phải đáp ứng nhiều tiêu chặt chẽ Đối với phương pháp điều khiển kinh điển, cấu trúc đơn giản bền vững nên điều khiển PID (tỷ lệ, tích phân, đạo hàm) dùng phổ biến hệ điều khiển công nghiệp Chất lượng hệ thống phụ thuộc vào tham số KP, KI, KD điều khiển PID Nhưng hệ số điều khiển PID tính tốn cho chế độ làm việc cụ thể hệ thống, trình vận hành phải chỉnh định hệ số cho phù hợp với thực tế để phát huy tốt hiệu điều khiển ta phải biết xác thơng số kiểu đối tượng cần điều khiển Hơn nữa, điều khiển xác giai đoạn tuyến tính cịn giai đoạn phi tuyến phương C C DU R L T 2 pháp điều khiển kinh điển không thực Và nói chung, phần lớn hệ thống truyền động thực tế có cấu trúc tham số không cố định biết trước Do việc nghiên cứu ứng dụng phương pháp điều khiển thích nghi để điều khiển tốc độ động điện chiều ứng dụng robot di động hướng nghiên cứu nhiều người quan tâm hướng nghiên cứu có nhiều triển vọng, có nhiều giá trị ứng dụng thực tiễn [8-11] Vì vậy, đề tài “Thiết kế điều khiển PID thích nghi cho Robot di động” đề tài nghiên cứu, nhằm đưa phương pháp điều khiển PID thích nghi phù hợp với thay đổi thơng số q trình vận hành robot di động với mong muốn đạt chất lượng điều khiển cao có thay đổi diễn Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu thiết kế điều khiển PID thích nghi phù hợp cho robot di động nhằm đạt đáp ứng ngõ hệ thống thỏa mãn yêu cầu robot di động di chuyển mặt phẳng thực chức bám mục tiêu ổn định vận tốc trình di chuyển Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu - Robot di động kiểu bánh xe gồm hai bánh xe chủ động điều khiển hai động điện chiều bánh xe thụ động phía trước sử dụng để làm điểm tựa tạo cân trọng lực - Thuật tốn điều khiển PID thích nghi 3.2 Phạm vi nghiên cứu - Cấu trúc robot di động kiểu bánh xe, mơ hình động học, động lực học - Thiết kế điều khiển PID thích nghi điều khiển vận tốc, vị trí - Mơ phần mềm máy tính Phƣơng pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu thể theo trình tự cơng việc sau: - Phân tích xây dựng mơ hình robot di động kiểu bánh xe địa hình phẳng - Nghiên cứu, thiết kế điều khiển PID thích nghi cho robot di động nêu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Kết nghiên cứu đề tài góp phần hồn thiện phương pháp điều khiển PID thích nghi khắc phục số nhược điểm phương pháp điều khiển kinh điển trình điều khiển robot di động nói chung Cấu trúc luận văn Luận văn trình bày theo cấu trúc sau: C C DU R L T 3 Mở đầu Chƣơng 1: Tổng quan robot di động - Giới thiệu chung robot di động - Phân loại robot di động - Các phương pháp điều hướng cho robot di động Chƣơng 2: Xây dựng mơ hình tốn học robot di động - Giới thiệu cấu trúc robot di động - Mơ tả mơ hình động học, động lực học robot di động Chƣơng 3: Thiết kế điều khiển PID thích nghi - Các phương pháp xác định điều khiển PID - Các phương pháp thiết kế luật thích nghi - Thiết kế điều khiển PID thích nghi Chƣơng 4: Mơ đánh giá kết - Dựa vào mơ hình động học, động lực học chương kết thiết kế điều khiển chương 3, từ áp dụng để mơ hệ thống điều khiển thích nghi cho robot di động phần mềm Matlab Simulink - So sánh bàn luận đặc tính điều khiển: PID kinh điển PID thích nghi Kết luận kiến nghị C C DU R L T 4 Chƣơng 1: TỔNG QUAN ROBOT DI ĐỘNG HIỆN NAY 1.1 Tổng quan tình hình thực tế 1.1.1 Thực trạng robot di động Robot di động loại robot có khả tự hoạt động, thực thi nhiệm vụ mà không cần can thiệp người Cùng với phát triển yêu cầu thực tế, robot di động tiếp tục đưa thách thức cho nhà nghiên cứu 1.1.2 Phân loại robot di động 1.1.3 Phương pháp điều hướng cho robot di động 1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu ngồi nƣớc 1.3 Tính cấp thiết đề tài Tác giả lựa chọn việc nghiên cứu mơ hình thiết kế điều khiển PID thích nghi cho robot di động có tham số thay đổi với mong muốn đạt đáp ứng ngõ đặc tính hệ thống thỏa mãn yêu cầu đề KẾT LUẬN CHƢƠNG Robot di động không giới, Việt Nam có nhiều vấn đề phải tập trung nghiên cứu, phát triển đặc biệt thuật toán điều khiển nhằm nâng cao khả chế tạo loại robot nước Chương trình bày nghiên cứu tổng quan phân loại robot, tập trung vào robot di động di chuyển bánh xe, từ rút hướng nghiên cứu thích hợp cho luận văn, cụ thể: - Đề tài nghiên cứu robot di động có hai bánh xe chủ động điều khiển hai động độc lập bánh xe bị động phía trước - Với điều kiện robot di chuyển bên nhà xưởng với địa hình phẳng vận tốc khơng đổi bỏ qua lực tác động bên ảnh hưởng đến hoạt động robot C C DU R L T 5 Chƣơng 2: XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN HỌC ROBOT DI ĐỘNG 2.1 Mơ hình bánh xe robot C C R L T DU Hình 2.1 – Cấu trúc robot di động Coi bánh xe di chuyển mặt phẳng lăn không trượt, tốc độ robot tốc độ trung điểm khoảng cách hai bánh trước Hình 2.2 - Mơ hình bánh xe lý tưởng hóa 2.2 Mơ hình động học robot di động C C Hình 2.3 - Mơ hình động học robot di động Trước tiên để xác định vị trí robot mặt phẳng, ta xây dựng mối quan hệ tọa độ tham chiếu toàn cục mặt phẳng hệ tọa độ tham chiếu cục robot hình 2.3 ẋ v cos (2.14) [y ̇ ] [ v sin ] ̇ Công thức (2.14) phương trình động học robot 2.3 Mơ hình động lực học robot di động Một lớp rộng hệ thống non-holonomic mô tả dạng công thức động lực học sau dựa công thức Euler-Lagrange: T (2.15) M q q̈ q q̇ q̇ q d q q Tổng động hệ là: R L T DU l r (ẋ ẏ ) ( ̇ r ( ̇ ̇ ) ( ̇ ) ) ̇ (2.22) Công thức động lực học Euler-Lagrange robot di động thông qua công thức (2.15) viết lại: ẍ cos cos sin (2.25) * + [ ] [ÿ ] [ sin ] [ sin cos ] r ̈ l l ( r Công thức (2.25) trở thành: ) l ẍ l ÿ l a ( cos r ) (2.27) sin sin (2.28) cos a ̈ v ̇ sin v̇ cos (2.31) v ̇ cos v̇ sin ̈ ẇ So sánh trái phương trình (2.28) với phương trình (2.31), ta viết: ẍ ÿ l cos l sin sin v ̇ sin cos v ̇ cos a ẇ C C v̇ cos R L T v̇ sin (2.32) DU Nhân dịng đầu phương trình với cos dòng thứ hai với sin cộng lại ta được: v̇ ẇ (2.33) Phương trình (2.33) phương trình động lực học robot di động  Xây dựng hàm truyền vận tốc góc động Trong loại động chiều động chiều nam châm vĩnh cửu thường sử dụng Ta có phương trình cho mạch phần ứng: dia ea in a ia a dt ea b (2.34) t ia T n Để thuận tiện trình mô simulink, tác giả tiến hành triển khai công thức (2.34) thay tham số mô hình bảng 2.1 vào hàm truyền vận tốc góc động thay tham số (2.35) 8 Bảng 2.1: Tham số mô mô hình robot di động Tham số Điện áp đầu vào Hằng số mô-men xoắn động Điện trở phần ứng Độ tự cảm phần ứng Quán tính truyền động bánh Giảm xóc nhớt Hằng số EMF Tỷ số truyền Bán kính bánh xe Khoảng cách bánh xe trung tâm Qn tính tương đương Giảm xóc tương đương Ký hiệu Vin Kt Ra La Jm bm Kb n r 2l Jequiv bequiv Giá trị 12 1,2 0,15 0,82 0,27 0,3 1,2 120 400 0,125 0,4 R L T C C Đơn vị V Nm/A Ω mH kgm2 Nms rad/s/V mm mm kgm2 Nms Hàm truyền vận tốc góc động thay thơng số sau: (s) 0,4 (2.35) Gspeed (s) Vin (s) 0,2715.s2 0,3868.s 1,502 KẾT LUẬN CHƢƠNG Chương sâu vào mơ hình hóa hệ robot di động, quy chiếu đồng hệ trục tọa độ hệ thống tâm robot di động Đồng thời xây dựng phương trình động học, động lực học robot, xây dựng hàm truyền vận tốc góc động để thuận tiện trình xây dựng thuận tốn điền khiển mơ Simulink sau DU Chƣơng 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID THÍCH NGHI 3.1 Bộ điều khiển PID 3.1.1 Giới thiệu chung Phương pháp điều khiển vịng kín thơng thường điều khiển điều khiển PID hay gọi giải thuật PID C C Hình 3.1 – Sơ đồ khối hệ thống với điều khiển PID Phương trình PID tổng quát: t de t Ut et ∫e t d t dt R L T DU 3.1.2 Các phương pháp xác định tham số điều khiển PID hương pháp Ziegler-Nichols hương pháp hien-Hrones-Reswick 3 hương pháp tối ưu độ lớn hương pháp tối ưu đối xứng hương pháp dựa luật kinh nghiệm 3.2 Điều khiển thích nghi 3.2.1 Giới thiệu chung 3.2.2 Hệ thống thích nghi theo mơ hình mẫu (MRAS) Hình 3.7 – Sơ đồ khối hệ thống thích nghi theo mơ hình mẫu (3.1) 10 3.2.3 Luật thích nghi 3 hương pháp độ nhạy (luật MIT) 3 radient phương pháp bình phương bé dựa tiêu chí đánh giá hàm chi phí sai số 3.2.3.3 Hàm Lyapunov 3.3 Mơ hình hóa điều khiển PID thích nghi theo mơ hình mẫu C C Hình 3.12 – Sơ đồ khối tổng thể hệ thống điều khiển PID thích nghi 3.3.1 Xây dựng mơ hình mẫu Hàm truyền PID liên tục: s R L T DU es s es s es (3.29) Trong đó: e s in s - out s Với tín hiệu đầu vào Vin(s) có dạng xung vng, để tránh gia tăng lớn khâu đạo hàm s.KD.e(s) thay đổi đột ngột tín hiệu vào Vin(s), khâu s.KD.e(s) thay khâu s.KD.Vout (s) Từ hàm truyền suy ra: s s ) in s out s s out s s s tac s Trong đó: b = Ktac.Kt/n; a1 = La.Jequiv; a2 = Ra.Jequiv + La.bequiv; a3 = Ra.bequiv + Kt Kb out out in s s b a s3 a b s s a3 b s b (3.30) (3.31) (3.33) Khi robot hoạt động chế độ lý tưởng đường đáp ứng tốc độ tham số PID tiêu chuẩn, trình xây dựng hệ thống điều khiển theo mơ hình mẫu hệ thống robot với tham số PID chọn chọn làm mơ hình mẫu Hoặc lấy mơ hình chuẩn sau: 11 Hình 3.13 – Mơ hình chuẩn MRAC 3.3.2 Xây dựng luật thích nghi theo MIT Theo luật MIT: d e e e dt e Vector hệ số điều khiển = [KP KI KD] d e out out e dt e out d dt e T U e d dt D out e e C C R L out e out (3.37) out e (3.38) out out Để tránh nhầm lẫn sau ta đặt sai lệch mơ hình chuẩn mơ hình thực tế etracking = Vout – Vm.Do (3.38) viết lại sau: d out (3.39) etrac ing dt d out (3.40) etrac ing dt d out (3.41) etrac ing dt Với hàm truyền mô hình chuẩn là: b s out s a s3 a b s a3 b s b in s Ta mơ hình hóa sau: out a s3 a b s a3 b s b ) b s in 12  Tính tốn tham số cập nhật cho KP, KI, KD: s s s etrac etrac etrac ing a s3 a bs s a3 b b s b b ing ing a s3 a s3 a a b b s a3 b bs s a3 b s b e (3.43) e (3.44) (3.45) s b out KẾT LUẬN CHƢƠNG Chương nêu lên cách tổng quan phương pháp thực thi điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu (MRAC) với định nghĩa tiêu chí chúng Sự thuận lợi khó khăn luật thích nghi trình bày cách ngắn gọn cụ thể Thông qua phân tích này, thiết kế điều khiển PID thích nghi theo mơ hình mẫu dựa luật thích nghi MIT nhằm đạt hệ thống điều khiển ổn định có tiêu chí hàm đặc tính mong muốn C C DU R L T 13 Chƣơng 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 4.1 Mơ hình robot di động với tham số ban đầu C C R L T DU Hình 4.2 – Sơ đồ khối mơ robot sử dụng điều khiển PID với tham số ban đầu - Trường hợp 1: Khơng có sai lệch Hình 4.3 – Vận tốc robot sai lệch bám line 14 Hình 4.4 – Kết mơ góc định hướng sai lệch hi C C R L T DU Hình 4.5 – Kết mơ sai lệch vị trí robot sai lệch - Trường hợp 2: Khi có tác động làm xuất sai lệch Hình 4.6 – Vận tốc robot di động sai lệch bám line khác 15 Hình 4.7 – Kết mơ góc định hướng sai lệch khác hi C C R L T DU Hình 4.8 – Kết mơ vị trí robot sai lệch khác 4.2 Mơ hình robot di động với tham số thay đổi 4.2.1 So sánh đáp ứng vận tốc động tham số thay đổi 4.2.2 Mơ hình hóa hệ thống với điều khiển PID tham số thay đổi Hình 4.23 – Kết mơ góc định hướng sai lệch khác tham số thay đổi hi 16 Hình 4.24 – Kết mơ vị trí robot sai lệch khác tham số thay đổi 4.2.3 Mơ hình hóa hệ thống với điều khiển PID thích nghi tham số thay đổi C C R L T DU Hình 4.25 – Mơ hình hóa hệ thống với điều khiển PID thích nghi tham số thay đổi Hình 4.27 – Kết mơ góc định hướng 17 sai lệch khác tham số thay đổi Hình 4.28 – Kết mơ vị trí robot sai lệch khác tham số thay đổi 4.2.4 So sánh kết điều khiển PID PID thích nghi tham số thay đổi C C R L T DU Hình 4.29 – So sánh góc điều khiển MRAC-PID PID Hình 4.30 – So sánh vị trí x,y điều khiển MRAC-PID PID 18 KẾT LUẬN CHƢƠNG Với kết mô chương phù hợp với kết nghiên cứu lý thuyết, điều chứng tỏ thuật toán cách thức xây dựng điều khiển PID thích nghi đắn xác Sai lệch tĩnh, độ điều chỉnh, thời gian độ, số lần dao động hệ truyền động tốt, độ điều chỉnh thời gian độ nhỏ Kết mô lần minh chứng khẳng định việc áp dụng điều khiển PID thích nghi hồn tồn đám ứng yêu cầu chất lượng điều khiển hệ truyền động C C DU R L T 19 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Những đóng góp luận văn Mục tiêu hệ thống điều khiển ngày nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển tự động Trên thực tế có nhiều đối tượng cần điều khiển, đối tượng thông thường khơng có đủ tham số cần thiết, nên việc thiết kế điều khiển dựa lý thuyết điều khiển kinh điển gặp nhiều khó khăn Chính lý địi hỏi phải ứng dụng lý thuyết điều khiển đại vào thực tế Luận văn trọng mảng nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển cho hệ truyền động cụ thể robot di động dựa tảng lý thuyết điều khiển cao cấp Với kết thu từ mơ phỏng, đóng góp vấn đề sau: - Đã xây dựng điều khiển PID thích nghi cho robot di động hàm truyền đạt hệ thống thay đổi - Với điều khiển mà luận văn xây dựng, thông số chất lượng điều chỉnh tương đối ổn định Như điều khiển nghiên cứu luận văn hoàn toàn đáp ứng yêu cầu chất lượng điều khiển cho hệ truyền động có khả ứng dụng vào thực tế điều khiển Như vậy, trình thực luận văn này, tác giả giải trọn vẹn vấn đề đặt Tuy nhiên với thời gian nghiên cứu hạn chế phạm vi giới hạn vấn đề đặt ra, luận văn chưa đề cập đến việc nhận dạng thông số hệ thống mà chọn hàm truyền tương tự, chưa nghiên cứu tồn trượt bánh xe chưa xây dựng hệ thống thực nghiệm để kiểm chứng thực tế, vấn đề tác giả dự định tiếp tục phát triển nghiên cứu thời gian tới Những kiến nghị hƣớng nghiên cứu Với hạn chế nêu tác giả mong muốn có điều kiện nghiên cứu phát triển, hồn thiện đề tài theo hướng sau: - Tiếp tục nghiên cứu phát triển phương pháp điều khiển để bù trượt cho robot động - Xây dựng hệ thống thực nghiệm để kiểm chứng luật điều khiển đề xuất C C DU R L T  ... học robot di động Chƣơng 3: Thiết kế điều khiển PID thích nghi - Các phương pháp xác định điều khiển PID - Các phương pháp thiết kế luật thích nghi - Thiết kế điều khiển PID thích nghi Chƣơng... lượng điều khiển cao có thay đổi di? ??n Mục tiêu nghi? ?n cứu Nghi? ?n cứu thiết kế điều khiển PID thích nghi phù hợp cho robot di động nhằm đạt đáp ứng ngõ hệ thống thỏa mãn yêu cầu robot di động di. .. lực - Thuật toán điều khiển PID thích nghi 3.2 Phạm vi nghi? ?n cứu - Cấu trúc robot di động kiểu bánh xe, mơ hình động học, động lực học - Thiết kế điều khiển PID thích nghi điều khiển vận tốc,