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

Đối với robot di động trên không, các bộ phận chuyển động là cánh quạt hay cánh bay và động cơ; với robot di động dưới nước, tùy thuộc vào nơi làm việc trên hay trong mặt nước mà sẽ có c

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Đà Nẵng – Năm 2020

DUT.LRCC

Công trình được hoàn thành tại

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

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp

thạc sĩ Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa họp tại Trường Đại học Bách

khoa vào ngày 19 tháng 12 năm 2020

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Học liệu và Truyền thông – Đại học Bách khoa - ĐHĐN

- Thư viện Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng

DUT.LRCC

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Cuộc cách mạng công nghiệp là những bước phát triển vượt bậc của con người, cuộc cách mạng cho phép ứng dụng rộng rãi các robot trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống Yếu tố này phù hợp với nhận thức về vấn đề an toàn trong công việc, robot thay thế cho con người trong sản xuất, trong lao động, trong các nhà máy điều đó đã góp phần vào sự xuất hiện nhu cầu sử dụng các robot Trong các loại robot thì robot di động là loại robot có thể thực hiện các tác vụ ở các địa điểm khác nhau, không ở cố định một vị trí nào Khác với robot cố định, robot di động có những yêu cầu cao hơn, đòi hỏi đầu tư nhiều hơn Trong khi robot cố định vận hành khá đơn giản, chỉ cần không gian cố định để thực các công việc lặp đi lặp lại, còn hệ thống robot di động hoạt động trong không gian mở, thay đổi liên tục và đôi khi rất phức tạp Linh động

là đặc tính của robot di động, có thể có được từ các bộ phận chuyển động như bánh

xe, chân, tay, cánh quạt,… Robot di động “phải biết” định vị và “thu nhận” được thông tin đầy đủ về môi trường xung quanh, sau đó mới có quyết định thực hiện hành động nào cho phù hợp

Đối với robot di động trên không, các bộ phận chuyển động là cánh quạt hay cánh bay và động cơ; với robot di động dưới nước, tùy thuộc vào nơi làm việc trên hay trong mặt nước mà sẽ có cấu trúc truyền động khác nhau: làm việc trên mặt nước, bộ phận chuyển động là phao hoặc động cơ với bộ phận điều khiển, hoạt động sâu dưới nước, bộ phận chuyển động có thể là chân hoặc có thể là cả động cơ phản lực; robot

di động trên cạn có bộ phận chuyển động khá đa dạng, phụ thuộc vào địa hình hoạt động mà bộ phận chuyển động có thể là chân, bánh xe, bánh xích hay là loại kết hợp Phổ biến nhất là robot di chuyển bằng bánh xe thông qua động cơ điện một chiều [5-7]

Động cơ điện một chiều thường dùng trong các hệ thống truyền động đòi hỏi chất lượng cao Chính vì vậy mà hệ thống điều khiển cho các hệ truyền động này cũng phải đáp ứng nhiều chỉ tiêu rất chặt chẽ Đối với các phương pháp điều khiển kinh điển, do cấu trúc đơn giản và bền vững nên các bộ điều khiển PID (tỷ lệ, tích phân, đạo hàm) được dùng phổ biến trong các hệ điều khiển công nghiệp Chất lượng của

hệ thống phụ thuộc vào các tham số KP, KI, KD của bộ điều khiển PID Nhưng vì các

hệ số của bộ điều khiển PID chỉ được tính toán cho một chế độ làm việc cụ thể của hệ thống, do vậy trong quá trình vận hành luôn phải chỉnh định các hệ số này cho phù hợp với thực tế để phát huy tốt hiệu quả của bộ điều khiển thì ta phải biết chính xác các thông số và kiểu của đối tượng cần điều khiển Hơn nữa, bộ điều khiển này chỉ chính xác trong giai đoạn tuyến tính còn trong giai đoạn phi tuyến thì các phương

DUT.LRCC

pháp điều khiển kinh điển không thực hiện được Và nói chung, phần lớn các hệ thống truyền động trong thực tế đều có cấu trúc và tham số không cố định hoặc không thể biết trước Do vậy việc nghiên cứu và ứng dụng phương pháp điều khiển thích nghi để điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều ứng dụng trong robot di động đang là hướng nghiên cứu được rất nhiều người quan tâm và là hướng nghiên cứu có nhiều triển vọng, cũng như có nhiều giá trị ứng dụng trong thực tiễn [8-11]

Vì vậy, đề tài “Thiết kế bộ điều khiển PID thích nghi cho Robot di động” là đề tài

nghiên cứu, nhằm đưa ra một phương pháp điều khiển PID thích nghi phù hợp với sự thay đổi của các thông số trong quá trình vận hành của robot di động với mong muốn

đạt được chất lượng điều khiển cao khi có sự thay đổi diễn ra

2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển PID thích nghi phù hợp cho robot di động nhằm đạt được đáp ứng ngõ ra của hệ thống thỏa mãn các yêu cầu của robot di động

di chuyển trên mặt phẳng thực hiện chức năng bám mục tiêu và ổn định vận tốc trong quá trình di chuyển

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu

- Robot di động kiểu bánh xe gồm hai bánh xe chủ động được điều khiển bởi hai động cơ điện một chiều và một bánh xe thụ động phía trước được sử dụng để làm điểm tựa tạo thế cân bằng trọng lực

- Thuật toán điều khiển PID thích nghi

3.2 Phạm vi nghiên cứu

- Cấu trúc của robot di động kiểu bánh xe, mô hình động học, động lực học

- Thiết kế bộ điều khiển PID thích nghi điều khiển vận tốc, vị trí

- Mô phỏng trên phần mềm máy tính

4 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu được thể hiện theo trình tự công việc như sau:

- Phân tích và xây dựng mô hình của robot di động kiểu bánh xe ở địa hình bằng phẳng

- Nghiên cứu, thiết kế bộ điều khiển PID thích nghi cho robot di động như đã nêu trên

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ góp phần hoàn thiện phương pháp điều khiển PID thích nghi khắc phục được một số nhược điểm của các phương pháp điều khiển kinh điển trong quá trình điều khiển robot di động nói chung

6 Cấu trúc luận văn

Luận văn được trình bày theo cấu trúc sau:

DUT.LRCC

Mở đầu

Chương 1: Tổng quan robot di động hiện nay

- Giới thiệu chung về robot di động

- Phân loại robot di động

- Các phương pháp điều hướng cho robot di động

Chương 2: Xây dựng mô hình toán học robot di động

- Giới thiệu cấu trúc cơ bản của robot di động

- Mô tả mô hình động học, động lực học robot di động

Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển PID thích nghi

- Các phương pháp xác định bộ điều khiển PID

- Các phương pháp thiết kế luật thích nghi

- Thiết kế bộ điều khiển PID thích nghi

Chương 4: Mô phỏng và đánh giá kết quả

- Dựa vào mô hình động học, động lực học ở chương 2 và kết quả thiết kế bộ điều khiển ở chương 3, từ đó áp dụng để mô phỏng hệ thống điều khiển thích nghi cho robot di động trên phần mềm Matlab Simulink

- So sánh và bàn luận về các đặc tính của 2 bộ điều khiển: PID kinh điển và PID thích nghi

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 trong và ngoài nước

1.3 Tính cấp thiết của đề tài

Tác giả đã lựa chọn việc nghiên cứu mô hình và thiết kế bộ điều khiển PID thích nghi cho robot di động có các tham số thay đổi với mong muốn đạt được đáp ứng ngõ

ra và các đặc tính của hệ thống thỏa mãn các yêu cầu đã đề ra

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Robot di động không mới trên thế giới, nhưng tại Việt Nam vẫn có nhiều vấn đề phải tập trung nghiên cứu, phát triển đặc biệt là các thuật toán điều khiển mới nhằm nâng cao khả năng chế tạo loại robot này trong nước Chương 1 đã trình bày nghiên cứu tổng quan về phân loại robot, trong đó tập trung vào robot di động di chuyển bằng bánh xe, từ đó rút ra hướng nghiên cứu thích hợp cho luận văn, cụ thể:

- Đề tài chỉ nghiên cứu về robot di động có hai bánh xe chủ động được điều khiển bởi hai động cơ độc lập và một bánh xe bị động ở phía trước

- Với điều kiện robot di chuyển bên trong nhà xưởng với địa hình bằng phẳng và vận tốc không đổi vì vậy bỏ qua các lực tác động bên ngoài ảnh hưởng đến hoạt động của robot

DUT.LRCC

Chương 2:

XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC ROBOT DI ĐỘNG

2.1 Mô hình bánh xe robot

Hình 2.1 – Cấu trúc của robot di động

Coi các bánh xe di chuyển trên mặt phẳng là lăn không trượt, tốc độ robot là tốc

độ của trung điểm khoảng cách giữa hai bánh trước

Hình 2.2 - Mô hình bánh xe đã được lý tưởng hóa

DUT.LRCC

2.2 Mô hình động học robot di động

Hình 2.3 - Mô hình động học của robot di động

Trước tiên để xác định vị trí của robot trong mặt phẳng, ta xây dựng mối quan hệ giữa tọa độ tham chiếu toàn cục của mặt phẳng và hệ tọa độ tham chiếu cục bộ của robot như hình 2.3

Công thức (2.14) là phương trình động học của robot

2.3 Mô hình động lực học của robot di động

Một lớp rộng các hệ thống cơ non-holonomic được mô tả bởi dạng công thức động lực học sau dựa trên công thức Euler-Lagrange:

l r ( ) a

r ( ) (2.27) Công thức (2.25) trở thành:

So sánh về trái của phương trình (2.28) với phương trình (2.31), ta có thể viết:

l cos sin v ̇sin v ̇cos

l sin cos v ̇cos v ̇sin

 Xây dựng hàm truyền vận tốc góc của động cơ

Trong các loại động cơ một chiều trên thì động cơ một chiều nam châm vĩnh cửu thường được sử dụng Ta có các phương trình cho mạch phần ứng:

DUT.LRCC

Bảng 2.1: Tham số mô phỏng mô hình robot di động

Tham số Ký hiệu Giá trị Đơn vị Điện áp đầu vào Vin 12 V

Hằng số mô-men xoắn động cơ K t 1,2 Nm/A Điện trở phần ứng Ra 0,15 Ω

Độ tự cảm phần ứng L a 0,82 mH

Quán tính truyền động bánh răng Jm 0,27 kgm2 Giảm xóc nhớt bm 0,3 Nms Hằng số EMF Kb 1,2 rad/s/V

Tỷ số truyền n 3

Bán kính bánh xe r 120 mm

Khoảng cách giữa các bánh xe trung tâm 2l 400 mm

Quán tính tương đương J equiv 0,125 kgm2 Giảm xóc tương đương bequiv 0,4 Nms Hàm truyền vận tốc góc của động cơ khi đã thay các thông số như sau:

Gspeed(s) (s)

Vin(s)

0,4 0,2715.s2 0,3868.s 1,502 (2.35)

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2

Chương 2 đã đi sâu vào mô hình hóa hệ robot di động, quy chiếu và đồng bộ hệ trục tọa độ của hệ thống về tâm robot di động Đồng thời đã xây dựng phương trình động học, động lực học của robot, cũng xây dựng hàm truyền vận tốc góc của động

cơ để thuận tiện trong quá trình xây dựng thuận toán điền khiển cũng như mô phỏng Simulink sau này

DUT.LRCC

Chương 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 vòng kín thông thường được điều khiển bằng bộ điều khiển PID hay còn gọi giải thuật PID

Hình 3.1 – Sơ đồ khối hệ thống với bộ điều khiển PID

Phương trình PID tổng quát:

3 3 hương pháp tối ưu độ lớn

3 4 hương pháp tối ưu đối xứng

3 5 hương pháp dựa trên luật kinh nghiệm

3.2 Điều khiển thích nghi

3.2.1 Giới thiệu chung

3.2.2 Hệ thống thích nghi theo mô hình mẫu (MRAS)

Hình 3.7 – Sơ đồ khối của hệ thống thích nghi theo mô hình mẫu

DUT.LRCC

3.2.3 Luật thích nghi

3 3 hương pháp độ nhạy (luật MIT)

3 3 radient và phương pháp bình phương bé nhất dựa trên tiêu chí đánh giá hàm chi phí sai số

3.2.3.3 Hàm Lyapunov

3.3 Mô hình hóa bộ điều khiển PID thích nghi theo mô hình mẫu

Hình 3.12 – Sơ đồ khối tổng thể của hệ thống điều khiển

PID thích nghi

3.3.1 Xây dựng mô hình mẫu

Hàm truyền PID liên tục:

s

s ) in s out s s out s (3.30)

Trong đó: b= Ktac.Kt/n; a1 = La.Jequiv;

a2 = Ra.Jequiv + La.bequiv; a3 = Ra.bequiv + Kt Kb

Hoặc có thể lấy mô hình chuẩn như sau:

DUT.LRCC

Hình 3.13 – Mô hình chuẩn MRAC

3.3.2 Xây dựng luật thích nghi theo MIT

Theo luật MIT:

d

dt

e

e out

e

e out

e

e out

out

e out

Để tránh nhầm lẫn sau này ta đặt sai lệch giữa mô hình chuẩn và mô hình thực tế

là e tracking = V out – Vm.Do đó (3.38) được viết lại như sau:

d

dt e trac ing

out (3.39)

 Tính toán tham số cập nhật cho KP , K I , K D:

DUT.LRCC

Chương 4:

MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ

4.1 Mô hình robot di động với các tham số ban đầu

Hình 4.2 – Sơ đồ khối mô phỏng của robot sử dụng

bộ điều khiển PID với các tham số ban đầu

- Trường hợp 1: Không có sai lệch

Hình 4.3 – Vận tốc của robot khi sai lệch bám line bằng 0

DUT.LRCC

Hình 4.4 – Kết quả mô phỏng góc định hướng hi

sai lệch bằng 0

Hình 4.5 – Kết quả mô phỏng sai lệch vị trí robot

khi sai lệch bằng 0

- Trường hợp 2: Khi có sự tác động làm xuất hiện sai lệch

Hình 4.6 – Vận tốc của robot di động khi sai lệch bám line khác 0

DUT.LRCC

Hình 4.7 – Kết quả mô phỏng góc định hướng hi

sai lệch khác 0

Hình 4.8 – Kết quả mô phỏng vị trí robot khi sai lệch khác 0

4.2 Mô hình robot di động với tham số thay đổi

4.2.1 So sánh đáp ứng vận tốc của động cơ khi tham số thay đổi

4.2.2 Mô hình hóa hệ thống với bộ điều khiển PID khi tham số thay đổi

Hình 4.23 – Kết quả mô phỏng góc định hướng hi

sai lệch khác 0 khi tham số thay đổi

DUT.LRCC

Hình 4.24 – Kết quả mô phỏng vị trí robot khi

sai lệch khác 0 khi tham số thay đổi

4.2.3 Mô hình hóa hệ thống với bộ điều khiển PID thích nghi khi tham số thay đổi

Hình 4.25 – Mô hình hóa hệ thống với bộ điều khiển PID thích nghi khi tham số thay

đổi

Hình 4.27 – Kết quả mô phỏng góc định hướng

DUT.LRCC

khi sai lệch khác 0 khi tham số thay đổi

Hình 4.28 – Kết quả mô phỏng vị trí robot khi sai lệch khác 0 khi tham số thay đổi

4.2.4 So sánh kết quả bộ điều khiển PID và PID thích nghi khi tham số thay đổi

Hình 4.29 – So sánh góc của bộ điều khiển MRAC-PID và PID

Hình 4.30 – So sánh vị trí x,y của bộ điều khiển MRAC-PID và PID

DUT.LRCC

KẾT LUẬN CHƯƠNG 4

Với kết quả mô phỏng ở chương 4 đã phù hợp với các kết quả nghiên cứu lý thuyết, điều này chứng tỏ rằng thuật toán và cách thức xây dựng bộ điều khiển PID thích nghi là đúng đắn và chính xác

Sai lệch tĩnh, độ quá điều chỉnh, thời gian quá độ, số lần dao động của hệ truyền động đều tốt, nhất là độ quá điều chỉnh và thời gian quá độ nhỏ

Kết quả mô phỏng một lần nữa đã minh chứng và khẳng định rằng việc áp dụng

bộ điều khiển PID thích nghi hoàn toàn có thể đám ứng được yêu cầu chất lượng điều khiển của hệ truyền động

DUT.LRCC

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

1 Những đóng góp của luận văn

Mục tiêu của các hệ thống điều khiển là ngày càng nâng cao chất lượng các hệ thống điều khiển tự động Trên thực tế có rất nhiều đối tượng cần điều khiển, các đối tượng này thông thường không có đủ các tham số cần thiết, chính vì vậy nên việc thiết kế các bộ điều khiển dựa trên lý thuyết điều khiển kinh điển gặp rất nhiều khó khăn Chính vì các lý do này đòi hỏi chúng ta phải ứng dụng các lý thuyết điều khiển hiện đại vào trong thực tế Luận văn chú trọng một mảng nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển cho hệ truyền động cụ thể là robot di động dựa trên nền tảng các lý thuyết điều khiển cao cấp

Với kết quả thu được từ mô phỏng, đã đóng góp được các vấn đề sau:

- Đã xây dựng được bộ điều khiển PID thích nghi cho robot di động khi hàm truyền đạt của hệ thống thay đổi

- Với bộ điều khiển mà luận văn đã xây dựng, các thông số về chất lượng điều chỉnh tương đối ổn định Như vậy bộ điều khiển đã nghiên cứu trong luận văn hoàn toàn đáp ứng được các yêu cầu về chất lượng điều khiển cho hệ truyền động và có khả năng ứng dụng vào thực tế điều khiển

Như vậy, quá trình thực hiện luận văn này, tác giả đã giải quyết trọn vẹn được vấn

đề đã đặt ra Tuy nhiên với thời gian nghiên cứu hạn chế và do phạm vi giới hạn của vấn đề đã đặt ra, luận văn chưa đề cập đến việc nhận dạng các thông số của hệ thống

mà chỉ chọn hàm truyền tương tự, chưa nghiên cứu khi tồn tại trượt bánh xe và chưa xây dựng hệ thống thực nghiệm để kiểm chứng được trong thực tế, đây chính là vấn

đề tác giả dự định sẽ tiếp tục phát triển nghiên cứu trong thời gian tới

2 Những kiến nghị về hướng nghiên cứu tiếp theo

Với những hạn chế nêu trên tác giả mong muốn có điều kiện sẽ nghiên cứu phát triển, hoàn thiện đề tài này theo các hướng sau:

- Tiếp tục nghiên cứu phát triển phương pháp điều khiển để bù trượt cho robot đi động

- Xây dựng hệ thống thực nghiệm để kiểm chứng luật điều khiển được đề xuất

DUT.LRCC