(Luận văn thạc sĩ) thiết kế bộ điều khiển PID thích nghi cho robot di động

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - TRẦN ĐÌNH DUẪN TRẦN ĐÌNH DUẪN KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA C C THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID THÍCH NGHI CHO ROBOT DI ĐỘNG R L T DU LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA KHỐ K37 Đà Nẵng – Năm 2020 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - TRẦN ĐÌNH DUẪN THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID THÍCH NGHI CHO ROBOT DI ĐỘNG C C R L T DU Chuyên ngành : Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Mã số: 8520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS VÕ NHƢ THÀNH Đà Nẵng – Năm 2020 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả luận văn TRẦN ĐÌNH DUẪN C C DU R L T MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC TÓM TẮT LUẬN VĂN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT CÁC KÝ HIỆU: DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU Chƣơng 1: TỔNG QUAN ROBOT DI ĐỘNG HIỆN NAY 1.1 Tổng quan tình hình thực tế .4 C C 1.1.1 Thực trạng robot di động R L T 1.1.2 Phân loại robot di động 1.1.3 Phương pháp điều hướng cho robot di động DU 1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu nước 1.3 Tính cấp thiết đề tài Chƣơng 2: XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN HỌC ROBOT DI ĐỘNG 11 2.1 Mơ hình bánh xe robot 11 2.2 Mơ hình động học robot di động 12 2.3 Mơ hình động lực học robot di động 14 Chƣơng 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID THÍCH NGHI 19 3.1 Bộ điều khiển PID .19 3.1.1 Giới thiệu chung 19 3.1.2 Các phương pháp xác định tham số điều khiển PID .20 3.1.2.1 Phương pháp Ziegler-Nichols 20 3.1.2.2 Phương pháp Chien-Hrones-Reswick 22 3.1.2.3 Phương pháp tối ưu độ lớn .24 3.1.2.4 Phương pháp tối ưu đối xứng 26 3.1.2.5 Phương pháp dựa luật kinh nghiệm 27 3.2 Điều khiển thích nghi 28 3.2.1 Giới thiệu chung 28 3.2.2 Hệ thống thích nghi theo mơ hình mẫu (MRAS) 28 3.2.3 Luật thích nghi .29 3.2.3.1 Phương pháp độ nhạy (luật MIT) 30 3.2.3.2 Gradient phương pháp bình phương bé dựa tiêu chí đánh giá hàm chi phí sai số 31 3.2.3.3 Hàm Lyapunov 31 3.3 Mô hình hóa điều khiển PID thích nghi theo mơ hình mẫu 32 3.3.1 Xây dựng mơ hình mẫu 32 3.3.2 Xây dựng luật thích nghi theo MIT 33 Chƣơng 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 38 4.1 Mơ hình robot di động với tham số ban đầu 38 4.2 Mơ hình robot di động với tham số thay đổi .41 C C 4.2.1 So sánh đáp ứng vận tốc động tham số thay đổi 41 R L T 4.2.2 Mơ hình hóa hệ thống với điều khiển PID tham số thay đổi .47 4.2.3 Mơ hình hóa hệ thống với điều khiển PID thích nghi tham số thay đổi 48 DU 4.2.4 So sánh kết điều khiển PID PID thích nghi tham số thay đổi 50 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .52 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 TÓM TẮT LUẬN VĂN THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID THÍCH NGHI CHO ROBOT DI ĐỘNG Họ tên: Trần Đình Duẫn Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số : 8520216 Khóa: K37 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt - Robot di động hay robot tự hành định nghĩa loại xe robot có khả tự dịch chuyển, tự vận động (có thể lập trình lại được) điều khiển tự động có khả hồn thành cơng việc giao Lĩnh vực robot di động ngày chiếm quan tâm nhà nghiên cứu xã hội Trong điều khiển robot di động điều khiển PID ứng dụng nhiều, hệ số điều khiển PID cần phải điều chỉnh cho chất lượng điều khiển đạt yêu cầu robot di động cụ thể Đề tài nghiên cứu nghiên cứu kết hợp điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu (MRAC), luật MIT điều khiển PID để tự động điều chỉnh hệ số điều khiển PID thích nghi cho robot di động Phương pháp đề xuất giúp robot di động vận hành với độ ổn định cao phương pháp điều khiển truyền thống Kết mô với robot di động có hàm truyền bậc hai thể rõ hệ số điều khiển tự động điều chỉnh chất lượng điều khiển bám tốt theo mơ hình mẫu Từ khóa – Robot di động, Bộ điều khiển PID, Điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu (MRAC), Luật MIT, PID thích nghi C C R L T DU DESIGN THE ADAPTIVE PID CONTROLLER FOR MOBILE ROBOT Abstract - A mobile robot or Autonomous robot is defined as a kind of robotic vehicle that has the capability of self-moving, self-replicating (self re-programming) and can accomplish the work assignment under the automatic control The field of mobile robots is increasingly attracted the attention of researchers and societies In mobile robot control, the PID controller is commonly applied, the parameters of PID controller need to be tuned so that the control quality meets the requirements of each specific mobile robot application This research topic investigates the combination of Model Reference Adaptive Control (MRAC), MIT rule and PID controller to automatically tune the adaptive PID controller for the mobile robots The proposed method will help the mobile robot operates with better stability than traditional control methods The simulation results of the mobile robot together with the quadratic transfer function clearly show the improvement of the automatically control algorithm and the quality of the traction control is very good according to the MRAC model Keywords - Mobile Robot, PID Controller, Model Reference Adaptive Control (MRAC), MIT Rule, Adaptive PID DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT CÁC KÝ HIỆU: r Bán kính bánh xe (m) v Vận tốc tuyến tính bánh (m/s) w Vận tốc góc bánh xe (rad/s) 2l Khoảng cách bánh xe (m) Vin Điện áp đầu vào (V) Kt Hằng số mô-men xoắn động (N.m/A) Ra Điện trở phần ứng (Ω) La Độ tự cảm phần ứng (mH) Jm Quán tính truyền động bánh (kg.m2) bm Giảm xóc nhớt (N.m.s) Kb Hằng số EMF (rad/s/V) n Tỷ số truyền h Chiều cao robot (m) b Chiều rộng robot (m) Jequiv Quán tính tương đương (kg.m2) bequiv Giảm xóc tương đương (N.m.s) Ktac Hằng số mã hóa (rad/s) R L T C C DU CÁC CHỮ VIẾT TẮT: EMF The back electromotive force MRAS Model reference adaptive systems MRAC Model reference adaptive control DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng Tên bảng Trang 2.1 Tham số mơ mơ hình robot di động 18 3.1 Tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ 21 3.2 Tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ 22 3.3 Tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick 23 3.4 Tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick 23 3.5 Tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick 23 3.6 Tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick 24 C C DU R L T DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Số hiệu hình vẽ 1.1 Tên hình vẽ Trang Các loại robot di chuyển chân 1.2 Hình ảnh thực tế robot phục vụ cửa hàng 1.3 Sơ đồ cấu trúc phương pháp điều khiển có tính tốn 2.1 Cấu trúc robot di động 11 2.2 Mơ hình bánh xe lý tưởng hóa 12 2.3 Mơ hình động học robot di động 12 3.1 Sơ đồ khối hệ thống với điều khiển PID 19 3.2 Đáp ứng nấc hệ hở có dạng S 20 3.3 Xác định số khuếch đại tới hạn 21 3.4 Đáp ứng nấc hệ kín k = kth Đáp ứng nấc hệ thích hợp cho phương pháp Chien-HronesReswick Sơ đồ khối hệ thống điều khiển kín 3.5 3.6 C C R L T DU 22 23 24 28 3.10 Sơ đồ khối hệ thống thích nghi theo mơ hình mẫu Sơ đồ khối điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu trực tiếp Sơ đồ khối điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu gián tiếp Mơ hình cập nhật thơng số theo luật MIT 3.11 Các trạng thái cân 32 3.12 Sơ đồ khối tổng thể hệ thống điều khiển PID thích nghi 32 3.13 Mơ hình chuẩn MRAC 33 4.1 38 4.3 Sơ đồ khối mô vận tốc bánh xe với tham số ban đầu Sơ đồ khối mô robot sử dụng điều khiển PID với tham số ban đầu Vận tốc robot sai lệch bám line 4.4 Kết mô góc định hướng θ sai lệch 39 4.5 Kết mơ sai lệch vị trí robot sai lệch 40 4.6 Vận tốc robot di động sai lệch bám line khác 40 4.7 Kết mơ góc định hướng θ sai lệch khác 41 4.8 Kết mơ vị trí robot sai lệch khác 41 4.9 Hàm truyền vận tốc gốc động bị thay đổi 42 4.10 Kết hàm truyền robot thay đổi, thông số PID không đổi 42 3.7 3.8 3.9 4.2 29 29 30 38 39 4.11 Mô tín hiệu đáp ứng vận tốc 42 4.12 Các thơng số KP,KI,KD MRAC_PID 43 4.13 Thay đổi thích nghi thơng số KP 43 4.14 Thay đổi thích nghi thơng số KI 43 4.15 Thay đổi thích nghi thơng số KD 44 4.16 Đáp ứng vận tốc chuyển động thẳng bánh xe 44 4.17 Sai số so với mơ hình mẫu với mơ hình thay đổi 44 4.18 Đáp ứng vận tốc chạy thẳng robot với xung vuông 45 4.19 Đáp ứng vận tốc di chuyển robot với tín hiệu hình sin 45 4.20 Đáp ứng vận tốc di chuyển robot với P; I; D giảm 46 4.21 46 4.29 Đáp ứng vận tốc di chuyển robot với P; I; D tăng Mô hình hóa hệ thống với điều khiển PID thích nghi tham số thay đổi Kết mô góc định hướng θ sai lệch khác tham số thay đổi Kết mơ vị trí robot sai lệch khác tham số thay đổi Mơ hình hóa hệ thống với điều khiển PID thích nghi tham số thay đổi Mơ vận tốc thẳng robot có MRAC khơng có Kết mơ góc định hướng θ sai lệch khác với hàm truyền bị thay đổi Kết mơ vị trí robot sai lệch khác tham số thay đổi So sánh góc θ điều khiển MRAC-PID PID 4.30 So sánh vị trí x,y điều khiển MRAC-PID PID 51 4.22 4.23 4.24 4.25 4.26 4.27 4.28 R L T U D C C 47 47 48 48 49 49 50 50 52 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 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 53 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] GS.TS Nguyễn Doãn Phước, Lý Thuyết Điều Khiển Nâng Cao, 2009, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [2] Bùi Hữu Thành, Lê Tiến Dũng, “Thiết kế điều khiển thích nghi cho tay máy robot có xét đến mơ hình động truyền động” Tạp chí Khoa học Cơng nghệ ĐHĐN Số 1(110).2017 Trang 84 Năm 2017 [3] Nguyễn Hoàng Mai, Bùi Duy Thái, “Ứng dụng phương pháp thích nghi cho điều khiển trượt tay máy” Tạp chí Khoa học Cơng nghệ ĐHĐN Số 6[47], Trang 4247 Năm 2011 [4] VN Thanh, DP Vinh, LH Nam, NT Nghi, D Le Anh, “Reinforcement Q-learning PID Controller for a Restaurant Mobile Robot with Double Line-Sensors”, Proceedings of the 4th International Conference on Machine Learning and Soft Computing No: Pages: 164-167 Year 2020 [5] Bashir M Y Nouri, “Modelling and control of mobile robots”, Proceeding of the First International Conference on Modeling, Simulation and Applied Optimization, Sharjah, February 1-3, 2005, ICMSAO/05-1 - ICMSAO/05-6 [6] Ahmad A Mahfouz, “Mechatronics Design of a Mobile Robot System”, I.J Intelligent Systems and Applications, 2013, 03, 23-36 [7] Farhan A Salem, “Refined models and control solutions for mechatronics design of mobile robotic platforms”, Estonian Journal of Engineering, 2013, 19, 3, 212–238 [8] A.Taifour Ali, Eisa Bashier M Tayeb and Omar Busati alzain Mohd, “Adaptive PID Controller for Dc Motor Speed Control”, International Journal of Engineering Inventions, volume 1, issue (September2012) pp: 26-30 [9] Thanakala Raja, A.S Anitha Nair, “Design of PI Controller Using MRAC Technique for the Control of DC Electromotor Drive”, International Journal of Innovative Research in Electrical, Electronics, Instrumentation and Control Engineering, Vol 6, Issue 1, January 2018, 36-44 [10] Ai Xiong and Yongkun Fan, “Application of a PID Controller using MRAC Techniques for Control of the DC Electromotor Drive”, Proceedings of the 2007 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation, 2007, 2616 – 2621 [11] Pranai Kungwalrut, Maitree Thumma, Vittaya Tipsuwanporn, Arjin Numsomran, Pisit Boonsrimuang, “Design MRAC PID Control for Fan and Plate Process”, SICE Annual Conference 2011, 2944 – 2948 C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T ... 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: Mô đánh giá kết -... kết hợp điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu (MRAC), luật MIT điều khiển PID để tự động điều chỉnh hệ số điều khiển PID thích nghi cho robot di động Phương pháp đề xuất giúp robot di động vận... Trong điều khiển robot di động điều khiển PID ứng dụng nhiều, hệ số điều khiển PID cần phải điều chỉnh cho chất lượng điều khiển đạt yêu cầu robot di động cụ thể Đề tài nghi? ?n cứu nghi? ?n cứu kết