Thiết kế bộ điều khiển PID mờ cho tay máy 3 bậc tự do

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRẦN DOÃN TƯỜNG MINH THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID MỜ CHO TAY MÁY 3 BẬC TỰ DO Chuyên ngành : Tự ñộng hóa Mã số : 60.52.60 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - 2011 - 1 - Công trình ñược hoàn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN HOÀNG MAI Phản biện 1 : PGS.TS. Nguyễn Doãn Bình Phản biện 2 : TS. Nguyễn Anh Duy Luận văn sẽ ñược bảo vệ tại Hội ñồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 07 tháng 05 năm 2011. * Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thông tin - H ọc liệu, Đại học Đà Nẵng. - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng. - 2 - MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn ñề tài Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật các ngành công nghệ thông tin, ñiện tử viễn thông, tự ñộng hóa… ñã có một bước tiến rất lớn, nhiều công trình khoa học, các sản phẩm ñược ra ñời nhằm ñáp ứng nhu cầu của con người như: máy rút tiền tự ñộng (ATM), thiết bị nhận dạng vân tay, robot giúp việc nhà, người máy Asimo có khả năng giao tiếp giống như người … Để nâng cao chất lượng ñiều khiển ñối với hệ thống tay máy robot và các bộ dẫn ñộng thì có nhiều cách khác nhau, xác ñịnh hệ dẫn ñộng, mô hình toán học của bộ dẫn ñộng và thiết kế bộ ñiều khiển PID mờ cho hệ dẫn ñộng theo yêu cầu ñiều khiển tay máy robot quĩ ñạo, xem tay máy robot như là ñối tượng chấp hành, sau ñó mô phỏng hệ thống và tiến hành hiệu chỉnh các thông số của bộ ñiều khiển ñể ñạt ñược yêu cầu ñặt ra. Với lý do ñó tôi chọn ñề tài “THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID MỜ CHO TAY MÁY 3 BẬC TỰ DO” ñể làm ñề tài nghiên cứu. 2. Mục ñích nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết về tay máy và lý thuyết mờ - Thiết kế bộ ñiều khiển cho tay máy 3 bậc tự do 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu mô hình tay máy 3 bậc tự do 4. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết ñể xây dựng thuật toán ñiều khiển - Mô hình hóa và mô phỏng ñể kiểm tra các thuật toán và kiểm nghiệm kết quả nghiên cứu trên matlab simulink 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ñề tài V ề khoa học: Việc nghiên cứu thiết kế bộ ñiều khiển PID Mờ ñể ñiều khiển và nâng cao chất lượng, tăng ñộ mềm dẻo và ñộ - 3 - linh hoạt của bộ truyền ñộng trong các dây chuyền sản xuất, cụ thể ñiều khiển tay máy 3 bậc tự do là một vấn ñề có ý nghĩa cao về khoa học Về thực tiễn: Việc tích hợp ñiều khiển PID Mờ vào vi ñiều khiển mở ra triển vọng mới trong việc khai thác, áp dụng cho các hệ thống ñiều khiển trong công nghiệp ñể thay ñổi công nghệ sản xuất cũ bằng việc tự ñộng hóa ñiểu khiển và khai thác triệt ñể năng lực, giảm vốn ñầu tư, nâng cao chất lượng hệ thống ñiều khiển, ñưa lại nhiều hơn các sản phẩm chất lượng tốt với giá thành thấp và cạnh tranh hơn. 6. Cấu trúc luận văn Luận văn có phần mở ñầu giới thiệu về nội dung, mục lục, danh mục các bảng, hình vẽ, kết luận và kiến nghị và bao gồm 5 chương ñược nghiên cứu cụ thể: Chương 1: Tổng quan về Robot công nghiệp và tay máy Chương 2: Tổng quan về ñiều khiển PID và ñiều khiển Mờ Chương 3: Xây dựng mô hình toán học của tay máy 3 bậc tự do Chương 4: Thiết kế bộ ñiều khiển PID Mờ ñiều khiển tay máy 3 bậc tự do Chương 5: Mô phỏng và ñánh giá kết quả Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP VÀ TAY MÁY 1.1. Lịch sử phát triển của robot công nghiệp 1.1.1. Sơ lược về quá trình phát triển 1.1.2. Robot công nghệ cấp cao 1.2. Ứng dụng robot trong sản xuất 1.3. Các khái ni ệm và ñịnh nghĩa về robot công nghiệp 1.3.1. Định nghĩa về Robot công nghiệp - 4 - 1.3.2. Các khái niệm 1.3.2.1. Bậc tự do của robot 1.3.2.2. Hệ tọa ñộ 1.3.2.3. Trường công tác của robot 1.4. Phân loại robot công nghiệp 1.4.1. Phân loại theo kết cấu 1.4.2. Phân loại theo hệ thống truyền ñộng 1.4.3. Phân loại theo ứng dụng 1.4.4. Phân loại theo cách thức và ñặc trưng của phương pháp ñiều khiển Robot có thể ñược ñiều khiển bằng các hệ truyền ñộng như: truyền ñồng ñiện, truyền ñộng thuỷ lực, truyền ñộng thuỷ khí, . 1.5 . Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp 1.5.1. Các thành phần chính của Robot công nghiệp 1.5.2. Kết cấu của tay máy 1.6 . Kết luận Chương 1 Cho ñến nay robot ñược ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực kinh tế, khoa học kỹ thuật và công nghệ. Đặc biệt robot tay máy với các cơ cấu 2 và 3 bậc tự do ñược sử dụng rộng rãi trong công nghệp ñiện tử với ñộ chính xác cao như hệ thống quay ra ña, ñiều chỉnh tầm và hướng pháo cao xạ, lắp ráp trong các dây chuyền sản xuất…với ưu ñiểm là có tính chính xác và ñộ ổn ñịnh cao chính vì thế việc thông minh hóa các hệ thống ñiều khiển này ñang ñược nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu - 5 - Chương 2 - TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN PID VÀ PID MỜ 2.1. Lịch sử phát triển 2.2. Điều khiển mờ 2.2.1. Sơ ñồ của hệ thống ñiều khiển mờ Hợp thành (Inference Mechanism) Giải mờ (Defuzzifiers) Luật mờ (Rule-base) Đầu vào x Đầu ra y Khối mờ hóa (Fuzzifiers) Hình 2.1: Sơ ñồ khối bộ ñiều khiển mờ 2.2.1.1. Khối mờ hoá Biến ñổi các giá trị rõ ñầu vào thành một miền giá trị mờ với hàm thuộc ñã chọn ứng với biến ngôn ngữ ñầu vào. 2.2.1.2. Khối hợp thành (Inference Mechanism) Biến ñổi các giá trị mờ hoá của biến ngôn ngữ ñầu vào thành các giá trị mờ của biến ngôn ngữ ñầu ra theo các luật hợp thành. 2.2.1.3. Khối luật mờ (Rule-base) Gồm tập các luật “Nếu .Thì .” dựa vào các luật mờ cơ sở do người thiết kế xây dựng thích hợp cho từng biến và giá trị của các biến ngôn ngữ theo quan hệ mờ Vào/Ra. 2.2.1.4. Khối giải mờ (Defuzzifier) Biến ñổi các giá trị mờ ñầu ra thành các giá trị rõ ñể ñiều khiển ñối tượng. - 6 - 2.2.2. Phân loại ñiều khiển mờ 2.2.3. Cấu trúc cơ bản của bộ ñiều khiển mờ 2.3. Hệ ñiều khiển mờ nâng cao 2.3.1. Hệ ñiều khiển thích nghi mờ 2.3.2. Hệ ñiều khiển mờ lai PID Là hệ thống ñiều khiển tự ñộng trong ñó thiết bị ñiều khiển gồm 2 thành phần: Thiết bị ñiều khiển rõ và thiết bị ñiều khiển mờ Với hệ kết hợp này có: Hệ ñiều khiển mờ lai kinh ñiển và Bộ ñiều khiển mờ chỉnh ñịnh tham số PID 2.3.2.1. Hệ ñiều khiển mờ lai kinh ñiển 2.3.2.2. Bộ ñiều khiển mờ chỉnh ñịnh tham số bộ ñiều khiển PID 2.4. Kết luận chương 2 Việc áp dụng lôgic mờ ñã cho tạo ra các bộ ñiều khiển mờ, mờ lai, . với những tính chất khá tốt nhằm ñáp ứng yêu cầu trong ñiều khiển tự ñộng, ví dụ ñiều khiển các ñối tượng phức tạp. Ngoài ra, các bộ ñiều khiển mờ cho phép lặp lại các tính chất của các bộ ñiều khiển kinh ñiển. Thiết kế bộ ñiều khiển mờ cũng rất ña dạng, qua việc tổ chức các nguyên tắc ñiều khiển và chọn tập mờ cho các biến ngôn ngữ cho phép người ta thiết kế các bộ ñiều khiển mờ khác nhau. Chương 3 - XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA TAY MÁY 3 BẬC TỰ DO 3.1. Các phương thức ñiều khiển cánh tay Robot 3.1.1. Điều khiển theo chuỗi các ñiểm giới hạn 3.1.2. Điều khiển lặp lại 3.1.2.1. Ph ương pháp ñiều khiển thep quỹ ñạo Điều khiển kiểu ñiểm - ñiểm 3.1.3. Điều khiển kiểu Robot thông minh - 7 - 3.2. Sơ ñồ ñộng học cánh tay Robot 3 bậc tự do Phạm vi ñề tài tập trung vào việc nghiên cứu ñiều khiển cánh tay robot 3 bậc chuyển ñộng quay (QQQ) Điều khiển cánh tay máy ba khâu như hình vẽ 3.1 với các thông số của cánh tay cho ở bảng 3.2 Hình 3.2: Sơ ñồ cánh tay Robot 3DOF Bảng 3.2: Thông số vật lý của cánh tay robot 3DOF Thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị tính Bán kính khâu 1 R 1 0,2 m Chiều dài khâu 1 l 1 0,2 m Chiều dài khâu 2 l 2 0,3 m Chiều dài khâu 3 l 3 0,4 m Khối lượng khâu 1 m 1 7 kg Khối lượng khâu 2 m 2 3 kg Khối lượng khâu 3 m 3 2 kg Khoảng cách ñến trọng tâm khâu 1 d 1 0,08 m Khoảng cách ñến trọng tâm khâu 2 d 2 0,13 m Khoảng cách ñến trọng tâm khâu 3 d 3 0,17 m Gia tốc trọng trường g 9,81 m/s 2 Y 0 ≡ X 0 ≡ X 1 Z 0 ≡ ϕ 2 ϕ 3 ϕ 1 r i Z i X Y i Z Z l 2 0 l 3 I II III - 8 - 3.2.1. Các phương trình ñộng học của cánh tay Robot 3 DOF 3.2.1.1. Vận tốc của chuyển ñộng thứ i 3.2.1.2. Gia tốc của chuyển ñộng thứ i 3.2.2. Thành lập phương trình ñộng lực học của tay máy 3 DOF 3.2.2.1. Động năng của tay máy 3 DOF 321 WWWW ++= Với W i là ñộng năng của các khớp 1,2,3 ñược tính ở (2.33) 3.2.2.2. Tính thế năng của tay máy 3 DOF 321 PPPP ++= )]sin(dsinlg[lm)sind-g(lmgdm 2332213221211 ϕϕϕϕ −−+++= 3.2.3. Mô tả toán học tay máy 3 DOF bằng phương trình vi phân 3.2.3.1. Thành lập hàm Lagrange 3.2.3.2. Mô tả hệ bằng phương trình Lagrange bậc hai 3.2.4. Mô tả hệ tay máy 3DOF bằng phương trình trạng thái Các moomen của các khớp tay mấy lần lượt là Q 1 , Q 2 , Q 3 ñược tính ở (3.56) Trong ñó: 2 3113 2 21123211331112211111 HHNNNK ϕϕϕϕϕϕϕϕ &&&&&&&& ++++= 2 2 3213 2 2212 2 121132213312122 GHHHNNK +++++= ϕϕϕϕϕϕϕ &&&&&&& 3 2 3313 2 2312 2 1311313123 GHHHNK ++++= ϕϕϕϕϕ &&&&& 3.2.4.1. Các biến trạng thái và phương trình trạng thái Đặt các biến trạng thái cho các khớp quay X 1 , X 2 , X 3 ñặt ở (3.57) Đặt các tín hiệu vào tay máy: u 1 , u 2 , u 3 có ở (3.58) Phương trình trạng thái cho chuyển ñộng I, II, III ñược mô tả: (3.59), (3.60), (3.61) 3.2.4.2. Ph ương trình trạng thái khớp quay Với 11 x & 21 x & 31 x & ñược mô tả ở (3.64), (3.65),( 3.66) - 9 - 3.3. Kết luận chương 3 - Hoạt ñộng của tay máy robot ba khớp trong không gian là việc kết hợp chuyển ñộng riêng của ba khớp lại với nhau. - Tay máy hoạt ñộng luôn có sự thay ñổi về tốc ñộ nên thông số ñộng học của tay máy cũng thay ñổi theo, chịu ảnh hưởng của các thông số bên ngoài làm cho sai lệch lớn hơn - Với các phương trình trạng thái các khớp của tay máy ba bậc trên ta thấy ñược tay máy ba bậc là hệ có tính phi tuyến mạnh. Chương 4 – THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID MỜ ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY 3 BẬC TỰ DO 4.1 . Tổng hợp hệ ñiều khiển PID cho cánh tay Robot 3 bậc tự do 4.1.1. Thuật toán ñiều khiển tỉ lệ (P) có phản hồi tốc ñộ và ñiều khiển PD 4.1.2. Thuật toán ñiều khiển PD có bù gia tốc trọng trường 4.1.3. Thuật toán ñiều khiển PID 4.1.4. Nhận xét chung 4.2. Tổng hợp bộ ñiều khiển vị trí PID cho ñộng cơ ñiện một chiều Để tổng hợp bộ ñiều chỉnh vị trí, chúng ta tiến hành tổng hợp ñiều khiển vị trí ñộng cơ theo ba vòng kín sau: - Vòng trong cùng ñiều chỉnh dòng ñiện - Vòng thứ hai ñiều chỉnh tốc ñộ ñộng cơ - Vòng ngoài cùng ñiều chỉnh vị trí 4.2.1. Các thông số ban ñầu 4.2.1.1. Động cơ ñiện một chiều . khiển PID và ñiều khiển Mờ Chương 3: Xây dựng mô hình toán học của tay máy 3 bậc tự do Chương 4: Thiết kế bộ ñiều khiển PID Mờ ñiều khiển tay máy 3 bậc tự do. về tay máy và lý thuyết mờ - Thiết kế bộ ñiều khiển cho tay máy 3 bậc tự do 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu mô hình tay máy 3 bậc tự do