(Luận văn thạc sĩ) mô hình hóa và điều khiển robot rắn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VĂN PHƯỚC MƠ HÌNH HĨA VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT RẮN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 605250 S K C0 Tp Hồ Chí Minh, năm 2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VĂN PHƯỚC MƠ HÌNH HÓA VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT RẮN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 605250 Tp Hồ Chí Minh, năm 2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VĂN PHƯỚC MƠ HÌNH HĨA VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT RẮN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 605250 Hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN MINH TÂM Tp Hồ Chí Minh, năm 2012 LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: NGUYỄN VĂN PHƯỚC Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 12/06/1984 Nơi sinh: Quảng Ngãi Quê quán: Tịnh Thọ - Sơn Tịnh – Quảng Ngãi Dân tộc : Kinh Chỗ riêng địa liên lạc: 35 Hữu Nghị - Bình Thọ - Thủ Đức – Tp.HCM Điện thoại quan: Điện thoại nhà riêng:0903.084.048 Fax: E-mail:vanphuocspkt@gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Đại học: Hệ đào tạo: Chính Qui Thời gian đào tạo từ 9/2006 đến 10/ 2010 Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Ngành học: Điện Công Nghiệp Luận văn: Nghiên Cứu Phần Mềm Revit Mep 2010 ngành điện Ngày & nơi bảo vệ đồ án: Ngày 10 trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Người hướng dẫn: PGS.TS Quyền Huy Ánh III Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian 10/2010 – 8/2012 3/2011 - Nơi công tác Khoa Điện – Điện Tử, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Khoa Điện – Điện Tử, Trường Cao Đẳng Công Thương Tp.HCM HVTH: NGUYỄN VĂN PHƯỚC Công việc đảm nhiệm Học viên Giảng viên i LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng 09 năm 2012 Nguyễn Văn Phước HVTH: NGUYỄN VĂN PHƯỚC ii LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM LỜI CẢM ƠN Để hồn thành chương trình cao học viết luận văn này, nhận hướng dẫn, giúp đỡ góp ý tận tình q thầy cô trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh Ban Lãnh Đạo trường Cao Đẳng Cơng Thương Thành Phố Hồ Chí Minh Trước hết, tơi xin chân thành cảm ơn q thầy khoa Điện – Điện Tử trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, đặc biệt thầy tận tình dạy bảo cho tơi suốt thời gian học tập trường Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến TS Nguyễn Minh Tâm, thầy dành nhiều thời gian tâm huyết hướng dẫn tơi nghiên cứu giúp tơi hồn thành luận văn thạc sĩ Nhân đây, xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu trường Cao Đẳng Công Thương Thành Phố Hồ Chí Minh q thầy khoa Điện – Điện Tử tạo nhiều điều kiện để tơi học tập hồn thành tốt khố học Đồng thời, tơi xin cảm ơn gia đình bạn bè tạo điều kiện cho kinh tế tinh thần suốt trình làm luận văn Mặc dù tơi có nhiều cố gắng hồn thiện luận văn tất nhiệt tình lực mình, nhiên khơng thể tránh khỏi thiếu sót, mong nhận đóng góp q báu q thầy bạn Tp Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2012 Học viên Nguyễn Văn Phước HVTH: NGUYỄN VĂN PHƯỚC iii LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM MỤC LỤC TRANG TỰA TRANG Quyết định giao đề tài Lý lịch cá nhân i Lời cam đoan ii Lời cám ơn iii Tóm tắt iv Mục lục vi Danh sách chữ viết tắt ix Danh sách hình x Chƣơng TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan robot kết nghiên cứu công bố 1.1.1 Tổng quan robot: 1.1.2 Các kết nghiên cứu công bố 1.2 Mục đích đề tài 1.3 Nhiệm vụ đề tài giới hạn đề tài 1.3.1 Nhiệm vụ 1.3.2 Giới hạn 1.4 Phương pháp nghiên cứu Chƣơng MƠ HÌNH HỐ ROBOT RẮN 2.1 Lực ma sát nhớt robot rắn 2.2 Phương trình chuyển động 2.3 Phân ly động lực học 14 Chƣơng 3.PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG CỦA ROBOT RẮN 3.1 Đường cong Serpenoid 17 3.2 Sự di chuyển hình rắn 21 HVTH: NGUYỄN VĂN PHƯỚC vi LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM 3.3 Hiệu suất chuyển động 24 Chƣơng GIẢI THUẬT TỐI ƢU BẦY ĐÀN 4.1 Lịch sử phát triển 28 4.2 Các khái niệm giải thuật bầy đàn 31 4.3 Mô tả thuật toán 31 4.4 Những vấn đề cần quan tâm xây dựng giải thuật PSO 34 4.4.1 Mã hóa cá thể 34 4.4.2 Khởi tạo quần thể ban đầu 36 4.4.3 Hàm thích nghi (hàm mục tiêu) 37 4.4.4 Hàm vận tốc v 37 4.4.5 Cập nhật vị trí tốt cho quần thể 38 4.5 Đặc điểm ứng dụng giải thuật PSO 40 4.5.1 Đặc điểm 40 4.5.2 Ứng dụng 41 4.6 Hiệu chỉnh điều khiển PID giải thuật bầy đàn 41 Chƣơng XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ROBOT RẮN TRÊN MATLAB 5.1 Thiết kế điều khiển robot rắn 43 5.1.1 Bộ điều khiển địa phương 44 5.1.2 Bộ điều khiển vịng ngồi 45 5.2 Xây dựng phương trình tốn học Matlab 45 5.3 Xây dựng mơ hình cho điều khiển địa phương 56 5.4 Xây dựng mơ hình cho điều khiển vịng ngồi 57 5.4.1 Bộ điều khiển vận tốc 57 5.4.2 Bộ điều khiển hướng 58 5.5 Xây dựng điều khiển rắn matlab 58 5.6 Kết mô sử dụng giải thuật PSO 59 5.7 Kết mô hệ thộng điều khiển robot rắn 61 HVTH: NGUYỄN VĂN PHƯỚC vii LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM Chƣơng 6.SO SÁNH PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PID DÙNG GIẢI THUẬT PSO VÀ GIẢI THUẬT GA 6.1 Phương pháp điều khiển PID dùng giải thuật GA 67 6.1.1 Thiết kế điều khiển địa phương 67 6.1.2 Thiết kế điều khiển hướng vận tốc 68 6.2 Kết mô 70 6.3 Phương pháp điều khiển PID dùng giải thuật PSO 75 6.4 So sánh kết phương pháp điều khiển PID dùng giải thuật PSO giải thuật GA thay đổi vận tốc 79 6.5 So sánh kết phương pháp điều khiển PID dùng giải thuật PSO giải thuật GA môi trường thay đổi 84 6.6 So sánh kết phương pháp điều khiển PID dùng giải thuật PSO giải thuật GA thông số thay đổi 85 6.7 Nhận xét kết 86 Chƣơng THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH ROBOT RẮN 7.1 Chọn động cho robot rắn 87 7.1.1 Giới thiệu động Dynamixel AX-12A 87 7.1.2 Đặc tính kỹ thuật động Dynamixel AX-12A 88 7.2 Thiết kế khí 89 7.3 Thiết kế mạch giao tiếp robot máy tính 93 Chƣơng KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 8.1 Những kết đạt 95 8.2 Những mặt hạn chế: 95 8.3 Hướng phát triển đề tài 95 Tài liệu tham khảo 97 Phụ lục 99 Phụ lục 100 HVTH: NGUYỄN VĂN PHƯỚC viii LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM Chương TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan robot kết nghiên cứu công bố 1.1.1 Tổng quan robot: Trong trình phát triển đất nước nói chung, nghiệp cơng nghiệp hố đại hố nói riêng quan trọng Nước ta thuộc nước phát triển có cơng nghiệp sản xuất lạc hậu, phương châm tắt đón đầu, ứng dụng thành tựu khoa học công nghệ đại giới để đẩy nhanh giai đoạn phát triển Điều địi hỏi phải nỗ lực đóng góp cơng sức Việc học tập, nghiên cứu lý thuyết phải gắn liền với thực tiễn sống phát triển khoa học Trên giới gần nửa kỉ trở lại Robot ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực sản xuất, đặc biệt tự động hố sản xuất, với ưu đặc biệt tính công nghệ, xuất hiệu sản xuất Với cách di chuyển nhẹ nhàng đa dạng, rắn cho thấy khả di chuyển hợp lý nhiều môi trường địa hình khác Vì robot di chuyển giống cách di chuyển loài rắn tự nhiên tích cực nghiên cứu, chúng cho thấy tính thích nghi với điạ hình tốt Với cách di chuyển giống lồi rắn, robot luồn lách qua khe hẹp, di chuyển địa hình khơng phẳng hay lầy lội, chí bơi trèo lên Với khả đó, robot rắn ngày ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực như: kiểm tra, nạo vét đường ống; tìm kiếm nạn nhân vụ hỏa hoạn, động đất; dò thám qn Chính vậy, tơi chọn đề tài “ Mơ Hình Hố Và Điều Khiển Robot Rắn” để nghiên cứu  Khó khăn chủ yếu điều khiển robot rắn là: - Xây dựng mơ hình robot rắn (nhiều biến) - Phương trình Robot rắn phi tuyến, phức tạp HVTH: NGUYỄN VĂN PHƯỚC LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM - Khớp nối dưới: dùng để liên kết mặt hai đoạn robot rắn, khớp nối gắn ổ bi nhằm làm tăng tỷ lệ ma sát pháp ma sát tiếp đoạn robot rắn Hình 7.5 Khớp nối robot rắn Hình 7.6 Sơ đồ chân động Hình 7.7 Sơ đồ kết nối động HVTH: NGUYỄN VĂN PHƯỚC 91 LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM Hình 7.8 Mặt robot rắn HVTH: NGUYỄN VĂN PHƯỚC 92 LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM 7.3 Thiết kế mạch giao tiếp robot máy tính Để điều khiển động Dynamixel, điều khiển cần phải chuyển đổi tín hiệu nối tiếp thơng thường sang tính hiệu nối tiếp bán song cơng (HALF DUPLEX UART) Một mạch giao tiếp công ty Robotis cung cấp có vai trị chuyển đổi Hình 7.9 Mạch chuyển đổi tín hiệu sang giao tiếp bán song công Nguồn cung cấp cho động nối từ điều khiển xuống chân chân Tín hiệu từ chân TXD hay RXD sử dụng để giao tiếp với động sử dụng hay khơng sử dụng tùy vào mức tín hiệu chân DIRECTION_PORT - Khi mức DIRECTION_PORT lên cao: chân TxD làm ngõ ra, truyền tín hiệu điều khiển tới động - Khi mức DIRECTION_PORT xuống thấp: chân RxD chọn làm ngõ vào, nhận gói liệu từ động cơ.Như nói trên, để giao tiếp với động Dynamixel phận cần phải hỗ trợ giao tiếp UART Ở sử dụng máy tính, máy tính destop hay sử dụng laptop để có khả di động cao Tuy nhiên, ngày phần lớn laptop thị trường khơng hỗ trợ cổng com Do sử dụng cổng com ảo thông qua cổng giao tiếp USB lựa chọn tối ưu Chip FT232 chíp chuyên dụng cho vấn đề - Chíp FT232 tích hợp sẵn driver để chuyển đổi giao tiếp USB-serial, driver cài đặt tự động cắm mạch giao tiếp lần vào máy tính FT232 có tích hợp sẵn chân TXDEN ( dùng chuẩn giao tiếp RS485 ) thích hợp dùng HVTH: NGUYỄN VĂN PHƯỚC 93 LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM làm chân DIRECTION_PORT hình 7.9 Sơ đồ ngun lý mạch giao tiếp dùng chíp FR232 trình bày hình 7.10 FB1 VCC2 VCC R1 470R C1 10nF VCC R1 470R VCC R4 27R R7 R7 1k5 275 1k5 Y1 6MHz CRY STAL 27 C6 47pF RSTOUT# XTIN RI# DCD# XTIN TXDEN 28 28 VCC C5 47pF USBDP RSTOUT# RI# Y1 6MHz CRY STAL C5 47pF USBDM USBDP VCC 32 C6 47pF 32 21 31 PWREN# TXDEN RESET# XTOUT PWRCTL PWREN# RESET# TXLED# PWRCTL EECS RXLED# TXLED# EESK EECS RXLED# EEDATA EESK SLEEP# EEDATA TEST TEST 29 31 XTOUT SLEEP# VCC RXD VCC VCC VCC VCC 18 19 R8 4K7 16 D1 LED TX TX D1 LED R8 4K7 TXDEN 18 VCC 78 RXD TXD 15 16 D2 LED 27R 27R RXD TXD RTS# RXD CTS# RTS# DTR# CTS# DSR# DTR# DCD# DSR# RX RX D2 LED R3 R4 3V3OUT USBDM TXD 24 25 23 24 22 23 21 22 20 21 19 20 86 25 27R U1TXD R3 3V3OUT U1 C4 0.1uF C3 33nF 26 13 30 C4 0.1uF 30 AVCC AVCC VCC VCC 26 VCC VCC 13 VCC-IO VCC-IO B C3 33nF B A A USB-PLUG 41 GND GND 17 GND GND USB-PLUG CN1 VCC FERRITE BEAD FB1 VCC2 C1 10nF FERRITE BEAD 29 AGNDAGND CN1 TXDEN R5 220R 14 15 R5 220R 12 14 R6 220R R6 220R 11 12 11 10 10 FT232BM FT232BM 17 VCC VCC TXDEN 10K R2 10K R2 1 TXDEN TXD TXD DATA DATA U2A 74HC126 VCC C2 100nF C2 100nF VCC VCC VCC C7 10uF C7 10uF C8 0.1uF C8 0.1uF C9 0.1uF C9 0.1uF GND U2A 74HC126 RXD 74HC126 U2B 74HC126 VCC VCC R9 4K7 R9 4K7 U6A U6A 1 GND U2B RXD C10 0.1uF C10 0.1uF DATA DATA J1 J1 31 CON3 CON3 Ngõ nối với động Ngõra ranối nối vớ i độ ng cơcơ Ngõ với động 7414 7414 Hình 7.10 Sơ đồ nguyên lý mạch FT232 HVTH: NGUYỄN VĂN PHƯỚC 94 LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: TS NGUYỄN VĂN PHƯỚC Chương KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 8.1 Những kết đạt được: - Nghiên cứu xây dựng phương trình chuyển động robot rắn khơng gian hai chiều - Nghiên cứu phương pháp điều khiển chuyển động robot rắn - Ứng dụng giải thuật PSO để xác đinh thông số điều khiển PID robot rắn - Mô chuyển động robot rắn phần mềm Matlab So sánh chất lượng tính bền vững hệ thống điều khiển thông số hệ số ma sát, khối lượng đoạn robot rắn, chiều dài đoạn robot rắn - So sánh kết hai giải thuật PSO GA để tối ưu thông số điều khiển PID - Thiết kế thi cơng mơ hình robot rắn chuyển động theo dạng đường cong Serpenoid 8.2 Những mặt hạn chế: - Đề tài nghiên cứu, xây dựng phương trình chuyển động robot rắn không gian hai chiều, chưa xây dựng phương trình chuyển động robot rắn khơng gian ba chiều - Mơ hình robot rắn di chuyển theo dạng đường cong Serpenoid - Robot rắn chuyển động địa hình phẳng - Không tránh vật cản chuyển động 8.3 Hướng phát triển đề tài: - Nghiên cứu, xây dựng phương trình chuyển động robot rắn khơng gian ba chiều HVTH: NGUYỄN VĂN PHƯỚC 95 LUẬN VĂN THẠC SĨ - GVHD: TS NGUYỄN VĂN PHƯỚC Thiết kế thi cơng mơ hình robot rắn có khả thực nhiều dạng chuyển động khác - Chuyển động địa hình phức tạp - Tránh vật cản HVTH: NGUYỄN VĂN PHƯỚC 96 LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT [1] Nguyễn Văn Giáp, Ứng Dụng Matlab Trong Điều Khiển Tự Động, NXB Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh, 2000 [2] Nguyễn Dỗn Phước, Lý Thuyết Điều Khiển Tuyến Tính, Nhà Xuất Bản Khao Học Kỹ Thuật,Hà Nội 2002 [3] Nguyễn Thị Phương Hà, Lý Thuyết Điều Khiển Tự Động, Nhà Xuất Bản Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh, 2003 [4] Huỳnh Quốc Trâm, “Mơ Hình Hố Và Điều Khiển Robot Rắn”, Đại Học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh, 2004 (luận văn thạc sĩ) TIẾNG NƯỚC NGOÀI [5] M Saito, M Fukaya And T Iwasaki, "Serpentine locomotion with robotic snake", IEEE Control Systems Magazine, Vol.22, No.1, pp.64-81, 2002 [6] P Prautsch, T Mita, And T Iwasaki, "Analysis And Control Of A Gait Of Snake Robot", Transactions of IEEJ, Industry Applications Society, Vol.120-D, No.3, pp.372-381, 2000 [7] Y Shan And Y Koren, “Design and motion planning of a mechanical snake”, IEEE Trans Sys Man Cyb., vol.23, no.4, pp.1091–1100, 1993 [8] M Nilsson, “Snake robot free climbing”, IEEE Control Systems Magazine, vol.18, no.1, pp.21–26, 1998 [9] Hassan K.Khalil, “Nonlinear Systems”, Prentice-Hall, 2002 [10] Jean – Jacques E.Slotine And Weiping Li, “Applied Nonlinear Control”, Prentice-Hall, 1991 [11] Morari and Zafirion, ”Robust Process Control”, Prentice-Hall, 1989 [12] H.Date, Y Hoshi And M Sampei “Locomotion control of a snake-like robot based on dynamic manipulability” In IEEE/RSJ Int Conferrence on Intelligent Robots and Systems, page 2236 – 2241, 2000 HVTH: NGUYỄN VĂN PHƯỚC 97 LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM [13] H.Date, Y Hoshi And M Sampei “Control of a Snake Robot in Consideration of Constraint Force” In IEEE Int Conferrence on Control Applications, page 966 – 971, 2001 [14] H.Date, Y Hoshi And M Sampei “Locomotion control of a Snake Robot Constraint Force Attenuation” Proceedings of the American Control Reference, Arlington VA June 25 – 27, 2001 , page 113 – 118 [15] F Matsuno And K Mogi “Redundancy Controllable System and Control of Snake Robot Based on Kinematic Model” In IEEE Int Conference on Decision and Control page 4791 – 4796, 2000 [16] Shugen Ma, Naoky Tadokoro, Binli, Kousuke Inoue, “Analisys of Creeeping Locomotion of a Snake Robot on a Slope”,in Proc IEEE Int Conf Robotics & Auto.,Taipei,Taiwan,2003,page 2073 – 2078 [17] Jim Ostrowski, Joel Burdick, “Gait Kinematics for a Serpentine Robot”, in Proc IEEE Int Conf Robotics & Auto., Minneapolis, Minnesota,1996, page 2073 – 2078 [18] Jim Ostrowski, Joel Burdick, “Development of a Creeping Snake-Robot”, in Proc IEEE Int Conf Robotics & Auto., Banff, Albreta, Cannada, 2001, page 77 – 82 [19] Jim Ostrowski, Joel Burdick, “Improvement of Manipulability for Locomotion of a Snake Robot by Mass Dirtribution”, in SICE 2002, Aug, OSAKA, page 2214 – 2217 [20] Yansong Shan and Yoram Koren, “Design and Motion Planning of a Machenical Snake”, IEEE Transactions on Systems,Man,and Cybernetics, Vol 23, No 4, 1993, page 1091 - 1100 [21] Boumediene Allaoua Brahim GASBAOUI and Brahim MEBARKI, “Setting Up PID DC Motor Speed Control Alteration Parameters Using Particle Swarm Optimization Strategy”, Bechar University, Departement of Electrical Engineering B.P 417 BECHAR (08000) Algeria, pp 19-32 [22] N Pillay, “A Particle swarm optimization approach for tuning of SISO PID control loops”, 2008 HVTH: NGUYỄN VĂN PHƯỚC 98 LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM PHỤ LỤC BỔ ĐỀ Với a, b c>0 cho trước, ta có: c sgna  bs ds  sat (a, bc) 2c c c sgna  bs sds  dzs (a, bc) 2c c Trong hàm sat ,  dzs ,  xác định sau :   x / y sat  x, y     1  x  y  0  x  y  x   y  x0   x 2 1      y  dzs  x, y      x    y  y  x  y  x y   x  Lưu ý : Hàm sat ,  hàm bão hòa hàm dzs ,  hàm bão hịa có vùng chết Đồ thị hàm sat ,  , dzs ,  vẽ hình P1.1 Hình P1.1 a)Hàm sat(x, y) HVTH: NGUYỄN VĂN PHƯỚC Hình P1.1 b)Hàm dzs(x, y) 99 LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM PHỤ LỤC BỘ ĐIỀU KHIỂN PID Bộ điều khiển PID kết hợp thành phần: Thành phần tỉ lệ (P) đưa giá trị Pout tỉ lệ với giá trị sai lệch thời điểm tại; thành phần tích phân (I) đưa giá trị Iout dựa tích lũy giá trị sai lệch từ khứ đến thời điểm tại; thành phần vi phân (D) tính tốn giá trị Dout dựa tốc độ thay đổi sai lệch Sơ đồ khối hệ thống điều khiển sử dụng điều khiển PID mơ tả hình 4.1 Trong đó: Control variable: giá trị ngõ điều khiển Error: giá trị sai lệch giá trị đặt giá trị ngõ đối tượng điều khiển Output đại lượng vật lý cần điều khiển Setpoint : giá trị mong muốn đạt ngõ đối tượng điều khiển Process variable : tín hiệu hồi tiếp mà điều khiên nhận từ đối tượng điều khiển Hình 4.1: Sơ đồ khối điều khiển PID Giá trị ngõ điều khiển PID tổng ngõ ba P, I D 𝑢 𝑡 = 𝑃𝑜𝑢𝑡 𝑡 + 𝐼𝑜𝑢𝑡 𝑡 + 𝐷𝑜𝑢𝑡 (𝑡) (4.1.1) Mối quan hệ ngõ vào ngõ điều khiển PID biểu diễn 𝑢 𝑡 = 𝐾𝑃 𝑒 𝑡 + 𝐾𝑖 HVTH: NGUYỄN VĂN PHƯỚC 𝑡 𝑒 𝑡 𝑑𝑡 + 𝐾𝐷 𝑑𝑒 (𝑡) 𝑑𝑡 (4.1.2) 100 LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM Hay biểu diễn theo 𝑢 𝑡 = 𝐾𝑃 𝑒 𝑡 + 𝑡 𝑒 𝑇𝑖 𝑡 𝑑𝑡 + 𝑇𝑑 𝑑𝑒 (𝑡) 𝑑𝑡 (4.1.3) Trong đó: u(t) giá trị ngõ điều khiển PID e(t)= r(t) – y(t): r(t) giá trị đặt hay giá trị tham chiếu, y(t) giá trị ngõ hệ thống Ti ,TD thời gian tích phân thời gian vi phân 𝐾𝑖 = 𝐾𝑃 𝑇𝑖 , 𝐾𝑑 = 𝐾𝑝 ∗ 𝑇𝑑 Lấy Laplace vế phương trình (4.1.3) ta hàm truyền PID miền thời gian: 𝑈(𝑠) 𝐸(𝑠) = 𝐾𝑝 + 𝐾𝑃 𝑠𝑇𝑖 + 𝑠𝐾𝑝 𝑇𝑑 (4.1.4) Trong phần trình bày chi tiết ảnh hưởng khâu P, I, D lên đáp ứng ngõ hệ thống Bên cạnh việc thực thi khâu P, I, D trình bày dựa theo phương trình PID vị trí Việc thực thi điều khiển PID vận tốc thực tương tự a Thành phần tỉ lệ (P) Quan hệ ngõ vào khâu P biểu diễn theo phương trình (4.1.5) 𝑃𝑜𝑢𝑡 𝑡 = 𝐾𝑝 ∗ 𝑒(𝑡) với Kp số tỉ lệ (4.1.5) Muốn thực thi thành phần P với điều khiển số vi điều khiển, máy tính.thì phải chuyển phương trình (4.1.5) sang biểu diễn miền rời rạc: 𝑃𝑜𝑢𝑡 𝑘𝑇 = 𝐾𝑝 ∗ 𝑒(𝑘𝑇) Như vậy, muốn tính giá trị ngõ khâu P chu kỳ lấy mẫu, tính tốn giá trị PV, sau tính tốn giá trị sai lệch error, sau nhân giá trị sai lệch với số Kp Giá trị ngõ khâu P phụ thuộc nhiều vào hệ số Kp Nếu Kp lớn làm giá trị đại lượng vật lý dao động, gây độ vọt lố cao Kp nhỏ làm cho điều khiển “nhạy” với hệ thống có nhiễu HVTH: NGUYỄN VĂN PHƯỚC 101 LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM b Thành phần tích phân (I): Quan hệ ngõ vào khâu I biểu diễn theo phương trình (4.1.6) 𝐼𝑜𝑢𝑡 𝑡 = 𝐾𝑖 𝑡 𝑒 𝑡 𝑑𝑡 với Ki số vi phân (4.1.6) Chuyển qua miền rời rạc ta được: 𝐼𝑜𝑢𝑡 𝑘𝑇 = 𝐾𝑖 𝑘−1 𝑇 𝑘𝑇 𝑒 𝑘−1 𝑇 𝑒 𝑘𝑇 𝑑𝑡 + Hay: 𝐼𝑜𝑢𝑡 𝑘𝑇 = 𝐼𝑜𝑢𝑡 𝑘 − 𝑇 + 𝐾𝑖 𝑇 𝑡 𝑑𝑡 (4.1.7) (𝑒 𝑘 − 𝑇 + 𝑒 𝑘𝑇 ) (4.1.8) Giá trị ngõ khâu I tồn tồn giá trị sai lệch e(t) Như vậy, khâu I có tác dụng loại bỏ offset giá bị PV giá trị đặt  Để thực thi khâu I với điều khiển số, tiến hành thực bước sau:  Tính giá trị sai lệch e(kT) chu kì lấy mẫu  Tính tổng giá trị sai lệch chu kỳ lấy mẫu sai lệch trước chu kỳ lấy mẫu, tiếp tục nhân kết với  𝐾𝑖 𝑇 Cộng dồn giá trị 𝐼𝑜𝑢𝑡 với giá trị 𝐼𝑜𝑢𝑡 trước chu kỳ lấy mẫu  Lưu giá trị e(kT) 𝐼𝑜𝑢𝑡 để tính tốn chu kỳ lấy mẫu c Thành phần vi phân (D) Quan hệ ngõ vào khâu D biểu diễn theo phương trình (4.1.9) 𝐷𝑜𝑢𝑡 𝑡 = 𝐾𝑑 ∗ 𝑑𝑒 (𝑡) 𝑑𝑡 với 𝐾𝑑 số vi phân (4.1.9) Rời rạc phương trình (2.28) theo phương pháp sai phân lùi ta 𝐷𝑜𝑢𝑡 𝑘𝑇 = 𝐾𝑑 𝑒 𝑘𝑇 − 𝑒(𝑘𝑇 − 𝑇) (4.1.10) Để thực thi khâu D, đơn giản thực theo bước sau:  Tính tốn giá trị sai lệch thời điểm  Tính giá trị sai lệch giá trị sai lệch thời điểm thời điểm trước chu kỳ lấy mẫu, nhân giá trị sai lệch với Kd d Các tượng ảnh hưởng đến hoạt động điều khiển PID Hiện tượng Wind-up: ứng dụng thực tế, giá trị điều khiển đại lượng vật lý bị ràng buộc giới hạn đó.Ví dụ : lưu lượng lớn mà bơm HVTH: NGUYỄN VĂN PHƯỚC 102 LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM tạo bị ràng buộc cơng suất bơm, nhiệt độ lớn mà lị tạo phụ thuộc cơng suất lị…Kết là, ln tồn giá trị sai lệch loại bỏ từ khâu tích phân cộng dồn sai lệch theo thời gian, cuối làm cho ngõ bị dao động Như vậy, tượng wind-up xảy PID vị trí mà khơng xảy PID vận tốc thuật tốn khơng có trình cộng dồn sai lệch theo thời gian Hiện tượng Derivative Kick tượng xảy giá trị đặt bị thay đổi đột ngột từ làm giá trị ngõ khâu D tăng lên đột ngột e Vấn đề tuning điều khiển PID Tunning điều khiển PID trình hiệu chỉnh thông số Kp, Ki, Kd cho đáp ứng ngõ thỏa mãn tiêu chất lượng Quá trình tunning trình phức tạp địi hỏi người thực phải có hiểu biết định đối tượng điều khiển Hiện nay, có nhiều phương pháp để thực công việc này, phạm vi đề tài này, trình bày phương pháp phổ biến là: phương pháp “Adjust and Observe” Tunning Sự ảnh hưởng việc tăng thông số Kp, Ki, Kd lên tiêu chất lượng đáp ứng ngõ mơ tả bảng 4.1 Ảnh hưởng việc tăng thông số Kp, Ki, Kd Rise Time Độ vột lố Thời gian xác lập Sai số xác lập Kp Giảm Tăng Thay đổi nhỏ Giảm Ki Giảm Tăng Tăng Loại bỏ Giảm Tăng Kd Giảm or tăng Khơng tác dụng Bảng 4.1: Ảnh hưởng việc tăng thông số Kp, Ki, Kd lên đáp ứng hệ thống Phương pháp thực dựa tác động việc hiệu chỉnh hệ số Kp, Ki, Kd lên đáp ứng ngõ ra: HVTH: NGUYỄN VĂN PHƯỚC 103 LUẬN VĂN THẠC SĨ GVHD: TS NGUYỄN MINH TÂM  Tăng hệ số Kp tăng thời gian đáp ứng, giảm offset (nhưng không loại bỏ được) Tuy nhiên Kp lớn gây vọt lố dao động  Tăng hệ số Kd giảm vọt lố ảnh hưởng khâu P gây ra, nhiên không loại bỏ offset cách tăng hệ số Kd  Tăng hệ số Ki loại bỏ offset, Ki lớn offset loại bỏ nhanh.Tuy nhiên Ki lớn gây dao động HVTH: NGUYỄN VĂN PHƯỚC 104 S K L 0 ... pháp điều khiển cho: Moment xoắn khớp u điều khiển hình dáng  robot rắn Hình dáng  điều khiển   robot rắn Trong phần sau, xây dựng phương pháp điều khiển chuyển động robot rắn HVTH: NGUYỄN VĂN... tơi chọn đề tài “ Mơ Hình Hố Và Điều Khiển Robot Rắn? ?? để nghiên cứu  Khó khăn chủ yếu điều khiển robot rắn là: - Xây dựng mơ hình robot rắn (nhiều biến) - Phương trình Robot rắn phi tuyến, phức... động robot rắn, thiết kế hệ thống điều khiển robot rắn, mô chuyển động robot rắn phần mềm Matlab thi công mô hình thực nghiệm robot rắn 1.3.2 Giới hạn: Đề tài giới hạn nghiên cứu di chuyển robot