Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển bám

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN VĂN QUYỀN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BÁM NGÀNH : ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS NGUYỄN VĂN HÒA Hà Nội – 2012 Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển bám Nguyễn Văn Quyền Lời cam đoan Tôi xin cam đoan luận án thạc sĩ với đề tài: “Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển bám” tự thực hướng dẫn thầy giáo TS Nguyễn Văn Hòa Các số liệu kết hoàn toàn trung thực Ngoài tài liệu tham khảo dẫn cuối luận án, đảm bảo khơng chép cơng trình kết người khác Nếu phát có sai phạm với điều cam đoan trên, tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm Học viên Nguyễn Văn Quyền i Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển bám Nguyễn Văn Quyền Mục lục Lời cam đoan .i  Danh mục bảng iv  Danh mục hình vẽ, đồ thị v  MỞ ĐẦU 1  Chương 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ROBOT 3  1.1 Động học robot 5  1.1.2 Các phép biến đổi 8  1.1.3 Động học thuận vị trí 13  1.1.4 Phép động học ngược 18  1.2 Động lực học robot 20  1.3 Phương pháp điều khiển 22  1.3.1 Phương pháp điều khiển phi tuyến sở mơ hình 22  1.3.2 Phương pháp PD- bù trọng lượng 25  1.3.3 Điều khiển thích nghi mơ hình ngược 26  1.3.4 Bộ điều khiển PID 29  1.3.5 Điều khiển Fuzzy Logic 34  Chương 2: MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN ROBOT PLANAR 42  2.1 Động học robot Planar 42  2.1.1 Động học thuận 42  2.1.2 Động học ngược 43  2.2 Động lực học 44  2.3 Thiết kế điều khiển 46  2.3.1 Bộ điều khiển phi tuyến sở mơ hình 46  2.3.2 Bộ điều khiển thích nghi mơ hình ngược 46  2.3.3 Bộ điều khiển PID 48  2.3.4 Bộ điều khiển mờ 49  Chương 3: MÔ PHỎNG MATLAB 50  ii Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển bám Nguyễn Văn Quyền 3.1 Mơ hình Matlab 50  3.2 Kết mô 52  3.2.1 Bộ điều khiển phi tuyến sở mơ hình 52  3.2.2 Bộ điều khiển PID truyền thống 56  3.2.3 Bộ điều khiển thích nghi mơ hình ngược 66  3.2.4 Bộ điều khiển Fuzzy Logic 71  Chương 4: KẾT LUẬN 89  TÀI LIỆU THAM KHẢO 90  iii Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển bám Nguyễn Văn Quyền Danh mục bảng Bảng 1.1 Tham số PID……………………….………………………………….33 Bảng 2.1 Bảng DH robot………………………………………………… 42 iv Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển bám Nguyễn Văn Quyền Danh mục hình vẽ, đồ thị Hình 1.1 Hình ảnh robot công nghiệp Hình 1.2 Biểu diễn Vecto khơng gian Hình 1.3 Biểu diễn khung tọa độ Hình 1.4 Phép tịnh tiến trục tọa độ Hình 1.5 Biểu diễn điểm tọa độ tịnh tiến Hình 1.6 Phép quay trục tọa độ 10 Hình 1.7 Phép quay cố định XYZ 12 Hình 1.8 Phép quay Euler 13 Hình 1.9 Các vectơ định vị trí hướng tay máy 14 Hình 1.10 Zi-1 Zi chéo 16 Hình 1.11 Zi-1 // Zi 16 Hình 1.12 Zi-1 cắt Zi 16 Hình 1.13 Xác định biến khớp 17 Hình 1.14 Biểu diễn tham số bảng DH 18 Hình 1.15 Biểu diễn phép phân ly biến 19 Hình 1.16 Biểu diễn nghiệm đơn phương trình đăc tính 23 Hình 1.17 Biểu diễn nghiệm kép phương trình đặc tính 23 Hình 1.18 Biểu diễn nghiệm phức phương trình đặc tính 24 Hình 1.19 Mơ hình phương pháp điều khiển phi tuyến 24 Hình 1.20 Mơ hình điều khiển PD bù trọng trường 25 Hình 1.21 Sơ đồ khối điều khiển PID 29 Hình 1.22 Đồ thị PV theo thời gian, ba giá trị Kp 30 Hình 1.23 Đồ thị PV theo thời gian, tương ứng với giá trị Ki 31 Hình 1.24 Đồ thị PV theo thời gian, với giá trị Kd 32 Hình 1.25 Cấu trúc điều khiển Fuzzy 34 Hình 1.26 Mơ hình mờ nhiều đầu vào-một đầu 35 Hình 1.27 Suy diễn mờ đầu vào luật 37 Hình 1.28 Suy diễn mở hai đầu vào luật 38 Hình 2.1.Hệ trục tọa độ robot Planar 42 Hình 2.2 Biểu diễn tọa độ robot Planar 43 Hình 2.3 Mơ hình điều khiển Fuzzy-PID 49 Hình 2.3 Mơ hình điều khiển Fuzzy PD+I 49 Hình 2.4 Mơ hình điều khiển Fuzzy-Chỉnh định PID 49 Hình 3.1 Mơ hình robot 51 Hình 3.2 Điều khiển phi tuyến dựa vào mơ hình 53 Hình 3.3 Đáp ứng quỹ đạo với điều khiển mơ hình 54 v Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển bám Nguyễn Văn Quyền Hình 3.4 Sai lệch vị trí với điều khiển mơ hinh 54 Hình 3.5 Đáp ứng quỹ đạo với mơ hình sai lệch 55 Hình 3.6 Sai lệch quỹ đạo với mơ hình sai lệch 56 Hình 3.7 Mơ hình điều khiển PID 57 Hình 3.8 Đáp ứng quỹ đạo với điều khiển PID 58 Hình 3.9 Sai lệch quỹ đạo với điều khiển PID 58 Hình 3.10 Đáp ứng quỹ đạo với điều khiển PID 59 Hình 3.11 Sai lệch quỹ đạo với điều khiển PID 59 Hình 3.12 Đáp ứng quỹ đạo với điều khiển PID 60 Hình 3.13 Sai lệch quỹ đạo với điều khiển PID 60 Hình 3.14 Đáp ứng quỹ đạo với điều khiển PID 61 Hình 3.15 Sai lệch quỹ đạo với điều khiển PID 61 Hình 3.16 Đáp ứng quỹ đạo với điều khiển PID 62 Hình 3.17 Sai lệch quỹ đạo với điều khiển PID 62 Hình 3.18 Đáp ứng quỹ đạo với điều khiển PID 63 Hình 3.19 Sai lệch quỹ đạo với điều khiển PID 63 Hình 3.20 Đáp ứng quỹ đạo với điều khiển PID 64 Hình 3.21 Sai lệch quỹ đạo với điều khiển PID 64 Hình 3.22 Đáp ứng quỹ đạo với điều khiển PID 65 Hình 3.23 Sai lệch quỹ đạo với điều khiển PID 65 Hình 3.24 Mơ hình điều khiển thích nghi 67 Hình 3.25 Đáp ứng quỹ đạo với điều khiển thích nghi 68 Hình 3.26 Sai lệch quỹ đạo với điều khiển thích nghi 68 Hình 3.27 Đáp ứng quỹ đạo với điều khiển thích nghi 69 Hình 3.28 Sai lệch quỹ đạo với điều khiển thích nghi 69 Hình 3.29 Mơ hình điều khiển Fuzzy - PID 71 Hình 3.30 Luật chỉnh định Fuzzy 72 Hình 3.31 Đáp ứng với điều khiển Fuzzy - PID 73 Hình 3.32 Sai lệch với điều khiển Fuzzy - PID 73 Hình 3.33 Đáp ứng với điều khiển Fuzzy -PID 74 Hình 3.34 Sai lệch với điều khiển Fuzzy -PID 74 Hình 3.35 Mơ hình điều khiển Fuzzy -PID2 75 Hình 3.36 Luật chỉnh định Fuzzy 76 Hình 3.37 Đáp ứng với điều khiển Fuzzy PID2 77 Hình 3.38 Sai lệch với điều khiển Fuzzy PID2 77 Hình 3.39 Đáp ứng với điều khiển Fuzzy PID2 78 Hình 3.40 Sai lệch với điều khiển Fuzzy PID2 78 Hình 3.41 Mơ hình điều khiển Fuzzy PD+I 79 vi Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển bám Nguyễn Văn Quyền Hình 3.42 Luật điều khiển Fuzzy PD+I 80 Hình 3.43 Đáp ứng với điều khiển Fuzzy PD+I 81 Hình 3.44 Sai lệch với điều khiển Fuzzy PD+I 81 Hình 3.45 Đáp ứng với điều khiển Fuzzy PD+I 82 Hình 3.46 Sai lệch với điều khiển Fuzzy PD+I 82 Hình 3.47 Mơ hình Fuzzy chỉnh định PID 84 Hình 3.48 Đáp ứng với điều khiển Fuzzy chỉnh định PID 85 Hình 3.49 Sai lệch với điều khiển Fuzzy chỉnh định PID 85 Hình 3.50 Đáp ứng với điều khiển Fuzzy chỉnh định PID 86 Hình 3.51 Sai lệch với điều Fuzzy chỉnh định PID 86 Hình 3.52 Đáp ứng với điều khiển Fuzzy chỉnh định PID 87 Hình 3.53 Sai lệch với điều khiển Fuzzy chỉnh định PID 87 Hình 3.54 Đáp ứng với điều khiển Fuzzy chỉnh định PID 88 Hình 3.55 Sai lệch với điều Fuzzy chỉnh định PID 88 vii Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển bám Nguyễn Văn Quyền MỞ ĐẦU Ngày Robot sử dụng nhiều lĩnh vực từ phục vụ sản xuất nhà máy, trợ giúp công việc nghiên cứu mặt đất, đại dương, không gian chí bề mặt hỏa Robot cơng nghiệp thí dụ tiêu biểu hệ điện tử, hệ bao hàm nhiều lĩnh vực như: học, kĩ thuật điện-điện tử, kĩ thuật điều khiển, kĩ thuật đo-xử lý số liệu, kĩ thuật lập trình, Càng ngày ngành robot phát triển, đem lại thay đổi quan trọng chế tạo sản phẩm nâng cao xuất chất lượng nhiều ngành cơng nghiệp Chính vấn đề điều khiển cho Robot công nghiệp mối quan tâm hàng đầu điện tử điều khiển học Thực tế công nghiệp đặt cho điều khiển học toán: thiết kế điều khiển đảm bảo cho cấu tác động cuối robot có khả bám theo quỹ đạo cho trước bám theo chuyển động vật Vì thế, chọn luận văn ”Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển bám”, hướng dẫn thầy giáo TS Nguyễn Văn Hịa Mục đích luận văn thiết kế điều khiển bám theo quỹ đạo đặt trước cho điểm tác động cuối cánh tay robot Phạm vi nghiên cứu luận văn bao gồm tìm hiểu lý thuyết robot, thiết kế điều khiển Fuzzy Logic, PID thích nghi mơ phần mềm Matlab Phương pháp nghiên cứu: Phân tích xây dựng mơ hình tốn học Robot tính tốn thiết kế điều khiển phù hợp Sau đó, thực mơ Matab để kiểm tra đánh giá điều khiển Luận văn trình bầy gồm chương: Chương 1: Cơ sở lý thuyết Robot Trình bày lý thuyết chung robot cơng nghiệp, bao gồm động học động lực học robot, phương pháp điều khiển Robot Chương 2: Mơ hình điều khiển Robot Planar Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển bám Nguyễn Văn Quyền Đưa mơ hình động học động lực học cho Robot Planar, để từ thiế kế điều khiển Chương 3: Mơ Matlab Trình bày kết mơ đáp ứng vị trí Robot Planar, với điều khiển khác Chương 4: Kết luận Nêu kết đạt luận văn Học viên xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy cô thuộc môn Điều khiển tự động mơn Tự động hóa xí nghiệp công nghiệp trường Đại học Bách Khoa, đặc biệt TS.Nguyễn Văn Hịa tận tình hướng dẫn, giúp đỡ học viên suốt trình làm luận văn Hà nội, Ngày 01, tháng 08, năm 2012 Học viên Nguyễn Văn Quyền Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển bám Nguyễn Văn Quyền Quỹ đạo x=1+0.5sin (t/3)+0.3cos(t/2) y=t/20 Hình 3.37 Đáp ứng với điều khiển Fuzzy PID2 Hình 3.38 Sai lệch với điều khiển Fuzzy PID2 77 Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển bám Nguyễn Văn Quyền Quỹ đạo đặt Xd=1+0.8cos(t/2) Yd=2+sin(t/4) Hình 3.39 Đáp ứng với điều khiển Fuzzy PID2 Hình 3.40 Sai lệch với điều khiển Fuzzy PID2 78 Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển bám Nguyễn Văn Quyền Nhận xét: sử dụng e de cho mờ kết đem lại không tốt điều khiển mờ sử dụng e, sử dụng e de luật mờ phức tạp 2/ Bộ điều khiển Fuzzy PD+I Hình 3.41 Mơ hình điều khiển Fuzzy PD+I 79 Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển bám Nguyễn Văn Quyền Luật chỉnh Mờ: Hình 3.42 Luật điều khiển Fuzzy PD+I 80 Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển bám Nguyễn Văn Quyền Quỹ đạo x=1+0.5sin(t/3)+0.3cos(t/2) y=t/20 Hình 3.43 Đáp ứng với điều khiển Fuzzy PD+I Hình 3.44 Sai lệch với điều khiển Fuzzy PD+I 81 Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển bám Nguyễn Văn Quyền Quỹ đạo đặt Xd=1+0.8cos(t/2) Yd=2+sin(t/4) Hình 3.45 Đáp ứng với điều khiển Fuzzy PD+I Hình 3.46 Sai lệch với điều khiển Fuzzy PD+I 82 Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển bám Nguyễn Văn Quyền Nhận xét: Bộ điều khiển Fuzzy PD+I cho kết bám tốt, sai lệch quỹ đạo Khi có giới hạn đầu vào moment dao động quỹ đạo tương đối 3/Fuzzy chỉnh định PID Chỉnh định dựa vào sai lệch e 83 Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển bám Nguyễn Văn Quyền Hình 3.47 Mơ hình Fuzzy chỉnh định PID 84 Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển bám Nguyễn Văn Quyền Quỹ đạo x=1+0.5sin(t/3)+0.3cos(t/2) y=t/20 Hình 3.48 Đáp ứng với điều khiển Fuzzy chỉnh định PID Hình 3.49 Sai lệch với điều khiển Fuzzy chỉnh định PID 85 Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển bám Nguyễn Văn Quyền Quỹ đạo đặt Xd=1+0.8cos(t/2) Yd=2+sin(t/4) Hình 3.50 Đáp ứng với điều khiển Fuzzy chỉnh định PID Hình 3.51 Sai lệch với điều Fuzzy chỉnh định PID 86 Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển bám Nguyễn Văn Quyền Mơ mơ hình thay đổi (giữ nguyên điều khiển) Quỹ đạo x=1+0.5sin(t/3)+0.3cos(t/2) y=t/20 Hình 3.52 Đáp ứng với điều khiển Fuzzy chỉnh định PID Hình 3.53 Sai lệch với điều khiển Fuzzy chỉnh định PID 87 Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển bám Nguyễn Văn Quyền Quỹ đạo đặt Xd=1+0.8cos(t/2) Yd=2+sin(t/4) Hình 3.54 Đáp ứng với điều khiển Fuzzy chỉnh định PID Hình 3.55 Sai lệch với điều Fuzzy chỉnh định PID 88 Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển bám Nguyễn Văn Quyền Chương 4: KẾT LUẬN Kết đạt được:  Xây dựng mơ hình động học ngược, động học thuận động lực học robot Planar  Thiết kế điều khiển cho Robot Planar:  Điều khiển phi tuyến dựa mơ hình  Điều khiển PID  Bộ điều khiển thích nghi mơ hình ngược   Bộ điều khiển Fuzzy  Nhận xét:  Bộ điều khiển phi tuyến dựa mơ hình đem lại kết tốt mơ hình xác, nhiên mơ hình sai lệch kết xấu  Bộ điều khiển PID thuật tốn đơn giản, khơng cần quan tâm đến mơ hình, chọn tham số điều khiển phù hợp kết điều khiển tốt, nhiên moment điều khiển khởi động lớn  Bộ điều khiển thích nghi mơ hình ngược: đem lại kết rât tốt mơ hình có sai lệch, moment khởi động không lớn  Bộ điều khiển Fuzzy cho kết tốt, sai lệch bám ít, nhiên có giới hạn moment điều khiển gian đoạn khởi động có dao động quỹ đạo Hướng phát triển: đưa phương pháp điều khiển thích nghi vào đối tượng robot bậc cao 89 Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển bám Nguyễn Văn Quyền TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt: [1] Nguyễn Dỗn Phước Lý thuyết điều khiển tuyến tính, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 2008 [2] Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, Hán Thành Trung , lý thuyết điều khiển phi tuyến, Nhà xuất khoa học kỹ thuật hà nội, 2003 [3] Nguyễn Phùng Quang, Matlab simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 2005 [4] Nguyễn Mạnh Tiến, Điều khiển Robot công nghiệp, Nhà xuất khoa học kỹ thuật hà nội, 2003 [5] Pham Manh Thang, Nguyen Van Quyen, “Adaptive control for tracking trajectory”, submitted to The second International Conference on Engineering Mechanics and Automation (ICEMA2) Tiếng Anh: [6] Jorge Angeles, Fundamentals oi Robotic Mechanical Systems Theory, Methods, and Algorithms, Springer-Verlag New York, Inc Mark L Nagurka, Newton-Euler Dynamics of Robot, CRC Press LLC 90 91 .. .Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển bám Nguyễn Văn Quyền Lời cam đoan Tôi xin cam đoan luận án thạc sĩ với đề tài: ? ?Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển bám? ?? tự thực hướng... với điều khiển Fuzzy PID2 78 Hình 3.40 Sai lệch với điều khiển Fuzzy PID2 78 Hình 3.41 Mơ hình điều khiển Fuzzy PD+I 79 vi Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển bám Nguyễn... cho trước bám theo chuyển động vật Vì thế, tơi chọn luận văn ? ?Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển bám? ??, hướng dẫn thầy giáo TS Nguyễn Văn Hịa Mục đích luận văn thiết kế điều khiển bám theo