Hệ được sử dụng bao gồm 3 cặp biến tần - động cơ đồng bộ NCVC cú cụng suất lần l ợt là 50W, 100W và 200W của tập ư đoàn OmRon tương ứng được gắn cho cỏc trục 1, 2 và 3 của robot Gryphon EC.
Hệ biến tần chuyờn dụng được đặt cấu hỡnh iều khiển cú cấu trỳc nhđ ư hỡnh 4.3.
Trong đú:
- Cn-03 hệ số chia tốc ộ với đơn vị là vũng/V, ta đ đặt Cn-03=300.
- Cn-04 là bộ điều khiển số tốc độ, được đặt là 80Hz.
- Cn-05 là hằng số thời gian mạch vũng tốc đ độ, ặt là 10 (ms).
- Cn-17 là hằng số thời gian mạch vũng dũng điện, đơn vị (100 s) à đặt bằng 4.
- Cn-0A là độ chia xung của Encoder, đặt 2048 xung/vũng.
Hỡnh 4.3 - S ơ đồ cấu trỳc hệ biến tần - Động cơ
Mạch vũng tốc độ Mạch vũng dũng điện Cn-03 E Cn-04,05 Cn-17 + − Cn-0A Uv đặt Phản hồi Encoder −10 → 10 V Phản hồi tốc độ ĐC Bộ chia xung
Sơ đồ hệ biến tần Động cơ trong thực tế được biểu diễn như hỡnh 4.4.-
4.2. CÁC KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
Sau khi tiến hành ghộp nối cỏc thiết bị phục vụ thớ nghiệm theo như cấu trỳc tổng quan đưa ra trong hỡnh 4.1, thực hiện viết chương trỡnh điều khiển với cỏc thuật toỏn khỏc nhau nh đó trỡnh bày trong phần lý thuyết và mụ ư phỏng. Cỏc kết quả thực nghiệm được lấy cho cỏc trục 1, 2 và 3 của robot Gryphon EC tại hai thời điểm khỏc nhau trong trường hợp cú tải và khụng tải. Trong trường hợp cú tải, khối lượng của tải là 0,2kg. Cỏc kết quả thực nghiệm được tiến hành với chu kỳ lấy mẫu bằng 100 às, giỏ trị của cỏc hệ số λ φ , và KI được chọn giống như trong phần mụ phỏng (chương ba). Kết quả thực nghiệm khụng thể thực hiện đối với hàm Signum do hiện tượng chattering xảy ra rất mạnh khiến cho cỏc cơ cấu của robot bị rung động mạnh, cú khả năng bị hỏng, do vậy chỉ làm thực nghiệm đối với hàm Sat và hàm Sat-PI. 4.2.1. Vị trớ đặt và thực của cỏc trục và sai lệch vị trớ
Cỏc kết quả thực nghiệm trờn hỡnh 4.5 và 4.6 dưới đõy thể hiện vị trớ đặt và thực cựng sai lệch vị trớ của cỏc trục khi làm thực nghiệm với cỏc hàm chuyển mạch là Sat và Sat-PI, khi khụng tải lẫn khi cú tải.
(b)
(c)
(d)
Hỡnh 4.5.a - Kết quả thực nghiệm trục 1 trường hợp hàm SAT Hỡnh bờn trỏi là đỏp ứng vị trớ thực và đặt (rad), hỡnh bờn phải là sai lệch vị trớ
(a) Khụng tải, thời điểm 1 (c) Cú tải, thời điểm 1 (b) Khụng tải, thời điểm 2 (d) Cú tải, thời điểm 2
(b)
(c)
(d)
Hỡnh 4.5.b - Kết quả thực nghiệm trục 2 trường hợp hàm SAT Hỡnh bờn trỏi là đỏp ứng vị trớ thực và đặt (rad), hỡnh bờn phải là sai lệch vị trớ
(a) Khụng tải, thời điểm 1 (c) Cú tải, thời điểm 1 (b) Khụng tải, thời điểm 2 (d) Cú tải, thời điểm 2
(b)
(d)
Hỡnh 4.5.c - Kết quả thực nghiệm trục 3 trường hợp hàm SAT Hỡnh bờn trỏi là đỏp ứng vị trớ thực và đặt (rad), hỡnh bờn phải là sai lệch vị trớ
(a) Khụng tải, thời điểm 1 (c) Cú tải, thời điểm 1 (b) Khụng tải, thời điểm 2 (d) Cú tải, thời điểm 2
(a)
(b)
(c)
(d)
Hỡnh 4.6.a - Kết quả thực nghiệm trục 1 trường hợp hàm SAT-PI Hỡnh bờn trỏi là đỏp ứng vị trớ thực và đặt (rad), hỡnh bờn phải là sai lệch vị trớ
(a) Khụng tải, thời điểm 1 (c) Cú tải, thời điểm 1 (b) Khụng tải, thời điểm 2 (d) Cú tải, thời điểm 2
(b)
(c)
(d)
Hỡnh 4.6.b - Kết quả thực nghiệm trục 2 trường hợp hàm SAT-PI Hỡnh bờn trỏi là đỏp ứng vị trớ thực và đặt (rad), hỡnh bờn phải là sai lệch vị trớ
(a) Khụng tải, thời điểm 1 (c) Cú tải, thời điểm 1 (b) Khụng tải, thời điểm 2 (d) Cú tải, thời điểm 2
(a) (a)
(b)
(c)
(d)
Hỡnh 4.6.c - Kết quả thực nghiệm trục 3 trường hợp hàm SAT-PI Hỡnh bờn trỏi là đỏp ứng vị trớ thực và đặt (rad), hỡnh bờn phải là sai lệch vị trớ
(a) Khụng tải, thời điểm 1 (c) Cú tải, thời điểm 1 (b) Khụng tải, thời điểm 2 (d) Cú tải, thời điểm 2
4.2.2. Quỹ đạo đặt và thực thể hiện trong khụng gian ba chiều 4.2.2.1. Trường hợp hàm Sat
Hỡnh 4.7.a – Quỹ đạo thực và đặt thể hiện trong khụng gian ba chiều trong trường hợp hàm chuyển mạch là hàm Sat (đơn vị: mm)
Hỡnh 4.7.b – Sai lệch quỹ đạo trong trường hợp hàm chuyển mạch là hàm Sat (trục tung: rad, trục hoành: s)
4.2.2.2. Trường hợp hàm Sat- PI
Kết quả thực nghiệm về quỹ đạo thực và đặt trong khụng gian ba chiều và sai lệch quỹ đạo cho thấy rằng với trường hợp hàm Sat PI, quỹ đạo thực - sớm tiến đến trựng với quỹ đạo đặt và ớt sai lệch hơn so với trường hợp hàm Sat.
Hỡnh 4.8.a – Quỹ đạo thực và đặt thể hiện trong khụng gian
ba chiều trong trường hợp hàm chuyển mạch là hàm Sat- PI (đơn vị: mm)
Hỡnh 4.8.b – Sai lệch quỹ đạo trong trường hợp
4.2.3. Mụmen tỏc động lờn cỏc trục
Việc thực nghiệm lấy đường biểu diễn mụmen được thực hiện cho cỏc trục để thấy được hiện tượng chattering xảy ra đối với hàm Sat và Sat-PI. Trờn trục tung của đồ thị, một độ chia tương ứng với 6,211.10-3Nm/div, trục hoành là 20ms/div. Cụng suất của động cơ ở cỏc trục 1, 2 và 3 lần lượt là 200 W, 100W và 50 W.
4.2.3.1. Mụmen tỏc động lờn trục 1
4.2.3.2. Mụmen tỏc động lờn trục 2
(a) Hàm Sat (b) Hàm Sat-PI
Hỡnh 4.10 – Mụmen tỏc động lờn trục 2
(a) Hàm Sat (b) Hàm Sat PI- Hỡnh 4.9 – Mụmen tỏc động lờn trục 1
4.2.3.3. Mụmen tỏc động lờn trục 3
Nhận xột cỏc kết quả thực nghiệm:
Với giỏ trị của cỏc hệ số λ φ, và KI đó được chọn như trong phần mụ
phỏng (mục 3.7, chương ba) và ỏp dụng cho phần thực nghiệm trờn robot Gryphon EC, ta được cỏc kết quả như sau:
Bảng 4.2 - Kết quả thực nghiệm về sai lệch vị trớ hàm Sat và Sat-PI
Hàm Sat Hàm Sat- PI
Khụng tải (%) Cú tải (%) Khụng tải (%) Cú tải (%)
Trục 1 (0,8 1)ữ (1,3 1,5) ữ (0,01 0,02) ữ (0,02 0,03) ữ Trục 2 (0,8 0,9)ữ (1 1,2) ữ (0,01 0,02) ữ (0,01 0,02) ữ Trục 3 (0,6 0,8) ữ (1,2 1,3) ữ (0,01 0,025) ữ (0,01 0,025) ữ
Theo kết quả thực nghiệm cho cỏc trục 1, 2 và 3 khi khụng tải và cú tải ở bảng trờn, sai lệch vị trớ trong trường hợp hàm Sat PI thấp hơn rất nhiều so - với trường hợp hàm Sat.
So sỏnh với bảng thụng số của robot Gryphon EC thỡ mụmen định mức cho cỏc trục 1, 2 và 3 lần lượt là 0,637 Nm, 0,318 Nm và 0,159 Nm. Giỏ trị
(a) Hàm Sat (b) Hàm Sat PI- Hỡnh 4.11 – Mụmen tỏc động lờn trục 3
thực nghiệm cho thấy đối với tải là 0,2 kg thỡ mụmen của cỏc trục 1, 2 và 3 lần lượt là 0,4 Nm, 0,2 Nm và 0,124 Nm được lấy trong thời gian 15 s. Kết quả này là phự hợp.
Kết quả thực nghiệm cũng cho thấy, khi sử dụng hàm chuyển mạch Sat-PI, hiện tượng chattering ở mụmen tỏc động lờn cỏc trục suy giảm khỏ nhiều so với trường hợp dựng hàm Sat.
Thực tế trong quỏ trỡnh vận hành sự thay đổi tham số và cấu trỳc của đối tượng cũng như nhiễu tỏc động thay đổi theo quỹ đạo chuyển động, do đú việc thay đổi tham số bộ điều khiển trượt Sat PI bằng thuật điều khiển mờ sẽ - làm cho độ sai lệch vị trớ giảm hơn nữa.
4.3. ỨNG DỤNG THUẬT ĐIỀU KHIỂN MỜ ĐỂ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT SAT-PI [6] SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT SAT-PI [6]
Luật điều khiển của hệ thống được xỏc định bởi phương trỡnh (2.51), trong đú hàm σ(s) được xỏc định bởi phương trỡnh (2.50) và hệ số KI được chọn theo (2.58). Nếu KI được lựa chọn một giỏ trị cố định thỡ cú thể đảm bảo cho hệ thống làm việc ở một vựng nhất định, trong thực tế hệ chuyển động tay mỏy thường cú những sự thay đổi lớn vỡ thế để hệ thống cú chất lượng đảm bảo với mọi lượng đầu vào bất kỡ thỡ phải tỡm cỏch thay đổi KI cho phự hợp.
Đối t ợng
Hỡnh 4.12 - Điều chỉnh hệ số KI theo thuật điều khiển mờ
e e& KI dt de Bộ chỉnh mờ Bộ điều khiển trượt Sat-PI e x xd − KI
Căn cứ vào e và e&, bộ chỉnh mờ sẽ tớnh toỏn hệ số KI sao cho sai lệch e→0.
Trong việc thiết kế bộ điều khiển mờ, về phương diện lý thuyết đó cú nhiều cụng trỡnh nghiờn cứu bộ chỉnh định tham số PID dựng thuật điều khiển mờ. Với phạm vi nghiờn cứu của luận ỏn, tỏc giả khụng đi sõu nghiờn cứu về phương phỏp điều khiển mờ để chỉnh định tham số cho bộ điều khiển trượt Sat-PI theo trỡnh tự truyền thống mà chọn giải phỏp sử dụng phần mềm tớnh toỏn Labview cú sẵn.
Kết quả thực nghiệm thực hiện với việc sử dụng thuật điều khiển mờ được trỡnh bày như sau:
Tớn hiệu vị trớ ặt cỏc trục 1,2 và 3 được biểu diễn nhđ ư hỡnh 4.13.
Trong cỏc hỡnh 4.14, 4.15 và 4.16 là đặc tớnh quan hệ vào/ra của bộ logic mờ cho cỏc trục 1, 2 và 3. ể thiết kế đưĐ ợc đặc tớnh nàynhưý muốn ở y sử đõ dụng cụng cụ hỗ trợ thiết kế mờ của phần mềm Labview.
Hỡnh 4.13 - Vị trớ ặt cỏc trục 1,2 và 3đ Trục tung: counts, trục hoành: ì 10 ms
Trờn cỏc hỡnh vẽ dưới đõy, trục hoành là tớn hiệu đầu vào e và e&, trục tung là KI.
Hỡnh 4.16 – Đặc tớnh vào/ ra bộ logic mờ cho trục 3 Hỡnh 4.14 – Đặc tớnh vào/ ra bộ logic mờ cho trục 1
Nhận xột:
Kết quả thực nghiệm trong tr ờng hợp ư ứng dụng thuật điều khiển mờ và trường hợp KI khụng đổi được thực hiện với cựng một dạng vị trớ ặt. So sỏnh đ hai trường hợp thấy rằng với trường hợp ứng dụng thuật điều khiển mờ cho kết quả sai lệch vị trớ được cải thiện tốt h n nữa so với khi Kơ I khụng đổi (hỡnh 4.8.b), quan sỏt đồ thị hỡnh 4.17 cho thấy sai lệch của 3 trục tiến nhanh về 0 và sai lệch tĩnh ở lõn cận 0.
4.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG BỐN
Cỏc kết quả thực nghiệm được thực hiện trờn robot Gryphon EC khi cú tải và khụng tải cho thấy rằng khi sử dụng hàm chuyển mạch là hàm Sat-PI, sai lệch quỹ đạo giảm nhiều, độ chớnh xỏc trong điều khiển tốt hơn so với trường hợp hàm Sat.
Thực nghiệm cho thấy khi sử dụng hàm chuyển mạch Sat-PI, hiện tượng chattering ở mụmen tỏc động lờn cỏc trục suy giảm rừ rệt so với trường hợp dựng hàm Sat.
Hỡnh 4.17 - Kết quả thực nghiệm sai lệch vị trớ của 3 trục khi dựng thuật điều khiển mờ
Cỏc kết quả thực nghiệm cũng chứng tỏ nếu kết hợp điều khiển trượt sử dụng hàm chuyển mạch Sat PI với - ứng dụng thuật điều khiển mờ thỡ chất lượng điều khiển được cải thiện hơn nữa.
Lý thuyết mới dựng hàm Sat PI mà luận ỏn đó nờu ra được minh chứng - qua kết quả mụ phỏng trỡnh bày ở chương ba và kết quả thực nghiệm được thể hiện ở chương này là hoàn toàn phự hợp và đỳng đắn.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
I. KẾT LUẬN
Luận ỏn đó đúng gúp những vấn đề mới như sau:
1. Đề xuất dựng hàm chuyển mạch Sat-PI để giảm một cỏch đỏng kể hiện tượng chattering của điều khiển trượt. Phương phỏp này cú ưu điểm là khối lượng tớnh toỏn nhỏ, thuật điều khiển ớt phức tạp, đỏp ứng nhanh, hệ thống kớn ổn định.
2. Xõy dựng được cấu trỳc mụ hỡnh mụ phỏng với cỏc hàm Signum, Sat và Sat-PI trờn một robot thực (robot Gryphon EC) là một đối tượng phi tuyến mạnh. Việc so sỏnh cỏc kết quả mụ phỏng giữa cỏc trường hợp hàm Signum, hàm Sat và hàm Sat PI đó khẳng định tớnh đỳng đắn của thuật toỏn mà luận - ỏn đó nờu ra trong việc nõng cao chất lượng của hệ điều khiển.
3. Xõy dựng được cấu trỳc mụ hỡnh thực nghiệm trờn một đối tượng cú tớnh phi tuyến mạnh là robot Gryphon EC. Cấu hỡnh này gồm mỏy tớnh được cài đặt phần mềm điều khiển, card xử lý tớn hiệu số ds1103 cho phộp dịch và nạp chương trỡnh trực tiếp trờn nền Simulink của Matlab. Do đú tốc độ tớnh toỏn nhanh, cú thể chỉnh định trực tiếp (online) cỏc thụng số điều khiển và theo dừi đỏp ứng trờn nền thời gian thực. Hệ điều khiển được sử dụng với bộ biến tần và động cơ đồng bộ nam chõm vĩnh cửu cho từng trục của robot Gryphon. Phần thực nghiệm đó chứng tỏ được:
− Với thuật toỏn đề xuất của luận ỏn (hàm Sat-PI), cú khả năng điều khiển hệ phi tuyến bậc cao, sai lệch quỹ đạo được đỏnh giỏ theo phần trăm lượng đặt trong cỏc trường hợp đều thấp hơn so với hàm Sat.
− Hệ điều khiển làm việc ổn định, ớt chịu ảnh hưởng của tải, do đú chất lượng điều khiển được cải thiện đỏng kể.
− Với thuật toỏn đề xuất của luận ỏn hoàn toàn cú thể ứng dụng vào thực tế điều khiển cỏc hệ thống động lực học cú tớnh phi tuyến cao, cú yờu cầu đỏp ứng nhanh và chớnh xỏc.
4. Khi kết hợp thuật toỏn mà luận ỏn đó nờu với việc ứng dụng thuật điều khiển mờ để thay đổi hệ số tớch phõn KI của hàm chuyển mạch Sat-PI, thỡ chất lượng điều khiển được cải thiện tốt hơn nữa.
5. Những vấn đề nghiờn cứu của luận ỏn đó gúp phần khẳng định việc ỏp dụng thuật toỏn đó đề xuất cho bài toỏn điều khiển hệ phi tuyến là giải phỏp đỳng đắn và cần thiết.
II. KIẾN NGHỊ
Phương phỏp mới mà luận ỏn nờu ra đó đạt được kết quả tốt trong mụ phỏng và thực nghiệm cho hệ điều khiển trượt cú cấu trỳc thay đổi, tuy nhiờn việc kết hợp giữa điều khiển trượt - mờ - thớch nghi cựng với việc sử dụng hàm chuyển mạch Sat-PI sẽ làm cho chất lượng điều khiển được cải thiện hơn nữa.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1. Đào Văn Hiệp (2003), Kỹ thuật Robot, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
2. Cao Tiến Huỳnh (2000), “Điều khiển trượt trờn cỏc mặt tr ợt mờ”, ư Tuyển tập cỏc bỏo cỏo Khoa học Hội nghị Toàn quốc lần thứ ba về Tự động húa, Hà Nội.
3. Cao Tiến Huỳnh (1998), “Về một phương phỏp tổng hợp cỏc hệ điều
khiển cú chất lượng cao”, Tuyển tập cỏc bỏo cỏo Khoa học Hội nghị Toàn quốc lần thứ ba về Tự ộng húađ , Hà Nội.
4. Bựi Quốc Khỏnh, Nguyễn V n Liễn, Phạm Quốc Hải, Dă ương Văn Nghi (1998), Điều chỉnh tự ộng truyền đ động iện, Nhà xuất bản Khoa học và đ Kỹ thuật, Hà Nội.
5. Nguyễn V n Liễn, Nguyễn Mạnh Tiến và ă Đoàn Quang Vinh (2003), Điều khiển ộng c xoay chiều cấp từ biến tần bỏn dẫnđ ơ , Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
6. Phan Xuõn Minh và Nguyễn Doón Phước (2002), Lý thuyết điều khiển mờ (in lần thứ 3), Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
7. Phạm Cụng Ngụ (2001), Lý thuyết điều khiển tự động, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
8. Nguyễn Thương Ngụ (2003), Lý thuyết điều khiển tự ộng thụng th ờng đ ư và hiện ại, Quyển 3: Hệ phi tuyến và hệ ngẫu nhiờnđ , Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
9. Nguyễn Đỡnh Phỳ (1996), Lý thuyết ổn định và ứng dụng, Nhà xuất bản Giỏo dục.
10. Nguyễn Thiện Phỳc (2003), Robot cụng nghiệp, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
11. Nguyễn Doón Ph ớc, Phan Xuõn Minh (1999), ư Điều khiển tối u bền ư vững, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
12. Nguyễn Doón Ph ớc, Phan Xuõn Minh, Hỏn Thành Trung (2002), ư Lý thuyết iều khiển phi tuyếnđ , Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
13. Nguyễn Phựng Quang (2004), Matlab và Simulink dành cho kỹ sư đ iều khiển tự động, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
14. Nguyễn Trọng Thuần (1999), Điều khiển logic và ứng dụng, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
Tiếng Anh
15. A. Sabanovic, Karel Jezernik and Kenzo Wada (1992), “Chattering Free