Chương một : Tổng quan về hệ điều khiển chuyển động
3.8Kết luận chương ba
Qua mụ phỏng cho tay mỏy hai bậc tự do, ta nhận thấy sai lệch tĩnh gần bằng 0 trong trường hợp hàm Signum và hàm Sat-PI. Trong trường hợp hàm Signum hiện tượng chattering xảy ra mạnh, trường hợp hàm Sat mụmen đó được cải thiện đỏng kể (biờn độ dao động bằng 5% so với trường hợp hàm Signum) và với hàm Sat PI chất lượng của hệ thống đó được cải thiện rừ rệt, - hiện tượng đảo chiều nhanh và liờn tục của mụmen khụng cũn nữa.
Khi sử dụng hàm Sat PI trong bộ điều khiển tay mỏy hai bậc tự do thay - cho hàm Signum và hàm Sat, cỏc kết quả mụ phỏng cho thấy hệ điều khiển trượt này giữ được tớnh ổn định, giảm thiểu được hiện tượng chattering của cỏc tớn hiệu điều khiển và mụmen tỏc động lờn cỏc khõu đồng thời cũng giảm được sai số quỹ đạo. Ngoài ra, đõy là cơ sở để ỏp dụng mụ phỏng và thực nghiệm dựng hàm Sat PI cho tay mỏy 3 bậc tự do.-
Cỏc kết quả mụ phỏng trờn robot Gryphon EC (tay mỏy 3 bậc tự do) khi sử dụng cỏc hàm chuyển mạch Signum, Sat và Sat PI cho thấy rằng:-
− Với hàm Signum, hiện tượng chattering thể hiện khỏ rừ ràng trong tớn hiệu điều khiển và mụmen tỏc động lờn cả 3 trục của robot. Chỳng đảo dấu liờn tục với nhịp độ rất nhanh và cú biờn độ dao động lớn. Sai lệch tĩnh trong trường hợp này gần bằng 0 nhưng đỏp ứng chậm.
− Với hàm Sat, hiện tượng chattering đó giảm nhiều nhưng vẫn cũn, tớn hiệu điều khiển và mụmen vẫn cũn đảo dấu liờn tục với nhịp độ rất nhanh nhưng với biờn độ dao động nhỏ hơn nhiều so với trường hợp hàm Signum. Tồn tại sai lệch tĩnh nhưng đỏp ứng nhanh hơn trường hợp hàm Signum.
− Với hàm Sat PI, hiện tượng chattering được giảm thiểu một cỏch rừ - rệt so với hai trường hợp trước. Sai lệch tĩnh lõn cận 0 và đỏp ứng nhanh hơn so với cả hai trường hợp hàm Signum và hàm Sat.
CHƯƠNG BỐN
XÂY DỰNG Mễ HèNH THỰC NGHIỆM CHO CHUYỂN ĐỘNG ROBOT DÙNG
BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT Cể GIẢM CHATTERING
Trong chương này trỡnh bày kết quả thực nghiệm trờn robot Gryphon EC của bộ mụn Tự Động Húa XNCN Khoa Điện– –ĐHBK Hà Nội với bộ điều khiển trượt dựng hàm Sat và Sat-PI. Để dễ so sỏnh và đỏnh giỏ, cỏc số liệu và kết quả mụ phỏng thực hiện trờn robot này đó trỡnh bày trong chương ba được ỏp dụng cho phần thực nghiệm trờn cựng đối tượng là Robot Gryphon EC. 4.1. CẤU HèNH THỰC NGHIỆM
Cấu hỡnh thực nghiệm được giới thiệu như hỡnh 4.1.
Cỏc thành phần chớnh trong cấu hỡnh thực nghiệm của hệ gồm Card xử lớ tớn hiệu số ds1103, hệ biến tần động cơ đồng bộ NCVC, mỏy tớnh và Robot - Gryphon EC.
4.1.1. Card ds1103
Card ds1103 do tập đoàn dSPACE của ức sản xuất, cú hỡnh ảnh như trờn Đ hỡnh 4.2.
quỹ đạo đặt RI DAC 1 RII DAC 2 RIII DAC 3 Rw RI DC1 Rw RI DC2 Rw RI DC3 Máy tính PCI Hộp số Hộp số Hộp số R G Encoder 1 Encoder 2 Encoder 3 ds 1103 Biến tần - động cơ ĐBNCVC
Hỡnh 4.1 - S ơ đồ cấu trỳc hệ thực nghiệm trong phũng thớ nghiệm 116
Trờn sơ đ ồ cấu trỳc của hệ thực hiện thực nghiệm hỡnh 4.1, mỏy tớnh chứa phần mềm điều khiển được nạp trực tiếp vào bộ xử lý tớn hiệu số là card ds1103 được cắm trờn rónh PCI của mỏy tớnh. Phần mềm ControlDesk cho phộp tạo giao diện và trao ổi dữ liệu trực tiếp giữa mỏy tớnh với bộ xử lý tớn đ hiệu số do vậy ta cú thể dễ dàng nạp chương trỡnh điều khiển xuống card đồng thời cú thể theo dừi cỏc đỏp ứng và chỉnh định online cỏc tham số điều khiển khi hệ đang chạy.
Trong lĩnh vực iều khiển truyền ộng iện, card ds1103 cú 4 đ đ đ ưu điểm chớnh sau:
+ Đơn giản húa cho việc chạy một thuật toỏn điều khiển: ds1103 cú phần master là vi xử lý PPC 604e tần số xung nhịp là 400MHz và phần slave là vi điều khiển TMS320F240 đư ợc đi kốm với một phần mềm cho phộp dịch và nạp chương trỡnh trực tiếp từ nền Simulink/State Flow.
+ Cho phộp chỉnh ịnh trực tiếp (on line) cỏc thụng số iều khiển và đ đ theo dừi cỏc đỏp ứng trờn nền thời gian thực (real time) thụng qua phần mềm ControlDesk.
+ Cú tốc độ tớnh toỏn nhanh (tần số xung nhịp là 400MHz).
+ Cung cấp nhiều tài nguyờn chuyờn dụng phục vụ cho việc iều khiển đ truyền ộng, cụ thể nhđ ư: Encoder, ADC, DAC, PWM, cỏc Timer, cỏc ngắt... như được trỡnh bày trong bảng 4.1.
Bảng 4.1 - Cỏc tài nguyờn của Card ds1103 Vi xử lý Power PC Processor PPC 604e
Bộ nhớ 2Mbyte bộ nhớ SRAM 128 Mbyte bộ nhớ SDRAM
Timer 32 bit đếm ng ợc với ộ phõn giải 30 ns ư đ 32 bit đếm thuận với độ phõn giải 60 ns Bộ điều khiển ngắt 32 ngắt trong, 4 ngắt ngoài
ADCs 4x16-bit ADC kiểu dồn kờnh
Dải đầu vào: ±10 V
Thời gian chuyển đổi: 4 ns ±5 mV offset error
±0.25% sai số khuếch đại Độ trụi offset: 4 ppm/K Tỷ lệ tớn hiệu/nhiễu: >80 dB
ADCs 4x12-bit ADC
Dải đầu vào: ±10 V
Thời gian chuyển đổi: 800 ns ±5 mV offset error
±0.5% sai số khuếch đại Độ trụi offset: 4 ppm/K Độ trụi khuếch đại: 25 ppm/K Tỷ lệ tớn hiệu/nhiễu: >65 dB
DACs 8x14-bit DAC
Dải đầu vào: ±10 V 5 ns settling time (12bit) ±1 mV offset error ±0.5% sai số khuếch đại Độ trụi offset: 3 ppm/K Độ trụi khuếch đại: 25 ppm/K Imax = ±5mA CImax = 10nF 1 Encoder tương tự Encoder Cú thể chọn chế độ 1 Vpp hay 11 àApp Độ phõn giải < 5º
Tần số đếm lớn nhất: 2.4 MHz (ứng với loại cú pha đối xứng).
600 000 xung encoder/s
Bộ đếm vị trớ cú thể lờn tới 32-bit
5 V/1 A điện ỏp nguồn cung cấp cho cảm biến ADC performance 6 bits, 10MSPS
6 Encoder số kiểu dóy xung
Cú thể chọn đầu vào TTL hay kiểu RS442 Tần số cực đại: 6.6 MHz
Bộ đếm vị trớ ớn nhất: 24l -bit
5 V/1 A điện ỏp nguồn cung cấp cho cảm biến
Cỏc đầu vào/ra số
32-bit vào/ra song song
Chia thành 4 nhúm, mỗi nhúm 8 bit (vào/ra) Ioutmax = ±8mA
CAN
Microcontroller-based CAN Subsystem với ISO 11898 integrated
Net-transceiver 1 Mbaud
Host interface
8 cổng vào/ra số 16 bit trong 64K khụng gian vào/ra chớnh
Cỏc ngắt: processor/host và host/processor Plug-and Play support -
Nguồn cung cấp +5V ±5 %, 6A +12V ±5 %, 0.75A -12V ±5 %, 0.25A Slave DSP Texas Instruments TMS320F240 DSP 20 MHz tần số xung nhịp 64Kx16 bộ nhớ mó ngoài 28Kx16 bộ nhớ dữ liệu ngoài 4Kx16 bộ nhớ cổng kộp cho truyền thụng 16 đầu vào ADC
12 đầu ra PWM 4 đầu vào cảm biến 2 cổng nối tiếp
Mức vào/ra TTL cho tất cả chõn vào/ra số
Dũng điện vào/ra cực đại: xem chi tiết trong phần bố trớ chõn vào/ra
4.1.2. Hệ biến tần - Động cơ đồng bộ NCVC
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