L ỜI CẢM ƠN
3. TỔN THẤT CƠ CHẾ CHẤP HÀNH VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN
3.2.7 Áp dụng cho robot công nghiệp 6-DOF
Robot công nghiệp 6-DOF được mô phỏng kiểm chứng thuật toán điều khiển ASMC (3.40) là robot IRB 120. Mô hình động lực học và mô hình bán vật lý với các tham số (ở mục 2.5.2) đã được tác giảđã xây dựng lần lượt ở mục 2.4 và mục 2.5. Cấu hình dạng 3D của robot được mô tả trong Hình 3.49 và các tham số D-H đã được trình bày ở Bảng 2.1. Các tham số vật lý của robot như khối lượng, vị trí điểm trọng tâm, ma trận tensor quán tính của từng khâu sẽ được coi là chưa biết chính xác. Do đó, bộ điều khiển sẽđược thiết kế dựa trên các giá trị danh định của các tham số vật lý mà ta xấp xỉ được, trong khi đối tượng mô phỏng là mô hình bán vật lý của robot sẽđược thiết lập bởi các tham số vật lý có sai số 10% so với giá trị danh định. Các kết quả mô phỏng được thực hiện trên không gian khớp với cấu hình của robot ở thời điểm ban đầu có biến góc khớp và tốc độ khớp là ̇ . Quỹđạo mong muốn của các khớp được cho trước tương tựnhư (3.1) là
1 2 3
4 5 6
2sin( ) 1.5sin( ) sin( )
2.5sin( ) 2sin( ) 3sin( )
d d d d d d q t q t q t q t q t q t (3.63)
Tất cả CCCH của robot được xem xét bị tổn thất cùng lúc ở dạng PDT trong hai trường hợp ứng với hệ số . Trường hợp suy giảm nhỏ (trường hợp 1):
0.9, 0.9, 0.9, 0.9, 0.9, 0.9 tương ứng với 10% tổn thất dạng PDT ở tất cả CCCH; và trường hợp suy giảm lớn (trường hợp 2): 0.5, 0.8, 0.8, 0.5, 0.5, 0.5 tương ứng với 50% tổn thất ở CCCH 1, 4, 5, 6 và 20% tổn thất ở CCCH 2, 3.
Hình 3.49 Robot công nghiệp IRB 120 với các hệ tọa độ khớp được mô tảở dạng 3D
x0 y0 z0 z1 x1 y1 x2 z2 y2 x3 y3 z3 x4 z4 z5 x5 y5 d1 a2 a3 d4 d6 x6 y6 z6 Khâu đế Khâu 1 Khâu 2 Khâu 3 Khâu 4 Khâu 5 Khâu 6 q1 q2 q3 q4 q5 q6
90 Để so sánh chất lượng đáp ứng của robot trong từng trường hợp khi sử dụng một bộ điều khiển chưa có khả năng kháng lỗi và khi sử dụng bộđiều khiển trượt thích nghi có khảnăng kháng lỗi; các mô phỏng được thực hiện lần lượt với hai sơ đồ hệ thống điều khiển ứng với luật điều khiển trượt thông thường (SMC) và luật điều khiển trượt thích nghi (ASMC). Luật điều khiển trượt thông thường với cùng biến trượt (3.38) là
( sgn( ))
c d
τ M q Ae K s Cq g (3.64)
Trong đó là ma trận đường chéo, với các hệ số ( 1, 2, ..., ). Điều kiện trượt cơ bản được chọn theo cách thông thường là
( )
sgn
s K s (3.65)
Để giảm hiện tượng rung xuất hiện trong hệ thống điều khiển trượt, trong các mô phỏng sẽ sử dụng hàm bão hòa sat( / ), , được mô tả trong (3.57) thay cho hàm dấu sgn( ) ở cả hai bộ điều khiển SMC và ASMC. Các tham số của bộ điều khiển trượt SMC được chọn là: tham số của biến trượt
15; tham số của hàm bão hòa 0.2; các hệ số 30. Bộ điều khiển ASMC cũng dùng chung biến trượt và các hàm bão hòa với bộ điều khiển SMC, và các hệ số tốc độ thích nghi được chọn là 30 . Trước tiên, hệ thống robot được mô phỏng cho trường hợp các CCCH hoạt động bình thường khi sử dụng bộ điều khiển ASMC và SMC. Sau đó, hai trường hợp ứng với hai mức độ tổn thất CCCH dạng PDT đã nêu sẽ được thực hiện lần lượt cho hai bộ điều khiển. Tất cả các mô phỏng được thực hiện với thuật giải ode14x và thời gian lấy mẫu là 0,001s. Kết quả mô phỏng cho robot trong các trường hợp: trường hợp bình thường, trường hợp 1, và trường hợp 2 lần lượt được mô tả trong (Hình 3.50 đến Hình 3.53), (Hình 3.54 đến Hình 3.57) và (Hình 3.58 đến Hình 3.61).
Trong trường hợp các CCCH làm việc bình thường, Hình 3.50 và Hình 3.51 đã cho thấy cả hai bộ điều khiển SMC và ASMC đều cho chất lượng đáp ứng gần tương đương nhau. Mặc dù vậy, sai lệch bám khi dùng bộđiều khiển ASMC có tốt hơn một chút so với khi dùng bộđiều khiển SMC. Các góc khớp đã bám theo được quỹ đạo đặt sau khoảng 0,5s. Tín hiệu mô men điều khiển và mô men tạo bởi CCCH trong trường hợp này được thể hiện ở Hình 3.52 và Hình 3.53.
91
Hình 3.50 Quỹđạo đặt và đáp ứng góc khớp của robot IRB 120 khi sử dụng SMC, ASMC
tron trường hợp các CCCH hoạt động bình thường
Hình 3.51 Sai lệch bám góc khớp của robot IRB 120 khi sử dụng SMC, ASMC trong
92
Hình 3.52 Mô men đ ều khiển và mô men tạo bởi CCCH của robot IRB 120 khi sử dụng
SM tron trường hợp các CCCH hoạt độn bình thường
Hình 3.53Mô men đ ều khiển và mô men tạo bởi CCCH của robot IRB 120 khi sử dụng
ASM tron trường hợp các CCCH hoạt độn bình thường
Trong trường hợp 1 (tất cảCCCH đều bị tổn thất 10% dạng PDT):
Mô men điều khiển và mô men CCCH của robot khi sử dụng bộđiều khiển SMC được mô tả trong Hình 3.56, và trong Hình 3.57 ứng với khi dùng ASMC. Các
93 CCCH chỉ có thể cung cấp được 90% mô men theo yêu cầu tại mỗi thời điểm. Sau khoảng thời gian quá độ khi mà đáp ứng góc khớp của robot đã bám theo quỹ đạo khớp đặt, mô men điều khiển thể hiện ở Hình 3.56 và Hình 3.57 có biên dạng gần như nhau. Tuy vậy, trong khoảng thời gian quá độ thì yêu cầu về mô men khi dùng ASMC (Hình 3.57) biến thiên nhanh hơn so với yêu cầu về mô men khi dùng SMC (Hình 3.56). Dẫn đến sai lệch bám nhỏhơn và hội tụnhanh hơn so với (Hình 3.55). Dưới ảnh hưởng của sự cố tổn thất CCCH dạng PDT ở mức 10%,
Hình 3.54 và Hình 3.55 chỉ ra rằng các đáp ứng góc khớp của robot khi sử dụng bộ điều khiển SMC đã xuất hiện hiện tượng bị lệch khỏi quỹđạo mong muốn với sai lệch lớn nhất ở khớp 5, khớp 6 ( , lần lượt dao động trong khoảng [- 0.01, 0.01] và [-0.005, 0.01]) và sai lệch bé nhất ở khớp 1, khớp 2 ( , dao động trong khoảng [-0.005, 0.005]). Trong khi đó, bộ điều khiển ASMC cho ra các đáp ứng góc khớp tốt hơn với các sai lệch bám dao động trong phạm vi nhỏhơn nhiều.
Hình 3.54 Quỹđạo đặt và đáp ứng góc khớp của robot IRB 120 khi sử dụng SMC, ASMC
94
Hình 3.55 Sai lệch bám góc khớp của robot IRB 120 khi sử dụng SMC, ASMC và tất cả
CCCH bị tổn thất 10% dạng PDT (trường hợp 1)
Hình 3.56Mô men đ ều khiển và mô men tạo bởi CCCH của robot IRB 120 sử dụng SMC
95
Hình 3.57Mô men đ ều khiển và mô men tạo bởi CCCH của robot IRB 120 sử dụng
ASMC khi tất cả CCCH bị tổn thất 10% dạn PDT (trường hợp 1)
Hình 3.58 Quỹđạo đặt và đáp ứng góc khớp của robot IRB 120 sử dụng SMC, ASMC khi
96
Hình 3.59 Sai lệch bám góc khớp của robot IRB 120 sử dụng SMC, ASMC khi bị tổn thất
dạng PDT: 50% ở CCCH 1,4,5,6 và 20% ở H 2,3 (trường hợp 2)
Hình 3.60Mô men đ ều khiển và mô men CCCH của robot IRB 120 sử dụng SMC khi bị
97
Hình 3.61Mô men đ ều khiển và mô men CCCH của robot IRB 120 sử dụng ASMC khi bị
tổn thất dạng PDT: 50% ở CCCH 1,4,5,6 và 20% ở H 2,3 (trường hợp 2)
Trong trường hợp 2 (khi tổn thất dạng PDT ở CCCH 1, 4, 5, 6 là 50%; và ở CCCH 2, 3 là 20%), mô men được yêu cầu từ bộ điều khiển ASMC và SMC khá khác nhau, đặc biệt là ở CCCH 1, 4, 5 và 6 (mô tả trong Hình 3.60 and Hình 3.61). Chất lượng đáp ứng của robot khi sử dụng SMC trở nên xấu hơn đáng kể với sai lệch lớn xuất hiện ở hầu hết các khớp (Hình 3.59). Như được thể hiện trong Hình
3.58, một số đáp ứng góc khớp không thể đi theo quỹ đạo đặt khi SMC được sử dụng, cụ thể là các khớp 1, 4, 5, và 6. Trong khi đó, khi sử dụng ASMC được đề xuất, các đáp ứng góc khớp vẫn bám theo được quỹ đạo mong muốn với sai lệch dao động trong khoảng nhỏ [-0,005, 0,005].
Như vậy, bất chấp sự xuất hiện của tổn thất CCCH dạng PDT ở mức độ nhất định, rõ ràng là vẫn có thể đạt được chất lượng đápứng tốt hơn bằng cách sử dụng bộ điều khiển ASMC so với khi dùng bộ điều khiển SMC. Nói cách khác, bộ điều khiển trượt thích nghi ASMC được đề xuất có thể chịu được những ảnh hưởng của tổn thất CCCH dạng PDT trong robot.