CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
4.1. Mô phỏng hệ thống điều khiển tay máy Robot công nghiệp 2 bậc tự do hoạt động với thuật toán điều khiển trượt truyền thống theo phương pháp lớp biên (BLM)
Sau khi đề xuất thuật toán điều khiển trượt bậc hai dựa trên mô hình động lực học tổng quát bậc n, học viên tiến hành thử nghiệm với một đối tượng cụ thể là tay máy robot công nghiệp 2 bậc tự do với các thông số như sau:
Bảng 4.1. Các thông số kỹ thuật của tay máy robot 2 bậc tự do
Tên thông số Ký hiệu Giá trị
Khối lượng tay máy thứ 1 m1 3 (kg)
Khối lượng tay máy thứ 2 m2 3.5 (kg)
Chiều dài tay máy thứ 1 l1 0.5 (m)
Chiều dài tay máy thứ 2 l2 0.5 (m)
Khoảng cách trọng tâm tay máy thứ 1 đến khớp nối lc1 0.3 (m) Khoảng cách trọng tâm tay máy thứ 2 đến khớp nối lc2 0.3 (m)
Gia tốc trọng trường g 9.81 (m/s2)
Hình 4.1. Cánh tay máy 2 bậc tự do.
m1 = 3kg
m2 = 3,5kg l1 = 0.5m
lc1 = 0.3m
l2 = 0.5m lc2 = 0.3m
Hình 4.2. Mô hình mô phỏng toàn hệ thống trên Matlab, Simulink và SimMechanics
Hình 4.3. Mô phỏng phần cơ khí của tay máy robot trên SimMechanics
Hình 4.4. Khối mô phỏng Robot.
Giá trị của các tham số của thuật toán điều khiển điều khiển trượt truyền thống sử dụng phương pháp lớp biên:
[ ] *
+
Feedback signals
Desired trajectory
Torque 1
Torque 2
Sliding Mode Controller
Mechanical Model. Two-link Arm Desired trajectory
Desired trajectory
1 Measurement
values Torque sensor 2
Torque sensor 1
Torque Link
Scope
B F
Revolute2
B F
Revolute 1 Env
Machine Environment
Joint Actuator 2 Joint Actuator 1
Ground
Body Sensor CS1 CS2
Body 2 CS1 CS2
Body 1
Angular Sensor 2 Angular Sensor 1
2 Input torque2
1 Input torque1
[ ] *
+
Hình 4.5. Khối mô phỏng thuật toán điều khiển trượt truyền thống.
a) Trường hợp lớp biên: = 0.3
Hình 4.6. Đồ thị góc quay của khớp 1
2 Torque 2
1 Torque 1 q1
q2
q1_dot
q2_dot
qd1
qd2
qd1_dot
qd2_dot
qd1_dotdot
qd2_dotdot
Torque1
Torque2 SlidingModeController
Sliding Mode Controller
Scope3 Scope2 Scope1
Scope
2 Desired trajectory
1 Feedback
signals
Hình 4.7. Đồ thị góc quay của khớp 2
Đồ thị ở hình 4.5 và hình 4.6 thể hiện góc quay của khớp 1 và khớp 2 đường nét màu đỏ là góc quay mong muốn, đường nét màu xanh là góc quay thực tế của khớp 1 và khớp 2 do thuật toán điều khiển đạt được. Qua đó ta nhận thấy sau một khoảng thời gian quá độ ngắn ban đầu, đồ thị góc quay thực tế khớp 2 bám sát góc quay mong muốn. nhưng với đồ thị góc quay thực tế khớp 1 thì chậm bám sát hơn.
Hình 4.8. Tín hiệu điều khiển khớp 1
Hình 4.9. Zoom tín hiệu điều khiển khớp 1
Hình 4.10. Tín hiệu mô-men điều khiển khớp 2
Hình 4.11. Zoom tín hiệu điều khiển khớp 2
Hình 4.8 và 4.10 thể hiện kết quả tín hiệu mô men điều khiển truyền động cho khớp 1 và khớp 2. Hình phóng đại của các tín hiệu này được thể hiện ở hình 4.9 và 4.11 kết quả cho thấy hiện tượng chattering rất lớn. Hiện tượng này sẽ làm ảnh hưởng xấu đến các thiết bị và dẫn đến nhanh chóng hỏng hóc về mặt cơ khí.
Hình 4.12. Mặt trượt s1
Hình 4.13. Zoom của mặt trượt s1 cho thấy s 0, bị dao động nên xảy ra chattering
Hình 4.14. Mặt trượt s2
Hình 4.15. Zoom của mặt trượt s2 cho thấy s 0, bị dao động nên xảy ra chattering Hình 4.12 và hình 4.14 thể hiện kết quả mặt trượt S1 và mặt trượt S2. Hình phóng đại của các mặt trượt này được thể hiện ở hình 4.13 và hình 4.15. Cho ta thấy do s 0, nên kết quả vẫn bị dao động nên xảy ra hiện tượng chattering.
b) Trường hợp lớp biên: = 2
Hình 4.16. Đồ thị góc quay của khớp 1
Hình 4.17. Đồ thị góc quay của khớp 2
Đồ thị ở hình 4.16 và hình 4.17 thể hiện góc quay của khớp 1 và khớp 2 đường nét màu đỏ là góc quay mong muốn, đường màu xanh là góc quay thực tế của khớp 1 và khớp 2 do thuật toán điều khiển đạt được. Qua đó chúng ta nhận thấy góc quay thực tế không bám với góc quay mong muốn. Nhưng sai số điều khiển bám quỹ đạo lại tăng lên so với Trường hợp lớp biên: = 0,3.
Hình 4.18. Tín hiệu điều khiển khớp 1
Hình 4.19. Zoom tín hiệu điều khiển khớp 1
Hình 4.20. Tín hiệu điều khiển khớp 2
Hình 4.21. Zoom tín hiệu điều khiển khớp 2
Hình 4.18 và 4.20 thể hiện kết quả tín hiệu điều khiển truyền động cho khớp 1 và khớp 2. Hình phóng đại của các tín hiệu này được thể hiện ở hình 4.19 và 4.21 kết quả cho thấy vẫn còn hiện tượng chattering. Nhưng hiện tượng chattering giảm nhiều so trường hợp lớp biên = 0,3. Và hiện tượng này cũng sẽ làm ảnh hưởng xấu đến các thiết bị và dẫn đến nhanh chóng hỏng hóc về mặt cơ khí.
Hình 4.22. Mặt trượt s1
Hình 4.23. Zoom của mặt trượt s1 cho thấy s 0, bị dao động nên xảy ra chattering
Hình 4.24. Mặt trượt s2
Hình 4.25. Zoom của mặt trượt s2 cho thấy s 0, bị dao động nên xảy ra chattering Hình 4.22 và hình 4.24 thể hiện kết quả mặt trượt S1 và mặt trượt S2. Hình phóng đại của các mặt trượt này được thể hiện ở hình 4.23 và hình 4.25. Cho ta thấy do s 0, nên kết quả vẫn bị dao động nhỏ so với trường hợp lớp biên = 0,3. Nhưng vẫn còn xảy ra hiện tượng chattering.
Nhận xét: Với kết quả cho thấy mô phỏng ở thuật toán điều khiển tay máy robot công nghiệp 2 bậc tự do hoạt động với thuật toán điều khiển trượt truyền thống. Thì càng tăng giá trị lớp biên thì hiện tượng chattering càng giảm nhưng sai số điều khiển bám quỹ đạo lại tăng lên và ngược lại càng giảm giá trị lớp biên thì hiện tượng chattering càng tăng nhưng sai số bám quỹ đạo lại giảm nhỏ.