Tóm tắt luận văn Thạc sĩ Tự động hóa: Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển trượt bậc hai cho tay máy robot công nghiệp

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA


MAI TIẾN SỸ

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ
BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT BẬC HAI
CHO TAY MÁY ROBOT CÔNG NGHIỆP

Chuyên ngành : Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa
Mã số
:
62.52.02.16

TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ TỰ ĐỘNG HÓA

Đà Nẵng – Năm 2020


Cơng trình được hồn thành tại
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS. Lê Tiến Dũng

Phản biện 1: TS. Nguyễn Quốc Định
Phản biện 2: TS. Hà Xuân Vinh

Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt
nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa họp tại Trường
Đại học Bách khoa vào ngày 18 tháng 1 năm 2020

Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Trung tâm Thông tin - Học liệu, Trường ĐHBK - Đại học Đà Nẵng
- Thư viện Khoa điện, Trường ĐHBK - Đại học Đà Nẵng


1
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Vấn đề nghiên cứu các thuật tốn điều khiển tay máy robot
cơng nghiệp đã và đang được các nhà nghiên cứu, các trường đại học,
các viện nghiên cứu và các công ty đầu tư thực hiện trong nhiều thập
kỷ qua. Trong đó, phương pháp điều khiển trượt (Sliding mode
control) đã nhận được nhiều sự chú ý như là một phương pháp điều
khiển hữu ích, mạnh mẽ và hiệu quả để khắc phục những thành phần
bất định, nhiễu loạn bên ngoài và các biến thiên tham số khơng thể
đốn trước của tay máy robot cơng nghiệp. Tuy nhiên, phương pháp
điều khiển trượt tồn tại một số nhược điểm như cần phải xây dựng mơ
hình động lực học của tay máy robot và tồn tại hiện tượng dao động
(chattering) của tín hiệu điều khiển. Chính vì vậy, ngày nay các biến
thể và cải tiến của phương pháp điều khiển trượt áp dụng cho tay máy
robot công nghiệp vẫn đang được tiếp tục nghiên cứu để nâng cao hơn
nữa chất lượng, hiệu quả hoạt động điều khiển tay máy robot công
nghiệp.
Trong đề tài này, học viên hướng đến việc nghiên cứu, thiết kế
thuật toán điều khiển trượt bậc hai (Second-order sliding mode
control) cho tay máy robot công nghiệp nhằm mục tiêu tăng độ chính
xác, bền vững và đồng thời khắc phục được hiện tượng chattering.
2. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu.


Mục tiêu tổng quát:

Mục tiêu cụ thể:
3. Đối tƣợng và phƣơng pháp nghiên cứu.
Đối tƣợng nghiên cứu.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu.

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết:

Nghiên cứu thực tiễn:


2
5. C u tr c của uận văn.
Bản luận văn gồm 4 chương chính, nội dung tóm tắt như sau:
Chƣơng 1: Giới thiệu chung.
Chƣơng 2: Động ực học của tay máy robot.
Chƣơng 3: Thiết kế thuật toán điều khiển tay máy robot công
nghiệp.
Chƣơng 4: Mô phỏng và đánh giá kết quả.
6. Tổng quan tài iệu nghiên cứu
CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG
1.1.
Giới thiệu về ịch sử phát triển của Robot công nghiệp.
1.2.
Giới thiệu về tay máy robot công nghiệp
Robot công nghiệp là một tay máy tự động linh hoạt thay thế
từng phần hoặc toàn bộ các hoạt động cơ bắp và hoạt động trí tuệ của
con.
Robot là sự kết hợp các mối liên kết cơ học, được điều khiển

bằng điện, thủy lực hoặc bằng khí nén. Hầu hết các robot đều sử dụng
động cơ DC hoặc AC-servo hoặc động cơ bước vì giá thành rẻ, hoạt
động êm hơn và tương đối dễ kiểm soát.
Các ứng dụng chẳng hạn như hàn, mài, và lắp ráp,chuyển động
phức tạp có thêm một số dạng cảm biến bên ngoài như cảm biến thị
giác, xúc giác hoặc cảm biến lực...
Phân oại Robot công nghiệp
Ứng dụng của robot cơng nghiệp.
Dưới đây là một số hình ảnh về các robot công nghiệp và các
ứng dụng mà chúng ta thường gặp.
1.3.
1.4.

Một số phƣơng pháp điều khiển tay máy Robot cơng
nghiệp.
1.5.1.
Điều khiển tính momen.

1.5.


3
1.5.2.
Điều khiển thích nghi.
1.5.3.
Điều khiển trượt.
CHƢƠNG 2: XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN HỌC CỦA TAY
MÁY ROBOT
2.1.
Động học thuận, động học ngƣợc của tay máy Robot hai

bậc tự do.
2.1.1.
Động học thuận của tay máy robot.
2.1.1.1. Các khái niệm cơ bản.
2.1.1.2. Các bước cơ bản để lập phương trình động học của tay
máy robot tổng quát
2.1.1.3. hương trình động học của tay máy robot 2 bậc tự do.
Khảo sát tay máy robot có 2 khâu phẳng như hình 2.7. Ta gắn
lên các hệ trục tọa độ như sau: các trục z, z1 vng góc với mặt phẳng
tờ giấy. Hệ tọa độ cơ sở Oxyz và hệ O1x1y1z1 gắn lên khâu số 2 như
hình vẽ.
Chọn các biến khớp q1, q2 là góc quay của các khâu 1 và khâu 2
như hình vẽ. Giả sử khâu chấp hành cuối được gắn tại điểm mút P của
khâu số 2 có tọa độ P(x,y). cũng chính là tọa độ của vật thể. Phương
trình động học của tay máy robot là quan hệ giữa tọa độ của vật thể

 x
 y

trong hệ tọa độ cơ sở [x y] và các biến khớp [q1 q2]:     q1 , q 2  .
2.1.2.
Động học ngược của tay máy robot 2 bậc tự do.
2.2.
Mơ hình động ực học của tay máy Robot n bậc tự do.
2.2.1.
Giới thiệu về động lực học của robot.
2.2.2.
Động lực học Lagrange của tay máy robot n bậc tự do.

4
CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN BẬC
CAO CHO TAY MÁY ROBOT CƠNG NGHIỆP.
3.1.
Thuật tốn điều khiển trƣợt truyền thống áp dụng cho
tay máy robot
3.2.
Lý thuyết thuật toán điều khiển trƣợt bậc cao.
3.3 Thuật toán điều khiển trƣợt bậc 2 cho tay máy robot cơng
nghiệp.
CHƢƠNG 4: MƠ 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 trƣợt
truyền thống theo phƣơng pháp ớp biên (BLM)
Bảng 3.1: 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)


5
lc2 = 0.3m
l2 = 0.5m
l1 = 0.5m
m2 = 3,5kg

lc1 = 0.3m
m1 = 3kg

Hình 4.1. Cánh tay máy 2 bậc tự do.

Desired trajectory

Feedback signals

Torque 1

Desired trajectory

Torque 2

Mechanical Model. Two-link Arm
Desired trajectory

Sliding Mode Controller

Hình 4.1. Mơ hình mơ phỏng tồn hệ thống trên Matlab, Simulink và
SimMechanics
1
Input torque1
Joint Actuator 1

Torque sensor 1

Torque Link

Torque sensor 2

2
Input torque2
Joint Actuator 2
Env
Machine
Environment

B

F

Ground

CS1

CS2

B

F

Body 1
Revolute 1

CS1

CS2

Body 2

Body Sensor

Scope

Revolute2

1

Angular Sensor 1

Measurement
values
Angular Sensor 2

Hình 4.2. Mơ phỏng phần cơ khí của tay máy robot trên SimMechanics

6

Hình 4.3. Khối mơ phỏng Robot.
Giá trị của các tham số của thuật toán điều khiển điều khiển
trượt truyền thống sử dụng phương pháp lớp biên:

Scope

[

]

[

]

[

]

[

]

Scope1

q1

q2

Scope2

1
Feedback
si gnal s

q1_dot

Tor que 1

1
T orque 1

q2_dot

qd1

2
Desi red
traj ectory

qd2

SlidingModeController

qd1_dot
Tor que 2

qd2_dot

2
T orque 2

qd1_dotdot

qd2_dotdot

Scope3

Sliding Mode Controller

Hình 4.4. Khối mơ phỏng thuật tốn điều khiển trượt truyền thống.
a) Trường hợp 1:  = 0,3 (lớp biên).

Hình 4.5. Đồ thị góc quay của khớp 1


7

Hình 4.6. 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 tốn điều
khiển đạt được. Qua đó chúng ta nhận thấy sau một khoảng thời gian
quá độ ngắn ban đầu, góc quay thực tế được điều khiển bám sát với
góc quay mong muốn đối với đồ thị góc quay khớp 2. Nhưng đối với
góc quay khớp 1 thì chậm bám sát hơn.

Hình 4.7. Tín hiệu mơ-men điều khiển khớp 1

Hình 4.8. Zoom tín hiệu mơ-men điều khiển khớp 1


8

Hình 4.9. Tín hiệu mơ-men điều khiển khớp 2

Hình 4.10. Zoom tín hiệu mơ-men điều khiển khớp 2
Hình 4.7 và 4.9 thể hiện kết quả tín hiệu mơ men điều khiển
truyền động cho khớp 1 và khớp 2. Hình phóng đại của các tín hiệu
này được thể hiện ở hình 4.8 và 4.10 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 4.11. Mặt trượt s1


9

Hình 4.12. Zoom của mặt trượt s1 cho thấy s  0, bị dao động nên xảy
ra chattering

Hình 4.13. Mặt trượt s2

Hình 4.14. Zoom của mặt trượt s2 cho thấy s  0, bị dao động nên xảy
ra chattering

10
Hình 4.11 và hình 4.13 thể hiện kết quả mặt trượt S1 và mặt
trượt S2. Hình phóng đại của các mặt trượt này được thể hiện ở hình
4.12 và hình 4.14. Cho ta thấy do s  0, nên kết quả vẫn bị dao động
nên xảy ra hiện tượng chattering.
Trường hợp lớp biên:  = 2.2

Hình 4.15. Đồ thị góc quay của khớp 1

Hình 4.16. Đồ thị góc quay của khớp 2
Đồ thị ở hình 4.15 và hình 4.16 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 tốn điều khiển đạt
được. Qua đó chúng ta nhận thấy góc quay thực tế khơng bám với góc
quay mong muốn. Nhưng sai số điều khiển bám quỹ đạo lại tăng lên
so với Trường hợp lớp biên:  = 0,9.


11

Hình 4.17: Tín hiệu mơ-men điều khiển khớp 1

Hình 4.18. Zoom tín hiệu mơ-men điều khiển khớp 1

Hình 4.19. Tín hiệu mô-men điều khiển khớp 2


12

Hình 4.20. Zoom tín hiệu mơ-men điều khiển khớp 2

Hình 4.17 và 4.19 thể hiện kết quả tín hiệu mơ men điều khiển
truyền động cho khớp 1 và khớp 2. Hình phóng đại của các tín hiệu
này được thể hiện ở hình 4.18 và 4.20 kết quả cho thấy vẫn còn hiện
tượng chattering. Nhưng hiện tượng chattering giảm nhiều so trường
hợp lớp biên  = 0,9. 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 4.21. Mặt trượt s1

Hình 4.22. Zoom của mặt trượt s1 cho thấy s  0, bị dao động nên xảy
ra chattering


13

Hình 4.23. Mặt trượt s2

Hình 4.24. Zoom của mặt trượt s2 cho thấy s  0, bị dao động nên xảy
ra chattering
Hình 4.21 và hình 4.23 thể hiện kết quả mặt trượt S1 và mặt
trượt S2. Hình phóng đại của các mặt trượt này được thể hiện ở hình
4.22 và hình 4.24. Cho ta thấy do s  0, nên kết quả vẫn bị dao động
nhỏ so với trường hợp lớp biên  = 0,9. Nhưng vẫn còn xảy ra hiện
tượng chattering.
Nhận xét: Với kết quả cho thấy mô phỏng ở thuật tốn điều
khiển tay máy robot cơng 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.

14
Mô phỏng hệ thống điều khiển tay máy Robot công nghiệp
2 bậc tự do hoạt động với thuật toán điều khiển trƣợt bậc
2 (SOSMC – Second order Sliding Mode Control)
Giá trị của các tham số của thuật toán điều khiển điều khiển trượt
bậc 2:
4.2.

[

]

[

]

Hình 4.25. Tín hiệu momen điều khiển của khớp 1

Hình 4.26. Zoom tín hiệu momen điều khiển của khớp 1

Hình 4.27. Tín hiệu momen điều khiển của khớp 2


15

Hình 4.28. Zoom tín hiệu momen điều khiển của khớp 2
Hình 4.25 và 4.27 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 4.26 và 4.28 kết quả cho thấy hiện tượng
chattering giảm rất nhiều, so với trượt truyền thống.

Hình 4.29. Góc quay mong muốn và góc quay thực tế của khớp 1

Hình 4.30. Góc quay mong muốn và góc quay thực tế của khớp 2
Đồ thị ở hình 4.29 và hình 4.30 thể hiện góc quay của khớp 1 và
khớp 2 đường nét liền màu xanh lá là góc quay mong muốn, đường
nét liền màu xanh dương là góc quay thực tế của khớp 1 và khớp 2 do


16
thuật tốn điều khiển đạt được. Qua đó chúng ta nhận thấy sau một
khoảng thời gian quá độ, góc quay thực tế được điều khiển bám sát
với góc quay mong muốn.

Hình 4.31. Góc quay mong muốn và góc quay thực tế của khớp 1

Hình 4.32. Góc quay mong muốn và góc quay thực tế của khớp 2
Đồ thị ở hình 4.31 và hình 4.32 thể hiện góc quay của khớp 1 và
khớp 2 khi tải m1=3kg, m2=3,5kg. Như đồ thị ở hình 4.29 và hình
4.30 thể hiện góc quay của khớp 1 và khớp 2 khi tải m1=3kg,
m2=6kg. Qua 2 đồ thị sau này cho ta biết khi tăng tải lên thì ta nhận
thấy thời gian góc quay thực tế bám sát với góc quay mong muốn trể
hơn so với khi tải nhỏ.


17

Hình 4.33. Sai số góc quay mong góc quay thực tế của khớp 1

Hình 4.34. Sai số góc quay mong góc quay thực tế của khớp 2
Đồ thị ở hình 4.31 và hình 4.32 thể hiện Sai số góc quay mong
góc quay thực tế của khớp 1 và khớp 2. Qua đó chúng ta nhận thấy
thuật tốn điều khiển bậc 2 sau một khoảng thời gian quá độ ban đầu,
sai số tín hiệu điều khiển gần như bằng khơng.


18

Hình 4.35. Mặt trượt S1_SOSMC

Hình 4.36. Zoom mặt trượt S1_SOSMC

Hình 4.37. Mặt trượt S2_SOSMC


19

Hình 4.38. Zoom mặt trượt S2_SOSMC
Hình 4.35 và hình 4.37 thể hiện kết quả mặt trượt S1 và mặt
trượt S2. Hình phóng đại của các mặt trượt này được thể hiện ở hình
4.36 và hình 4.38. Của thuật tốn điều khiển bậc 2. Cho ta thấy kết
quả là mặt trượt về 0 và không xảy ra hiện tượng chattering.
Nhận xét: Với kết quả cho thấy mơ phỏng ở thuật tốn điều
khiển tay máy robot công nghiệp 2 bậc tự do hoạt động với thuật tốn
điều khiển trượt bậc 2. Thì cho ta kết quả rất tốt mặc dầu ở đây ta mới
dùng hàm dấu sign.
4.3.

So sánh kết quả hoạt động điều khiển tay máy robot công
nghiệp 2 bậc tự do giữa 2 trƣờng hợp sử dụng thuật toán
BLM và SOSMC:


20

Hình 4.39. Sai số momen góc quay của khớp 1

Hình 4.40. Zoom Sai số momen góc quay của khớp 1

Hình 4.41: Sai số momen góc quay của khớp 2


21

Hình 4.42: Zoom Sai số momen góc quay của khớp 2
Đồ thị ở hình 4.39 và hình 4.41 thể hiện sai số góc quay của
khớp 1 và khớp 2. Hình phóng đại của các tín hiệu này được thể hiện
ở hình 4.40 và hình 4.42 đường nét màu xanh là của thuật toán điều
khiển trượt truyền thống và đường nét màu đường nét màu là của thuật
toán điều khiển trượt bậc 2. So sánh hai tín hiệu này ta nhận thấy rằng
tín hiệu của thuật tốn điều khiển trượt truyền thống sai số rất nhiều so
với thuật toán điều khiển trượt bậc 2.

Hình 4.43: So sánh momen của khớp 1


22

Hình 4.44: Zoom So sánh momen của khớp 1

Hình 4.45: So sánh momen của khớp 2

Hình 4.46: Zoom so sánh momen của khớp 2
Đồ thị ở hình 4.43 và hình 4.45 thể hiện momen của khớp 1 và
khớp 2. Đường nét đứt màu xanh dương là điều khiển trượt truyền
thống và đường nét đứt màu đỏ là điều khiển trượt bậc 2. Hình phóng


23
đại của các tín hiệu này được thể hiện ở hình 4.44 và hình 4.46. Qua
đó chúng ta nhận thấy momen thuật toán điều khiển trượt bậc 2 và
momen thuật toán điều khiển trượt truyền thống, hai momen này chạy
gần sát nhau chứng tỏ momen của hai bộ điều khiển gần như nhau.

Hình 4.47: So sánh góc quay của khớp 1

Hình 4.48: Zoom so sánh góc quay của khớp 1

Hình 4.49: So sánh góc quay của khớp 2