PdfXây dựng giải pháp điều khiển thích nghi mờ loại 2 cho đối tượng robot 5 bậc tự do

Kỹ thuật điều khiên & Điện từ

XÂY DỰNG GIAI PHAP DIEU KHIỂN THÍCH NGHI MỜ LOẠI 2

CHO ĐĨI TƯỢNG ROBOT § BẬC TỰ DO
Phan Văn Dư, Lê Văn Chương, Nguyễn Hoa Lr’,
Ho Sy Phuong, Ta Hing Cuong, Dinh Van Nam

Tóm tắt: Bài báo trình bày bộ điều khiển thích nghỉ mờ loại2 áp dụng cho đối

tượng robot Š bậc tự do. Bộ điều khiển được đề xuất dựa trên ý tưởng điều chỉnh

thích
mang
khơng
phỏng
Từ khóa:

nghỉ các tham số của bộ
lại chất lượng điều khiên
chắc chắn đông và bắt
đánh giá kết quả, so sánh

điều khiển PID dựa
trên hệ thống mờ loại2 nhằm
tốt hơn cho những đối tượng phi tuy tên mạnh, có sự
định lớn. Sử dụng phân mêm Matlab Simulink mô
và kiểm chứng chất lượng của các bộ điều khiển.

Điều khiển mờ loại 2; Thích nghi mờ; Robot 5 bậc tự đo.

1. DAT VAN DE
Logic mo da được ứng dụng thành công trong nhiều lĩnh vực như trong các sản pham
gia dung, trong phân loại dữ liệu hay trong điều khiển các q trình cơng nghệ trong cơng
nghiệp. Tuy nhiên, hệ thống mờ thông thường (hệ thống mờ loại 1) bị hạn chế
bởi khả
năng xử lý trực tiếp sự không chắc chắn động. như nhiều đầu vào hay các điều kiện thay
đôi của mơi trường thường gặp trong thực tế, do đó chất lượng của hệ thống chưa đạt như

mong đợi. Lý thuyết vẻ hệ thông mờ loại 2 được Zadeh [4] đưa ra từ năm 1975 và ngày

càng khang định được tính ưu việt của mình trong việc cải thiện và nâng cao chất lượng xử

lý thong tin so với nhiều phương pháp truyền thống khác. Với hàm liên thuộc là mờ. có

miền khơng chắc chăn được cung cấp thêm các mức độ nên hệ thơng mờ loại 2 có thê tạo

mơ hình và xử lý sự khơng chắc chăn động trong các hệ thơng.

Tay máy robot là đối tượng có đặc tính phi tuyến mạnh, các tham số động học của đối

tượng thay đôi trong

đải rong. nhiều tác động bên ngồi khơng biết trước

và thay đơi theo

thời gian. Việc tìm kiêm các phương pháp tông hợp các hệ thông điều khiên cho đôi tượng
tay máy robot là vấn đẻ hấp dẫn và có ý nghĩa thiết thực, thu hút sự quan tâm của các nhà
khoa học trong lĩnh vực điều khiển. Cho đến nay đã có r iêu nghiên cứu thiết kế bộ điều
khiển trên cơ sở logic mờ nhằm cải thiện chất lượng điều khiên cho tay máy robot được

cơng bó. Trong bài báo nay, nhóm tác gi đẻ xuất bộ điều khiển thích nghỉ mờ loại 2 với
cơ chế suy luận tính tốn hiệu qua đề xấp xi va ba trừ các thành phan bất định. nhiều loạn
cho đối tượng robot 5 bậc tự do nhờ đó chất lượng điều khiển được nâng cao.

2. GIẢI QUYÉT VÁN ĐÈ

2.1. Mơ hình đối tượng
. Xét một

cánh tay robot

băng phương trình sau [1.6]:

7? bậc tự do (hình

1). có mơ hình động

lực học được

A(4)d+ V„ (4.4)4+ F(4)+ G(a) +t, =F.
trong

đó:

M(q)la

ma

tran

quan

tinh,

đối

xứng.

xác

định

mơ tả

()
dương

và

bị

chặn

|a⁄(2)| <1;: V„ (q.đ) là véc tơ thành phần hướng tâm va coriolis: F(g).G(q).7,
lần lượt là ma sát. trọng trường và thành phần nhiều tác động bị chặn Ir|
71a bién

diéu khién, g 1a tham s6 bién khớp góc quay.
Bai tốn diéu khién dat ra 1a thiết kế bộ điều khiên đâm bảo rang đại lượng đầu ra bám

theo giá trị mong muốn cho trước (¿ > 7)

dưới điều kiện tác động nhiều bên ngồi là

bất định và khơng chắc chắn.

32

P. V. Dit, .... Ð. V: Nam, “Xây dựng giải pháp ... cho đối tượng Robot 5 bậc tự do."


Nghiên cứu khoa học công nghệ

Khâu n

†—> Đế; Khâu 0
Hinh 1. So do tay may n DOF.

2.2. Hệ thong logic mờ loại 2
Logic mé loai 1 với khả năng sử dụng kinh nghiệm và phương pháp rút ra kết luận của
con người dưới đạng các luật mờ về ngôn ngừ và khơng cân mơ hình chính xác của đối

tượng. Tuy vậy cũng tồn tại những. mặt hạn chế. sự không chắc chắn động vốn có của
nhiều úứng dụng trong thực tế có thê ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống điều
khiển.

Logic mờ loại 2 được giới

thiệu bởi Zaded có khả năng xử lý sự không chắc chắn động.

Một tập mờ loại 2 thê hiện ở hình 2 được định nghĩa bởi hàm liên thuộc mờ

44.

ở đó giá

trị hàm thuộc “; (x) nằm trong khoảng [0: 1] mà không phải là một giá trị rð với xe Ý
Và 0 eU=[0. 1]. hay.

A= Í((x.*).,¿ (x. w)|Yxe X.VW€J,.J,C [0.1]:

(2)

trong đó. Y 1a mién chinh, J, là miễn phụ.

tị

Hàm thuộc trên tạ

L] -rou

Hàm thuộc dudi Hạ
Hình 2. Tập mờ loại 2.

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 60, 4 - 2019

33

Kỹ thuật điều khiên & Điện từ
Khi đó hàm liên thuộc tập mờ loại 2 có đạng 3 chiêu, bao gồm

một miền khơng

chắc

chan (FOU - Footprint Of Uncertainty). Chính sự không chắc chan này tạo ra các tập mờ

loại 2 tăng
trực tiệp.

mức

độ tự do giúp có thê lập mơ hình và xử lý sự không chắc chăn một cách

Hệ thống mờ loại 2 được tiếp cận theo hai cách là hệ thống mờ nội loại 2 và hệ thống
mờ chung loại 2 với sự khác biệt cơ bản về giá trị độ cao của hàm thuộc [4.5]. Đôi với hệ
thống mờ nội loại 2 thì độ cao //Ly (x, u) =1 don gian hon so vdi hé thống mờ chung loại 2

thì ; (x, u ) € [0. 1 . Tuy vậy. cả hai loại đều có q trình tính tốn phức tạp đề tìm đầu ra
do giai đoạn giảm bậc và giải mờ. Trong bài báo này chỉ quan tâm đến hệ thống loại mờ

nội loại 2.

2.3. Bộ điều khiển mờ loại 2
Một bộ điều khiên mờ loại 2 bao gồm 3 khối cơ bản: Khối mờ hóa,

khối thiết bị hợp

thành và khối xử lý đầu ra (giảm bậc và giải mờ). Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ loại 2

như hình 3.

Thiết bị hợp thành

i

Giá trị rõ

—
đầu vào x

A

Ai

Luật điêu

“a

khiển

`

Mờ hóa

Xử lý đầu ra

i

|:

|
¡_
i

——

Giá trị rõ

Tập mf

:

Giải mờ

R

đầu ra y

loại 1———

Giam bac

Suy điển |
mờ

‡
(‘Tap me đầu ra

loại2

Hình 3. Cấu trúc bộ điều khiển mờ loại 2.

Đối với bộ điều khiển mờ loại 2 đầu vào là một giá trị rõ được mờ hóa thành tập mờ

loại2. tiếp đó khói thiết bị hợp thành triển khai các luật trên cơ sở các luật điều khiển tao
ra dau
ra cũng là các tập mờ loại 2. Các luật của bộ điều khiển mờ loại 2 sẽ có dạng giống
bộ điều khiển mờ loại 1 nhưng các mệnh đẻ và kết hợp luật sẽ được trình bày theo hệ mờ
loại 2 như hình 4. Khối xử lý đầu ra thực hiện giảm bậc đưa về loại 1 bằng phương pháp
trọng tâm và giải mờ bằng cách tính trung bình đề đạt được giá trị rd dau ra.
Giống với hệ mờ loại 1. hệ mờ loại 2 có hai mơ hình theo Mamdani hoặc Sugeno [7.8].
Ta xem xét luật theo Mamdani như sau:

R”:nếu x, la AN: x, là 4: - VÀ x„ là 4

thì Z là G!: &=1,M.

(3)

Két hợp các luật theo quy tắc min được thực hiện như hình 4

ụ

ak

“

a

ak

&

Hình 4. Kết hợp luật dùng quy tắc mìn trong hệ mờ loại 2 kiểu Mamdani.

34

P. V. Dit, .... Ð. V: Nam, “Xây dựng giải pháp ... cho đối tượng Robot 5 bậc tự do."


Nghiên cứu khoa học công nghệ
Tập mờ đầu ra G, được xác định theo luật max - min:

He (¥)= Ovex [Hy (8) Oey (9)|

@

Sau khi qua khối thiết bị hợp thành giả sử ta được tập mờ đầu ra loại 2 ở và cần giảm
bậc đưa

ở

về tập mờ loại 1. có nhiều thuật tốn được nghiên cứu đề

thực hiện ở q trình

này như Kamik - Mendel (KM). EKM [§]. Đề tính tốn giảm bậc thì đâu tiên cân xác định
trọng tâm của tập mờ loại 2:

N

Ye

bướm
>7

N

In =

SN

n=l

trong= đó: y„:w„
lk

rk

là trọng

)

Ls
n=l

tam dau ra thứ ø của cận

phải và trái y/..

vị:
Uk
rk

ø=1,X

là số

lần lặp đảm bảo thuật toán hội tụ: /'. ƒ' thể hiện độ phụ thuộc vẻ bên phải và trái và

#= [fF] = [min 1, (x)--.~ (x, )}. min{ 71, (x)--., (x, I}:
Từ „:y„ ta đi giải mờ đề xác định đầu ra bộ điều khiển mờ loại 2:
e+ Vx

(6)

2

2.3.1. Cầu trúc hệ thống điều khiển bám vị trí
Sai lệch e= Ø” —Ø

và phương trình động lực hoc của robot n bậc tự do được đưa Ta ở

(1). Hệ thích nghỉ mờ loại 2 gôm thành phân điều khiên kinh điền và thành phan điều khiên

mờ loại 2 như hình 5. được thiết lập dựa trên tín hiệu sai lệch e và đạo hàm của nó ở.
BĐK mờ
loại 2

up(t)

u(t)

==

u(t) chap hanh

up/t)

robot 5

DOF

Hình 5. Cầu trúc bộ điều khiển thích nghỉ mờ loại 2.
Bộ điều khiển thích nghi mờ loại 2 được đề xuất với cầu trúc như hình 5. luật điều
khién PID thong qua tinh toan sai léch e va thanh phan vi phan ¿ được thực hiện bởi hệ
thống suy điển mờ loại 2: các tham số bộ điều khiên PID được điều chỉnh theo bảng ma

trận các luật.

e=8`-6,

(7)

Ae, = Akze(t); Ae, = AR,e(r): Ae› = Ak;e(t).

(8)

Tap chi Nghién citu KH&CN quan su, S6 60, 4 - 2019

35

Kỹ thuật điều khiên & Điện từ
Các hệ số &;:#,:#; được cập nhật

k; =kse(0)+ Ae; = kše(r)+ Akze(r) =(kš + Ak;)e().
k, =je(r)+Ae; =kje(r)+ Ak;e(r)=(Kỷ + Ak,)e().

(9)

hp= kae(r) + Ae, =kSe(t)+Ak,e(r) = (2 +Ak, )eứ):
trong

đó.

Keke sky

là các

tham

số khởi

tạo ban

đầu

của

bộ

diéu khién

PID

và

AR„:AE,: Ak, là các thành phần điều chỉnh theo sự thay đổi trên thực tế của đối tượng
được tính tốn bởi bộ điều khiên mờ loại 2.

Khi đó. luât cho bộ điều khiển PID được biêu dién như sau:

A

u(t)=ke+k,fe(r}r+K,é
0

t

= (Kp + Ak, Je(r)+(k? + Ak; ) fe(z)}r + (Kp + Ak, Je.

(10)

0

2.3.2. Thiết kế bộ điều khiển 4IT2F cho robot

Trên cơ sở cấu trúc bộ điều khiển như hình 5. ta thiết kế bộ điều khiển mờ loại 2. với

đầu vào là sai lệch e và thành phần vi phân ẻ : đầu ra là các thành phần AÉ,: A#,: Ak;.

Mỗi đầu vào/ra có 5 tập mờ loại 2 [NB.NS.ZE. PS.PB]: hàm liên thuộc dạng gaumf:

với dải giá trị ciia tap mo dau vao 14 e[-1+1] va é[0 +] va dai giá trị tập mờ đầu ra
Ae, [-1.8 +1.8]: Ae, [-0.6 + 0.6]: Ae, [-5 +5].
NSL

FIS Variables:
ZEL

PSL

Nt
1

FIS Variables:
ZEL

NSL

PSL

0.

0

Ti

0.5

0
Input varlable "e*'

05

1

0

0

05

1

168
2
input variable
"de

25

3

Hình 6. Hàm liên thuộc đầu vào e va é.
Các luật điều khiền trình bày theo nguyên tắc:
- Nếu sai lệch lel là lớn thi Ae, phải lớn và Ae;
Ae;

nhỏ đề hệ thống đáp ứng nhanh. và

cần bị giới hạn:
- Nếu sai lệch lel là trung bình thi Ae, phai nho va Ae;

lớn hơn để giảm độ quá

điều chỉnh:

- Nếu sai lệch |ø| là nhỏ thì Ae; và Ae, phải lớn đẻ hệ thống nhanh chóng vẻ trạng
thái ơn định.

36

P. V. Dit, .... Ð. V: Nam, “Xây dựng giải pháp ... cho đối tượng Robot 5 bậc tự do."


Nghiên cứu khoa học công nghệ
Bộ điều khiển mờ loại 2 có cầu tric MISO

tương ứng cho 3 đầu ra Ae,; Ae,; Ae,

các luật mờ có dạng: nếu e là (...) và ¿ là (...) thì Aø; là (...) và Ae, là(...) và Ae;

voi

là

(...). Với mỗi đầu vào có 5 tập mờ ta có bảng ma trận các luật điều khiên (5x5) thê hiện
như các bảng 1. 2. 3.
Bảng 1. Luật điều khiển Ae.

a

|

NB
NS
ZE
PS
PB

NB

PB
PB
PS
PS
ZE

NS

ZE

PB
PS
PS
ZE
NS

PS

PB
PS
ZE
NS
NS

PB

PS
ZE
NS
NS
NB

ZE
NS
NS
NB
NB

Bang 2. Ludt diéu khién Ae, .

aN]
NB
NS
ZE
PS
PB

NB
NB
NB
NS
NB
ZE

NS
NB
NS
NS
ZE
PS

ZE
NB
NS
ZE
PS
PS

PS
NS
ZE
PS
PS
PB

PB
ZE

PS
PS
PB
PB

Bang 3. Luật điều khiển Ae,.

›

NB
NS
ZE
PS
PB

":
PS
ZE
ZE
ZE
PB

NS
NB
NB
NS
ZE
PB

ZE

NB
NS
NS
ZE
PS

PS
NB
NS
NS
ZE
PB

PB
PS
ZE
ZE
ZE
PB

3. MO PHONG DANH GIA KET QUA
3.1. Tham số mô phông
Bảng 4. Bảng thông số robot 5 bậc tự do.

Khâu

Khớp nối

1

0-1

4

3-4

5

4-5

2
3

1-2
2-3

9,

a,

d,

a,

9

90°

d,

0

6,

90°

6,

0

0

4

6,
6,

Tap chi Nghién citu KH&CN quan su, S6 60, 4 - 2019

0
0

0
0

d,

a
4,

0

37


Kỹ thuật điều khiên & Điện từ
Đề đưa ra kết quả đánh giá chất lượng bộ điều khiển mờ loại 2 ở đây. nhóm tác giả sử
dụng đối tượng robot Š bậc tự đo có các thơng sơ như bảng 4 và thông sô động cơ làm cơ
câu châp hành như bảng 5.
Trong đó:

" a,: khoảng cách theo phương x, từ Ó, đến giao điểm của các trục x, và z,„
= d,: khoang cach theo phương

z,_, tit O,, đến giao điểm của các trục x, va z,,.

d, d,

thay đôi khi khớp 7 là khớp trượt.

" ở: là góc quay quanh trục x, từ z„¡ đến
= 6,: 1a géc quay quanh trục

z,; tt tử x,; đến X..

Bảng 5. Tham số và giá trị của hệ chấp hanh [4].

Tham số

Giá trị

Điện trở phần ứng

R=21O

Điện cảm phần ứng

L1=0.24H

Momen quán tính

J=0,052 kem?

Hệ số momen

k, =1,53 Nm/ A

Hẳng số điện động

k, =9.4 Vs/rad

3.2. Kết quả mô phông và thảo luận
046

7

=

;

(oc dat1
AITF1
AITE2

012
01

18

008
0.06

1

0.04
0.02
0
0.02

05
7

0

0.05

01

Time(sec)

0.18

02

Hinh 7. So sanh dap tng goc 1
ctia b6 PID, AITIF

va AIT2F.

°

PID
AITIE
—— arrer

0

005

04

Time(sec)

0.15

0

Hình 8. So sánh đáp ứng góc 3
của bộ PID, AITIF và AITF.

Chất lượng của bộ điều khiên thích nghi mờ loại 2 (AIT2F) được so sánh với bộ điều

khiển thích nghỉ mờ loại 1 (AITIF) và bộ điều khiển kinh điền PID. Hình 7.8 so sánh đáp
ứng đầu ra của góc 1 và 3 khi sử dụng bộ điều khiển PID, AITIF và AIT2F: Hình 9 thê
hiện đáp ứng của góc 1 đến 5 khi sử dụng bộ điều khiển thích nghỉ mờ loại 2. Với kết quả
mô phỏng ta thấy đáp ứng đầu ra bám giá trí đặt cho trước. bộ điều khiển thích nghi mờ
loại 2 có khả năng l
6
u loạn không lường trước hiệu quả hơn và chất lượng đầu ra
hơn nhiều so với bộ điều khiên loại 1 và PID.

38

P. V. Dit, .... Ð. V. Nam, “Xay dung gidi phip ... cho déi tegng Robot 5 bậc tự do."


Nghiên cứu khoa học công nghệ

3

goc 1 dat

goc 2 dat
goc 3 dat
goc 4 dat
goc 5 dat

goc 1 AIT2F
goc 2 AIT2F
goc 3 AIT2F

-2

goc 4 AIT2F
goc 5 AIT2F

-3

0

0.05

0.1

0.15

0.2

Time(sec)

0.25

0.3

0.35

0.4

Hình 9. Đáp ứng đầu ra các góc 1 đến 5 của bộ điều khiển AIT2F.

4. KẾT LUẬN
Bài báo đã trình bày phương pháp thiết kế bộ điều khiển thích nghỉ mờ loại 2 được thử

nghiệm cho đối tượng phi tuyến mạnh là tay máy robot 5 bậc tự đo: thực hiện so sánh với

các phương pháp thiết kế điều khiển mờ loại 1, PID. Kết quả mô phỏng trên phần mềm
Matlab Simulink chứng mỉnh tính bám ơn định các góc khớp theo quỳ đạo cho trước, bộ
điều khiển AIT2F có khả năng xử lý sự không chắc chắn động
lượng của hệ thống so với các bộ điều khiển PID và AITIE.

cũng như nâng cao chất

TAI LIEU THAM KHAO

HỆ

Nguyén Manh Tién, “Diéu khiển robot công nghiệp ”. NXB khoa học và kỳ thuật, Hà

DI.

Mendel, J.M. Hani Hagras. Woei-wan Tan, Melek. W.W, Hao Ying “Introduction to

Nội. 2006.

type-.

y logic control : theory and applications”. John Wiley & Sons, Inc., 2014.

. Mendel, J. M, “Zype-2 fuzzy sets and systems: An overview”, IEEE
Magazine. Vol. 2. pp.20-29, May 2007.

Comput. Intel.

. Frank L.Lewis, Darren M.Dawson, Chaouki T.Abdallah, “Robot Manipulator Control
Theory and Practice”, Marcel Dekker, Inc., New York. 2009.
. O. Castillo, P. Melin, “ 4 review on interval type-2 fiz: » logic applications
intelligent control ”, Information Sciences . Vol.279 . pp. 615-631 : 2014.
. Liang. Q.: Mendel. J.M, “Interval type-2
IEEE Trans. Fuzzy Syst. 2000, 8, 535-550.

in

fuzzy logic systems: Theory and design”.

- Kosko, “Neural networks and fuzzy control”, Prentice Hall, 1991.
-N.
N. Karnik
and J. M.
Mendel,
“Centroid
Information Sciences, 2001, vol.132. pp.:195-220.

Tap chi Nghién citu KH&CN quan su, S6 60, 4 - 2019

of

a

type-2

fizzy

Set”.

39


Kỹ thuật điều khiên & Điện từ

ABSTRACT
ADAPTIVE INTEVAL TYPE 2 FUZZY CONTROLLER
FOR OBJECT ROBOT 5 DOF
This paper presents adaptive interval type 2 fuzzy controller and experiments for
robot 5 degree of freedom. The controller is based on the ideas that adjusts adaptive
parameters of PID controller which base on interval type 2 fuzzy system and
improve better performance for nonlinear object with unstructured dynamical and
uncertainties. Using Matlab Simulink softwave simulates, verifvs and compares the
results obtained by the methods.

Keywords: Interval type 2 fuzzy logic controller; Adaptive fuzzy logic control; 5 DoF Robot.
Nhận bài ngày 11 tháng 01 năm 2019
Hoàn thiện ngày 20 tháng 02 năm 2019
Chấp nhận đăng ngày 16 tháng 4 năm 2019
Địa chỉ: Trường Đại học Vinh.
* Email:

40

ÐP. V. Dư, ..... Ð. V. Nam, “Xây dựng giải pháp ... cho đối trong Robot 5 bic tir do.”