Nâng cao chất lượng điều khiển cho robot Scara, chương 3 ppt

1
Chương 3: Phương pháp điều khiển phản hồi
phân ly phi tuyến
Phương pháp này được xây dựng trên cơ sở lý thuyết của điều
khiển phân ly cho hệ thống phi tuyến bằng phản hồi tuyến tính hoá tín
hiệu ra.
Từ phương trình động lực học:
(t) H(q).q(t) h(q, q) g(q)
   
&& &
(1.5)

Y Y(q)

Ma trận H không đơn nhất nên ta có thể viết lại như sau:
1 1
q(t) [H(q)] (t) [H(q)] .([h(q,q)] [g(q)])
 
   
&& &
(1.6)
Phương trình này gồm các phương trình vi phân cấp hai cho
mỗi biến, vì lẽ đó qua hai lần vi phân phương trình đầu ra thì hệ số của
tín hiệu U sẽ khác 0. Lúc này tín hiệu U sẽ xuất hiện trong phương
trình đầu ra:

1 1
i i i i
* *
i i
y y(t) [H(q)] (t) [H(q)] .([h(q,q)] [g (q)])

H (X).U(t) g (X)
 
    
 
&
&&

(1.7)
Với:
* 1
i i
H (X) H(q)]



* 1
i i i
g (X) [H(q)] .([h(q,q)] [g (q)])

 
&

T T
T
X q (t), q (t)
 

 
 
 

&
2
Tín hiệu
(t)

của bộ điều khiển được chọn sao cho đảm bảo hệ
thống phân ly là:

 
 
 
* * *
-1 *
*
(t) H (X).[g (X) (X) E(t)]
-H(q) -H (q). h(q,q) g (q) (X) E(t)
h(q,q) g(q) -H (X) E(t)

      
     
    
&
&

(1.8)
Trong đó:
2
* ( j)
i ij i
j 0

(x) .y

  

,
1 2 n
diag( , , )
    
.
Từ phương trình (1.8) ta nhận thấy tín hiệu điều khiển
i
(t)

cho
khớp i chỉ phụ thuộc vào các biến động lực học và tín hiệu vào E(t).
Thay
(t)

từ phương trình (1.8) vào phương trình (1.5) ta được:


*
H(q).q(t) h(q, q) g(q) h(q,q) g(q) -H (X) E(t)
      
&& & &
(1.9)
Hay:
i i1 i 0 i i i i
q ( t ) q ( t ) q ( t ) e ( t )
     

&& &

(1.10)
Phương trình (1.10) biểu thị vào ra phân ly của hệ thống. Các
hệ số
1i 0i i
, ,
  
được chọn theo tiêu chuẩn ổn định.
1.2.3. Phương pháp điều khiển thích nghi theo sai lệch
Dựa trên cơ sở lý thuyết sai lệch, Lee và Chung đã đề xuất
thuật toán điều khiển đảm bảo robot luôn bám quỹ đạo chuyển
động đặt trước với phạm vi chuyển động rộng và tải thay đổi rộng.
Phương pháp điều khiển thích nghi theo sai lệch được xây dựng
trên cơ sở phương trình sai lệch tuyến tính hoá lân cận quỹ đạo
chuyển động chuẩn. Hệ thống điều khiển gồm hai khối: Khối tiền
Đối tượng
điều khiển
Quỹ đạo chuyển
động chuẩn
Phương trình
Neuton-Euler
x
m
(t)
Bộ điều khiển
tối ưu một nấc
+
+ x(t)
Hệ thống nhận dạng

bình phương tối thiểu
đệ quy
3
định (truyền thẳng - feedforward) và khối phản hồi (feedback) như
Hình 1.2.
Khối tiền định tính toán mô men của robot ứng với quỹ đạo
chuyển động chuẩn theo phương trình Newton-Euler. Khối phản
hồi thực hiện tính toán thành phần mômen sai lệch theo luật tối ưu
một nấc nhằm bù sai lệch vị trí và tốc độ của khớp dọc theo quỹ
đạo chuyển động chuẩn. Khối đánh giá tham số thực hiện theo sơ
đồ nhận dạng bình phương tối thiểu thời gian thực đệ quy các tham
số và hệ số phản hồi của hệ tuyến tính hoá được cập nhật và chỉnh
định ở mỗi chu kỳ mẫu. Mômen tổng đặt lên cơ cấu chấp hành sẽ
gồm hai thành phần: mômen danh định được tính theo phương trình
Newton-Euler từ khối tiền định và mômen bù sai lệch sẽ được tính
bởi khối phản hồi thực hiện theo luật tối ưu một cấp.
Phương pháp điều khiển thích nghi theo sai lệch có hai ưu
điểm cơ bản: Nó cho phép chuyển từ vấn đề điều khiển phi tuyến
về điều khiển tuyến tính quanh quỹ đạo chuẩn. Việc tính toán
4
mômen danh định cũng như mômen sai lệch được thực hiện độc lập
và đồng thời.
Tuy nhiên phương pháp này gặp khó khăn do khối lượng
tính toán quá lớn và do đó thời gian tác động sẽ chậm, khó tối ưu
trong việc điều khiển robot.
1.2.4. Phương pháp điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu
Trong số các phương pháp điều khiển thích nghi (điều khiển
thích nghi thông qua điều chỉnh hệ số khuếch đại, điều khiển thích
nghi tự chỉnh, điều khiển thích nghi theo mô hình chuẩn) thì phương
pháp điều khiển thích nghi theo mô hình chuẩn (Model Reference

Adaptive Control - MRAC) được sử dụng rộng rãi nhất và tương đối
dễ thực hiện. Nguyên lý cơ bản của điều khiển thích nghi theo mô
hình chuẩn dựa trên sự lựa chọn thích hợp mô hình chuẩn và thuật
toán thích nghi. Thuật toán thích nghi được tính toán dựa trên tín hiệu
vào là sai lệch giữa đầu ra của hệ thống thực và mô hình chuẩn từ đó
đưa ra điều chỉnh hệ số khuếch đại phản hồi sao cho sai lệch đó là nhỏ
nhất. Sơ đồ khối chung của hệ thống điều khiển thích nghi theo mô
hình chuẩn được trình bày trên Hình 1.3.
Cơ cấu điều
chỉnh
Đối tượng
điều khiển
Mô hình
chu
ẩn
Tín hiệu
đặt
Bộ điều
ch
ỉnh
e
+
-
Đầu ra y
y
m
Hình 1.3:
Hệ thống điều khiển thích nghi theo mô hình chuẩn.
5
Phương pháp điều khiển thích nghi theo mô hình chuẩn có một

số ưu điểm quan trọng là nó không bao gồm mô hình toán học phức
tạp và không phụ thuộc vào tham số môi trường Tuy nhiên, phương
pháp này chỉ thực hiện được cho mô hình đơn giản tuyến tính với giả
thiết bỏ qua sự liên hệ động lực học giữa các khớp của robot. Hơn nữa
sự ổn định của hệ thống kín cũng là một vấn đề khó giải quyết với tính
phi tuyến cao của mô hình động lực học robot.
Phương pháp điều khiển động lực học
ngược thích nghi
Là phương pháp tổng hợp các kỹ thuật nhằm tự động chỉnh
định các bộ điều chỉnh trong mạch điều khiển nhằm thực hiện hay
duy trì ở một mức độ nhất định chất lượng của hệ khi thông số của
quá trình được điều khiển không biết trước hoặc thay đổi theo thời
gian. Việc phân tích các hệ thống điều khiển có chất lượng cao
luôn là vấn đề trọng tâm trong quá trình phát triển của lý thuyết
điều khiển tự động nói chung và vấn đề nâng cao chất lượng hệ
thống điều khiển bám chính xác quỹ đạo chuyển động của robot
nói riêng. Tùy thuộc vào các tiêu chuẩn phân loại mà có các hệ
điều khiển thích nghi khác nhau: Hệ có tín hiệu tìm hay không có
tín hiệu tìm; hệ điều khiển trực tiếp hay gián tiếp; hệ cực trị hay hệ
giải tích; hệ có mô hình mẫu hay hệ không có mô hình mẫu; hệ tự
chỉnh hay hệ tự tổ chức vv đang được phát triển và và áp dụng để
tổng hợp các hệ thống điều khiển quỹ đạo với chỉ tiêu chất lượng
cao. Phương pháp tổng quát hóa các hệ thích nghi có ý nghĩa rất
Cơ cấu
thích nghi
Nhận dạng
x


y

6
lớn trong việc bao quát một số lượng lớn các bài toán thích nghi,
đơn giản được việc tìm hiểu nguyên lý cơ bản của ngay cả các hệ
phức tạp, trên cơ sở đó xây dựng các bài toán mới, các thiết bị cụ
thể mới.
Vấn đề điều khiển bám chính xác quỹ đạo robot là một vấn
đề luôn nhận được sự quan tâm chú ý. Hiện nay sự phát triển mạnh
mẽ của kỹ thuật về phần cứng và phần mềm đã cho phép giảm thời
gian tính toán, điều đó dẫn tới những động lực cho việc thúc đẩy sự
phát triển của các hệ thống điều khiển quỹ đạo thích nghi cho
robot.
1.2.6. Phương pháp điều khiển trượt
Điều khiển chuyển động bất biến với nhiễu loạn và sự thay đổi
thông số có thể sử dụng điều khiển ở chế độ trượt. Điều khiển kiểu
trượt thuộc về lớp các hệ thống có cấu trúc thay đổi (Variable
Structure System - VSS) với mạch vòng hồi tiếp không liên tục.
Phương pháp điều khiển kiểu trượt có đặc điểm là tính bền vững rất
cao do vậy việc thiết kế bộ điều khiển có thể được thực hiện mà không
7
cần biết chính xác tất cả các thông số. Chỉ một số các thông số cơ bản
hoặc miền giới hạn của chúng là đủ cho việc thiết kế một bộ điều
khiển trượt (Variable Structure Controller - VSC).
8