NGHIÊN cứu ỨNG DỤNG điều KHIỂN mờ THÍCH NGHI CHO TAY máy ROBỎ 2 bậc tự DO

`





ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP




NGUYỄN THỊ HÒA






NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ
THÍCH NGHI CHO TAY MÁY ROBỎ 2 BẬC TỰ DO




Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 60520216

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT







Thái Nguyên, 2014
Công trình được hoàn thành tại
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN



Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Thanh Hà



Phản biện 1: PGS.TS Lại Khắc Lãi
Phản biện 2: TS. Nguyễn Văn Chí






Luận văn này được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn
Họp tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN

Vào hồi 13 h30 ngày 23 tháng 8 năm 2014.

Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Trung tâm học liệu Đại học Thái Nguyên
- Thư viện trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp

1


MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài
Việc nâng cao chất lượng điều khiển tay máy luôn là vấn đề cấp
thiết được nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm. Các hệ
thống điều khiển tay máy hiện nay chủ yếu dùng phương pháp điều
khiển kinh điển và được thiết kế theo phương pháp tuyến tính hóa gần
đúng. Khi thông số của hệ thống thay đổi thì thống số của bộ điều khiển
giữ nguyên dẫn đến làm giảm độ chính xác điều khiển ảnh hưởng đến
chất lượng sản phẩm.
Với sự ra đời của lý thuyết điều khiển hiện đại (điều khiển thích
nghi, điều khiển mờ, mạng nơron…) đã tạo điều kiện cho việc xây
dựng các bộ điều khiển thông minh đáp ứng yêu cầu công nghệ ngày
càng cao của nền sản xuất hiện đại. Trong mấy năm gần đây đã có
nhiều đề tài nghiên cứu ứng dụng hệ mờ để điều khiển các đối tượng
phi tuyến. Song phần lớn các nghiên cứu chưa đạt được kết quả như
mong muốn. Trong đề tài này tác giả nghiên cứu và ứng dụng hệ mờ
thích nghi để điều khiển tay máy hai bậc tự do.

Trên đây là lý do tác giả chọn đề tài: "Nghiên cứu ứng dụng điều
khiển mờ thích nghi cho tay máy robot hai bậc tự do"
2. Mục đích nghiên cứu
Xây dựng bộ điều khiển mờ thích nghi cho cánh tay robot đảm
bảm các yêu cầu chất lượng.
3. Đối tượng nghiên cứu
Điều khiển cánh tay robot hai bậc tự do theo mờ thích nghi
4. Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn của đề tài
a) Ý nghĩa khoa học
Bộ điều khiển mờ thích nghi đang nổi lên như một công cụ
điều khiển các hệ thống phi tuyến với các thông số chưa xác định. Điều

2

này có ý nghĩa rất lớn về mặt khoa học trong việc điều khiển các đối
tượng phi tuyến.
Đề tài này sẽ đề cập đến ứng dụng của mờ thích nghi trong việc
điều khiển đối tượng phi tuyến đặc biệt là điều khiển cánh tay robot.
b) Ý nghĩa thực tiễn
Việc điều khiển cánh tay robot ứng dụng mờ thích nghi có ý nghĩa
thực tiễn rất lớn. Bởi vì robot được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh
vực khác nhau, chúng buộc phải có khả năng làm việc trong các môi
trường không xác định trước và thay đổi. Đặc biệt chúng phải nhạy cảm
với môi trường làm việc và thực hiện thao tác bất chấp sự có mặt của
vật cản trong vùng làm việc. Việc nâng cao chất lượng điều khiển robot
sẽ góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm, nâng cao năng suất và hiệu
quả lao động.

3

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP VÀ TAY MÁY
1.1. Lịch sử phát triển
1.2. Robot công nghiệp và các ứng dụng
1.3. Ứng dụng robot công nghiệp
1.4. Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp
1.5. Kết cấu tay máy

Hình 1.1. Tay máy kiểu tọa độ Đề các

Hình 1.2. Tay máy kiểu tọa độ trụ

Hình 1.3. Tay máy kiểu tọa độ cầu

4

Hình 1.4. Tay máy kiểu tọa độ góc

Hình 1.5. Tay máy kiểu SCARA

1.6. Kết luận
Chương I: "Tổng quan về Robot công nghiệp và tay máy" đã nêu một
số vấn đề sau:
- Lịch sử phát triển;
- Robot công nghiệp và các ứng dụng;
- Ứng dụng robot công nghiệp.
- Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp
- Kết cấu tay máy

5

Chương 2
TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN

2.1 Các hệ điều khiển kinh điển
2.1.1 Tổng hợp bộ điều khiển tuyến tính
2.1.2 Tổng hợp bộ điều khiển phi tuyến
- Phương pháp tuyến tính hoá gần đúng.
- Phương pháp tuyến tính hoá điều hoà
- Phương pháp tuyến tính hoá từng đoạn.
- Phương pháp mặt phẳng pha
2.2 Logic mờ và điều khiển mờ
2.2.1. Giới thiệu
2.2.2. Cấu trúc của hệ điều khiển mờ

a) Sơ đồ khối:

Hình 2.1. Các khối chức năng của bộ điều khiển mờ

b) Giao diện vào, ra.
c) Khối mờ .
d) Khối thiết bị hợp thành:
- Luật hợp thành Max-min:
-Luật hợp thành MAX-PROD:
-Luật hợp thành SUM-MIN:
-Luật hợp thành SUM - PROD:
e) Khối giải mờ (rõ hoá)
*Phương pháp cực đại
*Phương pháp điểm trọng tâm

6

* Phương pháp độ cao

Hình 2.11. So sánh các phương pháp giải mờ
2.3. Điều khiển thích nghi :
2.3.1. Lịch sử phát triển của hệ điều khiển thích nghi
Chương 3
THIẾT KẾ HỆ THÓNG ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI CHO
CÁNH TAY ROBOT HAI BẬC TỰ DO VÀ MÔ PHỎNG
3.1. Xây dựng mô hình toán học cánh tay robot hai bậc tự do:

Phương trình động học của robot hai bậc tự do được miêu tả
bởi công thức sau:









uGSDCM 








sgn,
(3.1)


Hình 3.1. Mô hình robot 2 bậc tự do

7

Mô hình đối tượng sử dụng các khối Function trong Matlab
được mô tả như sau:


Hình 3.1. Mô hình cấu trúc đối tượng trong phần mềm Matlab

8


Hình 3.2. Mô hình cấu trúc bộ điều khiển PI - Fuzzy trong
phần mềm Matlab


Cấu trúc của bộ lọc đầu vào (State Variable Fiter) được mô tả như sau:


Hình 3.3. Mô hình cấu trúc bộ lọc đầu vào
trong phần mềm Matlab

9


Hình 3.4. Mô hình cấu trúc mô phỏng điều khiển trong phần
mềm Matlab
* Định nghĩa các biến vào ra:


Hình 3.5: Định nghĩa các biến vào ra của bộ điều khiển mờ 1

10


Hình 3.6: Định nghĩa các biến vào ra của bộ điều khiển mờ 2
* Định nghĩa tập mờ (giá trị ngôn ngữ) cho các biến vào ra:

Bộ thông số cho Robot được xác định như sau:
Thông số Cánh tay 1 Cánh tay 2
Khối lượng cánh tay (kg) 1 1.5
Chiều dài cánh tay (m) 0.5 0.5
Momen quán tính (kg.m
2
) 0.02 0.035
Tỉ số truyền của động cơ 1 1
Lực Viscous friction (Ns/m) 0.15 0.15
Lực coulomb friction (N) 2 2


11

Kết quả mô phỏng sử dụng công cụ Matlab-Simulink.

Hình 3.13: Quỹ đạo bám của biến khớp1 sử dụng
bộ điều khiển mờ


Hình 3.14: Quỹ đạo bám của biến khớp2 sử dụng
bộ điều khiển mờ

12


Hình 3.15: Sai lệch tín hiệu đặt và tín hiệu bám của biến khớp 1
và 2
3.3 Kết luận:
Bộ điều khiển PI-FUZZY cho đáp ứng đầu ra của hệ thống khá

tốt ( hình 3.13, hình 3.14) với sự thay đổi tín hiệu vào có dạng bậc
thang qua bộ lọc có dạng như hình 3.13, cụ thể sai lệch giữa tín hiệu đặt
và tín hiệu thực của hai biến khớp 1 và 2 là khá nhỏ tầm
3
10

được
biểu thị trên hình 3.15
.
Tuy nhiên, có hiện tượng dao động khi hệ thống ở trạng
thái xác lập (hình 3.13 và 3.14). Điều này sẽ được khắc phục
bằng bộ điều khiển DAFC (Direct Adaptive Fuzzy Controller).


13

Chương 4
THỰC NGHIỆM BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ THÍCH NGHI TRÊN
ROBOT RD5NT

4.1. Thực nghiệm trên Robot sử dụng bộ điều khiển Fuzzy-PI
- Sơ đồ khối hệ thống thực nghiệm điều khiển Robot tại phòng
thí nghiệm Điện – Điện tử - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp
Thái Nguyên. Hệ thống thực nghiệm có các thành phần: Arduino
Board: nhận tín hiệu phản hồi từ sensor vị trí (encoder) và giao tiếp với
máy tính, xuất tín hiệu ra mạch công suất (Cầu H) để điều khiển động
cơ; Mạch cầu H: Thực hiện nhiệm vụ đảo chiều động cơ; Động cơ dùng
để truyền động cho cánh tay robot.
- Mô hình thực nghiệm:

Hình 4.1. Mô hình thực nghiệm




14

- Sơ đồ khối hệ thống thí nghiệm điều khiển Robot tại phòng thí nghiệm:

Hình 4.2: Sơ đồ khối chạy thực nghiệm

Trong đó:
- Sơ đồ thực nghiệm hệ thống điều khiển Robot sử dụng Matlab
Simulink:

Hình 4.3: Sơ đồ khối chạy thực nghiệm

Kết quả chạy thực nghiệm điều khiển cho một cánh tay Robot

Hình 4.4.Kết quả chạy thực nghiệm cho một biến khớp


15

Trong đó:
1. Đường “mầu xanh” là quỹ đâọ đặt cho biến khớp
2. Đường “mầu tím gạch” là quỹ đạo chuyển động của tay máy

Kết quả chạy thực nghiệm trong 7 chu kỳ:

Hình 4.5: Kết quả chạy thực nghiệm cho một biến khớp

Nhận xét:
Bộ điều khiển PI-FUZZY cho kết quả khá tốt trong 7 chu kỳ
chạy thực nghiệm, trong một, hai chu kỳ đầu sai lệch giữa quỹ đạo thực
và quỹ đạo đặt của biến khớp điều khiển khoảng 0.05, trong các chu kỳ
tiếp theo quỹ đạo robot được điều khiển ổn định thể hiện trên hình 5.4
và hình 5.5.
Qua thực nghiệm ta thấy, khi cánh tay Robot bám theo quỹ đạo
xuống thì có hiện tượng giật, và theo quỹ đạo đi lên thì vẫn tồn tại sai
lệch tĩnh. Điều này sẽ được khắc phục khi sử dụng bộ điều khiển mờ
thích nghi trực tiếp.
4.2. Thiết kế bộ điều khiển DAFC (Direct Adaptive Fuzzy
Controller) cho tay máy 2 bậc tự do
Bước 1: Chọn số lượng đầu vào, và miền giá trị

16

Bước 2: Chọn dạng hàm liên thuộc đàu vào
Bước 3: Xây dựng hàm


e

được xây dựng dựa vào lập trình trên S-
function buider

Bước 4: Xây dựng luật thích nghi (cập nhật tham số)

17

Bước 5: Xây dựng bộ điều khiển mờ thích nghi trực tiếp


Bước 6: Chạy mô phỏng để lấy kết quả



Bộ lọc đầu vào:


18

Kết quả mô phỏng:


Hình 4.9. Quỹ đạo bám của cánh tay Robot


Hình 4.10. Tin hiệu điều khiển quỹ đạo bám của cánh tay Robot


19


Hình 4.11. Sai lệch quỹ đạo bám của cánh tay Robot

Đáp ứng đầu ra của hai bộ điều khiển PI-FUZZY và DAFC:

20


Hình 4.12 So sánh đáp ứng đầu ra của hai bộ điều khiển
Nhận xét:
Bộ điều khiển DAFC (Direct Adaptive Fuzzy Controller)cho
đáp ứng đầu ra của hệ thống khá tốt ( hình 4.9) với sự thay đổi tín hiệu
vào có dạng bậc thang qua bộ lọc có dạng như hình 4.9, cụ thể sai lệch
giữa tín hiệu đặt và tín hiệu thực của hai biến khớp 1 và 2 là khá nhỏ
tầm
4
10

được biểu thị trên hình 4.11
.

Đáp ứng đầu ra sau khoảng 1.5 chu kỳ, sai lệch giữa tín hiệu
vào và tín hiệu ra đã giảm dần từ 0.015 đến 0.001 hoặc 10
-4
thể hiện
trên hình 4.9 và hình 4.11. Điều này chứng tỏ bộ điều khiển mờ thích
nghi đã hiệu chỉnh các tham số của đầu ra (hình 4.12) sao cho sai lệch
điều khiển là nhỏ nhất.
Hơn nữa hiện tượng dao động nhỏ khi xác lập ở bộ điều khiển
mờ truyền thống cũng được khắc phục hoàn toàn bằng luật thích nghi
theo Lyapunov (hình 4.12)

21

Hình 4.13. Tham số thích nghi cua hàm thuộc đầu ra của bộ điều
khiển mờ 1,2
4.3. Thực nghiệm trên Robot sử dụng bộ điều khiển DAFC

Kết quả chạy thực nghiệm điều khiển cho một cánh tay Robot

Hình 4.14. Tin hiệu điều khiển quỹ đạo bám của cánh tay
Robot


22



Hình 4.15. Tin hiệu điều khiển quỹ đạo bám của cánh tay
Robot

4.4. Kết luận:
Bộ điều khiển DAFC cho kết quả khá tốt trong 7 chu kỳ chạy
thực nghiệm, trong một, hai chu kỳ đầu sai lệch giữa quỹ đạo thực và
quỹ đạo đặt của biến khớp

23

KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHI

Kết luận:
Như vậy, Nội dung cơ bản trong luận văn tập trung vào nghiên cứu
ứng dụng phương pháp điều khiển cho cánh tay robot hai bậc tự do.
Nhiệm vụ cụ thể là “Nghiên cứu ứng dụng điều khiển mờ thích nghi
cho cánh tay robot hai bậc tự do”
Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn đã hoàn thành các Chương sau:
Chương 1: Tổng quan về Robot công nghiệp và tay máy
Chương 2: Tổng quan về các hệ điều khiển
Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển mờ thích nghi cho cánh tay
robot hai bậc tự do và mô phỏng
Chương 4: Thực nghiệm bộ điều khiển mờ thích nghi trên robot
RD5NT
Kết quả luận văn đã đạt được là:
Thiết kế được bộ điều khiển mờ thích nghi để điều khiển cánh
tay robot hai bậc tự do. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm đã chứng
minh bộ điều khiển đã thiết kế đáp ứng được yêu cầu công nghệ điều
khiển và bám theo quỹ đạo đặt trước.
Luận văn cũng đã đề xuất một phương án cải thiện chất lượng
điều khiển bằng điều khiển mờ thích nghi. Kết quả mô phỏng cho thấy
khi thông số thay đổi và nhiễu tác động vào hệ thống thì bộ điều khiển
vẫn duy trì được chất lượng.
Kiến nghị :
Với việc nghiên cứu cánh tay robot hai bậc tự do thì bộ điều

khiển mờ thích nghi đã đảm bảo được chất lượng làm việc. Tuy nhiên