tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật NGHIÊN cứu ĐỘNG học, ĐỘNG lực học và xây DỰNG bộ điều KHIỂN ĐỘNG học NGƯỢC CHO ROBOT HAI KHÂU

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC VÀ XÂY
DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG HỌC NGƯỢC CHO
ROBOT HAI KHÂU
Ngành : TỰ ĐỘNG HÓA
Mã số: 605260
Học Viên: NGUYỄN THẾ PHƯƠNG
Người HD Khoa học : PGS.TS. NGUYỄN NHƯ HIỂN
THÁI NGUYÊN - 2010
Luận văn được hoàn thành tại trường Đại học Kỹ tuật Công nghiệp Thái
Nguyên.
Cán bộ HDKH : PGS.TS Nguyễn Như Hiển
Phản biện 1 : TS. Phạm Hữu Đức Dục
Phản biện 2 : PGS.TS. Nguyễn Hữu Công
Luận văn đã được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn, họp tại: Phòng cao
học số 03, trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.
Vào 14 giờ 30 phút ngày 06 tháng 11 năm 2010.
Có thể tìm hiển luận văn tại Trung tâm Học liệu tại Đại học Thái Nguyên và
Thư viện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.

2
MỤC LỤC
2
MỤC LỤC 3
MỞ ĐẦU 6
CHƯƠNG 1: 8
TỔNG QUAN VÀ MÔ TẢ ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA ROBOT 8
1.1. Các khái niệm cơ bản và phân loại robot: 8

1.1.1. Robot và robotic: 8
1.1.2. Robot công nghiệp: 8
1.1.3. Các cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp: 8
1.1.3.1. Cấu trúc chung: 8
1.1.4.Truyền động và điều khiển Robot 8
1.1.4.1.Hệ truyền động trong robot 8
1.1.4.2.Truyền động điện 8
1.1.4.3.Truyền động khí nén và thuỷ lực 8
1.1.5.Các phương pháp điều khiển robot 8
1.1.6. Vấn đề điều khiển cánh tay Robot 8
1.1.6.1. Khái quát 8
1.1.6.2. Vấn đề điều khiển cánh tay Robot 8
Bảng 1.3: Thông số vật lý của cánh tay robot 2 khâu 9
1.2.Động học của tay máy robot 2 khâu chuyển động trong mặt phẳng 9
1.2.1.Bài toán động học thuận: 9
Hình 1.6: Sơ đồ cánh tay robot 2 khâu 10
1.2.2.Bài toán động học ngược 10
1.2.3.Động học robot khi di chuyển nhỏ 11
1.2.3.2.Thuộc tính của ma trận Jacobian 11
1.2.3.3.Động học ngược của chuyển động nhỏ 11
1.3.Động lực học tay máy robot 2 khâu 11
1.4.Thuật toán điều khiển cánh tay Robot 13
1.4.1.Thuật toán điều khiển tỉ lệ (P) có phản hồi tốc độ và điều khiển PD 13
1.4.2. Thuật toán điều khiển PD có bù gia tốc trọng trường 13
1.4.3.Thuật toán điều khiển PID 13
1.4.4 Nhận xét chung 13
Hình 1.14: Cấu trúc robot + các hệ dẫn động 13
CHƯƠNG 2: 14
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG HỌC NGƯỢC ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG
ROBOT 2 KHÂU 14

2.1 Khái quát 14
2.2 Tổng hợp bộ điều chỉnh vị trí PID cho động cơ điện một chiều 14
2.2.1 Các thông số ban đầu 14
2.2.1.1 Động cơ điện một chiều 14
2.2.1.1.1 Động cơ điện một chiều 14
Bảng 2.1: Các thông số của động cơ điện một chiều 15
2.2.1.1.2 Các phương trình mô tả động cơ điện một chiều 15
2.2.1.1.3 Sơ đồ cấu trúc của động cơ điện một chiều 15
3
2.2.1.2 Bộ chỉnh lưu 15
2.2.1.3 Biến dòng: 15
2.2.1.4 Máy phát tốc: 15
2.2.1.5 Cảm biến vị trí: 15
2.2.2 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng (RI): 15
Hình 2.4 là sơ đồ mạch vòng điều chỉnh dòng điện 16
Hình 2.6: Sơ đồ cấu trúc của hệ điều chỉnh vị trí 16
2.2.3 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ (): 16
Hình 2.7: Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh tốc độ 16
2.2.4 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh vị trí () 17
Hình 2.10: Sơ đồ cấu trúc của hệ điều chỉnh vị trí 17
2.3 Mô hình simulink điều khiển Robot sử dụng bộ điều chỉnh PID 17
2.3.1 Mô hình simulink 17
2.3.2 Kết quả mô phỏng điều khiển vị trí của cánh tay Robot dùng PID 17
Hình 2.20: Đồ thị sai lệch quỹ đạo dùng PID 18
2.4 Xây dựng bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID để điều chỉnh vị trí cho cánh
tay Robot 2 khâu 18
2.4.1 Tính phi tuyến của bộ điều khiển vị trí 18
2.4.2 Sự cần thiết sự dụng bộ điều khiển mờ 18
2.4.3 Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID 18
2.4.3.1 Mô hình bộ điều khiển mờ 19

Hình 2.27: Cấu trúc bộ chỉnh định mờ KP 20
Hình 2.28: Cấu trúc bộ chỉnh định mờ KD 20
Hình 2.29: Cấu trúc bộ chỉnh định mờ KI 21
2.4.3.2 Biến ngôn ngữ và miền giá trị của nó 21
2.4.3.3 Xác định hàm liên thuộc (membership function) 22
Hình 2.30: Mô hình rời rạc hóa hàm liên thuộc trapmf của biến et, det 23
Hình 2.31: Mô hình hàm liên thuộc của biến Hesokp , Hesokd và Hesoki 23
Hình 2.32: Xác định tập mờ cho biến vào et 23
Hình 2.33: Xác định tập mờ cho biến vào det 24
2.4.3.4 Xây dựng các luật điều khiển 24
Bảng 2.2: Luật điều khiển Hesokp 24
Bảng 2.3: Luật điều khiển Hesokd 25
Bảng 2.4: Luật điều khiển Hesoki 25
2.4.3.5 Luật hợp thành 26
2.4.4 Sơ đồ mô phỏng và kết quả 27
2.4.4.1 Mô hình simulink hệ thống điều khiển chuyển động cánh tay Robot sử dụng
bộ chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID 27
2.5 Kết luận Chương 2 27
CHƯƠNG 3: 28
MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG 28
3.1 Mô hình các khối chức năng 28
3.1.1 Bộ điều khiển 28
3.1.2 Động cơ 28
3.2. Mô hình hệ thống điều khiển chuyển động cánh tay Robot sử dụng bộ chỉnh định
mờ và bộ điều khiển PID 28
3.3 So sánh quỹ đạo giữa PID và chỉnh định mờ tham số PID 28
4
3.3.1 Trường hợp Mt = 1kg 28
3.3.1.1 Qũy đạo và sai lệch quỹ đạo cánh tay Robot 28
Hình 3.7: Đồ thị quỹ đạo chuyển động của robot 2 khâu 29

Hình 3.8: Đồ thị sai lệch quỹ đạo giữa PID và Fuzzy 29
3.3.2 Trường hợp Mt=1.5kg 29
3.3.2.1 Sai lệch quỹ đạo cánh tay Robot 29
Hình 3.15: Đồ thị sai lệch quỹ đạo giữa PID và Fuzzy 29
3.3.3 Trường hợp Mt=2kg 29
3.3.3.1 Sai lệch quỹ đạo cánh tay Robot 29
Hình 3.22: Đồ thị sai lệch quỹ đạo giữa PID và Fuzzy 30
3.4 Nhận xét chương 3 30
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 31
1. Kết luận 31
2. Kiến nghị 31
TÀI LIỆU THAM KHẢO 33
5
MỞ ĐẦU
Điều khiển tự động từ lâu là sự quan tâm của nhiều nhà khoa học. Từ khi con
người biết sáng tạo ra công cụ lao động thì ý tưởng điều khiển tự động đã được đặt
lên hàng đầu.
Con người đang phát triển công nghệ điều khiển tự động ngày càng cao.
Đỉnh cao của công nghệ điều khiển tự động là công nghệ chế tạo robot. Ngày nay
Robot đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, nó đã đem lại hiệu quả to lớn
trong sản xuất công nghiệp, trong quốc phòng, y tế, xã hội, thám hiểm vũ trụ cũng
như trong sản xuất và đời sống… nó là thiết bị không thể thiếu trong các hệ thống
sản xuất hiện đại, đặc biệt là các hệ thống sản xuất tự động. Robot ngày càng thông
minh và linh hoạt, chính vì thế robot được xem là sản phẩm điển hình của nền khoa
học kỹ thuật.
Ở Việt Nam, Thủ tướng Chính phủ đã ban hành quyết định số: 82/2001/QĐ-
TTg vào ngày 24 tháng 5 năm 2001 để xác định việc thiết kế chế tạo robot là một
trong những nhiệm vụ chính của khoa học công nghệ. Vì thế việc nghiên cứu các
phương pháp điều khiển hiện đại áp dụng vào công nghệ robot rất được nhiều nhà
khoa học quan tâm và đã được áp dụng điều khiển nhiều hệ thống khác nhau trong

công nghiệp, đặc biệt là các hệ chuyển động Robot nhằm nâng cao chất lượng của
hệ thống.
Với những lý do trên, tôi đã chọn đề tài “NGHIÊN CỨU ĐỘNG
HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC VÀ XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG HỌC
NGƯỢC CHO ROBOT HAI KHÂU” để làm đề tài nghiên cứu.
Nội dung của luận văn được chia thành 3 chương:
Chương 1 : Tổng quan và mô tả động học và động lực học robot.
Chương 2: Thiết kế bộ điều khiển động học ngược điều khiển chuyển
động robot 2 khâu.
Chương 3: Mô phỏng và đánh giá chất lượng hệ thống.
6
Các kết luận và kiến nghị.
Tôi xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy PGS. TS Nguyễn
Như Hiển – người đã hướng dẫn tận tình và giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn thạc sĩ
này.
Tôi xin chân thành cám ơn các thầy cô ở Khoa Điện – Trường Đại học Kỹ
thuật Công nghiệp đã đóng góp nhiều ý kiến và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn
thành luận văn.
Tôi xin chân thành cám ơn Khoa sau Đại học, xin chân thành cám ơn Ban
Giám Hiệu Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp đã tạo những điều kiện thuận
lợi nhất về mọi mặt để tôi hoàn thành khóa học.
Tôi xin chân thành cám ơn!
Thái Nguyên, ngày 30 tháng 08 năm 2010
Người thực hiện
Nguyễn Thế Phương
7
CHƯƠNG 1:
TỔNG QUAN VÀ MÔ TẢ ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA
ROBOT
1.1. Các khái niệm cơ bản và phân loại robot:

1.1.1. Robot và robotic:
1.1.2. Robot công nghiệp:
1.1.3. Các cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp:
1.1.3.1. Cấu trúc chung:
1.1.4.Truyền động và điều khiển Robot
1.1.4.1.Hệ truyền động trong robot
1.1.4.2.Truyền động điện
1.1.4.3.Truyền động khí nén và thuỷ lực
1.1.5.Các phương pháp điều khiển robot
1.1.6. Vấn đề điều khiển cánh tay Robot
1.1.6.1. Khái quát
1.1.6.2. Vấn đề điều khiển cánh tay Robot
Thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị tính
Chiều dài khâu 1 l
1
0,26 m
Chiều dài khâu 2 l
2
0,26 m
8
Khoảng cách đến trọng tâm của khâu 1 l
c1
0,0983 m
Khoảng cách đến trọng tâm của khâu 2 l
c2
0,0229 m
Khối lượng khâu 1 m
1
6,5225 kg
Khối lượng khâu 2 m

2
2,0458 kg
Mô men quán tính của khâu thứ nhất I
1
0,1213 kg.m
2
Mô men quán tính của khâu thứ hai I
2
0,1213 kg.m
2
Gia tốc trọng trường g 9,81 m/s
2
Bảng 1.3: Thông số vật lý của cánh tay robot 2 khâu
1.2.Động học của tay máy robot 2 khâu chuyển động trong mặt phẳng
1.2.1.Bài toán động học thuận:
Động học là hình học của sự chuyển động. Đó là một trong những thành
phần cơ bản nhất của robot, cung cấp những công cụ mô tả cấu trúc và hoạt động
của robot. Bất kỳ một robot cũng có thể coi là tập hợp các khâu (links) gắn liền với
các khớp (joints).
Trong đề tài này, tôi sử dụng Robot 2 khâu quay trong mặt phẳng với điểm
tác động cuối là
e
x
và
e
y
. Tức là xác định [
e
x
,

e
y
] thông qua [
1
θ
,
2
θ
]. Giả sử quan
hệ của chúng được thể hiện thông qua hàm ϕ, khi đó ta viết:
9

Hình 1.6: Sơ đồ cánh tay robot 2 khâu
1 1 2 1 2
1 1 2 1 2
sin( ) sin( )
cos cos( )
e
e
y l l
x l l
θ θ θ
θ θ θ
= + +
= + +
(1.1)
Phương trình trên mô tả vị trí và hướng của điểm tác động cuối của robot hay
còn gọi là phương trình động học của cánh tay robot trong mặt phẳng.
1.2.2.Bài toán động học ngược
Mô hình động học ngược của robot là rất quan trọng trong việc thiết kế điều

khiển. Mô hình này cho phép xác định vị trí biến khớp q từ toạ độ (x, y) cho trước
hoặc mong muốn. Đối với robot 2 khâu đã nêu, ta có:
( )
1
1 2
,
e
e
x
y
ϕ θ θ
−
 
=
 
 
10
Giả sử ta mong muốn điểm tác động cuối của robot có toạ
]
,
T
e e
x y


, khi đó
từ phương trình động học ngược, ta xác định được góc quay của trục khớp
]
1 2
T

θ θ θ

=

bằng việc giải phương trình
( )
1
1
2
,
e e
x y
θ
ϕ
θ
−
 
=
 
 
.Cụ thể:
( )
( )
1 1
2 2
1
1 2 2
2 2 2 2
1
1 2

2
1 2
sin
tan tan
cos
cos
2
e
e
e e
l
x
y l l
x y l l
l l
θ
θ
θ
θ
− −
−
 
 
= −
 ÷
 ÷
 ÷
+
 
 

 
+ − −
=
 ÷
 
(1.2)
1.2.3.Động học robot khi di chuyển nhỏ
1.2.3.2.Thuộc tính của ma trận Jacobian
1.2.3.3.Động học ngược của chuyển động nhỏ
1.3.Động lực học tay máy robot 2 khâu
Trong trường hợp tổng quát, ta xét tay Robot mang tải với khối lượng m
t
và
môn ment quán tính J
t
.
2
1
11 12 1
1 1 1 2
2
21 22 2
2
2 1
( )
. 2 .
( )
M t
D D G
H H

D D G
M t
H
θ θ θ θ
θ θ
   
  +
   
= × + +
   
 
   
   
 
   
&& & & &
&& &
(1.23)
(1-1)
Với :
11 12
21 22
D=
D D
D D
 
 
 
2 2 2 2 2
11 1 1 1 2 1 1 1 2 2 2 1 2 1 2 2

D = l ( l 2 l ) ( ) 2
t t t
J m c m l c l c C J J m l l m l l C
+ + + + + + + + +
(1.24)
2 2
12 21 2 2 1 2 2 2 2
D = D = (l l )
t t
m c l c C J J m l
+ + + +
(1.25)
11
2 2
22 2 2 2 2
D = l
t t
m c J J m l
+ + +
(1.26)
2 1 2 1 2 2
H = ( lg )
t
m l m l l S
− +
(1.27)
1 1 1 1 2 1 1 2 12 1 1 2 12
= l ( l ) ( )
t
G m g c C m g l C c C m g l C l C

+ + + +
(1.28)
2 2 2 12 2 12
= l ) )
t
G m g c C m gl C
+
(1.29)
1 1
C =cos ;
θ
(1.30)
1 1
S =sin ;
θ
(1.31)
2 2
C =cos ;
θ
(1.32)
2 2
S =sin ;
θ
(1.33)
12 1 2
C =cos( + );
θ θ
(1.34)
12 1 2
S =sin( + )

θ θ
(1.35)
12
1.4.Thuật toán điều khiển cánh tay Robot
1.4.1.Thuật toán điều khiển tỉ lệ (P) có phản hồi tốc độ và điều khiển PD
1.4.2. Thuật toán điều khiển PD có bù gia tốc trọng trường
1.4.3.Thuật toán điều khiển PID
1.4.4 Nhận xét chung
Các thuật điều khiển đã giới thiệu (P, PD, PID) ở trên đều dựa vào mô hình
toán học của robot n DOF. Do đó, các luật điều khiển áp dụng việc tính toán trên cơ
sở mô men tính. Tuy nhiên, thực tế điều khiển robot, chính là điều khiển hệ thống
dẫn động (Actuators). Sơ đồ hệ thống được mô tả như sau:
Hình 1.14: Cấu trúc robot + các hệ dẫn động
Việc thiết kế bộ điều khiển (PID, mờ, ) đối với hệ thống robot + các bộ
dẫn động có nhiều cách, chẳng hạn như:
- Xác định mô hình toán học của hệ thống (bao gồm robot và các bộ dẫn
động), sau đó tính toán lựa chọn các bộ điều chỉnh (P, PD, PI, PID, ) để hệ làm
việc đạt yêu cầu mong muốn.
- Xác định hệ dẫn động, mô hình toán học của bộ dẫn động và thiết kế bộ
điều khiển (P, PI, PD, PID, ) cho hệ dẫn động theo yêu cầu điều khiển robot (quĩ
đạo, vị trí, ), xem robot như là đối tượng chấp hành, sau đó mô phỏng hệ thống
(gồm robot + hệ dẫn động) và tiến hành hiệu chỉnh các bộ điều khiển để đạt được
yêu cầu đặt ra. Đây cũng chính là nhiệm vụ trong tâm của đề tài nghiên cứu này.
13
CHƯƠNG 2:
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG HỌC NGƯỢC ĐIỀU KHIỂN
CHUYỂN ĐỘNG ROBOT 2 KHÂU
2.1 Khái quát
Để tổng hợp bộ điều chỉnh vị trí, chúng ta tiến hành tổng hợp điều khiển vị
trí động cơ theo ba vòng kín sau:

- Vòng trong cùng điều chỉnh dòng điện,
- Vòng thứ hai điều chỉnh tốc độ động cơ,
- Vòng ngoài cùng điều chỉnh vị trí.
2.2 Tổng hợp bộ điều chỉnh vị trí PID cho động cơ điện một chiều.
2.2.1 Các thông số ban đầu.
2.2.1.1 Động cơ điện một chiều.
2.2.1.1.1 Động cơ điện một chiều
Thông số
Ký
hiệu
(1)
Giá trị
Đơn vị
tính
Công suất danh định P
đm
220 W
Tốc độ định mức n
đm
3000 v/ph
Điện áp định mức U
đm
100 V
Dòng điện định mức I
đm
6,0 A
Mô men quán tính J
1
9,2x10
-4

kg.m
2
Hằng số sức phản điện động K
b
0,247 V.s/rad
Hằng số từ thông động cơ K
a
0,284 N.m/A
Điện trở phần ứng R
u
1,8
Ω
Điện cảm phần ứng L
u
0,0049 H
Hệ số ma sát F
m
0,055 Nm
14
Khả năng mang tải M 134 N
Bảng 2.1: Các thông số của động cơ điện một chiều
2.2.1.1.2 Các phương trình mô tả động cơ điện một chiều
2.2.1.1.3 Sơ đồ cấu trúc của động cơ điện một chiều
2.2.1.2 Bộ chỉnh lưu
2.2.1.3 Biến dòng:
2.2.1.4 Máy phát tốc:
2.2.1.5 Cảm biến vị trí:
2.2.2 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng (RI):
(2.12)
(-)

K
b

K
a
Jp
1
Ui(p)
U
đk
(p)
ω
(-)
M
c

R
i

Ui
đ
(-) E(p)
U
đ

15
Hình 2.4 là sơ đồ mạch vòng điều chỉnh dòng điện.

Hình 2.6: Sơ đồ cấu trúc của hệ điều chỉnh vị trí.
2.2.3 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ ():
Hình 2.7: Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh tốc độ
PT21
1
Si
+
R
ϕ

R
ω

i
K
1
pTC
R
cu
Jp
1
ω
ω
+
pT1
K
1
vt
vt
K

pT
+
(-)
(-)
ϕ
đ
ϕ(p)
ω
đ
ω(p)
U
i
(p)
ω

R
ω
S
oω
(-)
U
ωđ
U
ω
(p) ω(p)
.
16
2.2.4 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh vị trí (
R
ϕ

).
Hình 2.10: Sơ đồ cấu trúc của hệ điều chỉnh vị trí
2.3 Mô hình simulink điều khiển Robot sử dụng bộ điều chỉnh PID
2.3.1 Mô hình simulink
2.3.2 Kết quả mô phỏng điều khiển vị trí của cánh tay Robot dùng PID
0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55
-0.05
0
0.05
0.1
0.15
0.2
Toa do X
Toa do Y
ϕ
đ

(-)
(-)
I
M
C
U
i
(p)
ω
R
ω
PT21
1

Si
+
i
K
1
pTC
R
cu
jp
1
ω
ω
+
pT1
K
R
ϕ
(-)
ω
đ
ω(p)
jp
1
1
vt
vt
K
pT
+
17

Hình 2.19: Đồ thị quỹ đạo đặt và quỹ đạo thực của Robot dùng PID
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
0.03
SAI LECH QUY DAO
Thoi gian t
Sai lech
Hình 2.20: Đồ thị sai lệch quỹ đạo dùng PID.
Dựa vào đồ thị quỹ đạo đặt và quỹ đạo thực của di chuyển cánh tay Robot,
đồ thị sai lệch quỹ đạo, ta nhận thấy rằng:
+ Trong khoảng thời gian từ 0 giây đến 10 giây: Đây là khoảng thời gian
cánh tay Robot di chuyển đến vị trí đầu của quỹ đạo. Do Robot đáp ứng chậm và
momen sinh ra bởi cánh tay khá lớn, nên hệ thống dao động với biên độ dao động
lớn nhất khoảng 10% giá trị lớn nhất đặt của quỹ đạo. Thời gian dao động trong
khoảng 2s. Sai số xác lập khoảng 0.005, điều này do đáp ứng đầu ra của hệ thống
trễ so với giá trị đầu vào. Điều này hợp lí vì hệ thống luôn có thời gian đáp ứng trễ.
+ Tại t=10s đến 20s: Do có sự thay đổi đường đi quỹ đạo, điều này làm thay
đổi chiều quay của động cơ hai khâu, nên dẫn đến sự dao động của tín hiệu trước
khi xác lập. Tuy nhiên, biên độ dao động của tín hiệu quỹ đạo đầu ra đã nhỏ đi rất
nhiều, và sai số xác lập cũng nhỏ đi rất nhiều khoảng 0,001.
2.4 Xây dựng bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID để điều chỉnh vị trí
cho cánh tay Robot 2 khâu.
2.4.1 Tính phi tuyến của bộ điều khiển vị trí.
2.4.2 Sự cần thiết sự dụng bộ điều khiển mờ
2.4.3 Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID

18
Các tham số K
P
, T
I
, T
D
hay K
P
, K
I
, HESOKD của bộ điều khiển PID được
chỉnh định trên cơ sở phân tích tín hiệu chủ đạo và tín hiệu ra của hệ thống, chính
xác hơn là sai lệch e(t) và đạo hàm của sai lệch. Có nhiều phương pháp chỉnh
định các tham số cho bộ điều khiển PID như chỉnh định trực tiếp, song phương án
đơn giản nhưng dễ áp dụng hơn cả là phương pháp chỉnh định mờ của Zhao,
Tomizuka và Isaka. Với giả thiết các tham số HESOKP , HESOKD bị chặn, tức là
min ax
,
m
P P P
K K K
 
=
 
,
min ax
,
m
D D D

K K K
 
=
 
và
min ax
,
m
I I I
K K K
 
=
 
Zhao, Tomizuka và Isaka
đã chuẩn hoá các tham số đó như sau:
min
ax min
P P
p
m
P P
K K
k
K K
−
=
−
;
min
ax min

D D
d
m
D D
K K
k
K K
−
=
−

và
min
ax min
I I
i
m
I I
K K
k
K K
−
=
−
để có 0≤ Hesok
P
, Hesokd và Hesoki

≤ 1 (2.43)
Như vậy, bộ chỉnh định mờ sẽ có hai đầu vào là e(t), và ba đầu ra là

Hesok
P
, Hesokd, Hesoki, trong đó:
2
;
i
P
i
D D
T
K
K
T K
α
α
= =
(2.44)
Và do đó, nó có thể xem nó như ba bộ chỉnh định mờ nhỏ, mỗi bộ có hai đầu
vào và một đầu ra.
2.4.3.1 Mô hình bộ điều khiển mờ
− Bộ điều khiển mờ cần 2 input và 1 output.
− Hai input là sai lệch vị trí góc (et) và đạo hàm của sai lệch vị trí góc (det)
của khớp 1 và 2.
− Output là tín hiệu điều khiển Hesokp, Hesokd và Hesoki(đã chuẩn hóa)
19
cho bộ PID.
Hình 2.27: Cấu trúc bộ chỉnh định mờ KP
Hình 2.28: Cấu trúc bộ chỉnh định mờ KD
20
Hình 2.29: Cấu trúc bộ chỉnh định mờ KI

2.4.3.2 Biến ngôn ngữ và miền giá trị của nó
Bộ điều chỉnh mờ vị trí gồm 2 biến trạng thái mờ đầu vào và hai biến điều
khiển mờ đầu ra. Mỗi biến được chia thành nhiều giá trị mờ. Việc chọn số giá trị
mờ phải đảm bảo phủ hết các khả năng cần thiết trong khi chỉ cần một số tối thiểu
các luật điều khiển mờ.
Miền giá trị của biến đầu vào (sai lệch ) được chọn là:
et1 = {-3,14 3,14}; (đơn vị tính: rad)
et2 = {-3,14 3,14}; (đơn vị tính: rad)
Ta chọn 7 tập giá trị ngôn ngữ như sau:
et = {âm nhiều, âm vừa, âm ít , không, dương ít, dương vừa, dương nhiều}
Với ký hiệu: NB = âm nhiều, NM = âm vừa, NS = âm ít, ZE = không, PS =
dương ít , PM =dương vừa, PB = dương nhiều, ta viết lại tập giá trị ngôn ngữ của
biến sai lệch vị trị et cho hai khớp như sau:
et1 = { NB, NM, NS, ZE, PS, PM, PB}.
et2 = { NB, NM, NS, ZE, PS, PM, PB}.
21
Miền giá trị của biến đầu vào đạo hàm của sai lệch det được chọn là:
det1 = et1 = {-3.14, 3.14} (đơn vị tính: rad/s)
det2 = et2 = {-3.14, 3.14} (đơn vị tính: rad/s)
Ta cũng chọn 7 tập giá trị ngôn ngữ như trên, ta viết lại tập giá trị ngôn ngữ
của biến sai lệch vị trị det cho hai khâu như sau:
det1 = { NB, NM, NS, ZE, PS, PM, PB}.
det2 = { NB, NM, NS, ZE, PS, PM, PB}.
Miền giá trị của biến đầu ra Hesokp, Hesokd và Hesoki được chuẩn hóa là:
Hesokp = Hesokd = Hesoki = {0, 1}
Ta chọn 4 tập giá trị ngôn ngữ như sau: {nhỏ , nhỏ vừa, vừa , lớn}. Với ký
hiệu: S = nhỏ, MS = nhỏ vừa, M = vừa, B = lớn, ta viết lại tập giá trị ngôn ngữ của
biến sai lệch vị trị et cho hai khâu như sau:
Hesokp = { S, MS, M, B }.
Hesokd = { S, MS, M, B }.

Hesoki = { S, MS, M, B }.
Chọn hàm thuộc dạng tam giác cân, sự phân bố các giá trị mờ như sau:
* Lưu ý : Miền giá trị của ba biến ngôn ngữ trên có thể thay đổi cho phù hợp
với điều kiện thực tế. Các miền giá trị của ba biến ngôn ngữ trên chỉ là giá trị phỏng
đoán, không phải là giá trị chính xác.
2.4.3.3 Xác định hàm liên thuộc (membership function).
Đây chính là một điểm cực kỳ quan trọng vì trong quá trình làm việc Bộ điều
khiển mờ phụ thuộc rất nhiều vào dạng và kiểu hàm liên thuộc. Cần chọn các hàm
liên thuộc có phần chồng lên nhau để không xuất hiện các “lỗ hổng”, điều này là rất
cần thiết. Nếu không sẽ gây ra hiện tượng cháy nguyên tắc và tạo ra các vùng chết.
22
-15 -10 -5 0 5 10 15
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
et1
Degree of membership
NB NM NS ZE PS PM PB
Hình 2.30: Mô hình rời rạc hóa hàm liên thuộc trapmf của biến et, det
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
HesoKP1

Degree of membership
S MS M B
Hình 2.31: Mô hình hàm liên thuộc của biến Hesokp , Hesokd và Hesoki
Hình 2.32: Xác định tập mờ cho biến vào et
23
Hình 2.33: Xác định tập mờ cho biến vào det
Rời rạc hóa các hàm liên thuộc đầu ra Hesokp , Hesokd và Hesoki :
Biến ngôn ngữ Hesokp, Hesokd và Hesoki có miền giá trị trong khoảng [0 1]
và có 4 hàm liên thuộc được rời rạc hóa như sau :
Hình 2.34: Xác định tập mờ cho biến ra Hesokp, Hesokd và Hesoki
2.4.3.4 Xây dựng các luật điều khiển
Bảng 2.2: Luật điều khiển Hesokp
Hesokp
det
NB NM NS ZE PS PM PB
NB B B B B B B B
NM M M B B B M M
NS S S MS M MS S S
ZE S S S MS S S S
PS S S MS M MS S S
24
PM M M B B B M M
PB B B B B B B B
Bảng 2.3: Luật điều khiển Hesokd
Hesokd
det
NB NM NS ZE PS PM PB
et
NB S S S S S S S
NM MS MS S S S MS MS

NS M MS MS S MS MS M
ZE B M MS MS MS M B
PS M MS MS S MS MS M
PM MS MS S S S MS MS
PB S S S S S S S
Bảng 2.4: Luật điều khiển Hesoki
Hesoki
dw/dt
NB NM NS ZE PS PM PB
e(t)
NB B B B B B B B
NM M M B B B M M
NS S MS M M M MS S
ZE S S MS MS MS S S
PS S MS M M M MS S
25