tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật NGHIÊN cứu và ỨNG DỤNG bộ điều KHIỂN mờ CHO hệ điều KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG CÁNH TAY ROBOT TRONG mặt PHẲNG THEO QUỸ đạo được NHẬN DẠNG TRƯỚC

1
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

HÀ XUÂN VINH
NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ
CHO HỆ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG CÁNH TAY
ROBOT TRONG MẶT PHẲNG THEO QUỸ ĐẠO
ĐƯỢC NHẬN DẠNG TRƯỚC
Chuyên ngành : Tự Động Hóa
Mã số:
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
THÁI NGUYÊN - 2010
Công trình được hoàn thành tại
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. NGUYỄN NHƯ HIỂN
Phản biện 1: TS. Nguyễn Văn Vỵ
Phản biện 2: TS. Trần Xuân Minh
Luận văn sẽ được bảo vệ tại Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ
ngành Tự động hóa Đại học Thái Nguyên vào ngày tháng 08 năm 2010.
Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Trung tâm thông tin Học liệu – Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái
Nguyên
- Trung tâm học liệu Đại học Thái Nguyên.
2
MỞ ĐẦU
Theo quá trình phát triển của xã hội, nhu cầu nâng cao sản xuất và chất
lượng sản phẩm ngày càng đòi hỏi ứng dụng rộng rãi các phương tiện tự động hóa
sản xuất. Xu hướng tạo ra những dây chuyền và thiết bị tự động có tính linh hoạt
cao đã hình thành và phát triển mạnh mẽ. Vì thế ngày càng tăng nhanh nhu cầu ứng
dụng người máy để tạo ra các hệ sản xuất tự động linh hoạt.

Robot đóng vai trò quan trọng trong tự động hoá linh hoạt như công tác vận
chuyển bổ trợ cho máy CNC, trong dây chuyền lắp ráp, sơn hàn tự động, trong các
thao tác lặp đi lặp lại, trong các vùng nguy hiểm. Ưu điểm quan trọng nhất của kỹ
thuật robot là tạo nên khả năng linh hoạt hóa sản xuất.
Để hệ điều khiển Robot (ĐKRB) có độ tin cậy, độ chính xác cao, giá thành
hạ và tiết kiệm năng lượng thì nhiệm vụ cơ bản là hệ ĐKRB phải đảm bảo giá trị
yêu cầu của các đại lượng điều chỉnh và điều khiển. Khi thiết kế hệ ĐKRB mà trong
đó sử dụng các hệ điều chỉnh tự động truyền động, cần phải đảm bảo hệ thực hiện
được tất cả các yêu cầu về công nghệ, các chỉ tiêu chất lượng và các yêu cầu kinh
tế Đối với hệ ĐKRB, việc lựa chọn sử dụng các bộ biến đổi, các loại động cơ điện,
các thiết bị đo lường, cảm biến, các bộ điều khiển và đặc biệt là phương pháp điều
khiển có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng điều khiển bám chính xác quỹ đạo của
hệ.
Đặc điểm cơ bản của hệ thống ĐKRB là thực hiện được điều khiển bám theo
một quỹ đạo phức tạp đặt trước trong không gian, tuy nhiên khi dịch chuyển thì
trọng tâm của các chuyển động thành phần và mômen quán tính của hệ sẽ thay đổi,
điều đó dẫn đến thông số động học của hệ cũng thay đổi theo quỹ đạo chuyển động
và đồng thời xuất hiện những lực tác động qua lại, xuyên chéo giữa các chuyển
động thành phần trong hệ với nhau. Các yếu tố trên tác động sẽ làm cho hệ ĐKRB
3
mang tính phi tuyến, gây cản trở rất lớn cho việc mô tả và nhận dạng chính xác hệ
thống ĐKRB.
Căn cứ vào những nhận xét, đánh giá trên, tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu và
ứng dụng bộ Điều khiển mờ cho hệ điều khiển chuyển động cánh tay Robot
trong mặt phẳng theo quỹ đạo được nhận dạng trước ” để làm đề tài nghiên
cứu.
Nội dung của luận văn được chia thành 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về Robot và Điều khiển mờ.
Chương 2: Thiết kế bộ điều khiển mờ chỉnh định bộ tham số PID để điều
khiển chuyển động cánh tay Robot trong mặt phẳng theo quỹ đạo được nhận

dạng trước.
Chương 3: Mô phỏng và đánh giá chất lượng hệ thống.
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 07 năm 2010
Người thực hiện
4
Hà Xuân Vinh
5
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ROBOT VÀ ĐIỀU KHIỂN MỞ
1.1 Tổng quan về Robot
1.1.1 Lịch sử phát triển
Đầu thập kỷ 60 của thế kỷ XX, công ty AMF của Mỹ đã quảng cáo một loại
máy tự động vạn năng và gọi là “Người máy công nghiệp”. Ngày nay, các thiết bị
được điều khiển tự động thực hiện các chức năng thay thế con người để tiến hành
các thao tác trong sản xuất hoặc các nhiệm vụ khác được gọi là robot.
Cùng với sự phát triển không ngừng của lý thuyết điều khiển, cũng như nhu
cầu sử dụng robot trong công nghiệp, người ta đã nghiên cứu và ứng dụng trong
thực tế các phương pháp điều khiển robot và cánh tay robot, ví dụ như:
- Các phương pháp điều khiển kinh điển, sử dụng các bộ điều khiển PID

nhằm đảm bảo cho điểm tác động cuối (end-effector) của tay máy dịch chuyển bám
theo một quỹ đạo định trước;
- Các phương pháp điều khiển hiện đại: điều khiển tối ưu, điều khiển thích
nghi, điều khiển bền vững (điều khiển mờ, điều khiển trượt, …).
1.1.2 Hệ truyền động trong Robot
1.1.2.1 Truyền động điện
1.1.2.2 Truyền động khí nén và thuỷ lực
1.1.3 Vần đề điều khiển cánh tay Robot
1.1.3.1 Khái quát
Cấu trúc của robot thường bao gồm các thành phần chính như:
- Cánh tay robot,
- Hệ thống,
- Dụng cụ gắn trên khâu chấp hành cuối,
- Các cảm biến,
- Các bộ điều khiển,
- Các phần mềm lập trình,
6
x
y
z
l
1
l
g1
J
1
m
1
m
2

J
2
x
2
y
2
l
2
l
g2
θ
1
θ
2
y
x
Cánh tay robot là thành phần quan trọng, nó quyết định khả năng làm việc
của robot. Mô hình cấu trúc chung của cánh tay robot gồm n khâu như Hình 1.1.
Hình 1.1: Sơ đồ minh hoạ cánh tay robot n khâu
1.1.3.2 Vấn đề điều khiển cánh tay Robot
Trong phạm vi đề tài này, tác giả tập trung vào việc nghiên cứu điều khiển
cánh tay robot với những giới hạn sau:
- Điều khiển cánh tay robot hai khâu quay (Hình 1.2) hai bậc tự do (2DOF)
với thông số cho ở Bảng 1.2.
- Hệ dẫn động gồm hai động cơ điện một chiều kích từ độc lập dùng để tạo
ra mô men quay cho hai khớp của robot.
- Phương thức dịch chuyển theo quỹ đạo.
Hình 1.2: Sơ đồ cánh tay robot 2DOF
Bảng 1.2: Thông số vật lý của cánh tay robot 2DOF
Thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị

z
1
z
2
z
3
z
n
khâu 1
khâu 2
khâu n
z
0
x
0
y
0
khớp 1
khớp 2
q
1
q
2
q
3
q
n
7
tính
Chiều dài khâu 1 l

1
0,26 m
Chiều dài khâu 2 l
2
0,26 m
Khoảng cách đến trọng tâm của
khâu 1
l
g1
0,0983 m
Khoảng cách đến trọng tâm của
khâu 2
l
g2
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
nhất
I

1
0,1213 kg.m
2
Gia tốc trọng trường g 9,81 m/s
2
1.1.3.3 Động học của cánh tay Robot 2DOF
a. Động học thuận
b. Động học ngược
c. Động lực học cánh tay robot 2DOF
1.2 Giới thiệu về lý thuyết điều khiển logic mờ
1.2.1 Lịch sử phát triển Logic mờ
1.2.2 Bộ điều khiển mờ lý tưởng
1.2.3 Điều khiển mờ cơ bản
Sơ đồ khối của bộ điều khiển gồm có 4 khối: khối mờ hóa (fuzzifiers), khối
hợp thành, khối luật mờ và khối giải mờ (defuzzifiers) như hình .
8
Hình 1.3: Sơ đồ khối chức năng của bộ điều khiển mờ
1.2.3.1 Khối mờ hóa
1.2.3.2 Khối hợp thành
1.2.3.3 Khối luật mờ
1.2.3.4 Khối giải mờ
1.2.4 Tính ổn định của hệ điều khiển mờ
1.2.5 Tối ưu
1.2.6 Kết luận về điều khiển mờ.
CHƯƠNG 2
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH BỘ THAM SỐ PID ĐỂ
ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG ROBOT TRONG MẶT PHẲNG THEO QUỸ
ĐẠO ĐƯỢC NHẬN DẠNG TRƯỚC
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.
Một điều cần chú ý nữa là, trong các vòng điều chỉnh đều có phản hồi. Để có
được tín hiệu phản hồi, chúng ta sử dụng các bộ cảm biến dòng (cho phản hồi
dòng), máy phát tốc (cho phản hồi tốc độ) và cảm biến vị trí có thể dùng encoder,
Khối mờ hóa
Khối hợp
thành
Giải mờ
(Defuzzifiers)
Khối luật mờ
Đầu vào
X
Đầu ra
Y
9
Tất cả các bộ cảm biến để có tín hiệu phản hồi đều được đặc trưng bởi hàm truyền
quán tính bậc nhất với các hằng số thời gian trễ cho trước.
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.
a. Động cơ điện một chiều
Bảng 2.1: Các thông số của 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
k
g.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
N
m
Khả năng mang tải M 134 N
10
b. Các phương trình mô tả động cơ điện một chiều
c. Sơ đồ cấu trúc của động cơ điện một chiều
Từ các kết quả trên, động cơ điện một chiều kích từ độc lập với từ thông
không đổi và bỏ qua mô men ma sát trên trục động cơ có sơ đồ cấu trúc như sau:
Hình 2.2: Cấu trúc của động cơ điện một chiều khi từ thông không đổi.
2.2.1.2 Bộ chỉnh lưu.
Hàm truyền của bộ chỉnh lưu có dạng:
2 3
( ) .
( ) ( ) ( )
1
1
1! 2! 3! !

cl
p
cl cl cl
cl cl
kT p
cl cl cl cl
cl
K K K
W s K e
T p T p T p T p
e T p
k
τ
−
= = = ≈
+
+ + + + +
(2.8)
(do T<<1).Theo đề bài ta có U
adm
= 100 (V), do đó K
cl
= 10; T
cl
≈ 0.00167 (s)
2.2.1.3 Biến dòng:
Tính chất của bộ biến dòng tương tự với bộ chỉnh lưu, ta có hàm truyền bộ
biến dòng là:
1
I

bd
I
K
W
T p
=
+
(2.9)
Chọn K
I
= I
dm
/10 = 0.6; T
I
= 0.001 (s).
2.2.1.4 Máy phát tốc:
Hàm truyền của máy phát tốc có dạng:
1
K
W
T p
ω
ω
ω
=
+
(2.10)
-
τ
L

-
E
b
τ
q
11
Trong đó,
/10 2 / 600 3.14
dm dm
K n
ω
ω π
= = ≈
; Chọn
0.001( )T s
ω
=
.
2.2.1.5 Cảm biến vị trí:
Hàm truyền của nó cũng có dạng.
1+
=
sT
K
W
vt
vt
vf
(2.11)
Chọn K

vt
= 0.032; T
vt
= 0.003 (s).
2.2.2 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng (RI):
Hình 2.4: Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh dòng điện.
Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu modul ta có hàm truyền của hệ thống kín:
OM
2 2
1
F i =
1 2 2p p
σ σ
τ τ
+ +
(2-15)
Chọn τ
σ
= min(T
si
, T
ư
) = T
si
Vậy ta có hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện:
(-)

K
b

K
a
Jp
1
Ui(p)
U
đk
(p)
ω
(-)
M
c

R
i

Ui
đ
(-) E(p)
U
đ

12
u
i
cl i si u
1 RT
1
R (p) = . 1
2K .K .T pT

2 . . .
u
si
cl i
u
PT
T
p K K
R
 
+
= +
 ÷
 
(2-17)
i P
R (p) = K
p
I
K
+
R
i
(p) là khâu tỷ lệ - tích phân (PI).
Với:
P
cl
K
2K
u u

I si
R T
K T
=
;
I
K
2. . .
u
P
u cl i si
R
K
T K K T
= =
Kết quả khi tổng hợp mạch vòng dòng điện bằng tiêu chuẩn tối ưu modul ta
có:
OMi
2 2
( )
1 1
F (p) =
( ) 1 2 2 1 2
i
id Si Si Si
U p
U p T p T p T p
= =
+ + +
(2-18)

Vậy sơ đồ cấu trúc của hệ điều chỉnh vị trí còn lại như hình 2.6, trong đó ta
lấy hàm truyền đạt của mạch vòng dòng điện là khâu quán tính bậc nhất, bỏ qua các
bậc cao.
13


Hình 2.6: Sơ đồ cấu trúc của hệ điều chỉnh vị trí.
2.2.3 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ ():
Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu đối xứng:
OD
2 2 3 3
1 4
F =
1 4 8 8
p
p p p
σ
ω
σ σ σ
τ
τ τ τ
+
+ + +
(2-23)
Chọn τ
σ
= T
s
ω
ta có:

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

14
sω
2
ω
sω
1 u c
1 4T p
R (p) =
R.K
8T p
K .C .T
I
P
K
K
p
ω
ω ω

+
= +
(2-25)
Vậy R
ω
là khâu tỷ lệ - tích phân (PI).
2.2.4 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh vị trí (
R
ϕ
).
Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều chỉnh vị trí còn lại như hình 2.8:
Hình 2. 8
Khi tổng hợp mạch vòng tốc độ dùng chuẩn tối ưu đối xứng ta có hàm truyền
của đối tượng:
0
.
S (p) =
(1 4 . ) (1 )
vt
r
s vt
K
K
K
T p p pT
ω
ϕ
ω
+ +
(2-33)

Chọn: τ
σ
= T
vt
ta có:
ϕ
đ
(p)
(-)
R
ϕ



Khi dùng
chuẩn tối
ưu modul
p
K
r
Khi dùng
chuẩn tối
ưu đối
xứng
1
vt
vt
K
pT
+

15
s
R (p) = (1 + 4T p)
. .2
r vt vt
K
K K T
ω
ϕ ω
(2-34)
R
ϕ

= K
ϕ
P
+ K
ϕ
D
. p
Với:
P
K =
. .2
r vt vt
K
K K T
ω
ϕ
&

D
.2.
K =
. .
s
r vt vt
K T
K K T
ω ω
ϕ
(2-35)
R
ϕ

cũng là khâu tỷ lệ - đạo hàm (PD).
2.2.5 Tính phi tuyến của bộ điều khiển vị trí.
2.3 Xây dựng bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID để điều
chỉnh vị trí cho cánh tay Robot 2DOF.
2.3.1 Đặt vấn đề
2.3.2 Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID
2.3.3 Tổng hợp mô hình bộ điều khiển mờ chỉnh định bộ tham số PD.
Hình 2.14: Sơ đồ bộ điều khiển mờ
− Bộ điều khiển mờ cần 2 input và 2 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.
− Hai output là tín hiệu điều khiển Hesokp và Hesokd (đã chuẩn hóa) cho
bộ PD.
2.3.3.1 Biến ngôn ngữ và miền giá trị của nó
Miền giá trị của biến đầu vào (sai lệch ) được chọn là:
16

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}.
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)
det1 = { NB, NM, NS, ZE, PS, PM, PB}.
det2 = { NB, NM, NS, ZE, PS, PM, PB}.
Miền giá trị của biến đầu ra Hesokp và Hesokd được chuẩn hóa là:
Hesokp = Hesokd = {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 khớp như sau:
Hesokp = { S, MS, M, B }.
Hesokd = { S, MS, M, B }.
2.3.3.2 Xác định hàm liên thuộc (membership function).
17
-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 2.17: 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 2.18: Mô hình hàm liên thuộc
trapmf của biến Hesokp , Hesokd
Rời rạc hóa hàm liên thuộc của biến đầu vào et, det
μ
NB
= {-4.078 -3.245 -3.035 -2.198}
μ
NM
= {-3.035 -2.198 -1.989 -1.151}
μ
NS
= {-1.989 -1.151 -0.9414 -0.1046}
μ
ZE
= {-0.9414 -0.1046 0.1046 0.9414}

μ
PS
= { 0.1046 0.9414 1.151 1.989}
μ
PM
= {1.151 1.989 2.198 3.035}
μ
PB
= {2.198 3.035 3.245 4.078}
Rời rạc hóa các hàm liên thuộc đầu ra Hesokp , Hesokd :
μ
S
= {-0.2999 -0.03332 0.03333 0.3}
μ
MS
= {0.03333 0.3 0.3666 0.6332 }
μ
M
= {0.3666 0.6332 0.6998 0.9667}
μ
B
= {0.6998 0.9667 1.033 1.301}
2.3.3.3 Xây dựng các luật điều khiển
Xây dựng các luật điều khiển cần chú ý các lỗ hổng. Ta biểu diễn các luật
điều khiển này dưới dạng ma trận như sau :
Bảng 2.2: Luật điều khiển Hesokp
18
Hesokp det
NB NM NS ZE PS PM PB
et

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
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
Cách biểu diễn bằng ma trận như trên rất tiện lợi và bao quát. Ta có thể thấy
có 49 luật. Các luật điều khiển được thiết lập dựa trên mệnh đề hợp thành với hai
điều kiện và hai kết luận.
2.3.3.4 Luật hợp thành
2.4 Kết luận Chương 2
19
Việc áp dụng lô-gic mờ đã cho tạo ra các bộ điều khiển mờ, mờ lai, với
những tính chất khá tốt nhằm đáp ứng yêu cầu trong điều khiển tự động, ví dụ điều
khiển các đối tượng phức tạp. Ngoài ra, các bộ điều khiển mờ cho phép lặp lại các
tính chất của các bộ điều khiển kinh điển.
Việc thiết kế bộ điều khiển mờ cũng rất đa dạng, qua việc tổ chức các

nguyên tắc điều khiển và chọn tập mờ cho các biến ngôn ngữ cho phép người ta
thiết kế các bộ điều khiển mờ khác nhau.
Khối lượng công việc cần thực hiện khi thiết kế một bộ điều khiển mờ không
phụ thuộc vào đặc tính của đối tượng. Điều này có nghĩa là quá trình xử lý của một
bộ điều khiển mờ với những nguyên tắc điều khiển cho các đối tượng có đặc tính
động học khác nhau là hoàn toàn như nhau.
CHƯƠNG 3
MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG
3.1 Mô phỏng hệ thống điều khiển chuyển động cánh tay Robot sử dụng
bộ điều chỉnh PID.
3.1.1 Mô hình simulink hệ thống điều khiển chuyển động cánh tay Robot sử
dụng bộ điều chỉnh PID.
20
Hình 3.1: Mô hình hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID
3.1.2 Kết quả mô phỏng điều khiển vị trí của cánh tay Robot dùng bộ hiệu
chỉnh PID(với trường hợp khối lượng tải Mt=0; moment quán tính tải Jt=0).
* Kết quả về quỹ đạo di chuyển của Robot theo quỹ đạo đặt.
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
Quy dao
Toa do X
Toa do Y


Quy dao dat

Quy dao thuc Robot
Hình 3.9: 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 D AO
Thoi gian t
Sai lech
Hình 3.10: 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
21
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 khớp, 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.
3.2 Mô phỏng hệ thống điều khiển chuyển động cánh tay Robot sử dụng bộ

chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PD.
3.2.1 Mô hình simulink hệ thống điều khiển chuyển động cánh tay Robot sử
dụng bộ chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PD.
Hình 3.23: Mô hình hệ thống sử dụng bộ chỉnh định tham số bộ điều khiển PD
3.2.2 Kết quả mô phỏng điều khiển vị trí của cánh tay Robot dùng bộ chỉnh
định mờ tham số bộ điều khiển PD(với trường hợp khối lượng tải Mt=0;
moment quán tính tải Jt=0).
22
* Kết quả về quỹ đạo di chuyển của Robot theo quỹ đạo đặt.
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
Quy dao
Toa do X
Toa do Y


Quy dao dat
Quy dao thuc Robot
Hình 3.28: Đồ thị quỹ đạo đặt và quỹ đạo
Robot dùng Fuzzy
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
0
0.005
0.01
0.015

0.02
0.025
SAI LECH QUY DAO
Thoi gian t
Sai lech
Hình 3.29: Đồ thị sai lệch quỹ đạo dùng
Fuzzy
3.3 So sánh quỹ đạo giữa PID và Chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PD
3.3.1 Trường hợp Mt = 0.
a. Sai lệch quỹ đạo cánh tay Robot.
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
0.03
Do thi sai lech quy dao Robot
Thoi gian [s]
sai lech quy dao[m]


Sai lech quy dao PID
Sai lech quy dao FUZZY
Hình 3.42: Sai lệch quỹ đạo dùng PID và Fuzzy
b. Sai lệch góc quay hai khớp của cánh tay Robot.
23
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
-0.6

-0.5
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0
0.1
Do thi goc quay khop 1
Thoi gian [s]
goc quay [rad]


Tin hieu goc quay dat
Tin hieu goc quay thuc PID
Tin hieu goc quay thuc Fuzzy
Hình 3.43: Đồ thị góc quay khớp 1 giữa
giá trị đặt, PID và Fuzzy
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
Do thi goc quay khop 2
Thoi gian [s]
goc quay [rad]

Tin hieu goc quay dat
Tin hieu goc quay thuc PID
Tin hieu goc quay thuc Fuzzy
Hình 3.44: Đồ thị góc quay khớp 2 giữa
giá trị đặt, PID và Fuzzy
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
-0.04
-0.03
-0.02
-0.01
0
0.01
0.02
0.03
Do thi sai lech goc quay khop 1
Thoi gian [s]
goc sai lech [rad]


Sai lech q1 PID
Sai lech q1 FUZZY
Hình 3.45: Đồ thị sai lệch góc
quay khớp 1 giữa PID và Fuzzy
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
-0.06
-0.04
-0.02
0
0.02

0.04
0.06
Do thi sai lech goc quay khop 2
Thoi gian [s]
goc sai lech [rad]


Sai lech q2 PID
Sai lech q2 FUZZY
Hình 3.46: Đồ thị sai lệch góc quay
khớp 2 giữa PID và Fuzzy
c. Sai lệch về tốc độ góc quay hai khớp.
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
Do thi sai lech toc do goc quay khop 1
Thoi gian [s]
toc do sai lech [rad]


Sai lech toc do q1 PID
Sai lech toc do q1 FUZZY
Hình 3.47: Đồ thị sai lệch tốc độ góc
khớp 1 giữa PID và Fuzzy

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
Do thi sai lech toc do goc quay khop 2
Thoi gian [s]
toc do sai lech [rad]


Sai lech toc do q2 PID
Sai lech toc do q2 FUZZY
Hình 3.48: Đồ thị sai lệch tốc độ góc
khớp 2 giữa PID và Fuzzy
3.3.2 Trường hợp Mt = 1.
a. Sai lệch quỹ đạo cánh tay Robot.
24
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
0.03

0.035
0.04
Do thi sai lech quy dao Robot
Thoi gian [s]
sai lech quy dao[m]


Sai lech quy dao PID
Sai lech quy dao FUZZY
Hình 3.49: Đồ thị góc sai lệch quỹ đạo giữa PID và Fuzzy
Dựa vào đồ thị so sánh hai sai lệch quỹ đạo khi dùng PID và dùng bộ chỉnh
định mờ các tham số bộ điều khiển PD, ta thấy rằng độ sai lệch quỹ đạo ở cả hai
trường hợp gần bằng nhau. Tuy nhiên biên độ dao động ở các thời gian quá độ ở bộ
chỉnh định mờ giảm so với bộ điều khiển PID.
b. Sai lệch góc quay hai khớp của cánh tay Robot.
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
-0.6
-0.5
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0
0.1
Do thi goc quay khop 1
Thoi gian [s]
goc quay [rad]


Tin hieu goc quay dat

Tin hieu goc quay thuc PID
Tin hieu goc quay thuc Fuzzy
Hình 3.50: Đồ thị góc quay khớp 1
giữa giá trị đặt, PID và Fuzzy
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
Do thi goc quay khop 2
Thoi gian [s]
goc quay [rad]


Tin hieu goc quay dat
Tin hieu goc quay thuc PID
Tin hieu goc quay thuc Fuzzy
Hình 3.51: Đồ thị góc quay
khớp 2 giữa giá trị đặt, PID và Fuzzy
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
-0.05
-0.04
-0.03
-0.02
-0.01
0

0.01
0.02
0.03
0.04
Do thi sai lech goc quay khop 1
Thoi gian [s]
goc sai lech [rad]


Sai lech q1 PID
Sai lech q1 FUZZY
Hình 3.52: Đồ thị sai lệch góc quay
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
-0.06
-0.04
-0.02
0
0.02
0.04
0.06
0.08
Do thi sai lech goc quay khop 2
Thoi gian [s]
goc sai lech [rad]


Sai lech q2 PID
Sai lech q2 FUZZY
Hình 3.53: Đồ thị sai lệch góc
25