Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển hiện đại cho hệ điều khiển các chuyển động của Robot theo quỹ đạo phẳng
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (325.33 KB, 27 trang )
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
---------------------------------------
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN HIỆN
ĐẠI CHO HỆ ĐIỀU KHIỂN CÁC CHUYỂN ĐỘNG
CỦA ROBOT THEO QUỸ ĐẠO PHẲNG
Ngành
: TỰ ĐỘNG HÓA
Mã số
:
Học viên
: ĐÀO QUỐC CHÍNH
Cán bộ HDKH : PGS.TS. NGUYỄN NHƯ HIỂN
THÁI NGUYÊN - 2010
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP
*****
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
--------------------------------------
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA
TÊN ĐỀ TÀI
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN HIỆN ĐẠI CHO HỆ
ĐIỀU KHIỂN CÁC CHUYỂN ĐỘNG CỦA ROBOT
THEO QUỸ ĐẠO PHẲNG
Học viên
: Đào Quốc Chính
Lớp
: Cao học K11-TĐH
Cán bộ HDKH: PGS.TS Nguyễn Nhƣ Hiển
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC
HỌC VIÊN
PGS.TS Nguyễn Nhƣ Hiển
Đào Quốc Chính
BAN GIÁM HIỆU
KHOA SAU ĐẠI HỌC
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
1
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình do tôi tự làm và nghiên cứu,
trong luận văn có sử dụng một số tài liệu tham khảo như đã nêu trong phần tài liệu
tham khảo.
Tác giả luận văn
Đào Quốc Chính
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
2
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................. 1
MỤC LỤC.............................................................................................................. 2
DANH MỤC CÁC BẢNG ..................................................................................... 5
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ................................................................ 6
MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 9
CHƢƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ ROBOT VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP ............. 11
ĐIỀU KHIỂN HIỆN ĐẠI.................................................................................... 11
1.1 Tổng quan về Robot.............................................................................................. 11
1.1.1 Lịch sử phát triển ........................................................................................... 11
1.1.2 Hệ truyền động trong Robot ........................................................................... 12
1.1.2.1 Truyền động điện ..................................................................................... 12
1.1.2.2 Truyền động khí nén và thuỷ lực ............................................................. 13
1.1.3 Vần đề điều khiển cánh tay Robot .................................................................. 13
1.1.3.1 Khái quát ................................................................................................. 13
1.1.3.2 Vấn đề điều khiển cánh tay Robot ........................................................... 14
1.1.3.3 Động học của cánh tay Robot 2DOF ....................................................... 16
1.2 Giới thiệu về lý thuyết điều khiển logic mờ ............................................................ 20
1.2.1 Lịch sử phát triển Logic mờ ........................................................................... 20
1.2.2 Bộ điều khiển mờ lý tưởng ............................................................................. 20
1.2.3 Điều khiển mờ cơ bản .................................................................................... 21
1.2.3.1 Khối mờ hóa ........................................................................................... 22
1.2.3.2 Khối hợp thành ........................................................................................ 22
1.2.3.3 Khối luật mờ ........................................................................................... 23
1.2.3.4 Khối giải mờ .......................................................................................... 23
1.2.4 Tính ổn định của hệ điều khiển mờ................................................................. 25
1.2.4.1 Những điểm cần lưu ý ............................................................................. 25
1.2.4.2 Khảo sát tính ổn định của hệ mờ .............................................................. 27
1.2.5 Tối ưu ............................................................................................................ 28
1.2.6 Kết luận về điều khiển mờ .............................................................................. 29
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
3
1.2.6.1 Ưu điểm .................................................................................................. 29
1.2.6.2 Khuyết điểm ............................................................................................ 30
1.3. Hệ điều khiển mờ lai (F - PID)............................................................................ ....31
1.3.1 Khái niệm........................................................................................................... .31
1.3.2 Các dạng hệ mờ lai phổ biến............................................................................. ..32
1.3.2.1. Hệ lai không thích nghi có bộ điều khiển kinh điển.................................. ..32
1.3.2.2 Hệ mờ lai Cascade........................................................................................33
1.3.2.3 Điều khiển công tắc thích nghi bằng khóa mờ.............................................33
CHƢƠNG 2 ......................................................................................................... 34
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI CASCADE ĐỂ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN
ĐỘNG ROBOT 2DOF THEO QUỸ ĐẠO PHẲNG................................................. 34
2.1 Khái quát ............................................................................................................... 34
2.2 Tổng hợp bộ điều chỉnh vị trí PID cho động cơ điện một chiều .............................. 35
2.2.1 Các thông số ban đầu ...................................................................................... 35
2.2.1.1 Động cơ điện một chiều. ........................................................................... 35
2.2.1.2 Bộ chỉnh lưu. ............................................................................................ 38
2.2.1.3 Biến dòng: ................................................................................................ 39
2.2.1.4 Máy phát tốc: ........................................................................................... 39
2.2.1.5 Cảm biến vị trí: ........................................................................................ 39
2.2.2 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng (RI):.................................................... 40
2.2.3 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ ( R ): ................................................ 43
2.2.4 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh vị trí ( R ). .................................................. 46
2.2.5 Tính phi tuyến của bộ điều khiển vị trí. ........................................................... 49
2.3 Xây dựng bộ điều khiển mờ lai cascade để điều chỉnh vị trí cho cánh tay Robot
2DOF. ......................................................................................................................... 51
2.3.1 Đặt vấn đề ....................................................................................................... 51
2.3.2 Bộ điều khiển mờ lai cascade .......................................................................... 52
2.3.2.1 Biến ngôn ngữ và miền giá trị của nó ....................................................... 53
2.3.2.2 Xác định hàm liên thuộc (membership function)....................................... 54
2.3.2.3 Xây dựng các luật điều khiển.................................................................... 56
2.3.2.4 Luật hợp thành ......................................................................................... 57
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
4
2.4 Kết luận Chương 2 ................................................................................................. 57
CHƢƠNG 3 ........................................................................................................ 58
MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG ........................... 58
3.1 Mô phỏng hệ thống điều khiển chuyển động cánh tay Robot sử dụng bộ điều chỉnh
PID.............................................................................................................................. 58
3.1.1 Mô hình simulink hệ thống điều khiển chuyển động cánh tay Robot sử dụng bộ
điều chỉnh PID. ........................................................................................................ 58
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; mô men quán tính tải Jt=0). ........................... 60
3.2 Mô phỏng hệ thống điều khiển chuyển động cánh tay Robot sử dụng bộ mờ lai. .... 66
3.2.1 Mô hình simulink hệ thống điều khiển chuyển động cánh tay Robot sử dụng bộ
mờ lai. ..................................................................................................................... 66
3.2.2 Kết quả mô phỏng điều khiển vị trí của cánh tay Robot dùng bộ mờ lai (với
trường hợp khối lượng tải Mt = 0; mô men quán tính tải Jt = 0). .............................. 66
3.3 So sánh quỹ đạo giữa PID và Mờ lai. .................................................................... 73
3.3.1 Trường hợp Mt = 0, Jt = 0. .............................................................................. 73
3.3.2 Trường hợp Mt = 1, Jt = 0.5. ........................................................................... 76
3.3.3 Trường hợp Mt=2, Jt = 0.5. ............................................................................. 79
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................. 84
1.Kết luận. ................................................................................................................... 84
2. Kiến nghị. ................................................................................................................ 84
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 85
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
5
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Dịch chuyển theo quĩ đạo và theo điểm đến điểm của cánh tay Robot ... 15
Bảng 1.2: Thông số vật lý của cánh tay Robot 2DOF ............................................ 16
Bảng 2.1: Các thông số của động cơ điện một chiều .............................................. 36
Bảng 2.2: Luật điều khiển deltaUdk ........................................................................ 56
Bảng 2.3: Luật điều khiển xây dựng bằng MATLAB ............................................ 57
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Sơ đồ minh hoạ cánh tay Robot n khâu ............................................................ 14
Hình 1.2: Sơ đồ cánh tay Robot 2DOF ............................................................................ 15
Hình 1.3: Sơ đồ khối chức năng của bộ điều khiển mờ ................................................... 22
Hình 1.4: Sơ đồ xác đị nh trung bì nh tâm ......................................................................... 25
Hình 2.1: Sơ đồ thay thế động cơ điện một chiều kích từ độc lập ..................................... 35
Hình 2.2: Cấu trúc của động cơ điện một chiều khi từ thông không đổi. .......................... 38
Hình 2.3. Sơ đồ khối mạch chỉnh lưu có điều khiển. ....................................................... 38
Hình 2.4: Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh dòng điện. ........................................................... 40
Hình 2.5. ......................................................................................................................... 41
Hình 2.6: Sơ đồ cấu trúc của hệ điều chỉnh vị trí………………………………………….41
Hình 2.7:...............................................................................................................................43
Hình 2.8................................................................................................................................44
Hình 2. 9 ......................................................................................................................... 47
Hình 2.10: Sơ đồ cấu trúc của hệ điều chỉnh vị trí ............................................................ 49
Hình 2. 11: Quan hệ giữa và .............................................................................. .........50
Hình 2. 12: Sơ đồ cấu trúc bộ mờ lai.............................................................................52
Hình 2.13: Cấu trúc bộ mờ lai khớp 1 .............................................................................. 52
Hình 2.14: Cấu trúc bộ mờ lai khớp 2 .............................................................................. 53
Hình 2.15 Xác định tập mờ cho biến vào eq1................................................................... 55
Hình 2.16 Xác định tập mờ cho biến vào deq1 ................................................................. 55
Hình 2.17 Xác định tập mờ cho biến đầu ra deltaUdk ....................................................... 56
Hình 3.1 Mô hình hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID.................................................... 58
Hình 3.2 Mô hình khối điều khiển dòng điện và tốc độ động cơ 1 .................................... 58
Hình 3.3 Mô hình khối điều khiển dòng điện và tốc độ động cơ 2 .................................... 59
Hình 3.4 Mô hình khối subsystem1 ................................................................................. 59
Hình 3.5 Mô hình khối subsystem2 ................................................................................. 59
Hình 3.6 Mô hình khâu phản hồi vị trí 1 .......................................................................... 59
Hình 3.7 Mô hình khâu phản hồi vị trí 2 .......................................................................... 59
Hình 3.8 Mô hình Robot 2DOF ....................................................................................... 60
Hình 3.9 Đồ thị quỹ đạo đặt và quỹ đạo thực của Robot dùng PID ................................... 60
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
7
Hình 3.10 Đồ thị sai lệch quỹ đạo dùng PID .................................................................... 61
Hình 3.11 So sánh quỹ đạo góc đặt và quỹ đạo góc ra của khớp 1 .................................... 62
Hình 3.12 Sai lệch góc của khớp 1 ................................................................................... 62
Hình 3.13 Tốc độ sai lệch góc của khớp 1........................................................................ 62
Hình 3.14 Dòng điện Động cơ 1 ...................................................................................... 63
Hình 3.15 Tốc độ của Động cơ 1 ..................................................................................... 63
Hình 3.16 So sánh quỹ đạo góc đặt và quỹ đạo góc ra của khớp 2 .................................... 63
Hình 3.17 Sai lệch quỹ đạo góc khớp 2 ............................................................................ 64
Hình 3.18 Tốc độ sai lệch quỹ đạo góc khớp 2................................................................. 64
Hình 3.19 Dòng điện Động cơ 2 ...................................................................................... 65
Hình 3.20 Tốc độ Động cơ 2 ........................................................................................... 65
Hình 3.21 Mô hình hệ thống sử dụng bộ mờ lai ............................................................... 66
Hình 3.22 Kết quả mô phỏng bằng RuleWiewer FLC1 .................................................... 66
Hình 3.23 Kết quả mô phỏng bằng RuleWiewer FLC2 .................................................... 67
Hình 3.25 Đồ thị sai lệch quỹ đạo dùng Fuzzy ................................................................. 68
Hình 3.26 Đồ thị so sánh quỹ đạo góc đặt và quỹ đạo góc ra của khớp 1.......................... 68
Hình 3.27 Sai lệch góc của khớp 1 ................................................................................... 69
Hình 3.28 Tốc độ sai lệch góc của khớp 1........................................................................ 69
Hình 3.29 Dòng điện Động cơ 1 ...................................................................................... 70
Hình 3.30 Tốc độ Động cơ 1 ........................................................................................... 70
Hình 3.31 Đồ thị so sánh quỹ đạo góc đặt và quỹ đạo góc ra của khớp 2 .......................... 71
Hình 3.32 Sai lệch quỹ đạo góc khớp 2 ............................................................................ 71
Hình 3.33 Tốc độ sai lệch quỹ đạo góc khớp 2................................................................. 72
Hình 3.34 Dòng điện Động cơ 2 ...................................................................................... 72
Hình 3.35 Tốc độ Động cơ 2 ........................................................................................... 73
Hình 3.36 Sai lệch quỹ đạo dùng PID và Fuzzy ............................................................... 73
Hình 3.37 Đồ thị góc quay khớp 1 giữa giá trị đặt, PID và Fuzzy..................................... 74
Hình 3.38 Đồ thị góc quay khớp 2 giữa giá trị đặt, PID và Fuzzy..................................... 74
Hình 3.39 Đồ thị sai lệch góc quay khớp 1 giữa PID và Fuzzy ......................................... 75
Hình 3.40 Đồ thị sai lệch góc quay khớp 2 giữa PID và Fuzzy ......................................... 75
Hình 3.41 Đồ thị sai lệch tốc độ góc khớp 1 giữa PID và Fuzzy....................................... 76
Hình 3.42 Đồ thị sai lệch tốc độ góc khớp 2 giữa PID và Fuzzy....................................... 76
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
8
Hình 3.43 Đồ thị góc sai lệch quỹ đạo giữa PID và Fuzzy ............................................... 77
Hình 3.44 Đồ thị góc quay khớp 1 giữa giá trị đặt, PID và Fuzzy..................................... 77
Hình 3.45 Đồ thị góc quay khớp 2 giữa giá trị đặt, PID và Fuzzy..................................... 78
Hình 3.46 Đồ thị sai lệch góc quay khớp 1 giữa PID và Fuzzy ......................................... 78
Hình 3.47 Đồ thị sai lệch góc quay khớp 2 giữa PID và Fuzzy ......................................... 78
Hình 3.48 Đồ thị sai lệch tốc độ góc khớp 1 giữa PID và Fuzzy....................................... 79
Hình 3.50 Đồ thị sai lệch quỹ đạo giữa PID và Fuzzy ...................................................... 80
Hình 3.51 Đồ thị góc quay khớp 1 giữa giá trị đặt, PID và Fuzzy..................................... 80
Hình 3.52 Đồ thị góc quay khớp 2 giữa giá trị đặt, PID và Fuzzy..................................... 81
Hình 3.53 Đồ thị sai lệch góc quay khớp 1 giữa PID và Fuzzy ......................................... 81
Hình 3.54 Đồ thị sai lệch góc quay khớp 2 giữa PID và Fuzzy ......................................... 81
Hình 3.55 Đồ thị sai lệch tốc độ góc khớp 1 giữa PID và Fuzzy....................................... 82
Hình 3.56 Đồ thị sai lệch tốc độ góc khớp 2 giữa PID và Fuzzy....................................... 82
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
data error !!! can't not
read....
