nghiên cứu và ứng dụng bộ điều khiển mờ cho hệ thống điều khiển chuyển động cánh tay ROBOT trong mặt phẳng theo quỹ đạo được nhận dạng trước
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (290.61 KB, 27 trang )
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
---------------------------------------
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
ĐƢỢC NHẬN DẠNG TRƢỚC
Ngành : TỰ ĐỘNG HÓA
Mã số : 605260
Học Viên: HÀ XUÂN VINH
Cán bộ HDKH : PGS.TS. NGUYỄN NHƢ HIỂN
THÁI NGUYÊN - 2010
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP
*****
CỘNG HÕA 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 VÀ ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHO HỆ ĐIỀU
KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG CÁNH TAY ROBOT TRONG MẶT PHẲNG
THEO QUỸ ĐẠO ĐƢỢC NHẬN DẠNG TRƢỚC
Học viên
: Hà Xuân Vinh
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
Hà Xuân Vinh
BAN GIÁM HIỆU
KHOA SAU ĐẠI HỌC
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
3
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 nhƣ đã nêu trong phần tài liệu
tham khảo.
Tác giả luận văn
Hà Xuân Vinh
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
4
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................3
MỤC LỤC ...................................................................................................................4
DANH MỤC CÁC BẢNG..........................................................................................8
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .....................................................................9
MỞ ĐẦU ...................................................................................................................13
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT VÀ ĐIỀU KHIỂN MỞ .........................15
1.1 Tổng quan về Robot .................................................................................................. 15
1.1.1 Lịch sử phát triển ............................................................................................... 15
1.1.2 Hệ truyền động trong Robot .............................................................................. 16
1.1.2.1 Truyền động điện ......................................................................................... 16
1.1.2.2 Truyền động khí nén và thuỷ lực ................................................................ 17
1.1.3 Vần đề điều khiển cánh tay Robot ..................................................................... 17
1.1.3.1 Khái quát ..................................................................................................... 17
1.1.3.2 Vấn đề điều khiển cánh tay Robot .............................................................. 18
1.1.3.3 Động học của cánh tay Robot 2DOF .......................................................... 20
1.2 Giới thiệu về lý thuyết điều khiển logic mờ .............................................................. 23
1.2.1 Lịch sử phát triển Logic mờ ............................................................................... 23
1.2.2 Bộ điều khiển mờ lý tƣởng ................................................................................ 24
1.2.3 Điều khiển mờ cơ bản ........................................................................................ 25
1.2.3.1 Khối mờ hóa ............................................................................................... 26
1.2.3.2 Khối hợp thành ........................................................................................... 26
1.2.3.3 Khối luật mờ ............................................................................................... 27
1.2.3.4 Khối giải mờ .............................................................................................. 27
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
5
1.2.4 Tính ổn định của hệ điều khiển mờ ................................................................... 29
1.2.4.1 Những điểm cần lƣu ý................................................................................. 29
1.2.4.2 Khảo sát tính ổn định của hệ mờ ................................................................ 31
1.2.5 Tối ƣu ................................................................................................................. 33
1.2.6 Kết luận về điều khiển mờ ................................................................................. 33
1.2.6.1 Ƣu điểm ...................................................................................................... 33
1.2.6.2 Khuyết điểm ................................................................................................ 34
CHƢƠNG 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 ĐƢỢC NHẬN DẠNG TRƢỚC ............................................................35
2.1 Khái quát .................................................................................................................... 35
2.2 Tổng hợp bộ điều chỉnh vị trí PID cho động cơ điện một chiều................................ 36
2.2.1 Các thông số ban đầu. ......................................................................................... 36
2.2.1.1 Động cơ điện một chiều. .............................................................................. 36
2.2.1.2 Bộ chỉnh lƣu. ................................................................................................ 39
2.2.1.3 Biến dòng: .................................................................................................... 40
2.2.1.4 Máy phát tốc: ............................................................................................... 40
2.2.1.5 Cảm biến vị trí: ............................................................................................ 40
2.2.2 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng (RI): ...................................................... 41
2.2.3 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ ( R ): .................................................. 45
2.2.4 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh vị trí ( R ). ..................................................... 47
2.2.5 Tính phi tuyến của bộ điều khiển vị trí. .............................................................. 51
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. .......................................................................................... 53
2.3.1 Đặt vấn đề ........................................................................................................... 53
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
6
2.3.2 Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID .................................. 54
2.3.3 Tổng hợp mô hình bộ điều khiển mờ chỉnh định bộ tham số PD. ...................... 56
2.3.3.1 Biến ngôn ngữ và miền giá trị của nó .......................................................... 58
2.3.3.2 Xác định hàm liên thuộc (membership function). ....................................... 59
2.3.3.3 Xây dựng các luật điều khiển....................................................................... 62
2.3.3.4 Luật hợp thành ............................................................................................. 64
2.4 Kết luận Chƣơng 2 ..................................................................................................... 65
CHƢƠNG 3 : MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG .........66
3.1 Mô phỏng hệ thống điều khiển chuyển động cánh tay Robot sử dụng bộ điều chỉnh
PID. .................................................................................................................................. 66
3.1.1 Mô hình simulink hệ thống điều khiển chuyển động cánh tay Robot sử dụng bộ
điều chỉnh PID. ............................................................................................................ 66
3.1.2 Kết quả mô phỏng điều khiển vị trí của cánh tay Robot dùng bộ hiệu chỉnh
PID(với trƣờng hợp khối lƣợng tải Mt=0; moment quán tính tải Jt=0). ...................... 68
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. ......................................................................................... 74
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. ................................................................... 74
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 trƣờng hợp khối lƣợng tải Mt=0; moment quán tính tải
Jt=0). ............................................................................................................................ 75
3.3 So sánh quỹ đạo giữa PID và Chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PD ................ 81
3.3.1 Trƣờng hợp Mt = 0. ............................................................................................ 81
3.3.2 Trƣờng hợp Mt = 1. ............................................................................................ 83
3.3.3 Trƣờng hợp Mt=3. .............................................................................................. 86
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................91
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
7
1.Kết luận. ........................................................................................................................ 91
2. Kiến nghị...................................................................................................................... 91
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................92
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
8
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Dịch chuyển theo quĩ đạo và theo điểm đến điểm của cánh tay robot .....19
Bảng 1.2: Thông số vật lý của cánh tay robot 2DOF ................................................20
Bảng 2.1: Các thông số của động cơ điện một chiều ................................................37
Bảng 2.2: Luật điều khiển Hesokp ............................................................................62
Bảng 2.3: Luật điều khiển Hesokd ............................................................................62
Bảng 2.4: Luật điều khiển xây dựng bằng MATLAB ..............................................64
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
9
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Sơ đồ minh hoạ cánh tay robot n khâu ................................................................ 18
Hình 1.2: Sơ đồ cánh tay robot 2DOF ................................................................................. 19
Bảng 1.2: Thông số vật lý của cánh tay robot 2DOF .......................................................... 20
Hình 1.3: Sơ đồ khối chức năng của bộ điều khiển mờ ...................................................... 26
Hình 1.4: Sơ đồ xác đị nh trung bì nh tâm ............................................................................ 29
Hình 2.1: Sơ đồ thay thế động cơ điện một chiều kích từ độc lập ....................................... 36
Hình 2.2: Cấu trúc của động cơ điện một chiều khi từ thông không đổi. ............................ 39
Hình 2.3. Sơ đồ khối mạch chỉnh lƣu có điều khiển........................................................... 39
Hình 2.4: Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh dòng điện. .............................................................. 41
Hình 2.5 ............................................................................................................................... 42
Hình 2.6: Sơ đồ cấu trúc của hệ điều chỉnh vị trí. ............................................................... 44
Hình 2.7 ............................................................................................................................... 45
Hình 2. 8 .............................................................................................................................. 48
Hình 2. 9 .............................................................................................................................. 49
Hình 2.10: Sơ đồ cấu trúc của hệ điều chỉnh vị trí .............................................................. 51
Hình 2.11. Quan hệ giữa và . ....................................................................................... 52
Hình 2.12: Phƣơng pháp chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID .................................. 55
Hình 2.13: Bên trong bộ chỉnh định mờ .............................................................................. 56
Hình 2.14: Sơ đồ bộ điều khiển mờ ..................................................................................... 56
Hình 2.15: Cấu trúc bộ chỉnh định mờ khớp 1 .................................................................... 57
Hình 2.16: Cấu trúc bộ chỉnh định mờ khớp 2 .................................................................... 57
Hình 2.17: Mô hình rời rạc hóa hàm liên thuộc trapmf của biến et, det .............................. 59
Hình 2.18: Mô hình hàm liên thuộc trapmf của biến Hesokp , Hesokd .............................. 60
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
10
Hình 2.19: Xác định tập mờ cho biến vào et ....................................................................... 60
Hình 2.20: Xác định tập mờ cho biến vào det ..................................................................... 61
Hình 2.21: Xác định tập mờ cho biến ra Hesokp ................................................................. 61
Hình 2.22: Xác định tập mờ cho biến ra Hesokd ................................................................. 62
Hình 3.1: Mô hình hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID ..................................................... 66
Hình 3.2 : Mô hình khối điều khiển dòng điện và tốc độ động cơ 1 ................................... 66
Hình 3.3: Mô hình khối điều khiển dòng điện và tốc độ động cơ 2 .................................... 67
Hình 3.4: Mô hình khối subsystem1 .................................................................................... 67
Hình 3.5: Mô hình khối subsystem2 .................................................................................... 67
Hình 3.6: Mô hình khâu phản hồi vị trí 1 ............................................................................ 67
Hình 3.7: Mô hình khâu phản hồi vị trí 2 ............................................................................ 67
Hình 3.8: Mô hình Robot 2DOF .......................................................................................... 68
Hình 3.9: Đồ thị quỹ đạo đặt và quỹ đạo thực của Robot dùng PID ................................... 68
Hình 3.10: Đồ thị sai lệch quỹ đạo dùng PID. ..................................................................... 69
Hình 3.11: So sánh quỹ đạo góc đặt và quỹ đạo góc ra của khớp 1 .................................... 70
Hình 3.12: Sai lệch góc của khớp 1 ..................................................................................... 70
Hình 3.13: Tốc độ sai lệch góc của khớp 1.......................................................................... 70
Hình 3.14: Dòng điện Động cơ 1 ......................................................................................... 71
Hình 3.15: Tốc độ của Động cơ 1 ........................................................................................ 71
Hình 3.16: Moment khớp 1 .................................................................................................. 71
Hình 3.17: So sánh quỹ đạo góc đặt và quỹ đạo góc ra của khớp 2 .................................... 72
Hình 3.18: Sai lệch quỹ đạo góc khớp 2 .............................................................................. 72
Hình 3.19: Tốc độ sai lệch quỹ đạo góc khớp 2 .................................................................. 72
Hình 3.20: Dòng điện Động cơ 2 ......................................................................................... 73
Hình 3.21: Tốc độ Động cơ 2 .............................................................................................. 73
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....
