Một số giải pháp điều khiển nhằm nâng cao chất lượng chuyển động của tay máy công nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------

VÕ THU HÀ

TÊN ĐỀ TÀI LUẬN ÁN

MỘT SỐ GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN NHẰM NÂNG CAO CHẤT
LƯỢNG CHUYỂN ĐỘNG CỦA TAY MÁY CÔNG NGHIỆP

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

hHHH
Hà Nội – Năm 2012


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------

VÕ THU HÀ
TÊN ĐỀ TÀI LUẬN ÁN

MỘT SỐ GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN NHẰM NÂNG CAO CHẤT
LƯỢNG CHUYỂN ĐỘNG CỦA TAY MÁY CÔNG NGHIỆP
Chuyên ngành : TỰ ĐỘNG HÓA
Mã số : 62.52.60.01

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS. BÙI QUỐC KHÁNH
TS. NGUYỄN PHẠM THỤC ANH

Hà Nội - 2012


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong
bất kì công trình nào khác.

Tác giả luận án

Võ Thu Hà


LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình làm luận án, tôi đã nhận được nhiều ý kiến đóng góp từ
các thầy, cô giáo, các anh chị và các bạn đồng nghiệp.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến thầy PGS.TS. Bùi Quốc Khánh, thầy
PGS.TS. Nguyễn Doãn Phước, cô TS. Nguyễn Phạm Thục Anh đến ban
Giám đốc trung tâm triển khai công nghệ cao Hitech và hội đồng khoa học
của trung tâm triển khai công nghệ cao Hitech - Trường Đại học Bách Khoa
Hà Nội.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo ở trung tâm triển khai công
nghệ cao Hitech - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã có những ý kiến
đóng góp quí báu bổ sung cho luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn Viện đào tạo sau đại học - Trường Đại học
Bách khoa Hà Nội, xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu trường Đại học

Bách khoa Hà Nội đã tạo những điều kiện thuận lợi nhất về mọi mặt để tôi
hoàn thành khóa học Nghiên cứu sinh.

Tác giả luận án

Võ Thu Hà


1
MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa
Lời cảm ơn
Mục lục
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt
Danh mục các bảng
Danh mục các hình vẽ và đồ thị
Mở đầu
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG
TAY MÁY CÔNG NGHIỆP
1.1. Tổng quan về tay máy công nghiệp
1.1.1. Một số khái niệm về tay máy công nghiệp
1.1.2. Các lĩnh vực ứng dụng tay máy công nghiệp
1.1.3. Chỉ tiêu đánh giá chung về độ chính xác của tay máy công nghiệp
1.2. Mô hình toán học của tay máy công nghiệp
1.2.1. Động học vị trí của tay máy công nghiệp
1.2.2. Động lực học của tay máy công nghiệp
1.2.3. Thuộc tính của phương trình động lực học
1.3. Khái quát chung các vấn đề điều khiển tay máy công nghiệp
1.3.1. Điều khiển tác động nhanh cho hệ điều khiển chuyển động TMCN

1.3.2. Điều khiển bám chính xác quỹ đạo cho hệ chuyển động TMCN
1.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến sai lệch điều khiển bám quỹ đạo hệ chuyển
động TMCN
1.4.1. Các nguyên nhân ảnh hưởng đến độ chính xác bám quỹ đạo hệ chuyển
động TMCN
1.4.2. Các phương pháp đã nghiên cứu và áp dụng điều khiển bám quỹ đạo
cho hệ chuyển động của TMCN
1.5. Định hướng nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển bám chính xác
quỹ đạo
1.6. Kết luận chương 1
1.6.1. Cơ sở lựa chọn và mục tiêu của đề tài
1.6.2. Phương pháp nghiên cứu
1.6.3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

1
4
5
7
11
14
14
14
16
17
18
18
21
24
27
28

28
29
29
31
33
34
34
34
35


2
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH
NGHI ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG CHO ĐIỀU KHIỂN BÁM QUỸ
ĐẠO CỦA TAY MÁY CÔNG NGHIỆP
2.1. Đặt vấn đề
2.2. Khái quát chung luật điều khiển thích nghi cho tay máy
2.3. Thuật toán điều khiển thích nghi Li-Slotine
2.3.1. Nội dung thuật toán điều khiển thích nghi Li-Slotine
2.3.2. Áp dụng mô phỏng 3 khớp cơ bản Robot Almega16
2.3.3. Thực hiện mô phỏng 3 khớp cơ bản Robot Almega16
2.4. Kết luận chương 2
CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI DÙNG BỘ QUAN SÁT
TRƯỢT CHO CÁC KHỚP TAY MÁY CÓ ĐỘ CỨNG VỮNG THẤP
3.1. Các khái niệm và mô tả toán học về hệ truyền động khớp nối có độ cứng
vững thấp
3.1.1. Khớp nối có độ cứng vững thấp
3.1.2. Hệ truyền động TMCNcó khớp nối với độ cứng vững thấp
3.1.3. Hệ truyền động TMCN có khớp nối truyền bằng dây đai hình thang
3.1.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ truyền động khớp nối có KCV thấp

3.1.5. Các giải pháp nghiên cứu độ chính xác cho tay máy có KCV thấp
3.2. Mô hình toán học của khớp nối truyền bằng dây đai hình thang
3.3. Ứng dụng bộ điều khiển PD cho hệ truyền động khớp nối có KCV
3.4. Đề xuất pương pháp điều khiển cho hệ truyền động khớp nối có KCV thấp
3.5. Hệ điều khiển truyền động các tay máy có độ cứng vững thấp dùng bộ quan
sát trượt SMO
3.5.1. Lý thuyết bộ quan sát trượt
3.5.2. Tổng hợp bộ quan sát trượt cho một khớp nối có độ cứng vững thấp
3.5.3. Tổng hợp bộ điều khiển phản hồi PD dùng bộ SMO ước lượng góc tải
các khớp nối có KCV thấp
3.5.4. Tổng hợp bộ điều khiển phản hồi trạng thái LQR dùng bộ SMO ước
lượng góc tải các khớp nối có KCV thấp
3.5.5. Xét tính ổn định hệ kín bằng phản hồi đầu ra theo nguyên lý

36
37
40
40
44
48
56
58
58
58
59
60
61
62
63
66

67
68
68
70
77
82
86

tách
3.6. Kết luận chương 3

91

CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN
CHO HỆ CHUYỂN ĐỘNG TAY MÁY CÔNG NGHIỆP
4.1. Đặt vấn đề
4.2. Điều khiển thích nghi Li – Slotine cho hệ chuyển động TMCN

93
93
94


3
4.2.1. Mô hình Robot Almega 16
4.2.2. Cấu hình thực nghiệm
4.2.2.1. Card Flexmotion -6C
4.2.2.2. Hệ biến tần - Động cơ đồng bộ NCVC
4.2.3. Lắp ráp hệ Servo – Omnuc
4.2.4. Trình tự thực nghiệm và các kết quả thực nghiệm

4.3. Điều khiển phản hồi trạng thái LQR dùng bộ quan sát trượt cho khớp nối của
tay máy có độ cứng vững thấp
4.3.1. Mô hình khớp nối có độ cứng vững thấp của Robot Almega 16
4.3.2. Cấu hình thực nghiệm
4.3.3. Xây dựng chương trình phần mềm
4.3.4. Kết quả thực nghiệm với bộ điều khiển PD
4.3.5. Kết quả thực nghiệm với bộ điều khiển LQR dùng SMO để ước

95
96
96
98
100
103
107
107
107
110
111
113

lượng góc khớp
4.3.6. Nhận xét kết quả thực nghiệm
4.4. Kết luận chương 4
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC

115

115
117
118
119
124


4

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
ĐKTMCN
TMCN
MIMO
SISO
PID
PD
SMO
LQG
PLC
ĐCĐB
NCVC
IC
ADC
DAC
3D
q

Điều khiển tay máy công nghiệp
Tay máy công nghiệp
MultiInput MultiOutput - hệ nhiều đầu vào, một nhiều ra.

SingleInput SingleOutput – hệ một đầu vào, một đầu ra.
Proportional-Integral-Derivative Controller (Bộ điều chỉnh Tỉ lệ -Tích
phân - Vi phân.
Proportional -Derivative Controller (Bộ điều chỉnh Tỉ lệ - Vi phân).
Sliding Mode Observer - bộ quan sát trượt
Linear Quadratic Gaussian (Tuyến tính- Bình phương – Gauss)
Programmable Logic Controler
Động cơ đồng bộ.
Nam châm vĩnh cữu.
Intergrated Circuits - mạch tích hợp.
Analog Digital Converter - biến đổi tương tự - số.
Digital Analog Converter - biến đổi số - tương tự.
3 Dimension
Vectơ nx1 các biến khớp

τ

Vectơ nx1 mômen sinh ra bởi cơ cấu chấp hành đặt lên khớp


q(t)

Vectơ nx1 tốc độ thay đổi các biến khớp


q(t)

Vectơ nx1 gia tốc biến khớp

M(q)

Ma trận quán tính


H(q,q)

Vectơ tương hỗ và ly tâm (nx1)

G(q)
Fd
Fs

Vectơ trọng trường (nx1)
Vectơ lực ma sát tĩnh,
Vectơ nx1 hằng số ma sát nhớt,

τd

Vectơ nx1 mô tả nhiễu ngoại chưa biết,

JM
JL

Mômen quán tính của ro to động cơ (kgm2),
Mômen quán tính của khớp (tải) (kgm2,

θM

Vị trí động cơ (rad),

θL

Vị trí tải) (rad),

BM
BL

Hệ số ma sát nhớt của động cơ,
Hệ số ma sát nhớt của tải,

x(t) ∈ Rn

Biến trạng thái của hệ thống,


5

y(t) ∈ Rp

Biến đầu ra,

u(t) ∈ R

Tín hiệu điều khiển đầu vào của hệ thống phi tuyến,

m

nxn

A∈ R

Ma trận trạng thái,

B ∈ Rnxm

Ma trận điều khiển,

C ∈ Rpxn-

Ma trận đầu ra,

f(x,t)
KCV
K
L
Ks
s

Hàm phi tuyến không biết chính xác
Hệ số cơ cấu nối khớp (Nm/rad),
Ma trận hệ số khuếch đại của bộ phản hồi
Ma trận quan sát Luenberger,
Ma trận phản hồi trạng thái của bộ quan sát trượt
Vectơ các mặt trượt


6

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1

Tham số của bộ điều khiển thích nghi Li-Slotine

Trang 50

Bảng 3.1 Mối tương quan giữa phương trình trạng thái đủ bậc (Full order state) và
phương trình trạng giảm bậc (Minimum order state)
73
Bảng 4.1 Các thông số của bộ biến tần.
97
Bảng 4.2 Các thông số của động cơ 3 khớp đầu Robot Almega16

98


7
DANH MỤC CAC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình

Ý nghĩa

Trang

1.1

Hình vẽ có gắn các hệ trục tọa độ Robot với 6 bậc tự do

15

1.2

Vùng làm việc của Robot với 6 bậc tự do

16

1.3

Xây dựng hệ tọa độ thanh nối

18

1.4

Cấu trúc cơ bản của hệ thống điều khiển Robot

27

1.5

Khớp nối dùng đai thang của Robot Almega16

31

2.1

Cấu trúc cơ bản của hệ thống điều khiển thích nghi

36

2.2

Sai lệch giữa q d và q các góc khớp

39

2.3

Sai lệch giữa q d và q các góc khớp

39

2.4

Sơ đồ hệ thống điều khiển thích nghi Li-Slotine

44

2.5

Sơ đồ mô phỏng bằng Matlab/Simechanic cho hệ thống điều
khiển thích nghi Li-Slotine

49

2.6

Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển thích nghi Li-Slotine control_in

49

2.7

Biểu diễn sai lệch giữa các góc khớp đặt (qd) và góc khớp thực
(qthuc)

50

2.9

Biểu diễn sai lệch giữa các góc khớp đặt (qd) và góc khớp thực
(qthực)
Biểu diễn sai lệch giữa các góc khớp đặt (qd) và góc khớp thực
(qthực)

2.10

Biểu diễn sai lệch giữa các góc khớp đặt (qd) và góc khớp thực
(qthực)

52

2.11

Biểu diễn sai lệch giữa các góc khớp đặt (qd1) và góc khớp
thực (q1)

52

2.12

Biểu diễn sai lệch giữa các góc khớp đặt (qd2) và góc khớp
thực (q2)

53

2.8

51
51


8

2.13

Biểu diễn sai lệch giữa các góc khớp đặt (qd3) và góc khớp
thực (q3)

53

2.14

Biểu diễn đáp ứng sai lệch khớp 1 e1 = qd1 - qt1

54

2.15

Biểu diễn đáp ứng sai lệch khớp 2 e2 = qd2 - qt2

54

2.16

Biểu diễn đáp ứng sai lệch khớp 3 e3 = qd3 - qt3

55

2.17

Biểu diễn hiện tượng rung trong bộ điều khiển thich nghi Li Slotine

56

3.1

Khớp nối có độ cứng vững thấp của Robot Almega16

59

3.2

Sơ đồ truyền động có khớp nối truyền nối bằng dây đai thang

60

3.3

Đáp ứng tốc độ động cơ và tốc độ tải khi thay đổi KCV

61

3.4

Đáp ứng tốc độ động cơ và tải khi thay đổi tỷ lệ k=JL/JM

62

3.5

Sơ đồ thay thế khớp tay máy có độ cứng vững thấp nối bằng
dây đai thang

63

3.6

Đồ thị góc quay khớp theo thời gian

64

3.7

Đồ thị vận tốc góc theo thời gian

64

3.8

Đồ thị gia tốc góc theo thời gian

64

3.9

Mô hình toán học khớp nối truyền bằng dây đai thang

66

3.10

Sơ đồ khối bộ điều khiển PD cho một khớp nối có độ cứng
vững thấp

66

3.11

Đáp ứng sai lệch vị trí đặt và vị trí của tải

66

3.12

Đáp ứng sai lệch vị trí tải và vị trí động cơ

67

3.13

Mô hình cơ bản cấu trúc bộ quan sát trượt SMO

70

3.14

Cấu trúc hệ truyền động khớp nối có độ KCV thấp với bộ điều
khiển phản hồi PD dùng bộ quan sát trượt ước lượng các góc tả

77


9

3.15
3.16

Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển PD dùng bộ quan sát trượt ước
lượng các góc tải cho một khớp nối có độ cứng vững thấp
Sơ đồ mô phỏng bộ quan sát trượt SMO cho một khớp nối có
độ cứng vững thấp

79
79

3.17

Đáp ứng vị trí tải thực qL và vị trí tải ước lượng qL_e

80

3.18

Đáp ứng vị trí tải đặt qL_ref và vị trí tải thực qL

80

Đáp ứng sai lệch điều khiển vị trí tải thực qL và vị trí tải ước

81

3.19

lượng qL_e

3.20

Đáp ứng sai lệch điều khiển vị trí tải đặt qL_ref và vị trí tải thực qL

81

3.21

Nguyên lý thiết kế bộ điều khiển phản hồi âm trạng thái
Tổng hợp bộ điều khiển phản hồi âm trạng thái theo tiêu chuẩn

82
84

3.22

tối ưu hàm mục tiêu tuyến tính bình phường (LQ)
85

3.26

Sơ đồ cấu trúc cơ bản của bộ điều khiển phản hồi trạng thái
LQR dùng bộ quan sát trượt SMO ước lượng goc tải
Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển LQR và SMO cho một khớp nối
có độ cứng vững thấp
Sơ đồ mô phỏng bộ quan sát trượt SMO cho một khớp nối có
độ cứng vững thấp
Đáp ứng vị trí tải thực qL và vị trí tải ước lượng qL_e

3.27

Đáp ứng vị trí tải đặt qL_ref và vị trí tải thực qL

88

Đáp ứng sai lệch điều khiển vị trí tải thực qL và tải ước lượng

88

3.23
3.24
3.25

3.28

3.29

86
87
87

qL_e

Đáp ứng sai lệch điều khiển vị trí tải đặt qL_ref và vị trí tải thực

89

qL

4.1

Robot Almega16

92

4.2
4.3

Vùng làm việc của các khớp của Robot Almega 16
Cấu hình thực nghiệm 3 khớp đầu Robot Almega16

93
94

4.4

Card điều khiển chuyển động PCI FlexMotion-6C

95

4.5
4.6
4.7

Biến tần 200V-200W
Tủ lắp đặt hệ biến tần
Sơ đồ nguyên lý hệ ServoOMNUC

96
98
99


10

4.8
4.9

Sơ đồ lắp ráp
Cấu trúc xác định bộ điều khiển mômen thích nghi bền vững
cho 3 khớp cơ bản τ 1 ,τ 2 ,τ 3

100
102

4.10

Đáp ứng điều khiển khi sử dụng bộ điều khiển thích nghi bền
vững cho 3 khớp cơ bản

104

4.11

Khớp nối 5 của Robot Almega 16 được nối bằng dây đai thang

105

4.12

Cấu hình thực nghiệm khớp nối có độ cứng vững thấp

106

4.13

Mô hình thí nghiệm khớp nối có độ cứng vững thấp

106

4.14

Cấu trúc phần cứng thí nghiệm khớp nối có độ cứng vững thấp

107

4.15

Cấu trúc R&D DS1104

108

4.16

Giao diện điển hình dung DS 1104

108

4.17

Cấu trúc điều khiển khớp nối có độ cứng vững thấp

100

4.18

Hệ truyền động khớp nối có độ cứng vững thấp với bộ điều
khiển PD

110

4.19

Đáp ứng vị trí tải đặt và vị trí tải thực

110

4.20

Đáp ứng sai lệch vị trí tải đặt và vị trí tải thực

110

4.21

Đáp ứng mômen thực của động cơ

111

4.22

Đáp ứng sai lệch điều khiển

111

4.23
4.24

Hệ truyền động khớp nối có độ cứng vững thấp với bộ điều
khiển phản hồi trạng thái LQR sử dụng bộ quan sát trượt SMO
Sơ đồ mô phỏng bộ quan sát trượt SMO cho một khớp nối
có độ cứng vững thấp

111

112

4.25

Đáp ứng vị trí tải thực và vị trí tải ước lượng

112

4.26

Đáp ứng sai lệch vị trí tải thực và vị trí tải ước lượng

112

4.27

Đáp ứng mômen đặt và thực của động cơ

113

4.28

Đáp ứng sai lệch điều khiển

113


11
MỞ ĐẦU
Từ nửa cuối thế kỷ 20 trên thế giới đã hình thành ngành công nghiệp chế tạo tay máy để

đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng trong tự động hóa sản xuất công nghiệp, tay máy công nghiệp
(TMCN) là bộ phận cấu thành không thể thiếu trong tạo ra những hệ thống tự động sản xuất
linh hoạt (FMS). Đặc biệt năm 1971 sự ra đời họ vi xử lý Intel 8080 và sau đó các máy tính
PC đã thúc đẩy sự phát triển mạnh về ngành sản xuất tự động dùng TMCN. Thời gian hơn
mười năm gần đây do sự phát triển mạnh ngành công nghiệp điện tử các vi điều khiển có tốc
độ cao với dung lượng lớn đã tạo ra khả năng thuận lợi cho việc ứng dụng các thuật điều khiển
để góp phần phát triển kỹ thuật điều khiển TMCN ngày càng thông minh tinh xảo.
1. Tính cấp thiết của đề tài
Tay máy công nghiệp là một đối tượng có tính phi tuyến cao với nhiều thông số bất định,
chịu tác động xen kênh giữa các khớp với nhau, ngoài ra có một số khâu khớp nối có độ cứng
vững thấp đó là các nguyên nhân gây ra độ sai lệch bám quỹ đạo nên việc nghiên cứu nâng cao
chất lượng điều khiển chuyển động bám quỹ đạo chính xác của TMCN luôn được nhiều nhà
khoa học trong và ngoài nước quan tâm. Vì vậy hướng nghiên của luận án lựa chọn đề cập tới
vấn đề điều khiển chuyển động của TMCN là đề xuất, ứng dụng một số giải pháp điều khiển
nâng cao chất lượng chuyển động của tay máy công nghiệp
2. Mục tiêu nghiên cứu
Ứng dụng phương pháp điều khiển thích nghi cho hệ điều khiển chuyển động TMCN,
nhằm nâng cao độ chính xác bám quỹ đạo.
3. Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là hệ chuyển động tay máy công nghiệp nhiều bậc tự do
4. Nội dung nghiên cứu
Nội dung trong luận án đi sâu nghiên cứu tìm các giải pháp xem khả năng ứng dụng cụ thể
một số phương pháp Điều khiển thích nghi cho hệ chuyển động TMCN, cụ thể như sau:
 Đặc điểm hệ chuyển động của TMCN với nhiều bậc tự do là một hệ nhiều đầu vào và
đầu ra (MIMO) và chịu tác động xen kênh giữa các trục khớp với nhau, trong luận án đã ứng
dụng phương pháp điều khiển thích nghi Li-Slotine cho hệ chuyển động tay máy Almega16.
 Động học của hệ truyền động khớp nối có độ cứng vững thấp thuộc loại đa vật thể
nhiều khối quán tính, nếu lấy tín hiệu phản hồi góc động cơ điều khiển gây ảnh hưởng xấu đến
chất lượng điều khiển truyền động. Vì vậy trong luận án đề xuất phương pháp điều khiển xây
dựng bộ quan sát trượt ước lượng góc khớp cho tay máy có độ cứng vững thấp.

5. Phương pháp nghiên cứu
Xây dựng mô hình toán học TMCN, nghiên cứu các tài liệu tham khảo sau đó áp dụng lý
thuyết điều khiển thích nghi thông qua mô hình mô phỏng và thực nghiệm.


12
6. Tính mới của đề tài
Đã chứng minh ứng dụng được phương pháp điều khiển thích nghi Li – Slotine cho tay
máy Almega 16 có 6 bậc tự do để nâng cao độ chính xác bám quỹ đạo.
Xây dựng bộ SMO ước lượng góc khớp cho tay máy có độ cứng vững thấp, đảm bảo vị trí
khớp ước lượng q L_e bám sát vị trí khớp thực q L , nâng cao độ chính xác bám quỹ đạo.
7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Luận án đã ứng dụng, đề xuất một số giải pháp điều khiển hiện đại để nâng chất lượng
chuyển động bám quỹ đạo của TMCN.
Luận án được trình bày trong 4 chương.
Chương I : Tổng quan vấn đề điều khiển chuyển động tay máy công nghiệp. Nội
dung chương này, đưa ra mô tả toán học của hệ TMCN nhiều bậc tự do với hệ thống các
phương trình động học và động lực học. Từ cấu trúc hình học TMCN đi phân tích các nguyên
nhân ảnh hưởng đến độ chính xác bám quỹ đạo hệ chuyển động TMCN. Nêu lên những
phương pháp điều khiển chuyển động, phân tích ưu nhược điểm của từng phương pháp và lựa
chọn phương pháp điều khiển thích nghi làm cơ sở cho việc nghiên cứu đề tài với yêu cầu điều
khiển bám chính xác quỹ đạo chuyển động .
Chương II: Nghiên cứu ứng dụng điều khiển thích nghi để nâng cao chất lượng cho
điều khiển bám quỹ đạo của tay máy công nghiệp. Trong tài liệu tham khảo [12] cho thấy
hệ chuyển động TMCN nhiều bậc tự do là hệ mang tính chất phi tuyến, có các tham số bất
định và chịu sự tác động xen kênh giữa các trục chuyển động thành phần, sẽ gây tác động cho
từng chuyển động này với chuyển động khác và ngược lại. Trong chương 2 của luận án đi
phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng điều khiển bám chính xác quỹ đạo và ứng dụng
một giải pháp điều khiển điều khiển thích nghi, góp phần nâng cao chất lượng điều khiển bám
chính xác quỹ đạo cho hệ chuyển động tay máy nhiều bậc tự do, trong luận án đã áp dụng

phương pháp điều khiển“ Điều khiển thích nghi Li- Slotine “ và được kiểm chứng thiết kế
mô phỏng cho TMCN với 3 khớp đầu, từ đó làm cơ sở cho việc nghiên cứu các khớp tiếp theo.
Chương III: Điều khiển truyền động các khớp tay máy có độ cứng vững thấp dùng
bộ quan sát trượt ước lượng các góc khớp. Theo tính chất cấu tạo của hệ truyền động các
khớp nối cuối của TMCN thường có độ cứng vững thấp, trong chương 3 luận án đã đề xuất và
xây dựng phương pháp điều khiển là dùng “ Bộ quan sát trượt ước lượng góc khớp của hệ
truyền động các khớp tay máy có độ cứng vững thấp”, đồng thời ứng dụng bằng bộ điều
khiển phản hồi PD và bộ điều khiển phản hồi trạng thái LQR để kiểm chứng độ chính xác ước
lượng góc khớp của bộ SMO và độ chính xác điều khiển, nhằm nâng cao độ chính xác bám
quỹ đạo. Trong bộ điều khiển này với cấu trúc điều khiển phi tuyến, tham số bất định về độ
cứng vững thấp của các khớp nối sau, với sự ảnh hưởng mômen quán tính động cơ nhỏ hơn


13
mômen quán tính khớp, bộ quan sát trượt SMO có nhiệm vụ quan sát các biến trạng thái phi
tuyến và ước lượng chính xác, hội tụ nhanh sau đó đưa về bộ điều khiển làm cho hệ luôn ổn
định, bảo đảm sai số điều khiển là nhỏ nhất.
Chương IV: Xây dựng mô hình thực nghiệm điều khiển cho hệ chuyển động TMCN. Gồm
có 2 phần thực nghiệm: Phần 1 là so sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm với ba khớp đầu
của Robot Almega16 ứng dụng bộ điều khiển thích nghi Li -Slotine. Phần hai là so sánh kết quả
mô phỏng và SMO ước lượng góc khớp của hệ truyền động các khớp tay máy có độ cứng vững
thấp. Qua 2 phần thực nghiệm cho thấy hai bộ điều khiển này đều đạt chất lượng điều khiển
bám chính xác quỹ đạo với sai lệch quỹ đạo không gian trong chế độ xác lập nhỏ hơn so với
yêu cầu, độ chính xác so với yêu cầu tăng.
Kết luận: Nội dung chính của luận án là nghiên cứu, đề xuất, xây dựng, ứng dụng một
số giải pháp điều khiển góp phần nâng cao chất lượng chuyển động của TMCN đó là phương
pháp điều khiển thích nghi Li - Slotine cho TMCN nhiều bậc tự do và bộ SMO ước lượng góc
khớp của hệ truyền động các khớp tay máy có độ cứng vững thấp, với mục tiêu của luận án là
nâng cao chất lượng điều khiển bám chính xác quỹ đạo cho hệ chuyển động của TMCN và đề
xuất những vấn đề cần nghiên cứu tiếp.

14

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VẤN ĐỀ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG
TAY MÁY CÔNG NGHIỆP
1. 1. Tổng quan về tay máy công nghiệp
Nhu cầu nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm ngày càng đòi hỏi những ứng
dụng rộng rãi của các phương tiện tự động hóa sản xuất. Xu hướng tạo ra những dây
chuyền tự động có tính linh hoạt cao đang hình thành. Các thiết bị này đang thay thế dần
các máy tự động “cứng” chỉ đáp ứng một việc nhất định trong lúc thị trường luôn đòi hỏi
thay đổi về chủng loại, về kích cỡ và về tính năng sản phẩm. Quá trình sản xuất phát triển
đòi hỏi phải nâng cao năng suất và chất lượng của sản phẩm. Vì vậy càng tăng nhanh nhu
cầu về ứng dụng tay máy để tạo ra các hệ thống sản xuất tự động và linh hoạt. Theo thời
gian, tay máy ngày càng được phát triển mạnh mẽ, hiện đại về công nghệ và tinh xảo về
chức năng làm việc. Nhờ vậy tay máy công nghiệp (TMCN) đã có vị trí quan trọng trong
các dây chuyền tự động sản xuất hiện đại.
1.1.1. Một số khái niệm về Robot công nghiệp
•

Số bậc tự do:

Trong mô hình toán học số bậc tự do được thể hiện sẽ là tương ứng với số chuyển động
độc lập của tay máy. Bậc tự do là số chuyển động độc lập hay số tọa độ cần thiết để định vị
và định hướng của vật thể ở tay tay máy đủ cơ cấu chấp hành trong không gian làm việc.
Để biểu diễn hoàn chỉnh một đối tượng trong không gian cần 6 tham số: 3 tọa độ để xác
định vị trí đối tượng trong không gian và 3 tọa độ biểu diễn hướng của vật thể. Động học
TMCN nối tiếp số bậc tự do sẽ tương ứng với số khớp được truyền động, (biểu diễn hình
1.1).

15

a2
q3

q2
O1

X1

d4

a3

O2 ≡ O3

X3

d1

q5

X5 ≡ X6
q6

O4

X2 ≡ Z3

Z5 ≡ Z6

O5 ≡ O6

Z1
Z0

X4

q4

Z4

Z2

q1
O0

X0

Hình 1.1 Hình vẽ có gắn các hệ trục tọa độ
Tay máy với 6 bậc tự do

•

Hệ tọa độ: Mỗi tay máy thường bao gồm nhiều khâu liên kết với nhau qua các

khớp tạo thành một chuỗi động học xuất phát từ một khâu cơ bản đứng yên. Hệ tọa độ gắn
với khâu cơ bản gọi là hệ tọa độ cơ bản. các hệ tọa độ gắn với các khâu động gọi là hệ tọa

độ suy rộng. Trong từng thời điểm hoạt động, các tọa độ suy rộng xác định cấu hình của
tay máy bằng các dịch chuyển dài hoặc dịch chuyển góc của các khớp tịnh tiến hoặc khớp
quay.
•

Vùng làm việc: Vùng làm việc là tập hợp tất cả các điểm mà t tay máy thực hiện

tất cả các chuyển động có thể. Vùng làm việc bị ràng buộc bởi các thông số hình học của
tay máy cũng như các ràng buộc cơ học của các khớp.
Ví dụ: Vùng làm việc của tay máy với 6 bậc tự do (Robot IRB 2400) (hình 1.2).
Phạm vi làm việc của khớp 1 là 360°,
Phạm vi làm việc của khớp 2 là 200°,
Phạm vi làm việc của khớp 3 là 125°,
Phạm vi làm việc của khớp 4 là từ 360°,
Phạm vi làm việc của khớp 5 là 240°,
Phạm vi làm việc của khớp 6 là 300°.


16

Hình 1.2 Vùng làm việc của tay máy với 6 bậc tự do

1.1.2. Các lĩnh vực ứng dụng tay máy công nghiệp
Ngày nay công nghệ tay máy đã có những bước phát triển vượt bậc, có những cải
tiến quan trọng trong kết cấu các bộ phận chấp hành, tăng độ tin cậy của các bộ phận điều
khiển, tăng mức thuận tiện và dễ dàng khi lập trình. Tăng cường khả năng nhận biết và xử
lí tín hiệu từ môi trường làm việc để mở rộng phạm vi ứng dụng cho robot. Các lĩnh vực
ứng dụng như sau:
a. Trong vận chuyển, bốc dỡ vật liệu
Tay máy có thể nhặt chi tiết ở một vị trí và chuyển dời đến một vị trí khác tay máy có

thể gắp một chi tiết ở một vị trí cố định hoặc trên một băng khớp đang chuyển động và đặt
ở một vị trí cố định khác hoặc đặt lên băng khớp khác đang chuyển động với định hướng
chi tiết khác. Trong dây chuyền sản xuất thì tay máy được sử dụng để đưa chi tiết và lấy
chi tiết ra khỏi máy gia công kim loại, máy CNC, máy đột dập, máy ép nhựa hoặc dây
chuyền đúc. Trong công đoạn đóng gói thì tay máy xếp các vật liệu lên một giá và đóng gói,
xếp các sản phẩm vào hộp caton hoặc nhặt các chi tiết ra khỏi hộp.
b. Trong lĩnh vực gia công vật liệu
Ứng dụng trong lĩnh vực gia công vật liệu bao gồm các công nghệ như hàn, sơn, gia
công kim loại, …. Sơn là một công việc nặng nhọc và độc hại, đồng thời để đạt yêu cầu kĩ
thuật đòi hỏi các thợ sơn phải được đào tạo mất thời gian và tốn kém trong khi tay máy có


17

thể học được tất cả các kiến thức phức tạp chỉ trong vài giờ và có thể lặp lại chính xác các
động tác khó. tay máy còn được dùng phục vụ máy công cụ, làm khuôn trong công nghiệp
đồ nhựa, gắn kính xe hơi, gắp hàng ra khỏi băng khớp và đặt chúng vào các trạm chuyển
trung gian. Ứng dụng tay máy trong công nghệ hàn đường, vừa đạt năng suất cao và chịu
được nhiệt rất nóng phát ra trong quá trình hàn. Cảm biến gắn trên tay máy sẽ xác định vị
trí đúng của đường hàn.
c. Trong lĩnh vực lắp ráp và kiểm tra sản phẩm
Ứng dụng tay máy trong lắp ráp: Một nhà máy sản xuất tự động hoàn toàn từ ý tưởng
người ta thiết kế ra sản phẩm, sau đó đặt hàng vật liệu, lập ra chương trình gia công, lập ra
chiến lược đường đi của chi tiết trong nhà máy, điều khiển cung cấp chi tiết vào máy gia
công, lắp ráp và kiểm tra tự động thông qua các máy CNC, các tay máy tĩnh và động. Ứng
dụng trong lĩnh vực kiểm tra: tay máy cũng được sử dụng trong công đoạn thử nghiệm,
kiểm tra như kiểm tra kích thước, vị trí và hình dạng của các chi tiết máy hoặc các bộ phận
cơ khí.
1.1.3. Chỉ tiêu đánh giá chung về độ chính xác của tay máy công nghiệp
Hệ điều khiển chuyển động của TMCN là hệ phi tuyến nên chất lượng quá trình điều

khiển hệ phi tuyến qua các chỉ tiêu: thời gian quá độ, sai lệch xác lập, tính dao động, khả
năng chống nhiễu, khả năng bền vững với sự thay đổi thông số không xác định…. Mỗi chỉ
tiêu có phương pháp đánh giá riêng, thông thường chỉ tiêu đánh giá về vị trí với độ bám
chính xác quỹ đạo cho trước chuyển động của TMCN được xây dựng theo tiêu chuẩn tích
phân bình phương sai lệch (ISE), theo tài liệu [5] :
∞

J = ∫ e 2 dt → min

(1.1)

0

Và tiêu chuẩn tích phân của tích số giữa thời gian và giá trị tuyệt đối của sai lệch (ITAE),
theo tài liệu [5] :
∞

J= ∫ t e(t) dt

(1.2)

0

Hệ được thiết kế theo tiêu chuẩn ISE thường làm giảm nhanh các sai lệch lớn ban


18

đầu rất nhanh do đó có tốc độ đáp ứng phải rất nhanh và kết quả là hệ kém ổn định. Còn hệ
được thiết kế theo tiêu chuẩn ITAE đánh giá nhẹ các sai lệch lớn ban đầu còn các sai lệch

sau xuất hiện trong cả quá trình quá độ thì bị đánh giá rất nặng. Hệ thống được thiết kế
theo tiêu chuẩn này sẽ cho đáp ứng có độ quá điều chỉnh nhỏ và có khả năng làm giảm
nhanh các dao động trong quá trình điều chỉnh. Các đối tượng điều khiển khác nhau trong
thực tế đòi hỏi chỉ tiêu chất lượng và độ chính xác điều khiển khác nhau. Như độ chính xác
của hệ điều khiển chuyển động của tay máy hàn, tay máy sơn với độ chính xác lặp lại là
0,1mm, robot lắp ráp chi tiết với độ chính xác lặp lại là 0,001mm.
1.2.

Mô hình toán học của tay máy công nghiệp

Mô hình toán học của tay máy bao gồm mô hình động học và mô hình động lực học.
1.2.1. Động học vị trí của tay máy công nghiệp (theo các tài liệu [13,15,18,29,41,45])
Động học tay máy gồm hai bài toán cơ bản: động học thuận vị trí và động học đảo vị
trí. Động học tay máy là bài toán nghiên cứu chuyển động của tay máy mà không quan tâm
đến tính chất về lực tương tác cũng như về khối lượng mà chỉ xét đến cấu trúc hình học của
tay máy. Mục đích của bài toán động học thuận là xác định vị trí của khâu tác động cuối
của tay máy khi biết các biến khớp của tay máy.
Các bước thực hiện bài toán động học thuận cho tay máy:
Bước 1: Xác định số khớp và số thanh nối
Bước 2: Gắn lên các thanh nối từ 0 đến n các hệ trục tọa độ
Ví dụ: Thanh nối i (i = 0 ÷ n) gắn hệ trục Oi , X i , Yi , Zi

Hình 1.3. Xây dựng hệ tọa độ thanh nối


19

q i : là góc quay của thanh nối thứ i,
d i : là độ lệch khâu,
a i : là độ dài đường vuông góc chung giữa Zi −1 và Zi ,

αi : là góc vặn của thanh nối.
Cách xác định trục Zi : là trục mà xung quanh nó khớp thứ i+1 quay hoặc dọc
theo nó khớp (i = 1÷ n-1) tịnh tiến.
Z0 : trục mà xung quanh nó khớp 1quay,
O0 : tâm hệ trục tọa độ quy chiếu, chọn một điểm cố định trên đế Robot,
Z1 : trục mà xung quanh nó khớp 2 quay hoặc khớp tịnh tiến,
Zn −1 : trục mà xung quanh nó khớp n quay,
Zn : trùng phương với Zn −1

Cách xác định trục Xi: Trục X thường được đặt dọc theo pháp tuyến chung và
hướng từ khớp i đến i+1. Trong trường hợp các trục khớp cắt nhau thì trục X chọn theo tích
vectơ Zi-1 x Zi.
Cách xác định trục Yi:
Xác định theo quy tắc bàn tay phải.
Bước 3: Xác định các biến khớp
Khớp quay tương ứng với biến khớp quay q,
Khớp tịnh tiến tương ứng với biến khớp tịnh tiến d.
Bước 4: Xác định quan hệ giữa hai khung tọa độ i và i-1
Hệ trục tọa độ i và hệ trục tọa độ i-1 giữa hai khâu nối tiếp nhau có quan hệ với nhau
bằng phép biến đổi đồng nhất, theo trình tự sau:
-

Quay xung quanh trục Zi-1 một góc qi sao cho trục Xi-1 trùng với phương của trục
Xi,

-

Tịnh tiến dọc theo trục Zi-1 một đoạn di để gốc khung tọa độ mới trùng chân pháp
tuyến chung trục i-1 và i, (Xi-1≡ Xi),

-

Tịnh tiến dọc theo trục Xi-1 một đoạn ai, (Oi-1≡ Oi),

-

Quay xung quanh trục Xi-1 một góc αi sao cho trục Zi-1 trùng với trục Zi.
Các phép biến đổi trên được thực hiện so với khung tọa độ hiện tại, do đó phép biến


20

đổi tổng hợp được xác định như sau [15],[18],[29],[41],[43],[45]:
A i = Rot z (q)Trans z (d)Trans x (a)Rot x (α)

cosq
 sinq
Ai = 
 0
 0

-sinqcosα sinqsinα acosq 
cosqcosα -cosqsinα asinq 

sinα
cosα
d 
0
0

1 

(1.3)

Denavit J.& Hartenberg R.S (theo các tài liệu [2, 13, 15, 18, 24, 43]) đã gọi biến đổi
đồng nhất là ma trận A, mô tả bởi phép quay và phép tịnh tiến tương đối giữa hệ tọa độ của
hai khâu liên tiếp. Denavit J.& Hartenberg R.S đề xuất dùng ma trận thuần nhất 4x4 để mô
tả quan hệ giữa 2 khâu liên tiếp trong cơ cấu không gian. Pieper D.L (theo các tài liệu [2,
13, 15, 18, 24, 43]) đã dùng ma trận thuần nhất 4x4 trong nghiên cứu Robot. Trong bài
toán động học Robot định luật Denavit Hartenber đóng vai trò rất quan trọng. Định luật
này cho chúng ta cách xác định các hệ trục toạ độ đặt lên các khớp và từ đó xác định được
vị trí của các thanh nối và khâu tác động cuối trong các hệ trục toạ độ.
Bước 5: Xác định phương trình động học thuận cho tay máy

n x
n
Tn = A1 .A 2 ....A n =  y
nz
 0
•

ox
oy

ax
ay

px 
py 

oz
0

az
0

pz 
1 



(1.4)

Mô hình động học đảo vị trí
Mục đích của bài toán động học ngược là tìm các biến khớp của tay máy khi biết vị

trí khâu tác động cuối của tay máy. Có 3 phương pháp cơ bản để xác định mô hình động
học ngược của tay máy là phép đảo hướng, phép đảo vị trí và phép đảo kết hợp. Thông
thường hay sử dụng phương pháp đảo kết hợp nên trong luận án chỉ đưa ra cách giải bài
toán động học ngược theo phương pháp đảo kết hợp.
Các bước thực hiện bài toán động học ngược, [2],[13],[15],[18],[29],[41],[43],[45]:
-

Nhân trước A1-1 với phương trình (1.3), xác định được:
(A1 )-1 Tn = A 2 ....A n

(1.5)


21

cos(q1 ) sin(q1 )
 0
0
⇔ 
 sin(q1 ) -cos(q1 )
0
 0

0
1
0
0

0 n x
0  n y

0  n z
1   0

ox
oy

ax
ay

oz
0

az

0

px 
py 

 = 1 Tn
pz 
1 

 f11 (n) f11 (0) f11 (a) f11 (p) 
f (n) f12 (0) f12 (a) f12 (p) 
⇔  12
 = 1 Tn
f
(n)
f
(0)
f
(a)
f
(p)
13
13
13
 13

0
0
1 
 0

⇒
-

f(q1 )= 1 Tn =A 2 ...A n

 ⇒ f(q1 )=h(q 2 ,q 3 ,...,q n )
A 2 ...A n =h(q 2 ,q 3 ,...,q n ) 

(1.6)

Tìm ở h(q 2 ,q 3 ,...,q n ) phần tử 0 hoặc là hằng số rồi cân bằng với phần tử tương ứng
ở f(q1 ) từ đó tính ra q1

-

Quay lại bước 1 nhân trước với A -12 sẽ tính được q 2

-

Tiếp tục sẽ tính được q 3 ,...,q n

1.2.2. Động lực học của tay máy công nghiệp (theo các tài liệu [13,15,18,24,43,41])
Bài toán động lực học tay máy chính là phân tích, tổng hợp quá trình chuyển động của
các khớp và mô tả mối quan hệ giữa lực, mômen, năng lượng,… của các khớp với vị trí,
tốc độ, gia tốc được biểu diễn trong phương trình chuyển động. Trong phương trình động
lực học, lực và mômen là các tín hiệu vào. Dựa vào phương trình động lực học, sẽ tính
được lực, mômen cần thiết để khớp tay máy có thể chuyển động được với tốc độ và gia tốc
mong muốn. Nghiên cứu động lực học tay máy phục vụ cho các mục đích: Mô phỏng hoạt
động các khớp của tay máy để khảo sát, thử nghiệm quá trình làm việc đa dạng mà không
cần sử dụng tay máy thật, phân tích, tính toán kết cấu các khớp của tay máy và thiết kế hệ

thống điều khiển tay máy.
Có rất nhiều phương pháp để thành lập phương trình động lực học nhưng thường gặp
hơn cả là phương pháp Newton – Euler dựa trên sự cân bằng lực, mômen trên từng thanh
nối và phương pháp Euler – Lagrange dựa trên sự cân bằng về năng lượng. Cả hai phương
pháp đều cùng cho một kết quả như nhau, trong luận án trình bày phương pháp Euler –
Lagrange theo tài liệu [13], [15], [18], [24], [43], [41], [43] để áp dụng vào đối tượng điều
khiển nghiên cứu. Phương trình chuyển động Lagrange của tay máy nhiều bậc tự do đủ cơ
cấu chấp hành ở hệ toạ độ khớp là phương trình vi phân cấp hai phi tuyến biểu diễn quan