Điều khiển tay máy 3 bậc tự do theo thuật toán PID cải tiến

1
CHƯƠNG I.
GIỚI THIỆU LUẬN VĂN
1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ:
Trong quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa của nước ta, việc nghiên
cứu thiết kế và chế tạo các robot công nghiệp để ứng dụng vào sản xuất có một ý
nghĩa rất quan trọng, đặc biệt là trong giai đoạn hội nhập kinh tế như hiện nay. Việc
tự động hóa quá trình sản xuất với sự có mặt của các robot sẽ làm tăng khả năng
mềm dẻo của hệ thống sản xuất, tăng chất lượng của sản phẩm và đặc biệt là có thể
làm giảm giá thành sản phẩm để tăng tính cạnh tranh. Ngoài ra, robot công nghiệp
còn có một tính năng quan trọng khác là nó có thể làm việc trong những môi trường
khắc nghiệt mà con người không thể tham gia vào được như: môi trường nhiều khói
bụi, môi trường độc hại của hóa chất, môi trường nhiệt độ cao…
Hiện nay, trên thế giới đã có rất nhiều nghiên cứu và ứng dụng robot vào quá
trình sản xuất như các robot hàn trong nhà máy sản xuất ô tô, robot lắp máy, robot
đào đường hầm, robot cấp phôi trong các máy gia công chi tiết cơ khí, robot quay
camera trong các sân vận động, robot tự động nâng hàng… Tuy nhiên ở Việt Nam
thì việc nghiên cứu và chế tạo robot mới ở giai đoạn bắt đầu, chủ yếu dừng lại ở
mức độ chế thử, chỉ một số ít được chuyển giao vào quá trình sản xuất. Các robot
này chưa có tính thích nghi ứng với môi trường thay đổi mà chủ yếu hoạt động theo
chương trình định trước.
Việc nghiên cứu các bộ điều khiển để nâng cao độ chính xác của robot hiện
vẫn còn đang được các nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm rất nhiều. Đối
với hệ điều khiển robot, 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.
Các công trình nghiên cứu về hệ thống điều khiển robot tập trung chủ yếu
theo hai hướng là sử dụng các mô hình có tính đặc tính phi tuyến có thể ước lượng

2
được để đơn giản việc phân tích và thiết kế hoặc đề ra các thuật toán điều khiển mới
nhằm nâng cao chất lượng đáp ứng của robot.
Với mong muốn tìm hiểu sâu về lĩnh vực cánh tay Robot. Chính vì vậy đề tài
“Điều khiển tay máy 3 bậc tự do theo thuật toán PID cải tiến” được thực hiện.
1.2 Tính cấp thiết của đề tài.
Hiện nay, phương pháp điều khiển robot cánh tay 3 bậc tự do theo thuật toán
PID cải tiến cũng là lựa chọn mới trong các kỹ thuật điều khiển động cơ DC với
những ưu điểm sau:
-

Đơn giản, không cần đến các khối chuyển đổi tương quan.

-

Tính linh hoạt cao

-

Khả năng điều khiển bền bỉ và chính xác

-

Có đầy đủ các yếu tố cho việc thiết kế bộ điều khiển có các tính năng theo
yêu cầu đề ra. Tính ổn định của điều khiển PID cải tiến rất rộng và bền
vững đối với tác động bên ngoài.

-

Khả năng bám tốc độ đặt cao, ngay cả khi tải thay đổi

 Ưu điểm của phương pháp PID cải tiến so với phương pháp PID
thông thường.

-

Đáp ứng tốc độ vẫn đảm bảo trong các điều kiện tải thay đổi hoặc thông số
động cơ thay đổi trong quá trình làm việc.

-

Cho đáp ứng nhanh, chất lượng truyền động tốt, hiệu suất cao.

1.3. MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

1.3.1 Mục tiêu của đề tài
Đề tài này tập trung nghiên cứu bộ điều khiển PID mờ điều khiển động cơ DC
nhằm cho thấy sự thích nghi tốt của bộ điều khiển mờ trong điều khiển tốc độ động
cơ DC. Việc thiết kế sẽ được mô phỏng trên Matlab/simulink.
Để điều khiển được tay máy ta cần giải quyết bài toán sau đây. Trước tiên
người vận hành nhập giá trị tọa độ (X,Y) vào giao diện điều khiển. Phần mềm tính


3
toán hai góc θ1, θ2 theo bài toán động học ngược. Sau đó giá trị θ1, θ2 được đưa qua
bộ điều khiển PID cải tiến để cho ra giá trị trong chế độ thực (θ1r, θ2r là 2 góc cần đạt
được, θ1, θ2 l à các góc phản hồi trong quá trình vận hành cánh tay robot)

Cho
(X,Y)

Động
học ngược

θ1r ,θ 2 r

Bộ ĐK
PID cải
tiến

θ1 → θ1r
θ2 → θ2r

DC

Hình 1-1: Sơ đồ khối điều khiển tay máy
Sơ đồ khối dưới đây là mạch điều khiển của động cơ 1.
Lấy hiệu hai giá trị θ1r và θ1 ta được giá trị sai số e. Sau đó e được đưa qua bộ PID
cải tiến ta được giá trị điện áp u, qua bộ khuếch đại công suất và đưa đến động cơ

θ1r

e

u
PID

KĐCS

DC1

θ1

MĐ
H ình 1-2: Sơ đồ mạch điều khiển cho động cơ 1
Tương tự như trên ta áp dụng cho hai giá trị θ2r và θ2.

θ2r

e

PID

KĐCS

DC2

θ2

MĐ
H ình 1-3: Sơ đồ mạch điều khiển cho động cơ 2
Để thực hiện được bài toán như trên, tác giả xây dựng mô hình robot tay máy
3 bậc tự do như hình (1 – 4). Động cơ (3) điều khiển link1 (5), có encoder (4) phản


4
hồi góc θ1. Động cơ (7) điều khiển link1 (8), có encoder (6) phản hồi góc θ2. Xylanh
(9) tịnh tiến bàn tay kẹp lên xuống và xylanh (10) điều khiển bàn tay kẹp.

Hình 1-4: Mô hình tay máy 3 bậc tự do
1.3.2 Nội dung nghiên cứu

- Các phương pháp điều khiển động cơ DC.
- Động học tay máy.
- Thiết kế bộ điều khiển PID mờ cho động cơ dẫn động các khớp.
- Mô phỏng.
- Xây dựng mô hình thực nghiệm.
1.4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU:
- Trao đổi với giáo viên hướng dẫn về nhiệm vụ được giao và các vấn đề có
liên quan.
- Tìm hiểu lý thuyết về điều khiển cánh tay 3 bậc tự do và thuật toán PID làm
cơ sở cho việc thiết kế bộ điều khiển cho robot.
- Tham khảo các sách, bài báo trên mạng về robot


5
- Nghiên cứu Thuật toán điều khiển PID cải tiến cho robot
1.5. ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN VĂN:
Nghiên cứu các nhiệm vụ và yêu cầu mới về ổn định, tin cậy của hệ robot tay
máy để phù hợp với tình hình kinh tế phát triển. Tìm hiểu cấu trúc và hoạt động của
robot theo thuật toán PID cải tiến và mô phỏng 3D trên LabVIEW
1.6. GIÁ TRI THỰC TIỄN CỦA LUẬN VĂN:
Hệ tay máy 3 bậc tự do Scara được sử dụng nhiều trong công nghiệp trên thế
giới. Đề tài “ Điều khiển tay máy 3 bậc tự do theo thuật toán PID cải tiến” góp
phần vào việc phát triển nghiên cứu robot này ở Việt Nam, nhằm mục đích phục vụ
cho công tác đào tạo và nghiên cứu ở các trường đại học, cao đẳng và trung cấp
chuyên nghiệp
1.7. BỐ CỤC LUẬN VĂN:
Luận văn gồn 5 chương:
• Chương I: Giới thiệu luận văn.
• Chương II: Cơ sở lý thuyết.
• Chương III: Động học tay máy và điều khiển tay máy.

• Chương IV: Thiết kế bộ điều khiển PID cải tiến cho động cơ dẫn động
các khớp.
• Chương V:Kết quả thực nghiệm và kết luận
• Tài liệu tham khảo


6
CHƯƠNG II.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP
2.1.1. Lịch sử phát triển
Thuật ngữ “Robot” lần đầu tiên xuất hiện năm 1922 trong tác phẩm
“Rosum’s Universal Robot “ của Karal Capek. Theo tiếng Séc thì Robot là người
làm tạp dịch. Trong tác phẩm này nhân vật Rosum và con trai ông đã tạo ra những
chiếc máy gần giống như con người để hầu hạ con người.
Hơn 20 năm sau, ước mơ viễn tưởng của Karel Capek đã bắt đầu
hiện thực. Ngay sau chiến tranh thế giới lần thứ 2, ở Mỹ đã xuất hiện
những tay máy chép hình điều khiển từ xa, trong các phòng thí nghiệm
phóng xạ. Năm 1959, Devol và Engelber đã chế tạo Robot công nghiệp đầu tiên tại
công ty Unimation.
Năm 1967 Nhật Bản mới nhập chiếc Robot công nghiệp đầu tiên từ công ty
AMF của Mỹ. Đến năm 1990 có hơn 40 công ty của Nhật, trong đó có những công
ty khổng lồ như Hitachi, Mitsubishi và Honda đã đưa ra thị trường nhiều loại Robot
nổi tiếng.
Những robot đầu tiên thực chất là sự nối kết giữa các khâu cơ khí của cơ cấu
điều khiển từ xa với khả năng lập trình của máy công cụ điều khiển số.
Từ những năm 70, việc nghiên cứu nâng cao tính năng của robot đã chú ý
nhiều đến sự lắp đặt thêm các cảm biến ngoại tín hiệu để nhận biết môi trường làm
việc. Tại trường đại học tổng hợp Stanford, người ta đã tạo ra loại Robot lắp ráp tự
động điều khiển bằng vi tính trên cơ sở xử lý thông tin từ các cảm biến lực và thị

giác. Vào thời gian này công ty IBM đã chế tạo Robot có các cảm biến xúc giác và
cảm biến lực điều khiển bằng máy vi tính để lắp ráp các máy in gồm 20 cụm chi tiết
Những năm 90 do áp dụng rộng rãi các tiến bộ khoa học về vi xử lý và công
nghệ thông tin, số lượng Robot công nghiệp đã tăng nhanh, giá thành giảm đi
rõ rệt, tính năng đã có nhiều bước tiến vượt bậc. Nhờ vậy Robot công nghiệp đã


7
có vị trí quan trọng trong các dây truyền sản xuất hiện đại. Ngày nay,
chuyên ngành khoa học nghiên cứu về Robot “Robotics” đã trở thành một
lĩnh vực rộng trong khoa học, bao gồm các vấn đề cấu trúc cơ cấu động học,
động lực học, lập trình quỹ đạo, cảm biến tín hiệu, điều khiển chuyển động v.v…
Có thể nói, Robot là sự tổ hợp khả năng hoạt động linh hoạt của các cơ cấu
điều khiển từ xa với mức độ “tri thức” ngày càng phong phú của hệ thống điều
khiển theo chương trình số cũng như kỹ thuật chế tạo các bộ cảm biến, công nghệ
lập trình và các phát triển của trí khôn nhân tạo, hệ chuyên gia ...
Trong những năm sau này, việc nâng cao tính năng hoạt động của robot
không ngừng phát triển. Các robot được trang bị thêm các loại cảm biến khác nhau
để nhận biết môi trường chung quanh, cùng với những thành tựu to lớn trong lĩnh
vực Tin học - Điện tử đã tạo ra các thế hệ robot với nhiều tính năng đăc biệt, Số
lượng robot ngày càng gia tăng, giá thành ngày càng giảm. Nhờ vậy, robot công
nghiệp đã có vị trí quan trọng trong các dây chuyền sản xuất hiện đại.
2.1.2. Phân loại Robot công nghiệp
2.1.2.1. Theo chủng loại, mức độ điều khiển, và nhận biết thông tin
của tay máy-người máy đã được sản xuất trên thế giới có thể phân loại các IR thành
các thế hệ sau:
Thế hệ 1: Thế hệ có kiểu điều khiển theo chu kỳ dạng chương trình cứng
không có khả năng nhận biết thông tin.
Thế hệ 2: Thế hệ có điều khiển theo chu kỳ dạng chương trình mềm
bước đầu đã có khả năng nhận biết thông tin.

Thế hệ 3: Thế hệ có kiều điều khiển dạng tinh khôn, có khả năng nhận biết
thông tin và bước đầu đã có một số chức năng lý trí của con người.
2.1.2.2. Phân loại tay máy theo cấu trúc sơ đồ động:
Thông thường cấu trúc chấp hành của tay máy công nghiệp được mô
hình hóa trong dạng chuỗi động với các khâu và các khớp như trong nguyên lý máy
với các giả thuyết cơ bản sau:


8
- Chỉ sử dụng các khớp động loại 5 ( khớp quay, khớp tịnh tiến, khớp vít).
- Trục quay hướng tịnh tiến của các khớp thì song song hay vuông góc với
nhau.
- Chuỗi động chỉ là chuỗi động hở đơn giản
Robot công nghiệp rất phong phú đa dạng, có thể được phân loại theo các
cách sau:
-

Cấu trúc chuyển động toàn bộ (chân người) cấu trúc này thực hiện

chuyển động đem toàn bộ tay máy (tay người) đến vị trí làm việc. Cấu trúc này hết
sức đa dạng và thông thường nếu không phải là tay máy hoạt động trong hệ thống
mà chuyển động này cần có sự kiểm soát. Người ta thường coi tay máy là đứng yên,
khâu 0 gọi là giá cố định của tay máy.
- Cấu trúc xác định bàn kẹp bao gồm các khớp A,B và F các khâu 1, 2 và 3,
chuyển động của cấu trúc này đem theo bàn kẹp với vị trí làm việc. Do giả thiết về
loại khớp động dùng trong chế tạo máy thông thường ta có những phối hợp sau đây
của các khớp và từ đó tạo nên những cấu trúc xác định vị trí của bàn kẹp trong các
không gian vị trí khác nhau của bản kẹp. Phối hợp TTT nghĩa là 3 khớp đều là khớp
tịnh tiến và một khớp quay. Đây là cấu trúc hoạt động trong hệ toạ độ Đề Các so với
các toạ độ So vì 3 điểm M nằm trên khâu 3 khớp đều là khớp tịnh tiến và một

chuyển động quay ( tức là hai toạ độ dài).
Phối hợp TRT, RTT, hay TTR nghĩa là một khớp tịnh tiến hai khớp
quay ( các cấu trúc 2, 3, và 4). Đây là cấu trúc hoạt động trong hệ toạ độ trụ so với
điểm M trên khâu 3 được xác định bởi 2 chuyển động tịnh tiến và một chuyển
động quay( tức là hai toạ độ dài một toạ độ gốc).
Phối hợp RTR, RRT, TTR nghĩa là hai khớp tịnh tiến và hai khớp quay. Đây
là cấu trúc hoạt động trong hệ tọa độ cầu so với hệ So, vì điểm M trên khâu 3 được
xác định bởi một chuyển động tịnh tiến và hai chuyển động quay.


9
Phối hợp RRR tức là 3 khớp quay , đây là các cấu trúc hoạt trong toạ
độ góc so với hẹ So, vì điểm M trên khâu 3 được xác định bởi ba chuyển động quay,
cấu trúc này được gọi là cấu trúc phỏng sinh học.
Tuy nhiên trong thực tế, đối với các tay máy chuyên dùng ta chuyên môn hoá
và đặc biệt đảm bảo giá thành và giá đầu tư vào tay máy thấp, người ta không nhất
thiết lúc nào cũng phải chế tạo tay máy có đủ số ba khớp động cho cấu trúc xác định
vị trí.
Đối với tay máy công nghiệp đã có hơn 250 loại, trong số đó có
hơn 40% là loại tay máy có điều khiển đơn giản thuộc thế hệ thứ nhất.
Sự xuất hiện của IR và sự gia tăng vai trò của chúng trong sản xuất và xã hội
loài người làm xuất hiện một nghành khoa học mới là nghành Robot
học(Robotic). Trên thế giới nhiều nời đã xất hiện những viện nghiên cứu
riêng về Robot.
2.1.2.3. Phân loại theo kết cấu :
Theo kết cấu của tay máy người ta phân thành robot kiểu toạ độ Đề các, Kiểu
toạ độ trụ, kiểu toạ độ cầu, kiểu toạ độ góc, robot kiểu SCARA.
2.1.2.4. Phân loại theo hệ thống truyền động :
Có các dạng truyền động phổ biến là :
Hệ truyền động điện : Thường dùng các động cơ điện 1 chiều (DC : Direct

Current) hoặc các động cơ bước (step motor). Loại truyền động này dễ điều khiển,
kết cấu gọn.
Hệ truyền động thuỷ lực : có thể đạt được công suất cao, đáp ứng những điều
kiện làm việc nặng. Tuy nhiên hệ thống thủy lực thường có kết cấu cồng kềnh, tồn
tại độ phi tuyến lớn khó xử lý khi điều khiển.
Hệ truyền động khí nén : có kết cấu gọn nhẹ hơn do không cần dẫn ngược
nhưng lại phải gắn liền với trung tâm tạo ra khí nén. Hệ này làm việc với công suất
trung bình và nhỏ, kém chính xác, thường chỉ thích hợp với các robot hoạt động


10
theo chương trình định sẳn với các thao tác đơn giản “nhấc lên - đặt xuống” (Pick
and Place or PTP : Point To Point).
2.1.2.5. Phân loại theo ứng dụng :
Dựa vào ứng dụng của robot trong sản xuất có Robot sơn, robot hàn, robot
lắp ráp, robot chuyển phôi .v.v...
2.1.2.6. Phân loại theo cách thức và đặc trưng của phương pháp điều khiển :
Có robot điều khiển hở (mạch điều khiển không có các quan hệ phản hồi),
Robot điều khiển kín (hay điều khiển servo) : sử dụng cảm biến, mạch phản hồi để
tăng độ chính xác và mức độ linh hoạt khi điều khiển.
Ngoài ra còn có thể có các cách phân loại khác tuỳ theo quan điểm và mục
đích nghiên cứu.
2.1.3. Ứng dụng của ROBOT:
Robot được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Có
thể phân loại ứng dụng công nghiệp của robot làm các lĩnh vực chính: Vận chuyển,
bốc dỡ vật liệu, gia công, lắp ráp thăm dò và các ứng dụng khác.
2.1.3.1. Ứng dụng robot trong vận chuyển, bốc dỡ vật liệu.
Trong ứng dụng vận chuyển, robot có nhiệm vụ di chuyển đối tượng từ vị trí
này đến vị trí khác. Nhiệm vụ này của robot thực hiện bởi các thao tác nhặt và đặt
vật thể. Robot nhặt chi tiết ở một vị trí và chuyển dời đến một vị trí khác. Robot có

thể gấp một chi tiết ở một vị trí cố định hoặc trên một băng tải đang chuyển động và
đặt ở một vị trí cố định khác hoặc đặt trên một băng tải khác đang chuyển động với
định hướng chi tiết. Robot có khả năng bốc xếp và vận chuyển các chi tiết có hình
dạng và kích thước khác nhau nhờ các thông tin chuẩn về lưu trữ trong bộ nhớ và
robot sử dụng các cảm biến để nhận dạng các chi tiết thực.
2.1.3.2. Ứng dụng trong lĩnh vực gia công vật liệu.
Trong công nghiệp gia công vật liệu, robot thực hiện nhiệm vụ như một máy
gia công. Do đó tay robot sẽ gắn một dụng cụ thay cho một cơ cấu kẹp. Ứng dụng


11
của robot trong cong nghiệp gia công vật liệu bao gồm các công nghệ sau: Hàn
điểm; hàn hồ quang liên tục;sơn phủ; công nghệ gia công kim loại…
2.1.3.3. Ứng dụng robot trong lắp ráp và kiểm tra sản phẩm.
Công nghệ lắp ráp là lắp một chi tiết vào một bộ phận khác. Robot được sử
dụng trong dây chuyền lắp ráp thông thường ở bốn dạng sau:lắp chi tiết vào lỗ, lắp
lỗ vào chi tiết, lắp chi tiết nhiều chân vào lỗ và lắp ngăn xếp. Ở công đoạn lắp chi
tiết vào lỗ, robot nhặt một chi tiết, thông thường là một chốt lắp vào một bộ phận
khác. Chi tiết có thể là hình trụ tròn hoặc hình hộp chữ nhật. Robot sử dụng trong
lắp ráp thông thường có 5 - 6 bậc tự do để có thể lắp chính xác.
Trong công nghiệp lắp ráp, robot có thể hoạt động đơn lẻ để lắp hoàn thiện
một thiết bị hoặc làm việc trong một dây chuyền, trong đó mỗi robot sẽ có nhiệm vụ
lắp một chi tiết trong một thiết bị máy.
Bộ phận chấp hành giúp cho Robot có đủ “sức” chịu được tải trọng mà
Robot phải chịu trong quá trình làm việc, bộ phận này bao gồm:
Phần 1: Bộ phận chịu chuyển động , phần tạo các khả năng chuyển động cho
Robot.
Phần 2: Bộ phận chịu lực, phần chịu lực của Robot.Bộ cảm biến tín hiệu:
làm nhiệm vụ nhận biết, đo lường và biến đổi thông tin các loại tín hiệu như :
các nội tín trong bản thân Robot, đó là các tín hiệu về vị trí, vận tốc, gia tốc, trong

từng thành phần của bộ phận chấp hành các ngoại tín hiệu, là các tín hiệu từ môi
trường bên ngoài có ảnh hưởng tới hoạt động của Robot.
Với cấu trúc và chức năng như trên, Robot phần nào mang tính “người” còn
phần máy chính là trạng thái vật lý của cấu trúc.
Với IR tính chất “ người” và “máy”cũng được thể hiện đầy đủ như trên, duy
trì hình thức mang dáng dấp của tay “người”.
Tay máy công nghiệp thường có những bộ phận sau:
Hệ thống điều khiển: thường là loại đơn giản làm việc có chu kỳ vận
hành theo nguyên lý của hệ thống điều khiển hở hoặc kín.


12
Hệ thống chấp hành: bao gồm các nguồn động lực, hệ thống truyền
động, hệ thống chịu lực như: các động cơ thuỷ, khí nén, cơ cấu servo điện tử, động
cơ bước. Mỗi chuyển động của IR thường có một động cơ riêng và các thanh chịu
lực.
- Bàn kẹp: là bộ phận công tác cuối cùng của tay máy, nơi cầm nắm các thiết
bị công nghệ háy vật cần di chuyển.
Dưới đây là một số hình ảnh về các robot và nơi ứng dụng của chúng mà
chúng ta thường gặp:

Hình 2 – 1: Robot trên dây chuyền của một trung tâm sản xuất linh hoạt.


13

hình 2 – 2: Rôbốt phục vụ máy phay CNC.

Hình 2 – 3: Robot Mitsubishi RV-2AJ

14

Hình 2 – 4: Một số loại robot
• Tại các lò phản ứng hạt nhân (a)
• Thám hiểm đại dương (b)
• Khám phá vũ trụ (c)
2.1.4. Tổng quan tình hình nghiên cứu Robot trong và ngoài nước
Ngày nay, tự động hóa là một trong những ngành kỹ thuật cao đang phát
triển mạnh mẽ và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của đời sống xã hội.
Đặc biệt trong các dây chuyền sản xuất công nghiệp, các tay máy và người máy đã
được sử dụng rộng rãi nhằm thay thế sức lao dộng của con người, góp phần nâng
cao năng suất, chất lượng, giãm giá thành sản phẩm.
Ở nước ta trong thập niên qua, tình hình ứng dụng robot có những thay đổi
lớn. Nhiều doanh nghiệp phải nhập các thiết bị robot trong dây chuyền sản xuất. Do
nhu cầu thực tế đặt ra như vậy, đòi hỏi phải nghiên cứu và đào tạo về các hệ thống
robot để phát triển ngành này ở nước ta.
Một số đề tài nghiên cứu khoa học ở nước ta từ trước cho tới nay như:
-

Đề tài 58A-03 với nội dung nghiên cứu ứng dụng robot trong kỹ thuật

bảo hộ lao động.
-

Đề tài 52B.0301: “Ứng dụng tay máy – người máy công nghiệp”

-

Đề tài KC.03.02 “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot phục vụ sản

xuất trong các điều kiện môi trường độc hại và không an toàn”


15
CHƯƠNG III.
ĐỘNG HỌC CỦA TAY MÁY .
3.1. Động học thuận:
Trên mặt phẳng tọa độ (X,Y) l1 đại diện cho link1, l2 đại diện cho link2.
Trong đó link1 quay một góc θ1, link2 quay một góc θ2 so với trục X. Điểm M(X,Y)
là điểm mà cánh tay máy cần quay đến. Khi nhập giá trị hai góc θ1, θ2 ta giải bài
toán động học thuận tìm được giá trị X,Y.
y

Y

l2

θ2

l1
θ1

x

Hình 3 -1: Sơ đồ cánh tay máy hai khâu X
Ta có:
X = l1cosθ1 + l2cosθ2
Y = l1 sinθ1 + l2sinθ2
Giả sử: Cánh tay máy quay một góc θ1 = 450, θ2 = 300, l1=110 mm, l2=95mm

V ậy X = 110.

2
3
+ 95.
= 159,5 mm
2
2

Y = 110.

1
2
+ 95. = 120,28 mm
2
2


16
3.2. Bài toán động học ngược :
* Giải bài toán động học ngược bằng phép biến đổi giải tích.
Nội dung bài toán này được phát biểu như sau: “Cho trước số khâu, số khớp,
loại khớp, kích thước di động của các khâu thành viên, và cho trước vị trí hướng
của khâu tác động cuối trong hệ tọa độ Descarters. Ta phải xác định vị trí của các
khâu thành viên thong qua các tọa độ suy rộng của chúng sao cho khâu tác động
cuối đạt được vị trí và hướng yêu cầu”.
Nếu như so với bài toán thuận có một đáp số duy nhất thì ngược lại bài toán
ngược có vô số đáp số, lý do là sự mô tả vị trí tương đối giữa các khâu thành viên
chỉ là ánh xạ theo chiều thuận mà không có chiều nghịch. Để giải quyết vấn đề này
nhằm chọn ra nghiệm tối ưu, người ta đưa ra các ràng buộc về động học bên trong

vùng không gian hoạt động của nó. Hoặc đặt vấn đề phải tối ưu hóa hoạt động của
tay máy theo hàm mục tiêu cụ thể nào đó để chọn lời giải tối ưu nhất. Để giải bài
toán ngược trước tiên ta đưa ra các bài toán mục tiêu và giải bài toán đó với các
ràng buộc.
Thiết lập thông số ban đầu
Chiều dài Link 1 (d1-mm)
Chiều dài Link 2 (d2-mm)

110
95

Giải bài toán động học ngược
Gọi M(X,Y) là điểm cuối cùng của tay máy.
Ta có:
Cos θ 2 = ( X 2 + Y 2 − d12 − d 22 ) /(2 × d1 × d 2 )
Sin θ 2 = 1 − cos θ 22
K 1 = d1 + d 2 × cos θ 2
K 2 = d 2 × sin θ 2
Suy ra :
θ1 = a tan 2( X , Y ) − a tan 2( K 1, K 2 )

( Rad )

θ 2 = a tan 2(cos θ 2 , sin θ 2 )
( Rad )
3.3. Lưu đồ thuật toán điều khiển robot.
Ở chế độ Run, nhập giá trị tọa độ (X,Y). Giá trị này được đưa vào bài toán
động học ngược giải ra hai góc θ1r và θ2r. Sau đó ta tính sai số e(t) = θ1r - θ2r= 0.

17
Nếu đúng tiến hành gắp vật, nếu sai giá trị e(t) được đưa qua bộ PID c ải tiến để
tính ra giá trị u. Giá trị này được khuếch đại và đưa ra động cơ
Bắt đầu
Nhập
(X1,Y1); (X2,Y2)

Bài toán
Động học ngược

e11(t) = θ1r – θ1= 0
e21(t) = θ2r – θ2= 0

S

PID
cải tiến

KĐCS

DC1
DC2

Đ
Gắp vật

Bài toán
Động học ngược

e12(t) = θ11r – θ11= 0

e22(t) = θ21r – θ21= 0

S

PID
cải tiến

KĐCS

Đ
Nhả vật

Kết thúc
Hình 3 – 2: Lưu đồ thuật toán điều khiển tay máy

DC1
DC2


18

CHƯƠNG IV.
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CHO ĐỘNG CƠ DẪN ĐỘNG CÁC KHỚP
4.1. Giới thiệu về bộ điều khiển PID thông thường.

Một bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (bộ điều khiển PID) là một cơ chế
phản hồi vòng điều khiển (bộ điều khiển) tổng quát được sử dụng rộng rãi trong các
hệ thống điều khiển công nghiệp – bộ điều khiển PID được sử dụng phổ biến nhất
trong số các bộ điều khiển phản hồi. Một bộ điều khiển PID tính toán một giá trị
"sai số" là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt mong muốn. Bộ

điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển
đầu vào. Trong trường hợp không có kiến thức cơ bản về quá tr.nh, bộ điều khiển
PID là bộ điều khiển tốt nhất. [1] Tuy nhiên, để đạt được kết quả tốt nhất, các thông
số PID sử dụng trong tính toán phải điều chỉnh theo tính chất của hệ thống-trong khi
kiểu điều khiển là giống nhau, các thông số phải phụ thuộc vào đặc thù của hệ
thống.
Giải thuật tính toán bộ điều khiển PID bao gồm 3 thông số riêng biệt, do đó
đôi khi nó c.n được gọi là điều khiển ba khâu: các giá trị tỉ lệ, tích phân và đạo
hàm, viết tắt là P, I, và D. Giá trị tỉ lệ xác định tác động của sai số hiện tại, giá trị
tích phân xác định tác động của tổng các sai số quá khứ, và giá trị vi phân xác định


19
tác động của tốc độ biến đổi sai số. Tổng chập của ba tác động này dùng để điều
chỉnh quá trình thông qua một phần tử điều khiển như vị trí của van điều khiển hay
bộ nguồn của phần tử gia nhiệt. Nhờ vậy, những giá trị này có thể làm sáng tỏ về
quan hệ thời gian: P phụ thuộc vào sai số hiện tại, I phụ thuộc vào tích lũy các sai
số quá khứ, và D dự đoán các sai số tương lai, dựa vào tốc độ thay đổi hiện tại.[2]
Bằng cách điều chỉnh 3 hằng số trong giải thuật của bộ điều khiển PID, bộ điều
khiển có thể dùng trong những thiết kế có yêu cầu đặc biệt. Đáp ứng của bộ điều
khiển có thể được mô tả dưới dạng độ nhạy sai số của bộ điều khiển, giá trị mà bộ
điều khiển vọt lố điểm đặt và giá trị dao động của hệ thống. Lưu . là công dụng của
giải thuật PID trong điều khiển không đảm bảo tính tối ưu hoặc ổn định cho hệ
thống.
Vài ứng dụng có thể yêu cầu chỉ sử dụng một hoặc hai khâu tùy theo hệ
thống. Điều này đạt được bằng cách thiết đặt đội lợi của các đầu ra không mong
muốn về 0. Một bộ điều khiển PID sẽ được gọi là bộ điều khiển PI, PD, P hoặc I
nếu vắng mặt các tác động bị khuyết . Bộ điều khiển PI khá phổ biến, do đáp ứng vi
phân khá nhạy đối với các nhiễu đo lường, trái lại nếu thiếu giá trị tích phân có thể
khiến hệ thống không đạt được giá trị mong muốn.

4.1.1. Khâu tỷ lệ P (Proportional)
Sơ đồ điều khiển PID được đặt tên theo ba khâu hiệu chỉnh của nó, tổng của
ba khâu này tạo thành bởi các biến điều khiển (MV). Ta có:

trong đó:
Pout, Iout và Dout là các thành phần đầu ra từ ba khâu của bộ điều khiển PID, được xác
định như dưới đây.
* Khâu tỉ lệ
Khâu tỉ lệ (đôi khi còn được gọi là độ lợi) làm thay đổi giá trị đầu ra, tỉ lệ với
giá trị sai số hiện tại. Đáp ứng tỉ lệ có thể được điều chỉnh bằng cách nhân sai số đó
với một hằng số Kp, được gọi là độ lợi tỉ lệ.
Khâu tỉ lệ được cho bởi:


20
trong đó
Pout: thừa số tỉ lệ của đầu ra
Kp: Độ lợi tỉ lệ, thông số điều chỉnh
e: sai số = SP - PV
t: thời gian hay thời gian tức thời (hiện tại)
Độ lợi của khâu tỉ lệ lớn là do thay đổi lớn ở đầu ra mà sai số thay đổi nhỏ.
Nếu độ lợi của khâu tỉ lệ quá cao, hệ thống sẽ không ổn định (xem phần điều chỉnh
vòng). Ngược lại, độ lợi nhỏ là do đáp ứng đầu ra nhỏ trong khi sai số đầu vào lớn,
và làm cho bộ điều khiển kém nhạy, hoặc đáp ứng chậm. Nếu độ lợi của khâu tỉ lệ
quá thấp, tác động điều khiển có thể sẽ quá bé khi đáp ứng với các nhiễu của hệ
thống.

Với khâu tỷ lệ P ta có luật điều khiển P, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của
khâu P được mô tả theo hình 4.1:
* Khâu tích phân

Đồ thị PV theo thời gian, tương ứng với 3 giá trị Ki (Kp và Kd không đổi)
Phân phối của khâu tích phân (đôi khi còn gọi là reset) tỉ lệ thuận với cả biên độ sai
số lẫn quảng thời gian xảy ra sai số. Tổng sai số tức thời theo thời gian (tích phân
sai số) cho ta tích lũy bù đã được hiệu chỉnh trước đó. Tích lũy sai số sau đó được
nhân với độ lợi tích phân và cộng với tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển. Biên độ


21
phân phối của khâu tích phân trên tất cả tác động điều chỉnh được xác định bởi độ
lợi tích phân, KI.
Thừa số tích phân được cho bởi:

trong đó
Iout: thừa số tích phân của đầu ra
KI: độ lợi tích phân, 1 thông số điều chỉnh
e: sai số = SP - PV
t: thời gian hoặc thời gian tức thời (hiện tại)
: một biến tích phân trung gian
Khâu tích phân (khi cộng thêm khâu tỉ lệ) sẽ tăng tốc chuyển động của quá trình
tới điểm đặt và khử số dư sai số ổn định với một tỉ lệ chỉ phụ thuộc vào bộ điều
khiển. Tuy nhiên, vì khâu tích phân là đáp ứng của sai số tích lũy trong quá khứ, nó
có thể khiến giá trị hiện tại vọt lố qua giá trị đặt (ngang qua điểm đặt và tạo ra một
độ lệch với các hướng khác). Để t.m hiểu thêm các đặc điểm của việc điều chỉnh độ
lợi tích phân và độ ổn của bộ điều khiển.


22
* Khâu vi phân
Đồ thị PV theo thời gian, với 3 giá trị Kd (Kp and Ki không đổi) Tốc độ thay
đổi của sai số qua trình được tính toán bằng cách xác định độ dốc của sai số theo

thời gian (tức là đạo hàm bậc một theo thời gian) và nhân tốc độ này với độ lợi tỉ lệ
Kd. Biên độ của phân phối khâu vi phân (đôi khi được gọi là tốc độ) trên tất cả các
hành vi điều khiển được giới hạn bởi độ lợi vi phân, Kd .
Thừa số vi phân được cho bởi:

trong đó
Dout: thừa số vi phân của đầu ra
Kd: Độ lợi vi phân, một thông số điều chỉnh
e: Sai số = SP - PV
t: thời gian hoặc thời gian tức thời (hiện tại)
Khâu vi phân làm chậm tốc độ thay đổi của đầu ra bộ điều khiển và đặc tính
này là đang chú . nhất để đạt tới điểm đặt của bộ điều khiển. Từ đó, điều khiển vi
phân được sử dụng để làm giảm biên độ vọt lố được tạo ra bởi thành phần tích phân
và tăng cường độ ổn định của bộ điều khiển hỗn hợp. Tuy nhiên, phép vi phân của
một tín hiệu sẽ khuếch đại nhiễu và do đó khâu này sẽ nhạy hơn đối với nhiễu trong
sai số, và có thể khiến quá tr.nh trở nên không ổn định nếu nhiễu và độ lợi vi phân
đủ lớn. Do đó một xấp xỉ của bộ vi sai với băng thông giới hạn thường được sử
dụng hơn. Chẳng hạn như mạch bù sớm pha.
* Tóm tắt
Khâu tỉ lệ, tích phân, vi phân được cộng lại với nhau để tính toán đầu ra của
bộ điều khiển PID. Định nghĩa rằng u(t) là đầu ra của bộ điều khiển, biểu thức cuối
cùng của giải thuật PID là:

trong đó các thông số điều chỉnh là:
Độ lợi tỉ lệ, KP


23
giá trị càng lớn thì đáp ứng càng nhanh do đó sai số càng lớn, bù khâu tỉ lệ
càng lớn. Một giá gị độ lợi tỉ lệ quá lớn sẽ dấn đến quá tr.nh mất ổn định và dao

động.
Độ lợi tích phân, Ki
giá trị càng lớn kéo theo sai số ổn định bị khử càng nhanh. Đổi lại là độ vọt
lố càng lớn: bất kỳ sai số âm nào được tích phân trong suốt đáp ứng quá độ phải
được triệt tiêu tích phân bằng sai số dương trước khi tiến tới trạng thái ổn định.
Độ lợi vi phân, Kd
giá trị càng lớn càng giảm độ vọt lố, nhưng lại làm chậm đáp ứng quá độ và
có thể dẫn đến mất ổn định do
khuếch đại nhiễu tín hiệu trong phép vi phân sai số.
4.2. ĐIỀU KHIỂN PID cải tiến
4.2.1. Giới thiệu chung
Điều khiển mờ được thực hiện dựa trên lý thuyết logic mờ gọi là điều khiển
mờ.
Hệ điều khiển mờ cho phép đưa các kinh nghiệm điều khiển của các chuyên
gia vào thuật toán điều khiển.
Chất lượng điều khiển mờ phụ thuộc rất nhiều vào kinh nghiệm của người
thiết kế.
Điều khiển mờ có thế mạnh trong các hệ thống sau:
 Hệ thống điều khiển phi tuyến.
 Hệ thống điều khiển mà các thông tin đầu vào và đầu ra không đủ hoặc
không xác định.
 Hệ thống điều khiển khó xác định hoặc không xác định được mô hình đối
tượng.
Sơ đồ điều khiển có nhiều dạng khác nhau. Dưới dây là một sơ đồ điều khiển
đơn giản thường gặp, trong đó bộ điều khiển mờ được dùng thay thế cho bộ điều
khiển kinh điển.


24

Hinh 4.1: Sơ đồ hệ thống bộ điều khiển mờ cơ bản
4.2.2 Cấu trúc của bộ điều khiển mờ
Bộ điều khiển mờ gồm 4 khối: Mờ hóa, hệ luật mờ, thiết bị hợp thành, giải mờ. Khi
ghép bộ điều khiển mờ vào hệ thống, thường thêm vào hai khối tiền xử lý và hậu xử
lý.

Hinh 4.2: Cấu trúc bộ điều khiển mờ [1]
Bộ điều khiển mờ cơ bản:

Hinh 4.3: Sơ đồ bộ điều khiển mờ cơ bản [1]
 Bộ điều khiển mờ bao gồm :
 Mờ hóa: Biến giá trị rõ đầu vào thành giá trị mờ.
 Hệ luật mờ: Tập các luật “if-then”. Đây là “bộ não” của bộ điều khiển
mờ. Luật mờ “if-then” có 2 dạng: Luật mờ Mamdani và luật mờ
Sugeno.


25
 Thiết bị hợp thành: Biến đổi các giá trị đã được mờ hóa ở đầu vào
thành các giá trị đầu ra theo các luật hợp thành nào đó.
 Giải mờ: Biến giá trị đầu ra của khối của thiết bị hợp thành thành giá
trị rõ.
 Thiết bị ghép nối:
 Tiền xử lý: Xử lý tín hiệu trước khi đi vào bộ điều khiển mờ cơ bản.
• Lượng tử hóa hoặc làm tròn giá trị đo.
• Chuẩn hóa hoặc chuyển tỷ lệ giá trị đo vào tầm giá trị chuẩn.
• Lọc nhiễu.
• Lấy vi phân hay tích phân.
 Hậu xử lý: Xử lý tín hiệu ngõ ra của bộ điều khiển mờ cơ bản.
• Chuyển tỷ lệ giá trị ngõ ra của bộ điều khiển mờ cơ bản thành

giá trị vật lý.
• Đôi khi có khâu tích phân.
 Bộ điều khiển Mamdani :
Bộ điều khiển Mamdani là bộ điều khiển mờ dựa trên các luật mờ Mamdani
If ( x1 = A1) and (x2 = A2) …and ( xn = An) then y = B
Trong đó Ai , B là các tập mờ.
 Bộ điều khiển Sugeno :
Bộ điều khiển mờ Sugeno là bộ điều khiển mờ dựa trên các luật mờ Sugeno :
If ( x1 = A1) and (x2 = A2) …and ( xn = An) then y = f (x1, x2,….,xn)
Trong đó :
Ai : là các tập mờ
f(.) là hàm của các tín hiệu vào (hàm rõ).
Phương pháp giải mờ dùng trong bộ diều khiển mờ Sugeno là tổng có trọng số

Trong đó: βi : Độ cao của tập mờ kết quả trong mệnh đề điều kiện của luật i.
K: Số luật.
 So sánh:
Bộ điều khiển mờ Mamdani thích hợp để điều khiển các đối tượng không xác
định được mô hình.