Thiết kệ bộ điều khiển PID mờ để điều khiển vị trí tay máy có tính đến độ đàn hồi

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA


BÙI TUẤN VIỆT LINH

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI
ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ TAY MÁY CÓ TÍNH
ĐẾN MODULE ĐÀN HỒI CỦA CÁNH TAY

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa
Mã số: 60.52.02.16

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Đà Nẵng – Năm 2017


Công trình được hoàn thành tại
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN HOÀNG MAI

Phản biện 1: TS. Lê Tiến Dũng

Phản biện 2: TS. Hà Xuân Vinh

Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt
nghiệp thạc sĩ ngành Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa họp tại
Trường Đại học Bách khoa vào ngày 07 tháng 07 năm 2017.

Có thể tìm hiểu luận văn tại:
 Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học
Bách khoa
 Thư viện Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN


1
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Robot công nghiệp đang được ứng dụng rất rộng rãi trong các
ngành sản xuất hiện đại.Với ưu điểm độ chính xác cao, thao tác lặp
lại liên tục, tiêu tốn ít năng lượng và làm việc trong những môi
trường khắc nghiệt. Các quốc gia phát triển hàng đầu thế giới đã ra
sức ứng dụng robot vào các ngành công nghiệp chủ chốt nhằm đạt tới
trình độ công nghiệp hóa và tự động hóa cao.
Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của hệ tay máy là chưa linh
hoạt như con người và chưa đảm bảo tính ổn định về chất lượng. Do
đó, để nâng cao hiệu quả sử dụng robot cần phải đẩy mạnh nghiên
cứu về công nghệ chế tạo và công nghệ điều khiển mà trong đó việc
nghiên cứu các luật điều khiển và xây dựng bộ điều khiển cho hệ tay
máy là rất quan trọng. Từ đó đã có rất nhiều công trình nghiên cứu ra
đời về phân bổ dung sai chế tạo cho từng khâu trong cấu trúc, các
nghiên cứu về chiến lược điều khiển giám sát tích cực có phản hồi
nhiều thông số với độ chính xác chế tạo cơ khí thông thường, các
công trình về hiệu chỉnh lời giải bài toán động học ngược để khắc
phục sai số quy tròn khi tính toán v.v...
Mặc dù đã siết chặt chất lượng chế tạo, thiết kế, cải thiện các
chiến lược điều khiển để nâng cao độ chính xác động học, động lực
học của robot, nhưng biến dạng của cấu trúc ởtrạng thái tĩnh và tác

động dưới ảnh hưởng của tải trọng ít được xem xét. Để hoàn thiện
bức tranh chung về độ chính xác của robot công nghiệp, bên cạnh
những công trình đã có không thể thiếu một nghiên cứu về tính toán
bù sai số điểm cuối dưới ảnh hưởng của tải trọng.
Với các lý do trên, tác giả sẽ lựa chọn việc xây dựng phương
pháp bù sai số do biến dạng đàn hồi của cấu trúc dưới ảnh hưởng của


2
ngoại lực, sau đó thiết kế bộ điều khiển PID -Mờ với mong muốn đạt
được các chỉ tiêu chất lượng của hệ thống để hoàn thiện các phương
pháp nói trên.
2. Mục tiêu nghiên cứu
 Nắm bắt được lí thuyết điều khiển PID và phương pháp
điều chỉnh tham số Kp, Ki, Kd.
 Nắm bắt ứng dụng bộ điều khiển Mờ.
 Tập trung xây dựng mô hình toán xác định mối quan hệ
giữa biến dạng của các khâu tạo thành cánh tay và khâu tác động
cuối, sau khi tính toán định lượng, các sai lệch này được sử dụng làm
thông tin cho mạch bù chuyển vị trong hệ thống điều khiển PID Mờ.
 Ứng dụng bộ điều khiển PID Mờ nhằm hiệu chỉnh lại chính
xác vị trí khâu cuối của Robot
 Sử dụng được phần mềm MATLAB SIMULINK làm công
cụ xây dựng mô hình mô phỏng kết quả và so sánh, kết luận.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Trong luận văn giới hạn đối tượng điều khiển là tay máy hai
bậc tự do: dưới đây mô tả cấu trúc động học của tay máy hai bậc
tự do.

Hình a. Cấu trúc động học của tay máy hai bậc tự do

Yêu cầu bài toán điều khiển: Thiết kế bộ điều khiển PID – Mờ
để điều khiển vị trí tay máy có tính đến độ đàn hồi.


3
3.1 Giới thiệu bài toán
Khi các cánh tay robot có kích thước lớn hoạt động (như máy
nâng hạ nhiều bậc tự do) thì độ đàn hồi vật liệu sẽ xuất hiện và gây ra
những hiệu ứng phi tuyến mạnh, dẫn đến khó điều khiển chính xác vị
trí nếu dùng các phương trình mô tả cánh tay máy thông thường như
phương trình Lagrange II cho tay máy cứng. Do đó việc xây dựng
một phương pháp tính toán bù sai số điểm cuối do biến dạng đàn hồi
của cấu trúc dưới ảnh hưởng của ngoại lực là rất cần thiết.
Xuất phát từ mô hình toán của cơ hệ trong trạng thái dừng luôn
tìm được biến dạng của cấu trúc, trên cơ sở đó xác định lượng bù
động học để tác động lên các động cơ nhằm điều chỉnh lại vị trí chính
xác theo yêu cầu.

Hình b. Biến dạng của cánh tay robot và sai lệch vị trí các trục theo
lý thuyết
Định tính và định lượng các thành phần sai số là bước quan
trọng để bù sai số, phương pháp xác định sai số cần có tính tổng quát
để áp dụng được trên các cấu trúc khác nhau, bên cạnh đó cần đưa ra
được các thông tin đa dạng như biến dạng dài, biến dạng góc của tất
cả các trục thuộc cấu trúc kể cả khâu cuối.


4
3.2 Phạm vi nghiên cứu
Do hạn chế về điều kiện thực nghiệm xác định các ma trận

khối lượng cấu trúc và ma trận hệ số cản, đề tài giới hạn trong phạm
vi chỉ xem xét cấu trúc ở trạng thái dừng hoặc chỉ khởi tạo các số liệu
bù tại các điểm xác định của quỹ đạo sau đó nội suy ghép nối dữ liệu
động học bằng các đa thức bậc thấp.
Đề tài cũng giới hạn chỉ can thiệp vào các thông số động học
trong nỗ lực bù sai lệch của robot, trong khi nếu xác định được ma
trận khối lượng cấu trúc và ma trận hệ số cản sẽ tạo ra số liệu bù dưới
dạng động lực học.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
 Ý nghĩa khoa học:
Nghiên cứu này cũng như các nghiên cứu khác có cùng mục
tiêu nâng cao độ chính xác sẽ cung cấp thêm cho những nhà nghiên
cứu, chế tạo và sử dụng robot như một công cụ hiệu quả để hiểu rõ
hơn và làm chủ thiết bị khi vận hành. Nó cho phép thiết kế các khâu
có tỉ lệ độ mảnh/ độ dài hợp lý nhất với vận tốc tối đa cho phép còn
đảm bảo độ chính xác, là điều kiện không thể thiếu khi nâng cao tốc
độ thao tác nhằm tăng năng suất nhưng không tạo ra sai lệch vị trí
hoặc hướng trên khâu cuối vượt quá giới hạn cho phép.
Với kết quả nghiên cứu được, đề tài này mang lại ý nghĩa khoa
học về vấn đề ứng dụng lý thuyết điều khiển PID Mờ trong việc điều
khiển các đối tượng phi tuyến nói chung và robot nói riêng. Đề tài đã
chỉ ra được sự kết hợp giữa điều khiển mờ và điều khiển PID sẽ
mang lại kết quả tốt hơn so với việc chỉ sử dụng bộ điều khiển PID.
Bên cạnh đó, kết quả nghiên cứu là cơ sở lý thuyết để có thể ứng
dụng trong công nghệ chế tạo và sản xuất robot.


5
 Ý nghĩa thực tiễn:
Do chi phí ban đầu cho robot tương đối cao nên năng suất lao

động cần được đẩy lên để giảm thời gian khấu hao thiết bị, thực tiễn
cho thấy tất cả nhà sản xuất muốn có năng suất tối đa, đồng nghĩa với
vận hành thiết bị ở tốc độ lớn nhất có thể. Với cấu trúc có sẵn hoặc
thiết kế mới điều kiện biên để xác định vận tốc chính là đảm bảo độ
chính xác dưới ảnh hưởng của quán tính do khối lượng bản thân và
tải trọng gây ra. Tập trung vào giải quyết vấn đề này nên luận văn có
ý nghĩa thực tiễn trên nhiều khía cạnh như khi thiết kế sao cho khâu
có tỉ lệ độ dài/độ mảnh hợp lý nhất, sử dụng sao cho vận tốc robot
lớn nhất có thể, trong khi dung sai vị trí khâu cuối là thấp nhất.
5. Kết quả đạt đƣợc
 Xác định được các biến dạng đàn hồi của cấu trúc robot theo
từng phương riêng biệt.
 Phương pháp bù sai số do biến dạng đàn hồi của cấu trúc
dưới ảnh hưởng của ngoại lực.
 Bộ điều khiển PID Mờ đáp ứng được các yêu cầu về độ
chính xác và độ ổn định cao của hệ thống.
6. Cấu trúc luận văn
MỞ ĐẦU
Luận văn bao gồm có 4 chương
Chương 1. Tổng quan về Robot công nghiệp và điều khiển
Robot
Chương 2. Xây dựng mô hình toán học của tay máy hai bậc
tự do
Chương 3. Thiêt kế bộ điều khiển PID Mờ điều khiển tay máy
hai bậc tự do
Chương 4. Mô phỏng và đánh giá kết quả


6
CHƢƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP
VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT
1.1. TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP
1.1.1. Cấu trúc cơ bản của Robot công nghiệp
1.1.1.1. Tổng quan về Robot Công nghiệp
1.1.1.2. Khái niệm về Robot Công nghiệp
1.1.1.3. Lịch sử phát triển
1.1.1.4. Phân loại Robot Công nghiệp
1.1.1.5. Ứng dụng của Robot công nghiệp
1.1.1.6. Các bộ phận cấu thành Robot công nghiệp
1.1.1.7. Bậc tự do của Robot công nghiệp
1.1.2. Động học của Robot công nghiệp
1.1.2.1. Xác định trạng thái của Robot tại điểm tác động cuối
1.1.2.2. Mô hình động học
1.1.2.3. Phương trình động học

 nx
n
Tn   y
 nz

0

sx

ax

ny

ay

sz
0

az
0

px 
py 
pz 

1

(1.11)

Phương trình (1.11) là phương trình động học cơ bản của
Robot.
1.1.3. Tổng hợp chuyển động của Robot công nghiệp
1.1.3.1. Nhiệm vụ
1.1.3.2. Bài toán động học ngược
1.1.3.3. Các phương pháp giải bài toán động học ngược


7
1.2. TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT
1.2.1. Tổng quan về bộ điều khiển PID
1.2.1.1. Cấu trúc chung của hệ điều khiển
x(t)
U(t) e(t)
TBĐK

ĐTĐK

y(t)

Z(t)
TBĐL
CĐTH

1.2.1.2. Các phương pháp xác định tham số PID
Tên gọi PID là chữ viết tắt của ba thành phần cơ bản có trong
bộ điều khiển gồm khâu khuếch đại (P), khâu tích phân (I), và khâu
vi phân (D). Bộ PID có nhiệm vụ đưa sau lệch e(t) của hệ thống về 0
sao cho quá trình quá độ thỏa món các yêu cầu cơ bản về chất lượng.
Bộ điều khiển PID được mô tả bằng mô hình vào ra:
1

u (t )  k p [e(t ) 

1
de(t )
e(t )d  TD
]

T1 0
dt

(1.16)

Trong đó e(t) là tín hiệu đầu vào, u(t) là tín hiệu đầu ra, kP
được gọi là hệ số khuếc đại, TI là hằng số tích phân, TD là hằng số vi

phân. Từ mô hình vào ra trên ta có được hàm truyền đạt của bộ điều
khiển PID:
1
R( s)  k p (1 
 TD s)
(1.17)
TI s
Chất lượng hệ thống phụ thuộc vào các tham số kP, TI, TD.
Hiện nay có rất nhiều các phương pháp xác định các tham số kp, TI, TD
cho bộ điều khiển PID, song tiện ích hơn cả trong ứng dụng vẫn là:
- Phương pháp Ziegler – Nichols.
- Phương pháp Chien – Hrones – Reswick.
- Phương pháp tổng T của Kuhn.
- Phương pháp tối ưu độ lớn và phương pháp tối ưu đối xứng.


8
1.2.2. Lý thuyết điều khiển Mờ
1.2.2.1. Lịch sử phát triển Logic mờ
1.2.2.2. Khái niệm điều khiển mờ
1.2.2.3. Điều khiển mờ cơ bản

Hình 1.15. Sơ đồ khối chức năng của bộ điều khiển mờ
Có 3 phương pháp giải mờ thường dùng là:
 Phương pháp cực đại
 Phương pháp trọng tâm
 Phương pháp trung bình trọng tâm
1.2.3. Hệ điều khiển PID – Mờ
1.2.3.1. Khái niệm
1.2.3.2. Các dạng hệ mờ lai phổ biến

a. Hệ lai không thích nghi có bộ điều khiển kinh điển

Hình 1.16. Bộ điều khiển mờ lai có khâu tiền xử lý mờ

Hình 1.17. Hệ mờ với bộ lọc mờ cho tín hiệu chủ đạo x


9
b. Hệ mờ lai Cascade

Hình 1.18. Cấu trúc hệ mờ lai Cascade
1.3. MỘT SỐ NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN BÙ SAI SỐ
TRÊN THẾ GIỚI CHO ROBOT ĐÀN HỒI
1.4. KẾT LUẬN CHƢƠNG 1
Chương 1 đã trình bày tổng quát về Robot công nghiệp từ lịch
sử ra đời đến các giai đoạn phát triển, những ưu – nhược điểm trong
các lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng của Robot. Tìm hiểu cấu trúc
chung của Robot và các phương pháp điều khiển chuyển động của
Robot để Robot ngày càng linh hoạt, thông minh đáp ứng nhu cầu sử
dụng của con người trong mọi lĩnh vực: sản xuất, công nghiệp, dịch
vụ... Việc nhìn nhận các tay máy công nghiệp là những cấu trúc mềm
dẻo và tồn tại sai số chế tạo là một hướng tiếp cận đúng đắn và hiện
đại trong việc đạt độ chính xác điều khiển của chúng. Bên cạnh đó
nếu chấp nhận cấu trúc mạch bù vào hệ điều khiển của robot sẽ góp
phần giảm giá thành chế tạo và duy trì độ chính xác lâu dài cho thiết
bị, đây là cách tiếp cận hợp lý cho giải pháp đạt độ chính xác của các
tay máy đang được quan tâm nhiều hiện nay. Mục đích nghiên cứu
trong luận văn thiết kế bộ điều khiển PID Mờ cho tay máy 2 bậc tự
do có tính đến đàn hồi.

10
CHƢƠNG 2
XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC CHO TAY MÁY
HAI BẬC TỰ DO CÓ TÍNH ĐẾN ĐÀN HỒI
2.1 ĐỘNG LỰC HỌC CỦA ROBOT CÔNG NGHIỆP
2.1.1. Nhiệm vụ và phƣơng pháp phân tích động lực học
của Robot công nghiệp
2.1.2. Phƣơng trình Lagrange_Euler
Các phương trình Động lực học Robot được thiết lập dựa trên
cơ sở phương trình Lagrange bậc 2:
d  L  L
 F Mi


dt   q i   q i

i=1,2,...

(2.1)

Trong đó :
L: hàm Lagrange

L=K-P

(2.2)

K, P: động năng và thế năng của cơ hệ.
FMi: động lực, hình thành trong khớp động thứ i khi thực hiện

chuyển động.
qi - biến khớp (toạ độ suy rộng)

q - đạo hàm bậc nhất của biến khớp theo thời gian.
i

2.1.3. Phƣơng trình động lực học của tay máy
a.Vận tốc và gia tốc
b. Động năng tay máy
c. Thế năng tay máy
d. Mô hình động lực học tay máy
Phương trình trên cho biểu thức tính động lực FMi. Đó là lực
hoặc mô men tạo nên bởi nguồn động lực ở khớp động i để thực hiện
chuyển động khâu i, ta có :


11

FMi  D(q)q  h(q,q)  c(q)

(2.27)

2.1.4. Động lực học của tay máy 2 bậc tự do
2.2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC CHO TAY MÁY HAI
BẬC TỰ DO CÓ TÍNH ĐẾN ĐÀN HỒI

Hình 2.2. Hệ robot đàn hồi
Xác Định Biến Dạng Đàn Hồi Bằng Phƣơng Pháp Chế Độ
Giả Định
Các biến dạng đàn hồi của cánh tay được đưa ra bởi sự kết hợp

tuyến tính của các hàm cơ sở và tọa độ tổng quát.
Nei

Với:

i ( xi , t )   ij ( xi )ij ( t)

(2.43)

1

- δ là tọa độ tổng quát của vectơ biến dạng đàn hồi

 

- i xij là hàm cơ sở thứ j của khâu i
Góc quay thực tế của từng khâu xấp xỉ với góc yi như minh
họa trong hình 2.1 và được mô tả bởi

yi  i  i ( xi , t )

(2.44)

2.3 KẾT LUẬN CHƢƠNG 2
Ở chương này ta nghiên cứu phương trình động lực học của tay
máy n bậc tự do cũng như hàm biến dạng đàn hồi tổng quát của một
khâu. Để từ đó xác định được lực của khâu thứ i, đây là thành phần


12

đóng vai trò quan trọng khi xây dựng sơ đồ khối để thiết lập hàm
điều khiển cho tay máy 2 bậc tự do.
CHƢƠNG 3
THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ CÁNH TAY ROBOT
HAI BẬC TỰ DO CÓ TÍNH ĐẾN ĐỘ ĐÀN HỒI

3.1 MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CỦA TAY MÁY HAI BẬC
TỰ DO
Hệ phương trình động lực học Lagrange của tay máy hai khâu
có cấu trúc như trên hình 2.1 được viết dưới dạng ma trận sau :

T1   h11 h12   1   H 22  2 H 12   g1 
 
T    h
 
 H 12
 2   21 h22  2  
  g2 

(3.1)

Trong đó T1 và T2 là các mômen điều khiển tác động lên khâu
1 và khâu 2.
Các thành phần của ma trận được tính theo các biểu thức dưới
đây:

h11  J1  m1lg21  m2 (l12  lg22  2l1lg 2C2 )  J 2  J t  mt (l12  l22  2l1l2C2 )
h12  h21  m2 (lg22  l1lg 2C2 )  J 2  J t  mt l22
h22  m2lg22  J 2  J t  mt l22
H  (m2l1lg 2  mt l1l2 )S2

g1  m1 glg1C1  m2 g (l1C1  lg 2C12 )  mt g (l1C1  l2C12 )
g2  m2 glg 2C12  mt gl2C12
ME1 = m2 + mt ; IE1 = J2 + Jt + mt l 2 ; MDE1 = m2lg2 + mtl2c2
ME2 = mt , IE2 = Jt + mt l 2 , MDE2 = 0
Trong đó:
hii là quán tính riêng của từng khâu và hij là quán tính liên kết


13
Ci và Si lần lượt là các ký hiệu của cos  i và sin  i (i = 1, 2)
và C12 là ký hiệu của cos(  1+  2). Với i  i

i ( xi , t ) là góc

quay mong muốn của khâu i.
Hệ phương trình trạng thái
Khớp 1:
 x11  x12

(3.7)
1

2
2
 x12  D h22 Hx22  2h22 Hx12 x22  h12 Hx12  h22 g1  h12 g 2  h22u1  h12u2 

H

Khớp 2:

 x21  x22

1
(3.8)

2
2
 x22  D h22 ( Hx22  2h12 Hx12 x22  h12 Hx12  h12 g1  h11 g 2  h12u1  h11u2 

H

3.2 PHƢƠNG ÁN SỬ DỤNG BĐK PID
3.2.1. Sơ đồ cấu trúc HTĐK Robot sử dụng PID
3.2.2. Sơ đồ mô phỏng HTĐK Robot sử dụng bộ PID như sau

Hình 3.6. Sơ đồ mô phỏng HTĐK Robot 2 khâu sử dụng bộ PID
Với tham số PID như sau:
Tham số bộ PID1: Kp1 = 358; KI1 = 350 ; KD1 = 50
Tham số bộ PID2: Kp1 = 358; KI1 = 350 ; KD1 = 65
Được tính chọn theo phương pháp thực nghiệm.


14
3.3. SƠ ĐỒ CẤU TRÚC HTĐK ROBOT SỬ DỤNG BĐK PID
MỜ
3.4. XÂY DỰNG BĐK PID MỜ CHO ROBOT 2 KHÂU
3.4.1. Thiết kế bộ điều khiển mờ cho khâu 1
- Hai tín hiệu vào của khâu 1:
+ Sai số vị trí của khớp động e1 thay đổi trong khoảng
(-0,45; 0,45)

+ Sai số tốc độ de1 thay đổi trong khoảng (-1,5; 1,5)
- Một tín hiệu ra của khâu 1:
+ Mômen tạo nên bởi nguồn động lực ở khớp động 1 thay đổi
trong khoảng (-400; 400)

Hình 3.9. Bộ điều khiển mờ cho khâu 1


15
Xây dựng cơ sở luật điều khiển:
Bảng 3.1. Cơ sở luật cho khâu 1

e

de

NB

NO

Z

PO

PB

NB

NB

NB

NO

NO

SS

NO
SS
PO
PB

NB
NO
NO
SS

NO
NO
SS
PO

NO
SS
PO
PO

SS
PO

PO
PB

PO
PO
PB
PB

Mờ hóa, hợp thành và giải mờ:
Như đã trình bày ở trên, phương pháp để mờ hóa các biến đầu
vào được trình bày trong bảng 3.2. Toán tử AND được chọn để thực
hiện phép hợp theo luật Min cho các đầu vào. Các đầu ra được hợp
thành sử dụng toán tử Max. Phương pháp giải mờ là phương pháp
điểm trọng tâm COA.

Hình 3.15. Bề mặt điều khiển của khâu 1


16
3.4.2. Thiết kế bộ điều khiển mờ cho khâu 2
- Hai tín hiệu vào bộ điều khiển mờ cho khâu 2:
+ Sai số vị trí của khớp động e2 thay đổi trong khoảng
(-0,5; 0,5)
+ Sai số tốc độ de2 thay đổi trong khoảng (-1,2; 1,2)
- Một tín hiệu ra bộ điều khiển mờ cho khâu 2:
+ Mômen tạo nên bởi nguồn động lực ở khớp động 2 thay đổi
trong khoảng (-240; 240)
Mờ hóa, hợp thành và giải mờ: Tương tự khâu 1
3.4.3. Sơ đồ mô phỏng HTĐK Robot 2 khâu sử dụng bộ
điều khiển PID mờ

Hình 3.24. Sơ đồ khối mô phỏng HTĐK Robot 2 khâu sử dụng BĐK
PID mờ
3.5. KẾT LUẬN CHƢƠNG 3
Chương này trình bày khái niệm về điều khiển PID và điều
khiển Mờ, từ đó thiết kế bộ điều khiển PID Mờ để tổng hợp được ưu
điểm của cả hai bộ điều khiển Mờ và PID đồng thời hạn chế nhược
điểm của bộ điều khiển PID nhằm nâng cao chất lượng hệ điều khiển
chuyển động.


17
CHƢƠNG IV
MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ

4.1. CÁC THÔNG SỐ CỦA MÔ HÌNH ROBOT HAI BẬC TỰ DO
4.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
4.2.1. So sánh quỹ đạo hệ thống trong hai trường hợp:
Xét đến biến dạng và không xét đến biến dạng tại vị trí (q1,q2)
= (pi/2,0) và (pi/3,pi/6)

θ1

Hình 4.1. Quỹ đạo khớp 1 tại vị trí có góc quay pi/2

θ2

Hình 4.2. Quỹ đạo khớp 2 tại vị trí có góc quay 0

18

θ1

Hình 4.3. Quỹ đạo khớp 1 tại vị trí có góc quay pi/3

θ2

Hình 4.4. Quỹ đạo khớp 2 tại vị trí có góc quay pi/6
4.2.2 Khi chƣa có tác động của nhiễu
Sp

Sp

Teta2

Teta1
Hình 4.5. Đáp ứng đầu ra Teta1,TeTa2 với bộ điều khiển PID mờ
khi chưa có nhiễu tác động


19

Teta1

Sp

Teta1

Sp

Hình 4.6. Đáp ứng đầu ra Teta1, TeTa2 với bộ PID khi chưa có
nhiễu tác động
Nhận xét: Nhìn vào hình 4.5 và hình 4.6 ta thấy đáp ứng đầu
ra của Teta1 và Teta 2 theo phương pháp sử dụng bộ điều khiển PID
mờ bám sát giá trị đặt mong muốn với thời gian quá độ dưới 2 s và
không có quá chỉnh, còn theo phương pháp sử dụng bộ điều khiển
PID cũng đảm bảo giá trị xác lập mong muốn, nhưng thời gian quá
độ kéo dài hơn 2 s và tồn tại độ quá chỉnh (trên dưới 1.2).
4.2.3. Khi có nhiễu nhỏ tác động

Hình 4.7. Nhiễu nhỏ tác động vào hệ thống
Sp
Sp
Teta1

Teta2

Hình 4.8. Đáp ứng đầu ra Teta1, TeTa2 với bộ điều khiển PID mờ
khi có nhiễu nhỏ tác động


20
- Đáp ứng của bộ điều khiển PID: kết quả mô phỏng trên hình 4.9
Teta2
Sp

Teta1
Sp

Hình 4.9. Đáp ứng đầu ra Teta1, TeTa2 với bộ PID khi có nhiễu nhỏ
tác động
Nhận xét: Chất lượng đáp ứng đầu ra Teta1, TeTa2 khi sử
dụng bộ điều khiển PID mờ tốt hơn nhiều so với trường hợp sử dụng
bộ điều khiển PID. Mặc dù có tác động của nhiễu, nhưng đáp ứng
đầu ra của 2 khâu sử dụng bộ điều khiển PID mờ vẫn ổn định và đạt
chất lượng tốt hơn (về thời gian quá độ và độ quá chỉnh).
4.2.4. Khi có nhiễu lớn tác động

Hình 4.10. Nhiễu lớn tác động vào hệ thống
Đáp ứng của bộ điều khiển PID mờ: kết quả mô phỏng trên
hình 4.11

Teta1

Sp

Teta2

Sp

Hình 4.11. Đáp ứng đầu ra Teta1, TeTa2 với bộ điều khiển PID Mờ
khi có nhiễu lớn tác động


21
Đáp ứng của bộ điều khiển PID: kết quả mô phỏng trên hình 4.12
Teta2
Sp

Teta1
Sp

Hình 4.12. Đáp ứng đầu ra Teta1, TeTa2 với bộ PID khi có nhiễu lớn
tác động
Nhận xét: Chất lượng đáp ứng đầu ra Teta1, TeTa2 khi sử
dụng bộ điều khiển PID mờ tốt hơn nhiều so với trường hợp sử dụng
bộ điều khiển PID (tương tự khi nhiễu có biên độ nhỏ).
4.2.5. Khi có nhiễu Sin tác động

Hình 4.13. Nhiễu Sin tác động vào hệ thống
Đáp ứng của bộ điều khiển PID mờ: kết quả mô phỏng trên
hình 4.14

Sp
Sp
Teta1

Teta1

Hình 4.14. Đáp ứng đầu ra Teta1, TeTa2 với bộ điều khiển PID mờ
khi có nhiễu sin tác động


22
Đáp ứng của bộ điều khiển PID: kết quả mô phỏng trên hình
4.15

Sp
Teta1

Sp
Teta1

Hình 4.15. Đáp ứng đầu ra Teta1, TeTa2 với bộ PID khi
có nhiễu sin tác động
Nhận xét chung:
Ta thấy rằng mặc dù đối tượng của nghiên cứu là đối tượng phi
tuyến, có sự tác động giữa các khớp trong quá trình chuyển động
nhưng bộ điều khiển PID mờ đã thực hiện tốt điều khiển cho hệ bám
với tín hiệu điều khiển, đạt hiệu quả cao hơn so với bộ điều khiển PID.
Đáp ứng của hệ thống nhanh và không có quá chỉnh. Tín hiệu ra của
bộ điều khiển cũng không bị rơi vào trạng thái làm việc xấu, biên độ
tín hiệu điều khiển biến đổi không quá lớn. Chất lượng điều khiển tốt.
Các nhiễu được xét ở đây có thể là chiều dài cánh tay Robot,
khối lượng cánh tay Robot (khối lượng cánh tay Robot thay đổi trong
một vài trường hợp: thay đổi góc quay, nâng cấp, thay mới…), khối
lượng tải. Trong đó, sự thay đổi khối lượng của tải cũng như của
cánh tay Robot ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng điều khiển. Khi
tải nhỏ, sự thay đổi khối lượng của tải thường ảnh hưởng rất ít đến
chất lượng điều khiển, chất lượng điều khiển khá tốt và ít bị ảnh
hưởng. Khi tải lớn sự thay đổi khối lượng sẽ ảnh hưởng đến chất
lượng điều khiển không còn tốt nữa. Khi đó cần hiệu chỉnh bộ điều
khiển mờ phù hợp với ngưỡng tải cho phép.


23
4.3. KẾT LUẬN CHƢƠNG 4
Tất cả các bộ điều khiển đều đảm bảo hệ thống hoạt động ổn
định sau một thời gian quá độ khi hệ thống chuyển từ vị trí này sang

vị trí khác.
Bộ điều khiển PID có số lần dao động ít và thời gian qúa độ
ngắn nhưng có độ quá điều chỉnh quá lớn nên hệ thống sẽ hoạt động
kém hiệu quả trong thực tế khi mà không gian làm việc yêu cầu chính
xác với sai lệch khi điều khiển nhỏ. Đồng thời do thời gian quá độ
còn lớn nên với những hệ thống yêu cầu đáp ứng nhanh thì bộ điều
khiển PID sẽ không đảm bảo yêu cầu của quá trình điều khiển.
Bộ điều khiển PID Mờ có các chỉ tiêu chất lượng của hệ thống
tốt hơn hẳn so với bộ điều khiển PID. Độ quá điều chỉnh nhỏ, thời
gian quá độ ngắn, số lần dao động ít. Vì vậy bộ điều khiển PID Mờ
sẽ có phạm vi ứng dụng rộng hơn, ứng dụng trong những hệ thống có
yêu cầu chất lượng cao, ổn định. Tuy nhiên do việc thiết kế bộ điều
khiển PID Mờ dựa vào kinh nghiệm và thực nghiệm là chính chứ
không có một công thức toán học tổng quát.
Định hướng nghiên cứu phát triển của đề tài là tiếp tục nghiên
cứu thực nghiệm để cái tiến bộ điều khiển PID Mờ nhằm đạt được
các chỉ tiêu chất lượng tốt hơn, hoàn thiện bộ điều khiển trong việc
điều khiển vị trí của cánh tay máy. Phát triển nhằm nâng cao phạm vi
ứng dụng, khả năng kháng nhiễu, nâng cao các chỉ tiêu chất lượng và
ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống thực tế.