Nghiên cứu, ứng dụng hệ mờ lai cho tay máy ( Luận văn thạc sĩ)

i

đại học tháI nguyên
Tr-ờng đại học kỹ thuật công nghiệp
-----------------------

Phùng thanh kiên

NGHIÊN CứU, ứNG DụNG hệ mờ lai cho tay máy

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật

Thái nguyên, 2014

S húa bi Trung tõm Hc liu

/>

ii

đại học tháI nguyên
Tr-ờng đại học kỹ thuật công nghiệp

-----------------------

Phùng thanh kiên
NGHIÊN CứU, ứNG DụNG hệ mờ lai cho tay máy

Chuyên ngành: kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 60520216

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Phòng quản lý đt sau đại học

ng-ời h-ớng dẫn khoa học

PGS.TS lại khắc lãi

Thái Nguyên, 2014

S húa bi Trung tõm Hc liu

/>

iii
LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Phùng Thanh Kiên
Sinh ngày: 31/7/1981
Học viên lớp cao học Khoá 14 - Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa - Trường
Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên.
Hiện đang công tác tại: Trường Cao đẳng nghề Yên Bái.
Xin cam đoan về luận văn “Nghiên cứu, ứng dụng hệ mờ lai cho tay máy ”
do Thầy giáo PGS.TS Lại Khắc Lãi hướng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng
tôi. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng.
Tác giả xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng như nội dung
trong đề cương và yêu cầu của thầy giáo hướng dẫn. Nếu có vấn đề gì trong nội dung của
luận văn tác giả xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình./.
Thái Nguyên, ngày

tháng

năm 2013

Học viên

Phùng Thanh Kiên

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

iv
LỜI CẢM ƠN
Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương, nghiêm túc dưới sự hướng
dẫn của Thầy giáo PGS.TS Lại Khắc Lãi, luận văn với đề tài “Nghiên cứu, ứng
dụng hệ mờ lai cho tay máy” đã được hoàn thành.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới:
Thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Lại Khắc Lãi đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tác
giả hoàn thành luận văn.
Các giảng viên thuộc Khoa Điện; Khoa Điện tử; Phòng Sau đại học … Trường
Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên và một số đồng nghiệp, đã quan tâm động
viên, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập để hoàn thành luận văn này.
Mặc dù với cố gắng triệt để, song do hạn chế về điều kiện thời gian và kinh
nghiệm thực tế của bản thân còn ít nên đề tài không thể tránh khỏi thiếu sót. Vì vậy,
tác giả mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo, cô giáo và các bạn bè
đồng nghiệp. Từ đó, góp phần đưa ứng dụng của đề tài nghiên cứu này vào trong
thực tế một cách rộng rãi, hiệu quả.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Học viên

Phùng Thanh Kiên

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

v

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................... iv
MỤC LỤC ..................................................................................................................v
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ................................................................... vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .............................................................................. viii
DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................x
LỜI NÓI ĐẦU ...........................................................................................................1
PHẦN 1: PHẦN MỞ ĐẦU .......................................................................................3
1. Lý do chọn đề tài .....................................................................................................3
2. Mục tiêu cần đạt được .............................................................................................3
3. Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn của đề tài .......................................................3
PHẦN 2: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ....................................................................5
CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN MỜ .............................................5
1.1. Tổng quan về lôgic mờ và điều khiển mờ ............................................................5
1.1.1. Tổng quan về lôgic mờ......................................................................................5
1.1.2. Tổng quan về điều khiển mờ .............................................................................9
1.2. Các bộ điều khiển mờ và phương pháp tổng hợp bộ điều khiển mờ .................17
1.2.1. Các bộ điều khiển mờ......................................................................................17
1.2.2. Phương pháp tổng hợp bộ điều khiển mờ .......................................................18
1.3. Bộ điều khiển mờ lai ..........................................................................................20
1.3.1. Khái niệm ........................................................................................................20

1.3.2. Các cấu trúc bộ điều khiển mờ lai thông dụng................................................20
1.3.3. Một số ví dụ về ứng dụng của bộ điều khiển mờ lai .......................................23
1.4. Kết luận chương 1. .............................................................................................27
CHƢƠNG 2: MÔ TẢ TOÁN HỌC TAY MÁY ...................................................28
2.1. Sơ lược quá trình phát triển của robot công nghiệp ...........................................28
2.2. Ứng dụng của robot công nghiệp .......................................................................29
2.3. Các cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp .......................................................31
2.3.1. Cấu trúc chung ................................................................................................31
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

vi
2.3.2. Kết cấu tay máy ...............................................................................................32
2.4. Tay máy 2 bậc tự do ...........................................................................................33
2.4.1. Thiết lập hệ tọa độ: ..........................................................................................33
2.4.2. Mô hình biến đổi: ............................................................................................34
2.4.3. Phương trình động học: ...................................................................................35
2.4.4. Tổng hợp chuyển động Robot : .......................................................................35
2.4.5. Động lực học Robot: .......................................................................................37
2.5. Kết luận chương 2. .............................................................................................48
CHƢƠNG 3: ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI CHO TAY MÁY (FUZZY
- PID) ........................................................................................................................49
......................................................49
3.2. Thiết kế bộ điều khiển mờ lai cho tay máy 2 bậc tự do .....................................53
......................................64
3.4. Kết luận chương 3. .............................................................................................70
PHẦN 3: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................71
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................72

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

vii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Stt

Viết tắt

Ý nghĩa

1.

PID

Proportional Integral Derivative

2.

PI

Proportional Integral

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

viii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1. 1 - Mờ hóa biến “tốc độ”................................................................................ 8
Hình 1. 2 - Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ.............................................................. 9
Hình 1. 3 - Hàm liên thuộc của luật hợp thành.......................................................... 12
Hình 1. 4 - Giải mờ bằng phương pháp cực đại ........................................................ 14
Hình 1. 5 - Giải mờ theo nguyên lý trung bình ......................................................... 15
Hình 1. 6 - Giải mờ theo nguyên lý cận trái .............................................................. 15
Hình 1. 7 - Giải mờ theo nguyên lý cận phải ............................................................ 16
Hình 1. 8 - Giải mờ theo phương pháp điểm trọng tâm ............................................ 16
Hình 1. 9 - Các bộ điều khiển mờ ............................................................................. 18
Hình 1. 10 - Cấu trúc tổng quát một hệ mờ............................................................... 18
Hình 1. 11 - Mô hình bộ điều khiển mờ lai kinh điển ............................................... 21
Hình 1. 12 - Cấu trúc hệ mờ lai Cascade .................................................................. 22
Hình 1. 13 - Điều khiển PI mờ hệ ổn định mực chất lỏng RT010 ........................... 23
Hình 1. 14 - Kết quả điều khiển PI mờ hệ ổn định mực chất lỏng RT010 .............. 24
Hình 1. 15 - Điều khiển PI mờ hệ ổn định lưu lượng RT020 .................................. 24
Hình 1. 16 - Kết quả điều khiển PI mờ hệ ổn định lưu lượng RT020...................... 25
Hình 1. 17 - Điều khiển PI mờ hệ ổn định áp suất RT030 ....................................... 26
Hình1. 18 - Kết quả điều khiển PI mờ hệ ổn định áp suất RT030 ........................... 27
Hình 2. 1 - Sơ đồ cấu trúc chung của robot công nghiệp .......................................... 31
Hình 2. 2 - Sơ đồ cấu trúc chung của hệ thống cảm biến ......................................... 32
Hình 2. 3 - Sơ đồ kết cấu tay máy ............................................................................. 33
Hình 2. 4 - Tay máy 2 khâu phẳng (vị trí bất kỳ) ..................................................... 34
Hình 2. 5 - Cơ cấu tay máy 2 bậc (khâu) .................................................................. 45
Hình 3. 1 - Mô hình cấu trúc đối tượng trong phần mềm Matlab ............................. 49
Hình 3. 2 - Cấu trúc chi tiết đối tượng trong phần mềm Matlab............................... 49
Hình 3. 3 - Mô hình cấu trúc bộ điều khiển trong phần mềm Matlab ...................... 50
Hình 3. 4 - Mô hình cấu trúc bộ lọc đầu vào trong phần mềm Matlab ..................... 50
Hình 3. 5 - Sơ đồ cầu trúc mô phỏng hệ điều khiển Robot 2 bậc tự do .................... 51

Hình 3. 6 - Đáp ứng đầu ra của các biến khớp Robot ............................................... 51
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

ix
Hình 3. 7 - Sai lệch giữa tín hiệu đặt và tín hiệu thực của các biến khớp................. 52
Hình 3. 8 - Tín hiệu điều khiển các biến khớp của Robot ........................................ 52
Hình 3. 9 - Đáp ứng nhiễu của hệ thống có bộ điều khiển PD ................................. 53
Hình 3. 10 - Bộ điều khiển Mờ lai ............................................................................ 54
Hình 3. 11 - Định nghĩa các biến vào ra của bộ điều khiển mờ 1 ............................. 54
Hình 3. 12 - Định nghĩa các biến vào ra của bộ điều khiển mờ 2 ............................. 55
Hình 3. 13 - Định nghĩa các tập mờ cho biến ET của bộ điều khiển mờ .................. 56
Hình 3. 14 - Định nghĩa các tập mờ cho biến dET của bộ điều khiển mờ ................ 57
Hình 3. 15 - Định nghĩa các tập mờ cho biến U của bộ điều khiển mờ .................... 57
Hình 3. 16- Xây dựng các luật điều khiển cho bộ điều khiển mờ............................. 58
Hình 3. 17 - Quan sát tín hiệu vào ra của bộ mờ ...................................................... 59
Hình 3. 18 - Bề mặt đặc trưng cho quan hệ vào ra của bộ điều khiển mờ ................ 59
Hình 3.19 - Đáp ứng nhiễu của hệ thống có bộ điều khiển mờ ................................ 60
Hình 3. 20 - Các thông số của cánh tay robot 2 bậc tự do ........................................ 60
Hình 3. 21 - Quỹ đạo bám của biến khớp 1 và 2 sử dụng bộ điều khiển mờ............ 61
Hình 3. 22 - Tín hiệu điều khiển của biến khớp 1 và 2 ............................................. 62
Hình 3. 23 - Sai lệch tín hiệu đặt và tín hiệu bám của biến khớp 1 và 2 .................. 62
Hình 3.24 - Mô hình thực nghiệm ............................................................................. 64
Hình 3. 25 - Sơ đồ khối chạy thực nghiệm ............................................................... 65
Hình 3. 26 - Cấu hình cổng kết nối ............................................................................ 65
Hình 3. 27 -

. ........................................................................ 66

Hình 3. 28 - Cấu hình đọc encoder ............................................................................ 66
Hình 3. 29 - Cấu hình xuất tín hiệu PWM. ................................................................ 67
Hình 3. 30 - Điều khiển tốc độ và chiều quay động cơ. ............................................. 67
Hình 3. 31 - Cấu hình đầu ra số ................................................................................ 68
Hình 3. 32 - Sơ đồ khối chạy thực nghiệm ............................................................... 68
Hình 3. 33 - Kết quả chạy thực nghiệm cho một biến khớp ..................................... 69
Hình 3. 34 - Kết quả chạy thực nghiệm cho một biến khớp ..................................... 69

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

x

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2. 1- Thông số DH của tay máy phẳng ............................................................34
Bảng 2. 2 - Bộ thông số DH của tay máy toàn khớp ................................................45
Bảng 3. 1 - Thông số cho cánh tay robot 2 bậc tự do ..............................................61

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

1
LỜI NÓI ĐẦU
Robot ngày càng đóng vai trò quan trọng trong công nghiệp và cuộc
sống hàng ngày. Chúng sẽ thực hiện những công việc rất nhàm chán hoặc nguy
hiểm, những công việc mà tốc độ và độ chính xác vượt quá khả năng của con
người. Và mục tiêu ứng dụng của kỹ thuật Robot trong công nghiệp nhằm nâng cao
năng suất các dây chuyền công nghệ, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của

sản phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện lao động. Sự cạnh tranh hàng hóa đặt ra một
vấn đề thời sự là làm sao để hệ thống tự động hóa sản xuất phải có tính linh hoạt nhằm
đáp ứng với sự biến động thường xuyên của thị trường hàng hóa. Robot công nghiệp là
bộ phận cấu thành không thể thiếu trong hệ thống sản xuất tự động linh hoạt đó.
Những năm đầu của thập kỷ 90, một ngành điều khiển kỹ thuật mới được
phát triển rất mạnh mẽ và đã đem lại nhiều thành tựu bất ngờ trong lĩnh vực điều
khiển, đó là điều khiển mờ. Ưu điểm cơ bản của điều khiển mờ so với các phương
pháp điều khiển kinh điển là có thể tổng hợp được bộ điều khiển mà không cần biết
trước đặc tính của đối tượng một cách chính xác.
Trong thực tế để phát huy hết ưu điểm của mỗi loại bộ điều khiển mờ và bộ
điều khiển rõ (kinh điển), người ta thường dùng các hệ kết hợp giữa hai loại bộ điều
khiển truyền thống và điều khiển mờ với nhau, ta gọi đó là bộ điều khiển mờ lai.
Từ đó, việc kết hợp giữa bộ điều khiển kinh điển và bộ điều khiển mờ chính
là cơ sở lý thuyết cho đề tài này.
Trong lĩnh vực Robot hiện nay, phần cơ khí (Robot Mechanics), hệ thống
Điều khiển (Robot Control) và hệ thống lập trình (Programming system) được coi là
các thành phần độc lập và được các nhà sản xuất chào bán độc lập.
Mô hình thí nghiệm Cánh tay Robot 5 bậc tự do, nhãn hiệu RD5NT là một mô
hình thí nghiệm trường học, mô hình hóa một cánh tay Robot 5 bậc tự do mà khá phổ
biến trong các dây chuyền sản xuất hiện nay. Mô hình Cánh tay Robot 5 bậc tự do
RD5NT có 5 khớp, mỗi khớp được hoạt động bởi một động cơ điện một chiều. Đề tài
“Nghiên cứu, ứng dụng hệ mờ lai cho tay máy” được đề xuất với mục đích:
1. Mô phỏng việc điều khiển 2 trong 5 bậc của mô hình Cánh tay Robot 5
bậc tự do RD5NT trên phần mềm MatLab.
2. Thiết kế bộ điều khiển cho 1 trong 5 bậc của mô hình Cánh tay Robot 5
bậc tự do RD5NT, áp dụng thuật toán điều khiển mờ lai.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

2
Trên thế giới nói chung và ở nước ta nói riêng, trong những năm gần đây,
các hoạt động nghiên cứu, phát triển về Robot vẫn không ngừng phát triển, điều này
được thể hiện qua rất nhiều các bài báo, tạp chí kỹ thuật trong và ngoài nước. Có thể
đưa ra một số ví dụ cụ thể:
- 11 . Nguyễn Vãn Minh Trí, Lê Vãn Mạnh (2010), “Thiết kế bộ điều khiển
PID bền vững cho hệ thống phi tuyến bậc hai nhiều đầu vào – Nhiều đầu ra và ứng
dụng trong điều khiển tay máy công nghiệp”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Đại
học Đà Nẵng , số 4(39).
- 12 . Nguyễn Manh Hùng, Ngô Thanh Quyền (2011), “Thiết kế bộ điều khiển
mờ một đầu vào cho cánh tay robot”, Tạp Chí Đại Học Công Nghiệp, số 9(06).
- 13 . Nguyễn Manh Hùng, Ngô Thanh Quyền (2011), “Điều khiển bám
đuổi mạng neural thích nghi cho cánh tay robot bao gồm động lực học cơ cấu
truyền động” Tạp Chí Đại Học Công Nghiệp, số 9(06).
Các bài báo này đã đưa ra các phương pháp khác nhau xây dựng cấu trúc
điều khiển cho cánh tay Robot, hoặc điều khiển tay máy công nghiệp. Đề tài
“Nghiên cứu, ứng dụng hệ mờ lai cho tay máy” đề xuất ra một phương pháp thiết kế
bộ điều khiển cho mô hình Cánh tay Robot RD5NT trong phòng thí nghiệm dựa
trên thuật toán điều khiển mờ lai được tham khảo ở một số các bài báo, tạp chí, luận
văn trong nước và quốc tế.
Nội dung chính của đề tài bao gồm:
Chương 1: Tổng quan về điều khiển mờ
Chương 2: Mô tả toán học tay máy
Chương 3: Ứng dụng điều khiển mờ lai cho tay máy (PID - Fuzzy)
Do điều kiện thời gian không cho phép, tác giả chỉ dừng lại ở việc thiết kế bộ
điều khiển cho 01 trong 5 khớp của mô hình trên. Tuy nhiên, đề tài này sẽ là cơ sở
cho các nghiên cứu về sau có thể xây dựng một bộ điều khiển mà có thể điều khiển
phối hợp toàn bộ từ 02 khớp trở lên của mô hình.
Thái Nguyên, ngày
tháng

Học viên

năm 2013

Phùng Thanh Kiên
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

3
PHẦN 1: PHẦN MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Việc nâng cao chất lượng điều khiển tay máy luôn là vấn đề cấp thiết được
nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm. Các hệ thống điều khiển tay máy
hiện nay chủ yếu dùng phương pháp điều khiển kinh điển và được thiết kế theo
phương pháp tuyến tính hóa gần đúng. Khi thông số của hệ thống thay đổi thì thông
số của bộ điều khiển giữ nguyên dẫn đến làm giảm độ chính xác điều khiển ảnh
hưởng đến chất lượng sản phẩm.
Với sự ra đời của lý thuyết điều khiển hiện đại (điều khiển thích nghi, điều
khiển mờ, mạng nơron…) đã tạo điều kiện cho việc xây dựng các bộ điều khiển
thông minh đáp ứng yêu cầu công nghệ ngày càng cao của nền sản xuất hiện đại.
Trong mấy năm gần đây đã có nhiều đề tài nghiên cứu ứng dụng hệ mờ để điều
khiển các đối tượng phi tuyến. Song phần lớn các nghiên cứu chưa đạt được kết quả
như mong muốn.
Từ tình hình thực tế và điều kiện nghiên cứu của bản thân, trong đề tài này
tác giả lựa chọn vấn đề nghiên cứu, ứng dụng hệ mờ lai để điều khiển cho tay máy,
cụ thể với tên đề tài là: "Nghiên cứu, ứng dụng hệ mờ lai cho tay máy".
2. Mục tiêu cần đạt đƣợc
Xây dựng bộ điều khiển mờ lai cho cánh tay robot đảm bảm các yêu cầu chất
lượng, cụ thể là:

- Nghiên cứu, ứng dụng hệ mờ lai để điều khiển cho tay máy với việc mô
phỏng cho 2 bậc tự do (phần lý thuyết).
- Thiết kế bộ điều khiển mờ lai cho tay máy 1 bậc tự do trên mô hình Cánh
tay Robot 5 bậc tự do RD5NT (phần thực nghiệm).
3. Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn của đề tài
a. Ý nghĩa khoa học:
Bộ điều khiển mờ lai đang nổi lên như một công cụ điều khiển các hệ thống
phi tuyến với các thông số chưa xác định. Điều này có ý nghĩa rất lớn về mặt khoa
học trong việc điều khiển các đối tượng phi tuyến.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu

/>

Luận án đầy đủ ở file: Luận án Full