1      !"#$ #$$" %&!'( )*+,- /-)012 34 56780 95:;<=>? @ABA 2 Luận văn được hoàn thành tại trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. Cán bộ HDKH: >C>.*+D-)EFG- Phản biện 1: >C>HI-J*K-5F-) Phản biện 2: >C>)LMN*OPQP Luận văn đã được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn, họp tại: Phòng cao học số 02, trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. Vào 10 giờ 30 phút ngày 06 tháng 11 năm 2010. Có thể tìm hiểu luận văn tại Trung tâm Học liệu tại Đại học Thái Nguyên và Thư viện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. 3 5RS Đất nước ta đang trong giai đoạn công nghiệp hóa hiện đại hóa, trong một tương lai không xa một số lĩnh vực hoạt động phải được trang bị lại để tiến kịp các nước trong khu vực và thế giới, tiếp cận các công nghệ hiện đại để đẩy nhanh quá trình phát triển của đất nước. Kỹ thuật Robot đã và đang được ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực ở nhiều nước, nó đã đem lại hiệu quả to lớn trong sản xuất công nghiệp, trong quốc phòng, y tế, xã hội, thám hiểm vũ trụ… Có thể nói rằng, Robot là một ngành khoa học tổng hợp đòi hỏi nhiều kiến thức của nhiều ngành khác liên quan như: Toán học, Cơ học, Cơ khí, Điện tử, Điều khiển tự động, Tin học, trí tuệ nhân tạo,…Trong đó lĩnh vực điều khiển tự động, là ngành khoa học đóngvai trò quan trọng, là động lực thúc đẩy sự phát triển của khoa học về Robot. Tuy vậy vào thời điểm hiện tại, lĩnh vực này được xem là còn khá mới mẻ. Từ khi mới ra đời, Robot được áp dụng trong nhiều lĩnh vực dưới góc độ thay thế sức người. Nhờ vậy các dây chuyền sản xuất được tổ chức lại, năng suất và hiệu quả sản xuất tăng lên rõ rệt. Cũng như khoa học về Robot, khoa học về các phương pháp điều khiển hiện đại đã và đang được phát triển hoàn thiện. Từ những ngày đầu mới hình thành, các phương pháp điều khiển hiện đại được nhiều nhà khoa học quan tâm và đã được áp dụng điều khiển nhiều hệ thống khác nhau trong công nghiệp, đặc biệt là các hệ chuyển động Robot nhằm nâng cao chất lượng của hệ thống. Với ý nghĩa đó, tôi đã chọn đề tài T !"# $#$$"%& !'(U để làm đề tài nghiên cứu. 4 Nội dung của luận văn được chia thành 3 chương: Chương 1: Tổng quan về Robot và các bộ điều khiển hiện đại. Chương 2: Thiết kế bộ điều khiển mờ lai cascade để điều khiển chuyển động của Robot 2DOF trong mặt phẳng. Chương 3: Mô phỏng và đánh giá chất lượng hệ thống. Các kết luận và kiến nghị. Tôi xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy >C>.*+D- )EFG-– người đã hướng dẫn tận tình và giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn thạc sĩ này. Tôi xin chân thành cám ơn các thầy cô ở Khoa Điện – Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã đóng góp nhiều ý kiến và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành luận văn. Tôi xin chân thành cám ơn Khoa sau Đại học, xin chân thành cám ơn Ban Giám Hiệu Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp đã tạo những điều kiện thuận lợi nhất về mọi mặt để tôi hoàn thành khóa học. Tôi xin chân thành cám ơn! Thái Nguyên, ngày 06 tháng 11 năm 2010 Người thực hiện /V*8P)W-) 5 XB Y&<#!<X #$ BCBZ [*4-\]V^V_ BCBCB;`P)7ab)c__HFG- Đầu thập kỷ 60 của thế kỷ XX, công ty AMF của Mỹ đã quảng cáo một loại máy tự động vạn năng và gọi là “Người máy công nghiệp”. Ngày nay, các thiết bị được điều khiển tự động thực hiện các chức năng thay thế con người để tiến hành các thao tác trong sản xuất hoặc các nhiệm vụ khác được gọi là Robot. Robot đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong đời sống con người, nhất là trong sản xuất và trong các nhiệm vụ đặc biệt khác. Về kỹ thuật, sự ra đời của Robot có nguồn gốc từ hai lĩnh vực là các cơ cấu điều khiển từ xa và các máy công cụ điều khiển số. Vào những năm giữa thế kỷ XX, sự ra đời của các máy công cụ điều khiển số đã đáp ứng yêu cầu gia công các chi tiết trong ngành chế tạo máy bay. Những Robot đầu tiên ra đời từ đó, thực chất là việc kết hợp giữa các khâu cơ khí của cơ cấu điều khiển từ xa với khả năng lập trình của máy công cụ điều khiển số. Sau đó, cùng với các tiến bộ của khoa học trong lĩnh vực điện tử, nhất là việc chế tạo được các vi xử lý có khả năng tính toán và xử lý số liệu phức tạp một cách nhanh chóng, Robot được phát triển để sử dụng trong nhiều lĩnh vực sản xuất công nghiệp (như sản xuất ô-tô), thực hiện các tác nghiệp dịch vụ, với những tính năng ngày càng nâng cao và gần gủi với con người hơn. Càng ngày, sự phát triển của các loại Robot càng mạnh với mức độ “tri thức” càng cao, hệ thống điều khiển được số hoá và ứng dụng các lý thuyết về trí tuệ nhân tạo, tính toán mềm, Trong các “bộ phận” cấu thành Robot, cánh tay Robot (Robot arm) đóng một vai trò hết sức quan trọng. Nó được thiết kế và điều khiển linh hoạt, ổn định, càng cao thì khả năng ứng dụng càng lớn. 6 Cùng với sự phát triển không ngừng của lý thuyết điều khiển, cũng như nhu cầu sử dụng Robot trong công nghiệp, người ta đã nghiên cứu và ứng dụng trong thực tế các phương pháp điều khiển Robot và cánh tay Robot, ví dụ như: - Các phương pháp điều khiển kinh điển, sử dụng các bộ điều khiển PID nhằm đảm bảo cho điểm tác động cuối (end-effector) của tay máy dịch chuyển bám theo một quỹ đạo định trước. - Các phương pháp điều khiển hiện đại: điều khiển tối ưu, điều khiển thích nghi, điều khiển bền vững (điều khiển mờ, điều khiển trượt, …). BCBC@d_H*+]-e2 _HV V^V_ 1.1.2.1 Truyền động điện 1.1.2.2 Truyền động khí nén và thuỷ lực BCBCf<I-e]eF]*g)FG-Pc-)_4+V^V_ 1.1.3.1 Khái quát Cánh tay Robot là thành phần quan trọng, nó quyết định khả năng làm việc của Robot. Mô hình cấu trúc chung của cánh tay Robot gồm n khâu như Hình 1.1. Hình 1.1: Sơ đồ minh họa cánh tay Robot n khâu 1.1.3.2 Vấn đề điều khiển cánh tay Robot Trong phạm vi đề tài này, tác giả tập trung vào việc nghiên cứu điều khiển cánh tay Robot với những giới hạn sau: z 1 z 2 z 3 z n khâu 1 khâu 2 khâu n z 0 x 0 y 0 khớp 1 khớp 2 q 1 q 2 q 3 q n x y z l 1 l g1 J 1 m 1 m 2 J 2 x 2 y 2 l 2 l g2 θ 1 θ 2 y x 7 - Điều khiển cánh tay Robot hai khâu quay (Hình 1.2) hai bậc tự do (2DOF) với thông số cho ở Bảng 1.2. - Hệ dẫn động gồm hai động cơ điện một chiều kích từ độc lập dùng để tạo ra mô men quay cho hai khớp của Robot. - Phương thức dịch chuyển theo quỹ đạo. Hình 1.2: Sơ đồ cánh tay Robot 2DOF 1.1.3.3 Động học của cánh tay Robot 2DOF a. Động học thuận b. Động học ngược c. Động lực học cánh tay Robot 2DOF BC@FhF_)Fd*\]ij_)*+k_eF]*g)FG-iV.FPMl BC@CB;`P)7ab)c__HFG-;V.FPMl BC@C@!2eF]*g)FG-Mlij_Em  BC@CfF]*g)FG-MlPn^o- Sơ đồ khối của bộ điều khiển gồm có 4 khối: khối mờ hóa (fuzzifiers), khối hợp thành, khối luật mờ và khối giải mờ (defuzzifiers) như hình . Hình 1.3:Sơ đồ khối chức năng của bộ điều khiển mờ Khối mờ hóa Khối hợp thành Giải mờ (Defuzzifiers) Khối luật mờ Đầu vào X Đầu ra Y 8 1.2.3.1 Khối mờ hóa 1.2.3.2 Khối hợp thành 1.2.3.3 Khối luật mờ 1.2.3.4 Khối giải mờ BC@CpW-)Z-e`-)Pq4)deF]*g)FG-Ml BC@Cr8FE* BC@Csk_i*t-\]eF]*g)FG-Ml 1.2.6.1 Ưu điểm BCfCdeF]*g)FG-Mli4Fuvw BCfCB)cF-FdM Hệ mờ lai (viết tắt là F-PID) là một hệ thống điều khiển tự động trong đó thiết bị điều khiển bao gồm hai thành phần: − Thành phần điều khiển kinh điển. − Thành phần điều khiển mờ. BCfC@cPxL )dMli4Fb)Z^Fk- 1.3.2.1. Hệ lai không thích nghi có bộ điều khiển kinh điển 1.3.2.2 Hệ mờ lai Cascade 1.3.2.3 Điều khiển công tắc thích nghi bằng khóa mờ Hình 1.5a Bộ điều khiển mờ lai có khâu tiền xử lý mờ 9 X@ y  y  !"  #  $  5  ;&  &>&'  $  #  $ $"!@v'( @CB)cF[*c_ Để tổng hợp bộ điều chỉnh vị trí, chúng ta tiến hành tổng hợp điều khiển vị trí động cơ theo ba vòng kín sau: - Vòng trong cùng điều chỉnh dòng điện, - Vòng thứ hai điều chỉnh tốc độ động cơ, - Vòng ngoài cùng điều chỉnh vị trí. @C@Z )zb^2eF]*P){-)\`_HWP)Ve2 PneFd-M2_P)F]* @C@CBcP_)| 78^4-eI* 2.2.1.1 Động cơ điện một chiều. a. Động cơ điện một chiều b. Các phương trình mô tả động cơ điện một chiều c. Sơ đồ cấu trúc của động cơ điện một chiều Hình 2.2: Cấu trúc của động cơ điện một chiều khi từ thông không đổi. 2.2.1.2 Bộ chỉnh lưu. Hàm truyền của bộ chỉnh lưu có dạng: 2 3 ( ) . ( ) ( ) ( ) 1 1 1! 2! 3! ! cl p cl cl cl cl cl kT p cl cl cl cl cl K K K W s K e T p T p T p T p e T p k τ − = = = ≈ + + + + + + (2.8) (do T<<1).Theo đề bài ta có U adm = 100 (V), do đó K cl = 10; T cl ≈ 0.00167 (s) - τ L - E b τ [ 10 2.2.1.3 Biến dòng: Hàm truyền bộ biến dòng là: 1 I bd I K W T p = + (2.9) Chọn K I = I dm /10 = 0.6; T I = 0.001 (s). 2.2.1.4 Máy phát tốc: Hàm truyền của máy phát tốc có dạng: 1 K W T p ω ω ω = + (2.10) Trong đó, /10 2 / 600 3.14 dm dm K n ω ω π = = ≈ ; Chọn 0.001( )T s ω = . 2.2.1.5 Cảm biến vị trí: Hàm truyền của nó cũng có dạng. 1+ = sT K W vt vt vf (2.11) Chọn K vt = 0.032; T vt = 0.003 (s). @C@C@Z )zbMLP)\} eF]*P){-)x} uRIw0 Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu modul ta có hàm truyền của hệ thống kín: (-) K b K a Jp 1 Ui(p) U đk (p) ω (-) M c R i Ui đ (-) E(p) U đ Hình 2.4: Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh dòng điện. [...]... tình chuyển động của cánh tay Robot theo quỹ đạo, do chịu ảnh hưởng của các mô men quán tính, mô men cản của cơ cấu cánh tay Robot và các hệ truyền động nên các đáp ứng của hệ điều khiển thường dao động, trễ hệ thống Việc khắc phục các yếu tố trên là một bài toán khó khăn, phức tạp Trong bản luận văn, tác giả ứng dụng bộ điều khiển mờ lai cascade nhằm giảm bớt dao động, trễ hệ thống và giảm sai lệch quỹ. .. chuyển động cánh tay Robot sử dụng bộ điều chỉnh PID 3.1.1 Mô hình simulink hệ thống điều khiển chuyển động cánh tay Robot sử dụng bộ điều chỉnh PID Hình 3.1 Mô hình hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID 3.1.2 Kết quả mô phỏng điều khiển vị trí của cánh tay Robot dùng bộ hiệu chỉnh PID (với trường hợp khối lượng tải Mt=0; mô men quán tính tải Jt=0) • Kết quả về quỹ đạo di chuyển của Robot theo quỹ đạo đặt... lô-gic mờ đã cho tạo ra các bộ điều khiển mờ, mờ lai, với những tính chất khá tốt nhằm đáp ứng yêu cầu trong điều khiển tự động, ví dụ điều khiển các đối tượng phức tạp Ngoài ra, các bộ điều khiển mờ cho phép lặp lại các tính chất của các bộ điều khiển kinh điển Việc thiết kế bộ điều khiển mờ cũng rất đa dạng, qua việc tổ chức các nguyên tắc điều khiển và chọn tập mờ cho các biến ngôn ngữ cho phép người... quả: Quỹ đạo, sai lệch quỹ đạo, sai lệch tốc độ, đáp ứng dòng điện, tốc độ, mô men Với các kết quả này giúp cho việc khảo sát, đánh giá và hiệu chỉnh nâng cao chất lượng hệ thống + Để nâng cao chất lượng của cánh tay Robot chuyển động bám theo quỹ đạo trong mặt phẳng được nhận dạng trước, bản luận văn đã nghiên cứu và ứng dụng bộ điều khiển mờ lai cascade, với hệ thống điều khiển này chất lượng bám theo. .. này chất lượng bám theo quỹ đạo của cánh tay Robot được nâng lên nhiều so với hệ điều khiển PID kinh điển: Làm giảm biên độ giao động ở các thời điểm quá độ (như thời điểm bắt đầu chuyển động của cánh tay, thời điểm cánh tay Robot thay đổi chiều chuyển động theo hướng di chuyển của quỹ đạo) , giảm sai lệch quỹ đạo thực so với quỹ đạo đặt ( . trong điều khiển tự động, ví dụ điều khiển các đối tượng phức tạp. Ngoài ra, các bộ điều khiển mờ cho phép lặp lại các tính chất của các bộ điều khiển kinh điển. Việc thiết kế bộ điều khiển mờ. pháp điều khiển kinh điển, sử dụng các bộ điều khiển PID nhằm đảm bảo cho điểm tác động cuối (end-effector) của tay máy dịch chuyển bám theo một quỹ đạo định trước. - Các phương pháp điều khiển hiện. tài nghiên cứu. 4 Nội dung của luận văn được chia thành 3 chương: Chương 1: Tổng quan về Robot và các bộ điều khiển hiện đại. Chương 2: Thiết kế bộ điều khiển mờ lai cascade để điều khiển chuyển động