ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP - LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN HIỆN ĐẠI CHO HỆ ĐIỀU KHIỂN CÁC CHUYỂN ĐỘNG CỦA ROBOT THEO QUỸ ĐẠO PHẲNG Ngành : TỰ ĐỘNG HÓA Mã số : Học viên : ĐÀO QUỐC CHÍNH Cán HDKH : PGS.TS NGUYỄN NHƯ HIỂN THÁI NGUYÊN - 2010 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP ***** CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA TÊN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN HIỆN ĐẠI CHO HỆ ĐIỀU KHIỂN CÁC CHUYỂN ĐỘNG CỦA ROBOT THEO QUỸ ĐẠO PHẲNG Học viên : Đào Quốc Chính Lớp : Cao học K11-TĐH Cán HDKH: PGS.TS Nguyễn Nhƣ Hiển CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC HỌC VIÊN PGS.TS Nguyễn Nhƣ Hiển Đào Quốc Chính BAN GIÁM HIỆU KHOA SAU ĐẠI HỌC Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn công trình tự làm nghiên cứu, luận văn có sử dụng số tài liệu tham khảo nêu phần tài liệu tham khảo Tác giả luận văn Đào Quốc Chính Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ ROBOT VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP 11 ĐIỀU KHIỂN HIỆN ĐẠI 11 1.1 Tổng quan Robot 11 1.1.1 Lịch sử phát triển 11 1.1.2 Hệ truyền động Robot 12 1.1.2.1 Truyền động điện 12 1.1.2.2 Truyền động khí nén thuỷ lực 13 1.1.3 Vần đề điều khiển cánh tay Robot 13 1.1.3.1 Khái quát 13 1.1.3.2 Vấn đề điều khiển cánh tay Robot 14 1.1.3.3 Động học cánh tay Robot 2DOF 16 1.2 Giới thiệu lý thuyết điều khiển logic mờ 20 1.2.1 Lịch sử phát triển Logic mờ 20 1.2.2 Bộ điều khiển mờ lý tưởng 20 1.2.3 Điều khiển mờ 21 1.2.3.1 Khối mờ hóa 22 1.2.3.2 Khối hợp thành 22 1.2.3.3 Khối luật mờ 23 1.2.3.4 Khối giải mờ 23 1.2.4 Tính ổn định hệ điều khiển mờ 25 1.2.4.1 Những điểm cần lưu ý 25 1.2.4.2 Khảo sát tính ổn định hệ mờ 27 1.2.5 Tối ưu 28 1.2.6 Kết luận điều khiển mờ 29 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1.2.6.1 Ưu điểm 29 1.2.6.2 Khuyết điểm 30 1.3 Hệ điều khiển mờ lai (F - PID) 31 1.3.1 Khái niệm 31 1.3.2 Các dạng hệ mờ lai phổ biến 32 1.3.2.1 Hệ lai không thích nghi có điều khiển kinh điển 32 1.3.2.2 Hệ mờ lai Cascade 33 1.3.2.3 Điều khiển công tắc thích nghi khóa mờ 33 CHƢƠNG 34 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI CASCADE ĐỂ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG ROBOT 2DOF THEO QUỸ ĐẠO PHẲNG 34 2.1 Khái quát 34 2.2 Tổng hợp điều chỉnh vị trí PID cho động điện chiều 35 2.2.1 Các thông số ban đầu 35 2.2.1.1 Động điện chiều 35 2.2.1.2 Bộ chỉnh lưu 38 2.2.1.3 Biến dòng: 39 2.2.1.4 Máy phát tốc: 39 2.2.1.5 Cảm biến vị trí: 39 2.2.2 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng (RI): 40 2.2.3 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ ( R ): 43 2.2.4 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh vị trí ( R ) 46 2.2.5 Tính phi tuyến điều khiển vị trí 49 2.3 Xây dựng điều khiển mờ lai cascade để điều chỉnh vị trí cho cánh tay Robot 2DOF 51 2.3.1 Đặt vấn đề 51 2.3.2 Bộ điều khiển mờ lai cascade 52 2.3.2.1 Biến ngôn ngữ miền giá trị 53 2.3.2.2 Xác định hàm liên thuộc (membership function) 54 2.3.2.3 Xây dựng luật điều khiển 56 2.3.2.4 Luật hợp thành 57 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2.4 Kết luận Chương 57 CHƢƠNG 58 MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG 58 3.1 Mô hệ thống điều khiển chuyển động cánh tay Robot sử dụng điều chỉnh PID 58 3.1.1 Mô hình simulink hệ thống điều khiển chuyển động cánh tay Robot sử dụng điều chỉnh PID 58 3.1.2 Kết mô điều khiển vị trí cánh tay Robot dùng hiệu chỉnh PID (với trường hợp khối lượng tải Mt=0; mô men quán tính tải Jt=0) 60 3.2 Mô hệ thống điều khiển chuyển động cánh tay Robot sử dụng mờ lai 66 3.2.1 Mô hình simulink hệ thống điều khiển chuyển động cánh tay Robot sử dụng mờ lai 66 3.2.2 Kết mô điều khiển vị trí cánh tay Robot dùng mờ lai (với trường hợp khối lượng tải Mt = 0; mô men quán tính tải Jt = 0) 66 3.3 So sánh quỹ đạo PID Mờ lai 73 3.3.1 Trường hợp Mt = 0, Jt = 73 3.3.2 Trường hợp Mt = 1, Jt = 0.5 76 3.3.3 Trường hợp Mt=2, Jt = 0.5 79 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 84 1.Kết luận 84 Kiến nghị 84 TÀI LIỆU THAM KHẢO 85 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Dịch chuyển theo quĩ đạo theo điểm đến điểm cánh tay Robot 15 Bảng 1.2: Thông số vật lý cánh tay Robot 2DOF 16 Bảng 2.1: Các thông số động điện chiều 36 Bảng 2.2: Luật điều khiển deltaUdk 56 Bảng 2.3: Luật điều khiển xây dựng MATLAB 57 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Sơ đồ minh hoạ cánh tay Robot n khâu 14 Hình 1.2: Sơ đồ cánh tay Robot 2DOF 15 Hình 1.3: Sơ đồ khối chức điều khiển mờ 22 Hình 1.4: Sơ đồ xác đị nh trung bì nh tâm 25 Hình 2.1: Sơ đồ thay động điện chiều kích từ độc lập 35 Hình 2.2: Cấu trúc động điện chiều từ thông không đổi 38 Hình 2.3 Sơ đồ khối mạch chỉnh lưu có điều khiển 38 Hình 2.4: Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh dòng điện 40 Hình 2.5 41 Hình 2.6: Sơ đồ cấu trúc hệ điều chỉnh vị trí………………………………………….41 Hình 2.7: .43 Hình 2.8 44 Hình 47 Hình 2.10: Sơ đồ cấu trúc hệ điều chỉnh vị trí 49 Hình 11: Quan hệ   .50 Hình 12: Sơ đồ cấu trúc mờ lai 52 Hình 2.13: Cấu trúc mờ lai khớp 52 Hình 2.14: Cấu trúc mờ lai khớp 53 Hình 2.15 Xác định tập mờ cho biến vào eq1 55 Hình 2.16 Xác định tập mờ cho biến vào deq1 55 Hình 2.17 Xác định tập mờ cho biến đầu deltaUdk 56 Hình 3.1 Mô hình hệ thống sử dụng điều khiển PID 58 Hình 3.2 Mô hình khối điều khiển dòng điện tốc độ động 58 Hình 3.3 Mô hình khối điều khiển dòng điện tốc độ động 59 Hình 3.4 Mô hình khối subsystem1 59 Hình 3.5 Mô hình khối subsystem2 59 Hình 3.6 Mô hình khâu phản hồi vị trí 59 Hình 3.7 Mô hình khâu phản hồi vị trí 59 Hình 3.8 Mô hình Robot 2DOF 60 Hình 3.9 Đồ thị quỹ đạo đặt quỹ đạo thực Robot dùng PID 60 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 3.10 Đồ thị sai lệch quỹ đạo dùng PID 61 Hình 3.11 So sánh quỹ đạo góc đặt quỹ đạo góc khớp 62 Hình 3.12 Sai lệch góc khớp 62 Hình 3.13 Tốc độ sai lệch góc khớp 62 Hình 3.14 Dòng điện Động 63 Hình 3.15 Tốc độ Động 63 Hình 3.16 So sánh quỹ đạo góc đặt quỹ đạo góc khớp 63 Hình 3.17 Sai lệch quỹ đạo góc khớp 64 Hình 3.18 Tốc độ sai lệch quỹ đạo góc khớp 64 Hình 3.19 Dòng điện Động 65 Hình 3.20 Tốc độ Động 65 Hình 3.21 Mô hình hệ thống sử dụng mờ lai 66 Hình 3.22 Kết mô RuleWiewer FLC1 66 Hình 3.23 Kết mô RuleWiewer FLC2 67 Hình 3.25 Đồ thị sai lệch quỹ đạo dùng Fuzzy 68 Hình 3.26 Đồ thị so sánh quỹ đạo góc đặt quỹ đạo góc khớp 68 Hình 3.27 Sai lệch góc khớp 69 Hình 3.28 Tốc độ sai lệch góc khớp 69 Hình 3.29 Dòng điện Động 70 Hình 3.30 Tốc độ Động 70 Hình 3.31 Đồ thị so sánh quỹ đạo góc đặt quỹ đạo góc khớp 71 Hình 3.32 Sai lệch quỹ đạo góc khớp 71 Hình 3.33 Tốc độ sai lệch quỹ đạo góc khớp 72 Hình 3.34 Dòng điện Động 72 Hình 3.35 Tốc độ Động 73 Hình 3.36 Sai lệch quỹ đạo dùng PID Fuzzy 73 Hình 3.37 Đồ thị góc quay khớp giá trị đặt, PID Fuzzy 74 Hình 3.38 Đồ thị góc quay khớp giá trị đặt, PID Fuzzy 74 Hình 3.39 Đồ thị sai lệch góc quay khớp PID Fuzzy 75 Hình 3.40 Đồ thị sai lệch góc quay khớp PID Fuzzy 75 Hình 3.41 Đồ thị sai lệch tốc độ góc khớp PID Fuzzy 76 Hình 3.42 Đồ thị sai lệch tốc độ góc khớp PID Fuzzy 76 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 3.43 Đồ thị góc sai lệch quỹ đạo PID Fuzzy 77 Hình 3.44 Đồ thị góc quay khớp giá trị đặt, PID Fuzzy 77 Hình 3.45 Đồ thị góc quay khớp giá trị đặt, PID Fuzzy 78 Hình 3.46 Đồ thị sai lệch góc quay khớp PID Fuzzy 78 Hình 3.47 Đồ thị sai lệch góc quay khớp PID Fuzzy 78 Hình 3.48 Đồ thị sai lệch tốc độ góc khớp PID Fuzzy 79 Hình 3.50 Đồ thị sai lệch quỹ đạo PID Fuzzy 80 Hình 3.51 Đồ thị góc quay khớp giá trị đặt, PID Fuzzy 80 Hình 3.52 Đồ thị góc quay khớp giá trị đặt, PID Fuzzy 81 Hình 3.53 Đồ thị sai lệch góc quay khớp PID Fuzzy 81 Hình 3.54 Đồ thị sai lệch góc quay khớp PID Fuzzy 81 Hình 3.55 Đồ thị sai lệch tốc độ góc khớp PID Fuzzy 82 Hình 3.56 Đồ thị sai lệch tốc độ góc khớp PID Fuzzy 82 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read ... NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN HIỆN ĐẠI CHO HỆ ĐIỀU KHIỂN CÁC CHUYỂN ĐỘNG CỦA ROBOT THEO QUỸ ĐẠO PHẲNG Học viên : Đào Quốc Chính Lớp : Cao học K11-TĐH Cán HDKH: PGS.TS Nguyễn Nhƣ Hiển CÁN BỘ HƢỚNG... LƢỢNG HỆ THỐNG 58 3.1 Mô hệ thống điều khiển chuyển động cánh tay Robot sử dụng điều chỉnh PID 58 3.1.1 Mô hình simulink hệ thống điều khiển chuyển động cánh tay Robot sử dụng điều. .. 34 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI CASCADE ĐỂ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG ROBOT 2DOF THEO QUỸ ĐẠO PHẲNG 34 2.1 Khái quát 34 2.2 Tổng hợp điều chỉnh vị trí PID cho động điện chiều