Tóm tắt Luận văn Nghiên cứu, ứng dụng bộ điều khiển PID mờ cho tay máy ba bậc tự do
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
NGUYỄN VĂN CÔNG
NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN
PID MỜ CHO TAY MÁY BA BẬC TỰ DO
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa
Mã số: 60.52.02.16
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Đà Nẵng - Năm 2017
Công trình đã được nghiên cứu tại
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN QUỐC ĐỊNH
Phản biện 1: TS. NGUYỄN HOÀNG MAI
Phản biện 2: TS. HÀ XUÂN VINH
Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp
thạc sĩ kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 06 tháng 05
năm 2017
Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng
1
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Trong sự nghiệp công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước, vấn đề
tự động hóa sản xuất có vai trò đặc biệt quan trọng, mang lại hiệu quả
kinh tế xã hội rõ rệt. Quá trình tự động hóa sản xuất hiện đại, việc ứng
dụng Robot nhằm nâng cao năng suất, chất lượng và khả năng cạnh
tranh của sản phẩm, đồng thời cải thiện môi trường, điều kiện lao động.
Một dây chuyền tự động hóa hiện đại, linh hoạt không thể thiếu các
Robot công nghiệp.
Về bản chất, Robot là một cỗ máy(tay máy) có những tính
năng rất linh hoạt và được hiểu là tay máy đa năng có thể lập trình
được. Robot được thiết kế để di chuyển dụng cụ, vật liệu, bộ phận
thiết bị, thay cho các dịch vụ, đặc biệt thông qua các chế độ lập trình
sẵn để thực hiện các nhiệm vụ khác nhau.
Việc tìm hiểu hình dạng, phân loại, phân tích cấu trúc, cơ cấu
truyền lực, hệ thống truyền động, các thiết bị ngoại vi... từ đó đưa ra
các giải pháp điều khiển Robot là một việc làm cấp thiết. Để nâng
cao chất lượng điều khiển đối với hệ thống tay máy robot và các bộ
dẫn động có nhiều cách khác nhau, xác định hệ dẫn động, mô hình
toán học của bộ dẫn động và thiết kế bộ điều khiển PID mờ cho hệ
dẫn động theo yêu cầu điều khiển tay máy robot quỹ đạo, xem tay
máy như là đối tượng chấp hành, sau đó mô phỏng hệ thống và tiến
hành hiệu chỉnh các thông số của bộ điều khiển để đạt được yêu cầu
đặt ra. Từ những nguyên nhân trên, tôi quyết định chọn đề tài
2
“NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID MỜ CHO
TAY MÁY BA BẬC TỰ DO” làm đề tài nghiên cứu.
2. Mục đích nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết về tay máy và lý thuyết mờ.
- Thiết kế bộ điều khiển PID mờ cho tay máy 3 bậc tự do.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu mô hình tay máy 3 bậc tự do.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết để xây dựng thuật toán điều khiển
tay máy 3 bậc tự do.
- Mô Nghiên cứu bộ điều khiển PID mờ điều khiển tay máy 3 bậc
tự do.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài
Về khoa học: Việc nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển PID Mờ
để điều khiển và nâng cao chất lượng, tăng độ mềm dẻo và độ linh
hoạt của bộ truyền động trong các dây chuyền sản xuất, cụ thể điều
khiển tay máy ba bậc tự do là một vấn đề có ý nghĩa cao về khoa
học.
Về thực tiễn: Việc tích hợp điều khiển PID Mờ vào vi điều
khiển mở ra triển vọng mới trong việc khai thác, áp dụng cho các hệ
thống điều khiển trong công nghiệp để thay đổi công nghệ sản xuất
cũ bằng việc tự động hóa điểu khiển và khai thác triệt để năng lực,
giảm vốn đầu tư, nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển, đưa lại
nhiều hơn các sản phẩm chất lượng tốt với giá thành thấp và cạnh
tranh hơn.
3
6. Cấu trúc của luận văn
Luận văn có phần mở đầu giới thiệu về nội dung, mục lục,
danh mục các bảng, hình vẽ, kết luận và kiến nghị và bao gồm 3
chương được nghiên cứu cụ thể:
Chương 1: Robot và hệ điều khiển Robot.
Chương 2: Xây dựng mô hình toán của tay máy ba bậc tự do.
Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển PID và PID Mờ điều khiển
quỹ đạo tay máy ROBOT ba bậc tự do. Mô phỏng và đánh giá kết
quả
CHƢƠNG 1
ROBOT VÀ HỆ ĐIỀU KHIỂN ROBOT
1.1. KHÁI QUÁT CHUNG
1.1.1. Lịch sử phát triển của Robot
Thuật ngữ robot được sinh ra từ trên sân khấu, không phải trong
phân xưởng sản xuất. Những robot xuất hiện lần đầu tiên trên ở trên
NewYork vào ngày 09/10/1922 trong vở “Rossum’s Universal
Robot” của nhà soạn kịch người Tiệp Karen Kapek viết năm 1921,
còn từ robot là cách gọi tắt của từ robota - theo tiếng Tiệp có nghĩa là
công việc lao dịch.
Những robot thực sự có ích được nghiên cứu để đưa vào
những ứng dụng trong công nghiệp thực sự lại là những tay máy.
Vào năm 1948, nhà nghiên cứu Goertz đã nghiên cứu chế tạo loại tay
máy đôi điều khiển từ xa đầu tiên, và cùng năm đó hãng General
Mills chế tạo tay máy gần tương tự sử dụng cơ cấu tác động là những
4
động cơ điện kết hợp với các cử hành trình. Đến năm 1954, Goertz
tiếp tục chế tạo một dạng tay máy đôi sử dụng động cơ servo và có
thể nhận biết lực tác động lên khâu cuối. Sử dụng những thành quả
đó, vào năm 1956 hãng General Mills cho ra đời tay máy hoạt động
trong công việc khảo sát đáy biển.
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.
Mỹ là nước đầu tiên phát minh ra robot, nhưng nước phát triển
cao nhất trong lĩnh vực nghiên cứu chế tạo và sử dụng robot lại là Nhật.
1.1.2. Ứng dụng Robot trong sản xuất
1.2. MỘT SỐ ĐỊNH NGHĨA, KHÁI NIỆM
1.2.1. Định nghĩa về Robot
1.2.2. Các khái niệm
1.3. PHÂN LOẠI ROBOT
1.3.1. Phân loại theo dạng hình học của không gian hoạt động
1.3.2. Phân loại theo thế hệ
1.3.3. Phân loại theo bộ điều khiển
1.3.4. Phân loại Robot theo nguồn dẫn động
1.4. BỘ ĐIỀU KHIỂN ROBOT
1.4.1. Bộ xử lý trung tâm
1.4.2. Bộ nhớ
5
1.4.3. Bộ xuât/nhập
1.4.4. Các loại bộ điều khiển
1.4.5. Các dạng điều khiển tay máy
1.5. KẾT LUẬN
CHƢƠNG 2
XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN CỦA TAY MÁY 3 BẬC TỰ DO
2.1. SƠ ĐỒ ĐỘNG HỌC CÁNH TAY ROBOT 3 BẬC TỰ DO
2.1.1. Các phƣơng trình động học của cánh tay
Robot 3 DOF
2.1.2. Thành lập phƣơng trình động lực học của tay máy 3
DOF
2.1.3. Mô tả toán học tay máy 3 DOF bằng phƣơng trình vi
phân
2.2. KẾT LUẬN
CHƢƠNG 3
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID VÀ PID MỜ
ĐIỀU KHIỂN QUỸ ĐẠO CÁNH TAY ROBOT BA BẬC
TỰ DO. MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
3.1. TỔNG HỢP HỆ ĐIỀU KHIỂN PID CHO CÁNH TAY
ROBOT 3 BẬC TỰ DO
3.1.1. Thuật toán điều khiển tỉ lệ (P) có phản hồi tốc độ và
điều khiển PD
3.1.2. Thuật toán điều khiển PD có bù gia tốc trọng trƣờng
6
3.1.3. Nhận xét chung
3.2. TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ PID CHO ĐỘNG
CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
3.2.1. Các thông số ban đầu
3.2.2. Tổng hợp mạch vòng điều chiều chỉnh dòng (RI)
3.2.3. Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ(Rω)
3.3. XÂY DỰNG HỆ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH THAM
SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID ĐỂ ĐIỀU CHỈNH TAY MÁY 3 BẬC
TỰ DO
3.3.1. Đặt vấn đề
3.3.2. Tổng hợp bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ
điều khiển PID
3.4. MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
3.4.1. Mô hình Simulink của hệ tay máy 3 bậc tự do dùng bộ
điều khiển PID
Hình 4.25. Hệ thống Simulink tay máy 3 bậc tự do sử dụng PID
7
3.4.2. Kết quả mô phỏng hệ thống tay máy 3 bậc tự do sử
dụng bộ điều khiển PID
Đặt vị trí góc quay có dạng y = 0.17sin(0.02t) đưa vào hệ
thống điều khiển như hình 3.25 ta được các kết quả mô phỏng như
sau:
Sai lệch về quỹ đạo thực của tay máy 3 bậc tự do:
x 10
5
4.5
4
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
0
5
10
15
20
25
Thoi gian(S)
Hình 3.28. Đồ thị sai lệch quỹ đạo của hệ thống khi dùng bộ PID
Đồ thị của khớp quay 1:
Sai lech QD dat và QD thuc khop 1
0.18
TH dat
0.16
0.14
0.12
0.1
TH thuc
0.08
0.06
0.04
0.02
0
-0.02
0
5
10
15
20
25
Thoi gian(S)
Hình 3.29. Đồ thị sai lệch quỹ đạo góc đặt và góc thực của khớp 1
8
Sai lech goc quay khop 1
0.18
0.16
0.14
0.12
0.1
0.08
0.06
0.04
0.02
0
-0.02
0
5
10
15
20
25
Thoi gian(S)
Hình 3.30. Đồ thị sai lệch quỹ đạo khớp 1
Toc do dong co1
50
40
30
20
10
0
-10
-20
-30
-40
-50
0
5
10
15
20
25
Thoi gian(S)
Hình 3.31. Đồ thị sai lệch tốc độ động cơ của khớp 1
9
Đồ thị của khớp quay 2:
Sai lech QD dat va QD thuc khop 2
0.18
0.16
0.14
0.12
0.1
TH dat
TH thuc
0.08
0.06
0.04
0.02
0
-0.02
0
5
10
15
20
25
Thoi gian(s)
Hình 3.32. Đồ thị sai lệch quỹ đạo đặt và quỹ đạo thực của khớp 2
Sai lech goc quay khop 2
0.18
0.16
0.14
0.12
0.1
0.08
0.06
0.04
0.02
0
0
5
10
15
20
25
Thoi gian(s)
Hình 3.33. Đồ thị sai lệch quỹ đạo khớp 2
10
Toc do dong co khop 2
50
40
30
20
10
0
-10
-20
-30
-40
-50
0
5
10
15
20
25
Thoi gian(s)
Hình 3.34. Đồ thị sai lệch tốc độ động cơ khớp 2
Đồ thị của khớp quay 3:
Sai lech QD dat va QD thuc khop 3
0.18
0.16
0.14
0.12
0.1
TH dat
TH thuc
0.08
0.06
0.04
0.02
0
-0.02
0
5
10
15
20
25
Thoi gian(S)
Hình 3.35. Đồ thị sai lệch quỹ đạo đặt và quỹ đạo thực khớp 3
11
Sai lech goc quay khop 3
0.18
0.16
0.14
0.12
0.1
0.08
0.06
0.04
0.02
0
-0.02
0
5
10
15
20
25
Thoi gian(S)
Hình 3.36. Đồ thị sai lệch quỹ đạo khớp 3
Toc do dong co 3
50
40
30
20
10
0
-10
-20
-30
-40
-50
0
5
10
15
20
25
Thoi gian(S)
Hình 3.37. Đồ thị sai lệch tốc độ động cơ của khớp 3
12
3.4.3. Mô hình simmulink hệ thống bộ điều khiển mờ
Hình 3.38. Hệ thống Simulink tay máy 3 bậc tự do dùng Fuzzy
3.4.4. Kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển tay máy ba bậc
tự do dung bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID
Đặt vị trí góc quay có dạng y = 0.17sin(0.02t) đưa vào hệ
thống điều khiển như hình 3.38 ta được các kết quả mô phỏng như
sau:
Sai lệch về quỹ đạo thực của tay máy 3 bậc tự do:
13
x 10-3
Sai lech QD ROBOT dung FUZZY
5
4.5
4
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
0
5
10
15
20
25
Thoi gian(S)
Hình 3.40. Đồ thị sai lệch quỹ đạo hệ thống dùng PID Fuzzy
Đồ thị khớp 1:
Sai lech QD dat và QD thuc khop 1 Fuzzy
0.18
TH dat
TH thuc
0.16
0.14
0.12
0.1
0.08
0.06
0.04
0.02
0
-0.02
0
5
10
15
20
25
Thoi gian(s)
Hình 3.41. Đồ thị sai lệch quỹ đạo đặt và quỹ đạo thực khớp 1
dùng PID Fuzzy
14
Sai lech goc quay khop 1 dung Fuzzy
0.18
0.16
0.14
0.12
0.1
0.08
0.06
0.04
0.02
0
-0.02
0
5
10
15
20
25
Thoi gian(S)
Hình 3.42. Đồ thị sai lệch quỹ đạo khớp 1 dùng PID Fuzzy
Toc do dong co 1 dung Fuzzy
50
40
30
20
10
0
-10
-20
-30
-40
-50
0
5
10
15
20
25
Thoi gian(S)
Hình 3.43. Đồ thị sai lệch tốc độ động cơ khớp 1 dùng PID Fuzzy
15
Đồ thị khớp 2:
Sai lech QD dat và QD thuc khop 2 dung Fuzzy
TH dat
TH thuc
0.18
0.16
0.14
0.12
0.1
0.08
0.06
0.04
0.02
0
-0.02
0
5
10
15
20
25
Thoi gian(S)
Hình 3.44. Đồ thị sai lệch quỹ đạo đặt và quỹ đạo khớp 2 dùng PID
Fuzzy
Sai lech goc quay khop 2 dung Fuzzy
0.18
0.16
0.14
0.12
0.1
0.08
0.06
0.04
0.02
0
0
5
10
15
20
25
Thoi gian(S)
Hình 3.45. Đồ thị sai lệch quỹ đạo khớp 2 dùng PID Fuzzy
16
Toc do dong co 2 dung Fuzzy
50
40
30
20
10
0
-10
-20
-30
-40
-50
0
5
10
15
20
25
Thoi gian(S)
Hình 3.46. Đồ thị sai lệch tốc độ động cơ khớp 2 dùng PID Fuzzy
Đồ thị khớp 3:
Sai lech QD dat va QD thuc khop 3 dung Fuzzy
0.18
TH dat
TH thuc
0.16
0.14
0.12
0.1
0.08
0.06
0.04
0.02
0
-0.02
0
5
10
15
20
25
Thoi gian(S)
Hình 3.47. Đồ thị sai lệch quỹ đạo đặt và quỹ đạo thực khớp
3 dùng PID Fuzzy
17
Sai lech goc quay khop 3 dung Fuzzy
0.18
0.16
0.14
0.12
0.1
0.08
0.06
0.04
0.02
0
-0.02
0
5
10
15
20
25
Thoi gian(S)
Hình 3.48. Đồ thị sai lệch góc khớp 3 dùng PID Fuzzy
Toc do dong co khop 3 dung Fuzzy
50
40
30
20
10
0
-10
-20
-30
-40
-50
0
5
10
15
20
25
Thoi gian(S)
Hình 3.49. Đồ thị sai lệch tốc độ động cơ của khớp 3 dùng PID
Fuzzy
18
3.4.5. So sánh quỹ đạo giữa bộ điều khiển dùng PID và bộ
điều khiển mờ chỉnh định tham số PID
Sai lệch tín hiệu quỹ đạo thực của tay máy:
x 10-3
x 10-3
Sai lech QDROBOT
Sai lech QD ROBOT dung FUZZY
5
4.5
4
5
4.5
4
3.5
3
3.5
3
2.5
2
2.5
2
1.5
1
1.5
1
0.5
0
0.5
0
0
5
10
15
20
25
0
5
10
15
20
25
Thoi gian(S)
Thoi gian(S)
a. Sử dụng bộ điều khiển PID b. Sử dụng bộ điều khiển PID Fuzzy
Hình 3.50. Sai lệch quỹ đạo Robot giữa PID và PID Fuzzy
Dựa vào đồ thị ta thấy việc so sánh hai sai lệch quỹ đạo khi
dùng PID và bộ điều khiển chỉnh định các tham số bộ điều khiển
PID, ta nhận thấy độ sai lệch quỹ đạo ở hai trường hợp gần bằng
nhau. Tuy nhiên biên độ dao động tại các thời gian quá độ ở bộ chỉnh
định mờ giảm so với bộ PID và thời gian tín hiệu sai lệch về không
gian nhanh hơn.
Tải về để xem bản đầy đủ
27 trang
22940
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Tóm tắt Luận văn Nghiên cứu, ứng dụng bộ điều khiển PID mờ cho tay máy ba bậc tự do", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- tom_tat_luan_van_nghien_cuu_ung_dung_bo_dieu_khien_pid_mo_ch.pdf
