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

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.

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

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

( ) .
( ) ( ) ( )
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)

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


Ui
đ
(-) E(p)
U
đ

Hình 2.4: Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh
dòng điện.
11
OM
2 2
1
F i =
1 2 2p p
σ σ
τ τ
+ +
(2-15)
Chọn τ
σ
= min(T
si
, T
ư
) = T
si
Vậy ta có hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện:
u
i

P
cl
K
2K
u u
I si
R T
K T
=
;
I
K
2. . .
u
P
u cl i si
R
K
T K K T
= =
Kết quả khi tổng hợp mạch vòng dòng điện bằng tiêu chuẩn tối ưu modul ta có:
OMi
2 2
( )
1 1
F (p) =
( ) 1 2 2 1 2
i
id Si Si Si
U p

ω
ta có:
sω
2
ω
sω
1 u c
1 4T p
R (p) =
R.K
8T p
K .C .T
I
P
K
K
p
ω
ω ω
+
= +
(2-25)
Vậy R
ω
là khâu tỷ lệ - tích phân (PI).
PT21
1
Si
+
R

U
i
(p)
ω

Hình 2.6: Sơ đồ cấu trúc của hệ điều chỉnh vị trí.
13
@C@CpZ )zbMLP)\} eF]*P){-)\`_HWu
R
ϕ
wC
Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều chỉnh vị trí còn lại như hình 2.8:
Khi tổng hợp mạch vòng tốc độ dùng chuẩn tối ưu đối xứng ta có hàm truyền
của đối tượng:
0
.
S (p) =
(1 4 . ) (1 )
vt
r
s vt
K
K
K
T p p pT
ω
ϕ
ω
+ +
(2-33)

r vt vt
K
K K T
ω
ϕ ω
(2-34)
R
ϕ

= K
ϕ
P
+ K
ϕ
D
. p
Với:
P
K =
. .2
r vt vt
K
K K T
ω
ϕ
&
D
.2.
K =
. .

1
vt
vt
K
pT+
Hình 2.8.
14
@C@CrW-)b)F_*+k-Pq4^2eF]*g)FG-\`_HWC
@CfJK+x1 ^2eF]*g)FG-Mli4FP47P4x~eGeF]*P){-)\`_HWP)VPc-)_4+
V^V_@v
@CfCB•_\€-e]
@CfC@!2eF]*g)FG-Mli4FP47P4x~
Sơ đồ cấu trúc khâu mờ lai cho vòng điều khiển vị trí như sau:
− Bộ điều khiển mờ cần 2 đầu vào và 1 đầu ra.
− Hai đầu vào là sai lệch vị trí góc (eq) và đạo hàm của sai lệch vị trí góc
(xeq) của khớp 1 và 2.
− Một đầu ra là tín hiệu bù tốc độ.
2.3.2.1 Biến ngôn ngữ và miền giá trị của nó
- Miền giá trị của biến đầu vào thứ nhất (sai lệch vị trí eq) được chọn là:
eq
1
= {-π/2, π/2}; eq
2
= {-π/2, π/2}; (đơn vị tính: rad)
- Miền giá trị của biến đầu vào thứ hai (đạo hàm vị trí thực dq) được chọn là:
deq
1
= {-π/2, π/2}; deq
2
= {-π/2, π/2}; (đơn vị tính: rad/s)

AN
= {-1.989 -1.151 -0.9414 -0.1046}
μ
ZE
= {-0.9414 -0.1046 0.1046 0.9414}
μ
DN
= { 0.1046 0.9414 1.151 1.989}
μ
DV
= {1.151 1.989 2.198 3.035}
μ
DL
= {2.198 3.035 3.245 4.078}
Rời rạc hóa các hàm liên thuộc đầu ra delU
dk
:
Biến ngôn ngữ đầu ra có 7 hàm liên thuộc được rời rạc hóa như sau :
μ
AL
= {-390 -309.9 -290 -210}
μ
AV
= { -290 -210 -190 -110}
μ
AN
= { -188.4 -108.4 -88.41 -8.433}
μ
ZE
= { -90 -10.02 10.02 90}

0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
Quy dao
Toa do X
Toa do YQuy dao dat
Quy dao thuc Robot
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
0.03
SAI LECH QUY DAO
Thoi gian t
Sai lech
17
Xf
5•<‚;ƒ
fCB5|b)„ )d_)8 eF]*g)FG-P)*+G-e2 Pc-)_4+V^V_7axQ ^2
eF]*P){-)C
fCBCB5|)…-)7FM*iF-g)d_)8 eF]*g)FG-P)*+G-e2 Pc-)_4+V^V_7a
xQ ^2eF]*P){-)C

0.02
0.025
0.03
SAI LECH QUY DAO
Thoi gian t
Sai lech
18
Dựa vào đồ thị quỹ đạo đặt và quỹ đạo thực của di chuyển cánh tay Robot,
đồ thị sai lệch quỹ đạo, ta nhận thấy rằng:
+ Trong khoảng thời gian từ 0 giây đến 10 giây: Đây là khoảng thời gian
cánh tay Robot di chuyển đến vị trí đầu của quỹ đạo. Do Robot đáp ứng chậm và
mô men sinh ra bởi cánh tay khá lớn, nên hệ thống dao động với biên độ dao động
lớn nhất khoảng 10% giá trị lớn nhất đặt của quỹ đạo. Thời gian dao động trong
khoảng 2s. Sai số xác lập khoảng 0.005, điều này do đáp ứng đầu ra của hệ thống
trễ so với giá trị đầu vào. Điều này hợp lí vì hệ thống luôn có thời gian đáp ứng trễ.
+ Tại t = 10s đến 20s: Do có sự thay đổi đường đi quỹ đạo, điều này làm thay
đổi chiều quay của động cơ hai khớp, nên dẫn đến sự dao động của tín hiệu trước
khi xác lập. Tuy nhiên, biên độ dao động của tín hiệu quỹ đạo đầu ra đã nhỏ đi rất
nhiều, và sai số xác lập cũng nhỏ đi rất nhiều khoảng 0,001.
fC@5|b)„ )d_)8 eF]*g)FG-P)*+G-e2 Pc-)_4+V^V_7axQ ^2Ml
i4FC
fC@CB5|)…-)7FM*iF-g)d_)8 eF]*g)FG-P)*+G-e2 Pc-)_4+V^V_7a
xQ ^2Mli4FC
fC@C@k_[*oM|b)„ eF]*g)FG-\`_HWPq4Pc-)_4+V^V_x† ^2Mli4F
u\hF_HEl )zbg)8FiEz _oF5_‡AˆM|M~-[*c-_W-)_oF‰_‡AwC
* Kết quả về quỹ đạo di chuyển của Robot theo quỹ đạo đặt.
Hình 3.24 Đồ thị quỹ đạo đặt và quỹ đạo
Robot dùng Fuzzy
Hình 3.25 Đồ thị sai lệch quỹ đạo dùng
Fuzzy
Sai lech q2 PID
Sai lech q2 FUZZY
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
Do thi goc quay khop 1
Thoi gian [s]
goc quay [rad]Tin hieu goc quay dat
Tin hieu goc quay thuc PID
Tin hieu goc quay thuc Fuzzy
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
Do thi goc quay khop 2

giữa PID và Fuzzy
Hình 3.40 Đồ thị sai lệch góc quay khớp 2
giữa PID và Fuzzy
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
Do thi sai lech toc do goc quay khop 1
Thoi gian [s]
toc do sai lech [rad]Sai lech toc do q1 PID
Sai lech toc do q1 FUZZY
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
Do thi sai lech toc do goc quay khop 2

Sai lech quy dao FUZZY
Hình 3.43 Đồ thị góc sai lệch quỹ đạo giữa PID và Fuzzy
Dựa vào đồ thị so sánh hai sai lệch quỹ đạo khi dùng PID và dùng bộ mờ lai,
ta thấy rằng độ sai lệch quỹ đạo ở cả hai trường hợp gần bằng nhau. Tuy nhiên biên
độ dao động ở các thời gian quá độ ở bộ mờ lai giảm so với bộ điều khiển PID.
3.3.2.2 Sai lệch góc quay hai khớp của cánh tay Robot.
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
-0.5
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
Do thi sai lech toc do goc quay khop 1
Thoi gian [s]
toc do sai lech [rad]Sai lech toc do q1 PID
Sai lech toc do q1 FUZZY
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
-0.06
-0.04
-0.02
0
0.02
0.04
0.06
Do thi sai lech goc quay khop 2
Thoi gian [s]
goc sai lech [rad]Sai lech q2 PID
Sai lech q2 FUZZY
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
Do thi goc quay khop 1
Thoi gian [s]
goc quay [rad]Tin hieu goc quay dat

Do thi sai lech quy dao Robot
Thoi gian [s]
sai lech quy dao[m]Sai lech quy dao PID
Sai lech quy dao FUZZY
21
Hình 3.44 Đồ thị góc quay khớp 1 giữa giá
trị đặt, PID và Fuzzy
Hình 3.45 Đồ thị góc quay khớp 2 giữa giá
trị đặt, PID và Fuzzy
Hình 3.46 Đồ thị sai lệch góc quay khớp
1 giữa PID và Fuzzy
Hình 3.47 Đồ thị sai lệch góc quay khớp 2
giữa PID và Fuzzy
3.3.2.3 Sai lệch về tốc độ góc quay hai khớp.
Hình 3.48 Đồ thị sai lệch tốc độ góc khớp 1
giữa PID và Fuzzy
Hình 3.49 Đồ thị sai lệch tốc độ góc
khớp 2 giữa PID và Fuzzy
fCfCfHEl )zb5_‡@‹‰_‡ACrC
3.3.3.1. Sai lệch quỹ đạo cánh tay Robot.
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4

-0.02
0
0.02
0.04
0.06
0.08
Do thi sai lech goc quay khop 1
Thoi gian [s]
goc sai lech [rad]Sai lech q1 PID
Sai lech q1 FUZZY
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
-0.06
-0.04
-0.02
0
0.02
0.04
0.06
0.08
Do thi sai lech goc quay khop 2
Thoi gian [s]
goc sai lech [rad]Sai lech q2 PID
Sai lech q2 FUZZY
22

-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
Do thi sai lech toc do goc quay khop 2
Thoi gian [s]
toc do sai lech [rad]Sai lech toc do q2 PID
Sai lech toc do q2 FUZZY
23
Hình 3.55 Đồ thị sai lệch tốc độ góc khớp 1
giữa PID và Fuzzy
Hình 3.56 Đồ thị sai lệch tốc độ góc khớp 2
giữa PID và Fuzzy
Trong trường hợp khối lượng tải Mt tăng lên 2kg, thì ta thấy rõ hơn tính ưu
việt của bộ mờ lai so với bộ điều khiển PID khi tải tăng trong việc hạn chế biên độ
dao động, tăng khả năng bám theo quỹ đạo.
JŒ0
- Khi cánh tay chuyển động theo quỹ đạo, ta phải đưa cánh tay Robot về vị
trí ban đầu. Việc chọn vị trí ban đầu phải thích hợp để cơ cấu không sinh ra lực cản
lớn, mô men cản lớn.
- Sai lệch tốc độ trong quá trình chuyển động của cánh tay Robot so với tốc
độ của quỹ đạo đặt là tốt (gần bằng 0) so với khi dùng bộ PID. Biên độ dao động tại
các thời điểm quá độ và sai lệch quỹ đạo được giảm.
- Khi chọn các tập giá trị mờ và luật điều khiển thích hợp thì luật điều khiển

Để giảm bớt sai lệch quỹ đạo, dao động và trễ hệ thống của các cơ cấu cánh
tay Robot hiện nay bằng giải pháp sử dụng kết hợp bộ điều khiển PID kết hợp với
các bộ điều khiển hiện đại khác như: Mờ trượt, thích nghi, nơ ron
25
;&5Ž
[1]. Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị Hiền: Truyền Động Điện, NXB Khoa
Học và Kỹ Thuật.
[2]. Nguyễn Phùng Quang (2006), Matlab
&
Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, nhà
xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
[3] Nguyễn Như Hiển, Lại Khắc Lãi : Hệ mờ và Nơ ron trong kỹ thuật điều khiển.
[4] Nguyễn Doãn Phước: Lý thuyết điều khiển tuyến tính.
[5] Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh : Lý thuyết điều khiển mờ.
[6] Nguyễn Thiện Phúc: Robot Công nghiệp, NXB Khoa học và Kỹ thuật.
[7] Phạm Đăng Phước, Giáo trình Robot Công nghiệp (phần I), trường Đại học Bách khoa Đà
Nẵng.
[8] Nguyễn Mạnh Tiến, Điều khiển Robot Công nghiệp, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội.
[9] H.X.Li anh H.B Gatland (1997), “Fuzzy variable tructure control”, IEEE Trans. Syst.
Man, cybern. B. vol.27, pp. 306-312, Apr.
[10] Han.Xion Li (1999), “Approximate model reference adaptive mechaism for nominal gain
design of fuzzy control system”, IEEE Transactions on Systems, Man.And Cybernetics Part B:
Cybernetics. Vol.29. No.4. February 1999, pp 661-666.
[11] Li-Xin Wang and Jerry M. Mendel (1993), “Fuzzy adaptive Filters, with Application to
Nonlinear Channel Equalization”, IEEETransactions on fuzzy systems, Vol. I. No.3. August
1993, pp. 161-170.
[12] Li-Xin Wang (1992), “Fuzzy systems as nonlinear dynamic system indentifiers. Part 1:
design”, Proceedinge of the 31 st Conference on decision and control Tucson, Arizos,
December 1992. pp. 2511-2516.
cP•~^7F_~0