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 bộ HDKH : PGS.TS. NGUYỄN NHƯ HIỂN

THÁI NGUYÊN - 2010
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP
*****

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
--------------------------------------




1

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình do tôi tự làm và nghiên cứu,
trong luận văn có sử dụng một số tài liệu tham khảo như đã nêu trong phần tài liệu
tham khảo.

Tác giả luận văn

Đào Quốc Chính

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




2

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................. 1
MỤC LỤC.............................................................................................................. 2
DANH MỤC CÁC BẢNG ..................................................................................... 5
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ................................................................ 6
MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 9
CHƢƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ ROBOT VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP ............. 11
ĐIỀU KHIỂN HIỆN ĐẠI.................................................................................... 11

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 bộ điều khiển kinh điển.................................. ..32
1.3.2.2 Hệ mờ lai Cascade........................................................................................33
1.3.2.3 Điều khiển công tắc thích nghi bằng khóa mờ.............................................33

CHƢƠNG 2 ......................................................................................................... 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 bộ điều chỉnh vị trí PID cho động cơ điện một chiều .............................. 35
2.2.1 Các thông số ban đầu ...................................................................................... 35
2.2.1.1 Động cơ điện một 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 của bộ điều khiển vị trí. ........................................................... 49
2.3 Xây dựng bộ 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 và miền giá trị của nó ....................................................... 53
2.3.2.2 Xác định hàm liên thuộc (membership function)....................................... 54

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................. 84
1.Kết luận. ................................................................................................................... 84
2. Kiến nghị. ................................................................................................................ 84

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 85

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




5

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Dịch chuyển theo quĩ đạo và theo điểm đến điểm của cánh tay Robot ... 15
Bảng 1.2: Thông số vật lý của cánh tay Robot 2DOF ............................................ 16
Bảng 2.1: Các thông số của động cơ điện một chiều .............................................. 36
Bảng 2.2: Luật điều khiển deltaUdk ........................................................................ 56
Bảng 2.3: Luật điều khiển xây dựng bằng MATLAB ............................................ 57

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




6

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





7

Hình 3.10 Đồ thị sai lệch quỹ đạo dùng PID .................................................................... 61
Hình 3.11 So sánh quỹ đạo góc đặt và quỹ đạo góc ra của khớp 1 .................................... 62
Hình 3.12 Sai lệch góc của khớp 1 ................................................................................... 62
Hình 3.13 Tốc độ sai lệch góc của khớp 1........................................................................ 62
Hình 3.14 Dòng điện Động cơ 1 ...................................................................................... 63
Hình 3.15 Tốc độ của Động cơ 1 ..................................................................................... 63
Hình 3.16 So sánh quỹ đạo góc đặt và quỹ đạo góc ra của khớp 2 .................................... 63
Hình 3.17 Sai lệch quỹ đạo góc khớp 2 ............................................................................ 64
Hình 3.18 Tốc độ sai lệch quỹ đạo góc khớp 2................................................................. 64
Hình 3.19 Dòng điện Động cơ 2 ...................................................................................... 65
Hình 3.20 Tốc độ Động cơ 2 ........................................................................................... 65
Hình 3.21 Mô hình hệ thống sử dụng bộ mờ lai ............................................................... 66
Hình 3.22 Kết quả mô phỏng bằng RuleWiewer FLC1 .................................................... 66
Hình 3.23 Kết quả mô phỏng bằng 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 và quỹ đạo góc ra của khớp 1.......................... 68
Hình 3.27 Sai lệch góc của khớp 1 ................................................................................... 69
Hình 3.28 Tốc độ sai lệch góc của khớp 1........................................................................ 69
Hình 3.29 Dòng điện Động cơ 1 ...................................................................................... 70
Hình 3.30 Tốc độ Động cơ 1 ........................................................................................... 70
Hình 3.31 Đồ thị so sánh quỹ đạo góc đặt và quỹ đạo góc ra của khớp 2 .......................... 71
Hình 3.32 Sai lệch quỹ đạo góc khớp 2 ............................................................................ 71
Hình 3.33 Tốc độ sai lệch quỹ đạo góc khớp 2................................................................. 72
Hình 3.34 Dòng điện Động cơ 2 ...................................................................................... 72





9

MỞ ĐẦU
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 “NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU
KHIỂN HIỆN ĐẠI CHO HỆ ĐIỀU KHIỂN CÁC CHUYỂN ĐỘNG CỦA


Người thực hiện

Đào Quốc Chính

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




11

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ROBOT VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP
ĐIỀU KHIỂN HIỆN ĐẠI
1.1 Tổng quan về Robot
1.1.1 Lịch sử phát triển
Thuật ngữ ―Robot‖ có nguồn gốc từ chữ ―Robota‖, tiếng Czech, nghĩa là
công việc tạp dịch.
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

điện, truyền động thuỷ lực, truyền động thuỷ khí, ...
1.1.2.1 Truyền động điện
Với nhiều ưu điểm như: đơn giản, có thể không cần các bộ biến đổi phụ,
không gây ô nhiễm môi trường đáng kể, có thể lắp trực tiếp trên các khớp, hệ
truyền động điện được sử dụng phổ biến trong kỹ thuật Robot.
Mặc dù vậy, hệ truyền động điện cũng có nhiều nhược điểm như thường cần
hộp giảm tốc, công suất thấp, ...
Về nguyên tắc, có thể dùng tất cả các loại động cơ điện khác nhau để dẫn
động (điều khiển) Robot. Nhưng do có nhiều ưu điểm nổi bật, động cơ điện một
chiều (DCM) và động cơ bước được sử dụng nhiều hơn cả. Cùng với sự tiến bộ của
khoa học điều khiển, ngày nay người ta cũng đang có xu hướng sử dụng động cơ
điện xoay chiều vì sẽ rất thuận lợi vì phổ biến, giá thành thấp, không cần trang bị
bộ nguồn một chiều, ...) và động cơ điện một chiều không chổi góp (DCBLM –
Direct Current Brushless Motor).
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




13

1.1.2.2 Truyền động khí nén và thuỷ lực
Ngoài truyền động điện, người ta cũng thường dùng các loại truyền động khí
nén và/hoặc thuỷ lực trong kỹ thuật điều khiển Robot.
Đối với truyền động khí nén cũng có những thuận lợi như: tận dụng các hệ
thống khí nén sẵn có trong các nhà máy, phân xưởng nên thiết bị nguồn động lực sẽ
đơn giản hơn. Hệ truyền động khí nén cũng tương đối gọn nhẹ, dễ sử dụng, dễ đảo
chiều, ... Tuy vậy cũng có nhược điểm như: chuyển động của chất khí thường kèm
dao động do tính nén được của nó, cần trang bị lọc bụi, dầu bôi trơn, giảm ồn, ...
Đối với hệ truyền động thuỷ lực thì ưu điểm là khả năng vận hành với tải


zn

q3

khớp 2
khâu 2
q2

z1
khớp 1

qn

khâu n

khâu 1
q1
y0

x0

Hình 1.1: Sơ đồ minh họa cánh tay Robot n khâu
Mỗi khớp của cánh tay Robot thường được điều khiển độc lập thông qua các
bộ dẫn động (là động cơ điện, hệ thống thuỷ lực hoặc khí, ...) có thể được gắn trực
tiếp tại vị trí khớp hoặc thông qua hệ truyền động với hệ số truyền động thích hợp.
Khi dịch chuyển, mỗi khớp sẽ quay một góc hoặc tính tiến một đoạn thích
hợp nào đó nhằm đạt được mục tiêu thiết kế và sử dụng. Các cảm biến đo lường gắn
trên bộ dẫn động có nhiệm vụ truyền tín hiệu ví trí dịch chuyển được về hệ thống
điều khiển để xử lý và đưa ra quyết định. Do vậy, để phân tích và đánh giá và điều


Robot làm việc có đòi hỏi về

Robot làm việc tại các công

ứng dụng độ chính xác bề mặt như: mạ, đoạn lắp ráp, nâng hạ, ...
mài, ...
Bảng 1.1: Dịch chuyển theo quĩ đạo và theo điểm đến điểm của cánh tay Robot
Điều khiển Robot nói chung và cánh tay Robot nói riêng, đó là việc điều
khiển các hệ thống dẫn động (Actuators). Hệ thống dẫn động có nhiệm vụ tạo ra lực
hoặc mô men để làm dịch chuyển các khâu tương ứng. Ta gọi lực hoặc mô men cần
tạo ra để điều khiển Robot là véc-tơ  = [1, 2, ... n].
Trong phạm vi đề tài này, tác giả tập trung vào việc nghiên cứu điều khiển
cánh tay Robot với những giới hạn sau:
- 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.
y
y
y2

J2
l1
lg1

J1
1 m 1


Đơn vị
tính
m

Chiều dài khâu 2

l2

0,26

m

Khoảng cách đến trọng tâm của khâu 1

lg1

0,0983

m

Khoảng cách đến trọng tâm của khâu 2

lg2

0,0229

m

Khối lượng khâu 1


Gia tốc trọng trường

g

9,81

m/s2

Thông số

Bảng 1.2: Thông số vật lý của cánh tay Robot 2DOF
1.1.3.3 Động học của cánh tay Robot 2DOF
Nghiên cứu động lực học Robot là cần thiết để phục vụ cho việc phân tích và
tổng hợp quá trình điều khiển chuyển động. Có nhiều phương pháp nghiên cứu như:
sử dụng các định luật Newton-Euler hoặc nguyên lý D’Alembert, nhưng thường
dùng hơn cả là phương pháp cơ học Lagrange, cụ thể là phương trình LagrangeEuler.
Xét cánh tay Robot 2DOF như Hình 1.2, gọi  là véc-tơ vị trí của hai khớp,
khi đó:
 = [  1  2]T.

Chọn miền xác định của  1,  2 là: - /2 <  1< /2; - /2 <  2 < /2.
a. Động học thuận
Động học thuận Robot 2DOF là việc xác định toạ độ của điểm tác động cuối
trên cơ sở góc quay của trục khớp. Tức là xác định [x, y] thông qua [  1,  2]. Giả sử
quan hệ của chúng được thể hiện thông qua hàm , khi đó ta viết:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




J
(

).
.
. 
l2sin(1 + 2 )   
 2
 2 
 
 

  
 R 2 x 2 được gọi là Ma trận Jacobi của Robot.


b. Động học ngược
Mô hình động học ngược của Robot là rất quan trọng trong việc thiết kế điều
khiển. Mô hình này cho phép xác định vị trí biến khớp  từ toạ độ (x, y) cho trước
hoặc mong muốn. Đối với Robot 2DOF đã nêu, ta có:
1 
1
     x, y 
 2

Để xác định vị trí của các khớp trên toàn mặt phắng oxy, ta thay hàm arctan
bằng hàm atan2 được định nghĩa : atan2(y,x)=arg(x+jy) ; với x+jy là số phức biểu
diễn trên mặp phẳng oxy.
Với điều kiện quỹ đạo tay Robot thoả mãn: (l1—l2)2  x2+y2(l1+l2)2, ta xác
định được phương trình động học ngược như sau:

K=K1 +K 2 +K 3

1
1
K1 = m1 lg12 12  J112
2
2

x 2  l1 cos1  l2 cos(1   2 )
y2  l1 sin 1  l2 sin(1   2 )
v 22  x22  y 22  l1212  l22 (1  2 )2  2l1 l2 cos 2 (12  12 )

1
1
K 2 = m2v22  J 2 (1  2 ) 2
2
2

x T  l1 cos1  l2 cos(1  2 )
yT  l1 sin 1  l2 sin(1  2 )
vT2  xT2  yT2  l1212  l22 (1  2 )2  2l1l2 cos 2 (12  12 )

1
1
K 3 = mt vT2  J t (1  2 )2
2
2
Ta có:

P=P1 +P2 +P3

θ1   H.θ 12 +2H.θ 1 θ 2   g1 
×
 +
+ 
D 22  
θ2  
Hθ 12
 g 2 

D
Với : D=  11
 D21

D12 
D22 

(1-1)

D11 =J1  m1 lg12  m2 (l12  lg12  2l1 lg 2 C2 )  J 2  J t  mt (l12  l22 )  2mt l1l2C2
D12 = D21 =m2 (lg 22  l1 lg 2 C2 )  J 2  J t  mt l22

D22 =m2 lg 22  J 2  J t  mt l22
H =  (m2l1 lg 2  mt l1l2 ) S2

g1 = m1 g lg1 C1  m2 g (l1 C1  lg 2 C12 )  mt g (l1C1  l2C12 )
g 2 = m2 g lg 2 C12  mt gl2C12

C1 =cos1
S1 =sin1
C 2 =cos 2

 Hệ thống điều khiển phi tuyến, hệ thống điều khiển mà các thông tin đầu
vào hoặc đầu ra là không đầy đủ, không xác định được chính xác, hệ thống điều
khiển không xác định được mô hình đối tượng.
Về nguyên lý, hệ thống điều khiển mờ cũng gồm các khối chức năng tương
tự như các hệ điều khiển truyền thống, điểm khác biệt duy nhất ở đây sử dụng bộ
điều khiển mờ.
Các nguyên lý điều khiển mờ tuy chúng có thể khác nhau về các mệnh đề
điều kiện, nhưng đều có một cấu trúc:
―Nếu ...thì...‖ theo một hay nhiều điều kiện.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




21

Vậy bản chất nguyên lý điều khiển mờ là xây dựng mô hình, xây dựng thuật
toán để điều khiển theo nguyên lý điều khiển mờ, nói cách khác là làm cách nào để
có thể tổng quát hóa chúng thành một nguyên lý điều khiển mờ chung và từ đó áp
dụng cho các quá trình tương tự.
Điều khiển mờ chiếm một vị trí rất quan trọng trong điều khiển học kỹ thuật
hiện đại.
Những ứng dụng trong công nghiệp của điều khiển mờ rộng rãi như

: điều

khiển nhiệt độ , điều khiển giao thông vận tải , điều khiển trong công nghiệ p và dân
dụng...
Trong thực tế, bộ điều khiển kinh điển thường bị bế tắc khi gặp những bài


Giải mờ
(Defuzzifiers)

Đầu ra
Y

Khối luật mờ

Hình 1.3: Sơ đồ khối chức năng của bộ điều khiển mờ
Trong đó, các khối có các chức năng sau:
1.2.3.1 Khối mờ hóa
Có nhiệm vụ biến đổi các giá trị rõ đầu vào X thành một miền các giá trị mờ
với hàm liên thuộc đã chọn ứng với biến ngôn ngữ đầu vào đã được định nghĩa.
Ở đây mờ hóa được định nghĩa như là ánh xạ phi tuyến (tương ứng) từ các
giá trị thực (rõ) của các biến vào-ra thành tập các giá trị mờ (ngôn ngữ) của chúng.
Hệ thống mờ như là một bộ xấp xỉ vạn năng. Nguyên tắc chung việc thực hiện mờ
hóa là:
 Từ tập giá trị thực đầu vào sẽ tạo ra tập mờ với hàm liên thuộc có giá trị đủ
rộng tại các điểm rõ.
 Nếu có nhiễu ở đầu vào thì việc mờ hóa sẽ góp phần khử nhiễu.
 Việc mờ hóa phải tạo điều kiện đơn giản cho tính toán.
Thông thường có 3 phương pháp mờ hóa: mờ hóa đơn trị, mờ hóa Gause
(Gaussian fuzzifier) và mờ hóa hình tam giác (Triangular fuzzifier). Thường sử
dụng mờ hóa Gause hoặc mờ hóa hình tam giác vì hai phương pháp này không
những cho phép tính toán tương đối đơn giản mà còn đồng thời có thể khử nhiễu
đầu vào.
1.2.3.2 Khối hợp thành
Dùng để biến đổi các giá trị mờ hóa của biến ngôn ngữ đầu vào thành các giá
trị mờ của biến ngôn ngữ đầu ra theo các luật hợp thành.

 Tính liên tục.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên