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

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

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


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:

20

25

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
TH thuc

0.16
0.14

Goc quay(rad)

0.12
0.1
0.08
0.06
0.04
0.02
0
-0.02

0

5

10


10
15
Thoi gian(S)

20

25

Hình 3.30. Đồ thị sai lệch quỹ đạo khớp 1
Toc do dong co1
50
40
30

Toc do quay(rad/s)

20
10
0
-10
-20
-30
-40
-50

0

5


0
-0.02

0

5

10
15
Thoi gian(s)

20

25

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

Goc quay(rad/s)

0.14
0.12
0.1
0.08
0.06
0.04
0.02
0

-40
-50

0

5

10
15
Thoi gian(s)

20

25

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
TH dat
TH thuc

0.16
0.14

Goc quay(rad)

0.12
0.1
0.08

0.04
0.02
0
-0.02

0

5

10
15
Thoi gian(S)

20

25

Hình 3.36. Đồ thị sai lệch quỹ đạo khớp 3
Toc do dong co 3
50
40
30
20

Toc o quay(rad/s)

Goc quay(rad/s)

0.12


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
-3

5

Sai lech QD ROBOT dung FUZZY

x 10

4.5
4
3.5

Sai lech

3
2.5
2
1.5
1
0.5
0

0

-0.02

0

5

10
15
Thoi gian(s)

20

25

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

Goc quay(rad/s)

0.12
0.1
0.08
0.06

-30
-40
-50

0

5

10
15
Thoi gian(S)

20

25

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
0.18
TH dat
TH thuc

0.16
0.14



0.14
0.12
0.1
0.08
0.06
0.04
0.02
0

0

5

10
15
Thoi gian(S)

20

25

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


0.16
0.14

Goc quay(rad/s)

0.12
0.1
0.08
0.06
0.04
0.02
0
-0.02

0

5

10
15
Thoi gian(S)

20

25

Hình 3.47. Đồ thị sai lệch quỹ đạo đặt và quỹ đạo thực khớp
3 dùng PID Fuzzy


40
30
20

Toc do quay(rad/s)

Goc quay(rad/s)

0.12

10
0
-10
-20
-30
-40
-50

0

5

10
15
Thoi gian(S)

20

25



3

3
Sai lech

Sai lech

5

2.5

2.5

2

2

1.5

1.5

1

1

0.5

0.5


20

25

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.


19

Đồ thị khớp quay 1:
Sai lech QD dat và QD thuc khop 1

Sai lech QD dat và QD thuc khop 1 Fuzzy

0.18

0.18
TH dat
TH thuc

0.14


5

10
15
Thoi gian(S)

20

-0.02

25

a. Sử dụng bộ điều khiển PID

TH dat
TH thuc

0.16

Goc quay(rad/s)

Goc quay(rad)

0.16

0

5

10

0.18

0.1
0.08
0.06

0.1
0.08
0.06

0.04

0.04

0.02

0.02

0

0

-0.02

0

5

10
15


40

40

30

30

20

20
Toc do quay(rad/s)

Toc do quay(rad/s)

Toc do dong co1
50

10
0
-10

10
0
-10

-20

-20


10
15
Thoi gian(S)

20

25

b. Sử dụng bộ điều khiển

PID Fuzzy
Hình 3.53. Đồ thị tốc độ động cơ khớp 1 giữa PID và PID Fuzzy
Đồ thị của khớp quay 2:
Sai lech QD dat và QD thuc

Sai lech QD dat va QD thuc khop 2
0.1

0.18
TH dat
TH thuc

0.16

QD dat
QD thuc
0.08

0.14


20

25

a. Sử dụng bộ điều khiển PID

-0.02

0

5

10

15

20

25

Thoi gian(s)

b. Sử dụng bộ điều khiển PID Fuzzy

Hình 3.54. Đồ thị sai lệch quỹ đạo đặt và quỹ đạo thực giữa PID và
PID Fuzzy


21


0.02

0.04

0

0.02

-0.02

0

5

10
15
Thoi gian(S)

20

0

25

a. Sử dụng bộ điều khiển PID

0

5

Toc do dong co khop 2
50

10
0
-10

10
0
-10

-20

-20

-30

-30

-40

-40

-50

0

5

10


Đồ thị của khớp quay 3:
Sai lech QD dat va QD thuc khop 3

Sai lech QD dat va QD thuc khop 3 dung Fuzzy

0.18

0.18
TH dat
TH thuc

0.14

0.14

0.12

0.12

0.1
0.08
0.06

0.1
0.08
0.06

0.04



Goc quay(rad)

0.16

25

a. Sử dụng bộ điều khiển PID

0

5

10
15
Thoi gian(S)

20

25

b. Sử dụng bộ điều khiển PID Fuzzy

Hình 3.57. Đồ thị sai lệch quỹ đạo đặt và quỹ đặt khớp 3 giữa PID
và PID Fuzzy
Sai lech goc quay khop 3 dung Fuzzy
0.18

0.16


0.02

0

0

-0.02

0

5

10
15
Thoi gian(S)

20

a. Sử dụng bộ điều khiển PID

25

-0.02

0

5

10
15


o quay(rad/s)

Toc do dong co 3
50

10
0
-10

10
0
-10

-20

-20

-30

-30

-40

-40

-50

0


trường hợp PID, bộ chỉnh định mờ gần bằng nhau. Biên độ dao động ở
trong trường hợp bộ chỉnh định mờ nhỏ hơn trường hợp bộ điều khiển PID.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Kết luận
Trong luận văn này đã nghiên cứu, xây dựng được bộ điều
khiển đáp ứng được tay máy 3 bậc tự do với các kết quả sau:
- Nghiên cứu tổng quan về tay máy Robot, lý thuyết về bộ điều
khiển mờ, phương trình động học của Robot ba bậc tự do. Từ đó xây
dựng bộ điều khiển PID, bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều
khiển PID để điều chỉnh chuyển động của tay máy trong quỹ đạo đặt
trước. Phần mô phỏng trên Simulink cho các kết quả về quỹ đạo, sai