1
CHƯƠNG I.
GIỚI THIỆU LUẬN VĂN
1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ:
Trong quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa của nước ta, việc nghiên
cứu thiết kế và chế tạo các robot công nghiệp để ứng dụng vào sản xuất có một ý
nghĩa rất quan trọng, đặc biệt là trong giai đoạn hội nhập kinh tế như hiện nay. Việc
tự động hóa quá trình sản xuất với sự có mặt của các robot sẽ làm tăng khả năng
mềm dẻo của hệ thống sản xuất, tăng chất lượng của sản phẩm và đặc biệt là có thể
làm giảm giá thành sản phẩm để tăng tính cạnh tranh. Ngoài ra, robot công nghiệp
còn có một tính năng quan trọng khác là nó có thể làm việc trong những môi trường
khắc nghiệt mà con người không thể tham gia vào được như: môi trường nhiều khói
bụi, môi trường độc hại của hóa chất, môi trường nhiệt độ cao…
Hiện nay, trên thế giới đã có rất nhiều nghiên cứu và ứng dụng robot vào quá
trình sản xuất như các robot hàn trong nhà máy sản xuất ô tô, robot lắp máy, robot
đào đường hầm, robot cấp phôi trong các máy gia công chi tiết cơ khí, robot quay
camera trong các sân vận động, robot tự động nâng hàng… Tuy nhiên ở Việt Nam
thì việc nghiên cứu và chế tạo robot mới ở giai đoạn bắt đầu, chủ yếu dừng lại ở
mức độ chế thử, chỉ một số ít được chuyển giao vào quá trình sản xuất. Các robot
này chưa có tính thích nghi ứng với môi trường thay đổi mà chủ yếu hoạt động theo
chương trình định trước.
Việc nghiên cứu các bộ điều khiển để nâng cao độ chính xác của robot hiện
vẫn còn đang được các nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm rất nhiều. Đối
với hệ điều khiển robot, việc lựa chọn sử dụng các bộ biến đổi, các loại động cơ
điện, các thiết bị đo lường, cảm biến, các bộ điều khiển và đặc biệt là phương pháp
điều khiển có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng điều khiển bám chính xác quỹ đạo
của hệ.
Các công trình nghiên cứu về hệ thống điều khiển robot tập trung chủ yếu
theo hai hướng là sử dụng các mô hình có tính đặc tính phi tuyến có thể ước lượng



 Ưu điểm của phương pháp PID cải tiến so với phương pháp PID
thông thường.

-

Đáp ứng tốc độ vẫn đảm bảo trong các điều kiện tải thay đổi hoặc thông số
động cơ thay đổi trong quá trình làm việc.

-

Cho đáp ứng nhanh, chất lượng truyền động tốt, hiệu suất cao.

1.3. MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

1.3.1 Mục tiêu của đề tài
Đề tài này tập trung nghiên cứu bộ điều khiển PID mờ điều khiển động cơ DC
nhằm cho thấy sự thích nghi tốt của bộ điều khiển mờ trong điều khiển tốc độ động
cơ DC. Việc thiết kế sẽ được mô phỏng trên Matlab/simulink.
Để điều khiển được tay máy ta cần giải quyết bài toán sau đây. Trước tiên
người vận hành nhập giá trị tọa độ (X,Y) vào giao diện điều khiển. Phần mềm tính


3
toán hai góc θ1, θ2 theo bài toán động học ngược. Sau đó giá trị θ1, θ2 được đưa qua
bộ điều khiển PID cải tiến để cho ra giá trị trong chế độ thực (θ1r, θ2r là 2 góc cần đạt
được, θ1, θ2 l à các góc phản hồi trong quá trình vận hành cánh tay robot)

Cho
(X,Y)


θ1

MĐ
H ình 1-2: Sơ đồ mạch điều khiển cho động cơ 1
Tương tự như trên ta áp dụng cho hai giá trị θ2r và θ2.

θ2r

e

PID

KĐCS

DC2

θ2

MĐ
H ình 1-3: Sơ đồ mạch điều khiển cho động cơ 2
Để thực hiện được bài toán như trên, tác giả xây dựng mô hình robot tay máy
3 bậc tự do như hình (1 – 4). Động cơ (3) điều khiển link1 (5), có encoder (4) phản


4
hồi góc θ1. Động cơ (7) điều khiển link1 (8), có encoder (6) phản hồi góc θ2. Xylanh
(9) tịnh tiến bàn tay kẹp lên xuống và xylanh (10) điều khiển bàn tay kẹp.

Hình 1-4: Mô hình tay máy 3 bậc tự do
1.3.2 Nội dung nghiên cứu

• Chương IV: Thiết kế bộ điều khiển PID cải tiến cho động cơ dẫn động
các khớp.
• Chương V:Kết quả thực nghiệm và kết luận
• Tài liệu tham khảo


6
CHƯƠNG II.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP
2.1.1. Lịch sử phát triển
Thuật ngữ “Robot” lần đầu tiên xuất hiện năm 1922 trong tác phẩm
“Rosum’s Universal Robot “ của Karal Capek. Theo tiếng Séc thì Robot là người
làm tạp dịch. Trong tác phẩm này nhân vật Rosum và con trai ông đã tạo ra những
chiếc máy gần giống như con người để hầu hạ con người.
Hơn 20 năm sau, ước mơ viễn tưởng của Karel Capek đã bắt đầu
hiện thực. Ngay sau chiến tranh thế giới lần thứ 2, ở Mỹ đã xuất hiện
những tay máy chép hình điều khiển từ xa, trong các phòng thí nghiệm
phóng xạ. Năm 1959, Devol và Engelber đã chế tạo Robot công nghiệp đầu tiên tại
công ty Unimation.
Năm 1967 Nhật Bản mới nhập chiếc Robot công nghiệp đầu tiên từ công ty
AMF của Mỹ. Đến năm 1990 có hơn 40 công ty của Nhật, trong đó có những công
ty khổng lồ như Hitachi, Mitsubishi và Honda đã đưa ra thị trường nhiều loại Robot
nổi tiếng.
Những robot đầu tiên thực chất là sự nối kết giữa các khâu cơ khí của cơ cấu
điều khiển từ xa với khả năng lập trình của máy công cụ điều khiển số.
Từ những năm 70, việc nghiên cứu nâng cao tính năng của robot đã chú ý
nhiều đến sự lắp đặt thêm các cảm biến ngoại tín hiệu để nhận biết môi trường làm
việc. Tại trường đại học tổng hợp Stanford, người ta đã tạo ra loại Robot lắp ráp tự
động điều khiển bằng vi tính trên cơ sở xử lý thông tin từ các cảm biến lực và thị

Thế hệ 3: Thế hệ có kiều điều khiển dạng tinh khôn, có khả năng nhận biết
thông tin và bước đầu đã có một số chức năng lý trí của con người.
2.1.2.2. Phân loại tay máy theo cấu trúc sơ đồ động:
Thông thường cấu trúc chấp hành của tay máy công nghiệp được mô
hình hóa trong dạng chuỗi động với các khâu và các khớp như trong nguyên lý máy
với các giả thuyết cơ bản sau:


8
- Chỉ sử dụng các khớp động loại 5 ( khớp quay, khớp tịnh tiến, khớp vít).
- Trục quay hướng tịnh tiến của các khớp thì song song hay vuông góc với
nhau.
- Chuỗi động chỉ là chuỗi động hở đơn giản
Robot công nghiệp rất phong phú đa dạng, có thể được phân loại theo các
cách sau:
-

Cấu trúc chuyển động toàn bộ (chân người) cấu trúc này thực hiện

chuyển động đem toàn bộ tay máy (tay người) đến vị trí làm việc. Cấu trúc này hết
sức đa dạng và thông thường nếu không phải là tay máy hoạt động trong hệ thống
mà chuyển động này cần có sự kiểm soát. Người ta thường coi tay máy là đứng yên,
khâu 0 gọi là giá cố định của tay máy.
- Cấu trúc xác định bàn kẹp bao gồm các khớp A,B và F các khâu 1, 2 và 3,
chuyển động của cấu trúc này đem theo bàn kẹp với vị trí làm việc. Do giả thiết về
loại khớp động dùng trong chế tạo máy thông thường ta có những phối hợp sau đây
của các khớp và từ đó tạo nên những cấu trúc xác định vị trí của bàn kẹp trong các
không gian vị trí khác nhau của bản kẹp. Phối hợp TTT nghĩa là 3 khớp đều là khớp
tịnh tiến và một khớp quay. Đây là cấu trúc hoạt động trong hệ toạ độ Đề Các so với
các toạ độ So vì 3 điểm M nằm trên khâu 3 khớp đều là khớp tịnh tiến và một

Current) hoặc các động cơ bước (step motor). Loại truyền động này dễ điều khiển,
kết cấu gọn.
Hệ truyền động thuỷ lực : có thể đạt được công suất cao, đáp ứng những điều
kiện làm việc nặng. Tuy nhiên hệ thống thủy lực thường có kết cấu cồng kềnh, tồn
tại độ phi tuyến lớn khó xử lý khi điều khiển.
Hệ truyền động khí nén : có kết cấu gọn nhẹ hơn do không cần dẫn ngược
nhưng lại phải gắn liền với trung tâm tạo ra khí nén. Hệ này làm việc với công suất
trung bình và nhỏ, kém chính xác, thường chỉ thích hợp với các robot hoạt động


10
theo chương trình định sẳn với các thao tác đơn giản “nhấc lên - đặt xuống” (Pick
and Place or PTP : Point To Point).
2.1.2.5. Phân loại theo ứng dụng :
Dựa vào ứng dụng của robot trong sản xuất có Robot sơn, robot hàn, robot
lắp ráp, robot chuyển phôi .v.v...
2.1.2.6. Phân loại theo cách thức và đặc trưng của phương pháp điều khiển :
Có robot điều khiển hở (mạch điều khiển không có các quan hệ phản hồi),
Robot điều khiển kín (hay điều khiển servo) : sử dụng cảm biến, mạch phản hồi để
tăng độ chính xác và mức độ linh hoạt khi điều khiển.
Ngoài ra còn có thể có các cách phân loại khác tuỳ theo quan điểm và mục
đích nghiên cứu.
2.1.3. Ứng dụng của ROBOT:
Robot được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Có
thể phân loại ứng dụng công nghiệp của robot làm các lĩnh vực chính: Vận chuyển,
bốc dỡ vật liệu, gia công, lắp ráp thăm dò và các ứng dụng khác.
2.1.3.1. Ứng dụng robot trong vận chuyển, bốc dỡ vật liệu.
Trong ứng dụng vận chuyển, robot có nhiệm vụ di chuyển đối tượng từ vị trí
này đến vị trí khác. Nhiệm vụ này của robot thực hiện bởi các thao tác nhặt và đặt
vật thể. Robot nhặt chi tiết ở một vị trí và chuyển dời đến một vị trí khác. Robot có

từng thành phần của bộ phận chấp hành các ngoại tín hiệu, là các tín hiệu từ môi
trường bên ngoài có ảnh hưởng tới hoạt động của Robot.
Với cấu trúc và chức năng như trên, Robot phần nào mang tính “người” còn
phần máy chính là trạng thái vật lý của cấu trúc.
Với IR tính chất “ người” và “máy”cũng được thể hiện đầy đủ như trên, duy
trì hình thức mang dáng dấp của tay “người”.
Tay máy công nghiệp thường có những bộ phận sau:
Hệ thống điều khiển: thường là loại đơn giản làm việc có chu kỳ vận
hành theo nguyên lý của hệ thống điều khiển hở hoặc kín.


12
Hệ thống chấp hành: bao gồm các nguồn động lực, hệ thống truyền
động, hệ thống chịu lực như: các động cơ thuỷ, khí nén, cơ cấu servo điện tử, động
cơ bước. Mỗi chuyển động của IR thường có một động cơ riêng và các thanh chịu
lực.
- Bàn kẹp: là bộ phận công tác cuối cùng của tay máy, nơi cầm nắm các thiết
bị công nghệ háy vật cần di chuyển.
Dưới đây là một số hình ảnh về các robot và nơi ứng dụng của chúng mà
chúng ta thường gặp:

Hình 2 – 1: Robot trên dây chuyền của một trung tâm sản xuất linh hoạt.


13

hình 2 – 2: Rôbốt phục vụ máy phay CNC.

Hình 2 – 3: Robot Mitsubishi RV-2AJ



xuất trong các điều kiện môi trường độc hại và không an toàn”


15
CHƯƠNG III.
ĐỘNG HỌC CỦA TAY MÁY .
3.1. Động học thuận:
Trên mặt phẳng tọa độ (X,Y) l1 đại diện cho link1, l2 đại diện cho link2.
Trong đó link1 quay một góc θ1, link2 quay một góc θ2 so với trục X. Điểm M(X,Y)
là điểm mà cánh tay máy cần quay đến. Khi nhập giá trị hai góc θ1, θ2 ta giải bài
toán động học thuận tìm được giá trị X,Y.
y

Y

l2

θ2

l1
θ1

x

Hình 3 -1: Sơ đồ cánh tay máy hai khâu X
Ta có:
X = l1cosθ1 + l2cosθ2
Y = l1 sinθ1 + l2sinθ2
Giả sử: Cánh tay máy quay một góc θ1 = 450, θ2 = 300, l1=110 mm, l2=95mm

vùng không gian hoạt động của nó. Hoặc đặt vấn đề phải tối ưu hóa hoạt động của
tay máy theo hàm mục tiêu cụ thể nào đó để chọn lời giải tối ưu nhất. Để giải bài
toán ngược trước tiên ta đưa ra các bài toán mục tiêu và giải bài toán đó với các
ràng buộc.
Thiết lập thông số ban đầu
Chiều dài Link 1 (d1-mm)
Chiều dài Link 2 (d2-mm)

110
95

Giải bài toán động học ngược
Gọi M(X,Y) là điểm cuối cùng của tay máy.
Ta có:
Cos θ 2 = ( X 2 + Y 2 − d12 − d 22 ) /(2 × d1 × d 2 )
Sin θ 2 = 1 − cos θ 22
K 1 = d1 + d 2 × cos θ 2
K 2 = d 2 × sin θ 2
Suy ra :
θ1 = a tan 2( X , Y ) − a tan 2( K 1, K 2 )

( Rad )

θ 2 = a tan 2(cos θ 2 , sin θ 2 )
( Rad )
3.3. Lưu đồ thuật toán điều khiển robot.
Ở chế độ Run, nhập giá trị tọa độ (X,Y). Giá trị này được đưa vào bài toán
động học ngược giải ra hai góc θ1r và θ2r. Sau đó ta tính sai số e(t) = θ1r - θ2r= 0.



e22(t) = θ21r – θ21= 0

S

PID
cải tiến

KĐCS

Đ
Nhả vật

Kết thúc
Hình 3 – 2: Lưu đồ thuật toán điều khiển tay máy

DC1
DC2


18

CHƯƠNG IV.
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CHO ĐỘNG CƠ DẪN ĐỘNG CÁC KHỚP
4.1. Giới thiệu về bộ điều khiển PID thông thường.

Một bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (bộ điều khiển PID) là một cơ chế
phản hồi vòng điều khiển (bộ điều khiển) tổng quát được sử dụng rộng rãi trong các
hệ thống điều khiển công nghiệp – bộ điều khiển PID được sử dụng phổ biến nhất
trong số các bộ điều khiển phản hồi. Một bộ điều khiển PID tính toán một giá trị
"sai số" là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt mong muốn. Bộ

4.1.1. Khâu tỷ lệ P (Proportional)
Sơ đồ điều khiển PID được đặt tên theo ba khâu hiệu chỉnh của nó, tổng của
ba khâu này tạo thành bởi các biến điều khiển (MV). Ta có:

trong đó:
Pout, Iout và Dout là các thành phần đầu ra từ ba khâu của bộ điều khiển PID, được xác
định như dưới đây.
* Khâu tỉ lệ
Khâu tỉ lệ (đôi khi còn được gọi là độ lợi) làm thay đổi giá trị đầu ra, tỉ lệ với
giá trị sai số hiện tại. Đáp ứng tỉ lệ có thể được điều chỉnh bằng cách nhân sai số đó
với một hằng số Kp, được gọi là độ lợi tỉ lệ.
Khâu tỉ lệ được cho bởi:


20
trong đó
Pout: thừa số tỉ lệ của đầu ra
Kp: Độ lợi tỉ lệ, thông số điều chỉnh
e: sai số = SP - PV
t: thời gian hay thời gian tức thời (hiện tại)
Độ lợi của khâu tỉ lệ lớn là do thay đổi lớn ở đầu ra mà sai số thay đổi nhỏ.
Nếu độ lợi của khâu tỉ lệ quá cao, hệ thống sẽ không ổn định (xem phần điều chỉnh
vòng). Ngược lại, độ lợi nhỏ là do đáp ứng đầu ra nhỏ trong khi sai số đầu vào lớn,
và làm cho bộ điều khiển kém nhạy, hoặc đáp ứng chậm. Nếu độ lợi của khâu tỉ lệ
quá thấp, tác động điều khiển có thể sẽ quá bé khi đáp ứng với các nhiễu của hệ
thống.

Với khâu tỷ lệ P ta có luật điều khiển P, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của
khâu P được mô tả theo hình 4.1:
* Khâu tích phân

thời gian (tức là đạo hàm bậc một theo thời gian) và nhân tốc độ này với độ lợi tỉ lệ
Kd. Biên độ của phân phối khâu vi phân (đôi khi được gọi là tốc độ) trên tất cả các
hành vi điều khiển được giới hạn bởi độ lợi vi phân, Kd .
Thừa số vi phân được cho bởi:

trong đó
Dout: thừa số vi phân của đầu ra
Kd: Độ lợi vi phân, một thông số điều chỉnh
e: Sai số = SP - PV
t: thời gian hoặc thời gian tức thời (hiện tại)
Khâu vi phân làm chậm tốc độ thay đổi của đầu ra bộ điều khiển và đặc tính
này là đang chú . nhất để đạt tới điểm đặt của bộ điều khiển. Từ đó, điều khiển vi
phân được sử dụng để làm giảm biên độ vọt lố được tạo ra bởi thành phần tích phân
và tăng cường độ ổn định của bộ điều khiển hỗn hợp. Tuy nhiên, phép vi phân của
một tín hiệu sẽ khuếch đại nhiễu và do đó khâu này sẽ nhạy hơn đối với nhiễu trong
sai số, và có thể khiến quá tr.nh trở nên không ổn định nếu nhiễu và độ lợi vi phân
đủ lớn. Do đó một xấp xỉ của bộ vi sai với băng thông giới hạn thường được sử
dụng hơn. Chẳng hạn như mạch bù sớm pha.
* Tóm tắt
Khâu tỉ lệ, tích phân, vi phân được cộng lại với nhau để tính toán đầu ra của
bộ điều khiển PID. Định nghĩa rằng u(t) là đầu ra của bộ điều khiển, biểu thức cuối
cùng của giải thuật PID là:

trong đó các thông số điều chỉnh là:
Độ lợi tỉ lệ, KP


23
giá trị càng lớn thì đáp ứng càng nhanh do đó sai số càng lớn, bù khâu tỉ lệ
càng lớn. Một giá gị độ lợi tỉ lệ quá lớn sẽ dấn đến quá tr.nh mất ổn định và dao

Hinh 4.1: Sơ đồ hệ thống bộ điều khiển mờ cơ bản
4.2.2 Cấu trúc của bộ điều khiển mờ
Bộ điều khiển mờ gồm 4 khối: Mờ hóa, hệ luật mờ, thiết bị hợp thành, giải mờ. Khi
ghép bộ điều khiển mờ vào hệ thống, thường thêm vào hai khối tiền xử lý và hậu xử
lý.

Hinh 4.2: Cấu trúc bộ điều khiển mờ [1]
Bộ điều khiển mờ cơ bản:

Hinh 4.3: Sơ đồ bộ điều khiển mờ cơ bản [1]
 Bộ điều khiển mờ bao gồm :
 Mờ hóa: Biến giá trị rõ đầu vào thành giá trị mờ.
 Hệ luật mờ: Tập các luật “if-then”. Đây là “bộ não” của bộ điều khiển
mờ. Luật mờ “if-then” có 2 dạng: Luật mờ Mamdani và luật mờ
Sugeno.


25
 Thiết bị hợp thành: Biến đổi các giá trị đã được mờ hóa ở đầu vào
thành các giá trị đầu ra theo các luật hợp thành nào đó.
 Giải mờ: Biến giá trị đầu ra của khối của thiết bị hợp thành thành giá
trị rõ.
 Thiết bị ghép nối:
 Tiền xử lý: Xử lý tín hiệu trước khi đi vào bộ điều khiển mờ cơ bản.
• Lượng tử hóa hoặc làm tròn giá trị đo.
• Chuẩn hóa hoặc chuyển tỷ lệ giá trị đo vào tầm giá trị chuẩn.
• Lọc nhiễu.
• Lấy vi phân hay tích phân.
 Hậu xử lý: Xử lý tín hiệu ngõ ra của bộ điều khiển mờ cơ bản.
• Chuyển tỷ lệ giá trị ngõ ra của bộ điều khiển mờ cơ bản thành