ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA


BÙI TUẤN VIỆT LINH

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI
ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ TAY MÁY CÓ TÍNH
ĐẾN MODULE ĐÀN HỒI CỦA CÁNH TAY

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa
Mã số: 60.52.02.16

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Đà Nẵng – Năm 2017


Công trình được hoàn thành tại
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN HOÀNG MAI

Phản biện 1: TS. Lê Tiến Dũng

Phản biện 2: TS. Hà Xuân Vinh

Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt
nghiệp thạc sĩ ngành Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa họp tại
Trường Đại học Bách khoa vào ngày 07 tháng 07 năm 2017.

động dưới ảnh hưởng của tải trọng ít được xem xét. Để hoàn thiện
bức tranh chung về độ chính xác của robot công nghiệp, bên cạnh
những công trình đã có không thể thiếu một nghiên cứu về tính toán
bù sai số điểm cuối dưới ảnh hưởng của tải trọng.
Với các lý do trên, tác giả sẽ lựa chọn việc xây dựng phương
pháp bù sai số do biến dạng đàn hồi của cấu trúc dưới ảnh hưởng của


2
ngoại lực, sau đó thiết kế bộ điều khiển PID -Mờ với mong muốn đạt
được các chỉ tiêu chất lượng của hệ thống để hoàn thiện các phương
pháp nói trên.
2. Mục tiêu nghiên cứu
 Nắm bắt được lí thuyết điều khiển PID và phương pháp
điều chỉnh tham số Kp, Ki, Kd.
 Nắm bắt ứng dụng bộ điều khiển Mờ.
 Tập trung xây dựng mô hình toán xác định mối quan hệ
giữa biến dạng của các khâu tạo thành cánh tay và khâu tác động
cuối, sau khi tính toán định lượng, các sai lệch này được sử dụng làm
thông tin cho mạch bù chuyển vị trong hệ thống điều khiển PID Mờ.
 Ứng dụng bộ điều khiển PID Mờ nhằm hiệu chỉnh lại chính
xác vị trí khâu cuối của Robot
 Sử dụng được phần mềm MATLAB SIMULINK làm công
cụ xây dựng mô hình mô phỏng kết quả và so sánh, kết luận.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Trong luận văn giới hạn đối tượng điều khiển là tay máy hai
bậc tự do: dưới đây mô tả cấu trúc động học của tay máy hai bậc
tự do.

Hình a. Cấu trúc động học của tay máy hai bậc tự do

khối lượng cấu trúc và ma trận hệ số cản, đề tài giới hạn trong phạm
vi chỉ xem xét cấu trúc ở trạng thái dừng hoặc chỉ khởi tạo các số liệu
bù tại các điểm xác định của quỹ đạo sau đó nội suy ghép nối dữ liệu
động học bằng các đa thức bậc thấp.
Đề tài cũng giới hạn chỉ can thiệp vào các thông số động học
trong nỗ lực bù sai lệch của robot, trong khi nếu xác định được ma
trận khối lượng cấu trúc và ma trận hệ số cản sẽ tạo ra số liệu bù dưới
dạng động lực học.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
 Ý nghĩa khoa học:
Nghiên cứu này cũng như các nghiên cứu khác có cùng mục
tiêu nâng cao độ chính xác sẽ cung cấp thêm cho những nhà nghiên
cứu, chế tạo và sử dụng robot như một công cụ hiệu quả để hiểu rõ
hơn và làm chủ thiết bị khi vận hành. Nó cho phép thiết kế các khâu
có tỉ lệ độ mảnh/ độ dài hợp lý nhất với vận tốc tối đa cho phép còn
đảm bảo độ chính xác, là điều kiện không thể thiếu khi nâng cao tốc
độ thao tác nhằm tăng năng suất nhưng không tạo ra sai lệch vị trí
hoặc hướng trên khâu cuối vượt quá giới hạn cho phép.
Với kết quả nghiên cứu được, đề tài này mang lại ý nghĩa khoa
học về vấn đề ứng dụng lý thuyết điều khiển PID Mờ trong việc điều
khiển các đối tượng phi tuyến nói chung và robot nói riêng. Đề tài đã
chỉ ra được sự kết hợp giữa điều khiển mờ và điều khiển PID sẽ
mang lại kết quả tốt hơn so với việc chỉ sử dụng bộ điều khiển PID.
Bên cạnh đó, kết quả nghiên cứu là cơ sở lý thuyết để có thể ứng
dụng trong công nghệ chế tạo và sản xuất robot.


5
 Ý nghĩa thực tiễn:
Do chi phí ban đầu cho robot tương đối cao nên năng suất lao

TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP
VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT
1.1. TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP
1.1.1. Cấu trúc cơ bản của Robot công nghiệp
1.1.1.1. Tổng quan về Robot Công nghiệp
1.1.1.2. Khái niệm về Robot Công nghiệp
1.1.1.3. Lịch sử phát triển
1.1.1.4. Phân loại Robot Công nghiệp
1.1.1.5. Ứng dụng của Robot công nghiệp
1.1.1.6. Các bộ phận cấu thành Robot công nghiệp
1.1.1.7. Bậc tự do của Robot công nghiệp
1.1.2. Động học của Robot công nghiệp
1.1.2.1. Xác định trạng thái của Robot tại điểm tác động cuối
1.1.2.2. Mô hình động học
1.1.2.3. Phương trình động học

 nx
n
Tn   y
 nz

0

sx

ax

ny

ay

ĐTĐK

y(t)

Z(t)
TBĐL
CĐTH

1.2.1.2. Các phương pháp xác định tham số PID
Tên gọi PID là chữ viết tắt của ba thành phần cơ bản có trong
bộ điều khiển gồm khâu khuếch đại (P), khâu tích phân (I), và khâu
vi phân (D). Bộ PID có nhiệm vụ đưa sau lệch e(t) của hệ thống về 0
sao cho quá trình quá độ thỏa món các yêu cầu cơ bản về chất lượng.
Bộ điều khiển PID được mô tả bằng mô hình vào ra:
1

u (t )  k p [e(t ) 

1
de(t )
e(t )d  TD
]

T1 0
dt

(1.16)

Trong đó e(t) là tín hiệu đầu vào, u(t) là tín hiệu đầu ra, kP
được gọi là hệ số khuếc đại, TI là hằng số tích phân, TD là hằng số vi

a. Hệ lai không thích nghi có bộ điều khiển kinh điển

Hình 1.16. Bộ điều khiển mờ lai có khâu tiền xử lý mờ

Hình 1.17. Hệ mờ với bộ lọc mờ cho tín hiệu chủ đạo x


9
b. Hệ mờ lai Cascade

Hình 1.18. Cấu trúc hệ mờ lai Cascade
1.3. MỘT SỐ NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN BÙ SAI SỐ
TRÊN THẾ GIỚI CHO ROBOT ĐÀN HỒI
1.4. KẾT LUẬN CHƢƠNG 1
Chương 1 đã trình bày tổng quát về Robot công nghiệp từ lịch
sử ra đời đến các giai đoạn phát triển, những ưu – nhược điểm trong
các lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng của Robot. Tìm hiểu cấu trúc
chung của Robot và các phương pháp điều khiển chuyển động của
Robot để Robot ngày càng linh hoạt, thông minh đáp ứng nhu cầu sử
dụng của con người trong mọi lĩnh vực: sản xuất, công nghiệp, dịch
vụ... Việc nhìn nhận các tay máy công nghiệp là những cấu trúc mềm
dẻo và tồn tại sai số chế tạo là một hướng tiếp cận đúng đắn và hiện
đại trong việc đạt độ chính xác điều khiển của chúng. Bên cạnh đó
nếu chấp nhận cấu trúc mạch bù vào hệ điều khiển của robot sẽ góp
phần giảm giá thành chế tạo và duy trì độ chính xác lâu dài cho thiết
bị, đây là cách tiếp cận hợp lý cho giải pháp đạt độ chính xác của các
tay máy đang được quan tâm nhiều hiện nay. Mục đích nghiên cứu
trong luận văn thiết kế bộ điều khiển PID Mờ cho tay máy 2 bậc tự
do có tính đến đàn hồi.


chuyển động.
qi - biến khớp (toạ độ suy rộng)

q - đạo hàm bậc nhất của biến khớp theo thời gian.
i

2.1.3. Phƣơng trình động lực học của tay máy
a.Vận tốc và gia tốc
b. Động năng tay máy
c. Thế năng tay máy
d. Mô hình động lực học tay máy
Phương trình trên cho biểu thức tính động lực FMi. Đó là lực
hoặc mô men tạo nên bởi nguồn động lực ở khớp động i để thực hiện
chuyển động khâu i, ta có :


11

FMi  D(q)q  h(q,q)  c(q)

(2.27)

2.1.4. Động lực học của tay máy 2 bậc tự do
2.2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC CHO TAY MÁY HAI
BẬC TỰ DO CÓ TÍNH ĐẾN ĐÀN HỒI

Hình 2.2. Hệ robot đàn hồi
Xác Định Biến Dạng Đàn Hồi Bằng Phƣơng Pháp Chế Độ
Giả Định
Các biến dạng đàn hồi của cánh tay được đưa ra bởi sự kết hợp

đóng vai trò quan trọng khi xây dựng sơ đồ khối để thiết lập hàm
điều khiển cho tay máy 2 bậc tự do.
CHƢƠNG 3
THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ CÁNH TAY ROBOT
HAI BẬC TỰ DO CÓ TÍNH ĐẾN ĐỘ ĐÀN HỒI

3.1 MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CỦA TAY MÁY HAI BẬC
TỰ DO
Hệ phương trình động lực học Lagrange của tay máy hai khâu
có cấu trúc như trên hình 2.1 được viết dưới dạng ma trận sau :

T1   h11 h12   1   H 22  2 H 12   g1 
 
T    h
 
 H 12
 2   21 h22  2  
  g2 

(3.1)

Trong đó T1 và T2 là các mômen điều khiển tác động lên khâu
1 và khâu 2.
Các thành phần của ma trận được tính theo các biểu thức dưới
đây:

h11  J1  m1lg21  m2 (l12  lg22  2l1lg 2C2 )  J 2  J t  mt (l12  l22  2l1l2C2 )
h12  h21  m2 (lg22  l1lg 2C2 )  J 2  J t  mt l22
h22  m2lg22  J 2  J t  mt l22
H  (m2l1lg 2  mt l1l2 )S2

 x21  x22

1
(3.8)

2
2
 x22  D h22 ( Hx22  2h12 Hx12 x22  h12 Hx12  h12 g1  h11 g 2  h12u1  h11u2 

H

3.2 PHƢƠNG ÁN SỬ DỤNG BĐK PID
3.2.1. Sơ đồ cấu trúc HTĐK Robot sử dụng PID
3.2.2. Sơ đồ mô phỏng HTĐK Robot sử dụng bộ PID như sau

Hình 3.6. Sơ đồ mô phỏng HTĐK Robot 2 khâu sử dụng bộ PID
Với tham số PID như sau:
Tham số bộ PID1: Kp1 = 358; KI1 = 350 ; KD1 = 50
Tham số bộ PID2: Kp1 = 358; KI1 = 350 ; KD1 = 65
Được tính chọn theo phương pháp thực nghiệm.


14
3.3. SƠ ĐỒ CẤU TRÚC HTĐK ROBOT SỬ DỤNG BĐK PID
MỜ
3.4. XÂY DỰNG BĐK PID MỜ CHO ROBOT 2 KHÂU
3.4.1. Thiết kế bộ điều khiển mờ cho khâu 1
- Hai tín hiệu vào của khâu 1:
+ Sai số vị trí của khớp động e1 thay đổi trong khoảng
(-0,45; 0,45)

NB

NO

NO

SS

NO
SS
PO
PB

NB
NO
NO
SS

NO
NO
SS
PO

NO
SS
PO
PO

SS
PO


Hình 3.24. Sơ đồ khối mô phỏng HTĐK Robot 2 khâu sử dụng BĐK
PID mờ
3.5. KẾT LUẬN CHƢƠNG 3
Chương này trình bày khái niệm về điều khiển PID và điều
khiển Mờ, từ đó thiết kế bộ điều khiển PID Mờ để tổng hợp được ưu
điểm của cả hai bộ điều khiển Mờ và PID đồng thời hạn chế nhược
điểm của bộ điều khiển PID nhằm nâng cao chất lượng hệ điều khiển
chuyển động.


17
CHƢƠNG IV
MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ

4.1. CÁC THÔNG SỐ CỦA MÔ HÌNH ROBOT HAI BẬC TỰ DO
4.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
4.2.1. So sánh quỹ đạo hệ thống trong hai trường hợp:
Xét đến biến dạng và không xét đến biến dạng tại vị trí (q1,q2)
= (pi/2,0) và (pi/3,pi/6)

θ1

Hình 4.1. Quỹ đạo khớp 1 tại vị trí có góc quay pi/2

θ2

Hình 4.2. Quỹ đạo khớp 2 tại vị trí có góc quay 0




Hình 4.6. Đáp ứng đầu ra Teta1, TeTa2 với bộ PID khi chưa có
nhiễu tác động
Nhận xét: Nhìn vào hình 4.5 và hình 4.6 ta thấy đáp ứng đầu
ra của Teta1 và Teta 2 theo phương pháp sử dụng bộ điều khiển PID
mờ bám sát giá trị đặt mong muốn với thời gian quá độ dưới 2 s và
không có quá chỉnh, còn theo phương pháp sử dụng bộ điều khiển
PID cũng đảm bảo giá trị xác lập mong muốn, nhưng thời gian quá
độ kéo dài hơn 2 s và tồn tại độ quá chỉnh (trên dưới 1.2).
4.2.3. Khi có nhiễu nhỏ tác động

Hình 4.7. Nhiễu nhỏ tác động vào hệ thống
Sp
Sp
Teta1

Teta2

Hình 4.8. Đáp ứng đầu ra Teta1, TeTa2 với bộ điều khiển PID mờ
khi có nhiễu nhỏ tác động


20
- Đáp ứng của bộ điều khiển PID: kết quả mô phỏng trên hình 4.9
Teta2
Sp

Teta1
Sp


Teta1
Sp

Hình 4.12. Đáp ứng đầu ra Teta1, TeTa2 với bộ PID khi có nhiễu lớn
tác động
Nhận xét: Chất lượng đáp ứng đầu ra Teta1, TeTa2 khi sử
dụng bộ điều khiển PID mờ tốt hơn nhiều so với trường hợp sử dụng
bộ điều khiển PID (tương tự khi nhiễu có biên độ nhỏ).
4.2.5. Khi có nhiễu Sin tác động

Hình 4.13. Nhiễu Sin tác động vào hệ thống
Đáp ứng của bộ điều khiển PID mờ: kết quả mô phỏng trên
hình 4.14

Sp
Sp
Teta1

Teta1

Hình 4.14. Đáp ứng đầu ra Teta1, TeTa2 với bộ điều khiển PID mờ
khi có nhiễu sin tác động


22
Đáp ứng của bộ điều khiển PID: kết quả mô phỏng trên hình
4.15

Sp
Teta1

vị trí khác.
Bộ điều khiển PID có số lần dao động ít và thời gian qúa độ
ngắn nhưng có độ quá điều chỉnh quá lớn nên hệ thống sẽ hoạt động
kém hiệu quả trong thực tế khi mà không gian làm việc yêu cầu chính
xác với sai lệch khi điều khiển nhỏ. Đồng thời do thời gian quá độ
còn lớn nên với những hệ thống yêu cầu đáp ứng nhanh thì bộ điều
khiển PID sẽ không đảm bảo yêu cầu của quá trình điều khiển.
Bộ điều khiển PID Mờ có các chỉ tiêu chất lượng của hệ thống
tốt hơn hẳn so với bộ điều khiển PID. Độ quá điều chỉnh nhỏ, thời
gian quá độ ngắn, số lần dao động ít. Vì vậy bộ điều khiển PID Mờ
sẽ có phạm vi ứng dụng rộng hơn, ứng dụng trong những hệ thống có
yêu cầu chất lượng cao, ổn định. Tuy nhiên do việc thiết kế bộ điều
khiển PID Mờ dựa vào kinh nghiệm và thực nghiệm là chính chứ
không có một công thức toán học tổng quát.
Định hướng nghiên cứu phát triển của đề tài là tiếp tục nghiên
cứu thực nghiệm để cái tiến bộ điều khiển PID Mờ nhằm đạt được
các chỉ tiêu chất lượng tốt hơn, hoàn thiện bộ điều khiển trong việc
điều khiển vị trí của cánh tay máy. Phát triển nhằm nâng cao phạm vi
ứng dụng, khả năng kháng nhiễu, nâng cao các chỉ tiêu chất lượng và
ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống thực tế.