Tài liệu điều khiển và quan sát trượt dùng mạng nơ ron

Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ---------------------- HÀ LÊ HUY ĐIỀU KHIỂN VÀ QUAN SÁT TRƯỢT DÙNG MẠNG NƠ RON Chuyên ngành: Tự động hóa LUẬN VĂN THẠC SĨ TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 7 năm 2009 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán bộ hướng dẫn khoa học:................................................................... (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 1:......................................................................... (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2:......................................................................... (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày . . . . . tháng . . . . . năm . . . . . ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ---------------- CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc ---oOo--Tp. HCM, ngày . . . . tháng . . . . năm . . . . NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên học viên: HÀ LÊ HUY . Giới tính : Nam Ngày, tháng, năm sinh : 01/02/1980. Nơi sinh : Ninh Thuận Chuyên ngành : Tự động hóa Khoá (Năm trúng tuyển) : 2006 1- TÊN ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN VÀ QUAN SÁT TRƯỢT DÙNG MẠNG NƠ RON 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: Tìm hiểu bộ điều khiển trượt áp dụng cho robot. Tìm hiểu bộ quan sát trượt áp dụng cho robot. Kết hợp điều khiển và quan sát trượt cho robot. Ứng dụng điều khiển và quan sát trượt vào đối tượng cánh tay mềm dẻo. Nhận dạng luật điều khiển trượt dùng mạng truyền thẳng. 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS. TS. Dương Hoài Nghĩa Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên và chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên và chữ ký) Lời cám ơn LỜI CÁM ƠN Tôi xin chân thành gửi lời cám ơn đến PGS. TS Dương Hoài Nghĩa đã tận tình hướng dẫn tôi trong suốt thời gian làm luận văn cao học. Tôi cũng gửi lời cám ơn đến tất cả thầy cô bộ môn tự động hóa trường đại học Bách Khoa đã giảng dạy tôi trong thời gian học cao học. Cám ơn tất cả các học viên cao học đã đóng góp ý kiến hữu ích để tôi có thể hoàn thành luận văn, đặc biệt là bạn Võ Hữu Hậu. Tôi xin cám ơn gia đình và bạn bè đã động viên tôi đặc biệt là người bạn gái đã giúp đỡ tôi về mặt tinh thần. Tổng quan TỔNG QUAN Robot là công cụ hữu ích để hỗ trợ con người. Điều khiển robot là một đề tài mà cũng được nhiều người quan tâm đến đặc biệt là điều khiển chính xác. Ngoài ra robot là một hệ phi tuyến với nhiều ngõ vào và nhiều ngõ ra nên phương pháp điều khiển phù hợp cho robot là điều khiển phi tuyến. Trong luận văn này phương pháp điều khiển trượt bám sẽ được áp dụng đề điều khiển đối tượng robot. Với phương pháp điều khiển trượt nó sẽ đảm bảo tính bền vững với thông số đối tượng thay đổi cũng như có nhiễu tác động. Ngoài ra để quan sát thêm trạng thái vận tốc góc khi điều khiển, bộ quan sát trượt cũng được thiết kế để kết hợp điều khiển và quan sát trượt cho robot. Đầu tiên mô hình toán của đối tượng sẽ được thiết lập và đưa về dạng để áp dụng luật điều khiển trượt. Kế đến bộ điều khiển khiển trượt kết hợp với bộ quan sát trượt được thiết kế để điều khiển robot bám theo quỹ đạo mong muốn. Hai đối tượng được chọn để điều khiển trong luận văn này là cánh tay máy 2 bậc tự do và cánh tay mềm dẻo tại phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia. Sử dụng phần mềm mô phỏng Matlab/Simulink để mô phỏng việc điều khiển hệ thống. Qua đó, tính ổn định của bộ điều khiển và bộ quan sát trượt sẽ được kiểm định. Sự ảnh hưởng của các thông số của bộ điều khiển và quan sát trượt lên hệ thống cũng được khảo sát thông qua việc mô phỏng. Cuối cùng đối tượng cánh tay mềm dẻo được áp dụng chạy thực để đánh giá chất lượng của bộ điều khiển cũng như so sánh với kết quả mô phỏng trong phần lý thuyết. Abstract ABSTRACT Robots are useful devices for supporting the human. Robots control is also a main topic we care about expecially controlling robot exactly. Because robots is a nonlinear system that have many inputs and many outputs a nonlinear control method is a suitable method for controlling robots. In this thesis, the sliding control method is applied for controlling robot. Sliding mode control ensures that the system is robust with model uncertainty and disturbances. A sliding mode observer is also designed to observe output derivative states. These states are used to design sliding controller for robot. First, the mathematical model of robot is established and write in the form of derivative equations. These equations are used for designing sliding controller. Next, sliding controller and sliding observer are designed to control a robot following a desired trajectory. Two kind of robots are used in this thesis. They are the two-link manipulator and the two degree of freedom flexible manipulator. The software Matlab/Simulink is used to simulate the sliding observer and controller. The results of the simulation are used to check the robustness of the sliding observer and controller. The influence of parameters of model and controller is also studied by simulating in this section. Finally, the two degree of freedom flexible manipulator is run in realtime with the sliding observer and controller designed. These results are used to compare with the results getting in simulation and give an estimation of the controller. Mục lục MỤC LỤC CHỦ ĐỀ TRANG TIÊU ĐỀ LỜI CÁM ƠN TỔNG QUAN NỘI DUNG DANH SÁCH BẢNG VÀ HÌNH DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 1.1 1.2 1.3 1.4 Giới thiệu .................................................................................1 Sơ lược các chương trong luận văn .........................................2 Phần cứng cánh tay máy 2 bậc tự do ......................................3 Phần cứng cánh tay mềm dẻo ..................................................4 1.4.1 1.4.2 1.4.3 1.4.4 1.5 Hoạt động và cấu tạo cánh tay mềm dẻo .......................4 Thông số cánh tay mềm dẻo ..........................................5 Kết nối dây cho hệ cánh tay mềm dẻo ...........................5 Các bước chạy thực cánh tay mềm dẻo .........................7 Phần mềm điều khiển WinCon ...............................................7 1.5.1 Giới thiệu ......................................................................7 1.5.2 Hoạt động cơ bản của WinCon .....................................8 1.5.3 Các khối giao tiếp với card thu thập dữ liệu và điều khiển Q4 ................................................................9 CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH TOÁN 2.1 2.2 Giới thiệu ..............................................................................10 Mô hình toán cánh tay máy 2 bậc tự do................................10 2.2.1 Động học thuận cánh tay máy 2 bậc tự do.................10 2.2.2 Động học ngược cánh tay máy 2 bậc tự do................11 2.2.3 Động lực học cánh tay máy 2 bậc tự do.....................11 2.3 Mô hình toán cánh tay mềm dẻo............................................13 Mục lục 2.3.1 2.3.2 2.3.3 Động học thuận cánh tay mềm dẻo............................13 Động học ngược cánh tay mềm dẻo...........................15 Động lực học cánh tay mềm dẻo................................15 CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ QUAN SÁT TRƯỢT 3.1 3.2 Giới thiệu ................................................................................22 Điều khiển trượt hệ SISO........................................................22 3.2.1 Thiết kế luật điều khiển trượt hệ SISO .......................22 3.2.2 Ví dụ............................................................................26 3.3 Thiết kế bộ điều khiển trượt bám cho hệ MIMO, cánh tay máy 2 bậc tự do và cánh tay mềm dẻo .....................28 3.3.1 Thiết kế bộ điều khiển trượt bám cho cánh tay máy 2 bậc tự do......................................28 3.3.2 Phân tích tính ổn định của bộ điều khiển trượt bám cho cánh tay máy 2 bậc tự do.....................31 3.3.3 Thiết kế bộ điều khiển trượt bám cho cánh tay mềm dẻo................................32 3.4 Thiết kế bộ điều khiển và quan sát trượt cho cánh tay máy 2 bậc tự do..................................................34 3.4.1 Thiết kế bộ quan sát trượt cho cánh tay máy 2 bậc tự do......................................34 3.4.2 Thiết kế bộ điều khiển trượt bám bằng hồi tiếp trạng thái quan sát cho cánh tay máy 2 bậc tự do......................................35 3.4.3 Phân tích tính ổn định của bộ quan sát và bộ điều khiển trượt trong phần 3.4.1 và 3.4.2.............................................36 3.5 3.6 Thiết kế bộ điều khiển và quan sát trượt cho cánh tay mềm dẻo.............................................................38 Nhận dạng luật điều khiển trượt dùng mạng nơ ron truyền thẳng ..............................................39 3.6.1 Các thành phần cơ bản của mạng thần kinh nhân tạo (mạng nơ ron)...............................39 Mục lục 3.6.2 Mạng truyền thẳng nhiều lớp và giải thuật lan truyền ngược .........................................41 3.6.3 Nhận dạng luật điều khiển trượt dùng mạng truyền thẳng..............................................44 CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 4.1 Giới thiệu ................................................................................45 4.2 Bộ điều khiển trượt cho cánh tay máy 2 bậc tự do .................46 4.2.1 Khảo sát ảnh hưởng của hàm signum và hàm sat .......46 4.2.2 Khảo sát ảnh hưởng của thông số ma trận D ......................................................52 4.2.3 Khảo sát ảnh hưởng của sự thay đổi thông số mô hình ......................................54 4.2.4 Khảo sát ảnh hưởng của nhiễu ngõ ra lên hệ thống............................................58 4.2.5 Cho cánh tay máy 2 bậc tự do vẽ hình bì thư tại đầu tip .............................................60 4.3 Điều khiển và quan sát trượt cho cánh tay máy 2 bậc tự do..................................................64 4.3.1 Khảo sát bộ quan sát trượt với ảnh hưởng của Γ1 ,Γ2 ............................................64 4.3.2 Kết hợp điều khiển và quan sát trượt cho cánh tay máy 2 bậc tự do......................................68 4.4 Nhận dạng luật điều khiển trượt dùng mạng truyền thẳng..........................................................71 4.4.1 Thông số của bộ điều khiển và mạng dùng để nhận dạng ............................................71 4.4.2 Đánh giá chất lượng bộ điều khiển trượt dùng mạng nơ ron .......................................................74 4.5 Bộ điều khiển trượt cho cánh tay mềm dẻo ............................78 4.5.1 Giới thiệu ....................................................................78 4.5.2 Bộ điều khiển trượt cho cánh tay mềm dẻo không rung ....................................79 Mục lục 4.5.3 Bộ điều khiển trượt cho cánh tay mềm dẻo ................84 4.6 Điều khiển và quan sát trượt cho cánh tay mềm dẻo.............................................................87 4.6.1 Điều khiển và quan sát trượt cho cánh tay mềm dẻo không rung ....................................87 4.6.2 Điều khiển và quan sát trượt cho cánh tay mềm dẻo.................................................91 CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 5.1 5.2 5.3 Giới thiệu ................................................................................94 Áp dụng bộ điều khiển trượt cho cánh tay mềm dẻo ..............94 Áp dụng bộ điều khiển và quan sát trượt cho cánh tay mềm dẻo................................................................................101 CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 6.1 6.2 Kết luận .................................................................................107 Hướng phát triển đề tài .........................................................107 TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................109 PHỤ LỤC A: Danh sách chương trình Matlab...............................111 PHỤ LỤC B: Danh sách sơ đồ Simulink........................................130 Danh sách bảng và hình DANH SÁCH BẢNG VÀ HÌNH DANH SÁCH BẢNG Bảng 1.1: Bảng 3.1: Bảng 3.2: Bảng 3.3: Bảng 3.4: Bảng 3.5: Bảng 3.6: Bảng 4.1: Bảng 4.2: Bảng 4.3: Bảng 4.4: Bảng 4.5: Bảng 4.6: Bảng 4.7: Trang Thông số cánh tay mềm dẻo........................................................... 5 Thông số cánh tay máy 2 bậc tự do................................................ 29 Giá trị ước lượng mũ cánh tay máy 2 bậc tự do............................. 29 Chặn trên sai số cánh tay máy 2 bậc tự do ..................................... 29 Thông số cánh tay mềm dẻo........................................................... 33 Giá trị ước lượng mũ cánh tay mềm dẻo........................................ 33 Chặn trên sai số cánh tay mềm dẻo ................................................ 34 Thông số cánh tay máy 2 bậc tự do................................................ 46 Giá trị ước lượng mũ cánh tay máy 2 bậc tự do............................. 47 Chặn trên sai số cánh tay máy 2 bậc tự do ..................................... 47 Thông số cánh tay máy 2 bậc tự do khi tăng khối lượng 2 khâu ... 54 Thông số cánh tay mềm dẻo........................................................... 79 Giá trị ước lượng mũ cánh tay mềm dẻo........................................ 80 Chặn trên sai số cánh tay mềm dẻo ................................................ 80 DANH SÁCH HÌNH Hình 1.1 Hình 1.2 Hình 1.3 Hình 1.4 Hình 1.5 Hình 2.1: Hình 2.2: Hình 2.3: Cánh tay máy 2 bậc tự do............................................................... 3 Cánh tay mềm dẻo.......................................................................... 4 Khối công suất và cánh tay mềm dẻo............................................. 6 Terminal board ............................................................................... 6 Terminal board ............................................................................... 8 Cánh tay máy 2 bậc tự do trong mặt phẳng 0xy ............................ 10 Vị trí ban đầu của cánh tay mềm dẻo ............................................. 14 Vị trí cánh tay mềm dẻo với góc quay m1 và m2 . ......................... 14 Hình 2.4: Hình 3.1: Hình 3.2: Hình 3.3: Hình 3.4: Hình 3.5: Hình 3.6: Hình 3.7: Hình 4.1: Vị trí cánh tay mềm dẻo với góc quay m1 + d x và m2 + d y . ...... 16 Điều kiện trượt ............................................................................... 24 Đáp ứng hệ thống bậc 2.................................................................. 25 Hiện tượng chattering..................................................................... 26 Cấu trúc mạng truyền thẳng ........................................................... 39 Sơ đồ khối học giám sát mạng truyền thẳng .................................. 40 Đơn vị xử lý thứ i trong mạng........................................................ 40 Mô hình kết nối mạng truyền thẳng 3 lớp...................................... 41 Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển trượt cho cánh tay máy 2 bậc tự do................................................................ 46 Ngõ ra thực θ1 ,θ 2 so với tín hiệu đặt θ1d ,θ 2 d khi dùng hàm SIG ... 48 Sai số ngõ ra thực θ1 ,θ 2 so với tín hiệu đặt θ1d ,θ 2 d khi dùng hàm SIG .......................................................................... 48 Hình 4.2: Hình 4.3: Danh sách bảng và hình Hình 4.4: Hình 4.5: Hình 4.6: Hình 4.7: Hình 4.8: Hình 4.9: Hình 4.10: Hình 4.11: Hình 4.12: Hình 4.13: Hình 4.14: Hình 4.15: Hình 4.16: Hình 4.17: Hình 4.18: Hình 4.19: Hình 4.20: Hình 4.21: Hình 4.22: Hình 4.23: Hình 4.24: Hình 4.25: Hình 4.26: Hình 4.27: Hình 4.28: Tín hiệu điều khiển τ 1 ,τ 2 khi dùng hàm SIG ................................ 49 Quỹ đạo pha khi dùng hàm SIG ..................................................... 49 Ngõ ra thực θ1 ,θ 2 so với tín hiệu đặt θ1d ,θ 2 d khi dùng hàm SAT .. 50 Sai số ngõ ra thực θ1 ,θ 2 so với tín hiệu đặt θ1d ,θ 2 d khi dùng hàm SAT ......................................................................... 50 Tín hiệu điều khiển τ 1 ,τ 2 khi dùng hàm SAT ............................... 51 Quỹ đạo pha khi dùng hàm SAT.................................................... 51 30 0  10 0  và D =  Ngõ ra góc θ1 ,θ 2 với D =    .................. 53 0 30 0 10     30 0  10 0  và D =  Tín hiệu điều khiển τ 1 ,τ 2 với D =    ..... 53  0 30  0 10 Ngõ ra thực θ1 ,θ 2 so với tín hiệu đặt θ1d ,θ 2 d khi tăng khối lượng 2 khâu............................................................. 55 Sai số θ1 ,θ 2 so với tín hiệu đặt θ1d ,θ 2 d khi tăng khối lượng 2 khâu............................................................. 55 Tín hiệu điều khiển τ 1 ,τ 2 khi tăng khối lượng 2 khâu................... 56 Ngõ ra thực θ1 ,θ 2 so với tín hiệu đặt θ1d ,θ 2 d , φ = 0.5 .................... 57 So sánh sai số ngõ ra θ1 ,θ 2 so với tín hiệu đặt θ1d ,θ 2 d với φ = 1;0.5 ................................................................................... 57 Tín hiệu điều khiển τ 1 ,τ 2 , φ = 0.5 .................................................. 58 Ngõ ra thực θ1 ,θ 2 so với tín hiệu đặt θ1d ,θ 2 d khi có nhiễu ............. 59 Sai số ngõ ra θ1 ,θ 2 so với tín hiệu đặt θ1d ,θ 2 d khi có nhiễu ........... 59 Tín hiệu điều khiển τ 1 ,τ 2 khi có nhiễu .......................................... 60 Ngõ ra thực so với tín hiệu mong muốn tại đầu tip........................ 61 Sai số theo 2 phương X và Y ......................................................... 61 Tín hiệu điều khiển τ 1 ,τ 2 ............................................................... 62 80 0  Ngõ ra thực so với tín hiệu mong muốn, D =   ............... 63 0 80   80 0  Sai số theo 2 phương X và Y, D =   ................................ 63  0 80 80 0  Tín hiệu điều khiển τ 1 ,τ 2 , D =   ....................................... 64  0 80 Bộ quan sát trượt cho cánh tay máy 2 bậc tự do ............................ 65 2 0 So sánh tín hiệu quan sát θˆ1 ,θˆ2 với θ1 ,θ 2 khi Γ1 = Γ2 =   ... 66 0 2   Danh sách bảng và hình Hình 4.30: So sánh tín hiệu quan sát θˆ&1 ,θˆ&2 với θ&1 ,θ&2 2 0 khi Γ1 = Γ2 =   ...................................................................... 66 0 2 So sánh tín hiệu quan sát θˆ ,θˆ với θ ,θ Hình 4.31: 20 0  khi Γ1 = Γ2 =   .................................................................. 67  0 20 So sánh tín hiệu quan sát θˆ& ,θˆ& với θ& ,θ& Hình 4.32: Hình 4.33: Hình 4.34: Hình 4.35: Hình 4.36: Hình 4.37: Hình 4.38: Hình 4.39: Hình 4.40: 20 0  khi Γ1 = Γ2 =   .................................................................. 67  0 20 Ngõ ra thực so với tín hiệu mong muốn khi không tải .................. 69 Sai số theo 2 phương X và Y khi không tải ................................... 69 Ngõ ra thực so với tín hiệu mong muốn khi khâu 1 tăng 25% ...... 70 Sai số theo 2 phương X và Y khi khâu 1 tăng 25% ....................... 70 Tín hiệu đặt tại đầu tip để nhận dạng ............................................. 72 Tập dữ liệu vào để nhận dạng ........................................................ 72 Tập dữ liệu vào để nhận dạng tiếp theo ......................................... 73 Tập dữ liệu ra để nhận dạng .......................................................... 73 Điều khiển trượt dùng mạng nơ ron .............................................. 74 Hình 4.41: Hình 4.42: Hình 4.43: Hình 4.44: Hình 4.45: Hình 4.46: Hình 4.47: Hình 4.48: Hình 4.49: Hình 4.50: Hình 4.51: Hình 4.52: Hình 4.53: Hình 4.54: Hình 4.55: Hình 4.56: Hình 4.57: Hình 4.58: Hình 4.59: Hình 4.60: Hình 4.61: Tín hiệu ngõ ra thực so với tín hiệu đặt khi không tải ................... 75 Sai số ngõ ra theo 2 phương X và Y khi không tải ........................ 75 Ngõ ra thực so với tín hiệu đặt khi tăng khối lượng 2 khâu .......... 76 Sai số theo 2 phương X và Y khi tăng khối lượng 2 khâu ............ 77 Ngõ ra thực so với tín hiệu đặt khi tăng khối lượng 2 khâu .......... 77 Sai số theo 2 phương X và Y khi tăng khối lượng 2 khâu ............ 78 Bộ điều khiển trượt cho cánh tay mềm dẻo.................................... 79 Ngõ ra thực so với tín hiệu đặt tại đầu tip khi không tải................ 81 Sai số theo 2 phương X và Y tại đầu tip khi không tải .................. 82 Tín hiệu điều khiển V1 và V2 khi không tải.................................. 82 Ngõ ra thực so với tín hiệu đặt tại đầu tip với tải 0.2Kg................ 83 Sai số theo 2 phương X và Y tại đầu tip với tải 0.2Kg .................. 83 Tín hiệu điều khiển V1 và V2 với tải 0.2Kg.................................. 84 Ngõ ra thực so với tín hiệu đặt tại đầu tip ..................................... 85 Sai số theo 2 phương X và Y tại đầu tip ....................................... 86 Tín hiệu điều khiển V1 và V2 ....................................................... 86 Ngõ ra thực so với tín hiệu đặt tại đầu típ khi không tải................ 88 Sai số theo 2 phương X và Y khi không tải ................................... 88 Tín hiệu điều khiển V1 và V2 khi không tải.................................. 89 Ngõ ra thực so với tín hiệu đặt tại đầu típ với tải 0.2Kg................ 89 Sai số theo 2 phương X và Y với tải tại đầu tip 0.2Kg .................. 90 Hình 4.29: 1 1 2 2 1 1 2 2 Danh sách bảng và hình Hình 4.62: Hình 4.63: Hình 4.64: Hình 4.65: Hình 5.1: Hình 5.2: Hình 5.3: Hình 5.4: Hình 5.5: Hình 5.6: Hình 5.7: Hình 5.8: Hình 5.9: Hình 5.10: Hình 5.11: Hình 5.12: Hình 5.13: Hình 5.14: Hình 5.15: Hình 5.16: Hình 5.17: Hình 5.18: Tín hiệu điều khiển V1 và V2 với tải tại đầu típ 0.2Kg................. 90 Ngõ ra thực so với tín hiệu đặt ....................................................... 92 Sai số theo 2 phương X và Y ......................................................... 92 Tín hiệu điều khiển V1 và V2 ........................................................ 93 Ngõ ra thực so với tín hiệu đặt tại đầu tip khi không tải................ 95 Sai số bám theo 2 phương X và Y khi không tải ........................... 95 Tín hiệu điều khiển V1 và V2 khi không tải.................................. 96 Ngõ ra thực so với tín hiệu đặt tại đầu tip với tải 0.036Kg............ 96 Sai số bám theo 2 phương X và Y với tải 0.036Kg ....................... 97 Tín hiệu điều khiển V1 và V2 với tải 0.036Kg.............................. 97 Ngõ ra thực so với tín hiệu đặt tại đầu tip khi không tải................ 98 Sai số bám theo 2 phương X và Y khi không tải ........................... 99 Tín hiệu điều khiển V1 và V2 khi không tải.................................. 99 Ngõ ra thực so với tín hiệu đặt tại đầu tip với tải 0.036Kg............ 100 Sai số bám theo 2 phương X và Y với tải 0.036Kg ....................... 100 Tín hiệu điều khiển V1 và V2 với tải 0.036Kg.............................. 101 Ngõ ra thực so với tín hiệu đặt tại đầu tip ...................................... 102 Sai số bám theo 2 phương X và Y.................................................. 103 Tín hiệu điều khiển V1 và V2 ........................................................ 103 Ngõ ra thực so với tín hiệu đặt tại đầu tip ...................................... 104 Sai số bám theo 2 phương X và Y.................................................. 105 Tín hiệu điều khiển V1 và V2 ........................................................ 105 Danh sách từ viết tắt và kí hiệu DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU PD SISO MIMO Q4 ADC DAC UPM X UPM Y SIG SAT P Px Py M (q ) C (q, q& ) G (q) Mˆ , Cˆ , Gˆ ~ ~ ~ M , C, G u τ1 τ2 V1 V2 q q& bộ điều khiển vi phân tỉ lệ hệ một ngõ vào và một ngõ ra hệ nhiều ngõ vào và nhiều ngõ ra card thu thập dữ liệu của hãng Quanser bộ biến đổi từ tín hiệu tượng tự sang tín hiệu số bộ biến đổi từ tín hiệu số sang tín hiệu tương tự khối công suất lái mô tơ X khối công suất lái mô tơ Y hàm signum hàm saturation đầu tip của robot (cánh tay máy 2 bậc tự do hay cánh tay mềm dẻo) tọa độ đầu tip trên trục X Tọa độ đầu tip trên trục Y ma trận quán tính của robot (2x2) ma trận hướng tâm của robot (2x2) ma trận trọng lực của robot (2x1) các ma trận ước lượng của M (q ) , C (q, q& ) , G (q) các ma trận chặn trên sai số của ma trận ước lượng và ma trận M (q) , C (q, q& ) , G (q) τ  tín hiệu điều khiển (2x1). Đối với cánh tay máy 2 bậc tự do u =  1  , τ 2  V  đối với cánh tay mềm dẻo u =  1  V2  moment lực tác động vào khớp 1 của cánh tay máy 2 bậc tự do moment lực tác động vào khớp 2 của cánh tay máy 2 bậc tự do điện áp điều khiển mô tơ X của cánh tay mềm dẻo điện áp điều khiển mô tơ Y của cánh tay mềm dẻo θ  véc tơ góc quay robot. Đối với cánh tay máy 2 bậc tự do q =  1  θ 2  m  Đối với cánh tay mềm dẻo q =  1   m2  θ&  véc tơ vận tốc góc robot. Đối với cánh tay máy 2 bậc tự do q& =  1  & θ 2   m&  Đối với cánh tay mềm dẻo q& =  1  m& 2  Danh sách từ viết tắt và kí hiệu q&& θ&&  véc tơ gia tốc góc robot. Đối với cánh tay máy 2 bậc tự do q&& =  1  && θ 2  &&  m Đối với cánh tay mềm dẻo q&& =  1  && 2  m qd véc tơ góc quay mong muốn của robot. Đối với cánh tay máy 2 bậc tự θ  m  do q d =  1d  . Đối với cánh tay mềm dẻo q d =  1d  θ 2 d   m2 d  q& d véc tơ vận tốc góc mong muốn của robot. Đối với cánh tay máy 2 bậc θ&1d   m&  d & tự do q =   . Đối với cánh tay mềm dẻo q& d =  1d  & m& 2 d  θ 2 d  q& r véc tơ vận tốc tham chiếu luật điều khiển tương đương góc quay khớp 1 của cánh tay máy 2 bậc tự do góc quay khớp 2 của cánh tay máy 2 bậc tự do góc quay khâu 1 của cánh tay mềm dẻo góc quay khâu 3 của cánh tay mềm dẻo độ rung khâu 1 của cánh tay mềm dẻo độ rung khâu 3 của cánh tay mềm dẻo véc tơ biến trạng thái vị trí của hệ thống véc tơ biến trạng thái vận tốc của hệ thống véc tơ biến trạng thái vị trí ước lượng của hệ thống véc tơ biến trạng thái vận tốc ước lượng của hệ thống véc tơ sai số ước lượng vị trí của hệ thống véc tơ sai số ước lượng vận tốc của hệ thống véc tơ trạng thái vị trí mong muốn của hệ thống véc tơ trạng thái vận tốc mong muốn của hệ thống véc tơ trạng thái vận tốc tham chiếu của hệ thống ma trận đường chéo (2x2) với các phần tử thực và dương ma trận đường chéo (2x2) với các phần tử thực và dương ma trận (2x2) u eq θ1 θ2 m1 m2 dx dy x1 x2 x̂1 x̂2 ~ x1 ~ x2 x1d x2 d x2 r Γ1 ,Γ2 Λ1 Λ2 1 Chương 1: Giới thiệu CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 1.1 Giới thiệu Robot là một trong các lĩnh vực đang được nghiên cứu, phát triển và đi vào sản xuất. Robot giúp ích cho con người rất nhiều như các robot công nghiệp đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra sản phẩm hoặc robot chuyên lấy dữ liệu và phân tích làm việc trong các môi trường nguy hiểm thay thế con người… Đặc biệt trong một vài lĩnh vực yêu cầu robot phải làm việc rất chính xác ví dụ như robot gấp, hàn làm việc trong dây chuyền sản xuất chip, yêu cần tốc độ và độ chính xác cao. Do đó việc điều khiển robot là vấn đề mà mọi người đang quan tâm. Có rất nhiều lý thuyết điều khiển được đưa ra để áp dụng cho robot chẳng hạn như bộ điều khiển vi phân tỉ lệ (PD), phương pháp điều khiển hồi tiếp tuyến tính hóa, điều khiển bền vững hoặc điều khiển thích nghi… Tuy nhiên bộ điều khiển PD không cho hiệu quả tốt khi thực hiện điều khiển bám theo quỹ đạo mong muốn vì nó điều khiển độc lập các khớp mà không xét đến tính chuyển động và cấu trúc của toàn bộ robot. Ngoài ra sự thay đổi các thông số của hệ thống còn ảnh hưởng lớn đến chất lượng điều khiển nếu sử dụng phương pháp điều khiển hồi tiếp truyền thống. Khi đó tốc độ điều khiển giảm và độ chính xác bị giới hạn. Do đó muốn điều khiển robot hiệu quả hơn ta cần xem robot như là một hệ phi tuyến MIMO. Các thông số của robot cũng như nhiễu có thể thay đổi trong quá trình điều khiển theo quỹ đạo cho trước nên phải làm sao để các thông số và nhiễu không ảnh hưởng đến chất lượng điều khiển. Chính vì điều này tác giả đã chọn ra một phương pháp điều khiển thích hợp cho đối tượng robot đó là phương pháp điều khiển trượt. Điều khiển trượt là phương pháp điều khiển phù hợp cho các mô hình phi tuyến có thông số mô hình thay đổi và dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu. Khi đó, hệ thống được thiết kế với điều khiển trượt sẽ bền vững với sự thay đổi thông số mô hình và nhiễu trong khoảng giới hạn cho phép. Ngoài ra còn có nhiều đối tượng khác cũng có thể áp dụng phương pháp này ví dụ như điều khiển trượt cho hệ thống thắng xe, hệ thống khí nén, cho máy bay, cho hệ thống biến đổi công suất nguồn… Trên cơ sở lý thuyết thiết kế bộ điều khiển trượt bám cho hệ thống robot [9], tác giả đã xây dựng bộ điều khiển trượt bám áp dụng cho đối tượng cánh tay máy 2 bậc tự do và cánh tay mềm dẻo trong phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia. 2 Chương 1: Giới thiệu Khi thiết kế bộ điều khiển, các biến trạng thái yêu cầu phải được đo lường sau đó hồi tiếp về để tính toán luật điều khiển. Nhưng trong thực tế không phải lúc nào cũng đo lường được hết tất cả các biến trạng thái nên trong phần luận văn này, tác giả đã thiết kế thêm bộ quan sát trượt từ lý thuyết thiết kế bộ quan sát trượt [9]. Bộ quan sát trượt này nhằm quan sát biến trạng thái không đo lường được là vận tốc góc. Sau đó tác giả kết hợp điều khiển và quan sát trượt áp dụng cho robot. Phương pháp Lyapunov cũng được sử dụng để chứng minh tính ổn định của bộ điều khiển và bộ quan sát trượt. Tác giả thực hiện bộ điều khiển và quan sát trượt bám cho 2 đối tượng trên trong phần mô phỏng bằng phần mềm Matlab để kiểm chứng lại chất lượng và tính bền vững của bộ điều khiển và quan sát trượt. Sau khi điều chỉnh các thông số của bộ điều khiển và quan sát trượt sao cho nó đạt kết quả tốt, tác giả sẽ nhận dạng luật điều khiển trượt dùng mạng nơ ron truyền thẳng. Bộ điều khiển trượt dùng mạng nơ ron sẽ được so sánh với bộ điều khiển trượt không dùng mạng nơ ron với tín hiệu đặt khác để kiểm tra chất lượng. Ngoài ra, tác giả còn cho chạy thực bộ điều khiển và quan sát trượt áp dụng cho cánh tay mềm dẻo để kiểm định lại lý thuyết và so sánh đánh giá kết quả. 1.2 Sơ lược các chương trong luận văn Luận văn gồm có 6 chương Chương 1 Giới thiệu tổng quát về đối tượng robot, các phương pháp điều khiển. Sau đó tác giả lựa chọn phương pháp điều khiển thích hợp cho đối tượng robot. Ở đây tác giả áp dụng phương pháp điều khiển trượt cho đối tượng cánh tay máy 2 bậc tự do và cánh tay mềm dẻo trong phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia. Sau đó là mục sơ lược các chương trong luận văn. Mục tiếp theo là giới thiệu phần cứng và cách kết nối.Kế tiếp là giới thiệu phần mềm điều khiển WinCon. Chương 2 Trình bày mô hình toán của cánh tay máy 2 bậc tự do và cánh tay mềm dẻo. Các phương trình động học thuận, động học ngược và động lực học cho 2 đối tượng. Chương 3 Dựa vào lý thuyết thiết kế bộ điều khiển trượt bám cho hệ thống robot [9], tác giả thiết kế bộ điều khiển trượt bám cho đối tượng cánh tay máy 2 bậc tự do và cánh tay mềm dẻo. Kế tiếp tảc giả thiết kế bộ quan sát trượt để quan sát trạng thái vận tốc góc, sau đó kết hợp điều khiển và quan sát trượt cho 2 đối tượng. Sau cùng là phần nhận dạng luật điều khiển trượt dùng mạng nơ ron truyền thẳng. 3 Chương 1: Giới thiệu Chương 4 Dựa vào lý thuyết thiết kế bộ điều khiển và quan sát trượt của chương 3, tác giả thực hiện việc mô phỏng để kiểm tra tính ổn định và bền vững của bộ điều khiển và quan sát trượt áp dụng cho 2 đối tượng. Mô phỏng bộ điều khiển trượt dùng mạng nơ ron so sánh với bộ điều khiển trượt không dùng mạng nơ ron. Cuối cùng là kết quả và nhận xét. Chương 5 Trình bày kết quả chạy thực mô hình cánh tay mềm dẻo trên phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia với bộ điều khiển trượt bám và bộ điều khiển và quan sát trựơt. Nhận xét kết quả đạt được. Chương 6 Đưa ra kết luận chung về phương pháp điều khiển trượt đã áp dụng cho 2 đối tượng gồm có những ưu điểm và những hạn chế của bộ điều khiển và quan sát trượt. Cuối cùng là hướng phát triển đề tài. 1.3 Phần cứng cánh tay máy 2 bậc tự do Hình 1.1 Cánh tay máy 2 bậc tự do Trục zo, z1, z2 là các trục vuông góc với mặt giấy. 4 Chương 1: Giới thiệu Phần cứng cánh tay máy 2 bậc tự do gồm có 2 khớp quay mà khi quay tạo ra 2 góc quay θ1 và θ 2 trong mặt phẳng 2 chiều. Khâu 1 được nối giữa khớp 1 và khớp 2, khâu 2 được nối với khớp 2 như hình 1.1. Góc θ1 và góc θ 2 là các biến khớp. Các thông số của cánh tay máy 2 bậc tự do: Khâu 1 có chiều dài a1 và khối lượng M 1 . Khâu 2 có chiều dài a2 và khối lượng M 2 . Mục đích là điều khiển đầu tip của cánh tay máy 2 bậc tự do theo quỹ đạo mong muốn. 1.4 Phần cứng cánh tay mềm dẻo 1.4.1 Hoạt động và cấu tạo cánh tay mềm dẻo Hệ thống điều khiển cánh tay mềm dẻo gồm: 2 bộ khuếch đại công suất để điều khiển 2 động cơ X và Y, phần tử chấp hành là 2 động cơ, các encoder, cảm biến độ rung và card thu thập dữ liệu để điều khiển kết hợp với máy tính. Sự chuyển động của mô tơ làm các khâu cánh tay mềm dẻo chuyển động (hình 1.1). 2 mô tơ thông qua hộp số để điều khiển 2 thanh dẻo: khâu 1 và khâu 3. Thanh dẻo này khi chuyển động sẽ tạo ra sự rung. Sự rung này được cảm biến rung (strain gages) đo lường. Hai khâu dẻo được nối với 2 khâu cứng là khâu 2 và khâu 4 thông qua các khớp có ma sát thấp. Hai khâu cứng này được nối với nhau và với khâu cứng thứ 5 là khâu 5 thông qua 1 khớp khác. Sự chuyển động mô tơ tạo ra góc quay được đo lường thông qua 2 encoder. Tín hiệu từ encoder được đưa về bộ điều khiển để bộ điều khiển tính toán tạo ra tín hiệu điều khiển mới đưa đến khối công suất tác động vào mô tơ quay tạo ra hệ thống vòng kín. Hình 1.2 Cánh tay mềm dẻo