Tài liệu Nghiên cứu xây dựng mô hình vật lý và hệ điều khiển cánh tay robot hai bậc tự do

MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu Quá trình phát triển về mọi mặt của con người luôn gắn liền với quá trình phát triển của khoa học công nghệ. Sự phát triển về khoa học công nghệ là đòn bẩy giúp cho một quốc gia có thể phát triển toàn điện và mạnh mẽ.Song song với quá trình phát triển đó là yêu cầu ngày càng cao trong công việc về độ chính xác, tin cậy, khả năng làm việc trong môi trường khắc nghiệt cường độ cao trong thời gian dài. Robot ra đời như là một giải pháp vô cùng hiệu quả để thực thi cácnhu cầu cấp thiếtđó của con người.Qua thời gian, kỹ thuật Robot đã phát triển mạnh mẽ trên nhiều quốc gia, trong nhiều các lĩnh vực ứng dụng trong cuộc sống và hứa hẹn sẽ là ngành kỹ thuật đi đầu trong tương lai. Tự động hóa và kỹ thuật Robot là hai lĩnh vực có liên quan mật thiết đến nhau. Về phương diện công nghiệp, tự động hóa là một công nghệ liên kết với sử dụng các hệ thống cơ khí, điện tử và hệ thống máy tính trong vận hành điều khiển quá trình sản xuất. Tuy nhiên việcđiều khiển chính xác được cánh tay robot đểđảm bảo cho quá trình sản xuất được chính xác thì không hềđơn giản chút nào. Với những kiến thứcđã được học, tác giả mong muốn kiểm chứng vàđưa vào thực tiễn đểđiều khiển robot. Do đó, tác giảđã chọn đề tài“Nghiên cứu xây dựng mô hình vật lý và hệ điều khiển cánh tay robot hai bậc tự do”.Đề tài sau khi hoàn thành có thể làm mô hình cho các sinh viên thực tập môn điều khiển robot hoặc nghiên cứu quỹđạo chuyển động của robot trong không gian. 2. Mục đích nghiên cứu - Tìm hiểu khái quát về robot công nghiệp, quá trình hình thành và phát triển, các phương pháp điều khiển có thể sử dụng được. Từđó tiến hành nghiên cứu, thiết kế hệ điều khiển vị trí theo quỹ đạo mong muốn và xây dựng mô hình vật lý cánh tay Robot hai bậc tự do. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 1 - Đối tượng nghiên cứu chính của đề tài là cánh tay robot 2 bậc tự do. Nghiên cứu các phương pháp điều khiển robot và cách thứcđiều khiển cánh tay Robot hai bậc tự do từ máy tính. - Phạm vi nghiên cứu thực hiện trên cơ sở lý luận, thiết kế xây dựng bộ điều khiển, mô phỏng lý thuyết điều khiển đã xây dựng được trên phần mềm Matlab Simulink. Sau đó xây dựng mô hình cánh tay robot 2 bậc tự do và xây dựng mô hình điều khiển cho đối tượng thực. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết về robot và các vấn đề liên quan, đặc biệt là các phương pháp điều khiển. Sau đó xây dựng mô hình mô phỏng của bộđiều khiển và tiến hành mô phỏng. Cuối cùng tiến hành xây dựng mô hình vật lý của cánh tay robot hai bậc tự do cùng với hệđiều khiển cho đối tượng thực 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn a. Ý nghĩa khoa học của đề tài - Luận văn mang tính chất nghiên cứu, vận dụng các lý thuyết khoa học vào thực tế. Từđó khẳngđịnh tính đúng đắn của lý thuyếtđiều khiển. b. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài Từ những kết quả nghiên cứu có được củaluận văn, ta có thể ứng dụng vàphát triển nâng cao các kết quả vào việcđiều khiển cácRobot nhiều bậc tự do trong công nghiệp. 2 CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP VÀCÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ROBOT 1.1 Giới thiệu chung về robot công nghiệp 1.1.1 Sơ lược quá trình phát triển của robot công nghiệp Thuật ngữ “Robot” xuất phát từ tiếng Sec (Czech) “Robota” có nghĩa là công việc tạpdịch trong vở kịch Rossum’s Universal Robots của Karel Capek, vào năm 1921. Trong vở kịch này, Rossum và con trai của ông ta đã chế tạo ra những chiếc máy gần giống với con người để phục vụ con người. Có lẽ đó là một gợi ý ban đầu cho các nhà sáng chế kỹ thuật về những cơcấu, máy móc bắt chước các hoạt động cơ bắp của con người. Đầu thập kỷ 60, công ty Mỹ AMF (American Machine and Foundry Company) quảngcáo một loại máy tự động vạn năng và gọi là “Người máy công nghiệp” (Industrial Robot).Ngày nay người ta đặt tên người máy công nghiệp (hay robot công nghiệp) cho những loại thiếtbị có dáng dấp và một vài chức năng như tay người được điều khiển tự động để thực hiện một sốthao tác sản xuất. Về mặt kỹ thuật, những robot công nghiệp ngày nay, có nguồn gốc từ hai lĩnh vực kỹthuật ra đời sớm hơn đó là các cơ cấu điều khiển từ xa (Teleoperators) và các máy công cụ điềukhiển số (NC – Numerically Controlled machine tool). Dưới đây chúng ta sẽ điểm qua một số thời điểm lịch sử phát triển của người máy côngnghiệp. Một trong những robot công nghiệp đầu tiên được chế tạo làrobot Versatran của côngty AMF, Mỹ. Cũng vào khoảng thời gian này ở Mỹ xuất hiện loại robot Unimate -1900 đượcdùng đầu tiên trong kỹ nghệ ôtô. Tiếp theo Mỹ, các nước khác bắt đầu sản xuất robot công nghiệp: Anh -1967, Thuỵ Điển và Nhật -1968 theo bản quyền của Mỹ; CHLB Đức -1971; Pháp – 1972; ở ý – 1973… Tính năng làm việc của robot ngày càng được nâng cao, nhất là khả năng nhận biết và xử lý. Năm 1967 ở trường Đại học tổng hợp Stanford (Mỹ) đã chế tạo ra mẫu 3 robot hoạt độngtheo mô hình “mắt-tay”, có khả năng nhận biết và định hướng bàn kẹp theo vị trí vật kẹp nhờcác cảm biến. Năm 1974 Công ty Mỹ Cincinnati đưa ra loại robot được điều khiển bằng máy vitính, gọi là robot T3 (The Tomorrow Tool: Công cụ của tương lai). Robot này có thể nâng được vật có khối lượng đến 40 Kg. Có thể nói, Robot là sự tổ hợp khả năng hoạt động linh hoạt của các cơ cấu điều khiển từxa với mức độ “tri thức” ngày càng phong phú của hệ thống điều khiển theo chương trình sốcũng như kỹ thuật chế tạo các bộ cảm biến, công nghệ lập trình và các phát triển của trí khônnhân tạo, hệ chuyên gia… Trong những năm sau này, việc nâng cao tính năng hoạt động của robot không ngừngphát triển. Các robot được trang bị thêm các loại cảm biến khác nhau để nhận biết môi trườngchung quanh, cùng với những thành tựu to lớn trong lĩnh vực Tin học – Điện tử đã tạo ra cácthế hệ robot với nhiều tính năng đăc biệt, số lượng robot ngày càng gia tăng, giá thành ngày càng giảm. Nhờ vậy, robot công nghiệp đã có vị trí quan trọng trong các dây chuyền sản xuấthiện đại. Mỹ là nước đầu tiên phát minh ra robot, nhưng nước phát triển cao nhất trong lĩnh vựcnghiên cứu chế tạo và sử dụng robot lại là Nhật. 1.1.2 Ứng dụng robot công nghiệp trong sản xuất Từ khi mới ra đời robot công nghiệp được áp dụng trong nhiều lĩnh vực dưới góc độthay thế sức người. Nhờ vậy các dây chuyền sản xuất được tổ chức lại, năng suất và hiệu quảsản xuất tăng lên rõ rệt. Mục tiêu ứng dụng robot công nghiệp nhằm góp phần nâng cao năng suất dây chuyềncông nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm đồngthời cải thiện điều kiện lao động. Đạt được các mục tiêu trên là nhờ vào những khả năng to lớncủa robot như: làm việc không biết mệt mỏi, rất dễ dàng chuyển nghề một cách thành thạo, chịu được phóng xạ và các môi trường làm việc độc hại, nhiệt độ cao,”cảm thấy” được cả từ trường và”nghe” được cả siêu 4 âm…Robot được dùng thay thế con người trong các trường hợptrên hoặc thực hiện các công việc tuy không nặng nhọc nhưng đơn điệu, dễ gây mệt mỏi, nhầmlẫn. Trong ngành cơ khí, robot được sử dụng nhiều trong công nghệ đúc, công nghệ hàn, cắtkim loại, sơn, phun phủ kim loại, tháo lắp vận chuyển phôi, lắp ráp sản phẩm… Ngày nay đã xuất hiện nhiều dây chuyền sản xuất tự động gồm các máy CNC vớiRobot công nghiệp, các dây chuyền đó đạt mức tự động hoá cao, mức độ linh hoạt cao…ởđây các máy và robot được điều khiển bằng cùng một hệ thống chương trình. Ngoài các phân xưởng, nhà máy, kỹ thuật robot cũng được sử dụng trong việc khai thácthềm lục địa và đại dương, trong y học, sử dụng trong quốc phòng, trong chinh phục vũ trụ, trong công nghiệp nguyên tử, trong các lĩnh vực xã hội… Rõ ràng là khả năng làm việc của robot trong một số điều kiện vượt hơn khả năng củacon người; do đó nó là phương tiện hữu hiệu để tự động hoá, nâng cao năng suất lao động, giảm nhẹ cho con người những công việc nặng nhọc và độc hại. Nhược điểm lớn nhất củarobot là chưa linh hoạt như con người, trong dây chuyền tự động, nếu có một robot bị hỏng cóthể làm ngừng hoạt động của cả dây chuyền, cho nên robot vẫn luôn hoạt động dưới sự giám sát của con người. 1.1.3 Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp a. Các thành phần chính của robot công nghiệp Một robot công nghiệp thường bao gồm các thành phần chính như: cánh tay robot, nguồn động lực, dụng cụ gắn lên khâu chấp hành cuối, các cảm biến, bộ điều khiển, thiết bịdạy học, máy tính... các phần mềm lập trình cũng nên được coi là một thành phần của hệthống robot. Mối quan hệ giữa các thành phần trong robot như hình 1.3. [5] 5 Hình 1.1: Các thành phần chính của hệ thống robot. Cánh tay robot (tay máy) là kết cấu cơ khí gồm các khâu liên kết với nhau bằng cáckhớp động để có thể tạo nên những chuyển động cơ bản của robot. Nguồn động lực là các động cơ điện (một chiều hoặc động cơ bước), các hệ thống xylanh khí nén, thuỷ lực để tạo động lực cho tay máy hoạt động. Dụng cụ thao tác được gắn trên khâu cuối của robot, dụng cụ của robot có thể có nhiềukiểu khác nhau như: dạng bàn tay để nắm bắt đối tượng hoặc các công cụ làm việc như mỏhàn, đá mài, đầu phun sơn... Thiết bị dạy-học (Teach-Pendant) dùng để dạy cho robot các thao tác cần thiết theoyêu cầu của quá trình làm việc, sau đó robot tự lặp lại các động tác đã được dạy để làm việc(phương pháp lập trình kiểu dạy học). Các phần mềm để lập trình và các chương trình điều khiển robot được cài đặt trên máytính, dùng điều khiển robot thông qua bộ điều khiển (Controller). Bộ điều khiển còn được gọilà Mođun điều khiển (hay Unit, Driver), nó thường được kết nối với máy tính. Một mođunđiều khiển có thể còn có các cổng Vào - Ra (I/O port) để làm việc với nhiều thiết bị khác nhau như các cảm biến giúp robot nhận biết trạng thái của bản thân, xác định vị trí của đối tượnglàm việc hoặc các dò tìm khác; điều khiển các băng tải hoặc cơ cấu cấp phôi hoạt động phốihợp với robot... 6 b. Kết cấu của tay máy Tay máy là thành phần quan trọng, nó quyết định khả năng làm việccủa robot. Các kết cấu của nhiều tay máy được phỏng theo cấu tạo và chức năng của tayngười; tuy nhiên ngày nay, tay máy được thiết kế rất đa dạng, nhiều cánh tay robot có hìnhdáng rất khác xa cánh tay người. Trong thiết kế và sử dụng tay máy, chúng ta cần quan tâmđến các thông số hình - động học, là những thông số liên quan đến khả năng làm việc củarobot như: tầm với (hay trường công tác), số bậc tự do (thể hiện sự khéo léo linh hoạt củarobot), độ cứng vững, tải trọng vật nâng, lực kẹp... Các khâu của robot thường thực hiện hai chuyển động cơ bản:  Chuyển động tịnh tiến theo hướng x, y, z trong không gian Descarde, thông thườngtạo nên các hình khối, các chuyển động này thường ký hiệu là T (Translation) hoặcP (Prismatic).  Chuyển động quay quanh các trục x, y, z ký hiệu là R (Roatation).Tuỳ thuộc vào số khâu và sự tổ hợp các chuyển động (R và T) mà tay máy có các kếtcấu khác nhau với vùng làm việc khác nhau. Các kết cấu thường gặp của Robot là robotkiểu toạ độ Đề các, toạ độ trụ, toạ độ cầu, robot kiểu SCARA, hệ toạ độ góc (phỏng sinh)... 1.2 Các phƣơng pháp điều khiển robot kinh điển 1.2.1 Điều khiển tỉ lệ sai lệch (PE: Propotional Error) Nhiệm vụ quan trọng đầu tiên của việc điều khiển robot là bảo đảm chođiểm tác động cuối E (End-effector) của tay máy dịch chuyển bám theo một quỹđạo định trước. Không những thế, hệ toạ độ gắn trên khâu chấp hành cuối cònphải đảm bảo hướng trong quá trình di chuyển. Giải bài toán ngược phương trìnhđộng học ta có thể giải quyết về mặt động học yêu cầu trên. Đó cũng là nội dungcơ bản để xây dựng chương trình điều khiển vị trí cho robot. Tuy nhiên việc giải bài toán này chưa xét tới điều kiện thực tế khi robot làm việc, như là các tác động của momen lực, ma sát…Tuỳ theo yêu cầu nâng cao chất 7 lượng điều khiển mà ta cần tính đến ảnh hưởng của cácyếu tố trên, và theo đó, phương pháp điều khiển cũng trở nên đa dạng và phongphú hơn. Nguyên tắc cơ bản của phương pháp này rất dễ hiểu; đó là làm cho hệthống thay đổi theo chiều hướng có sai lệch nhỏ nhất. Hàm sai lệch có thể là ε =θd–θ(t), ở đây θdlà góc quay mong muốn và θ(t) là giá trị quay thực tế của biếnkhớp, ta sẽ gọi θd là “góc đặt”. Khi ε = 0 thì khớp đạt được vị trí mong muốn.Nếu ε < 0, thì khớp đã di chuyển quá mức và cần chuyển động ngược lại. Như vậy, kiểu điều khiển chuyển động này là luôn có chiều hướng làm cho sai lệch εxấp xỉ zero. Bên cạnh đó, chúng ta cũng cần quan tâm đến phần độ lớn, nghĩa là, chúng ta không những cần biết”làm cho động cơ chuyển động bằng cách nào?” mà còn cần biết”cần cung cấp cho động cơ một năng lượng (mômen động) là bao nhiêu?”. Để trả lời câu hỏi này một lần nữa, chúng ta có thể dùng tín hiệu sai số ε = θd– θ. Chúng ta hãy áp dụng một tín hiệu điều khiển mà nó tỉ lệ với ε: [5, tr.103-105] F = Kp(θd– θ(t)) (1.2) Qui luật này xác định một hệ điều khiển phản hồi và được gọi là hệ điềukhiển tỉ lệ sai lệch. 1.2.2 Điều khiển tỉ lệ - đạo hàm (PD: Propotional Derivative) Phương pháp điểu khiển tỉ lệ sai lệch còn nhiều nhược điểm như: Hệ daođộng lớn khi ma sát nhỏ (tình trạng vượt quá) và ở trạng thái tĩnh, khi ε → 0 thìmomen cũng gần bằng không, nên không giữ được vị trí dưới tác dụng của tải. Để khắc phục điều trên, có thể chọn phương pháp điều khiển tỉ lệ - đạohàm (PD), với lực tổng quát: F = Kp ε + Kd 𝜃(t) Trong đó: (1.3) ε – sai số vị trí của khớp động. ε = θd– θ(t). 𝜃(t)– Thành phần đạo hàm – vận tốc góc. Ke – Hệ số tỉ lệ sai lệch vị trí. Kd – Hệ số tỉ lệ vận tốc. 8 1.2.3 Điều khiển tỉ lệ - tích phân – đạo hàm(PID: Propotional Integral Derivative) Hệ thống với cấu trúc luật điều khiển PD vẫn còn một số nhược điểm, không phù hợp với một số loại robot. Một hệ thống điều khiển khác có bổ sungthêm tín hiệu tốc độ đặtθd và sai lệch tốc độ ε = θd–θ(t)tác động vào khâukhuyếch đại Kd. Phương trình lực tác động lên khớp động có dạng: [5] F = Ke ε + Kdε + Ki 𝑡 ε(t) 0 dt (1.4) Với ε– sai số tốc độ. ε= θd–θ(t) Như vậy, tuỳ theo cấu trúc đã lựa chọn của bộ điều khiển, ta đem đốichiếu các phương trình(1.2), (1.3) hoặc (1.4) với phương trình Lagrange – Euler, Từ đó nhận được các phương trình của hệ điều khiển tương ứng. Từ các phươngtrình này của hệ điều khiển, cần xác định các hệ số tỉ lệ Ke, Kd, Ki để hệ hoạtđộng ổn định. 1.3Điều khiển mờ 1.3.1 Định nghĩa tập mờ Tập mờ là một phần mở rộng của tập hợp kinh điển.Tập mờ mô tả các khái niệm mơ hồ, chưa xác định được các giá trị chính xác. Mỗi phần tửcơ bản x của tập mờ được gán thêm một giá trị thực (x) thuộc đoạn [0, 1] để chỉ độ phụ thuộc của phần tử đó vào tập đã cho. Khi độ phụ thuộc bằng 0 thì phần tử cơ bản đó sẽ hoàn toàn không thuôc tập mờ đã chọn ngược lại với độ phụ thuộc bằng 1, phần tửcơ bản đó sẽ thuộc tập hợp với xác suất 100%. Như vậy, tập mờ là tập của các cặp (x, (x)). Tập kinh điển X của phần tử x được gọi là tập nền của tập mờ. Cho x chạy khắp trong tập hợp X ta sẽ có hàm (x) có giá trị là số bất kỳ trong đoạn [0, 1], tức là: F: X  [0, 1]. Ánh xạ F được gọi là hàm liên thuộc hay hàm phụ thuộc của tập mờ F. Hàm liên thuộc là một đường cong xác định giá trị F biến thiên trong đoạn [0, 1].Vì hàm thuộc đặc trưng cho tập mờ nên dùng hàm thuộc (x) đặc trưng cho tập mờ. 9 Khi xây dựng bộ điều khiển mờ thì dạng (x) do người điều khiển tự định đoạt theo kinh nghiệm điều khiển. Về nguyên tắc có thể sử dụng bất kỳ hàm nào thuộc đoạn [0, 1] để làm hàm thuộc. Chẳng hạn hàm trapmf, gbellmf, gaussmf, gauss2mf, pimf, dsigmf, psigmf… Tuy nhiên, trên thực sử dụng ba dạng hàm phổ biến sau: Hàm Singleton (Hàm Kroneecker), Hàm trimf (Hàm hình tam giác), Hàm trampf (Hàm hình thang). [4, tr.15-18] - Hàm Singleton (Hàm Kroneecker). - Hàm trimf (Hàm hình tam giác). - Hàm trampf (Hàm hình thang). Ta có thể sử dụng các dạng hàm (x) sẵn có hoặc tạo ra dạng hàm liên thuộc mới sao cho quá trình điều khiển là tối ưu. Tuy nhiên trong điều khiển mục đích sử dụng các hàm liên thuộc sao cho khả năng tích hợp chúng là đơn giản. Việc (x) có giá trị là số bất kỳ trong đoạn [0, 1] là điều khác biệt cơ bản giữa tập kinh điển so với tập mờ. 10 Đối với tập kinh điển A, hàm thuộc (x) chỉ có hai giá trị A(x) = 1 nếu x A 0 nếu x A 1.3.2 Cấu trúc bộ điều khiển mờ Hệ điều khiển logic mờ đã được Mamdani và Asilian đề xướng cách đây hai thập kỷ. Đến nay, điều khiển mờ đã là một phương pháp điều khiển nổi bật bởi tính linh hoạt và thu được những kết quả khả quan trong nghiên cứu, ứng dụng lý thuyết tập mờ, logic mờ và suy luận mờ. Khác với kỹ thuật điều khiển thông thường, hệ điều khiển logic mờ được dùng hiệu quả nhất trong các quá trình chưa xác định rõ, trong điều kiện thiếu thông tin.Trong các trường hợp đó nó sử dụng các kinh nghiệm chuyên gia trong thao tác để điều khiển mà không cần hiểu biết nhiều về các thông số của hệ thống. Ý tưởng cơ bản trong hệ điều khiển logic mờ là tích hợp các kinh nghiêm chuyên gia trong thao tác vào các bộ điều khiển trong quá trình điều khiển, quan hệ giữa các đầu vào và đầu ra của hệ điều khiển logic mờ được thiết lập thông qua việc lựa chọn các luật điều khiển mờ trên các biến ngôn ngữ. Luật điều khiển IFTHEN là một cấu trúc câu điều kiện dạng Nếu-Thì trong đó có một số từ được đặc trưng bởi các hàm liên thuộc liên tục. Các luật mờ và các thiết bị suy diễn mờ là những công cụ gắn liền với việc sử dụng kinh nghiệm chuyên gia trong việc thiết kế các bộ điều khiển. Dưới đây ta xét cấu trúc cơ bản, phương pháp thiết kế, tính toán và phân tích các bộ điều khiển logic mờ và đưa ra một vài ứng dụng thực tiễn của hệ điều khiển logic mờ ta thấy được điểm mạnh của hệ điều khiển logic mờ trong việc sử dụng các tập mờ, các quan hệ mờ, các biến ngôn ngữ và các phép suy luận mờ. Trên hình 2.1 cho ta cấu trúc của một bộ điều khiển mờ cơ bản. Trong sơ đồ mạch điều khiển có khâu đối tượng. Đối tượng này được điều khiển bằng đại lượng u là tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển mờ. Vì các tín hiệu điều khiển đối tượng là các “tín hiệu rõ”, nên tín hiệu ra của bộ điều khiển mờ trước khi đưa và điều khiển đối tượng phải đưa qua khâu giải mờ. Các tín hiệu ra y của đối tượng được đo bằng các 11 bộ cảm biến và được xử lý sơ bộ trước khi đưa vào bộ điều khiển. Các tín hiệu này cũng là các “tín hiệu rõ”, do vậy để bộ điều khiển mờ hiểu được chúng thì tín hiệu y và ngay cả tín hiệu chủ đạo x phải được mờ hoá. Hình 1.2: Bộ điều khiển mờ cơ bản Bộ điều khiển mờ có thể là SISO (Single Input Single Output), SIMO(Single input Multi Output), MISO (Multi Input Single Output), MIMO (Multi Input Multi Output). + Với bộ điều khiển mờ là SISO: Nếu a = A1 thì b = B1 Nếu a = A2 thì b = B2 Nếu a = An thì b = Bn. Trong đó: a: là biến ngôn ngữ đầu vào. b: là biến ngôn ngữ đầu ra Ai: các giá trị của biếnngôn ngữ a Bi: các giá trị của biếnngôn ngữ b (i = 1 n) + Với bộ điều khiển MISO: Nếu a1 = A11; a2 = A12;.... , am = A1m; thì b = B1. Nếu a1 = A21; a2 = A22;.... , am = A2m; thì b = B2. 12 Nếu a1 = An1; a2 = An2;.... , am = Anm; thì b = Bn. + Với bộ điều khiển MIMO: Nếu a1 = A11; a2 = A12;.... , am = A1m thì b1 = B11; b2 = B12;.... , bm = B1m Nếu a1 = An1; a2 = An2;.... , am = Anm thì b1 = Bn1; b2 = Bn2;.... , bm = Bnm Luật hợp thành với SISO là luật hợp thành đơn, luật hợp thành với MIMO là luật hợp thành kép. Một hệ thống MIMO có thể được chia làm nhiều hệ thống MISO như hình vẽ sau: Hình 1.3: Bộ điều khiển MIMO Khi nghiên cứu về bộ điều khiển MIMO chỉ cần nghiên cứu bộ điều khiển MISO là đủ. 1.3.3 Luật mờ cơ bản Luật mờ cơ bản là tập hợp các luật mờ IF – THEN được xây dựng trên các biến ngôn ngữ, các luật này đặc trưng cho mối liên hệ giữa đầu vào và đầu ra của hệ, nó là trái tim của hệ điều khiển logic mờ. Các thành phần khác của hệ điều khiển logic mờ sử dụng luật mờ cơ bản này làm công cụ để suy luận và đưa a các đáp ứng có hiệu quả. Đặc biệt một luật điều khiển chung cơ bản cho một hệ nhiều đầu vào, một đầu ra (MISO) là: R’: IF x là Ai và... y là Bi, THEN z là Ci. Đó là một tập của các luật IF- THEN như đã nêu trên. 13 (2.1) Trong đó x,... y, z là các biến ngôn ngữ vào và ra của hệ điều khiển logic mờ. Ai,... Bivà Ci là các giá trị ngôn ngữ trong miền giá trị mờ U,... V và W. Ta gọi các luật trong công thức (2.1) là các luật IF- THEN mờ điều khiển vì chúng bao gồm nhiều loại khác nhau.Trong các trường hợp đặc biệt chúng được đưa ra dưới dạng đặc biệt sau: [4, tr.25-29] a) Luật Partial: IF x là Ai và... y là Bi THEN z là Ci. (2.2) Trong đó số điều khiển x,... y nhỏ hơn n (n là số luật mờ IF- THEN) b) Luật OR IF m là Ai AND...AND n là Bi OR p là Ci AND...AND p là Di THEN q là Ei (2.3) c) Luật mờ đơn y là Bi (2.4) d) Luật Gradual Trong hệ thống mờ, kiến thức của con người được tích hợp vào các luật và bổ đề 1 cho ta một phương pháp chung để thực hiện luật mờ cơ bản. Một biến dạng của luật mờ cơ bản là luật mà kết luận đưa ra là hàm của các biến trạng thái quá trình: R’: IF x là Ai, AND... AND y là Bi THEN z là  (x...y), i  1, n (2.5) Trong đó  (x...y) là hàm của các biến quá trình x...y. Các luật điều khiển mờ trong các công thức (2.1) đến (2.5) đánh giá trạng thái của quá trình tại thời điểm t, hệ thống tính toán xử lý dữ liệu để đưa ra tín hiệu điều khiển là hàm của các biến đầu vào f(x...y). Một cách tổng quát, ta có thể nói rằng các luật điều khiển mờ dùng các giá trị ngôn ngữ mờ đầu vào hoặc các giá trị rõ và giá trị mờ đầu ra. 1.3.4 Phương pháp tổng hợp bộ điều khiển mờ a. Nguyên tắc tổng hợp bộ điều khiển mờ 14 Khi thiết kế một bộ điều khiển mờ ta cần lưu ý rằng: Đối với các hệ thống dễ dàng tổng hợp được bằng bộ điều khiển kinh điển (P, PI, PD, PID) thoả mãn các yêu cầu đặt ra thì không nên dùng bộ điều khiển mờ. Bộ điều khiển mờ chỉ thích hợp khi mô hình toán học của hệ thống không rõ ràng, có nhiều yếu tố phi tuyến và có nhiều tham số thay đổi trong quá trình hoạt động. Không nên thiết kế bộ điều khiển mờ cho hệ thống cần độ an toàn cao ví dụ điều khiển phản ứng hạt nhân, công nghệ hoá chất vì nhược điểm của nó là khó xác định độ ổn định của hệ thống. Khi thiết kế, do nguyên lý làm việc của bộ điều khiển mờ là sao chép lại kinh nghiệm điều khiển của con người nên luôn phải nghĩ tới việc bổ xung cho bộ điều khiển mờ khả năng tự học để thích nghi với sự thay đổi của đối tượng. b. Các bƣớc thực hiện khi xây dựng một bộ điều khiển mờ - Định nghĩa tất cả các biến ngôn ngữ vào, ra (đây là các biến vào / ra của bộ điều khiển). - Định nghĩa các tập mờ (các giá trị ngôn ngữ) cho từng biến vào và ra. Sau đó thực hiện công việc mờ hóa tức là xác định các hàm thuộc cho từng giá trị ngôn ngữ đầu vào, ra. - Xây dựng luật hợp thành, chọn quy tắc thực hiện thiết bị hợp thành. - Chọn phương pháp giải mờ, tối ưu hệ thống. 1.3.5 Điều khiển PID mờ [2, tr.190-193] a. Điều khiển PID mờ dùng hệ quy tắc mamdani Theo lý thuyết điều khiền kinh điển, bộ điều khiển PID là bộ điều khiển có tín hiệu ra tỉ lệ tuyến tính với tín hiệu vào, vi phân tín hiệu vào và tích phân tín hiệu vào theo biểu thức: u(t) = Kpe(t) + KI 𝑡 0 𝑒 𝜏 𝑑𝜏 + KD 𝑑𝑒 (𝑡) 𝑑𝑡 (2.6) Bộ điều khiển PID nếu được thiết kế tốt có khả năng điều khiển hệ thống với chất lượng quá độ tốt (đáp ứng nhanh, độ vọt lố thấp) và triệt tiêu sai số xác lập, vì lý do đó các bộ điều khiển PID được sử dụng rất phổ biến trong các quá trình công 15 nghiệp. Một nghiên cứu cho thấy hơn 90% các bộ điều khiển được sử dụng hiện nay là bộđiều khiển PID. Tuy nhiên bộ điều khiển PID kinh điển chỉ khống chế tín hiệu ra của đối tượng với chất lượng tốt nếu hệ thống làm việc trong miền tín hiệu nhỏ (hệ tuyến tính). Nếu đối tượng điều khiển là phi tuyến thì bộ điều khiển PID kinh điển không thể đảm bảo chất lượng điều khiển tại mọi thời điểm làm việc. Do vậy, để điều khiển các đối tượng phi tuyến ta cần sử dụng các bộ điều khiển PID mờ. Thuật ngữ PID mờ được hiểu theo nghĩa tín hiệu ra của bộ điều khiển tỷ lệ phi tuyến với tín hiệu vào, với tích phân tín hiệu vào và vi phân tín hiệu vào theo quy luật xác định bởi hệ quy tắc mờ. b. Điều khiển PD mờ Bộ điều khiển PD mờ là bộ điều khiển có tín hiệu ra của bộ điều khiển mờ cơ bản phụ thuộc vào tín hiệu cào và vi phân của tín hiệu vào. Bộ điều khiển PD mờ có thể điều khiển vô sai trong các trường hợp sau đây: - Đối tượng có khâu tích phân lý tưởng, hoặc - Ổn định hóa trạng thái của đối tượng xung quanh điểm cân bằng (𝑢, 𝑥 ) trong đó 𝑢 = 0. Với đối tượng không có khâu tích phân lý tưởng thì sử dụng bộ điều khiển PD mờ không thể triệt tiêu sai số xác lập. c. Điều khiển PI mờ Có hai cách để thực hiện bộ điều khiển PI mờ. Tín hiệu ra của bộ điều khiển có quan hệ phi tuyến với tín hiệu vào và tích phân tín hiệu vào. Bộ điều khiển PI mờ nếu thiết kế tốt có thể điều khiển đối tượng trong miền làm việc rộng với sai số xác lập bằng 0. Tuy nhiên cũng cần để ý rằng, bộ điều khiển PI làm chậm đáp ứng của hệ thống và quá trình quá độ có dao động. d. Điều khiển PID mờ Bộ điều khiển PID mờ có các ưu điểm của bồ điều khiển PI mờ và PD mờ, tức là có thể điều khiển vô sai, thời gian đáp ứng nhanh, độ vọt lố thấp. Thực tế, việc đưa 16 ra các quy tắc Mamdani mô tả quan hệ giữa vi phân của tín hiệu ra theo tín hiệu vào, vi phân bậc 1 và vi phân bậc 2 của tín hiệu dựa vào kinh nghiệm chuyên gia cũng không dễ dàng. Do đó chỉ nên sử dụng bộ điều khiển PID mờ khi bộ điều khiển PI mờ hoặc PD mờ không thể điều khiển đối tượng với chất lượng mong muốn. Một giải pháp khác để thực thi bộ điều khiển PID mờ là sử dụng bộ điều khiển PI mờ ghép song song với bộ điều khiển PD mờ Khi thực hiện bộ điều khiển PID mờ rời rạc thì phép tính vi phân được tính gần đúng bằng phép sai phân, phép tính tích phân được thay thế bằng phép tính tổng (tích phân gần đúng). 1.3.6 Kết luận chương I Nhiệm vụ quan trọng đầu tiên của việc điều khiển Robot là đảm bảo cho điểm tác động cuối của tay máy dịch chuyển bám theo một quỹ đạo định trước. Không những thế hệ tọa độ gắn trên khâu chấp hành cuối còn phải đảm bảo hướng trong quá trình di chuyển Tuy nhiên việc giải bài toán này chưa xét đến điều kiện thực tế khi Robot làm việc, như các tác động của momen lực, ma sát, …Tùy theo yêu cầu nâng cao chất lượng điều khiển (độ chính xác) mà ta cần tính đến ảnh hưởng của các yếu tố trên, và theo đó, phương pháp điều khiển cũng trở nên đa dạng và phong phú hơn. Việc nắm rõ được các phương pháp điều khiển Robot là cơ sở kiến thức vững chắc và hết sức quan trọng trong quá trình nghiên cứu thiết kế cánh tay robot 2 hay nhiều bậc tự do. Điều khiển mờ cóưu điểm vượt trội trong việcđiều khiển đối tượng khi mà ta chưa hoàn toàn nắm bắt được đối tượng. Do đó tác giảđã lựa chọn phương pháp này để giải quyết bài toánđiều khiển. 17 CHƢƠNG II. PHẦN MỀM MATLAB- SIMULINK VÀ CẠC GHÉP NỐI PCT 1711 Để điều khiển đối tượng thực từ máy tính thì có thể dùng nhiều phương pháp, cách thức và thiết bị khác nhau. Ở đây tác giả dùng một thiết bị rất quen thuộc trong lĩnh vực điều khiển, đó là Card PCI1711 kết hợp với phần mềm Matlab Simulink. 2.1 Phần mềm Matlab Simulink Giới thiệu chung về Matlab – Simulink 2010A Matlab là một bộ chương trình phần mềm lớn được xây dựng để phục vụ vấn đề giải quyết các bài toán phức tạp. Matlab là tên viết tắt theo tiếng Anh của bộ công cụ này, tên đầy đủ từ lúc mới được xây dựng là Matrix Laboratory. Tức là bộ công cụ được thiết kế để thí nghiệm giải quyết các bài toán liên quan tới matrận. Từ khi vừa mới ra đời, bộ công cụ này đã thể hiện được khả năng tuyệt vời và đã được ứng dụng trong rất nhiều các lĩnh vực khác nhau, không chỉ riêng lĩnh vực tự động hóa điện. Do tính ưu việt của bộ công cụ nên những nhà thiết kế ra bộ công cụ này liên tục quan tâm phát triển Matlab theo thời gian. Một phiên bản khá ổn định và được nhiều người sử dụng đó là Matlab 6.5, ở phiên bản này thì dung lượng bộ cài đặt nhỏ và đặc biệt là làm việc rất ổn định, không xảy ra các lỗi khi làm việc như những phiên bản trước. Matlab phát triển hai lĩnh vực chính đó là lập và mô phỏng. Lập trình trên matlab thì có thể thực hiện trực tiếp trên giao diện màn hình chính của matlab hoặc lập trình trên m_file nếu như người làm muốn lưu lại kết quả. Còn việc xây dựng mô hình để mô phỏng đối tượng thì sẽ được xây dựng trên công cụ Simulink. Cả lập trình và mô phỏng đều có thể hiển thị cho ta các đặc tính giúp chúng ta đánh giá, quan sát đáp ứng của đối tượng chúng ta muốn mô phỏng. M_file và Simulink có thể hoạt động độc lập nhưng cũng có thể hoạt động kết hợp với nhau. Nếu hoạt động độc lập thì với Simulink ta phải nhập các dữ liệu dưới dạng có trước, tất cả các biến không được dùng. Còn nếu hoạt động kết hợp thì ta có thể dùng 18 biến trong mô hình mô phỏng trên Simulink bằng cách lập trình khai báo và tính toán giá trị của các biến đó trên m_file, chạy m_file trước để lấy các thông số cho mô hình mô phỏng hoạt động. Ở đây sử dụng phiên bản 2010A để có được những công cụ điều khiển mới và phù hợp với yêu cầu thiết kế. Và đây cũng là một phiên bản khá ổn định được sử dụng nhiều trong thời gian gần đây. Cài đặt phần mềm Ta tiến hành download phần mền từ trên internet hoặc coppy từ đĩa CD. Sau đó sẽ có được phần mềm như hình 2.1. Hình 2.1 Bộ công cụ Matlab – Simulink 2010A Để cài đặt phần mềm ta kích đúp vào biểu tượng setup, sau đó hiện ra giao diện để cài đặt (hình 2.2). 19 Hình 2.2 Cài đặt phần mềm Ta tiến hành cài đặt theo sự hướng dẫn trong từng phần, cuối cùng ta có được phần mềm Malab như hình 2.3. Hình 2.3 Cửa sổ giao diện Matlab 20