Luận văn: ĐIỀU KHIỂN HỆ PHI TUYẾN DÙNG PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH HÓA ĐẶC TÍNH ĐỘNG

Chia sẻ: Nhung Thi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:26

Thêm vào BST

Báo xấu

83
lượt xem 13
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nhận dạng h phi tuyến là công cụ rất quan trọng trong vi c thiêt kế bộ điều khiển để điều khiển đối tượng có tính phi tuyến. Vi c nhận dạng h phi tuyến có thể thực hi n theo nhiều phương pháp khác nhau. Chẳng hạn như phương pháp thông thường để nhận dạng h phi tuyến là sử dụng phương pháp phân tích mô hình toán của đối tượng như một số tác gi đã nghiên cứu. Tuy nhiên vi c phân tích mô hình toán của đối tượng điều khiển là rất phức tạp vì...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn: ĐIỀU KHIỂN HỆ PHI TUYẾN DÙNG PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH HÓA ĐẶC TÍNH ĐỘNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG HOÀNG NGUYÊN THẢO ĐIỀU KHIỂN HỆ PHI TUYẾN DÙNG PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH HÓA ĐẶC TÍNH ĐỘNG Chuyên ngành : Tự động hóa Mã số: 60.52.60 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2013
Công trình được hoàn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN QUỐC ĐỊNH h n i n : PGS.TS.B I QUỐC KHÁNH h n i n : TS. NGUYỄN ANH DUY Luận văn được o v tại Hội đồng chấm luận văn tốt nghi p Thạc sĩ kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 05 tháng 05 năm 0 3. * Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thông tin - Học li u, Đại học Đà Nẵng - Trung tâm Học li u, Đại học Đà Nẵng
1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Nhận dạng h phi tuyến là công cụ rất quan trọng trong vi c thiêt kế bộ điều khiển để điều khiển đối tượng có tính phi tuyến. Vi c nhận dạng h phi tuyến có thể thực hi n theo nhiều phương pháp khác nhau. Chẳng hạn như phương pháp thông thường để nhận dạng h phi tuyến là sử dụng phương pháp phân tích mô hình toán của đối tượng như một số tác gi đã nghiên cứu. Tuy nhiên vi c phân tích mô hình toán của đối tượng điều khiển là rất phức tạp vì do tính phi tuyến của đối tượng. Đối với h phi tuyến thì tín hi u điều khiển từ bộ điều khiển logic Mờ được xác định bằng đáp ứng đặc tính của đối tượng điều khiển chứ không ph i là phân tích mô hình trạng thái của nó. Điều đó nhấn mạnh rằng bộ điều khiển Mờ mang lại một kết qu điều khiển tương tự với các đối tượng mà có đặc tính động tương tự. Ý tưởng này dẫn đến thành lập mô hình tập hợp các đối tượng với cấu trúc chưa xác định bằng cách vạch rõ một số đặc tính động của nó như: “osillation”,”overdamping”,”Underdamping”… 1) Oscillation (0.0< 
2 6) Strong underdamping (1.3< 
3 4. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài a. Ý nghĩa khoa học Tạo ra phương pháp hoc tập nghiên cứu trực quan ằng mô hình cụ thể, ước đầu tiếp cận kĩ thuật điều khiển ro ot. b. Ý nghĩa thực tiễn Áp dụng cho các s n phẩm là ro ot hoặc thiết ị tự động nhiều trục yêu cầu chuyển động đồng ộ trong quá trình hoạt động, qua đó nâng cao năng lực thiết kế các thiết ị tự động đề tài nghiên cứu với mong muốn đạt được đáp ứng ngõ ra và các đặc tính của h thống điều khiển thỏa mãn nhanh chóng và chính xác các yêu cầu đã đề ra. 5. Cấu trúc của luận văn Ngoài phần mở đầu, kết luận, tài li u tham kh o và phụ lục trong luận văn gồm có các chương như sau : CHƯƠNG : LÝ THUYẾT VỀ TAY MÁY ROBOT CHƯƠNG : NHẬN DẠNG VÀ CÁC HƯƠNG HÁ ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY ROBOT CHƯƠNG 3 : THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN HỆ HI TUYẾN SỬ DỤNG HƯƠNG HÁ MÔ HÌNH HÓA ĐẶC TÍNH ĐỘNG Á DỤNG CHO TAY MÁY ROBOT BẬC TỰ DO
4 CHƯƠNG 1 LÝ THUYẾT VỀ TAY MÁY ROBOT 1.1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN 1.2. CÁC ĐỊNH NGHĨA 1.3. KẾT CẤU CỦA TAY MÁY ROBOT 1.3.1 Hệ thống dẫn động 1.3.2. Hệ thống sensors 1.4. KẾT LUẬN
5 CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY ROBOT 2.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NHẬN DẠNG ĐỐI TƯỢNG 2.2. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY ROBOT
6 2.3. CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN KINH ĐIỂN 2.3.1. Bộ đ u h n ệ sa ệ h P : P na Error) 2.3.2. Bộ đ u h n ệ đ hàm PD: P na Derivative) 2.3.3. Bộ đ u h n ệ – h h n-đ hàm PID: Propotional Integral Derivative) 2.3.4. Bộ đ u h n nh m m n C m u - Torque Controller) 2.4. CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH 2.4.1. Bộ đ u khi n Nơ n 2.4.2. Bộ đ u h n Thích Nghi (Adaptive control) 2.4.3. Đ u khi n b n vững (Robust control) 2.4.4. Bộ đ u khi n Mờ (Fuzzy controller) 2.4.5. Hệ đ u khi n Mờ lai PID 2.5. KẾT LUẬN
7 CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN HỆ PHI TUYẾN DỰA TRÊN PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH HÓA ĐẶC TÍNH ĐỘNG VÀ ÁP DỤNG CHO TAY MÁY ROBOT 3.1. MÔ HÌNH TAY MÁY ROBOT 2 BẬC TỰ DO VỚI CÁC HỆ TRỤC TỌA ĐỘ Thiết lập phương trình động học của tay máy robot[ Robot manipulator control( Chương 3”Dynamic”)] y l 2 m l 2, I2 1 q 2 m 1, x I q1 Hình 3.1.1 Mô hình tay máy robot và các h trục tọa độ.
8 3.2. ĐỘNG LỰC HỌC TAY MÁY ROBOT: 3.2.1. Động họ huận Động học thuận robot là vi c xác định toạ độ của điểm tác động cuối trên cơ sở góc quay của trục khớp. Tức là xác định [x, y] thông qua [q1, q2]. 3.2.2. Động họ ngượ Mô hình động học ngược của robot là rất quan trọng trong vi c thiết kế điều khiển. Mô hình này cho phép xác định vị trí biến khớp q từ toạ độ (x, y) cho trước hoặc mong muốn. Đối với tay máy ro ot đã nêu, ta có:  q1   q     x, y  1 (3.4)  2 3.2.3. Phương ình La ang -Euler: hương trình động lực học nhận được bằng cách áp dụng phương trình Lagrange: d  L  L      i (3.11) dt  q1  q1 Từ đây, ta có:  1  m1l12  m2l12  m2l2  2m2l1l2 cosq2   I1  I 2 q1  2     m2l2  m2l1l2 cosq2   I 2 q2  2   2m2l1l2 sin q2 q1q2  m2l1l2 sin q2 q2   2 (3.12)
9  2  m2 l 2  m2 l1l 2 cosq 2   I 2 q1 2   2    m2 l 2  I 2 q 2  m2 l1l 2 sin q 2 q12  (3.13) 3.2.4. Mô hình ng há ủa ay máy b Hay hai phương trình (3. ) và (3. 3) có thể viết lại như sau:  M 11 (q) M 12 (q)  C11 (q) C12 (q)  M (q) M (q) q  C (q) C (q) q      21 22   21 22  Trong đó:   M11  m1l12  m2 l12  l2  2l1l2 cosq2   I1  I 2 2 (3.14)  M12  m2 l2  l1l2 cosq2   I 2 2  (3.15) M 21  m l 2 2 2  l1l2 cosq  I 2 2 (3.16) M 22  m2l2  I 2 2 (3.17) C11  m2 l1l 2 sin q2 q2  (3.18) C12  C22  0 (3.19) C21  m2l1l2 sinq2 q1  (3.20) g1  = (m1+m2)gl1cos( 1)+m2gl2cos( 1+ 2)   (3.21) g2 =m2gl2cos(M12+ 1)  (3.22) Ta có thể viết mô hình tổng quát của tay máy ro ot như sau: M q q  C q q     (3.23) Nếu có xét đến lực ma sát của các khớp:
10 f q  Fm1q  Fm2 signq thì (4. 3) được viết lại thành:    M q q  Cq q  f q      Trong phạm vi đề tài này, tác gi chỉ sử dụng (3. 3) để xây dựng mô hình tay máy robot. Đặt x1  q1 ; x2  q1 ; x3  q1 ; x4  q2 ; x5  q2 ; x6  q2 ; u1   1; u2   2     Khi đó ta có: M 12 u 2  M 22 u1  M 22 C11 x2  M 22 C12 x5  M 12 C21 x2 x3  M 12 M 21  M 22 M 11 (3.24) M 11 u 2  M 21u1  M 12 C11 x2  M 21C12 x5  M 11C12 x2 x6  M 22 M 11  M 12 M 21 (3.25) 3.3. XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH TAY MÁY ROBOT 3.3.1. Sơ đồ ấu ú động ơ 1 h u Km E  l s   . .T1  K MĐ .T1 (3.47) R T Trong đó: l là mô men để điều khiển tay máy robot, Km là hằng số mô men, R là đi n trở phần ứng động cơ đi n một chiều, T = 1/f là chu kỳ của bộ PWM,
11 E là đi n áp một chiều đặt lên các van mạch cầu H Km E K MĐ  . là hằng số mạch đi n. R T 3.3.2. Th ế ế bộ PID  1   Sử dụng bộ PID với R( s)  k p 1   T s  TD s  thì   I  chọn: k p  0,6kth TI  0,5Tth và TD  0,12Tth 3.3.3. Nhận ng mô hình đặ nh động Chất lượng đặc tính động được mô t bằng các h số a1,a2,b1,b2 của phương trình rời rạc theo thời gian như sau: y(k )  a1 y(k  1)  a2 y(k  2)  b1u(k  1)  b2u(k  2)  e(k ) (3.49) Trong đó e(k) phụ thuộc vào các h số a1,a2,b1,b2. Tiêu chuẩn đánh giá được diễn t : N J  e( k ) k n 1 (3.50) 3.3.4. Th ế ế bộ đ u h n mờ Bộ điều khiển Mờ gồm hai biến trạng thái Mờ đầu vào và một biến điều khiển Mờ đầu ra (hình dưới đây). Mỗi biến được chia thành nhiều giá trị Mờ. Chọn hàm thuộc dạng tam giác cho một biến đầu vào và một biến đầu ra, mô hình bộ điều khiển như sau:
12 Hình 3.9: Mô hình bộ điều chỉnh Mờ 2 vào một ra Chọn 5 biến ngôn ngữ cho biến đầu vào (e),(e.) và 5 biến ngôn ngữ cho biến đầu ra như sau: e = e. = uf = {NB, NS, ZO, PS, PB}, Hình 3.10: Hàm thuộc (e) Hình 3.11 Hàm thuộc (e.) Hình 3.12 Hàm thuộc (uf)
13 Từ đó ta có thể thiết kế một bộ điều khiển Mờ với 25 luật hợp thành như sau: NB NS ZO PS PB E e. NB PB PB PB PS ZO NS PB PB PS ZO NS ZO PB PS ZO NS NB PS PS ZO NS NB NB PB ZO NS NB NB NB Ta chọn luật Mờ SUM-MIN và gi i Mờ bằng phương pháp điểm trọng tâm. Trong đó các giá trị của hàm thuộc (e.) được điều chỉnh bằng cách dịch chuyển sigma trong kho ng [0.15;0.85] theo hình sau: Hình 3.13a.Hàm thuộc Hình 3.13b. Hàm thuộc NB(e.) và PB(e.) NS(e.) và PS(e.)
14 Hình 3.13 c. Hàm thuộc ZO(e.) 3.3.5. Thuậ án ố ưu N an M a Để tối ưu hóa hàm liên thuộc (e.) thì hàm tiêu chuẩn sau được dung để mô t thuật toán điều khiển integral of time multiplied absolute error (ITAE). H   0te(t)dt 0 (3.63) Trong đó H=f(kz,ks,kb) là hàm của vecto tham số k(kz,ks,kb). Tối ưu hàm liên thuộc  (e.) chính là đi tìm giá trị nhỏ nhất của H*, bằng cách tìm đáp ứng đúng của vecto k* của hàm liên thuộc. Tính toán giá trị f(k*) bằng thuật toán tối ưu Nelder and Mead’s được miêu t trong bài báo (AJ. A. Nelder and R. Mead, “A simplex method for function minimization,” Comp. J., vol. 7, pp. 308–313, 1965.)
15 3.3.6. Mô hỏng ay máy b 3.4. KẾT LUẬN Chương này đã giới thi u được mô hình tay máy robot và cách xây dựng bộ điều khiển h phi tuyến bằng phương pháp mô hình hóa đặc tính động, áp dụng cho tay máy robot. Kết qu được mô t ở phần mô phỏng chương 4
16 CHƯƠNG 4 – KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 4.1. MÔ PHỎNG VỚI BỘ ĐIỀU KHIỂN PID: Hình 4.1. Chuyển động bám của khâu 1 theo bộ điều khiển PID Hình 4.2 Chuyển động bám của khâu 2 theo bộ điều khiển PID
17 V Vận tốc tốc ận Thời gian T Hình 4.3. Vận tốc hời giantheo bộ điều khiển PID khâu 1 Vận tốc Thời gian Thời gian Hình 4.4. Vận tốc khâu 2 theo bộ điều khiển PID
18 Hình 4.5. Mô men khâu 1 theo bộ điều khiển PID Hình 4.6. Mô men khâu 2 theo bộ điều khiển PID