Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Điều khiển tay máy 3 bậc tự do theo thuật toán PID cải tiến

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:72

Thêm vào BST

Báo xấu

32
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung nghiên cứu của luận văn là tìm hiểu tổng quan và các phương pháp điều khiển robot. Lập phương trình động học ngược. Lập trình điều khiển tay máy scara theo thuật toán PID trên LabVIEW. Mô phỏng 3D trên LabVIEW

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Điều khiển tay máy 3 bậc tự do theo thuật toán PID cải tiến

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP. HCM --------------------------- PHẠM CÔNG VŨ Đề tài: ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY 3 BẬC TỰ DO THEO THUẬT TOÁN PID CẢI TIẾN LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : Kỹ thuật điện Mã số ngành: 60520202 TP. HỒ CHÍ MINH, tháng ….. năm ……..
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP. HCM --------------------------- PHẠM CÔNG VŨ Đề tài: ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY 3 BẬC TỰ DO THEO THUẬT TOÁN PID CẢI TIẾN LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : Kỹ thuật điện Mã số ngành: 60520202 HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Đồng Văn Hướng TP. HỒ CHÍ MINH, tháng ….. năm …….
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP. HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. Đồng Văn Hướng Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ TP. HCM ngày … tháng … năm … Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ) 1. …………………………………………………………… 2. …………………………………………………………… 3. …………………………………………………………… 4. …………………………………………………………… 5. …………………………………………………………… Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được sửa chữa (nếu có). Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV
TRƯỜNG ĐH KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP. HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG QLKH - ĐTSĐH Độc lập - Tự do - Hạnh phúc TP. HCM, ngày..… tháng….. năm 20..… NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Phạm Công Vũ Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 26/03/1977 Nơi sinh:Biên Hòa Chuyên ngành: Kỹ thuật điện MSHV:1181031075 I- TÊN ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY 3 BẬC TỰ DO THEO THUẬT TOÁN PID CẢI TIẾN II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Tìm hiểu tổng quan và các phương pháp điều khiển robot - Lập phương trình động học ngược. - Lập trình điều khiển tay máy scara theo thuật toán PID trên LabVIEW. - Mô phỏng 3D trên LabVIEW - Thiết kế và thi công robot. III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 21/06/2012 IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 12/2012 V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. Đồng Văn Hướng ................................................................................................................................................. ................................................................................................................................................. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH Đồng Văn Hướng
1 MỤC LỤC CHƢƠNG 1. GIỚI THIỆU LUẬN VĂN ------------------------------------------------------------------------------ 2 1.1 Đặt vấn đề ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 2 1.2. Mục tiêu của đề tài -------------------------------------------------------------------------------------------- 3 1.3. Nội dung nghiên cứu ----------------------------------------------------------------------------------------- 3 1.4. Phương pháp thực hiện --------------------------------------------------------------------------------------- 3 1.5. Điểm mới của luận văn--------------------------------------------------------------------------------------- 3 1.6. Giá trị thực tiễn của luận văn ------------------------------------------------------------------------------- 4 1.7. Bố cục luận văn ------------------------------------------------------------------------------------------------ 4 CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT------------------------------------------------------------------------------------- 5 2.1. TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP ------------------------------------------------------- 5 2.1.1. Lịch sử phát triển -------------------------------------------------------------------------------- 5 2.1.2. Phân loại Robot công nghiệp ------------------------------------------------------------------- 6 2.1.3. Ứng dụng của robot ------------------------------------------------------------------------------ 7 2.1.4. Tổng quan tình hình nghiên cứu Robot trong và ngoài nước ---------------------------- 7 CHƢƠNG 3. CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ROBOT. ------------------------------------------------- 8 3.1. Phương pháp điều khiển động lực học ngược. ---------------------------------------------------------- 8 CHƢƠNG 4. ĐỘNG HỌC TAY MÁY VÀ ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY. -------------------------------------- 9 4.1. Giải bài toán phép biến đổi giải tích------------------------------------------------------------------------ 9 4.2. Lưu đồ thuật toán điều khiển Robot ---------------------------------------------------------------------- 11 4.3. Ngôn ngữ lập trình LabVIEW ----------------------------------------------------------------------------- 13 4.3.1. Giới thiệu -------------------------------------------------------------------------------------- 13 4.3.2. Lập trình LabVIEW ----------------------------------------------------------------------------- 14 4.3.3. Mô phỏng 3D trong LabVIEW --------------------------------------------------------------- 15 CHƢƠNG 5. THIẾT KẾ ROBOT VÀ LẬP TRÌNH CHO ROBOT THEO PID CẢI TIẾN 5.1. Thuật toán điều khiển PID cải tiến cho robot -------------------------------------------------- 16 5.2. Thiết kế phần cơ khí tay máy của robot --------------------------------------------------------- 18 5.3. Thiết kế phần điện ----------------------------------------------------------------------------------- 19 CHƢƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN -------------------------------------------------------- 20 TÀI LIỆU THAM KHẢO
2 CHƢƠNG 1. 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 được để đơn giản việc phân tích và thiết kế hoặc đề ra các thuật toán điều khiển mới nhằm nâng cao chất lượng đáp ứng của robot. Các phương pháp điều khiển thông thường sử dụng biện pháp phân tích gián tiếp thông qua mô hình làm việc của hệ, song lại không cung cấp được thông tin một cách đầy đủ về toàn bộ hệ thống. Còn đối với những phương pháp phân tích trực tiếp thì ngoại trừ tiêu chuẩn Lyapunov cho việc phân tích ổn định và phương pháp mặt phẳng pha giới hạn ở hệ phi tuyến có hai biến trạng thái, cho tới nay chưa có một phương pháp cụ thể nào khác. Phương pháp điều khiển phân ly phi tuyến có nhược điểm là hệ thống điều khiển có tính phi tuyến cao, do đó độ phức tạp trong điều khiển là khá lớn, khó có khả năng thực hiện trong thực tế.
3 Phương pháp điều khiển thích nghi theo mô hình chuẩn chỉ thực hiện đơn giản cho mô hình tuyến tính với giả thuyết bỏ qua sự liên hệ động lực học giữa các chuyển động thành phần trong hệ. Ngoài ra, sự ổn định của hệ thống kín cũng đang là vấn đề khó giải quyết với tính phi tuyến cao của mô hình chuẩn. Phương pháp điều khiển thích nghi theo sai lệch có luật điều khiển thích nghi được đơn giản hóa bằng cách áp dụng phương pháp điều khiển thích nghi suy giảm phân ly, do đó phương pháp này luôn tồn tại sai lệch quỹ đạo trong quá trình điều khiển thực và như vậy sẽ không phù hợp với yêu cầu của hệ thống điều khiển chính xác quỹ đạo. Phương pháp điều khiển robot cánh tay 3 bậc tự do theo thuật toán PID cải tiến có đầy đủ các yếu tố cho việc thiết kế bộ điều khiển có các tính năng theo yêu cầu đề ra. Tính ổn định của điều khiển PID cải tiến rất rộng và bền vững đối với tác động bên ngoài. 1.2. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI: Để thực hiện đề tài này cần thực hiện các công việc: - Thiết kế và lập trình được cho robot theo thuật toán PID cải tiến - Mô phỏng được 3D trong LabVIEW 1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU - Để đạt được các mục tiêu trên cần giải quyết các vấn đề sau: + Lập phương trình động học ngược + Các phép toán trong LabVIEW + Mô phỏng 3D trong LabVIEW + Thiết kế phần cơ - điện của robot + Thuật toán điều khiển PID cải tiến cho robot 1.4. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU: - Trao đổi với giáo viên hướng dẫn về nhiệm vụ được giao và các vấn đề có liên quan. - Tìm hiểu lý thuyết về điều khiển cánh tay 3 bậc tự do và thuật toán PID làm cơ sở cho việc thiết kế bộ điều khiển cho robot. - Tham khảo các sách, bài báo trên mạng về robot - Thiết kế phần cơ - điện của robot - Nghiên cứu Thuật toán điều khiển PID cải tiến cho robot
4 1.5. ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN VĂN: Nghiên cứu các nhiệm vụ và yêu cầu mới về ổn định, tin cậy của hệ robot tay máy để phù hợp với tình hình kinh tế phát triển. Tìm hiểu cấu trúc và hoạt động của robot theo thuật toán PID cải tiến và mô phỏng 3D trên LabVIEW 1.6. GIÁ TRI THỰC TIỄN CỦA LUẬN VĂN: Hệ tay máy 3 bậc tự do Scara được sử dụng nhiều trong công nghiệp trên thế giới. Đề tài “ Điều khiển tay máy 3 bậc tự do theo thuật toán PID cải tiến” góp phần vào việc phát triển nghiên cứu robot này ở Việt Nam, nhằm mục đích phục vụ cho công tác đào tạo và nghiên cứu ở các trường đại học, cao đẳng và trung cấp chuyên nghiệp 1.7. BỐ CỤC LUẬN VĂN: Luận văn gồm 6 chương:  Chương 1: Giới thiệu luận văn.  Chương 2: Cơ sở lý thuyết  Chương 3: Các phương pháp điều khiển robot  Chương 4: Động học tay máy và điều khiển tay máy.  Chương 5: Thiết kế robot và lập trình robot theo PID cải tiến  Chương 6: Kết quả thực nghiệm và kết luận Phụ lục và tài liệu tham khảo
5 CHƢƠNG 2. 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 giác. Vào thời gian này công ty IBM đã chế tạo Robot có các cảm biến xúc giác và cảm biến lực điều khiển bằng máy vi tính để lắp ráp các máy in gồm 20 cụm chi tiết . Những năm 90 do áp dụng rộng rãi các tiến bộ khoa học về vi xử lý và công nghệ thông tin, số lượng Robot công nghiệp đã tăng nhanh, giá thành giảm đi rõ rệt, tính năng đã có nhiều bước tiến vượt bậc. Nhờ vậy Robot công nghiệp đã có vị trí quan trọng trong các dây truyền sản xuất hiện đại. Ngày nay, chuyên ngành khoa học nghiên cứu về Robot “Robotics” đã trở thành một lĩnh vực rộng trong khoa học, bao gồm các vấn đề cấu trúc cơ cấu động học, động lực học, lập trình quỹ đạo, cảm biến tín hiệu, điều khiển chuyển động v.v… Có thể nói, Robot là sự tổ hợp khả năng hoạt động linh hoạt của các cơ cấu điều khiển từ xa với mức độ “tri thức” ngày càng phong phú của hệ thống điều khiển theo chương trình số cũng như kỹ thuật chế tạo các bộ cảm biến, công nghệ lập trình và các phát triển của trí khôn nhân tạo, hệ chuyên gia ...
6 Trong những năm sau này, việc nâng cao tính năng hoạt động của robot không ngừng phát triển. Các robot được trang bị thêm các loại cảm biến khác nhau để nhận biết môi trường chung quanh, cùng với những thành tựu to lớn trong lĩnh vực Tin học - Điện tử đã tạo ra các thế 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 xuất hiện đại. 2.1.2. Phân loại Robot công nghiệp 2.1.2.1. Theo chủng loại, mức độ điều khiển, và nhận biết thông tin của tay máy-người máy đã được sản xuất trên thế giới có thể phân loại các IR thành các thế hệ sau: Thế hệ 1: Thế hệ có kiểu điều khiển theo chu kỳ dạng chương trình cứng không có khả năng nhận biết thông tin. Thế hệ 2: Thế hệ có điều khiển theo chu kỳ dạng chương trình mềm bước đầu đã có khả năng nhận biết thông tin. 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: - 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 Tuy nhiên trong thực tế, đối với các tay máy chuyên dùng ta chuyên môn hoá và đặc biệt đảm bảo giá thành và giá đầu tư vào tay máy thấp, người ta không nhất thiết lúc nào cũng phải chế tạo tay máy có đủ số ba khớp động cho cấu trúc xác định vị trí. 2.1.2.3. Phân loại theo kết cấu : Theo kết cấu của tay máy người ta phân thành robot kiểu toạ độ Đề các, Kiểu toạ độ trụ, kiểu toạ độ cầu, kiểu toạ độ góc, robot kiểu SCARA. 2.1.2.4. Phân loại theo hệ thống truyền động : Có các dạng truyền động phổ biến là : Hệ truyền động điện : Thường dùng các động cơ điện 1 chiều (DC : Direct Current) hoặc các động cơ bước (step motor). Loại truyền động này dễ điều khiển, kết cấu gọn.
7 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 theo chương trình định sẳn với các thao tác đơn giản “nhấc lên - đặt xuống” 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 cong 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. 2.1.4. Tổng quan tình hình nghiên cứu Robot trong và ngoài nước Ngày nay, tự động hóa là một trong những ngành kỹ thuật cao đang phát triển mạnh mẽ và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của đời sống xã hội. Đặc biệt trong các dây chuyền sản xuất công nghiệp, các tay máy và người máy đã được sử dụng rộng rãi nhằm thay thế sức lao dộng của con người, góp phần nâng cao năng suất, chất lượng, giãm giá thành sản phẩm. Ở nước ta trong thập niên qua, tình hình ứng dụng robot có những thay đổi lớn. Nhiều doanh nghiệp phải nhập các thiết bị robot trong dây chuyền sản xuất. Do nhu cầu thực tế đặt ra như vậy, đòi hỏi phải nghiên cứu và đào tạo về các hệ thống robot để phát triển ngành này ở nước ta. Một số đề tài nghiên cứu khoa học ở nước ta từ trước cho tới nay như: - Đề tài 58A-03 với nội dung nghiên cứu ứng dụng robot trong kỹ thuật bảo hộ lao động. - Đề tài 52B.0301: “Ứng dụng tay máy – người máy công nghiệp” - Đề tài KC.03.02 “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot phục vụ sản xuất trong các điều kiện môi trường độc hại và không an toàn” Trong những năm 1980, robot công nghiệp đã có bước phát triển mạnh mẽ, do các yêu cầu cao về tự động hóa linh hoạt và kinh tế trong thám hiểm không gian và công nghệ ô tô. Vào năm 1990, nhiều công ty ở Bắc Mỹ, Châu Âu và Nhật Bản đã sử dụng rộng rãi robot trong nhiều lĩnh vực công nghiệp.
8 Chƣơng 3. CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ROBOT 3.1. Phương pháp điều khiển động lực học ngược Nguyên lý của phương pháp này là chọn một luật điều khiển phù hợp để khử thành phần phi tuyến của phương trình động lực học và phân ly đặc tính động lực học của các khớp nối.  (t )  H (q ).q (t )  h(q , q )  g (q ) (3 – 1 ) Nếu ta biết các tham số của robot ta có thể tính được các ma trận H, h, g từ đó có luật điều khiển.  dk  H (q )U  h(q , q )  g (q ) (3 – 2 ) cân bằng  dk   với điều kiện H(q)  0 và q  U q (vectơ điều khiển phụ ). Như vậy động lực học hệ thống kín sẽ được phân tích thành hệ phương trình vi phân tuyến tính hệ số hằng. q  U Với robot n khớp nối tương đương với n hệ con độc lập. Chọn U là tín hiệu điều khiển phụ có cấu trúc PID. Lúc đó: t  U = qd + KD (qd – q) + KP (qd – q) + KI (q d  q)dt 0 (3–3) trong đó: dq , q là biến khớp đặt và biến khớp thực của khớp qd , q là tốc độ đặt và tốc độ thực của khớp. e qd - q qd + Kp e + qd 1 U Tính  Robot  KDe +KI e(t )dt H(q)U +h (q,q) +g(q) q qd e 0 - Hình 3.1: Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển động lực học ngược. Và phương trình sai số tương ứng sẽ là: ,, , ,, ,   KD   KP   KI (3 – 4 )
9 Các hệ số KD, KP, KI được chọn theo điều kiện ổn định của Lyapunov để sai số giữa quỹ đạo chuyển động chuẩn và quỹ đạo chuyển động thực hội tụ tại điểm 0 không phụ thuộc vào điều kiện ban đầu. Ưu điểm của phương pháp này là khử được tính phi tuyến và sự ràng buộc trong phương trình động lực học. Nhược điểm của nó là phải biết được đầy đủ chính xác các thông số cũng như đặc tính động lực học robot, đồng thời cũng phát sinh tính toán phụ. Thuật toán tính toán điều khiển U sẽ liên quan các phép tính lượng giác nên phải thực hiện một số phép nhân ma trận vectơ và ma trận phụ. Thời gian tính toán lớn là một yếu tố ảnh hưởng đến sự hạn chế của phương pháp này. Chƣơng 4. ĐỘNG HỌC TAY MÁY VÀ ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY 4.1. Giải bài toán phép biến đổi giải tích. Nội dung bài toán này được phát biểu như sau: “Cho trước số khâu, số khớp, loại khớp, kích thước di động của các khâu thành viên, và cho trước vị trí hướng của khâu tác động cuối trong hệ tọa độ Descarters. Ta phải xác định vị trí của các khâu thành viên thong qua các tọa độ suy rộng của chúng sao cho khâu tác động cuối đạt được vị trí và hướng yêu cầu”. Nếu như so với bài toán thuận có một đáp số duy nhất thì ngược lại bài toán ngược có vô số đáp số, lý do là sự mô tả vị trí tương đối giữa các khâu thành viên chỉ là ánh xạ theo chiều thuận mà không có chiều nghịch. Để giải quyết vấn đề này nhằm chọn ra nghiệm tối ưu, người ta đưa ra các ràng buộc về động học bên trong 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 Hình 4-1: Cánh tay máy 2 bậc tự do ở vị trí ban đầu Thiết lập thông số ban đầu Chiều dài Link 1 (d1-mm) 110 Chiều dài Link 2 (d2-mm) 95 Giải bài toán động học ngược
10 Gọi M(X,Y) là điểm cuối cùng của tay máy. Hình 4-2: bài toán động học ngược Ta có: Cos  2  ( X 2  Y 2  d12  d 22 ) /( 2  d1  d 2 ) Sin  2  1  cos  22 K 1  d1  d 2  cos  2 K 2  d 2  sin  2 Suy ra : 1  a tan 2( X , Y )  a tan 2( K 1, K 2 ) ( Rad )  2  a tan 2(cos  2 , sin  2 ) ( Rad )
11 4.2. Lưu đồ thuật toán điều khiển robot.
12 Hình 3-4: Lƣu đồ thuật toán điều khiển robot 3.4. NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH LabVIEW 3.4.
13 4.3. Giới thiệu về phần mềm LabVIEW  LabVIEW là gì? LabVIEW là một công cụ phần mềm hàng đầu công nghiệp trong việc phát triển các hệ thống thiết kế, điều khiển và kiểm tra. Kể từ khi ra đời năm 1986, các kỹ sư và nhà khoa học trên toàn thế giới đã tin cậy vào NI LabVIEW nhờ chất lượng ngày càng cao, hiệu quả sản xuất lớn hơn. Tên gọi LabVIEW? LabVIEW là viết tắt của : Laboratory Virtural Instrumentation Engineering Workbench (công cụ trong kĩ thuật- các thiết bị ảo trong phòng thí nghiệm)  Lịch sử: LabVIEW được thành lập vào năm: 1976 bởi công ty National Instruments (NI) khi đó chủ yếu ứng dụng trong điều khiển, đo lường. Năm 1986 LabVIEW cho ra đời phiên bản Labview 6.1 … Và bây giờ phiên bản mới nhất là LabVIEW 2009. Hình 4-3: Giao diện chính của phần mềm LabVIEW phiên bản 2009  LabVIEW có thể làm được gì? LabVIEW là 1 phần mềm lập trình Graphic (hay lập trình G). Labview được dùng nhiều trong phòng thí nghiệm, lĩnh vực khoa học kỹ thuật như: tự động hóa, điều khiển, điện tử, cơ điện tử, hàng không, hóa sinh, điện tử y sinh,… Hiện tại ngoài phiên bản
14 LabVIEW cho hệ điều hành Windows, Linux, hãng NI đã phát triển các mô-đun LabVIEW cho máy hỗ trợ cá nhân (PDA). Các ứng dụng của LabVIEW có thể được tóm tắt như sau: - Thu thập tín hiệu từ các thiết bị bên ngoài như cảm biến nhiệt độ, hình ảnh từ webcam, vận tốc động cơ,… - Giao tiếp với các thiết bị ngoại vi thông qua các chuẩn giao tiếp: RS232, RS485, USB, PCI, Ethernet. Để điều khiển những thiết bị ở những nơi con người không thể làm việc được, một ví dụ : Một con robot là một cái máy xúc được điều khiển để làm việc dưới đáy biển, nơi mà con người khó có thể thực hiện tốt những nhiệm vụ đặc biệt… - Mô phỏng và xử lí các tín hiệu thu nhận được để phục vụ các mục đích nghiên cứu hay mục đích của hệ thống mà người lập trình mong muốn. - Xây dựng các giao diện người dùng một cách nhanh chóng và thẩm mỹ hơn nhiều so với các ngôn ngữ lập trình khác như Visual Basic, Matlab,… - Cho phép thực hiện các thuật toán điều khiển như PID, Logic mờ ( Fuzzy Logic), một cách nhanh chóng thông qua các chức năng tích hợp sẵn trong LabVIEW. - Cho phép kết hợp với nhiều ngôn ngữ lập trình truyền thống như C, C++, Matlab … 4.4. Lập trình với LabVIEW Để làm việc với phần mềm LabVIEW ta thao tác trên 2 cửa sổ là Front Panel và Block Diagram. Hai cửa sổ này sẽ xuất hiện sau khi ta khởi động phần mềm LabVIEW. Hình 4-4: Giao diện làm việc của phần mềm LabVIEW, a- cửa sổ Front Panel, b- cửa sổ Block Diagram.
15 Cửa sổ Front Panel hay còn gọi là giao diện người dùng. Của sổ này dùng để khởi tạo các Control (Input) và các Indicator (ouput). Nghĩa là trên cửa sổ này ta có thể thiết lập các thông số đầu vào của một ứng dụng nào đó và có thể thấy được kết quả khảo sát hay tính toán của ứng dụng đó. Cửa sổ Block Diagram là cửa sổ dùng để người lập trình khởi tạo, viết các thuật toán cho ứng dụng của mình. Nó bao gồm các hàm toán học (cộng, trừ, nhân, chia, đạo hàm, tích phân, ma trận…), các hàm lặp (while loop), các hàm tạo trễ… Nghĩa là trên cửa sổ Block Diagram chứa những thuật toán giải quyết các bài toán ứng dụng mà người lập trình khởi tạo, có thể điều khiển và hiển thị kết quả trên cửa sổ Front Panel. Các hàm tính toán có liên quan trong của sổ Block Diagram được nối với nhau bằng dây dẫn theo kiểu truyền tín hiệu. Đây cũng là một lợi điểm của LabVIEW so với các phần mềm khác ở tính trực quan và dễ làm việc. Để hình dung được LabVIEW làm việc ra sao, tác giả sẽ đưa ra một bài toán nhỏ và giải quyết nó trên phần mềm này. 4.5. Mô phỏng 3D trong LabVIEW Với toolkit 3D Picture Control LabVIEW cho phép mô phỏng động học, động lực học các hệ thống vật lý từ đơn giản đến phức tạp, cánh tay robot… Có thể nói LabVIEW là một ngôn ngữ lập trình-mô phỏng rất mạnh mẽ. Còn rất nhiều toolkit khác mà trong giới hạn đề tài tác giả không thể trình bày hết. Trong các phần tiếp theo của đề tài tác giả sẽ ứng dụng LabVIEW để giao tiếp với thiết bị phần cứng để điều khiển Robot cánh tay 3 bậc tự do. Hình 4-5: Ứng dụng LabVIEW để mô phỏng cánh tay robot 3 bậc tự do. Chƣơng 5.
16 THIẾT KẾ ROBOT VÀ LẬP TRÌNH CHO ROBOT THEO PID CẢI TIẾN 5.1. Thuật toán điều khiển PID cải tiến cho robot 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 Giá trị càng lớn thì đáp ứng càng nhanh do đó sai số càng lớn, bù khâu tỉ lệ càng lớn. Một giá trị độ lợi tỉ lệ quá lớn sẽ dẫn đến quá trình mất ổn định và dao động. Độ lợi tích phân, Ki Giá trị càng lớn kéo theo sai số ổn định bị khử càng nhanh. Đổi lại là độ vọt lố càng lớn: bất kỳ sai số âm nào được tích phân trong suốt đáp ứng quá độ phải được triệt tiêu tích phân bằng sai số dương trước khi tiến tới trạng thái ổn định. Độ lợi vi phân Kd: Giá trị càng lớn càng giảm độ vọt lố, nhưng lại chậm đáp ứng quá độ và có thể dẫn đến mất ổn định do khuếch đại nhiễu tín hiệu trong phép vi phân sai số. * Các cải tiến đối với thuật toán PID Thuật toán PID cơ bản xuất hiện vài thử thách trong các ứng dụng điều khiển, và được khắc phục bởi các cải tiến nhỏ trong biểu thức của PID. Tích phân khởi động Một vấn đề phổ biến của bộ PID lý tưởng là Tích phân khởi động, nơi xảy ra thay đổi điểm đặt lớn (tức là thay đổi dương) và khâu tích phân tích lũy một sai số đáng kể lúc tăng (khởi động), vì vậy làm vọt lố và duy trì liên tục việc tăng sai số tích lũy bị gián đoạn. Có thể khắc phục điều này bằng cách: • Thiết đặt giá trị tích phân ban đầu cho bộ điều khiển tới giá trị mong muốn • Tăng điểm đặt với độ dốc thích hợp • Không cho phép chức năng tích phân cho đến khi PV đi vào vùng điều khiển được • Giới hạn khoảng thời gian vượt quá sai số tích phân được tính toán • Ngăn không cho khâu tích phân tích lũy trên hoặc dưới biên xác định trước * Các hạn chế của điều khiển PID Trong khi các bộ điều khiển PID có thể được dùng cho nhiều bài toán điều khiển, và thường đạt kết quả như ý mà không cần bất kỳ cải tiến hay thậm chí điều chỉnh nào, chúng có thể rất yếu trong vài ứng dụng, và thường không cho ta điều khiển tối ưu. Khó khăn cơ bản của điều khiển PID là nó là