Sử dụng bộ điều khiển nơron được tối ưu bằng giải thuật di truyền trong mạch truyền
thẳng điều khiển robot bằng phương pháp tính momen.
Tác giả:
Nguyễn Trần Hiệp - Học viện Kỹ thuật Quân sư.
Phạm Thượng Cát - Viện Công nghệ Thông tin.
Tóm tắt:
Phương pháp tính momen là một phương pháp phổ biến trong điều khiển robot hiện đại. Nó cho phép loại bỏ
được tất cả các thành phần phi tuyến và liên kết chéo trong robot. Nhược điểm của phương pháp này là các tham số
phi tuyến thường không được ước lượng chính xác và quá trình tính toán phức tạp đòi hỏi thời gian thực. Vì vậy
trong thực tế dao động và quá chỉnh thường xuyên xuất hiện khi điều khiển bằng phương pháp tính momen. Mạng
nơron và thuật di truyền có thể cho phép khắc phục được những nhược điểm này. Bài báo này giới thiệu việc sử
dụng mạng nơron được tối ưu bằng thuật di truyền thực hiện tính toán chính xác các tham số phi tuyến và liên kết
chéo của hệ robot. Hệ điều khiển được kiểm chứng bằng MATLAB SIMULINK 6.0 trên cánh tay máy hai bậc tự do.
Abstract:
The computed torque method is very popular in modern in rorbot control. The computed torque method involes
computation and cancellation of all non-linearities and cross-coupling terms. The disadvantage of this method is the
misestimation of non – linear parametes and the computation complexity of the real-time implementation. In practice
oscillation and overshoot always occurs when computed torque method applicated. The drawbacks of this method
are overcome by Neural network and genetic algorithm. This paper presents a neural netwokr optimied by genetic
algorithm to correct computation of all non-linearities and cross-coupling terms.. The controller was tested through
simulation by MATLAB simulink 6.0 on the 2 – DOF manipulator.
1. Đặt vấn đề.
Phương pháp tuyến tính hoá phản hồi hay còn
được gọi là phương pháp tính momen là một phương
pháp điều khiển hiện đại trong công nghiệp robot. Bộ
điều khiển được thực hiện trên cơ sở tách riêng mô
hình động lực học của robot thanh hai phần tuyến tính
và phi tuyến, do đó các thành phần như trọng lực, lực
ma sát, momen hướng tâm, lực Coriolis .v.v. sẽ được
bù đủ [18] [20]. Khi đó, bộ điều khiển PD hay PID
được sử dụng để điều khiển vị trí của robot tiệm cận
với quỹ đạo mong muốn. Sơ đồ hệ điều khiển tính
momen được biểu diễn như sau:
Dựa vào sơ đồ trên ta viết được phương trình:
q),qh(H(q)uτ&
+= (11)
eKde(τK eKqu &&&
D
t
0
IPd τ+
∫
++= ) (1.2)
Trong đó e = qd – q;
qqe &&& −= d
KI , KP, KD là các ma trận đường chéo xác định
dương. Nếu ma trận H và vector h được xác định
chính xác thì momen τ cũng được xác định chính xác
và robot sẽ được điều khiển bám sát quỹ đạo mong
muốn. Vì ma trận H là xác định dương và khả đảo
nên từ hình 1 và công thức 1.1 vòng điều khiển kín có
dạng:
uq
=
&& (1.3)
Như vậy hệ kín có dạng là n tích phân riêng biệt
điều khiển độc lập n khớp và tín hiệu điều khiển độc
lập tại mỗi khớp sẽ là:
iDi
t
0
i
iIPidi ekdτ(τe k
i
ekq
i
u&&& +
∫
++= )
(1.4)
Khi ma trận H và vector h giả thiết được xác định
chính xác, hệ thống sẽ là ổn định tiệm cận nếu các hệ
số k
Di, kPi, kIi và thậm chí không còn xuất hiện dao
động và độ quá chỉnh trong hệ thống [18]. Thực tế,
ma trân H và vector h không thể biết được chính xác
mà chúng ta chỉ nhận được một giá trị ước lượng H
~
và h
~
( HH ≠
~
;hh ≠
~
). Thay thế các giá trị ước lượng H
~
và h
~
vào phương trình động lực học của robot ta
nhận được:
(
)
(
)
h-hHuHq ~~ 1-1- H+=
&& (1.5)
Rõ ràng phương trình này khác với phương trình
1.3 và vì vậy luật điều khiển tính momen như trên sẽ
gây ra sai số. Trong thực tế phương pháp này phần
nào khắc phục được tính không xác định của mô hình
vì hệ thống đã tính đến các thành phần phi tuyến của
đối tượng điều khiển và sai số của điều khiển phụ
thuộc vào mức độ sai lệch giữa H(θ) và )
~
(θH;
và . Một khó khăn nữa của phương pháp tính
momen là đòi hỏi thực hiện ở chế độ thời gian thực.
Việc tính toán như vậy đòi hỏi những hệ tính toán
)qh(q, &
)q(q,h &
~
H
ình 1: Phư
ơ
n
g
p
há
p
đ
iều khiển tính momen
qd τ
q
&
q
Robot
u Tính:
q),qh(H(q)u &
+
∫++
+
eKdteK
K
D
d
I
P
&
&
d
&
+eq
&
q
&
d
q
&
1
