Tóm tắt luận văn Thạc sĩ Tự động hóa: Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển trượt bậc hai cho tay máy robot công nghiệp

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:26

Thêm vào BST

Báo xấu

15
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trong đề tài "Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển trượt bậc hai cho tay máy robot công nghiệp", tác giả hướng đến việc nghiên cứu, thiết kế thuật toán điều khiển trượt bậc hai (Second-order sliding mode control) cho tay máy robot công nghiệp nhằm mục tiêu tăng độ chính xác, bền vững và đồng thời khắc phục được hiện tượng chattering.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt luận văn Thạc sĩ Tự động hóa: Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển trượt bậc hai cho tay máy robot công nghiệp

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA  MAI TIẾN SỸ NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT BẬC HAI CHO TAY MÁY ROBOT CÔNG NGHIỆP Chuyên ngành : Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa Mã số : 62.52.02.16 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ TỰ ĐỘNG HÓA Đà Nẵng – Năm 2020
Công trình được hoàn thành tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS. Lê Tiến Dũng Phản biện 1: TS. Nguyễn Quốc Định Phản biện 2: TS. Hà Xuân Vinh Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa họp tại Trường Đại học Bách khoa vào ngày 18 tháng 1 năm 2020 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thông tin - Học liệu, Trường ĐHBK - Đại học Đà Nẵng - Thư viện Khoa điện, Trường ĐHBK - Đại học Đà Nẵng
1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Vấn đề nghiên cứu các thuật toán điều khiển tay máy robot công nghiệp đã và đang được các nhà nghiên cứu, các trường đại học, các viện nghiên cứu và các công ty đầu tư thực hiện trong nhiều thập kỷ qua. Trong đó, phương pháp điều khiển trượt (Sliding mode control) đã nhận được nhiều sự chú ý như là một phương pháp điều khiển hữu ích, mạnh mẽ và hiệu quả để khắc phục những thành phần bất định, nhiễu loạn bên ngoài và các biến thiên tham số không thể đoán trước của tay máy robot công nghiệp. Tuy nhiên, phương pháp điều khiển trượt tồn tại một số nhược điểm như cần phải xây dựng mô hình động lực học của tay máy robot và tồn tại hiện tượng dao động (chattering) của tín hiệu điều khiển. Chính vì vậy, ngày nay các biến thể và cải tiến của phương pháp điều khiển trượt áp dụng cho tay máy robot công nghiệp vẫn đang được tiếp tục nghiên cứu để nâng cao hơn nữa chất lượng, hiệu quả hoạt động điều khiển tay máy robot công nghiệp. Trong đề tài này, học viên hướng đến việc nghiên cứu, thiết kế thuật toán điều khiển trượt bậc hai (Second-order sliding mode control) cho tay máy robot công nghiệp nhằm mục tiêu tăng độ chính xác, bền vững và đồng thời khắc phục được hiện tượng chattering. 2. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu.  Mục tiêu tổng quát:  Mục tiêu cụ thể: 3. Đối tƣợng và phƣơng pháp nghiên cứu. Đối tƣợng nghiên cứu. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu.  Phương pháp nghiên cứu lý thuyết:  Nghiên cứu thực tiễn:
2 5. C u tr c của uận văn. Bản luận văn gồm 4 chương chính, nội dung tóm tắt như sau: Chƣơng 1: Giới thiệu chung. Chƣơng 2: Động ực học của tay máy robot. Chƣơng 3: Thiết kế thuật toán điều khiển tay máy robot công nghiệp. Chƣơng 4: Mô phỏng và đánh giá kết quả. 6. Tổng quan tài iệu nghiên cứu CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 1.1. Giới thiệu về ịch sử phát triển của Robot công nghiệp. 1.2. Giới thiệu về tay máy robot công nghiệp Robot công nghiệp là một tay máy tự động linh hoạt thay thế từng phần hoặc toàn bộ các hoạt động cơ bắp và hoạt động trí tuệ của con. Robot là sự kết hợp các mối liên kết cơ học, được điều khiển bằng điện, thủy lực hoặc bằng khí nén. Hầu hết các robot đều sử dụng động cơ DC hoặc AC-servo hoặc động cơ bước vì giá thành rẻ, hoạt động êm hơn và tương đối dễ kiểm soát. Các ứng dụng chẳng hạn như hàn, mài, và lắp ráp,chuyển động phức tạp có thêm một số dạng cảm biến bên ngoài như cảm biến thị giác, xúc giác hoặc cảm biến lực... 1.3. Phân oại Robot công nghiệp 1.4. Ứng dụng của robot công nghiệp. Dưới đây là một số hình ảnh về các robot công nghiệp và các ứng dụng mà chúng ta thường gặp. 1.5. Một số phƣơng pháp điều khiển tay máy Robot công nghiệp. 1.5.1. Điều khiển tính momen.
3 1.5.2. Điều khiển thích nghi. 1.5.3. Điều khiển trượt. CHƢƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA TAY MÁY ROBOT 2.1. Động học thuận, động học ngƣợc của tay máy Robot hai bậc tự do. 2.1.1. Động học thuận của tay máy robot. 2.1.1.1. Các khái niệm cơ bản. 2.1.1.2. Các bước cơ bản để lập phương trình động học của tay máy robot tổng quát 2.1.1.3. hương trình động học của tay máy robot 2 bậc tự do. Khảo sát tay máy robot có 2 khâu phẳng như hình 2.7. Ta gắn lên các hệ trục tọa độ như sau: các trục z, z1 vuông góc với mặt phẳng tờ giấy. Hệ tọa độ cơ sở Oxyz và hệ O1x1y1z1 gắn lên khâu số 2 như hình vẽ. Chọn các biến khớp q1, q2 là góc quay của các khâu 1 và khâu 2 như hình vẽ. Giả sử khâu chấp hành cuối được gắn tại điểm mút P của khâu số 2 có tọa độ P(x,y). cũng chính là tọa độ của vật thể. Phương trình động học của tay máy robot là quan hệ giữa tọa độ của vật thể  x trong hệ tọa độ cơ sở [x y] và các biến khớp [q1 q2]:     q1 , q 2  .  y 2.1.2. Động học ngược của tay máy robot 2 bậc tự do. 2.2. Mô hình động ực học của tay máy Robot n bậc tự do. 2.2.1. Giới thiệu về động lực học của robot. 2.2.2. Động lực học Lagrange của tay máy robot n bậc tự do.
4 CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN BẬC CAO CHO TAY MÁY ROBOT CÔNG NGHIỆP. 3.1. Thuật toán điều khiển trƣợt truyền thống áp dụng cho tay máy robot 3.2. Lý thuyết thuật toán điều khiển trƣợt bậc cao. 3.3 Thuật toán điều khiển trƣợt bậc 2 cho tay máy robot công nghiệp. CHƢƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ. 4.1. Mô phỏng hệ thống điều khiển tay máy Robot công nghiệp 2 bậc tự do hoạt động với thuật toán điều khiển trƣợt truyền thống theo phƣơng pháp ớp biên (BLM) Bảng 3.1: Các thông số kỹ thuật của tay máy robot 2 bậc tự do Tên thông số Ký hiệu Giá trị Khối lượng tay máy thứ 1 m1 3 (kg) Khối lượng tay máy thứ 2 m2 3.5 (kg) Chiều dài tay máy thứ 1 l1 0.5 (m) Chiều dài tay máy thứ 2 l2 0.5 (m) Khoảng cách trọng tâm tay máy thứ 1 đến lc1 0.3 (m) khớp nối Khoảng cách trọng tâm tay máy thứ 2 đến lc2 0.3 (m) khớp nối Gia tốc trọng trường g 9.81 (m/s2)
5 lc2 = 0.3m l2 = 0.5m l1 = 0.5m lc1 = 0.3m m2 = 3,5kg m1 = 3kg Hình 4.1. Cánh tay máy 2 bậc tự do. Feedback signals Torque 1 Desired trajectory Desired trajectory Torque 2 Mechanical Model. Two-link Arm Desired trajectory Sliding Mode Controller Hình 4.1. Mô hình mô phỏng toàn hệ thống trên Matlab, Simulink và SimMechanics 1 Input torque1 Joint Actuator 1 Torque sensor 1 Torque Link 2 Torque sensor 2 Input torque2 Joint Actuator 2 Env B F CS1 CS2 B F CS1 CS2 Machine Environment Ground Body 1 Body 2 Body Sensor Scope Revolute 1 Revolute2 1 Angular Sensor 1 Measurement values Angular Sensor 2 Hình 4.2. Mô phỏng phần cơ khí của tay máy robot trên SimMechanics
6 Hình 4.3. Khối mô phỏng Robot. Giá trị của các tham số của thuật toán điều khiển điều khiển trượt truyền thống sử dụng phương pháp lớp biên: [ ] [ ] [ ] [ ] Scope Scope1 q1 q2 Scope2 1 Feedback si gnal s q1_dot Tor que 1 1 T orque 1 q2_dot qd1 qd2 SlidingModeController 2 Desi red traj ectory qd1_dot Tor que 2 2 qd2_dot T orque 2 qd1_dotdot qd2_dotdot Scope3 Sliding Mode Controller Hình 4.4. Khối mô phỏng thuật toán điều khiển trượt truyền thống. a) Trường hợp 1:  = 0,3 (lớp biên). Hình 4.5. Đồ thị góc quay của khớp 1
7 Hình 4.6. Đồ thị góc quay của khớp 2 Đồ thị ở hình 4.5 và hình 4.6 thể hiện góc quay của khớp 1 và khớp 2 đường nét màu đỏ là góc quay mong muốn, đường nét màu xanh là góc quay thực tế của khớp 1 và khớp 2 do thuật toán điều khiển đạt được. Qua đó chúng ta nhận thấy sau một khoảng thời gian quá độ ngắn ban đầu, góc quay thực tế được điều khiển bám sát với góc quay mong muốn đối với đồ thị góc quay khớp 2. Nhưng đối với góc quay khớp 1 thì chậm bám sát hơn. Hình 4.7. Tín hiệu mô-men điều khiển khớp 1 Hình 4.8. Zoom tín hiệu mô-men điều khiển khớp 1
8 Hình 4.9. Tín hiệu mô-men điều khiển khớp 2 Hình 4.10. Zoom tín hiệu mô-men điều khiển khớp 2 Hình 4.7 và 4.9 thể hiện kết quả tín hiệu mô men điều khiển truyền động cho khớp 1 và khớp 2. Hình phóng đại của các tín hiệu này được thể hiện ở hình 4.8 và 4.10 kết quả cho thấy hiện tượng chattering rất lớn. Hiện tượng này sẽ làm ảnh hưởng xấu đến các thiết bị và dẫn đến nhanh chóng hỏng hóc về mặt cơ khí. Hình 4.11. Mặt trượt s1
9 Hình 4.12. Zoom của mặt trượt s1 cho thấy s  0, bị dao động nên xảy ra chattering Hình 4.13. Mặt trượt s2 Hình 4.14. Zoom của mặt trượt s2 cho thấy s  0, bị dao động nên xảy ra chattering
10 Hình 4.11 và hình 4.13 thể hiện kết quả mặt trượt S1 và mặt trượt S2. Hình phóng đại của các mặt trượt này được thể hiện ở hình 4.12 và hình 4.14. Cho ta thấy do s  0, nên kết quả vẫn bị dao động nên xảy ra hiện tượng chattering. Trường hợp lớp biên:  = 2.2 Hình 4.15. Đồ thị góc quay của khớp 1 Hình 4.16. Đồ thị góc quay của khớp 2 Đồ thị ở hình 4.15 và hình 4.16 thể hiện góc quay của khớp 1 và khớp 2 đường nét màu đỏ là góc quay mong muốn, đường màu xanh là góc quay thực tế của khớp 1 và khớp 2 do thuật toán điều khiển đạt được. Qua đó chúng ta nhận thấy góc quay thực tế không bám với góc quay mong muốn. Nhưng sai số điều khiển bám quỹ đạo lại tăng lên so với Trường hợp lớp biên:  = 0,9.
11 Hình 4.17: Tín hiệu mô-men điều khiển khớp 1 Hình 4.18. Zoom tín hiệu mô-men điều khiển khớp 1 Hình 4.19. Tín hiệu mô-men điều khiển khớp 2
12 Hình 4.20. Zoom tín hiệu mô-men điều khiển khớp 2 Hình 4.17 và 4.19 thể hiện kết quả tín hiệu mô men điều khiển truyền động cho khớp 1 và khớp 2. Hình phóng đại của các tín hiệu này được thể hiện ở hình 4.18 và 4.20 kết quả cho thấy vẫn còn hiện tượng chattering. Nhưng hiện tượng chattering giảm nhiều so trường hợp lớp biên  = 0,9. Và hiện tượng này cũng sẽ làm ảnh hưởng xấu đến các thiết bị và dẫn đến nhanh chóng hỏng hóc về mặt cơ khí. Hình 4.21. Mặt trượt s1 Hình 4.22. Zoom của mặt trượt s1 cho thấy s  0, bị dao động nên xảy ra chattering
13 Hình 4.23. Mặt trượt s2 Hình 4.24. Zoom của mặt trượt s2 cho thấy s  0, bị dao động nên xảy ra chattering Hình 4.21 và hình 4.23 thể hiện kết quả mặt trượt S1 và mặt trượt S2. Hình phóng đại của các mặt trượt này được thể hiện ở hình 4.22 và hình 4.24. Cho ta thấy do s  0, nên kết quả vẫn bị dao động nhỏ so với trường hợp lớp biên  = 0,9. Nhưng vẫn còn xảy ra hiện tượng chattering. Nhận xét: Với kết quả cho thấy mô phỏng ở thuật toán điều khiển tay máy robot công nghiệp 2 bậc tự do hoạt động với thuật toán điều khiển trượt truyền thống. Thì càng tăng giá trị lớp biên thì hiện tượng chattering càng giảm nhưng sai số điều khiển bám quỹ đạo lại tăng lên và ngược lại càng giảm giá trị lớp biên thì hiện tượng chattering càng tăng nhưng sai số bám quỹ đạo lại giảm nhỏ.
14 4.2. Mô phỏng hệ thống điều khiển tay máy Robot công nghiệp 2 bậc tự do hoạt động với thuật toán điều khiển trƣợt bậc 2 (SOSMC – Second order Sliding Mode Control) Giá trị của các tham số của thuật toán điều khiển điều khiển trượt bậc 2: [ ] [ ] Hình 4.25. Tín hiệu momen điều khiển của khớp 1 Hình 4.26. Zoom tín hiệu momen điều khiển của khớp 1 Hình 4.27. Tín hiệu momen điều khiển của khớp 2
15 Hình 4.28. Zoom tín hiệu momen điều khiển của khớp 2 Hình 4.25 và 4.27 thể hiện kết quả tín hiệu mô men điều khiển truyền động cho khớp 1 và khớp 2. Hình phóng đại của các tín hiệu này được thể hiện ở hình 4.26 và 4.28 kết quả cho thấy hiện tượng chattering giảm rất nhiều, so với trượt truyền thống. Hình 4.29. Góc quay mong muốn và góc quay thực tế của khớp 1 Hình 4.30. Góc quay mong muốn và góc quay thực tế của khớp 2 Đồ thị ở hình 4.29 và hình 4.30 thể hiện góc quay của khớp 1 và khớp 2 đường nét liền màu xanh lá là góc quay mong muốn, đường nét liền màu xanh dương là góc quay thực tế của khớp 1 và khớp 2 do
16 thuật toán điều khiển đạt được. Qua đó chúng ta nhận thấy sau một khoảng thời gian quá độ, góc quay thực tế được điều khiển bám sát với góc quay mong muốn. Hình 4.31. Góc quay mong muốn và góc quay thực tế của khớp 1 Hình 4.32. Góc quay mong muốn và góc quay thực tế của khớp 2 Đồ thị ở hình 4.31 và hình 4.32 thể hiện góc quay của khớp 1 và khớp 2 khi tải m1=3kg, m2=3,5kg. Như đồ thị ở hình 4.29 và hình 4.30 thể hiện góc quay của khớp 1 và khớp 2 khi tải m1=3kg, m2=6kg. Qua 2 đồ thị sau này cho ta biết khi tăng tải lên thì ta nhận thấy thời gian góc quay thực tế bám sát với góc quay mong muốn trể hơn so với khi tải nhỏ.
17 Hình 4.33. Sai số góc quay mong góc quay thực tế của khớp 1 Hình 4.34. Sai số góc quay mong góc quay thực tế của khớp 2 Đồ thị ở hình 4.31 và hình 4.32 thể hiện Sai số góc quay mong góc quay thực tế của khớp 1 và khớp 2. Qua đó chúng ta nhận thấy thuật toán điều khiển bậc 2 sau một khoảng thời gian quá độ ban đầu, sai số tín hiệu điều khiển gần như bằng không.
18 Hình 4.35. Mặt trượt S1_SOSMC Hình 4.36. Zoom mặt trượt S1_SOSMC Hình 4.37. Mặt trượt S2_SOSMC