Ứng dụng điều khiển thích nghi mặt trượt cho điều khiển chuyển động tay máy

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG BÙI DUY THÁI ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI MẶT TRƯỢT CHO ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG TAY MÁY Chuyên ngành: Tự động hĩa Mã số: 60.52.60 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng – Năm 2011 1 Cơng trình được hồn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Hồng Mai Phản biện 1: .......................................................................... Phản biện 2: .......................................................................... Luận văn sẽ được bảo vệ tại hội đồng chấm luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày …… tháng …… năm 2011 Cĩ thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thơng tin – Học liệu, Đại học Đà Nẵng - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Lĩnh vực điều khiển tự động đã được xây dựng, phát triển hơn một thế kỷ qua và ngày càng được hồn thiện, từ việc đưa ra những mơ hình và thuật tốn điều khiển kinh điển nổi tiếng như PID cho các đối tượng điều khiển tuyến tính và đơn giản đến việc nghiên cứu, xây dựng các thuật tốn hồn chỉnh hơn để điều khiển cho các mơ hình điều khiển phi tuyến phức tạp hoặc cĩ thể chưa cĩ mơ hình tốn học đầy đủ và chính xác. Trong thời gian gần đây, lĩnh vực khoa học và kỹ thuật phát triển rất mạnh mẽ, trãi khắp các ngành: điện tử, viễn thơng, điều khiển, cơng nghệ vi xử lý, máy tính…, đã cho phép thực hiện các mơ hình điều khiển cĩ yêu cầu tính tốn phức tạp, tạo điều kiện thuận lợi để việc giải quyết các bài tốn điều khiển cho các đối tượng phi tuyến nhiều ngõ vào ra (MIMO: multi input_multi output) và cũng đặt ra những yêu cầu phải nghiên cứu hồn thiện hơn các hệ điều khiển nhằm đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của cuộc sống. Tay máy robot, như một đối tượng được điều khiển, là một hệ thống động lực học phi tuyến cĩ nhiều ngõ vào ra, cĩ quan hệ tương hỗ giữa các khớp nối phức tạp và cĩ các tham số khơng xác định. Vì vây, để nhận được một đặc tính điều khiển chính xác, tốc độ điều khiển cao hơn thì thuật tốn điều khiển cần phải được hồn thiện hơn so với các bộ điều khiển kinh điển. Trong kỹ thuật điều khiển chuyển động tay máy, vấn đề bám quĩ đạo và tác động nhanh rất cần thiết. Nhiều phương pháp đã được đề xuất để giải quyết vấn đề này. Trong đĩ phương pháp điều khiển trượt (SMC-Sliding Mode Control) nổi lên nhiều ưu điểm như cấu 2 trúc bộ điều khiển đơn giản, đáp ứng quá độ tốt, khơng địi hỏi mơ hình đối tượng phải quá chính xác. Việc nghiên cứu và ứng dụng các thuật tốn điều khiển hiện đại cho tay máy luơn thu hút được sự quan tâm, nghiên cứu của các nhà khoa học trong gần hai thập kỷ qua, trong đĩ điển hình nhất là bộ điều khiển trượt (SMC). Tuy nhiên SMC cũng tồn tại một số nhược điểm nhất định như hiện tượng rung(chattering), sự rung này làm tổn thất nhiệt trong các thiết bi điện, gây những dao động cho thiết bị cơ học và làm hỏng chúng. Với bộ điều khiển thích nghi mặt trượt vấn đề chattering được khử đáng kể. Với các lý do trên, tác giả đã lựa chọn việc nghiên cứu mơ hình và thiết kế bộ điều khiển thích nghi mặt trượt cho tay máy robot và vận dụng cơng cụ mơ phỏng để khẳng định tính đúng đắng của đề tài. 2. Mục đích nghiên cứu. Xây dựng bộ điều khiển thích nghi mặt trượt cho tay máy robot nhằm mục đích xác định mơ hình tốn học cho tay máy và chỉ định một chiến lược điều khiển dựa trên mơ hình này sao cho đặc tính và đáp ứng mong muốn ngõ ra của hệ thống điều khiển là tốt nhất, giảm thiểu được chattering, đảm bảo một hành trình bền vững cho tay máy. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu. Xây dựng thuật tốn điều khiển thích nghi mặt trượt cho tay máy robot và áp dụng mơ phỏng thuật tốn điều khiển này trên mơ hình tay máy cĩ 2 bậc tự do. 4. Phương pháp nghiên cứu. Trong phạm vi đề tài này, để xây dựng thuật tốn điều khiển, tác giả sẽ sử dụng các phương pháp sau: 3 - Về lý thuyết: Nghiên cứu về động lực học tay máy, lý thuyết phương pháp điều khiển trượt và một số phương pháp điều khiển. - Mơ hình hĩa và mơ phỏng hệ thống điều khiển cho tay máy bằng phần mềm Matlab. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài. - Ứng dụng để điều khiển robot 2 bậc tự do. - Nâng cao được chất lượng điều khiển đối với điều khiển tay máy robot. Gĩp phần giúp cho việc ứng dụng robot ngày càng phổ biến hơn ở nước ta. 6. Cấu trúc của luận văn Nội dung luận văn bao gồm 5 chương, trong đĩ: Chương 1: Tổng quan về tay máy và điều khiển tay máy Chương này giới thiệu tổng quan về cấu trúc cơ bản và động học của robot cơng nghiệp. Đồng thời cũng giới thiệu các phương pháp điều khiển. Chương 2: Động lực học của tay máy cơng nghiệp Robot là đối tượng cĩ tính phi tuyến mạnh vì vậy ta phải trực tiếp nghiên cứu tính tốn động học của đối tượng, tổng hợp hệ thống bằng những cơng cụ tốn học phi tuyến. Chương 3: Điều khiển trượt Chương này giới thiệu cơ bản về lý thuyết điều khiển trượt. Chương 4: Ứng dụng điều khiển thích nghi mặt trượt cho điều khiển chuyển động tay máy Thiết kế bộ điều khiển trượt cơ bản cho tay máy, trên cơ sở đĩ ứng dụng thuật tốn thích nghi cho điều khiển trượt tay máy. Chương 5: Kết quả mơ phỏng Tiến hành mơ phỏng và so sánh các bộ điều khiển đã xây dựng ơ trên. 4 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ TAY MÁY VÀ ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY 1.1. Cấu trúc cơ bản và động học của robot cơng nghiệp 1.1.1. Cấu trúc cơ bản của robot cơng nghiệp Robot là sự tổ hợp khả năng hoạt động linh hoạt của các cơ cấu điều khiển với mức độ “tri thức” ngày càng phong phú của hệ thống điều khiển theo chương trình cũng như kỹ thuật chế tạo các bộ cảm biến, cơng nghệ lập trình và các phát triển của trí khơn nhân tạo. Trong những năm sau này, việc nâng cao tính năng hoạt động của Robot khơng ngừng phát triển. Các Robot được trang bị thêm các cảm biến khác nhau để nhận biết mơi trường xung quanh, cùng với những thành tựu to lớn trong lĩnh vực điều khiển học, tin học và điện tử đã tạo ra thế hệ Robot với nhiều tính năng đặc biệt. 1.1.2. Cấu trúc tổng quan của một Robot 1.1.3. Điều khiển chuyển động tay máy robot 1.2. Đặc điểm của hệ ĐKCĐ tay máy robot 1.3. Phương thức điều khiển 1.3.1. Điều khiển theo quĩ đạo đặt 1.3.1.1. Điều khiển theo chuỗi các điểm giới hạn 1.3.1.2. Điều khiển lặp lại (playback) 1.3.1.3. Điều khiển kiểu robot thơng minh 1.4. Một số phương pháp điều khiển tay máy 1.4.1. Phương pháp điều khiển dùng PID 1.4.2. Phương pháp điều khiển thích nghi theo sai lệch 1.4.3. Phương pháp điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu 1.5. Nhận xét về các phương pháp đã trình bày 1.6. Kết luận 5 Chương 2 ĐỘNG LỰC HỌC CỦA TAY MÁY CƠNG NGHIỆP 2.1. Mơ hình động lực học của tay máy robot 2.2. Các tính chất của mơ hình động lực học tay máy robot 2.2.1. Ma trận quán tính H(q) 2.2.2. Ma trận lực ly tâm và lực Coriolis 2.2.3. Vector mơmen trọng lực 2.2.4. Tuyến tính hĩa trong các tham số động lực học 2.3. Mơ hình động lực học cho tay máy hai bậc tự do Mơ hình tay máy sử dụng mơ phỏng trong chương này được mơ tả như hình 2.2 (tay máy cĩ 2 khớp xoay). 2.3.1. Động học thuận 2.3.2. Động học ngược 2.3.3. Phương trình Lagrange – Euler Hàm Lagrange của tay máy đã cho hình 2.2, được xác định: )(),(),( qPqqKqqL −= && Trong đĩ: K, P là các đại lượng vơ hướng và lần lượt là tổng động năng và tổng thế năng của hệ thống. ),(),(),( 21 qqKqqKqqK &&& += (2.36) )()()( 21 qPqPqP += 6 Phương trình Lagrange-Euler chính là lực tổng quát tác động lên khâu thứ i (với bài tốn này lực tổng quát chính là moment τ) được xác định bởi: 2;1;),(),( = ∂ ∂ −      ∂ ∂ = i q qqL q qqL dt d i & & & τ 2.3.4. Hệ phương trình trạng thái của tay máy robot Đặt biến trạng thái cho từng khớp 1 và 2 là:       =      = 1 1 12 11 1 q q x x X &       =      = 2 2 22 21 2 q q x x X & (2.55) và tín hiệu vào là các thành phần mơmen của các khớp tương ứng:       =      = 2 1 2 1 τ τ u u U (2.56) Với các biến trạng thái (2.33), (2.34), cĩ thể viết lại hệ phương trình vi phân trạng thái của khớp 1 và khớp 2 như sau: Khớp 1: ( )     += = ∑ = 2 1 1112 1211 . j jj ubXax xx & & (2.57) Khớp 2: ( )     += = ∑ = 2 1 2222 2221 . j jj ubXax xx & & (2.58) Khi đĩ phương trình được viết lại như sau: [ ] [ ]       +      +      =      2 1 2221 1211 2221 1211 2 1 g g q CC CC q hh hh &&& τ τ (2.59) 7 Đặt: 2211222222221112112111 ;;;;;;; ττ ======== uuqxqxqxqxqxqx &&&&&&&&       +            +            =      2 1 22 12 2221 1211 22 12 2221 1211 2 1 g g x x CC CC x x hh hh u u & & (2.60) 21121122 211121211121221221121121121211 22 11222112 212122112122221222121122122212 12 hhhh ghxChghxChxChuhuh x hhhh ghxChghxChxChuhuh x − −−+++− = − −−+++− = & & 2.3.4.1. Các thơng số mơ phỏng tay máy hai bậc tự do khơng tải: 2.3.4.2. Các thơng số mơ phỏng tay máy hai bậc tự do cĩ tải 2.4. Xây dựng quỹ đạo chuyển động chuẩn từ điểm tới điểm 2.4.1. Tính tốn động học ngược 2.4.2. Xây dựng quĩ đạo chuẩn 2.5. Kết luận Chương 3 ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT 3.1. Điều khiển bền vững 3.1.1. Đặt vấn đề 3.1.2. Cơ sở lý thuyết của phương pháp điều khiển bền vững 3.2. Điều khiển trượt 3.2.1. Cơ sở điều khiển trượt 3.2.1.1. Khái niệm 3.2.1.2. Điều kiện trượt 3.2.1.3. Ổn định của Mode trượt 3.2.2. Phân tích định lí Liapunov để xác định vùng trượt 3.2.3. Vấn đề giảm rung trong điều khiển trượt 3.3. Kết luận 8 Chương 4 ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI MẶT TRƯỢT CHO ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG TAY MÁY 4.1. Tổng quan 4.2. Đặt trưng phi tuyến mơ hình động lực tay máy 4.3. Điều khiển trượt cho hệ nhiều đầu vào nhiều đầu ra (MIMO) 4.3.1. Cơ sở tốn học 4.3.2. Xây dựng bộ điều khiển trượt Từ phương trình động lực học của tay máy phi tuyến n bậc tự do: utDqGqqqCqqH =+++= )()(),()( &&&&τ 4.3.2.1. Các giả thiết của các thành phần hệ điều khiển phi tuyến 4.3.2.2. Hệ phương trình trạng thái mơ tả động lực học 4.3.2.3. Các bước xây dựng bộ điều khiển trượt. Đặt sai lệch quĩ đạo: de de xxeq xxeq &&&& −== −== (4.28) Với e là sai lệch quĩ đạo hoặc sai lệch chuyển động. + Bước 1: Định nghĩa mặt s(t) như sau: e dt d tXS n )1( ),( −       += λ (4.29) trong đĩ λ là hằng số dương. Cho 0),( =tXS trong khơng gian trạng thái Rn , nếu n = 2 thì mặt s(X,t) là: S(X,t) = ee λ+& = 0 (4.30) Khi trạng thái hệ thống ở trên mặt trượt 0=+= eeS λ& thì e=AE-λt nên khi ∞→t thì 0→e nghĩa là dxx ≡ và dxx && ≡ . Đây là mục đích cần đạt đến. + Bước 2: 9 Tính u để cho trạng thái hệ thống tiến về mặt s(t) và nằm trên đĩ như trên hình 4.1. Ta xét một hàm năng lượng 0SS.21)x(V T >= của hệ thống kín. Giả sử cĩ điểm cân bằng tại điểm x = 0 tại đĩ V(x) cực tiểu. Nếu chứng minh được: 0SS)x(V T <= && (4.31) thì điểm x = 0 được gọi là điểm ổn định. Theo nguyên lý ổn định Lyapunov, chọn một hàm: 0SS.21)x(V T >= với S ≠ 0 Khi S=0 thì V(x)=0. Phải làm cho 0)( <xV& , nghĩa là: 0SSV T <= && . Đây là điều kiện để hệ thống luơn luơn ổn định tiệm cận tồn thể tại S = 0. Khi điều kiện (4.31) được thỏa mãn thì trạng thái của hệ thống luơn luơn được đưa về trên mặt trượt S = 0 và giữ trên đĩ. Đĩ là yêu cầu của bước 2. Như vậy phải thiết kế tín hiệu điều khiển u sao cho điều kiện (4.31) được thỏa mãn. 10 Ta cĩ: exxeeS d &&&&&&&&& λλ +−=+= (4.32) uXBXaxeS d )()( ++−= &&&& λ (4.33) Chọn tín hiệu đầu vào theo cơng thức sau [10],[13]: [ ] reqeq uuSKuBu +=−= − )sgn(.~~ 1 (4.34) Để thỏa mãn điều kiện : 0)( <= SSxV T && 4.3.3. Xây dựng bộ điều khiển trượt đơn thuần Với tay máy hai bậc tự do, chọn mặt trượt cho tường khớp dạng: Khớp 1 0121111 =+= eeS λ (4.46) Với dxxe 111111 −= và dxxe 121212 −= Khớp 2 0222122 =+= eeS λ Với dxxe 212121 −= và dxxe 222222 −= Tín hiệu điều khiển đã cho từng khớp được chọn theo (4.34), (4.35), (4.41), ta cĩ: reqd uuSKXaxeXBu +=−−+−= − )]sgn(.)(~)[(~ 1 &&&λ (4.48) Trong đĩ K được chọn theo cơng thức (4.42) ( ) )n...,,2,1i(au~1K maxxeqxi =∆+ηβ+−β≥ Sử dụng phương trình trạng thái (4.23), (3.24) ta cĩ thể viết lại:          −      −      +      −          =      )sgn(. )sgn(. )(~ )(~ . . 22 11 2 1 22 12 222 121 2221 1211 2 1 SK SK Xa Xa x x e e hh hh u u & & λ λ (4.49) 4.4. Ứng dụng phương pháp thích nghi cho điều khiển trượt tay máy Điều khiển theo chế độ trượt (SMC) được biết đến như là một trong những kỹ thuật phổ biến và đơn giản để điều khiển bền vững cho hệ thống Robot khi cĩ nhiễu ngồi và thay đổi theo mơi trường hoạt 11 động với độ đáp ứng nhanh và đặc tính điều khiển tốt. Tuy nhiên, việc sử dụng mơ hình SMC thơng thường thì mặt trượt cố định, khi mặt trượt cố định cho mọi trạng thái làm việc sẽ khơng cho chất lượng tốt. Hình 4.2: Chuyển động trên siêu diện 4.4.1. Nâng cao chất lượng với luật thích nghi tín hiệu gián đoạn của SMC Nhằm giảm rung quá trình xác lập và giảm thời gian quá độ chuyển mặt trượt. Ta thấy KS nhỏ thì sai lệch xác lập nhỏ nhưng thời gian quá độ kéo dài, ảnh hưởng đến tốc độ của cơ hệ, nhất là với robot dịi hỏi độ tác động nhanh. Tuy nhiên ưu điểm là giảm hẳn biên độ rung trong quá trình xác lập, nên trong vùng xác lập, cụ thể là khi đã ở trên mặt trượt, sử dụng KS nhỏ sẽ cĩ lợi hơn là KS lớn. Ngược lại, khi chưa tìm về được mặt trượt, thường tại thời điểm 0=t hoặc nhiễu biên độ lớn đánh bật hệ ra khỏi quĩ đạo làm việc, thì giá trị lớn của KS lại cho phép hệ nhanh chĩng tìm lại được mặt trượt ban đầu. Như vậy, việc thích nghi KS theo sai lệch mặt trượt và sai lệch quĩ đạo là yếu tố cần thiết để phối hợp ưu điểm và loại trừ nhược điểm đã phân tích ở trên và tác động nhanh với nhiễu. 12 Với hệ (2.5), sử dụng mặt trượt (4.30) với luận điều khiển (4.34). a. Luật thích nghi SK theo hàm mũ sai lệch mặt trượt EEAC [5]: Nếu SK chứa các phần tử SiK biến thiên theo dạng: ,0 iiS iSi eKK ψ−+= ,00 >iK 0>iψ (4.54) Thì quĩ đạo chuyển động iq của hê sẽ bám theo quĩ đạo mong muốn và sai lệch tĩnh sẽ tiến đến zero. Vector SK được kí hiệu là: ψ+ += S S eKK 0 . b. Luật thích nghi SK theo hàm mũ tích phân sai lệch mặt trượt EIAC [5]: Nếu SK chứa các phần tử SiK biến thiên theo dạng: ,))sgn(1( )(0 2 1 dtS i q ieiSi ii t tei eKeqK ψδ −∫++−+= ni ..1= (4.55) Thì quĩ đạo chuyển động của hệ sẽ bám theo quĩ đạo mong muốn, với sai lệch tĩnh tiến đến 0 trong phạm vi iiS ψ< và sai lệch xác lập ieiq δ< . Trong đĩ ψ và δ là hai vectơ chứa các phần tử dương bé tùy ý, phụ thuộc yêu cầu cho phép của sai lệch khi hệ. Khi đĩ SK được kí hiệu là: )))sgn(1( )(0 2 1 dtSq eS t te eKeqK ψδ −∫++−+= Hệ với bộ điều khiển trượt thích nghi phần gián đoạn như trên sẽ ổn định tiệm cận trong lớp biên mặt trượt. 4.4.2. Thuật tốn thích nghi mặt trượt (SMAC) [5] * Lựa chọn mặt trượt: Với mặt trượt đã chọn: 0=+= ee qqS λ& Xem θ là một đối tượng phi tuyến theo các biến trạng thái. Mặt trượt tuyến tính với θ , với ma trận tham số được định nghĩa: λθλθ +=),( Siêu diện trượt trở thành: 0)( =++= ee qqS θλ& , * Tín hiệu điều khiển: 13 Ta thấy các phần tử θ bị chặn: min max 0 ij ij ij λ λθ ≤≤ , nji ..1, =∀ (4.58) Với tín hiệu điều khiển (4.34). Gọi θ là ước lượng của mθ , mθθθ −=* là sai lệch tham số. Ta sẽ cĩ hai mơ hình siêu diện: 0)( =+−= eemm qqS &λθ là siêu diện mong muốn và 0)( =+−= ee qqS &λθ là siêu diện ước lượng thích nghi của mS Định nghĩa sai lệch giữa hai siêu diện: eme qSSS *θ=−= (4.59) ⇒ eee qqS &&& ** θθ += (4.60) Điều kiện hút về mặt trượt được đảm bảo nếu thỏa mãn: ,0∈= inxni Rdiag ηηη (4.61) SSqqqqSS TTeeee T ηλθθ −≤+++= )( &&&&&& SSqqSqq TTee T ee ηλθθ −≤+++ )()( &&&&& (4.62) Điều kiện chuyển động bám theo siêu diện chính xác mong muốn sẽ đảm bảo nếu sai lệch giữa hai siêu diện trượt (4.59) tiến đến zero, hay nĩi cách khác là S luơn cĩ xu hướng bám theo Sm nghĩa là thỏa mãn được: 0<e T e SS& (4.63) * Xác định luật biến đổi tham số θ [5]: Xét Sqq Tee )( && θθ + nếu thành phần này luơn âm hay bằng 0 thì (4.63) sẽ luơn đảm bảo, khi chọn: 0)( =+ Sqq Tee && θθ ee qq && θθ −=⇒ 1)( −−=⇒ TeeTee qqqq&& θθ luơn tìm được nghiêm của θ . θ được chon là ma trận dạng đường chéo, khi đĩ nếu các phân tử của θ được xác định: 14 nit q q ei ei i ..1),0()exp( =∀+−= θθ & (4.64) Thì hệ (2.5) sẽ ổn định và sai lệch tiến đến zero và giữ hệ bám trên mặt trượt. Để nghiệm θ cĩ tính tổng quát hơn, ta sử dụng dạng: nit q q q SP ei ei ei ii i ..1)),exp(1( )sgn( . =∀−−−= &θ (4.65) Với iP là các phân tử của ma trận đường chéo nxn i RP ∈ cĩ các phần tử dương. * Xác định luật thích nghi của θ [5]: Luật thích nghi của θ nhằm để thỏa mãn điều kiện bám (4.63), khi xét một mặt trượt nhất định, mθ tại đĩ sẽ xác định được, nên coi như đã biết, tuy nhiên để S bám mS thì sai lệch giữa hai siêu diện phải bằng 0. Chọn hàm Lyapunov: e T e SSV 2 1 = ( ) eTeeTeeTeeeTe qqqqqqqSSV ******* )()( θθθθθθθ &&&&&& +=+== )( 2* 1 2****** i n i eieieiiie T e T e T e T qqqqqqq θθθθθθθ ∑ = +=+ &&&& Để đảm bảo (4.63), luật cập nhật *θ được chọn cĩ dạng hồi qui: ni q q ii ei ei i ..1,0,)( ** =∀>+−= ηθηθ & & (4.66) Luật cập nhật này đồng thời vừa lấy thơng tin phản hồi từ đầu ra sai lệch quĩ đạo, sai lệch vận tốc, vừa sử dụng giá trị kế trước của iθ để xác định vi phân tiếp theo, sau đĩ mới tính giá trị kế tiếp của iθ , Khi 4.5. Kết luân 15 Chương 5 MƠ HÌNH HĨA, MƠ PHỎNG VÀ NHẬN XÉT 5.1. Mơ hình của tay máy 5.2. Mơ hình khối tạo quĩ đạo chuyển động chuẩn 5.3. Mơ hình bộ điều khiển trượt đơn thuần 5.4. Mơ hình bộ điều khiển trượt kiểu EEAC 5.5. Mơ hình bộ điều khiển trượt kiểu EIAC 5.6. Mơ hình bộ điều khiển thích nghi mặt trượt (SMAC) 5.7. Mơ hình bộ điều khiển thích nghi mặt trượt (SMAC) kiểu EEAC 5.8. Mơ hình bộ điều khiển thích nghi mặt trượt (SMAC) kiểu EIAC 5.9. Sơ đồ khối mơ hình cả hệ thống Hình 5.9: Sơ đồ khối mơ hình hĩa tồn hệ thống 5.10. Kết quả mơ phỏng 5.10.1. Mơ hình bộ điều khiển trượt đơn thuần Các kết quả mơ phỏng khi KS = 100 cho ta thấy, thời gian tìm về mặt trượt lớn. Biên độ rung của các khớp nhỏ. Nếu KS nhỏ, ảnh hưởng của các thơng số này khơng rõ ràng. 16 Hình 5.10a: Sai lệch quĩ đạo khớp 1 và khớp 2 Hình 5.10b: Sai lệch tốc độ khớp và khớp 2 Hình 5.10c: Quĩ đạo yêu cầu và quĩ đạo thực của khớp 1 và khớp 2 Trường hợp tăng Ks = 150, thì thời gian tìm về mặt trượt giãm xuống. Biên độ rung của các khớp rõ rệt. Nếu KS càng lớn, ảnh hưởng của các thơng số này càng rõ ràng. Như vậy KS tăng thì thời gian tìm về mặt trượt giảm và biên độ rung tăng. Hình 5.11a: Sai lệch quĩ đạo khớp 1 và khớp 2 17 Hình 5.11b: Sai lệch tốc độ khớp và khớp 2 Hình 5.11c: Quĩ đạo yêu cầu và quĩ đạo thực của khớp 1 và khớp 2 5.10.2. Mơ hình bộ điều khiển trượt kiểu EEAC Sử dụng thuật tốn EEAC, ta cĩ kết quả như hình 5.12a đến 5.12c. Hình 5.12a: Sai lệch quĩ đạo khớp 1 và khớp 2 Hình 5.12b: Sai lệch tốc độ khớp và khớp 2 18 Hình 5.12c: Quĩ đạo yêu cầu và quĩ đạo thực của khớp 1 và khớp 2 5.10.3. Mơ hình bộ điều khiển trượt kiểu EIAC Sử dụng thuật tốn EIAC, ta cĩ kết quả như hình 5.13a đến 5.13c. Hình 5.13a: Sai lệch quĩ đạo khớp 1 và khớp 2 Hình 5.13b: Sai lệch tốc độ khớp và khớp 2 Hình 5.13c: Quĩ đạo yêu cầu và quĩ đạo thực của khớp 1 và khớp 2 Việc sử dụng thuật tốn điều khiển thích nghi EEAC, EIAC cho KS thì quĩ đạo làm việc cũng tương tự như sử dung nhiều mặt trượt cố định khác nhau. Nhưng hoạt động tốt hơn, làm giảm rung hơn nếu 19 để nguyên KS, đồng thời thời gian quá độ hay tìm mặt trượt cũng giảm nhỏ hơn, hai quĩ đạo đặt và thực luơn bám sát nhau. 5.10.4. Mơ hình bộ điều khiển trượt đơn thuần với các giá trị khác nhau của λ Từ (4.34) ta thấy sự cĩ sự phụ thuộc của trạng thái đầu ra với tham số mặt trượt. Nĩ thể hiện tính ổn định của hệ phụ thuộc vào mặt trượt được chọn. hay là tồn tại nhiều mặt trượt để hệ chuyển động nhưng mỗi mặt trượt chỉ cĩ thể đáp ứng trong một khoảng nào đĩ của quĩ đạo hệ thống. Trong (4.30) λ được gọi là độ dốc của mặt trượt S. Độ dốc này quyết định tính tác động nhanh và ổn định của hệ. - Khi độ dốc mặt trượt λ=7 Hình 5.14a: Sai lệch quĩ đạo khớp 1 và khớp 2 khi λ=7 Hình 5.14b: Sai lệch tốc độ khớp và khớp 2 khi λ=7 Hình 5.14c: Quĩ đạo yêu cầu và quĩ đạo thực của khớp 1 và khớp 2 khi λ=7 20 - Khi độ dốc mặt trượt λ=15 Hình 5.15a: Sai lệch quĩ đạo khớp 1 và khớp 2 khi λ=15 Hình 5.15b: Sai lệch tốc độ khớp và khớp 2 khi λ=15 Hình 5.15c: Quĩ đạo yêu cầu và quĩ đạo thực của khớp 1 và khớp 2 khi λ=15 Qua kết quả mơ phỏng ta thấy, đáp ứng của hệ thống nhanh nếu độ dốc mặt trượt λ lớn và tín hiệu điều khiển cũng lớn, nhưng hệ cĩ thể mất ổn định. Ngược lại, đáp ứng hệ thống chậm nếu độ dốc mặt trượt và biên độ tín hiệu điều khiển cũng nhỏ, nhưng độ ổn định tăng lên. 5.10.5. Mơ hình bộ điều khiển thích nghi mặt trượt (SMAC) Sử dụng thuật tốn thích nghi mặt trượt (SMAC), ta cĩ kết quả như hình 5.16a đến 5.16c. 21 Hình 5.16a: Sai lệch quĩ đạo khớp 1 và khớp 2 Hình 5.16b: Sai lệch tốc độ khớp và khớp 2 Hình 5.16c: Quĩ đạo yêu cầu và quĩ đạo thực của khớp 1 và khớp 2 5.10.6. Mơ hình bộ điều khiển thích nghi mặt trượt (SMAC) kiểu EEAC Sử dụng thuật tốn thích nghi mặt trượt (SMAC) kiểu EEAC, ta cĩ kết quả như hình 5.17a đến 5.17c. Hình 5.17a: Sai lệch quĩ đạo khớp 1 và khớp 2 22 Hình 5.17b: Sai lệch tốc độ khớp và khớp 2 Hình 5.17c: Quĩ đạo yêu cầu và quĩ đạo thực của khớp 1 và khớp 2 5.10.7. Mơ hình bộ điều khiển thích nghi mặt trượt (SMAC) kiểu EIAC Sử dụng thuật tốn thích nghi mặt trượt (SMAC) kiểu EIAC, ta cĩ kết quả như hình 5.18a đến 5.18c. Hình 5.18a: Sai lệch quĩ đạo khớp 1 và khớp 2 Hình 5.18b: Sai lệch tốc độ khớp và khớp 2 23 Hình 5.18c: Quĩ đạo yêu cầu và quĩ đạo thực của khớp 1 và khớp 2 Qua kết quả mơ phỏng ta thấy việc dùng bộ điều khiển thích nghi mặt trượt SMAC và bộ điều khiển thích nghi mặt trượt kiểu EEAC, EIAC đảm bảo tính bền vững với biến thiên của nhiễu và tham số, cho đáp ứng của hệ phi tuyến tốt hơn phương pháp điều khiển trượt thơng thường. 5.11. Kết luận Với việc ứng dung phương pháp điều khiển thích nghi mặt trượt (SMAC) cho tay máy trình bày ở trên đã làm thay đổi chất lượng của quá trình điều khiển so với dùng mặt trượt cố định, cho thấy tính bền vững cao, với tham số thay đổi trong trong vùng rộng. Luật điều khiển EEAC và EIAC đã mềm dẻo giá trị KS trong quá trình chuyển mặt trượt và bám mặt trượt, khắc phục được hiện tượng rung (chattering) để cho hệ thống hoạt động ổn định và giảm thiểu sai lệch của hệ thống với thời gian đáp ứng hệ thống nhanh, đảm bảo được chỉ tiêu chất lượng của hệ thống. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Sau một thời gian nghiên cứu và làm việc nghiêm túc, được sự giúp đỡ nhiệt tình của TS. Nguyễn Hồng Mai và các thầy cơ giáo trong khoa đến nay luận văn của tác giả đã hồn thành đúng thời gian dự kiến. Luận văn đã nghiên cứu ứng dụng phương pháp điều khiển hiện đại để nâng cao chất lượng điều khiển chuyển động tay máy. Đã 24 tổng hợp được bộ điều khiển thích nghi mặt trượt, tận dụng được ưu điểm, khắc phục được nhược điểm của bộ điều khiển trượt đơn thuần là hiện tượng chattering và đưa hệ thống về trạng thái xác lập nhanh nhất. Các kết quả nghiên cứu chính được tĩm tắt như sau: - Tổng quan về tay máy và trình bày ưu nhược điểm của các phương pháp điều khiển tay máy. - Xây dựng phương trình động lực học của tay máy cơng nghiệp và cụ thể là tay máy hai bậc tự do. - Ứng dụng phương pháp thích nghi cho điều khiển trượt tay máy. - Kết quả nghiên cứu được kiểm chứng bởi phần mềm mơ phỏng matlab-simulink cho tay máy hai bậc tự do cho thấy tính đúng đắn và chính xác của lý thuyết. Mặc dù mới chỉ dừng lại ở đối tượng tay máy hai bậc tự do, nhưng đây là loại đối tượng cĩ tính phi tuyến mạnh cho thấy khả năng mở rộng lớp đối tượng để điều khiển, ít nhất là trong phạm vi hệ phi tuyến bậc hai. Việc xây dựng bộ điều khiển để áp dụng cho tay máy trong cơng nghiệp để phù hợp với mơi trường làm việc khắc nghiệt như nhiệt độ, sự rung lắc, nhiễu tác động,... là cả một quá trình nghiên cứu và thử nghiệm phức tạp. Vì điều kiện thời gian nên luận văn chỉ dừng lại ở mức độ mơ phỏng. Trong thời gian tới, nếu cĩ điều kiện, tác giả xin tiếp tục tiếp cận và ứng dụng vào mơ hình thực nghiệm để kiểm chứng lại phương pháp điều khiển.