Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu Trong những thập niên gần đây khái niệm về robot và chế tạo robot để phục vụ nhu cầu sản xuất trong môi trường công nghiệp. Gần đây hàng loạt robot đã được sản xuất với những mục đích và những nhu cầu khác nhau. Roboties là một môi trường rất rộng lớn như thiết kế máy, phân tích hoạt động và điều khiển, xử lý tín hiệu và hình ảnh, giải thuật tính toán. Hay nói một cách đơn giản, Roboties được hiểu là một ngành khoa học có nhiệm vụ nghiên cứu thiết kế chế tạo các robot và ứng dụng chúng trong các hoạt động khác nhau của xã hội loài người, như nghiên cứu khoa học-kỹ thuật, kinh tế, quốc phòng và dân sinh.
Cùng với sự phát triển của xã hội, khoa hoc kĩ thuật, các phương pháp điều khiển hiện đại, điều khiển thông minh, ra đời. Các phương pháp này ngày càng được nghiên cứu, phát triển, ứng dụng rộng rãi. Chúng tỏ ra có nhiều ưu thế vượt trội so với các phương pháp điều khiển kinh điển trứơc đây nhất là trong lĩnh vưc điều khiển đối tựơng phi tuyến. điều khiển mờ (Fuzzy control) là một trong những phương pháp điều khiển thông minh, có hiệu quả để điều khiển đối tượng phi tuyến.
Kĩ thuật điều khiển này với ưu điểm điều khiển dựa vào những thông tin không rõ ràng, dùng kinh nghiệm của người thiết kế để điều khiển nhưng đối tựơng phi tuyến không xác định đựơc mô hình tóan. Điều khiển trượt là hệ thống điều khiển mà thông số và cấu trúc của bộ điều khiển thay đổi trong quá trình vận hành Pendubot nhằm giữ vững chất lựơng của hệ thống có sự hiện diện của những thông số bất định hoặc biến đổi không biết trứơc trong thông số hệ thống. Thực tế, đối tựơng luôn tồn tại nhưng thông số bất định như: nhiễu, ảnh hưởng cuả điều kiện làm việc… Pendubot là một đối tựơng đã có rất nhiều nghiên cưú, khảo sát. đây là những đối tựơng thừơng được các nhà nghiên cưu lựa chọn để kiểm chứng những thuật tóan điều khiển của mình từ những thuật toán điều khiển cổ điến nến những thuật tóan điều khiển thông minh.
Các phương pháp điều khiển mới cho phép thiết kế bộ điều Pendubot khiển trực tiếp không qua nhận dạng trước mô hình như : điều khiển dựa trên cơ sở luật mờ điều khiển dùng phương pháp giải thuật di truyền hoặc học tăng cường để tìm luật điều khiển tối ưu. 4 Luan van Từ những hiểu biết sơ bộ về chức năng và kết cấu của robot, chúng ta hiểu roboties là một liên ngành, gồm cơ khí, điện tử, kỹ thuật điều khiển và công nghệ thông tin. Theo thuật ngữ hiện nay, robot là sản phẩm của ngành cơ điện tử (Machatronic). Khía cạnh nhân văn và khía cạnh khoa học - kỹ thuật của việc sản sinh ra robot thống nhất ở một điểm: Thực hiện hoài bảo của con người, là tạo ra các thiết bị thay thế mình, trong những hoạt động không thích hợp với mình như: Trong môi trường khắc nghiệt hoặc nguy hiểm: Như ngoài không gian vũ trụ, trên chiến trường, nơi có phóng xạ,.
Công việc lặp đi lặp lại nhàm chán, nặng nhọc: vận chuyển nguyên vật liệu, lau cọ nhà cửa,. Những việc đòi hỏi có độ chính xác cao như thông tắc mạch máu hoặc các ống dẫn trong cơ thể, lắp ráp các cấu tử trong vi mạch,… Lĩnh vực ứng dụng robot là rất rộng và ngày càng được mở rộng thêm. Ngày nay, khái niệm về robot đã mở rộng hơn khía niệm nguyên thủy rất nhiều. Sự phỏng tác về kết cấu, chức năng, dáng vẻ của con người là cần thiết nhưng không còn ngự trị trong robot nữa.
Kết cấu của nhiều “con” robot khác xa với kết cấu các bộ phận cơ thể con người và cũng có thể thực hiện những việc vượt xa khả năng con người 1.2 Mô hình cánh tay Pendubot Ngày nay những yêu cầu về những sản phẩm mới và tự động hóa trong các xí nghiệp nhà máy là rất cần thiết. Trên thế giới cũng như trong nước đã và đang nghiên cứu đưa các robot vào trong các nhà máy sản xuất. Mô hình Pendubot được phát triển từ mô hình con lắc ngược, là hệ thống máy có cơ cấu chấp hành bên dưới (underactual), gồm hai khâu máy hay gọi là hai link, link1 và link2. Hai link này được điều khiển từ vị trí cân bằng ổn định bên dưới sau đó được chuyển sang vị trí cân bằng mới cân bằng không ổn định.
Ở mô hình này có nhiều vị trí cân bằng khác nhau. Tại trường đại học Illinois, việc nghiên cứu rất rộng và phát triển đã có khái niệm về thiết kế robot hai link khởi động bên dưới trên mặt phẳng được gọi là Acrobot. để mở rộng khái niệm trên ta có hệ thống gồm hai link gọi là Pendubot 5 Luan van Hình 1.1: Hệ thống Pendubot Hệ thống Pendubot gồm hai link, link1 gắn ở trục motor DC và ở đuôi motor gắn một encoder. Link2 nối kết đến link1 tại khủy chung và tại đây gắn 1 encoder.
Những encoder tại những điểm nối cung cấp phép đo vị trí góc mối liên kết. Hệ thống PENDUBOT được tạo ra bằng từ ghép (Pendulum và robot) như hình bên dưới (Hình 1. Hệ thống Pendubot này hoạt động tại vai (shoulder) của link 1 và không hoạt động tại khủy (elbow) link 2. Link 2 này có thể dao động tự do xung quanh link1 và nó hoạt động nhờ vào moment quán tính chuyển động của link1 được gắn trực tiếp với trục động cơ servo để điều khiển cân bằng hệ thống này là rất khó khăn.
Mô hình phải được thiết kế chính xác, giải thuật điều khiển phải thật tốt mới có thể điều khiển cân bằng được hệ thống. Trên cơ sở điều khiển trượt thành công, nhóm tác giả cố gắng áp dụng trượt và FUZZY kết hợp với nhau để xây dựng một giải thuật mới, tối ưu hơn chỉ giải thuật FUZZY hoặc chỉ giải thuật trượt 6 Luan van Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan về điều khiển phi tuyến Vấn đề của điều khiển phi tuyến là giải quyết việc phân tích và thiết kế hệ thống điều khiển phi tuyến [1-3]. Chẳn hạn như hệ thống bao gồm ít nhất một thành phần phi tuyến. trong phân tích, một hệ thống vòng lặp kín phi tuyến giả định được thiết kế và chúng ta mong muốn xác định được đặc tính trạng thái của hệ thống.
trong việc thiết kế chúng ta phải có đối tượng điều khiển và một vài đặc tính trạng thái vòng lặp kín của hệ thống , và nhiệm vụ của chúng ta là xây dựng bộ điều khiển để mà hệ thống vòng lặp kín đi đến các đặc tính mong muốn. trong thực tế kết quả của việc phân tích và thiết kế có mối quan hệ chặc chẽ với nhau, bởi vì thiết kế hệ thống điều khiển phi tuyến thường bao gồm xử lý lặp lại của việc phân tích và thiết kế. Điều khiển tuyến tính là một chủ đề hoàn thiện với nhiều phương pháp khác nhau và có thành công với nhiều ứng dụng công nghiệp trong lịch sử. do đó nhiều nhà nghiên cứu và thiết kế trong các lĩnh vực điều khiển, robot, xử lý quá trình, và kỹ thuật y sinh… gần đây đã quan tâm tích cực đến phát triển và ứng dụng các phương pháp điều khiển phi tuyến với những lý do sau.
Cải tiến các hệ thống đã tồn tại: phương pháp điều khiển phi tuyến dựa vào giả thuyết của các vùng hoạt động nhỏ của mô hình tuyến tính. Khi yêu cầu vùng hoạt động lớn, điều khiển tuyến tính trở nên khó khăn hay không ổn định, bởi vì đặc tính phi tuyến trong hệ thống không được bù chính xác. Những bộ điều khiển phi tuyến có thể điều khiển những đặc tính phi tuyến trong vùng hoạt động lớn một cách chính xác. Điểm này dễ dàng được minh họa trong điều khiển chuyển động của robot.
Khi một bộ điều khiển tuyến tính được sử dụng để điều khiển chuyển động của robot, nó không quan tâm đến những lực liên kết phi tuyến với chuyển động các liên kết robot. Độ chính xác của bộ điều khiển giảm nhanh khi tốc độ chuyển động tăng lên, bởi vì các thành phần lực tác động phức tạp như lực Coriolis và lực hướng tâm thay đổi theo bình phương của tốc độ. Vì vậy để mà đạt được độ chính xác định trước trong các tác vụ của robot như là cầm và đặt, hàn hình cung và cắt bằng tia laser, tốc độ di chuyển của robot như thế phải giữ ở tốc độ thấp. mặc khác quan niệm đơn giản về bộ điều khiển phi tuyến, thông thường được gọi tính toán momen của bộ điều khiển, có thể bù đầy đủ các thành phần lực phi 7 Luan van tuyến trong chuyển động của robot và làm cho robot được điều khiển với độ chính xác cao cho tốc độ cao và không gian làm việc lớn Phân tích đặc tính phi tuyến: Một giả thiết khác của điều khiển tuyến tính là mô hình hệ thống đó là được thực sự tuyến tính hóa.
Tuy nhiên trong hệ thống điều khiển có nhiều nhiều thành phần phi tuyến gián đoạn tự nhiên không cho phép tuyến tính hóa gần đúng. Những điều này được gọi là “đặc tính phi tuyến cứng” bao gồm ma sát Coulomb, bảo hòa, những vùng chết, phản xung, và hiện tượng trễ, và thường thấy trong kỹ thuật điều khiển. những tác động không được suy ra từ những phương pháp tuyến tính, và những kỹ thuật điều khiển phi tuyến phải được phát triển để dự đoán hiệu suất của hệ thống trong sự có mặt của các đặc tính phi tuyến. bởi vì các đặc tính phi tuyến thường là nguyên nhân sinh ra các trạng thái không mong muốn của hệ thống điều khiển, như là tính không ổn định hay những chu trình không xác định giới hạn, ảnh hưởng của chúng phải được dự đoán trước và được bù một cách chính xác Giải quyết tính không ổn định của mô hình: trong việc thiết kế những bộ điều khiển tuyến tính, chúng ta giả thiết rằng các thông số của mô hình hệ thống được biết một cách hợp lý.
Tuy nhiên nhiều vấn đề điều khiển bao gồm tính bất định trong những thông số của mô hình. Điều này có thể do sự thay đổi chậm theo thời gian của các thông số (như là áp suất không khí trong lúc máy bay dang bay), hay sự thay đổi đột ngột trong các thông số (như là các thông số quán tính của robot khi một đối tượng mới được nắm giữ). Một bộ điều khiển tuyến tính dựa trên những giá trị cũ hay các giá trị không đúng của các thông số mô hình có thể dẫn đến giảm hiệu suất hay thậm chí không ổn định.