Thiết kế bộ điều khiển mờ cho robot 2 bậc tự do sử dụng đại số gia tử

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

DANH MỤC NHỮNG CHỮ VIẾT TẮT

PHẦN MỞ ĐẦU

0.1. Lý do chọn đề tài

0.2. Mục đích nghiên cứu

0.3. Đối tượng nghiên cứu

0.4. Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn của đề tài

0.4.1. Ý nghĩa khoa học

0.4.2. Ý nghĩa thực tiễn

1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP VÀ TAY MÁY

1.1. Lịch sử phát triển

1.2. Robot công nghiệp và các ứng dụng

1.3. Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp

1.4. Kết cấu tay máy

1.4.1. Tay máy kiểu tọa độ Đề các

1.4.2. Tay máy kiểu tọa độ trụ

1.4.3. Tay máy tọa độ cầu

1.4.4. Robot kiểu tọa độ góc

1.4.5. Tay máy kiểu SCARA

1.5. Động học robot

2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN MỜ VÀ ĐẠI SỐ GIA TỬ

2.1. Suy luận xấp xỉ dựa trên tập mờ

2.2. Mô hình mờ đa điều kiện

2.3. Điều khiển mờ

2.4. Cấu trúc của bộ điều khiển mờ

2.5. Phương pháp thiết kế bộ điều khiển mờ dựa trên luật

2.6. Suy luận xấp xỉ dựa trên đại số gia tử

2.7. Một số kiến thức cơ bản về đại số gia tử

2.8. Ứng dụng đại số gia tử giải bài toán suy luận sấp xỉ

2.9. Bộ điều khiển sử dụng đại số gia tử

3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ TRÊN NỀN ĐẠI SỐ GIA TỬ CHO TAY MÁY HAI BẬC TỰ DO

3.1. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tay máy 2 bậc tự do

3.2. Tổng hợp độ điều chỉnh PID cho động cơ điện một chiều

3.3. Mô hình toán của động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập

3.4. Tổng hợp mạch vòng dòng điện

3.5. Tổng hợp mạch vòng tốc độ

3.6. Xây dựng mô hình mô phỏng tay máy 2 bậc tự do

3.7. Thiết kế bộ điều khiển mờ cho tay máy hai bậc tự do

3.7.1. Định nghĩa các tập mờ đầu vào và đầu ra

3.7.2. Xây dựng luật điều khiển

3.7.3. Chọn luật hợp thành và phương pháp giải mờ

3.8. Kết quả mô phỏng

3.9. Xây dựng bộ điều khiển trên nền đại số gia tử

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng Quan Về Robot 2 Bậc Tự Do và Điều Khiển Mờ

Trong bối cảnh công nghiệp hóa hiện đại, tự động hóa đóng vai trò then chốt. Việc ứng dụng robot công nghiệp vào sản xuất giúp nâng cao năng suất, chất lượng và giảm giá thành. Tuy nhiên, để hệ thống tự động hóa thực sự hiệu quả, tính linh hoạt là yếu tố không thể bỏ qua. Robot 2 bậc tự do là một phần quan trọng trong việc xây dựng các hệ thống tự động hóa linh hoạt. Việc nâng cao chất lượng điều khiển robot luôn là vấn đề được quan tâm. Các phương pháp điều khiển truyền thống thường dựa trên tuyến tính hóa gần đúng, dẫn đến giảm độ chính xác khi thông số hệ thống thay đổi. Sự ra đời của các lý thuyết điều khiển hiện đại như điều khiển mờ mở ra hướng đi mới cho việc xây dựng các bộ điều khiển thông minh, đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của sản xuất hiện đại. Theo ISO, robot công nghiệp là một tay máy đa mục tiêu, có một số bậc tự do, dễ dàng lập trình, điều khiển tự động, dùng để tháo lắp phôi, dụng cụ và các vật dụng khác.

1.1. Lịch Sử Phát Triển và Ứng Dụng Robot Công Nghiệp

Từ thế kỷ 1, một số thiết bị máy móc đã có đặc tính làm việc như robot công nghiệp hiện nay. Jacques de Vancanson đã chế tạo "búp bê nhạc sỹ". Năm 1805, Hentri Maillarder chế tạo búp bê cơ khí vẽ tranh. Trong cuộc cách mạng công nghiệp, một số phát minh cơ khí khác trong lĩnh vực dệt cũng đóng góp vào sự phát triển của robot. Robot công nghiệp được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như kỹ thuật đúc, gia công áp lực, hàn, nhiệt luyện và lắp ráp. Mục tiêu là thay thế con người trong các công việc nặng nhọc, độc hại và nguy hiểm.

1.2. Cấu Trúc Cơ Bản Của Robot 2 Bậc Tự Do

Robot công nghiệp bao gồm các thành phần chính: tay máy (gồm các khâu, khớp), cơ cấu chấp hành (tạo chuyển động cho các khâu), hệ thống cảm biến (nhận biết trạng thái của robot và môi trường) và hệ thống điều khiển (giám sát và điều khiển hoạt động). Tay máy là yếu tố quyết định khả năng làm việc của robot, đảm bảo khả năng nâng hạ vật. Kết cấu tay máy gồm các khâu nối với nhau bằng các khớp, tạo thành chuỗi động học hở. Các khớp chủ yếu là khớp quay và khớp trượt, tùy theo cách bố trí mà tạo ra các loại tay máy khác nhau.

II. Thách Thức Trong Điều Khiển Robot 2 Bậc Tự Do Hiện Nay

Việc điều khiển robot 2 bậc tự do gặp nhiều thách thức do tính phi tuyến và phức tạp của hệ thống. Các phương pháp điều khiển truyền thống thường dựa trên mô hình tuyến tính hóa, không thể đảm bảo hiệu suất cao trong mọi điều kiện hoạt động. Sự thay đổi của thông số hệ thống, nhiễu và các yếu tố bên ngoài khác có thể ảnh hưởng đến độ chính xác và ổn định của hệ thống. Do đó, cần có các phương pháp điều khiển tiên tiến hơn để giải quyết những thách thức này. Các hệ thống điều khiển tay máy hiện nay chủ yếu dùng phương pháp kinh điển và được thiết kế theo phương pháp tuyến tính hóa gần đúng. Khi thông số của hệ thống thay đổi thì thông số của bộ điều khiển giữ nguyên dẫn đến làm giảm độ chính xác điều khiển ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm.

2.1. Hạn Chế Của Phương Pháp Điều Khiển PID Truyền Thống

Bộ điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) là một trong những phương pháp điều khiển phổ biến nhất trong công nghiệp. Tuy nhiên, PID có những hạn chế nhất định khi áp dụng cho robot 2 bậc tự do. PID khó điều chỉnh khi hệ thống có tính phi tuyến mạnh hoặc có sự thay đổi thông số. PID cũng dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu và không thể đạt được hiệu suất tối ưu trong mọi điều kiện.

2.2. Yêu Cầu Về Độ Chính Xác và Ổn Định Cao

Trong nhiều ứng dụng, robot 2 bậc tự do cần đạt được độ chính xác và ổn định cao. Ví dụ, trong các ứng dụng lắp ráp, robot cần di chuyển đến vị trí mục tiêu một cách chính xác và duy trì vị trí đó một cách ổn định. Điều này đòi hỏi các phương pháp điều khiển phải có khả năng chống nhiễu tốt và có thể thích ứng với sự thay đổi của hệ thống.

III. Phương Pháp Điều Khiển Mờ Cho Robot 2 Bậc Tự Do

Điều khiển mờ là một phương pháp điều khiển thông minh dựa trên lý thuyết tập mờ. Điều khiển mờ có khả năng xử lý các hệ thống phi tuyến và không chắc chắn một cách hiệu quả. Trong điều khiển mờ, kiến thức và kinh nghiệm của con người được biểu diễn dưới dạng các luật mờ, giúp bộ điều khiển có thể đưa ra các quyết định điều khiển phù hợp. Với sự ra đời của lý thuyết điều khiển hiện đại (điều khiển thích nghi, điều khiển mờ, mạng nơron,…) đã tạo điều kiện cho việc xây dựng các bộ điều khiển thông minh đáp ứng yêu cầu công nghệ ngày càng cao của nền sản xuất hiện đại.

3.1. Ưu Điểm Của Điều Khiển Mờ So Với PID

Điều khiển mờ có nhiều ưu điểm so với PID khi áp dụng cho robot 2 bậc tự do. Điều khiển mờ có thể xử lý các hệ thống phi tuyến một cách hiệu quả hơn. Điều khiển mờ cũng có khả năng thích ứng với sự thay đổi của hệ thống và chống nhiễu tốt hơn. Ngoài ra, điều khiển mờ dễ dàng tích hợp kiến thức và kinh nghiệm của con người.

3.2. Các Bước Thiết Kế Bộ Điều Khiển Mờ

Việc thiết kế bộ điều khiển mờ bao gồm các bước sau: xác định các biến đầu vào và đầu ra, xây dựng các tập mờ cho các biến, xây dựng luật điều khiển mờ, chọn phương pháp suy luận mờ và phương pháp giải mờ. Các luật điều khiển mờ thường được xây dựng dựa trên kinh nghiệm của các chuyên gia hoặc dựa trên dữ liệu thu thập được từ hệ thống.

3.3. Cấu Trúc Của Bộ Điều Khiển Mờ

Cấu trúc của bộ điều khiển mờ bao gồm các thành phần chính: khối mờ hóa (fuzzification), khối suy luận mờ (fuzzy inference) và khối giải mờ (defuzzification). Khối mờ hóa chuyển đổi các giá trị đầu vào thành các giá trị mờ. Khối suy luận mờ sử dụng các luật điều khiển mờ để đưa ra các quyết định điều khiển. Khối giải mờ chuyển đổi các giá trị mờ đầu ra thành các giá trị điều khiển thực.

IV. Ứng Dụng Đại Số Gia Tử Trong Điều Khiển Mờ Robot

Đại số gia tử là một công cụ toán học mạnh mẽ có thể được sử dụng để cải thiện hiệu suất của điều khiển mờ. Đại số gia tử cho phép biểu diễn và xử lý thông tin không chắc chắn một cách hiệu quả hơn. Trong điều khiển mờ, đại số gia tử có thể được sử dụng để xây dựng các luật điều khiển mờ phức tạp hơn và để cải thiện khả năng suy luận của bộ điều khiển. Trong mấy năm gần đây đã có rất nhiều đề tài nghiên cứu ứng dụng hệ mờ để điều khiển đối tượng phi tuyến. Trong đề tài này, tác giả nghiên cứu về: “Thiết kế bộ điều khiển mờ theo đại số gia tử cho robot 2 bậc tự do”.

4.1. Tổng Quan Về Đại Số Gia Tử

Đại số gia tử là một mở rộng của đại số Boolean, cho phép biểu diễn và xử lý thông tin không chắc chắn. Trong đại số gia tử, các biến có thể nhận các giá trị trong khoảng [0, 1], thay vì chỉ 0 hoặc 1 như trong đại số Boolean. Đại số gia tử cung cấp các phép toán như AND, OR và NOT để xử lý các biến gia tử.

4.2. Ưu Điểm Của Đại Số Gia Tử Trong Điều Khiển

Đại số gia tử có nhiều ưu điểm khi áp dụng trong điều khiển mờ. Đại số gia tử cho phép biểu diễn các luật điều khiển mờ một cách tự nhiên và dễ hiểu hơn. Đại số gia tử cũng cung cấp các công cụ để phân tích và thiết kế các bộ điều khiển mờ một cách hiệu quả hơn.

4.3. Xây Dựng Bộ Điều Khiển Mờ Dựa Trên Đại Số Gia Tử

Việc xây dựng bộ điều khiển mờ dựa trên đại số gia tử bao gồm các bước sau: xác định các biến đầu vào và đầu ra, xây dựng các tập mờ cho các biến, xây dựng luật điều khiển mờ bằng đại số gia tử, chọn phương pháp suy luận mờ và phương pháp giải mờ. Các luật điều khiển mờ thường được xây dựng dựa trên kinh nghiệm của các chuyên gia hoặc dựa trên dữ liệu thu thập được từ hệ thống.

V. Mô Phỏng và Đánh Giá Hiệu Quả Điều Khiển Robot

Để đánh giá hiệu quả của bộ điều khiển mờ dựa trên đại số gia tử, cần thực hiện mô phỏng trên phần mềm chuyên dụng như Matlab/Simulink. Kết quả mô phỏng sẽ cho thấy khả năng điều khiển vị trí, tốc độ và quỹ đạo của robot 2 bậc tự do. Các chỉ số đánh giá bao gồm thời gian đáp ứng, độ quá điều chỉnh, sai số xác lập và khả năng chống nhiễu. Sau đề tài nghiên cứu này, sẽ thiết kế được một bộ điều khiển để điều khiển robot c 2 2 bậc tự do theo dạng điều khiển hiện đại, tính toán và thiết kế bộ điều khiển trên nền đại số gia tử cho robot 2 bậc tự do, đảm bảo điều khiển các chuyển động của robot một cách chính xác.

5.1. Xây Dựng Mô Hình Mô Phỏng Robot 2 Bậc Tự Do

Mô hình mô phỏng robot 2 bậc tự do cần bao gồm các thành phần: mô hình động học, mô hình động lực học và mô hình của các bộ truyền động. Mô hình động học mô tả mối quan hệ giữa các khớp và vị trí của robot. Mô hình động lực học mô tả mối quan hệ giữa lực và chuyển động của robot. Mô hình của các bộ truyền động mô tả hoạt động của các động cơ và hộp số.

5.2. Đánh Giá Hiệu Quả Điều Khiển Thông Qua Mô Phỏng

Kết quả mô phỏng sẽ cho thấy khả năng điều khiển vị trí, tốc độ và quỹ đạo của robot 2 bậc tự do. Các chỉ số đánh giá bao gồm thời gian đáp ứng, độ quá điều chỉnh, sai số xác lập và khả năng chống nhiễu. So sánh kết quả với các phương pháp điều khiển khác (ví dụ: PID) để đánh giá ưu điểm của điều khiển mờ dựa trên đại số gia tử.

VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển Của Điều Khiển Robot Mờ

Việc áp dụng điều khiển mờ dựa trên đại số gia tử cho robot 2 bậc tự do mang lại nhiều lợi ích, đặc biệt trong việc xử lý các hệ thống phi tuyến và không chắc chắn. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều hướng phát triển tiềm năng, bao gồm việc tối ưu hóa các tham số của bộ điều khiển, tích hợp các thuật toán học máy và mở rộng ứng dụng cho các loại robot phức tạp hơn. Bộ điều khiển mờ trên nền đại số gia tử giống như một công cụ điều khiển các hệ thống phi tuyến với các thông số chưa xác định. Điều này có ý nghĩa rất lớn về mặt khoa học trong việc điều khiển các đối tượng phi tuyến.

6.1. Tóm Tắt Kết Quả Nghiên Cứu

Nghiên cứu đã trình bày phương pháp thiết kế bộ điều khiển mờ dựa trên đại số gia tử cho robot 2 bậc tự do. Kết quả mô phỏng cho thấy bộ điều khiển có khả năng điều khiển robot một cách chính xác và ổn định, đồng thời có khả năng chống nhiễu tốt.

6.2. Hướng Phát Triển Trong Tương Lai

Trong tương lai, có thể nghiên cứu các phương pháp tối ưu hóa các tham số của bộ điều khiển mờ dựa trên đại số gia tử bằng các thuật toán tối ưu hóa như genetic algorithm. Cũng có thể tích hợp các thuật toán học máy để bộ điều khiển có khả năng tự học và thích ứng với sự thay đổi của hệ thống. Ngoài ra, có thể mở rộng ứng dụng cho các loại robot phức tạp hơn, ví dụ như robot có nhiều bậc tự do hoặc robot di động.

Luận văn thạc sĩ về thiết kế bộ điều khiển mờ cho robot 2 bậc tự do theo đại số gia tử