BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN CÁNH TAY ROBOT THIẾU DẪN ĐỘNG HAI BẬC TỰ DO - PENDUBOT S K C 0 0 3 9 5 9 Mà SỐ: SV2020-158 S KC 0 0 7 3 4 3 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 08/2020 Bà GIÁO DĀC VÀ ĐÀO T¾O TR¯âNG ĐH S¯ PH¾M KỸ THUÀT TPHCM BÁO CÁO TäNG K¾T ĐÞ TÀI NGHIÊN CĀU KHOA HàC CþA SINH VIÊN NGHIÊN CĀU ĐIÞU KHIàN CÁNH TAY ROBOT THI¾U D¾N ĐÞNG HAI BÀC TĀ DO - PENDUBOT SV2020-158 Chÿ nhiám đß tài: TRÀN MINH ĐĀC TP Hã Chí Minh, 08/2020 Bà GIÁO DĀC VÀ ĐÀO T¾O TR¯âNG ĐH S¯ PH¾M KỸ THUÀT TPHCM BÁO CÁO TäNG K¾T ĐÞ TÀI NGHIÊN CĀU KHOA HàC CþA SINH VIÊN NGHIÊN CĀU ĐIÞU KHIàN CÁNH TAY ROBOT THI¾U D¾N ĐÞNG HAI BÀC TĀ DO - PENDUBOT SV2020-158 Thuác nhóm ngành khoa học: ĐiÃu khiÅn học kỹ thuÃt SV thāc hián: TrÁn Minh Đāc Nam, Nÿ: Nam Dân tác: Kinh Lßp, khoa: 16151CL3 - Đào t¿o Ch¿t L°ÿng Cao Năm thā:4/Sá năm đào t¿o: 4 Ngành học: Công nghá Kỹ thuÃt ĐiÃu khiÅn và Tā đáng hóa Ng°ái h°ßng dÁn: PGS. Nguyßn Minh Tâm TP Hã Chí Minh, 08/2020 MĀC LĀC LâI CÀM ¡N. Lý do chán đß tài.
Ph°¢ng pháp nghiên cāu. Ph¿m vi nghiên cāu. 6 CH¯¡NG 1: TäNG QUAN VÞ Hà PENDUBOT .1 Giái thiáu vß há pendubot .2 Mô tÁ toán hác há Pendubot .2 Thành lÁp ph°¢ng trình đßng hác cho há Pendubot .3 Yêu cÁu đißu khián há pendubot å các vß trí b¿t ån đßnh .1 Xét tính đißu khián đ°ÿc å vß trí TOP .2 Xét tính đißu khián đ°ÿc å vß trí MID. 16 CH¯¡NG 2: GIàI THIàU PHÀN CĀNG VÀ PHÀN MÞM .1 Vi xư뀉 lí LAUNCHXL-F28379D C2000 .5 Module giao tiëp UART sư뀉 dwng IC CP2102.
20 CH¯¡NG 3: MÔ HÌNH HÓA VÀ NHÀN D¾NG Hà THàNG PENDUBOT. Phân tích đáp āng quá đß bằng ph°¢ng pháp phân tích đáp āng xung .2 Phân tích đáp āng quá đß bằng ph°¢ng pháp phân tích đáp āng n¿c.1 Nhißu DC=0; VAR=0.3 Nhißu DC=0; VAR=0.3 Phân tích đáp āng quá đß bằng ph°¢ng pháp phân tích t°¢ng quan .1 Nhißu DC=0; VAR=0.3 Nhißu DC=0; VAR=0.5 NhÁn xét cho phân tích đáp āng quá đß bằng ph°¢ng pháp phân tích t°¢ng quan .4 Phân tích đáp āng tÁn sá bằng ph°¢ng pháp kiám tra sóng sin. KhÁo sát t¿i link 1 cÿa đái t°ÿng .2 KhÁo sát t¿i link 2 cÿa đái t°ÿng .3 NhÁn xét ph°¢ng pháp .5 Phân tích tÁn sá bằng ph°¢ng pháp t°¢ng quan. Ph°¢ng trình hàm truyßn cÿa há tháng Pendubot.
NhÁn d¿ng mô hình có tham sá khi không nhißu. NhÁn xét các mô hình khi không có nhißu. NhÁn d¿ng mô hình có tham sá khi có nhißu. Nhißu DC=0; AC=0.
Nhißu DC=0; AC=0. 48 CH¯¡NG 4: C¡ Sä LÝ THUY¾T .1 Giới thiệu giải thu¿t điều khiển tuyến tính d¿ng toàn phương LQR .2 Giới thiệu giải thu¿t Swing up .1 Thiët kë bß đißu khián swing-up vß trí top ( �㖒Ā = �㕅ā và �㖒ā = ÿ ) .2 Thiët kë bß đißu khián swing-up vß trí middle ( �㖒Ā = 2�㕅ā và �㖒ā = �㕅 ) .3 Giái thiáu giÁi thuÁt di truyßn GA .1 L°u đã giÁi thuÁt cÿa thuÁt toán di truyßn .4 Giới thiệu phần mềm Matlab của Matworks. 55 CH¯¡NG 5 ĐÁP ĀNG THĀC T¾ KHI ĐIÞU KHIàN .1 Kët quÁ mô phßng bß đißu khián swing up (top+middle) và cân bằng LQR. 56 CH¯¡NG 6: K¾T LUÀN .1 Kët quÁ đ¿t đ°ÿc .2 H°áng phát trián.
62 DANH MĀC BÀNG BIàU Tên bÁng Trang sá Bảng 1.1 Thông số các đại lượng của hệ thống hệ Pendubot 9 Bảng 1.2 Bảng DH hệ Pendubot 10 Bảng 3.1 So sánh các cấu trúc 40 DANH MĀC CÁC BIàU Đâ, S¡ Đâ, HÌNH ÀNH Tên biáu đã, s¢ đã, hình Ánh Trang sá Hình 1.1 Cấu trục hệ Pendubot trên trục tọa độ Oxyz 9 Hình 1.2 Cấu trúc động cơ DC 13 14 ö Hình 1.1 Vi đi u khiऀn LAUNCHXL-F28379D C2000.2 Encoder E6B2-CWZ6C OMRON 1000PPR.3 Động cơ 24VDC của M.5 Cऀng kĀt nối UART giư뀃a máy tknh vc vi đi u khiऀn 20 Hình 3.1 Thí nghiệm thu thập dư뀃 liệu phân tkch đáp ứng xung 21 Hình 3.2 Phân tkch đáp ứng xung được thiĀt kĀ cho hệ 21 Pendubot Hình 3.3 Đồ thị biऀu diễn hệ Pendubot trước và sau khi nhận dạng khi không nhiễu; Sai số của hệ sau khi nhận dạng Hình 3.4 Đồ thị biऀu diễn hệ Pendubot trước và sau khi nhận 21 dạng khi nhiễu DC; Sai số của hệ sau khi nhận dạng Hình 3.5 Đồ thị biऀu diễn hệ Pendubot trước và sau khi nhận 22 dạng khi nhiễu AC; Sai số của hệ sau khi nhận dạng Hình 3.6 Đồ thị biऀu diễn hệ Pendubot trước và sau khi nhận dạng 23 khi nhiễU DC và AC; Sai số của hệ sau khi nhận dạng Hình 3.7 Thí nghiệm thu thập dư뀃 liệu phân tkch đáp ứng nấc 23 Hình 3.8 Phương pháp phân tkch đáp ứng nấc được thiĀt kĀ 23 cho hệ Pendubot Hình 3.9 Đồ thị biऀu diễn hệ Pendubot trước và sau khi nhận 24 dạng khi không nhiễu; Sai số của hệ sau khi nhận dạng Hình 3.10 Đồ thị biऀu diễn hệ Pendubot trước và sau khi nhận 25 dạng khi nhiễU DC; Sai số của hệ sau khi nhận dạng Hình 3.11 Đồ thị biऀu diễn hệ Pendubot trước và sau khi nhận 25 dạng khi nhiễU AC; Sai số của hệ sau khi nhận dạng Hình 3.12 Đồ thị biऀu diễn hệ Pendubot trước và sau khi nhận dạng 26 khi nhiễu DC và AC; Sai số của hệ sau khi nhận dạng Hình 3.13 Thí nghiệm thu thập dư뀃 liệu phân tkch tương quan 26 Hình 3.14 Phân tkch phương pháp trên hệ Pendubot 27 Hình 3.15 Đồ thị biऀu diễn hệ Pendubot trước và sau khi nhận 27 dạng khi không nhiễu; Sai số của hệ sau khi nhận dạng Hình 3.16 Đồ thị biऀu diễn hệ Pendubot trước và sau khi nhận 28 dạng khi nhiễu DC; Sai số của hệ sau khi nhận dạng Hình 3.17 Đồ thị biऀu diễn hệ Pendubot trước và sau khi nhận 28 dạng khi nhiễu AC; Sai số của hệ sau khi nhận dạng Hình 3.18 Đồ thị biऀu diễn hệ Pendubot trước và sau khi nhận dạng 29 khi nhiễu DC và AC; Sai số của hệ sau khi nhận dạng Hình 3.19 Sơ đồ Simulink mô tả phương pháp kiऀm tra sóng 29 sin cho hệ Pendubot Hình 3.20 Đáp ứng ngỏ vào ra của hệ Pendubot và giản đồ 30 Bode hệ thống Hình 3.21 Giản đồ Bode pha sau khi thu thập dư뀃 liệu 40 l n 30 Hình 3.22 Giản đồ Bode biên sau khi thu thập dư뀃 liệu 40 l n Hình 3.23 giản đồ bode thực của hệ xét tại link 2 31 Hình 3.24 giản đồ Bode pha và biên sau khi thu thập dư뀃 liệu 31 Hình 3.25 Gian đồ Bode thực của hệ tại link 1 32 Hình 3.26 giản đồ Bode pha sau khi nhận dạng 33 Hình 3.27 giản đồ Bode biên sau khi nhận dạng 33 Hình 3.28 Tkn hiệu vco ra của hệ thống khi không nhiễu 34 Hình 3.29 Đồ thị v cấu trúc ARX được tùy chỉnh theo các bậc 35 khác nhau Hình 3.30 Giá trị best fits của cấu trúc ARX khi không nhiễu 35 Hình 3.31 KĀt quả phương trình [arx441], best fit = 96.32 Tkn hiệu vco ra của hệ thống Pendubot với cấu trúc 36 ARMAX Hình 3.33 Đồ thị v cấu trúc ARMAX được tùy chỉnh theo các 36 bậc khác nhau Hình 3.34 giá trị best fits của cấu trúc ARMAX khi không 37 nhiễu Hình 3.35 KĀt quả phương trình [amx2221], best fit = 95.36 Đồ thị v cấu trúc OE được tùy chỉnh theo các bậc 38 khác nhau Hình 3.37 giá trị best fits của cấu trúc OE khi không nhiễu 38 Hình 3.38 KĀt quả phương trình [oe421], best fit = 99.39 Đồ thị v cấu trúc BJ được tùy chỉnh theo các bậc 39 khác nhau Hình 3.40 giá trị best fits của cấu trúc BJ khi không nhiễu 39 Hình 3.41 KĀt quả phương trình [bj42122], best fit = 89.42 Hệ Pendubot được thiĀt kĀ với cấu trúc ARX, 40 ARMAX, OE, BJ khi có nhiễu DC nhỏ vc không nhiễu AC Hình 3.43 Các giá trị best fits với các cấu trúc 41 Hình 3.44 Phương trình cấu trúc ARX 41 Hình 3.45 Phương trình cấu trúc ARMAX 41 Hình 3.46 Phương trình cấu trúc OE 41 Hình 3.47 Phương trình cấu trúc BJ 42 Hình 3.48 Hệ Pendubot được thiĀt kĀ với cấu trúc ARX, 42 ARMAX, OE, BJ khi có nhiễu DC lớn vc không nhiễu AC Hình 3.49 Các giá trị best fits với các cấu trúc 42 Hình 3.50 Phương trình cấu trúc ARX 42 Hình 3.51 Phương trình cấu trúc ARMAX 43 Hình 3.52 Phương trình cấu trúc OE 43 Hình 3.53 Phương trình cấu trúc BJ 43 Hình 3.54 Hệ Pendubot được thiĀt kĀ với cấu trúc ARX, ARMAX, 43 OE, BJ khi có nhiễu AC nhỏ vc không nhiễu DC Hình 3.55 Các giá trị best fits với các cấu trúc 44 Hình 3.56 Phương trình cấu trúc ARX 44 Hình 3.57 Phương trình cấu trúc ARMAX 44 Hình 3.58 Phương trình cấu trúc OE 44 Hình 3.59 Phương trình cấu trúc BJ 45 Hình 3.60 Hệ Pendubot được thiĀt kĀ với cấu trúc ARX, 45 ARMAX, OE, BJ khi có nhiễu AC lớn vc không nhiễu DC Hình 3.61 Các giá trị best fits với các cấu trúc 45 Hình 3.62 Phương trình cấu trúc ARX 46 Hình 3.63 Phương trình cấu trúc ARMAX 46 Hình 3.64 Phương trình cấu trúc OE 46 Hình 3.65 Phương trình cấu trúc BJ 46 Hình 3.66 Hệ Pendubot được thiĀt kĀ với cấu trúc ARX, 46 ARMAX, OE, BJ khi có nhiễu AC vc nhiễu DC Hình 3.67 Các giá trị best fits với các cấu trúc 47 Hình 3.68 Phương trình cấu trúc ARX 47 Hình 3.69 Phương trình cấu trúc ARMAX 47 Hình 3.70 Phương trình cấu trúc OE 47 Hình 3.71 Phương trình cấu trúc BJ 48 Hình 4.1 Cấu trúc bộ đi u khiऀn LQR 49 Hình 4.2 Sơ đồ khối giải thuật đi u khiऀn Swing-up 50 Hình 4.3 Vị trí TOP của hệ Pendubot 51 Hình 4.4 Sơ đồ đi u khiऀn swing-up vị trí TOP 52 Hình 4.5 Vị trí Middle của hệ Pendubot 53 Hình 4.6 Sơ đồ giải thuật di truy n tऀng quát 54 Hình 4.7 Sơ đồ giải thuật di truy n GA 55 Hình 5.1 Sơ đồ thiĀt kĀ bộ đi u khiऀn 56 Hình 5.2 KĀt quả mô phỏng góc và vận tốc của link 1 và link 58 2 vị trí top của hệ Pendubot Hình 5.3 KĀt quả mô phỏng điện áp cấp cho hệ Pendubot ở 58 vị trí TOP Hình 5.4 KĀt quả thực nghiệm góc và vận tốc của link 1 và 59 link 2 trên thực nghiệm ở vị trí TOP Hình 5.5 KĀt quả điện áp cấp cho động cơ thực nghiệm ở vị 59 trí TOP Hình 5.6 KĀt quả góc và vận tốc link 1 và link 2 trên mô 60 phỏng ở vị trí middle Hình 5.