CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Hình 1.17: Mô hình điều khiển mobile robot 1. BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT KẾT HỢP HỆ MỜ Trong hệ động lực học, có nhiều yếu tố tác động đến mô hình toán của hệ như là môi trường thay đổi, áp suất, nhiệt độ thay đổi theo thời gian và nhiễu ngẫu nhiên. Có một vài phương pháp để giải quyết các tác động không tốt của nhiễu, nhưng phổ biến nhất là phương pháp điều khiển mặt trượt Sliding mode control (SMC), bởi tính đáp ứng tốt trong môi trường phi tuyến, đồng thời phù hợp cho đối tượng điều khiển nhiều đầu vào- nhiều đầu ra. Và nổi bật nhất là tính bền vững của hệ theo thời gian.
Do đó, SMC được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như là robotic, điều khiển hệ thống và điều khiển hệ servo. Tuy nhiên việc áp dụng đơn lẻ các giải thuật điều khiển còn gặp hạn chế do mỗi bộ điều khiển có nhược điểm riêng. Như bộ điều khiển trượt có ưu điểm là tính ổn định bền vững ngay cả khi hệ thống bị nhiễu hoặc các thông số của hệ thống thay đổi theo thời gian. Nhưng điều khiển mặt trượt lại gặp vấn đề về độ vọt lố thay đổi với tần số cao làm cho động cơ không kịp đáp ứng và gây ra hiện tượng mỏi, hư hỏng cơ khí.
Nhược điểm thứ hai là bộ điều khiển rất nhạy với nhiễu vì tín hiệu điều khiển phụ thuộc vào dấu của biến đầu vào. Cuối cùng là bộ điều khiển có thể tạo ra các tín hiệu điều khiển rất lớn không cần thiết để vượt qua các thông số không xác định của hệ điều khiển. 12 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Để khắc phục những nhược điểm của SMC, một hệ kết hợp trượt mờ kết hợp đã được giới thiệu, lúc này biến trượt switch gain của hệ SMC được thay thế bằng các logic của hàm mờ. Lin [5] có một nghiên cứu khá đầy đủ về lý thuyết mờ, ưu điểm của lý thuyết mờ truyền thống là giúp hệ thống tiến đến trạng thái cân bằng khi thời gian tiến về vô cùng, với độ chính xác cao.
Tuy nhiên, có hai nhược điểm mà phương pháp này gặp phải đó là điểm kì dị giới hạn không gian làm việc của robot và yêu cầu về mặt tính toán phải biết mô hình toán của hệ. Đối với vấn đề điểm kì dị tác giả đề xuất một lý thuyết mờ mở rộng là Nonsingular teminal sliding mode (NTSM), cung cấp giải pháp giúp hệ hội tụ về điểm cân bằng nhanh hơn, chính xác hơn. Đồng thời để giải quyết vấn đề mô hình toán chính xác của robot, tác giả đề nghị sử dụng phối hợp thêm mạng wavelet mờ để ước lượng các giá trị phi tuyến, đây là thuật toán thông minh có thể tự động điều chỉnh các tham số phi tuyến, biến số thay đổi bằng cách ước lượng, qua đó giúp xây dựng được mô hình động lực học của hệ chính xác. Nghiên cứu của tác giả được mô phỏng trên cánh tay máy 6 bậc tự do (PUMA-500).18: Mô hình robot PUMA-500 13 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Hình 1.19: Sơ đồ điều khiển NTSM kết hợp mạng Wavelet mờ Còn tác giả Sanxiu Wang trong bài báo của mình [6] đã đề xuất một thuật toán điều khiển theo dõi quỹ đạo mạnh mẽ chế độ trượt mờ thích ứng cho điều khiển robot với các tham số không chắc chắn và nhiễu bên ngoài.
Thuật toán kết hợp bộ điều khiển theo dõi SMC, bộ điều khiển mờ thích ứng độ lợi chuyển mạch và các thuật toán điều khiển mạnh mẽ để bù lỗi và nhiễu mô hình, làm suy yếu vùng đệm của SMC và đảm bảo độ chính xác cao của quỹ đạo robot.20: Sơ đồ điều khiển trượt kết hợp hệ mờ 14 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC Ở Việt Nam, các nhà khoa học rất quan tâm đến lĩnh vực điều khiển phi tuyến, hầu hết các trường đại học công nghệ đều đưa kiến thức vào giảng dạy và thực hành. Bên cạnh đó các công trình nghiên cứu được được xuất bản. Tác giả Ngô Hà Quang Thịnh trong bài báo [7] đã trình bày nghiên cứu về sử dụng kết hợp bộ điều khiển trượt và lý thuyết mờ type-1 FLS cho cánh tay máy hai bậc tự do, bài báo trình bày được các kết quả khả quan khi tay máy đáp ứng được các yêu cầu về sai số hành trình nhỏ, tốc độ nhanh khi so sánh với bộ điều khiển truyền thống.
Tuy nhiên hệ quy tắc mờ type-1 chưa bao hàm hết các yếu tố phi tuyến trong quá trình tạo lập các hàm thành viên MF. Trong bài báo điều khiển tay máy của tác giả Nguyễn Ngọc Sơn [8], đã đề xuất một thuật toán mạng nơ-ron tự động hồi quy phi tuyết NARX cho hệ MIMO. Trong mô hình này, thuật toán tối ưu tiến hóa vi phân nâng cao (ADE) là sự kết hợp giữa phương pháp tối ưu tiến hóa cổ điển (DE) và kỹ thuật lan truyền ngược (BP) được dùng để tính toán động học ngược cho mô hình nghiên cứu là Robot 3 bậc tự do dùng trong công nghiệp.21: Mô hình cách tay máy 3 bậc tự nghiên cứu 15 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Với phương pháp mới này giúp tối ưu hóa số lượng các trọng số trong mạng nơ- ron, đồng thời giúp quá trình hội tụ của hệ thống nhanh hơn, chính xác hơn khi sử dụng đơn lẻ DE hoặc BP.22: Sơ đồ điều khiển sử dụng mô hình AMNM Tác giả Ho Pham Huy Anh trong nghiên cứu [9] đã đề xuất một hệ điều khiển mờ trượt thích nghi, ứng dụng cho robot 2 khâu sử dụng khí nén. Kết quả mô phỏng, thí nghiệm chứng minh rằng hệ thống điều khiển chính xác, bền vững trong môi trường nhiều nhiễu.23: Mô hình tay máy khí nén PAM trong nghiên cứu 16 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Ngoài ra, còn có một bài báo ứng dụng thực tế điều khiển mờ vào robot hàn của thầy Trần Thiên Phúc [10], và điều khiển hệ con lắc ngược dùng hệ mờ của thầy Huỳnh Thái Hoàng [11].
ĐẶT VẤN ĐỀ Đất nước Việt Nam đang tiến nhanh trên con đường công nghiệp hóa, hiện đại hóa thì vấn đề làm chủ các công nghệ hiện đại đang được quan tâm của toàn xã hội, điều khiển cánh tay máy với độ chính xác cao bằng công nghệ mới là mục tiêu các nhà sản xuất, trường đại học hướng tới. Đã có nhiều nghiên cứu về các thuật toán nâng cao như điều khiển mặt trượt, mạng nơ-ron, hoặc mạng di truyền. Tuy nhiên việc áp dụng đơn lẻ các giải thuật điều khiển còn gặp hạn chế do mỗi bộ điều khiển có ưu nhược điểm riêng. Như bộ điều khiển trượt có ưu điểm là tính ổn định bền vững ngay cả khi hệ thống bị nhiễu, nhưng hệ lại gặp vấn đề khối lượng tính toán và độ vọt lố có thể làm hư hỏng động cơ.
Do đó vấn đề đầu tiên là tạo ra sự kết hợp giữa các bộ điều khiển để mở rộng các khả năng tiềm ẩn. Đồng thời, cần đảm bảo một hệ thống không quá phức tạp vì sẽ đòi hỏi áp lực tính toán rất lớn, cái mà không phải lúc nào cũng được hỗ trợ. Vì vậy, bộ điều khiển PID, một hệ khá phổ biến, dễ vận hành và lại ít tốn tài nguyên tính toán được cân nhắc để vận hành cả hệ thống khi mà các sai số hành trình còn nhỏ và nằm trong ngưỡng cho phép. Khi mà hệ điều khiển chịu tác động lớn bới các hàm phi tiến, nhiễu làm tăng sai số, lúc này một bộ điều khiển nâng cao bền vững và ổn định trước các yếu tố biến động được khởi động để vận hành hệ thống.
Trong luận văn sẽ làm rõ vấn đề sử dụng kết hợp hai bộ đồ khiển và cơ chế chuyển đổi qua lại giữa chúng. Đồng thời một nghiên cứu về thiết kế bộ điều khiển nâng cao có khả năng đáp ứng chính xác, kịp thời ngay cả trong môi trường phi tuyến, nhiễu và thân thiện với hệ servo sẽ được đề xuất. MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI ĐỀ TÀI Mục tiêu đề tài là đề xuất một phương pháp sử dụng kết hợp các bộ điều khiển để điều khiển cánh tay máy hai bậc tự do hạn chế độ vọt lố và giảm sai số điều khiển của 17 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN hệ. Bộ điều khiển có thể hoạt động tốt với điều kiện hệ điều khiển có nhiều biến bất định, lực ma sát và nhiểu thay đổi theo thời gian.
Phạm vi luận văn: Đối tượng điều khiển: cánh tay máy 2 bậc tự do sử dụng trong công nghiệp. Phương pháp nghiên cứu: dựa trên cách tiếp cận mô hình hoá – mô phỏng, các mô hình điều khiển được áp dụng vào phương trình động lực học của robot, sau đó sử dụng phần mềm Matlab để mô phỏng hoạt động, kết quả được kiểm tra so sánh để đánh giá tính khả thi. Tài liệu nghiên cứu: các công trình khoa học trong nước và quốc tế, sách tham khảo cũng như bài giảng. 18 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN 2.
LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT 2. HỆ THỐNG PHI TUYẾN Sự không chính xác của mô hình hệ thống phi tuyến có thể xuất phát từ sự không chắc chắn thực tế về mô hình điều khiển (ví dụ, các thông số nhà máy không xác định) hoặc từ quá trình đơn giản hóa mô hình động lực học của hệ thống. Độ không chính xác của mô hình hóa có thể được phân thành hai loại chính: mô hình xác định nhưng không đảm bảo độ chính xác các thông số của hệ và mô hình điều khiển không xác định. Loại đầu tiên tương ứng với sự không chính xác về các điều kiện hoạt động, trong khi loại thứ hai tương ứng với sự không chính xác về mô hình toán của hệ.
Việc tạo ra mô hình hóa không chính xác ảnh hưởng bất lợi rất lớn đến hệ thống điều khiển phi tuyến. Một trong những cách tiếp cận quan trọng để đối phó với sự không chắc chắn của mô hình là điều khiển bền vững. Thông thường bộ điều khiển bền vững bao gồm phần danh nghĩa, tương tự như điều khiển hồi tiếp, và phần bổ sung nhằm giải quyết các yếu tố không chắc chắn của hệ. Điều khiển trượt là một trong những bộ điều khiển bền vững được áp dụng rộng rãi.
Bộ điều khiển cung cấp một cách tiếp cận mang tính hệ thống hóa nhắm cung cấp sự điều khiển ổn định, duy trì hiệu năng cao khi đối mặt với vấn đề mô hình hóa không chính xác.
