Đặt vấn đề Hiện nay khái niệm về robot và chế tạo robot để phục vụ nhu cầu của con người được phát triển rất mạnh mẽ. Robot 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, thiết kế máy, phân tích hoạt động và điều khiển, xử lý tín hiệu và hình ảnh, giải thuật tính toán. Hay nói cách khác, robot 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 (mechatronic).
Trong những thập niên gần đây việc chế tạo robot để phục vụ nhu cầu sản xuất trong môi trường công nghiệp ngày càng được phát triển. Gần đây hàng loạt robot đã được sản xuất với những mục đích và nhu cầu khác nhau nhằm đáp ứng những nhu cầu của con người, thay thế con người thực hiện những công việc .lặp đi lặp lại, nặng nhọc, phức tạp, đòi hỏi độ chính xác cao, làm việc trong môi trường khắc nghiệt, nguy hiểm,… Trong một số lĩnh vực đòi hỏi cánh tay robot phải có trọng lượng nhẹ bằng cách giảm bớt một số cơ cấu dẫn động và đo lường nhưng vẫn đảm bảo được tính điều khiển. Vậy nên, cánh tay robot thiếu dẫn động thường nhỏ gọn và tiêu thụ ít năng lượng hơn. Nhưng với những hệ thống thiếu dẫn động này thường có tính phi tuyến và bất ổn định cao nên vấn đề điều khiển và ổn định nó đã được nghiên cứu từ lâu.
Trong vài thập niên trở lại đây, trong lĩnh vực người máy người ta bắt đầu quan tâm đến việc điều khiển máy móc với số ngõ vào điều khiển nhỏ hơn số cơ cấu chấp hành. Trong đó, chiều dài vector cấu hình hệ thống nhỏ hơn chiều dài của vector điều khiển. Những hệ thống máy móc như vậy gọi là hệ thống thiếu cơ cấu truyền động (hay hệ thống thiếu dẫn động). Hệ thống này có thể thực hiện các nhiệm vụ phức tạp với số lượng cơ cấu truyền động ít và lại có những ưu điểm như: nhẹ, rẻ, ít 2 tiêu hao năng lượng và độ tin cậy cao.
Hệ thống thiếu cơ cấu truyền động đang ngày càng được quan tâm hơn bởi thế mạnh của nó. Hệ thống này có nhiều ứng dụng quan trọng như: hệ thống tàu không gian vũ trụ, hệ thống tàu thủy, hệ thống cần trục,… Có rất nhiều mô hình đặc trưng cho hệ thống thiếu cơ cấu truyền động này đã được các nhà khoa học nghiên cứu và chế tạo như: acrobot, mobile robot, gyrobot, pendubot, con lắc ngược hai bậc tự do,… Pendubot là một ví dụ điển hình cho hệ thống thiếu có cấu truyền động này. Pendubot là một robot có hai bậc tự do hoạt động trong mặt phẳng đứng. Có 1 cơ cấu truyền động nằm ở khớp nối thứ nhất, khớp thứ hai nối với khớp thứ nhất bằng trục liên kết tự do.
Khớp thứ nhất được gắn với cơ cấu truyền động, trong đó động cơ sẽ điều khiển mômen. Mục tiêu điều khiển trong hệ là chuyển hệ robot hai bậc tự do này từ vị trí cân bằng dưới lên vị trí cân bằng trên và giữ cân bằng ổn định tại vị trí cân bằng trên đó. Để điều khiển được các hệ thống thiếu dẫn động n bậc thực tế như khớp tay chân của robot người và robot động vật…thường phải trải qua quá trình nghiên cứu lâu dài. Chính vì vậy các hệ thống với số lượng bậc ít hơn được tạo ra trong phòng thí nghiệm để thử nghiệm các luật điều khiển từ đó ứng dụng vào điều khiển hệ thống có bậc cao hơn.
Mô hình cánh tay robot thiếu dẫn động 2 bậc tự do cũng được khởi xướng và chế tạo từ đó. Vì tính độc đáo và phức tạp nên từ khi ra đời nó đã thu hút được sự quan tâm của những người nghiên cứu điều khiển tự động. Pendubot là hệ thống không ổn định và độ phi tuyến ở mức cao. Do đó, nó thường được dùng phổ biến cho các ứng dụng trong kiểm chứng kỹ thuật điều khiển.
Điều khiển hệ thống pendubot cũng là một vấn đề kiểm soát cổ điển đã được áp dụng nhiều trong thực tế vì đặc tính động học của pendubot gần giống với quá trình vật lý cụ thể của quá trình phóng tên lửa hoặc hoặt động của các cần cẩu khi chuyển động,… Nhờ tính năng động học đó pendubot đã được các nhà nghiên cứu sử dụng như một mô hình chuẩn để thử nghiệm các thuật toán điều khiển như điêu khiển PID, điều khiển trượt, tuyến tính hóa, mạng nơron, logic mờ, kiểm chứng các giả thuật tìm kiếm thông số như di truyền (Genetic Algorithm) hoặc bầy đàn (PSO),… Điều khiển phi tuyến đòi hỏi phải biêt rõ mô hình toán học của đối tượng cũng như các thành phần 3 bất định của chúng. Để điều khiển chính xác các đối tượng khi chưa biết rõ được thông số, giải thuật PID hoặc điều khiển mờ là giải pháp tối ưu. Cùng với sự phát triển của xã hội, khoa học kỹ 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 trước đây, nhất là trong lĩnh vực điều khiển đối tượng phi tuyến. Điều khiển mờ (fuzzy control) là một trong những phương pháp điều khiển thông minh lâu đời, đơn giản, có hiệu quả để điều khiển đối tượng phi tuyến. Kỹ thuật điều khiển này với ưu điểm điều khiển đưa vào những thông tin không rõ ràng, dùng kinh nghiệm của người thiết kế để điều khiển những đối tượng phi tuyến không xác định được mô hình toán. Điều khiển mờ 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 lượng của hệ thống có sự hiện diện của những thông số bất định hoặc biến đổi không biết trước thông số của hệ thống.
Thực tế, đối tượng luôn tồn tại những thông số bất định như: nhiễu, ảnh hưởng của điều kiện làm việc,… Vì vậy việc kết hợp bộ điều khiển kinh điển PID và bộ điều khiển fuzzy làm tăng chất lượng điều khiển. Do vậy tôi đã chọn đề tài về điều khiển cân bằng pendubot là “Thiết kế bộ điều khiển mờ lai ổn định cân bằng hệ pendubot”. Giới thiệu về mô hình pendubot Con lắc quay (Pendulum Robot) được gọi tắt là Pendubot là một loại hệ thống cơ khí kích thích dưới (under-actuated), tức là số lượng ngõ vào điều khiển ít hơn so với số lượng ngõ ra. Hệ thống cơ khí này bao gồm hai thanh (links) quay trên hai khớp nối.
Hai thanh lần lượt là vai (thanh 1) và khủy (thanh 2). Khớp vai là một khớp được kích thích và khớp khủy là khớp bị động. Pendubot thường được sử dụng để nghiên cứu điều khiển hệ phi tuyến và trong một số lĩnh vực nghiên cứu khác, bởi vì nó đơn giản để phân tích động học và thử nghiệm mặc dù có phi tuyến mạnh mẽ và động lực kép giữa hai tay. Hệ thống Pendubot gồm hai link, link1 gắn ở trục motor DC và ở đuôi motor gắn một encoder.
Link 2 nối kết đến link 1 tại khủy chung và tại đây gắn 1 encoder. 4 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 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 link 1 và nó hoạt động nhờ vào moment quán tính chuyển động của link 1 được gắn trực tiếp với trục động cơ servo .1: Hệ thống Pendubot 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. Có nhiều phương pháp điều khiển hệ thống này, như là điều khiển tối ưu, điều khiển thich nghi, hay là điều khiển thích nghi bền vững, điều khiển fuzzy. Nhiệm vụ trong luận văn này điều khiển cân bằng hệ thống Pendubot sử dụng phương pháp fuzzy hybrid (mờ lai), thuật toán này được thực hiện trên Matlab bằng bằng phương pháp bóc khối trong simulink và đổ xuống DSP để chạy.
Phân tích đánh giá các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước Đã có rất nhiều các công trình nghiên cứu khoa học, các báo cáo chuyên ngành trong và ngoài nước đề cập đến mô hình pendubot này. Đặc biệt, trong ba thập niên gần đây, vấn đề điều khiển swing-up và cân bằng pendubot được các nhà khoa học 5 trên thế giới quan tâm nghiên cứu và cải tiến, có rất nhiều giải thuật được đề xuất để phát triển đề tài điều khiển này, ví dụ như: điều khiển trượt, điều khiển hồi tiếp tuyến tính hóa riêng phần, hồi tiếp trạng thái, điều khiển dựa trên mức năng lượng, … Khi lý thuyết điều khiển hiện đại phát triển thì các nhà khoa học lại có hướng tìm tòi những giải thuật mới như giải thuật mờ, giải thuật di truyền, mờ thích nghi, kết hợp giải thuật di truyền và mờ, kết hợp mạng neural và mờ… để điều khiển và đã thu được một số thành công đáng kể. Các công trình nghiên cứu ngoài nước Hệ thống Pendubot là hệ thống phức tạp, không ổn định có tính phi tuyến cao việc điều khiển giữ cho con lắc cân bằng hay thiết kế bộ điều khiển Swing-up là những vấn đề rất được quan tâm trong lĩnh vực điều khiển tự động. Thêm vào đó, nếu hệ thống được chế tạo với độ chính xác và tin cậy cao thì đây là mô hình lý tưởng cho các nhà nghiên cứu thực hiện các thí nghiệm về thu thập dữ liệu từ hệ thống để có thể sử dụng các thuật toán nhận dạng mô hình hệ thống mà không cần biết mô hình toán học của nó.
Bên cạnh đó, việc sử dụng bộ điều khiển như thế nào để có thể giữ cho Pendubot đứng yên ở vị trí cân bằng là vấn đề rất quan trọng. Các phương pháp đã sử dụng để điều khiển Pendubot được phân loại như sau: điều khiển tuyến tính hóa hoặc điều khiển tuyến tính hóa từng phần, điều khiển thông minh, điều khiển lai, điều khiển phi tuyến, điều khiển PID, điều khiển trượt, thuật toán điều khiển tối ưu LQR và điều khiển logic mờ Fuzzy,… Có nhiều nhà nghiên cứu đã đề xuất các phương pháp swing-up và điều khiển cân bằng cho pendubot, nổi bật có thể kể đến như: Mark W. Spong và Daniel J.