Nghiên cứu ứng dụng Learning Feed Forward trên cơ sở điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu ( Mras)

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật -1- Chuyên ngành tự động hóa

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP

---------------------------------------

NGUYỄN THỊ GIANG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG LEARNING FEED

FORWARD TRÊN CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN THÍCH

NGHI THEO MÔ HÌNH MẪU (MRAS) ĐIỀU KHIỂN

VỊ TRÍ CÁNH TAY ROBOT

Chuyên ngành: Tự động hóa

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Thái Nguyên - 2013

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật -2- Chuyên ngành tự động hóa

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Nguyễn Thị Giang

Sinh ngày 18 tháng 10 năm 1987

Học viên lớp cao học khoá 13 - Tự động hoá - Trường đại học kỹ thuật Công

nghiệp Thái Nguyên.

Hiện đang công tác tại Trường Cao đẳng nghề Cơ điện và xây dựng Bắc Ninh.

Xin cam đoan luận văn “Nghiên cứu ứng dụng Learning Feed Forward

(LFFC) trên cơ sở điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu (MRAS) điều khiển vị trí

cánh tay Robot ” do thầy giáo T.S Nguyễn Duy Cương hướng dẫn là công trình

nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ

ràng.

Tác giả xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng như nội

dung trong đề cương và yêu cầu của thầy giáo hướng dẫn. Nếu có vấn đề gì trong

nội dung của luận văn tác giả xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với lời cam đoan của

mình.

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2012

Học viên

Nguyễn Thị Giang

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật -3- Chuyên ngành tự động hóa

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương và được sự hướng dẫn tận tình

giúp đỡ của thầy giáo T.S Nguyễn Duy Cương, luận văn với đề tài “Nghiên cứu

ứng dụng Learning Feed Forward (LFFC) trên cơ sở điều khiển thích nghi theo

mô hình mẫu (MRAS) điều khiển vị trí cánh tay Robot” đã được hoàn thành.

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới:

Thầy giáo hướng dẫn T.S Nguyễn Duy Cương đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tác

giả hoàn thành luận văn.

Thầy giáo Nguyễn Văn Chí – Bộ môn Đo lường và điều khiển tự động- Khoa

Điện tử, cùng các thầy cô giáo Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên

và một số đồng nghiệp, đã quan tâm động viên, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình

học tập để hoàn thành luận văn này.

Mặc dù đã cố gắng hết sức, song do điều kiện thời gian và kinh nghiệm thực tế

của bản thân còn ít, cho nên đề tài không thể tránh khỏi thiếu sót. Vì vậy, tác giả

mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo, cô giáo và các bạn bè đồng

nghiệp.

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày….tháng….năm 2012

Tác giả

Nguyễn Thị Giang

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật -4- Chuyên ngành tự động hóa

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................1

LỜI CẢM ƠN............................................................................................................3

MỤC LỤC..................................................................................................................4

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT.......................................................................6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ...................................................................................7

LỜI NÓI ĐẦU ...........................................................................................................9

CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT CÔNG NGHIỆP ....11

Giới thiệu: ................................................................................................................11

1.1.TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP.............................................11

1.1.1.Khái niệm về Robot công nghiệp...........................................................11

1.1.2. Phân loại Robot công nghiệp. ...............................................................13

1.1.3. Sơ đồ tổ chức kỹ thuật của Robot. .......................................................16

1.2. PHƢƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC CỦA ROBOT........................................18

Kết luận chƣơng 1: ..........................................................................................20

CHƢƠNG 2 : TỔNG QUAN VỀ LEARNING FEED FORWARD CONTROL

(LFFC) VÀ MODEL REFERENCE ADAPTIVE YSTEM(MRAS) ................21

Giới thiệu: ................................................................................................................21

2.1. TỔNG QUAN VỀ LFFC .............................................................................21

2.1.1. Giới thiệu. ...............................................................................................21

2.1.2. Điều khiển học (Learning Control - LC).............................................22

2.1.3. Bộ điều khiển học sử dụng sai lệch phản hồi (Feedback Error

Learning - FEL) ...............................................................................................26

2.1.4. Learning Feed forward Control (LFFC).............................................33

2.2. ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI THEO MÔ HÌNH MẪU...........................34

2.2.1. Khái quát chung.....................................................................................34

2.2.2. Cơ chế thích nghi ...................................................................................39

2.2.3. Mô hình độ nhạy:...................................................................................47

2.2.4. Phƣơng pháp ổn định của Liapunov....................................................49

2.3. BỘ ĐIỀU KHIỂN LFFC TRÊN CƠ SỞ MRAS .......................................61

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật -5- Chuyên ngành tự động hóa

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

2.3.1. Khái niệm chung ....................................................................................61

2.3.3. Luật điều khiển thích nghi. ...................................................................65

Kết luận chƣơng 2: ..........................................................................................70

CHƢƠNG 3 : THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG BỘ ĐIỀU KHIỂN LFFC TRÊN

CƠ SỞ MRAS ĐỂ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ CÁNH TAY ROBOT ......................71

3.1. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ....................................................................71

3.1.1. Chọn khâu khởi tạo tín hiệu đặt...........................................................72

3.1.2. Chọn bộ điều khiển PD..........................................................................72

3.1.3. Tính toán bộ điều khiển LFFC.............................................................73

3.2. Mô phỏng hệ thống.......................................................................................75

3.2.1. Cấu trúc mô phỏng ................................................................................75

3.2.2.Kết quả mô phỏng...................................................................................81

Kết luận Chƣơng 3...........................................................................................87

KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI.....................................88

TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................89

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật -6- Chuyên ngành tự động hóa

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

LC Learning Control- Bộ điều khiển học

LFFC Learning Feed Forward Control

MLP Multi Layer Perceptron

FEL Feedback Error Learning

MRAS Model Reference Adaptive System

CMAC Cerebellar Model Articulation Controller

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật -7- Chuyên ngành tự động hóa

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình Tên hình vẽ

Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển vị trí

Hình 1.2 Các dạng Robot 3 bậc tự do

Hình 1.3 Sơ đồ tổ chức kĩ thuật của Robot

Hình 1.4 Mô hình Robot 2 bậc tự do

Hình 2.1 Cực tiểu cục bộ trong kĩ thuật học

Hình 2.2 Bộ điều khiển phản hồi sai lệch

Hình 2.3 Đối tượng và nhiễu phát sinh

Hình 2.4 Học theo sai số phản hồi

Hình 2.5 Hệ thích nghi tham số

Hình 2.6 Hệ thích nghi tín hiệu

Hình 2.7 Điều khiển sơ cấp và cấp hai

Hình 2.8 Mô hình mẫu và đối tượng

Hình 2.9a Sự thay đổi tham số bp dẫn tới sự thay đổi đáp ứng đầu ra

Hình 2.9b Đáp ứng đầu ra của đối tượng (Yp), đáp ứng mô hình mẫu (Yp1) và sai

lệch hai đáp ứng đầu ra (e) khi thay đổi tham số bp.

Hình 2.10a Bộ điều khiển thích nghi dựa vào luật MIT theo tham số Kb

Hình 2.10b Kết quả việc thích nghi dựa vào luật MIT theo tham số Kb.

Hình 2.11 Kết quả việc thích nghi của Ka và Kb.

Hình 2.12 Việc hiệu chỉnh của Ka và Kb với tốc độ cao hơn của bộ thích nghi

Hình 2.13 Tính phi tuyến trong hệ thống điều khiển thích nghi.

Hình 2.14 Hệ thống điều khiển thích nghi dựa trên mô hình độ nhạy. Ka được hiệu

chỉnh để bù cho sự thay đổi của aP.

Hình 2.15 Hệ thống thích nghi được thiết kế theo phương pháp ổn định Liapunov

Hình 2.16 Đáp ứng đầu ra của mô hình mẫu (Ym), mô hình đối tượng (Yp), sai

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật -8- Chuyên ngành tự động hóa

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

lệch (e), và tham số hiệu chỉnh (Ka

, Kb).

Hình 2.17 Hệ thống thích nghi được thiết kế theo phương pháp ổn định Liapunov

có bổ xung khâu tỷ lệ.

Hình 2.18 Các đáp ứng nhận được khi tham số Ka

, Kb bổ xung khâu tỷ lệ.

Hình 2.19a MRAS cho sự thích nghi của các tham số bộ điều khiển

Hình 2.19b MRAS với mô hình có thể hiệu chỉnh cho nhận dạng tham số.

Hình 2.19c Cấu trúc MRAS với khâu khởi tạo tín hiệu đặt

Hình 2.20 Nhận dạng mô hình ngược của đối tượng

Hình 2.21 Bộ điều khiển LFFC

Hình 3.1 Mô hình cánh tay robot 2 bậc tự do

Hình 3.2 Sơ đồ mô phỏng Robot 2 bậc tự do

Hình 3.3 Sơ đồ khối mô phỏng đối tượng Robot 2 bậc tự do

Hình 3.4 Sơ đồ khối bộ điều khiển LFFC trên cơ sở điều khiển thích nghi theo

mô hình mẫu.

Hình 3.5 Sơ đồ khối mô phỏng toàn hệ thống

Hình 3.6 Mô hình khâu khởi tạo tín hiệu đặt (Setpoint generator)

Hình 3.7 Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển PD của 1 khâu

Hình 3.8 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển MRAS

Hình 3.9 Tín hiệu vào của khối LFFC

Hình 3.10 Đáp ứng của hệ thống khi chỉ có bộ điều khển PD tác động

Hình 3.11 Tín hiệu ma sát coulomb ở chế độ quá độ

Hình 3.12 Tín hiệu ma sát coulomb ở chế độ xác lập

Hình 3.13 Đáp ứng của hệ thống khi có tín hiệu LFFC bù lực Coulomb

Hình 3.14 Lực Viscous thực tế và lực Viscous tạo ra

Hình 3.15 Đáp ứng của hệ thống khi có tín hiệu LFFC bù lực Coulomb và bù lực

Viscous