Thư viện tri thức trực tuyến
Kho tài liệu với 50,000+ tài liệu học thuật
© 2023 Siêu thị PDF - Kho tài liệu học thuật hàng đầu Việt Nam
Phương pháp tổng hợp các bộ điều khiển cho hệ thao tác từ xa một chủ một tớ (Teleoperation - SMSS)
Nội dung xem thử
Mô tả chi tiết
i
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
------------------
ĐẶNG NGỌC TRUNG
PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO
HỆ THAO TÁC TỪ XA MỘT CHỦ MỘT TỚ
(TELEOPERATION-SMSS)
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
THÁI NGUYÊN - 2017
ii
LỜI CAM ĐOAN
Tôi tên là Đặng Ngọc Trung, tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu
của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của tập thể các nhà khoa học và các tài liệu tham
khảo đã trích dẫn. Kết quả nghiên cứu là trung thực và chưa được công bố trên bất
cứ một công trình nào khác.
Thái Nguyên, ngày 23 tháng 8 năm 2017
Tác giả luận án
Đặng Ngọc Trung
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
---------------
ĐẶNG NGỌC TRUNG
PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO
HỆ THAO TÁC TỪ XA MỘT CHỦ MỘT TỚ
(TELEOPERATION-SMSS)
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hoá
Mã số: 62. 52. 02. 16
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
Cán bộ hướng dẫn 1 Cán bộ hướng dẫn 2
TS. Đỗ Trung Hải TS. Đỗ Đức Nam
THÁI NGUYÊN - 2017
iii
LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình làm luận án, thực sự đã có những lúc khó khăn, tưởng
chừng như không thể tiếp tục, nhờ nhận được sự động viên, giúp đỡ của người thân,
bạn bè đồng nghiệp, thầy giáo hướng dẫn và tập thể các nhà khoa học, tôi đã có
được kết quả hôm nay. Tôi xin được trân trọng gửi lời cảm ơn đến tất cả. Cảm ơn
những người thầy, người bạn đã đồng hành, giúp đỡ, chia sẽ cùng tôi trong giai
đoạn khó khăn, vất vả nhất của chặng đường luận án.
Cũng qua đây, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến các thầy giáo
hướng dẫn TS. Đỗ Trung Hải – Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp –ĐH Thái
Nguyên và TS. Đỗ Đức Nam –Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tận tình, dìu
dắt và định hướng cho tôi trong suốt thời gian qua. Tôi cũng xin được gửi lời cảm
ơn sâu sắc và kính trọng đến các thầy cô giáo, các đồng nghiệp trong Khoa Điện, tập
thể các nhà khoa học, đã đóng góp những ý kiến quý báu về chuyên môn, quan tâm,
tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ về công việc và thời gian. Cảm ơn Bộ môn Kỹ thuật
Điện, Khoa Điện, Viện nghiên cứu phát triển công nghệ cao về kỹ thuật công
nghiệp, Trung tâm thí nghiệm, các Phòng ban của Trường Đại học Kỹ thuật Công
nghiệp, Đại học Thái Nguyên đã nhiệt tình, tạo điều kiện trong suốt quá trình thực
hiện luận án.
Hơn hết, tôi muốn được nói lời cảm ơn đến bố mẹ, anh chị, vợ và con gái đã
luôn luôn bên tôi, hết lòng quan tâm, sẻ chia, ủng hộ, động viên tinh thần, tình cảm,
tạo điều kiện giúp tôi có nghị lực để hoàn thành quyển luận án này.
Tác giả luận án
Đặng Ngọc Trung
iv
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... iii
MỤC LỤC..................................................................................................................iv
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT.............................................vi
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ........................................................................... viii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ....................................................................................ix
MỞ ĐẦU.....................................................................................................................1
1. Tính cấp thiết của đề tài luận án.............................................................................1
2. Phạm vi, đối tượng nghiên cứu và phương pháp nghiên cứu ................................2
3. Mục tiêu của luận án ..............................................................................................2
4. Những đóng góp mới về lý luận và thực tiễn của luận án .....................................3
5. Bố cục của luận án .................................................................................................3
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 5
1.1. Giới thiệu tổng quan về hệ Teleoperation........................................................5
1.1.1. Khái niệm về hệ Teleoperation ........................................................................5
1.1.2. Tình hình nghiên cứu trên thế giới về hệ Teleoperation ..................................7
1.1.3. Tình hình nghiên cứu trong nước về hệ Teleoperation..................................13
1.1.4. Các cấu trúc điều khiển hệ Teleoperation ......................................................13
1.2. Tính chính xác và đồng nhất trong hệ Teleoperation (Transparency in
Teleoperation Systems)..................................................................................15
1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính ổn định và chất lượng hệ Teleoperation.......16
1.4. Tính đặc thù và những khó khăn khi tổng hợp hệ Teleoperation và đề xuất
hướng giải quyết trong luận án.......................................................................18
1.5. Kết luận Chương 1 .........................................................................................22
CHƯƠNG 2 23
XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG THAO TÁC
TỪ XA (TELEOPERATION-SMSS) 23
2.1. Cơ sở lý thuyết điều khiển hiện đại 23
2.1.1 Khái niệm về ổn định tiệm cận đều và ổn định theo hàm mũ........................23
2.1.2 Khái niệm về ổn định ISS ..............................................................................29
v
2.1.3 Lý thuyết chung về điều khiển trượt (Sliding mode control).........................30
2.1.4 Điều khiển thích nghi ISS ..............................................................................35
2.2. Tổng hợp bộ điều khiển thích nghi bền vững cho hệ thống thao tác từ xa
(Teleoperation-SMSS) ...................................................................................37
2.3. Mô phỏng điều khiển hệ thống từ xa (Teleoperation-SMSS) trên MatlabSimulink .........................................................................................................57
2.4. Kết luận Chương 2 .........................................................................................81
CHƯƠNG 3 83
MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM KIỂM CHỨNG THUẬT TOÁN ĐIỀU
KHIỂN ĐÃ ĐỀ XUẤT CHO HỆ THAO TÁC TỪ XA
(TELEOPERATION-SMSS) 83
3.1. Sơ đồ khối ghép nối điều khiển hệ thống thao tác từ xa qua máy tính và Card
DSP1103.........................................................................................................83
3.2. Sơ đồ kết nối vật lý cho một khớp (1 động cơ) của Robot chủ/Robot tớ với
Card DSP1103................................................................................................84
3.3. Sơ đồ nguyên lý điều khiển hệ Teleoperation SMS.......................................84
3.4. Sơ đồ các khối ghép nối trên Matlab Simulink kết nối với DSP1103 và hệ
SMSS thực......................................................................................................87
3.5. Sơ đồ ghép nối thực điều khiển hệ thống Teleoperation-SMSS qua máy tính90
3.6. Kết quả điều khiển thực hệ SMSS qua card DSP1103 và phần mềm Control
Desk................................................................................................................91
3.7. Kết luận chương 3 ..........................................................................................97
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................98
DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN..............99
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................100
PHỤ LỤC................................................................................................................109
vi
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Danh mục các ký hiệu
T
thời gian trễ trên kênh truyền thông
se( )
mặt trượt
xt()
trạng thái quỹ đạo tự do
Mi
ma trận quán tính xác định dương
Ci
ma trận criolit và lực hướng tâm
i
J
ma trận Jacobi
i
q
góc quay khớp i
mi
khối lượng khâu i
i
l
chiều dài khâu i
i
mômen quán tính với tâm đi qua trọng tâm khâu i
i
r
khoảng cách từ tâm khớp đến trọng tâm khâu i
Fi
ngoại lực đặt tại khớp i
Bi
độ giảm chấn tại khớp i
i
τ
mômen đầu vào các Robot
Fop
lực tác động lên Master do người thao tác
Fe
phản lực từ môi trường lên Slave
Gi
véc tơ lực trọng trường
op τ
mômen lực tác động lên Master do người thao tác
e
τ
mômen phản lực từ môi trường lên Slave
i
q&
véc tơ vận tốc góc khớp i
i
q&&
véc tơ gia tốc góc khớp i
Ni τ
các thành phần nhiễu tác động lên các khớp
ˆ
Ni τ
các thành phần nhiễu đánh giá tác động lên các khớp
i
sai số đánh giá nhiễu tác động lên các Robot
seq u
tín hiệu điều khiển tương đương lên Slve
e
sai lệch quỹ đạo
; ; ; A Ki s P I
các ma trận đường chéo xác định dương
vii
O
m
;
* O
m
;
O
các miền hội tụ (hay miền hấp dẫn)
Danh mục các chữ viết tắt tiếng việt
MHRM Mô hình Robot chủ
MHRS Mô hình Robot tớ
BĐK Bộ điều khiển
XLNS Xử lý nhiễu Robot tớ
XLNM Xử lý nhiễu Robot chủ
ULNS Ước lượng nhiễu Robot tớ
ULNM Ước lượng nhiễu Robot chủ
ARSM-SC
Cấu trúc điều khiển thích nghi bền vững sử dụng chế độ
trượt cho Robot tớ
ISS-MC Cấu trúc điều khiển thích ISS cho Robot chủ
Danh mục các chữ viết tắt tiếng anh
SMSS Single Master Single Slave
SMMS Single Master Multiple Slaves
MSMM Multiple Masters Multiple Slaves
ISS Input-to-state stability
viii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1. Thông số vật lý mô phỏng của Robot chủ/Robot tớ ...........................62
Bảng 2. Thông số mô phỏng của bộ điều khiển Robot chủ..............................76
Bảng 3. Thông số mô phỏng của bộ điều khiển Robot tớ ................................76
Bảng 4. Thông số vật lý thực của Robot chủ/Robot tớ ....................................84
Bảng 5. Thông số thực nghiệm của bộ điều khiển Robot chủ..........................85
Bảng 6. Thông số thực nghiệm của bộ điều khiển Robot tớ ............................85
ix
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình1.1. Mô hình hệ thống Teleoperation .........................................................6
Hình1.2. Minh họa cấu trúc điều khiển 2 kênh trong tài liệu [38]. ..................14
Hình1.3. Minh họa cấu trúc điều khiển 2 kênh trong tài liệu [85]. ..................15
Hình1.4. Minh họa cấu trúc điều khiển 4 kênh trong tài liệu [65]. ..................15
Hình 2.1. Tạo họ các đường cong kín bao quanh gốc bằng đường đông mức
của hàm xác định dương...................................................................................24
Hình 2.2. Véc tơ gradien của V(x) ...................................................................25
Hình 2.3. Minh họa miền hấp dẫn và khái niệm ổn định ISS ..........................30
Hình 2.4. Nhiệm vụ của bài toán điều khiển trượt ...........................................32
Hình 2.5. Điều khiển trượt bằng phản hồi đầu ra .............................................33
Hình 2.6. Hiện tượng rung và nguyên nhân của hiện tượng rung (chattering) 34
Hình 2.7. Thay khâu Relay hai vị trí bằng khâu khuếch đại bão hòa để giảm.35
Hình 2.8. Sơ đồ cấu trúc của bộ ước lượng tác động của môi trường lên Robot
tớ.......................................................................................................................40
Hình 2.9. Sơ đồ cấu trúc điều khiển cho Robot tớ ...........................................45
Hình 2.10. Thành phần nhiễu
*
e1
τ
dạng sin ........................................................67
Hình 2.11. Thành phần nhiễu
*
e2
τ
dạng sin .......................................................67
Hình 2.12. Thành phần nhiễu
*
e1
τ
dạng bất kỳ...................................................67
Hình 2.13. Thành phần nhiễu
*
e2
τ
dạng bất kỳ ..................................................68
Hình 2.14. Quỹ đạo q1 của Robot tớ khi không bù nhiễu
*
e
τ ...........................68
Hình 2.15. Quỹ đạo q2 của Robot tớ khi không bù nhiễu
*
e
τ ...........................68
Hình 2.16. Quỹ đạo q1 của Robot tớ khi đã bù nhiễu
*
e
τ .................................69
Hình 2.17. Quỹ đạo q2 của Robot tớ khi đã bù nhiễu
*
e
τ .................................69
Hình 2.18. Sơ đồ cấu trúc ước lượng nhiễu bất định tác động lên Robot chủ .47
Hình 2.19. Sơ đồ cấu trúc điều khiển Robot chủ..............................................50
Hình 2.20. Quỹ đạo q1 của Robot chủ khi không bù nhiễu
Nm τ .......................74
Hình 2.21. Quỹ đạo q2 của Robot chủ khi không bù nhiễu
Nm τ .......................74
Hình 2.22. Quỹ đạo q2 của Robot chủ khi đã bù nhiễu
Nm τ .............................74
Hình 2.23. Quỹ đạo q2 của Robot chủ khi đã bù nhiễu
Nm τ .............................75
x
Hình 2.24. Sơ đồ cấu trúc hệ thống thao tác từ xa trên cơ sở bộ điều khiển
thích nghi kháng nhiễu, bền vững sử dụng chế độ trượt ..................................56
Hình 2.25. Sơ đồ cấu trúc điều khiển hệ thao tác từ xa (Teleoperation-SMSS)
trên Matlab-Simulink .......................................................................................77
Hình 2.26. Thành phần tác động của môi trường
*
1
ˆ
e
τ .......................................78
Hình 2.27. Thành phần tác động của môi trường
*
2
ˆ
e
τ .......................................78
Hình 2.28. Thành phần quỹ đạo q1 ..................................................................78
Hình 2.29. Thành phần quỹ đạo q2 của Robot..................................................79
Hình 2.30. So sánh quỹ đạo q1 của Robot chủ và Robot tớ khi đã bù trừ thành
phần
*
ˆ
e
τ .............................................................................................................79
Hình 2.31. So sánh quỹ đạo q2 của Robot chủ và Robot tớ khi đã bù trừ thành
phần
*
ˆ
e
τ .............................................................................................................79
Hình 2.32. Thành phần mômen
op1
τ .................................................................80
Hình 2.33. Thành phần mômen
op 2
τ ..................................................................80
Hình 2.34. Thành phần quỹ đạo q1 của Robot..................................................80
Hình 2.35. Thành phần quỹ đạo q2 của Robot..................................................81
Hình 3.1. Sơ đồ ghép nối điều khiển hệ SMSS qua máy tính và Card DSP1103
...................................................................................................................................83
Hình 3.2. Sơ đồ ghép nối vật lý cho một khớp của Robot với Card DSP1103 84
Hình 3.3. Sơ đồ nguyên lý điều khiển cho hệ Teleoperation SMSS qua card
DSP1103 và máy tính................................................................................................86
Hình 3.4. Sơ đồ ghép nối trên Matlab Simulink kết nối với DSP1103 và hệ
SMSS thực.................................................................................................................87
Hình 3.5. Khối bộ điều khiển Slave .................................................................87
Hình 3.6. Khối bộ điều khiển Master ...............................................................88
Hình 3.7. Khối xuất tín hiệu PWM cho mạch điều khiển và đo dòng điện .....88
Hình 3.8. Khối thu thập dữ liệu động học thực của Master .............................89
Hình 3.9. Khối thu thập dữ liệu động học thực của Slave................................89
Hình 3.10. Mô hình ghép nối thực giữa hệ SMSS với DSP1103 và mạch điều
khiển..........................................................................................................................90
Hình 3.11. Mạch đo tín hiệu dòng và mạch điều khiển tốc độ động cơ...........90
xi
Hình 3.12. Kết quả ước lượng thành phần nhiễu
*
e
τ
khi Robot tớ không mang
tải...............................................................................................................................91
Hình 3.13. Kết quả ước lượng thành phần nhiễu
*
e
τ
khi Robot tớ mang tải ...91
Hình 3.14. So sánh quỹ đạo q1 của Robot chủ và Robot tớ khi chưa bù trừ
nhiễu
NS τ ....................................................................................................................92
Hình 3.15. So sánh quỹ đạo q21 của Robot chủ và Robot tớ khi chưa bù trừ
nhiễu
NS τ ....................................................................................................................92
Hình 3.16. So sánh quỹ đạo q1 của Robot chủ và Robot tớ khi đã bù trừ nhiễu
NS τ .............................................................................................................................92
Hình 3.17. So sánh quỹ đạo q2 của Robot chủ và Robot tớ khi đã bù trừ nhiễu
NS τ .............................................................................................................................93
Hình 3.18. So sánh quỹ đạo q1 của Robot chủ và Robot tớ khi chưa bù trừ
nhiễu
*
e
τ .....................................................................................................................93
Hình 3.19. So sánh quỹ đạo q2 của Robot chủ và Robot tớ khi chưa bù trừ
nhiễu
*
e
τ .....................................................................................................................93
Hình 3.20. So sánh quỹ đạo q1 của Robot chủ và Robot tớ khi đã bù trừ nhiễu
*
e
τ ...............................................................................................................................94
Hình 3.21. So sánh quỹ đạo q2 của Robot chủ và Robot tớ khi đã bù trừ nhiễu
*
e
τ ...............................................................................................................................94
Hình 3.22. So sánh quỹ đạo q1 của Robot chủ và Robot tớ với trễ T=0.2 (s) .94
Hình 3.23. So sánh quỹ đạo q2 của Robot chủ và Robot tớ với trễ T=0.2 (s) .95
Hình 3.24. So sánh quỹ đạo q1 của Robot chủ và Robot tớ với trễ T=0.1 (s) .95
Hình 3.25. So sánh quỹ đạo q2 của Robot chủ và Robot tớ với trễ T=0.1 (s) .95
Hình 3.26. So sánh quỹ đạo q1 của Robot chủ và Robot tớ với trễ T=0.2 (s) .96
Hình 3.27. So sánh quỹ đạo q2 của Robot chủ và Robot tớ với trễ T=0.2 (s) .96
Hình 3.28. So sánh quỹ đạo q1 của Robot chủ và Robot tớ với trễ T=0.5 (s) .96
Hình 3.29. So sánh quỹ đạo q2 của Robot chủ và Robot tớ với trễ T=0.5 (s) .97
1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài luận án
Teleoperation (hệ thao tác từ xa) là một hệ thống điều khiển có sự tương tác
ở khoảng cách xa, thường gặp trong học thuật và môi trường kỹ thuật. Hệ
Teleoperation bao gồm một hệ thống Master (hệ thống chủ động hay Robot chủ) và
một hệ thống Slave (hệ thống phụ thuộc hay Robot tớ). Trong hệ thao tác từ xa mỗi
Robot thực hiện các chức năng riêng, cụ thể: Robot tớ phải bám chính xác quỹ đạo
Robot chủ; Robot chủ phải tạo ra quỹ đạo theo mong muốn của tay người thao tác,
đồng thời phải giám sát được việc thực hiện nhiệm vụ của Robot tớ ở khoảng cách
xa thông qua Robot chủ nhờ sự bám ngược trở lại quỹ đạo của Robot tớ, đảm bảo
đem lại cho người thao tác có được cảm giác thực về nhiễu và các lực tương tác của
môi trường lên Robot tớ thông qua Robot chủ. Ở đây tín hiệu điều khiển được gửi
qua lại giữa Robot chủ và Robot tớ thông qua kênh truyền thông [75], [80]. Cho đến
nay hệ thao tác từ xa đã có hơn 60 năm nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều lĩnh
vực như: quân sự, khai thác mỏ, nghệ thuật điêu khắc hội họa…[25], [55], [64],
[74], [77]. Đặc điểm đáng lưu tâm ở đây, đối tượng điều khiển trong hệ thao tác từ
xa là những đối tượng phức tạp, phi tuyến và chịu tác động của nhiều yếu tố bất
định. Mục đích và yêu cầu đặt ra đối với các phân hệ điều khiển Robot chủ; Robot
tớ và đối với tổng thể cả hệ thống thao tác từ xa cũng khác nhau. Thêm vào đó trong
hệ luôn tồn tại hiệu ứng trễ trên kênh truyền thông, dễ làm mất ổn định hệ thống.
Tất cả những điều đó tạo nên những thách thức không nhỏ trong việc tổng hợp các
luật điều khiển cho hệ. Cùng với xu hướng phát triển của khoa học kỹ thuật, các
nghiên cứu cho hệ thao tác từ xa cũng ngày một hoàn thiện hơn với các phương
pháp điều khiển đã được ứng dụng như: điều khiển thụ động, điều khiển PID, điều
khiển thụ động kết hợp Scattering, điều khiển trượt, điều khiển dự báo…[56], [64],
[65], [76], [80]. Tuy nhiên các nghiên cứu trước đây nhìn chung đều đưa ra giải
pháp xây dựng bộ điều khiển cho Robot chủ và Robot tớ hoàn toàn giống nhau do
chưa quan tâm đến chức năng và nhiệm vụ riêng của từng Robot trong hệ thống,
đồng thời các thuật toán đã đề xuất chưa thực sự đáp ứng được các yêu cầu về kỹ
thuật điều khiển đối với hệ thao tác từ xa cụ thể chưa xét đến các ảnh hưởng đồng