Đang tải... (xem toàn văn)
NhÃn d¿ng há tháng Pendubot bằng các ph°¢ng pháp nhÃn d¿ng mơ hình có tham sá và khơng tham sá.. Mơ phßng há tháng trên phÁn mÃm Matlab/Simulink, mơ phßng điÃu khiÅn ổn định há tháng bằn
Untitled BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH S K C 0 0 3 9 5 9 CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN CÁNH TAY ROBOT THIẾU DẪN ĐỘNG HAI BẬC TỰ DO - PENDUBOT Mà SỐ: SV2020-158 S KC0 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 SV2020-158 Chÿ nhiám đß tài: TRÀN MINH ĐĀC TP Hã Chí Minh, 08/2020 NGHIÊN CĀU ĐIÞU KHIàN CÁNH TAY ROBOT THI¾U D¾N ĐÞNG HAI BÀC TĀ DO - PENDUBOT 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 TS Nguyßn Minh Tâm TP Hã Chí Minh, 08/2020 MĀC LĀC LâI CÀM ¡N 1 LâI NÓI ĐÀU 2 TÓM TÂT 3 1 Đặt v¿n đß 4 2 Lý do chán đß tài 4 3 Đái t°ÿng nghiên cāu 5 4 Ph°¢ng pháp nghiên cāu 5 5 Ph¿m vi nghiên cāu 6 6 Ý nghĩa khoa hác 6 CH¯¡NG 1: TäNG QUAN VÞ Hà PENDUBOT 8 1.1 Giái thiáu vß há pendubot 8 1.2 Mô tÁ toán hác há Pendubot 8 1.2.1 C¢ så khoa hác 8 1.2.2 Thành lÁp ph°¢ng trình đßng hác cho há Pendubot 9 1.3 Yêu cÁu đißu khián há pendubot å các vß trí b¿t ån đßnh 14 1.3.1 Xét tính đißu khián đ°ÿc å vß trí TOP 15 1.3.2 Xét tính đißu khián đ°ÿc å vß trí MID 16 CH¯¡NG 2: GIàI THIàU PHÀN CĀNG VÀ PHÀN MÞM 18 2.1 Vi xư뀉 lí LAUNCHXL-F28379D C2000 18 2.3 Đßng c¢ 24VDC M.A.E 19 2.4 CÁu H IR2184 19 2.5 Module giao tiëp UART sư뀉 dwng IC CP2102 20 CH¯¡NG 3: MÔ HÌNH HÓA VÀ NHÀN D¾NG Hà THàNG PENDUBOT 21 3.1 Phân tích đáp āng quá đß bằng ph°¢ng pháp phân tích đáp āng xung 21 3.1.1 Nhißu DC (Mean) = 0; Nhißu AC (Var) = 0 21 3.1.2 Nhißu DC (Mean) = 0.1; Nhißu AC (Var) = 0 22 3.1.3 Nhißu DC (Mean) = 0; Nhißu AC (Var) = 0.01 22 3.1.4 Nhißu DC (Mean) = 0.1; Nhißu AC (Var) = 0.01 23 3.2 Phân tích đáp āng quá đß bằng ph°¢ng pháp phân tích đáp āng n¿c 23 3.2.1 Nhißu DC=0; VAR=0 24 3.2.2 Nhißu DC=0.1, VAR=0 24 3.2.3 Nhißu DC=0; VAR=0.001 25 3.2.4 Nhißu DC=0.1; VAR=0.001 26 3.3 Phân tích đáp āng quá đß bằng ph°¢ng pháp phân tích t°¢ng quan 26 3.3.1 Nhißu DC=0; VAR=0 27 3.3.2 Nhißu DC=0.1; VAR=0 28 3.3.3 Nhißu DC=0; VAR=0.001 28 3.3.4 Nhißu DC=0.1, VAR=0.001 28 3.3.5 NhÁn xét cho phân tích đáp āng quá đß bằng ph°¢ng pháp phân tích t°¢ng quan 29 3.4 Phân tích đáp āng tÁn sá bằng ph°¢ng pháp kiám tra sóng sin 29 3.4.1 KhÁo sát t¿i link 1 cÿa đái t°ÿng 29 3.4.2 KhÁo sát t¿i link 2 cÿa đái t°ÿng 31 3.4.3 NhÁn xét ph°¢ng pháp 32 3.5 Phân tích tÁn sá bằng ph°¢ng pháp t°¢ng quan 32 3.5 Ph°¢ng trình hàm truyßn cÿa há tháng Pendubot 34 3.6 NhÁn d¿ng mô hình có tham sá khi không nhißu 34 3.6.1 C¿u trúc ARX 34 3.6.2 C¿u trúc ARMAX 35 3.6.3 C¿u trúc OE 37 3.6.4 C¿u trúc BJ 38 3.6.5 NhÁn xét các mô hình khi không có nhißu 39 3.7 NhÁn d¿ng mô hình có tham sá khi có nhißu 40 3.7.1 Nhißu DC=0.1; AC=0 40 3.7.2 Nhißu DC = 0.3; AC=0 42 3.7.3 Nhißu DC=0; AC=0.03 43 3.7.4 Nhißu DC=0; AC=0.1 45 3.7.5 Nhißu DC=0.15; AC=0.03 46 3.3.6 NhÁn xét 48 CH¯¡NG 4: C¡ Sä LÝ THUY¾T 49 4.1 Giới thiệu giải thu¿t điều khiển tuyến tính d¿ng toàn phương LQR 49 4.2 Giới thiệu giải thu¿t Swing up 50 4.2.1 Thiët kë bß đißu khián swing-up vß trí top ( �Ā = �ā và �ā = ÿ ) 50 4.2.2 Thiët kë bß đißu khián swing-up vß trí middle ( �Ā = 2�ā và �ā = � ) 52 4.3 Giái thiáu giÁi thuÁt di truyßn GA 53 4.3.1 L°u đã giÁi thuÁt cÿa thuÁt toán di truyßn 55 4.4 Giới thiệu phần mềm Matlab của Matworks 55 CH¯¡NG 5 ĐÁP ĀNG THĀC T¾ KHI ĐIÞU KHIàN 56 5.1 Kët quÁ mô phßng bß đißu khián swing up (top+middle) và cân bằng LQR 56 CH¯¡NG 6: K¾T LUÀN 62 6.1 Kët quÁ đ¿t đ°ÿc 62 6.2 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 Hình 1.3 ;0 2 ö ö ÷ ÷ ø ø 14 Hình 1.4 ; 2 ö ö ÷ ÷ ø ø 14 Hình 1.5 ; 2 ö ö ÷ ÷ ø ø 15 Hình 1.6 ;0 2 ö ö ÷ ÷ ø ø 15 Hknh 2.1 Vi đi�u khiऀn LAUNCHXL-F28379D C2000 18 Hknh 2.2 Encoder E6B2-CWZ6C OMRON 1000PPR 18 Hknh 2.3 Động cơ 24VDC của M.A.E 19 Hknh 2.4 C�u H IRF3205 19 Hknh 2.5 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 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 21 Hình 3.4 Đồ thị biऀu diễn hệ Pendubot trước và sau khi nhận dạng khi nhiễu DC; Sai số của hệ sau khi nhận dạng 21 Hình 3.5 Đồ thị biऀu diễn hệ Pendubot trước và sau khi nhận dạng khi nhiễu AC; Sai số của hệ sau khi nhận dạng 22 Hình 3.6 Đồ thị biऀu diễn hệ Pendubot trước và sau khi nhận dạng khi nhiễU DC và AC; Sai số của hệ sau khi nhận dạng 23 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 cho hệ Pendubot 23 Hình 3.9 Đồ thị biऀu diễn hệ Pendubot trước và sau khi nhận dạng khi không nhiễu; Sai số của hệ sau khi nhận dạng 24 Hình 3.10 Đồ thị biऀu diễn hệ Pendubot trước và sau khi nhận dạng khi nhiễU DC; Sai số của hệ sau khi nhận dạng 25 Hình 3.11 Đồ thị biऀu diễn hệ Pendubot trước và sau khi nhận dạng khi nhiễU AC; Sai số của hệ sau khi nhận dạng 25 Hình 3.12 Đồ thị biऀu diễn hệ Pendubot trước và sau khi nhận dạng khi nhiễu DC và AC; Sai số của hệ sau khi nhận dạng 26 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 dạng khi không nhiễu; Sai số của hệ sau khi nhận dạng 27 Hình 3.16 Đồ thị biऀu diễn hệ Pendubot trước và sau khi nhận dạng khi nhiễu DC; Sai số của hệ sau khi nhận dạng 28 Hình 3.17 Đồ thị biऀu diễn hệ Pendubot trước và sau khi nhận dạng khi nhiễu AC; Sai số của hệ sau khi nhận dạng 28 Hình 3.18 Đồ thị biऀu diễn hệ Pendubot trước và sau khi nhận dạng khi nhiễu DC và AC; Sai số của hệ sau khi nhận dạng 29 Hình 3.19 Sơ đồ Simulink mô tả phương pháp kiऀm tra sóng sin cho hệ Pendubot 29 Hình 3.20 Đáp ứng ngỏ vào ra của hệ Pendubot và giản đồ Bode hệ thống 30 Hình 3.21 Giản đồ Bode pha sau khi thu thập dư뀃 liệu 40 l�n Hình 3.22 Giản đồ Bode biên sau khi thu thập dư뀃 liệu 40 l�n 30 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 khác nhau 35 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 = 96.18 35 Hình 3.32 Tkn hiệu vco ra của hệ thống Pendubot với cấu trúc ARMAX 36 Hình 3.33 Đồ thị v� cấu trúc ARMAX được tùy chỉnh theo các bậc khác nhau 36 Hình 3.34 giá trị best fits của cấu trúc ARMAX khi không nhiễu 37 Hình 3.35 KĀt quả phương trình [amx2221], best fit = 95.58 37 Hình 3.36 Đồ thị v� cấu trúc OE được tùy chỉnh theo các bậc khác nhau 38 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 = 99.51 38 Hình 3.39 Đồ thị v� cấu trúc BJ được tùy chỉnh theo các bậc khác nhau 39 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 = 89.41 39 Hình 3.42 Hệ Pendubot được thiĀt kĀ với cấu trúc ARX, ARMAX, OE, BJ khi có nhiễu DC nhỏ vc không nhiễu AC 40 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, ARMAX, OE, BJ khi có nhiễu DC lớn vc không nhiễu AC 42 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, OE, BJ khi có nhiễu AC nhỏ vc không nhiễu DC 43 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, ARMAX, OE, BJ khi có nhiễu AC lớn vc không nhiễu DC 45 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, ARMAX, OE, BJ khi có nhiễu AC vc nhiễu DC 46 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 2 vị trí top của hệ Pendubot 58 Hình 5.3 KĀt quả mô phỏng điện áp cấp cho hệ Pendubot ở vị trí TOP 58 Hình 5.4 KĀt quả thực nghiệm góc và vận tốc của link 1 và link 2 trên thực nghiệm ở vị trí TOP 59 Hình 5.5 KĀt quả điện áp cấp cho động cơ thực nghiệm ở vị trí TOP 59 Hình 5.6 KĀt quả góc và vận tốc link 1 và link 2 trên mô phỏng ở vị trí middle 60 Hình 5.7 KĀt quả điện áp cấp từ động cơ trên mô phỏng ở vị trí middle 60 Hình 5.8 Góc và vận tốc link 1 và link 2 trên thực nghiệm ở vị trí middle 61 Hình 5.9 Điện áp cấp cho động cơ trên thực nghiệm ở vị trí middle 61 DANH MĀC TĂ VI¾T TÂT Tă viët tÃt Nguyên nghĩa LQR Linear–quadratic regulator GA Genetic Algorithm PID Proportional–Integral–Derivative SIMO Single Input Multiple Output ARX Auto-Regressive eXternal Input Model ARMAX Auto-Regressive Moving Average eXternal Input Model OE Output Error Model BJ Box-Jenkins Model Bà GIÁO DĀC VÀ ĐÀO T¾O TR¯âNG ĐH S¯ PH¾M KỸ THUÀT TPHCM THÔNG TIN K¾T QUÀ NGHIÊN CĀU CþA ĐÞ TÀI 1 Thông tin chung: - Tên đà tài: NGHIÊN CĀU ĐIÂU KHIÄN CÁNH TAY ROBOT THIÀU DÀN ĐàNG HAI BÂC TĀ DO - PENDUBOT - SV thāc hián: TrÁn Minh Đāc Mã sá SV: 16151019 - Lßp: 16151CL3 Khoa: CLC Năm thā: 4 Sá năm đào t¿o: 4 - Thành viên đà tài: Stt Há và tên MSSV Láp Khoa 1 VÕ MINH TÀI 16151313 16151CL3 CLC 2 TRÀN QUàC C¯àNG 16151008 16151CL3 CLC - Ng°ái h°ßng dÁn: PGS TS Nguyßn Minh Tâm 2 Mwc tiêu đß tài: Xây dāng ph°¢ng trình đáng học há tháng Pendubot dāa trên đáng học nghịch – thuÃn cÿa Kỹ thuÃt Robot NhÃn d¿ng há tháng Pendubot bằng các ph°¢ng pháp nhÃn d¿ng mô hình có tham sá và không tham sá Mô phßng há tháng trên phÁn mÃm Matlab/Simulink, mô phßng điÃu khiÅn ổn định há tháng bằng giải thuÃt điÃu khiÅn tái °u toàn ph°¢ng tuyÁn tính LQR, mô phßng điÃu khiÅn Swing up há tháng bằng ph°¢ng pháp năng l°ÿng Xây dāng mô hình thāc cÿa há tháng, điÃu khiÅn thāc tÁ há tháng đÅ đánh giá kÁt quả vßi mô phßng Mô hình hóa và nhÃn d¿ng há tháng Pendubot bằng ph°¢ng pháp có tham sá và không tham sá 3 Tính mái và sáng t¿o: Ch°¢ng trình điÃu khiÅn há tháng đ°ÿc nhúng bằng phÁn mÃm Matlab vßi th° vián Embedded Coder Support Package for Texas Instrument C2000 Processors cÿa vi xử lý LAUNCHXL-F28379D 4 Kët quÁ nghiên cāu: Nghiên cāu tính toán ph°¢ng trình đáng học cho há tháng Pendubot Nghiên cāu tìm hiÅu và lý thuyÁt nhÃn d¿ng mô hình há tháng, lý thuyÁt bá điÃu khiÅn tái °u toàn ph°¢ng tuyÁn tính LQR, ph°¢ng pháp Swing up bằng năng l°ÿng, tìm thông sá tái °u bằng ph°¢ng pháp giải thuÃt di truyÃn GA Thāc hián mô phßng há tháng, mô hßng các giải thuÃt điÃu khiÅn vßi đái t°ÿng Pendubot, tìm thông sá tái °u cho há tháng Nghiên cāu xây dāng mô hình thāc tÁ há tháng Pendubot, áp các bá điÃu khiÅn lên há tháng thāc, sau đó đánh giá l¿i kÁt quả thāc tÁ 5 Đóng góp vß mặt giáo dwc và đào t¿o, kinh të - xã hßi, an ninh, quác phòng và khÁ năng áp dwng cÿa đß tài: Đà tài