zunia.vn

Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z

zunia.vn

» Kỹ Thuật - Công Nghệ

» Tự động hoá

Điều khiển thích nghi kết hợp các bộ quan sát cho robot có các khớp nối mềm

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:5

Báo xấu

21
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết Điều khiển thích nghi kết hợp các bộ quan sát cho robot có các khớp nối mềm trình bày ứng dụng điều khiển thích nghi dùng các bộ quan sát cho Robot có khớp nối mềm. Trong bộ điều khiển này mục tiêu đặt ra là phải quan sát được các biến tổng thể có thông số bất định đầu vào và xét thêm ảnh hưởng nhiễu nội tại các khớp, chính vì vậy cần phải bổ sung thêm một hàm nhiễu tác động xen kênh của các khớp khác trong bộ quan sát với bộ quan sát trượt SMO, bộ quan sát HGO và bộ điều khiển LQR sẽ làm cho hệ chuyển động của robot các khớp nối mềm ổn định và bền vững với nhiễu.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Điều khiển thích nghi kết hợp các bộ quan sát cho robot có các khớp nối mềm

KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI KẾT HỢP CÁC BỘ QUAN SÁT CHO ROBOT CÓ CÁC KHỚP NỐI MỀM ALGORITHMS FOR FLEXIBLE JOINTS MANIPULATOR USING ADAPTIVE OBSERVER Võ Thu Hà1,*, Võ Quang Lạp1 DOI: https://doi.org/10.57001/huih5804.2023.135 khác nhau và mômen quán tính động cơ rất nhỏ so với TÓM TẮT mômen quán tính khớp đó là nguyên nhân tạo ra không Bài báo trình bày ứng dụng điều khiển thích nghi dùng các bộ quan sát cho cứng vững ở khớp nối, do đó vị trí động cơ không trùng với Robot có khớp nối mềm. Trong bộ điều khiển này mục tiêu đặt ra là phải quan sát vị trí khớp gây ra sự dao động trong quá trình chuyển động được các biến tổng thể có thông số bất định đầu vào và xét thêm ảnh hưởng nhiễu làm giảm độ bám quỹ đạo chính xác của hệ chuyển động tay nội tại các khớp, chính vì vậy cần phải bổ sung thêm một hàm nhiễu tác động xen máy. Để nâng cao độ bám quỹ đạo chính xác, trong bài báo kênh của các khớp khác trong bộ quan sát với bộ quan sát trượt SMO, bộ quan sát đề xuất một số giải pháp điều khiển đối với hệ thống điều HGO và bộ điều khiển LQR sẽ làm cho hệ chuyển động của robot các khớp nối mềm khiển chuyển động robot với những khớp nối mềm là dùng ổn định và bền vững với nhiễu. các bộ quan sát SMO và HGO để quan sát ước lượng các góc Từ khóa: Bộ quan sát trượt SMO, bộ quan sát HGO, tiêu chuẩn Lyapunov, khớp khớp [1-4]. nối mềm. 2. MÔ HÌNH TOÁN HỌC CHO ROBOT CÓ KHỚP NỐI MỀM ABSTRACT Mối quan hệ giữa động cơ và khớp robot có khớp thứ i, This work proposes an adaptive control application for flexible joint biểu diễn dưới dạng phương trình [2]: manipulator employing observers. An interstitial noise function must be added   Mq  H  G(q)  K.(q  θ)  0 (1) since the objective of this controller is to watch the overall variables with input    Jθ  K(q  θ)  Tm  uncertainty parameters and take into account the interference effects of the joints. The state feedback controller in conjunction with channels from other joints Trong đó: in the observer, such as the SMO sliding observer and the HGO big gain observer, K - Hệ số cứng của khớp. will give the robot's motion system flexible joints. steady as well as interference- J - Moment quán tính động cơ. free. Từ (1), xác định: Keywords: Sliding - mode observers, high gain observer (HGO), Lyapunov, flexible joint manipulator.  q  M1 H  g  M1K.  q  θ  (2)  K Tm 1 Khoa Điện, Trường Đại học Kinh tế - Kỹ thuật Công nghiệp θ    θ  q   J J * Email: vtha@uneti.edu.vn Đặt các biến trạng thái: Ngày nhận bài: 05/6/2023 Ngày nhận bài sửa sau phản biện: 15/7/2023  x1   θ  x     Ngày chấp nhận đăng: 25/8/2023 θ x   2      R 4n x3  q      1. GIỚI THIỆU CHUNG   x 4  q  Khi tính toán mô hình động lực học cho hệ truyền động Vector biến vào: u = Tm (moment động cơ). Viết hệ các khớp nối sau của robot, trong thực tế chỉ đo được các phương trình trạng thái cho khớp thứ i: góc động cơ còn các góc khớp không xác định được chính  x1  x2 xác để tính toán vì hệ truyền động các khớp nối sau này có  đặc điểm: công suất nhỏ, kích thước các khớp nối này bị hạn x2   K  x1  x3   TJm   J (3) chế (10cm) cho nên sự kết nối từ động cơ đến khớp trong  x3  x4 một không gian hạn hẹp hình trụ, thông thường với khoảng   1 1 cách lớn để nối giữa động cơ và khớp người ta dùng đai x4  M(x3 ) K  x3  x1   M(x3 ) H(x3 ,x4 )  G(x3 ) thang điều này dẫn đến hệ hoạt động với hai khối quán tính Viết dưới dạng tổng quát: 26 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 59 - Số 4 (8/2023) Website: https://jst-haui.vn
P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 SCIENCE - TECHNOLOGY x 2   ˆ x xx (11)  f (x , x , x ,x )  T x  2 1 2 3 4  ,y  1 0 0 0  x (4)   sgn(s)  y   sgn(s1 )....... sgn(sp )   R  p (12) x 4    Từ (7) và (9), phương trình động học mô tả sai lệch của  f4 (x1 , x 2 , x 3 ,x 4 ,u) bộ quan sát trượt như sau: Có nhiều cách đưa hệ phương trình (1) về dạng phương    x(t)  Ax(t)  f  Ls  K * sgn(s) (13) trình trạng thái chuẩn:  x(t)  Ax(t)  f(x)  Bu (5) Trong đó: ˆ ˆ f  f(x,t)  f(x,t) - các thông số không biết của đối tượng Tuy nhiên ta chọn cách chuyển với: phi tuyến được giả thiết là hàm bị chặn trên với điều kiện:  0 1 00  K  f  δ K T  0 0  , B  0 1 0 0 , A J J   J    Chọn hàm: V  1 s T s .  0 0 1 0  2    0  0 0 1 Nếu rank(C) = p thi V là hàm xác định dương.  Ta phải làm cho V  0 , nghĩa là:  x2      V  s T s  η s  0 (14)  0  f(x)   x 3 x4  Trong đó,  là hằng số dương.      M(x 3 ) K  x 1 x 3   x 4 M(x 3 ) H x 3 , x 4   G  x 3   1 1    Để (14) được thỏa mãn thì sai lệch trạng thái của hệ thống luôn được đưa về trên mặt trượt s = 0 và giữ trên đó, Giả thiết đo được vị trị của động cơ  được đặt là y = x1.  tức là s  0 : ˆ Với f(x) thành phần phi tuyến ước lượng của f(x):   s  C  Ax(t)  f  K * sgn(s)  0 (15)  ˆ x2      sgn(s)  (CK s )1 C( f  Ax(t)) (16) 0 ˆ ˆ  f(x)    (6) ˆ ˆ x3  x 4  Vì vậy một hệ thống luôn được đưa về trên mặt trượt   s = 0 với phương trình (13) và (16) thì xác định được phương   ˆ ˆ 1 ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ  ˆ ˆ ˆ ˆ  M(x 3 ) K  x1  x 3   x 4  M(x 3 )1 H  x 3 , x 4   G  x 3     trình động học mô tả sai lệch như sau: Sao cho khả năng để có: f  x   f  x   δ .  ˆ   1   x  I  K s  CK s  C  f  Ax  t   (17) 3. BỘ QUAN SÁT TRƯỢT (SMO) Điều kiện để tồn tại (17) là Rank(Ks) = p. Cho hệ thống phi tuyến sau đây [1, 2]: Theo (15), bộ quan sát trượt SMO ứng dụng cho robot có  X  A.X  B.u (7) khớp nối mềm như sau: Y  C.X (8)  ˆ  x1  x 2  L1s  k1 sgn(s) ˆ Trong đó:   x   K (x  x )  u  L s  k sgn(s)  ˆ ˆ1 ˆ 3 x(t)  Rn - Biến trạng thái của hệ thống, y(t)  Rp - Biến  2 J J 2 2 đầu ra, u(t)  Rm - Tín hiệu điều khiển đầu vào của hệ thống  ˆ ˆ  x 3  x 4  L3 s  k 3 sgn(s) (18) phi tuyến, A Rnxn - Ma trận trạng thái, B  Rnxm - Ma trận  1 điều khiển,  x 4  M  x 3  H x 3 , x 4   G  x 3   ˆ ˆ  ˆ ˆ ˆ   1 C  Rpxn- - Ma trận đầu ra, f(x,t) - Hàm phi tuyến.   M  x 3  K(x 3  x1 )  L 4 s  k 4 sgn(s) ˆ ˆ ˆ Cấu trúc bộ quan sát trượt được đề xuất [1, 2], như sau:   ˆ ˆ ˆ ˆ Trong đó: x(t)  Ax(t)  f(x,t)  Bu  Ls  K * sgn(s) (9) T T Trong đó: K s  k1 k2 k3 k 4  R4nxn ,L  L1 L2 L3 L4  R4nxn L - ma trận quan sát Luenberger, K - ma trận phản hồi  ˆ ˆ s = y = y - y = x1 -θ trạng thái của bộ quan sát trượt, - Xác định hệ số ma trận L thông qua cân bằng phương ˆ f(.) - Thành phần phi tuyến ước lượng của f(.) và s - vectơ trình đặc tính với phương trình chứa nhiều điểm cực cần tìm. các mặt trượt. Xác định hệ số ma trận Ks, [1, 2]. Với giả thiết đo được vị trí Mặt trượt s được xác định bởi: động cơ y = x1. Mặt trượt s được xác định: ˆ  s  y  y  Cx (10) ˆ s  x 1 x1 (19) Với thành phần sai lệch ước lượng  xác định bởi: x Website: https://jst-haui.vn Vol. 59 - No. 4 (Aug 2023) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 27
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Sai lệch trên mặt trượt ước lượng với mặt trượt của đối   Trong đó, các giới hạn cận trên f2 , f4 , x2 , x4 được lựa tượng: chọn. Tuy nhiên k3, k4 có thể chọn bằng không thì bộ quan    ˆ ˆ 1 1  2  1 1 1  1 2  s  x x  x L x k sgn(x )  x  x L x k sgn(x ) (20) 1 2 1 1 1 1 sát trạng thái vẫn đảm bảo ổn định. 4. BỘ QUAN SÁT HGO  Thay (21) vào s i s i   η s i ta được: Cho một hệ phi tuyến sau [3, 4]:      x 1  x 2  L 1 x 1  k 1 sg n ( x 1 )    η x 1 (21)  X= f(X), X  R n , y i =hi (X),1  i  s (31)  η x1 Quan sát các biến trạng thái cần phải thỏa mãn điều kiện:  k 1 sg n ( x 1 )     x 2  L 1x 1 (22)  x1 rank  dh i (X ),......, d(Lkfi 1h i (X)) : 1  i  s   n,  X   n (32)    x1  x1 Trong trường hợp trong số n trạng thái, bộ quan sát HGO Đặt:   sgn(x1 )    x1 (23)  x1  sgn(x1 ) (33), như sau: Thay (23) vào (22) ta được:  ˆ  ˆ ˆ x = K x  F(x ) + G(x )τ (33) 0 p 0 0     k 1 sg n ( x 1 )  η sg n ( x 1 )  x 2  L 1 x 1 (24) Với: ˆT T ˆ T  T T  Chia 2 vế (23) cho s g n ( x 1 ) ta được: X =  θ , θ ,Δ ,Δ  - Các biến trạng thái ước lượng. ˆ ˆ ˆ      x2 k1  η    L1 x1 (25)  ˆ T  sg n ( x 1 ) X 0 =  θ T ,θ T ,Δ T ,Δ  - Các biến trạng thái thực.  ˆ    Khai triển phương trình động học mô tả sai lệch của bộ      T T  Xp =  θT - θ , θT - θ  - Sai lệch giữa các biến trạng thái ˆ ˆ quan sát khi tìm được hệ số Ks:      ước lượng và thực.   1 x  I  K CK  C    f  A x  t   T T ˆ  T T T   X = X-X = (θT -θ ),(ΔT -Δ ),(Δ -Δ )(θT -θ ) ˆ ˆT ˆ ˆ 0 0 0 0      k2  T (34)  0   T T     T 1 0 x2  = θ ,Δ ,θ ,ΔT   k1  f           2  (26) x   k3  0 1 0   x4  Kết hợp với phương trình (34) với phương trình (33) [3]:  k1        k4    f4  ˆ X= (G(X))τ - K o X p  (F(X) - F(X 0 )) (35)  0 0 1   k1  5. MÔ PHỎNG BỘ QUAN SÁT TRƯỢT (SMO) CHO ROBOT   CÓ KHỚP NỐI MỀM Viết lại (26) tách phần nhiễu loạn: qref_i Tm_i 1 Y 0 0 0 0 p   0  K 2  0 0   x1   0 0  K1        x 2  1 0    f2   x  K  x   0  (27) 0  3 0 1 3 0    f4     K1      ^ m_i   x 4  0 1 X 0  K 4 0 1   K1   Hình 1. Sơ đồ cấu trúc điều khiển LQR và SMO Trong đó: △f2, △f4 - Thông số nhiễu loạn, Trong sơ đồ cấu trúc (hình 1), bộ điều khiển LQR và bộ ˆ ˆ  f2  f 2  f2 ,  f 4  f 4  f 4 quan sát trượt có khả năng quan sát được các trạng thái qua biến khớp, góc quay động cơ, vị trí khớp và động cơ. Bộ quan Xác định được các hệ số còn lại ma trận Ks từ (27): sát trượt có nhiệm vụ thực hiện ước lượng trạng thái chính  f2 xác còn bộ điều khiển LQR tối thiểu hoá hàm tổn thất năng k 2  k1 (28)  x2 lượng để trạng thái của hệ thống chuyển từ trạng thái nào đó về trạng thái cân bằng.  x4 k3  k1 (29) Các thông số như sau: BM = 0,6Nms/rad; JM = 0,0013Nms2/rad;  x2 BL = 0,005Nms/rad; JL = 0,0013Nms2/rad; K = 43Nm/rad, tỷ số  f4 truyền i = 105. Từ hệ phương trình trạng thái ta có cấu trúc k 4  k1 (30) mô phỏng cho một khớp robot sử dụng Matlab/Simulink kết  x2 hợp với toolbox Simechanics. 28 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 59 - Số 4 (8/2023) Website: https://jst-haui.vn
P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 SCIENCE - TECHNOLOGY Hình 2. Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển LQR và SMO 5 1.2 w-est w-tai-ref 4 1 o o og o d ) T c d d n c (ra /s 0.8 3 V tr ta ( a ) i i i rd 0.6 teta-tai 2 w 0.4 sai lech dieu chinh 1 0.2 0 0 sai lech uoc luong -0.2 0 0.5 1 1.5 -1 Time (s) 0 0.5 1 1.5 Time (s) Hình 3. Biểu diễn góc tải và góc tải đặt 1.4 Hình 6. Biểu diễn tốc độ động cơ thực và ước lượng 5 1.2 w-tai-est teta-est 4 1 teta V tr d n c ( a ) i i og o r d 0.8 3 o o i rd ) T c d ta ( a /s 0.6 2 w-tai 0.4 1 0.2 sai lech uoc luong 0 0 0 0.5 1 1.5 sai lech uoc luong time (s) -1 0 0.5 1 1.5 Hình 4. Biểu diễn góc động cơ thực và ước lượng Time (s) 1.4 Hình 7. Đáp ứng tốc độ khớp thực và ước lượng 1.2 teta-tai-est 6. MÔ PHỎNG BỘ QUAN SÁT HGO CHO ROBOT CÓ KHỚP 1 teta-tai NỐI MỀM V tr ta ( a ) i i i rd 0.8 Cấu trúc điều khiển của bộ điều khiển phản hồi trạng thái 0.6 [3, 4, 5] như hình 8. 0.4 Các thông số như sau: BM = 0,6Nms/rad; JM = 0,0013Nms2/rad; 0.2 sai lech uoc luong BL = 0,005Nms/rad; JL = 0,0013Nms2/rad; K = 43Nm/rad, tỷ số 0 truyền i = 105. Từ hệ phương trình trạng thái ta có cấu trúc mô 0 0.5 1 1.5 time (s) phỏng cho một khớp robot sử dụng Matlab/Simulink kết hợp với Hình 5. Biểu diễn góc khớp thực và ước lượng toolbox Simechanics, với thông số như bảng 1. Website: https://jst-haui.vn Vol. 59 - No. 4 (Aug 2023) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 29
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619  , bảo được vị trí khớp thực bám sát vị trí khớp ước lượng và đảm bảo được vị trí khớp thực bám sát vị trí khớp đặt với sai  Flexible  , số nhỏ hơn 0,1%. Để kiểm tra đặc tính động của hệ truyền Bộ điều khiển Manipulator động các khớp nối mềm, bộ điều khiển phản hồi trạng thái   xp dùng bộ quan sát SMO, HGO để ước lượng góc khớp để kiểm     ,  tra động của khâu quan sát trượt ước lượng góc tải, thấy  HGO rằng: hệ ổn định, đảm bảo chất lượng bám quỹ đạo chính     ,  xác. Với sự chứng minh thuật toán điều khiển, cho thấy thuật ,  toán điều khiển này có tính khả thi tốt với dung lượng tính Hình 8. Cấu trúc bộ điều khiển phản hồi trạng thái với bộ quan sát HGO toán nhỏ, phù hợp ứng dụng cho lớp đối tượng là các hệ Bảng 1. Thông số mô phỏng truyền động tay máy công nghiệp có khớp nối mềm không những đòi hỏi giảm được dao động trong quá trình chuyển Tham số Giá trị động mà còn đạt được độ chính xác cao về chất lượng điều Kp 250 khiển trong giải điều chỉnh. Kv 3 250 TÀI LIỆU THAM KHẢO K∆ 55 [1]. Frank L. Lewis, Darren M. Dawson, Chaouki T. Abdallah, 2004. Robot Kd∆ 3 55 manipulator control theory and practice, Second Edition, Revised and Expanded. K0 450 450 450 450  T University of Texas at Arlington Arlington, Texas, U.S.A. Clemson University 450 Clemson, South Carolina, U.S.A. University of New Mexico Albuquerque, New  450 450 450   Mexico, U.S.A. 1.2 [2]. Mohsin Waqar, 2008. Robust nolinear observer for a non-collocated flexible 1 motin system. Georgia Institute of Technology. [3]. Ali Reza Sahab, Mohammad Reza Modabbernia, 2011. Backstepping 0.8 control for a single - link flexible - joint manipulator using genetic algorithm. Joint Angle (Rad) 0.6 International Journal of Innovative 0.4 Computing, Information and Control Vol. 7, No. 7(B). 0.2 [4]. Mohsin Waqar, 2008. Robust nonlinear observer for a non-collocated flexible motion system. In Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree 0 Masters of Science in the George W. Woodruff School of Mechanical Engineering -0.2 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 Georgia Institute of Technology. Time(s) [5]. Dezhi Kong, Wendong Wang, Yang Wang, Junbo Zhang, Yikai Shi, Hình 9. Vị trí tải thực và vị trí khớp ước lượng Lingyun KN., 2021. Spiking-free HGO-based DSC for flexible joint manipulator. Chinese Journal of Aeronautics, Volume 35, Issue 3. 1 0.8 AUTHORS INFORMATION 0.6 Vo Thu Ha, Vo Quang Lap 0.4 Faculty of Electrical Engineering, University of Economics - Technology for Industries, Hanoi, Vietnam 0.2 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 Time(s) Hình 10. Đáp ứng vị trí tải và vị trí động cơ Nhận xét: Theo kết quả mô phỏng thể hiện trên hình 9, 10 ta thấy, đáp ứng vị trí tải và vị trí động cơ hệ điều khiển phản hồi trạng thái dùng bộ quan sát trượt HGO bám sát nhau. 7. KẾT LUẬN Qua lý thuyết và kết quả mô phỏng cho thấy, dùng bộ quan sát trượt để ước lượng các góc khớp nối mềm đã đảm 30 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 59 - Số 4 (8/2023) Website: https://jst-haui.vn

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.15: Bộ Đồ Án Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Cơ Khí

65 tài liệu

2418 lượt tải

THÔNG TIN

TRỢ GIÚP

HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG

Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.