Giải thuật PD dựa trên mô hình kết hợp logic mờ Sugeno nâng cao chất lượng điều khiển bám quỹ đạo cho robot song song Delta

Nghiên cứu nhằm cải tiến thuật toán PD dựa trên mô hình bằng cách sử dụng logic mờ Sugeno chỉnh định trực tuyến các giá trị tham số của bộ điều khiển, nâng cao chất lượng bám quỹ đạo và khả năng bền vững với nhiễu cho robot song song Delta.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Giải thuật PD dựa trên mô hình kết hợp logic mờ Sugeno nâng cao chất lượng điều khiển bám quỹ đạo cho robot song song Delta Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Giải thuật PD dựa trên mô hình kết hợp logic mờ Sugeno nâng cao chất lượng điều khiển bám quỹ đạo cho robot song song Delta Đinh Xuân Minh, Phạm Văn Hùng*, Nguyễn Nam Khánh, Mai Thế Thắng, Hà Minh Quân, Hà Việt AnhKhoa Điện, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, Bắc Từ Liêm, Hà Nội, Việt Nam.* Email: phamvanhung@haui.edu.vnNhận bài: 26/9/2023; Hoàn thiện: 15/11/2023; Chấp nhận đăng: 12/12/2023; Xuất bản: 25/02/2024.DOI: https://doi.org/10.54939/1859-1043.j.mst.93.2024.38-46 TÓM TẮT Nghiên cứu nhằm cải tiến thuật toán PD dựa trên mô hình bằng cách sử dụng logic mờ Sugenochỉnh định trực tuyến các giá trị tham số của bộ điều khiển, nâng cao chất lượng bám quỹ đạo vàkhả năng bền vững với nhiễu cho robot song song Delta. Nghiên cứu sử dụng công cụ mô phỏngMatlab&Simulink để kiểm nghiệm tính tin cậy của bộ điều khiển trên quỹ đạo đặt hình số tám. Cáckết quả mô phỏng cho thấy, hiệu suất điều khiển tốt khi có thể kiểm soát chuyển động của robotsong song Delta 3-DOF đi theo quỹ đạo mong muốn và ổn định với thời gian xác lập nhanh, ngaycả khi hệ thống chịu ảnh hưởng của nhiễu ngoài không biết trước.Từ khoá: Delta 3-DOF; Điều khiển PD dựa trên mô hình; Logic mờ Sugeno; Điều khiển bám quỹ đạo. 1. GIỚI THIỆU Robot Delta 3-DOF (Degrees of freedom), là một dạng robot song song 3 bậc tự do, có độ cứngvững cao, có ưu điểm về độ linh hoạt và tốc độ, giá thành và độ chính xác [1, 2] đã trở nên phổbiến hiện nay và được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như y tế, giáo dục, đặc biệt trong công nghiệp.Nhờ vậy, Delta 3-DOF đang thu hút được nhiều sự quan tâm từ các nhà nghiên cứu đặc biệt tronglĩnh vực điều khiển, cơ khí và robot. Hiện nay, đã có nhiều công bố trong việc điều khiển quỹ đạo chuyển động của robot Delta nhưsử dụng bộ điều khiển PID (Proportional–Integral–Derivative) kinh điển được đề cập trong [9],các phương pháp điều khiển thích nghi được trình bày trong [2-4, 6], tối ưu hóa [5] hay phươngpháp điều khiển PD dựa trên mô hình [1]. Bên cạnh đó, đối với lĩnh vực điều khiển robot côngnghiệp nói chung, một số phương pháp điều khiển nâng cao khác như điều khiển dự báo MPC(Model Predictive Control) [10, 13], điều khiển trượt và nơ ron [15], học tăng cường [11], học sâu[12] hay học tăng cường sâu [14] cũng được áp dụng. Phương pháp PID kinh điển [9] ưu điểm ở khả năng tính toán đơn giản và linh hoạt, tuy nhiên,việc hiệu chỉnh các tham số trong bộ điều khiển tương đối phức tạp đặc biệt với đối tượng phituyến robot Delta. Do đó, nghiên cứu [2] đã đề xuất sử dụng logic mờ Mamdani trong việc hiệuchỉnh tự động tham số bộ điều khiển, qua đó nâng cao chất lượng kiểm soát quỹ đạo hệ thống. Mộtcách tiếp cận khác sử dụng bộ điều khiển PD dựa trên mô hình [1], cho phép robot Delta di chuyểnnhanh và chính xác để đạt được quỹ đạo mong muốn. Tuy nhiên, khi chịu ảnh hưởng bởi nhiễungoài không biết trước hệ thống sẽ mất ổn định. Bên cạnh đó, các tham số trong [1] chỉ được hiệuchỉnh thủ công. Các phương pháp dựa trên tối ưu hóa như GA [5], MPC [10, 13] cho phép tối ưuhóa hàm mục tiêu nhằm đạt được hiệu suất tối ưu của hệ thống, tuy nhiên đòi hỏi khối lượng tínhtoán lớn. Các nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển không phụ thuộc vào mô hình mà dựa trên kỹ thuậthọc máy trong [11-12, 14] có thể tự động điều chỉnh, cải thiện chất lượng điều khiển cho robottheo thời gian và tìm ra các chiến lược kiểm soát tối ưu một cách tự động. Tuy nhiên, các phươngpháp này có thể đòi hỏi một lượng lớn dữ liệu để huấn luyện, làm cho chúng phức tạp hơn để thựchiện và điều chỉnh so với các phương pháp điều khiển thông thường. Cách tiếp cận điều khiểnthích nghi khác [3, 4, 6, 15] sử dụng mạng nơ ron với khả năng học trực tuyến, cho phép ước lượng38 Đ. X. Minh, ..., H. V. Anh, “Giải thuật PD dựa trên mô hình ... cho robot song song Delta.”Nghiên cứu khoa học công nghệcác thành phần phi tuyến chưa biết của mô hình [16], nhằm nâng cao hiệu suất điều khiển. Tuynhiên, các phương pháp này lại yêu cầu sự am hiểu sâu về kiến trúc mạng. Từ những phân tích trên, nhóm nghiên cứu đề xuất phương pháp điều khiển thích nghi sử dụngkỹ thuật PD dựa trên mô hình [1] kết hợp logic mờ Sugeno [7] chỉnh định trực tuyến các giá trịtham số của bộ điều khiển, nâng cao chất lượng bám quỹ đạo cho robot song song Delta. Qua đó,cải tiến trực tiếp nghiên cứu [1] trong việc tự điều chỉnh tham số và khả năng ổn định của hệ thống,thời gian xác lập nhanh ngay cả khi chịu ảnh hưởng bởi nhiễu ngoài chưa biết trước. Bên cạnh đó,khác với kỹ thuật cũng dựa trên logic mờ trong [2], nghiên cứu này sử dụng mô hình mờ Sugenolà một sự cải tiến của mô hình mờ Mamdani. Ngoài ra, phương pháp này có khối lượng tính toánít hơn so với GA [5], MPC [10, 13] và không phụ thuộc dữ liệu, phức tạp như các phương phápdựa trên học máy [11-12, 14] và mạng nơ ron [3, 4, 6, 15]. Phần còn lại của nghiên cứu có cấu trúc như sau: Nội dung 2 trình bày về cơ sở lý thuyết vàphương pháp đề xuất, nội dung 3 là các kết quả và thảo luận. Cuối cùng, nội dung 4 nêu lên kếtluận và các hướng phát triển. 2. GIẢI THUẬT PD KẾT HỢP LOGIC MỜ CHO ROBOT DELATA2.1. Mô tả hệ thống robot song song Delta Mô hình toán học của Delta 3-DOF đã được trình bày chi tiết trong các nghiên cứu [1-5]. Cấutạo của robot được thể hiện trên hình 1 và hình 2 bao gồm: bàn máy cố định A , bàn máy động P,ba khâu chủ động Ai Bi (i = 1, 2,3) và ba khâu bị động Bi Ei (i = 1, 2,3) với mỗi khâu là một cấu trúchình bình hành. Đối với mô hình này, khâu Bi Ei đã được mô hình hóa bằng thanh cứng có độ dàitương ứng với khối lượng tập chung ở hai đầu nh ...