Vorschau wird generiert...
BỘ CÔNG THƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌCCẤP TRƯỜNG Tên đề tài: Nghiên cứu thuật toán điều khiển kiểm soát lỗi dựa vào kỹ thuật điều khiển NTSM cho hệ tay máy robot Mã số đề tài: 22/2DT01 Chủ nhiệm đề tài: Mai Thăng Long Đơn vị thực hiện: Khoa Công Nghệ Điện Tử Tp. Hồ Chí Minh, ........…
LỜI CÁM ƠN Chúng tôi chân thành gởi lời cảm ơn sâu sắc đến Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh đã tài trợ kinh phí và hỗ trợ, tạo điều kiện cho chúng tôi được hoàn thành tốt đề tài này. Đồng thời, chúng tôi cũng xin gởi lời cảm ơn đến Khoa Công nghệ Điện tử, Phòng Quản lý khoa học và Hợp tác quốc tế đã hỗ trợ và giúp đỡ chúng tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài này. Nhóm tác giả 1
PHẦN I. THÔNG TIN CHUNG I. Thông tin tổng quát 1.1. Tên đề tài: Nghiên cứu thuật toán điều khiển kiểm soát lỗi dựa vào kỹ thuật điều khiển NTSM cho hệ tay máy robot 1.2. Mã số: 22/2DT01 1.3. Danh sách chủ trì, thành viên tham gia thực hiện đề tài Họ và tên TT Đơn vị công tác Vai trò thực hiện đề tài (học hàm, học vị) 1 TS. Mai Thăng Long Khoa CN Điện tử Chủ nhiệm 2 TS. Trần Hữu Toàn Khoa CN Điện tử Thành viên 3 TS. Nguyễn Thế Kỳ Sương Khoa CN Điện tử Thành viên 1.4. Đơn vị chủ trì: 1.5. Thời gian thực hiện: 1.5.1. Theo hợp đồng: từ tháng 03 năm 2023 đến tháng 09 năm 2023 1.5.2. Gia hạn (nếu có): đến tháng….. năm….. 1.5.3. Thực hiện thực tế: từ tháng 02 năm 2023 đến tháng 05 năm 2023 1.6. Những thay đổi so với thuyết minh ban đầu (nếu có): (Về mục tiêu, nội dung, phương pháp, kết quả nghiên cứu và tổ chức thực hiện; Nguyên nhân; Ý kiến của Cơ quan quản lý) 1.7. Tổng kinh phí được phê duyệt của đề tài: 45 triệu đồng. II. Kết quả nghiên cứu 1. Đặt vấn đề 1.1. Các nghiên cứu liên quan ở quốc tế Trong giai đoạn hiện nay, robot tay máy (Manipulator Robot – MR) đã được ứng dụng rộng rãi vào sản xuất công nghiệp. Vì vậy việc triển khai các nghiên cứu điều khiển MR, tập trung vào việc tạo ra các bộ điều khiển thông minh, cải thiện tối đa độ chính xác, tính thích nghi, bền vững, …hiện đã và đang được nhiều nhà nhà nghiên cứu quan tâm. Và sự thật, kỹ thuật điều khiển trượt NTSM đã được khai phá một cách rộng rãi để ứng dụng trong việc điều khiển MR trong thời gian gần đây [1 – 4, 6 – 8, 16]. Được chứng tỏ trong nghiên cứu số [1], các phương pháp điều khiển dựa trên kỹ thuật NTSM đã thể hiện được nhiều thuận lợi trong việc cải tiến được hiệu quả điều khiển bám, thể hiện rõ nhất trong việc làm tăng độ chính xác điều khiển và đặc biệt là đảm bảo cho các trạng thái của mặt trượt (sai số bám) sẽ hội tụ về không (vùng xác lập ổn định) trong một khoản thời gian hữu hạn. Kỹ thuật điều khiển NSTM được xây dựng với mặt trượt dạng phi tuyến thích hợp nên sẽ đạt nhiều hiệu quả cao hơn khi so sánh với các kỹ thuật Terminal Sliding Mode hoặc kỹ thuật trượt thông thường trong việc cải thiện sai sos, giảm hiện tượng chattering và loại trừ tính suy biến trong thiết kế [2]. Với các lợi ích của kỹ thuật NTSM, các tác giả ở nghiên cứu số [3] đã đề xuất mặt trượt ở dạng bộ điều khiển vi phân – tỷ lệ (Proportional-dervative – PD) với hàm chuyển mạch trượt dạng hàm dấu (sign) dể đạt được hiệu xuất điều khiển cao hơn với việc đảm bảo tính hội tụ hữu hạn và không cần thông tin về hệ thống MR. Tuy nhiên, trong công việc này, hệ thống điều khiển NTSM đã thể hiện ra những hạn chế như sau: vẫn cần chọn 2
các tham số trội (nominal parameters) của hệ thống MR và độ lợi điều khiển dạng PD dựa vào kiến thức và kinh nghiệm về hệ thống điều khiển [6]. Để cải tiến thêm về vấn đề này, nghiên cứu số [16] đã đưa ra cách cải tiến cho hệ thống NSTM bằng cách áp dụng bộ tham số điều khiển PID (Proportional – Derivative – Integral – PID) vào mặt trượt phi tuyến và các tham số độ lợi PID đã được tự hiệu chỉnh bằng kỹ thuật mờ. Rõ ràng, đề xuất này đã cải thiện rõ nhất về tính thích nghi của hệ thống điều khiển, không bị ràng buột vào kiến thức hệ thống động, bên cạnh các cải tiến khác nhằm làm tăng được hiệu suất điều khiển. Tuy nhiên, công việc này [16] lại bỏ qua việc cập nhật thông số độ lợi tỷ lệ [7, 8], cũng chưa tính toán được tính ổn định toàn bộ hệ thống với hệ mờ được thiết lập. Rõ ràng rằng, với các phân tích ở trên, trong việc ứng dụng kỹ thuật NTSM vào điều khiển hệ MR, vẫn còn nhiều vấn đề cần thiết có thể cải thiện nhằm tăng tính thích nghi, bền vững và độ chính xác của hệ thống. Trong vấn đề về điều khiển kiểm soát lỗi cho các hệ thống điều khiển nói chung, hệ MR nói riêng, hiện tại luôn có nhiều nghiên cứu đã được đề xuất để thực hiện [4, 24 – 28]. Trong nghiên cứu số [9], các tác giả đã ứng dụng một phương pháp thích nghi dựa trên bộ quan sát nơ ron và một mô hình lỗi để ước lượng các tham số không chắn chắn – các lỗi tác động đến hệ thống điều khiển. Tuy nhiên, các vấn đề xử lý các lỗi xấp xỉ khi ứng dụng bộ quan sát, nơ ron vẫn chưa được thực hiện một cách triệt để (tương tự với nghiên cứu số [27]). Ở một hướng tiếp cận khác, các tác giả trong nghiên cứu số [4] đã ứng dụng các bộ xấp xỉ dựa vào các kỷ thuật thích nghi để đối phó với các lỗi xuất hiện đột ngột. Phương pháp này đã đưa ra các thuận lợi trong việc làm giảm khối lượng tính toán khi so sánh với các phương pháp xử dụng các kỹ thuật tính toán mềm khác [24, 27]. 1.2. Các nghiên cứu liên quan trong nước Hiện tại trong nước đã và đang có nhiều nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật NTSM hoặc phát triển các kỹ thuật xử lý các lỗi cho việc điều khiển các hệ thống MR [11 – 13]. Trong nghiên cứu [11], nhóm tác giả đã áp dụng phương pháp Teminal Sliding Mode (TSM) kết hợp với bộ quan sát bậc cao để điều khiển hệ MR công nghiệp. Công việc này đã cho kết quả tốt, tuy nhiên vẫn còn điểm hạn chế về các thông số độ lợi điều khiển và các sai số ước lượng/cập nhật vẫn chưa được giải quyết cụ thể. Một cách tương tự, công trình số [12] cũng đề xuất phương pháp điều khiển hệ thống bồn nước dôi sử dụng kỹ thuật TSM với hàm trượt dạng Quasi – Tanh(). Tuy nhiên, vẫn còn điểm hạn chế ở việc cố định tham số độ lợi điều khiển, nhiễu, và các tham số chưa biết hệ thống vẫn được giả định được biết. Bằng cách áp dụng mạng nơ ron để ước lượng các tham số động hệ quadrotor, các tác giả ở nghiên cứu số [13] đã vận dụng kết hợp với kỹ thuật NTSM để tạo ra bộ điều khiển có khả năng hội tụ nhanh – hữu hạn, loại bỏ nhiễu và các tham số không chắc chắn. Ở nghiên cứu này, các tác giả vẫn chưa quan tâm đến việc cải tiến các tham số độ lợi điều khiển khi phải sử dụng kiến thức tiền định để xác định nó. Các nghiên cứu về điều khiển loại trừ, kiểm soát lỗi vẫn được các giả trong nước nghiên cứu nhiều [4, 16], tuy nhiên, các nghiên cứu đều được công bố trên các tạp chí quốc tế. Tóm lại, tìm hiểu về các nghiên cứu trong nước về vấn đề thiết kế giải thuật điều khiển kiểm soát lỗi, các vấn đề tồn tại có thể tiếp tục triển khai nghiên cứu là: vấn đề về loại bỏ tính cố định trong các tham số độ lợi điều khiển, tăng tính tính thích nghi, giảm bỏ công suất tính toán trong việc xử lý lỗi, loại bỏ các sai số trong quá trình cập nhật ước lương, … 1.3. Đánh giá các kết quả của các nghiên cứu liên quan vào thời điểm hiện tại Về mặt ưu điểm: Các nghiên cứu trước đã đảm bảo khai phá đủ các khía cạnh khi áp dụng được các kỹ thuật NTSM kết hợp với các kỹ thuật thích nghi, công nghệ tính toán mềm tân 3
tiến, để nâng cao được khả năng điều khiển chính xác, đảm bảo thời gian hội tụ hữu hạn, thiết lập được các giải thuật tốt cho việc loại bỏ các lỗi xuất hiện đột ngột trong quá trình điều khiển. Các nghiên cứu đã thành công trong việc chứng tỏ tính đúng đắn thông qua việc chứng minh toán học, mô phỏng và thậm chí cả thực nghiệm với mô hình thí nghiệm. Về mặt khuyết điểm, tồn tai: Hầu như các công trình trước đều chưa tính tới việc cập nhật thích nghi cho các tham số độ lợi điều khiển của bộ điều khiển NTSM. Các tham số này vẫn được chọn dựa vào kinh nghiệm hoặc chưa được xử lý một cách đồng bộ. Các sai số trong quá trình cập nhật, ước lượng vẫn chưa được giải quyết một cách có hệ thống. Tính bền vững, đáp ứng hệ thống một cách trơn, liên tục vẫn chưa hoàn toàn được giải quyết triệt để. 2. Mục tiêu 2.1. Mục tiêu tổng quát Trong đề tài này, nghiên cứu để phát triển tính mới ở việc xây dựng một giải thuật điều khiển kiểm soát lỗi ứng dụng cho hệ thống tay máy robot trong công nghiệp dựa vào kỹ thuật NTSM nhằm tạo ra hệ thống điều khiển có khả năng xử lý tốt vấn đề lỗi phát sinh đột ngột, cải thiện độ chính xác điều khiển, tăng tính thích nghi và bền vững. 2.2. Mục tiêu cụ thể - Nghiên cứu, xây dựng giải thuật học/tự cập cho các tham số độ lợi điều khiển của bộ điều khiển NTSM bằng giải thuật thích nghi ứng dụng với mô hình tay may robot có lỗi. - Nghiên cứu xây dựng giải thuật ước lượng loại bỏ nhiễu cho hệ thống điều khiển. - Nghiên cứu xây dựng giải thuật loại bỏ các sai số trong quá trình học/ước lượng/cập nhật và tăng tính bền vững hệ thống, giảm được hiện tượng chattering phát sinh. 3. Phương pháp nghiên cứu 4. 1 Nội dung 1: Đề xuất giải thuật điều khiển kiểm soát lỗi dựa vào kỹ thuật điều khiển NTSM cho hệ tay máy robot - Cách tiếp cận: Nghiên cứu, tổng hợp, tài liệu của các công trình trước đó trong nước và quốc tế, để đề xuất hướng tiếp cận. - Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng: Sử dụng công cụ toán học, mô phỏng Matlab, lý thuyết điều khiển thông minh, thích nghi và bền vững để phân tích, thiết kế và chứng minh được tính hiệu quả của phương pháp đề xuất. - Kết quả: Kết quả chứng minh tính hiệu quả của giải thuật đã được đề xuất thiết kế. Thể hiện rõ ở các công thức toán học. 4. 2 Nội dung 2: Mô phỏng và so sánh đánh giá kết quả - Cách tiếp cận: Dựa vào công cụ phần mềm Matlab để mô phỏng giải thuật đề xuất và các giải thuật liên quan trước đó. - Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng: Kỹ thuật lập trình, tổng hợp dữ và biểu diễn, tổng hợp, so sánh dự liệu từ việc mô phỏng ở phần mềm Matlab. - Kết quả: Các kết quả ở dạng số liệu và hình ảnh so sánh tính hiệu quả của phương pháp đề xuất so với các công việc liên quan trước đó. 4
4. 3 Nội dung 3: Công bố kết quả nghiên cứu - Cách tiếp cận: Tổng hợp phân tích đối chiếu dữ liệu của các nghiên cứu liên quan với giải thuật đã đề xuất. - Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng: Kỹ thuật công bố nghiên cứu khoa học, phương pháp tổng hợp phân tích, đối sánh. - Kết quả: Công bố thành công 01 bài báo trên 01 tạp chí quốc tế. 4. 4 Nội dung 4: Báo cáo tổng kết - Cách tiếp cận: Phân tích, đối sánh, tổng hợp dữ liệu nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng: Viết báo cáo tổng hợp, thuyết trình - Kết quả: Hoàn thành 01 quyển báo cáo, 01 file thuyết trình và các tài liệu liên quan 4. Tổng kết về kết quả nghiên cứu - Đề xuất giải thuật điều khiển NTSM kiểm soát lỗi với cơ chế tự cập nhật các tham số của bộ điều khiển. - Các kết quả được so sánh về hiệu quả của các phương pháp được đề xuất dựa trên việc mô phỏng bằng phần mềm Matlab. - Bài báo công bố kết một phần của quả nghiên cứu được chấp nhận đăng trên tạp chí Scopus Q2. - Báo cáo tổng kết kết quả nghiên cứu. 5. Đánh giá các kết quả đã đạt được và kết luận Các kết quả nghiên cứu đi kèm theo báo cáo này là các sản phẩm nghiên cứu đáp ứng tốt các yêu cầu đã xác định trong hợp đồng và thuyết minh: bao gồm 01 bài báo đã được chấp nhận đăng tên trên tạp chí quốc tế hạng Scopus Q2 và Báo cáo tổng kết đề tài. 6. Tóm tắt kết quả (tiếng Việt và tiếng Anh) 6.1. Tóm tắt kết quả bằng tiếng Việt Trong đề tài nghiên cứu cơ bản này, kỹ thuật NTSM đã được cải tiến để làm tăng hiệu quả của hệ thống điều khiển bám cho hệ robot tay máy trong trường hợp có lỗi đột ngột xuất hiện. Trong chiến lược điều khiển được đề nghị, tính thích nghi của hệ hệ thống điều khiển đầu tiên được tăng cường thông qua các giải thuật thích nghi tự thích ứng cho tất cả các độ lợi điều khiển của bộ điều chính chế độ trượt. Tiếp đến, các thông tin động lực học chưa biết và các lỗi đột ngột không chắc chắn được ước lượng hoàn toàn để đảm bảo tính bền vững và hiệu quả trong việc điều khiển bám của hệ thống điều khiển được đề xuất. Hơn nữa, phương pháp điều khiển được cải tiến này còn tạo thêm nhiều thuận lợi hơn trong việc xử lý các lỗi cập nhật hoặc ước lượng không thể tránh khỏi và tạo ra sự liên tục và trơn cho các tín hiệu điều khiển dựa trên tác động của một bộ điều khiển bền vững được thiết kế. Ngoài ra, chiến lượt điều khiển cải tiến này còn được thiết kế dựa trên Tiêu chuẩn ổn định Lyapunov để đảm bảo cho hệ thống điều khiển tay máy robot được ổn định, bền vững và hội tụ với thời gian hữu hạn. Cuối cùng, các đặc tính cải tiến được xác minh thông qua các kết quả mô phỏng có đối sánh. 5
6.2. Tóm tắt kết quả bằng tiếng Anh In the proposed basic research project, the NTSM technique has been improved to enhance efficiency of the tracking control system for the robot manipulators system in the presence of abrupt faults. With the proposed control strategy, the adaptability of the control system first is improved by the the designed adaptive self-tunning algorithms for all control parameters of the NTSM main controller. And to deal with the unknown dynamics and uncertaint faults, two estimatior are applied to solve requirements of prior knowledge, and gurantee the robustness and performance of the robotics control system. In addition, this improved control method aslo offers more advantages in addressing the inevitable updating/estimating errors and generates continuity-smoothing control signals, which is based on the proposed robust sub-controller. Moreover, the proposed control strategy is desgined by applying the Lyapunov theorem so that the stability, robustness and finite-time convergence are guarenteed. Finally, the improved features are verified by the comparetive simulation results. 6
III. Sản phẩm đề tài, công bố và kết quả đào tạo 3.1. Kết quả nghiên cứu (sản phẩm dạng 1,2,3) Yêu cầu khoa học hoặc/và chỉ tiêu TT Tên sản phẩm kinh tế - kỹ thuật Đăng ký Đạt được 1 Bài báo đăng trên tạp chí ISI/Scopus Q2 Scopus Q2 quốc tế (có ghi nhận địa chỉ và cảm ơn Trường Đại học Công Nghiệp Tp. HCM đã cấp kinh phí thực hiện nghiên cứu theo đúng quy định) Ghi chú: - Các ấn phẩm khoa học (bài báo, báo cáo KH, sách chuyên khảo…) chỉ được chấp nhận nếu có ghi nhận địa chỉ và cảm ơn trường ĐH Công Nghiệp Tp. HCM đã cấp kính phí thực hiện nghiên cứu theo đúng quy định. - Các ấn phẩm (bản photo) đính kèm trong phần phụ lục minh chứng ở cuối báo cáo. (đối với ấn phẩm là sách, giáo trình cần có bản photo trang bìa, trang chính và trang cuối kèm thông tin quyết định và số hiệu xuất bản) 3.2. Kết quả đào tạo Thời gian Tên đề tài TT Họ và tên thực hiện đề tài Tên chuyên đề nếu là NCS Đã bảo vệ Tên luận văn nếu là Cao học Nghiên cứu sinh Học viên cao học Sinh viên Đại học Ghi chú: - Kèm bản photo trang bìa chuyên đề nghiên cứu sinh/ luận văn/ khóa luận và bằng/giấy chứng nhận nghiên cứu sinh/thạc sỹ nếu học viên đã bảo vệ thành công luận án/ luận văn;( thể hiện tại phần cuối trong báo cáo khoa học) IV. Tình hình sử dụng kinh phí T Kinh phí Kinh phí Ghi T Nội dung chi được duyệt thực hiện chú (triệu đồng) (triệu đồng) A Chi phí trực tiếp 1 Thuê khoán chuyên môn 43.285 43.285 2 Nguyên, nhiên vật liệu, cây con.. 3 Thiết bị, dụng cụ 4 Công tác phí 7
5 Dịch vụ thuê ngoài 6 Hội nghị, hội thảo,thù lao nghiệm thu giữa kỳ 7 In ấn, Văn phòng phẩm 1.715 8 Chi phí khác B Chi phí gián tiếp 1 Quản lý phí 2 Chi phí điện, nước Tổng số 45.000 45.000 V. Kiến nghị ( về phát triển các kết quả nghiên cứu của đề tài) 1. Phát triển thêm giải pháp loại trừ các lỗi từ các cảm biến của hệ thống điều khiển tay máy robot. 2. Xây dựng mô hình thực nghiệm để đưa vào giảng dạy và nghiên cứu ở Khoa Công Nghệ Điện Tử. VI. Phụ lục sản phẩm ( liệt kê minh chứng các sản phẩm nêu ở Phần III) 1. Bài báo: “Adaptive robust self-tuning PID fault-tolerant control for robot manipulators” đã được chấp nhận đăng trên tạp chí International Journal of Dynamics and Control (Scopus Q2). 2. Báo cáo tổng kết đề tài. Tp. HCM, ngày ........ tháng........ năm ....... Chủ nhiệm đề tài Phòng QLKH&HTQT (ĐƠN VỊ) Trưởng (đơn vị) (Họ tên, chữ ký) 8
Die ersten 9 Seiten werden angezeigt. Laden Sie das Dokument herunter, um alles zu sehen.
Noch keine Kommentare. Seien Sie der Erste!
Kommentare (0)
Noch keine Kommentare. Seien Sie der Erste!