Luận án Điều khiển mặt động thích nghi bám quỹ đạo cho robot tự hành bốn bánh đa hướng

        S S K S S K S (2.30) - Chọn hàm Lyapunov thứ nhất 2 1 1 1 2 V S (2.31) Dựa vào (2.26) và (2.28) ta tính đạo hàm của 1V : 2 1 1 1 1 2 1 1 1 2 1 1( )     V S S S S K S S S K S (2.32) - Chọn hàm Lyapunov thứ hai 2 2 2 1 2 1 ( ) 2  V S S (2.33) Dựa vào (2.27) và (2.29) ta tính đạo hàm của 2V : 1 2 2 2 2 1 2 2 2 2 1 1 1       V S S S S K K SS SS (2.34) - Chọn 21 1 2 KK K   ta có: 0K  , và: 22 2 2 2 2 2 1 1 1 2 2 1 2 2 1 ( ) 2 1 2 1 2         V KS KS S S S S S S KV (2.35) Hệ kín ổn định theo tiêu chuẩn Lyapunov. 30 2.2.3.2. Áp dụng cho đối tượng FWOMR - Xét hệ robot tự hành bốn bánh đa hướng 1 2 2 2 2sgn( ) d       x Hx Mx Cx G x τ Bτ   (2.36) Với 1 x y           x và 2 x y v v           x - Xét mặt trượt 11 1 12 1 1 13 d S S S           S x x (2.37) - Đạo hàm 1S kết hợp với hệ phương trình (2.36) ta có 1 1 1 2 1 d d   S x x Hx x     (2.38) Chọn tín hiệu điều khiển ảo 1 2 1 1 1( )d dK   x H S x (2.39) - Chọn hàm Lyapunov thứ nhất 1 1 1 1 2 TV  S S (2.40) - Đạo hàm 1V kết hợp với (2.38) và (2.39) 1 1 1 1 1 1 2 2 1 2 1 1 2 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 ( . ) = ( . . . ) = ( . ( )) = ( ) T T 2 d T d d d T d d T d d T T V K K V K                S S S H x x S H x H x x H x S S x H H S x S S x S x S S S S         (2.41) - Với 2S là mặt trượt thứ hai 2 2 2 )( d S x xH (2.42) - Xét đạo hàm 2S 2 2 2 2 2 1 2 2 2 2 2 ( ) ( ) ( ( sgn( )) ) ( ) d d d d            S H x x H x x H M Bτ Cx G x x H x x     (2.43) Kết hợp (2.39), (2.40), (2.43) và (2.44), ta có: 31 1 2 1 1H K S S S  (2.44) - Chọn tín hiệu điều khiển: 1 1 2 2 2 2 2 2 2( ) ( ( ( ) ) ) sgn( ) ) T T d d K        τ B BB M H H x x x Cx G x S  (2.45) - Khi đó, ta có: 2 2 2K S S  (2.46) - Chọn hàm Lyapunov thứ hai 2 1 1 2 2 1 1 2 2 T TV  S S S S (2.47) - Đạo hàm 2V kết hợp với (2.44), (2.45), (2.46) và (2.47) 2 22 1 1 1 1 1 12 2 2 2 T T TV K K    S S S S S SS S S S  (2.48) - Ta có 2 2 2 2 2 2 1 1 1V K K   SS S S  (2.49) - Chọn 21 1 2 KK K   ta có: 0K  , và: 2 2 2 1 1 1 2 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 1 2 1 ( 2 2 ) V K K K K          S SS S S S S S S S  Vậy 2V  chính là hàm Lyapunov của hệ kín Một nhược điểm của phương pháp này là chính ở chỗ phải tính đạo hàm của đầu vào ảo 2dx vì đầu vào này phụ thuộc vào mặt trượt và các biến trạng thái của hệ (2.43). Đó cũng chính là khó khăn khi sử dụng phương pháp MSSC. 2.2.4. Mô phỏng kiểm chứng các thuật toán 2.2.4.1. Kết quả mô phỏng sử dụng bộ điều khiển PID điều khiển bám quỹ đạo cho FWOMR + Với các tham số chọn cho bộ điều khiển PID: 5, 0.5p IK K  + Tham số chọn cho mô hình: m=10kg, J=0.56kgm2, d=0.3m, r=0.06m Xét trường hợp khi có nhiễu tác động. 32 a. Quỹ đạo đường tròn với hệ phương trình cos( ); sin( ); 15 15 15 2 x t y t t         Hình 2.12. Quỹ đạo bám đường tròn với bộ điều khiển PID Hình 2.13. Sai lệch bám các thành phần , y ,e e ex  với bộ điều khiển PID b. Quỹ đạo gấp khúc với hệ phương trình Hình 2.14. Quỹ đạo bám đường gấp khúc với bộ điều khiển PID Hình 2.15. Sai lệch bám các thành phần đường gấp khúc , y ,e e ex  với bộ điều khiển PID 2.2.4.2. Kết quả mô phỏng sử dụng bộ điều khiển SMC điều khiển bám quỹ đạo cho FWOMR + Với các tham số chọn cho bộ điều khiển SMC: 35, 100K   + Tham số chọn cho mô hình: m=10kg, J=0.56kgm2, d=0.3m, r=0.06m a. Quỹ đạo đường tròn với hệ phương trình: 33 b. 5cos( ); 5sin( ); 15 15 15 2 x t y t t         Hình 2.16. Quỹ đạo bám đường tròn với bộ điều khiển SMC Hình 2.17. Sai lệch bám các thành phần , y ,e e ex  của bộ điều khiển SMC b. Quỹ đạo gấp khúc với hệ phương trình: 1 1 1 2 2 2 5 55 3* , 1, tan( ); 5 3* , , tan( ) 3 3 x t y a x t y t a         Bộ tham số điều khiển SMC: 16, 16K   Hình 2.18. Quỹ đạo bám đường gấp khúc với bộ điều khiển SMC Hình 2.19. Sai lệch bám các thành phần đường gấp khúc , y ,e e ex  (SMC) 2.2.4.3. Kết quả mô phỏng sử dụng thuật toán điều khiển đa mặt trượt (MSSC) điều khiển bám quỹ đạo cho FWOMR Một số kết quả xây dựng quỹ đạo mô phỏng trên bộ điều khiển MSSC 34 a. Quỹ đạo đường zich zắc với hệ phương trình: 1 1 1 2 2 2 5 55 3* , 1, tan( ); 5 3* , , tan( ) 3 3 x t y a x t y t a         Bộ tham số điều khiển MSSC: 11 12 13 1 14, 5 3* , 1,k k k k x t y       Hình 2.20. Quỹ đạo bám đường gấp khúc với bộ điều khiển MSSC Hình 2.21. Sai lệch bám các thành phần đường gấp khúc , y ,e e ex  (MSSC) b. Quỹ đạo đường tròn với hệ phương trình: 5cos( ); 5sin( ); 15 15 15 2 x t y t t         Bộ tham số điều khiển MSSC: 11 12 13 3.5k k k k    Hình 2.22. Quỹ đạo bám đường tròn với bộ điều khiển MSSC Hình 2.23. Sai lệch bám các thành phần đường tròn , y ,e e ex  (MSSC) 35 2.3. Kết luận chương 2 Với các kết quả đã đạt được qua việc tính toán và chứng minh bằng lý thuyết, cùng với các kết quả xây dựng mô hình mô phỏng kiểm chứng trên Matlab Simulink trong chương 2, luận án đã thu được các kết quả như sau:  Mô hình hóa robot tự hành đa hướng với cấu trúc như đã chọn, xây dựng các phương trình động học và động lực học và phân tích động lực học của FWOMR dựa trên mô phỏng số.  Nghiên cứu một số thuật toán điều khiển bám tiêu biểu đã được ứng dụng cho FWOMR và khảo sát đánh giá ưu nhược điểm của các phương pháp điều khiển này bằng phần mềm Matlab/Simulink như:  Bộ điều khiển PID  Điều khiển trượt  Điều khiển đa mặt trượt Điều khiển trượt được sử dụng nhiều bởi tính bền vững và khả năng kháng nhiễu tốt. Bộ điều khiển trượt có thể đáp ứng cho một hệ phi tuyến với độ bền vững cho các tham số bất định. Tuy nhiên, hạn chế của thuật toán SMC, MSSC chính là hiện tượng chattering và bị ảnh hưởng khi có nhiễu tác động. Để khắc phục hiện tượng chattering phương pháp DSC sẽ được nghiên cứu và phát triển trong chương 3. 36 CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI BÁM QUỸ ĐẠO CHO ROBOT TỰ HÀNH BỐN BÁNH ĐA HƯỚNG Chương 2 NCS đã xây dựng các bộ điều khiển bám quỹ đạo cho FWOMR như SMC, MSSC. Để tính toán được các tham số của bộ điều khiển này thì yêu cầu mô hình toán học của đối tượng phải chính xác. Do đó, trong một số tình huống, để đơn giản và lý tưởng hóa, một số tham số của mô hình FWOMR được bỏ qua như: ma sát, momen, khối lượng... Tuy nhiên trong thực tế các tham số này có ảnh hưởng lớn đến chất lượng của bộ điều khiển. Trong chương 3, thuật toán điều khiển mới được đề xuất cho FWOMR. Thuật toán điều khiển này được phát triển trên nền tảng kỹ thuật DSC. Thuật toán DSC bám quĩ đạo thích nghi bằng hệ logic mờ và mạng nơ ron nhân tạo cho FWOMR nhằm khắc phục nhược điểm của DSC và mở rộng miền ứng dụng cho FWOMR có mô hình phi tuyến bất định và chịu ảnh hưởng của nhiễu. Thuật toán DSC thích nghi được mô phỏng đánh giá bằng phần mềm Matlab/Simulink. Những nghiên cứu trong chương 3 đề xuất thuật toán thích nghi mới AFDSC và AFNNDSC để giải bài toán điều khiển bám quĩ đạo cho FWOMR trong trường hợp xét đến các thành phần bất định trong mô hình robot cũng như ảnh hưởng của nhiễu. Equation Chapter 3 Section 3 3.1. Thuật toán điều khiển mặt trượt động. 3.1.1. Xây dựng thuật toán điều khiển bám quĩ đạo mặt trượt động cho FWOMR Kỹ thuật điều khiển hiện đại hướng tới việc xây dựng các bộ điều khiển phi tuyến nhằm nâng cao chất lượng điều khiển cho hệ thống, đặc biệt là khi hệ thống có chứa các thành phần phi tuyến bất định. Việc cải tiến các bộ điều khiển Backstepping, bộ điều khiển trượt, hay bộ điều khiển đa mặt trượt để tăng tính thích ứng của hệ thống khi tồn tại các tham số bất định hay các tham số mô hình thay đổi trong quá trình vận hành cũng đã và đang được được tập trung nghiên cứu. Như phân tích ở chương 2, MSSC sẽ tiếp tục được nghiên cứu phát triển trong chương này. Kỹ thuật DSC được phát triển dựa trên MSSC và kỹ thuật backstepping. Không những giữ lại ưu điểm khi xử lý với các thành phần bất định trong mô hình hệ thống mà DSC còn khắc phục nhược điểm của hai phương pháp này thông qua việc tích hợp thêm vào bộ điều khiển một bộ lọc thông thấp [64], [65]. 37 Trước hết, mục tiêu của việc thiết kế bộ điều khiển là robot có thể bám quỹ đạo nhanh và chính xác, đồng thời đảm bảo tính ổn định của hệ thống. Bộ điều khiển DSC cho FWOMR được tập trung nghiên cứu thiết kế. Để đơn giản cho việc tính toán và chứng minh tính ổn định của hệ thống điều khiển, các biến trạng thái của hệ thống được đặt như sau: 1 2 [ ] [ ] T T x y x y v v         x q x v (3.1) Từ đó thu được hệ phương trình của robot tự hành bốn bánh đa hướng  2 1 2 2 2 sgn d       x Hx Mx Cx G τ Bτx   (3.2) Với giả thiết mô hình biết trước, dτ được xem như nhiễu bên ngoài tác động chưa biết, mô hình FWOMR không xét đến ảnh hưởng của nhiễu có dạng như sau:   1 2 22 2 sgn      x Hx Mx Cx G Bτx   (3.3) Trước tiên, đặt 1 1 1d e x x là véc tơ sai lệch bám, ở đó  1 T d d d dx y x là quỹ đạo đặt. Mục tiêu điều khiển là đảm bảo 1x đạt được giá trị 1dx hay nói cách khác 1e tiến tới 0. Đạo hàm 1e 1 1 1 2 1d d   e x x Hx x    (3.4) Giả sử rằng fα là tín hiệu điều khiển ảo trong việc thiết kế bộ điều khiển DSC.α là đầu vào của bộ lọc thông thấp bậc nhất có biểu thức  1 1 1 1dc   H e xα  (3.5) Với 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 x y c c c c            là giá trị ma trận hằng số đường chéo phù hợp chứa các phần tử là các giá trị dương. Sau khi tính toán luật điều khiển ảo, α được đưa qua bộ lọc thông thấp bậc nhất để tính toán giá trị đạo hàm cho tín hiệu điều khiển ảo.  T f fα α α (3.6) Với T được chọn đủ nhỏ để không làm tăng thời gian tính toán của DSC. 38 ( ) ( ) , 1      s s Ts T f f f α α α α α Để chứng minh tính khả dụng của tín hiệu điều khiển ảo, hàm ứng viên Lyapunov thứ nhất được đề xuất 1 1 1 1 2 TV  e e (3.7) Xét đạo hàm của 1V    1 1 1 1 2 1 1 1 1 1 1 1 2 1 T T T T d dV c c       e e e Hx x e e e e Hx x     (3.8) nếu coi 2x α là thì 1 1 1 1 1 1 1 1( ) T TV c c  e e e e e Có thể thấy từ biểu thức (3.8) với giá trị điều khiển ảo từ (3.5), 1 1 1 1 0 TV c  e e và điều kiện 1 1 1 1 0 TV c  e e được thoả mãn. Tiếp theo, kỹ thuật điều khiển trượt được thiết kế để thu được tín hiệu điều khiển của hệ thống. Tín hiệu điều khiển này cũng phải đảm bảo tín hiệu điều khiển ảo đạt được giá trị lý tưởng. Định nghĩa sai lệch tín hiệu điều khiển ảo của hệ thống. 2 2  fe x α (3.9) Chọn mặt trượt 1 2 S e He (3.10) Với  là hệ số của mặt trượt. Đạo hàm của S được tính    11 2 2 1 2 22 sgn f           S e He He e He H M C G Bτ αxx      (3.11) Như đã đề cập ở phần trên, một trong những ưu điểm của bộ điều khiển DSC là khả năng tránh được hiện tượng “bùng nổ các điều khoản” xảy ra khi việc tính toán đạo hàm của tín hiệu điều khiển ảo được lặp lại ở mỗi chu kỳ. Do đó, giá trị của  fα thu được từ bộ lọc bậc nhất (3.6). Để đảm bảo tính ổn định của hệ thống và tính toán tín hiệu điều khiển, hàm ứng viên Lyapunov thứ hai được chọn 2 1 2 TV  S S (3.12) Tín hiệu điều khiển của hệ thống sẽ được tính toán có dạng của bộ điều khiển trượt để tăng thêm tính bền vững với nhiễu cho hệ. Do đó, tín hiệu điều khiển sẽ bao gồm hai thành phần eqτ và swτ 39 eqτ là tín điều khiển để giữ trạng thái hệ thống trên mặt trượt. eqτ thu được từ điều kiện 0S .      11 2 2 21 2( ) sgndT Teq G      e He x Cτ B BB xM xH   (3.13) Tuy nhiên, eqτ chỉ có tác dụng khi hệ thống đã nằm trên mặt trượt. Do đó, tín hiệu điều khiển swτ được sử dụng, nó có khả năng lái trạng thái của hệ thống tiến về mặt trượt. Biểu thức của swτ được chọn như sau:   1 3w 1 2( ) sgnT Ts c c   τ B BB M SH S (3.14) với 2 2 2 2 0 0 0 0 0 0 x y c c c c            và 3 3 3 3 0 0 0 0 0 0 x y c c c c            là các ma trận hệ số xác định dương. Cuối cùng, tín hiệu điều khiển của hệ là tổng của eqτ và swτ : eq sw τ τ τ (3.15) Định lý 3.1: FWOMR được mô tả bằng mô hình (2.8) được điều khiển bằng (3.15) với eqτ được xác định bởi (3.13) và swτ (3.14) đảm bảo hệ kín ổn định và sai lệch bám tiến về 0. Chứng minh: Đạo hàm 2V 2 TV  SS  (3.16) Sử dụng (3.11), 2V  trở thành     12 1 2 2 2sgn TV         fS e He H M Cx G Bτx α  (3.17) Với tín hiệu điều khiển (3.13) và (3.9) thì  2d fx α , đạo hàm của 2V có thể được viết lại thành:  2 2 3sgn T TV c c  SS S S (3.18) Giá trị nhiễu dτ bị chặn  dτ là giá trị nhiễu bất định nên không xuất hiện trong biểu thức của bộ điều khiển. Bằng việc lựa chọn 2c và 3c phù hợp, ta có  2 2 3sgn 0 T TV c c   S SS S (3.19) Điều này thoả mãn tiêu chuẩn ổn định Lyapunov, định lý 1 đã được chứng minh! 40 Ưu điểm của phương pháp DSC là tăng khả năng thích ứng của hệ thống và giảm khối lượng tính toán bộ điều khiển. Tín hiệu điều khiển được sử dụng có chứa thành phần trượt, do đó tính ổn định bền vững của SMC. Bộ lọc thông thấp được sử dụng vừa có tác dụng lọc nhiễu tần số cao nội sinh vừa cung cấp thông tin về đạo hàm tín hiệu điều khiển ảo. Do vậy, việc tính toán đạo hàm của tín hiệu điều khiển ảo trở nên không cần thiết nữa, điều này loại bỏ được nhược điểm của MSSC và kỹ thuật backstepping. Tuy nhiên, phương pháp chỉ áp dụng được khi sai lệch mô hình và nhiễu tác động nhỏ, mặt khác hiện tượng chattering do cấu trúc bộ điều khiển trượt gây nên là không thể tránh khỏi. Hơn thế nữa, chất lượng điều khiển của hệ thống phụ thuộc khá nhiều vào việc lựa chọn tham số của bộ điều khiển, đặc biệt là tham số ảnh hưởng trực tiếp đến việc kéo hệ thống về mặt trượt. Mô phỏng sử dụng thuật toán điều khiển mặt trượt động (DSC) và so sánh với các thuật toán MSSC và SMC 3.1.2. Mô phỏng kiểm chứng kết quả thuật toán Sơ đồ khối mô phỏng cấu trúc hệ thống và bộ điều khiển DSC: Hình 3.1. Cấu trúc mô phỏng hệ thống điều khiển sử dụng bộ điều khiển DSC Hình 3.2. Cấu trúc mô phỏng bộ điều khiển DSC 41 3.1.2.1. Kết quả mô phỏng sử dụng thuật toán điều khiển DSC trong trường hợp không có nhiễu tác động. a. Quỹ đạo đường tròn: 5cos( ), 5sin( ), 15 15 15 2 x t y t t         Bộ tham số điều khiển DSC: 11 12 13 13k k k k    Hình 3.3. Quỹ đạo bám và sai lệch bám khi sử dụng DSC với quỹ đạo tròn Giai đoạn ban đầu, khi vị trí của robot chưa nằm trên quỹ đạo, bộ điều khiển DSC tác động để đưa robot tiến tới quỹ đạo với tốc độ nhanh và thành phần quá độ là không đáng kể. Chất lượng bám quỹ đạo tốt cùng với sai lệch được giữ ở giá trị rất nhỏ, khoảng 2.10-2(m/s) với sai lệch tịnh tiến và 6.10-3 (rad/s) với sai lệch góc khi hệ thống ở trạng thái xác lập. b. Quỹ đạo đường gấp khúc 1 1 1 2 2 2 5 55 3* , 1, tan( ); 5 3* , , tan( ) 3 3 x t y a x t y t a         Bộ tham số điều khiển DSC: 11 12 13 13k k k k    Hình 3.4. Quỹ đạo bám và sai lệch bám khi sử dụng DSC với quỹ đạo gấp khúc Kết quả cho thấy bộ điều khiển DSC có thể đáp ứng được chất lượng điều khiển với các quỹ đạo khác nhau. 42 c. So sánh quỹ đạo bám khi không có nhiễu tác động đến robot của bộ điều khiển SMC, MSSC, và DSC. Hình 3.5. Kết quả so sánh quỹ đạo bám khi không có nhiễu tác động đến robot của bộ điều khiển SMC, MSSC và DSC. Với giá trị quỹ đạo đặt theo thời gian, các thuật toán được mô phỏng kiểm chứng và so sánh đánh giá chất lượng. Có thể thấy, bộ điều khiển DSC cho kết quả với chất lượng đầu ra đáp ứng được yêu cầu của bài toán điều khiển bám tốt nhất. Khả năng giảm khối lượng tính toán do loại bỏ được hiện tượng “explosion of terms” do đó thời gian đáp ứng của bộ điều khiển DSC nhanh hơn so với bộ đa mặt trượt và SMC. Sai lệch ở trạng thái xác lập của bộ DSC và bộ đa mặt trượt gần như bằng 0, trong khi đó bộ điều khiển trượt vẫn còn tồn tại sai lệch khá rõ rệt. 3.1.2.2. So sánh quỹ đạo bám khi có nhiễu tác động đến robot của bộ điều khiển SMC, MSSC, và DSC. 43 Như đã trình bày ở phần thiết kế thuật toán điều khiển, thành phần dτ không xuất hiện trong biểu thức của bộ điều khiển khi thiết kế với mô hình toán học (3.3). Tuy nhiên trong thực tế thành phần nhiễu này vẫn tác động vào hệ thống và chưa có phương pháp đo được chính xác giá trị này. Để kiểm chứng hiệu quả, trong phần mô phỏng thuật toán điều khiển, thành phần dτ này sẽ xuất hiện trong hệ thống để đánh giá và so sánh tính kháng nhiễu của các bộ điều khiển. Trong phần này giả sử nhiễu tác động là các số có giá trị ngẫu nhiên tác động vào hệ thống và thoả mãn điều kiện là nhiễu bị chặn  dτ . Hình 3.6. Kết quả so sánh quỹ đạo bám khi có nhiễu tác động đến robot của bộ điều khiển SMC, MSSC và DSC. Nhận xét kết quả: - Với bộ điều khiển SMC tồn tại hiện tượng “chattering” đồng thời bị ảnh hưởng bởi nhiễu tác động do đặc tính của bộ điều khiển bị giới hạn trong việc loại 44 bỏ tác động của nhiễu bất định, sai lệch bám tồn tại và thời gian quá độ khá lớn. - Với bộ điều khiển MSSC đã làm giảm hiện tượng “chattering” nhưng vẫn còn bị ảnh hưởng bởi nhiễu tác động, sai lệch bám cơ bản triệt tiêu và thời gian quá độ là nhỏ hơn so với SMC. - Với bộ điều khiển DSC không chỉ làm giảm mạnh hiện tượng “chattering” mà còn làm giảm ảnh hưởng của nhiễu cũng như thời gian phản hồi nhanh hơn bởi sử dụng các bộ lọc thông thấp đầu vào, sai lệch bám được triệt tiêu và thời gian quá độ nhỏ nhất. Với các kết quả mô phỏng, có thể thấy ưu điểm vượt trội của DSC so với MSSC và SMC. Do vậy, DSC được lựa chọn làm nền tảng để xây dựng các bộ điều khiển thích nghi. Để giảm được hiện tượng chattering do nhiễu, tác động của hàm sign() gây ra khi hệ thống có chứa các là thành phần bất định sẽ được xấp xỉ bằng mạng nơ ron nhân tạo trực tuyến và bù trong luật điều khiển. Một DSC thích nghi mới cho FWOMR trên cơ sở hệ logic mờ và mạng nơ ron nhân tạo khắc phục được những nhược điểm của DSC. 3.2. Thuật toán điều khiển mặt trượt động thích nghi mờ điều khiển bám quỹ đạo cho FWOMR 3.2.1. Thuật toán điều khiển mặt trượt động thích nghi mờ. Điểm mạnh của bộ điều khiển DSC là sự ổn định với những thông số hệ thống không cố định (thông số bất định thay đổi trong giới hạn), nhưng điểm mạnh này chỉ phát huy được khi trạng thái của hệ thống nằm trên mặt trượt hoặc vùng lân cận của mặt trượt. Sơ đồ cấu trúc hệ thống DSC mờ được được biểu diễn ở hình 3.7. Hình 3.7. Cấu trúc hệ thống điều khiển mặt trượt động thích nghi mờ cho FWOMR 45 Dựa trên các kết quả mô phỏng DSC cho FWOMR ta nhận thấy chất lượng của hệ thống phụ thuộc rất nhiều vào việc lựa chọn các tham số 1 2 3( , , )c c c của DSC. Trong đó, 1c là tham số ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng bám quỹ đạo của robot, 2c và 3c ảnh hưởng đến tốc độ tiến đến mặt trượt của trạng thái hệ thống cũng như khả năng giữ trạng thái hệ thống nằm trên mặt trượt. Ở mỗi trạng thái, nếu lựa chọn được bộ tham số phù hợp thì hệ thống sẽ đạt được chất lượng, đặc biệt là khi hệ thống chịu tác động bởi nhiễu. Vì vậy trong phần này, một DSC chỉnh định tham số mờ được nghiên cứu đề xuất cho FWOMR. Đầu vào của bộ chỉnh định mờ là sai lệch của bám của quỹ đạo robot 1e và đạo hàm theo thời gian của nó 1e (hình 3.7). Các tập mờ cho biến ngôn ngữ đầu vào được biểu diễn ở hình 3.8 và hình 3.9. -10 -5 -0.01 0 0.01 5 10 NB NS Z PS PB Hình 3.8. Các tập mờ cho đầu vào 1e -25 -12 -0.06 0 0.06 12 25 NB NS Z PS PB Hình 3.9. Các tập mờ cho đầu vào 1e Với các dữ liệu giữa đầu vào và đầu ra thu được khi tiến hành mô phỏng bộ điều khiển DSC cho FWOMR ở hình (3.3), (3.4), (3.6), các tập mờ của biến ngôn ngữ đầu vào cũng như các giá trị đầu ra và các luật hợp thành cho bộ chỉnh mờ được xây dựng dựa trên mô hình mờ Sugeno. Bảng 3.1. Các tập mờ của biến ngôn ngữ đầu vào Biến ngôn ngữ 1e Biến ngôn ngữ 1e Ý nghĩa NB NB Khoảng âm lớn NS NS Khoảng âm nhỏ Z Z Khoảng 0 PS PS Khoảng dương nhỏ PB PB Khoảng dương lớn 1e μ 1e μ 46 Các tập mờ cho biến ngôn ngữ đầu vào 1e và 1e có dạng hàm tam giác và đầu ra 1 2 3, ,c c c được lựa chọn thông qua thực nghiệm. Tên gọi các tập mờ và ý nghĩa được biểu diễn ở bảng 3.1. Các giá trị đầu ra của bộ chỉnh định mờ được thể hiện trong bảng trong bảng 3.2. Bảng 3.2. Các giá trị của đầu ra Biến đầu ra Ý nghĩa Giá trị đầu ra cho 1c Giá trị đầu ra cho 2c và 3c VS Rất nhỏ 1.5 20 S Nhỏ 4.25 25 M Trung bình 6.5 30 B Lớn 8 35 VB Rất lớn 10 40 Hệ luật suy diễn cho đầu ra thứ nhất 1c của bộ chỉnh định mờ được biểu diễn trong bảng 3.3. Bảng 3.3. Hệ luật suy diễn cơ sở cho đầu ra 1c 1e 1e NB NS Z PS PB NB M S VS S M NS B M S M B Z VS B M B VS PS B M S M B PB M S VS S M Từ công thức (3.14) ta thấy thành phần 2 3( , )c c là tham số ảnh hưởng đến tốc độ tiến đến mặt trượt và lái trạng thái của hệ thống nằm trên mặt trượt, để đơn giản cho việc lựa chọn giá trị cho tập mờ và giảm khối lượng tính toán không cần thiết nên các đầu ra 2 3( , )c c được chọn bằng nhau và hệ luật suy diễn cơ sở của bộ chỉnh định mờ cho hai đầu ra này được biểu diễn ở bảng 3.4. 47 Bảng 3.4. Hệ luật suy diễn cơ sở cho đầu ra 2c ( 3c ) 1e 1e NB NS Z PS PB NB M B VB B M NS S M B M S Z VB S M S VB PS S M B M S PB M B VB M M 3.2.2. Mô phỏng kiểm chứng thuật toán. Kết quả mô phỏng với mô hình robot tự hành bốn bánh đa hướng bằng công cụ Matlab/Simulink. Để minh chứng cho hiệu quả của thuật toán AFDSC được đề xuất, nhiễu ngẫu nhiên ngoài được thêm vào mô hình có dạng như sau: Hình 3.10. Nhiễu ngoài Tiến hành mô phỏng và đánh giá thuật toán mới đề xuất với quỹ đạo hình tròn, FWOMR sẽ di chuyển từ một điểm ban đầu bên trong đường tròn trong hệ tọa độ gốc. Quỹ đạo để robot bám theo theo hệ tọa độ gốc được cho bởi: 0 0 cos( ) sin( ) r r r x r t y r t        Trong đó, những tham số của FWOMR và bộ điều khiển được chọn như trong bảng sau: 48 Bảng 3.5. Các tham số của hệ thống và tham số của bộ điều khiển Tham số mô hình động học 210 ; J=0.56 kgm ; 0.3 ; 0.06  m kg d m r m Tham số quỹ đạo 00 15, 10t r m   Tham số bộ điều khiển (10,10,10)  diag Hình 3.11. Chuyển động theo trục x Hình 3.12. Chuyển động theo trục y Hình 3.13. Sự thay đổi góc quay theo thời gian Những hình trên mô tả chuyển động bám quĩ đạo của FWOMR với bộ DSC và AFDSC. Có thể thấy rằng cả hai bộ điều khiển đều đảm bảo FWOMR bám quĩ đạo đặt nhưng AFDSC cho chất lượng bám tốt hơn. Cụ thể, với cùng một điều kiện khởi tạo, FWOMR với bộ AFDSC tiếp cận quỹ đạo tham chiếu sau khoảng 0.2 giây, trong khi đó với bộ DSC mất gần 0.6 giây. Các quy tắc mờ được thiết kế để cập nhật các tham số của DSC trực tuyến mỗi khi có sự thay đổi ở hai đầu vào bộ chỉnh định mờ là sai lệch và đạo hàm sai lệch. Bộ AFDSC được đề xuất mới đảm 49 bảo chất lượng bám quĩ đạo đặt trước của hệ thống hơn so với bộ DSC: Thời gian tiến đến quĩ đạo đặt nhanh hơn và sai lệch bám cũng nhỏ hơn. Các tham số 1 2 3( , , )c c c của AFDSC chỉnh định trực tuyến được biểu diễn trong các hình 3.14, hình 3.15 và hình 3.16. Hình 3.14. Tham số 1c Hình 3.15. Tham số 2c Hình 3.16. Tham số 3c Hình 3.17 mô tả chuyển động của FWOMR với hệ tọa độ hai chiều, có thể thấy rõ sự hiệu quả của thuật toán khi quỹ đạo của robot đã bám rất sát với quỹ đạo đặt. Hình 3.17. Chuyển động của FWOMR với quỹ đạo tròn 50 3.3. Thuật toán điều khiển mặt trượt động thích nghi nơ ron mờ điều khiển bám quỹ đạo cho FWOMR. AFDSC đã là một đề xuất phù hợp để cải thiện chất lượng bám cho FWOMR trong trường hợp sai lệch mô hình và nhiễu tác động với biên độ nhỏ. Nhưng trong trường hợp sai lệch mô hình lớn thì chất lượng điều khiển không còn đảm bảo nữa. Chính vì vậy, việc ước lượng sai lệch mô hình và bù trong thành phần bộ điều khiển sẽ đảm bảo nâng cao chất lượng của bộ điều khiển này. Như vậy, chỉnh định tham số của bộ điều khiển kết hợp với bù bất định trực tuyến chắc chắn sẽ cải thiện đáng kể chất lượng hệ thống điều khiển FWOMR. Hình 3.18 là sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển bám AFNNDSC. Hình 3.18. Cấu trúc hệ thống AFNNDSC cho FWOMR 3.3.1. Xấp xỉ thành phần bất định mô hình FWOMR sử dụng mạng nơ ron bán kính xuyên tâm. Gần đây, mạng nơ ron đang được tập trung phát triển và ứng dụng cho rất nhiều các lĩnh vực như mô hình hoá, xử lý tín hiệu, nhận dạng mẫu, đặc biệt là ứng dụng trong các hệ thống điều khiển. Một trong nhữ