Ứng dụng thuật toán điều khiển bền vững cho hệ chuyển động tay máy Almega 16

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
44 Số 16 
ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN BỀN VỮNG 
CHO HỆ CHUYỂN ĐỘNG TAY MÁY ALMEGA 16 
A NOVEL APPLICATION ROBUST CONTROL ALGORITHM 
FOR THE MOTION SYSTEM OF ALMEGA16 MANIPULATORS 
Hà Trung Kiên, Đoàn Đức Thắng 
Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội 
Ngày nhận bài: 20/5/2018, Ngày chấp nhận đăng: 02/7/2018, Phản biện: TS. Mai Hoàng Công Minh 
Tóm tắt: 
Bài báo này đề cập đến việc ứng dụng thuật toán điều khiển bền vững cho hệ chuyển động tay máy 
Almega16 ở không gian khớp. Phương pháp điều khiển bền vững trên tiêu chuẩn Lyapunov này có 
điểm mạnh là giảm thiểu các tính toán on-line, ổn định khi thêm vào nhiễu ngoại, đồng thời không 
cần biết trước các tham số bất định động lực học và đảm bảo được ổn định tiệm cận. Kết quả được 
biểu diễn qua mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink cho thấy hệ chuyển động Robot ALmega16 
đã đáp ứng được yêu cầu điều khiển,đảm bảo sai số của các khớp quay và vị trí của khâu tác động 
cuối nhanh chóng đạt tới không trong thời gian quá độ nhỏ làm cho hệ thống kín ổn định. 
Từ khóa: 
Điều khiển bền vững, tiêu chuẩn Lyapunov, robot ALmega16. 
Abstract: 
This paper presents an application of robust control algorithm for the motion system of Almega16 
manipulator in joint space . The control method has strengths that minimize the on-line calculations 
and is stable when external noise are added, and it does not need to know previously the dynamic 
uncertain parameters and it guarantee asymptotic stability. The results are presented through out 
Matlab/Simmulink simulations and show that the motion system of Robot Almega16 satisfies the 
control requirement: the cartesian position steady state errors of rotating joints and the last stage of 
act upon quickly converge to zero within a short transient time, so that closed-loop system is stable. 
Keywords: 
Robust control, Lyapunov method, robot ALmega16. 
1. ĐẶT VẤN ĐỀ 
Robot công nghiệp - robot Almega16 là 
một đối tượng có tính phi tuyến cao với 
nhiều thông số bất định, chịu tác động xen 
kênh giữa các khớp với nhau đó là các 
nguyên nhân gây ra độ sai lệch bám quỹ 
đạo nên việc nghiên cứu nâng cao chất 
lượng điều khiển chuyển động bám quỹ 
đạo chính xác của robot công nghiệp luôn 
được nhiều nhà khoa học trong và ngoài 
nước quan tâm [4, 5]. Có nhiều phương 
pháp đã nghiên cứu và áp dụng điều khiển 
bám quỹ đạo cho hệ chuyển động của tay 
máy công nghiệp và mỗi phương pháp 
được áp dụng lại có những ưu điểm và 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
Số 16 45 
nhược điểm khác nhau [6] và được áp 
dụng tùy theo ứng dụng cụ thể, cũng như 
tùy thuộc vào bài toán kinh tế cần giải 
quyết. Vì vậy nội dung bài báo lựa chọn 
đề cập tới vấn đề điều khiển chuyển động 
của robot công nghiệp là đề xuất và ứng 
dụng giải pháp điều khiển nâng cao chất 
lượng chuyển động của robot công nghiệp 
trong không gian khớp, điều khiển bền 
vững có ưu điểm là không cần phải biết 
chính xác thông số của đối tượng, khi đối 
tượng thực tế lại có thông số thay đổi và 
nhiễu không xác định trong môi trường 
làm việc. 
2. ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN ĐIỀU 
KHIỂN BỀN VỮNG TRONG HỆ CHUYỂN 
ĐỘNG ROBOT CÔNG NGHIỆP 
2.1. Giới thiệu về ổn định bền vững và 
ổn định bền vững bằng phương pháp 
Lyapunov cho tay máy công nghiệp 
Bộ điều khiển bền vững có nghĩa là nếu 
có thể xác định được một mặt trượt và 
đưa ra giới hạn về độ bất định của mô 
hình hệ thống, tìm ra mômen để lái tín 
hiệu sai số tới điểm giao của mặt trượt 
[4]. Như vậy bộ điều khiển này loại bỏ 
được ảnh hưởng tính phi tuyến của các 
khớp bằng cách đặt mômen hệ thống điều 
khiển chuyển động các góc khớp tới từ 
mặt trượt. Luật điều khiển này cũng được 
xây dựng dựa trên tiêu chuẩn ổn định 
Lyapunov. 
Xuất phát từ phương trình động lực học 
tổng quát của hệ tay máy công nghiệp viết 
dưới dạng [5]: 
M(q)q C(q,q)q G(q)  (1) 
Trong đó: 
τ: momen đặt lên khớp i khi thực hiện 
chuyển động quay; 
M: ma trận quán tính; 
C: vectơ tương hỗ và ly tâm; 
G: vectơ trọng trường; 
q: biến khớp. 
Từ đó xây dựng luật điều khiển bền vững 
theo Lyapunov như sau: 
Luật điều khiển bền vững được đưa vào 
như sau: 
dk
ˆ ˆMˆ(q)v C(q,q)v G(q) Ksgn(r)  (2) 
Trong đó: 
τdk: momen điều khiển đặt lên khớp i khi 
thực hiện chuyển động quay; 
ˆ ˆMˆ(q),C(q,q),G(q) : các thành phần ước 
lượng của M(q), C(q,q) , G(q). 
d d dv q (q q) q e   
 : ma trận chéo, xác định dương 
r = v q
K: hệ số “damping”, là ma trận đường 
chéo, xác định dương [4]. 
T
1 2 nsgn(r) [sgn(r ),sgn(r ),...,sgn(r )] 
 Chọn hàm Lyapunov xác định dương: 
T T T1 1
V r M(q)r V r M(q)r r M(q)r
2 2
(3)
sgn(ri) =
-1 nếu ri <0 
+1 nếu ri >0 
 nếu ri >0 
 nếu ri <0 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
46 Số 16 
Kết hợp (1) và (2) được phương trình 
động lực học kín của robot như sau: 
M(q)q C(q,q)q G(q)
ˆ ˆMˆ(q)v C(q,q)v G(q) Ksgn(r)
 (4) 
Đặt 
r v q
r v q
 và 
ˆM M M
ˆC C C
ˆG G G
Thế vào phương trình (4) ta được: 
Mr Cr K r) Mv Cv Gsgn( 
Mr Mv Cv G Cr K r)sgn( (5)
Do 
1
S C(q,q) M(q)
2
 theo [4, 5] nên 
1
C(q,q) M(q) 0
2
Kết hợp với (5), (6) ta được:
T
n
i i
i 1
V r Mv Cv G)( k r
  (6) 
Để V 0 thì ta chọn hệ số 
i i iMv Cv Gk [ ]  với i 0 
Khi đó 
n
i i
i 1
V r 0
   (7) 
Do đó hệ thống sẽ ổn định theo tiêu chuẩn 
Lyapunov. 
2.2. Ưu nhược điểm của ổn định bền 
vững bằng phương pháp Lyapunov 
Ưu điểm: Bộ điều khiển này cũng giống 
với bộ điều khiển thích nghi Li-Slotine 
[5], có nghĩa là ta không cần phải biết 
chính xác các tham số động lực học của 
robot mà vẫn có thể ổn định được hệ 
thống, đảm bảo sai lệch giữa giá trị đặt và 
giá trị thực giảm về 0 nhanh chóng, từ đó 
ổn định được hệ thống ngay cả khi có 
nhiễu tác động vào. 
Nhược điểm: Việc xác định vùng bao, 
vùng giới hạn mà t