phương trình vật lý thông qua phép biến đổi Laplace và mô phỏng trên phần mềm Matlab & Simulink

Tóm Tắt Lu n Văn Các cần trục sử dụng rộng rãi để vận chuyển vật nặng vật liệu độc hại nhà máy hạt nhân, xí nghiệp, đóng tàu, xây dựng nhà cao tầng…Việc vận chuyển cần trục địi hỏi phải nhanh chóng để đảm bảo an toàn người điều khiển vật xung quanh dao động tải giữ nhỏ suốt trình vận chuyển Hệ thống điều khiển xe chạy tới vị trí đảm bảo cho góc dao động ln ổn định triệt tiêu xe chạy đến vị trí đặt thơng qua cảm biến vị trí cảm biến góc Tuy nhiên, cảm biến góc hệ thống cần trục thực tế có trở ngại chi phí đầu tư cao, khó lắp đặt với cần trục có cấu nâng hạ, thường xuyên bảo trì sữa chữa… Do dó, việc điều khiển chống lắc khơng dùng cảm biến góc hệ thống cần trục tự động đề xuất luận văn Mục đích điều khiển chống lắc khơng dùng cảm biến góc dựa mơ hình tốn học cần trục việc thu thập liệu từ hệ thống cần trục tự động Đầu tiên, cảm biến mềm dựa mô hình tốn học cầu trục giới thiệu thay cảm biến lắc thực Trong phương pháp này, chuyển động góc lắc tải ước lượng dựa mơ hình tốn học từ vị trí xe đo đạc Cuối cùng, liệu mà sử dụng để huấn luyện mạng nơron cho điều khiển chống lắc không dùng cảm biến thu thập từ hệ thống cầu trục tự động sử dụng cảm biến góc thực Mơ hình tốn học cần trục xây dựng dựa phương trình vật lý thơng qua phép biến đổi Laplace mô phần mềm Matlab & Simulink Mơ hình sử dụng để mô đáp ứng cần trục dựa vào phương pháp điều khiển chống lắc có sử dụng cảm biến thực cảm biến mềm hay mạng nơron Các kết mơ thí nghiệm mơ hình thực cho thấy phương pháp điều khiển chống lắc khơng sử dụng cảm biến góc thơng qua mạng nơron có kết tương tự điều khiển có dùng cảm biến thực Trang iii Abstract Cranes are widely used in the various applications such as the heavy loads transportation and hazardous materials in shipyards, factories, the nuclear plants and high building constructions Transportating by cranes needs to be as fast as possible, and, at the same time, to ensure safety for the driver as well as surrounding objects the load swing must be kept small during the transporting process and completely vanished at the load destination This system controls the trolley in place and ensures stable swing angle and extinguished when driving to the setpoint through the use of position sensor and angle sensor, sequentially However, the real swing sensor in a real grantry crane system faces following obstacles: costly investments, difficult to install especially with the crane lifting structure, frequent maintenance and repair, etc Therefore, controlling anti-swing sensorless in automatic gantry crane system is proposed in this paper The proposal is based on mathematical model of the crane and collecting data from the automatic gantry crane system First, a softsensor based on the mathematical model of the crane is introduced to substitute the real swing sensor In this method, the swing motion of the load is estimated based on the mathematical model from the measured trolley position Finally, the data used to train the neural networks for the anti-swing control without sensors were collected from the automatic gantry crane system using the real swing sensor The mathematical model of the gantry crane was based on the physical equations through the Laplace transform and simulated by the Matlab&Simulink software This model was used to simulate the response of the gantry crane relied on the method of anti-swing control using real sensor and soft sensor by neural networks The simulational and experimental results on the real models showed that using the controlling anti-swing sensorless method by the neural networks was similar to using the sensor controlled method Trang iv Mục lục L i cam đoan i L i cảm n ii Tóm Tắt Lu n Văn iii Abstract iv Mục lục v Danh sách từ vi t tắt vii Danh sách hình viii Danh sách bảng xi Ch ng TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Các phương pháp nghiên cứu điều khiển hệ thống cần trục 1.3 Mục tiêu giới hạn đề tài 1.4 Phương pháp nghiên cứu .3 1.5 Nội dung luận văn .4 Ch ng C S LÝ THUYẾT 2.1 Hệ thống cần trục tự động 2.2 Thiết lập mơ hình tốn học hệ thống cần trục .5 2.2.1 Mô hình động 2.2.2 Mơ hình dây đai .7 2.2.3 Mơ hình cần trục 2.2.4 Mơ hình tải 2.3 Mạng nơron nhân tạo (Artifical Neural Networks_ ANN) .10 2.4 Bộ lọc Kalman rời rạc .13 2.4.1 Quá trình xử lý để ước lượng .13 Trang v 2.4.2 Các nguồn gốc tính tốn lọc 13 2.4.3 Thuật toán lọc Kalman rời rạc .15 Ch ng CÁC PH NG PHÁP ĐI U KHI N 17 3.1 Các phương pháp điều khiển hệ thống cần trục tự động 17 3.1.1 Điều khiển hệ thống có dùng cảm biến góc .19 3.1.2 Điều khiển hệ thống khơng dùng cảm biến góc 28 3.1.2.1 Điều khiển hệ thống không dùng cảm biến góc 28 3.1.2.2 Điều khiển hệ thống khơng dùng cảm biến góc 31 3.1.2.3 Điều khiển hệ thống không dùng cảm biến góc 35 3.2 Kết luận 37 Ch ng THỰC NGHI M TRểN MƠ HÌNH THỰC 38 4.1 Mơ hình cần trục kiểu thí nghiệm 38 4.2 Kết thực nghiệm 41 4.2.1 Điều khiển chống lắc hệ thống có dùng cảm biến góc .41 4.2.2 Điều khiển chống lắc hệ thống khơng dùng cảm biến góc 50 4.2.3 Điều khiển chống lắc hệ thống khơng dùng cảm biến góc 52 4.2.4 Điều khiển chống lắc hệ thống khơng dùng cảm biến góc 54 Ch ng KẾT LU N 57 5.1 Kết luận 57 5.2 Hướng phát triển đề tài 57 TƠi li u tham khảo 58 Phụ lục 60 Trang vi Danh sách từ vi t tắt ADC Analog to Digital Convertor DL Delay FPGA Field-Programmable Gate Array IE Integrated Error IAE Integral of the Absolute Magnitude of the Error ISE Integral of the Square of the Error ITAE Integral of Time multiplied by the Absolute Value of the Error MSE Mean Square Error PCI Peripheral Component Interconnect PWM Pulse Width Modulation QEP Quadrature Encoder Pulse RTDX Real Time Data Exchange TI Texas Instruments GUI Graphical user interface Trang vii Danh sách hình Hình 1.1 Các dạng cầu trục Hình 2.1 Mơ hình hệ thống cần trục Hình 2.2 Sơ đồ khối mơ hình tốn học hệ thống cần trục 10 Hình 2.3 Cấu trúc nơron sinh học 11 Hình 2.4 Cấu trúc mạng nơron nhân tạo 11 Hình 2.5 Cấu trúc nơron nhân tạo 11 Hình 2.6 Chu kỳ lọc Kalman rời rạc 15 Hình 2.7 Sơ đồ hồn chỉnh tốn học lọc Kalman .16 Hình 3.1 Sơ đồ khối điều khiển vòng hở hệ thống cần trục 17 Hình 3.2 Kết mơ hệ thống cần trục theo kiểu vòng hở 18 Hình 3.3 Giải thuật điều khiển hệ thống .19 Hình 3.4 Sơ đồ mơ có cảm biến góc mà khơng có cảm biến dịng điện .20 Hình 3.5 Kết mơ có cảm biến góc mà khơng có điều khiển dịng 21 Hình 3.6 Sơ đồ mơ có cảm biến góc có dùng cảm biến dịng điện .22 Hình 3.7 Mơ hình ước lượng dịng điện động DC 23 Hình 3.8 Sơ đồ lọc Kalman .23 Hình Mơ hình ước lượng dòng điện động DC dạng hàm nhúng 24 Hình 3.10 Kết mơ lọc Kalman dùng lọc tín hiệu dịng điện .24 Hình 3.11 Kết mơ có cảm biến góc có điều khiển dịng 25 Hình 3.12 Sơ đồ mơ có cảm biến góc dạng đơn giản hóa 26 Hình 3.13 Kết mơ có cảm biến góc theo dạng đơn giản hóa .27 Hình 3.14 Sự điều khiển chống lắc khơng dùng cảm biến góc 28 Hình 3.15 Sơ đồ mơ khơng có cảm biến góc (dạng soft-sensor) 29 Hình 3.16 Kết mơ dạng sensorless1 so với dạng sensor 30 Hình 3.17 Sử dụng mạng nơron nhận dạng phần mềm cảm biến 31 Trang viii Hình 3.18 Cấu trúc mạng nơron hai ngõ vào ngõ ra, 30 nơron lớp ẩn 32 Hình 3.19 Sự điều khiển chống lắc khơng dùng cảm biến góc 32 Hình 3.20 Sơ đồ mơ khơng có cảm biến góc (dạng mạng nơron) 33 Hình 3.21 Kết mơ khơng có cảm biến góc so với có cảm biến góc 34 Hình 3.22 Sự điều khiển chống lắc không dùng cảm biến góc 35 Hình 3.23 Sơ đồ mơ khơng có cảm biến góc (dạng mạng nơron) 35 Hình 3.24 Kết mơ dạng khơng có cảm biến so với có cảm biến .36 Hình 4.1 Mơ hình cần trục thực nghiệm 38 Hình 4.2 Ngun lý mơ hình thí nghiệm hệ thống thực 38 Hình 4.3 Các phương pháp đo dòng điện theo kiểu điện trở Shunt .40 Hình 4.4 Ngun lý mạch đo dịng dùng IC INA139 40 Hình 4.5 Điều chỉnh tốc độ động theo nguyên tắc PWM 40 Hình 4.6 Giao diện điều khiển hệ thống cần trục tự động .41 Hình 4.7 Sơ đồ khối điều khiển chống lắc dùng cảm biến góc 41 Hình 4.8 Khâu PID điều khiển góc dao động 42 Hình 4.9 Sai số góc kết cấu khí 43 Hình 4.10 Khâu PID điều khiển vị trí 43 Hình 4.11 Ví dụ đồ thị đáp ứng hệ thống 44 Hình 4.12 Kết điều khiển có cảm biến góc mà khơng có cảm biến dịng .45 Hình 4.13 Sơ đồ khối điều khiển chống lắc có nhận dạng dịng điện 46 Hình 4.14 Kết nhận dạng dịng điện điều khiển có cảm biến góc 46 Hình 4.15 Sơ đồ khối điều khiển chống lắc dùng cảm biến dịng 47 Hình 4.16 Nguyên lý điều khiển dòng điện 47 Hình 4.17 Điều chỉnh dịng điện thơng qua điều chỉnh PWM .48 Hình 4.18 Kết điều khiển dạng có dùng cảm biến góc cảm biến dịng 49 Hình 4.19 Sơ đồ khối điều khiển chống lắc khơng dùng cảm biến góc 50 Hình 4.20 Kết điều khiển dạng khơng dùng cảm biến góc 51 Trang ix Hình 4.21 Sơ đồ khối điều khiển chống lắc khơng dùng cảm biến góc 52 Hình 4.22 Kết điều khiển dạng không dùng cảm biến góc 53 Hình 4.23 Sơ đồ khối điều khiển chống lắc khơng dùng cảm biến góc 54 Hình 4.24 Kết điều khiển dạng khơng dùng cảm biến góc 55 Trang x Danh sách bảng Bảng 3.1 Các thông số hệ thống cần trục .18 Bảng 3.2 Các thông số điều khiển .20 Bảng 3.3 Các thông số điều khiển .24 Bảng 4.1 Các thông số điều khiển .44 Bảng 4.2 Các thông số điều khiển .48 Bảng 4.3 Đáp ứng ngõ mô hình điều khiển 48 Bảng 4.4 Đáp ứng ngõ mơ hình điều khiển 50 Bảng 4.5 Đáp ứng ngõ mơ hình điều khiển 52 Bảng 4.6 Đáp ứng ngõ mơ hình điều khiển 54 Bảng 4.7 So sánh phương pháp điều khiển chống lắc thời điểm xác lập 56 Trang xi TỔNG QUAN Ch ng TỔNG QUAN 1.1 Giới thi u chung Cần trục sử dụng rộng rãi để vận chuyển vật nặng vật liệu độc hại xí nghiệp đóng tàu, nhà máy hạt nhân, xây dựng nhà cao tầng… Có nhiều loại cần trục tùy theo cơng dụng, có phân loại phổ biến cần trục giàn (gantry crane) cần trục trụ (tower crane) Một số hình ảnh [1] loại cần trục trình bày Hình 1.1 a) b) c) d) Hình 1.1 Các dạng cầu trục Hình 1.1a Hình 1.1b- Cần trục giàn; Hình 1.1c 1.1d- Cần trục trụ Trang 1 TỔNG QUAN 1.2 Các ph ng pháp nghiên cứu v u n h thống cần trục Cần trục sử dụng để di chuyển vật nặng từ điểm đến điểm khác thời gian nhỏ để vật đến đích mà khơng bị lắc (dao động) Trong trình hoạt động, tải dao động tự chuyển động lắc tốc độ di chuyển Dao động gây ảnh hưởng đến môi trường xung quanh gây nguy hiểm cho người hay làm hỏng vật lân cận.Vì vậy, dao động vượt giới hạn cho phép, phải giảm dao động phải dừng hoạt động dao động bị triệt tiêu Những vấn đề thúc đẩy nhiều nhà nghiên cứu phát triển thuật tốn điều khiển để tự động hóa hoạt động cần trục Hoạt động cần trục thực thơng qua q trình tự động hóa, vài nghiên cứu hướng tới nhiệm vụ Di chuyển tải từ điểm tới điểm khác khâu chiếm hầu hết thời gian tồn q trình địi hỏi di chuyển tải dễ dàng mà không gây dao động lớn trọng tâm nghiên cứu Nhiều nỗ lực khác điều khiển chống lắc cho giàn cần trục tự động đề xuất Singhose cộng [2], Park cộng [3] thơng qua kỹ thuật tạo Hình đầu vào phương pháp vòng lặp hở Tuy nhiên, phương pháp làm giảm chấn động tốt dao động lắc dư Gupta Bhowal [4] trình bày đơn giản kỹ thuật chống lắc vịng hở Họ thực kỹ thuật dựa vào việc điều khiển vận tốc chuyển động Nghiên cứu đáng ý khác vào điều khiển vòng hở tối ưu thời gian thực Manson [5] Auernig & Troger [6] để điều khiển cần trục qua đầu với cần trục Tuy nhiên phương pháp tiếp cận vòng hở có ảnh hưởng đến thơng số hệ thống Mặt khác, điều khiển hồi tiếp mà biết đến ảnh hưởng đến thay đổi tham số nhiễu đề xuất số nghiên cứu khác từ phương pháp PID truyền thống (tỷ lệ + tích phân + vi phân) đến phương pháp thông minh Omar [7] đề xuất điều khiển PD cho vị trí xe đẩy việc triệt dao động lắc Nalley Trabia [8] thông qua điều khiển logic mờ để điều khiển định vị giảm xóc dao động lắc Tương tự vậy, Lee & Cho [9] đề xuất điều khiển hồi tiếp cách sử dụng logic mờ Một hệ thống điều khiển logic mờ với khái niệm điều khiển chế độ trượt phát triển cho hệ thống cần trục qua đầu Liu cộng [10] Hơn nữa, hệ thống giàn cầu trục thông minh dựa hệ mờ đề xuất Wahyudi & Jalani [11] Bộ điều khiển logic mờ đề xuất bao gồm vị trí điều khiển chống lắc Trang TỔNG QUAN Tuy nhiên, hầu hết hệ thống điều khiển hồi tiếp đề xuất việc cần cảm biến để đo vị trí xe đẩy chuyển động dao động lắc tải Ngoài ra, thực tế, thiết kế đo lường dao động lắc hệ thống cần trục thực, nhiệm vụ dễ dàng có chế cẩu cáp linh động song song Altafini cộng [12] trình bày phương pháp sử dụng phép đo mơ-men xoắn điện vận tốc góc việc điều khiển cho quan sát tải động Tuy nhiên, sử dụng thay hai cảm biến bổ sung để quan sát góc dao động lắc biết chiều dài cáp Một số nghiên cứu tập trung vào đề án kiểm soát với hệ thống thị giác khả thi cảm biến thị giác khơng lắp đặt phía tải Việc điều khiển hồi tiếp gần cách sử dụng máy ảnh CCD thực thành công Lee cộng [13], Osumi cộng [14] Những hạn chế hệ thống thị giác, số chi phí cao bảo trì khó khăn [15] Ngồi ra, nghiên cứu điều khiển chống lắc khơng dùng cảm biến góc dựa mơ hình tốn học thực Wahuydi Mahmud [16], nhận dạng điều khiển giảm dao động cầu trục sử dụng card PCI Thuyên Nam [17] 1.3 Mục tiêu vƠ giới hạn đ tƠi Mục tiêu đề tài điều khiển tự động hệ thống cần trục khơng dùng cảm biến góc Cảm biến thực đo lường góc dao động tải thay cảm biến mềm (soft sensor) mạng nơron Áp dụng thuật tốn điều khiển mơ hình thực, giao tiếp hệ thống thực máy tính để điều khiển thơng qua card DSP-28335 [18] Giới hạn đề tài thiết kế điều khiển không dùng cảm biến góc có kiểm sốt dịng điện mơ hình hệ thống cần trục (Hình 1.1a) 1.4 Ph ng pháp nghiên cứu Các phương pháp nghiên cứu sử dụng luận văn bao gồm: - Khảo sát, phân tích tổng hợp phương pháp điều khiển hệ thống có sử dụng cảm biến góc khơng có sử dụng cảm biến góc - Mơ phần mềm Matlab & Simulink - Điều khiển chống lắc mô hình thực nghiệm - Đánh giá kết dựa mô thực nghiệm Trang TỔNG QUAN 1.5 Nội dung lu n văn Phần lại nội dung luận văn bao gồm: Chương Cơ sở lý thuyết Trình bày lý thuyết liên quan sử dụng luận văn Xây dựng mơ hình tốn mơ tả hệ thống cần trục cần nghiên cứu Chương Các phương pháp điều khiển Nội dung chương giới thiệu phương pháp điều khiển dùng cảm biến góc điều khiển khơng dùng cảm biến góc Mô phương pháp điều khiển phần mềm Matlab & Simulink đánh giá kết đạt Chương Điều khiển hệ thống cần trục Giới thiệu mơ hình thực nghiệm hệ thống cần trục, thiết kế phần cứng điều khiển Chạy thực nghiệm đánh giá kết phương pháp điều khiển Chương Kết luận Tổng kết vấn đề thực kết đạt Hướng phát triển đề tài Trang TR B GIÁO DỤC VÀ ĐÀO T O NG Đ I HỌC S PH M KỸ THU T THÀNH PHỐ HỒ CHệ MINH C NG HÒA XÃ H I CHỦ NGHĨA VI T NAM Độc l p - Tự - Hạnh phúc PHIẾU CH M ĐI M CHUYểN Đ (Dành cho giảng viên hướng dẫn) Họ tên học viên: Khóa: Ngành: Cán hướng dẫn (ghi rõ học hàm, học vị): Cơ quan công tác: Điện thoại liên lạc: Hướng nghiên cứu Chuyên đề 1: Đi m đánh giá thực hi n Chuyên đ 1: Điểm số: Điểm chữ: Tp Hồ Chí Minh, ngày …… tháng …… năm 201… Giảng viên h ớng d n (Ký & ghi rõ họ tên) Ghi chú: Nội dung thực Chuyên đề sau (Giảng viên tham khảo để chấm điểm): - Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu, kết nghiên cứu ngồi nước cơng bố, hướng nghiêu cứu nay; - Hướng nghiên cứu dự kiến; - Cơ sở lý thuyết cần thiết cho hướng nghiên cứu TR B GIÁO DỤC VÀ ĐÀO T O NG Đ I HỌC S PH M KỸ THU T THÀNH PHỐ HỒ CHệ MINH C NG HÒA XÃ H I CHỦ NGHĨA VI T NAM Độc l p - Tự - Hạnh phúc PHIẾU CH M ĐI M CHUYểN Đ (Dành cho giảng viên hướng dẫn) Họ tên học viên: Khóa: Ngành: Cán hướng dẫn (ghi rõ học hàm, học vị): Cơ quan công tác: Điện thoại liên lạc: Hướng nghiên cứu Chuyên đề 1: Đi m đánh giá thực hi n Chuyên đ 1: Điểm số: Điểm chữ: Tp Hồ Chí Minh, ngày …… tháng …… năm 201… Giảng viên h ớng d n (Ký & ghi rõ họ tên) Ghi chú: Nội dung thực Chuyên đề sau (Giảng viên tham khảo để chấm điểm): - Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu, kết nghiên cứu ngồi nước cơng bố, hướng nghiêu cứu nay; - Hướng nghiên cứu dự kiến; - Cơ sở lý thuyết cần thiết cho hướng nghiên cứu TR B GIÁO DỤC VÀ ĐÀO T O NG Đ I HỌC S PH M KỸ THU T THÀNH PHỐ HỒ CHệ MINH C NG HÒA XÃ H I CHỦ NGHĨA VI T NAM Độc l p - Tự - Hạnh phúc PHIẾU CH M ĐI M CHUYểN Đ (Dành cho giảng viên hướng dẫn) Họ tên học viên: Khóa: Ngành: Cán hướng dẫn (ghi rõ học hàm, học vị): Cơ quan công tác: Điện thoại liên lạc: Hướng nghiên cứu Chuyên đề 1: Đi m đánh giá thực hi n Chuyên đ 1: Điểm số: Điểm chữ: Tp Hồ Chí Minh, ngày …… tháng …… năm 201… Giảng viên h ớng d n (Ký & ghi rõ họ tên) Ghi chú: Nội dung thực Chuyên đề sau (Giảng viên tham khảo để chấm điểm): - Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu, kết nghiên cứu nước công bố, hướng nghiêu cứu nay; - Hướng nghiên cứu dự kiến; - Cơ sở lý thuyết cần thiết cho hướng nghiên cứu