TNU Journal of Science and Technology 227(11): 231 - 238 THE SWINGING SENSORLESS ANTI-SWING CONTROL FOR THE AUTOMATIC GANTRY CRANE SYSTEM Mai Nhat Thien1*, Huynh Thanh Tuong1, Le Minh Thanh1, Luong Hoai Thuong 1, Ngo Van Thuyen2 Vinh Long University of Technology Education Ho Chi Minh University of Technology and Education ARTICLE INFO Received: 10/02/2022 Revised: 31/8/2022 Published: 31/8/2022 KEYWORDS DC brushless motor PID controller Neural network Kalman filter Gantry crane system ABSTRACT This paper shows the payload anti-swing controlling methods for the automatic gantry crane system The mathematical model is built and this anti-swing control used the swinging sensor based on the PID controls However, the component system difficulty assembles and maintains the swinging sensor, and often costly Therefore, the swinging sensorless anti-swing control is proposed in this paper The methods used the soft sensor or the neural network based on the measured position to estimate the payload motion and used the antiswing PID control The simulated and a real time experimental result indicated the swinging sensorless anti-swing control method as same as the swinging sensor-based anti-swing control method ĐIỀU KHIỂN CHỐNG LẮC KHÔNG DÙNG CẢM BIẾN GÓC TRONG HỆ THỐNG CẦN TRỤC TỰ ĐỘNG Mai Nhật Thiên1*, Huỳnh Thanh Tường1, Lê Minh Thành1, Lương Hoài Thương1, Ngô Văn Thuyên2 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vĩnh Long Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh THƠNG TIN BÀI BÁO Ngày nhận bài: 10/02/2022 Ngày hoàn thiện: 31/8/2022 Ngày đăng: 31/8/2022 TỪ KHÓA Động DC Bộ điều khiển PID Mạng nhân tạo Bộ lọc Kalman Hệ thống cần trục TĨM TẮT Bài báo trình bày phương pháp điều khiển chống lắc tải trọng cho hệ thống cần trục tự động Mơ hình tốn học thiết lập điều khiển chống lắc cho hệ thống có sử dụng cảm biến góc dựa điều khiển PID Tuy nhiên, kết cấu hệ thống lắp đặt bảo dưỡng cảm biến góc khó khăn, thường chi phí cao Do đó, điều khiển chống lắc khơng sử dụng cảm biến góc đề xuất báo Các phương pháp sử dụng dùng cảm biến mềm mạng nơron dựa vị trí đo đạc để ước lượng góc lắc tải trọng dùng điều khiển PID điều khiển chống lắc Kết mô thực nghiệm cho thấy phương pháp điều khiển chống lắc khơng dùng cảm biến góc tương tự với phương pháp điều khiển chống lắc có dùng cảm biến góc DOI: https://doi.org/10.34238/tnu-jst.5527 * Corresponding author Email: thienmn@vlute.edu.vn http://jst.tnu.edu.vn 231 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(11): 231 - 238 Giới thiệu 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) Dao động gây ảnh hưởng đến môi trường xung quanh gây nguy hiểm cho người hay làm hỏng vật lân cận Nhiều nỗ lực khác điều khiển chống lắc cho giàn cần trục tự động đề xuất thông qua kỹ thuật tạo hình đầu vào phương pháp vịng lặp hở [1], [2] Họ thực kỹ thuật dựa vào việc điều khiển vận tốc chuyển động làm giảm chấn động tốt dao động lắc dư [3] Mặt khác, điều khiển hồi tiếp đề xuất số nghiên cứu khác điều khiển PD cho vị trí xe đẩy việc triệt dao động lắc [4], điều khiển logic mờ để điều khiển định vị giảm xóc dao động lắc [5] Một hệ thống điều khiển logic mờ với khái niệm điều khiển chế độ trượt phát triển cho hệ thống cần trục [6], [7] Hơn nữa, hệ thống giàn cầu trục thông minh dựa điều khiển logic mờ đề xuất bao gồm vị trí điều khiển chống lắc [8] 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 [9] Ngoài ra, nghiên cứu điều khiển chống lắc khơng dùng cảm biến góc dựa mơ hình tốn học thực hiện, nhận dạng điều khiển giảm dao động cầu trục sử dụng card PCI [10] Các phương pháp nghiên cứu 2.1 Mơ hình tốn học hệ thống cần trục Mơ hình hệ thống cần trục phân tích thành phần, bao gồm: mơ hình cho động cơ, dây đai, khối lượng cần trục (m1) tải (m2) sau: F m1 T θm Động DC x θl l xm y x m2 Hình Mơ hình cần trục 2.1.1 Mơ hình động DC Hệ phương trình động điện: di (t ) va (t ) Lm Rmi (t ) K bm (t ) dt (1) J dm (t ) b (t ) T K i (t ) m m m l m dt Trong đó, hệ số động cơ: va (t ) điện áp (V); i(t ) dòng điện (A); d m (t ) m (t ) vận tốc góc (rad/s), m (t ) vị trí góc (rad); Lm điện cảm (H); Rm điện dt trở ( ); J m mơ men qn tính (kg.m^2); bm hệ số ma sát nhớt (N.m.s); K m hệ số mô men xoắn (N.m/A); K b hệ số sức điện động (V/rad/sec) Tl mô men tải (Nm) http://jst.tnu.edu.vn 232 Email: jst@tnu.edu.vn 227(11): 231 - 238 TNU Journal of Science and Technology Khi đó, đầu trục động có gắn thêm bánh với mômen Tl sau: Jl d l (t ) bl l (t ) Tl dt (2) Trong đó, J l mơ men qn tính (kg.m^2); Tl mơ men (N.m); bl hệ số ma sát nhớt (N.m.s) d l (t ) l (t ) vận tốc góc (rad/s); l (t ) vị trí góc (rad) tải dt Khi động quay xuất dao động lệch tâm trục động trục puli m (t ) l (t ) * b m (t ) l (t) * Ks Tl (3) Trong đó, b Ks hệ số ma sát trượt hệ số trượt trục động trục puli 2.1.2 Mơ hình cần trục Sự dao động rung dây đai bị bỏ qua dao động rung động ảnh hưởng trội Từ công thức cho tịnh tiến lực quay tròn sang dịch chuyển sử dụng Tpuli puli Fvcantruc Vận tốc cần trục tương đương vận tốc puli: Ngoài ra, ta có: (4) (5) vcantruc v puli v puli puli rpuli (6) đó, puli vận tốc góc puli (rad/s), T puli mơmen xoắn (Nm), rpuli bán kính (m) v puli vận tốc puli (rad/s); F lực kéo (N) vcantruc vận tốc cần trục (m1) (m/s) Bây giờ, cơng thức (4) viết lại sau : F Tpuli rpuli (7) Puli có hiệu suất việc chuyển đổi công suất dẫn đến kết quả: Tpuli =E ff Tl puli (8) đó, Tl mơmen xoắn bánh E ff puli hiệu suất puli Mômen xoắn bánh viết lại như: Tl J l d l dt đó, bl số lực ma sát nhớt (Nm/(rad/sec)) nhỏ xem bỏ qua J l dl E ff dt Điều dẫn đến kết sau: F puli (9) (10) rpuli Khi hàm chuyển đổi sang miền Laplace (miền s) sau E ff puli J l s F F / s E ff puli J l hay l rpuli l rpuli (11) 2.1.3 Mơ hình tải Áp dụng phương trình Lagrange phát triển từ phép lấy đạo hàm động năng, ta có: d 2x d 2 (m1 m2 ) dt m2l dt F (12) 2 d x d m l m2 g dt dt Trong đó, F lực kéo (N), l chiều dài cáp treo tải (m) g gia tốc trọng trường (m/s^2), m1 khối lượng xe (kg) m2 khối lượng tải (kg) x vị trí xe http://jst.tnu.edu.vn 233 Email: jst@tnu.edu.vn 227(11): 231 - 238 TNU Journal of Science and Technology Thay vcantruc dvcantruc d 2 m2l F (m1 m2 ) dt dt dv d cantruc m l m2 g dt dt dx , ta có dt (13) Thực chuyển đổi cơng thức (13) sang miền Laplace, ta có (m1 m2 )vcantruc s m2 l. s F m2 vcantruc s l s m2 g Từ hệ phương trình (14), ta có vcantruc (14) s ls g (15) Hàm chuyển đổi tốc độ tải hàm chuyển đổi góc tải vcantruc ls g F m1ls g (m1 m2 ) s 1 F m ls g (m1 m2 ) Thay x (16) vcantruc vào cơng thức (16), ta có hàm chuyển đổi vị trí tải hàm chuyển đổi s góc tải sau: xcantruc ls g (17a) ( F / s) m1ls g (m1 m2 ) s s (17b) ( F / s) m ls g (m m ) 1 Mơ hình tốn học hệ thống cần trục mơ tả hình sau: Mơ hình vị trí va ωl Mơ hình động Mơ hình cần trục (1) F/s (17) x (17a) Mơ hình góc tải (11) Hình Sơ đồ khối mơ hình hệ thống cần trục θ (17b) 2.2 Phương pháp điều khiển có dùng cảm biến góc Sơ đồ mơ điều khiển chống lắc khơng sử dụng điều khiển dịng trình bày hình Vị trí đặt Góc đặt + - Bộ ĐK vị trí + Bộ ĐK góc + - - Xm Vm m Hệ thống cầu trục Hình Sơ đồ khối điều khiển chống lắc không sử dụng điều khiển dòng (ĐK: điều khiển) http://jst.tnu.edu.vn 234 Email: jst@tnu.edu.vn 227(11): 231 - 238 TNU Journal of Science and Technology Đối với mơ hình điều khiển khơng có khả kiểm sốt dịng điện làm việc động Khi có q tải, dịng điện khởi động tăng mức cho phép gây nguy hại đến động DC Do đó, điều khiển chống lắc có sử dụng điều khiển dịng trình bày hình với thơng số bảng Bảng Thông số Bộ điều khiển ( Bộ ĐK) Hệ số Vị trí 20 0,0005 KP KI KD Bộ điều khiển Góc Dịng điện 25 0,875 0,005 Bộ lọc Kalman Im Vị trí đặt + Bộ ĐK vị trí - + + Bộ ĐK dịng Xm Vm m Hệ thống cầu trục Bộ ĐK góc + Góc đặt - Hình Sơ đồ khối điều khiển chống lắc khơng sử dụng điều khiển dịng Bảng Thông số mô Thông số hệ thống Điện trở động Ks 90 Điện cảm động b 1,41e-2 Hệ số sức điện động Eff 0,98 Hệ số mơmen xoắn rp 0,015 m Mơmen qn tính mơtơ m1 1kg Hệ số ma sát nhớt môtơ m2 kg Mơmen qn tính tải l 0,88m Hệ số ma sát nhớt tải g 9,81 m/s2 1,8 Ω 0,005 H 0,306 V.s/rad 0,306 Nm/A 1e-4 kg.m/s2 1,41e-4 1e-3 kg.m/s2 1,41e-3 R L Kb Km Jm bm Jl bl Hằng số trượt Hệ số ma sát trượt Hiệu suất puli Bán kính puli Khối lượng xe Khối lượng tải Độ dài cáp Gia tốc trọng trường Từ kết mô trình bày hình cho thấy hai phương pháp cho kết điều khiển tốt vị trí lẫn góc dao động Nhưng phương pháp có điều khiển dịng điều chỉnh dịng điện khởi động khơng q lớn (cỡ 2-3 lần dịng định mức) dịng điện ln ổn định dịng định mức Dieu khien he thong voi tai 3kg Khong dieu khien dong Dieu khien dong Khong dieu khien dong Dieu khien dong 1.2 Khong dieu khien dong Dieu khien dong 0.8 0.6 Dong dien(A) Goc dao dong(do) Vi tri(m) Dieu khien he thong voi tai 3kg 10 Dieu khien he thong voi tai 3kg 1.4 -5 -10 0.4 -15 0.2 0 -20 Thoi gian(s) 10 a) Thoi gian(s) b) 10 -1 Thoi gian(s) 10 c) Hình So sánh đáp ứng về: a) vị trí; b) góc tải; c) dịng điện http://jst.tnu.edu.vn 235 Email: jst@tnu.edu.vn 227(11): 231 - 238 TNU Journal of Science and Technology 2.3 Phương pháp điều khiển khơng có dùng cảm biến góc Từ hệ phương trình (15), ta nhận thấy tương quan vị trí góc tải ước lượng sau: s2 xcantruc ls g ˆ i(t) (18) x(t) (t) Hệ thống - Mạng nơron + (t) Hình Sơ đồ huấn luyện mạng nơron Góc dao động vị trí có mối quan hệ với thơng qua cơng thức (18) Do đó, cảm biến mềm xây dựng mạng nơron lan truyền thẳng với tập thông số vào giá trị vị trí trước vị trí vận tốc xe lúc chuyển tải, mạng nơron ước tính góc dao động tương ứng thời điểm liệu ngõ Sơ đồ huấn luyện mạng nơron trình bày hình Mơ hình điều khiển chống lắc khơng sử dụng cảm biến trình bày hình Bộ lọc Kalman Im + + Vị trí đặt Bộ ĐK dịng Vm Xm + Bộ ĐK vị trí m Mạng Nơron - Hệ thống cầu trục Hình Sơ đồ khối điều khiển chống lắc khơng sử dụng cảm biến góc Từ kết mơ trình bày hình cho thấy phương pháp điều khiển chống lắc không dùng cảm biến góc cho kết điều khiển tốt vị trí lẫn góc dao động tương tự phương pháp điều khiển chống lắc dùng cảm biến góc 4.5 10 Khong cam bien goc Co cam bien goc Khong cam bien goc Co cam bien goc 1.2 Dieu khien he thong voi tai 3kg Dieu khien he thong voi tai 3kg Dieu khien he thong voi tai 3kg 1.4 3.5 2.5 0.8 0.6 Dong dien(A) Goc dao dong(do) Vi tri(m) Khong cam bien goc Co cam bien goc -5 1.5 0.4 0.5 -10 0.2 0 -15 Thoi gian(s) a) 10 Thoi gian(s) 10 -0.5 b) Thoi gian(s) 10 c) Hình So sánh đáp ứng về: a) vị trí; b) góc tải; c) dịng điện http://jst.tnu.edu.vn 236 Email: jst@tnu.edu.vn 227(11): 231 - 238 TNU Journal of Science and Technology Kết thực nghiệm mơ hình cần trục thực Mơ hình cần trục thực nghiệm sử dụng để thử nghiệm có cấu trúc hình bao gồm: xe dịch chuyển (1), tải trọng (2), cáp (3), động DC (4), encoder đo vị trí (5) encoder đo góc dao động (6), bo mạch điều khiển giao tiếp(7) Mơ hình sử dụng bo DSP TMS320F28335, sử dụng phần mềm Matlab 2017a Code Composer Studio v3.1 để thiết lập giao diện điều khiển Trong báo trình bày kết phương pháp điều khiển chống lắc với tải 5kg a) b) Hình Hình ảnh về: a) mơ hình cần trục thực nghiệm b) sơ đồ nguyên lý mơ hình cần trục 3.1 Kết chống lắc có sử dụng cảm biến góc Trong phương pháp sử dụng điều khiển dòng đồng thời kết hợp với lọc Kalman để lọc tín hiệu dịng điện thu thập từ cảm biến kết hình 10 Su dung bo dieu khien goc va dong dien Su dung bo dieu khien goc va dong dien Su dung bo dieu khien goc va dong dien 100 i iKalman 90 i iKalman i iKalman 2.5 80 2 70 Goc(do) Vi tri(cm) 60 50 40 Dong dien(A) 1.5 -1 0.5 30 -2 20 0 -3 10 Thoi gian(s) a) 10 -4 Thoi gian(s) b) 10 -0.5 Thoi gian(s) 10 c) Hình 10 So sánh đáp ứng về: a) vị trí; b) góc tải; c) dịng điện 3.2 Kết chống lắc khơng có sử dụng cảm biến góc Trong phương pháp này, liệu dùng để huấn luyện mạng nơron thu thập từ phương pháp điều khiển có sử dụng cảm biến góc Mạng nơron sau huấn luyện theo kiểu lan truyền thẳng thay cho cảm biến góc Từ kết trên, ta nhận thấy đáp ứng vị trí nhanh làm cho góc tải dao động lớn lúc góc tải ước lượng tác động vào điều khiển dòng điện để điều khiển xe chạy chậm lại góc tải dao động lắc giảm (hình 11) http://jst.tnu.edu.vn 237 Email: jst@tnu.edu.vn ... điều khiển chống lắc [8] 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 [9] Ngoài ra, nghiên cứu điều khiển chống lắc. .. hình động Mơ hình cần trục (1) F/s (17) x (17a) Mơ hình góc tải (11) Hình Sơ đồ khối mơ hình hệ thống cần trục θ (17b) 2.2 Phương pháp điều khiển có dùng cảm biến góc Sơ đồ mô điều khiển chống lắc. .. lắc không sử dụng cảm biến góc Từ kết mơ trình bày hình cho thấy phương pháp điều khiển chống lắc khơng dùng cảm biến góc cho kết điều khiển tốt vị trí lẫn góc dao động tương tự phương pháp điều