Điều khiển giảm dao động cầu trục con lắc đôi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Điều khiển giảm dao động cầu trục lắc đôi NGUYỄN TẤN MINH MINH.NT202016M@sis.hust.edu.vn Ngành Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Giảng viên hướng dẫn: TS Đỗ Trọng Hiếu Trường: Điện-Điện Tử HÀ NỘI, 3/2022 Chữ ký GVHD MỤC LỤC CHƯƠNG NGUYÊN LÝ, CẤU TẠO CỦA CẦU TRỤC VÀ BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN 1.1 Khái niệm cầu trục 1.1.1 Cấu tạo cầu trục 1.1.2 Phân loại cầu trục 1.1.3 Hiện tượng dao động cầu trục 1.2 Các toán điều khiển cho cầu trục quan tâm 1.3 Kết luận CHƯƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN HỌC CỦA CẦU TRỤC DẠNG CON LẮC ĐÔI 2.1 Mơ hình hóa cầu trục lắc đơi 2.2 Mơ mơ hình phần mềm Matlab/Simulink 2.3 Kết luận 10 CHƯƠNG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 11 3.1 Phương pháp điều khiển Input Shaping 11 3.2 Tính bền vững phương pháp Input Shaping 13 3.2.1 Cách tiếp cận phương pháp cộng véctơ 14 3.3 Bộ điều khiển loại bỏ nhiễu chủ động ADRC 20 3.4 Thiết kế điều khiển 22 3.5 3.4.1 Điều khiển vị trí xe cầu 22 3.4.2 Điều khiển giảm dao động 23 Kết luận 24 CHƯƠNG MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG BỘ ĐIỀU KHIỂN 25 4.1 Thông số cầu trục: 25 4.2 Thông số điều khiển 25 4.3 Mô kiểm chứng điều khiển thiết kế với điều khiển PID 26 4.3.1 Trường hợp một: Tải trọng 5kg 26 4.3.2 Trường hợp hai: Giảm khối lượng tải trọng xuống 2kg giữ nguyên thông số điều khiển 28 4.3.3 Trường hợp ba: Tăng khối lượng tải trọng lên 20kg giữ nguyên thông số điều khiển 30 4.4 4.3.4 Trường hợp bốn: Xét đến tác động nhiễu đầu vào 33 4.3.5 Nhận xét 36 Mô kiểm chứng điều khiển thiết kế với điều khiển LADRC 36 4.4.1 4.4.2 Trường hợp một: Tải trọng 5kg 37 Trường hợp hai: Giảm khối lượng tải trọng xuống 2kg giữ nguyên thông số điều khiển 39 4.4.3 Trường hợp ba: Tăng khối lượng tải trọng lên 10kg giữ nguyên thông số điều khiển 41 4.4.4 Nhận xét 44 4.5 Kết hợp phương pháp khác vào tạo dạng đầu vào 44 4.5.1 Trường hợp một: Tải trọng 5kg 45 4.5.2 Trường hợp hai: Giảm khối lượng tải trọng xuống 2kg giữ nguyên thông số điều khiển 47 4.5.3 Trường hợp ba: Tăng khối lượng tải trọng lên 10kg giữ nguyên thông số điều khiển 49 4.5.4 Nhận xét 51 4.6 Kết luận 51 CHƯƠNG KẾT LUẬN 53 5.1 Kết luận 53 5.2 Hướng phát triển luận văn tương lai 53 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cầu trục dầm đơn Hình 1.2 Hình 1.3 Cầu trục cầu cảng Hình 1.4 Cấu trúc điều khiển MRCS áp dụng cho đối tượng cầu trục lắc đôi Cầu trục dầm đôi Hình 1.5 Cấu trúc điều khiển Input shaping áp dụng cho đối tượng cầu trục lắc đôi Hình 2.1 Mơ hình mơ tả hoạt động cầu trục lắc đôi Hình 2.2 Mơ mơ hình cầu trục lắc đôi 10 Hình 3.1 Đáp ứng hai xung đáp ứng khơng có dao động tín hiệu đầu vào kết thúc thời điểm bắt đầu tín hiệu đầu vào thứ hai [19] 12 Hình 3.2 a) Trường hợp Vectơ > 0, b) Trường hợp < [20] 15 16 Hình 3.4 Bố trí vectơ theo ZV [20] 17 Hình 3.5 Bố trí vectơ theo ZVD [20] 18 Hình 3.6 Bố trí vectơ theo ZVDD [20] 18 Hình 3.3 Cộng hai vectơ [20] Hình 3.7 a) Trường hợp ETM4 b) Trường hợp ETM5 [20] 19 Hình / Hình 3.8 Đồ thị thể bền vững phương pháp trước sai số mô [20] hình 3.9 Đồ thị J [20] 20 20 Hình 3.10 Cấu trúc điều khiển ADRC áp dụng cho hệ bậc hai [25] 22 Hình 3.11 Cấu trúc điều khiển IS+ADRC áp dụng cho đối tượng cầu trục lắc đôi 23 Hình 3.12 Giá trị đặt trước sau hai tạo dạng ETM4 24 Hình 4.1 Đáp ứng vị trí 26 Hình 4.2 Đáp ứng góc dao động 27 Hình 4.3 Đáp ứng tín hiệu điều khiển 28 Hình 4.4 Đáp ứng vị trí 28 Hình 4.5 Đáp ứng góc dao động 29 Hình 4.6 Đáp ứng tín hiệu điều khiển 30 Hình 4.7 Đáp ứng vị trí 30 Hình 4.8 Đáp ứng góc dao động 31 Hình 4.9 Đáp ứng tín hiệu điều khiển 32 Hình 4.10 Đáp ứng vị trí 33 Hình 4.11 Đáp ứng góc dao động 34 Hình 4.12 Đáp ứng tín hiệu điều khiển 35 Hình 4.13 Đáp ứng vị trí 37 Hình 4.14 Đáp ứng góc dao động 38 Hình 4.15 Đáp ứng tín hiệu điều khiển 39 Hình 4.16 Đáp ứng vị trí 39 Hình 4.17 Đáp ứng góc dao động 40 Hình 4.18 Đáp ứng tín hiệu điều khiển 41 Hình 4.19 Đáp ứng vị trí 41 Hình 4.20 Đáp ứng góc dao động 42 Hình 4.21 Đáp ứng tín hiệu điều khiển 43 Hình 4.22 Đáp ứng vị trí 45 Hình 4.23 Đáp ứng góc dao động 46 Hình 4.24 Đáp ứng tín hiệu điều khiển 47 Hình 4.25 Đáp ứng vị trí 47 Hình 4.26 Đáp ứng góc dao động 48 Hình 4.27 Đáp ứng tín hiệu điều khiển 49 Hình 4.28 Đáp ứng vị trí 49 Hình 4.29 Đáp ứng góc dao động 50 Hình 4.30 Đáp ứng tín hiệu khiển 50 DANH MỤC BẢNG BIỂU , = 0.2, 1.8 Bảng 3.1 Bảng lựa chọn theo , J nhỏ với 20 Bảng 4.1 Thông số điều khiển ZVD 25 Bảng 4.2 Thông số điều khiển ETM4 25 Bảng 4.3 Tổng hợp đáp ứng điều khiển 36 Bảng 4.4 Tổng hợp đáp ứng điều khiển 44 Bảng 4.5 Tổng hợp đáp ứng điều khiển 51 Lời cảm ơn Tôi xin gử i lời cảm ơn biết ơn sâu sắc đến thầy giáo TS Đỗ Trọng Hiếu với hướng dẫn đóng góp q báu, giúp tơi bước nghiên cứu hoàn thiện đề tài Cảm ơn bố mẹ, người dành cho tơi tình u thương hỗ trợ vô bờ bến Cuối cùng, xin cảm ơn vợ Vân Anh gái Minh Khuê, họ nguồn động lực lớn lao, điểm tựa cho suốt ngày tháng mải mê công việc nghiên cứu khoa học Tóm tắt nội dung luận văn Với khả đáp ứng lực nâng lớn khả di chuyển tự do, cầu trục đóng vai trị chủ đạo q trình vận chuyển hàng hóa cơng nghiệp Nó có mặt khắp nơi từ nhà xưởng, nhà máy xí nghiệ p, bến bãi, cảng biển v.v Mặc dù đóng vai trị quan trọng nhiều ngành cơng nghiệp tính chất hoạt động cầu trục tạo dao động tải trọng trình vận hành Điều làm ảnh hưởng khơng nhỏ đến q trình vận hành, làm giảm suất cơng việc làm giảm độ an toàn cấu nâng chuyển, gây ảnh hưởng đến người vận hành thiết bị xung quanh Trong thực tế để giảm dao động tải trọng, người vận hành cầu trục phải điều khiển chậm rãi, cẩn trọng cho xe cầu di chuyển vị trí mong muốn mà dao động tải trọng phải nhỏ Điều vơ hình chung làm giảm suất cầu trục, gây khó khăn cho người vận hành Chính lý này, tơi đề xuất đề tài luận văn “Điều khiển giả m dao động cầu trục lắc đôi” với đối tượng hệ cầu trục dạng lắc đơi áp dụng điều khiển ADRC kết hợp với phương pháp Input Shaping Bằng cách kết hợp hai phương pháp điều khiển ta vừa có khả điều khiển xác vị trí xe nâng vừa đảm bảo triệt tiêu dao động tải trọng Nội dung luận văn bao gồm phần sau: Chương 1: Nguyên lý, cấu tạo cầu trục tốn điều khiển Chương 2: Xây dựng mơ hình tốn học cầu trục dạng lắc đôi Chương 3: Thiết kế điều khiển Chương 4: Mô kiểm chứng điều khiển Chương 5: Kết luận Hà Nội, ngày 18 tháng 03 năm 2022 HỌC VIÊN Nguyễn Tấn Minh CHƯƠNG NGUYÊN LÝ, CẤU TẠO CỦA CẦU TRỤC VÀ BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN 1.1 Khái niệm cầu trục Cầu trục loại thiết bị dùng để nâng hạ vật tư có tải trọng l ớn từ điểm sang điểm khác Cầu trục chế tạo dựa mục đích ứng dụng mà cần nâng hạ Cầu trục thiết kế chế tạo với loại cấu hình, thành phần khác hốn đổi chế tạo để cải thiện công suất hiệu suất cầu Một số ứng dụng phổ biến để sử dụng cầu trục bao gồm: • Bốc dỡ vật liệu từ xe tải • Di chuyển vật liệu sở sản xuất hiệu động kéo sức người • Lật kéo khn vào khỏi máy dập sở sản xuất • Cung cấp ngun liệu thơ vào máy • Di chuyển chi tiết phận máy tới dây chuyền lắp ráp cách an tồn có kiểm sốt • Di chuyển container xung quanh xưởng đóng tàu, cầu cảng Ngồi việc đơn giản hóa số quy trình mơ tả trên, có hai lý khiến công ty muốn lắp đặt cầu trục cao sở họ là: • Hiệu quả: Cầu trục cao hiệu so với việc sử dụng nhóm cơng nhân động kéo để nâng di chuyển vật liệu làm việc nhanh đến 2-3 lần Hãy nghĩ cách nhà sản xuất, nhà máy nhà kho hợp lý hóa quy trình bốc dỡ họ cách sử dụng cầu trục cao để tự động hóa việc nâng, điều động bốc dỡ vật liệu sở họ • An toàn: Là lợi khác việc lắp đặt cầu trục sở sản xuất, lắp ráp kho bãi Cầu trục sử dụng để nâng di chuyển vật liệu môi trường khắc nghiệt xử lý vật liệu ăn mịn nguy hiểm kim loại nóng, hóa chất tải nặng Có thể lắp đặt cầu trục để giúp người lao động di chuyển vật nặng cách có kiểm sốt giúp giảm thiểu chấn thương vận động liên tục cường độ nặng nguy hiểm tải trọng lớn Các lợi ích khác sử dụng hệ thống cầu trục bao gồm: • • • • Giảm thiểu tai nạn nơi làm việc Giảm thiệt hại sản phẩm vật liệu Cải thiện quy trình làm việc Giảm chi phí 1.1.1 Cấu tạo cầu trục Để hiểu rõ số thuật ngữ mà ta sử dụng sau mô tả loại cầu trục khác nhau, ta thảo luận phận thành phần khác cầu trục cách chúng ảnh hưởng đến hiệu suất thiết kế • Móc cẩu: Tải trọng nâng hỗ trợ cách sử dụng móc nối với tời kéo • Tời kéo: Tời kéo thứ giúp nâng giữ, nâng hạ tải dây xích Tời kéo cung cấp lượng tay (tay quay), điện, khí nén (khí nén) • Xe cầu: Xe cầu mang theo tời kéo di chuyển theo chiều ngang, dọc theo cầu trục, để định vị tời kéo móc cẩu, trước nhấc hạ tải Xe cầu thiết kế chạy chạy trên: Chạy dưới: Bánh xe chạy vành dầm cầu trục Chạy trên: Bánh xe chạy ray phía dầm cầu trục Thường thấy thiết kế dầm đơi cơng suất lớn • Cầu: Một dầm chịu lực lắp đặt từ chiều sang chiều bên nhà xưởng Đây thành phần cấu trúc chính, kết nối đường băng di chuyển tời kéo phía trước phía sau cách di chuyển xe cầu Cầu bao gồm hai dầm – thường gọi thiết kế dầm đơn dầm đơi Dầm làm thép cán thép định hình • Dầm chạy: Là kết cấu mà cầu trục di chuyển bên Đây thường phần cấu trúc nhà xưởng, dầm hệ thống cầu thường có hai dầm chạy • Ray đường ray: Ray hỗ trợ đường chạy mà cầu trục di chuyển Cầu trục chạy thường chạy đường ray ASCE / đường sắt Cầu trục giàn sử dụng hệ thống đường ray đường ray lắp đặt sàn để di chuyển cầu qua lại 1.1.2 Phân loại cầu trục Cầu trục cấ u hình với loại kích thước, hình dạng mục đích sử dụng khác Vì lựa chọn cầu trục ta dựa theo tiêu chí sau đây: • Chuyển động cấu cầu trục • Tải trọng cấu tạo hàng hóa • Địa điểm lắp đặt cầu trục bên hay bên sở sản xuất • Tần suất sử dụng • Tuổi thọ cầu trục Từ tiêu chí mà ta lựa chọn cầu trục phù hợp với nhu cầu sử dụng Phân loại theo cấu tạo ta có hai loại cầu trục cầu trục dầm đơn cầu trục dầm đôi 1.1.2.1 Cầu trục dầm đơn Cầu dầm đơn bao gồm dầm kết nối với hai dầm biên hai phía Xe cầu tời kéo treo phía – xe chạy phía dầm Cầu dầm đơn có giá thành rẻ do: • Giảm chi phí vận chuyển • Lắp đặt nhanh chóng • Kết cấu xe cầu tời kéo đơn giản • Dầm chạy đơn giản Hình 1.1 Cầu trục dầm đơn 1.1.2.2 Cầu trục dầm đôi Bao gồm hai dầm tạo thành cầu chúng kết nối hai dầm biên hai phía Xe cầu tời nâng chạy đường ray lắp đặt phía dầm cầu Cầu hai dầm dụng cho ứng dụng địi hỏi tải trọng lớn tuổi thọ cao Hình 1.2 Cầu trục dầm đơi 1.1.2.3 Phân loại theo mục đích sử dụng • • • Cầu trục cầu cảng: với sức nâng hàng hóa lớn, cường độ làm việc liên tục Cầu trục cho nhà máy luyện kim, gang thép: làm việc môi trường khắc nghiệt Cầu trục chuyên dùng cho nhà máy thủy điện