Điều khiển chống dao động cho hệ thống cầu trục tự hành

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Điều khiển chống dao động cho hệ thống cầu trục tự hành NGUYỄN VĂN NINH Ninh.nv212582M@sis.hust.edu.vn Kĩ thuật điều khiển tự động hóa Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Danh Huy Khoa: Tự động hóa Hà Nội, 05/2023 Chữ ký người hướng dẫn CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn: Nguyễn Văn Ninh Đề tài luận văn: Điều khiển chống dao động cho hệ thống cầu trục tự hành Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số SV: 20212582M Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 28/4/2023 với nội dung sau: - Chỉnh sửa lại Mục 1.2 Tính thực tiễn đề tài Đồng lại kí hiệu lực thành phần f x , f y , fl - Vẽ lại Hình 2.1.b, Hình 3.1, Hình 4.1, thêm Hình 4.56 thể ngoại lực tác động Bổ sung số trích dẫn luận văn Bổ sung nhận xét giải vấn đề tượng Chattering điều khiển trượt bậc phân số mô Mô tả thêm ý nghĩa kịch mô - Ngày 12 tháng năm 2023 Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG Đề tài luận văn Điều khiển chống dao động cho hệ thống cầu trục tự hành Người hướng dẫn iv Lời cảm ơn Tôi xin cảm ơn Đại học Bách khoa Hà Nội xây dựng, trì phát triển mơi trường nghiên cứu học tập hàng đầu Đồng thời xin cảm ơn thầy Khoa Tự động hóa – Trường Điện – Điện tử giảng dạy truyền đạt kiến thức cần thiết từ đến chuyên sâu Đặc biệt, xin chân thành cảm ơn thầy hướng dẫn tôi, Tiến sĩ Nguyễn Danh Huy hướng dẫn hỗ trợ giai đoạn trình cho hội tuyệt vời Tôi xin cảm ơn PGS TS Nguyễn Tùng Lâm lời phê bình mang tính xây dựng lời khuyên đầy cảm hứng suốt trình thực luận văn Cuối xin cảm ơn gia đình, bạn bè, anh em tạo điều kiện, hỗ trợ suốt thời gian Những kiến thức, thử thách trải nghiệm học tập nghiên cứu trường tảng vững kinh nghiệm quý báu cho đường theo đuổi định hướng nghiên cứu phát triển Tóm tắt Cầu trục thiết bị nâng - hạ vận hành động điện Với ba cấu chấp hành cần điều khiển năm biến đầu ra, nên cầu trục hệ thống hụt cấu chấp hành có tính phi tuyến cao Vì việc thiết kế điều khiển trở nên phức tạp Bộ điều khiển trượt bậc phân số đề xuất để đảm bảo tính ổn định hệ thống điều chỉnh vị trí tải trọng đến vị trí đặt, kiểm sốt dao động tải đồng thời giữ cho hệ thống ổn định trước thành phần bất định nhiễu tác động từ bên Ngoài luận văn đưa quan sát trạng thái dạng Full-order bậc hai với năm đầu vào mười đầu nhằm mục đích giảm cảm biến cho hệ thống Kết phương pháp điều khiển cầu trục đến vị trí mong muốn, giảm dao động tải trọng, bền vững trước nhiễu tác động giảm chi phí giảm số lượng cảm biến Tính hiệu hiệu suất động học điều khiển quan sát chứng minh thơng qua chứng minh tốn học kết mô cách so sánh với điều khiển khác sử dụng môi trường Matlab / Simulink Học viên MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Khái quát chung hệ thống cầu trục 1.1.1 Giới thiệu 1.1.2 Cấu tạo 1.1.3 Phân loại 1.1.4 Ưu nhược điểm hệ thống cầu trục 1.1.5 Tổng quan phương điều khiển cầu trục 1.1.6 Tổng quan điều khiển trượt (Silding Mode Control) 1.1.7 Phép tính bậc phân số (Fractional Order Calculus) 1.1.8 Bộ quan sát trạng thái (Full-order Observer) 1.2 Tính thực tiễn luận văn 1.3 Đóng góp luận văn 1.4 Bố cục luận văn CHƯƠNG 2: MƠ HÌNH HĨA CẦU TRỤC BA CHIỀU 11 2.1 Cấu trúc hệ thống cầu trục 11 2.2 Mơ hình động lực học hệ thống 12 2.3 Biến đổi mơ hình hệ thống 15 2.4 Kết luận 17 CHƯƠNG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG 18 3.1 Thiết kế quan sát trạng thái 18 3.1.1 Nguyên lý quan sát trạng thái 18 3.1.2 Thiết kế quan sát 19 3.2 Thiết kế điều khiển trượt bậc phân số (Fractional-Order Silding Mode Control - FOSMC) 22 3.2.1 Chứng minh ổn định điều khiển 25 3.3 Kết luận 27 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 28 4.1 Thơng số mơ hình cầu trục 28 4.2 Kết mô 29 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 49 5.1 Kết luận văn 49 5.1.1 Kết 49 5.1.2 Hạn chế 49 vi 5.2 Hướng nghiên cứu 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO 50 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 4.1 Bảng thơng số mơ hình cầu trục 28 Bảng 4.2 Bảng thông số điều khiển 28 viii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Cầu trục nhà xưởng Hình 1.2 Cầu trục dầm đơn Hình 1.3 Cầu trục dầm đôi Hình 1.4 Cầu trục dạng treo Hình 2.1.a Cầu trục 3D thực tế 11 Hình 2.1.b Mơ hình cầu trục 3D 11 Hình 3.1 Lưu đồ quan sát Full-order 19 Hình 4.1 Chiến lược điều khiển 29 Hình 4.2 Đáp ứng vị trí trục x 29 Hình 4.3 Đáp ứng vị trí trục y 30 Hình 4.4 Đáp ứng chiều dài dây 30 Hình 4.5 Đáp ứng góc lệch θ x 30 Hình 4.6 Đáp ứng góc lệch θ y 31 Hình 4.7 Lực tác động theo phương x 31 Hình 4.8 Lực tác động theo phương y 31 Hình 4.9 Lực tác động lên tải 32 Hình 4.10 Ước lượng theo trục x 32 Hình 4.11 Ước lượng theo trục y 32 Hình 4.12 Ước lượng chiều dài dây 33 Hình 4.13 Ước lượng góc lệch θ x 33 Hình 4.14 Ước lượng góc lệch θ y 33 Hình 4.15 Ước lượng vận tốc theo trục x 34 Hình 4.16 Ước lượng vận tốc theo trục y 34 Hình 4.17 Ước lượng vận tốc nâng hạ tải 34 Hình 4.18 Ước lượng vận tốc góc lắc θ x 35 Hình 4.19 Ước lượng vận tốc góc lắc θ y 35 Hình 4.21 Đáp ứng vị trí trục y 36 Hình 4.22 Đáp ứng chiều dài dây 36 Hình 4.23 Đáp ứng góc lệch θ x 37 Hình 4.24 Đáp ứng góc lệch θ y 37 Hình 4.25 Lực tác động theo phương x 37 Hình 4.26 Lực tác động theo phương y 38 Hình 4.27 Lực tác động lên tải 38 Hình 4.28 Ước lượng theo trục x 38 Hình 4.29 Ước lượng theo trục y 39 Hình 4.30 Ước lượng chiều dài dây 39 Hình 4.31 Ước lượng góc lệch θ x 39 Hình 4.32 Ước lượng góc lệch θ y 40 Hình 4.33 Ước lượng vận tốc theo trục x 40 Hình 4.34 Ước lượng vận tốc theo trục y 40 Hình 4.35 Ước lượng vận tốc nâng hạ tải 41 Hình 4.36 Ước lượng vận tốc góc lắc θ x 41 Hình 4.37 Ước lượng vận tốc góc lắc θ y 41 Hình 4.38 Đáp ứng vị trí trục x 42 Hình 4.39 Đáp ứng vị trí trục y 42 Hình 4.40 Đáp ứng chiều dài dây 43 Hình 4.41 Đáp ứng góc lệch θ x 43 Hình 4.42 Đáp ứng góc lệch θ y 43 Hình 4.43 Lực tác động theo phương x 44 Hình 4.44 Lực tác động theo phương y 44 Hình 4.45 Lực tác động lên tải trọng 44 Hình 4.46 Ước lượng theo trục x 45 Hình 4.47 Ước lượng theo trục y 45 Hình 4.48 Ước lượng chiều dài dây 45 Hình 4.49 Ước lượng góc lệch θ x 46 Hình 4.50 Ước lượng góc lệch θ y 46 Hình 4.51 Ước lượng vận tốc theo trục x 46 Hình 4.52 Ước lượng vận tốc theo trục y 47 Hình 4.53 Ước lượng vận tốc nâng hạ tải 47 Hình 4.54 Ước lượng vận tốc góc lắc θ x 47 Hình 4.55 Ước lượng vận tốc góc lắc θ y 48 Hình 4.56 Ngoại lực tác động 48 x CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Khái quát chung hệ thống cầu trục 1.1.1 Giới thiệu Cầu trục (Overhead Crane) thiết bị nâng hạ sử dụng rộng rãi để di chuyển hàng hóa khối lượng kích thước lớn góp phần giảm sức lao động, cải thiện nâng cao suất lao động Cầu trục vận hành chủ yếu động điện nên cầu trục sử dụng phổ biến để di chuyển nguyên vật liệu phục vụ sản xuất, lưu kho hàng hóa, bốc xếp hàng hóa nhà xưởng Hình 1.1 phục vụ kho bãi trời, ga tàu bến cảng Hình 1.1 Cầu trục nhà xưởng 1.1.2 Cấu tạo Cấu tạo cầu trục bao gồm: hai dầm chính, hai dầm biên, sàn cơng tác, cấu di chuyển cầu trục, xe lắp dầm chính, cấu nâng hạ, hệ dây dẫn điện hệ điều khiển cầu trục a Phần dầm Dầm chế tạo dạng hộp dàn không gian Dầm dàn không gian nhẹ dầm hộp dùng cho cầu trục dầm đơi có tải trọng nâng độ lớn Dầm biên chế tạo dạng hộp Hai đầu dầm liên kết với dầm biên theo phương thẳng đứng nằm ngang liên kết cứng dạng gối bulơng cường độ cao Dầm biên có lắp bánh xe di chuyển chạy ray cầu trục đặt dọc theo sàn nhà xưởng vai cột b Cơ cấu nâng hạ Cơ cấu nâng hạ dùng pa lăng cần ý thông số kỹ thuật đảm bảo yêu cầu tốc độ nâng hạ, tốc độ di chuyển, chiều cao nâng hạ Pa lăng cáp điện dầm đơi có thiết bị an tồn báo tải, giới hạn hành trình nâng hạ, di chuyển tay bấm điều khiển đồng Cầu trục dầm đơi sử dụng xe có khả làm việc liên tục, điều kiện khắc nghiệt nhà máy thép, luyện kim,… l 2.5 d FOSMC-SO SMC Chiều dài dây (m) 1.5 10 20 40 30 50 60 Thời gian (s) Hình 4.40 Đáp ứng chiều dài dây FOSMC-SO 0.05 (rad) SMC Góc lệch θ x -0.05 -0.1 10 20 30 40 50 60 Thời gian (s) Hình 4.41 Đáp ứng góc lệch θ x 0.04 FOSMC-SO SMC (rad) 0.02 Góc lệch θ y -0.02 -0.04 10 20 30 40 50 60 Thời gian (s) Hình 4.42 Đáp ứng góc lệch θ y 43 FOSMC-SO 15 SMC (N) 10 x Lực F -5 -10 10 20 30 40 50 60 Thời gian (s) Hình 4.43 Lực tác động theo phương x 15 FOSMC-SO SMC Lực F y (N) 10 10 20 30 40 50 60 Thời gian (s) Hình 4.44 Lực tác động theo phương y -90 50 FOSMC-SO -100 SMC -110 Lực F l (N) -120 -130 -140 -50 20 22 24 26 28 30 -100 -150 10 20 30 40 Thời gian (s) Hình 4.45 Lực tác động lên tải trọng 44 50 60 Vị trí trục x (m) 10 20 30 40 50 60 50 60 Thời gian (s) Hình 4.46 Ước lượng theo trục x Vị trí trục y (m) 0 10 20 30 40 Thời gian (s) Hình 4.47 Ước lượng theo trục y 2.5 Chiều dài dây (m) 1.5 0.5 0 10 20 30 40 50 60 Thời gian (s) Hình 4.48 Ước lượng chiều dài dây 45 (rad) 0.01 Vị trí góc lệch θ x -0.01 -0.02 10 20 30 40 50 60 50 60 Thời gian (s) Hình 4.49 Ước lượng góc lệch θ x 0.02 y (rad) 0.04 Vị trí góc lệch θ -0.02 -0.04 10 20 30 40 Thời gian (s) Hình 4.50 Ước lượng góc lệch θ y Vận tốc theo trục x (m/s) 0.5 -0.5 10 20 30 40 50 Thời gian (s) Hình 4.51 Ước lượng vận tốc theo trục x 46 60 0.4 Vận tốc theo trục y(m/s) 0.3 0.2 0.1 10 20 40 30 50 60 Thời gian (s) Hình 4.52 Ước lượng vận tốc theo trục y 8 6 Vận tốc nâng hạ tải (m/s) 4 2 10 20 40 30 50 60 Thời gian (s) Hình 4.53 Ước lượng vận tốc nâng hạ tải (rad/s) 0.02 Vận tốc góc lắc θ x -0.02 -0.04 10 20 30 40 50 60 Thời gian (s) Hình 4.54 Ước lượng vận tốc góc lắc θ x 47 y (rad/s) 0.05 Vận tốc góc lệch θ -0.05 10 20 30 40 50 60 Thời gian (s) Hình 4.55 Ước lượng vận tốc góc lắc θ y Hình 4.56 Ngoại lực tác động Kết kịch mô số 3: Qua kết mô bên cho thấy ảnh hưởng nhiễu ảnh hưởng đến quỹ đạo (Hình 4.38-4.40) dao động tải trọng (Hình 4.41; 4.42) Bộ điều khiển FOSMC-SO thích nghi với nhiễu bất định tốt SMC thơng qua lực tác động lên đối tượng (Hình 4.43-4.45) Thời gian ổn định hệ thống khoảng 10s Bộ quan sát có nhiễu tác động cho đáp ứng chuẩn xác so với đầu trạng thái thể qua Hình 4.46-4.50 đáp ứng vận tốc hình 4.51-4.55 Ngoại lực tác động miêu tả Hình 4.56 48 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN Cầu trục ngày ứng dụng phổ biến lĩnh vực bao gồm ngành công nghiệp, nhà xưởng, xây dựng, cầu cảng Tuy nhiên, cầu trục hệ thống hụt cấu chấp hành, có tính phi tuyến cao bị ảnh hưởng thành phần nhiễu bất định nên việc thiết kế điều khiển trở nên phức tạp Vì vậy, việc xử lý vấn đề hụt cấu chấp hành hay tác động nhiễu loạn bên nội dung quan tâm Ngoài ra, việc thiết kế điều khiển có khả đáp ứng tốt với nhiễu nhằm nâng cao chất lượng điều khiển hướng nghiên cứu tiềm cho mô hình cầu trục 5.1 Kết luận văn 5.1.1 Kết Trong luận văn này, với đối tượng hệ có cấu tạo phức tạp, hụt cấu chấp hành Tác giả nêu cấu tạo, nguyên lý xây dựng lại mơ hình cầu trục với năm phương trình vi phân bậc hai mơ tả động lực học hệ thống Do đối tượng có tính phi tuyến cao nên việc thiết kế điều khiển phức tạp, để đảm bảo tính ổn định để đưa tải trọng đến vị trí đặt, chống dao động cho tải đồng thời làm cho hệ thống bền vững trước tác động bên thành phần bất định, điều khiển trượt bậc phân số (Fractional-Order Sliding Mode Control FOSMC) đề xuất Cùng với luận văn đề xuất quan sát trạng thái Full-order bậc hai với năm đầu vào mười đầu nhằm mục đích giảm cảm biến cho hệ thống Tính hiệu ổn định điều khiển chứng minh thơng qua phép chứng minh tốn học số liệu mô thực tế so sánh với điều khiển khác 5.1.2 Hạn chế Luận văn có số điểm hạn chế sau: - Bộ quan sát chưa quan sát nhiễu bên ngồi tác động vào Chưa có kết đánh giá thực nghiệm điều khiển 5.2 Hướng nghiên cứu Trong tương lai, nâng cấp khắc phục hạn chế điều khiển trượt bậc phân số Hướng nghiên cứu tìm hiểu theo hướng sau: - - Thiết kế quan sát nhiễu tác động lên hệ thống kết hợp với điều khiển Phát triển điều khiển trượt bậc cao điều khiển khác để xử lý tượng chattering cho cầu trục Xây dựng thuật toán tự hành cho hệ thống cầu trục 3D: sử dụng thuật toán xử lý ảnh thuật toán SLAM để xác định vật cản khơng gian hoạt động từ đưa quỹ đạo xác, tối ưu thời gian vừa kết hợp di chuyển tránh vật cản vừa chống rung cho tải trọng Phát triển mơ hình cầu trục thực tế để thực nghiệm kết nghiên cứu 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] T X Thưởng, D M Đức, and N T Lâm, “Điều khiển chống rung cho cầu trục ba chiều phương pháp Hybrid Shape,” no July, 2016, doi: 10.15625/vap.2015.0087 [2] G A Manson, “Time‐optimal control of an overhead crane model,” Optim Control Appl Methods, vol 3, no 2, pp 115–120, 1982, doi: 10.1002/oca.4660030202 [3] G Dozier, “Genetic Algorithms Solution for Unconstrained,” pp 2124– 2130 [4] H H Lee, “A new motion-planning scheme for overhead cranes with highspeed hoisting,” J Dyn Syst Meas Control Trans ASME, vol 126, no 2, pp 359–364, 2004, doi: 10.1115/1.1767855 [5] K L Sorensen, W Singhose, and S Dickerson, “A controller enabling precise positioning and sway reduction in bridge and gantry cranes,” Control Eng Pract., vol 15, no 7, pp 825–837, 2007, doi: 10.1016/j.conengprac.2006.03.005 [6] G G Parker, B Petterson, C Dohrmann, and R D Robinett, “Command shaping for residual vibration free crane maneuvers,” Proc Am Control Conf., vol 1, pp 934–938, 1995, doi: 10.1109/acc.1995.529385 [7] A Khalid, J Huey, W Singhose, J Lawrence, and D Frakes, “Human operator performance testing using an input-shaped bridge crane,” J Dyn Syst Meas Control Trans ASME, vol 128, no 4, pp 835–841, 2006, doi: 10.1115/1.2361321 [8] A C Smith, “Nonlinear Control of Underactuated Mechanical Systems with Application to Robotics and by Reza Olfati-Saber,” 2001 [9] Xiaohua Zhang, Bingtuan Gao, and Hongjun Chen, “Nonlinear Controller for a Gantry Crane Based on Partial Feedback Linearization,” in 2005 International Conference on Control and Automation, 2005, vol 2, pp 1074–1078 doi: 10.1109/ICCA.2005.1528281 [10] T A Le, G H Kim, M Y Kim, and S G Lee, “Partial feedback linearization control of overhead cranes with varying cable lengths,” Int J Precis Eng Manuf., vol 13, no 4, pp 501–507, 2012, doi: 10.1007/s12541012-0065-8 [11] N Sun and Y Fang, “A partially saturated nonlinear controller for overhead cranes with experimental implementation,” Proc - IEEE Int Conf Robot Autom., pp 4473–4478, 2013, doi: 10.1109/ICRA.2013.6631212 [12] X Wu, X He, N Sun, and Y Fang, “A novel anti-swing control method for 3-D overhead cranes,” Proc Am Control Conf., pp 2821–2826, 2014, doi: 10.1109/ACC.2014.6858866 [13] E F Camacho, C Bordons, and J E Normey-Rico, “Model predictive control springer, Berlin, 1999, ISBN 3540762418, 280 pages,” Int J Robust 50 Nonlinear Control, vol 13, no 11, pp 1091–1093, 2003, doi: 10.1002/rnc.752 [14] N Malhotra, R Goel, and S Goel, “PAN Application,” Man Dr Law, pp 1–1, 2013, doi: 10.5005/jp/books/12097_1 [15] J Deng and V M Becerra, “Application of constrained predictive control on a 3D crane system,” 2004 IEEE Conf Robot Autom Mechatronics, no 4, pp 583–587, 2004, doi: 10.1109/ramech.2004.1438985 [16] U Schaper, E Arnold, O Sawodny, and K Schneider, “Constrained realtime model-predictive reference trajectory planning for rotary cranes,” 2013 IEEE/ASME Int Conf Adv Intell Mechatronics Mechatronics Hum Wellbeing, AIM 2013, pp 680–685, 2013, doi: 10.1109/AIM.2013.6584171 [17] L Van Den Broeck, M Diehl, and J Swevers, “A model predictive control approach for time optimal point-to-point motion control,” Mechatronics, vol 21, no 7, pp 1203–1212, 2011, doi: 10.1016/j.mechatronics.2011.07.008 [18] B Kapernick and K Graichen, “Model predictive control of an overhead crane using constraint substitution,” Proc Am Control Conf., vol 3973, pp 3973–3978, 2013, doi: 10.1109/acc.2013.6580447 [19] D Bauer, U Schaper, K Schneider, and O Sawodny, “Observer design and flatness-based feedforward control with model predictive trajectory planning of a crane rotator,” Proc Am Control Conf., pp 4020–4025, 2014, doi: 10.1109/ACC.2014.6858994 [20] T Barisa, M Bartulovic, G Zuzic, S Lies, J Matusko, and F Kolonic, “Nonlinear Predictive Control of a tower crane using reference shaping approach,” 16th Int Power Electron Motion Control Conf Expo PEMC 2014, no 6, pp 872–876, 2014, doi: 10.1109/EPEPEMC.2014.6980608 [21] R F Stengel, “Intelligent failure-tolerant control.” pp 548–557, 1990 doi: 10.1109/isic.1990.128511 [22] K Michels, F Klawonn, R Kruse, and A Nürnberger, Fuzzy control: Fundamentals, stability and design of fuzzy controllers, vol 200 2006 [23] S Takeuchi, H Fujikawa, and S Yamada, “The application of fuzzy theory for a rotary crane control,” in Proceedings.14 Annual Conference of Industrial Electronics Society, 1890, vol 2, no 3, pp 415–420 doi: 10.1109/IECON.1988.665175 [24] S Yamada, H Fujikawa, O Takeuchi, and Y Wakasugi, “Fuzzy control of the roof crane,” in 15th Annual Conference of IEEE Industrial Electronics Society, 1989, pp 709–714 doi: 10.1109/IECON.1989.69715 [25] Y Suzuki, S ichi Yamada, and H Fujikawa, “Anti-swing control of the container crane by fuzzy control,” IECON Proc (Industrial Electron Conf., vol 1, pp 230–235, 1993, doi: 10.1109/iecon.1993.339076 [26] O Itoh, H Migita, J Itoh, and Y Irie, “Application of fuzzy control to 51 automatic crane operation,” IECON Proc (Industrial Electron Conf., vol 1, pp 161–164, 1993, doi: 10.1109/iecon.1993.339088 [27] Z Nowacki, D Owczarz, and P Wozniak, “On the robustness of fuzzy control of an overhead crane,” in Proceedings of IEEE International Symposium on Industrial Electronics, 2020, vol 1, no 1, pp 433–437 doi: 10.1109/ISIE.1996.548527 [28] J Yi, N Yubazaki, and K Hirota, “Anti-swing fuzzy control of overhead traveling crane,” IEEE Int Conf Fuzzy Syst., vol 2, pp 1298–1303, 2002, doi: 10.1109/fuzz.2002.1006691 [29] Y Kijima, R Ohtsubo, S Yamada, and H Fujikawa, “Optimization of fuzzy controller and it’s application to overhead crane,” IECON Proc (Industrial Electron Conf., vol 2, pp 1508–1513, 1995, doi: 10.1109/iecon.1995.484174 [30] A Benhidjeb and G L Gissinger, “Fuzzy control of an overhead crane performance comparison with classic control,” Control Eng Pract., vol 3, no 12, pp 1687–1696, 1995, doi: 10.1016/0967-0661(95)00181-S [31] H M Al-Humaidi and F Hadipriono Tan, “Mobile crane safe operation approach to prevent electrocution using fuzzy-set logic models,” Adv Eng Softw., vol 40, no 8, pp 686–696, 2009, doi: 10.1016/j.advengsoft.2008.11.016 [32] D Liu, J Yi, and M Tan, “Proposal of GA-based two-stage fuzzy control of overhead crane,” IEEE Reg 10 Annu Int Conf Proceedings/TENCON, vol 3, pp 1721–1724, 2002, doi: 10.1109/tencon.2002.1182666 [33] C Liu, H Zhao, and Y Cui, “Research on application of fuzzy adaptive PID controller in bridge crane control system,” Proc IEEE Int Conf Softw Eng Serv Sci ICSESS, pp 971–974, 2014, doi: 10.1109/ICSESS.2014.6933727 [34] J Smoczek and J Szpytko, “Fuzzy logic-based adaptive control system prototypying for laboratory scaled overhead crane,” 2013 18th Int Conf Methods Model Autom Robot MMAR 2013, pp 92–97, 2013, doi: 10.1109/mmar.2013.6669887 [35] V I Utkin, “Survey Paper: Variable Structure Systems with Sliding Modes,” IEEE Trans Automat Contr., vol 22, no 2, pp 212–222, 1977, doi: 10.1109/TAC.1977.1101446 [36] J Y Hung, W Gao, and J C Hung, “Variable Structure Control: A Survey,” IEEE Trans Ind Electron., vol 40, no 1, pp 2–22, 1993, doi: 10.1109/41.184817 [37] J K Pieper and B W Surgenor, “Discrete time sliding mode control applied to a gantry crane,” Proc IEEE Conf Decis Control, vol 1, no December, pp 829–834, 1994, doi: 10.1109/cdc.1994.410965 [38] G Bartolini, N Orani, A Pisano, and E Usai, “Load swing damping in overhead cranes by sliding mode technique,” Proc IEEE Conf Decis Control, vol 2, pp 1697–1702, 2000, doi: 10.1109/cdc.2000.912106 52 [39] C Vázquez, S Aranovskiy, L Freidovich, and L Fridman, “Second order sliding mode control of a mobile hydraulic crane,” Proc IEEE Conf Decis Control, vol 2015-Febru, no February, pp 5530–5535, 2014, doi: 10.1109/CDC.2014.7040254 [40] W Chen and M Saif, “Output feedback controller design for a class of MIMO nonlinear systems using high-order sliding-mode differentiators with application to a laboratory 3-D crane,” IEEE Trans Ind Electron., vol 55, no 11, pp 3985–3997, 2008, doi: 10.1109/TIE.2008.2004384 [41] Y Dong, Z Wang, Z Feng, and J Cheng, “Incremental sliding mode control for double-pendulum-type overhead crane system,” Proc 27th Chinese Control Conf CCC, pp 368–371, 2008, doi: 10.1109/CHICC.2008.4605360 [42] L Cao, X Li, F Lou, C Li, and C Zhang, “Controller design and simulation of the Crane based on non-singular terminal sliding mode method,” 2010 Int Conf Logist Syst Intell Manag ICLSIM 2010, vol 1, no 3, pp 484– 487, 2010, doi: 10.1109/ICLSIM.2010.5461377 [43] M Defoort, J Maneeratanaporn, and T Murakami, “Integral sliding mode antisway control of an underactuated overhead crane system,” 2012 9th Fr 7th Eur Congr Mechatronics, MECATRONICS 2012 / 13th Int Work Res Educ Mechatronics, REM 2012, pp 71–77, 2012, doi: 10.1109/MECATRONICS.2012.6450990 [44] Z Xi and T Hesketh, “Discrete time integral sliding mode control for overhead crane with uncertainties,” IET Control Theory Appl., vol 4, no 10, pp 2071–2081, 2010, doi: 10.1049/iet-cta.2009.0558 [45] L A Tuan, S G Lee, V H Dang, S Moon, and B Kim, “Partial feedback linearization control of a three-dimensional overhead crane,” Int J Control Autom Syst., vol 11, no 4, pp 718–727, 2013, doi: 10.1007/s12555-0129305-z [46] D Liu, J Yi, D Zhao, and W Wang, “Adaptive sliding mode fuzzy control for a two-dimensional overhead crane,” Mechatronics, vol 15, no 5, pp 505–522, 2005, doi: 10.1016/j.mechatronics.2004.11.004 [47] D Liu, J Yi, D Zhao, and W Wang, “Swing-free transporting of twodimensional overhead crane using sliding mode fuzzy control,” Proc Am Control Conf., vol 2, pp 1764–1769, 2004, doi: 10.23919/acc.2004.1386835 [48] Wei Wang, Jianqiang Yi, Dongbin Zhao, and Xiaojing Liu, “Incremental neural network sliding mode controller for an overhead crane,” in 2004 International Conference on Intelligent Mechatronics and Automation, 2004 Proceedings., 2004, no August, pp 166–171 doi: 10.1109/ICIMA.2004.1384182 [49] Q H Ngo and K S Hong, “Adaptive sliding mode control of container cranes,” IET Control Theory Appl., vol 6, no 5, pp 662–668, 2012, doi: 10.1049/iet-cta.2010.0764 53 [50] S Dhahri, F B Hmida, A Sellami, and M Gossa, “Actuartor fault reconstruction for linear uncertain systems using sliding mode observer,” 3rd Int Conf Signals, Circuits Syst SCS 2009, pp 1–6, 2009, doi: 10.1109/ICSCS.2009.5412526 [51] W Zheng, Y Luo, Y Q Chen, and X Wang, “Synthesis of fractional order robust controller based on Bode’s ideas,” ISA Trans., vol 111, no xxxx, pp 290–301, 2021, doi: 10.1016/j.isatra.2020.11.019 [52] D K Raju, B S Umre, A S Junghare, and B C Babu, “Mitigation of Subsynchronous Resonance with Fractional-order PI based UPFC controller,” Mech Syst Signal Process., vol 85, no September 2016, pp 698–715, 2017, doi: 10.1016/j.ymssp.2016.09.012 [53] A H Gomaa Haroun and L Yin-Ya, “A novel optimized fractional-order hybrid fuzzy intelligent PID controller for interconnected realistic power systems,” Trans Inst Meas Control, vol 41, no 11, pp 3065–3080, 2019, doi: 10.1177/0142331218820913 [54] G Hostetter and J S Meditch, “Observing Systems with Unmeasurable Inputs,” IEEE Trans Automat Contr., vol AC-18, no 3, pp 307–308, 1973, doi: 10.1109/TAC.1973.1100296 [55] S H Wang, E J Davison, and P Dorato, “Observing the States of Systems with Unmeasurable Disturbances,” IEEE Trans Automat Contr., vol 20, no 5, pp 716–717, 1975, doi: 10.1109/TAC.1975.1101076 [56] P Kudva, N Viswanadham, and A Ramakrishna, “Observers for linear systems with unknown inputs,” IEEE Trans Automat Contr., vol 25, no 1, pp 113–115, Feb 1980, doi: 10.1109/TAC.1980.1102245 [57] S Bhattacharyya, “Observer design for linear systems with unknown inputs,” IEEE Trans Automat Contr., vol 23, no 3, pp 483–484, Jun 1978, doi: 10.1109/TAC.1978.1101758 [58] R J MILLER and R MUKUNDAN, “On designing reduced-order observers for linear time-invariant systems subject to unknown inputs,” Int J Control, vol 35, no 1, pp 183–188, Jan 1982, doi: 10.1080/00207178208922611 [59] D Mcfarlane, K Glover, M Hou, and P C Muller, “Equivalence of internal and input-output stability for infinite-dimensional systems Design of Observers for Linear Systems with Unknown Inputs,” IEEE Trans Autom Control IEEE Trans Autom Contr J Math Syst Theory J Contr Optim Contr Optim Contr Optim Syst Contr Lett IEEE Trans Autom Contr J Contr Syst Contr Lett, vol 37, no 15, pp 673–686, 1992 [60] H Shim, I Y Son, and H J Seo, “Semi-global observer for multi-output nonlinear systems,” Syst Control Lett., vol 42, no 3, pp 233–244, 2001, doi: 10.1016/S0167-6911(00)00098-0 [61] D Tavares, R Almeida, and D F M Torres, “Caputo derivatives of fractional variable order: Numerical approximations,” Commun Nonlinear 54 Sci Numer Simul., vol 10.1016/j.cnsns.2015.10.027 35, pp 69–87, 2016, doi: [62] J J E S and W Li, Applied nonlinear control NJ, USA: Prentice Hall, 1991 55 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Đề tài: Điều khiển chống dao động cho hệ cẩu trục tự hành Tác giả luận văn: Nguyễn Văn Ninh Khóa: CH2021B Người hướng dẫn: TS Nguyễn Danh Huy Từ khóa (Keyword): Cầu trục, hệ thống hụt cấu chấp hành, điều khiển trượt, quan sát Full-order, SMC, Fractional-Order Nội dung tóm tắt: a) Lý chọn đề tài Cầu trục sử dụng rộng rãi để vận chuyển trọng tải nặng bến cảng, nhà máy ngành công nghiệp khác Để nâng cao hiệu việc vận chuyển trọng tải, xe đẩy cần trục phải di chuyển đến đích nhanh xác tốt, đó, dao động trọng tải phải giữ nhỏ tốt Từ trước đến nay, chuyển động xe cẩu kèm với thay đổi tải trọng Việc tăng tốc giảm tốc độ cần trục dẫn đến xoay chuyển trọng tải, chuyển động nguy hiểm gây hư hỏng tai nạn Do đó, cần phải phát triển điều khiển thông minh, có độ tin cậy cao để điều khiển cầu trục g) Mục đích nghiên cứu luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu Mục đích nghiên cứu: - Nghiên cứu, đề xuất mơ hình hệ thống cầu trục - Nghiên cứu, đề xuất phương pháp điều khiển để giải việc hụt cấu chấp hành - Nghiên cứu, ứng dụng quan sát trạng thái dạng Full-order để xử lý vấn đề thiếu cảm biến giám sát trạng thái đối tượng - Nghiên cứu, đề xuất thuật toán điều khiển trượt bậc phân số cho đối tượng cầu trục 3D - Kiểm chứng chất lượng hệ thống với điều khiển quan sát đề xuất có phù hợp với yêu cầu giảm thiểu tác động tượng nhiễu ngoại sinh ảnh hưởng đến chất lượng hệ Đối tượng nghiên cứu: Cầu trục tự hành, tập trung vào nghiên cứu xây dựng, thiết kế thuật toán điều khiển trượt bậc phân số với mục đích cải thiện chất lượng điều khiển hệ Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu thiết kế điều khiển trượt bậc phân số trường hợp tính tới yếu tố nhiễu ngoại sinh tác động lên hệ thống cầu trục h) Tóm tắt đọng nội dung đóng góp tác giả Ý nghĩa khoa học đóng góp luận văn: - Luận văn tập trung vào giải vấn đề việc thiết kế điều khiển cho cầu trục vốn đối tượng phi tuyến - Bộ điều khiển đề xuất phép tính bậc phân số kết hợp điều khiển trượt, luật điều khiển tận dụng ưu điểm kỹ thuật 56 việc loại bỏ yếu tố bất định, nâng cao độ ổn định cho hệ thống - Bộ điều khiển thiết kế có khả kháng nhiễu tốt hơn, thời gian xác lập ngắn hơn, sai lệch nhỏ so sánh với điều khiển thông thường Các kết mơ cho thấy tính khả dụng đắn phân tích lý thuyết, hiệu điều khiển đề xuất Bố cục luận văn: - Chương Tổng quan cầu trục Nghiên cứu tổng quan cầu trục, bao gồm cấu tạo, phân loại, ứng dụng, ưu điểm nhược điểm, ứng dụng Sau đó, luận văn trình bày tổng quan nghiên cứu nước đối tượng cầu trục, thiết kế điều khiển cho đối tượng Tiếp theo, luận văn giới thiệu ngắn gọn phương pháp điều khiển trượt quan sát dạng Full-order Từ phân tích, tổng hợp, đưa hướng nghiên cứu cho luận văn - Chương Mô hình động học cầu trục Các phương pháp xây dựng mơ hình hóa cầu trục đề xuất - Chương Thiết kế điều khiển điều khiển trượt bậc phân số (FractionalOrder Sliding Mode Control) cho cầu trục Luận văn thảo luận trình bày điều khiển trượt bậc phân số quan sát trạng thái dạng Full-order - Chương Kết mô đánh giá Toàn hệ thống với điều khiển đề xuất tiến hành mô kiểm chứng để chứng minh tính đắn phương pháp Các kịch mô xây dựng để chứng minh hiệu luật điều khiển cho thấy chất lượng hệ thống Kết cho thấy phương pháp đề xuất giải vấn đề đặt - Chương 5: Kết luận hướng phát triển Trình bày tóm tắt đóng góp luận văn, vấn đề nhận thấy q trình nghiên cứu hồn thành luận văn đề xuất định hướng nghiên cứu phát triển Phương pháp nghiên cứu i) Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp thống kê tổng hợp - Nghiên cứu lý thuyết - Phương pháp chun gia - Phương pháp mơ hình hóa, mơ - Phương pháp kiểm chứng j) Kết luận Luận văn đạt mục tiêu đề nghiên cứu đề xuất thuật toán điều khiển trượt dựa luật tiệm cận cấp số nhân cho cầu trục Ngồi q trình thực luận văn, nghiên cứu thuật toán điều khiển trượt cho đối tượng cầu trục cơng bố, trình bày hội thảo nước 57