Điều khiển chống lắc không dùng cảm biến góc trong hệ thống cần trục tự động

Trang v 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 các từ vit tắt vii Danh sách các hình viii Danh sách các bảng xi Chng 1. TNG QUAN 1 1.1. Giới thiu chung 1 1.2. Các phơng pháp nghiên cứu về điều khiển h thng cn trc 2 1.3. Mc tiêu và giới hạn của đề tài 3 1.4. Phơng pháp nghiên cứu 3 1.5. Ni dung luận văn 4 Chng 2. C S LÝ THUYT 5 2.1. H thng cn trc t đng 5 2.2. Thiết lập mô hình toán học của h thng cn trc 5 2.2.1. Mô hình của đng cơ 6 2.2.2. Mô hình của dây đai 7 2.2.3. Mô hình của cn trc 7 2.2.4. Mô hình của tải 8 2.3. Mạng nơron nhân tạo (Artifical Neural Networks_ ANN) 10 2.4. B lọc Kalman ri rạc 13 2.4.1. Quá trình xử lý để ớc lng 13 Trang vi 2.4.2. Các nguồn gc tính toán của b lọc 13 2.4.3. Thuật toán b lọc Kalman ri rạc 15 Chng 3. CÁC PHNG PHÁP ĐIU KHIN 17 3.1. Các phơng pháp điều khiển h thng cn trc t đng 17 3.1.1. Điều khiển h thng có dùng cảm biến góc 19 3.1.2. Điều khiển h thng không dùng cảm biến góc 28 3.1.2.1. Điều khiển h thng không dùng cảm biến góc 1 28 3.1.2.2. Điều khiển h thng không dùng cảm biến góc 2 31 3.1.2.3. Điều khiển h thng không dùng cảm biến góc 3 35 3.2. Kết luận 37 Chng 4. THC NGHIM TRểN MÔ HÌNH THC 38 4.1. Mô hình cn trc kiểu thí nghim 38 4.2. Kết quả thc nghim 41 4.2.1. Điều khiển chng lắc trên h thng có dùng cảm biến góc 41 4.2.2. Điều khiển chng lắc trên h thng không dùng cảm biến góc 1 50 4.2.3. Điều khiển chng lắc trên h thng không dùng cảm biến góc 2 52 4.2.4. Điều khiển chng lắc trên h thng không dùng cảm biến góc 3 54 Chng 5. KT LUN 57 5.1. Kết luận 57 5.2. Hớng phát triển đề tài 57 TƠi liu tham khảo 58 Phụ lục 60 Trang vii Danh sách các từ vit tắt ADC Analog to Digital Convertor 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 viii Danh sách các hình Hình 1.1. Các dạng cu trc 1 Hình 2.1. Mô hình h thng cn trc 6 Hình 2.2. Sơ đồ khi mô hình toán học h thng cn trc 10 Hình 2.3. Cu trúc mt nơron sinh học 11 Hình 2.4. Cu trúc mạng nơron nhân tạo 11 Hình 2.5. Cu trúc mt nơron nhân tạo 11 Hình 2.6. Chu kỳ b lọc Kalman ri rạc 15 Hình 2.7. Sơ đồ hoàn chỉnh toán học của b lọc Kalman 16 Hình 3.1. Sơ đồ khi điều khiển vòng h h thng cn trc 17 Hình 3.2. Kết quả mô phng h thng cn trc theo kiểu vòng h 18 Hình 3.3. Giải thuật điều khiển trong h thng 19 Hình 3.4. Sơ đồ mô phng có cảm biến góc mà không có cảm biến dòng đin 20 Hình 3.5. Kết quả mô phng có cảm biến góc mà không có b điều khiển dòng 21 Hình 3.6. Sơ đồ mô phng có cảm biến góc có dùng cảm biến dòng đin 22 Hình 3.7. Mô hình ớc lng dòng đin đng cơ DC 23 Hình 3.8. Sơ đồ b lọc Kalman 23 Hình 3. 9. Mô hình ớc lng dòng đin đng cơ DC dạng hàm nhúng 24 Hình 3.10. Kết quả mô phng khi b lọc Kalman dùng lọc tín hiu dòng đin 24 Hình 3.11. Kết quả mô phng có cảm biến góc và có b điều khiển dòng 25 Hình 3.12. Sơ đồ mô phng có cảm biến góc dạng đơn giản hóa 26 Hình 3.13. Kết quả mô phng có cảm biến góc theo dạng đơn giản hóa 27 Hình 3.14. S điều khiển chng lắc không dùng cảm biến góc 1 28 Hình 3.15. Sơ đồ mô phng không có cảm biến góc (dạng soft-sensor) 29 Hình 3.16. Kết quả mô phng dạng sensorless1 so với dạng sensor 30 Hình 3.17. Sử dng mạng nơron nhận dạng phn mềm cảm biến 31 Trang ix Hình 3.18. Cu trúc mạng nơron hai ngõ vào mt ngõ ra, 30 nơron lớp ẩn 32 Hình 3.19. S điều khiển chng lắc không dùng cảm biến góc 2 32 Hình 3.20. Sơ đồ mô phng không có cảm biến góc 2 (dạng mạng nơron) 33 Hình 3.21. Kết quả mô phng không có cảm biến góc 2 so với có cảm biến góc 34 Hình 3.22. S điều khiển chng lắc không dùng cảm biến góc 3 35 Hình 3.23. Sơ đồ mô phng không có cảm biến góc 3 (dạng mạng nơron) 35 Hình 3.24. Kết quả mô phng dạng không có cảm biến 3 so với có cảm biến 36 Hình 4.1. Mô hình cn trc thc nghim 38 Hình 4.2. Nguyên lý mô hình thí nghim h thng thc 38 Hình 4.3. Các phơng pháp đo dòng đin theo kiểu đin tr Shunt 40 Hình 4.4. Nguyên lý mạch đo dòng dùng IC INA139 40 Hình 4.5. Điều chỉnh tc đ đng cơ theo nguyên tắc PWM 40 Hình 4.6. Giao din điều khiển h thng cn trc t đng 41 Hình 4.7. Sơ đồ khi điều khiển chng lắc dùng cảm biến góc 41 Hình 4.8. Khâu PID điều khiển góc dao đng 42 Hình 4.9. Sai s góc do kết cu cơ khí 43 Hình 4.10. Khâu PID điều khiển vị trí 43 Hình 4.11. Ví d về mt đồ thị đáp ứng của h thng 44 Hình 4.12. Kết quả điều khiển có cảm biến góc mà không có cảm biến dòng 45 Hình 4.13. Sơ đồ khi điều khiển chng lắc có nhận dạng dòng đin 46 Hình 4.14. Kết quả nhận dạng dòng đin trong b điều khiển có cảm biến góc 46 Hình 4.15. Sơ đồ khi điều khiển chng lắc dùng cảm biến dòng 47 Hình 4.16. Nguyên lý điều khiển dòng đin 47 Hình 4.17. Điều chỉnh dòng đin thông qua điều chỉnh PWM 48 Hình 4.18. Kết quả điều khiển dạng có dùng cảm biến góc và cảm biến dòng 49 Hình 4.19. Sơ đồ khi điều khiển chng lắc không dùng cảm biến góc 1 50 Hình 4.20. Kết quả điều khiển dạng không dùng cảm biến góc 1 51 Trang x Hình 4.21. Sơ đồ khi điều khiển chng lắc không dùng cảm biến góc 2 52 Hình 4.22. Kết quả điều khiển dạng không dùng cảm biến góc 2 53 Hình 4.23. Sơ đồ khi điều khiển chng lắc không dùng cảm biến góc 3 54 Hình 4.24. Kết quả điều khiển dạng không dùng cảm biến góc 3 55 Trang xi Danh sách các bảng Bảng 3.1. Các thông s h thng cn trc 18 Bảng 3.2. Các thông s b điều khiển 20 Bảng 3.3. Các thông s b điều khiển 24 Bảng 4.1. Các thông s b điều khiển 44 Bảng 4.2. Các thông s b điều khiển 48 Bảng 4.3. Đáp ứng ngõ ra của các mô hình điều khiển 48 Bảng 4.4. Đáp ứng ngõ ra của các mô hình điều khiển 50 Bảng 4.5. Đáp ứng ngõ ra của các mô hình điều khiển 52 Bảng 4.6. Đáp ứng ngõ ra của các mô hình điều khiển 54 Bảng 4.7. So sánh các phơng pháp điều khiển chng lắc tại thi điểm xác lập 56 1. TNG ẬUAN Trang 1 Chng 1. TNG QUAN 1.1. Giới thiu chung Cn trc đc sử dng rng rưi để vận chuyển vật nặng và vật liu đc hại trong xí nghip đóng tàu, nhà máy hạt nhân, xây dng nhà cao tngầ Có rt nhiều loại cn trc tùy theo công dng, có 2 phân loại phổ biến nh cn trc giàn (gantry crane) và cn trc tr (tower crane). Mt s hình ảnh [1] về các loại cn trc hin nay trình bày nh Hình 1.1. a) b) c) d) Hình 1.1. CáẾ ếạnỂ Ếầu trụẾ Hình 1.1a và Hình 1.1b- Cần trụẾ Ểiàn; Hình 1.1c và 1.1d- Cần trụẾ trụ 1. TNG ẬUAN Trang 2 1.2. Các phng pháp nghiên cứu v điu khin h thống cần trục Cn trc đc sử dng để di chuyển vật nặng từ điểm này đến điểm khác trong thi gian nh nht để vật đến đc đích mà không bị lắc (dao đng). Trong quá trình hoạt đng, tải dao đng t do nh chuyển đng của con lắc do tc đ di chuyển. Dao đng này sẽ gây ảnh hng đến môi trng xung quanh có thể gây nguy hiểm cho con ngi hay làm hng các vật lân cận.Vì vậy, nếu dao đng vt quá giới hạn cho phép, nó phải đc giảm dao đng hoặc phải dừng hoạt đng cho đến khi dao đng bị trit tiêu. Nhng vn đề này đư thúc đẩy nhiều nhà nghiên cứu phát triển thuật toán điều khiển để t đng hóa các hoạt đng cn trc. Hoạt đng cn trc có thể thc hin thông qua quá trình t đng hóa, mt vài nghiên cứu đư hớng tới nhim v này. Di chuyển tải từ điểm này tới điểm khác là khâu chiếm hu hết thi gian trong toàn b quá trình và đòi hi di chuyển tải d dàng mà không gây ra dao đng lớn là trọng tâm của các nghiên cứu hin nay. Nhiều n lc khác nhau của điều khiển chng lắc cho giàn cn trc t đng đư đc đề xut Singhose và cng s [2], Park và cng s [3] thông qua kỹ thuật tạo Hình đu vào là phơng pháp vòng lặp h. Tuy nhiên, nhng phơng pháp này không thể làm giảm chn đng tt s dao đng lắc còn d. Gupta và Bhowal [4] cũng trình bày đơn giản kỹ thuật chng lắc vòng h. Họ đư thc hin kỹ thuật này da vào vic điều khiển vận tc trong chuyển đng. Nghiên cứu đáng chú ý khác vào điều khiển vòng h ti u về thi gian cũng đư đc thc hin bi Manson [5] và cũng bi Auernig & Troger [6] để điều khiển cn trc qua đu với cn trc. Tuy nhiên đây là nhng phơng pháp tiếp cận vòng h là có ảnh hng đến các thông s h thng. Mặt khác, các điều khiển hồi tiếp mà đc biết đến là ít ảnh hng đến các s thay đổi tham s và các nhiu cũng đư đc đề xut trong mt s nghiên cứu khác nhau từ các phơng pháp PID truyền thng (tỷ l + tích phân + vi phân) đến phơng pháp thông minh. Omar [7] đề xut điều khiển PD cho vị trí xe đẩy và vic trit dao đng lắc. Nalley và Trabia [8] đư thông qua điều khiển logic m để điều khiển định vị và giảm xóc dao đng lắc. Tơng t nh vậy, Lee & Cho [9] đề xut điều khiển hồi tiếp bằng cách sử dng logic m. Mt h thng điều khiển logic m với khái nim điều khiển chế đ trt cũng đc phát triển cho mt h thng cn trc qua đu bi Liu và cng s [10]. Hơn na, mt h thng giàn cu trc thông minh da trên h m cũng đư đc đề xut bi Wahyudi & Jalani [11]. B điều khiển logic m đề xut bao gồm vị trí cũng nh các b điều khiển chng lắc. 1. TNG ẬUAN Trang 3 Tuy nhiên, hu hết các h thng điều khiển hồi tiếp đề xut vic cn các cảm biến để đo vị trí xe đẩy cũng nh chuyển đng dao đng lắc tải. Ngoài ra, trong thc tế, thiết kế đo lng dao đng lắc của h thng cn trc thc, không phải là mt nhim v d dàng vì có mt cơ chế cẩu trên cáp linh đng song song. Altafini và cng s [12] trình bày mt phơng pháp sử dng các phép đo mô-men xoắn đin và vận tc góc của các vic điều khiển cho quan sát tải đng. Tuy nhiên, nó đc sử dng thay vì hai cảm biến bổ sung để quan sát góc dao đng lắc bi biết chiều dài của cáp. Mt s nghiên cứu cũng đư tập trung vào các đề án kiểm soát với h thng thị giác là khả thi hơn bi vì các b cảm biến thị giác đó không lắp đặt  phía tải. Vic điều khiển hồi tiếp gn đây bằng cách sử dng máy ảnh CCD cũng đc thc hin thành công bi Lee và cng s [13], Osumi và cng s [14]. Nhng hạn chế của h thng thị giác, trong s đó là chi phí cao và s bảo trì khó khăn [15]. Ngoài ra, mt nghiên cứu điều khiển chng lắc không dùng cảm biến góc da trên mô hình toán học thc hin bi Wahuydi và Mahmud [16], nhận dạng và điều khiển giảm dao đng cu trc sử dng card PCI do Thuyên và Nam [17]. 1.3. Mục tiêu vƠ giới hạn của đ tƠi Mc tiêu đề tài là điều khiển t đng h thng cn trc không dùng cảm biến góc. Cảm biến thc đo lng góc dao đng tải đc thay thế bi cảm biến mềm (soft sensor) hoặc bằng mạng nơron. Áp dng các thuật toán điều khiển trên mô hình thc, giao tiếp gia h thng thc và máy tính để điều khiển thông qua card DSP-28335 [18, 19]. Giới hạn của đề tài chỉ thiết kế điều khiển không dùng cảm biến góc có kiểm soát dòng đin trên mô hình h thng cn trc (Hình 1.1a). 1.4. Phng pháp nghiên cứu Các phơng pháp nghiên cứu đc sử dng trong luận văn bao gồm: - Khảo sát, phân tích tổng hp phơng pháp điều khiển h thng có sử dng cảm biến góc và không có sử dng cảm biến góc. - Mô phng trên phn mềm Matlab & Simulink. - Điều khiển chng lắc trên mô hình thc nghim. - Đánh giá kết quả da trên mô phng và thc nghim. [...]... giải thuật điều khiển, mô hình điều khiển sẽ sử d ng 3 b điều khiển PID nh b điều khiển vị trí, b điều khiển góc và b điều khiển dòng - B điều khiển PID vị trí dùng để tạo tín hi u điều khiển làm cho xe chạy nhanh về vị trí đặt - B điều khiển PID góc tải dùng tạo tín hi u điều khiển làm cho xe chạy chậm lại hoặc chạy ng c (b i khi xe chạy nhanh sẽ làm góc tải tăng lên gây ra dao đ ng) để góc nh d n... qua các mô hình trong h th ng c n tr c, học viên tiến hành các thuật toán điều khiển h th ng này thông qua môi tr ng mô ph ng Matlab & Simulink để kiểm tra đ tinh cậy của các ph ơng pháp tr ớc khi th c nghi m trên mô hình th c N i dung của ch ơng 3 bao gồm: 1) Ph ơng pháp điều khiển h th ng c n tr c có dùng cảm biến góc và ph ơng pháp điều khiển h th ng không dùng cảm biến góc: dùng cảm biến mềm (soft-sensor)... cơ và góc tải phải nh khi di chuyển tải từ vị trí này qua vị trí khác và quyết định chọn thông s điều khiển theo sơ đồ điều khiển h th ng theo dạng đơn giản hóa với tải trọng là 3kg (m2=3kg ) Từ mô hình chuẩn này, học viên sẽ bắt đ u thiết lập m i liên h gi a vị trí c n tr c và góc tải để thiết kế h th ng điều khiển c n tr c không dùng cảm biến góc 3.1.2 Đi u khi n h thống không dùng cảm bi n góc 3.1.2.1... bao gồm: Cể nỂ 2 C s ệý tểuỔ t Trình bày các lý thuyết liên quan sử d ng trong luận văn Xây d ng mô hình toán mô tả h th ng c n tr c c n nghiên cứu Cể nỂ 3 CáẾ pể nỂ pểáp đi u Ệểi n N i dung của ch ơng giới thi u về các ph ơng pháp nh điều khiển dùng cảm biến góc và điều khiển không dùng cảm biến góc Mô ph ng các ph ơng pháp điều khiển trên ph n mềm Matlab & Simulink và đánh giá kết quả đạt đ c Cể nỂ... và phi tuyến khi có b điều khiển 2.1 H thống cần trục t động H th ng c n tr c là m t quá trình xử lý phổ biến cho các m c đích giáo d c trong lĩnh v c của kỹ thuật điều khiển Điều quan trọng là h th ng có đ ổn định về s minh chứng cho phạm vi r ng các thuật toán điều khiển Với s cải tiến đang phát triển của công c cho vi c kiểm tra và th c hi n quỹ đạo của các thuật toán điều khiển đư tr nên hi u quả... cảm biến mềm (soft-sensor) + b điều khiển góc, dùng nhận dạng nơron + b điều khiển góc và dùng nhận dạng nơron; 2) So sánh các kết quả đạt đ c gi a các ph ơng pháp về đ vọt l , sai s xác lập và th i gian quá đ , 3.1 Các ph ng pháp đi u khi n h thống cần trục t động D a vào mô hình toán học của h th ng, học viên xây d ng mô hình trong ph n mềm Matlab & Simulink và điều khiển h th ng này theo kiểu vòng... tạo ra s ớc l ng đ u ra của dao đ ng lắc tải trọng mà sẽ đ c sử d ng cho tín hi u hồi tiếp đến b điều khiển nh Hình 3.14 sau MÁY TÍNH Cảm biến mềm B điều khiển ch ng lắc - xref + Cảm biến vị trí xe đẩy 2 s 2 ls  g + B điều khiển vị trí + + _ B điều khiển dòng H TH NG C N TR C T Đ NG xcantruc  ia Cảm biến dòng Hình 3.14 S đi u Ệểi n ẾểốnỂ ệắẾ ỆểônỂ ếùnỂ Ếảm bi n ỂựẾ 1 Trang 28 3 CÁC PH NG PHÁP ĐI... ng cơ Góc của tải và t c đ của đ ng cơ là các ngõ vào cho b điều khiển trong khi đi n áp đến đ ng cơ là ngõ ra của b điều khiển M c đích của b điều khiển là s di chuyển tải đến m t vị trí mới nhanh nh t có thể và giới hạn dao đ ng của góc tải Mô phỏng đi u khi n h thống cần trục không có bộ đi u khi n PID dòng đi n Các thông s của các b điều khiển nh Bảng 3.2 BảnỂ 3.2 CáẾ tểônỂ số bộ đi u Ệểi n H số... vi c di chuyển tải đến m t vị trí mới có thể th y m t quá trình xử lý tích h p với góc của tải nh m t quá trình ổn định (thanh sẽ đạt vị trí 0, ngay cả khi không có các hành đ ng điều khiển) Từ điều này, ta có thể xem góc tải luôn nh (g n bằng 0) là điều mong mu n trong su t th i gian điều khiển và mô hình h th ng điều khiển trên đ c thiết kế theo dạng t i u sau Sơ đồ kh i mô ph ng nh Hình 3.12 sau:... n góc 3.1.2.1 Đi u khi n h thống không dùng cảm bi n góc 1 Theo Mahmud I.S và Wahyudi[16], từ h ph ơng trình (2.18), m i t ơng quan gi a vị trí và góc tải có thể ớc l ng nh sau: ˆ  s 2 xcantruc ls 2  g (3 1) Nh vậy, thông tin đ ng học của vị trí xe đẩy xcantruc đ c đ a đến mô hình d a trên cảm biến mềm Mô hình d a trên cảm biến mềm tạo ra s ớc l ng đ u ra của dao đ ng lắc tải trọng mà sẽ đ c sử . quả điều khiển dạng có dùng cảm biến góc và cảm biến dòng 49 Hình 4.19. Sơ đồ khi điều khiển chng lắc không dùng cảm biến góc 1 50 Hình 4.20. Kết quả điều khiển dạng không dùng cảm biến góc. đồ khi điều khiển chng lắc không dùng cảm biến góc 2 52 Hình 4.22. Kết quả điều khiển dạng không dùng cảm biến góc 2 53 Hình 4.23. Sơ đồ khi điều khiển chng lắc không dùng cảm biến góc 3. 4.2.1. Điều khiển chng lắc trên h thng có dùng cảm biến góc 41 4.2.2. Điều khiển chng lắc trên h thng không dùng cảm biến góc 1 50 4.2.3. Điều khiển chng lắc trên h thng không dùng cảm biến