Điều khiển giảm dao động của tải trên cần trục tháp dùng PID

Trang viii MC LC TRANG Lý lịch cá nhân iii Lời cam đoan iv Cảm tạ v Tóm tắt vi Mục lục viii Danh sách các chữ viết tắt x Danh sách các hình xii Danh sách các bảng xiii Chng 1: Tổng Quan 1.1Giới Thiệu 1 1.2Mục tiêu của đề tài 3 1.3 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài 3 1.4Phương pháp tiếp cận đề tài 3 1.5Nội dung đề tài 4 Chng 2: C sở lý thuyt 2.1Giới thiệu sơ lược về hệ thống cần trục tháp 5 2.2 Mô hình hóa cần trục tháp 7 2.3 Mô hình toán học hệ thống tháp cần trục 11 2.4 Mô hình hóa động cơ servo 13 2.5 Giải thuật di truyền 16 2.5.1 Lưu đồ giải thuật 17 2.5.2 Mã hoá – Giải mã 18 2.5.3 Hàm thích nghi 19 2.5.4 Chọn lọc tự nhiên 20 Trang ix TRANG 2.5.5 Lai ghép 23 2.5.6 Đột biến 25 2.5.7 Các thông số của giải thuật di truyền 26 2.5.8 Giải thuật di truyền mã số thực 26 2.6 Sơ lược về thuật toán PID 29 Chng 3: Thut toán điu khin cơn bằng cần trc tháp 3.1 Khảo sát đáp ứng của hệ thống cần trục tháp trong Simulink Matlab 32 3.2 Khảo sát đáp ứng của hệ thống trong trường hợp 1 35 3.3 Khảo sát đáp ứng của hệ thống trong trường hợp 2 40 Chng 4: Kt qu thực nghim 4.1 Mô hình cần trục tháp thực 45 4.2 Kết quả điều khiển giảm dao động của tải trên cần trục tháp. 48 Chng 5: Kt Lun vƠ Hng Phát Trin Đ TƠi 5.1 Kết quả đạt được của đề tài 56 5.2 Hướng phát triển của đề tài 56 TƠi liu tham kho 57 Ph lc 58 Trang x DANH SÁCH CÁC CH VIT TT DC: Direct Current DSP: Digital signal processing GA: Genetic Algorithm PD: Proportional Integral PID: Proportional Integral Derivative VB: Visual basic Trang xi DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1: Hình ảnh cần trục tháp 2 Hình 2.1: Mô hình cần trục tháp 5 Hình 2.2: Mô hình cần trục tháp thực 6 Hình 2.3: Hệ trục tọa độ của cần trục 7 Hình 2.4: Khối động cơ DC 13 Hình 2.5: Lưu đồ giải thuật di truyền 17 Hình 2.6: Mã hoá nhị phân 18 Hình 2.7: Mã hóa thập phân 19 Hình 2.8: Chọn lọc sắp hạng tuyến tính 21 Hình 2.9: Lai ghép một điểm 23 Hình 2.10: Lai ghép nhiều điểm 24 Hình 2.11: Lai ghép đều 24 Hình 2.12: Đột biến một điểm 25 Hình 2.13: Đột biến nhiều điểm 26 Hình 2.14: Bộ điều khiển PID – GA 27 Hình 2.15: Chỉnh thông số bộ điều khiển PID 28 Hình 2.16: Chỉnh định thông số PID qua hai bước 28 Hình 2.17 Chỉnh định thông số PID qua một bước 29 Hình 2.18: Lưu đồ chương trình con thực hiện bộ PID số 31 Hình 3.1: Sơ đồ mô phỏng hệ cần trục tháp 32 Hình 3.2: Sơ đồ khối Simulink mô tả hệ thống cần trục tháp 33 Hình 3.3: Bộ điều khiển PID xe chạy 34 Hình 3.4: Bộ điều khiển PID trục xoay 34 Hình 3.5: Vị trí của tải sau 20 giây (trường hợp 1) 36 Hình 3.6: Vận tốc của tải sau 20 giây (trường hợp 1) 36 Hình 3.7: Góc dao động theta của tải sau 20 giây (trường hợp 1) 37 Trang xii Hình 3.8: Vận tốc góc theta của tải sau 20 giây (trường hợp 1) 37 Hình 3.9: Góc dao động phi của tải sau 20 giây (trường hợp 1) 38 Hình 3.10: Vận tốc góc phi của tải sau 20 giây (trường hợp 1) 38 Hình 3.11: Góc dao động gamma của tải sau 20 giây (trường hợp 1) 39 Hình 3.12: Vận tốc góc gamma của tải sau 20 giây (trường hợp 1) 39 Hình 3.13: Vị trí của tải sau 20 giây (trường hợp 2) 40 Hình 3.14: Vận tốc của tải sau 20 giây (trường hợp 2) 41 Hình 3.15: Góc dao động theta của tải sau 20 giây (trường hợp 2) 41 Hình 3.16: Vận tốc góc dao động theta của tải sau 20 giây (trường hợp 2) 42 Hình 3.17: Góc dao động phi của tải sau 20 giây (trường hợp 2) 42 Hình 3.18: Vận tốc góc dao động phi của tải sau 20 giây (trường hợp 2) 43 Hình 3.19: Góc dao động gamma của tải sau 20 giây (trường hợp 2) 43 Hình 3.20: Vận tốc góc dao động gamma của tải sau 20 giây (trường hợp 2) 43 Hình 4.1: Mô hình cần trục tháp thực 45 Hình 4.2: Chương trình Matlab lập trình điều khiển 46 Hình 4.3: Khối PID hai biến điều khiển xe 47 Hình 4.4: Khối PID hai biến điều khiển trục xoay 47 Hình 4.5: Giao diện hiển thị đáp ứng hệ thống cần trục 48 Hình 4.6: Đáp ứng vị trí của xe (trường hợp 1) 48 Hình 4.7: Đáp ứng góc theta của tải (trường hợp 1) 49 Hình 4.8: Đáp ứng góc phi của tải (trường hợp 1) 49 Hình 4.9: Đáp ứng góc xoay gamma của trục xoay (trường hợp 1) 50 Hình 4.10: Điện áp của động cơ xe chạy (trường hợp 1) 50 Hình 4.12: Điện áp của động cơ trục xoay (trường hợp 1) 51 Hình 4.13: Đáp ứng vị trí của xe (trường hợp 2) 51 Hình 4.14: Đáp ứng góc theta của tải (trường hợp 2) 52 Hình 4.15: Đáp ứng góc phi của tải (trường hợp 2) 52 Hình 4.146 Đáp ứng góc xoay gamma của trục xoay (trường hợp 2) 53 Hình 4.16: Điện áp của động cơ xe chạy (trường hợp 2) 53 Trang xiii Hình 4.17: Điện áp của động cơ trục xoay (trường hợp 2) 54 Trang xiv DANH SÁCH CÁC BNG BNG TRANG Bảng 3.1. Thông số mô hình cần trục tháp 35 Bảng 3.2. Thông số mô phỏng trường hợp 1 35 Bảng 3.3. Thông số mô phỏng trường hợp 2 40 Trang 1 Chng 1 TNG QUAN 1.1 Gii thiu Cần trc đc sử dng để di chuyển tải từ một điểm đến một điểm trong thời gian ngắn nhất,để tải đến đc đích . Trong quá trình di chuyển, tải dao động tự do giống nh dao động của con lắc. Thông thờng, một ngời điều khiển cần trc giỏi sẽ thực hiện công việc này để đảm bảo tải không đc dao động quá mức và thời gian thực hiện nhanh. Nếu nh dao động vt quá giới hạn thích hp, nó cần phải đc giảm dao động hoặc phải dừng hoạt động lại cho đến khi dao động không còn. Nh vậy sẽ tốn thời gian và hiệu suất làm việc của cần trc. Những khó khăn này thúc đẩy nhiều nhà nghiên cứu phát triển thuật toán điều khiển để điều khiển cần trc tự động. Điều khiển cần trc đc chia làm năm bớc: kẹp giữ (gripping) tải cần di chuyển, nâng lên, di chuyển, hạ xuống, thả ra. Trong đó bớc di chuyển tải cần phải chống dao động trên tải, ph thuộc nhiều tham số chiều dài dây cáp, tải trọng. Do đó, làm sao để cho tải luôn giữ đc cân bằng trong khi di chuyển tải là yếu tố quan trọng để điều khiển cần trc. Vấn đề xác định góc dao động của tải ,vị trí của tải để hệ thống đa ra tín hiệu điều khiển đa tải về vị trí cân bằng.Những nghiên cứu điều khiển cần trc đư đc nhiều ngời thực hiện bằng những phơng pháp sau. Phơng pháp điều khiển trong vòng lặp và dao động của tải đc điều chỉnh. Năm 2001, Henry và Masoud [10] đư thêm bộ giảm xóc bằng phản hồi góc dao động, tốc độ của tải, phản hồi khâu trễ của góc dao động, phản hồi này làm tăng thêm quỹ đạo khi điều khiển bởi ngời điều khiển. Cách thứ hai, Robinett thực hiện 1999, đư bỏ kích thích tải gần với tần số tự nhiên của tải bằng cách thêm bộ lọc để loại bỏ tần số từ ngõ vào [11] . Thời gian delay đc thêm vào giữa bộ điều Trang 2 khiển và ngõ vào của hệ thống, điều này làm khó khăn cho ngời điều khiển. Cách thứ ba, Balachandran thực hiện 1999, thêm một bộ giảm sóc cơ khí vào cấu trúc của cần trc. Để thực hiện phơng pháp này cần xem xét lại số lng nguồn, để làm điều này thì không thực tế.  Phơng pháp điều khiển loại bỏ vòng lặp, điều khiển tự động đc thực hiện bằng nhiều kỹ thuật khác nhau. Kỹ thuật thứ nhất, dựa trên quỹ đạo để di chuyển tải tới đích với dao động nhỏ nhất. Quỹ đạo đạt đc bằng kỹ thuật biên dạng ngõ vào hoặc điều khiển tối u. Phơng pháp kỹ thuật thứ hai, dựa vào phản hồi vị trí và góc dao động. Phơng pháp kỹ thuật thứ ba phân chia bộ điều khiển thành hai phần: bộ điều khiển chống dao động và bộ điều khiển bám (tracking). Bộ điều khiển tracking đư đc thực hiện bằng nhiều phơng pháp nh: bộ điều khiển PD (Proportional-Derivative) của Henry thực hiện 1999 và Masoud thực hiện 2000, điều khiển Fuzzy của Yang thực hiện 199θ. Bộ điều khiển chống dao động cũng đc đc Henry (1999) và Masoud (2000) bằng phơng pháp phản hồi vị trí. Điều khiển bằng Fuzzy cũng đc thực hiện bởi Nalley và Trabia vào năm 1994. Trong đề tài này, học viên chọn điều khiển PID áp dng điều khiển hệ cần trc tháp. Hình 1.1: Hình ảnh cần trc tháp Trang 3 1.2 Mc tiêu của đ tƠi Mc tiêu chính của đề tài nàylà thiết kếbộ điều khiểnPID cho cần trc tháp. Bộ điều khiểnđc thiết kế đểgiữ cân bằng tảichống dao động . Dùng giải thuật di truyền để tinh chỉnh hệ số bộ điều khiển PID trong mô phỏng Matlab. Thuật toán đc thực hiện trên mô hình cần trc tháp thực. 1.3 Nhim v của đ tƠi vƠ gii hn đ tƠi Thiết kế và thi công mô hình hệ thống cần trc tháp. Dùng giải thuật di truyền để tinh chỉnh hệ số bộ điều khiển PID. Thiết kế giải thuật điều khiển cần trc , tiến hành mô phỏng và áp dng lên trên mô hình. Tiến hành chạy thử và phân tích đáp ứng của hệ thống. Giới hạn của đề tài chỉ thiết kế và điều khiển tải cân bằng trên mô hình cần trc tháp. 1.4 Phng pháp tip cn đ tƠi Đề tài đc tiếp cận dựa trên các phơng pháp sau: Phơng pháp khảo sát tài liệu, tìm hiểu các tài liệu liên quan đến đến đề tài nh điều khiển cần trc, điều khiển phi tuyến. Phơng pháp khảo sát các cần trc thực tế và các mô hình cần trc thờng đc sử dng trong phòng thí nghiệm. Phơng pháp thực nghiệm tiến hành xây dựng các thuật toán điều khiển chống dao động tải trên cần trc. [...]... hệ thống cần tr c tháp, quá trình xây dựng mô hình toán học của hệ thống cần tr c tháp tuyến tính và phi tuyến 2.1 Gi i thi u s l c v h thống cần tr c tháp Cần tr c tháp là một hệ thống cơ khí điện tử phi tuyến hoạt động phức tạp Cần tr c tháp cơ bản gồm có 3 phần chính sau: Chân đế cần tr c: giữ cho cần tr c đứng thẳng, chịu toàn bộ sức nặng trên cần tr c Thân cần tr c: là chiều cao của cần tr c Cánh... đòn, xe có gắn động c nối với tải bằng s i dây cáp để nâng tải lên xuống và hai cảm biến góc quay (Rotation Angle Sensor Potentionmeter )dùng để đo góc ,  của tải Động cơ điều khiển xe chạy, encoder xác định vị trí xe x Xe chạy Cảm biến góc Động cơ điều khiển tr c xoay Góc  Hình 2.2: Mô hình cần tr c tháp thực Phần đi n t : gồm cảm biến đo vị trí xe, góc xoay cần tr c và góc dao động của tải, mạch khuếch... tƠi Nội dung phần còn lại của đề tài gồm các ch ơng nh sau:  Chương 2: Cơ sở lý thuyết Nội dung ch ơng 2 trình bày về các b ớc xây dựng mô hình toán học cần tr c tháp đ c thiết lập dựa trên các thuộc tính động học Lý thuyết điều khiển PID và giải thuật di truyền  Chương 3: Thuật toán điều khiển cân bằng cần trục tháp Nội dung ch ơng ba trình bày bộ điều khiển PID, điều khiển khối xe chạy (trolley)... men quán tính động cơ � � hệ số tỷ lệ bánh răng truyền động � vị trí góc động cơ = � vị trí góc của tải hệ số suy giảm tải tr c hộp số hệ số suy giảm tr c động cơ hệ số suy giảm tr c của rô tô Trang 13 (2.4.3) tổng hệ số suy giảm động cơ � + � +  Phần c : � � � =� � tổng mô men xoắn tại tr c động cơ �� mô men xoắn nhiễu, cho � � � + � =� (2.4.4) =0 Ph ơng trình cho động lực tải tại tr c động cơ (2.4.5)... hình hóa cần tr c tháp Hệ thống cần tr c tháp bao gồm tải có khối l ng m, đ có chiều dài L có thể dao động tự do góc , , xe chạy có khối l c nối với dây dẫn ng M chạy dọc theo cánh tay đòn và vị trí trên xe chạy trên cánh tay đòn là x, cần tr c có thể xoay với góc  Hệ tr c tọa độ cần tr c đ c thể hiện ở hình 2.3 Hình 2.3: Hệ tr c tọa độ của cần tr c Trang 7 Tải có thể quay tròn xung quanh tr c tháp. .. Chỉnh định dùng GA Đánh giá b đi u khi n B đi u khi n PID Hình 2.17 Chỉnh định thông số PID qua một b ớc 2.6 S l c v thu t toán PID Thuật toán PID là một trong những thuật toán đ c ứng d ng rộng rưi trong nhiều ứng d ng hiện nay bởi tính hiệu quả của nó Trong phạm vi đề tài này, thuật toán PID đ c học viên sử d ng đề điều khiển giữ cân bằng hệ cần tr c tháp Giá trị ngõ ra của bộ điều khiển PID là tổng... thống tháp cần tr c Cần tr c điều khiển này đ đ c điều khiển bằng ba động cơ DC và ngõ ra c đo bằng hai encoder, hai cảm biến điện trở Có ba tín hiệu điều khiển cho 3 mô tơ 1 Điên áp ngõ vào để di chuyển xe lăn trên cánh tay đòn 2 Điên áp ngõ vào để xoay cánh tay đòn Trang 11 3 Điên áp ngõ vào để nâng tải lên Bốn ngõ ra đ c đo bằng encoder và cảm biến điện trở 1 Góc của cánh tay đòn  2 Vị trí của xe... (trolley) và cánh tay xoay tròn (arm) Tinh chỉnh thông số bộ điều khiển PID dùng giải thuật GA.Trình bày các kết quả mô phỏng hoạt động cần tr c tháp với các thông số khác nhau tìm đ c từ giải thuật GA  Chương 4: Kết quả thực nghiệm Trình bày kết quả thực nghiệm về thuật toán PID điều khiển cần tr c tháp  Chương 5: Kết luận và hướng phát triển của đề tài Nội dung ch ơng 5 trình bày tóm tắt các kết quả... góc dao động của tải, học viên chọn cảm biến góc quay (Rotation Angle Sensor Potentionmeter)tín hiệu đ c kết nối vào ADCIN của DSP để đọc giá trị góc của tải Ch ng trình: ch ơng trình điều khiển cần tr c tháp học viên không viết trực tiếp trên Code Composer Studio mà kết h p với Matlab2009a thôngqua th viện Target Support Package TC2 để tận d ng các hàm tính toán mạnh có sẵn trong Matlab u điểm của. .. c gắn trên đầu cần tr c, bao gồm động cơ, hộp số làm cho cần tr c xoay tròn Khối cánh tay xoay tròn bao gồm 2 phần chính: Cánh tay đòn: một thanh dài để mở rộng chiều ngang cần tr c Xe chạy (trolley): chạy đọc theo cánh tay đòn và di chuyển tải Hình 2.1: Mô hình cần tr c tháp Trang 5 Phần c khí: chân đế cần tr c bằng sắt giữ cho cần tr c đứng thẳng, phần thân cần tr c bằng sắt cao 1,3 m có gắn động . nghim 4.1 Mô hình cần trục tháp thực 45 4.2 Kết quả điều khiển giảm dao động của tải trên cần trục tháp. 48 Chng 5: Kt Lun vƠ Hng Phát Trin Đ TƠi 5.1 Kết quả đạt được của đề tài 56 5.2. trọng để điều khiển cần trc. Vấn đề xác định góc dao động của tải ,vị trí của tải để hệ thống đa ra tín hiệu điều khiển đa tải về vị trí cân bằng.Những nghiên cứu điều khiển cần trc đư. bộ PID số 31 Hình 3.1: Sơ đồ mô phỏng hệ cần trục tháp 32 Hình 3.2: Sơ đồ khối Simulink mô tả hệ thống cần trục tháp 33 Hình 3.3: Bộ điều khiển PID xe chạy 34 Hình 3.4: Bộ điều khiển PID trục