Điều khiển cần trục xoay bằng fuzzy logic

Đồng thời, sự trợ giúp của quí Thầy trong bộ môn Tự động hóa trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh về các tài liệu điều khiển tự động và các thiết bị đo kiểm.. Thông qua

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ DƯƠNG QUANG HUY

ĐIỀU KHIỂN CẦN TRỤC XOAY BẰNG FUZZY LOGIC

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202

Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2015

S K C0 0 4 7 4 5

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

ĐIỀU KHIỂN CẦN TRỤC XOAY BẰNG

FUZZY LOGIC

Trang i

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:

Họ & tên: Dương Quang Huy Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 12/10/1988 Nơi sinh: Nha Trang

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 237/Vĩnh Tiến/Vĩnh Hòa/Phú Giáo/Bình Dương Điện thoại cơ quan: Điện thoại nhà riêng:0948489594

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

1 Trung học chuyên nghiệp:

Nơi học (trường, thành phố):

Ngành học:

2 Đại học:

Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 9/2006 đến 9/2011

Nơi học (trường, thành phố): Đại học Sư phạm Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh

Ngành học: Điện công nghiệp

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:

Năm 2011

đến năm

2015

(Khoa Điện – Điện tử) Năm 2012

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của học em

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công

bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2015

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Dương Quang Huy

Trang iii

Lời cảm ơn

Trong thời gian thực hiện luận văn này, học viên xin chân thành cám ơn Thầy

TS Nguyễn Minh Tâm đã hướng dẫn và giúp đỡ học viên hoàn thành luận văn

Đồng thời, sự trợ giúp của quí Thầy trong bộ môn Tự động hóa trường Đại học

Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh về các tài liệu điều khiển tự động và các thiết bị đo kiểm Học viên xin cám ơn quí Thầy

Ngoài ra, học viên xin cám ơn các bạn học viên ngành Kỹ thuật điện tử trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã đóng góp ý kiến trong quá trình thực hiện

Trong thời gian này, gia đình và Ban Giám Hiệu trường đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã tạo mọi điều kiện và tinh thần động viên giúp học viên hoàn thành tốt luận văn này

Xin chân thành cám ơn!

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Các cần trục được sử dụng rộng rãi để vận chuyển vật nặng và vật liệu độc hại trong các nhà máy hạt nhân, xí nghiệp, đóng tàu, xây dựng nhà cao tầng… Việc vận chuyển bằng cần trục đòi hỏi phải nhanh chóng và để đảm bảo an toàn đối với người điều khiển và vật xung quanh thì dao động ở tải được giữ nhỏ trong suốt quá trình vận chuyển Hệ thống này điều khiển xe chạy đảm bảo cho góc dao động luôn ổn định và triệt tiêu khi xe chạy đến vị trí đặt

Thông qua luận văn, tác giả trình bày phương pháp điều khiển chống lắc tải cho hệ thống cần trục tháp tự động dung giải thuật Fuzzy Mô hình toán học được thiết lập

và bộ điều khiển chống lắc cho hệ thống này có sử dụng cảm biến góc và encoder Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy phương pháp điều khiển chống lắc cho kết quả khá tốt

Mô hình toán của cần trục được xây dựng dựa trên các phương trình vật lý thông qua phép biến đổi Laplace và mô phỏng trên phần mềm Mallab & Simulink Mô hình này được sử dụng để mô phỏng đáp ứng của cần trục dựa vào phương pháp điều khiển chống lắc bằng Logic mờ

Trang v

ABSTRACT

Cranes are widely used in the various applicationgs such as the heavy loads transportation and hazardous materials in shipyards, factories,the nuclear plants and high building constructions Transportating by cranes needs to be as fast as possible and at the same time, to ensure safety for the driver as well as surrounding objects the load swing must be kept small during the transporting process and completely vanished at the load destination This system controls the trolley in place anh ensures stable swing angle and extinguished when dirving to the setpoint through

This paper presents methods against fluctuating load control system for tower crane automatic Fuzzy Logic This system uses sensors and angle encoder to the feedback signal The simulation results showed that the experimental and control method reduces oscillation for good results

The Mathematical model of the gantry crane was based on the physical equations through the Laplace transform and simulated by the Matlab & Simulink software This model was used to simulate the response of the grantry crane relied on the method of anti swing control using Fuzzy Logic

Danh sách các từ viết tắt

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

Trang vii

DANH SÁCH CÁC BẢNG

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Trang ix

MỤC LỤC

LÝ LỊCH KHOA HỌC i

LỜI CAM ĐOAN ii

LỜI CẢM ƠN iii

TÓM TẮT LUẬN VĂN iv

ABSTRACT v

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT vi

DANH SÁCH CÁC BẢNG vii

DANH SÁCH CÁC HÌNH viii

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu 1

1.2 Mục tiêu của đề tài 2

1.3 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài 3

1.4 Phương pháp tiếp cận đề tài 3

1.5 Nội dung luận văn 3

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Mô tả hệ thống 5

2.2 Thông số hệ thống 6

2.3 Phương trình động lực học 8

2.4 Hệ phương trình không gian trạng thái của cầu trục 10

CHƯƠNG 3: THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG CẦU TRỤC 3.1 Thuật toán điều khiển 12

3.2 Thiết kế bộ luật điều khiển Fuzzy Logic cho mô hình cần trục xoay 13

3.3 Kết quả mô phỏng 22

Chương 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM

4.2 Kết quả điều khiển giảm dao động của tải trên cần trục xoay 31

4.3 So sánh với phương pháp PID truyền thống 35

Chương 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 5.1 Kết quả đạt được của đề tài 38

5.2 Hướng phát triển của đề tài 38

TÀI LIỆU THAM KHẢO 39

PHỤC LỤC 41

Trong quá trình di chuyển, tải dao động tự do giống như dao động của con lắc Thông thường, một người điều khiển cần trục giỏi sẽ thực hiện công việc này để đảm bảo tải không được dao động quá mức và thời gian thực hiện nhanh Nếu như dao động vượt quá giới hạn thích hợp, nó cần phải được giảm dao động hoặc phải dừng hoạt động lại cho đến khi dao động không còn Như vậy sẽ tốn thời gian và hiệu suất làm việc của cần trục Những khó khăn này thúc đẩy nhiều nhà nghiên cứu phát triển thuật toán điều khiển cho điều khiển cần trục tự động

Vấn đề xác định góc dao động của tải ,vị trí của tải để hệ thống đưa

ra tín hiệu điều khiển đưa tải về vị trí cân bằng Những nghiên cứu điều khiển cần trục đã được nhiều người thực hiện bằng những phương pháp sau

Nhiều nỗ lực khác nhau của điều khiển chống lắc cho giàn cầu trục

tự động đã được đề xuất singhouse và cộng sự [4], Park và cộng sự [10] thông qua kỹ thuật tạo hình đầu vào là phương pháp vòng lặp hở Tuy nhiên, những phương pháp này không thể làm giảm dao động tốt Mặc khác, các điều khiển hồi tiếp mà được biết đến là ít ảnh hưởng đến sự thay đổi tham số và các nhiễu cũng đã được đề xuất trong một số nghiên cứu khác nhau từ các phương pháp PID truyền thống đến các phương pháp thông minh Omar [6] đề xuất điều khiển PD cho vị trí xe đẩy và việc triệt

Trang 2

khiển định vị và giảm xóc dao động lắc Tương tự như vậy, Lee & Cho [5]

đề xuất điều khiển hồi tiếp bằng cách sử dụng logic mờ Một hệ thống điều khiển logic mờ với khái niệm điều khiển chế độ trượt cũng được phát triển cho hệ thống cần trục tháp bởi Liu và cộng sự [11]

Phương pháp điều khiển loại bỏ vòng lặp, điều khiển tự động được 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 được bằng kỹ thuật biên dạng ngõ vào hoặc điều khiển tối ưu Phương pháp kỹ thuật thứ hai, dựa vào phản hồi vị trí và góc dao động Phương pháp kỹ thuật thứ ba phân chia bộ điều khiển thành hai phần: bộ điều khiển chống dao động và bộ điều khiển bám (GiamSating)

Trong đề tài này, học viên chọn dùng giải thuật Fuzzy Logic để điều khiển cần trục tháp

Hình 1.1: Hình ảnh cần trục tháp 1.2 Mục tiêu của đề tài

Mục tiêu chính của đề tài này là thiết kế bộ điều khiển Fuzzy cho cần trục tháp Bộ điều khiển được thiết kế để chống dao động cho tải khi vận hành

Thuật toán điều khiển giảm dao động được áp dụng trên mô hình cần trục xoay thực,giao tiếp giữa hệ thống thực và máy tính để điều khiển thông qua card DSP - 28335

1.3 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài

1.3.1 Nhiệm vụ của đề tài

 Xác định mô hình toán của hệ thống cần trục tháp

 Lập giải thuật điều khiển cần trục theo giải thuật Fuzzy Logic

 Tiến hành mô phỏng và khảo sát thực nghiệm chất lượng của giải thuật điều khiển đối với hệ thống cần trục

1.3.2 Giới hạn của đề tài

 Do mô hình thử nghiệm nhỏ nên chưa kiểm chứng khi gặp khối lượng lớn

 Chỉ áp dụng Giải thuật Fuzzy thuần túy

1.4 Phương pháp tiếp cận luận văn

Đề tài được tiếp cận dựa trên các phương pháp sau:

- Khảo sát tài liệu, tìm hiểu các tài liệu liên quan đến đến đề tài như điều khiển cần trục, điều khiển phi tuyến

- Khảo sát các cần trục thực tế và các mô hình cần trục thường được

sử dụng trong phòng thí nghiệm

- Mô phỏng trên phần mềm Matlab & Simulink

- Điều khiển chống lắc tên mô hình thực nghiệm

- Đánh giá kết quả dựa trên mô phỏng và thực nghiệm

1.5 Nội dung luận văn

Nội dung phần còn lại của luận văn gồm các chương như sau:

 Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương 2 trình bày về các bước xây dựng mô hình toán học cần trục xoay được thiết lập dựa trên các thuộc tính động học

 Chương 3: Thuật toán điều khiển cân bằng cầu trục

Nội dung chương ba trình bày giải thuật Fuzzy Logic và áp dụng để điều

Trang 4

 Chương 4: Kết quả thực nghiệm

Học viên dùng chương trình matlab mô phỏng và khảo sát chất lượng của giải thuật khi áp dụng vào mô hình và rút ra kết luận

 Chương 5: Kết luận và hướng phát triển của đề tài

Nội dung chương 5 trình bày tóm tắt các kết quả mà đề tài đã đạt được và hướng phát triển để khắc phục những giới hạn nhằm hoàn thiện đề tài tốt hơn

Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Trong chương này, học viên thiết lập các phương trình động lực học

của cần trục tháp, xây dựng trên mô hình không gian 3 chiều Từ đó, xây

dựng mô hình toán của cần trục xoay theo phương pháp Lagrange

2.1 Mô tả hệ thống

Một cần trục xoay bao gồm một xe đẩy di chuyển dọc theo cần trục

(cánh tay trục) Còn cần trục thì xoay tròn trên một mặt phẳng ngang

Chuyển động kết hợp giữa cần trục và xe đẩy sẽ đưa tải đến một vị trí bất kì

trong bán kính làm việc của cần trục Sự thay đổi chiều dài cáp cẩu dùng để

nâng hạ tải và tránh vật cản Nhưng trong phạm vi luận văn, chiều dài của

cáp cẩu được giữ cố định Mô hình mô tả cần trục được cho bên dưới:

Cáp

Xe đẩy Cầu trục

Thân cần trục: là chiều cao của cần trục

Cánh tay xoay tròn: được gắn trên đầu cần trục, bao gồm động cơ, hộp số làm cho cần trục xoay tròn

Khối cánh tay xoay tròn bao gồm 2 phần chính:

Cánh tay đòn: một thanh dài để mở rộng chiều ngang cần trục

Xe chạy (trolley): chạy đọc theo cánh tay đòn và di chuyển tải

2.2 Thông số hệ thống

Trên hình 2.1, mô hình cần trục được đặt trong hệ tọa độ Descartes với góc tọa độ (O) nằm tại điểm giao giữa cánh tay cần trục với trục đứng của cần trục Trục (k) là trùng với trụ cần trục, trục (i) trùng với cánh tay cần trục và trục (j) vuông với cánh tay cần trục Khi cần trục quay sẽ quét trên mặt phẳng xOy một góc  (t) Khi xe đẩy di chuyển trên cần trục tạo nên vị trí của nó là r(t), vị trí này được tính so với tọa độ góc O Sự tương tác giữa động năng cần trục với động năng của tải được bỏ qua, giả thiết do khối lượng của cần trục lớn hơn rất nhiều so với khối lượng của tải Từ đó ta xác định vận tốc của xe lăn khi cần trục đứng yên:

Hình 2.2 Tải dao động với góc lệch 

Góc lệch tải trong không gian đặc trưng bởi hai góc  và  Góc  là góc lệch theo (i) song song với cần trục (nằm trên mặt phẳng kOi), và góc

Do đó, vận tốc tuyệt đối của tải là:

(t) = [ (t) - (t) sin(t) cos (t) – L(t)( (t)sin (t) – (t) sin (t) sin(t) + (t) cos (t)cos(t))]i + [ (t) sin (t) + r(t) (t) + L(t)

cos (t)( (t) – (t) sin(t))]j + [- (t) cos(t) cos (t) + L(t)( (t) sin (t)

Động năng của tải:

Hoặc bằng:

KE = ½ mLoad{[ (t) sin (t) + r(t) (t) + L(t) cos (t)( (t) – (t) sin (t))]2 +[ (t) – (t) sin(t) cos (t) – L(t)( (t)sin (t) – (t) sin (t) sin(t) + (t) cos (t) cos(t))]2 + [- (t) cos(t) cos (t) + L(t)( (t) sin (t) cos(t) + (t) cos (t) sin(t))]2}

(2.10) Thế năng của tải

PE = - mLoad.g.L(t) Cos (t) Cos(t) (2.11)