Nghiên cứu xây dựng phương pháp điều khiển thích nghi, bền vững hệ Euler Lagrange thiếu cơ cấu chấp hành và ứng dụng cho cẩu treo (TT)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN - NGUYỄN THỊ VIỆT HƯƠNG NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI, BỀN VỮNG HỆ EULER - LAGRANGE THIẾU CƠ CẤU CHẤP HÀNH VÀ ÁP DỤNG CHO CẨU TREO CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA MÃ SỐ: 62520216 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT THÁI NGUYÊN - 2016 Công trình hoàn thành TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP Người hướng dẫn khoa học: - GS.TS Nguyễn Doãn Phước - TS Đỗ Trung Hải Phản biện 1:…………………………………… Phản biện 2:…………………………………… Phản biện 3:…………………………………… Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Đại học Thái Nguyên họp tại……………………………………………… Vào hồi…… giờ…… tháng…… năm…… Có thể tìm hiểu luận án thư viện Quốc gia, thư viện Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên Trung tâm học liệu Đại học Thái Nguyên PHẦN MỞ ĐẦU Giới thiệu công trình nghiên cứu, lý lựa chọn đề tài Hệ Euler-Lagrange (EL) nói chung cẩu treo nói riêng với mô hình biến khớp lớp hệ thường gặp thực tế lĩnh vực khí, điện tử Giống hệ có mô hình trạng thái, mô hình hệ EL mang đầy đủ tính chất khách quan không tuyệt đối xác, thường lý tưởng hóa nhiễu xây dựng mô hình Bởi toán thiết kế, xây dựng điều khiển cho hệ EL tảng xác mô hình, phải tính tới tác động nhiễu, mà đảm bảo chất lượng điều khiển đặt ra, có ý nghĩa ứng dụng lớn Cẩu treo thiết bị công nghiệp sử dụng rộng rãi thực tế Khi cẩu treo di chuyển nhanh tải trọng bị đung đưa trình hoạt động cẩu treo bị điều khiển tải Trong nhiều thập kỷ qua, nhà nghiên cứu thực nhiều nghiên cứu khác việc điều khiển tải trọng giống lắc ứng dụng Việt Nam chủ yếu điều khiển vòng hở Cho tới ngày cẩu treo đa phần hoạt động thủ công tay theo kinh nghiệm người vận hành chủ yếu Nhưng kích thước cẩu treo trở lên lớn tốc độ vận chuyển hàng đòi hỏi nhanh việc vận hành thủ công gặp khó khăn Cẩu treo mang đặc điểm hệ hụt cấu chấp hành can thiệp trực tiếp để điều khiển góc lệch dây treo phương thẳng đứng tải trọng đung đưa Đồng thời, hệ phương trình trạng thái điều khiển cho hệ thống cẩu treo với chiều dài cáp biến đổi phi tuyến liên kết cao Bên cạnh đó, thành phần bất định gây nhiều khó khăn cho việc thiết kế điều khiển đảm bảo chất lượng điều khiển Để nâng cao hiệu khả đáp ứng yêu cầu khắt khe nêu trên, việc thiết kế điều khiển thích nghi bền vững cho cẩu treo tác giả đề cập đến luận án Đề tài nghiên cứu lý thuyết điều khiển hệ thống hụt cấu chấp hành; thiết kế điều khiển trượt bậc cao cho hệ cẩu treo nhằm phát huy ưu điểm điều khiển trượt khả ổn định tiệm cận bền vững cho đối tượng bất định, đồng thời cải thiện nhược điểm điều khiển trượt sử dụng relay tượng chattering sinh trình trượt Đề tài tập trung nghiên cứu điều khiển thích nghi bền vững hệ Euler-Lagrange thiếu cấu chấp hành nói chung có tham số mô hình không xác định có nhiễu tác động, từ đề xuất điều khiển bám bền vững cho hệ áp dụng vào hệ cẩu treo 3D nói riêng Mục tiêu đề tài Mục tiêu luận án hướng tới việc phát triển bổ sung tính thích nghi bền vững cho điều khiển hệ Euler-Lagrange thiếu cấu chấp hành để hệ bám theo quỹ đạo biến khớp mong muốn cho trước, mô hình hệ có chứa tham số bất định hệ bị nhiễu tác động đầu vào Tính thích nghi điều khiển xác định chất lượng bám không bị ảnh hưởng tham số không xác định mô hình Tính bền vững xác định chất lượng điều khiển không bị ảnh hưởng nhiễu tác động đầu vào hệ Để đạt mục tiêu này, luận án đặt nhiệm vụ: - Nghiên cứu phân tích mô hình toán hệ hụt cấu chấp hành từ xây dựng điều khiển thích nghi bền vững cho phương pháp điều khiển trượt kết hợp với nguyên lý điều khiển ISS Tiếp theo áp dụng kết vào điều khiển hệ cẩu treo 3D, mô phỏng, đánh giá chất lượng điều khiển với đối tượng cụ thể - Phát triển hoàn thiện phương pháp điều khiển trượt bậc cao vào điều khiển hệ Euler-Lagrange thiếu cấu chấp hành Đánh giá chất lượng điều khiển thông qua ứng dụng vào điều khiển đối tượng cẩu treo 3D mô phần mềm Matlab/Simulink Ngoài ra, luận án đặt nhiệm vụ xây dựng mô hình thí nghiệm hệ cẩu treo 3D để bước đầu thử nghiệm đánh giá chất lượng kết lý thuyết đề xuất luận án thực nghiệm đối tượng cụ thể Chi tiết là: - Chất lượng điều khiển theo vị trí đặt trước, đưa trọng tải từ vị trí đầu tới ví trí cuối đặt trước khoảng thời gian ngắn - Các góc lệch giới hạn phạm vi nhỏ bị triệt tiêu dần - Cải thiện hiệu ứng rung theo nghĩa thu nhỏ khoảng trượt lân cận gốc Đối tượng nghiên cứu Lớp mô hình hệ Euler-Lagrange tổng quát cẩu treo 3D đối tượng cụ thể để áp dụng, kiểm chứng kết quả, hệ chuyển động thiếu cấu chấp hành Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết điều khiển thích nghi hệ phi tuyến dạng mô hình biến khớp Xây dựng điều khiển thích nghi ISS lý thuyết Lyapunov - Nghiên cứu phương pháp điều khiển trượt bậc cao nhằm giảm tượng rung Xây dựng điều khiển thích nghi bền vững lý thuyết điều khiển trượt bậc cao - Phương pháp thực nghiệm: mô giả định lấy kết mô hình thí nghiệm Nội dung nghiên cứu - Mô hình toán hệ cẩu treo 3D làm đối tượng nghiên cứu hệ Euler-Lagrange thiếu cấu chấp hành - Xây dựng điều khiển thích nghi bền vững cho hệ thống thiếu cấu chấp hành sở điều khiển thích nghi ISS - Tổng quan phương pháp điều khiển cho hệ cẩu treo Áp dụng kết nghiên cứu lý thuyết điều khiển thích nghi ISS cho hệ cẩu treo - Nghiên cứu, tìm hiểu phương pháp điều khiển trượt (trượt bản, phương pháp trượt bậc hai), trượt bậc hai phản hồi đầu (trượt siêu xoắn) - Thiết kế điều khiển trượt bậc hai trượt siêu xoắn cho hệ Euler-Lagrange nói chung hệ cẩu treo 3D nói riêng Kiểm chứng qua mô phần mềm Matlab/Simulink - Xây dựng bàn thí nghiệm, kiểm chứng kết nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết điều khiển thích nghi bền vững hệ EulerLagrange thiếu cấu chấp hành Đề xuất bổ sung hoàn thiện phương pháp có mặt lý thuyết Áp dụng phương pháp điều khiển thích nghi ISS phương pháp điều khiển trượt bậc cao đề xuất cho đối tượng cẩu treo 3D Ý nghĩa khoa học thực tiễn Luận án đưa phương pháp luận đề xuất xây dựng điều khiển thích nghi bền vững theo nguyên lý điều khiển ISS nguyên lý điều khiển trượt bậc 2, góp phần bổ sung làm phong phú thêm khối kiến thức điều khiển hệ phi tuyến đối tượng hệ Euler Lagrange thiếu cấu chấp hành Kết nghiên cứu luận án giúp cho việc thiết kế điều khiển thích nghi bền vững cho hệ Euler Lagrange thiếu cấu chấp hành, có cẩu treo thực tiễn; Việc áp dụng phương pháp trượt bậc cao để nhằm phát huy ưu điểm điều khiển trượt không phụ thuộc nhiều vào độ xác mô hình, không phức tạp, thuận lợi cho việc lập trình tính toán vi điều khiển hay máy tính nên khả áp dụng thực tiễn lớn Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN HỆ THIẾU CƠ CẤU CHẤP HÀNH Hiện có nhiều phương pháp điều khiển đồng thời áp dụng vào điều khiển hệ thiếu cấu chấp hành nói chung hệ cẩu treo, cẩu tháp nói riêng Rất khó để nói phương pháp ưu việt cả, toán điều khiển có môi trường, điều kiện làm việc khác xét tổng thể mặt kỹ thuật kinh tế phương pháp có ưu nhược điểm riêng Trong chương tác giả hệ thống lại số phương pháp điều khiển hệ EL thiếu đủ cấu chấp hành tác giả như: 1) Điều khiển tuyến tính hóa phần 2) Điều khiển truyền thẳng (input shaping) 3) Phương pháp backstepping 4) Điều khiển trượt 5) Điều khiển nội suy mờ Hệ thiếu cấu chấp hành nói chung hệ mà mô hình EulerLagrange cấu trúc tổng quát dạng bất định, bị tác động nhiễu, mô tả bởi: M (q ,  )q  C (q , q,  )q  g (q ,  )  G u  n (t )  (1.1) Kết luận chương Chương I hệ thống lại số phương pháp điều khiển hệ thiếu cấu chấp hành Về điều khiển lớp hệ có nhiều phương pháp khác nhau, từ đơn giản đến phức tạp thích nghi, bền vững có nhiều công cụ sử dụng kết hợp với Tuy nhiên, trình bày tổng quan lại phương pháp điều khiển trực tiếp không gian biến khớp, bỏ qua phương pháp không gian trạng thái Ngoài ra, luận án có định hướng sử dụng phương pháp điều khiển thích nghi bền vững xây dựng cho hệ EL đủ cấu chấp hành vào điều khiển hệ thiếu cấu chấp hành với can thiệp bổ sung thêm cho thích hợp dựa công cụ tách hệ Spong phương pháp điều khiển hệ EL đủ cấu chấp hành nhiều tác giả trước trình bày Chương 2: MỘT SỐ ĐỀ XUẤT BỔ SUNG TÍNH THÍCH NGHI BỀN VỮNG CHO BỘ ĐIỀU KHIỂN HỆ THIẾU CƠ CẤU CHẤP HÀNH Trên sở kết trình bày phân tích phương pháp điều khiển hệ thiếu cấu chấp hành có chương trước, luận án đề xuất phương pháp nâng cao tính thích nghi bền vững cho hai điều khiển cụ thể số phương pháp Đó là: Bổ sung thêm tính thích nghi bền vững cho điều khiển tuyến tính hóa phần có Tính thích nghi xây dựng theo nguyên lý giả định rõ Tính bền vững bổ sung nhờ nguyên lý điều khiển ISS mà thường gọi tên điều khiển ổn định thực tế Hoàn thiện phương pháp điều khiển trượt bậc cao Một điều khiển trượt bậc cao cho hệ cẩu treo 3D giới thiệu tạp chí quốc tế nhóm nhà khoa học Hàn Quốc nghiên cứu Mặc dù điều khiển trượt bậc hai mở rộng cho hệ thiếu cấu chấp hành nói chung không riêng hệ cẩu treo, song điều khiển giới thiệu chưa hoàn thiện Tính chưa hoàn thiện nằm chỗ: - Bộ điều khiển làm cho quỹ đạo hệ tiến tiệm cận mặt trượt, không đưa mặt trượt sau khoảng thời gian hữu hạn Điều làm cho ý nghĩa thành phần điều khiển giữ hệ lại mặt trượt điều khiển không - Tính ổn định hệ chưa khẳng định mặt trượt tiệm cận Luận án đề xuất phương pháp hoàn thiện điều khiển trượt bậc cao theo hướng làm cho quỹ đạo biến khớp hệ thiếu cấu chấp hành nói chung quỹ đạo hệ cẩu treo 3D nói riêng tiến mặt trượt sau khoảng thời gian hữu hạn, đồng thời bổ sung thêm điều kiện cho tham số điều khiển cho mặt trượt 0, hệ trượt mặt trượt gốc tọa độ 2.1 Điều khiển bám ổn định ISS thích nghi nhờ tín hiệu bù Phương pháp điều khiển ổn định ISS luận án xây dựng dựa kết hợp phương pháp tuyến tính hóa phần Spong, áp dụng cho hệ bất định, có nhiễu tác động, với phương pháp điều khiển thích nghi tuyến tính hóa xác để xử lý thành phần bất định  hệ đủ cấu chấp hành Tính phương pháp luận án đề xuất để hạn chế ảnh hưởng thành phần nhiễu n (t ) , luận án bổ sung thêm vector tín hiệu bù s (t ) thay áp dụng nguyên tắc điều khiển trượt thường sử dụng điều khiển hệ EL đủ cấu chấp hành, nhờ không xảy tượng rung không mong muốn hệ 2.1.1 Bộ điều khiển thích nghi ISS với tín hiệu bù Mô hình: Dq  C 11q  f /  u  n 1   2  f  M q  M  21 22 q Giả thiết: n (t )  (2.3)  sup n (t )   (2.4) t giá trị hữu hạn vế trái mô hình (2.3) viết lại cách chi tiết thành: D (q , )q1  C 11 (q,q, )q1  f / (q,q, )  F1 (q,q,q)  M 21 (q,  )q1  M 22 (q,  )q2  f (q, q,  )  F2 (q ,q,q) (2.5) Định lý 1: Xét hệ bất định (2.3) thỏa mãn giả thiết (2.4) (2.5) Khi điều khiển thích nghi bền vững: u  D (q , d ) qr  K 1e  K 2e   C 11 (q , q, d )q1  f / (q , q, d )  s (t ) (2.6) đó: e  qr  q1 , K  diag (a ), K  diag   (a  1)a , a  (2.7) có vector d D (q , d ), C 11 (q , q, d ), f / (q , q, d ) chọn thay cho vector tham số bất định  để: 12 Để khắc phục khiếm khuyết trên, luận án mở rộng phương pháp giới thiệu tài liệu này, vốn thiết kế riêng cho hệ cẩu treo 3D, sau: - Mở rộng sang cho hệ EL thiếu cấu chấp hành nhiều biến khớp độc lập (1.1) cách tổng quát - Bổ sung phần chứng minh điều khiển đưa quỹ đạo hệ mặt trượt sau khoảng thời gian hữu hạn - Bổ sung điều kiện để hệ trượt mặt trượt tới gốc tọa độ Thiết kế điều khiển Xét hệ EL thiếu cấu chấp hành có mô hình không tường minh, bị nhiễu tác động đâu vào có số biến khớp độc lập q1 nhiều số biến khớp phụ thuộc q , mô tả bởi:  u  n (t ) M (q,  )q  C (q,q,  )q  g (q,  )     (2.39) Mô hình u   M (q )q  C (q ,q)q  g (q )     (2.41) Áp dụng phương pháp tách hệ Spong sử dụng, ta có thành phần hệ đủ cấu chấp hành tương ứng (2.41) sau: u    D (q )q1  h (q ,q) (2.43) Khi mở rộng mặt trượt s  s  , với nhiệm vụ điều khiển bám q1  qr , q r quỹ đạo mẫu dạng số cho trước, ta có mặt trượt mở rộng sau: s (q ,q1 )  q1  e  q , e  q1  q r (2.44) 13 Ta tiến hành xây dựng điều khiển trượt bậc hai cho hệ EL có nhiều biến khớp độc lập Bộ điều khiển trượt mở rộng cho hệ (2.43) có dạng sau: u  u eq  K sgn(s ) , K  diag (ki )  Rm m ki  0, i , (2.45) đó: u eq  h (q , q)  D (q )  2q1   2e  q  q  (2.46) Khoảng thời gian tiến mặt trượt hữu hạn Ta cần chứng minh luật điều khiển (2.45), (2.46) đưa hệ từ điểm trạng thái đầu thuộc tập compact không gian   biến khớp q (0), q (0)  C đến mặt trượt s (q,q )  sau 1 khoảng thời gian hữu hạn Định lý 2: Nếu tồn vector d mà thay cho vector tham số bất định  hệ (2.39) không làm thay đổi vector biến khớp độc lập q điều khiển trượt bậc hai (2.45), (2.46) đưa hệ (2.39) từ điểm trạng thái đầu q (0), q (0)  C thuộc miền compact C tới mặt   trượt s (q, q )  có s (q, q1 ) cho (2.44) quỹ đạo đặt q r số, sau khoảng thời gian hữu hạn T Chứng minh: V (t )  V (0)  2 t  max (2.49) Bất đẳng thức cuối (2.49) xác nhận tồn khoảng thời gian T hữu hạn để có V (T )  , tức quỹ đạo biến khớp hệ đến mặt trượt sau khoảng thời gian hữu hạn (đ.p.c.m) ■ Như với định lý này, điều khiển trượt bậc hai đưa hệ mặt trượt sau khoảng thời gian hữu hạn 14 Điều kiện để hệ trượt mặt trượt gốc tọa độ Cần đủ để hệ trượt mặt trượt gốc tọa độ hệ  x  x   x  x     với  (x )   x   x3   ( x ) x3        h (x ) h (x )     (2.52) phải ổn định tiệm cận, tức tồn hàm xác định dương V / (x ) cho: V /  (x )  0, x  x (2.53) hàm xác định âm (theo định lý đảo Lyapunov) 2.3 Kết luận chương Luận án đưa số đề xuất xây dựng điều khiển thích nghi bền vững cho hệ EL thiếu cấu chấp hành, có tham số bất định  mô hình bị nhiễu n (q , t ) tác động đầu vào u , mô tả mô hình tổng quát (1.1), mà cụ thể là: 1) Thứ xây dựng điều khiển thích nghi ISS (phát biểu định lý 1) cho hệ (1.1) Bộ điều khiển áp dụng cho hệ vừa chứa tham số bất định, vừa bị nhiễu tác động đầu vào Khác với điều khiển trượt, điều khiển thích nghi ISS không tạo tượng rung hệ, nên khả ứng dụng vào thực tế cao Ngoài ra, điều khiển thích nghi ISS đề xuất có nhược điểm không đưa sai lệch bám hệ 0, mà đưa lân cận gốc O xác định (2.10), song điều không quan trọng, kích thước lân cận O điều chỉnh nhỏ cách tùy ý thông qua tham số a điều khiển 2) Thứ hai tổng quát hóa điều khiển trượt bậc hai cho hệ cẩu treo 3D dạng tường minh, giới thiệu báo quốc tế 15 nhóm nhiên cứu Hàn Quốc, sang cho hệ EL thiếu cấu chấp hành (1.1), có tham số bất định mô hình bị nhiễu tác động đầu vào Ngoài ra, luận án thời gian hệ mặt trượt hữu hạn (định lý 2) bổ sung thêm điều kiện để hệ sai số trượt mặt trượt gốc tọa độ, điều thiếu tài liệu Cuối cùng, có vấn đề đặt mà luận án chưa giải hệ EL có hệ thứ hai không tự ổn định cách thức xác định tham số d thay cho tham số bất định  hệ (1.1) ban đầu cách tổng quát, cho với hệ thứ hai hệ (2.20) ổn định tiệm cận Thực tế, tùy đặc thù hệ thống lựa chọn d phù hợp không thiết phải xác định trường hợp tổng quát Chương 3: ỨNG DỤNG TRONG ĐIỀU KHIỂN HỆ CẨU TREO 3D 3.1 Mô hình hoá hệ cẩu treo 3.1.1 Cấu trúc vật lý hệ cẩu treo 3.1.2 Mô hình EL hệ cẩu treo 3D (3.8) M (q )q  B q  C (q , q)q  g (q )  G u đó: q  (x , y ,l , x , y )T vector biến khớp u  (u x , u y , ul )T vector lực tác động vào hệ (tín hiệu đầu vào) Dựa vào mô hình thu được, ta thấy: 1) Hệ mang đặc điểm hụt cấu chấp hành góc lệch x , y không điều khiển cách trực tiếp mà phải điều khiển gián tiếp thông qua thành phần lực u x , uy , ul 2) Hệ phương trình mô tả hệ cẩu treo 3D hệ phi tuyến có tính liên kết cao Hai điều tạo nhiều khó khăn việc thiết kế điều khiển cho hệ cẩu treo 3D đòi hỏi cần có phương pháp phù hợp để giải chúng 3.1.3 Mô hình EL hệ cẩu treo 2D (3.10) M (q )q  C (q ,q)q  g (q )  (u1 , u ,0, 0)T 3.2 Điều khiển thích nghi ISS 16 3.2.1 Bộ điều khiển thích nghi ISS cho hệ cẩu treo 3.2.2 Kết mô 16 xref x 14 12 x 10 0 20 40 60 80 100 Time(s) 120 140 160 180 200 Hình 3.4 Đáp ứng vị trí cẩu treo theo trục x zr z z -1 10 20 30 Time (s) 40 50 60 Hình 3.5 Đáp ứng vị trí cẩu treo theo trục z -3 x 10 thetax thetay 1.5 theta(rad) 0.5 -0.5 -1 -1.5 -2 20 40 60 80 100 Time(s) 120 140 160 180 200 Hình 3.6a Đáp ứng góc lắc dây cáp theo phương x , y chưa có bất định mô hình -3 x 10 thetax thetay 1.5 theta(rad) 0.5 -0.5 -1 -1.5 -2 20 40 60 80 100 Time(s) 120 140 160 180 200 Hình 3.6b Đáp ứng góc lắc dây cáp theo phương x , y có bất định mô hình (tại thời điểm 50 giây) 17 Phần nội dung khẳng định phương pháp điều khiển thích nghi ISS giới thiệu chương luận án áp dụng tốt cho hệ thống cẩu treo Bằng cách sử dụng điều khiển đảm bảo bám quỹ đạo cho chuyển động cẩu treo mà đảm bảo góc lắc dây cáp theo phương tiến dần lân cận không Không thế, điều khiển đề xuất phần đảm bảo hệ thống cho đáp ứng tốt có ảnh hưởng nhiễu bên có tham số bất định mô hình Hiệu điều khiển chứng minh thông qua kết mô thực Matlab/Simulink 3.3 Điều khiển trượt bậc hai 3.3.1 Bộ điều khiển trượt bậc hai cho hệ cẩu treo Bộ điều khiển trượt bậc hai cho hệ EL bất định, thiếu cấu chấp hành áp dụng cho hệ cẩu treo mô tả (3.8) 3.3.2 Kết mô Kết mô cho thấy hệ ổn định Chất lượng hệ thống đánh giá tốt Sliding Surface 0.3 0.2 0.1 0.5 0 10 Time [s] Trolley motion (x) 15 20 Cargo swing  0.01 0.005 Angle [rad] Displacement [m] Displacement [m] Bridge motion (z) 0.5 10 Time [s] Cable Length (l) 15 20 10 Time [s] 15 20 15 20 Cargo swing  0.9 0.01 Angle [rad] Length [m] 0.02 0.8 0.7 -0.01 -0.3 -0.4 -0.01 -0.02 -0.2 -0.005 -0.015 0 -0.1 0 10 Time [s] 15 20 10 Time [s] 15 20 -0.02 10 Time [s] Hình 3.11 Kết mô với 1    4 3.4 Điều khiển trượt siêu xoắn 3.4.1 Thiết kế điều khiển trượt siêu xoắn cho hệ cẩu treo Luận án tiếp tục phát triển tiếp điều khiển trượt siêu xoắn cho riêng hệ cẩu treo 3D 18 Đơn giản hóa mô hình hệ có góc lắc nhỏ Thiết kế điều khiển u   s sgn s   i i i i i với i x , y , l    i  i sgn si (3.30) 3.4.2 Kết mô -0.6 -0.65 -0.7 -0.75 -0.8 -0.85 -0.9 -0.95 -1 0.5 0.4 0.6 0.3 0.7 0.5 0.4 0.2 0.3 0.1 0.2 y position 0.1 Hình 3.17 Quỹ đạo di chuyển tải ST POSITION x y l 0.9 0.8 0.7 position 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 10 15 time (s) 20 25 30 Hình 3.18 Đáp ứng biến trạng thái x , y , l ST theta x 0.03 0.02 Theta x 0.01 -0.01 -0.02 -0.03 10 15 time (s) 20 25 Hình 3.19 Đáp ứng góc x 30 19 ST theta y 0.04 0.03 0.02 theta y 0.01 -0.01 -0.02 -0.03 -0.04 10 15 time (s) 20 25 30 Hình 3.20 Đáp ứng góc y ST forces 10 fx fy fl forces -5 -10 -15 10 15 time (s) 20 25 30 Hình 3.21 Lực điều khiển ST sliding surface s 2.5 s s s 1.5 x y l s 0.5 -0.5 10 15 time (s) 20 25 30 Hình 3.22 Mặt trượt s ST ds 0.8 ds x 0.6 ds y 0.4 ds l ds 0.2 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 10 15 time (s) 20 25 Hình 3.23 Đạo hàm mặt trượt s 30 20 ST s-ds 0.8 s x -ds x 0.6 s y -ds y 0.4 s l-ds l ds 0.2 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -0.5 0.5 s 1.5 2.5 Hình 3.24 Quỹ đạo s  d s Như vậy, điều khiển thiết kế đáp ứng yêu cầu toán điều khiển đặt mà cụ thể là: 1) Đưa trọng tải từ vị trí đầu tới vị trí cuối đặt trước khoảng thời gian ngắn 2) Các góc lệch giới hạn phạm vi nhỏ bị triệt tiêu dần Bộ điều khiển trượt bậc cao cải thiện hiệu ứng rung theo nghĩa thu nhỏ khoảng trượt lân cận gốc, điều hoàn toàn phù hợp với lý thuyết, sở để ứng dụng điều khiển vào thực tiễn 3.5 Xây dựng bàn thí nghiệm cẩu treo 3D τđk1 BĐK u1 Động τreal Động τreal Động τreal Cảm biến dòng điện BĐK Vòng τđk2 BĐK u2 Cảm biến dòng điện τđk3 BĐK u3 Cảm biến dòng điện Cảm biến vị trí Cảm biến đo góc Hình 3.26 Hệ thống điều khiển 3D Crane 21 Hình 3.32 Hình ảnh hệ thực nghiệm Kết thí nghiệm Khoang cach (m) 0.25 0.2 0.15 0.1 Gia tri dat Khoang cach 0.05 0 Thoi gian (s) Hình 3.34 Tọa độ xà đỡ nằm ngang 0.14 0.12 Khoang cach (m) 0.1 0.08 0.06 0.04 Gia tri dat Khoang cach thuc 0.02 0 Thoi gian (s) Góc[rad] Hình 3.35 Tọa độ xe cẩu xà đỡ nằm ngang Hình 3.36 Góc x Góc[rad] 22 Hình 3.37 Góc y Lượng dịch chuyển [m] Chiều dài cáp Thời gian [s] Hình 3.38 Chiều dài cáp Nhận xét Hệ điều khiển đáp ứng yêu cầu toán điều khiển vị trí, đưa tải trọng từ vị trí đầu tới vị trí cuối thời gian ngắn, độ điều chỉnh nhỏ Hạn chế khó khăn khâu lắp ráp cảm biến góc nghiêng kết cấu khí chưa thực xác ăn khớp bánh nhựa truyền lực 3.6 Kết luận chương Tại Chương xây dựng bàn thí nghiệm cẩu treo 3D nhằm kiểm chứng thực nghiệm kết lý thuyết luận án Bàn thí nghiệm ghép nối với máy tính Chương trình điều khiển cài đặt máy tính điều khiển trượt siêu xoắn, điều khiển hệ cẩu treo 3D bám theo giá trị mong muốn yêu cầu đặt Mô hình thí nghiệm thực ứng dụng ngành Kỹ thuật điều khiển tự động hóa nhằm đáp 23 ứng yêu cầu toán điều khiển đặt với chất lượng điều khiển tốt, với lực điều khiển phải hạn chế tượng liên tục thay đổi với tần số lớn sở để ứng dụng vào thực tiễn Kết thí nghiệm có sai lệch nhỏ so với kết mô lý thuyết, nguyên nhân kết cấu khí mô hình có sai lệch trình chế tạo Tuy nhiên, thể tính chất điều khiển trượt phản hồi đầu (bộ điều khiển trượt siêu xoắn) đảm bảo theo thông số điều khiển trượt Riêng điều khiển phản hồi trạng thái, gồm điều khiển thích nghi ISS điều khiển trượt bậc hai chưa thực với bàn thí nghiệm cẩu treo 3D thiếu cảm biến phản hồi giá trị hành trình quỹ đạo biến khớp máy tính (BĐK) KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 4.1 Kết luận chung Luận án đạt kết sau đây: Bổ sung thêm tính thích nghi bền vững cho điều khiển tuyến tính hóa phần có Tính thích nghi bổ sung thêm cho điều khiển xây dựng theo nguyên lý giả định rõ (certainty equivalence) Tính bền vững bổ sung nhờ nguyên lý điều khiển ISS (input to state stable) Kết luận án phát biểu dạng định lý chương 2 Hoàn thiện phương pháp điều khiển trượt bậc hai với điều khiển (2.45), (2.46) (2.47) cho hệ thiếu cấu chấp nói chung Đồng thời luận án đã: - Bổ sung định lý chương để khẳng định điều khiển đưa hệ mặt trượt sau khoảng thời gian hữu hạn - Bổ sung thêm điều kiện (2.53) để hệ sai lệch trượt mặt trượt Điều kiện luận án triển khai 24 cách chi tiết thành điều kiện (3.15) tham số điều khiển áp dụng cho hệ cẩu treo 3D Riêng với đối tượng EL thiếu cấu chấp hành cụ thể hệ cẩu treo 3D, luận án xây dựng điều khiển trượt siêu xoắn (3.30) chương làm việc theo nguyên tắc phản hồi đầu Đồng thời công thức (3.31) với điều khiển trượt siêu xoắn đưa hệ mặt trượt sau khoảng thời gian hữu hạn Luận án xây dựng bàn thí nghiệm hệ cẩu treo 3D, ghép nối bàn thí nghiệm với máy tính thử nghiệm chất lượng điều khiển trượt siêu xoắn môi trường thực tế 4.2 Kiến nghị hướng nghiên cứu Một số vấn đề phát sinh trình thực đề tài mà luận án chưa hoàn thiện được, NCS xem toán cần nghiên cứu tương lai Đó là: Đối với hệ EL thiếu cấu chấp hành có hệ (2.20) không tự ổn định cần xây dựng điều kiện đủ cho việc lựa chọn vector tham số d điều khiển thích nghi ISS mà ứng với hệ tự (2.20) tương ứng ổn định tiệm cận mà hệ này, với dạng tương đương (1.22), không thỏa mãn điều kiện trình bày mục 1.1.2 Trong trình xây dựng bàn thí nghiệm cẩu treo 3D, có cảm biến đo góc đủ xác, nhiên để mô hình gọn mà đảm bảo đủ xác, nghiên cứu sinh đặt nhiệm vụ xây dựng thuật toán quan sát góc lắc x , y từ giá trị đo quỹ đạo biến khớp q tốc độ q thay cho cảm biến góc, song chưa làm 25 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CÓ LIÊN QUAN ÐẾN LUẬN ÁN Bài báo khoa học Hoàng Đức Quỳnh, Nguyễn Thị Việt Hương, Nguyễn Doãn Phước (2013), “Nhận dạng trạng thái hệ cẩu treo chiều quan sát KALMAN rời rạc”, Tạp chí Khoa học & Công nghệ Đại học Thái Nguyên, Tập 106, số 06, tr 15-21 Nguyễn Thị Việt Hương, Đào Phương Nam, Nguyễn Doãn Phước (2013), “Mô hình hóa mô có sử dụng quan sát trạng thái hệ cần cẩu treo”, Tạp chí Khoa học & Công nghệ Đại học Thái Nguyên, Tập 110, số 10, tr 27-36 Nguyễn Thị Việt Hương, Nguyễn Doãn Phước, Vũ Thị Thúy Nga, Đỗ Trung Hải (2014), “Điều khiển cẩu treo 3D chất lượng cao sử dụng điều khiển thích nghi bền vững”, Tạp chí Khoa học & Công nghệ Đại học Thái Nguyên, Tập 128, số 14, tr 35-41 Nguyễn Thị Việt Hương, Đào Phương Nam , Nguyễn Quang Hùng (2014), “Nghiên cứu xây dựng quan sát trạng thái hệ cần cẩu treo”, Tạp chí nghiên cứu khoa học & công nghệ Quân , Số đặc san TĐH’14, 04 – 2014, tr 25-32 Nguyễn Thị Việt Hương, Trần Vũ Trung, Đào Phương Nam (2015), “High-order Sliding Approach for Robust control of a 3D Overhead Crane System”, Tạp chí Khoa học Công nghệ trường đại học kỹ thuật, ISSN 2354-1083, số 108, tr 007-011 26 Báo cáo hội nghị khoa học Vũ Thị Thúy Nga, Nguyễn Thị Việt Hương (2013), “Điều khiển không cảm biến chất lượng cao cho động đồng toàn dải tốc độ”, Hội nghị toàn quốc lần thứ điều khiển tự động hóa VCCA-2013, Bài số 145, Tóm tắt trang Nguyễn Thị Việt Hương, Đào Phương Nam, Nguyễn Doãn Phước (2013), “Mô hình hóa mô cần cẩu treo”, Hội nghị toàn quốc lần thứ điều khiển tự động hóa VCCA-2013, Bài số 31, Tóm tắt trang 33 [...]... bộ điều khiển trượt bậc hai và bộ điều khiển trượt siêu xoắn phục vụ bài toán điều khiển thích nghi bền vững cho các hệ EL thiếu cơ cấu chấp hành 2.2.1 Khái niệm điều khiển trượt cơ bản và trượt bậc cao 2.2.2 Thiết kế bộ điều khiển trượt bậc hai cho hệ EL bất định thiếu cơ cấu chấp hành Tại một tạp chí quốc tế do một nhóm các nhà khoa học Hàn Quốc nghiên cứu đã giới thiệu một ứng dụng của điều khiển. .. 2) Hệ phương trình mô tả hệ cẩu treo 3D là hệ phi tuyến có tính liên kết cao Hai điều này đã tạo ra nhiều khó khăn trong việc thiết kế bộ điều khiển cho hệ cẩu treo 3D đòi hỏi cần có những phương pháp phù hợp để giải quyết chúng 3.1.3 Mô hình EL hệ cẩu treo 2D (3.10) M (q )q  C (q ,q)q  g (q )  (u1 , u 2 ,0, 0)T 3.2 Điều khiển thích nghi ISS 16 3.2.1 Bộ điều khiển thích nghi ISS cho hệ cẩu treo. .. 1) Thứ nhất là đã xây dựng được bộ điều khiển thích nghi ISS (phát biểu trong định lý 1) cho hệ (1.1) Bộ điều khiển này áp dụng được cho hệ vừa chứa tham số hằng bất định, vừa bị nhiễu tác động ở đầu vào Khác với bộ điều khiển trượt, bộ điều khiển thích nghi ISS này không tạo ra hiện tượng rung trong hệ, nên khả năng ứng dụng vào thực tế là cao hơn Ngoài ra, tuy rằng bộ điều khiển thích nghi ISS được... cách chi tiết thành điều kiện (3.15) về các tham số bộ điều khiển khi áp dụng cho hệ cẩu treo 3D 3 Riêng với đối tượng EL thiếu cơ cấu chấp hành cụ thể là hệ cẩu treo 3D, luận án cũng đã xây dựng được bộ điều khiển trượt siêu xoắn (3.30) ở chương 3 làm việc theo nguyên tắc phản hồi đầu ra Đồng thời cũng đã chỉ ra được ở công thức (3.31) rằng với bộ điều khiển trượt siêu xoắn này sẽ đưa hệ về mặt trượt... là: 1 Đối với các hệ EL thiếu cơ cấu chấp hành có hệ con (2.20) không tự ổn định cần xây dựng điều kiện đủ cho việc lựa chọn vector tham số d của bộ điều khiển thích nghi ISS mà ứng với nó hệ con tự do (2.20) tương ứng sẽ ổn định tiệm cận khi mà hệ con này, với dạng tương đương (1.22), không thỏa mãn điều kiện đã được trình bày ở mục 1.1.2 2 Trong quá trình xây dựng bàn thí nghiệm cẩu treo 3D, mặc dù... thay cho tham số bất định  trong hệ (1.1) ban đầu một cách tổng quát, sao cho với nó hệ con thứ hai của hệ là (2.20) sẽ ổn định tiệm cận Thực tế, tùy đặc thù của từng hệ thống sẽ lựa chọn được d phù hợp chứ cũng không nhất thiết phải xác định trong trường hợp tổng quát Chương 3: ỨNG DỤNG TRONG ĐIỀU KHIỂN HỆ CẨU TREO 3D 3.1 Mô hình hoá hệ cẩu treo 3.1.1 Cấu trúc vật lý hệ cẩu treo 3.1.2 Mô hình EL hệ cẩu. .. phương pháp giới thiệu tại tài liệu này, vốn được thiết kế riêng cho hệ cẩu treo 3D, như sau: - Mở rộng sang cho cả các hệ EL thiếu cơ cấu chấp hành nhiều biến khớp độc lập (1.1) một cách tổng quát - Bổ sung phần chứng minh bộ điều khiển đó luôn đưa quỹ đạo của hệ về mặt trượt sau khoảng thời gian hữu hạn - Bổ sung điều kiện để hệ trượt được trên mặt trượt về tới gốc tọa độ Thiết kế bộ điều khiển Xét hệ. .. các phương tiến dần về lân cận không Không những thế, bộ điều khiển đề xuất trong phần này còn đảm bảo rằng hệ thống vẫn cho đáp ứng tốt khi có ảnh hưởng của nhiễu bên ngoài và có tham số bất định mô hình Hiệu quả của bộ điều khiển đã được chứng minh thông qua các kết quả mô phỏng thực hiện trên Matlab/Simulink 3.3 Điều khiển trượt bậc hai 3.3.1 Bộ điều khiển trượt bậc hai cho hệ cẩu treo Bộ điều khiển. .. của bộ điều khiển trượt phản hồi đầu ra (bộ điều khiển trượt siêu xoắn) và đảm bảo theo các thông số của bộ điều khiển trượt Riêng các bộ điều khiển phản hồi trạng thái, gồm bộ điều khiển thích nghi ISS và bộ điều khiển trượt bậc hai chưa thực hiện được với bàn thí nghiệm cẩu treo 3D do còn thiếu các cảm biến phản hồi giá trị hành trình của quỹ đạo biến khớp về máy tính (BĐK) KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ VÀ HƯỚNG... KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 4.1 Kết luận chung Luận án đã đạt được những kết quả sau đây: 1 Bổ sung thêm được tính thích nghi và bền vững cho bộ điều khiển tuyến tính hóa từng phần đã có Tính thích nghi bổ sung thêm cho bộ điều khiển này được xây dựng theo nguyên lý giả định rõ (certainty equivalence) Tính bền vững được bổ sung nhờ nguyên lý điều khiển ISS (input to state stable)