Nghiên cứu thuật toán điều khiển ổn định hệ thống cầu trục giao tiếp với máy tính

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG CẦU T

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ

NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN

ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG CẦU TRỤC GIAO TIẾP

VỚI MÁY TÍNH

MÃ SỐ: B2008 - 22 - 27

Tp Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2010

S 0 9

S KC 0 0 2 8 9 0

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ

NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH

HỆ THỐNG CẦU TRỤC GIAO TIẾP VỚI MÁY TÍNH

Mã số: B2008_22_27

Chủ nhiệm đề tài: Ths Trương Đình Nhơn

Tp HỒ CHÍ MINH, Tháng 7/ 2010

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ

NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH

HỆ THỐNG CẦU TRỤC GIAO TIẾP VỚI MÁY TÍNH

Mã số: B2008_22_27

Xác nhận của cơ quan chủ trì đề tài Chủ nhiệm đề tài

(ký, họ tên, đóng dấu) (ký, họ tên)

Ths Trương Đình Nhơn

Tp HỒ CHÍ MINH, Tháng 07/2010

Trang 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM

-o0o -

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1 Thông tin chung:

Tên đề tài: NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG CẦU TRỤC GIAO TIẾP VỚI MÁY TÍNH

Mã số: B2008_22_27

Chủ nhiệm: Ths Trương Đình Nhơn

Cơ quan chủ trì: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM

Thời gian thực hiện: Từ 02/05/2008 đến 01/05/2010

2 Mục tiêu:

Nghiên cứu các thuật toán điều khiển ổn định trên mô hình cầu trục có giao tiếp với máy tính, dùng để giảng dạy cho sinh viên ngành Điện tự động, giúp cho sinh viên có mô hình

để thực tập viết chương trình để điều khiển

Là mô hình dùng để sinh viên thực hiện các đề tài nghiên cứu khoa học

3 Tính mới và sáng tạo:

Khảo sát và thiết kế mô hình cầu trục giao tiếp máy tính với chi phí thấp

Viết chương trình điều khiển ổn định sử dụng công cụ Real-Time Windows Target trong phần mềm Matlab

4 Kết quả nghiên cứu:

Xây dựng được chương trình điều khiển cho hệ thống cầu trục giao tiếp máy tính

Làm mô hình giảng dạy cho môn học Thực tập Điều khiển tự động, Thực tập Đo lường cảm biến

5 Sản phẩm:

Sản phẩm của đề tài là mô hình cầu trục giao tiếp với máy tính qua Card PCI 1711 và chương trình thuật toán điều khiển ổn định hệ thống cầu trục bằng Matlab

Đang hướng dẫn 1 đề tài Thạc sỹ ứng dụng mô hình điều khiển giám sát hệ thống dùng fuzzy logic

Trang 2

6 Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng:

Mô hình cầu trục mà đề tài đi xây dựng hoạt động ổn định và tiết kiệm chi phí so với những mô hình dạy học tương đương

Sản phẩm của đề tài có thể ừng dụng trong việc giảng dạy cho các chuyên ngành điều khiển tự động

Ngày 23 tháng 08 năm 2010

Cơ quan chủ trì

Ths Trương Đình Nhơn

Trang 3

INFORMATION ON RESEARCH RESULTS

1 General information:

Project title: RESEARCH STABILITY CONTROL ALGORITHM TO CONTROL CRANE MODEL COMMUNICATION WITH PC

Code number: B2008_22_27

Coordinator: Truong Dinh Nhon

Implementing Institution: University Of Technical Education HCMC

MS Phung Anh Son Duration: from 02/05/2008 to 01/05/2010

2 Objective(s):

To study the stability control algorithm on the Crane model to communicate with computer, used to teach students of Technology Electricity Automatic, enables students

to practice writing model programs to control

For students to doing scientific research

3 Creativeness and innovativeness:

Survey and design low-cost models of cranes communication with computers

Program a stable control system using Real-Time Windows Target tools in Matlab software

4 Research results:

Building the driver for the communication system of crane machine

Making models for practic subjects, such as: Practice of Automatic Control, Practice of Measurement and sensors

5 Products:

Product of this project is the model of crane system communicate with PC through the PCI 1711 card and program stable control alrigothms for this system using Matlab software

Trang 4

6 Effects, transfer alternatives of reserach results and applicability:

Model of crane system is constructed with cost savings compared to equivalent models of teaching

Products of this research can be applied in teaching subjects for automatic control field

Trang 5

Phần 1: Mở Đầu

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, việc ứng dụng lý thuyết điều khiển tự động trong công nghiệp là điều cần thiết

và đã mang lại những lợi ích nhất định Vì vậy, việc phát triển các giải thuật trong lý thuyết điều khiển tự động để ứng dụng vào mô hình vật lý thật nhằm mang lại cho sinh viên cách nhìn trực quan và toàn diện hơn về môn học là điều cần quan tâm

Các công trình nghiên cứu trong nước cũng chỉ dừng lại ở mức độ mô phỏng hoặc thực nghiệm trên những thiết bị mẫu Do đó, việc xây dựng mô hình cầu trục vừa có khả năng phục vụ nghiên cứu vừa hỗ trợ mạnh cho giảng dạy là điều rất cần thiết

Trên thế giới, có nhiều công trình nghiên cứu về điều khiển hệ thống cầu trục bằng các giải thuật PID… nhưng chi phí còn quá cao không phù hợp với điều khiện thực tế ở Việt nam, đặc biệt là trong lĩnh vực giáo dục

2 Mục tiêu

Mô hình vật lý cầu trục điều khiển bằng máy tính mà đề tài đưa ra có các chức năng như sau:

- Đáp ứng được các giải thuật điều khiển hiện nay

- Có khả năng giao tiếp với máy tính để thực hiện mô phỏng và điều khiển bằng hệ thống thu thập dữ liệu và điều khiển từ xa

- Đảm bảo tính giáo dục và rèn luyện các kỹ năng điều khiển cầu trục cho sinh viên

- Có tính thương mại cao

- Đề tài còn được dùng làm mô hình cho sinh viên thực tập môn Điều khiển tự động như cho các sinh viên làm đề tài tốt nghiệp

- Ngoài ra, mô hình cầu trục có thể dùng làm đối tượng điều khiển cho các môn học khác như: TT Điều khiển lập trình, TT Đo lường cảm biến…

3 Cách tiếp cận

Đề tài được xây dựng bao gồm các công đoạn sau:

Từ cơ sở của lý thuyết điều khiển cầu trục ta đi xây dựng mô hình toán học của mô hình cầu trục, sau đó kiểm tra tính ổn định của hệ thống và thực hiện bổ chính Kết quả được minh họa trong Matlab

Trang 6

Với kết quả đạt được, nhóm nghiên cứu xây dựng chương trình điều khiển cho hệ thống cầu trục bằng phầm mềm Matlab điều khiển giao tiếp với mô hình qua card PCI 1711 bằng các hàm trong thư viện Real-time Windows Target của Matlab

4 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu của đề tài dựa trên việc thành lập mô hình toán học của mô hình

hệ thống cầu trục, sau đó sử dụng phần mềm Matlab để mô phỏng các kết quả khi thiết

kế, sau đó được thực nghiệm trên mô hình vật lý

5 Phạm vi nghiên cứu

Trên thực tế hệ thống cầu trục được đặt ở nhiều nơi khác nhau như ở các bến cảng, trên các công trường, cững như trong các nhà máy… nên có rất nhiều yếu tốc tác động đến tính ổn định của hệ thống nên thuật toán điều khiển sẽ rất phức tạp Do đó, với điều kiện thực tế hiện nay thì đề tài chỉ tập trung nghiên cứu thuật toán điều khiển ổn định trên mô hình cầu trục với thông số quan tâm là độ dao động của tải trong lúc vận chuyển và dừng

hệ thống không xét đến những tác động của các yếu tố như: ma sát khi di chuyển xen con, dao động theo phương ngang

Kết quả nghiên cứu sẽ được so sánh với trạng thái của hệ thống khi hoạt động bình thường (chế độ Man) và chế độ điều khiển (Auto) trên cơ sở của phần mềm Matlab

6 Nội dung nghiên cứu

Đề tài nghiên cứu thuật toán điều khiển ổn định dao động của hệ thống cầu trục được xây dựng dựa trên mô hình hệ thống cầu trục thực tế, sau đó tác giả tiến hành thiết lập mô tả toán học hệ thống cầu trục, tìm hiểu các phương pháp mô tả toán học của hệ thống cầu trục, trong đó tập trung vào mô tả phương trình chuyển động của xe con khi di chuyển tải, cũng như các phương pháp điều khiển ổn định của hệ thống

Kết quả thực nghiệm được mô tả trên mô hình cầu trục thực tế Các công cụ sử dụng để liên kết giữa mô hình với máy tính như Card PCI 1711, Thư viện Real-Time Windows Target trong Matlab và thực hiện viết chương trình điều khiển hệ thống cầu trục để kiểm tra thuật toán trên mô hình thực tế

Sau khi đã thử nghiệm các thuật toán trên mô hình thành công, tác giả tiến hành biên soạn các bài thực hành trên mô hình theo cấu trúc từ đơn giản đến phức tạp nhằm giúp sinh viên hiểu rõ hơn về các phương pháp điều khiển trên mô hình Bao gồm các lệnh truy xuất tín hiệu số, tín hiệu analog, bộ đếm tốc độ cao và thuật toán điều khiển PID trong Matlab thông qua thư viện Real-Time Windows Target.”

Trang 7

Phần 2: Nội Dung

Chương I

Mô Tả Toán Học Hệ Thống Cầu Trục

“Trong chương này trình bày về mô hình hệ thống cầu trục và phương pháp mô tả toán học của hệ thống cầu trục, trong đó tập trung vào mô tả phương trình chuyển động của xe con khi di chuyển tải, cũng như các phương pháp điều khiển ổn định của hệ thống.”

Trang 8

1.1 HỆ THỐNG CẦU TRỤC THỰC TẾ:

1.1.1 Công dụng và phân loại

Cầu trục dùng chủ yếu trong các phân xưởng, nhà kho để nâng hạ và vận chuyển hàng hóa với lưu lượng lớn Cầu trục là một kết cấu dầm hộp hoặc dàn, trên đó đặt xe con có

cơ cấu nâng Dầm cầu có thể chạy trên các đường ray đặt trên cao dọc theo nhà xưởng còn xe con có thể theo dầm cầu Vì vậy cầu trục có thể nâng hạ và vận chuyển hàng theo yêu cầu tại bất kì điểm nào trong không gian của nhà xưởng Cầu trục được sử dụng trong tất cả các lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân với các thiết bị mang vật rất đa dạng như móc treo, thiết bị cặp, nam châm điện gầu ngoạm v.v Đặc biệt, cầu trục được sử dụng phổ biến trong ngành công nghiệp chế tạo máy và luyện kim với các thiết bị mang vật chuyên dùng

Cầu trục được chế tạo với tải trọng nâng từ 1 đến 500 tấn; khẩu độ dầm cầu đến 32m; chiều cao nâng đến 16m; tốc độ nâng vật từ 2 đến 40 m /ph; tốc độ di chuyển xe con đến

60 m/ph và tốc độ di chuyển cầu trục đến 125 m/ph Cầu trục có tải trọng nâng trên 10 tấn thường được trang bị hai hoặc ba cơ cấu nâng vật: một cơ cấu nâng chính và hai cơ cấu nâng phụ Tải trọng nâng của loại cầu trục này thường được ký hiệu bằng một phân số với các tải trọng nâng chính và phụ, ví dụ: 15/3 t; 20/5 t; 150/20/5 t

Theo công dụng có các loại cầu trục có công dụng chung và cầu trục chuyên dùng Cầu trục có công dụng chung chủ yếu dùng các móc treo để xếp dỡ, lắp ráp và sữa chữa máy móc Lọai cầu trục có tải trọng nâng không lớn và khi cần có thể dùng với gầu ngoạm, nam châm điện hoặc thiết bị cặp để xếp dỡ một loại hàng nhất định Cầu trục chuyên dùng được sử dụng chủ yếu trong công nghiệp luyện kim với các thiết bị mang vật chuyên dùng và có chế độ làm việc rất nặng

Theo kết cấu dầm cầu có cầu trục một dầm (hình 1.2 và 1.3) và cầu trục hai dầm (hình 1.5) Dầm cầu của cầu trục một dầm thường là dầm chữ I hoặc dầm tổ hợp với các dàng thép tăng cứng cho dầm (hình 1.4) Cầu trục một dầm thường dùng palăng điện chạy dọc theo dầm chữ I nhờ cơ cấu di chuyển palăng Cầu trục hai dầm có các loại dầm hộp và dầm giàn không gian

Theo cách tựa của dầm cầu lên đường ray di chuyển cầu trục có các loại cầu trục tựa (hình 1.1, 1.2 và 1.5) và cầu trục treo (hình 1.3) Loại cầu trục tựa được sử dựng phổ biến hơn

Theo cách cơ cấu di chuyển cầu trục có các loại cầu trục dẫn động chung và cầu trục dẫn động riêng (hình 1.6)

Ngoài ra theo nguồn dẫn động có các loại cầu trục dẫn động tay và dẫn động máy Theo

vị trí điều khiển có các loại cầu trục điều khiển từ cabin gắn trên dầm cầu và trục điều khiển từ dưới nền bằng hộp nút bấm Điều khiển từ dưới nền bằng hộp nút bấm thường dùng cho loại cầu trục một dầm có tải trọng nâng nhỏ

Trang 9

1.1.2 Cấu tạo chung của cầu trục

Cầu trục dẫn động bằng tay được dùng chủ yếu trong sữa chữa, lắp ráp nhỏ và các công việc nâng – chuyển hàng không yêu cầu tốc độ cao Cơ cấu nâng của loại cầu

Trên hình 1.1, là hình chung của cầu trục dẫn động bằng tay loại một dầm Cầu trục gồm dầm cầu 1, cơ cấu di chuyển cầu trục 2 và palăng dây xích 3 có cơ cấu di chuyển palăng Cả ba chuyển động nâng, di chuyển palăng và cầu cầu trục đều được dẫn động bằng xích kéo từ dưới nền Bánh xe di chuyển cầu trục thường được lắp bằng ổ bi trên trục cố định mà bánh xe chủ động ở mỗi bên ray được dẫn động từ trục truyền chung qua bộ truyền bánh răng hở Đĩa xích dẫn động cơ cấu di chuyển cầu trục được đặt ở giữa trục truyền chung để đảm bảo góc quay đều của hai nữa trục truyền

b)

Hình 1.1: Cầu trục dẫn động bằng tay

a) Loại một dầm; b) Loại hai dầm

Cầu trục một dầm dẫn động bằng động cơ gồm hai loại: cầu trục tựa và cầu trục treo Tùy theo yêu cầu mà cầu trục một dầm có thể đơực chế tạo với cabin điều khiển hoặc hộp nút bấm điều khiển từ dưới nền nhà

Trên hình1.2 là mô hình chung của cầu trục lọai một dầm Phần kết cấu thép của cầu trục gồm dầm cầu 1 có hai đầu tựa lên các dầm cuối 5 với các bánh xe di chuyển dọc theo ray đặt trên vai cột của nhà xưởng Cơ cấu di chuyển cầu trục một dầm thường dùng phương

án dẫn động chung Phía trên dầm chữ I là dàn thép 4 đặt trong mặt phăng ngang để đảm bảo độ cứng cần thiết theo phương ngang của dầm cầu palăng điện 3 có thể chạy dọc theo các cánh thép phía dưới của dầm chữ I nhờ cơ cấu di chuyển palăng Cabin điều khiển 2 được treo vào phần kết cấu chịu lưc của cầu trục

Trang 10

Hình 1.2 Mô hình cầu trục 1 dầm

So với cầu trục tựa, cầu trục treo có ưu điểm là có thể làm dầm cầu dài hơn, do đó nó có thể phục vụ ở cả phần rìa mép của của nhà xưởng, thậm chí có thể chuyển hàng giữa hai nhà xưởng song song Tuy nhiên, cầu trục treo có chiều cao nâng thấp hơn so với cầu trục tựa Dầm cầu của cầu trục treo thường là dầm chữ I và dùng palăng điện chạy dọc theo dầm cầu để nâng hạ vật Tùy theo khẩu độ của nhà xưởng mà cầu trục treo có thể chạy dọc theo nhà xương nhờ hai ray treo (hình 1.3, a) hoặc nhờ nhiều ray treo (hình 1.3, b) Chính vì có thể treo trên nhiều gối mà kết cấu thép của cầu trục treo nhẹ hơn so với cầu trục tựa và có thể làm dần cầu có độ dài tương đối lớn (đến 100m) Cơ cấu di chuyển cầu trục treo thường dùng phương án dẫn động riêng: tại mỗi gối treo có một cơ cấu và kết cấu của nó tương tự như cơ cấu di chuyển palăng điện

Kích thước dầm thép chữ I của cầu trục một dầm được chọn từ điều kiện bền theo tải trọng nâng, khẩu độ và điều kiện để palăng có thể di chuyển dọc theo các cánh dưới của dầm Ngoài ra, cần phải đảm bảo độ cứng theo phương ngang của dầm cầu Các sơ đồ cấu tạo dầm cầu của cầu trục một dầm ở hình 1.4 Trong trường hợp cầu trục có khẩu độ nhỏ, phương án đơn giản nhất để đảm bảo độ cứng theo phương ngang của dầm cầu là hàn thêm các thanh giằng ở một bên (hình 1.4, a) hoặc ở hai bên dầm cầu (hình 1.4, b) Khoảng cách α giữa các điểm liên kết thanh giằng được chọn từ điều kiện đảm bảo ổn định ngang của dầm cầu Độ mảnh của thanh giằng không được vượt quá 250 Trong trường hợp thang giằng không đảm bảo độ cứng do dầm có khẩu độ lớn thì có thể dùng dàn tăng cứng ở một bên (hình1.4, c) hoặc cả hai bên dầm cầu (hình 1.4 ,d) Để tăng khả năng mang tải của dầm cầu, có thể hàn thêm các dải thép ở phía trên và dưới dầm (hình 1.4 e) hoặc hàn thêm thanh thép chữ U (hình 1.4, f)