Luận án tiến sĩ điều khiển thích nghi cho hệ thống cần cẩu treo có tính đến yếu tố bất định

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LÊ XUÂN HẢI Lê Xuân Hải ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI CHO HỆ THỐNG CẦN CẨU TREO ĐIỀU KHIỂN THÍCH PHI TUYẾN THỐNG CẦN CẨU CĨ NGHI TÍNH ĐẾN YẾU TỐCHO BẤTHỆ ĐỊNH TREO MƠ HÌNH BẤT ĐỊNH Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 9520216 LUẬNLUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VÀTỰ TỰ ĐỘNG HÓA ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬTĐIỀU ĐIỀU KHIỂN KHIỂN VÀ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Vũ Vân Hà GS.TS Phan Xuân Minh Hà Nội – 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LÊ XUÂN HẢI ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI CHO HỆ THỐNG CẦN CẨU TREO CĨ TÍNH ĐẾN YẾU TỐ BẤT ĐỊNH Ngành: Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa Mã số: 9520216 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Vũ Vân Hà GS.TS Phan Xuân Minh Hà Nội – 2018 Lời cam đoan Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi, kết nghiên cứu trình bày luận án trung thực, khách quan chưa tác giả khác công bố Hà Nội, ngày … tháng … năm 20… Tập thể hướng dẫn Nghiên cứu sinh Lời cảm ơn Trong q trình làm luận án, tơi nhận nhiều góp ý chun mơn ủng hộ giúp đỡ tập thể cán hướng dẫn, nhà khoa học, bạn đồng nghiệp Tôi xin gửi tới họ lời cảm ơn sâu sắc Tơi xin bày tỏ lòng cảm ơn đến tập thể hướng dẫn trực tiếp tâm huyết hướng dẫn suốt thời gian qua Tôi xin chân thành cảm ơn nhà khoa học, tập thể Bộ môn Điều khiển Tự động, Viện Điện, Viện đào tạo sau đại học, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi cho suốt trình học tập nghiên cứu thực đề tài luận án Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn đến bạn đồng nghiệp Khoa Kỹ thuật công nghệ đặc biệt Ban giám hiệu Trường Cao đẳng Xây dựng cơng trình Đơ thị nơi tơi cơng tác tạo điều kiện thuận lợi để yên tâm học tập, nghiên cứu Cuối cảm ơn ủng hộ, động viên, khích lệ gia đình thân u tơi để tơi hồn thành nhiệm vụ học tập Nghiên cứu sinh Lê Xuân Hải MỤC LỤC Các ký hiệu sử dụng viii Danh mục ký hiệu chữ viết tắt xi Điều khiển trượt thích nghi nơ-ron có bù tải xi Danh mục hình vẽ, đồ thị xii Danh mục bảng xvi MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài luận án Mục tiêu nhiệm vụ luận án Phạm vi nghiên cứu luận án Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án Cấu trúc luận án CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CẦN CẨU TREO VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 1.1 Mơ hình tốn học cần cẩu treo 1.1.1 Mơ hình cẩn cẩu treo 3D có chiều dài dây treo khơng thay đổi 1.1.2 Mơ hình cần cẩu treo 2D 10 1.1.3 Phân tích mơ hình 12 1.2 Tình hình nghiên cứu nước 13 1.2.1 Tình hình nghiên cứu nước 13 1.2.2 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 13 1.3 Tổng quan phương pháp điều khiển cần cẩu treo 14 1.3.1 1.3.1.1 Luật điều khiển PD, luật điều khiển dựa bình phương lượng động 15 1.3.1.2 Điều khiển tuyến tính hóa phần 15 1.3.1.3 Điều khiển dựa hệ suy diễn mờ 18 1.3.1.4 Điều khiển trượt 19 1.3.1.5 Điều khiển trượt tầng 20 1.3.2 1.4 Các phương pháp cho đối tượng cần cẩu treo 2D 14 Các phương pháp cho đối tượng cần cẩu treo 3D 20 Kết luận chương 22 CHƯƠNG 2: ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI CHO CẦN CẨU TREO TRÊN CƠ SỞ HỆ MỜ 23 v 2.1 Nền tảng sở cho giải thuật điều khiển 23 2.1.1 Mơ hình mờ Sugeno 23 2.1.2 Phương pháp suy luận tuyến tính biểu diễn hệ mờ 24 2.1.3 Điều khiển trượt tầng 25 2.2 Tổng hợp điều khiển mờ hai lớp 32 2.2.1 Tổng hợp điều khiển mờ cho lớp thứ 34 2.2.2 Tổng hợp điều khiển mờ cho lớp thứ hai 35 2.2.3 Kết mô 36 2.3 2.2.3.1 Mô cho hệ cần cẩu treo 3D với chiều dài dây treo không thay đổi 36 2.2.3.2 Mô cho trường hợp cẩu treo 2D 41 Điều khiển trượt thích nghi mờ cho cần cẩu treo 48 2.3.1 Thiết kế điều khiển trượt tầng 48 2.3.2 Luật điều khiển thích nghi 50 2.3.3 Kết mô 53 2.4 Kết luận chương 61 CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT THÍCH NGHI CHO CẦN CẨU TREO TRÊN CƠ SỞ MẠNG NƠ-RON NHÂN TẠO 62 3.1 Nền tảng sở cho giải thuật điều khiển 63 3.1.1 Điều khiển backstepping 63 3.1.2 Mạng nơ-ron nhân tạo RBF 67 3.2 Bộ điều khiển trượt backstepping sở mạng nơ-ron nhân tạo 70 3.2.1 Tổng hợp điều khiển trượt backstepping 70 3.2.2 Tổng hợp điều khiển trượt thích nghi sở mạng nơ-ron nhân tạo 74 3.2.2.1 Xấp xỉ véc-tơ hàm bất định mạng nơ ron nhân tạo 74 3.2.2.2 Phát biểu định lý chứng minh tính ổn định hệ kín 76 3.2.3 3.3 Mô kiểm chứng kỹ thuật số 78 Điều khiển trượt thích nghi nơ-ron bất định tải 92 3.3.1 Tổng hợp điều khiển trượt 92 3.3.2 Tổng hợp điều khiển trượt thích nghi bất định tải (ASMCWUPL) 94 3.3.3 Mô kiểm chứng 98 3.4 Kết luận chương 102 CHƯƠNG 4: KIỂM CHỨNG BẰNG THỰC NGHIỆM TRÊN MƠ HÌNH CẦN CẨU TREO 2D TRONG PHỊNG THÍ NGHIỆM 103 vi 4.1 Xây dựng bàn thí nghiệm 103 4.1.1 Mơ hình vật lý 103 4.1.2 Thiết kế phần cứng 104 4.1.3 Thiết kế phần mềm 106 4.2 4.1.3.1 Bộ lọc Kalman cho cảm biến MPU6050 106 4.1.3.2 Giao diện HMI 108 Cài đặt số giải thuật điều khiển 108 4.2.1 Cài đặt thuật toán mờ hai lớp 108 4.2.2 Cài đặt thuật tốn trượt tầng thích nghi mờ 110 4.3 Kết luận chương 114 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 115 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ ĐƯỢC CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 118 vii ... NỘI LÊ XUÂN HẢI ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI CHO HỆ THỐNG CẦN CẨU TREO CĨ TÍNH ĐẾN YẾU TỐ BẤT ĐỊNH Ngành: Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa Mã số: 9520216 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG... pháp cho đối tượng cần cẩu treo 3D 20 Kết luận chương 22 CHƯƠNG 2: ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI CHO CẦN CẨU TREO TRÊN CƠ SỞ HỆ MỜ 23 v 2.1 Nền tảng sở cho giải thuật điều khiển. .. 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CẦN CẨU TREO VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 1.1 Mơ hình tốn học cần cẩu treo 1.1.1 Mơ hình cẩn cẩu treo 3D có chiều dài dây treo không thay