Tổng hợp bộ điều khiển trượt tầng có tham số mặt trượt phụ thuộc thời gian cho cần cẩu treo 2D trong phòng thí nghiệm

Bài viết trình bày về phương pháp tổng hợp bộ điều khiển trượt tầng có tham số phụ thuộc thời gian cho cần cẩu treo 2D bằng vi điều khiển ARM STM32F4. Bộ điều khiển đảm bảo hệ thống bám quĩ đạo, chống lắc và giảm thiểu tần số chuyển mạch của điều khiển trượt.

Điều khiển – Cơ điện tử - Truyền thông TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT TẦNG CÓ THAM SỐ MẶT TRƯỢT PHỤ THUỘC THỜI GIAN CHO CẦN CẨU TREO 2D TRONG PHỊNG THÍ NGHIỆM Lê Xn Hải*, Lê Việt Anh, Nguyễn Văn Thái, Hoàng Thị Tú Uyên, Phạm Thị Hương Sen, Nguyễn Quang Minh, Vũ Quốc Doanh, Phan Xuân Minh Tóm tắt: Bài báo trình bày phương pháp tổng hợp điều khiển trượt tầng có tham số phụ thuộc thời gian cho cần cẩu treo 2D vi điều khiển ARM STM32F4 Bộ điều khiển đảm bảo hệ thống bám quĩ đạo, chống lắc giảm thiểu tần số chuyển mạch điều khiển trượt Các kết mơ thực nghiệm mơ hình cần cẩu treo phòng thí nghiệm cho thấy khả ứng dụng điều khiển thực tế Từ khóa: Cần cẩu treo 2D; Điều khiển trượt tầng; Tham số phụ thuộc thời gian ĐẶT VẤN ĐỀ Cần cẩu treo hệ thống sử dụng rộng rãi công nghiệp, phục vụ cho công tác vận chuyển nâng hạ hàng hóa có khối lượng lớn bến cảng, nhà xưởng Trong công nghiệp đại, điều khiển tự động cho cần cẩu treo nghiên cứu nhằm thay cho việc sử dụng người điều khiển Một vấn đề khó khăn thu hút quan tâm việc điều khiển cần cẩu treo cấu thiếu chấp hành Vì bên cạnh việc điều khiển cho xe đẩy đạt đến vị trí mong muốn, việc giảm thiểu góc rung lắc tải nhằm đảm bảo an toàn lao động quan trọng Các nghiên cứu thời gian gần tập trung vào phương pháp điều khiển mờ [1], [2], điều khiển trượt [3], [4], điều khiển thích nghi [5] Phương pháp điều khiển trượt tầng (IHSMC) trình bày [6] phương pháp điều khiển phù hợp với hệ thống chuyển động thiếu chấp hành Việc thiết kế mặt trượt có tham số thay đổi phụ thuộc thời gian giúp giảm thiểu tần số chuyển mạch tín hiệu điều khiển Các kết mô cho thấy IHSMC mang tới chất lượng điều khiển tốt cho hệ thống Để cho thấy khả ứng dụng thuật toán vào thực tế, nhóm tác giả tiến hành cài đặt điều khiển IHSMC cho mơ hình cần cẩu treo 2D phòng thí nghiệm Bộ điều khiển chế tạo dòng vi điều khiển ARM-STM32F4 Bài báo trình bày thành phần: Đặt vấn đề, thiết kế điều khiển trượt tầng thích nghi, cài đặt điều khiển vi điều khiển kết luận THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT TẦNG THÍCH NGHI CÓ THAM SỐ MẶT TRƯỢT THAY ĐỔI THEO THỜI GIAN 2.1 Mơ hình tốn học hệ cẩu treo Hình Mơ hình cẩu treo Mơ hình hệ cẩu treo biểu diễn hình Xe đẩy tác dụng lực F Hệ cẩu treo chuyển động mặt phẳng Oxy 176 L X Hải, L V Anh, …, “Tổng hợp điều khiển trượt… 2D phòng thí nghiệm.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Giả thiết xe đẩy tải chất điểm, q trình di chuyển bỏ qua ma sát Mơ hình tốn cẩu treo sau: ( M  m)  x  mlcos  ml2 sin   F (1) l  g sin    x cos  Trong đó: x, l  vị trí, độ dài dây treo góc lệch tải Định nghĩa u  F vector trạng thái X T  [ x1 x2 x3 x4 ]  [ x x  ] , phương trình (1) viết lại dạng không gian trạng thái: x1  x2 x2  f1 ( X )  g1 ( X )u (2) x3  x4 x4  f ( X )  g ( X )u Trong đó: ml sin   mg sin  cos  M  m sin  ( M  m) g sin   ml sin  cos f2 ( X )   ( M  m sin  )l f1 ( X )  M  m sin  cos  g2 ( X )   ( M  m sin  )l g1 ( X )  2.2 Điều khiển trượt thích nghi Định nghĩa vector sai số:  x  x   x  xd   e1  e(t )   d       x3   d     d   e3  Trong đó: xd  d vị trí góc lắc mong muốn Giả thiết đạo hàm bậc bậc hai xd tồn bị chặn, phương trình (2) viết lại sau: e1  e2 e2  f1 ( X )  g1 ( X )u   xd e3  e4 e4  f ( X )  g ( X )u (3) Định nghĩa mặt trượt sau: s1  c1e1  e2 s2  c2 e3  s1 (4) s3  c3e4  s2 Trong đó: c1 số dương, c2 số, c3 tham số biến đổi theo thời gian Dựa sở phương pháp điều khiển hệ biến đổi cấu trúc, tín hiệu điều khiển chia thành hai thành phần: (5) u  ueq  u sw Để đảm bảo tính ổn định cho hệ thống, ta xét hàm V cho hệ kín có dạng sau: V s3 Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san ACMEC, 07 - 2017 (6) 177 Điều khiển – Cơ điện tử - Truyền thông Đạo hàm V theo thời gian ta có: dV  s3 s3 dt Từ (3), (4), (5), (7) viết lại sau: (7) dV  s3 s3 dt  s3  c3e4  c3e4  s2   s3 c3e4  c3  f  g 2u   c2 e4  s1  (8)  s3 c3e4  c3  f  g 2u   c2 e4  c1e2  f1  g1u   xd   s3 c3e4  c3 f  c2 e4  c1e2  f1   xd   c3 g  g1  u   s3 c3e4  c3 f  c2 e4  c1e2  f1   xd   c3 g  g1   ueq  usw   Để đảm bảo tính ổn định mặt trượt thứ 3, tức làm cho (8) xác định âm, ta thu kết sau:  c3 f  c2 e4  c1e2   xd   c3 g  g1  ueq     c3 g  g1  usw  ks3   sgn  s3   c e  f   (9) Từ (8) (9) ta có: dV  s3 s3   ks32   s3 sgn( s3 )   ks32   s3  dt (10) Từ công thức (9) tín hiệu điều khiển xác định luật chỉnh định cho c3 sau:  c3 f  c2 e4  c1e2   xd  ueq   c3 g  g1   ks3   sgn  s3  usw   c3 g  g1   f1  c3   e4    (11) Trong đó,  số dương đủ nhỏ để tránh trường hợp e4  Với đạo hàm hàm V theo (10) luật điều khiển, chỉnh định tham số xác định theo (11) hàm V theo (6) hàm Lyapunov hệ kín 2.3 Mơ Để kiểm chứng chất lượng điều khiển, mô số thực cho đối tượng cẩu treo 2D với tham số đối tượng điều khiển sau: M   kg  , m   kg  , l  1 m  , g  9.8  m / s  , c1  , c2  0.25 ,   0.06 ,   0.01 , k  1.5 Kết mô cho giá trị đặt mét thể hình đây, đó, hình 2a vị trí xe đẩy, hình 2b góc rung lắc tải, hình 2c tín hiệu điều khiển 178 L X Hải, L V Anh, …, “Tổng hợp điều khiển trượt… 2D phòng thí nghiệm.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Hình Kết mơ cho phương pháp trượt tầng tham số thay đổi Để cho thấy hiệu phương pháp điều khiển trượt tầng tham số thay đổi, tiến hành so sánh với phương pháp trượt bậc hai trượt bậc hai thích nghi mờ giới thiệu [7] Kết phương pháp trượt bậc hai trượt bậc hai thích nghi mờ thể hình Hình Kết mô cho phương pháp trượt bậc hai thích nghi mờ Từ kết mơ phỏng, ta thấy điều khiển trượt tầng tham số thay đổi có hiệu cao, đặc biệt giảm thời gian độ hệ thống so sánh với phương pháp trượt bậc hai trượt bậc hai thích nghi mờ Kết phương pháp so sánh bảng Bảng Kết phương pháp điều khiển Phương pháp Thời gian độ Độ điều chỉnh cực Góc rung lắc tối [giây] đại [%] đa [rad] Trượt tầng tham số 0.8 thay đổi Trượt bậc hai 10 1.0 Trượt bậc hai thích 0.6 nghi mờ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san ACMEC, 07 - 2017 179 Điều khiển – Cơ điện tử - Truyền thông CÀI ĐẶT BỘ ĐIỀU KHIỂN TRÊN VI ĐIỀU KHIỂN ARM-STM32F4 3.1 Bộ điều khiển vi điều khiển STM32F4 Mơ hình cần cẩu treo 2D thực tế phòng thí nghiệm xây dựng gần với thực tế, chiều cao mét, chiều rộng 1.6 mét, độ dài dây mét Động truyền động loại động khơng đồng ba pha, có giảm tốc Động điều khiển biến tần 3G3JX hãng OMRON Bộ điều khiển cho cần cẩu treo thiết kế dòng vi điều khiển 32-bit STM32F407 hãng STMicroelectronics, với thơng số kỹ thuật như: 1-Mbyte nhớ Flash, 192 Kbyte RAM, tần số hệ thống lên tới 168 MHz, timer, kênh DAC 12bit, hỗ trợ giao tiếp USART, SPI, I2C, CAN, USB … Giao tiếp vi điều khiển với chuẩn truyền thơng RS232 máy tính thơng qua giao tiếp UART, với mạch FT232 chuyển đổi “USB to COM” Tốc độ vị trí xe đẩy đo Encoder E40S6-1024-3-T-24, với độ phân giải 1024 xung/vòng, hỗ trợ kênh A, B Z Góc nghiêng tải đo cảm biến góc nghiêng gia tốc MPU6050, truyền liệu vi điều khiển qua giao tiếp I2C 3.2 Kết thực nghiệm Kết thực nghiệm cho phương pháp điều khiển trượt tầng thích nghi thể hình 4, Với giá trị đặt 60 cm, ta thấy quỹ đạo xe đẩy tiến tới giá trị xác lập sau khoảng 16 giây, góc rung lắc tối đa tải trọng khoảng độ Hình Quỹ đạo xe đẩy Hình Góc lắc tải trọng Hình Tín hiệu điều khiển KẾT LUẬN Bài báo giới thiệu điều khiển bám quỹ đạo chống rung lắc cho hệ thống cần cẩu treo điều khiển trượt tầng thích nghi có tham số mặt trượt thay đổi theo thời gian Kết mô cho thấy điều khiển thiết kế mang tới chất lượng 180 L X Hải, L V Anh, …, “Tổng hợp điều khiển trượt… 2D phòng thí nghiệm.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ cao cho hệ thống Bộ điều khiển áp dụng vào mơ hình thực tế phòng thí nghiệm vi điều khiển STM32F4, kết thực nghiệm cho thấy điều khiển hồn tồn có khả ứng dụng tốt thực tiễn công nghiệp TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] M Mahfouf, C H Kee, M F Abbod and D A Linkens, “Fuzzy Logic Based AntiSway Control Design for Overhead Cranes”, Neural Computing &Applications, Volume 9, Issue 1, pp 38–43, May 2000 [2] Nalley Michael J., Trabia Mohamed B., “Control of overhead cranes using a fuzzy logic controller“, Journal of Intelligent and Fuzzy Systems, vol 8, no 1, pp 1-18, 2000 [3] W Wang, J Q Yi, D B Zhao, D T Liu,“Anti-swing control of overhead cranes based on sliding-mode method”, Control theory and Applications, pp1013-1016, Sep.2004 [4] H Lee, Y Liang, and D Segura, “A sliding-mode antiswing trajectory control for overhead cranes with high-speed load hoisting”, Trans ASME, J Dyn Syst Meas Control, vol 128, no 4, pp 842–845, Dec 2006 [5] Y Fang, B Ma, P Wang, and X Zhang, “A motion planning-based adaptive control method for an underactuated crane system”, IEEE Trans.Control Syst Technol., vol 20, no 1, pp 241–248, Jan 2012 [6] D Qian, S Tong, J Yi, “Adaptive Control Based on Incremental Hierarchical Sliding Mode for Overhead Crane Systems”, Applied Mathematics & Information Sciences, pg 1359-1364, Jul 2013 [7] L X Hai, Q T Quyen, L V Hung, N V Thai, V T T Nga, P X Minh, “Improving of control overhead crane quality based on the fuzzy adaptive seconf order sliding mode control”, Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 45, 10 – 2016 ABSTRACT AGGREGATING INCREMENTAL HIERARCHICAL SLIDING MODE CONTROLLER WITH DEPENDENT-ON-TIME PARAMETERS FOR OVERHEAD CRANE IN LABORATORY This paper proposes a method to aggregate incremental hierarchical sliding mode controller with dependent-on-time parameters for 2D overhead crane, based on ARM STM32F4 microcontroller The controller is designed to track the desire position, aliminate the payload swing and reduce switching frequency of sliding mode control The simulation and experiment results show effectiveness and applied ability in industry of proposed controll scheme 2D Overhead Crane; Incremental Hierarchical Sliding Mode Control; Dependent-on-time Keywords: Parameters Nhận ngày 02 tháng năm 2017 Hoàn thiện ngày 10 tháng năm 2017 Chấp nhận đăng ngày 20 tháng năm 2017 Địa chỉ: Bộ môn Điều khiển tự động, Viện Điện, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Email: xhaicuwc.edu.vn@gmail.com * Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san ACMEC, 07 - 2017 181 ... hiệu điều khiển KẾT LUẬN Bài báo giới thiệu điều khiển bám quỹ đạo chống rung lắc cho hệ thống cần cẩu treo điều khiển trượt tầng thích nghi có tham số mặt trượt thay đổi theo thời gian Kết mô cho. .. Cơ điện tử - Truyền thông CÀI ĐẶT BỘ ĐIỀU KHIỂN TRÊN VI ĐIỀU KHIỂN ARM-STM32F4 3.1 Bộ điều khiển vi điều khiển STM32F4 Mơ hình cần cẩu treo 2D thực tế phòng thí nghiệm xây dựng gần với thực tế,... Hình Kết mô cho phương pháp trượt tầng tham số thay đổi Để cho thấy hiệu phương pháp điều khiển trượt tầng tham số thay đổi, tiến hành so sánh với phương pháp trượt bậc hai trượt bậc hai thích nghi