Ứng dụng giải thuật di truyền thiết kế hai bộ điều khiển PID để điều khiển giàn cần trục cho điện phân đồng

Chủ đề của bài báo này là thiết kế hai bộ điều khiển PID với các thông số được điều chỉnh tối ưu hóa thông qua giải thuật di truyền (GA) để điều khiển giàn cần trục. Bộ điều khiển PID đầu tiên kiểm soát sự dao động của tải trọng, còn bộ điều khiển PID thứ hai điều khiển vị trí cần trục.

LIÊN NGÀNH ĐIỆN - ĐIỆN TỬ - TỰ ĐỘNG HÓA ỨNG DỤNG GIẢI THUẬT DI TRUYỀN THIẾT KẾ HAI BỘ ĐIỀU KHIỂN PID ĐỂ ĐIỀU KHIỂN GIÀN CẦN TRỤC CHO ĐIỆN PHÂN ĐỒNG APPLIED GENETIC ALGORITHM DESIGN TWO PID CONTROLLERS TO CONTROL THE GANTRY CRANE FOR COPPER ELECTROLYSIS Nguyễn Văn Trung1,2, Phạm Đức Khẩn1, Phạm Thị Thảo1, Lương Thị Thanh Xuân1 Email: nguyenvantrung.10@gmail.com Trường Đại học Sao Đỏ, Việt Nam Trường Đại học Trung Nam, Trung Quốc Ngày nhận bài: 11/8/2017 Ngày nhận sửa sau phản biện: 22/9/2017 Ngày chấp nhận đăng: 26/9/2017 Tóm tắt Giàn cần trục dành cho điện phân đồng (CE) hoạt động robot nhà xưởng để vận chuyển lắp ráp catốt , anốt Vì điện phân xếp dày đặc nên cần trục di chuyển có dao động lớn dẫn đến khả định vị thiếu xác, chí gây an toàn Chủ đề báo thiết kế hai điều khiển PID với thông số điều chỉnh tối ưu hóa thơng qua giải thuật di truyền (GA) để điều khiển giàn cần trục Bộ điều khiển PID kiểm soát dao động tải trọng, điều khiển PID thứ hai điều khiển vị trí cần trục Hai điều = 3,5 s, khiển PID kiểm tra thông qua mô Matlab/Simulink Kết mô = 3,3 s, = 0,12 rad cho thấy sử dụng hai điều khiển PID chất lượng điều khiển tốt sử dụng điều khiển PID thay đổi thông số hệ thống, tác động nhiễu vào hệ thống cho thấy giàn cần trục đạt chất lượng điều khiển tốt Từ khóa: Giàn cần trục; điều khiển PID; điều khiển vị trí; điều khiển dao động; giải thuật di truyền Abstract Gantry crane dedicated to copper electrolysis (CE) acts as a robot in factories to transport and assemble cathode and anode plates Because the electrolyte panels are so thickly arranged that when the crane moves there is a great fluctuation resulting in inaccurate positioning, even causing unsafety The subject of this paper is the design of two PID controllers with adjustable parameters optimized through genetic algorithm (GA) to control the crane The first PID controller controls the load oscillations, while the second PID controller controls the position of the crane Two PID controllers are = 3.5 s, = 3.3 s, = 0.12 tested through Matlab/Simulink simulations Simulation results rad show that when using two quality PID controllers better control when using a PID controller and when changing system parameters, interference impact on the system shows that the crane is still good quality control Keywords: Gantry crane; PID control ; position control; oscillation control; genetic algorithm ĐẶT VẤN ĐỀ Thế giới ngày phát triển, số lượng sắt thép, kim loại màu nguyên liệu khác có nhu cầu cao ngày nhiều, để vận chuyển tất loại vật liệu khơng thể thiếu giàn cần trục Trong giàn cần trục cho điện phân đồng (CE) (hình 1) khơng vận chuyển điện phân, mà thực nhiệm vụ khác quan trọng lắp ráp điện phân vào khe bên bể điện phân vào khe cho robot khác Việc vận chuyển lắp ráp điện phân vào khe an toàn, hiệu quả, kịp thời cần thiết Vì có nhiều nghiên cứu nâng cao hiệu hoạt động giàn cần trục Về mặt cấu trúc, [1] đề xuất giàn cần trục không cho điện phân đồng để tận dụng hiệu không gian làm việc bên cần trục Các giàn cần trục không di chuyển xe nâng tải trọng treo xe nâng thông qua cáp treo [2] Cần trục chức nâng, hạ di chuyển, nhiên góc lắc tự nhiên tải trọng làm cho Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 3(58).2017 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC chức hoạt động hiệu quả, vốn chuyển động kiểu lắc [3] khiển vị trí cần trục kiểm sốt góc lắc tải trọng Các điều khiển thiết kế kiểm tra thông qua mô Matlab / Simulink kết làm việc tốt Phần lại báo cấu trúc sau: Phần mơ hình động lực hệ thống giàn cần trục cho điện phân đồng Thiết kế điều khiển PID trình bày phần Phần mơ tả kết mô thay đổi thông số hệ thống Phần kết luận Hình Hình ảnh giàn cần trục cho CE Sự lắc lư tải trọng chuyển động di chuyển xe nâng, thường xuyên thay đổi chiều dài cáp treo tải trọng, khối lượng tải trọng tác động nhiễu gây gió, va chạm Do đó, số nghiên cứu lớn sử dụng để điều khiển hoạt động cần trục tự động có góc lắc nhỏ, thời gian vận chuyển ngắn độ xác cao điều khiển thích nghi [4], quỹ đạo kế hoạch [5], hình dạng đầu vào [6], điều khiển chế độ trượt [7], điều khiển mờ PD kép [8] điều khiển mờ kiểm sốt vị trí giỏ hàng, điều khiển mờ thứ hai ngăn chặn góc lắc tải trọng có ưu điểm đạt vị trí mong muốn nhanh, góc lắc tải trọng nhỏ phải điều khiển với khoảng cách nhỏ Điều khiển mờ đơi [9] có ưu điểm đạt góc lắc nhỏ nhiên tồn độ điều chỉnh lớn thời gian đạt vị trí mong muốn lớn Điều khiển PID điều khiển sử dụng rộng rãi hệ thống điều khiển công nghiệp [10], cấu trúc đơn giản, điều chỉnh dễ dàng ổn định tốt Các thông số điều khiển PID thông thường điều chỉnh cách áp dụng phương pháp lý thuyết truyền thống kinh nghiệm Tuy nhiên, để có thông số điều khiển PID tối ưu cho hệ thống phức tạp, nhà nghiên cứu bắt đầu sử dụng thuật toán DE [11], PSO [12] để điều chỉnh tối ưu hóa thơng số điều khiển PID Trong [11] có ưu điểm điều khiển với khoảng cách lớn nhiên tồn độ điều chỉnh góc lắc lớn Trong [12] có ưu điểm đạt vị trí mong muốn nhanh, góc lắc nhỏ dao động tải trọng không ngừng Trong báo đề xuất hai điều khiển PID với thơng số điều chỉnh tối ưu hóa thơng qua giải thuật di truyền (GA) để điều MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC CỦA HỆ THỐNG GIÀN CẦN TRỤC CHO ĐIỆN PHÂN ĐỒNG Một hệ thống giàn cần trục cho CE thể hình [8], thơng số giá trị lấy theo tỷ lệ với giá trị thực tế bảng Hệ thống mơ hình hóa xe nâng với khối lượng Một lắc gắn liền với có trọng tải khối lượng , chiều dài cáp treo tải trọng, góc lắc lắc, ̇ vận tốc góc tải trọng Hình Sơ đồ hệ thống giàn cần trục cho CE Bảng Ký hiệu giá trị thông số giàn cần trục cho CE Ký hiệu Mô tả Giá trị Đơn vị Khối lượng xe nâng kg Chiều dài cáp treo m 10 kg Hằng số hấp dẫn 9,81 m/s Hệ số ma sát 0,2 N/m/s tải trọng Khối lượng tải trọng Theo phương trình Lagrangian: Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 3(58).2017 LIÊN NGÀNH ĐIỆN - ĐIỆN TỬ - TỰ ĐỘNG HÓA ( ) − + (1) = Trong đó: P: hệ thống; qi: hệ tọa độ suy rộng; i: số bậc tự hệ thống; Qi: lực bên ngoài; T: động hệ thống: = { = ̇2 = ̇3 = 1( 1, 2, 3, 4, 2 ) (14) 4 Trong đó: (15) (2) ̇2 =1 Từ hình ta có thành phần vị trí xe nâng tải trọng là: = (3) = + { Từ (3) ta có thành phần vận tốc xe nâng tải trọng là: ̇ = ̇ (4) ̇ = ̇+ ̇ { Động giỏ hàng là: = ̇2 (5) Động tải trọng là: = ( ̇2 + ̇2 + ̇ ̇ ) (6) Từ (5), (6) ta có động hệ thống là: = + = ̇2 + ( ̇2 + ̇2 + ̇ ̇ ) (7) Thế hệ thống là: (1 − = (8) ) Từ (7), (8) ta có: = ̇ ( ̇ ̇+ ) =( = 0, + (9) ̇ ̇+ ) ̈+ ̈ − ̇2 (10) (11) =0 Tính tốn tương tự (9), (10), (11) thay vào (1) ta có phương trình phi tuyến chuyển động hệ thống giàn cần trục cho CE sau: ̈ ̇2 ( + ) ̈+ = − ̇ (12) − ̈+ ̈+ =0 (13) Đặt = , = ̇ , = , = ̇ Khi từ (12)ˈ (13) ta có hệ phương trình trạng thái chuyển động hệ thống giàn cần trục cho CE hạ bậc đạo hàm có dạng sau: (16) lực bên tác động vào hệ thống giàn cần trục THIẾT KẾ CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 3.1 Thiết kế điều khiển PID điều khiển giàn cần trục cho CE 3.1.1 Thiết kế sơ đồ sử dụng điều khiển PID điều khiển giàn cần trục cho CE Bộ điều khiển PID có cấu trúc đơn giản, dễ sử dụng nên sử dụng rộng rãi điều khiển đối tượng SISO theo nguyên lý hồi tiếp Đối với hệ thống giàn cần trục cho CE có hai thơng số cần điều khiển vị trí cần trục dao động tải trọng, phần chọn điều khiển vị trí cần trục làm thơng số thơng số lại áp vào tác động điểm tham chiếu thơng số có sơ đồ điều khiển thể hình Bộ điều khiển PID có nhiệm vụ đưa sai lệch e(t) hệ thống cho trình độ thỏa mãn yêu cầu chất lượng Biểu thức toán học điều khiển PID mô tả miền thời gian có dạng sau: ( )= ( () ( )+ () + ) (17) Trong đó: e(t): tín hiệu đầu vào; u(t): tín hiệu đầu ra; kP: hệ số khuếch đại; TI: số thời gian tích phân; TD: số thời gian vi phân Hàm truyền đạt điều khiển PID sau: ( )= + + (18) Các tham số kP, kI, kD cần phải xác định hiệu chỉnh để hệ thống đạt chất lượng mong muốn Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 3(58).2017 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 70%, sai số xác lập ( ) 0%, thời gian xác lập ) 28 s, góc lắc tải trọng vị trí ( ) 0,3 (rad) thời gian có góc lớn ( xác lập góc lắc ( ) 26 s; x, , tương ứng theo phương pháp Ziegler-Nichols kết hợp với phương pháp thử sai Đối với mơ hình hệ thống giàn cần trục cho CE ta sử dụng phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai để điều chỉnh thông số điều khiển PID Từ hình với thông số bảng trường hợp vị trí xe nâng mong muốn đạt x_ref = 1m, ta gán độ lợi k I_Z-N kD _Z-N lúc đầu không Độ lợi k P _Z-N tăng đến giá trị tới hạn ku, mà đáp ứng vòng hở bắt đầu dao động ku chu kỳ dao động Tu dùng để cài đặt thông số điều khiển PID theo quan hệ Ziegler - Nichols đề xuất bảng Bảng Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai Bộ điều khiển PID k T T 0,6ku 0,5Tu 0,125Tu P _Z - N I _Z - N D _Z - N Sau sử dụng phương pháp trên, chúng tơi có giá trị điều khiển PID = 40, k = 23,53, k = 17 sau: k P _Z - N I _Z - N D _Z - N Căn vào kết vừa tìm ta tiếp tục tinh chỉnh thơng số điều khiển PID phương pháp thử sai sau: Bước 1: Giữ nguyên kP = kP_Z -N = 40 Bước 2: Giảm dần thông số kI nhỏ tốt hệ thống giàn cần trục cho CE có thành phần tích phân Bước 3: Tăng dần kD để giảm độ điều chỉnh đường đặc tính đáp ứng vị trí cần trục Thơng qua việc thử sai có kết sau: kP = 40, kI = 0.01, kD = 35 Kết mô hiển thị hình Trong đó: x1, 1, tương ứng đường đặc tính đáp ứng vị trí xe nâng góc lắc tải trọng trường hợp thông số điều khiển PID tìm theo phương pháp Ziegler - Nichols thứ hai, vị trí xe nâng có độ q điều chỉnh (POT) Có thể thấy trường hợp thơng số PID tìm theo phương pháp Ziegler Nichols kết hợp với phương pháp thử sai, hệ thống giàn cần trục đạt chất lượng điều khiển tốt Position (m) 3.1.2 Tìm tham số điều khiển PID x x1 Swing angle (rad) Hình Sơ đồ cấu trúc Matlab sử dụng điều khiển PID điều khiển giàn cần trục cho CE đường đặc tính đáp ứng vị trí xe nâng góc lắc tải trọng trường hợp thơng số điều khiển PID tìm theo phương pháp Ziegler - Nichols kết hợp với = 0%, phương pháp thử sai có POT = 5%, = 3,8 s, = 0,185 rad = 4,3 s 10 20 30 Time (s) 40 (a) 0.5 θ θ1 -0.5 50 10 20 30 Time (s) (b) 40 50 Hình Đường đặc tính đáp ứng vị trí xe nâng góc lắc tải trọng 3.1.3 Tìm thơng số điều khiển PID giải thuật di truyền (GA) 3.1.3.1 Khái quát giải thuật di truyền (GA) Giải thuật di truyền (GA - Genetic Algorithm) giải thuật tìm kiếm, chọn lựa giải pháp tối ưu để giải toán thực tế khác nhau, dựa chế chọn lọc tự nhiên: Từ tập lời giải ban đầu, thông qua nhiều bước tiến hóa, hình thành tập lời giải phù hợp hơn, cuối dẫn đến lời giải tối ưu tồn cục GA có đặc điểm sau: Thứ nhất, GA làm việc với quần thể gồm nhiều nhiễm sắc thể (NST - tập hợp nhiều lời giải), tìm kiếm nhiều điểm cực trị lúc Thứ hai, GA làm việc với chuỗi kí hiệu (chuỗi NST) Thứ ba, GA cần đánh giá hàm mục tiêu để định hướng q trình tìm kiếm Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 3(58).2017 LIÊN NGÀNH ĐIỆN - ĐIỆN TỬ - TỰ ĐỘNG HĨA 3.1.3.2 Hàm mục tiêu Trong hệ điều khiển vòng kín hình 3, gọi e(t) sai lệch tín hiệu tham khảo x_ref tín hiệu đáp ứng x(t) hệ thống, ta có: (19) − ( ) ( )= Hàm mục tiêu trình tinh chỉnh điều khiển PID, định nghĩa sau: = ( )= 2( (20) ) =1 = 0%, = 3,3 s ưu hóa thơng qua GA có POT = 0%, = 3,5 s, = 0,165 rad Có thể thấy trường hợp thông số điều khiển PID tối ưu hóa thơng qua GA, hệ thống giàn cần trục đạt chất lượng điều khiển tốt Rõ ràng sử dụng GA tiết kiệm thời gian tìm kiếm thơng số điều khiển PID cho kết tìm kiếm tối ưu phương pháp lý thuyết truyền thống kinh nghiệm Nhiệm vụ GA tìm kiếm giá trị (kP-GA , kI-GA , kD-GA ) tối ưu điều khiển PID, mà hàm mục tiêu J đạt giá trị cực tiểu 3.1.3.3 Khơng gian tìm kiếm Nhằm giới hạn khơng gian tìm kiếm GA, ta giả thiết giá trị tối ưu (kP-GA , kI-GA , kD-GA ) nằm xung quanh giá trị (kP , kI, kD ) đạt từ phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai kết hợp với phương pháp thử sai Các giới hạn tìm kiếm cụ thể sau: ≤ 50 0≤ − ≤ 0,01 0≤ − ≤ 50 (21) 3.1.3.4 Tinh chỉnh thông số điều khiển PID giải thuật di truyền (GA) Giải thuật di truyền (GA) hỗ trợ phần mềm Matlab sử dụng cơng cụ để giải tốn tối ưu, nhằm đạt giá trị tối ưu điều khiển PID thỏa mãn hàm mục tiêu (20) với không gian tìm kiếm (21) Các tham số GA nghiên cứu chọn lựa sau: Quá trình tiến hóa qua 500 hệ; Kích thước quần thể 5000; Hệ số lai ghép 0,6; Hệ số đột biến 0,4 Tiến trình tìm kiếm giá trị tối ưu điều khiển PID GA mơ tả tóm tắt lưu đồ thuật tốn hình Kết tìm kiếm sau: k P-GA = 37,2, kI-GA = 0, kD-GA = 40,7 Kết mô hiển thị hình Trong đó: x, , tương ứng đường đặc tính đáp ứng vị trí xe nâng góc lắc tải trọng trường hợp thơng số điều khiển PID tìm theo phương pháp Ziegler Nichols kết hợp với phương pháp thử sai; x1, 1, tương ứng đường đặc tính đáp ứng vị trí xe nâng góc lắc tải trọng trường hợp thông số điều khiển PID tối Hình Lưu đồ thuật tốn tiến trình GA xác định thơng số điều khiển PID Position (m) − x x1 Swing angle (rad) 0≤ Time (s) (a) 0.2 θ θ1 -0.2 10 Time (s) (b) 10 Hình Đường đặc tính đáp ứng vị trí xe nâng góc lắc tải trọng 3.2 Thiết kế hai điều khiển PID điều khiển giàn cần trục cho CE 3.2.1 Thiết kế sơ đồ sử dụng hai điều khiển PID điều khiển giàn cần trục cho CE Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 3(58).2017 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 0≤ 3.2.2 Tìm thơng số hai điều khiển PID giải thuật di truyền (GA) 3.2.2.1 Hàm mục tiêu Trong hệ thống điều khiển vòng kín hình 7, có: 1( )= _ − ( ) 2( )= _ − ( ) (22) Hàm mục tiêu trình tinh chỉnh hai điều khiển PID định nghĩa sau: = ( )= 1( )+ 2( (23) ) =1 Nhiệm vụ GA tìm kiếm giá trị (kP-GA1 , kI-GA1 , kD-GA1 , kP-GA , kI-GA , kD-GA ) tối ưu hai điều khiển PID, J đạt giá trị cực tiểu 3.2.2.2 Khơng gian tìm kiếm Nhằm giới hạn khơng gian tìm kiếm GA, ta giả thiết giá trị tối ưu (kP-GA1 , kI-GA1 , kD-GA1 , kP-GA2 , kI-GA2 , kD-GA2 ) nằm xấp xỉ giá trị (kP-GA , kI-GA , kD-GA ) đạt từ việc áp dụng GA cho điều khiển PID Các giới hạn tìm kiếm sau: 0≤ 0≤ − − 1 ≤ 20; 20 ≤ ≤ 0,01; ≤ − − 2 ≤ 40 ≤ 0,01 ≤ 21; 21 ≤ − (24) ≤ 42 Áp dụng GA tìm giá trị tối ưu hai điều khiển PID thỏa mãn (23), (24) Trong q trình tiến hóa qua 1000 hệ; Kích thước quần thể 5000; Hệ số lai ghép 0,6; Hệ số đột biến 0,4 Tiến trình tìm kiếm mơ tả lưu đồ thuật tốn hình Kết sau: kP-GA1 = 9,5, kI-GA1 = 0, kD-GA1 = 3,7; kP-GA2 = 29,1, kI-GA2 = 0, kD-GA2 = 37,5 Swing angle (rad) x x1 Hình Sơ đồ cấu trúc Matlab sử dụng hai điều khiển PID điều khiển giàn cần trục cho CE − 3.2.2.3 Tinh chỉnh thông số hai điều khiển PID giải thuật di truyền (GA) Position (m) Thực tế giàn cần trục cho CE hoạt động làm cho điện phân dao động lớn gây ảnh hưởng đến khả định vị xác cần trục, đặc biệt việc thực lắp ráp điện phân vào khe bên bể điện phân khó khăn Ngồi gây số hậu rơi điện phân, thiệt hại khí tai nạn ngắn mạch Vì vậy, ngồi việc định vị xác cần phải điều khiển góc lắc tải trọng nhỏ Để làm điều thiết kế hai điều khiển PID thỏa hiệp Trong điều khiển PID kiểm soát dao động tải trọng, điều khiển PID thứ hai điều khiển vị trí cần trục có sơ đồ thể hình Time (s) (a) 0.2 θ θ1 -0.2 10 Time (s) (b) 10 Hình Đường đặc tính đáp ứng vị trí xe nâng góc lắc tải trọng Kết mơ với vị trí xe nâng mong muốn x_ref = 1m _ref = rad hiển thị hình Trong đó: x, , tương ứng đường đặc tính đáp ứng vị trí xe nâng góc lắc tải trọng trường hợp sử dụng điều khiển PID; x1, 1, tương ứng đường đặc tính đáp ứng vị trí xe nâng góc lắc tải trọng trường hợp sử dụng hai điều khiển PID với thông số tối = 0%, ưu hóa thơng qua GA có POT = 0%, = 3,5 s, = 0,12 rad = 3,3 s Bằng cách so sánh kết sử dụng điều khiển PID thấy điều khiển đạt hiệu kiểm soát tốt Nhưng trường hợp sử dụng hai điều khiển PID có khả thích ứng mạnh mẽ chất lượng điều khiển tốt Để làm rõ tính vượt trội giải pháp nhóm tác giả tiến hành so sánh hai điều khiển GAPID thiết kế với phương pháp điều khiển khác cơng bố bảng 10 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 3(58).2017 LIÊN NGÀNH ĐIỆN - ĐIỆN TỬ - TỰ ĐỘNG HÓA Ký GA- PID DE- Mờ- PSO- Mờ hiệu PID [11] PID PD PID đôi [11] [8] [12] [9] 1m x_ref 1m 5m 5m 0,2 m 0,4 m POT 0% 6% 3% 0% 0% 13% chiều dài cáp treo tải trọng l = 1,5 m, thông số khác khơng đổi TH3 vị trí xe nâng mong muốn giống TH1 tăng khối lượng tải trọng m = 15 kg, thông số khác không đổi Position (m) Bảng So sánh GA-PID với phương pháp điều khiển khác công bố 0% 0% 0% 0% 0% 3,5 s 13 s 12 s 4,5 s 2,5 s 35 s 3,3 s 25 s 25 s 3,5 s ∞ 26 s 0,12 1,5 0,65 0,06 0,09 0,02 rad rad rad rad rad rad 0 0 0,035 rad rad rad rad rad rad Căn vào kết bảng thấy điều khiển có hiệu nhỏ kiểm sốt tốt Trong đó: Mờ đơi [9] có nhiên tồn POT lớn, , lớn , nhỏ nhiên PSO-PID [12] có , , nhỏ tiến tới ∞ Mờ-PD [8] có nhiên với x_ref nhỏ PID DE-PID [11] điều khiển với x_ref lớn nhiên tồn POT, , , lớn GA-PID khơng tồn POT, , , nhỏ Vì bể điện phân bố trí cố định gần nên ta định hình đầu vào cho vị trí giàn cần trục sử dụng điều khiển GA-PID tối ưu KẾT QUẢ MÔ PHỎNG KHI THAY ĐỔI CÁC THÔNG SỐ HỆ THỐNG Trong thực tế sản xuất, hệ thống giàn cần trục cho CE hoạt động thơng số quãng đường di chuyển, chiều dài cáp treo tải trọng trọng lượng tải trọng liên tục thay đối Để bám sát với tình hình thực tế nghiên cứu tác động hai điều khiển PID thay đổi thông số hệ thống cụ thể sau: Trường hợp (TH1) thay đổi quãng đường di chuyển với vị trí xe nâng mong muốn x_ref di chuyển từ m đến m, sau thay đổi từ m đến -0,5 m, cuối thay đổi từ -0,5 m m, θ_ref = rad, thông số hệ thống bảng khơng đổi TH2 vị trí xe nâng mong muốn giống TH1 tăng Swing angle (rad) -1 0% Desired position x-TH3 x-TH2 x-TH1 10 15 Time (s) (a) 20 25 30 θ-TH3 θ-TH2 θ-TH1 0.2 0.1 -0.1 -0.2 10 15 Time (s) (b) 20 25 30 Hình Đường đặc tính đáp ứng vị trí xe nâng góc lắc tải trọng thay đổi thông số hệ thống Kết mô hiển thị hình Trong đó: x-TH1, -TH1, x-TH2, -TH2, x-TH3, -TH3, tương ứng đường đặc tính đáp ứng vị trí xe nâng góc lắc tải trọng ba trường hợp Có thể thấy sử dụng hai điều khiển PID cho trường hợp thay đổi thông số hệ thống, đường đặc tính đáp ứng vị trí xe nâng góc lắc tải trọng TH2, TH3 bám sát với đường đặc tính TH1 Hệ thống giàn cần trục đạt vị trí xác thời gian ngắn khống chế góc lắc tải trọng nhỏ Ngoài hệ thống giàn cần cẩu cho CE hoạt động có nhiễu bên ngồi tác động vào hệ thống Đặc biệt thời điểm giàn cần cẩu tăng tốc độ, đảo chiều quay dừng động làm cho điện phân dao động đồng thời kết hợp với tác dụng xung gió va chạm làm cho tải trọng dao động mạnh Để kiểm tra độ tin cậy hai điều khiển PID, nhóm tác giả đưa giả thiết bước tín hiệu nhiễu [9] tác động vào hệ thống giàn cần cẩu thời điểm cụ thể sau: Thứ thời điểm tăng tốc (thời gian bước = s, góc Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 3(58).2017 11 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC lệch = 0,3 rad, thời gian = s); Thứ hai, thời điểm đảo chiều quay (thời gian bước = s, góc lệch = 0,5 rad, thời gian = s); Thứ ba, thời điểm dừng động (thời gian bước = s, góc lệch = 0,2 rad, thời gian = s) Kết mô hiển thị hình 10 Trong đó: x-THN, θ-THN tương ứng đường đặc tính đáp ứng vị trí xe nâng góc lắc tải trọng có nhiễu tác động bám sát với đường đặc tính x-TH1, θ-TH1 Có thể thấy phản ứng hệ thống không thay đổi xuất độ điều chỉnh nhỏ dao động tải trọng có tăng hệ thống đạt chất lượng điều khiển tốt Position (m) -1 Swing angle (rad) Desired position x-THN x-TH1 10 15 Time (s) (a) 20 25 0.2 30 θ-THN θ-TH1 -0.2 10 15 Time (s) (b) 20 25 30 Hình 10 Đường đặc tính đáp ứng vị trí xe nâng góc lắc tải trọng có nhiễu KẾT LUẬN Trong báo này, tác giả thiết kế điều khiển PID với thơng số tìm theo phương pháp Ziegler - Nichols kết hợp v ới phương pháp thử sai, từ làm sở để giới hạn khơng gian tìm kiếm cho GA để thiết kế hai điều khiển PID Hai điều khiển PID kiểm tra thông qua mô Matlab/Simulink Kết mô sử dụng điều khiển PID để điều khiển = 3,5 s, giàn cần trục cho CE có = 0,165 rad, = 3,3 s , kết mô sử dụng hai điều khiển PID để = 3,5 s, điều khiển giàn cần trục cho CE có = 0,12 rad, = 3,3 s cho thấy chất lượng điều khiển sử dụng hai điều khiển PID tốt sử dụng điều khiển PID Để kiểm tra độ tin cậy phương pháp điều khiển, nhóm tác giả mơ thơng số hệ thống thay đổi có nhiễu tác động vào hệ thống Kết cho thấy giàn cần trục cho CE di chuyển đến vị trí mong muốn nhanh kiểm sốt dao động tải trọng nhỏ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] J Smoczek (2013) Interval arithmetic-based fuzzy discrete-time crane control scheme design Bull Pol Ac.: Tech 61 (4), 863-870 [2] J Smoczek (2013) Interval arithmetic-based fuzzy discrete-time crane control scheme design Bull Pol Ac: Tech., 61 (4), 863 - 870 [3] N Sun, Y.C Fang, and X.B Zhang (2013) Energy coupling output feedback control of 4-DOF underactuated cranes with saturated inputs Automatica 49 (5), 1318 -1325 [4] Y.C Fang, B.J Ma, P.C Wang, and X.B Zhang (2012) A motion planning-based adaptive control method for an underactuated crane system IEEE Trans on Control Systems Technology 20 (1), 241 - 248 [5] X.B Zhang, Y.C Fang, and N Sun (2014) Minimum-time trajectory planning for underactuated overhead crane systems with state and control constraints IEEE Trans on Industrial Electronics 61 (12), 6915 - 6925 [6] E Maleki, W Singhose, and S.S Gurleyuk (2014) Increasing crane payload swing by shaping human operator commands IEEE Trans on Human-Machine Systems 44 (1), 106 -114 [7] M.S Park, D Chwa, and M Eom (2014) Adaptive sliding-mode antisway control of uncertain overhead cranes with high-speed hoisting motion IEEE Trans on Fuzzy Systems 22 (5), 1262 - 1271 [8] Naif B Almutairi and Mohamed Zribi (2016) Fuzzy Controllers for a Gantry Crane System with Experimental Verifications Article in Mathematical Problems in Engineering DOI: 10.1155/1965923 [9] Lifu Wang, Hongbo Zhang, Zhi Kong (2015) Antiswing Control of Overhead Crane Based on Double Fuzzy Controllers IEEE Chinese Control and Decision Conference (CCDC), 978-1-47997016-2/15/$31.00 [10] S.Y Yang, G.L Xu (2011) Comparison and Composite of Fuzzy Control and PID Control Industry Control and Applications, 30(11): 21-25 [11] Zhe Sun, Ning Wang, Yunrui Bi, Jinhui Zhao (2015) A DE based PID controller for two dimensional overhead crane Proceedings of the 34th Chinese Control Conference July 28-30 Hangzhou, China [12] Mohammad Javad Maghsoudi, Z Mohamed, A.R Husain, M.O Tokhi (2016) An optimal performance control scheme for a 3D crane Mechanical Systems and Signal Processing 66-67, 756 - 768 12 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 3(58).2017 ... thống giàn cần trục THIẾT KẾ CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 3.1 Thiết kế điều khiển PID điều khiển giàn cần trục cho CE 3.1.1 Thiết kế sơ đồ sử dụng điều khiển PID điều khiển giàn cần trục cho CE Bộ điều khiển. .. xe nâng góc lắc tải trọng 3.2 Thiết kế hai điều khiển PID điều khiển giàn cần trục cho CE 3.2.1 Thiết kế sơ đồ sử dụng hai điều khiển PID điều khiển giàn cần trục cho CE Tạp chí Nghiên cứu khoa... kết mô sử dụng hai điều khiển PID để = 3,5 s, điều khiển giàn cần trục cho CE có = 0,12 rad, = 3,3 s cho thấy chất lượng điều khiển sử dụng hai điều khiển PID tốt sử dụng điều khiển PID Để kiểm