0

Thiết kế bộ điều khiển mờ trượt để điều khiển vị trí và góc dao động của giàn cầu trục cho điện phân đồng

9 13 0
  • Thiết kế bộ điều khiển mờ trượt để điều khiển vị trí và góc dao động của giàn cầu trục cho điện phân đồng

Tài liệu liên quan

Thông tin tài liệu

Ngày đăng: 19/01/2021, 09:48

Bài viết đề xuất thiết kế bộ điều khiển mờ trượt để điều khiển vị trí và góc dao động kiểu con lắc đôi của giàn cầu trục cho điện phân đồng với các thông số được điều chỉnh tối ưu hóa thông qua giải thuật di truyền (GA). Sự ổn định của hệ thống được chứng minh bằng thuyết ổn định Lyapunov. Bộ điều khiển đã thiết kế được kiểm tra thông qua mô phỏng Matlab/Simulink kết quả làm việc tốt. LIÊN NGÀNH ĐIỆN - ĐIỆN TỬ - TỰ ĐỘNG HÓA Thiết kế điều khiển mờ trượt để điều khiển vị trí góc dao động giàn cầu trục cho điện phân đồng Design of sliding mode fuzzy controller to control position and oscillation angle of the gantry crane for copper electrolysis Nguyễn Văn Trung1, 2, Nguyễn Trọng Các2, Nguyễn Thị Thảo2, Nguyễn Thị Tâm2 Email: ngvtrung1982@gmail.com Trường Đại học Trung Nam, Trung Quốc Trường Đại học Sao Đỏ, Việt Nam Ngày nhận bài: 10/5/2019 Ngày nhận sửa sau phản biện: 25/6/2019 Ngày chấp nhận đăng: 28/6/2019 Tóm tắt Hiện tượng dao động móc điện phân gây nhiều khó khăn cho việc định vị xác xe nâng, chí gây thiệt hại học hệ thống Do đó, báo trình bày giải pháp thiết kế điều khiển mờ trượt (SMFC) với thông số điều chỉnh tối ưu hóa thơng qua giải thuật di truyền (GA) để điều khiển giảm dao động móc, điện phân tăng khả định vị xe nâng Bộ điều khiển trượt (SMC) có tính ổn định bền vững hệ thống có nhiễu thơng số đối tượng thay đổi theo thời gian Tuy nhiên, luật điều khiển trượt gây tượng dao động (chattering) quanh mặt trượt Để giải vấn đề này, luật điều khiển mờ xây dựng thích hợp để triệt tiêu tượng chattering hệ thống Sự ổn định hệ thống chứng minh thuyết ổn định Lyapunov Bộ điều khiển mờ trượt kiểm tra thông qua mô Matlab/Simulink Kết mô cho thấy hệ thống có khả nhận chất lượng điều khiển tốt Từ khóa: Giàn cầu trục; điều khiển trượt; điều khiển mờ; điều khiển vị trí; điều khiển dao động Abstract The oscillation phenomenon of hooks and electrolytic panels has caused many difficulties for accurate positioning of forklifts, even causing mechanical damage to the system Therefore, the paper presents a solution to design a sliding fuzzy controller (SMFC) with optimized parameters through genetic algorithm (GA) to control the reduction of hook oscillations, electrolytic plates and increase the positioning capacity of forklifts The sliding controller (SMC) has stable stability even when the system has noise or when the subject's parameters change over time However, the slip control law will cause oscillation (chattering) around the sliding surface To solve this problem a fuzzy control law was appropriately built to suppress the chattering phenomenon in the system The stability of the system was proved by Lyapunov stability theory Sliding mode fuzzy controller was checked through simulation Matlab/Simulink Simulation results show that the system is capable of receiving good control quality Keywords: Gantry crane; sliding mode control; fuzzy control; position control; oscillation control ĐẶT VẤN ĐỀ Giàn cầu trục dành cho điện phân đồng (CE) thiết bị quan trọng cho công tác vận chuyển cathode, anode đưa vào, khỏi khe bên bể điện phân lắp ráp vào khe cho robot khác xưởng sản xuất tinh chế đồng Vì điện phân xếp dày đặc nên trình vận hành, xe nâng Người phản biện: GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn PGS TS Trần Quốc Vệ tăng tốc, giảm tốc gây dao động mạnh móc điện phân làm cho xe nâng định vị thiếu xác, chí gây an tồn Vì có nhiều nghiên cứu nâng cao hiệu hoạt động giàn cầu trục [1, 2, 6, 10, 12] có ưu điểm đạt góc lắc nhỏ, thời gian đến vị trí mong muốn nhanh, [10] độ ổn định có nhiễu khơng cao đối tượng điều khiển dừng lại việc điều khiển kiểu lắc đơn, [12] có tượng chattering quanh mặt trượt gây thiệt hại học hệ thống Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(65).2019 21 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Về mặt cấu trúc, giàn cầu trục không di chuyển xe nâng, tải trọng treo vào móc móc treo xe nâng thơng qua cáp treo [1] Các cấu trúc này, cấu trúc thể hình [12] Cầu trục khơng có chức nâng, hạ di chuyển, nhiên dao động tự nhiên móc tải trọng giống dao động kiểu lắc đôi [2] làm cho chức hoạt động hiệu đơn Vì vậy, báo đề xuất thiết kế điều khiển mờ trượt để điều khiển vị trí góc dao động kiểu lắc đơi giàn cầu trục cho điện phân đồng với thông số điều chỉnh tối ưu hóa thơng qua giải thuật di truyền (GA) Sự ổn định hệ thống chứng minh thuyết ổn định Lyapunov Bộ 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 cầu trục cho điện phân đồng Thiết kế điều khiển mờ trượt trình bày phần Phần mơ tả kết mô Phần kết luận MƠ HÌNH ĐỘNG LỰC CỦA HỆ THỐNG GIÀN CẦU TRỤC CHO ĐIỆN PHÂN ĐỒNG Hình Hình ảnh giàn cầu trục cho CE Sự lắc lư móc tải trọng chuyển động di chuyển tăng, giảm tốc độ xe nâng, thường xuyên thay đổi chiều dài cáp treo móc, khối lượng tải trọng tác động nhiễu gây ma sát, gió, va chạm Do đó, số nghiên cứu lớn sử dụng để điều khiển giảm dao động móc tải trọng, đồng thời tăng thời gian vận hành với độ xác cao điều khiển thích nghi [3], hình dạng đầu vào [4], Điều khiển Fuzzy [5, 6], Điều khiển Fuzzy-PID [7] kết hợp ưu điểm điều khiển PID hệ thống tiếp cận điểm đặt ưu điểm điều khiển mờ làm việc tốt độ lệch lớn, phi tuyến tạo phản ứng nhanh Để có thông số điều khiển PID tối ưu cho hệ thống phức tạp, nhà nghiên cứu sử dụng thuật tốn PSO [8], DE [9], GA [10], đạt góc lắc nhỏ, thời gian đến vị trí mong muốn nhanh, độ ổn định có nhiễu khơng cao Điều khiển chế độ trượt [11, 12] có ưu điểm đạt ổn định bền vững hệ thống có nhiễu thơng số đối tượng thay đổi theo thời gian Tuy nhiên, điều khiển chế độ trượt có nhược điểm biên độ luật điều khiển trượt lớn gây tượng chattering quanh mặt trượt Để khắc phục nhược điểm này, nhà nghiên cứu sử dụng điều khiển chế độ mờ trượt [13] loại bỏ tín hiệu chattering, đồng thời kiểm sốt góc lắc tải trọng nhỏ định vị xác thời gian ngắn, nhiên việc tìm kiếm thơng số điều khiển mờ xây dựng dựa kinh nghiệm người thiết kế thuật toán điều khiển dừng lại việc điều khiển cho giàn cầu trục kiểu lắc Một hệ thống giàn cầu trục cho CE thể hình [12] Hệ thống mơ hình hóa xe nâng với khối lượng M Một móc gắn liền với có trọng lượng m1; l1- chiều dài cáp treo móc; m2- trọng lượng tải trọng; l2- 1/2 chiều dài điện phân; θ1- góc lắc móc; θ1- vận tốc góc móc; θ2- góc lắc điện phân; θ2 - vận tốc góc điện phân Giàn cầu trục di chuyển với lực đẩy F (N), sd nhiễu bên tác động vào hệ thống giàn cầu trục Giả sử dây cáp khơng có khối lượng cứng Các phương trình chuyển động thu cách:  ∂L  ∂L  − dt  ∂qɺ  ∂q d i = Qi (1) i Theo phương trình Lagrangian [12, 13]: Trong đó: qi: hệ tọa độ suy rộng; i : số bậc tự hệ thống; Qi : lực bên ngoài; L=T-P P; hệ thống; T; động hệ thống n T = ∑ m xɺ j j (2) j =1 Hình Sơ đồ hệ thống giàn cầu trục cho CE 22 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(65).2019 LIÊN NGÀNH ĐIỆN - ĐIỆN TỬ - TỰ ĐỘNG HĨA Từ hình ta có thành phần vị trí xe nâng, móc điện phân là:  xM = x   xml = x + l1 sin θ1  x = x + l sin θ + l sin θ  m2 1 2 (3) Từ (3) ta có thành phần vận tốc xe nâng, móc điện phân là:  xi M = xi  i i i  xml = x + l1θ1 cos θ1  xi = xi + l θi cos θ + l θi cos θ 1 2   m2 (4) Động hệ thống là: T = T +T M Μ xɺ = m2 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ TRƯỢT 2 m + +T m1 ( xɺ ɺ θɺ cosθ + l θɺ + xl 2 1 1 ) (5) SMFC đạt độ ổn định độ bền hệ thống có nhiễu tác động thơng số giàn cầu trục dành cho CE thay đổi theo thời gian SMFC thiết kế sau: (6) Giả sử xr1, xr3, xr5 tương ứng với vị trí, góc lắc móc, góc lắc điện phân mong muốn hệ thống giàn cầu trục, x1, x3, x5 tương ứng giá trị thực vị trí giàn cầu trục, góc lắc móc, góc lắc điện phân Mục tiêu kiểm soát SMFC tác động lực u sai lệch bám x1, x3, x5 với xr1, xr3, xr5 hội tụ t →∞ dao động điện phân tối thiểu Sai lệch kiểm soát xác định sau: ɺ θɺ cosθ m ( xɺ + l θɺ + l θɺ + xl ɺ θɺ cosθ + l l θɺ θɺ cos (θ − θ )) + xl + 2 2 2 2 2 1 1 Thế hệ thống là: P = ( m1 + m2 ) gl1 (1 − cosθ1 ) + m2 gl2 (1 − cosθ ) Thay (8), (9) vào (1) ta có phương trình phi tuyến chuyển động hệ thống giàn cầu trục cho CE mô tả sau [1, 12]: (M + m + m2 ) x + ( m1 + m2 ) l1 ( cos1 ă ă ( 2 ă − θɺ1 sinθ1 ) + m2 l2 θ cosθ − θɺ2 sinθ ) (7) = F + σ d − µ xɺ (m + m2 ) l1 cosθ1 x + ( m1 + m2 ) l1 θ ă + m2 l1l2 cos (1 − θ ) + m2 l1l2θɺ2 sin (θ1 − ) ă (8) + ( m1 + m2 ) gl1 sin1 = ă ă m2 l2 cosθ x + m2 l1l2 θ cos (θ1 − θ ) + m2 l2 θ 2 − m l l θɺ sin (θ − θ ) + m gl sinθ = 2 1 2 2 (9) Đặt x1 = x; x2 = xɺ ; x3 = θ1 ; x4 = θɺ1 ; x5 = θ ; x6 = θɺ2 ; F = u Khi từ (7), (8), (9) ta có hệ phương trình trạng thái chuyển động hệ thống giàn cầu trục cho CE hạ bậc đạo hàm có dạng sau [12, 13]: xɺ1 = x2 xɺ = f ( X ) + b2 ( X ) u + σ d ( X ) xɺ5 = x6 xɺ = f3 ( X ) + b3 ( X ) u + σ d ( X ) (11) (12) (13) s1 = eɺ1 + λ1 e1 = x2 + λ1 ( x1 − xr ) (14) s2 = eɺ2 + λ2 e2 = x4 + λ2 ( x3 − xr ) (15) s3 = eɺ3 + λ3 e3 = x6 + λ3 ( x5 − xr ) (16) Trong đó: li số thực dương giới hạn li < li < li0 Với λi = lim ( fi ( X ) / x2 i ) , với i = 1, 2, X →0 (17) Mặt trượt tổng quát xây dựng sau: s = α s1 + α s2 + α s3 = α x2 xɺ = f1 ( X ) + b1 ( X ) u + σ d ( X ) xɺ3 = x4 e1 = x1- xr1 e2 = x3- xr3 e3 = x5- xr5 Từ (10), (11), (12), (13) có mặt trượt định nghĩa cho ba h thng nh sau: ă ă Trong ú: X = (x1, x2,x3,x4,x5,x6) vector biến thể trạng đại diện cho vị trí, tốc độ cầu trục, góc vận tốc góc móc, góc vận tốc góc điện phân f1(X), f2(X), f3(X), b1(X), b2(X), b3(X) hàm phi tuyến tính,sd1(X), sd2(X), sd3(X) nhiễu có giới hạn bao gồm biến số tham số nhiễu bên ngoài, u đầu vào điều khiển Mơ hình tốn hệ thống mà nhóm tác giả đề xuất khác với mơ hình tốn báo [13], cụ thể sau: Mơ hình tốn hệ thống báo [13] mơ hình điều khiển kiểu lắc đơn, mơ hình khơng có thành phần nhiễu sd1(X), sd2(X), sd3(X) f1(X), f2(X), b1(X), b2(X) hàm tuyến tính (10) + α λ1 ( x1 − xr ) + α x4 + α λ2 ( x3 − xr ) (18) + α x6 + α λ3 ( x5 − xr ) Trong đó: α1, α2, α3 số thực dương Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(65).2019 23 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Để đảm bảo hệ thống theo bề mặt trượt riêng mình, tồn quy tắc kiểm soát định nghĩa sau: (19) u = ueq + ueq + ueq + u sw Trong đó: đương hệ thống con, usw tín hiệu điều khiển chuyển đổi điều khiển trượt, có: ueq1 = − ( b1 ( X ) ) −1 (20) ( f (X )+λ x ) (21) u = − (b ( X )) ( f ( X ) + λ x ) u = − (b ( X )) ( f ( X ) + λ x ) (22) u = − ( Z ( X ) ) [α b ( X ) ( u + u ) + α b ( X ) ( u + u ) + α b ( X ) ( u + u ) (23) 1 −1 2 3 1 eq −1 eq + α 3b3 ( X ) ( ueq1 + ueq + ueq + usw ) + σ d ( X )] (26) = − sk s sign ( s ) + sσ d ( X ) ≤ − s ks + s * σ d ( X ) u eq , u eq , u eq tương ứng luật kiểm soát tương eq + ueq + usw ) + α ( f3 ( X ) + λ3 x6 ) =− S (k s ) − σd ( X ) < Trong đó: σ d ( X ) = α1σ d ( X ) + α 2σ d ( X ) + α 3σ d ( X ) Từ kết cho thấy hệ thống ổn định Từ (10) (24) thiết kế sơ đồ điều khiển hệ thống giàn cầu trục cho CE thể hình −1 sw 2 eq1 eq 3 eq eq1 eq + ks sign ( s ) Trong đó: k s > α1σ d ( X ) + α 2σ d ( X ) + α 3σ d ( X ) số thực dương, Z1 ( X ) = α1b1 ( X ) + α 2b2 ( X ) + α 3b3 ( X ) ,  s >  sign ( s ) =  − s <  s =  Hình Sơ đồ cấu trúc Matlab sử dụng SMC điều khiển giàn cầu trục cho CE Thay (20), (21), (22), (23) vào (19) ta có quy tắc kiểm sốt chế độ trượt u thiết kế sau: u = − ( Z1 ( X ) ) −1 ( Z ( X ) + Z ( X ) + k sign ( s ) ) (24) s Trong đó: Z ( X ) = α1 f1 ( X ) + α f ( X ) + α f3 ( X ) , Z ( X ) = α1λ1 x2 + α λ2 x4 + α 3λ3 x6 Theo lý thuyết ổn định Lyapunov, chọn hàm xác định dương sau: V = s2 (25) Đạo hàm bậc V theo thời gian ta thu phương trình sau: Trong luật điều khiển giàn cầu trục dành cho điện phân đồng thể phương trình (24) có chứa hàm sign(s), nguyên nhân gây tượng chattering hệ thống làm thiệt hại học hệ thống Một phương pháp loại bỏ tín hiệu chattering thay hàm kssign(s) phương trình (24) giá trị thay đổi thông qua điều khiển mờ Ta có: (27) s& = − K f Trong đó: • Kf > σd (X) biên độ luật điều khiển Để V xác định âm, chọn giá trị Kf phải thỏa mãn điều kiện IF S > THEN Kf > ; IF S < THEN Kf > = s[α1 ( x&2 + λ1 x&1 ) + α ( x&4 + λ2 x&3 ) Biên độ luật điều khiển Kf ước tính trực tuyến hệ thống suy luận mờ với quy tắc mờ sau: + α ( x&6 + λ3 x&5 )] = s[α1 ( f1 ( X ) + λ1 x2 ) R j: IF s is A j THEN K f is B j + α1b1 ( X ) ( ueq1 + ueq + ueq + usw ) Trong đó: + α ( f ( X ) + λ2 x4 ) + α 2b2 ( X ) (ueq1 + ueq Rj quy tắc thứ j số quy tắc p, Aj Bj & = ss& = s (α s& + α s& + α s& ) V 1 2 3 24 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(65).2019 LIÊN NGÀNH ĐIỆN - ĐIỆN TỬ - TỰ ĐỘNG HÓA tập mờ biến đầu vào S biến đầu Kf Ta có: p Kf ∑ µ (s) B = ∑ µ (s) j j j =1 A p j =1 A (28) j Trong đó: Các hàm thành viên mA(S) sử dụng hàm Gaussian Ta có   s − γ 2    δ     (29) µ A ( s ) = exp  −  Trong đó: g, d tâm chiều rộng hàm Gaussian Các biến ngôn ngữ đầu vào, đầu sử dụng năm tập mờ để mô tả Negative Big (NB), Negative Small (NS), Zero(ZE), Positive Small (PS), and Positive Big (PB) Các luật mờ định nghĩa sau: Hình Sơ đồ cấu trúc Matlab sử dụng SMFC điều khiển giàn cầu trục cho CE Để tăng hiệu bám vị trí tăng tốc độ hội tụ, sử dụng giải thuật di truyền (GA - Genetic Algorithm) để tìm kiếm, chọn lựa giá trị tối ưu SMFC Hàm mục tiêu trình tinh chỉnh thông số điều khiển trượt, định nghĩa sau: J1 = ∑ ∫ei2 ( t ) dt → IF s is NB THEN Kf is NB IF s is NS THEN Kf is NS IF s is ZE THEN Kf is ZE IF s is PS THEN Kf is PS IF s is PB THEN Kf is PB (34) i =1 Nhiệm vụ GA tìm kiếm giá trị (l1, l1, l1,α1, α2, α3, ks) tối ưu điều khiển trượt, mà hàm mục tiêu J1 → Thay (27) vào (23) ta có tín hiệu điều khiển chuyển đổi điều khiển trượt: usw = − ( Z1 ( X ) ) [α1b1 ( X ) ( ueq + ueq ) Sau có thông số tối ưu điều khiển trượt, chúng tơi tiếp tục tìm kiếm thơng số điều khiển mờ trượt, với hàm mục tiêu định nghĩa sau: + α 2b2 ( X ) ( ueq1 + ueq ) + α 3b3 ( X ) ( ueq1 + ueq ) (30) J = e12 ( t ) + e22 ( t ) + e32 ( t ) → +Kf ] Nhiệm vụ GA tìm kiếm giá trị (Smin, Smax, Kmin, Kmax) tối ưu điều khiển mờ trượt, mà hàm mục tiêu J2 → −1 Thay (20), (21), (22), (30) vào (19) ta có quy tắc kiểm soát chế độ mờ trượt u thiết kế sau: u = − ( Z1 ( X ) ) −1 (Z ( X ) + Z ( X ) + K ) f (31) Thay (27) vào (26) ta có: V& = − sK f + sσ d ( X ) = − s ( K f − σ d ( X )) < (32) Theo Barbalat Lemma, t limt →∞ ∫s ( K f − σ d ( X ) ) dt = (33) Ta có s ∈ L∞ s& ∈ L∞ Do s → t → Vì e&1 → 0, e&2 → t →∞ Từ kết cho thấy hệ thống sử dụng SMFC điều khiển giàn cầu trục cho CE ổn định Từ (10) (31) thiết kế sơ đồ sử dụng SMFC điều khiển giàn cầu trục cho CE thể hình (35) KẾT QUẢ MƠ PHỎNG 4.1 Kết mơ sử dụng GA tìm kiếm thơng số SMC SMFC Giải thuật di truyền (GA) hỗ trợ phần mềm Matlab sử dụng công cụ để giải toán tối ưu, nhằm đạt giá trị tối ưu SMC thỏa mãn hàm mục tiêu (34) SMFC thỏa mãn hàm mục tiêu (35) Các tham số GA nghiên cứu chọn lựa sau: Q trình tiến hóa qua 1.000 hệ; Kích thước quần thể 5.000; Hệ số lai ghép 0,6; Hệ số đột biến 0,4 Các tham số hệ thống sử dụng mơ có bảng 1, vị trí xe nâng, góc lắc móc góc lắc điện phân mong muốn là: xr1 = m; xr3 = rad; xr5 = rad, sd = N Tiến trình tìm kiếm giá trị tối ưu SMC SMFC GA mơ tả tóm tắt lưu đồ thuật tốn hình Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(65).2019 25 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 4.2 Kết mô sử dụng SMC SMFC điều khiển giàn cầu trục cho CE Các điều khiển thiết kế mô phần mềm Matlab/Simulink với tham số hệ thống sử dụng mơ có bảng 1, xr1 = m; xr3 = rad; xr5 = rad sd = N Kết mô sử dụng SMC thể hình Position (m) 0.5 Ký hiệu M m1 m2 l1 l2 g Mô tả Giá trị Đơn vị Khối lượng xe nâng 24 kg Trọng lượng móc kg Trọng lượng tải trọng 10 kg Degree of membership Swing angle (rad) θ2 20 θ1 -0.1 100 10 Time (s) 15 10 Time (s) 15 20 u -100 20 m m Hằng số hấp dẫn 9,81 m/s2 Trong đó: Hệ số ma sát 0,2 N/m/s Từ kết tìm kiếm ta có hàm liên thuộc biến đầu vào đầu điều khiển mờ thể hình Degree of membership 15 0,6 l1= 1; l2= 0,03; l3= 2,14; α1 = 1; α2 = 1,63; α3 = 0,26; ks= 0,43 Smin = - 2,5; Smax = 2,5; Kfmin = -1; Kfmax = 1NB NS ZE PS PB 0.5 -2 -1 NS Input: s ZE PS PB 0.5 -1 0.1 10 Time (s) 1/2 chiều dài điện phân Kết tìm kiếm thơng số SMFC sau: 1NB Hình Đường đặc tính đáp ứng vị trí xe nâng, góc lắc móc, điện phân tín hiệu đầu vào điều khiển sử dụng SMC Chiều dài cáp treo móc m 0 Control input (N) Bảng Ký hiệu giá trị thông số giàn cầu trục cho CE x1 Hình Lưu đồ thuật tốn tiến trình GA xác định thơng số điều khiển x r1 1.5 -0.5 Output: Kf 0.5 Hình Các hàm liên thuộc biến đầu vào đầu điều khiển mờ x1, θ1, θ2, u tương ứng đường đặc tính đáp ứng vị trí xe nâng, góc lắc móc, góc lắc điện phân tín hiệu đầu vào điều khiển, vị trí xe nâng có độ điều chỉnh POT = 0%, sai số xác lập exl = 0%, thời gian xác lập vị trí tx1 = 5,1 s, góc lắc móc có góc lớn θ1max = 0,045 rad thời gian xác lập góc lắc tθ1 = 6,5 s, cịn góc lắc điện phân có góc lớn θ1max= 0,069 rad, thời gian xác lập góc lắc tθ2 = 6,8 s, tín hiệu điều khiển umax = 110 N; tu → ∞ Kết mô sử dụng SMFC thể hình có POT = %, exl = %, tx1 = 5,2 s, θ1max = 0,045 rad, tθ1 = 5,5 s, θ2max= 0,065 rad, tθ2 = 5,5 s, umax = 28 N, tu = 6,2 s Bằng cách so sánh kết sử dụng điều khiển thấy điều khiển đạt hiệu kiểm soát tốt Nhưng hệ thống có khả thích ứng mạnh mẽ hơn, chất lượng điều khiển tốt loại bỏ tín hiệu chattering trường hợp sử dụng SMFC 26 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(65).2019 LIÊN NGÀNH ĐIỆN - ĐIỆN TỬ - TỰ ĐỘNG HĨA Position (m) Trong đó: x1 xs, θ1s, θ2s, us tương ứng đường đặc tính đáp 0.5 Swing angle (rad) x r1 1.5 10 Time (s) 0.1 15 20 θ2 θ1 -0.1 Control input (N) 40 10 Time (s) 15 10 Time (s) 15 20 u 20 -20 20 Hình Đường đặc tính đáp ứng vị trí xe nâng, góc lắc móc, điện phân tín hiệu đầu vào điều khiển sử dụng SMFC Ngoài ra, hệ thống giàn cầu trục cho CE hoạt động cịn có nhiễu bên ngồi tác động vào hệ thống Đặc biệt thời điểm khởi động, giàn cầu trục tăng tốc độ tạo ma sát lớn làm cho điện phân dao động, đồng thời kết hợp với tác dụng xung gió va chạm, tải trọng dao động mạnh Để kiểm tra độ tin cậy điều khiển mờ trượt (SMFC), nhóm tác giả đưa giả thiết bước tín hiệu nhiễu [5] ma sát sd = -10 N, thời gian t = s tác động vào hệ thống thời điểm khởi động giàn cầu trục Kết mô hiển thị hình Position (m) xσ x1 0.5 Swing angle (rad) x r1 1.5 10 15 20 0.1 θ2σ θ1σ θ2 θ1 -0.1 Control input (N) 40 10 Time (s) 15 uσ 20 u 20 -20 10 Time (s) 15 20 Hình Đường đặc tính đáp ứng vị trí xe nâng, góc lắc móc, điện phân tín hiệu đầu vào điều khiển có nhiễu ứng vị trí xe nâng, góc lắc móc, góc lắc điện phân tín hiệu đầu vào điều khiển có nhiễu tác động bám sát với đường đặc tính x1, θ1, θ2, u Có thể thấy phản ứng hệ thống không thay đổi đạt chất lượng điều khiển tốt Để làm rõ tính vượt trội giải pháp, nhóm tác giả tiến hành so sánh điều khiển mờ trượt có thơng số điều chỉnh tối ưu hóa thơng qua giải thuật di truyền (GA-SMFC) với phương pháp điều khiển khác công bố bảng Bảng So sánh GA-SMFC với phương pháp điều khiển khác công bố GASMFC ATC [1] xr1 (m) 1 0,8 POT (%) 0 0,1 exl (%) 0 0 Ký hiệu GAFuzzy Fuzzy [2] [6] t x1(s) 5,2 7,1 7,2 tθ1(s) 5,5 6,5 6,8 13 tθ2(s) 5,5 6,5 6,8 13 θ1max(rad) 0,045 0,022 0,06 0,07 θ2max (rad) 0,065 0,024 0,07 0,075 Căn vào kết bảng thấy điều khiển có hiệu kiểm sốt tốt Trong đó: Điều khiển bám thích nghi (ATC Adaptive tracking control) [1] có θ1max, θ2max nhỏ nhiên tx1 lớn GA-Fuzzy [2] Fuzzy [6] có θ1max, θ2max, tx1 lớn Vì bể điện phân bố trí cố định gần nên ta định hình đầu vào cho vị trí giàn cầu trục, sử dụng điều khiển GA-SMFC điều khiển giàn cầu trục cho điện phân đồng tối ưu KẾT LUẬN Trong báo này, điều khiển mờ trượt thiết kế để điều khiển hệ thống giàn cầu trục di chuyển đến vị trí mong muốn cách nhanh chóng, đồng thời kiểm sốt góc lắc móc, góc lắc điện phân nhỏ Để tăng hiệu bám, tăng tốc độ hội tụ, chương trình điều khiển sử dụng thuật tốn GA để tối ưu hóa thơng số điều khiển mờ trượt Dựa lý thuyết ổn định Lyapunov, chứng minh hệ thống ổn định tồn khơng gian làm việc Hiệu điều khiển mờ trượt kiểm tra thơng qua mơ Matlab/ Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(65).2019 27 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Simulink Kết mô POT = 0%, exl = 0, tx1 = 5,2 s, θ1max = 0,045 rad, tθ1 = 5,5 s, θ2max = 0,065 rad, tθ2 = 5,5 s, umax = 28 N, tu = 6,2 s cho thấy hệ thống có khả nhận chất lượng điều khiển tốt Để kiểm tra độ tin cậy phương pháp điều khiển, chúng tơi mơ có nhiễu tác động vào hệ thống Hệ thống đạt độ xác cao, góc lắc móc, góc lắc điện phân nhỏ điều khiển đề xuất Chúng ta tiếp tục nghiên cứu ứng dụng vào thực tế từ kết mô đạt [6] D Qian, S Tong, B Yang, and S Lee (2015) Design of simultaneous input-shaping-based SIRMs fuzzy controlfor double-pendulum-type overhead cranes BULLETIN OF THE POLISH ACADEMY OF SCIENCESTECHNICAL SCIENCES, Vol 63, No DOI: 10.1515/ bpasts,887-896 [7] Mahmud Iwan Solihin and Wahyudi(2007), Fuzzytuned PID Control Design for Automatic Gantry Crane, P.O Box 10 50728, Kuala Lumpur, Malaysia, 1-4244-1355-9/07/$25.00, IEEE [8] 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 6667, 756-768 [9] 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 2830, Hangzhou, China, 2546-2550 [10] Nguyễn Văn Trung, Phạm Đức Khẩn, Phạm Thị Thảo, Lương Thị Thanh Xuân (2017), Ứng dụng giải thuật di truyền thiết kế hai điều khiển PID để điều khiển giàn cần trục cho điện phân đồng Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 3(58) TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Menghua Zhang, Xin Ma, Xuewen Rong, Xincheng Tian, Yibin Li (2016), Adaptive tracking control for double-pendulum overheadcranes subject to tracking error limitation, parametricuncertainties and external disturbances, Mechanical Systems and Signal Processing 76-77, 15–32 [2] Dianwei Qian, Shiwen Tong, SukGyu Lee (2016), Fuzzy-Logic-based control of payloads subjected to double-pendulummotion in overhead cranes, Automation in Construction 65, 133–143 [3] Y.C Fang, B.J Ma, P.C Wang, and X.B Zhang (2012), A motion planning-based adaptive control method for an underactuatedcrane system, IEEE Transactions on Control Systems Technology 20 (1), 241–248 [11] Xiao-jing Wang, Zhi-mei Chen (2016), Twodegree-of-freedom Sliding Mode Anti-swing and Positioning Controller for Overhead Cranes, 28th Chinese Control and Decision Conference (CCDC), 978-1-4673-9714-8/16/$31.00, IEEE [4] Khalid L Sorensen, William Singhose, Stephen Dickerson (2007) A controller enabling precise positioning and sway reduction in bridge and gantry cranes Control Engineering Practice 15, 825–837 [12] Nguyễn Văn Trung, Nguyễn Thị Thảo (2018), Ứng dụng giải thuật di truyền thiết kế điều khiển trượt để điều khiển giàn cần trục cho điện phân đồng Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(61) [5] Lifu Wang, Hongbo Zhang, Zhi Kong (2015), Anti-swing Control of Overhead Crane Based on Double Fuzzy Controllers, Chinese Control and Decision Conference (CCDC),978-1-47997016-2/15/$31.00, IEEE [13] Diantong Liu, Jianqiang Yi, Dongbin Zhao, Wei Wang (2005) Adaptive sliding mode fuzzy control for atwo-dimensional overhead crane Mechatronics 15, 505–522 THÔNG TIN TÁC GIẢ Nguyễn Văn Trung - Tóm tắt q trình đào tạo, nghiên cứu (thời điểm tốt nghiệp chương trình đào tạo, nghiên cứu): + Năm 2005: Tốt nghiệp Đại học ngành Điện khí hóa xí nghiệp mỏ, Trường Đại học Mỏ - Địa chất + Năm 2009: Tốt nghiệp Thạc sĩ ngành Đo lường hệ thống điều khiển, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội - Tóm tắt cơng việc tại: Giảng viên, khoa Điện, Trường Đại học Sao Đỏ Đang làm nghiên cứu sinh ngành Khoa học Kỹ thuật điều khiển, Trường Đại học Trung Nam, Trung Quốc - Lĩnh vực quan tâm: Đo lường, khoa học kỹ thuật điều khiển - Email: ngvtrung1982@gmail.com - Điện thoại: 0988941166 28 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(65).2019 LIÊN NGÀNH ĐIỆN - ĐIỆN TỬ - TỰ ĐỘNG HĨA Nguyễn Trọng Các - Tóm tắt q trình đào tạo, nghiên cứu (thời điểm tốt nghiệp chương trình đào tạo, nghiên cứu): + Năm 2002: Tốt nghiệp Đại học ngành Điện, chuyên ngành Điện nông nghiệp, Trường Đại học Nông nghiệp I Hà Nội + Năm 2005: Tốt nghiệp Thạc sĩ ngành Kỹ thuật tự động hóa, chuyên ngành Tự động hóa, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội + Năm 2015: Tốt nghiệp Tiến sĩ ngành Kỹ thuật điện tử, chuyên ngành Kỹ thuật điện tử, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội - Tóm tắt công việc tại: Giảng viên khoa Điện, Trường Đại học Sao Đỏ - Lĩnh vực quan tâm: DCS, SCADA, NCS - Email: cacdhsd@gmail.com - Điện thoại: 0904369421 Nguyễn Thị Thảo - Tóm tắt q trình đào tạo, nghiên cứu (thời điểm tốt nghiệp chương trình đào tạo, nghiên cứu); + Năm 2006: Tốt nghiệp Đại học Kỹ thuật cơng nghiệp Thái Ngun, chun ngành Tự động hóa + Năm 2011: Tốt nghiệp Thạc sĩ ngành Kỹ thuật đo lường điều khiển tự động, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội - Tóm tắt cơng việc tại: Giảng viên khoa Điện, Trường Đại học Sao Đỏ - Lĩnh vực quan tâm: Tự động hóa - Điện thoại: 0967269366 Nguyễn Thị Tâm - Tóm tắt q trình đào tạo, nghiên cứu (thời điểm tốt nghiệp chương trình đào tạo, nghiên cứu): + Năm 2008: Tốt nghiệp Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên, chuyên ngành Tự động hóa + Năm 2012: Tốt nghiệp Thạc sĩ ngành Tự động hóa, Đại học Thái Nguyên - Tóm tắt công việc tại: Giảng viên khoa Điện, Trường Đại học Sao Đỏ - Lĩnh vực quan tâm: Tự động hóa - Email: nguyentam0805@gmail.com - Điện thoại: 0975272376 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(65).2019 29 ... bể điện phân bố trí cố định gần nên ta định hình đầu vào cho vị trí giàn cầu trục, sử dụng điều khiển GA-SMFC điều khiển giàn cầu trục cho điện phân đồng tối ưu KẾT LUẬN Trong báo này, điều khiển. .. chuyển, nhiên dao động tự nhiên móc tải trọng giống dao động kiểu lắc đôi [2] làm cho chức hoạt động hiệu đơn Vì vậy, báo đề xuất thiết kế điều khiển mờ trượt để điều khiển vị trí góc dao động kiểu... →∞ Từ kết cho thấy hệ thống sử dụng SMFC điều khiển giàn cầu trục cho CE ổn định Từ (10) (31) thiết kế sơ đồ sử dụng SMFC điều khiển giàn cầu trục cho CE thể hình (35) KẾT QUẢ MƠ PHỎNG 4.1 Kết
- Xem thêm -

Xem thêm: Thiết kế bộ điều khiển mờ trượt để điều khiển vị trí và góc dao động của giàn cầu trục cho điện phân đồng, Thiết kế bộ điều khiển mờ trượt để điều khiển vị trí và góc dao động của giàn cầu trục cho điện phân đồng

Hình ảnh liên quan

Hình 1. Hình ảnh của giàn cầu trục cho CE Sự lắc lư của móc và tải trọng là do chuyển động di  chuyển tăng, giảm tốc độ của xe nâng, do thường  xuyên thay đổi chiều dài cáp treo móc, khối lượng  của tải trọng và tác động bởi nhiễu gây ra như ma  sát, gió, - Thiết kế bộ điều khiển mờ trượt để điều khiển vị trí và góc dao động của giàn cầu trục cho điện phân đồng

Hình 1..

Hình ảnh của giàn cầu trục cho CE Sự lắc lư của móc và tải trọng là do chuyển động di chuyển tăng, giảm tốc độ của xe nâng, do thường xuyên thay đổi chiều dài cáp treo móc, khối lượng của tải trọng và tác động bởi nhiễu gây ra như ma sát, gió, Xem tại trang 2 của tài liệu.
2. MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC CỦA HỆ THỐNG GIÀN CẦU TRỤC CHO ĐIỆN PHÂN ĐỒNG - Thiết kế bộ điều khiển mờ trượt để điều khiển vị trí và góc dao động của giàn cầu trục cho điện phân đồng

2..

MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC CỦA HỆ THỐNG GIÀN CẦU TRỤC CHO ĐIỆN PHÂN ĐỒNG Xem tại trang 2 của tài liệu.
Từ hình 2 ta có các thành phần vị trí của xe nâng, móc và tấm điện phân là: - Thiết kế bộ điều khiển mờ trượt để điều khiển vị trí và góc dao động của giàn cầu trục cho điện phân đồng

h.

ình 2 ta có các thành phần vị trí của xe nâng, móc và tấm điện phân là: Xem tại trang 3 của tài liệu.
Mô hình toán của hệ thống mà nhóm tác giả đề xuất khác với mô hình toán trong bài báo [13], cụ  thể như sau: Mô hình toán của hệ thống trong bài  báo [13] là mô hình điều khiển kiểu con lắc đơn,  trong  mô  hình  không  có  các  thành  phần  nhiễu  s d1(X - Thiết kế bộ điều khiển mờ trượt để điều khiển vị trí và góc dao động của giàn cầu trục cho điện phân đồng

h.

ình toán của hệ thống mà nhóm tác giả đề xuất khác với mô hình toán trong bài báo [13], cụ thể như sau: Mô hình toán của hệ thống trong bài báo [13] là mô hình điều khiển kiểu con lắc đơn, trong mô hình không có các thành phần nhiễu s d1(X Xem tại trang 3 của tài liệu.
Hình 3. Sơ đồ cấu trúc Matlab sử dụng SMC điều - Thiết kế bộ điều khiển mờ trượt để điều khiển vị trí và góc dao động của giàn cầu trục cho điện phân đồng

Hình 3..

Sơ đồ cấu trúc Matlab sử dụng SMC điều Xem tại trang 4 của tài liệu.
Hình 4. Sơ đồ cấu trúc Matlab sử dụng SMFC - Thiết kế bộ điều khiển mờ trượt để điều khiển vị trí và góc dao động của giàn cầu trục cho điện phân đồng

Hình 4..

Sơ đồ cấu trúc Matlab sử dụng SMFC Xem tại trang 5 của tài liệu.
Hình 5. Lưu đồ thuật toán tiến trình GA xác định - Thiết kế bộ điều khiển mờ trượt để điều khiển vị trí và góc dao động của giàn cầu trục cho điện phân đồng

Hình 5..

Lưu đồ thuật toán tiến trình GA xác định Xem tại trang 6 của tài liệu.
Bảng 1. Ký hiệu và giá trị các thông số giàn cầu trục cho CE - Thiết kế bộ điều khiển mờ trượt để điều khiển vị trí và góc dao động của giàn cầu trục cho điện phân đồng

Bảng 1..

Ký hiệu và giá trị các thông số giàn cầu trục cho CE Xem tại trang 6 của tài liệu.
Hình 6. Các hàm liên thuộc của các biến đầu vào - Thiết kế bộ điều khiển mờ trượt để điều khiển vị trí và góc dao động của giàn cầu trục cho điện phân đồng

Hình 6..

Các hàm liên thuộc của các biến đầu vào Xem tại trang 6 của tài liệu.
Hình 8. Đường đặc tính đáp ứng vị trí của xe nâng, góc lắc của móc, tấm điện phân và tín hiệu  - Thiết kế bộ điều khiển mờ trượt để điều khiển vị trí và góc dao động của giàn cầu trục cho điện phân đồng

Hình 8..

Đường đặc tính đáp ứng vị trí của xe nâng, góc lắc của móc, tấm điện phân và tín hiệu Xem tại trang 7 của tài liệu.
Hình 9. Đường đặc tính đáp ứng vị trí của xe - Thiết kế bộ điều khiển mờ trượt để điều khiển vị trí và góc dao động của giàn cầu trục cho điện phân đồng

Hình 9..

Đường đặc tính đáp ứng vị trí của xe Xem tại trang 7 của tài liệu.
Kết quả mô phỏng được hiển thị trong hình 9. - Thiết kế bộ điều khiển mờ trượt để điều khiển vị trí và góc dao động của giàn cầu trục cho điện phân đồng

t.

quả mô phỏng được hiển thị trong hình 9 Xem tại trang 7 của tài liệu.

Từ khóa liên quan