Điều khiển thích nghi con lắc trong không gian

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ CAO KHOA ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI MÔ HÌNH CẦN CẨU XOAY Chuyên ngành : Tự động hóa Mã số ngành : 2.05.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 10 năm 2005 CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học:……………………………………………………………………………………………… Cán chấm nhận xét 1: …………………………………………………………………………………………………… Cán chấm nhận xét 2: …………………………………………………………………………………………………… Luận văn thạc só bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH CỘNG HÒA Xà HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC TpHCM, Ngaøy .Tháng Năm 2005 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: LÊ CAO KHOA Phái: Nam Ngày, tháng, năm sinh:07/01/1981 Nơi sinh: Tp Hồ Chí Minh Chuyên ngành: Tự Động Hóa MSHV: 1503349 I TÊN ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI MÔ HÌNH CẦN CẨU XOAY II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Mô hình hoá hệ thống cần cẩu xoay Tìm hiểu thao tác dập tắt dao động cuả công nhân vận hành cần cẩu Tìm hiểu giải thuật điều khiển mờ thích nghi Tìm hiểu loại mạng neural, thực loại mạng phổ biến mạng lan truyền ngược ba lớp với giải thuật huấn luyện Backprobagation Mô hệ thống sử dụng điều khiển để dập tắt dao động cho đối hình cần cẩu xoay phần mềm Matlab Simulink 7.0 So sánh, đánh giá điều khiển dựa kết mô Thiết kế gia công phần khí cuả mô hình III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VUÏ: V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS Nguyễn Thị Phương Hà CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CN BỘ MÔN QL CHUYÊN NGÀNH PGS.TS Nguyễn Thị Phương Hà Nội dung yêu cầu LATN hội đồng chuyên ngành thông qua Ngày tháng năm TRƯỞNG PHÒNG ĐT-SĐH TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH LỜI CẢM ƠN Trước tiên xin chân thành cảm ơn Cô Nguyễn Thị Phương Hà tận tình hướng dẫn làm Luận văn tốt nghiệp Cô dành giúp đỡ nhiệt tình động viên, khích lệ cho suốt thời gian thực đề tài Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến q Thầy/Cô Bộ Môn Điều Khiển Tự Động dành thời gian q báu để nhận xét chấm Luận văn tốt nghiệp Và xin chân thành cảm ơn tất q Thầy/Cô Khoa Điện-Điện Tử, Trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh trang bị cho kiến thức sở giúp đỡ vượt qua khó khăn suốt thời gian học tập trường Tôi mãi ghi nhớ hỗ trợ vật chất, ủng hộ tinh thần Bộ Môn Cơ Giới Hoá Xí Nghiệp & Xây Dựng Điều hình thành chỗ dựa vững cho lúc khó khăn Sau lời cảm ơn chân thành đến tất bạn với giúp đỡ, lời động viên lúc bạn học thời gian thực đề tài HVTH: Lê Cao Khoa TÓM TẮT ĐỀ TÀI Luận văn trình bày điều khiển thích nghi cho cần cẩu xoay Mục đích điều khiển giữ tới mức nhỏ dao động vật treo trình di chuyển dập tắt đến đích nhằm làm giảm nguy gây tai nạn cho người thiết bị vùng làm việc Có hai toán khảo sát: toán dập tắt dao động tự cho vật treo không gian hai vừa dập tắt dao động vừa phải đảm bảo vị trí Để đạt điều yêu cầu có hai điều khiển, PID để đưa vật treo đến điểm mong muốn điều khiển hạn chế dao động vật treo theo phương Trong Luận văn sử dụng mô hình cần cẩu xoay bậc tự tác giả Hanafy M Omar [1], có ba điều khiển dập tắt dao động khảo sát điều khiển dựa kinh nghiệm, điều khiển mờ thích nghi trực tiếp cuả tác giả LiXin Wang [4] điều khiển neural đa lớp lan truyền ngược Các kết mô thực Matlab Simulink cho thấy điều khiển dập tắt dao động hiệu ABSTRACT The thesis presents the adaptive controllers of rotary crane The aim of these controllers is that the load swing is kept small during the transfer process and completely vanishes at the destination to reduce the risk of people and equipments in the work space There are two case studied: the first is the antiswing of the load, the second is that the load swing is reduced and the position of the load is ensured Two controllers are required, one is PID controller for moving the load to desired position, the other for reducing the load swing in two directions In this thesis, 2dof_model of rotary crane of Hanafy M Omar [1] was used; and three anti-swing controllers were studied: the experience controller, the adaptive fuzzy controller of Li-Xin Wang, and the neural controller The simulation results conducted in Matlab-Simulink environment have shown that the control systems have reduced the load swing effectively MỤC LỤC Lời cảm ơn i Tóm tắt đề tài ii Muïc luïc iii CHƯƠNG TOÅNG QUAN Trang 1.1 Giới thiệu công trình liên quan 1.2 Nhiệm vụ Luận văn 1.2.1 Đặt vấn đề 1.2.2 Giới hạn vấn đề CHƯƠNG ĐỐI TƯNG ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ HÌNH TOÁN 2.1 Đối tượng điều khiển 2.1.1 Caùc loại cần cẩu xoay 2.1.2 An toàn cần cẩu 2.2 Mô hình toán học cần caåu xoay CHƯƠNG BỘ ĐIỀU KHIỂN KINH NGHIỆM 14 3.1 Bộ điều khiển kinh nghiệm 14 3.2 Điều khiển dao động vị trí lắc 17 3.2.1 Đặc điểm 17 3.2.2 Thoâng số điều khiển 18 3.3 Kết mô .18 3.3.1 Chuyển động tịnh tiến 20 3.3.2 Chuyển động xoay .22 3.3.3 Kết hợp chuyển động theo phương 24 CHƯƠNG ĐIỀU KHIỂN MỜ VÀ MỜ THÍCH NGHI .27 4.1 Khái niệm điều khiển mờ 27 4.1.1 Bộ điều khiển mờ .27 4.1.2 Tổng hợp điều khiển mờ 28 4.2 Khái niệm điều khiển mờ thích nghi 31 4.2.1 Thieát kế hệ thống thích nghi sử dụng lí thuyết ổn định Lyapunov .33 4.2.2 Bộ điều khiển mờ thích nghi trực tiếp 37 4.2.3 Thiết kế điều khiển mờ thích nghi trực tiếp Matlab 40 4.4 Kết mô .43 4.4.1 Chuyển động tịnh tiến 44 4.4.2 Chuyển động xoay 47 4.4.3 Kết hợp chuyển động theo phương .49 CHƯƠNG MẠNG NEURAL NHÂN TẠO 52 5.1 Neural nhân tạo 52 5.1.1 Neural đơn 52 5.1.2 Neural network 53 5.2 Maïng nhiều lớp giải thuật lan truyền ngược 54 5.3 Thực mạng neural đa lớp ngôn ngữ Matlab 59 5.3.1 Hàm truyền .59 5.3.2 Maïng feedfoward 61 5.3.3 Huấn luyện mạng 63 5.4 Keát mô 69 5.4.1 Chuyển động tịnh tieán .70 5.4.2 Chuyển động xoay 72 5.4.3 Kết hợp chuyển động theo phương 74 CHƯƠNG SO SÁNH CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN 77 6.1 Xeùt khả bền vững nhiễu điều khiển 78 6.2 Đáp ứng hệ thống cho bán kính góc quay lớn 82 6.3 Kết luận 85 CHƯƠNG MÔ HÌNH PHẦN CỨNG 88 7.1 Cấu tạo phần khí 88 7.1.1 Chân đế 91 7.1.2 Thaân trụ 92 7.1.3 Khớp quay cần 92 7.1.4 Truyền động xích cho cần xoay 94 7.1.5 Truyền động visme – ñai oác bi cho xe 95 7.1.6 Cấu tạo cần 98 7.1.7 Hộp encoder đo góc cáp 98 7.2 Phần điện điều khiển .101 7.2.1 Mạch động lực điều khiển động cô .101 7.2.2 Cảm biến .102 7.2.3 Giới thiệu sơ lược họ vi xử lyù AVR 105 7.2.3.1 Đặc tính kỹ thuật AVR-AT90S2313 .105 7.2.3.2 Sơ đồ chân 106 7.2.3.3 Cấu trúc AVR 107 7.2.3.4 Nạp liệu nối tiếp .110 7.3 Điều khiển dao động lắc 112 7.3.1 Mô tả 112 7.3.2 Thông số điều khiển giải thuật điều khiển 113 7.3.2.1 Thông số điều khiển .113 7.3.2.2 Luật điều khiển giải thuật điều khiển .113 CHƯƠNG KẾT LUẬN 116 8.1 Những vấn đề giải .116 8.2 Hướng phát triển đề tài .118 Tài liệu tham khảo 120 Chương I Tổng quan Trang 1 TỔNG QUAN 1.1 GIỚI THIỆU CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN Cần cẩu xoay thiết bị sử dụng rộng rãi công trường xây dựng, nhà máy cảng Với kích thước cần cẩu ngày lớn thời gian yêu cầu nâng chuyển ngày ngắn lại, việc điều khiển cẩu xoay trở thành nhiệm vụ khó khăn, đòi hỏi người công nhân vận hành phải có tay nghề cao Do việc nghiên cứu điều khiển tự động nhằm hỗ trợ cho việc vận hành cần cẩu cách an toàn cần thiết Hầu máy trục vận chuyển hàng hoá thường mô hình hoá lắc di chuyển không gian làm việc Con lắc không gian ba chiều hệ phi tuyến phức tạp Việc nghiên cứu dao động điều khiển dập tắt dao động lắc không gian ba chiều di chuyển từ điểm đến điểm khác có ý nghóa to lớn lónh vực cần trục Một số nhà nghiên cứu khảo sát nghiên cứu việc điều khiển lắc không gian cần trục Vấn đề điều khiển cần cẩu để chống dao động cuả vật treo theo phương tịnh tiến đề cập GVHD: PGS.TS.Nguyễn Thị Phương Hà HVTH: Lê Cao Khoa Chương Mô hình phần cứng Trang 108 Họ AVR có kiến trúc Harvard: tách rời vùng nhớ bus cho chương trình liệu Hình 7.17 Cấu trúc AVR AT90S2313 Thanh ghi (register) Về cấu trúc AVR AT90S2313 có 32 ghi 8bit truy cập chu kỳ máy Có 32 ghi sử dụng ghi trỏ 16 bit để định địa liệu (X,Y,Z) Và ghi sử dụng làm trỏ trỏ đến bảng liệu hàm tìm kiếm (look up) GVHD: PGS.TS.Nguyễn Thị Phương Hà HVTH: Lê Cao Khoa Chương Mô hình phần cứng Trang 109 Hình 7.18 Địa ghi Bộ định thời (timer) AT90S2313 cung cấp timer, timer 8-bit timer 16-bit, có khả thay đổi tốc độ tràn cách lấy tần số thạch anh chia cho 8, 64, 256, 1024 Hình 7.19 Sơ đồ khối Timer 7.2.3.4 Nạp liệu nối tiếp Chương trình nạp vào chip chuẩn SPI chân RESET kéo xuống mass Chuẩn SPI dùng chân: SCK, MOSI (nhập) MISO (xuất) GVHD: PGS.TS.Nguyễn Thị Phương Hà HVTH: Lê Cao Khoa Chương Mô hình phần cứng Trang 110 Sau chân RESET kéo xuống mass, lệnh cho phép lập trình cần thực trước thực việc xoá nạp chương trình Hình 7.20 Sơ đồ mạch đổ chương trình cho chip Đối với EEPROM không cần thực lệnh xóa điều thực tự động Lệnh xóa làm toàn nội dung thành FFh Hình 7.21 Giản đồ xung cho trình đổ liệu vào chip ‰ Quá trình nạp chip a) Cấp nguồn cho chip (Vcc GND) chân RESET SCK xuống mass b) Chờ 20ms cho phép nạp nối tiếp cách gởi lệnh cho phép nạp tới chân MOSI (PB5) c) Nếu thiếu đồng lệnh nạp nối tiếp không thực Khi có đồng bộ, byte thứ hai (53h) gởi ngược trở lại byte thứ ba lệnh cho phép nạp gởi Cho dù byte gởi thứ hai (53h) có hay không tất byte phải truyền Trong trường hợp byte thứ hai (53h) không gởi ta cấp xung dương cho chân SCK sau ta lại GVHD: PGS.TS.Nguyễn Thị Phương Hà HVTH: Lê Cao Khoa Chương Mô hình phần cứng Trang 111 tiếp tục truyền lại lệnh lập trình Quá trình lập lập lại 32 lần, không thành công coi việc lập trình chip bị hủy d) Nếu lệnh xóa chip thực (khi lập trình Flash ROM) ta chờ tWD-ERASE (tối thiểu 8ms) sau lệnh này, tiếp tục cấp xung dương cho chân RESET quay lại bước hai e) Flash ROM EEPROM nạp byte cách cung cấp vừa địa vừa liệu lệnh ghi thích hợp Đối với vùng nhớ EEPROM, lệnh xóa thực cách tự động trước liệu ghi vào Có thể sử dụng việc đọc byte dấu hiệu trước truyền lệnh không ta chờ tWD-PROG (tối thiểu 4ms) f) Bằng lệnh đọc ta đọc lại nội dung ô nhớ thông qua chân MISO (PB6) để kiểm tra lại liệu ghi g) Khi kết thúc việc đổ chương trình, chân RESET đưa lên mức cao để bắt đầu chế độ hoạt động bình thường Qua phần nắm rõ cấu trúc, cách lập trình đặc tính trội chip AT90S2313 Dựa vào điều lập trình điều khiển động Servo GVHD: PGS.TS.Nguyễn Thị Phương Hà HVTH: Lê Cao Khoa Chương Mô hình phần cứng Trang 112 7.3 ĐIỀU KHIỂN DAO ĐỘNG CON LẮC 7.3.1 Mô tả Do giới hạn thời gian thực kinh phí, ta xét điều khiển đơn giản điều khiển theo kinh nghiệm cho mô hình phần cứng Bộ điều khiển dao động lắc tác động có cấu trúc sau: Hình 7.22 Sơ đồ khối điều khiển Ban đầu động cấp điện áp dựa thuật toán điều khiển thiết lập Khi kéo lắc kh vị trí cân góc buông tay ra, lắc dao động, góc dao động lắc xác định thông qua cảm biến góc lệch hai encoder nối vuông góc với Tín hiệu áp từ cảm biến đưa vào chương trình điều khiển vi xử lý Tín hiệu giá trị tạo xung điều rộng chân cuả vi xử GVHD: PGS.TS.Nguyễn Thị Phương Hà HVTH: Lê Cao Khoa Chương Mô hình phần cứng Trang 113 l Dựa dao động lắc giá trị xung điều rộng xuất từ vi điều khiển tăng hay giảm với giá trị khác nhau, tương ứng với việc tăng tốc hay giảm tốc cho động để triệt tiêu dao động 7.3.2 Thông số điều khiển giải thuật điều khiển 7.3.2.1 Thông số điều khiển Biến vào góc lệch lắc xét sau: If Phase_a Phase_b Then 'test phase B Decr Pulse 'CCW Else Incr Pulse 'CW End If Return Phase_a_edge: 'Interrupt on rising and falling edge 'Toggle Mcucr.isc00 If Phase_a = Phase_b Then 'test phase B Decr Pulse 'CCW Else Incr Pulse 'CW End If 7.3.2.2 Luật điều khiển giải thuật điều khiển + Ban đầu cấp PWM=0 + Nếu 0