(Luận văn thạc sĩ) điều khiển giảm dao động của tải trên cần trục tháp dùng PID

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHẠM XUÂN HOAN ĐIỀU KHIỂN GIẢM DAO ĐỘNG CỦA TẢI TRÊN CẦN TRỤC THÁP DÙNG PID NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 605270 S KC 0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 09 năm 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHẠM XUÂN HOAN ĐIỀU KHIỂN GIẢM DAO ĐỘNG CỦA TẢI TRÊN CẦN TRỤC THÁP DÙNG PID NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ-605270 Hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN MINH TÂM Tp Hồ Chí Minh, tháng 9/2013 LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: Phạm Xuân Hoan Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 06-08-1983 Nơi sinh: Đồng Nai Quê quán: Hải Dương Dân tộc: Kinh Chỗ riêng địa liên lạc: 68 KP1 phường Tân Phong thành phố Biên Hòa tỉnh Đồng Nai Điện thoại quan: Điện thoại nhà riêng: 0977907562 Fax : E-mail:xhhoan@yahoo.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Nơi học (trường, thành phố): Ngành học: Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ …… Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 10/2001 đến 7/ 2006 Nơi học (trường, thành phố): Đại học Lạc Hồng thành phố Biên Hòa tỉnh Đồng Nai Ngành học: Điện Tử Viễn Thông Tên đồ án, luận án môn thi tốt nghiệp: Thiết kế thi công cửa tự động Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án thi tốt nghiệp: Đại học Lạc Hồng, thành phố Biên Hòa tỉnh Đồng Nai Người hướng dẫn: Ths Trần Văn Thanh III Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 06/2006 – 10/2010 Cty TNHH Sanyo DI Solution Việt Nam Kỹ sư quy trình Trang iii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu tơi với hướng dẫn Ts Nguyễn Minh Tâm Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 11 tháng năm 2013 (Ký tên ghi rõ họ tên) Phạm Xuân Hoan Trang iv LỜI CẢM TẠ Đầu tiên xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ts Nguyễn Minh Tâm, thầy người hướng dẫn, định hướng thực đề tài từ lúc bắt đầu thực đề tài hồn thành Trong q trình thực đề tài, tơi có lúc khơng hiểu, gặp khó khăn, thầy hướng dẫn truyền đạt kiến thức, phương pháp giải để giải vấn đề giúp tơi hồn thành đề tài Tiếp theo xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy khoa Điện- Điện tử, suốt q trình học trường dạy hướng dẫn tơi khóa học, thầy Nguyễn Văn Đông Hải định hướng hỗ trợ số phần nghiên cứu phát triển đề tài Tôi xin gửi lời cảm ơn đến bạn Phước Lộc, Văn Quyền, Quốc Toản động viên, giúp đỡ tơi suốt khóa học Cuối tơi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình chỗ dựa, nguồn động viên tinh thần tạo điều kiện thuận lợi cho tơi suốt q trình thực đề tài Biên Hòa, ngày 03 tháng năm 2013 Học viên Phạm Xuân Hoan Trang v TÓM TẮT Cần trục để di chuyển tải từ vị trí đến vị trí khác, thời gian ngắn Trong trình di chuyển tải dao động tự do, bị rung lắc dẫn đến ảnh hưởng tới hệ thống cần trục làm ổn định ảnh hưởng tới tải Do vậy, việc tiếp cận, chế tạo hệ thống điều khiển tự động định vị trí chống dao động cho cần trục vấn đề cấp thiết mặt lý luận thực tiễn Đề tài trình bày thiết kế điều khiển PID cho hệ cần trục tháp Kết thiết kế kiểm chứng mơ thực nghiệm Ngồi ra, học viên có mơ việc ứng dụng giải thuật di truyền để tối ưu hóa điều khiển Kết thực nghiệm cho thấy ổn định tải điều khiển PID giải thuật di truyền tìm thơng số điều khiển để tối ưu hóa điều khiển Trang vi MỤC LỤC TRANG Lý lịch cá nhân iii Lời cam đoan iv Cảm tạ v Tóm tắt vi Mục lục viii Danh sách chữ viết tắt x Danh sách hình xii Danh sách bảng xiii Chƣơng 1: Tổng Quan 1.1Giới Thiệu 1.2Mục tiêu đề tài 1.3 Nhiệm vụ đề tài giới hạn đề tài 1.4Phương pháp tiếp cận đề tài 1.5Nội dung đề tài Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết 2.1Giới thiệu sơ lược hệ thống cần trục tháp 2.2 Mơ hình hóa cần trục tháp 2.3 Mơ hình tốn học hệ thống tháp cần trục 11 2.4 Mơ hình hóa động servo 13 2.5 Giải thuật di truyền 16 2.5.1 Lưu đồ giải thuật 17 2.5.2 Mã hoá – Giải mã 18 2.5.3 Hàm thích nghi 19 2.5.4 Chọn lọc tự nhiên 20 Trang viii TRANG 2.5.5 Lai ghép 23 2.5.6 Đột biến 25 2.5.7 Các thông số giải thuật di truyền 26 2.5.8 Giải thuật di truyền mã số thực 26 2.6 Sơ lược thuật toán PID 29 Chƣơng 3: Thuật toán điều khiển cân cần trục tháp 3.1 Khảo sát đáp ứng hệ thống cần trục tháp Simulink Matlab 32 3.2 Khảo sát đáp ứng hệ thống trường hợp 35 3.3 Khảo sát đáp ứng hệ thống trường hợp 40 Chƣơng 4: Kết thực nghiệm 4.1 Mơ hình cần trục tháp thực 45 4.2 Kết điều khiển giảm dao động tải cần trục tháp 48 Chƣơng 5: Kết Luận Hƣớng Phát Triển Đề Tài 5.1 Kết đạt đề tài 56 5.2 Hướng phát triển đề tài 56 Tài liệu tham khảo 57 Phụ lục 58 Trang ix DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT DC: Direct Current DSP: Digital signal processing GA: Genetic Algorithm PD: Proportional Integral PID: Proportional Integral Derivative VB: Visual basic Trang x Chƣơng TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu Cần trục sử dụng để di chuyển tải từ điểm đến điểm thời gian ngắn nhất,để tải đến đích Trong trình di chuyển, tải dao động tự giống dao động lắc Thông thường, người điều khiển cần trục giỏi thực công việc để đảm bảo tải không dao động mức thời gian thực nhanh Nếu dao động vượt q giới hạn thích hợp, cần phải giảm dao động phải dừng hoạt động lại dao động khơng cịn Như tốn thời gian hiệu suất làm việc cần trục Những khó khăn thúc đẩy nhiều nhà nghiên cứu phát triển thuật toán điều khiển để điều khiển cần trục tự động Điều khiển cần trục chia làm năm bước: kẹp giữ (gripping) tải cần di chuyển, nâng lên, di chuyển, hạ xuống, thả Trong bước di chuyển tải cần phải chống dao động tải, phụ thuộc nhiều tham số chiều dài dây cáp, tải trọng Do đó, tải ln giữ cân di chuyển tải yếu tố quan trọng để điều khiển cần trục Vấn đề xác định góc dao động tải ,vị trí tải để hệ thống đưa tín hiệu điều khiển đưa tải vị trí cân bằng.Những nghiên cứu điều khiển cần trục nhiều người thực phương pháp sau Phương pháp điều khiển vòng lặp dao động tải điều chỉnh Năm 2001, Henry Masoud [10] thêm giảm xóc phản hồi góc dao động, tốc độ tải, phản hồi khâu trễ góc dao động, phản hồi làm tăng thêm quỹ đạo điều khiển người điều khiển Cách thứ hai, Robinett thực 1999, bỏ kích thích tải gần với tần số tự nhiên tải cách thêm lọc để loại bỏ tần số từ ngõ vào[11] Thời gian delay thêm vào điều Trang Hình 4.14: Đáp ứng góc phi tải (trường hợp 2) Hình 4.15: Đáp ứng góc xoay gamma trục xoay (trường hợp 2) Nhận xét: từ biểu đồ đáp ứng hệ thống hình 4.12 ban đầu xe vị trí -5 cm trục chạy xác lập vị trí 0,3 cm sau khoảng thời gian 2,5 giây Đáp ứng góc theta hình 4.13 tải giảm dao động sau 5,7 giây giá trị góc dao động Phần đáp ứng góc phi hình 4.14 ổn định sau 10,3 giây góc vị trí -10 đáp ứng trục xoay hình 4.14 ban đầu đặt 450 sau khoảng giây, góc xoay ổn định -30 Trang 53 Hình 4.16: Điện áp động xe chạy (trường hợp 2) Hình 4.17: Điện áp động trục xoay (trường hợp 2) Nhận xét: điện áp lên động xe trục xoay thể hình 4.16 4.17 sau khoảng thời gian góc theta phi xác lập biên độ điện áp xe trục xe giảm dần Biên độ điện áp xe giảm khoảng từ giây thứ Trong trường hợp vị trí ban đầu đặt lệch so với giá trị đặt, điều khiển điều khiển hệ thống cân tải vị trí ban đầu Kết vị trí xe góc xoay trục có sai số nhỏ, đáp ứng xác lập gần với vị trí ban đầu, có sai số nhỏ, kết học viên thấy không ảnh hưởng nhiều đến hệ thống Qua hai trường hợp thử nghiệm khác nhau, điều khiển giảm dao động cân tải cần trục tháp Kết thể biểu đồ cho ta thấy thay đổi chiều dài dây cáp, vị trí ban đầu ảnh hưởng tới hệ thống cần trục tháp thời Trang 54 gian xác lập khác Trong trường hợp hai, xác lập chậm so với trường hợp Với chiều dài L lớn thời gian cần giảm dao động lâu Trang 55 Chương Kết Luận Hướng Phát Triển Đề Tài Nội dung chương trình bày tóm tắt kết mà đề tài đạt hướng phát triển để khắc phục giới hạn nhằm hoàn thiện đề tài tốt 5.1 Kết đạt đƣợc đề tài Đề tài đạt kết sau:  Xây dựng mơ hình tốn học hệ cần trục tháp  Xây dựng thuật toán di truyền để tinh chỉnh hệ số điều khiển PID  Thiết kế thi cơng mơ hình cần trục tháp  Các thuật tốn triển khai mơ hình cần trục tháp Điều khiển giảm dao động tải cần trục tháp 5.2 Hƣớng phát triển đề tài Điều khiển cần trục tháp vào mức ổn định cao ta cần phát triển đồng thời phần cứng phần mềm mơ hình cần trục tháp: - Về phần cứng (mạch điện điều khiển cảm biến) dùng cảm biến đo góc để thay cho cảm biến quay - Về phần mềm (giải thuật điều khiển) dùng mạng Neural để lắc tự huấn luyện tìm ba thông số Kp, Ki, Kd tối ưu Thiết kế điều khiển khác Fuzzy, Neural, LQR, tuyến tính hóa vào áp dụng cần trục tháp để tìm kết tốt - Nhận dạng thông số hệ thống ước lượng thông số động cơ, áp dụng phương pháp điều khiển LQR - Đề tài điều khiển giảm dao động ổn định tải trên cần trục, hướng phát triển di chuyển tải giảm dao động trình di chuyển Trang 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT [1] Nguyễn Đức Thành, Matlab ứng dụng điều khiển, NXB Đại học quốc gia Tp.HCM, 2011 [2] Huỳnh Thái Hồng, Hệ thống điều khiển thơng minh, NXB Đại học quốc gia Tp.HCM, 2006 TIẾNG NƢỚC NGỒI [3]Ing Marek Hičár, Ing Juraj Ritók, PhD, Robust crane control, 2006 [4] Hanafy M Omar, Control of Gantry and Tower Cranes, 2003 [5] Faisal Altaf, Modeling and Event-Triggered Control of Multiple 3D Tower Cranes over WSNs, 2012 [6] Eihab M Abdel-rahman, Alih Nayfeh, Ziyad n Masoud: Dynamic and control of cranes: a review, 2000 [7] Ali R Golafshani: Modeling and Optimal control of tower crane motions, 1999 [8] Inteco, Tower crane, 2007 [9] Texas instruments, TMS320F28335 digital signal controllers Data manual, 2007 [10] Al-Moussa, A., Nayfeh, A., and Kachroo, P., 2001, “Control of rotary cranes using fuzzy logic,” in ASME 2001 Design Engineering Technical Conference and Computers and Information in Engineering Conference, Pittsburgh, PA, September 912,DETC2001/VIB-21598 [11] Balachandran, B., Lee, Y Y., and Fang, C C., 1999, “A mechanical filter concept for control of non-linear crane-load oscillation,” Journal of Sound and Vibration 228(3), 651–682 Trang 57 PHỤ LỤC 1.Hàm S-funtion xử lí tín hiệu ADC đọc giá trị góc theta function [y,k,x] = fcn(u,k_before,x_in) if k_before==0; y=0; x=20/407*u-2990/407*20; k=k_before+1; else x=x_in y=20/407*u-2990/407*20-x_in; k=2; end end Hàm S-funtion xử lí tín hiệu ADC đọc giá trị góc phi function [y,k,x] = fcn(u,k_before,x_in) if k_before==0; k=k_before+1; y=0; x=-30/745*u+2093/745*30; else x=x_in y=-30/745*u+2093/745*30-x_in; k=2; end end 3.Hàm S-funtion xử lí tín hiệu vị trí xe trục function y = fcn(u) if (0