CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT THÍCH NGHI CHO CẦN CẨU TREO TRÊN CƠ SỞ MẠNG NƠ-RON NHÂN TẠO
3.2. Bộ điều khiển trượt backstepping trên cơ sở mạng nơ-ron nhân tạo
3.2.3. Mô phỏng kiểm chứng trên nền kỹ thuật số
Để kiểm chứng tính đúng đắn của bộ điều khiển của phương pháp backstepping thích nghi vừa được đề xuất ở trên, luận án thực hiện một mô phỏng số trên phần mềm Matlab/Simulink với các thông số mô phỏng như bảng 3.1 sau:
79
m 10(kg)
mr 50 kg
mc 30 kg
l 1 m
g 9.81m s/ 2
Dx 0.1
Dy 0.2
KP diag0.58 0.58 26.2 26.8
KI diag0.001 0.001 1 1
K3 diag10 10
K4 diag10 10
r1 diag10 10
r2 diag2 2
Bảng 3.1: Thông số mô hình hệ thống cần cẩu treo 3D và bộ điều khiển trượt thích nghi Mạng nơ-ron hai lớp với lớp đầu là 10 phần tử nơ-ron và được khởi tạo với các trọng số ban đầu đều có giá trị là 0.1.
Sơ đồ khối mô phỏng hệ thống điều khiển trượt thích nghi được biểu diễn trong hình 3.4 bao gồm bộ điều khiển trượt thích nghi (ANSMC), mạng nơ-ron (RBF) và mô hình cần cẩu 3D.
80
Hình 3.4: Sơ đồ mô phỏng hệ thống ANSMC Kết quả mô phỏng được thể hiện trong các hình dưới đây:
81
Hình 3.5: Kết quả mô phỏng cho ANSMC trong trường hợp không có nhiễu tác động (a) Đáp ứng của xe con theo phương x (b) Đáp ứng của xe con theo phương y (c) Đáp ứng của xe con (d) Góc lắc của tải theo phương x (e) Góc lắc của tải theo phương y (f) Tín hiệu điều khiển
Nhận xét: Ta nhận thấy, bộ điều khiển trượt nơ-ron thích nghi, xe con bám vị trí đặt sau khoảng 5 giây, góc rung lắc tối đa của tải theo phương x là 8 độ và theo phương y là 4 độ.
82
Hình 3.6: Kết quả mô phỏng cho ANSMC trong trường hợp nhiễu có biên độ 10 N tác động (a) Đáp ứng của xe con theo phương x (b)Đáp ứng của xe con theo phương y
83
(c) Góc lắc của tải theo phương x (d) Góc lắc của tải theo phương y (e) Tín hiệu điều khiển (f) Nhiễu biên độ 10 N
Hình 3.7: Kết quả mô phỏng cho ANSMC trong trường hợp nhiễu có biên độ 40 N tác động.
84
(a) Đáp ứng của xe con theo phương x (b) Đáp ứng của xe con theo phương y (c) Góc lắc của tải theo phương x (d) Góc lắc của tải theo phương y (e) Tín hiệu điều khiển (f) Nhiễu biên độ 40 N
Nhận xét: Trong trường hợp có nhiễu với các biên độ khác nhau tác động, với bộ điều khiển ANSMC xe con bám vị trí đặt sau khoảng 8 giây và góc rung lắc tối đa của tải trọng vẫn chỉ khoảng 8 độ theo phương x và 4 độ theo phương y. Do đó, bộ điều khiển ANSMC hạn chế được ảnh hưởng của nhiễu ngoài.
Kết quả mô phỏng so sánh chất lượng giữa ANSMC và BSMC cho hệ cần cẩu treo 3D chiều dài dây treo không thay đổi được thể biểu diễn qua các hình sau:
85
Hình 3.8: Kết quả mô phỏng so sánh chất lượng giữa ANSMC và BSMC
(a) Đáp ứng của xe con theo phương x (b) Đáp ứng của xe con theo phương y (c) Góc lắc của tải theo phương x (d) Góc lắc của tải theo phương y (e) Tín hiệu điều khiển phương x (f) Tín hiệu điều khiển phương y
Kết quả mô phỏng so sánh chất lượng giữa ANSMC và BSMC cho hệ cần cẩu treo 3D chiều dài dây treo không thay đổi trong trường hợp có nhiễu tác động được thể biểu diễn qua các hình sau:
86
Hình 3. 9: Kết quả so sánh chất lượng giữa ANSMC và bộ BSMC dưới sự tác động của nhiễu 40 N.
(a) Đáp ứng của xe con theo phương x (b) Đáp ứng của xe con theo phương y
87
(c) Góc lắc của tải theo phương x (d) Góc lắc của tải theo phương y (e) Tín hiệu điều khiển phương x (f) Tín hiệu điều khiển phương y (g) Nhiễu ngoài
Đánh giá kết quả so sánh giữa ANSMC và BSMC được thể hiện trong bảng 3.2:
ANSMC BSMC
Không có nhiễu tác động
Thời gian bám vị trí [s] 4 4
Góc lắc cực đại theo
phương x [deg] 8 8
Góc lắc cực đại theo
phương y [deg] 4 4
Dao động của tín hiệu điều khiển
Dao động ít (2 lần) Dao động ít (2 lần) Có nhiễu là lực tác động 40 N
Thời gian bám vị trí [s] 5 8
Góc lắc cực đại theo
phương x [deg] 8 6
Góc lắc cực đại theo
phương y [deg] 4 4
Dao động của tín hiệu điều khiển
Không bị thay đổi so với trường hợp không có nhiễu
Thay đổi so với trường hợp không có nhiễu
Bảng 3.2: So sánh chất lượng điều khiển giữa ANSMC và BSMC
Nhận xét: ANSMC và BSMC cho chất lượng điều khiển gần giống nhau. Điều này cho thấy thuật toán ANSMC mà luận án đề xuất mang lại chất lượng điều khiển tốt, khi xe con nhanh chóng bám vị trí đặt và góc rung lắc tương đối nhỏ mà không cần biết chính xác mô hình đối tượng.
88
Kết quả mô phỏng so sánh chất lượng điều khiển giữa ANSMC và FLCL2 cho hệ cần cẩu treo với chiều dài dây treo không thay đổi được thể hiện trong hình dưới đây.
89
Hình 3.10: Kết quả so sánh chất lượng giữa ANSMC và bộ TLFLC trong trường hợp không có nhiễu tác động.
(a) Đáp ứng của xe con theo phương x (b) Đáp ứng của xe con theo phương y (c) Góc lắc của tải theo phương x (d) Góc lắc của tải theo phương y (e) Tín hiệu điều khiển phương x (f) Tín hiệu điều khiển phương y
90
Hình 3.11: Kết quả so sánh chất lượng giữa ANSMC và bộ TLFLC dưới sự tác động của nhiễu 40 N.
(a) Đáp ứng của xe con theo phương x (b) Đáp ứng của xe con theo phương y (c) Góc lắc của tải theo phương x (d) Góc lắc của tải theo phương y (e) Tín hiệu điều khiển phương x (f) Tín hiệu điều khiển phương y (g) Nhiễu ngoài
Đánh giá chất lượng điều khiển của ANSMC và TLFLC cho hệ cần cẩu treo 3D trong trường hợp có nhiễu tác động và không có nhiễu tác động được biểu diễn ở bảng 3.3 như sau:
91
ANSMC TLFLC
Không có nhiễu tác động
Thời gian bám vị trí [s] 4 6
Góc lắc cực đại theo
phương x [deg] 8 4
Góc lắc cực đại theo
phương y [deg] 4 3.5
Dao động của tín hiệu điều khiển
Dao động ít (2 lần) Không có dao động Có nhiễu là lực tác động 40 N
Thời gian bám vị trí [s] 5 10
Góc lắc cực đại theo
phương x [deg] 8 4
Góc lắc cực đại theo
phương y [deg] 4 4
Dao động của tín hiệu điều khiển
Không bị thay đổi so với trường hợp không có nhiễu
Thay đổi nhiều so với trường hợp không có nhiễu Bảng 3.3: So sánh chất lượng điều khiển của ANSMC và TLFLC cho hệ cần cẩu treo 3D Nhận xét: Bộ điều khiển ANSMC và bộ điều khiển mờ hai lớp mà luận án đề xuất đều mang lại chất lượng tốt ngay cả khi có nhiễu ngoài tác động vào hệ thống cần cẩu treo. Trong trường hợp mô hình khó xác định và muốn có bộ điều khiển cài đặt đơn giản thì nên dùng TLFLC. Nhưng để thiết kế được TLFLC thì đòi hỏi người sử dụng phải đầu tư rất nhiều thời gian để tự thu thập kinh nghiệm lựa chọn ra TLFLC phù hợp. Trong trường hợp không muốn đầu tư thời gian vào thiết kế thì người sử dụng nên chọn ANSMC. Khi cài đặt ANSMC cần lựa chọn các vi điều khiển có tốc độ xử lý nhanh để đảm bảo tính thời gian thực cho hệ thống vì việc huấn luyện mạng được thực hiện trực tuyến. Ngoài ra trong chương 2 mục 2.3 luận án đề xuất thuật toán điều khiển trượt thích nghi mờ cho cần cẩu treo phù hợp với hệ cần cẩu treo 2D, xe con nhanh chóng bám vị trí đặt, chống rung rất tốt do khi thiết kế trượt tầng đảm bảo ổn định theo từng hệ con và cả toàn bộ hệ kín đồng thời có hệ logic mờ chỉnh định mặt trượt tầng thứ 2 nhưng nhược điểm là cần xác định được mô hình toán học của đối tượng.
92