phương trình vật lý thông qua phép biến đổi Laplace và mô phỏng trên phần mềm Matlab & Simulink

Tuy nhiên, cảm biến góc trong hệ thống cần trục thực tế có những trở ngại như chi phí đầu tư cao, khó lắp đặt nhất là với những cần trục có cơ cấu nâng hạ, thường xuyên bảo trì sữa chữa…

Trang 1

Trang iii

Tóm Tắt Lu n Văn

Các cần trục được sử dụng rộng rãi để vận chuyển vật nặng và vật liệu độc hại trong các nhà máy hạt nhân, xí nghiệp, đóng tàu, xây dựng nhà cao tầng…Việc vận chuyển bằng cần trục đòi hỏi phải nhanh chóng và để đảm bảo an toàn đối với người điều khiển và vật xung quanh thì dao động ở tải được giữ nhỏ trong suốt quá trình vận chuyển Hệ thống này điều khiển xe chạy tới đúng vị trí và đảm bảo cho góc dao động luôn ổn định và triệt tiêu khi xe chạy đến vị trí đặt thông qua cảm biến

vị trí và cảm biến góc Tuy nhiên, cảm biến góc trong hệ thống cần trục thực tế có những trở ngại như chi phí đầu tư cao, khó lắp đặt nhất là với những cần trục có cơ cấu nâng hạ, thường xuyên bảo trì sữa chữa…

Do dó, việc điều khiển chống lắc không dùng cảm biến góc trong hệ thống cần trục

tự động được đề xuất trong luận văn này Mục đích các điều khiển chống lắc không dùng cảm biến góc được dựa trên mô hình toán học của cần trục và việc thu thập dữ liệu từ hệ thống cần trục tự động Đầu tiên, một cảm biến mềm dựa trên mô hình toán học của cầu trục được giới thiệu thay thế cảm biến lắc thực Trong phương

pháp này, sự chuyển động góc lắc tải được ước lượng dựa trên mô hình toán học từ

vị trí xe đã được đo đạc Cuối cùng, dữ liệu mà được sử dụng để huấn luyện mạng nơron cho sự điều khiển chống lắc không dùng cảm biến đã được thu thập từ hệ thống cầu trục tự động sử dụng cảm biến góc thực

Mô hình toán học của cần trục được xây dựng dựa trên các phương trình vật lý thông qua phép biến đổi Laplace và mô phỏng trên phần mềm Matlab & Simulink

Mô hình này được sử dụng để mô phỏng đáp ứng của cần trục dựa vào phương pháp điều khiển chống lắc có sử dụng cảm biến thực và cảm biến mềm hay bằng mạng nơron

Các kết quả mô phỏng và thí nghiệm trên các mô hình thực cho thấy rằng phương

pháp điều khiển chống lắc không sử dụng cảm biến góc thông qua mạng nơron có kết quả tương tự như điều khiển có dùng cảm biến thực

Trang 2

Trang iv

Abstract

Cranes are widely used in the various applications such as the heavy loads transportation and hazardous materials in shipyards, factories, the nuclear plants and high building constructions Transportating by cranes needs to be as fast as possible, and, at the same time, to ensure safety for the driver as well as surrounding objects the load swing must be kept small during the transporting process and completely vanished at the load destination This system controls the trolley in place and ensures stable swing angle and extinguished when driving to the setpoint through the use of position sensor and angle sensor, sequentially However, the real swing sensor in a real grantry crane system faces following obstacles: costly investments, difficult to install especially with the crane lifting structure, frequent maintenance and repair, etc

Therefore, controlling anti-swing sensorless in automatic gantry crane system is proposed in this paper The proposal is based on mathematical model of the crane and collecting data from the automatic gantry crane system First, a softsensor based

on the mathematical model of the crane is introduced to substitute the real swing sensor In this method, the swing motion of the load is estimated based on the mathematical model from the measured trolley position Finally, the data used to train the neural networks for the anti-swing control without sensors were collected from the automatic gantry crane system using the real swing sensor

The mathematical model of the gantry crane was based on the physical equations through the Laplace transform and simulated by the Matlab&Simulink software This model was used to simulate the response of the gantry crane relied on the method of anti-swing control using real sensor and soft sensor by neural networks The simulational and experimental results on the real models showed that using the controlling anti-swing sensorless method by the neural networks was similar to using the sensor controlled method

Trang 3

Trang v

Mục lục

L i cam đoan i

L i cảm n ii

Tóm Tắt Lu n Văn iii

Abstract iv

Mục lục v

Danh sách các từ vi t tắt vii

Danh sách các hình viii

Danh sách các bảng xi

Ch ng 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Giới thiệu chung 1

1.2 Các phương pháp nghiên cứu về điều khiển hệ thống cần trục 2

1.3 Mục tiêu và giới hạn của đề tài 3

1.4 Phương pháp nghiên cứu 3

1.5 Nội dung luận văn 4

Ch ng 2 C S LÝ THUYẾT 5

2.1 Hệ thống cần trục tự động 5

2.2 Thiết lập mô hình toán học của hệ thống cần trục 5

2.2.1 Mô hình của động cơ 6

2.2.2 Mô hình của dây đai 7

2.2.3 Mô hình của cần trục 7

2.2.4 Mô hình của tải 8

2.3 Mạng nơron nhân tạo (Artifical Neural Networks_ ANN) 10

2.4 Bộ lọc Kalman rời rạc 13

2.4.1 Quá trình xử lý để ước lượng 13

Trang 4

Trang vi

2.4.2 Các nguồn gốc tính toán của bộ lọc 13

2.4.3 Thuật toán bộ lọc Kalman rời rạc 15

Ch ng 3 CÁC PH NG PHÁP ĐI U KHI N 17

3.1 Các phương pháp điều khiển hệ thống cần trục tự động 17

3.1.1 Điều khiển hệ thống có dùng cảm biến góc 19

3.1.2 Điều khiển hệ thống không dùng cảm biến góc 28

3.1.2.1 Điều khiển hệ thống không dùng cảm biến góc 1 28

3.2 Kết luận 37

Ch ng 4 THỰC NGHI M TRểN MÔ HÌNH THỰC 38

4.1 Mô hình cần trục kiểu thí nghiệm 38

4.2 Kết quả thực nghiệm 41

4.2.1 Điều khiển chống lắc trên hệ thống có dùng cảm biến góc 41

4.2.2 Điều khiển chống lắc trên hệ thống không dùng cảm biến góc 1 50

Ch ng 5 KẾT LU N 57

5.1 Kết luận 57

5.2 Hướng phát triển đề tài 57

TƠi li u tham khảo 58

Phụ lục 60

Trang 5

Trang vii

ADC Analog to Digital Convertor

FPGA Field-Programmable Gate Array

IAE Integral of the Absolute Magnitude of the Error

ISE Integral of the Square of the Error

ITAE Integral of Time multiplied by the Absolute Value of the Error

MSE Mean Square Error

PCI Peripheral Component Interconnect

PWM Pulse Width Modulation

QEP Quadrature Encoder Pulse

RTDX Real Time Data Exchange

GUI Graphical user interface

Trang 6

Trang viii

Danh sách các hình

Hình 1.1 Các dạng cầu trục 1

Hình 2.1 Mô hình hệ thống cần trục 6

Hình 2.2 Sơ đồ khối mô hình toán học hệ thống cần trục 10

Hình 2.3 Cấu trúc một nơron sinh học 11

Hình 2.4 Cấu trúc mạng nơron nhân tạo 11

Hình 2.5 Cấu trúc một nơron nhân tạo 11

Hình 2.6 Chu kỳ bộ lọc Kalman rời rạc 15

Hình 2.7 Sơ đồ hoàn chỉnh toán học của bộ lọc Kalman 16

Hình 3.1 Sơ đồ khối điều khiển vòng hở hệ thống cần trục 17

Hình 3.2 Kết quả mô phỏng hệ thống cần trục theo kiểu vòng hở 18

Hình 3.3 Giải thuật điều khiển trong hệ thống 19

Hình 3.4 Sơ đồ mô phỏng có cảm biến góc mà không có cảm biến dòng điện 20

Hình 3.5 Kết quả mô phỏng có cảm biến góc mà không có bộ điều khiển dòng 21

Hình 3.6 Sơ đồ mô phỏng có cảm biến góc có dùng cảm biến dòng điện 22

Hình 3.7 Mô hình ước lượng dòng điện động cơ DC 23

Hình 3.8 Sơ đồ bộ lọc Kalman 23

Hình 3 9 Mô hình ước lượng dòng điện động cơ DC dạng hàm nhúng 24

Hình 3.10 Kết quả mô phỏng khi bộ lọc Kalman dùng lọc tín hiệu dòng điện 24

Hình 3.11 Kết quả mô phỏng có cảm biến góc và có bộ điều khiển dòng 25

Hình 3.12 Sơ đồ mô phỏng có cảm biến góc dạng đơn giản hóa 26

Hình 3.13 Kết quả mô phỏng có cảm biến góc theo dạng đơn giản hóa 27

Hình 3.14 Sự điều khiển chống lắc không dùng cảm biến góc 1 28

Hình 3.15 Sơ đồ mô phỏng không có cảm biến góc (dạng soft-sensor) 29

Hình 3.16 Kết quả mô phỏng dạng sensorless1 so với dạng sensor 30

Hình 3.17 Sử dụng mạng nơron nhận dạng phần mềm cảm biến 31

Trang 7

Trang ix

Hình 3.18 Cấu trúc mạng nơron hai ngõ vào một ngõ ra, 30 nơron lớp ẩn 32

Hình 3.20 Sơ đồ mô phỏng không có cảm biến góc 2 (dạng mạng nơron) 33

Hình 3.21 Kết quả mô phỏng không có cảm biến góc 2 so với có cảm biến góc 34

Hình 3.23 Sơ đồ mô phỏng không có cảm biến góc 3 (dạng mạng nơron) 35

Hình 3.24 Kết quả mô phỏng dạng không có cảm biến 3 so với có cảm biến 36

Hình 4.1 Mô hình cần trục thực nghiệm 38

Hình 4.2 Nguyên lý mô hình thí nghiệm hệ thống thực 38

Hình 4.3 Các phương pháp đo dòng điện theo kiểu điện trở Shunt 40

Hình 4.4 Nguyên lý mạch đo dòng dùng IC INA139 40

Hình 4.5 Điều chỉnh tốc độ động cơ theo nguyên tắc PWM 40

Hình 4.6 Giao diện điều khiển hệ thống cần trục tự động 41

Hình 4.7 Sơ đồ khối điều khiển chống lắc dùng cảm biến góc 41

Hình 4.8 Khâu PID điều khiển góc dao động 42

Hình 4.9 Sai số góc do kết cấu cơ khí 43

Hình 4.10 Khâu PID điều khiển vị trí 43

Hình 4.11 Ví dụ về một đồ thị đáp ứng của hệ thống 44

Hình 4.12 Kết quả điều khiển có cảm biến góc mà không có cảm biến dòng 45

Hình 4.13 Sơ đồ khối điều khiển chống lắc có nhận dạng dòng điện 46

Hình 4.14 Kết quả nhận dạng dòng điện trong bộ điều khiển có cảm biến góc 46

Hình 4.15 Sơ đồ khối điều khiển chống lắc dùng cảm biến dòng 47

Hình 4.16 Nguyên lý điều khiển dòng điện 47

Hình 4.17 Điều chỉnh dòng điện thông qua điều chỉnh PWM 48

Hình 4.18 Kết quả điều khiển dạng có dùng cảm biến góc và cảm biến dòng 49

Hình 4.19 Sơ đồ khối điều khiển chống lắc không dùng cảm biến góc 1 50

Hình 4.20 Kết quả điều khiển dạng không dùng cảm biến góc 1 51

Trang 8

Trang x

Trang 9

Trang xi

Danh sách các bảng

Bảng 3.1 Các thông số hệ thống cần trục 18

Bảng 3.2 Các thông số bộ điều khiển 20

Bảng 4.3 Đáp ứng ngõ ra của các mô hình điều khiển 48

Bảng 4.7 So sánh các phương pháp điều khiển chống lắc tại thời điểm xác lập 56

Trang 10

1 TỔNG QUAN

Trang 1

Ch ng 1 TỔNG QUAN

1.1 Giới thi u chung

Cần trục được sử dụng rộng rãi để vận chuyển vật nặng và vật liệu độc hại trong xí nghiệp đóng tàu, nhà máy hạt nhân, xây dựng nhà cao tầng… Có rất nhiều loại cần trục tùy theo công dụng, có 2 phân loại phổ biến như cần trục giàn (gantry crane) và cần trục trụ (tower crane)

Một số hình ảnh [1] về các loại cần trục hiện nay trình bày như Hình 1.1

Hình 1.1 Các dạng cầu trục

Hình 1.1a và Hình 1.1b- Cần trục giàn; Hình 1.1c và 1.1d- Cần trục trụ

Trang 11

1 TỔNG QUAN

Trang 2

Cần trục được sử dụng để di chuyển vật nặng từ điểm này đến điểm khác trong thời gian nhỏ nhất để vật đến được đích mà không bị lắc (dao động) Trong quá trình hoạt động, tải dao động tự do như chuyển động của con lắc do tốc độ di chuyển Dao động này sẽ gây ảnh hưởng đến môi trường xung quanh có thể gây nguy hiểm cho con người hay làm hỏng các vật lân cận.Vì vậy, nếu dao động vượt quá giới hạn cho phép, nó phải được giảm dao động hoặc phải dừng hoạt động cho đến khi dao động bị triệt tiêu Những vấn đề này đã thúc đẩy nhiều nhà nghiên cứu phát triển thuật toán điều khiển để tự động hóa các hoạt động cần trục

Hoạt động cần trục có thể thực hiện thông qua quá trình tự động hóa, một vài nghiên cứu đã hướng tới nhiệm vụ này Di chuyển tải từ điểm này tới điểm khác là khâu chiếm hầu hết thời gian trong toàn bộ quá trình và đòi hỏi di chuyển tải dễ dàng mà không gây ra dao động lớn là trọng tâm của các nghiên cứu hiện nay Nhiều nỗ lực khác nhau của điều khiển chống lắc cho giàn cần trục tự động đã được

đề xuất Singhose và cộng sự [2], Park và cộng sự [3] thông qua kỹ thuật tạo Hình đầu vào là phương pháp vòng lặp hở Tuy nhiên, những phương pháp này không thể làm giảm chấn động tốt sự dao động lắc còn dư Gupta và Bhowal [4] cũng trình bày đơn giản kỹ thuật chống lắc vòng hở Họ đã thực hiện kỹ thuật này dựa vào việc điều khiển vận tốc trong chuyển động Nghiên cứu đáng chú ý khác vào điều khiển vòng hở tối ưu về thời gian cũng đã được thực hiện bởi Manson [5] và cũng bởi

Auernig & Troger [6] để điều khiển cần trục qua đầu với cần trục Tuy nhiên đây là những phương pháp tiếp cận vòng hở là có ảnh hưởng đến các thông số hệ thống Mặt khác, các điều khiển hồi tiếp mà được biết đến là ít ảnh hưởng đến các sự thay đổi tham số và các nhiễu cũng đã được đề xuất trong một số nghiên cứu khác nhau

từ các phương pháp PID truyền thống (tỷ lệ + tích phân + vi phân) đến phương pháp

thông minh Omar [7] đề xuất điều khiển PD cho vị trí xe đẩy và việc triệt dao động lắc Nalley và Trabia [8] đã thông qua điều khiển logic mờ để điều khiển định vị và giảm xóc dao động lắc Tương tự như vậy, Lee & Cho [9] đề xuất điều khiển hồi tiếp bằng cách sử dụng logic mờ Một hệ thống điều khiển logic mờ với khái niệm điều khiển chế độ trượt cũng được phát triển cho một hệ thống cần trục qua đầu bởi

Liu và cộng sự [10] Hơn nữa, một hệ thống giàn cầu trục thông minh dựa trên hệ

mờ cũng đã được đề xuất bởi Wahyudi & Jalani [11] Bộ điều khiển logic mờ đề xuất bao gồm vị trí cũng như các bộ điều khiển chống lắc

Trang 12

1 TỔNG QUAN

Trang 3

Tuy nhiên, hầu hết các hệ thống điều khiển hồi tiếp đề xuất việc cần các cảm biến

để đo vị trí xe đẩy cũng như chuyển động dao động lắc tải Ngoài ra, trong thực tế, thiết kế đo lường dao động lắc của hệ thống cần trục thực, không phải là một nhiệm

vụ dễ dàng vì có một cơ chế cẩu trên cáp linh động song song Altafini và cộng sự

[12] trình bày một phương pháp sử dụng các phép đo mô-men xoắn điện và vận tốc góc của các việc điều khiển cho quan sát tải động Tuy nhiên, nó được sử dụng thay

vì hai cảm biến bổ sung để quan sát góc dao động lắc bởi biết chiều dài của cáp Một số nghiên cứu cũng đã tập trung vào các đề án kiểm soát với hệ thống thị giác

là khả thi hơn bởi vì các bộ cảm biến thị giác đó không lắp đặt ở phía tải Việc điều khiển hồi tiếp gần đây bằng cách sử dụng máy ảnh CCD cũng được thực hiện thành

công bởi Lee và cộng sự [13], Osumi và cộng sự [14] Những hạn chế của hệ thống thị giác, trong số đó là chi phí cao và sự bảo trì khó khăn [15]

Ngoài ra, một nghiên cứu điều khiển chống lắc không dùng cảm biến góc dựa trên

mô hình toán học thực hiện bởi Wahuydi và Mahmud [16], nhận dạng và điều khiển giảm dao động cầu trục sử dụng card PCI do Thuyên và Nam [17]

1.3 Mục tiêu vƠ giới hạn của đ tƠi

Mục tiêu đề tài là điều khiển tự động hệ thống cần trục không dùng cảm biến góc Cảm biến thực đo lường góc dao động tải được thay thế bởi cảm biến mềm (soft

sensor) hoặc bằng mạng nơron

Áp dụng các thuật toán điều khiển trên mô hình thực, giao tiếp giữa hệ thống thực

và máy tính để điều khiển thông qua card DSP-28335 [18]

Giới hạn của đề tài chỉ thiết kế điều khiển không dùng cảm biến góc có kiểm soát dòng điện trên mô hình hệ thống cần trục (Hình 1.1a)

Các phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong luận văn bao gồm:

- Khảo sát, phân tích tổng hợp phương pháp điều khiển hệ thống có sử dụng cảm biến góc và không có sử dụng cảm biến góc

- Mô phỏng trên phần mềm Matlab & Simulink

- Điều khiển chống lắc trên mô hình thực nghiệm

- Đánh giá kết quả dựa trên mô phỏng và thực nghiệm

Tiêu đề	Phương Trình Vật Lý Thông Qua Phép Biến Đổi Laplace Và Mô Phỏng Trên Phần Mềm Matlab & Simulink
Trường học	University of Hanoi
Chuyên ngành	Control Systems Engineering
Thể loại	Graduation project
Thành phố	Hanoi

Định dạng
Số trang	16
Dung lượng	200,11 KB