Đề tài Nghiên cứu thuật toán điều khiển ổn định hệ thống cầu trục giao tiếp với máy tính (Phần 1)

Nội dung text: Đề tài Nghiên cứu thuật toán điều khiển ổn định hệ thống cầu trục giao tiếp với máy tính (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG CẦU TRỤC GIAO TIẾP VỚI MÁY TÍNH MÃ SỐ: B2008 - 22 - 27 ChỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: ThS. TRƯƠNG ĐÌNH NHƠN S K C 0 0 2 8 9 0 THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, THÁNG 07 NĂM 2010
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG CẦU TRỤC GIAO TIẾP VỚI MÁY TÍNH Mã số: B2008_22_27 Chủ nhiệm đề tài: Ths. Trương Đình Nhơn Tp. HỒ CHÍ MINH, Tháng 7/ 2010
3. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG CẦU TRỤC GIAO TIẾP VỚI MÁY TÍNH Mã số: B2008_22_27 Xác nhận của cơ quan chủ trì đề tài Chủ nhiệm đề tài (ký, họ tên, đóng dấu) (ký, họ tên) Ths. Trương Đình Nhơn Tp. HỒ CHÍ MINH, Tháng 07/2010
4. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp.HCM o0o THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 1. Thông tin chung: Tên đề tài: NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG CẦU TRỤC GIAO TIẾP VỚI MÁY TÍNH Mã số: B2008_22_27. Chủ nhiệm: Ths. Trƣơng Đình Nhơn. Cơ quan chủ trì: Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp.HCM. Thời gian thực hiện: Từ 02/05/2008 đến 01/05/2010 2. Mục tiêu: Nghiên cứu các thuật toán điều khiển ổn định trên mô hình cầu trục có giao tiếp với máy tính, dùng để giảng dạy cho sinh viên ngành Điện tự động, giúp cho sinh viên có mô hình để thực tập viết chƣơng trình để điều khiển. Là mô hình dùng để sinh viên thực hiện các đề tài nghiên cứu khoa học. 3. Tính mới và sáng tạo: Khảo sát và thiết kế mô hình cầu trục giao tiếp máy tính với chi phí thấp. Viết chƣơng trình điều khiển ổn định sử dụng công cụ Real-Time Windows Target trong phần mềm Matlab. 4. Kết quả nghiên cứu: Xây dựng đƣợc chƣơng trình điều khiển cho hệ thống cầu trục giao tiếp máy tính. Làm mô hình giảng dạy cho môn học Thực tập Điều khiển tự động, Thực tập Đo lƣờng cảm biến. 5. Sản phẩm: Sản phẩm của đề tài là mô hình cầu trục giao tiếp với máy tính qua Card PCI 1711 và chƣơng trình thuật toán điều khiển ổn định hệ thống cầu trục bằng Matlab. Đang hƣớng dẫn 1 đề tài Thạc sỹ ứng dụng mô hình điều khiển giám sát hệ thống dùng fuzzy logic. ___Trang 1
5. 6. Hiệu quả, phƣơng thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng: Mô hình cầu trục mà đề tài đi xây dựng hoạt động ổn định và tiết kiệm chi phí so với những mô hình dạy học tƣơng đƣơng. Sản phẩm của đề tài có thể ừng dụng trong việc giảng dạy cho các chuyên ngành điều khiển tự động. Ngày 23 tháng 08 năm 2010 Cơ quan chủ trì Chủ nhiệm đề tài (ký, họ và tên, đóng dấu) (ký, họ và tên) Ths. Trƣơng Đình Nhơn ___Trang 2
6. INFORMATION ON RESEARCH RESULTS 1. General information: Project title: RESEARCH STABILITY CONTROL ALGORITHM TO CONTROL CRANE MODEL COMMUNICATION WITH PC. Code number: B2008_22_27 Coordinator: Truong Dinh Nhon Implementing Institution: University Of Technical Education HCMC Cooperating Institution(s): Dr. Truong Viet Anh MS. Phung Anh Son Duration: from 02/05/2008 to 01/05/2010 2. Objective(s): To study the stability control algorithm on the Crane model to communicate with computer, used to teach students of Technology Electricity Automatic, enables students to practice writing model programs to control. For students to doing scientific research. 3. Creativeness and innovativeness: Survey and design low-cost models of cranes communication with computers. Program a stable control system using Real-Time Windows Target tools in Matlab software. 4. Research results: Building the driver for the communication system of crane machine. Making models for practic subjects, such as: Practice of Automatic Control, Practice of Measurement and sensors. 5. Products: Product of this project is the model of crane system communicate with PC through the PCI 1711 card and program stable control alrigothms for this system using Matlab software. ___Trang 3
7. 6. Effects, transfer alternatives of reserach results and applicability: Model of crane system is constructed with cost savings compared to equivalent models of teaching. Products of this research can be applied in teaching subjects for automatic control field. ___Trang 4
8. Phần 1: Mở Đầu 1. Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay, việc ứng dụng lý thuyết điều khiển tự động trong công nghiệp là điều cần thiết và đã mang lại những lợi ích nhất định. Vì vậy, việc phát triển các giải thuật trong lý thuyết điều khiển tự động để ứng dụng vào mô hình vật lý thật nhằm mang lại cho sinh viên cách nhìn trực quan và toàn diện hơn về môn học là điều cần quan tâm. Các công trình nghiên cứu trong nƣớc cũng chỉ dừng lại ở mức độ mô phỏng hoặc thực nghiệm trên những thiết bị mẫu. Do đó, việc xây dựng mô hình cầu trục vừa có khả năng phục vụ nghiên cứu vừa hỗ trợ mạnh cho giảng dạy là điều rất cần thiết. Trên thế giới, có nhiều công trình nghiên cứu về điều khiển hệ thống cầu trục bằng các giải thuật PID nhƣng chi phí còn quá cao không phù hợp với điều khiện thực tế ở Việt nam, đặc biệt là trong lĩnh vực giáo dục. 2. Mục tiêu Mô hình vật lý cầu trục điều khiển bằng máy tính mà đề tài đƣa ra có các chức năng nhƣ sau: - Đáp ứng đƣợc các giải thuật điều khiển hiện nay. - Có khả năng giao tiếp với máy tính để thực hiện mô phỏng và điều khiển bằng hệ thống thu thập dữ liệu và điều khiển từ xa. - Đảm bảo tính giáo dục và rèn luyện các kỹ năng điều khiển cầu trục cho sinh viên. - Có tính thƣơng mại cao. - Đề tài còn đƣợc dùng làm mô hình cho sinh viên thực tập môn Điều khiển tự động nhƣ cho các sinh viên làm đề tài tốt nghiệp. - Ngoài ra, mô hình cầu trục có thể dùng làm đối tƣợng điều khiển cho các môn học khác nhƣ: TT Điều khiển lập trình, TT Đo lƣờng cảm biến 3. Cách tiếp cận Đề tài đƣợc xây dựng bao gồm các công đoạn sau: Từ cơ sở của lý thuyết điều khiển cầu trục ta đi xây dựng mô hình toán học của mô hình cầu trục, sau đó kiểm tra tính ổn định của hệ thống và thực hiện bổ chính. Kết quả đƣợc minh họa trong Matlab. ___Trang 5
9. Với kết quả đạt đƣợc, nhóm nghiên cứu xây dựng chƣơng trình điều khiển cho hệ thống cầu trục bằng phầm mềm Matlab điều khiển giao tiếp với mô hình qua card PCI 1711 bằng các hàm trong thƣ viện Real-time Windows Target của Matlab. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu của đề tài dựa trên việc thành lập mô hình toán học của mô hình hệ thống cầu trục, sau đó sử dụng phần mềm Matlab để mô phỏng các kết quả khi thiết kế, sau đó đƣợc thực nghiệm trên mô hình vật lý. 5. Phạm vi nghiên cứu Trên thực tế hệ thống cầu trục đƣợc đặt ở nhiều nơi khác nhau nhƣ ở các bến cảng, trên các công trƣờng, cững nhƣ trong các nhà máy nên có rất nhiều yếu tốc tác động đến tính ổn định của hệ thống nên thuật toán điều khiển sẽ rất phức tạp. Do đó, với điều kiện thực tế hiện nay thì đề tài chỉ tập trung nghiên cứu thuật toán điều khiển ổn định trên mô hình cầu trục với thông số quan tâm là độ dao động của tải trong lúc vận chuyển và dừng hệ thống không xét đến những tác động của các yếu tố nhƣ: ma sát khi di chuyển xen con, dao động theo phƣơng ngang. Kết quả nghiên cứu sẽ đƣợc so sánh với trạng thái của hệ thống khi hoạt động bình thƣờng (chế độ Man) và chế độ điều khiển (Auto) trên cơ sở của phần mềm Matlab. 6. Nội dung nghiên cứu Đề tài nghiên cứu thuật toán điều khiển ổn định dao động của hệ thống cầu trục đƣợc xây dựng dựa trên mô hình hệ thống cầu trục thực tế, sau đó tác giả tiến hành thiết lập mô tả toán học hệ thống cầu trục, tìm hiểu các phƣơng pháp mô tả toán học của hệ thống cầu trục, trong đó tập trung vào mô tả phƣơng trình chuyển động của xe con khi di chuyển tải, cũng nhƣ các phƣơng pháp điều khiển ổn định của hệ thống. Kết quả thực nghiệm đƣợc mô tả trên mô hình cầu trục thực tế. Các công cụ sử dụng để liên kết giữa mô hình với máy tính nhƣ Card PCI 1711, Thƣ viện Real-Time Windows Target trong Matlab và thực hiện viết chƣơng trình điều khiển hệ thống cầu trục để kiểm tra thuật toán trên mô hình thực tế. Sau khi đã thử nghiệm các thuật toán trên mô hình thành công, tác giả tiến hành biên soạn các bài thực hành trên mô hình theo cấu trúc từ đơn giản đến phức tạp nhằm giúp sinh viên hiểu rõ hơn về các phƣơng pháp điều khiển trên mô hình. Bao gồm các lệnh truy xuất tín hiệu số, tín hiệu analog, bộ đếm tốc độ cao và thuật toán điều khiển PID trong Matlab thông qua thƣ viện Real-Time Windows Target.” ___Trang 6
10. Phần 2: Nội Dung Chƣơng I Mô Tả Toán Học Hệ Thống Cầu Trục “Trong chƣơng này trình bày về mô hình hệ thống cầu trục và phƣơng pháp mô tả toán học của hệ thống cầu trục, trong đó tập trung vào mô tả phƣơng trình chuyển động của xe con khi di chuyển tải, cũng nhƣ các phƣơng pháp điều khiển ổn định của hệ thống.” ___Trang 7