Luận văn Điều khiển cần trục xoay bằng fuzzy logic (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Điều khiển cần trục xoay bằng fuzzy logic (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ DƯƠNG QUANG HUY ĐIỀU KHIỂN CẦN TRỤC XOAY BẰNG FUZZY LOGIC NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202 S K C0 0 4 7 4 5 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH  LUẬN VĂN THẠC SĨ DƯƠNG QUANG HUY ĐIỀU KHIỂN CẦN TRỤC XOAY BẰNG FUZZY LOGIC NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN Hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN MINH TÂM TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 10/2015
3. LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: Dương Quang Huy Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 12/10/1988 Nơi sinh: Nha Trang Quê quán: Khánh Hòa Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 237/Vĩnh Tiến/Vĩnh Hòa/Phú Giáo/Bình Dương Điện thoại cơ quan: Điện thoại nhà riêng:0948489594 Fax: E-mail:huyduong1210@gmail.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ / đến / Nơi học (trường, thành phố): Ngành học: 2. Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 9/2006 đến 9/2011 Nơi học (trường, thành phố): Đại học Sư phạm Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh Ngành học: Điện công nghiệp III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Năm 2011 Giáo viên đến năm Trường TCKT Phú Giáo (Khoa Điện – Điện tử) 2015 Năm 2012 Đại học Sư phạm Kỹ thuật Học viên đến năm thành phố Hồ Chí Minh (Ngành Kỹ thuật Điện tử) 2015 Trang i
4. LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của học em. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng . năm 2015 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Dƣơng Quang Huy Trang ii
5. Lời cảm ơn Trong thời gian thực hiện luận văn này, học viên xin chân thành cám ơn Thầy TS. Nguyễn Minh Tâm đã hướng dẫn và giúp đỡ học viên hoàn thành luận văn. Đồng thời, sự trợ giúp của quí Thầy trong bộ môn Tự động hóa trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh về các tài liệu điều khiển tự động và các thiết bị đo kiểm. Học viên xin cám ơn quí Thầy. Ngoài ra, học viên xin cám ơn các bạn học viên ngành Kỹ thuật điện tử trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã đóng góp ý kiến trong quá trình thực hiện. Trong thời gian này, gia đình và Ban Giám Hiệu trường đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã tạo mọi điều kiện và tinh thần động viên giúp học viên hoàn thành tốt luận văn này. Xin chân thành cám ơn! Trang iii
6. TÓM TẮT LUẬN 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 đảm bảo cho góc dao động luôn ổn định và triệt tiêu khi xe chạy đến vị trí đặt. Thông qua luận văn, tác giả trình bày phương pháp điều khiển chống lắc tải cho hệ thống cần trục tháp tự động dung giải thuật Fuzzy. Mô hình toán học được thiết lập và bộ điều khiển chống lắc cho hệ thống này có sử dụng cảm biến góc và encoder. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy phương pháp điều khiển chống lắc cho kết quả khá tốt. Mô hình toán 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 Mallab & Simulink. Mô hình này được sử dụng để mô phỏng đáp ứng của cần trục dựa vào phương pháp điều khiển chống lắc bằng Logic mờ Trang iv
7. ABSTRACT Cranes are widely used in the various applicationgs 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 anh ensures stable swing angle and extinguished when dirving to the setpoint through. This paper presents methods against fluctuating load control system for tower crane automatic Fuzzy Logic. This system uses sensors and angle encoder to the feedback signal. The simulation results showed that the experimental and control method reduces oscillation for good results. 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 grantry crane relied on the method of anti swing control using Fuzzy Logic. Trang v
8. Danh sách các từ viết tắt ADC Analog to Digital Convertor FPGA Field-Programmable Gate Array IE Integrated Error 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 TI Texas Instruments GUI Graphical user interface PL Positive Lag PM Positive Medium PS Positive Small Z Zero NS Negative Small NM Negative Medium NL Negative Large Trang vi
9. DANH SÁCH CÁC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 3.1: Luật mờ hóa trong khối giám sát vị trí 15 Bảng 3.2: Luật mờ hóa trong khối giảm dao động 17 Bảng 3.3: Luật mờ hóa trong khối giám sát góc quay 19 Bảng 3.4: Luật mờ hóa trong khối giảm dao động 20 Trang vii
10. DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1: Hình ảnh cần trục tháp 2 Hình 2.1: Mô hình 3 chiều của cần trục tháp 5 Hình 2.2: Tải dao động với góc lệch Phi 6 Hình 2.3: Góc lệch của tải Theta và Phi 7 Hình 3.1: Ví dụ về giá trị đặt trong Fuzzy Logic 12 Hình 3.2: Bộ điều khiển Fuzzy Logic 12 Hình 3.3: Hai thành phần điều khiển trong bộ FLC 13 Hình 3.4: Hai khối điều khiển nằm trong bộ điều khiển vị trí 15 Hình 3.5 Mờ hóa Er(t) 15 Et () Hình 3.6 Mờ hóa r 16 Hình 3.7 : Tập giải mờ của r GiamSat 17 Hình 3.8: Tập mờ hóa của  (t) 17  Hình 3.9: Tập mờ hóa của  (t) 18 Hình 3.10 Giải mờ cho GiamDĐ 19 Et() Hình 3.11 Mờ hóa  19 Et () Hình 3.12: Mờ hóa  20 Hình 3.13 Giải mờ cho GiamSat 20 Hình 3.14: Mờ hóa  (t) 21 Hình 3.15: Mờ hóa  (t) 21 Hình 3.16: Giải mờ cho GiamDĐ 22 Hình 3.17 Dao động góc lệch ngang và góc lệch xoay  trong trƣờng hợp có điều khiển theo Fuzzy Logic 24 Hình 3.18: Trạng thái dao động thực của góc  ()t có điều khiển Fuzzy 24 Hình 3.19: Vị trí thực của xe lăn khi sử dụng điều khiển Fuzzy 25 Trang viii
11. Hình 3.20 Dao động góc lệch ngang và góc lệch xoay  trong trƣờng hợp có điều khiển theo Fuzzy Logic 26 Hình 3.21: Trạng thái dao động thực của góc  ()t có điều khiển Fuzzy 26 Hình 3.22: Vị trí thực của xe lăn khi sử dụng điều khiển Fuzzy 27 Hình 4.1 Mô hình cần trục xoay thực 28 Hình 4.2: Chƣơng trình Matlab lập trình điều khiển 29 Hình 4.3: Khối điều khiển Fuzzy 29 Hình 4.4: Dao động của 2 góc lệch khi không có điều khiển 31 Hình 4.5 : Góc lệch ngang có điều khiển 32 Hình 4.6: Vị Trí xe lăn khi có điều khiển 32 Hình 4.7 : Điện áp cấp điều khiển xe lăn 33 Hình 4.8 : Góc lệch xoay có điều khiển 33 Hình 4.9 : Góc xoay của cần trục khi có điều khiển 34 Hình 4.10: Điện áp cấp vào động cơ 2 điều khiển xoay 34 Trang ix
12. MỤC LỤC Nội dung Trang LÝ LỊCH KHOA HỌC i LỜI CAM ĐOAN ii LỜI CẢM ƠN iii TÓM TẮT LUẬN VĂN iv ABSTRACT v DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT vi DANH SÁCH CÁC BẢNG vii DANH SÁCH CÁC HÌNH viii CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu 1 1.2 Mục tiêu của đề tài 2 1.3 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài 3 1.4 Phương pháp tiếp cận đề tài 3 1.5 Nội dung luận văn 3 CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Mô tả hệ thống 5 2.2 Thông số hệ thống 6 2.3 Phương trình động lực học 8 2.4 Hệ phương trình không gian trạng thái của cầu trục 10 CHƢƠNG 3: THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG CẦU TRỤC 3.1 Thuật toán điều khiển 12 3.2 Thiết kế bộ luật điều khiển Fuzzy Logic cho mô hình cần trục xoay 13 3.3 Kết quả mô phỏng 22 Chƣơng 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 4.1 Mô hình cần trục xoay thực 28
13. 4.2 Kết quả điều khiển giảm dao động của tải trên cần trục xoay 31 4.3 So sánh với phương pháp PID truyền thống 35 Chƣơng 5: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 5.1 Kết quả đạt được của đề tài 38 5.2 Hướng phát triển của đề tài 38 TÀI LIỆU THAM KHẢO 39 PHỤC LỤC 41
14. Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu Cần trục được sử dụng để di chuyển tải từ một điểm đến một điểm trong thời gian ngắn nhất để tải đến được đích. 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. Trong quá trình di chuyển, tải dao động tự do giống như dao động của con lắc. Thông thường, một người điều khiển cần trục giỏi sẽ thực hiện công việc này để đảm bảo tải không được dao động quá mức và thời gian thực hiện nhanh. Nếu như dao động vượt quá giới hạn thích hợp, nó cần phải được giảm dao động hoặc phải dừng hoạt động lại cho đến khi dao động không còn. Như vậy sẽ tốn thời gian và hiệu suất làm việc của cần trục. Những khó khăn này thúc đẩy nhiều nhà nghiên cứu phát triển thuật toán điều khiển cho điều khiển cần trục tự động. Vấn đề xác định góc dao động của tải ,vị trí của tải để hệ thống đưa ra tín hiệu điều khiển đưa tải về vị trí cân bằng. Những nghiên cứu điều khiển cần trục đã được nhiều người thực hiện bằng những phương pháp sau. Nhiều nỗ lực khác nhau của điều khiển chống lắc cho giàn cầu trục tự động đã được đề xuất singhouse và cộng sự [4], Park và cộng sự [10] thông qua kỹ thuật tạo hình đầu vào là phương pháp vòng lặp hở. Tuy nhiên, những phương pháp này không thể làm giảm dao động tốt. Mặc khác, các điều khiển hồi tiếp mà được biết đến là ít ảnh hưởng đến 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 đến các phương pháp thông minh. Omar [6] đề xuất điều khiển PD cho vị trí xe đẩy và việc triệt dao động.Nalley và Trabia [13] đã thông qua điều khiển logic mờ để điểu Trang 1
15. khiển định vị và giảm xóc dao động lắc. Tương tự như vậy, Lee & Cho [5] 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 hệ thống cần trục tháp bởi Liu và cộng sự [11]. Phương pháp điều khiển loại bỏ vòng lặp, điều khiển tự động được thực hiện bằng nhiều kỹ thuật khác nhau. Kỹ thuật thứ nhất, dựa trên quỹ đạo để di chuyển tải tới đích với dao động nhỏ nhất. Quỹ đạo đạt được bằng kỹ thuật biên dạng ngõ vào hoặc điều khiển tối ưu. Phương pháp kỹ thuật thứ hai, dựa vào phản hồi vị trí và góc dao động. Phương pháp kỹ thuật thứ ba phân chia bộ điều khiển thành hai phần: bộ điều khiển chống dao động và bộ điều khiển bám (GiamSating). Trong đề tài này, học viên chọn dùng giải thuật Fuzzy Logic để điều khiển cần trục tháp. Hình 1.1: Hình ảnh cần trục tháp 1.2 Mục tiêu của đề tài Mục tiêu chính của đề tài này là thiết kế bộ điều khiển Fuzzy cho cần trục tháp. Bộ điều khiển được thiết kế để chống dao động cho tải khi vận hành. Trang 2
16. Thuật toán điều khiển giảm dao động được áp dụng trên mô hình cần trục xoay thực,giao tiếp giữa hệ thống thực và máy tính để điều khiển thông qua card DSP - 28335 1.3 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài 1.3.1 Nhiệm vụ của đề tài Xác định mô hình toán của hệ thống cần trục tháp. Lập giải thuật điều khiển cần trục theo giải thuật Fuzzy Logic. Tiến hành mô phỏng và khảo sát thực nghiệm chất lượng của giải thuật điều khiển đối với hệ thống cần trục. 1.3.2 Giới hạn của đề tài Do mô hình thử nghiệm nhỏ nên chưa kiểm chứng khi gặp khối lượng lớn. Chỉ áp dụng Giải thuật Fuzzy thuần túy. 1.4 Phương pháp tiếp cận luận văn Đề tài được tiếp cận dựa trên các phương pháp sau: - Khảo sát tài liệu, tìm hiểu các tài liệu liên quan đến đến đề tài như điều khiển cần trục, điều khiển phi tuyến - Khảo sát các cần trục thực tế và các mô hình cần trục thường được sử dụng trong phòng thí nghiệm. - Mô phỏng trên phần mềm Matlab & Simulink - Điều khiển chống lắc tên mô hình thực nghiệm - Đánh giá kết quả dựa trên mô phỏng và thực nghiệm 1.5 Nội dung luận văn Nội dung phần còn lại của luận văn gồm các chương như sau: Chương 2: Cơ sở lý thuyết Nội dung chương 2 trình bày về các bước xây dựng mô hình toán học cần trục xoay được thiết lập dựa trên các thuộc tính động học. Chương 3: Thuật toán điều khiển cân bằng cầu trục. Nội dung chương ba trình bày giải thuật Fuzzy Logic và áp dụng để điều khiển hệ thống cần trục Trang 3
17. Chương 4: Kết quả thực nghiệm Học viên dùng chương trình matlab mô phỏng và khảo sát chất lượng của giải thuật khi áp dụng vào mô hình và rút ra kết luận Chương 5: Kết luận và hướng phát triển của đề tài Nội dung chương 5 trình bày tóm tắt các kết quả mà đề tài đã đạt được và hướng phát triển để khắc phục những giới hạn nhằm hoàn thiện đề tài tốt hơn. Trang 4
18. Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Trong chương này, học viên thiết lập các phương trình động lực học của cần trục tháp, xây dựng trên mô hình không gian 3 chiều. Từ đó, xây dựng mô hình toán của cần trục xoay theo phương pháp Lagrange. 2.1 Mô tả hệ thống. Một cần trục xoay bao gồm một xe đẩy di chuyển dọc theo cần trục (cánh tay trục). Còn cần trục thì xoay tròn trên một mặt phẳng ngang. Chuyển động kết hợp giữa cần trục và xe đẩy sẽ đưa tải đến một vị trí bất kì trong bán kính làm việc của cần trục. Sự thay đổi chiều dài cáp cẩu dùng để nâng hạ tải và tránh vật cản. Nhưng trong phạm vi luận văn, chiều dài của cáp cẩu được giữ cố định. Mô hình mô tả cần trục được cho bên dưới: Xe đẩy Cầu trục Cáp Hình 2.1: Mô hình 3 chiều của cần trục xoay. Trang 5
19. Cần trục tháp là một hệ thống cơ khí điện tử phi tuyến hoạt động phức tạp. Cần trục tháp cơ bản gồm có 3 phần chính sau: Chân đế cần trục: giữ cho cần trục đứng thẳng, chịu toàn bộ sức nặng trên cần trục Thân cần trục: là chiều cao của cần trục Cánh tay xoay tròn: được gắn trên đầu cần trục, bao gồm động cơ, hộp số làm cho cần trục xoay tròn. Khối cánh tay xoay tròn bao gồm 2 phần chính: Cánh tay đòn: một thanh dài để mở rộng chiều ngang cần trục Xe chạy (trolley): chạy đọc theo cánh tay đòn và di chuyển tải 2.2 Thông số hệ thống. Trên hình 2.1, mô hình cần trục được đặt trong hệ tọa độ Descartes với góc tọa độ (O) nằm tại điểm giao giữa cánh tay cần trục với trục đứng của cần trục. Trục (k) là trùng với trụ cần trục, trục (i) trùng với cánh tay cần trục và trục (j) vuông với cánh tay cần trục. Khi cần trục quay sẽ quét trên mặt phẳng xOy một góc  (t). Khi xe đẩy di chuyển trên cần trục tạo nên vị trí của nó là r(t), vị trí này được tính so với tọa độ góc O. Sự tương tác giữa động năng cần trục với động năng của tải được bỏ qua, giả thiết do khối lượng của cần trục lớn hơn rất nhiều so với khối lượng của tải. Từ đó ta xác định vận tốc của xe lăn khi cần trục đứng yên: vx = ri (2.1) và gia tốc của nó: ax = r i (2.2) vận tốc góc của cần trục khi quay:  k (2.3) Gia tốc góc của cần trục:  k (2.4) Trang 6
20. Hình 2.2 Tải dao động với góc lệch  . Hình 2.3. Góc lệch của tải  (t) và  (t) Góc lệch tải trong không gian đặc trưng bởi hai góc và . Góc là góc lệch theo (i) song song với cần trục (nằm trên mặt phẳng kOi), và góc là góc lệch theo trục (j) vuông góc với cần trục (nằm trên mặt phẳng Trang 7
21. kOj). Mục tiêu của điều khiển là làm giảm dao động tức là hai góc  và  phải nhỏ nhất. 2.3 Phương trình động lực học. Để xác định được các phương trình động lực học, học viên sử dụng phương pháp tiếp cận Lagrange để xác định phương trình vị trí của tải P(t) so với góc tọa độ. Khi cần trục được giữ cố định, vị trí tải được xác định theo: P(t) = [r(t)-L(t).Cos (t).Sin (t)]i+[L(t).Sin (t)]j - [L(t).Cos (t).Cos (t)]k (2.5) Vận tốc của tải trong không gian: (t) = + (2.6) Và  ()tk (2.7) Do đó, vận tốc tuyệt đối của tải là: (t) = [ (t) - (t) sin (t) cos (t) – L(t)( (t)sin (t) – (t) sin (t) sin (t) + (t) cos (t)cos (t))]i + [ (t) sin (t) + r(t) (t) + L(t) cos (t)( (t) – (t) sin (t))]j + [- (t) cos (t) cos (t) + L(t)( (t) sin (t) cos (t) + (t) cos (t) sin (t))]k (2.8) Động năng của tải: 2 KE = ½ . mLoad.( ) (2.9) Hoặc bằng: KE = ½ mLoad{[ (t) sin (t) + r(t) (t) + L(t) cos (t)( (t) – (t) sin (t))]2 +[ (t) – (t) sin (t) cos (t) – L(t)( (t)sin (t) – (t) sin (t) sin (t) + (t) cos (t) cos (t))]2 + [- (t) cos (t) cos (t) + L(t)( (t) sin (t) cos (t) + (t) cos (t) sin (t))]2} (2.10) Thế năng của tải PE = - mLoad.g.L(t) Cos (t) Cos (t) (2.11) Trang 8
22. S K L 0 0 2 1 5 4