Luận văn Điều khiển hệ thống cần trục không cảm biến (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Điều khiển hệ thống cần trục không cảm biến (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 ĐOÀN XUÂN NAM ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG CẦN TRỤC KHÔNG CẢM BIẾN S K C 0 0 3 9 5 9 NGÀNH: THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250 S KC 0 0 3 9 3 3 Tp. Hồ Chí Minh, 2012
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐOÀN XUÂN NAM ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG CẦN TRỤC KHÔNG CẢM BIẾN Chuyên ngành: Thiết bị mạng và nhà máy điện Mã ngành: 60 52 50 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 12/2012
3. CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: Đoàn Xuân Nam Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 10/12/1985 Nơi sinh: Gia Lai Quê quán: Thái Bình Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 40 Phù Đổng, phường Phù Đổng, Tp. Pleiku Điện thoại cơ quan: 061722185 Điện thoại nhà riêng: 01254587074 Fax: E-mail: doanxuan_nam@yahoo.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1.Đại học: Hệ đào tạo: Chính Quy. Thời gian đào tạo từ 09/2004 đến 05/2009 Nơi học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh Ngành học: Điện Khí Hóa và Cung Cấp Điện 2. Cao học: Hệ đào tạo: Chính qui. Thời gian đào tạo từ 2/2010 đến 2/2012 Nơi học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh Ngành học: Thiết Bị Mạng và Nhà Máy Điện Tên đề tài: Điều Khiển Hệ Thống Cần Trục Không Cảm Biến Ngày & nơi bảo vệ: Tháng 1/2013, tại Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh Người hướng dẫn: TS. Ngô Văn Thuyên III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Nhiệm vụ Từ 09/2009 đến Đại Học Công Ngiệp Thực Phẩm Tp. HCM Giáo viên 10/2011 Từ 12/2011 đến Tổng Công Ty Tư Vấn Thiết Kế Dầu Khí Nhân viên 12/2012 Tp. HCM, ngày 15 tháng 1 năm 2013 Người khai ký tên Đoàn Xuân Nam
4. Lời Cam Đoan Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. 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 15 tháng 02 năm 2013 Tác giả luận văn Đoàn Xuân Nam i
5. Lời Cảm Ơn Để hoàn thành được đề tài này, trước hết học viên xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới thầy TS. Ngô Văn Thuyên, thầy đã định hướng và hỗ trợ về phương tiện, thiết bị cũng như động viên, khích lệ tinh thần làm việc của học viên trong suốt thời gian thực hiện đề tài. Bên cạnh đó, học viên cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới tất cả quí Thầy Cô trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh đã trang bị cho học viên lượng kiến thức rất bổ ích, đặc biệt xin chân thành cảm ơn quí Thầy Cô Khoa Điện – Điện Tử đã tạo điều kiện thuận lợi và hỗ trợ cho học viên rất nhiều trong quá trình học tập cũng như trong thời gian làm luận văn này. Học viên xin gởi lời cảm ơn chân thành nhất đến đồng nghiệp, gia đình, bạn bè đã giúp đỡ cho học viên rất nhiều, đã tạo cho học viên niềm tin và nỗ lực cố gắng để hoàn thành luận văn này. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 02 năm 2013 Tác giả luận văn Đoàn Xuân Nam ii
6. Tóm Tắt Luận Văn 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 như đóng tàu, xây dựng nhà cao tầng Việc vận chuyển bằng cần trục đòi hỏi phải nhanh chóng và để đảm bảoan toàn thì dao động ở tải không quá lớn trong suốt quá trình vận chuyển. Trong điều khiển chống dao động hệ thống cần trục, cảm biến thường được dùng để đo lường vị trí và góc dao động của tải. Hai tín hiệu đo lường này sẽ được phản hồi về hai bộ điều khiển riêng biệt để điều khiển xe chạy tới đúng vị trí và đảm bảo cho góc dao động luôn ổn định và dập tắt khi xe chạy đến vị trí đặt. Tuy nhiên, cảm biến đo lường góc dao động tải trong các hệ thống thực tế có những trở ngại: 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 Mục tiêu của đề tài là không dùng cảm biến đo lường góc mà vẫn điều khiển tự động được hệ thống cần trục hoạt động theo đúng yêu cầu. Ngoài ra, dòng điện làm việc của động cơ luôn được điều chỉnh trong phạm vi dòng điện định mức để tránh hiện tượng quá tải làm cho dòng này tăng quá mức cho phép. Mô hình toán học của cầu trục được xây dựng dựa trên các phương trình vật lý và định luật Newton thông qua phép biến đổi Laplace.Mô hình này được sử dụng để mô phỏng đáp ứng của cần trục theo các phương pháp điều khiển: điều khiển với hai bộ PID, điều khiển với hai bộ PID có điều khiển dòng điện, điều khiển không cảm biến bằng mạng nơron. Các kết quả mô phỏng và thí nghiệm trên mô hình thựccho thấy rằng phương pháp điều khiển không cảm biến bằng mạng nơroncókết quả tương tự như điều khiển có cảm biến thực.Khâu điều khiển dòng điện cho phép điều chỉnh linh hoạt dòng làm việc cũng như dòng khởi động của động cơ. iii
7. Abstract Cranes are widely used in various applications such as heavy loads transportation and hazardous materials handling in shipyards, in factories, in nuclear installations and in high building constructions. The transportation by crane requires as fastas possible and, at the same time, the load swing is kept small during the transfer process andcompletely vanishes at the load destination. In anti-swing feedback control of automatic gantry crane system, sensors are normally employed to detect trolley position and payload swing angle. Two measurement signals will be feedback on two separate controllers to control the trolley to the correct position, ensure swing angle stability, and extinguish when driving to the location. However, the sensors measure the payload swing angle in real systems there are obstacles: the high investment costs, difficult to install especially with the crane lifting structure, difficult to maintenance and repair, etc. The goal of thesis is sensor-less anti-swing control method for automatic gantry crane system. In addition, the motor working current always be adjusted in the range of the rated current to avoid increase excessive when overloading. Mathematical model of the gantry crane is based on the physical equations and Newton's laws through the Laplace transform. This model is used to simulate the response of the gantry crane control methods: two PID controllers, two PID controllers with current controller, sensor-lesscontrol using soft sensor by neural networks. The simulation and experimental results on real models showed that using soft- sensor by neural networks similar to real sensors. Loop current controller allows adjustment of flexible motor working current, as well as the motor starting current. iv
8. Mục Lục Trang Trang tựa Quyết Định Giao Đề Tài Lý Lịch Khoa Học Lời Cam Đoan i Lời Cảm Ơn ii Mục Lục v Danh Sách Các Hình ix Chương 1. Tổng Quan 1 1.1. Giới thiệu chung 1 1.2. Phương pháp tiếp cận điều khiển cần trục 3 1.3. Mục tiêu và giới hạn của đề tài 6 1.4. Phương pháp nghiên cứu 6 1.5. Nội dung luận văn 6 Chương 2. Cơ Sở Lý Thuyết 7 2.1. Mô tả hệ thống sử dụng 7 2.2. Mô hình toán học của hệ thống cần trục 8 2.2.1. Mô hình động cơ DC 9 2.2.2. Mô hình xe 9 2.2.3. Mô hình của tải 10 2.3. Mô hình mô phỏng của hệ thống cần trục 12 v
9. 2.4. Mạng nơron nhân tạo (Artifical Neural Networks_ ANN) 13 2.4.1. Hàm tổng hợp 14 2.4.2. Hàm kích hoạt 15 2.4.3. Giải thuật lan truyền ngược 16 2.4.4. Minh họa giải thuật lan truyền ngược trong huấn luyện mạng nơron nhiều lớp 18 Chương 3. Các Phương Pháp Điều Khiển 24 3.1. Phương pháp điều khiển với hai khâu PID 24 3.2. Phương pháp điều khiển với hai khâu PID có điều khiển dòng điện 27 3.3. Phương điều khiển không cảm biến 31 3.3.1. Phương pháp luận 31 3.3.2. Xây dựng phần mềm cảm biến bằng mạng nơron 32 Chương 4. Điều Khiển Hệ Thống Thực 41 4. 1. Sơ lược về mô hình thí nghiệm hệ thống thực 41 4. 2. Thiết kế phần cứng 42 4. 3. Điều khiển với hai khâu PID 45 4.3.1. Thiết kế bộ điều khiển PID góc dao động 46 4.3.2. Thiết kế bộ điều khiển PID vị trí 47 4.3.3. Kết quả thực nghiệm 48 4. 4. Điều khiển với hai khâu PID có điều khiển dòng 50 4. 5. Điều khiển không cảm biến mạng nơron 53 4. 6. Giao diện đồ họa 57 Chương 5. Kết Luận Và Hướng Phát Triển Đề tài 59 vi
10. 5.1. Kết luận 59 5.2. Hướng phát triển đề tài 60 Tài Liệu Tham Khảo 61 Phụ Lục 64 vii
11. Danh Sách Các Chữ Viết Tắt PID : Bộ điều khiển PID (Proportional Integral Derivative) PWM : Phương pháp điều rộng xung (Pulse width modulation) BPA : Giải thuật lan truyền ngược (Back propagation algorithm) ANN : Mạng nơron nhân tạo (Artifical Neural Networks) viii
12. Danh Sách Các Hình Hình Trang Hình 1.1. Cần trục giàn 2 Hình 1.2. Cần trục quay 2 Hình 2.1. Mô hình cần trục 8 Hình 2.2. Mô hình động cơ DC 8 Hình 2.3. Sơ đồ khối động cơ DC 9 Hình 2.4. Sơ đồ khối điều khiển vòng hở hệ thống cần trục 12 Hình 2.5. (a) kết quả mô phỏng vị trí xe, (b) kết quả mô phỏng góc dao động tải. 12 Hình 2.6. Cấu trúc một nơron sinh học 13 Hình 2.7. Cấu trúc mạng nơron nhân tạo 14 Hình 2.8. Cấu trúc một nơron nhân tạo 14 Hình 2.9. Cấu trúc mạng với 3 nơron lớp vào, 2 nơron lớp ẩn và 1 nơron lớp ra 18 Hình 2.10. Mô tả tín hiệu vào ra tại một nơron 18 Hình 2.11. Tính toán dữ liệu tại lớp vào 19 Hình 2.12. Tính toán dữ liệu tại lớp ẩn 19 Hình 2.13. Tính toán dữ liệu tại lớp ra 20 Hình 2.14. Tính toán sai số đầu ra mạng nơron 20 Hình 2.15. Mô tả quá trình lan truyền ngược sai số sang lớp ẩn 21 Hình 2.16. Mô tả quá trình lan truyền ngược sai số sang lớp vào 21 Hình 2.17. Quá trình cập nhập lại trọng số lớp vào 22 Hình 2.18. Quá trình cập nhập lại trọng số lớp ẩn 23 ix
13. Hình 2.19. Quá trình cập nhập lại trọng số lớp ra 23 Hình 3.1. Điều khiển cần trục với hai khâu PID 24 Hình 3.2. Giải thuật điều khiển 25 Hình 3.3. Kết quả mô phỏng vị trí điều khiển với hai khâu PID 26 Hình 3.4. Kết quả mô phỏng góc dao động điều khiển với hai khâu PID 26 Hình 3.5. Kết quả mô phỏng dòng làm việc điều khiển với hai khâu PID 27 Hình 3.6. Điều chỉnh dòng điện thông qua điều chỉnh PWM 28 Hình 3.7. Động cơ DC với vòng điều khiển dòng điện 28 Hình 3.8. Mô hình điều khiển với hai khâu PID có điều khiển dòng 29 Hình 3.9. So sánh kết quả mô phỏng vị trí giữa hai phương pháp điều khiển 30 Hình 3.10. So sánh kết quả mô phỏng góc giữa hai phương pháp điều khiển 30 Hình 3.11. So sánh kết quả mô phỏng dòng điện giữa hai phương pháp điều khiển 31 Hình 3.12. Điều khiển không dùng cảm biến góc 32 Hình 3.13. Sử dụng mạng nơron nhận dạng phần mềm cảm biến 33 Hình 3.14. Cấu trúc mạng nơron hai ngõ vào một ngõ ra, 30 nơron lớp ẩn 34 Hình 3.15. Sơ đồ mô phỏng điều khiển không cảm biến phương án 1 34 Hình 3.16. Sơ đồ mô phỏng điều khiển không cảm biến phương án 2 34 Hình 3.17. Sơ đồ mô phỏng điều khiển không cảm biến phương án 3 35 Hình 3.18. Sơ đồ mô phỏng điều khiển không cảm biến phương án 4 35 Hình 3.19. So sánh kết quả mô phỏng vị trí giữa điều khiển không cảm biến phương án 1 và điều khiển hai khâu PID có điều khiển dòng điện 36 Hình 3.20. So sánh kết quả mô phỏng vị trí và góc dao động giữa điều khiển không cảm biến phương án 1 và điều khiển hai khâu PID có điều khiển dòng điện 36 x
14. Hình 3.21. So sánh kết quả mô phỏng vị trí giữa điều khiển không cảm biến phương án 2 và điều khiển hai khâu PID có điều khiển dòng điện 37 Hình 3.22. So sánh kết quả mô phỏng góc dao động giữa điều khiển không cảm biến phương án 2 và điều khiển hai khâu PID có điều khiển dòng điện 37 Hình 3.23. So sánh kết quả mô phỏng vị trí giữa điều khiển không cảm biến phương án 3 và điều khiển hai khâu PID có điều khiển dòng điện 38 Hình 3.24. So sánh kết quả mô phỏng vị trí giữa điều khiển không cảm biến phương án 3 và điều khiển hai khâu PID có điều khiển dòng điện 38 Hình 3.25. So sánh kết quả mô phỏng vị trí và góc dao động giữa điều khiển không cảm biến phương án 4 và điều khiển hai khâu PID có điều khiển dòng điện 39 Hình 3.26. So sánh kết quả mô phỏng vị trí và góc dao động giữa điều khiển không cảm biến phương án 4 và điều khiển hai khâu PID có điều khiển dòng điện 39 Hình 3.27. So sánh kết quả mô phỏng dòng điện giữa điều khiển không cảm biến phương án 3, 4 và điều khiển hai khâu PID có điều khiển dòng điện 40 Hình 4.1. Mô hình cần trục thực nghiệm 41 Hình 4.2. Nguyên lý mô hình thí nghiệm hệ thống thực 42 Hình 4.3. Các phương pháp đo dòng điện 43 Hình 4.4. Nguyên lý mạch đo dòng dùng IC INA139 44 Hình 4.5. Điều chỉnh tốc độ động cơ theo nguyên tắc PWM 44 Hình 4.6. Chương trình điều khiển với hai khâu PID 45 Hình 4.7. Khâu PID điều khiển góc dao động 46 Hình 4.8. Sai số góc do kết cấu cơ khí 47 Hình 4.9. Khâu PID điều khiển vị trí 48 Hình 4.10. Ví dụ về một đồ thị đáp ứng của hệ thống 48 Hình 4.11. Kết quả thực nghiệm vị trí điều khiển với hai khâu PID 49 xi
15. Hình 4.12. Kết quả thực nghiệm góc dao động điều khiển với hai khâu PID 49 Hình 4.13. Kết quả thực nghiệm dòng điện điều khiển với hai khâu PID 50 Hình 4.14. Nguyên lý điều khiển dòng điện 51 Hình 4.15. Chương trình điều khiển có thêm khâu điều khiển dòng 51 Hình 4.16. Kết quả thực nghiệm vị trí điều khiển hai khâu PID có điều khiển dòng 51 Hình 4.17. Kết quả thực nghiệm góc dao động điều khiển hai khâu PID có điều khiển dòng điện 52 Hình 4.18. Kết quả thực nghiệm dòng điện điều khiển hai khâu PID có điều khiển dòng điện 52 Hình 4.19. So sánh kết quả dòng điện giữa điều khiển hai khâu PID và điều khiển hai khâu PID có điều khiển dòng điện 53 Hình 4.20. Chương trình điều khiển không cảm biến 54 Hình 4.21. Kết quả thực nghiệm vị trí điều khiển không cảm biến 54 Hình 4.22. Kết quả thực nghiệm góc điều khiển không cảm biến 55 Hình 4.23. Kết quả thực nghiệm dòng điện điều khiển không cảm biến 55 Hình 4.24. So sánh kết quả thực nghiệm vị trí giữa điều khiển không cảm biến và điều khiển có cảm biến 56 Hình 4.25. So sánh kết quả thực nghiệm góc giữa điều khiển không cảm biến và điều khiển có cảm biến 56 Hình 4.26. So sánh kết quả thực nghiệm dòng điện giữa điều khiển không cảm biến và điều khiển có cảm biến 57 Hình 4.27. Giao diện đồ họa chương trình điều khiển 57 xii
16. Danh Sách Các Bảng Bảng Trang Bảng 2.1. Các thông số mô phỏng hệ thống 12 Bảng 3.1. Các thông số của bộ điều khiển 26 Bảng 3.2. Các thông số của bộ điều khiển 30 Bảng 3.3. Kết quả mô phỏng điều khiển không cảm biến mạng nơron 35 Bảng 4.1. Các thông số của bộ điều khiển 49 Bảng 4.2. Các thông số của bộ điều khiển 53 xiii
17. 1. Tổng quan Chương 1 TổngQuan 1.1. Giới thiệu 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 Dựa trên cấu hình, có thể phân loại thành hai loại: cần trục giàn và cần trục quay. Cần trục giàn thường được sử dụng trong các nhà máy (Hình 1.1).Đây là một dạng của cần trục, có thể dịch chuyển trên mặt phẳng nằm ngang. Tải trọng gắn với xe bởi dây cáp, chiều dài có thể thay đổi được bởi một cơ cấu nâng hạ. Tải với cáp được xem như một hệ con lắc dao động một bậc tự do. Một dạng khác nữa là cần trục quay, có thể di chuyển cũng theo phương ngang nhưng trong hai hướng vuông góc. Phân tích gần như giống nhau cho cả hai, bởi vì các chuyển động hai chiều có thể được chia thành hai chuyển động một chiều. 1
18. 1. Tổng quan Hình 1.1. Cần trục giàn a) Cần trục tay với b) Cần trục hình tháp Hình 1.2. Cần trục quay Cần trục quay có thể được chia thành hai loại: cần trục tay với thường được dùng trong nhà máy đóng tàu, và cần trục hình tháp được sử dụng trong xây dựng (Hình 1.2). 2
19. 1. Tổng quan 1.2. Phương pháp tiếp cận điều khiển cần trục 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 đung đưa (dao động). Thông thường, người điều khiển lành nghề đảm nhiệm công việc này. Trong quá trình hoạt động, tải dao động tự do như chuyển động của con lắc. 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 được chia thành năm bước sau: kẹp tải, nâng lên, di chuyển tải từ điểm này tới điểm khác, hạ xuống, nhả tải. Tự động hóa toàn bộ các quá trình này là hoàn toàn có thể, một vài nghiên cứu đã hướng tới nhiệm vụ này[1].Di chuyển tải từ điểm này tới điểm khác là khâu chiếm hầu hết thời gian trong toàn bộ quá trình và đòi hỏi người điều khiển khéo léo để thực hiện nó.Tìm ra phương pháp phù hợp để di chuyển tải dễ dàng mà không gây ra dao động lớn là trọng tâm của các nghiên cứu hiện nay.Chúng ta có thể phân chia việc điều khiển cần trục thành hai cách tiếp cận. Trong cách tiếp cận đầu tiên, người vận hành tham gia vào điều khiển và thay đổi cơ cấu khí động lực của tải để giúp cho vận hành được dễ dàng hơn.Cách một là thêm bộ giảm chấn bằng đường hồi tiếp góc dao động của tải và tốc độ của nó hoặc bằng đường hồi tiếp góc dao động trước đó[2, 3].Hồi tiếp này cho biết quỹ đạo phát sinh thêm vào bởi vận hành.Cách thứ hai là để tránh tải tự kích gần tần số tự nhiên của nó bằng cách thêm một bộ lọc để loại bỏ các tần số này từ đầu vào [4].Cách thứ ba là thêm bộ giảm xóc vào cơ cấu của cần trục[5]. Trong cách tiếp cận thứ hai, hoạt động hoàn toàn tự động mà không có người vận hành điều khiển.Điều này có thể được thực hiện bằng cách sử dụng các kỹ thuật khác nhau.Kỹ thuật thứ nhất là dựa tạo ra quỹ đạo mới để chuyển tải đến đích với dao động là nhỏ nhất.Quỹ đạo đạt được nhờ dạng tín hiệu ngõ vào hoặc bằng kỹ thuật điều khiển tối ưu.Kỹ thuật thứ hai là dựa vào tín hiệu hồi tiếp vị trí và góc dao 3
20. 1. Tổng quan động. Kỹ thuật thứ ba là chia thiết kế bộ điều khiển thành hai phần: một điều khiển chống dao động và một điều khiển theo dõi. Mỗi bộ được thiết kế riêng biệt và sau đó kết hợp để đảm bảo hiệu suất và sự ổn định của hệ thống tổng thể. Dao động của tải bị ảnh hưởng bởi sự tăng tốc của chuyển động, nhiều nhà nghiên cứu đã tập trung vào tạo ra quỹ đạo, làm sao chuyển tải đi nhanh nhất có thể với góc dao động nhỏ nhất. Những quỹ đạo tìm được bằng cách sử dụng các kỹ thuật tối ưu hóa với các hàm mục tiêu có thể là thời gian chuyển[6], hay hành động điều khiển[7], hoặc góc dao động [8].Một phương pháp quan trọng tạo ra quỹ đạo là dạng tín hiệu vào, trong đó bao gồm các chuỗi xung tăng tốc và giảm tốc.Những trình tự này được tạo ra mà không gây ra dao động trong quá trình vận chuyển [9].Điều khiển vòng hở nhạycảm với các nhiễu loạn bên ngoài và thông số biến đổi. Ngoài ra, hoạt động điều khiển là bang-bang, do đó không liên tục. Hơn nữa, nó thường đòi hỏi góc dao động bằng không tại đầu mỗi quá trình, và không thể nhận ra được góc thực tế lúc đó.Để tránh những bất lợi của điều khiển vòng hở, nhiều nhà nghiên cứu [12, 13]đã điều khiển thông qua hồi tiếp vòng kín. Điều khiển hồi tiếp ít nhạy cảm với các nhiễu loạn và các thông số biến đổi. Do đó, nó là phương pháp thiết kế điều khiển phổ biến cho cần trục. Ridout [14] đã phát triển bộ điều khiển hồi tiếp vị trí chiếc xe, tốc độ và góc dao động của tải. Độ lợi (gains) hồi tiếp được tính toán trên phép thử và sai dựa trên phương pháp quỹ đạo nghiệm. Salminen [16] sử dụng điều khiển hồi tiếp với độ lợi (gains) được tính toán dựa trên những phương pháp biểu đồ cực. Hazlerigg [17] đã phát triển bộ bù (compensator) để triệt tiêu động năng của con lắc. Điều khiển này đã được thử nghiệm trên một mô hình cần trục vật lý.Nó đã tạo ra kết quả tốt, ngoại trừ dao động hệ thống chậm tắt dần. Do đó, hệ thống đáp ứng được dao động, nghĩa là thời gian vận chuyển lâu hơn. Hurteau và DeSantis [18] phát triển một bộ điều khiển hồi tiếp tuyến tính sử dụng tín hiệu hồi tiếp trạng thái đầy đủ. Độ lợi (gains) điều khiển được điều chỉnh theo chiều dài cáp. Tuy nhiên, việc thay đổi chiều dài cáp làm giảm đặc tính của hệ thống.Ngoài ra, các thuật toán điều chỉnh đã không được kiểm nghiệm bằng thực nghiệm. 4
21. 1. Tổng quan Mục tiêu điều khiển cần trục là chuyển tải từ điểm này tới điểm khác và đồng thời dao động tải là nhỏ nhất.Thông thường, điều khiển được thiết kế để đạt được hai nhiệm vụ cùng một lúc, như trong các bộ điều khiển nói trên.Tuy nhiên, có một đề xuất khác được sử dụng rộng rãi, hai nhiệm vụ được xử lý riêng bằng cách thiết kế hai bộ điều khiển hồi tiếp.Bộ đầu tiên là điều khiển chống dao động.Nó điều khiển dao động bằng tín hiệu phản hồi của góc dao động tải. Bộ điều khiển thứ hai được thiết kế để theo dõi làm việc của xe theo quỹ đạo tham chiếu. Vị trí xe được sử dụng làm tín hiệu hồi tiếp. Quỹ đạo vị trí thường dựa trên các mô hình cổ điển, thu được từ điều khiển tối ưu vòng hở hay các kỹ thuật nhận dạng. Bộ điều khiển theo dõi có thể là bộ điều khiển vi phân tỉ lệ (PD) [19] hoặc là bộ điều khiển logic mờ [20, 21]. Tương tự như vậy, bộ điều khiển chống dao động được thiết kế bằng các phương pháp khác nhau[19] sử dụng hồi tiếp vị trí trễ, trong khi[20, 21]sử dụng bộ điều khiển logic mờ, tách các nhiệm vụ kiểm soát, chống dao động và theo dõi, cho phép các bộ điều khiển xử lý các quỹ đạo khác nhau tùy theo môi trường làm việc. Nâng cao tải (cẩu) trong thời gian vận chuyển là điều cần thiết để tránh chướng ngại vật.Chuyển động này là chậm, và biến đổi chiều dài cáp có thể được coi như là nhiễu loạn cho hệ thống. Do đó, ảnh hưởng của biến đổi độ dài cáp được xem xét thông qua mô phỏng để đảm bảo rằng thực hiện việc này không làm điều khiển xấu đi. Tuy nhiên, có một vài nghiên cứu đã thiết kế các bộ điều khiển bao gồm cả nâng hạ [22]. Ảnh hưởng của trọng lượng tải thường được bỏ qua.Tuy nhiên, Lee [23], Omar và Nayfeh [24, 25]đã xem xét nó trong việc thiết kế các bộ điều khiển cho cần trục giàn và tháp. Từ những nghiên cứu này, chúng ta thấy rằng, trọng lượng của tải là rất nặng so với trọng lượng xe, hiệu quả của bộ điều khiển thiết kế sẽ không đạt nếu bỏ qua đại lượng này. Hầu hết hệ thống điều khiển hồi tiếpđã đề cập đều cần cảm biến để đo vị trí xe cũng như góc dao động của tải. Tuy nhiên, cảm biến đo lường góc dao động tải trong các 5