Tải bản đầy đủ

Điều khiển cần trục xoay bằng fuzzy logic

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


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


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:
Nơi học (trường, thành phố):
Ngành học:

Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ ……

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
Năm 2011
đến năm
2015
Năm 2012
đến năm
2015

Nơi công tác

Công việc đảm nhiệm

Trường TCKT Phú Giáo

Giáo viên
(Khoa Điện – Điện tử)

Đại học Sư phạm Kỹ thuật
thành phố Hồ Chí Minh

Học viên
(Ngành Kỹ thuật Điện tử)

Trang i


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


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


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


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


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


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


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


Hình 3.6 Mờ hóa Er (t )

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 r GiamDĐ

19

Hình 3.11 Mờ hóa

E  (t )

19

Hình 3.12: Mờ hóa

E  (t )

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


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


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


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


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


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


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


 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


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


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


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


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)


  (t )k

(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:
KE = ½ . mLoad.(

)2

(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


S

K

L

0

0

2

1

5

4



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×