Lời cam đoan Tôi 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. Hồ Chí Minh, ngày … tháng …. năm 2013 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Mai Nhật Thiên Trang i Lời cảm ơn Trong thời gian thực hiện luận văn này, học viên xin chân thành cám ơn Thầy TS.
Ngô Văn Thuyên 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 Cao Đẳng Sư Phạm Kỹ Thuật Vĩnh Long 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 ii 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 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 iii 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 iv Mục lục Lời cam đoan.
ii Tóm Tắt Luận Văn. iv Mục lục. v Danh sách các từ viết tắt. vii Danh sách các hình.
viii Danh sách các bảng. xi Chƣơng 1. Giới thiệu chung. Các phương pháp nghiên cứu về điều khiển hệ thống cần trục.
Mục tiêu và giới hạn của đề tài. Phương pháp nghiên cứu. Nội dung luận văn. Hệ thống cần trục tự động.
Thiết lập mô hình toán học của hệ thống cần trục. Mô hình của động cơ. Mô hình của dây đai. Mô hình của cần trục.
Mô hình của tải. Mạng nơron nhân tạo (Artifical Neural Networks_ ANN). Bộ lọc Kalman rời rạc. Quá trình xử lý để ước lượng.
Các nguồn gốc tính toán của bộ lọc. Thuật toán bộ lọc Kalman rời rạc. CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN. Các phương pháp điều khiển hệ thống cần trục tự động.
Điều khiển hệ thống có dùng cảm biến góc. Điều khiển hệ thống không dùng cảm biến góc. Điều khiển hệ thống không dùng cảm biến góc 1. Điều khiển hệ thống không dùng cảm biến góc 2.
Điều khiển hệ thống không dùng cảm biến góc 3. THỰC NGHIỆM TRÊN MÔ HÌNH THỰC. Mô hình cần trục kiểu thí nghiệm. Kết quả thực nghiệm.
Điều khiển chống lắc trên hệ thống có dùng cảm biến góc. Điều khiển chống lắc trên hệ thống không dùng cảm biến góc 1. Điều khiển chống lắc trên hệ thống không dùng cảm biến góc 2. Điều khiển chống lắc trên hệ thống không dùng cảm biến góc 3.
Hướng phát triển đề tài. 57 Tài liệu tham khảo. 60 Trang vi 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 Trang vii Danh sách các hình Hình 1. Các dạng cầu trục.
Mô hình hệ thống cần trục. Sơ đồ khối mô hình toán học hệ thống cần trục. Cấu trúc một nơron sinh học. Cấu trúc mạng nơron nhân tạo.
Cấu trúc một nơron nhân tạo. Chu kỳ bộ lọc Kalman rời rạc. Sơ đồ hoàn chỉnh toán học của bộ lọc Kalman. Sơ đồ khối điều khiển vòng hở hệ thống cần trục.
Kết quả mô phỏng hệ thống cần trục theo kiểu vòng hở. Giải thuật điều khiển trong hệ thống. Sơ đồ mô phỏng có cảm biến góc mà không có cảm biến dòng điện. Kết quả mô phỏng có cảm biến góc mà không có bộ điều khiển dòng.
Sơ đồ mô phỏng có cảm biến góc có dùng cảm biến dòng điện. Mô hình ước lượng dòng điện động cơ DC. Sơ đồ bộ lọc Kalman. Mô hình ước lượng dòng điện động cơ DC dạng hàm nhúng.
Kết quả mô phỏng khi bộ lọc Kalman dùng lọc tín hiệu dòng điện. Kết quả mô phỏng có cảm biến góc và có bộ điều khiển dòng. Sơ đồ mô phỏng có cảm biến góc dạng đơn giản hóa. Kết quả mô phỏng có cảm biến góc theo dạng đơn giản hóa.
Sự điều khiển chống lắc không dùng cảm biến góc 1. Sơ đồ mô phỏng không có cảm biến góc (dạng soft-sensor). Kết quả mô phỏng dạng sensorless1 so với dạng sensor. Sử dụng mạng nơron nhận dạng phần mềm cảm biến.
31 Trang viii Hình 3. Cấu trúc mạng nơron hai ngõ vào một ngõ ra, 30 nơron lớp ẩn. Sự điều khiển chống lắc không dùng cảm biến góc 2. Sơ đồ mô phỏng không có cảm biến góc 2 (dạng mạng nơron).
Kết quả mô phỏng không có cảm biến góc 2 so với có cảm biến góc. Sự điều khiển chống lắc không dùng cảm biến góc 3. Sơ đồ mô phỏng không có cảm biến góc 3 (dạng mạng nơron). Kết quả mô phỏng dạng không có cảm biến 3 so với có cảm biến.
Mô hình cần trục thực nghiệm. Nguyên lý mô hình thí nghiệm hệ thống thực. Các phương pháp đo dòng điện theo kiểu điện trở Shunt. Nguyên lý mạch đo dòng dùng IC INA139.
Điều chỉnh tốc độ động cơ theo nguyên tắc PWM. Giao diện điều khiển hệ thống cần trục tự động. Sơ đồ khối điều khiển chống lắc dùng cảm biến góc. Khâu PID điều khiển góc dao động.
Sai số góc do kết cấu cơ khí. Khâu PID điều khiển vị trí. Ví dụ về một đồ thị đáp ứng của hệ thống. Kết quả điều khiển có cảm biến góc mà không có cảm biến dòng.
Sơ đồ khối điều khiển chống lắc có nhận dạng dòng điện. Kết quả nhận dạng dòng điện trong bộ điều khiển có cảm biến góc. Sơ đồ khối điều khiển chống lắc dùng cảm biến dòng. Nguyên lý điều khiển dòng điện.
Điều chỉnh dòng điện thông qua điều chỉnh PWM. Kết quả điều khiển dạng có dùng cảm biến góc và cảm biến dòng. Sơ đồ khối điều khiển chống lắc không dùng cảm biến góc 1. Kết quả điều khiển dạng không dùng cảm biến góc 1.
51 Trang ix Hình 4. Sơ đồ khối điều khiển chống lắc không dùng cảm biến góc 2. Kết quả điều khiển dạng không dùng cảm biến góc 2 .