Chương 1 TổngQuan 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.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. Tổng quan Hình 1.
Cần trục giàn a) Cần trục tay với b) Cần trục hình tháp Hình 1. 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. 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 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.
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 1. Tổng quan 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… Phương pháp điều khiển không cảm biến này được đề cập bởi tác giả Mahmud Iwan Solihin và Wahyudi trong [26, 27].Phương pháp này phù hợp với các nước còn hạn chế về trình độ về công nghệ cảm biến. Mục tiêuvà giới hạn của đề tài Mục tiêu đề tài là điều khiển tự động hệ thống cần trục không cảm biến. Cảm biến thực đo lường góc dao động tải được thay thế bởi phần mềm cảm biến bằng mạng nơron.
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. Thiết kế điều khiển trên mô hình thực,giao tiếp giữa hệ thống thực và máy tính để điều khiển thông qua card DSP-28335. Giới hạn của đề tài chỉ thiết kế điều khiển không cảm biến có kiểm soát dòng điện trên mô hình hệ thống cần trục giàn (Hình 1. Phương pháp nghiên cứu Các phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong luận văn bao gồm: Khảo sát, phân tích tổng hợp Mô phỏng trên máy tính Thiết kế mô hình thực nghiệm Đánh giá kết quả dựa trên mô phỏng và thực nghiệm 1.
Nội dung luận văn Phần còn lại của nội dung luận văn bao gồm: Chương 2. Tổng quan Trình bày các lý thuyết liên quan sử dụng trong luận văn.Xây dựng mô hình toán mô tả hệ thống cần trục cần nghiên cứu.Các phương pháp điều khiển Nội dung của chương giới thiệu về các phương pháp: điều khiển với hai khâu PID, điều khiển với hai khâu PID có điều khiển dòng điện, điều khiển không cảm biến mạng nơron.Mô phỏng trong Matlab Simulink các phương pháp điều khiển và đánh giá kết quả đạt được.Điều khiển hệ thống thực Giới thiệu về mô hình thực nghiệm hệ thống cần trục, thiết kế phần cứng điều khiển.Chạy thực nghiệm và đánh giá kết quả của các phươngphápđiều khiển.