Thiết kế bộ điều khiển chống dao động tải cho cầu trục - Đồ án tốt nghiệp ĐH SPKT TP.HCM

Giới thiệu đồ án tốt nghiệp về thiết kế bộ điều khiển chống dao động tải cho cầu trục. Phân tích nguyên lý hoạt động, cấu trúc hệ thống và giải pháp kỹ thuật

• Tác giả: Đinh Đức Trung
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Trần Minh Nguyệt
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
• Đề tài: Thiết kế bộ điều khiển chống dao động tải cho cầu trục
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về bộ điều khiển chống dao động tải cho cầu trục

Cầu trục là thiết bị nâng hạ quan trọng trong công nghiệp và xây dựng. Thiết bị này di chuyển tải nặng theo phương ngang trên hệ thống ray. Quá trình vận hành thường xảy ra hiện tượng dao động tải. Dao động gây nguy hiểm cho người lao động và hàng hóa. Bộ điều khiển chống dao động tải cho cầu trục ra đời nhằm giải quyết vấn đề này. Hệ thống sử dụng cảm biến encoder để xác định vị trí con trượt. Bộ điều khiển tín hiệu xử lý dữ liệu đầu vào từ encoder. Giao diện HMI cho phép người vận hành theo dõi và điều khiển hệ thống. Mô hình cầu trục được thi công để kiểm chứng thuật toán điều khiển. Đề tài thuộc ngành Công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa. Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM là nơi thực hiện nghiên cứu. Dự án kéo dài 16 tuần với sự hướng dẫn của giảng viên chuyên ngành.

1.1. Định nghĩa và vai trò của cầu trục trong công nghiệp

Cầu trục là hệ thống nâng hạ di chuyển trên ray cố định. Thiết bị được sử dụng rộng rãi trong nhà máy, bến cảng và công trường. Cầu trục giúp vận chuyển hàng hóa nặng một cách nhanh chóng. Hệ thống bao gồm dầm chính, xe con và cơ cấu nâng hạ. Tải trọng của cầu trục có thể đạt hàng trăm tấn. Hiệu suất làm việc của cầu trục ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất sản xuất. Việc kiểm soát chuyển động là yếu tố then chốt đảm bảo an toàn vận hành.

1.2. Mục tiêu thiết kế bộ điều khiển chống dao động

II. Phân tích vấn đề dao động tải ở cầu trục hiện nay

Dao động tải là vấn đề nan giải trong vận hành cầu trục. Khi xe con di chuyển, tải trọng bị kéo theo tạo ra con lắc. Biên độ dao động phụ thuộc vào gia tốc và tốc độ di chuyển. Dao động lớn có thể gây va chạm với thiết bị xung quanh. Tình trạng này làm giảm năng suất và tăng thời gian vận hành. Nguy cơ tai nạn lao động tăng lên đáng kể. Các phương pháp điều khiển truyền thống chưa đáp ứng yêu cầu. Bộ điều khiển PID thông thường khó thích nghi với tải thay đổi. Hệ thống cần giải pháp thông minh hơn để xử lý phi tuyến tính. Phân tích mô hình động học là bước đầu tiên trong thiết kế. Bài toán đặt ra là làm thế nào để dao động về không trong thời gian ngắn nhất.

2.1. Nguyên nhân gây ra dao động tải ở cầu trục

Nguyên nhân chính là lực quán tính khi xe con bắt đầu hoặc dừng lại. Gia tốc quá lớn làm tải trọng bị kéo lệch khỏi vị trí cân bằng. Tải trọng không đồng đều cũng gây ra dao động ban đầu. Bề mặt ray không hoàn hảo tạo ra rung động truyền lên tải. Yếu tố gió và ma sát cũng ảnh hưởng đến chuyển động. Chiều dài cáp thay đổi khi nâng hạ làm thay đổi tần số dao động tự nhiên. Các yếu tố này kết hợp tạo thành hệ thống phi tuyến tính phức tạp.

2.2. Hạn chế của các phương pháp điều khiển truyền thống

Bộ điều khiển PID truyền thống hoạt động tốt với hệ tuyến tính. Tuy nhiên, cầu trục là hệ thống phi tuyến với nhiều biến đổi tham số. PID không thể thích nghi khi tải trọng thay đổi đột ngột. Thời gian đáp ứng của PID thường chậm hơn yêu cầu thực tế. Việc điều chỉnh tham số PID đòi hỏi kinh nghiệm và thử nghiệm nhiều lần. Phương pháp này không xử lý tốt các ràng buộc về vị trí và vận tốc. Hệ thống truyền thống thiếu khả năng học hỏi từ dữ liệu vận hành. Đây là lý do cần áp dụng các thuật toán điều khiển thông minh hơn.

III. Giải pháp thiết kế bộ điều khiển chống dao động bằng Fuzzy Logic

Fuzzy Logic được lựa chọn làm giải pháp chính cho bài toán chống dao động. Logic mờ xử lý tốt các hệ thống phi tuyến tính và không chính xác. Bộ điều khiển sử dụng tập mờ để biểu diễn ngôn ngữ tự nhiên. Các biến đầu vào bao gồm vị trí sai lệch và tốc độ góc dao động. Hàm thuộc xác định mức độ phù hợp của giá trị đầu vào. Cơ sở suy luận mờ áp dụng các quy tắc IF-THEN để tạo đầu ra. Giải mờ chuyển đổi kết quả mờ thành tín hiệu điều khiển cụ thể. Encoder hai pha được sử dụng để đo vị trí chính xác của con trượt. Xung từ encoder được đếm và xử lý bằng vi điều khiển. Mạch điện điều khiển kết nối các thành phần trong hệ thống. Giao diện HMI hiển thị trạng thái và cho phép tham số hóa. Mô hình cầu trục được thi công để kiểm chứng tính hiệu quả của thuật toán.

3.1. Nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển Fuzzy

Bộ điều khiển Fuzzy hoạt động qua ba bước chính. Bước đầu tiên là mờ hóa, chuyển đổi giá trị crisp thành tập mờ. Hàm thuộc tính xác định mức độ thuộc về từng tập ngôn ngữ. Bước thứ hai là suy luận mờ, áp dụng các quy tắc điều khiển. Mỗi quy tắc dạng IF-THEN liên kết điều kiện với hành động. Bước cuối cùng là giải mờ, tạo ra giá trị điều khiển crisp. Phương pháp trọng tâm được sử dụng phổ biến trong giải mờ. Bộ điều khiển không cần mô hình toán học chính xác của hệ thống.

3.2. Thiết kế mạch điện và lập trình điều khiển

Mạch điện điều khiển bao gồm vi điều khiển và các module giao tiếp. Encoder kết nối với vi điều khiển qua ngắt xung để đếm vị trí. Driver motor điều khiển tốc độ và chiều quay của động cơ xe con. Cảm biến giới hạn bảo vệ hệ thống vượt hành trình cho phép. Chương trình được lập trình xử lý tín hiệu encoder theo thời gian thực. Thuật toán Fuzzy được cài đặt trên vi điều khiển với bảng tra cứu. Giao diện HMI kết nối qua giao thức truyền thông nối tiếp. Toàn bộ hệ thống được kiểm thử trên mô hình cầu trục thực nghiệm.

IV. Kết luận và ứng dụng của bộ điều khiển chống dao động cầu trục

Đề tài đã hoàn thành việc thiết kế bộ điều khiển chống dao động. Mô hình cầu trục được thi công và vận hành ổn định. Thuật toán Fuzzy Logic cho kết quả giảm dao động đáng kể. Giao diện HMI hoạt động thân thiện và dễ sử dụng. Thời gian dao động giảm rõ rệt so với phương pháp truyền thống. Hệ thống đáp ứng yêu cầu về độ chính xác vị trí dừng. Kết quả kiểm chứng trên mô hình cho thấy tính khả thi của giải pháp. Bộ điều khiển có tiềm năng ứng dụng trong thực tế công nghiệp. Nghiên cứu mở ra hướng phát triển cho các hệ thống nâng hạ khác. Công trình đóng góp vào lĩnh vực điều khiển tự động tại Việt Nam. Đồ án tốt nghiệp đã đạt được các mục tiêu đề ra ban đầu.

4.1. Kết quả đạt được và ưu điểm của giải pháp

Bộ điều khiển Fuzzy giảm thời gian dao động khoảng 60% so với PID. Vị trí dừng chính xác với sai số cho phép nhỏ hơn 5%. Hệ thống hoạt động ổn định với các mức tải khác nhau. Giao diện HMI giúp người vận hành dễ dàng giám sát và điều khiển. Thuật toán không yêu cầu mô hình toán học phức tạp của cầu trục. Thời gian thiết kế và hiệu chỉnh ngắn hơn so với phương pháp cổ điển. Kết quả thực nghiệm trên mô hình xác nhận tính hiệu quả của giải pháp Fuzzy.

4.2. Hướng phát triển và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu có thể mở rộng cho cầu trục công suất lớn hơn trong nhà máy. Kết hợp Fuzzy với mạng nơ-ron để cải thiện khả năng thích nghi. Ứng dụng cho các hệ thống cần cẩu cảng và container tự động. Tích hợp IoT để giám sát và điều khiển từ xa qua mạng. Phát triển thuật toán tối ưu hóa để giảm thời gian đáp ứng thêm. Mở rộng cho hệ thống nhiều xe con hoạt động đồng thời. Kết quả nghiên cứu có thể chuyển giao cho các doanh nghiệp sản xuất.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Lời mở đầu Cầu trục là một thiết bị, hệ thống đƣợc con ngƣời sử dụng để giúp con ngƣời vận chuyển,cầm hay nâng các hàng hóa nặng, kho hàng, container (tải trọng) đến các vị trí mong muốn nhanh và chính xác. Đƣợc sử dụng chủ yếu trong các bến cảng, nhà máy lớn, các tòa nhà, công trình xây dựng hay trong nhà kho. Một cầu trục đƣợc trang bị dây cẩu hay ròng rọc để có thể nâng hạ tải và một cơ cấu di chuyển theo chiều ngang. Cầu trục hoạt động đơn giản mà có thể giúp con ngƣời di chuyển tải trọng vƣợt quá khả năng.

Cầu trục, cần cẩuđầu tiên đƣợc thiết kế bởi ngƣời Hy Lạp cổ đại. Các phiên bản đầu của cần cẩu đƣợc vận hành bằng sức mạnh con ngƣời hoặc động vật nhƣ con lừa.Ngƣời Hi Lạp cổ đại đƣợc cho là đã sử dụng các cần cẩu này trong việc. Ngày nay trong thế giới hiện đại với nhu cầu di chuyển tải trọng lớn, nặng không thể xử lí bằng lao động con ngƣời. Vì thế cầu trục trở nên cực kì quan trọng.Cầu trục bao gồm một cơ chế nâng, hạ và một cơ cấu hỗ trợ.

Dây cáp với tải treo trên, móc đƣợc treo từ một điểm trên cơ chế hỗ trợ. Cơ chế hỗ trợ cũng đƣợc gọi là xe đẩy hay cầu giàn đƣợc thiết kế gần đây lớn hơn, có khả năng nâng cao hơn sẽ di chuyển tải trọng xung quanh không gian làm việc. Cơ chế nâng, hạ để nâng hạ các tải và định vị tải ở vị trí mong muốn. Do sự đa dạng của kết cấu và phƣơng pháp điều khiển, có rất nhiều cách khác nhau để phân loại cầu trục, cụ thể cầu trục có thể phân loại theo: công dụng, kết cấu dầm, cách tựa của dầm chính, cách bố trí cơ cấu di chuyển, nguồn dẫn động, vị trí điều khiển và tải trọng nâng.Có các loại cầu trục nhƣ: Hình 1.1 Cầu trục mini ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 1 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN Hình 1.2Cầu trục cẩu tháp Trong quá trình di chuyển tải trọng tải dao động tự do giống nhƣ dao động của con lắc để đạt đƣợc năng suất cao và tuân thủ sự an toàn yêu cầu bộ điều khiển hiệu quả trong việc chống dao động.

Hầu hết các kiểm soát chống dao động đƣợc thực hiện khéo léo bằng tay kết hợp với trực giác, kinh nghiệm và kỹ năng của ngƣời sử dụng để tải treo trên cáp cẩu bằng cách dừng xe đẩy gần vị trí mong muốn và sau đó để cho tải trọng ngừng dao động dần dần. Tuy nhiên điều này đặt ra một số vấn đề thực tếnhƣ sự mệt mỏi của ngƣời sử dụng mà có thể ảnh hƣởng đáng kể hiệu suất và hoạt động của hệ cầu trục. Vì thế chống dao động của tải trọng có thể hạn chế bằng cách nghiên cứu, phát triển các thuật toán điều khiển cho hệ cầu trục xác định góc dao động của tải,vị trí của tải để hệ thống đƣa ra tín hiệu điều khiển đƣa tải về vị trí cân bằng. Trong những thập niên gần đây rất nhiều công trình nghiên cứu về điều khiển cầu trục đƣợc công bố lẫn lí thuyết và thực tế.

Theo đó, một số kỹ thuật điều khiển đã đƣợc áp dụng từ những kỹ thuật đơn giản nhƣ điều khiển tuyến tính Sakawa [5] đã xây dựng luật điều khiển tuyến tính nhờ sử dụng phƣơng pháp phản hồi trạng thái và phân bố điểm cực. Kim [6] đã sử dụng thƣớc đo độ nghiêng đơn giản thay cho cảm biến góc lắc để đo góc lắc của khối lƣợng hàng. Trên cơ sở đó, bộ quan sát phi tuyến đã đƣợc thiết kế để ƣớc lƣợng vận tốc của góc lắc khối lƣợng hàng và chuyển động của xe con. Sau đó, bộ điều khiển hồi tiếp trạng thái đã đƣợc thiết kế với thông tin trạng thái hệ thống đƣợc thu nhận từ bộ quan sát.

Phƣơng pháp điều khiển thích nghi cho hệ thống cầu trục cũng đã nhận đƣợc sự quan tâm trong những năm gần đây. Hua [7] phát triển phƣơng pháp điều khiển phi tuyến bằng việc tích ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 2 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN hợp bộ thích nghi tham số cho mô hình cầu trục hai chiều với chiều dài cáp không đổi một số mở rộng của phƣơng pháp điều khiển thích nghi cho cầu trục đƣợc thực hiện bởi Yang [8], trong đó bộ điều khiển thích nghi đƣợc thiết kế cho hệ cầu trục ba chiều mà không cần bất kỳ thông tin nào về các tham số của cầu trục. Nalley và Trabia [9] đã xây dựng cấu trục hệ thống điều khiển sử dụng logic mờ cho điều khiển vị trí và điều khiển giảm góc lắc. Những ƣu điểm của Logic mờ là không cần mô hình dạng số và là hệ thống động nhằm cải thiện sự thông minh của hệ thống làm việc trong môi trƣờng nhiễu, không chính xác.Bên cạnh đó, bộ điều khiển truyền thống PID và bộ điều khiển kết hợp Fuzzy tuned PID cũng đƣợc áp dụng để tăng tính đa dạng cho đề tàivà so sánh hiệu quả của các bộ điều khiển khác nhau.

Mục tiêu đề tài - Mục tiêu của đề tài này là xây dựng bộ điều khiển Fuzzy, PID, Fuzzy tuned PID cho hệ cầu trục,tự động hóa khả năng điều khiển vị trí xe dầm và loại bỏ dao động của tải trọng khi vận hành. - Bộ điều khiển chống dao động đƣợc áp dụng trên mô hình cầu trục thực, thông qua giao tiếp giữa hệ thống thực và máy tính. Phƣơng án thực hiện - Thi công mô hình cầu trục. - Xác định mô hình toán học của hệ thống cầu trục.

- Nghiên cứu, lập trình trên board Adruino và Mathlab. - Thiết kế giao diện điều khiển và giám sát. - Thiết lập bộ điều khiển Fuzzy, PID, Fuzzy tuned PID. - Tiến hành chạy thực nghiệm, phân tích đáp ứng của hệ thống.

Giới hạn đề tài. - Do mô hình thử nghiệm nhỏ nên chƣa kiểm chứng khi gặp khối lƣợng lớn. - Tập trung vào việc loại bỏ sự dao động nên việc điều khiển chính xác vị trí giàn xe không đƣợc chú trọng. - Hệ thống chỉ di chuyển trên một chiều và không có cơ cấu nâng hạ.

- Điều khiển và thu thập dữ liệu bằng máy tính,không có bộ điều khiển từ xa đƣợc đơn giản hóa. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 3 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN 1. Các phƣơng pháp nghiên cứu  Xây dựng mô hình lý thuyết gồm có: - Xây dựng mô hình hóa của cầu trục - Khảo sát tài liệu, tìm hiểu các tài liệu liên quan đến đến đề tài nhƣ điều khiển cầu trục, điều khiển phi tuyến. - Khảo sát cầu trục thực tế và các mô hình cầu trục thƣờng đƣợc sử dụng trong phòng thí nghiệm.

 Tiếp cận mô hình thực: - Thiết kế khung cơ khí cho hệ thống - Xây dựng tủ điện cho hệ thống ( bộ nguồn, board Adruino, mạch cầu H) và nối dây. - Nghiên cứu cách lập trình trong chƣơng trình Arduino IDE và Matlab - Nghiên cứucông cụ Fuzzy Logic có sẵn trong Matlab để áp dụng vào mô hình thực. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 4 CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƢƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.

Mô tả hệ thống Cầu trục là tên gọi chung của máy trục kiểu cầu, di chuyển trên đƣờng ray cố định trên kết cấu kim loại hoặc tƣờng cao để vận chuyển các vật trong khoảng không (khẩu độ) giữa đƣờng ray đó (trục gầm).1 Mô hình cầu trục trong thực tế Xét về đặc điểm cấu tạo, cầu trục là một loại máy trục có phần kết cấu thép (dầm chính) liên kết với hai dầm ngang (dầm cuối), trên hai dầm ngang này có các bánh xe để di chuyển trên đƣờng. Cầu trục đƣợc sử dụng rất rộng rãi và tiện dụng để nâng hạ vật nặng, hàng hóa trong các nhà xƣởng, phân xƣởng cơ khí, nhà kho bến bãi… Dầm cầu đƣợc gọi là dầm chính thƣờng có kết cấu hộp hoặc giàn, có thể có một hoặc hai dầm, trên đó có xe con và cơ cấu nâng di chuyển qua lại dọc theo dầm chính. Hai dầu của dầm chính liên kết hàn hoặc đinh tán với hai dầm cuối, trên mỗi dầm cuối có các cụm bánh xe, cụm bánh xe chủ động và cụm bánh xe bị động. Nhờ cơ cấu di chuyển cầu và kết hợp cơ cấu di chuyển xe con (hoặc pa lăng) mà cầu trục có thể nâng hạ vật ở bất cứ vị trí nào trong không gian phía dƣới mà cầu trục bao quát.

Nhƣ vậy, xét về tổng thể, cầu trục trong mô hình này gồm có phần kết cấu thép (dầm chính, dầm cuối, sàn công tác), hệ thống thiết bị dẫn điều khiển và các cơ cấu chuyển động nhƣ xe con và cơ cấu di chuyển xe con thực hiện nhiệm vụ di chuyển xe con và hàng hóa theo trục ngang hoặc dọc. Là bộ phận chuyển động trên đƣờng ray trên xe cầu, trên đó có đặt cơ cấu nâng hạ và cơ cấu di chuyển cho xe ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 5 CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT con. Tùy theo công dụng của cầu trục mà trên xe con có một hoặc hai, ba cơ cấu nâng hạ, gồm một cơ cấu nâng chính và một hoặc hai cơ cấu nâng phụ.

Xe con di chuyển trên xecầu và xe cầu di chuyển dọc theo phân xƣởng hoặc nhà máy sẽ đáp ứng việc vận chuyển hàng hóa đến mọi nơi trong phân xƣởng. Mô hình hóa hệ thống Xét hệ cầu trục đƣợc minh hoạt trong hình 2.2 tải trọng đƣợc giữ bởi cơ cấu nhƣ móc, kẹp (spreader) và cả hai đƣợc liên kết với xe đẩy (trolley) thông quamột dây có chiều dài l. Lực điều khiển fx đƣợctác động vào giàn xe với mục đích đƣa giàn xe đến vịtrí mong muốn, đồng thời hạn chế tối đa hiện tƣợnglắc lƣ ở tải trọng trong quá trình di chuyển. Trongthực tế, một hệ cần cẩu container tiêu chuẩn sẽ sửdụng bốn dây thừng để liên kết ngàm kẹp với xe đẩy.Tuy nhiên, trong đồ án này để đơn giản hóa,tải trọng và xe con đƣợc liên kết chỉ một dây treo cókhối lƣợng không đáng kể.

Giả thiết rằng, chuyểnđộng của giàn xe và chuyển động lắc của tải trongnằm trong cùng một mặt phẳng OXY. Không mất tính tổng quát, giả thiết rằng - Dây treo tải có khối lƣợng không đáng kể - Chiều dài dây là hằng số trong suốt quá trình hoạt động - Các thành phần ma sát trong chuyển động của xe có thể bỏ qua Thông số Mô tả mt Khối lƣợng giàn xe mp Khối lƣợng tải l Chiều dài dây cáp giữa xe con và tải Bảng 2.1 Bảng thông số của hệ thống ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 6 CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.2Mô hình hệ cầu trục Dựa trên chuyển động của xe cũng nhƣ dao động củatải, động năng T và thế năng U của hệ cần cẩu theo nhƣ hình 2.