Luận Văn Thạc Sĩ: Ứng Dụng LQC và Bộ Quan Sát Động Học Chống Lắc Cầu Trục

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật cơ điện tử nghiên cứu chống lắc cho cầu trục dùng LQC dựa trên bộ quan sát động học, mô phỏng hệ thống điều khiển.

• Tác giả: Nguyễn Ngọc Thông
• Người hướng dẫn: PGS.TS Trần Thiên Phúc
• Trường học: Đại học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử
• Đề tài: Chống Lắc Cho Cầu Trục Dùng LQG Dựa Trên Bộ Quan Sát Động Học
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: TP.HCM

Tóm tắt

I. Giới thiệu chung về luận văn

Luận văn thạc sĩ "Chống lắc cho cầu trục dùng LQG dựa trên bộ quan sát động học" của tác giả Nguyễn Ngọc Thông tập trung vào vấn đề quan trọng trong kỹ thuật cơ điện tử: kiểm soát dao động của tải trọng trên cầu trục. Luận văn này có ý nghĩa thiết thực trong việc nâng cao hiệu quả hoạt động của cầu trục, đảm bảo an toàn cho người vận hành và hàng hóa, đồng thời góp phần vào phát triển ứng dụng công nghệ điều khiển tự động trong ngành công nghiệp.

II. Mô hình hóa hệ thống

Luận văn sử dụng mô hình cơ khí đơn giản hóa của cầu trục một bậc tự do chuyển động tịnh tiến. Mô hình này bỏ qua một số yếu tố phức tạp như ma sát, lực cản, và xem xét chuyển động dao động của tải trọng dưới dạng góc lắc nhỏ. Từ mô hình này, tác giả xây dựng phƣơng trình toán học mô tả hệ thống, bao gồm động năng, thế năng và hàm Lagrange. Sau đó, phƣơng trình trạng thái đƣợc xây dựng dựa trên các biến trạng thái được xác định.

III. Thiết kế bộ điều khiển tối ưu

Luận văn áp dụng bộ điều khiển tối ưu LQR (Linear Quadratic Regulator) để hồi tiếp đầy đủ các trạng thái đo đƣợc của hệ thống. Tác giả sử dụng phƣơng pháp giải phƣơng trình Riccati để thiết kế bộ điều khiển LQR, đảm bảo giảm thiểu năng lƣợng điều khiển và ổn định cho hệ thống. Bên cạnh đó, luận văn còn nghiên cứu bộ điều khiển LQG (Linear Quadratic Gaussian) để ước lƣợng các thông số không đo đƣợc dựa trên mô hình động học của cầu trục.

IV. Mô hình thực nghiệm

Luận văn đã thiết kế và xây dựng mô hình thực nghiệm nhỏ gọn để kiểm chứng hiệu quả của bộ điều khiển LQG/LQR. Mô hình này bao gồm con trƣợt chuyển động tịnh tiến trên rãnh trƣợt, thanh lắc mô phỏng dây cáp mang tải và tải trọng, và bộ phận truyền động động cơ-đai. Mô hình thực nghiệm được thiết kế để dễ dàng thực hiện các thử nghiệm và đánh giá hiệu quả của bộ điều khiển.

V. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm

Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy bộ điều khiển LQG/LQR đã đạt được hiệu quả trong việc giảm dao động của tải trọng trên cầu trục. Luận văn đã phân tích và đánh giá kết quả mô phỏng và thực nghiệm, đồng thời chỉ ra những hạn chế của mô hình và bộ điều khiển do các thông số được tuyến tính hóa từ mô hình thật phi tuyến. "Các thông số ước lƣợng không chính xác do các thông số được tuyến tính hóa từ mô hình thật phi tuyến." - Excerpt from the document

VI. Ý nghĩa và ứng dụng của luận văn

Luận văn thạc sĩ "Chống lắc cho cầu trục dùng LQG dựa trên bộ quan sát động học" có ý nghĩa khoa học và thực tiễn quan trọng. Về mặt khoa học, luận văn đã áp dụng thành công các kỹ thuật điều khiển tối ưu LQR và LQG vào hệ thống cầu trục. Về mặt thực tiễn, luận văn cung cấp giải pháp điều khiển hiệu quả để giảm dao động của tải trọng trên cầu trục, góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất, an toàn lao động và bảo vệ môi trường. Luận văn cũng có tiềm năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác như robot di động, thiết bị nâng hạ tự động, và hệ thống điều khiển tự động trong công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Trang 0 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN NGỌC THÔNG CHỐNG LẮC CHO CẦU TRỤC DÙNG LQG DỰA TRÊN BỘ QUAN SÁT ĐỘNG HỌC Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử Mã số: 605268 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP.HCM, Ngày 20 tháng 06 năm 2012 Chống lắc cho cầu trục dùng LQG dựa trên bộ quan sát động học Trang 1 Công trình đƣợc hoàn thành tại:Trƣờng Đại học Bách Khoa – ĐHQG HCM Cán bộ hƣớng dẫn khoa học : PGS.TS Trần Thiên Phúc Cán bộ chấm nhận xét 1 :. Cán bộ chấm nhận xét 2 :. Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại học Bách Khoa, ĐHQG TPHCM Ngày. Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1.

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trƣởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã đƣợc sửa chữa (nếu có). CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƢỞNG KHOA CƠ KHÍ Chống lắc cho cầu trục dùng LQG dựa trên bộ quan sát động học Trang 2 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Nguyễn Ngọc Thông MSHV: 10390708 Ngày, tháng, năm sinh: 10 / 11 / 1986 Nơi sinh: Bình Thuận Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử Mã số : 605268 I. TÊN ĐỀ TÀI: Chống lắc cho cầu trục dùng LQG dựa trên bộ quan sát động học II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Thiết kế mô hình cơ khí cầu trục một bậc tự do chuyển động tịnh tiến - Thiết kế bộ điều khiển LQG ƣớc lƣợng quan sát dựa vào mô hình động học II.

NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 04 / 07 / 2011 III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : / / IV. CÁN BỘ HƢỚNG DẪN : PGS.TS Trần Thiên Phúc Tp. HCM, ngày …… tháng …… năm 2012 CÁN BỘ HƢỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký) TRƢỞNG KHOA CƠ KHÍ (Họ tên và chữ ký) Chống lắc cho cầu trục dùng LQG dựa trên bộ quan sát động học Trang 3 LỜI CÁM ƠN Đề tài luận văn thạc sĩ “Chống lắc cho cầu trục dùng LQG dựa trên bộ quan sát động học” qua thời gian nghiên cứu, tìm hiểu và thiết kế đã đƣợc hoàn thành.

Để làm đƣợc điều đó, em chân thành gửi cám ơn đến thầy Trần Thiên Phúc đã tận tình hƣớng dẫn giúp đỡ em trong quá trình thực hiện luận văn. Em cũng xin chân thành cám ơn quý thầy trong bộ môn Cơ điện tử, trƣờng đại học Bách Khoa và các bạn học viên đã giúp đỡ và định hƣớng thực hiện đề tài này. Tp HCM ngày 20 tháng 6 năm 2012 (Học viên thực hiện luận văn) Nguyễn Ngọc Thông Chống lắc cho cầu trục dùng LQG dựa trên bộ quan sát động học Trang 4 TÓM TẮT Vấn đề dao động của tải cầu trục làm khó khăn trong việc vận chuyển hàng hóa và tải trọng. Luận văn cao học “Chống lắc cho cầu trục dùng LQG dựa trên bộ quan sát động học” đƣợc thực hiện để thực hiện di chuyển cầu trục theo một hƣớng đến vị trí đặt trƣớc và tối thiểu góc dao động của tải.

Nội dung thực hiện bao gồm thiết kế mô hình thực nghiệm nhỏ gọn và áp dụng bộ điều khiển thích nghi Linear Quadratic Reguator để hồi tiếp các trạng thái đo đƣợc và bộ điều khiển Linear Quadratic Gaussian để ƣớc lƣợng các thông số không đo đƣợc dựa trên mô hình động học của cầu trục. Kết quả đƣợc mô phỏng và thực nghiệm ổn định trên mô hình không chắc chắn thể hiện qua đồ thị. Tuy vậy, các thông số ƣớc lƣợng không chính xác do các thông số đƣợc tuyến tính hóa từ mô hình thật phi tuyến. ABSTRACT Sway problem of payloads gantry cranes make difficulties in payloads carrying.

Master thesis “Anti sway gantry cranes using LQG to rely on dynamic observer” is excuted to carry payloads to target position and limit sway of gantry. Contents of report include design little model and apply Linear Quadratic Reguator optimal controller to feedback measurementable states and Linear Quadratic Gaussian controller to estimate not measurement parameters depend on dynamic model of gantry cranes. Result is simulated and experiment is stable on uncertainty model, is showed in graph. However, estimate parameters are not exactly by parameters are linearization from nonlinear model.

Chống lắc cho cầu trục dùng LQG dựa trên bộ quan sát động học Trang 5 LỜI CAM ĐOAN Luận văn đƣợc thực hiện bởi cá nhân bản thân qua sự hƣớng dẫn của thầy Trần Thiên Phúc từ lúc làm đề cƣơng cho đến lúc hoàn thành. Trong luận văn có tham khảo một số bài báo có một số nội dung, lĩnh vực liên quan đến đề tài, có sử dụng phần mềm hổ trợ matlab trong quá trình tính toán. Các phần chế tạo cơ khí và xây dựng mã code chƣơng trình đƣợc thực hiện bởi chính học viên thực hiện đề tài. Tôi cam đoan không có sử dụng, sao chép bất cứ nội dung nào mà không có trích dẫn chú thích nguồn tài liệu.

Các công thức, chứng minh và văn bản đƣợc viết qua quá trình thực hiện và kiến thức tìm hiểu lập luận đƣợc của bản thân. Tôi xin cam đoan những điều vừa nêu trên. Nếu có nội dung nào đƣợc coi là vi phạm đạo văn, tôi xin đƣợc nhận trách nhiệm và chịu sự xử lý của nhà trƣờng. Xin trân trọng cám ơn.

Ngƣời cam đoan Nguyễn Ngọc Thông Chống lắc cho cầu trục dùng LQG dựa trên bộ quan sát động học Trang 6 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT – TIẾNG ANH Từ viết tắt Giải thích nghĩa LQR Linear Quadratic Regulator LQG Linear Quadratic Gaussian PID Proportional – Integral – Derivate PD Proportional – Derivate LTI Linear Time Invariant LTV Linear Time Variant SDRE State - Dependent Riccati Equation Chống lắc cho cầu trục dùng LQG dựa trên bộ quan sát động học Trang 7 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1. 1: Cầu trục đƣợc sử dụng trong thực tế. 1: Mô hình cầu trục thực tế. 2: Mô hình cầu trục tƣơng đƣơng.

3: Sơ đồ bộ điều khiển LQR. 5: Sơ đồ bộ quan sát ƣớc lƣợng. 7: Sơ đồ điều khiển LQG/LQR hồi tiếp đầy đủ. 8: Đồ thị mô tả phƣơng pháp điều khiển gia tốc theo vận tốc bậc thang.

9: Thực nghiệm điều khiển lực tác động lên con trƣợt. 1: Bề mặt tiết diện của thanh trƣợt. 2: Thiết kế con trƣợt. 3: Hình dáng bên ngoài của đai.

4: Bảng thông số tiêu chuẩn của đai. 5: Kết nối giữa con trƣợt và đai truyền động. 6: Vi trí gá đặt động cơ. 7: Hình chiếu trục đo mô hình thiết kế.

8: Hình ảnh mô hình sau khi thi công xong. 1: Kết quả mô phỏng bộ điều khiển LQR. 2: Thời gian đáp ứng giảm bằng cách tăng ảnh hƣởng của d. 3: Thời gian đáp ứng và góc lắc khi tăng Q44.

4: Lực u tƣơng ứng lần lƣợt R=1 và R=6. 5: Tăng thời gian đáp ứng và giảm góc lắc khi tăng R. 6: Các trạng thái đo đƣợc và ƣớc lƣợng. 8: Đáp ứng khi thay đổi Q.

1: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển cầu trục. 2: Sơ đồ kết nối phần cứng. 3: Giao tiếp giữa vi điều khiển và các thành phần khác. 4: Driver điều khiển động cơ một chiều.

5: Sơ đồ kết nối hoạt động của hệ thống. 6: Lƣu đồ giải thuật điều khiển của vi điều khiển và máy tính. 7: Đáp ứng vị trí. 47 Chống lắc cho cầu trục dùng LQG dựa trên bộ quan sát động học Trang 8 Hình 5.

8: Đáp ứng vận tốc. 10: Vận tốc góc lắc. 11: Đáp ứng vị trí sau khi điều chỉnh Q. 12: Đáp ứng vận tốc sau khi điều chỉnh Q.

13: Giá trị góc sau khi điều chỉnh Q. 14: Vận tốc góc sau khi điều chỉnh Q. 15: Đáp ứng vị trí con trƣợt thực nghiệm LQG. 16: Vận tốc con trƣợt.

18: Vận tốc góc lắc. 19: Đáp ứng vị trí sau khi điều chỉnh. 20: Góc lắc sau khi điều chỉnh. 21: Vận tốc góc sau điều chỉnh.

55 Chống lắc cho cầu trục dùng LQG dựa trên bộ quan sát động học Trang 9 MỤC LỤC CHƢƠNG I: GIỚI THIỆU. Giới thiệu cầu trục. Các nghiên cứu đã đƣợc thực hiện. Vấn đề tồn tại.

Lý do chọn đề tài. Mục đích và phạm vi nghiên cứu. Ý nghĩa của đề tài. Nội dung đề tài.

16 CHƢƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT. Mô hình hoá hệ thống. Mô hình tƣơng đƣơng hệ thống. Xây dựng phƣơng trình toán học mô tả hệ thống.

Xây dựng hệ phƣơng trình trạng thái. Hàm truyền của hệ thống. Thiết kế bộ điều khiển LQR hồi tiếp đầy đủ. Chuyển đổi phƣơng trình trạng thái.

Thiết kế bộ điều khiển LQR Từ chỉ tiêu tối thiểu năng lƣợng:. Sơ đồ bộ điều khiển LQR. Thiết kế bộ điều khiển LQG với bộ quan sát động học. Thiết kế bộ điều khiển LQG.

Thiết kế độ lợi bộ ƣớc lƣợng L. Bộ điều khiển LQG/ hồi tiếp LQR. Thiết kế bộ điều khiển lực. 26 CHƢƠNG III: MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM.

Ý tƣởng thiết kế tổng thể. Mục tiêu thiết kế. 29 Chống lắc cho cầu trục dùng LQG dựa trên bộ quan sát động học Trang 10 3. Ý tƣởng thiết kế.

Các thành phần của mô hình. Dầm trƣợt. Con trƣợt. Khối truyền động động cơ – đai.

Bộ phận cảm biến. Kết quả mô hình thực nghiệm. 34 CHƢƠNG IV: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG. Thông số mô hình.

Kết quả mô phỏng. Kết quả mô phỏng LQR. Kết quả mô phỏng LQG. Nhận xét kết quả mô phỏng.

41 CHƢƠNG V: ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM. 42 VỚI LUẬT ĐIỀU KHIỂN LQG. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển cầu trục. Thiết kế chức năng của các khối.

Mạch điện tử điều khiển. Thiết kế driver cho động cơ điện một chiều. Chuyển đổi tín hiệu cảm biến. Sơ đồ kết nối chức năng đầy đủ.

Lƣu đồ giải thuật điều khiển. Kết quả thực nghiệm LQR. Kết quả thực nghiệm LQG. Nhận xét kết quả thực nghiệm.

55 CHƢƠNG VI: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. Kết quả đạt đƣợc. Mặt hạn chế. 56 Chống lắc cho cầu trục dùng LQG dựa trên bộ quan sát động học Trang 11 6.

56 TÀI LIỆU THAM KHẢO .