BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HUỲNH HẢI HOÀNG ĐIỀU KHIỂN CẦN TRỤC NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HUỲNH HẢI HOÀNG ĐIỀU KHIỂN CẦU TRỤC NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202 Hướng dẫn khoa học: TS. NGÔ VĂN THUYÊN Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2016 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 2016 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Huỳnh Hải Hoàng 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 trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã đóng góp ý kiến trong quá trình thực hiện. 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… đặc biệt, cảm biến góc hay bị tác động nhiễu của cơ cấu cảm biến hay môi trường xung quanh. Do dó, việc điều khiển chống lắc dùng cảm biến góc dùng bộ lọc kalman để lọc nhiễu trong hệ thống cần trục tự động được đề xuất trong luận văn này. Mục đích các điều khiển chống lắc 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, cảm biến analog dễ sinh ra nhiễu dùng làm cảm biến góc để có thể thấy tác dụng của bộ lọc kalman dựa trên mô hình toán học của cầu trục được giới thiệu. Trong phương pháp này, sự chuyển động góc lắc được tính toán , qua bộ lọc Kalman để lọc nhiễu và sử dụng phương pháp PID. Cuối cùng, dữ liệu mà được sử dụng để huấn luyện mạng nơron cho sự điều khiển chống lắc dùng cảm biến đã được thu thập từ hệ thống cầu trục tự động. Mô hình toán học không gian 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.
Các kết quả mô phỏng và thí nghiệm trên các mô hình thực cho thấy rằng phương pháp điều khiển chống lắc sử dụng cảm biến góc tương tự được lọc nhiễu có kết quả tương tự như điều khiển có dùng cảm biến encoder. 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. Special, the angle sensor‟s noise affected the physical structure or environmental. Therefore, controlling anti-swing sensor use Kalman filter 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 angle sensor with output analog based on the mathematical model of the crane is introduced. In this method, the swing motion of the angle is calculated,used Kalman filter based on the mathematical model from the measured trolley position. Finally, the data used to train the neural networks for the anti-swing control with sensors were collected from the automatic gantry crane system. The mathematical model of the gantry crane was based on the physical equations through the Laplace transform and simulated by the Matlab&Simulink software.
The simulational and experimental results on the real models showed that using the controlling anti-swing sensor method by kalman filter was similar to using the encoder sensor controlled method. Trang iv Mục lục Lời cam đoan .ii Tóm Tắt Luận Văn. iv Danh sách các từ viết tắt .vii Danh sách các hình. viii Danh sách các bảng.
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 không gian của hệ thống cần trục. Mô hình của động cơ.
Mô hình của dây đai. Mô hình của cần trục. Mô hình của tải. Mô hình không gian hệ cầu trục.
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. Cảm biến góc với ngõ ra tương tự. PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN. Điều khiển hệ thống khi không dùng bộ lọc kalman.
Điều khiển hệ thống có dùng bộ lọc kalman. Điều khiển hệ thống có dùng bộ lọc kalman bằng mạng neural. THỰC NGHIỆM TRÊN MÔ HÌNH THỰC. Mô hình cần trục kiểu thí nghiệm.
Kết quả thực nghiệm điều khiển chống lắc trên hệ thống theo phương pháp PID có dùng cảm biến góc encoder không dùng bộ lọc kalman. Kết quả thực nghiệm điều khiển chống lắc trên hệ thống theo phương pháp PID có dùng cảm biến góc analog dùng bộ lọc kalman. Kết quả thực nghiệm điều khiển chống lắc trên hệ thống theo phương pháp noron có dùng cảm biến góc analog. Hướng phát triển đề tài .38 Tài liệu tham khảo.
39 Trang vi Danh sách các từ viết tắt ADC Analog to Digital Convertor DL Delay 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. 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.
Cấu tạo của cảm biến ngõ ra áp. Cảm biến góc tƣơng tự. Giải thuật điều khiển trong hệ thống. Sơ đồ khối điều khiển vòng hở hệ thống cần trục.
Kết quả mô phỏng hệ thống cần trục theo kiểu vòng hở. Sự điều khiển chống lắc không dùng bộ lọc kalman. Sơ đồ mô phỏng không dùng bộ lọc kalman. Kết quả mô phỏng không dùng bộ lọc kalman.
Sự điều khiển chống lắc có dùng bộ lọc kalman. Sơ đồ mô phỏng có dùng bộ lọc kalman. Mô hình ƣớc lƣợng góc. Sơ đồ bộ lọc Kalman.
Mô hình ƣớc lƣợng góc dạng hàm nhúng. Kết quả mô phỏng khi bộ lọc Kalman dùng lọc tín hiệu góc. Kết quả mô phỏng dùng cảm biến góc tƣơng tự. Kết quả mô phỏng dùng cảm biến góc tƣơng tự.
Kết quả mô phỏng dùng cảm biến góc encoder. Sự điều khiển chống lắc có dùng bộ lọc kalman bằng mạng neural .27 Trang viii Hình 3. Kết quả mô phỏng khi góc đƣợc điều khiển bằng mạng neural. Mô hình cần trục thực nghiệm.
Nguyên lý mô hình thí nghiệm hệ thống thực. Điều chỉnh tốc độ động cơ theo nguyên tắc PWM. Sơ đồ khối điều khiển chống lắc dùng cảm biến góc encoder. Khâu PID điều khiển.
Ví dụ về một đồ thị đáp ứng của hệ thống. Kết quả điều khiển có cảm biến góc encoder. Sơ đồ khối điều khiển chống lắc dùng cảm biến góc analog (PID). Kết quả lọc tín hiệu góc cảm biến thông qua bộ lọc Kalman (PID).
Sơ đồ khối điều khiển chống lắc dùng cảm biến góc analog (Neural). Kết quả lọc tín hiệu góc cảm biến thông qua bộ lọc Kalman (Neural) .37 Trang ix Danh sách các bảng Bảng 3. Các thông số hệ thống cần trục. Các thông số bộ điều khiển.
Các thông số bộ điều khiển. Các thông số bộ điều khiển. TỔNG QUAN Chƣơng 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… Có rất nhiều loại cần trục tùy theo công dụng, có 2 phân loại phổ biến như cần trục giàn (gantry crane) và cần trục trụ (tower crane).
Trong luận văn nghiên cứu, em sử dụng cần trục giàn là một loại cần trục dạng khung hình chữ nhật có thể di chuyển trước và sau, trái và phải. Nó được đặt cố định tại một vi trị, tất cả mọi thứ cần nó di chuyển phải đưa đến vị trí cần trục. loại cẩn trục lớn thường đặt tại cầu tàu, được lắp đặt tại các cảng container chuyên dụng để xếp dỡ container lên xuống tàu theo phương thức nâng qua lan can tàu. Ngoài ra, cần trục còn được gắn thêm bánh lăn trên ray hay bánh lăn cao su và một xe điện con trở thành cần trục di động sử dụng để sắp xếp container trong bãi container của cảng.