Nghiên Cứu Điều Khiển Chống Lắc Cần Trục Ngành Kỹ Thuật Điện

• Tác giả: Huỳnh Hải Hoàng
• Người hướng dẫn: TS. Ngô Văn Thuyên
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Nghiên Cứu Điều Khiển Chống Lắc Cần Trục Sử Dụng Bộ Lọc Kalman
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• ABSTRACT
• MỤC LỤC
• LỜI CAM ĐOAN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
• DANH SÁCH CÁC HÌNH
• DANH SÁCH CÁC BẢNG
• 1. GIỚI THIỆU CHUNG
• 1.1. Các phương pháp nghiên cứu về điều khiển hệ thống cần trục
• 1.2. Mục tiêu và giới hạn của đề tài
• 1.3. Phương pháp nghiên cứu
• 1.4. Nội dung luận văn
• 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Hệ thống cần trục tự động
• 2.2. Thiết lập mô hình toán học không gian của hệ thống cần trục
• 2.2.1. Mô hình của động cơ
• 2.2.2. Mô hình của dây đai
• 2.2.3. Mô hình của cần trục
• 2.2.4. Mô hình của tải
• 2.2.5. Mô hình không gian hệ cầu trục
• 2.3. Mạng nơron nhân tạo (Artifical Neural Networks_ ANN)
• 2.4. Bộ lọc Kalman rời rạc
• 2.5. Quá trình xử lý để ước lượng
• 2.6. Các nguồn gốc tính toán của bộ lọc
• 2.7. Thuật toán bộ lọc Kalman rời rạc
• 2.8. Cảm biến góc với ngõ ra tương tự
• 3. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN
• 3.1. Điều khiển hệ thống khi không dùng bộ lọc kalman
• 3.2. Điều khiển hệ thống có dùng bộ lọc kalman
• 3.3. Điều khiển hệ thống có dùng bộ lọc kalman bằng mạng neural
• 4. THỰC NGHIỆM TRÊN MÔ HÌNH THỰC
• 4.1. Mô hình cần trục kiểu thí nghiệm
• 4.2. 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
• 4.3. 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
• 4.4. Kết quả thực nghiệm điều khiển chống lắc trên hệ thống theo phương pháp noron có dùng cảm biến góc analog
• 5. HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng Quan Về Điều Khiển Chống Lắc Cần Trục 55 Ký Tự

Cần trục đóng vai trò quan trọng trong việc vận chuyển vật nặng và vật liệu nguy hiểm tại nhiều ngành công nghiệp như nhà máy hạt nhân, đóng tàu, và xây dựng. Yêu cầu đặt ra là vận chuyển nhanh chóng, an toàn, giảm thiểu tối đa dao động của tải. Bài toán điều khiển chống lắc cần trục trở nên cấp thiết để đảm bảo an toàn cho người vận hành và môi trường xung quanh. Các hệ thống điều khiển tự động cần trục ngày càng được nghiên cứu và phát triển để đáp ứng nhu cầu này. Theo một nghiên cứu, việc giảm dao động có thể tăng hiệu suất vận hành lên đến 20%.

1.1. Ứng Dụng Rộng Rãi Của Cần Trục Trong Công Nghiệp

Cần trục được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp khác nhau, từ xây dựng nhà cao tầng đến các nhà máy hạt nhân. Mỗi loại cần trục có thiết kế và chức năng riêng biệt, phù hợp với từng mục đích sử dụng. Ví dụ, cần trục giàn thường được sử dụng trong các cảng container để xếp dỡ hàng hóa, trong khi cần trục trụ thích hợp cho các công trình xây dựng lớn. Việc lựa chọn loại cần trục phù hợp là yếu tố quan trọng để đảm bảo hiệu quả và an toàn trong quá trình vận hành.

1.2. Tầm Quan Trọng Của Điều Khiển Chống Lắc Hiệu Quả

Việc giảm thiểu dao động cần trục không chỉ tăng năng suất mà còn đảm bảo an toàn cho người và tài sản. Dao động lớn có thể gây nguy hiểm cho công nhân, làm hỏng hàng hóa, hoặc thậm chí gây sập đổ công trình. Do đó, các phương pháp điều khiển chống lắc hiệu quả là yếu tố then chốt trong vận hành cần trục. Các nghiên cứu tập trung vào việc phát triển các thuật toán điều khiển tiên tiến để giảm thiểu dao động và tăng độ chính xác trong quá trình vận chuyển.

II. Thách Thức Trong Điều Khiển Cần Trục Tự Động 58 Ký Tự

Việc điều khiển cần trục tự động đối mặt với nhiều thách thức, bao gồm sự phức tạp của hệ thống, ảnh hưởng của nhiễu, và yêu cầu về độ chính xác cao. Các cảm biến sử dụng để đo vị trí và góc dao động thường bị ảnh hưởng bởi nhiễu, làm giảm hiệu quả của hệ thống điều khiển. Chi phí đầu tư và bảo trì cảm biến cũng là một vấn đề cần xem xét. Theo luận văn, cảm biến góc analog dễ bị nhiễu, đòi hỏi các giải pháp lọc nhiễu hiệu quả.

2.1. Vấn Đề Nhiễu Trong Cảm Biến Góc Analog

Cảm biến góc analog thường được sử dụng trong các hệ thống điều khiển cần trục do chi phí thấp và dễ dàng lắp đặt. Tuy nhiên, chúng dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu từ môi trường xung quanh, làm sai lệch tín hiệu đo và ảnh hưởng đến hiệu quả điều khiển. Việc lọc nhiễu là một yêu cầu bắt buộc để đảm bảo độ chính xác của hệ thống. Các phương pháp lọc nhiễu truyền thống có thể không đủ hiệu quả trong môi trường nhiễu phức tạp.

2.2. Chi Phí Và Bảo Trì Cảm Biến Trong Thực Tế

Việc sử dụng các cảm biến chất lượng cao như encoder có thể cải thiện độ chính xác của hệ thống, nhưng đi kèm với chi phí đầu tư và bảo trì cao. Trong nhiều ứng dụng thực tế, việc cân bằng giữa hiệu suất và chi phí là một bài toán khó. Các giải pháp điều khiển chống lắc sử dụng cảm biến giá rẻ và thuật toán lọc nhiễu hiệu quả có thể là một lựa chọn hấp dẫn.

2.3. Khó Khăn Trong Mô Hình Hóa Hệ Thống Cần Trục

Việc xây dựng một mô hình hóa cần trục chính xác là rất quan trọng để thiết kế bộ điều khiển hiệu quả. Tuy nhiên, hệ thống cần trục có tính phi tuyến và chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố bên ngoài, làm cho việc mô hình hóa trở nên phức tạp. Các phương pháp mô hình hóa đơn giản có thể không đủ chính xác để điều khiển hệ thống trong các điều kiện vận hành khác nhau.

III. Phương Pháp Điều Khiển Chống Lắc Dùng Bộ Lọc Kalman 59 Ký Tự

Luận văn đề xuất sử dụng bộ lọc Kalman để lọc nhiễu từ cảm biến góc analog và cải thiện hiệu quả điều khiển chống lắc. Bộ lọc Kalman là một thuật toán ước lượng trạng thái tối ưu, có khả năng ước lượng trạng thái của hệ thống ngay cả khi có nhiễu. Phương pháp này dựa trên mô hình hóa cần trục và dữ liệu thu thập từ hệ thống thực tế. Theo luận văn, phương pháp này cho kết quả tương đương với việc sử dụng cảm biến encoder đắt tiền.

3.1. Ưu Điểm Của Bộ Lọc Kalman Trong Lọc Nhiễu

Bộ lọc Kalman có khả năng lọc nhiễu hiệu quả nhờ sử dụng mô hình toán học của hệ thống và thông tin thống kê về nhiễu. Nó có thể ước lượng trạng thái của hệ thống một cách tối ưu, ngay cả khi có nhiễu lớn. Ứng dụng bộ lọc Kalman trong điều khiển giúp cải thiện độ chính xác và ổn định của hệ thống.

3.2. Xây Dựng Mô Hình Toán Học Cho Bộ Lọc Kalman

Để sử dụng bộ lọc Kalman hiệu quả, cần xây dựng một mô hình toán học chính xác của hệ thống cần trục. Mô hình này mô tả mối quan hệ giữa các biến trạng thái của hệ thống và các tín hiệu đo. Việc xây dựng mô hình đòi hỏi kiến thức về động lực học và điều khiển học.

3.3. Tối Ưu Hóa Tham Số Cho Bộ Lọc Kalman

Hiệu suất của bộ lọc Kalman phụ thuộc vào các tham số của nó, chẳng hạn như ma trận hiệp phương sai của nhiễu quá trình và nhiễu đo. Việc tối ưu hóa tham số bộ lọc Kalman là rất quan trọng để đạt được hiệu quả lọc nhiễu tốt nhất. Các phương pháp tối ưu hóa có thể dựa trên kinh nghiệm hoặc sử dụng các thuật toán tối ưu hóa tự động.

IV. Kết Hợp Bộ Lọc Kalman Với Điều Khiển PID 57 Ký Tự

Luận văn sử dụng bộ lọc Kalman kết hợp với điều khiển PID để điều khiển chống lắc. Tín hiệu góc đo được từ cảm biến analog được lọc nhiễu bằng bộ lọc Kalman, sau đó được sử dụng làm tín hiệu phản hồi cho bộ điều khiển PID. Phương pháp này giúp cải thiện độ ổn định và độ chính xác của hệ thống. Kết quả mô phỏng cho thấy phương pháp này hoạt động hiệu quả.

4.1. Cấu Trúc Hệ Thống Điều Khiển PID Với Kalman

Hệ thống điều khiển PID với bộ lọc Kalman bao gồm một bộ điều khiển PID và một bộ lọc Kalman. Bộ lọc Kalman ước lượng trạng thái của hệ thống, và bộ điều khiển PID sử dụng trạng thái ước lượng để tạo ra tín hiệu điều khiển. Cấu trúc này giúp giảm ảnh hưởng của nhiễu và cải thiện hiệu suất điều khiển.

4.2. Điều Chỉnh Tham Số Bộ Điều Khiển PID

Việc điều chỉnh tham số bộ điều khiển PID là rất quan trọng để đạt được hiệu suất điều khiển tốt nhất. Các phương pháp điều chỉnh tham số có thể dựa trên kinh nghiệm, sử dụng các quy tắc điều chỉnh, hoặc sử dụng các thuật toán tối ưu hóa tự động. Tham số của bộ điều khiển PID cần được điều chỉnh phù hợp với đặc tính của hệ thống và bộ lọc Kalman.

4.3. Đánh Giá Hiệu Quả Của Phương Pháp PID Kalman

Hiệu quả của phương pháp điều khiển PID kết hợp bộ lọc Kalman có thể được đánh giá bằng cách so sánh hiệu suất của nó với các phương pháp điều khiển khác, chẳng hạn như điều khiển PID truyền thống hoặc điều khiển mờ. Các tiêu chí đánh giá có thể bao gồm thời gian đáp ứng, độ vọt lố, và sai số xác lập.

V. Ứng Dụng Mạng Nơ ron Trong Điều Khiển Chống Lắc 59 Ký Tự

Luận văn cũng đề xuất sử dụng mạng nơ-ron để điều khiển chống lắc. Dữ liệu thu thập từ hệ thống thực tế được sử dụng để huấn luyện mạng nơ-ron. Mạng nơ-ron có khả năng học các mối quan hệ phi tuyến giữa các biến trạng thái của hệ thống và tín hiệu điều khiển. Phương pháp này có thể cải thiện hiệu suất điều khiển chống lắc trong các điều kiện vận hành phức tạp.

5.1. Huấn Luyện Mạng Nơ ron Với Dữ Liệu Thực Tế

Việc huấn luyện mạng nơ-ron đòi hỏi một lượng lớn dữ liệu thực tế. Dữ liệu này cần bao phủ các điều kiện vận hành khác nhau của hệ thống. Quá trình huấn luyện có thể sử dụng các thuật toán học có giám sát, trong đó mạng nơ-ron học cách ánh xạ từ các tín hiệu đầu vào đến các tín hiệu đầu ra mong muốn.

5.2. Cấu Trúc Mạng Nơ ron Cho Điều Khiển Cần Trục

Cấu trúc của mạng nơ-ron có thể ảnh hưởng đến hiệu suất điều khiển. Các cấu trúc phổ biến bao gồm mạng nơ-ron truyền thẳng và mạng nơ-ron hồi quy. Việc lựa chọn cấu trúc phù hợp phụ thuộc vào độ phức tạp của hệ thống và yêu cầu về hiệu suất.

5.3. So Sánh Mạng Nơ ron Với Các Phương Pháp Khác

Hiệu quả của phương pháp điều khiển bằng mạng nơ-ron có thể được so sánh với các phương pháp điều khiển khác, chẳng hạn như điều khiển PID hoặc điều khiển mờ. Các tiêu chí so sánh có thể bao gồm độ chính xác, độ ổn định, và khả năng thích ứng với các điều kiện vận hành khác nhau.

VI. Kết Luận Và Hướng Phát Triển Nghiên Cứu 55 Ký Tự

Luận văn đã trình bày một phương pháp điều khiển chống lắc hiệu quả sử dụng bộ lọc Kalman và mạng nơ-ron. Phương pháp này có thể giảm thiểu dao động của tải và cải thiện độ chính xác của hệ thống. Hướng phát triển tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa các tham số của bộ lọc Kalman và mạng nơ-ron, cũng như thử nghiệm phương pháp trên các hệ thống cần trục thực tế.

6.1. Tóm Tắt Kết Quả Nghiên Cứu Đạt Được

Nghiên cứu đã chứng minh tính hiệu quả của việc sử dụng bộ lọc Kalman để lọc nhiễu và mạng nơ-ron để điều khiển chống lắc. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy phương pháp này có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của hệ thống cần trục.

6.2. Đề Xuất Hướng Phát Triển Nghiên Cứu Tiếp Theo

Hướng phát triển tiếp theo có thể tập trung vào việc nghiên cứu các thuật toán điều khiển thích nghi để hệ thống có thể tự động điều chỉnh các tham số của bộ lọc Kalman và mạng nơ-ron trong quá trình vận hành. Ngoài ra, việc nghiên cứu các phương pháp điều khiển dự đoán mô hình (MPC) có thể cải thiện khả năng dự đoán và điều khiển hệ thống trong tương lai.