- Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái. - Điều khiển phản hồi trạng thái. - Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái cho hệ cầu trục dựa trên phương pháp gán điểm cực. - Thiết kế bộ điều khiển tối ưu LQR cho hệ cầu trục. - Điều khiển tối ưu LQR. - Áp dụng điều khiển tối ưu LQR cho hệ cầu trục 2dof. - Thiết kế bộ điều khiển Fuzzy-LQR cho hệ cầu trục. - Thiết kế bộ điều khiển dựa trên tính thụ động của hệ cầu trục. - Thiết kế điều khiển dựa trên phương pháp năng lượng. - Thiết kế điều khiển dựa trên phương pháp năng lượng cải tiến. - Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu các phương pháp điều khiển cầu trục giúp giảm dao động của tải trọng và giảm thời gian đạt đích của xe con. - Đồng thời, luận văn cũng đã nghiên cứu tính thụ động của hệ cầu trục và áp dụng nó để thiết kế bộ điều khiển sử dụng phương pháp năng lượng. - Từ các kết quả nghiên cứu, mô phỏng cho thấy việc áp dụng các phương pháp điều khiển đã giúp giảm dao động của tải trọng và thời gian đạt đích của xe con. - Vì vậy số cấp tốc độ cho các cơ cấu điều khiển chuyển động của cầu trục ít nhất là 3 cấp tốc độ. - Kỹ thuật điều khiển chuyển động cầu trục cần có các hệ thống giám sát, bảo vệ tự động các hệ thống. - Trong nước, đã có một số nghiên cứu áp dụng phương pháp năng lượng thiết kế điều khiển cầu trục [11]. - Mô hình điều khiển đơn giản nhất là các mô hình tuyến tính [17]-[23]. - Tác giả Giua [21] đã mở rộng phương pháp điều khiển trên cho mô hình cầu trục ba chiều với cấu trúc hệ thống điều khiển tương tự. - Phương pháp điều khiển phi tuyến cho hệ thống cầu trục phức tạp hơn nhiều so với phương pháp tuyến tính. - Trong một số công trình của Lee [26], vấn đề điều khiển cầu trục với tốc độ nâng hạ cao đã được đề cập. - Sakawa [27] đã nghiên cứu áp dụng điều khiển tối ưu cho hệ cầu trục bốc xếp container thông qua việc chia quá trình vận chuyển hàng thành năm giai đoạn. - Một giải thuật điều khiển tối ưu khác cũng đã được xây dựng bởi Auernig [28] nhằm giảm thiểu thời gian di chuyển. - Ngoài ra, một luật điều khiển tối ưu phi tuyến đã được giới thiệu bởi Algarni [29]. - Các phương pháp điều khiển cầu trục đã được phát triển bao gồm, Singhose [42] và Park [33] sử dụng kỹ thuật tạo dáng tín hiệu vào (input shaping) cho vòng điều khiển hở. - Lee và Cho [34] cũng đề xuất hệ thống điều khiển phản hồi vòng kín sử dụng logic mờ. - Các bộ điều khiển mờ có thể được áp dụng để điều khiển vị trí và điều khiển chống lắc. - Cách tiếp cận thứ hai liên quan đến việc thiết kế một bộ điều khiển chống rung lắc. - Phương pháp thứ hai là thiết kế một bộ điều khiển cho cầu trục. - Sau đó các bộ điều khiển như điều khiển tối ưu LQR và phương pháp năng lượng thiết kế PD phi tuyến sẽ được áp dụng cho mô hình cầu trục. - Véc tơ chứa các biến điều khiển - điện áp đặt lên các động cơ. - Hệ 2 bậc tự do Trong chế độ này chỉ động cơ 2 điều khiển hệ, chiều dài dây treo. - Hệ 3 bậc tự do Trong chế độ này hai động cơ 2 và 3 điều khiển hệ. - Hệ 4 bậc tự do Trong chế độ này hai động cơ 1 và 2 điều khiển hệ. - Tuy nhiên, trong một số trường hợp các phương trình này cần được đơn giản hóa cho việc phân tích và thiết kế bộ điều khiển. - Hoặc ở dạng quen thuộc trong lý thuyết điều khiển tuyến tính. - Thiết kế điều khiển phản hồi trạng thái 3.2.1. - (3‐3) Điều khiển phản hồi dựa trên các biến trạng thái được xác định như sau. - Bước 1: Kiểm tra tính điều khiển được của hệ Bước 2: Định nghĩa ma trận. - Phương pháp 2 Các ma trận được viết dưới dạng chính tắc điều khiển như sau. - (3‐9) Bước 1: Kiểm tra tính điều khiển được của hệ. - (3‐10) Giả sử hệ thống được biểu diễn dưới dạng chính tắc điều khiển như sau. - (3‐11) Thay vào (4) ta thu được phương trình đặc tính vòng kín cho hệ thống điều khiển. - Thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái cho hệ cầu trục dựa trên phương pháp gán điểm cực Theo (3-2) ta thu được phương trình trạng thái ở dạng tuyến tính như sau. - Nếu không có điều khiển u (open loop – hệ hở), phương trình đặc trưng thu được từ điều kiện. - Từ đó ta tính được bộ giá trị của bộ điều khiển. - 40 - Nhận xét: Với bộ điều khiển phản hồi trạng thái cho hệ cầu trục dựa trên phương pháp gán điểm cực xe con sẽ đạt được vị trí mong muốn trong khoảng thời gian 10 giây và góc lắc của tải trọng sẽ bị tắt trong khoảng thời gian 10 giây. - Thiết kế điều khiển tối ưu LQR 3.3.1. - Điều khiển tối ưu LQR Ở phần thiết kế điều khiển phản hồi trạng thái chúng ta đã nghiên cứu để đưa ra các giá trị của bộ điều khiển nhằm đạt độ ổn định của hệ kín. - Trong phần này, bài toán điều khiển tối ưu LQR sẽ được nghiên cứu. - của các điều khiển. - 42 - Thông thường bài toán điều khiển tối ưu LQR được đặt ra như sau: Xét đối tượng được mô tả bằng phương trình. - (3‐17) Bài toán đặt ra là tìm tín hiệu điều khiển. - Giả thiết hệ có điều khiển. - Từ đó điều khiển của hệ được tính như sau. - (3‐25) Thuật giải bài toán điều khiển tối ưu LQR như sau: 1. - sau đó tìm ra các điều khiển. - Ta tính được trận điều khiển. - Thiết kế bộ điều khiển Fuzzy-LQR cho hệ cầu trục 3.4.1. - Một bộ điều khiển mờ cần có thêm khâu giải mờ (rõ hóa) giá trị đầu ra để đưa vào điều khiển. - Để thiết kế một bộ điều khiển Fuzzy-LQR, cần phải tạo ra các quy tắc điều chỉnh thông số. - trên bộ điều khiển LQR dựa trên các quy tắc sau. - Trường mờ và ngôn ngữ quy tắc Luật mờ cho bộ điều khiển được bắt nguồn dựa trên quan sát quy luật của cầu trục. - Hàm thành viên hình tam giác được sử dụng để mô tả các biến mờ của bộ điều khiển. - Thử nghiệm với các mô hình của các cầu trục cho thấy, một bộ điều khiển phức tạp là cần thiết để giảm dao động của tải trọng. - Do đó, 5 hàm thành viên (âm lớn (NB), âm nhỏ (NS), không (ZE), dương nhỏ (PS), và dương lớn (PB)) được sử dụng để mô tả các đầu vào và đầu ra của bộ điều khiển. - Các quy tắc của hai bộ điều khiển được liệt kê trong Bảng I và Bảng II. - 60 - Trong chương này, phương trình tuyến tính hóa của cầu trục 2D với 2 và 3 bậc tự do được đưa ra giúp đơn giản hóa việc phân tích và thiết kế các bộ điều khiển. - Với bộ điều khiển phản hồi trạng thái và bộ điều khiển tối ưu LQR mà nội dung chương đã đề cập tới đều giúp giảm thời gian di chuyển của xe con và giảm dao động của tải trọng. - Kết quả thu được từ mô phỏng có thể thấy được các bộ điều khiển này có kết quả chấp nhận được. - Dao động của tải trọng giảm một cách rõ rệt, chất lượng điều khiển khá tốt hoàn toàn có thể đáp ứng được yêu cầu và thực tế vận hành cầu trục. - (4‐7) Là bộ điều khiển phản hồi trạng thái của hệ. - Thiết kế điều khiển dựa trên tính thụ động cho hệ cầu trục 4.2.1. - (4‐15) Bộ điều khiển được chọn là. - Từ luật điều khiển trong phương trình (4-16), ta có : Với đầu vào là một hằng số. - điều khiển phi tuyến trong phương trình (4-16) trở thành như sau. - (4‐19) Bộ điều khiển (4-16) được bắt nguồn dựa trên tính thụ động của đầu vào u đối với đầu ra. - Bộ điều khiển thu được trong trường hợp đặc biệt trở thành bộ điều khiển PD (4-18). - Điện áp đặt vào động cơ Nhận xét: Với bộ điều khiển sử dụng phương pháp năng lượng khi chưa có. - Điện áp đặt vào động cơ Nhận xét: Với bộ điều khiển sử dụng phương pháp năng lượng khi sử dụng. - Thiết kế điều khiển dựa trên phương pháp năng lượng cải tiến Chúng ta cần bổ sung một hàm lưu trữ năng lượng. - (4‐26) Để thu được bộ điều khiển dựa trên hàm năng lượng cải tiến, sai lệch suy rộng của tải trọng được xác định như sau. - Luật điều khiển được lấy bằng cách chọn một hàm Lyapunov với. - sẽ giúp ta lựa chọn luật điều khiển như sau. - (4‐30) Vậy bộ điều khiển này có thể đáp ứng được yêu cầu điều khiển của bài toán. - Kết luận chương 4 Trong chương này, phương pháp thiết kế điều khiển cho hệ thống cầu trục dựa trên tính chất thụ động của hệ thống được trình bày. - Về mặt lý thuyết, các bộ điều khiển đã trình bày đều đảm bảo tính ổn định tiệm cận của hệ thống. - Xây dựng mô hình động lực cầu trục - Tuyến tính hóa hệ cầu trục và thiết kế bộ điều khiển phản hồi trạng thái, bộ điều khiển tối ưu LQR và áp dụng logic mờ vào điều khiển tối ưu LQR. - Nghiên cứu tính thụ động của hệ cầu trục và thiết kế bộ điều khiển cầu trục dựa trên phương pháp năng lượng và phương pháp năng lượng cải tiến. - Chưa so sánh được rõ ràng các phương pháp điều khiển cầu trục đã trình bày. - Tiếp tục nghiên cứu phương pháp điều khiển cầu trục trên các hệ cầu trục phức tạp hơn (3DOF, 4DOF, 5DOF. - [6] Nguyễn Doãn Phước (2007), Lý thuyết điều khiển nâng cao, Nxb KH&KT, Hà Nội. - [10] Phan Xuân Minh, Nguyễn Doãn Phước (2006), Lý thuyết điều khiển mờ, NXB Khoa Học Kỹ Thuật. - [11] Nguyễn Quang Hoàng, Vũ Văn Khoa, Nguyễn Chỉ Sáng (2014), Phương pháp năng lượng thiết kế điều khiển cầu trục – nghiên cứu so sánh, Hội nghị Cơ học kỹ thuật toàn quốc 2014. - [12] Vũ Văn Khoa, Nghiên cứu, tích hợp công nghệ điều khiển để nâng cao hiệu quả làm việc của cầu trục tốc độ cao. - 76 - PHỤ LỤC Mô phỏng điều khiển cầu trục trên phần mềm Matlab - Simulink Bộ điều khiển phản hồi trạng thái: function u = Poly_Placement(ins) global Kplace. - Bộ điều khiển tối ưu LQR: function u = LQR_controller(ins) global Klqr. - Bộ điều khiển Fuzzy-LQR: function u = Fuzzy_LQR_controller(ins) global Klqr. - Bộ điều khiển dựa trên phương pháp năng lượng khi chưa có. - Bộ điều khiển dựa trên phương pháp năng lượng khi đã thêm. - 78 - Bộ điều khiển dựa trên phương pháp năng lượng cải tiến: Mô hình cầu trục phi tuyến: function xdot = nonlinear_crane2dof(ins) global m1 m2 m di ci
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt