BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHẠM XUÂN HOAN ĐIỀU KHIỂN GIẢM DAO ĐỘNG CỦA TẢI TRÊN CẦN TRỤC THÁP DÙNG PID NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 605270 S KC 0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 09 năm 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHẠM XUÂN HOAN ĐIỀU KHIỂN GIẢM DAO ĐỘNG CỦA TẢI TRÊN CẦN TRỤC THÁP DÙNG PID NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ-605270 Hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN MINH TÂM Tp Hồ Chí Minh, tháng 9/2013 LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: Phạm Xuân Hoan Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 06-08-1983 Nơi sinh: Đồng Nai Quê quán: Hải Dương Dân tộc: Kinh Chỗ riêng địa liên lạc: 68 KP1 phường Tân Phong thành phố Biên Hòa tỉnh Đồng Nai Điện thoại quan: Điện thoại nhà riêng: 0977907562 Fax : E-mail:xhhoan@yahoo.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Nơi học (trường, thành phố): Ngành học: Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ …… Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 10/2001 đến 7/ 2006 Nơi học (trường, thành phố): Đại học Lạc Hồng thành phố Biên Hòa tỉnh Đồng Nai Ngành học: Điện Tử Viễn Thông Tên đồ án, luận án môn thi tốt nghiệp: Thiết kế thi công cửa tự động Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án thi tốt nghiệp: Đại học Lạc Hồng, thành phố Biên Hòa tỉnh Đồng Nai Người hướng dẫn: Ths Trần Văn Thanh III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 06/2006 – 10/2010 Cty TNHH Sanyo DI Solution Việt Nam Kỹ sư quy trình Trang iii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu với hướng dẫn Ts Nguyễn Minh Tâm Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 11 tháng năm 2013 (Ký tên ghi rõ họ tên) Phạm Xuân Hoan Trang iv LỜI CẢM TẠ Đầu tiên xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ts Nguyễn Minh Tâm, thầy người hướng dẫn, định hướng thực đề tài từ lúc bắt đầu thực đề tài hoàn thành Trong trình thực đề tài, có lúc không hiểu, gặp khó khăn, thầy hướng dẫn truyền đạt kiến thức, phương pháp giải để giải vấn đề giúp hoàn thành đề tài Tiếp theo xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô khoa Điện- Điện tử, suốt trình học trường dạy hướng dẫn khóa học, thầy Nguyễn Văn Đông Hải định hướng hỗ trợ số phần nghiên cứu phát triển đề tài Tôi xin gửi lời cảm ơn đến bạn Phước Lộc, Văn Quyền, Quốc Toản động viên, giúp đỡ suốt khóa học Cuối xin gửi lời cảm ơn đến gia đình chỗ dựa, nguồn động viên tinh thần tạo điều kiện thuận lợi cho suốt trình thực đề tài Biên Hòa, ngày 03 tháng năm 2013 Học viên Phạm Xuân Hoan Trang v TÓM TẮT Cần trục để di chuyển tải từ vị trí đến vị trí khác, thời gian ngắn Trong trình di chuyển tải dao động tự do, bị rung lắc dẫn đến ảnh hưởng tới hệ thống cần trục làm ổn định ảnh hưởng tới tải Do vậy, việc tiếp cận, chế tạo hệ thống điều khiển tự động định vị trí chống dao động cho cần trục vấn đề cấp thiết mặt lý luận thực tiễn Đề tài trình bày thiết kế điều khiển PID cho hệ cần trục tháp Kết thiết kế kiểm chứng mô thực nghiệm Ngoài ra, học viên có mô việc ứng dụng giải thuật di truyền để tối ưu hóa điều khiển Kết thực nghiệm cho thấy ổn định tải điều khiển PID giải thuật di truyền tìm thông số điều khiển để tối ưu hóa điều khiển Trang vi ABSTRACT Cranes are used to move a load from point to point in the minimum time During the operation, the load is free to swing, shake that affect tower’s instability and load Therefore, approach and manufacturing automatic control system to locate and anti swing are necessary in terms of theoretical as well as practical This thesis presented designing a PID control for tower crane The result is verified by simulation and experiment Besides, the author mention about Genetic Algorithm to optimize the controller The experimental results show that the stability of the load when using PID control and genetic algorithms to find the control parameters to optimize the controller Trang vii MỤC LỤC TRANG Lý lịch cá nhân iii Lời cam đoan iv Cảm tạ v Tóm tắt vi Mục lục viii Danh sách chữ viết tắt x Danh sách hình xii Danh sách bảng xiii Chƣơng 1: Tổng Quan 1.1Giới Thiệu 1.2Mục tiêu đề tài 1.3 Nhiệm vụ đề tài giới hạn đề tài 1.4Phương pháp tiếp cận đề tài 1.5Nội dung đề tài Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết 2.1Giới thiệu sơ lược hệ thống cần trục tháp 2.2 Mô hình hóa cần trục tháp 2.3 Mô hình toán học hệ thống tháp cần trục 11 2.4 Mô hình hóa động servo 13 2.5 Giải thuật di truyền 16 2.5.1 Lưu đồ giải thuật 17 2.5.2 Mã hoá – Giải mã 18 2.5.3 Hàm thích nghi 19 2.5.4 Chọn lọc tự nhiên 20 Trang viii TRANG 2.5.5 Lai ghép 23 2.5.6 Đột biến 25 2.5.7 Các thông số giải thuật di truyền 26 2.5.8 Giải thuật di truyền mã số thực 26 2.6 Sơ lược thuật toán PID 29 Chƣơng 3: Thuật toán điều khiển cân cần trục tháp 3.1 Khảo sát đáp ứng hệ thống cần trục tháp Simulink Matlab 32 3.2 Khảo sát đáp ứng hệ thống trường hợp 35 3.3 Khảo sát đáp ứng hệ thống trường hợp 40 Chƣơng 4: Kết thực nghiệm 4.1 Mô hình cần trục tháp thực 45 4.2 Kết điều khiển giảm dao động tải cần trục tháp 48 Chƣơng 5: Kết Luận Hƣớng Phát Triển Đề Tài 5.1 Kết đạt đề tài 56 5.2 Hướng phát triển đề tài 56 Tài liệu tham khảo 57 Phụ lục 58 Trang ix DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT DC: Direct Current DSP: Digital signal processing GA: Genetic Algorithm PD: Proportional Integral PID: Proportional Integral Derivative VB: Visual basic Trang x Hình 4.14: Đáp ứng góc phi tải (trường hợp 2) Hình 4.15: Đáp ứng góc xoay gamma trục xoay (trường hợp 2) Nhận xét: từ biểu đồ đáp ứng hệ thống hình 4.12 ban đầu xe vị trí -5 cm trục chạy xác lập vị trí 0,3 cm sau khoảng thời gian 2,5 giây Đáp ứng góc theta hình 4.13 tải giảm dao động sau 5,7 giây giá trị góc dao động Phần đáp ứng góc phi hình 4.14 ổn định sau 10,3 giây góc vị trí -10 đáp ứng trục xoay hình 4.14 ban đầu đặt 450 sau khoảng giây, góc xoay ổn định -30 Trang 53 Hình 4.16: Điện áp động xe chạy (trường hợp 2) Hình 4.17: Điện áp động trục xoay (trường hợp 2) Nhận xét: điện áp lên động xe trục xoay thể hình 4.16 4.17 sau khoảng thời gian góc theta phi xác lập biên độ điện áp xe trục xe giảm dần Biên độ điện áp xe giảm khoảng từ giây thứ Trong trường hợp vị trí ban đầu đặt lệch so với giá trị đặt, điều khiển điều khiển hệ thống cân tải vị trí ban đầu Kết vị trí xe góc xoay trục có sai số nhỏ, đáp ứng xác lập gần với vị trí ban đầu, có sai số nhỏ, kết học viên thấy không ảnh hưởng nhiều đến hệ thống Qua hai trường hợp thử nghiệm khác nhau, điều khiển giảm dao động cân tải cần trục tháp Kết thể biểu đồ cho ta thấy thay đổi chiều dài dây cáp, vị trí ban đầu ảnh hưởng tới hệ thống cần trục tháp thời Trang 54 gian xác lập khác Trong trường hợp hai, xác lập chậm so với trường hợp Với chiều dài L lớn thời gian cần giảm dao động lâu Trang 55 Chương Kết Luận Hướng Phát Triển Đề Tài Nội dung chương trình bày tóm tắt kết mà đề tài đạt hướng phát triển để khắc phục giới hạn nhằm hoàn thiện đề tài tốt 5.1 Kết đạt đƣợc đề tài Đề tài đạt kết sau:  Xây dựng mô hình toán học hệ cần trục tháp  Xây dựng thuật toán di truyền để tinh chỉnh hệ số điều khiển PID  Thiết kế thi công mô hình cần trục tháp  Các thuật toán triển khai mô hình cần trục tháp Điều khiển giảm dao động tải cần trục tháp 5.2 Hƣớng phát triển đề tài Điều khiển cần trục tháp vào mức ổn định cao ta cần phát triển đồng thời phần cứng phần mềm mô hình cần trục tháp: - Về phần cứng (mạch điện điều khiển cảm biến) dùng cảm biến đo góc để thay cho cảm biến quay - Về phần mềm (giải thuật điều khiển) dùng mạng Neural để lắc tự huấn luyện tìm ba thông số Kp, Ki, Kd tối ưu Thiết kế điều khiển khác Fuzzy, Neural, LQR, tuyến tính hóa vào áp dụng cần trục tháp để tìm kết tốt - Nhận dạng thông số hệ thống ước lượng thông số động cơ, áp dụng phương pháp điều khiển LQR - Đề tài điều khiển giảm dao động ổn định tải trên cần trục, hướng phát triển di chuyển tải giảm dao động trình di chuyển Trang 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT [1] Nguyễn Đức Thành, Matlab ứng dụng điều khiển, NXB Đại học quốc gia Tp.HCM, 2011 [2] Huỳnh Thái Hoàng, Hệ thống điều khiển thông minh, NXB Đại học quốc gia Tp.HCM, 2006 TIẾNG NƢỚC NGOÀI [3]Ing Marek Hičár, Ing Juraj Ritók, PhD, Robust crane control, 2006 [4] Hanafy M Omar, Control of Gantry and Tower Cranes, 2003 [5] Faisal Altaf, Modeling and Event-Triggered Control of Multiple 3D Tower Cranes over WSNs, 2012 [6] Eihab M Abdel-rahman, Alih Nayfeh, Ziyad n Masoud: Dynamic and control of cranes: a review, 2000 [7] Ali R Golafshani: Modeling and Optimal control of tower crane motions, 1999 [8] Inteco, Tower crane, 2007 [9] Texas instruments, TMS320F28335 digital signal controllers Data manual, 2007 [10] Al-Moussa, A., Nayfeh, A., and Kachroo, P., 2001, “Control of rotary cranes using fuzzy logic,” in ASME 2001 Design Engineering Technical Conference and Computers and Information in Engineering Conference, Pittsburgh, PA, September 912,DETC2001/VIB-21598 [11] Balachandran, B., Lee, Y Y., and Fang, C C., 1999, “A mechanical filter concept for control of non-linear crane-load oscillation,” Journal of Sound and Vibration 228(3), 651–682 Trang 57 PHỤ LỤC 1.Hàm S-funtion xử lí tín hiệu ADC đọc giá trị góc theta function [y,k,x] = fcn(u,k_before,x_in) if k_before==0; y=0; x=20/407*u-2990/407*20; k=k_before+1; else x=x_in y=20/407*u-2990/407*20-x_in; k=2; end end Hàm S-funtion xử lí tín hiệu ADC đọc giá trị góc phi function [y,k,x] = fcn(u,k_before,x_in) if k_before==0; k=k_before+1; y=0; x=-30/745*u+2093/745*30; else x=x_in y=-30/745*u+2093/745*30-x_in; k=2; end end 3.Hàm S-funtion xử lí tín hiệu vị trí xe trục function y = fcn(u) if (095000 %neu mo phong chay duoc du 10000 mau(100s) thi Kp1 Ki1 Kd1 Kp2 Ki2 Kd2 Kp3 Ki3 Kd3 Kp4 Ki4 Kd4 J=e1'*e1+e2'*e2+e3'*e3+1000*e4'*e4%+rho*(u'*u); %tih J dua vao mau thu 8000 den 9500(giay thu 80 %J=e4'*e4 fitness(pop_index)=1/(J+eps); %den giay thu 95) else%neu mo phong chay chua den duoc giay thu 95 ma da dung J=10^100; %nghia la gia tri da dao dong dem mat on dinh fitness(pop_index)=1/(J+eps); %tuc Kp1, Ki1, Kd1, Kp2, Ki2, Kd2 ko tot, khog can tinh toan tiep end%luc cho J la gia tri rat lon( >bestfit qua nho nen ko duoc chon lam gia tri toi uu) end; [bestfit(generation),bestchrom]=max(fitness); %ca the nao co Kp1, Ki1, Kd1, Kp2, Ki2, Kd2 lam cho J nho nhat, tuc best fit lon nhat Trang 64 %se duoc chon am ca the toi uu sau chay hoan GA, tuc la ca the bestchrom if generation == max_generation %neu chay du 200 the he rui ma chua co ca the thoa J 1, if abs(bestfit(generation)-bestfit(generation-1))[...]... viên chọn điều khiển PID áp dụng điều khiển hệ cần trục tháp Hình 1.1: Hình ảnh cần trục tháp Trang 2 1.2 Mục tiêu của đề tài Mục tiêu chính của đề tài nàylà thiết kếbộ điều khiểnPID cho cần trục tháp Bộ điều khiển ược thiết kế đểgiữ cân bằng tảichống dao động Dùng giải thuật di truyền để tinh chỉnh hệ số bộ điều khiển PID trong mô phỏng Matlab Thuật toán được thực hiện trên mô hình cần trục tháp thực... thống cần trục tháp, quá trình xây dựng mô hình toán học của hệ thống cần trục tháp tuyến tính và phi tuyến 2.1 Giới thiệu sơ lƣợc về hệ thống cần trục tháp Cần trục tháp là một hệ thống cơ khí điện tử phi tuyến hoạt động phức tạp Cần trục tháp cơ bản gồm có 3 phần chính sau: Chân đế cần trục: giữ cho cần trục đứng thẳng, chịu toàn bộ sức nặng trên cần trục Thân cần trục: là chiều cao của cần trục Cánh... đảm bảo tải không được dao động quá mức và thời gian thực hiện nhanh Nếu như dao động vượt quá giới hạn thích hợp, nó cần phải được giảm dao động hoặc phải dừng hoạt động lại cho đến khi dao động không còn Như vậy sẽ tốn thời gian và hiệu suất làm việc của cần trục Những khó khăn này thúc đẩy nhiều nhà nghiên cứu phát triển thuật toán điều khiển để điều khiển cần trục tự động Điều khiển cần trục được... (gripping) tải cần di chuyển, nâng lên, di chuyển, hạ xuống, thả ra Trong đó bước di chuyển tải cần phải chống dao động trên tải, phụ thuộc nhiều tham số chiều dài dây cáp, tải trọng Do đó, làm sao để cho tải luôn giữ được cân bằng trong khi di chuyển tải là yếu tố quan trọng để điều khiển cần trục Vấn đề xác định góc dao động của tải ,vị trí của tải để hệ thống đưa ra tín hiệu điều khiển đưa tải về vị... trí cân bằng.Những nghiên cứu điều khiển cần trục đã được nhiều người thực hiện bằng những phương pháp sau Phương pháp điều khiển trong vòng lặp và dao động của tải được điều chỉnh Năm 2001, Henry và Masoud [10] đã thêm bộ giảm xóc bằng phản hồi góc dao động, tốc độ của tải, phản hồi khâu trễ của góc dao động, phản hồi này làm tăng thêm quỹ đạo khi điều khiển bởi người điều khiển Cách thứ hai, Robinett... hóa cần trục tháp Hệ thống cần trục tháp bao gồm tải có khối lượng m, được nối với dây dẫn có chiều dài L có thể dao động tự do góc , , xe chạy có khối lượng M chạy dọc theo cánh tay đòn và vị trí trên xe chạy trên cánh tay đòn là x, cần trục có thể xoay với góc  Hệ trục tọa độ cần trục được thể hiện ở hình 2.3 Hình 2.3: Hệ trục tọa độ của cần trục Trang 7 Tải có thể quay tròn xung quanh trục tháp. .. động phi của tải sau 20 giây (trường hợp 2) 42 Hình 3.18: Vận tốc góc dao động phi của tải sau 20 giây (trường hợp 2) 43 Hình 3.19: Góc dao động gamma của tải sau 20 giây (trường hợp 2) 43 Hình 3.20: Vận tốc góc dao động gamma của tải sau 20 giây (trường hợp 2) 43 Hình 4.1: Mô hình cần trục tháp thực 45 Hình 4.2: Chương trình Matlab lập trình điều khiển 46 Hình 4.3: Khối PID hai biến điều khiển xe... có gắn động cơ DC được nối với tải bằng sợi dây cáp để nâng tải lên xuống và hai cảm biến góc quay (Rotation Angle Sensor Potentionmeter )dùng để đo góc ,  của tải Động cơ điều khiển xe chạy, encoder xác định vị trí xe x Xe chạy Cảm biến góc Động cơ điều khiển trục xoay Góc  Hình 2.2: Mô hình cần trục tháp thực Phần điện tử: gồm cảm biến đo vị trí xe, góc xoay cần trục và góc dao động của tải, mạch... thực 1.3 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài Thiết kế và thi công mô hình hệ thống cần trục tháp Dùng giải thuật di truyền để tinh chỉnh hệ số bộ điều khiển PID Thiết kế giải thuật điều khiển cần trục , tiến hành mô phỏng và áp dụng lên trên mô hình Tiến hành chạy thử và phân tích đáp ứng của hệ thống Giới hạn của đề tài chỉ thiết kế và điều khiển tải cân bằng trên mô hình cần trục tháp 1.4 Phƣơng... Bộ điều khiển PID – GA 27 Hình 2.15: Chỉnh thông số bộ điều khiển PID 28 Hình 2.16: Chỉnh định thông số PID qua hai bước 28 Hình 2.17 Chỉnh định thông số PID qua một bước 29 Hình 2.18: Lưu đồ chương trình con thực hiện bộ PID số 31 Hình 3.1: Sơ đồ mô phỏng hệ cần trục tháp 32 Hình 3.2: Sơ đồ khối Simulink mô tả hệ thống cần trục tháp 33 Hình 3.3: Bộ điều khiển PID xe chạy 34 Hình 3.4: Bộ điều khiển PID