1 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Khi vận hành cầu trục tồn vấn đề trình di chuyển hàng thường bao gồm chuyển động lắc không mong muốn Chuyển động lắc dẫn đến giảm hiệu làm việc, gây nguy hiểm cho hàng hóa làm an toàn lao động, chuyển động lắc phải dập tắt nhanh tốt Trong thực tế, lắc khối lượng hàng thường dập tắt thông qua điều chỉnh chuyển động xe xe cầu cầu trục phận dẫn động cho chuyển động lắc Ngoài ra, để nâng cao hiệu suất, khối lượng hàng thường nâng hạ xe di chuyển, điều làm cho chuyển động lắc nguy hiểm Ở nước ta công trình nghiên cứu tập trung vào động lực học cấu dẫn động, chưa đáp ứng yêu cầu việc tự chủ thiết kế, chế tạo cầu trục phục vụ công trình, nhà máy nước, yêu cầu tự động hóa sản xuất Vì vậy, việc nghiên cứu tính chất động lực học, thiết kế điều khiển nhằm nâng cao hiệu làm việc cầu trục phù hợp với điều kiện công nghệ nước trở nên cấp thiết có ý nghĩa khoa học, thực tiễn cao Xuất phát từ thức tế đó, NCS chọn đề tài “Mô hình hóa điều khiển cầu trục nhằm nâng cao chất lượng làm việc” Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu tính chất động lực học điều khiển hệ cầu trục, đề xuất giải pháp điều khiển chống lắc di chuyển hàng hoá xác nhằm nâng cao chất lượng làm việc cầu trục, có khả áp dụng thiết kế, chế tạo cải tiến, nâng cấp họ cầu trục sử dụng công nghiệp Đối tượng phạm vi nghiên cứu Họ cầu trục nhà máy khí dẫn động động điện yêu cầu làm việc chế độ tự động với quy trình nâng hạ hàng hóa định sẵn Phương pháp nghiên cứu - Trên sở đối tượng nghiên cứu, xây dựng mô hình động lực học chuyển động tháp cầu trục trường hợp làm việc dạng hệ phương trình vi phân chuyển động - Xây dựng cấu trúc hệ thống điều khiển sử dụng điều khiển PID cho cầu trục thiết kế điều khiển PID phương pháp chỉnh định sở giải thuật tối ưu Nelder-Mead, giải thuật di truyền giải thuật tối ưu bầy đàn - Mô kết tính toán phần mềm MATLABSIMULINK - Tiến hành thử nghiệm so sánh kết tính toán, mô trường hợp có hệ thống điều khiển để kiểm chứng kết lý thuyết Giới hạn phạm vi nghiên cứu - Khảo sát tính chất động lực học cầu trục - Xây dựng cấu trục hệ thống điều khiển cầu trục dựa điều khiển PID - Tối ưu hóa thông số điều khiển PID giải thuật tối ưu Nelder-Mead (NM), giải thuật di truyền (GA) giải thuật tối ưu bầy đàn (PSO) Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án - Xây dựng hệ phương trình vi phân chuyển động cầu trục mô tả quan hệ cơ- điện - Tìm thông số tối ưu cho điều khiển PD PID dựa giải thuật GA PSO - Mô số trường hợp chuyển động cầu trục phần mềm - Xây dựng cầu trục mẫu để kiểm chứng kết điều khiển có điều khiển đề xuất - Kết Luận án tiền đề quan trọng để áp dụng vào thực tiễn Những đóng góp luận án - Đã mô hình hóa hệ động lực học cầu trục, bao gồm mô hình học mô hình điện tất chế độ làm việc khác cầu trục - Đề xuất cấu trúc hệ thống điều khiển cầu trục tự động sử dụng điều khiển PID nhằm điều khiển xác vị trị làm việc chống lắc - Bằng giải thuật tối ưu Nelder-Mead, giải thuật di truyền giải thuật tối ưu bầy đàn, xây dựng thuật toán tính toán tối ưu tham số điều khiển PID nhằm nâng cao chất lượng làm việc cầu trục - Thiết kế chế tạo mô hình cầu trục mẫu tiến hành thử nghiệm, kết thử nghiệm sơ đánh giá tính hiệu quả, khả thi cấu trúc hệ thống điều khiển cầu trục đề xuất Bố cục luận án Luận án gồm phần mở đầu, kết luận bốn chương nội dung: Chương 1: Tổng quan cầu trục điều khiển cầu trục Chương 2: Xây dựng mô hình động lực học cầu trục Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển tự động cho cầu trục Chương 4: Kết thực nghiệm Chương TỔNG QUAN VỀ CẦU TRỤC VÀ ĐK CẦU TRỤC 1.1 Khái niệm phân loại cầu trục 1.1.1 Khái niệm cầu trục Cầu trục tên gọi chung máy trục kiểu cầu, di chuyển hai đường ray cố định kết cấu kim loại tường cao để vận chuyển vật khoảng không (khẩu độ) hai đường ray 1.1.2 Các thành phần cầu trục Mặc dù đa dạng chủng loại, song đặc điểm cấu tạo cầu trục bao gồm phận sau: phận nâng hạ, phận di chuyển xe cầu, phận di chuyển xe con, hệ thống điều khiển số cấu phụ để lấy, giữ hàng Kết cấu cầu trục điển Hình 1.1 Hình 1.1 Các thành phần cầu trục 1- Dầm chính; 2- Dầm cuối; 3- Bánh xe di chuyển; 4- Cơ cấu di chuyển xe cầu; 5- Đường ray; 6- Xe con; 7- Cơ cấu nâng chính; 8- Cơ cấu nâng phụ; 9- Cơ cấu di chuyển xe con; 10- Bộ góp điện; 11- Cabin; 12- Đường dây điện; 13- Đường lăn bánh xe Xét tổng thể, cầu trục gồm có phần kết cấu thép (dầm chính, dầm cuối, sàn công tác, lan can), hệ thống thiết bị dẫn điều khiển cấu chuyển động bao gồm: Cơ cấu nâng hạ thực nhiệm vụ nâng hạ hàng; Xe cấu di chuyển xe thực nhiệm vụ di chuyển xe hàng hóa theo trục ngang; Xe cầu cấu di chuyển cầu trục thực nhiệm vụ di chuyển cầu trục (bao gồm xe khối lượng hàng) theo trục dọc 4 1.1.3 Các yêu cầu kỹ thuật cầu trục Với đặc điểm máy nâng chuyển đa dụng, cầu trục cần đáp ứng yêu cầu sau: Bảo đảm tốc độ nâng chuyển với tải trọng định mức; Có khả thay đổi tốc độ phạm vi rộng; Có khả rút ngắn thời gian độ; Có trị số hiệu suất cos cao; Đảm bảo an toàn hàng hoá; Điều khiển tiện lợi đơn giản; Ổn định nhiệt điện; Tính kinh tế kỹ thuật cao 1.1.4 Phân loại cầu trục Do đa dạng kết cấu phương pháp điều khiển, có nhiều cách khác để phân loại cầu trục, cụ thể cầu trục phân loại theo: Công dụng, kết cấu dầm, cách tựa dầm chính, cách bố trí cấu di chuyển, nguồn dẫn động, vị trí điều khiển tải trọng nâng 1.1.5 Phạm vi ứng dụng cầu trục Cầu trục có phạm vi hoạt động rộng, lại bố trí cao không chiếm nhiều mặt công nghệ nên sử dụng rộng rãi nhà máy, phân xưởng, nhà kho để nâng hạ hàng hóa với lưu lượng lớn 1.1.6 Xu hướng phát triển cầu trục Xu hướng chung thiết kế phát triển họ cầu trục tối ưu hóa biến điều khiển nhằm giảm thiếu số biến điều khiển mà bảo đảm khả điều khiển theo yêu cầu công nghệ Đồng thời cần bảo đảm đặc tính động học cầu trục đáp ứng yêu điều khiển Hệ thống điều khiển có phận điều khiển, phận giám sát làm giao diện người vận hành hệ thống như: Hệ thống báo động, hệ thống báo lỗi dừng khẩn cấp 1.2 Mô hình hóa cầu trục Một vấn đề nghiên cứu tính toán, thiết kế điều khiển để nâng cao hiệu làm việc cầu trục phải xây dựng mô hình động lực học hệ thống cầu trục sát với mô hình thực, phù hợp với yêu cầu phân tích, khảo sát đặc tính động lực học, làm sở cho việc thiết kế hệ thống điều khiển hệ thống cầu trục Tùy theo mục tiêu nghiên cứu, nhiều mô hình động lực học chuyển động tháp cầu trục xây dựng gồm: Mô hình cầu trục mặt phẳng bao gồm bậc tự do: Chuyển động xe góc lắc cáp; mô hình cầu trục mặt phẳng gồm bậc tự do: Chuyển động xe con, chuyển động nâng hạ hàng góc lắc cáp; mô hình cầu trục không gian gồm bậc tự do: Chuyển động xe con, chuyển động xe cầu, góc lắc cáp mặt phẳng chuyển động xe góc lắc cáp mặt phẳng chuyển động xe cầu; gồm bậc tự bao gồm thêm chuyển động nâng hạ hàng Các mô hình động lực học chuyển động tháp cầu trục mô hình hóa dạng hệ phương trình vi phân chuyển động hệ phương trình trạng thái Đây sở toán học để khảo sát động lực học chuyển động tổng hợp điều khiển nhằm di chuyển hàng hóa tới vị trí mong muốn nhanh với góc lắc nhỏ 1.3 Điều khiển cầu trục 1.3.1 Đặc điểm toán điều khiển hệ thống cầu trục Điều khiển chuyển động nâng hạ hàng, di chuyển hàng hoá treo móc cầu trục theo quỹ đạo mong muốn không gian hoạt động cầu trục thực đồng thời nhờ cấu: nâng hạ hàng, cấu di chuyển xe cấu di chuyển xe cầu 1.3.2 Các phương pháp điều khiển cầu trục Hệ thống cầu trục đại trang bị điều khiển chất lượng cao để giảm lắc hàng hóa tăng độ xác chuyển động Đã có nhiều công trình nghiên cứu điều khiển cầu trục công bố lý thuyết thực tế Theo đó, số kỹ thuật điều khiển áp dụng từ kỹ thuật đơn giản điều khiển tuyến tính, điều khiển phi tuyến, điều khiển tối ưu, thuật toán thích nghi, tới kỹ thuật điều khiển đại điều khiển mờ mạng nơ ron nhân tạo Xuất phát từ đặc điểm nguyên lý, kết cấu yêu cầu hoạt động cầu trục, đồng thời đáp ứng yêu cầu ngày cao tốc độ khối lượng nâng chuyển, nhà khoa học giới xây dựng số mô hình nghiên cứu động lực học cầu trục, áp dụng nhiều kỹ thuật điều khiển khác từ cho đời hệ cầu trục ngày tiên tiến Tuy nhiên, với đòi hỏi ngày cao trình sản xuất, hệ thống cầu trục phải tiếp tục hoàn thiện, đặc biệt vấn đề điều khiển nhằm nâng cao độ xác nâng chuyển giảm thiểu, tiến tới triệt tiêu hoàn toàn góc lắc tải đến đích 1.3.3 Điều khiển chống lắc Khối lượng hàng thường treo vào xe cáp mềm di chuyển xe cầu, xe đồng thời di chuyển xe cầu xe bị lắc điều khiển di chuyển không cách chịu tác động khác Khối lượng hàng bị lắc dẫn đến tai nạn cho người, hàng hóa thiết bị nhà xưởng Do đó, hệ thống điều khiển cầu trục phải có khả điều chỉnh xe cầu xe đủ nhanh đến vị trí đích phải điều khiển để giảm thiểu rung lắc khối lượng hàng Nhiệm vụ gọi điều khiển chống lắc 6 1.3.4 Bộ điều khiển PID Hiện nhiều phương pháp điều khiển chuyển động cầu trục đề xuất, nhiên điều khiển sử dụng phổ biến thực tế cầu trục điều khiển PID PID điều khiển hồi tiếp đầu thông dụng sử dụng rộng rãi hệ thống điều khiển công nghiệp Qua khảo sát, 95% điều khiển phản hồi vòng kín lĩnh vực điều khiển công nghiệp sử dụng điều khiển PID Chúng tìm thấy hầu hết lĩnh vực điều khiển tuyến tính phi tuyến cho mục đích thông dụng mục đích đặc biệt Do đa dạng trình thực, điều khiển PID thiết kế theo nhiều phương pháp khác để chỉnh định tham số, hệ đầu vào, đầu ra, tuyến tính, phương pháp sử dụng phổ biến gồm: Phương pháp Ziegler-Nichols, phương pháp tối ưu mô đun phương pháp tối ưu đối xứng phương pháp tối ưu theo sai lệch bám Đối với hệ phi tuyến có tính bất định, sử dụng phương pháp chỉnh định tham số PID giải thuật tối ưu Nelder-Mead, giải thuật di truyền (GA) giải thuật tối ưu bày đàn (PSO) mang lại hiệu tốt Do đó, luận án sử dụng giải thuật để thiết kế điều khiển PID PD cho hệ thống cầu trục 1.4 Kết luận chương Hiện nay, họ cầu trục hoàn thiện kết cấu khí, hệ thống dẫn động công nghệ chế tạo, lắp đặt Tuy nhiên, tùy theo mục đích sử dụng yêu cầu vận hành, phương pháp kỹ thuật điều khiển cầu trục, cầu trục tự động vấn đề cần phải tiếp tục đầu tư nghiên cứu Mặt khác, nước ta nay, khai thác nhiều hệ thống cầu trục, việc tự chủ thiết kế, chế tạo hệ thống cầu trục phù hợp với đặc điểm dây truyền công nghệ nước thách thức Luận án nghiên cứu xây dựng mô hình hóa hệ cầu trục dạng điện thiết kế hệ thống điều khiển dựa điều khiển PID giải thuật tiên tiến nhằm điều khiển xác vị trí giảm thiểu góc lắc khối lượng hàng, góp phần nâng cao chất lượng suất làm việc cầu trục trở nên cấp thiết có ý nghĩa khoa học, thực tiễn cao Chương MÔ HÌNH HÓA HỆ CẦU TRỤC 2.1 Mô hình động lực học tổng quát hệ cầu trục 2.1.1 Mô hình vật lý hệ cầu trục chế độ làm việc Trong khai thác sử dụng cầu trục có chế độ di chuyển sau: (1) Chế độ nâng hạ hàng, có động nâng hạ làm việc, hệ gồm bậc tự do; (2) Chế độ di chuyển ngang, có động xe làm việc, hệ gồm bậc tự do; (3) Chế độ di chuyển ngang nâng hạ hàng, động xe động nâng hạ làm việc, hệ gồm bậc tự do; (4) Chế độ di chuyển ngang dọc, động xe cầu động xe làm việc, hệ bao gồm bậc tự do; (5) Chế độ di chuyển ngang, dọc nâng hạ hàng, ba động hoạt động, hệ bao gồm bậc tự Trong năm chế độ làm việc trên, chế độ tổng quát nhất, mô hình cầu trục chế độ mô hình 3D gồm bậc tự Trên sở mô hình này, tùy theo chế độ di chuyển, giản lược di chuyển tương ứng để thu mô hình động lực chế độ đơn giản 2.1.2 Mô hình động lực học hệ cầu trục Các giả thiết xây dựng mô hình: Khi xây dựng mô hình động lực cầu trục, sử dụng giả thiết sau: - Các phần tử cấu thành nên cầu trục hàng nâng cọi vật rắn, trừ cáp nâng hạ hàng; - Cầu chuyển động tịnh tiến theo trục dọc; - Xe chuyển động tịnh tiến theo phương ngang cầu; - Hàng hóa có kích thước nhỏ gọn coi có khối lượng tập trung khối tâm nó; Hình 2.1 Mô hình cầu trục dạng tổng - Trong chế độ làm việc 2D quát(5 bậc tự do) xe hàng hóa chuyển động mặt phẳng đứng; - Dây cáp xem không co giãn căng, có khối lượng không đáng kể bỏ qua; - Trạng thái di chuyển vật không chịu ảnh hưởng tác động nhiễu từ bên gió, độ nghiêng khung cầu trục…; - Bỏ qua ma sát khô Hệ phương trình vi phân chuyển động (HPTVPCĐ): Với giả thiết trên, mô hình cầu trục tổng quát mô tả Hình 2.1, hệ gồm toạ độ suy rộng định nghĩa sau: q1  x dịch chuyển xe cầu theo trục Ox; q2  y dịch chuyển xe cầu theo trục Oy; q  l khoảng cách từ xe đến tải trọng nâng hay chiều dài phần cáp không vào tang trống); q   góc lắc dây cáp mặt phẳng đứng ABC song song Oxz; q   góc lắc dây cáp mặt phẳng ACD Các tọa độ suy rộng lập thành véc tơ tọa độ suy rộng hệ cầu trục có dạng: T T q  q1 , q2 , q , q , q   x, y, l, ,   (2.1)   Trong tọa độ suy rộng trên, x, y, l chuyển động dẫn động, ,  chuyển động không dẫn động HPTVPCĐ hệ thành lập nhờ sử dụng nguyên lý Lagrange – d’Alembert gồm phương trình vi phân (2.25)÷(2.29) tạo thành mô hình toán học động lực học cầu trục tổng quát mt  m p x  b2x  m pl sin  cos   2m pl cos  sin        2m pl  cos  cos    sin  sin   m pl sin  cos     (2.25)   m pl  cos  cos    sin  sin   Ft m b   mt  m p y  b1y  m pl sin   m pl  cos  2m pl  cos   m pl  sin   Fb mpl  m p x sin  cos   mpy sin   m pl  mpl cos2   m p g cos  cos   Fl m pl 2 cos2   m plx cos  cos   2m pll  cos2  2m pl 2 cos  sin   m p gl sin  cos   m pl   2m pll   m ply cos   m plx sin  sin  mpl 2 sin  cos   m p gl cos  sin   (2.26) (2.27) (2.28) (2.29) đó, mb , mt , m p tương ứng khối lượng xe cầu, khối lượng xe khối lượng hàng; b1, b2 hệ số cản nhớt cản trở chuyển động xe cầu xe con; Ft , Fb , Fl ngoại lực đặt vào hệ 2.2 Mô hình động lực học hệ cầu trục chế độ làm việc Từ mô hình động lực học cầu trục tổng quát thành lập mô động lực học cầu trục chế độ làm việc 9 2.2.1 Chế độ nâng hạ hàng Trong chế độ nâng hạ có tọa độ q thay đổi, tọa độ khác không thay đổi PTVPCĐ trường hợp là: m pq  Fl  m p g hay m pl  Fl  m p g (2.39) 2.2.2 Chế độ di chuyển ngang Trong chế độ hệ truyền động di chuyển xe làm việc, chiều dài dây treo q  l không đổi Giả thiết, chuyển động di chuyển xe cầu không làm thay đổi góc lắc q HPTVPCĐ trường hợp là: (mt  m p )x  (m pl cos  )  m pl sin   b2x  Ft (m pl cos  )x  m pl 2  m p gl sin   (2.41) 2.2.3 Chế độ di chuyển ngang nâng hạ hàng Trong chế độ hai động điều khiển hệ Các tọa độ thay đổi không thay đổi q1  const, q2  q2 (t ), q  q (t ), q  q (t ), q  HPTVPCĐ trường hợp là: m t   m p x  m p sin  l  (m pl cos  )  2m pl  cos   m pl sin   b2x  Ft , m p sin  x  m pl  m pll   m p g cos   Fl , (2.42) (m pl cos  )x  m pl 2  2m pll   m pgl sin   2.2.4 Chế độ di chuyển ngang dọc đồng thời Trong chế độ hai động điều khiển hệ Các tọa độ thay đổi không thay đổi q1  q1(t ), q2  q2 (t ), q  l  const, q  q (t ), q  q (t ) HPTVPCĐ trường hợp là: m m  b  mt  m p y  m pl cos   m pl sin   b1y  Fb , t  m p x  m pl cos  cos   m pl sin  sin    2m pl cos  sin   m pl sin  cos   m pl sin  cos   b2x  Ft , (2.43 a) 10 m pl cos  cos  x  m pl cos2   2m pl sin  cos  m p gl sin  cos   m pl cos  y  m pl sin  sin  x  m pl   m pl sin  cos  (2.43 b) m p lg cos  sin   2.3 Mô hình động lực học - điện hệ cầu trục Các cấu cầu trục dẫn động động điện chiều xoay chiều thông qua truyền động khí Để mô tả trạng thái làm việc cầu trục sát với thực tế, xây dựng mô hình động lực học cầu Hình 2.4 Mô hình động học động trục có kể đến động lực học hệ điện chiều thống truyền động điện Giả thiết chuyển động cầu trục dẫn động hệ truyền động với động điện chiều Hình 2.4 Khi đó, hệ phương trình vi phân chuyển động cầu trục dạng – điện không gian gồm phương trình vi phân có dạng:  k k 2 b2  i22 m e  m  i J / r x  t p m2  r22Ra  m pl sin  cos   2m pl cos  sin  m    x     2m pl  cos  cos    sin  sin   m pl sin  cos       m pl  cos  cos    sin  sin   i2 km r2Ra  (2.87) U2  k k   mt  m p  i12J m / r12 y  b1  i12 m e1  y  m pl sin   r12Ra  (2.88)  km1 m pl  cos   2m pl  cos   m pl  sin   i1 U r1Ra 1 m b    k  m p  i3 m U  l  m p x sin  cos   m py sin   m pl  r3Ra   (2.89)  k k  km 2 m3 e3  l  i3 m pl cos   m p g cos  cos    i3 U  r 2R  r3Ra 3 a3   11 m pl 2 cos2   m plx cos  cos   2m pll  cos2  2m pl 2 cos  sin   m p gl sin  cos   m pl   2m pll   m ply cos   m plx sin  sin  mpl 2 sin  cos   m p gl cos  sin   (2.90) (2.91) đó, ii , ri , kei , kmi , Ra 1,U i (i  3) tỷ số truyền từ trục động đến trục bánh xe xe cầu, xe con, tang trống cáp; bán kính hiệu dụng bánh xe xe cầu, xe tang trống cáp; số mômen số phản sức điện động động cơ; điện trở động dẫn động điện áp điều khiển động 2.4 Mô hình hóa hệ cầu trục MATLAB Hình 2.5 Chương trình mô hệ cầu trục Trên sở mô hình động lực học cầu trục dạng tổng quát theo chế độ làm việc cầu trục xây dựng đây, dựa tảng toán học phần mềm MATLAB với công cụ SIMULINK, luận án lập trình xây dựng công cụ chuyên dụng để mô cầu trục theo bốn chế độ làm việc chính: Di chuyển ngang; di chuyển ngang nâng hàng; di chuyển ngang dọc; di chuyển ngang, dọc nâng hàng Trong hai chế độ điều khiển: Bằng tay tự động Giao diện công cụ Hình 2.5, chọn loại mô hình nghiên cứu, nhập số liệu, chọn chế độ làm việc dạng kết cần hiển thị Các tính toán mô phần mềm thực nhờ trợ giúp công cụ SIMULINK với mô hình tương ứng với chế độ làm việc chế độ điều khiển 12 Bảng 2.1 Thông số cầu trục mẫu sử dụng cho mô số TT Các thông số Khối lượng xe cầu (mb) Khối lượng xe (mt) Tải trọng thiết kế (mp) Hệ số cản di chuyển xe cầu (b1) Hệ số cản di chuyển xe (b2) Gia tốc trọng trường (g) Chiều dài cáp ban đầu (l0) Bán kính hiệu dụng puli kéo xe cầu, xe puli kéo cáp ( rb , rt , rl ) Giá trị 10 18,35 12,68 9,81 0,5 Đơn vị kg kg kg Ns/m Ns/m m/s2 m 0,02 m   Tỉ số truyền từ trục động đến trục bánh xe, tang cáp ( i1, i2 , i3 ) 10 Mô men quán tính roto ( J m1, J m , J m ) 0,01 kgm2 11 Điện trở phần ứng động kéo xe cầu, xe mô tơ kéo cáp ( Ra 1, Ra , Ra ) 3,2  12 Hằng số mô men động kéo xe cầu, xe mô tơ kéo cáp ( km1, km , km ) 0,007 Nm/A 13 Hằng số phản sức điện động động điện ( ke1, ke , ke ) 0,009 V/(rad/ s) 2.5 Kết luận chương Chương thiết lập mô hình toán học để phân tích trạng thái làm việc thường sử dụng thực tế hệ cầu trục Đã xây dựng mô hình động lực học hệ cầu trục – điện dạng đầy đủ gồm bậc tự tương ứng với chuyển động gồm chuyển động xe cầu, chuyển động xe con, chuyển động nâng hạ hàng hai chuyển động lắc hàng Trên sở mô hình này, khai triển thành mô hình động lực học cầu trục theo chế độ làm việc: Chỉ nâng hạ hàng; Chỉ di chuyển ngang; di chuyển ngang nâng hạ hàng đồng thời; di chuyển ngang di chuyển dọc đồng thời HPTVPCĐ nhận có tính chất phi tuyến, trừ trường hợp nâng hạ túy, cho phép phân tích, tính toán đặc tính làm việc cụm cấu hệ thống cầu trục Đây sở quan trọng để nghiên cứu động lực học điều khiển cầu trục Sử dụng công cụ chuyên dụng phần mềm MATLAB 13 công cụ SIMULINK mô hình hóa hệ cầu trục theo chế độ làm việc Từ kết mô thấy rằng, chế độ di chuyển ngang chế độ làm việc đặc trưng cầu trục Bởi vậy, luận án tập trung nghiên cứu hệ cầu trục chế độ di chuyển ngang chế độ làm việc sở để nghiên cứu hệ thống điều khiển, từ ứng dụng cho chế độ làm việc khác cầu trục Chương THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CẦU TRỤC 3.1 Xây dựng cấu trúc hệ thống điều khiển cầu trục Do nhu cầu tăng suất, hệ cầu trục tốc độ cao cần phải di chuyển hàng từ vị trí tới vị trí khác cách nhanh chóng, xác nhất, đồng thời phải giảm thiểu lắc khối lượng hàng Xuất phát từ yêu cầu đó, luận án đề xuất cấu trúc hệ thống điều khiển cầu trục tốc độ cao theo hai chế độ làm việc: Di chuyển ngang di chuyển dọc di chuyển ngang, di chuyển dọc đồng thời Ở chế độ di chuyển ngang di chuyển dọc sử dụng hai điều khiển, PID để điều khiển phản hồi đầu vị trí điều khiển PD để điều khiển phản hồi đầu góc lắc Tín hiệu điều khiển điện áp đặt vào động dẫn động xe xe cầu Sơ đồ cầu trục hệ thống điều khiển cầu trục chế độ di chuyển ngang di chuyển dọc Hình 3.1 Hình 3.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển cầu trục chế độ di chuyển ngang di chuyển dọc Theo cấu trúc trên, chuyển động di chuyển xe dẫn động động điện điều khiển điều khiển PID theo sai lệch phản hồi di chuyển đầu vị trí mong muốn, nhằm nhanh chóng đáp ứng với yêu cầu di chuyển xe đến vị trí yêu cầu Xd Góc lắc cáp mặt phẳng ngang điều chỉnh điều khiển PD theo sai lệch phản hồi góc lắc đo cảm biến góc lắc Ở chế độ di chuyển ngang dọc đồng thời, sử dụng điều khiển, PID để điều khiển phản hồi đầu vị trí xe cầu, PID để 14 điều khiển phản hồi đầu vị trí xe con, điều khiển PD để điều khiển phản hồi đầu góc lắc mặt phẳng dọc điều khiển PD để điều khiển phản hồi đầu góc lắc mặt phẳng ngang Sơ đồ cầu trục hệ thống điều khiển cầu trục chế độ di chuyển ngang di chuyển dọc đồng thời Hình 3.2 Hình 3.2 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển cầu trục chế độ di chuyển ngang di chuyển dọc đồng thời Theo cấu trúc trên, chuyển động di chuyển xe dẫn động động điện điều khiển điều khiển PID theo sai lệch phản hồi di chuyển đầu vị trí mong muốn xe Xd Chuyển động lắc cáp mặt phẳng ngang điều chỉnh điều khiển PD theo sai lệch phản hồi góc lắc đo cảm biến góc lắc Chuyển động di chuyển xe cầu dẫn động động điện khác điều khiển điều khiển PID theo sai lệch phản hồi di chuyển đầu vị trí mong muốn xe cầu Yd Chuyển động lắc cáp mặt phẳng dọc điều chỉnh điều khiển PD theo sai lệch phản hồi góc lắc đo cảm biến góc lắc Để điều khiển xác vị trí xe xe cầu theo hành trình mong muốn sử dụng điều khiển PID phản hồi theo sai lệch vị trí tức thời xe cầu xe giá trị hành trình mong muốn Đồng thời sử dụng điều khiển PD để điều khiển chống lắc theo tín hiệu phản hồi góc lắc tương ứng mặt phẳng ngang mặt phẳng dọc Như vậy, vấn đề thiết kế hệ thống điều khiển cầu trục việc chỉnh định tham số điều khiển PD PID 3.2 Thiết kế hệ thống điều khiển cầu trục giải thuật Nelder-Mead Mục trình bày kết xác định tham số điều khiển PD PID theo tiêu chuẩn tối ưu lượng dựa luật điều khiển chọn theo hàm Lyapunov Kết mô cho thấy, điều khiển thiết kế nâng cao độ ổn định làm việc cầu trục Tuy nhiên, điều khiển cho hiệu cao làm việc vùng khối lượng chọn thiết kế, với khối lượng hàng nhỏ lớn giá trị thiết kế, hiệu 15 hệ giảm rõ rệt 3.3 Thiết kế hệ thống điều khiển cầu trục giải thuật di truyền 3.3.1 Giải thuật di truyền (GA) Mục trình bày sở giải thuật di truyền 3.3.2 Tối ưu tham số PID PD giải thuật GA Để chỉnh định tham số điều khiển PD PID, hệ thống cầu trục xem xét hộp đen Một chu kỳ nhận dạng hành vi hệ thống xác lập, dựa vào đáp ứng bước vòng hở đối tượng Nhiệm vụ giải thuật GA chọn lọc ba tham số tối ưu cho PID điều khiển vị trí hai tham số tối ưu cho PD điều khiển góc lắc, thỏa mãn hàm mục tiêu đề (Hình 3.6) Trong hệ điều khiển Hình 3.6, ex(t) hàm sai lệch vị trí xe cầu xe con, e(t) hàm sai lệch vị trí góc lắc mặt phẳng ngang mặt phẳng dọc      ex t  x t  Xd t ;e t   t (3.35) Hình 3.6 Chỉnh định tham số PID PD cho cầu trục chế độ di chuyển ngang dọc giải thuật GA Các hàm mục tiêu trình tinh chỉnh điều khiển PID thường sử dụng gồm: hàm tích phân trị tuyệt đối sai số trọng số thời gian (Integral of Time-weighted Absolute Error (ITAE)) tích phân bình phương sai số trọng số thời gian (Integrated of Time-weightedSquared-Error (ITSE)) Như vậy, nhiệm vụ giải thuật GA chọn lọc ba tham số tối ưu cho PID điều khiển vị trí hai tham số tối ưu cho PD điều khiển góc lắc thỏa mãn để hàm mục tiêu ITAE ITSE cực tiểu 16 Hình 3.7 Sơ đồ giải thuật GA chỉnh định tham số PID Tiến trình tìm kiếm giá trị tối ưu điều khiển PID, PD giải thuật GA mô tả tóm tắt lưu đồ Hình 3.7 Bằng giải thuật GA, sử dụng tiến trình tìm kiếm tối ưu tham số PID PD cho cầu trục mẫu với thông số bảng 2.1 Các tham số giải thuật GA lựa chọn sau: trình tiến hóa qua 50 hệ; kích thước quần thể 20; tần suất lai ghép 0,8; xác xuất đột biến điều chỉnh thích nghi khoảng từ 0,001 đến 0,01 Lập trình mô phần mềm MATLAB/SIMULINK tính toán tham số thiết kế điều khiển PID PD cho hệ thống cầu trục Bảng 2.1 Kết tím kiếm tham số điều khiển PID PD theo hàm mục tiêu Bảng 3.3 Bảng 3.3 Tham số thiết kế tối ưu điều khiển PID, PD STT Tham số Giá trị Bộ điều khiển PID (42,018; 0,031; 8,45) Bộ điều khiển PD (143,67; 0,022) Mô động lực học hệ thống cấu trục thiết kế số trường hợp khối lượng hàng thu kết Hình 3.8& 3.9 17 Hình 3.8 Đáp ứng với khối lượng khác Hình 3.9 Đáp ứng với chiều dài cáp ban đầu khác Giá trị độ điều chỉnh OS (%), thời gian độ Ts (s) góc lắc lớn SSE(độ) với chiều dài cáp ban đầu L0=1 m khối lượng khác Bảng 3.4, với khối lượng hàng 2,5 kg chiều dài cáp ban đầu khác Bảng 3.5 Nhận xét: Hệ thống điều khiển cầu trục thiết kế giải thuật GA điều chỉnh với hiệu cao, độ điều chỉnh nhỏ thời gian độ ngắn, góc lắc giảm thiểu Kết mô với khối lượng hàng m=2,5 kg, khối lượng chọn để chỉnh định tham số điều khiển, độ điều chỉnh với vị trí xe 0,0 % với thời gian độ 1,42 s góc lắc lớn khoảng 14,2 độ Với khối lượng hàng nhỏ khối lượng chọn chỉnh định tham số điều khiển, độ điều chỉnh vị trí xe nhỏ 0%, thời gian độ khoảng 1,2 s Trong với khối lượng lớn thời gian độ tăng lên khoảng 1,5 s Bảng 3.4 Kết đánh giá hiệu hệ thống điều khiển L0=1 m Khối lượng hàng (kg) 0,5 2,5 Vị trí xe OS (%) Ts (s) 0,0 1,4 0,0 1,42 0,0 1,45 Góc lắc SSE(độ) 4,62 14,25 17,31 Ts(s) 0,6 1,2 1,52 Bảng 3.5 Kết đánh giá hiệu hệ thống điều khiển mp=2,5 kg Chiều dài cáp ban đầu (m) 0,5 Vị trí xe OS (%) Ts (s) 0,0 1,2 Góc lắc SSE(độ) 8,46 Ts(s) 0,85 18 1,0 1,5 0,0 0,0 1,42 1,5 14,25 16,83 1,2 2,1 Kết cho thấy, hệ thống điều khiển cầu trục đề xuất cho phép nâng cao độ ổn định làm việc cầu trục Hệ thống cầu trục thiết kế không làm việc hiệu vùng giá trị tham số thiết kế lựa chọn, mà có hiệu với giá trị tải trọng phạm vi rộng Giải thuật GA có nhược tốc độ tính toán tối ưu tham số chậm, độ ổn định tham số không cao Các nhược điểm khắc phục giải thuật tối ưu bày đàn PSO 3.4 Thiết kế hệ thống điều khiển cầu trục giải thuật PSO 3.4.1 Giải thuật tối ưu bày đàn (PSO) Mục trình bày sở giải thuật tối ưu bày đàn 3.4.2 Tối ưu tham số điều khiển PD PID giải thuật PSO Đối với cấu ttrúc hệ thống điều khiển cầu trục Hình 3.1, vị trí cá thể giải thuật PSO viết dạng: X  [KPx ,KIx ,KDx ,KP ,KD ] (3.42) đó, X vị trí cá thể, tương ứng tham số tỷ lệ, tích phân, vi phân điều khiển PID tham số tỷ lệ tích phân điều khiển PD Khi đó, sơ đồ khối trình thiết kế điều khiển PID PD cho hệ thống điều khiển cầu trục Hình 3.11 Hình 3.11 Chỉnh định tham số PID PD cho cầu trục chế độ di chuyển ngang dọc giải thuật PSO Sử dụng giải thuật PSO để chỉnh định điều khiển PID PD, với bước lặp N=50, lập trình mô phần mềm MATLAB tính toán tham số thiết kế điều khiển PID PD cho hệ thống cầu trục Bảng 3.6 19 Hình 3.14 Đáp ứng với Hình 3.15 Đáp ứng với chiều dai cáp ban đầu khác chiều dai cáp ban đầu khác Mô động lực học điều khiển hệ thống cấu trục thiết kế số trường hợp khối lượng hàng khác chiều dài cáp khác thu đồ thị kết Hình 3.14 3.15 Giá trị độ điều chỉnh OS (%), thời gian độ Ts (s) góc lắc lớn SSE(độ) thay đổi khối lượng hàng Bảng 3.7 Nhận xét: Hệ thống điều khiển cầu trục điều chỉnh với hiệu cao, độ điều chỉnh nhỏ thời gian độ ngắn, góc lắc giảm thiểu Kết mô với khối lượng hàng m=2,5 kg, khối lượng chọn để chỉnh định tham số điều khiển, độ điều chỉnh với vị trí xe 0,005% với thời gian độ 2,47 s, góc lắc lớn khoảng 5,82 độ Với khối lượng hàng nhỏ khối lượng chọn chỉnh định tham số điều khiển, độ điều chỉnh dịch chuyển xe nhỏ 0,02%, thời gian độ khoảng 2,5 s Bảng 3.6 Tham số thiết kế tối ưu điều khiển PID, PD TT Tham số Bộ điều khiển PID Bộ điều khiển PD Giá trị (36,569; 0,5187; 5,9023) (242,567; 0,1214) Bảng 3.7 Kết đánh giả hiệu hệ thống điều khiển Khối lượng hàng (kg) 2,5 Dịch chuyển xe OS (%) Ts (s) 0,005 2,47 0,007 2,49 0,02 2,52 Góc lắc SSE(độ) 5,82 13,26 14,57 Ts(s) 0,89 2,12 2,74 Như vậy, hệ thống cầu trục sử dụng hệ thống điều khiển có cấu trúc 20 Hình 3.1, thiết kế điều khiển PID, PD để điều khiển di chuyển khối lượng hàng chỉnh định giải thuật PSO, làm việc xác di chuyển khối lượng hàng góc lắc nhỏ Mặt khác, hệ thống cầu trục làm việc hiệu với khối lượng hàng nhỏ lớn khối lượng hàng chọn thiết kế tới 200% Điều phù hợp với yêu cầu hệ thống cầu trục tốc độ cao sử dụng nhà máy, bến cảng kho trạm 3.5 Kết luận chương Chương nghiên cứu xây dựng cấu trục hệ thống điều khiển cầu trục, hướng tới ứng dụng hệ thống điều khiển cầu trục tự động, làm việc với hành trình tương đối ổn định, nâng hạ hàng hóa với khối lượng thay đổi khoảng rộng, làm việc an toàn với góc lắc độ điều chỉnh nhỏ Hệ thống cầu trục thiết kế để làm việc hai chế độ di chuyển ngang di chuyển ngang, dọc đồng thời Hệ thống điều khiển cầu trục thiết kế gồm hai khối điều khiển: Một khối để điều khiển xe khối để điều khiển xe cầu Cấu trúc khối điều khiển lại bao gồm hai điều khiển: Một điều khiển PID dùng để điều khiển chuyển động xe (hoặc xe cầu) điều khiển PD để điều khiển chống lắc (ngang dọc) Các điều khiển PID, PD thiết kế giải thuật Nelder-Mead, di truyền GA bày đàn PSO Kết mô minh chứng hệ thống điều khiển cầu trục với cấu trúc đề xuất đem lại hiệu điều chỉnh cao, hệ thống cầu trục làm việc với sai lệch vị trí xe góc lắc nhỏ, thời gian độ ngắn Bằng việc sử dụng điều khiển PID, điều khiển sử dụng rộng rãi công nghiệp, nên hệ thống điều khiển cầu trục đề xuất áp dụng vào hệ thống điều khiển cầu trục công nghiệp Chương KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 4.1 Mô hình cầu trục thực nghiệm Với mục tiêu thiết kế mô hình cầu trục thực nghiệm để kiểm nghiệm, minh chứng mô hình nghiên cứu lý thuyết, luận án tiến hành thiết kế chế tạo mô hình cầu trục thực nghiệm dạng mô hình mô bán tự nhiên (HIL) với hành trình làm việc lớn xe m tải trọng thiết kế tới 10 kg Mô hình cầu trục thực nghiệm Hình 4.2 21 Hình 4.2 Hệ thống cầu trục thử nghiệm 4.2 Thử nghiệm hệ thống điều khiển cầu trục 4.2.1 Thử điều khiển cầu trục giải thuật GA Tiến hành thử nghiệm xác định trạng thái di chuyển xe góc lắc cáp với tham số điều khiển PID, PD thiết kế giải thuật GA số chế độ tải trọng khác thu kết hình từ 4.5 đến 4.6 Kết thử nghiệm hệ cầu trục với tham số điều khiển chỉnh định giải thuật GA cho thấy, kết thử nghiệm kết mô có tính tương đồng cao Sai khác vị trí xe góc lắc lớn kết thử nghiệm với kết mô khoảng (3  5)% Tuy nhiên, thời gian đáp ứng thực tế góc lắc dây cáp lớn so với kết lý thuyết Hình 4.5 Đáp ứng hệ với tải trọng 2,5 kg, chiều dài cáp 0,5 m Hình 4.6 Đáp ứng hệ với tải trọng kg, chiều dài cáp 0,5 m 22 4.2.2 Thử điều khiển cầu trục giải thuật PSO Tiến hành thử nghiệm xác định trạng thái di chuyển xe góc lắc cáp với tham số điều khiển PID, PD thiết kế giải thuật PSO mục 3.4 số chế độ tải trọng khác thu kết hình từ 4.8 đến 4.9 Kết thử nghiệm hệ cầu trục với tham số điều khiển chỉnh định giải thuật PSO cho thấy, kết thử nghiệm kết mô có tính tương đồng cao Sai khác vị trí xe góc lắc lớn kết thử nghiệm với kết mô khoảng (2  4)% Nhưng thời gian để hệ ổn định thử nghiệm dài so với mô phỏng, mặt khác số chu kỳ dao động lắc khối lượng hàng nhiều Hình 4.8 Kết thử nghiệm tải Hình 4.9 Kết thử nghiệm tải trọng 2,5 kg, chiều dài cáp 0,5 m trọng kg, chiều dài cáp 0,5 m Kết thử nghiệm cho thấy, hệ thống điều khiển cầu trục chỉnh định giải thuật PSO cho chất lượng tốt so với hệ thống điều khiển cầu trục chỉnh định giải thuật GA Các kết thử nghiệm minh chứng tính khả thi cấu trúc hệ thống điều khiển cầu trục đề xuất, đồng thời hiệu chỉnh giải thuật chỉnh định tham số điều khiển PID PD 4.3 Kết luận chương Chương trình bày kết thử nghiệm hệ thống điều khiển cầu trục Đã thiết kế chế tạo điều khiển cầu trục hệ thống cầu trục làm việc mặt phẳng Thử nghiệm điều khiển tự động cầu trục mang tải trọng khác khảo sát hoạt động hệ thống trường hợp có điều khiển chống lắc Kết thử nghiệm qua phân tích, đánh giá, so sánh chứng tỏ cấu trục hệ thống điều khiển tham số chỉnh định điều khiển PID 23 PD nâng cao chất lượng làm việc hệ thống cầu trục Hệ thống cầu trục thiết kế có thời gian đáp ứng tới vị trí mong muốn nhanh, góc lắc cáp nhỏ thời gian để khối lượng hàng ổn định ngắn Kết có ý nghĩa quan trọng, sở để nghiên cứu hoàn thiện công nghệ chế tạo điều khiển điện tử cho hệ thống cầu trục KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Từ kết nghiên cứu luận án rút số kết luận sau: Đã mô hình hóa hệ cầu trục dạng đầy đủ gồm bậc tự tương ứng với chuyển động gồm chuyển động xe cầu, chuyển động xe con, chuyển động nâng hạ hàng hai chuyển động lắc hàng Từ hệ phương trình vi phân thiết lập cho hệ bậc tự suy mô hình động lực học cầu trục theo chế độ làm việc: Chỉ nâng hạ hàng; di chuyển ngang; di chuyển ngang nâng hạ hàng đồng thời; di chuyển ngang di chuyển dọc đồng thời Đây sở toán học quan trọng để tính toán, phân tích động lực học điều khiển hệ cầu trục Đã xây dựng cấu trục hệ thống điều khiển cầu trục, hướng tới ứng dụng hệ thống điều khiển cầu trục tốc độ cao, làm việc với hành trình tương đối ổn định, nâng hạ hàng hóa với khối lượng thay đổi khoảng rộng, làm việc an toàn với góc lắc độ điều chỉnh nhỏ Đối với hệ cầu trục làm việc chế độ di chuyển ngang, hệ thống điều khiển gồm hai điều khiển: Một điều khiển PID dùng để điều khiển chuyển động xe điều khiển PD để điều khiển chống lắc Còn hệ cầu trục làm việc chế độ di chuyển ngang di chuyển dọc đồng thời, hệ thống điều khiển gồm bốn điều khiển: 02 điều khiển PID tương ứng điều khiển di chuyển ngang xe di chuyển dọc xe cầu; 02 điều khiển PD tương ứng điều khiển chống lắc cho tải trọng mặt phẳng di chuyển xe mặt phẳng di chuyển xe cầu Đã thiết kế điều khiển PID, PD thiết kế NelderMead, giải thuật di truyền GA giải thuật bày đàn PSO Kết mô minh chứng hệ thống điều khiển cầu trục với cấu trúc đề xuất đem lại hiệu điều chỉnh cao, hệ thống cầu trục làm việc với sai lệch vị trí xe con, sai lệch chiều dài cáp góc lắc nhỏ, thời gian độ nhanh Bằng việc sử dụng điều khiển PID, PD điều khiển sử dụng rộng rãi công nghiệp, nên hệ thống điều khiển cầu trục đề xuất áp dụng vào hệ cầu trục công nghiệp Đã thiết kế chế tạo mô hình cầu trục thực nghiệm làm việc chế độ di chuyển ngang sử dụng hệ thống điều khiển có cấu trúc đề xuất Kết thử nghiệm với tham số điều khiển PID, PD thiết kế giải 24 thuật GA PSO số chế độ tải trọng khác cho thấy tương thích hiệu hệ thống điều khiển khiển thiết kế Các vấn đề cần nghiên cứu tiếp Cần mở rộng nghiên cứu điều khiển cầu trục truyền động động xoay chiều; Để đưa kết nghiên cứu vào ứng dụng thực tế cần có thêm nghiên cứu thực nghiệm