Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Điều khiển thích nghi cho hệ thống cần cẩu treo có tính đến yếu tố bất định

Chia sẻ: Tỉ Thành | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:141

Thêm vào BST

Báo xấu

26
lượt xem 10
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của luận án "Điều khiển thích nghi cho hệ thống cần cẩu treo có tính đến yếu tố bất định" là nhằm nghiên cứu và đề xuất giải thuật điều khiển thích nghi mới cho hệ cần cẩu treo có mô hình bất định.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Điều khiển thích nghi cho hệ thống cần cẩu treo có tính đến yếu tố bất định

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LÊ XUÂN HẢI Lê Xuân Hải ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI CHO HỆ THỐNG CẦN CẨU TREO ĐIỀU KHIỂN THÍCH CÓ NGHI PHI TUYẾN TÍNH ĐẾN YẾU TỐCHO BẤTHỆ THỐNG CẦN CẨU ĐỊNH TREO MÔ HÌNH BẤT ĐỊNH Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 9520216 ÁN TIẾN LUẬNLUẬN SĨ KỸ ÁN TIẾN THUẬTĐIỀU THUẬT SĨ KỸ ĐIỀU KHIỂN VÀTỰ KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG ĐỘNG HÓA HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Vũ Vân Hà GS.TS. Phan Xuân Minh Hà Nội – 2018
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LÊ XUÂN HẢI ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI CHO HỆ THỐNG CẦN CẨU TREO CÓ TÍNH ĐẾN YẾU TỐ BẤT ĐỊNH Ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa Mã số: 9520216 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS. Vũ Vân Hà 2. GS.TS. Phan Xuân Minh Hà Nội – 2018
Lời cam đoan Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chưa từng được tác giả khác công bố. Hà Nội, ngày … tháng … năm 20… Tập thể hướng dẫn Nghiên cứu sinh
Lời cảm ơn Trong quá trình làm luận án, tôi đã nhận được nhiều góp ý về chuyên môn cũng như sự ủng hộ giúp đỡ của tập thể cán bộ hướng dẫn, của các nhà khoa học, của các bạn đồng nghiệp. Tôi xin được gửi tới họ lời cảm ơn sâu sắc. Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn đến tập thể hướng dẫn đã trực tiếp bằng tâm huyết hướng dẫn tôi trong suốt thời gian qua. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các nhà khoa học, tập thể Bộ môn Điều khiển Tự động, Viện Điện, Viện đào tạo sau đại học, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu thực hiện đề tài luận án. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến các bạn đồng nghiệp tôi tại Khoa Kỹ thuật công nghệ đặc biệt là Ban giám hiệu Trường Cao đẳng Xây dựng công trình Đô thị nơi tôi công tác đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất để tôi được yên tâm học tập, nghiên cứu. Cuối cùng là sự cảm ơn sự ủng hộ, động viên, khích lệ của gia đình thân yêu tôi để tôi hoàn thành nhiệm vụ học tập. Nghiên cứu sinh Lê Xuân Hải
MỤC LỤC Các ký hiệu được sử dụng ............................................................................................................ viii Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt ............................................................................................ xi Điều khiển trượt thích nghi nơ-ron có bù tải ............................................................................ xi Danh mục các hình vẽ, đồ thị........................................................................................................ xii Danh mục các bảng ...................................................................................................................... xvi MỞ ĐẦU ........................................................................................................................................ 1 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án ......................................................................................... 1 2. Mục tiêu và nhiệm vụ của luận án ...................................................................................... 1 3. Phạm vi nghiên cứu của luận án ......................................................................................... 2 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án ......................................................................... 3 5. Cấu trúc của luận án ............................................................................................................ 4 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CẦN CẨU TREO VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN.................................................................................................................................. 6 1.1. Mô hình toán học của cần cẩu treo ................................................................................. 6 1.1.1. Mô hình cẩn cẩu treo 3D có chiều dài dây treo không thay đổi ............................... 6 1.1.2. Mô hình cần cẩu treo 2D ......................................................................................... 10 1.1.3. Phân tích mô hình ................................................................................................... 12 1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước ................................................................... 13 1.2.1. Tình hình nghiên cứu trong nước............................................................................ 13 1.2.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nước ........................................................................... 13 1.3. Tổng quan về các phương pháp điều khiển cần cẩu treo .............................................. 14 1.3.1. Các phương pháp cho đối tượng cần cẩu treo 2D ................................................... 14 1.3.1.1. Luật điều khiển PD, luật điều khiển dựa trên bình phương năng lượng và động năng.................................................................................................................. 15 1.3.1.2. Điều khiển tuyến tính hóa từng phần ............................................................... 15 1.3.1.3. Điều khiển dựa trên hệ suy diễn mờ ................................................................ 18 1.3.1.4. Điều khiển trượt ............................................................................................... 19 1.3.1.5. Điều khiển trượt tầng ....................................................................................... 20 1.3.2. Các phương pháp cho đối tượng cần cẩu treo 3D ................................................... 20 1.4. Kết luận chương 1 ......................................................................................................... 22 CHƯƠNG 2: ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI CHO CẦN CẨU TREO TRÊN CƠ SỞ HỆ MỜ .. 23 v
2.1. Nền tảng cơ sở cho giải thuật điều khiển ...................................................................... 23 2.1.1. Mô hình mờ Sugeno ................................................................................................ 23 2.1.2. Phương pháp suy luận tuyến tính trong biểu diễn hệ mờ ....................................... 24 2.1.3. Điều khiển trượt tầng .............................................................................................. 25 2.2. Tổng hợp bộ điều khiển mờ hai lớp .............................................................................. 32 2.2.1. Tổng hợp bộ điều khiển mờ cho lớp thứ nhất ......................................................... 34 2.2.2. Tổng hợp bộ điều khiển mờ cho lớp thứ hai ........................................................... 35 2.2.3. Kết quả mô phỏng ................................................................................................... 36 2.2.3.1 Mô phỏng cho hệ cần cẩu treo 3D với chiều dài dây treo không thay đổi ...... 36 2.2.3.2 Mô phỏng cho trường hợp cẩu treo 2D ........................................................... 41 2.3. Điều khiển trượt thích nghi mờ cho cần cẩu treo.......................................................... 48 2.3.1. Thiết kế bộ điều khiển trượt tầng ............................................................................ 48 2.3.2. Luật điều khiển thích nghi ...................................................................................... 50 2.3.3. Kết quả mô phỏng ................................................................................................... 53 2.4. Kết luận chương 2 ......................................................................................................... 61 CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT THÍCH NGHI CHO CẦN CẨU TREO TRÊN CƠ SỞ MẠNG NƠ-RON NHÂN TẠO .................................................................................................... 62 3.1. Nền tảng cơ sở cho giải thuật điều khiển ...................................................................... 63 3.1.1 Điều khiển backstepping ......................................................................................... 63 3.1.2 Mạng nơ-ron nhân tạo RBF .................................................................................... 67 3.2. Bộ điều khiển trượt backstepping trên cơ sở mạng nơ-ron nhân tạo ............................ 70 3.2.1. Tổng hợp bộ điều khiển trượt backstepping ........................................................... 70 3.2.2. Tổng hợp bộ điều khiển trượt thích nghi trên cơ sở mạng nơ-ron nhân tạo ........... 74 3.2.2.1. Xấp xỉ véc-tơ hàm bất định bằng mạng nơ ron nhân tạo ................................. 74 3.2.2.2. Phát biểu định lý và chứng minh về tính ổn định của hệ kín .......................... 76 3.2.3. Mô phỏng kiểm chứng trên nền kỹ thuật số ........................................................... 78 3.3. Điều khiển trượt thích nghi nơ-ron bất định tải ............................................................ 92 3.3.1 Tổng hợp bộ điều khiển trượt ................................................................................. 92 3.3.2 Tổng hợp bộ điều khiển trượt thích nghi bất định tải (ASMCWUPL) .................... 94 3.3.3 Mô phỏng kiểm chứng ............................................................................................ 98 3.4. Kết luận chương 3 ....................................................................................................... 102 CHƯƠNG 4: KIỂM CHỨNG BẰNG THỰC NGHIỆM TRÊN MÔ HÌNH CẦN CẨU TREO 2D TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM ............................................................................................... 103 vi
4.1. Xây dựng bàn thí nghiệm ............................................................................................ 103 4.1.1. Mô hình vật lý ....................................................................................................... 103 4.1.2. Thiết kế phần cứng................................................................................................ 104 4.1.3. Thiết kế phần mềm................................................................................................ 106 4.1.3.1. Bộ lọc Kalman cho cảm biến MPU6050 ....................................................... 106 4.1.3.2. Giao diện HMI ............................................................................................... 108 4.2. Cài đặt một số giải thuật điều khiển mới .................................................................... 108 4.2.1. Cài đặt thuật toán mờ hai lớp ................................................................................ 108 4.2.2. Cài đặt thuật toán trượt tầng thích nghi mờ .......................................................... 110 4.3. Kết luận chương 4 ....................................................................................................... 114 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................................................... 115 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ ĐƯỢC CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ......................... 118 vii
Các ký hiệu được sử dụng mc Khối lượng của xe con mr Khối lượng của xà đỡ m Khối lượng của tải trọng l Chiều dài dây treo ux Lực tác dụng theo phương x uy Lực tác dụng theo phương y ul Lực kéo tải trọng u Véc-tơ lực tác động lên hệ cần cẩu treo u1 Véc-tơ lực điều khiển thành phần đủ chấp hành của hệ cần cẩu treo Ox Phương x Oy Phương y x Tọa độ của xe con theo phương x y Tọa độ của xe con theo phương y x Góc lắc của tải trọng theo phương x y Góc lắc của tải trọng theo phương y pr Vị trị của xà đỡ pc Vị trí của xe con pm Vị trí của tải trọng q Biến trạng thái của hệ cần cẩu treo Er Động năng của xà đỡ Ec Động năng của xe con El Động năng của tải trọng E Động năng của cả hệ cần cẩu treo Vl Thế năng của tải V Thế năng của hệ cần cẩu treo Mx Khối lượng di chuyển theo phương x My Khối lượng di chuyển theo phương y viii
J Mô men quán tính của tải trọng M Khối lượng của xe con L Hàm Lagrange Dx , Dy , Dl Hệ số ma sát nhớt theo phương x, phương y, và khớp nỗi giữa động cơ và dây treo M (q) Ma trận quán tính C ( q, q ) Ma trận lực hướng tâm Coriolis D Ma trận hệ số ma sát g (q) Véc-tơ lực trọng trường f1  X  , g1  X  , f 2  X  , g2  X  Các hàm bất định của mô hình cần cẩu treo 2D q1 Thành phần biến khớp đủ cơ cấu chấp hành q2 Thành phần biến khớp thiếu cơ cấu chấp hành q1r Tín hiệu đặt cho biến q1 e1 Sai lệch giữa q1 và q1r e2 Sai lệch góc lắc K1 , K 2 Hai ma trận đối xứng xác định dương s Mặt trượt  Tổng  Tích u Tín hiệu điều khiển của hệ cần cẩu treo khi viết dưới dạng mô hình sai lệch u1 Tín hiệu điều khiển thành phần đủ chấp hành của hệ cần cẩu treo khi viết dưới dạng mô hình sai lệch u2 Tín hiệu điều khiển thành phần thiếu chấp hành của hệ cần cẩu treo khi viết dưới dạng mô hình sai lệch Z2 Tín hiệu điều khiển ảo s1 , s2 Hai mặt trượt con của tầng trượt thứ nhất r1 , r2 Hai ma trận hằng số u1eq Thành phần điều khiển tương đương của u1 ix
u1sw Thành phần điều khiển chuyển mạch của u1  Véc-tơ chứa các thành phần bất định của hệ cần cẩu treo W Véc-tơ trọng số lý tưởng của mạng nơ-ron Wˆ Ước lượng của W W Sai lệch giữa W và Wˆ diag ( M ) Ma trận đường chéo có các phần tử trên đường chéo chính là M   Chuyển vị của ma trận T M Chuẩn Frobeniouscủa ma trận M F f Đạo hàm Jacobi của f theo x x sgn( s ) Có nghĩa là [sgn( s1 ) sgn( s2 ) sgn( sn )] x0 Véc-tơ giá trị rõ x
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt CLF Control Lyapunov Function Hàm điều khiển Lyapunov FLC Fuzzy Logic Controller Bộ điều khiển mờ IW Input Weight Trọng số đầu vào LW Layer Weight Trọng số lớp ẩn RBF Radial Basis Function Hàm hướng tâm TDL Tapped Delay Lines Khâu trễ HSMC Hierarchical Sliding Mode Control Điều khiển trượt tầng AFHMC Adaptive Fuzzy Hierarchical Control Điều khiển trượt tầng thích nghi mờ ANSMC Apdaptive Neural Network Sliding Điều khiển trượt nơ-ron thích nghi Mode Control ASMCWUPL Apdative Sliding Mode Control Điều khiển trượt thích nghi nơ-ron Using Neural Network for Overhead có bù tải Crane System With Uncertainty of Payload Mass. TLFLC Two Layers Fuzzy Logic Control Điều khiển mờ hai lớp BT Backsteppng Technique Kỹ thuật Backstepping BSMC Backstepping Sliding Mode Control Điều khiển trượt kết hợp với kỹ thuật backstepping xi
Danh mục các hình vẽ, đồ thị Hình 1.1 Mô hình hệ cần cẩu treo 3D với chiều dài dây treo không thay đổi Hình 2.1 Tập mờ của hai biến ngôn ngữ đầu vào X1 và X 2 Hình 2.2 Tên các hằng số đầu ra Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc điều khiển trượt tầng Hình 2.4 Cấu trúc hệ thống điều khiển mờ hai lớp Hình 2.5 Tập mờ của các biến ngôn ngữ đầu vào ei  ex , ey , e , e  của FLCi Hình 2.6 Tập mờ của các biến ngôn ngữ đầu vào của u1 và u2 Hình 2.7 Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển mờ hai lớp Hình 2.8 Kết quả mô phỏng cho bộ điều khiển mờ hai lớp trong trường hợp không có nhiễu tác động cho hệ cần cẩu treo 3D Hình 2.9 Kết quả mô phỏng cho bộ điều khiển mờ hai lớp trong trường hợp nhiễu có biên độ 10 N tác động cho hệ cần cẩu treo 3D Hình 2.10 Kết quả mô phỏng cho bộ điều khiển mờ hai lớp trong trường hợp nhiễu có biên độ 40 N tác động cho hệ cần cẩu treo 3D Hình 2.11 Kết quả mô phỏng cho bộ điều khiển mờ hai lớp trong trường hợp không có nhiễu tác động cho hệ cần cẩu treo 2D với khối lượng tải là 8 (kg) Hình 2.12 Kết quả mô phỏng cho bộ điều khiển mờ hai lớp trong trường hợp có nhiễu tác động cho hệ cần cẩu treo 2D với khối lượng tải là 8 (kg) Hình 2.13 Kết quả mô phỏng cho bộ điều khiển mờ hai lớp trong trường hợp không có nhiễu tác động cho hệ cần cẩu treo 2D với khối lượng tải là 16 (kg) xii
Hình 2.14 Kết quả mô phỏng cho bộ điều khiển mờ hai lớp trong trường hợp có nhiễu tác động cho hệ cần cẩu treo 2D với khối lượng tải là 16 (kg) Hình 2.15 Kết quả mô phỏng so sánh giữa TLFLC và DFLC với khối lượng tải m=8(kg) Hình 2.16 Kết quả mô phỏng so sánh giữa TLFLC và DFLC với khối lượng tải m=16(kg) Hình 2.17 Thay đổi k của mặt trượt Hình 2.18 Tập mờ của các biến ngôn ngữ đầu vào ex , e Hình 2.19 Cấu trúc điều khiển trượt tầng thích nghi mờ Hình 2.20 Mặt trượt và tín hiệu điều khiển của AHSMC Hình 2.21 Hệ thống điều khiển trượt tầng thích nghi mờ Hình 2.22 Kết quả mô phỏng cho bộ điều khiển trượt tầng thích nghi mờ trong trường hợp không có nhiễu tác động với khối lượng tải là 8 (kg) Hình 2.23 Kết quả mô phỏng cho bộ điều khiển trượt tầng thích nghi mờ trong trường hợp có nhiễu tác động với khối lượng tải là 8 (kg) Hình 2.24 Kết quả mô phỏng cho bộ điều khiển trượt tầng thích nghi mờ trong trường hợp không có nhiễu tác động với khối lượng tải là 16 (kg) Hình 2.25 Kết quả mô phỏng cho bộ điều khiển trượt tầng thích nghi mờ trong trường hợp có nhiễu tác động với khối lượng tải là 16 (kg) Hình 2.26 Kết quả mô phỏng so sánh giữa HSMC và AFHSMC Hình 2.27 Kết quả mô phỏng so sánh giữa AFHSMC và TLFLC Hình 3.1 Cấu trúc hệ thống ANSMC Hình 3.2 Cấu trúc mạng nơ-ron hướng tâm Hình 3.3 Cấu trúc mạng nơ-ron RBF Hình 3.4 Sơ đồ mô phỏng hệ thống ANSMC Hình 3.5 Kết quả mô phỏng cho ANSMC trong trường hợp không có nhiễu tác động xiii
Hình 3.6 Kết quả mô phỏng cho ANSMC trong trường hợp nhiễu có biên độ 10 N tác động Hình 3.7 Kết quả mô phỏng cho ANSMC trong trường hợp nhiễu có biên độ 40 N tác động Hình 3.8 Kết quả mô phỏng so sánh chất lượng giữa ANSMC và BSMC Hình 3.9 Kết quả so sánh chất lượng giữa ANSMC và bộ BSMC dưới sự tác động của nhiễu 40 N Hình 3.10 Kết quả so sánh chất lượng giữa ANSMC và bộ TLFLC trong trường hợp không có nhiễu tác động Hình 3.11 Kết quả so sánh chất lượng giữa ANSMC và bộ TLFLC dưới sự tác động của nhiễu 40 N. Hình 3.12 Sơ đồ mô phỏng hệ thống ASMCWUPL Hình 3.13 Kết quả mô phỏng cho bộ ASMCWUPL trong trường hợp tải m=10(kg) Hình 3.14 Kết quả mô phỏng cho bộ ASMCWUPL trong trường hợp tải m=20(kg) Hình 3.15 Kết quả mô phỏng cho bộ ASMCWUPL trong trường hợp tải m=30(kg) Hình 4.1 Hệ thống điều khiển và giám sát cần cẩu treo 2D Hình 4.2 Mạch phần cứng điều khiển Hình 4.3 Cảm biến MPU6050 Hình 4.4 Lưu đồ thuật toán bộ lọc Kalman Hình 4.5 Giao diện HMI trên máy tính Hình 4.6 Kết quả cài đặt thực nghiệm bộ điều khiển mờ hai lớp với khối lượng của tải là 8 kg. Hình 4.7 Kết quả cài đặt thực nghiệm bộ điều khiển mờ hai lớp với khối lượng của tải là 16 kg. Hình 4.7 Kết quả cài đặt thực nghiệm bộ điều khiển trượt tầng với khối lượng của tải là 8 kg. Hình 4.9 Kết quả cài đặt thực nghiệm bộ điều khiển trượt tầng với khối xiv
lượng của tải là 16 kg. Hình 4.10 Kết quả cài đặt thực nghiệm bộ điều khiển trượt tầng thích nghi mờ với khối lượng của tải là 8 kg. Hình 4.11 Kết quả cài đặt thực nghiệm bộ điều khiển trượt tầng thích nghi với khối lượng của tải là 8 kg. xv
Danh mục các bảng Bảng 2.1 Hệ luật suy diễn theo phương pháp tuyến tính Bảng 2.2 Hệ luật suy diễn FLC1 Bảng 2.3 Hệ luật suy diễn FLC Bảng 2.4 Các thông số hệ thông cần cẩu treo 3D Bảng 2.5 Các thông số hệ thống cần cẩu treo 2D Bảng 2.6 So sánh chất lượng giữa TLFLC và DFLC Bảng 2.7 Hệ suy diễn mờ cho bộ điều khiển trượt tầng thích nghi Bảng 2.8 Thông số hệ thống cần cẩu treo 2D và bộ điều khiển trượt mờ thích nghi Bảng 2.9 Đánh giá chất lượng điều khiển của HSMC và AFHSMC Bảng 2.10 So sánh chất lượng giữa AFHSMC và TLFLC Bảng 3.1 Thông số mô hình hệ thống cần cẩu treo 3D và bộ điều khiển trượt thích nghi Bảng 3.2 So sánh chất lượng điều khiển giữa ANSMC và BSMC Bảng 3.3 So sánh chất lượng điều khiển của ANSMC và TLFLC cho hệ cần cẩu treo 3D Bảng 3.4 Thông số mô hình hệ thống cần cẩu treo 3D và bộ điều khiển trượt thích nghi mô hình bất định hàm và bù bất định tải Bảng 4.1 Dây nối của Encoder Bảng 4.2 So sánh chất lượng cài đặt thực của bộ điều khiển trượt tầng và bộ điều khiển trượt tầng thích nghi mờ Bảng 4.3 So sánh chất lượng cài đặt thực của bộ điều khiển mờ hai lớp và bộ điều khiển trượt tầng thích nghi mờ xvi
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án Cần cẩu treo là một hệ thống được sử dụng rất rộng rãi trong công nghiệp, phục vụ cho công tác vận chuyển và nâng hạ hàng hóa có khối lượng lớn tại các bến cảng, nhà xưởng, các công trình xây dựng ... Hệ thống cần cẩu treo đã giúp giải quyết nhiều công việc vận tải phức tạp và khó khăn một cách nhanh chóng, linh hoạt và tiết kiệm nhân lực. Trong công nghiệp hiện đại, các bộ điều khiển tự động cho hệ thống cần cẩu treo được nghiên cứu nhằm thay thế cho việc sử dụng người điều khiển. Vấn đề khó khăn và thu hút được sự quan tâm của các nhà khoa học là vì hệ thống cần cẩu treo thực chất là một hệ rô-bốt thiếu cơ cấu chấp hành, nghĩa là số biến điều khiển luôn ít hơn số bậc tự do của hệ. Bài toán điều khiển cần cẩu treo ngoài việc điều khiển cho xe con bám vị trí đặt còn phải quan tâm đến việc giảm thiểu rung lắc của tải trong quá trình xe chuyển động. Trong những năm gần đây, nghiên cứu các giải thuật và kỹ thuật điều khiển mới cho hệ thống cần cẩu treo đã được phát triển mạnh mẽ cả về lý thuyết cũng như ứng dụng thực tế. Vì đặc điểm của hệ thống cần cẩu treo là thiếu cơ cấu chấp hành nên đã dẫn đến hàng loạt các vấn đề mới đầy hấp dẫn, bên cạnh các thách thức mới trong lĩnh vực điều khiển cần cẩu treo trong đó phải tính đến cả mô hình hệ thống cần cẩu treo với các thành phần bất định như ma sát, sự thay đổi phụ tải và nhiễu từ bên ngoài tác động vào hệ thống. Bài toán đặt ra là phải tổng hợp bộ điều khiển cho hệ thống cần cẩu treo vừa đảm bảo bám vị trí đặt cho xe con và chế ngự rung lắc, bền vững với nhiễu và các bất định của mô hình. Đó chính là thách thức, cấp bách và là động cơ để thúc đẩy việc lựa chọn hướng nghiên cứu của luận án: “Điều khiển thích nghi cho hệ thống cần cẩu treo có tính đến yếu tố bất định”. 2. Mục tiêu và nhiệm vụ của luận án Hệ thống cần cẩu treo là một trong những đối tượng được sử dụng phổ biến và mang lại hiệu quả cao trong các xưởng lắp ráp, chế tạo, các công trình xây dựng và các cảng biển ... Trong những năm gần đây, các phương pháp điều khiển phi tuyến mới đã được nghiên cứu phát triển và áp dụng cho các hệ thống cần cẩu treo dựa trên các kỹ thuật điều điều khiển phi tuyến như kỹ thuật backstepping, điều khiển trượt ... Song song với việc nâng cao chất lượng của các khâu cơ khí thì vấn đề điều khiển cũng là một vấn đề hết sức quan trọng để cải thiện chất lượng làm việc của hệ 1
thống cần cẩu treo. Do cần cẩu treo là một đối tượng phi tuyến có mô hình bất định chịu ảnh hưởng của nhiễu nên phần lớn các công trình nghiên cứu mới được công bố gần đây đều hướng đến phương pháp điều khiển thích nghi phi tuyến hoặc là dựa trên mô hình mẫu hoặc dựa trên các hệ có khả năng suy luận như hệ mờ, mạng nơ-ron. Do vậy, điều khiển thích nghi cho hệ thống cần cẩu treo vẫn luôn là bài toán thu hút được nhiều nhà khoa học quan tâm giải quyết. Điều khiển thích nghi là bài toán tổng hợp bộ điều khiển nhằm luôn giữ chất lượng hệ thống không thay đổi, cho dù có nhiễu không mong muốn tác động vào hệ thống hoặc có những sự thay đổi không biết trước xảy ra bên trong đối tượng điều khiển. Nguyên tắc hoạt động của hệ thống điều khiển thích nghi là mỗi khi có sự thay đổi của đối tượng, bộ điều khiển sẽ tự thay đổi theo nhằm đảm bảo chất lượng hệ thống không bị thay đổi [7]. Mục tiêu của luận án "Điều khiển thích nghi cho hệ thống cần cẩu treo có tính đến yếu tố bất định" là nhằm nghiên cứu và đề xuất giải thuật điều khiển thích nghi mới cho hệ cần cẩu treo có mô hình bất định. Để thực hiện được mục tiêu này, luận án đặt ra bốn nhiệm vụ chính, bao gồm: - Nghiên cứu các phương pháp điều khiển thích nghi phi tuyến đã được công bố trong và ngoài nước ở lĩnh vực điều khiển cần cẩu treo, phân tích ưu nhược điểm của các phương pháp đó làm nền tảng để đề xuất những đóng góp mới của luận án. - Dựa trên cấu trúc đơn giản, dễ thực thi của hệ mờ, luận án tập trung nghiên cứu nhằm đề xuất cấu trúc điều khiển mờ mới đơn giản dễ thực thi và một thuật toán điều khiển thích nghi bền vững mới dựa trên kỹ thuật trượt tầng kết hợp với hệ mờ. - Cải tiến bộ điều khiển trượt backstepping của Tsai, Chinh-Chih và cộng sự [56] áp dụng cho cần cẩu treo 3D mô hình bất định, kết hợp xấp xỉ khối lượng tải và hàm bất định trên cơ sở mạng nơ-ron nhân tạo. Phát biểu chứng minh tính ổn định cho hệ kín và mô phỏng kiểm chứng trên nền kỹ thuật số. - Xây dựng bàn thí nghiệm điều khiển cần cẩu treo có khả năng cài đặt và kiểm nghiệm đa năng các thuật toán điều khiển nhằm kiểm tra bằng thực nghiệm các đề xuất mới trong luận án. 3. Phạm vi nghiên cứu của luận án - Đối tượng nghiên cứu: 2
Về phương pháp luận: Đối tượng nghiên cứu là lý thuyết điều khiển phi tuyến, điều khiển thích nghi, điều khiển mờ và mạng nơ-ron nhân tạo. Dựa trên các kỹ thuật hiện đại như kỹ thuật backstepping (BT), điều khiển trượt tầng (HSMC) kết hợp với hệ mờ và mạng nơ-ron để đề xuất các giải thuật điều khiển mới cho hệ cần cẩu treo, phát biểu định lý và chứng minh tính ổn định của hệ kín. Về phương diện điều khiển: Đối tượng của luận án là nghiên cứu đề xuất bộ điều khiển thích nghi phi tuyến mới cho hệ cần cẩu treo trên cơ sở hệ logic mờ, mạng nơ-ron nhân tạo và mô phỏng kiểm chứng hệ thống điều khiển kín trên nền kỹ thuật số. Về phương diện ứng dụng: Đối tượng của luận án là chế tạo một hệ thống điều khiển cần cẩu treo trong phòng thí nghiệm để kiểm chứng các giải thuật điều khiển thích nghi mới được luận án đề xuất bằng thực nghiệm. Bộ điều khiển được chế tạo trên nên vi điều khiển và có ghép nối với máy tính cá nhân để giám sát thông qua giao diện HMI. - Phạm vi nghiên cứu: Về phương pháp lý thuyết: Nghiên cứu lý thuyết điều khiển phi tuyến, điều khiển thích nghi, hệ mờ và mạng nơ-ron, phân tích các phương pháp điều khiển thích nghi đã được công bố trong và ngoài nước làm cơ sở cho việc phát triển các giải thuật điều khiển thích nghi mới cho hệ cần cẩu treo. Về phương pháp luận: Kết hợp giữa đề xuất giải thuật mới, phát biểu định lý và chứng minh tính ổn định của hệ kín với kiểm chứng các kết quả nghiên cứu mới bằng mô phỏng số và trên hệ thống thực trong phòng thí nghiệm. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án - Ý nghĩa khoa học: Luận án đề xuất các thuật toán và cấu trúc điều khiển thích nghi phi tuyến mới trên cơ sở hệ mờ, mạng nơ-ron nhân tạo áp dụng điều khiển cho hệ thống cần cẩu treo với mô tả bằng mô hình phi tuyến bất định, tham số tải trọng thay đổi, đảm bảo hệ kín ổn định và bám vị trí đặt với các ý nghĩa khoa học như sau:  Đề xuất được bộ điều khiển mờ có cấu trúc mới bao gồm hai lớp, lớp thứ nhất thực hiện tách riêng từng nhiệm vụ điều khiển (FCL1) và lớp thứ hai (FCL2) phối hợp nhiệm vụ điều khiển theo nguyên tắc thỏa hiệp. 3
 Đề xuất được bộ điều khiển thích nghi cho hệ thống cần cẩu treo trên cơ sở kỹ thuật trượt tầng kết hợp với logic mờ.  Xây dựng được bộ điều khiển thích nghi cho hệ thống cần cẩu treo trên cơ sở điều khiển trượt, kỹ thuật backstepping và mạng nơ-ron nhân tạo đảm bảo bám vị trí cho trước, giảm thiểu lắc. Phát biểu và chứng minh định lý về tính ổn định của hệ thống kín.  Các bộ điều khiển đề xuất được kiểm chứng bằng mô phỏng số và bằng các thí nghiệm thực ttong phòng thí nghiệm. - Ý nghĩa thực tiễn: Do các nghiên cứu đã được kiểm định bằng thực nghiệm trong phòng thí nghiệm cho thấy khả năng chế tạo bộ điều khiển bằng vi điều khiển và các bộ điều khiển số này hoàn toàn có khả năng ứng dụng trong thực tế. 5. Cấu trúc của luận án Bố cục của luận án bao gồm 4 chương: Chương 1: Tổng quan về hệ thống cần cẩu treo Nội dung chính của chương này là giới thiệu về mô hình cần cẩu treo, phân tích các đặc điểm của đối tượng cần cẩu treo và các phương pháp điều khiển có thể áp dụng được cho hệ thống này. Nghiên cứu tổng quan các phương pháp điều khiển đã được công bố trong và ngoài nước, phân tích ưu nhược điểm của từng nhóm phương pháp, từ đó chỉ rõ định hướng nghiên cứu đóng góp cụ thể của luận án trong lĩnh vực điều khiển hệ thống cần cẩu treo. Chương 2: Điều khiển thích nghi cho hệ thống cần cẩu treo trên cơ sở hệ mờ Trình bày đóng góp về điều khiển hệ cần cẩu treo trên cơ sở hệ mờ. Đề xuất cấu trúc điều khiển hệ thống cần cẩu treo sử dụng hai bộ mờ nối tiếp đơn giản và hiệu quả. Điều khiển thích nghi mặt trượt trên cơ sở kết hợp điều khiển trượt tầng với hệ mờ. Các bộ điều khiển đề xuất được kiểm chứng bằng mô phỏng số. Các kết quả nghiên cứu được công bố trong 2 bài báo: - Antisway tracking control for 2D overhead crane using double layer fuzzy logic controlles, Journal of Military Science and Technology, ISSN 1859-1403, Specical Issue, No. 48A, 5 – 2017. 4