(Đồ án hcmute) thiết kế bộ điều khiển chống dao động tải cho cầu trục

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO
NGÀNH CNKT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI:
THIẾT KẾ BỘ ĐIỂU KHIỂN CHỐNG DAO ĐỘNG TẢI
CHO CẦU TRỤC

GVHD
SVTH
MSSV
SVTH
MSSV
Khoá

: ThS.NGUYỄN TRẦN MINH NGUYỆT
: ĐINH ĐỨC TRUNG
: 13151111
: NGUYỄN VI CƯỜNG
: 13124007
: 2013-2017

SKL 0 0 5 0 1 0

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2017

do an

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀ NH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐÀ O TẠO CHẤT LƢỢNG CAO

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ BỘ ĐIỂU KHIỂN CHỐNG DAO ĐỘNG
TẢI CHO CẦU TRỤC

SVTH : ĐINH ĐỨC TRUNG

MSSV : 13151111

NGUYỄN VI CƢỜNGMSSV : 13124007
Khố : 2013
Ngành : Cơng nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
GVHD: ThS.NGUYỄN TRẦN MINH NGUYỆT

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2017

do an


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tƣ̣ do – Hạnh phúc
----***---Tp. Hồ Chí Minh, ngày 24 tháng 7 năm 2017

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: Đinh Đức Trung

MSSV: 13151111

Nguyễn Vi Cƣờng

13124007

Ngành: KT Điều khiển và tự động hóa

Lớp: 13151CLC

Giảng viên hƣớng dẫn: ThS.Nguyễn Trần Minh Nguyệt ĐT: 0989638457
Ngày nhận đề tài:

Ngày nộp đề tài:

1. Tên đề tài:
Thiết kế bộ điều khiển chống dao động tải cho cầu trục
2. Nội dung thƣ̣c hiện đề tài:
Thi cơng mơ hình cầu trục và mạch điện điều khiển.
Lập trình xử lý tín hiệu và giao diện HMI.
Thiết kế bộ điều khiển chống dao động.
3. Sản phẩm:
Mô hình cầu trục và các chƣơng trình điều khiển.

TRƢỞNG NGÀNH

GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN

i

do an


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tƣ̣ do – Hạnh phúc
----***----

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN

Họ và tên sinh viên: ................................ MSSV: ................................
...................................................................................................................
Ngành: ...................................................................................................................
Tên đề tài: ...................................................................................................................
Giáo viên hƣớng dẫn: .................................................................................................
NHẬN XÉT
1. Về nội dung đề tài & khối lƣợng thƣ̣c hiện:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
2. Ƣu điểm:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
3. Khuyế t điểm:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
4. Đề nghị cho bảo vệ hay không?
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
5. Đánh giá loại:
.......................................................................................................................................
6. Điểm:……………….(Bằ ng chữ …………………………)

Tp. Hồ Chí Minh, ngày

tháng

năm 20…

Giáo viên hƣớng dẫn
(Ký & ghi rõ họ tên)

ii

do an


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tƣ̣ do – Hạnh phúc
----***----

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Họ và tên sinh viên: .............................

MSSV: .............................

.......................................................................................................................................
Ngành:
.......................................................................................................................................
Tên đề tài:
.......................................................................................................................................
Giáo viên phản biện : .................................................................................................

NHẬN XÉT
1. Về nội dung đề tài & khối lƣợng thƣ̣c hiện:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
2. Ƣu điểm:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
3. Khuyế t điểm:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
4. Đề nghị cho bảo vệ hay không?
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
5. Đánh giá loại:
.......................................................................................................................................
6. Điểm:……………….(Bằ ng chữ …………………………)
Tp. Hồ Chí Minh, ngày

tháng

năm 20…

Giáo viên hƣớng dẫn

iii

do an


LỜI CẢM ƠN

Nhóm khơng thể theo đuổi và hồn thành đề tài của luận văn tốt nghiệp trong
vòng 16 tuần nếu khơng có sự giúp đỡ của những ngƣời thân và bạn bè xung quanh.
Do vậy, với trân trọng và cảm kích, nhóm xin gửi lời cảm ơn đến thầy cơ, những
ngƣời thân trong gia đình và bạn bè xung quanh đã chăm sóc, an ủi khi gặp trở ngại
và động viên nhóm để thực hiện luận văn.
Lời cảm ơn đầu tiên, chúng tôi xin chân thành gửi đến Cô Nguyễn Trần
Minh Nguyệt ngƣời đã tận tình hƣớng dẫn và truyền đạt các kiến thức giúp tơi hồn
thành luận văn này. Điều quan trọng nhất là Th.S Nguyễn Trần Minh Nguyệt
hƣớng nhóm tìm đƣợc con đƣờng nghiên cứu các thuật tốn mới có tính ứng dụng
cao ngồi thực tiễn, và rất phù hợp với sở thích và niềm đam mê của chúng tơi.
Bên cạnh đó, tơi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô trong bộ môn
Điều Khiển Tự Động: thầy Nguyễn Minh Tâm, cô Nguyễn Trần Minh Nguyệt,
thầyNguyễn Tấn Đời,…đã cho nhóm các kiến thức rất bổ ích và q giá trong q
trình học tập để ứng dụng vào nghiên cứu và phát triển đề tài này cũng nhƣ ứng
dụng vào công việc sau này.
Tôi cũng xin chân thành gửi lời cảm ơn đến tất cả các bạn đại học khóa 2013
đã động viên, giúp đỡ, trao đổi kiến thức với nhau trong suốt khóa học.
Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn sự quan tâm, hỗ trợ, tạo điều kiện và
động viên về vật chất lẫn tinh thần của các thành viên trong gia đình trong suốt thời
gian qua.
Tp.HCM, ngày 24 tháng 07 năm 2017
Nhóm thực hiện đề tài
Đinh Đức Trung
Nguyễn Vi Cƣờng

iv

do an

TÓM TẮT ĐỀ TÀI
Hệ cầu trục đã và đang đƣợc ứng dụng ngày càng rộng rãi để di chuyển
container, hàng hóa có kích thƣớc lớn từ địa điểm này đến địa điểm khác trong
nhiều khu vực khác nhau nhƣ: bến cảng, cơng trƣờng, kho hàng. Trong q trình
hoạt động, chuyển động của giàn xe là một trong những nguyên nhân chính gây ra
hiện tƣợng lắc lƣ của tải trọng, đặc biệt là quá trình tăng tốc ở đầu hành trình và khi
giảm tốc ở cuối hành trình. Việc dao động của tải khơng chỉ gây khó khăn khi di
chuyển tải tới vị trí mong muốn mà cịn gây hƣ hỏng cho tải và các cơ cấu của chính
cầu trục . Là một đối tƣợng có tính phi tuyến cao và tƣơng đối không ổn định, một
phƣơng pháp điều khiển để giảm sự dao động và xác định vị trícủa tải trọng là vấn
đề cấp thiết về mặt lý luận cũng nhƣ áp dụng vào thực tiễn. Mơ hình tốn học đƣợc
thiết lập dựa trên công thức Euler-Lagrange. Hệ thống này sử dụng tín hiệu vào của
cảm biến góc và encoder của động cơ DC. Sau đó các tín hiệu vào đƣợc xử lý bằng
board Arduino để trở thành các đại lƣợng vật lý là góc,vận tốc góc,vị trí,vận
tốc.Đây là các thông số cần thiết cho khâu hồi tiếp.Bộ điều khiển theo thuật toán
Fuzzy đƣợc thiết kế để thay đổi vị trí xe dầm theo vị trí đặt dựa trên giá trị vị trí và
vận tốc của giàn xe. Trong quá trình hoạt động,ngƣời sử dụng có thể tùy chọn bộ
điều khiển Fuzzy, PID hoặc Fuzzy tuned PID để chống dao động dựa theo giá trị
góc và vận tốc góc.Kết quả đƣợc hiển thị qua giao diện Matlab GUI và kiểm chứng
qua thực nghiệm cho thấy hiệu quả của các thuật toán chống dao động khác nhau.

v

do an


SUMMARY OF PROJECT
Gantry crane systems have been increasingly used to move large containers
and goods from one location to another in many places such as
ports,warehouses.During operation, the movement of the platform is one of the

main causes of the swaying of the load, especially the acceleration at the start
position and the deceleration at the end position.The swaying of load not only
makes it difficult to move the load to the desired position but also damage the load
and the structure of the crane itself.As a highly nonlinear and relatively unstable
object, a control approach to reduce oscillation is critical as well as practical.The
mathematical model is based on the Euler-Lagrange formula.This system uses input
signal of angle sensor and encoder of DC motor. Then the input signals are
processed by the Arduino board to become the physical quantities of angle, angular
velocity, position, velocity. These are the parameters required for the feedback
stage. Fuzzy Controller is designed to change the position of the trolley based on
the position and velocity. User can choose the Fuzzy, PID or Fuzzy tuned PID
controller prevent oscillation based on angular and angular velocity values. Results
are displayed through the Matlab GUI interface ,which shows the effectiveness of
different anti-oscillation controller.

vi

do an


MỤC LỤC
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP .................................................................. i
PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN.................................. ii
PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN .................................... iii
LỜI CẢM ƠN................................................................................................... iv
TÓM TẮT ĐỀ TÀI ............................................................................................v
SUMMARY OF PROJECT ............................................................................. vi
MỤC LỤC ....................................................................................................... vii
Danh mục hình ảnh .............................................................................................x
Danh mục bảng biểu ........................................................................................ xii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................................ xiii
CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN .............................................................................1
1.1. Lời mở đầu ..............................................................................................1
1.2. Mục tiêu đề tài .........................................................................................3
1.3. Phƣơng án thực hiện ................................................................................3
1.4. Giới hạn đề tài. ........................................................................................3
1.5. Các phƣơng pháp nghiên cứu ..................................................................4
CHƢƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT..................................................................5
2.1. Mơ tả hệ thống .........................................................................................5
2.2. Mơ hình hóa hệ thống ..............................................................................6
2.3. Lí thuyết PID ...........................................................................................8
2.3.1. Thành phần Tỉ lệ (P)......................................................................... 9
2.3.2. Thành phần Tích phân (I) ............................................................... 10
2.3.3. Thành phần Vi phân (D)................................................................. 10
2.4. Lý thuyết điều khiển mờ (Fuzzy Logic Control) ..................................11
2.4.1. Định nghĩa tập mờ .......................................................................... 11
2.4.2. Tính chất của tập hợp mờ ............................................................... 14
2.4.3. Biến mờ và biến ngôn ngữ ............................................................. 15

vii

do an


2.4.4. Mệnh đề mờ và mệnh đề hợp thành ............................................... 16
2.4.5. Các luật hợp thành .......................................................................... 17
2.4.6. Giải mờ ........................................................................................... 17
2.4.7. Hệ quy tắc mờ ................................................................................ 19
2.4.8. Xây dựng bộ điều khiển Fuzzy ...................................................... 20
2.5. Bộ điều khiển giám sát mờ (Fuzzy Tuned PD) .....................................21

2.6. Các tiêu chuẩn đánh giá chất lƣợng hệ thống điều khiển ......................22
2.6.1. Thời gian đáp ứng ts (thời gian quá độ/settling time): ................... 22
2.6.2. Độ vọt lố POT (Percent of Overshoot): ......................................... 22
2.6.3. Sai số xác lập exl (steady-state error): ............................................ 23
2.6.4. Tiêu chuẩn IAE (tích phân trị tuyệt đối của sai số)........................ 23
2.7. Giới thiệu I2C ........................................................................................24
2.8. Bộ lọc Kalman .......................................................................................25
2.8.1. Giới thiệu chung về bộ lọc Kalman................................................ 25
2.8.2. Tóm tắt lí thuyết bộ lọc Kalman..................................................... 26
CHƢƠNG 3 : THIẾT KẾ MƠ HÌNH ..............................................................29
3.1. Thiết kế phần cứng ................................................................................29
3.2. Giới thiệu linh kiện ................................................................................30
3.2.1. Arduino Mega 2560 ....................................................................... 30
3.2.2. Module GY- 521 ............................................................................ 32
3.2.3. Encoder ........................................................................................... 33
3.2.4. Động cơ DC.................................................................................... 35
3.2.5. Mạch cầu H - BTS7960 43A .......................................................... 35
3.2.6. Nguồn 24V ..................................................................................... 37
3.3. Thi cơng mơ hình ..................................................................................37
3.4. Phƣơng án thiết lập các linh kiện và lập trình xử lý tín hiệu ................39
3.4.1. Xử lí dữ liệu đọc từ cảm biến ......................................................... 39
3.4.2. Thuật toán đo tốc độ động cơ ......................................................... 41
3.4.3. Điều khiển tốc độ và chiều quay của động cơ DC ......................... 42
viii

do an


3.4.4. Giao tiếp giữa board Arduino và chƣơng trình Matlab .................. 43
CHƢƠNG 4 : THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ..................................................46

4.1. Quy trình hoạt động ...............................................................................46
4.2. Thiết kế bộ điều khiển Fuzzy Logic ......................................................48
4.2.1. Fuzzy vị trí...................................................................................... 50
4.2.2. Fuzzy góc ....................................................................................... 53
4.3. Thiết kế bộ điều khiển PD cho góc .......................................................56
4.4. Thiết kế bộ điều khiển Fuzzy Tuned PD cho góc .................................57
4.5. Giao diện HMI.......................................................................................59
CHƢƠNG 5 : KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ....................................................63
5.1. Kết quả chạy khi không tải ....................................................................63
5.2. Kết quả chạy khi tải 300g ......................................................................65
5.3. Kết quả chạy khi tải 600g ......................................................................67
5.4. Kết quả chạy khi tải 1kg ........................................................................69
CHƢƠNG 6 : KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ................................73
6.1. Kết quả đã đạt đƣợc ...............................................................................73
6.2. Các kết quả chƣa đạt đƣợc ....................................................................73
6.3. Hƣớng phát triển của đề tài ...................................................................73
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................74

ix

do an


Danh mục hình ảnh
Hình 1.1 Cầu trục mini ......................................................................................1
Hình 1.2 Cầu trục cẩu tháp .................................................................................2
Hình 2.1 Mơ hình cầu trục trong thực tế ............................................................5
Hình 2.2 Mơ hình hệ cầu trục .............................................................................7
Hình 2.3 Bộ điều khiển PID ...............................................................................9
Hình 2.4Miền xác định và miền tin cậy của tập mờ.........................................12

Hình 2.5Một sốhàm thuộc ................................................................................12
Hình 2.6Phép giao của hai tập mờ....................................................................13
Hình 2.7 Phép hợp của hai tập mờ ...................................................................13
Hình 2.8 Phép bù của tập mờ ...........................................................................14
Hình 2.9Giải mờ theo phƣơng pháp cực đại ....................................................18
Hình 2.10Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển mờ ......................................................20
Hình 2.11 Sơ đồ bộ điều khiển PID giám sát mờ .............................................21
Hình 2.12 Thời gian đáp ứng............................................................................22
Hình 2.13 Hiện tƣợng vọt lố.............................................................................23
Hình 2.14 Sai số xác lập exl khi hệ khơng cịn dao động..................................23
Hình 2.15 Giá trị IAE .......................................................................................24
Hình 2.16 Bus I2C và các thiết bị ngoại vi ......................................................24
Hình 2.17 Truyền nhận giữa thiết bị chủ và tớ ( Master – Slave ) ...................25
Hình 2.18 Tóm tắt các phƣơng trình trong Kalman .........................................28
Hình 3.1 Mặt sau mơ hình ................................................................................29
Hình 3.2 Mặt trƣớc mơ hình .............................................................................29
Hình 3.3 Sơ đồ khối và linh kiện sử dụng. .......................................................30
Hình 3.4Board Arduino Mega ..........................................................................31
Hình 3.5 Module GY521 ..................................................................................33
Hình 3.6 Cấu tạo của encoder ..........................................................................34
Hình 3.7 Ngun lí hoạt động encoder.............................................................34
Hình 3.8Động cơ DC Nisca..............................................................................35
Hình 3.9 Nguyên lý hoạt động của mạch cầu H...............................................36
Hình 3.10Mạch cầu H - BTS7960 43A ............................................................36
Hình 3.11 Nguồn tổ ong 24V ...........................................................................37
Hình 3.12 Mơ hình cầu trục sau khi thi cơng ...................................................38
Hình 3.13 Xe dầm chứa động cơ encoder và cơ cấu dao động ........................38
Hình 3.14 Sơ đồ nối dây ...................................................................................39
Hình 3.15 Xung khi sử dụng với hàm analogWrite trong Arduino .................42

x

do an


Hình 3.16 So sánh hai chuẩn giao tiếp Parallel(trên) và Serial(dƣới) ..............44
Hình 4.1 Lƣu đồ giải thuật hệ thống. ...............................................................46
Hình 4.2 Mơ hình simulink tổng qt hệ thống ...............................................47
Hình 4.3 Tọa độ các đỉnh của dạng hình thang và tam giác ............................49
Hình 4.4 Tọa độ các đỉnh trong hàm liên thuộc ...............................................49
Hình 4.5 Đồ thị hàm liên thuộc của biến sai số vị trí (Input 1) ........................50
Hình 4.6 Đồ thị hàm liên thuộc của biến vận tốc xe dầm (Input 2) .................50
Hình 4.7 Đồ thị hàm liên thuộc của biến tín hiệu điều khiển theo vị trí ..........50
Hình 4.8 Đồ thị hàm liên thuộc của góc (Input 1)............................................53
Hình 4.9 Đồ thị hàm liên thuộc của vận tốc góc (Input 2) ...............................53
Hình 4.10 Đồ thị hàm liên thuộc của tín hiệu điều khiển theo góc ..................54
Hình 4.11Mơ hình simulink PD .......................................................................56
Hình 4.12 Mơ hình simulink Fuzzy tuned PD .................................................57
Hình 4.13 Đồ thị hàm liên thuộc của góc trong Fuzzy D(Input 1) ..................58
Hình 4.14 Đồ thị hàm liên thuộc của vận tốc góc trong Fuzzy D(Input 2) ......58
Hình 4.15 Đồ thị hàm liên thuộc của giá trị thay đổi Kd trong Fuzzy D .........58
Hình 4.16 Giao diện HMI trong Matlab ...........................................................60
Hình 5.1 Kết quả chạy - không tải - không chống dao động............................63
Hình 5.2 Kết quả chạy - khơng tải – chống dao động Fuzzy Logic .................63
Hình 5.3 Kết quả chạy - khơng tải – chống dao động PD ................................64
Hình 5.4 Kết quả chạy - không tải – chống dao động Fuzzy Tuned PD ..........64
Hình 5.5 Kết quả chạy - tải 300g – khơng chống dao động .............................65
Hình 5.6 Kết quả chạy - tải 300g – chống dao động Fuzzy Logic ...................65
Hình 5.7 Kết quả chạy - tải 300g – chống dao động PD ..................................66
Hình 5.8 Kết quả chạy - tải 300g – chống dao động Fuzzy Tuned PD ............66

Hình 5.9 Kết quả chạy - tải 600g – không chống dao động .............................67
Hình 5.10 Kết quả chạy - tải 600g – chống dao động Fuzzy Logic .................67
Hình 5.11 Kết quả chạy - tải 600g – chống dao động PD ................................68
Hình 5.12 Kết quả chạy - tải 600g – chống dao động Fuzzy Tuned PD ..........68
Hình 5.13 Kết quả chạy - tải 1kg – khơng chống dao động .............................69
Hình 5.14 Kết quả chạy - tải 1kg – chống dao động Fuzzy Logic ...................69
Hình 5.15 Kết quả chạy - tải 1kg – chống dao động PD ..................................70
Hình 5.16 Kết quả chạy - tải 1kg – chống dao động Fuzzy Tuned PD ............70

xi

do an


Danh mục bảng biểu
Bảng 2.1 Bảng thông số của hệ thống ................................................................6
Bảng 3.1 Chức năng của các khối ....................................................................30
Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật Arduino Mega .....................................................31
Bảng 4.1 Các biến mờ trong Fuzzy vị trí .........................................................51
Bảng 4.2 Luật của Fuzzy vị trí .........................................................................52
Bảng 4.3 Các biến mờ trong Fuzzy góc ...........................................................54
Bảng 4.4 Luật của Fuzzy góc ...........................................................................55
Bảng 4.5 Các biến mờ trong Fuzzy tuned PD ..................................................59
Bảng 4.6 Luật của Fuzzy tuned PD ..................................................................59
Bảng 5.1 So sánh kết quả điều khiển từ 5 đến 95 cm.......................................71

xii

do an

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
PID: Proportional-Integral-Derivative
PWM : Pulse-width modulation
NE: Negative
ZE: Zero
PO: Positive
NB: Negative Big
NS:Negative Small
ZE: Zero
PS: Positive Small
PB: Positive Big
I2C: Inter- Intergrated Circuit
HMI: Human machine interface.
IAE : Integral of the Absolute Magnitude of the Error
POT: Percent of overshoot

xiii

do an


CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN

CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN
1.1. Lời mở đầu
Cầu trục là một thiết bị, hệ thống đƣợc con ngƣời sử dụng để giúp con ngƣời
vận chuyển,cầm hay nâng các hàng hóa nặng, kho hàng, container (tải trọng) đến
các vị trí mong muốn nhanh và chính xác. Đƣợc sử dụng chủ yếu trong các bến
cảng, nhà máy lớn, các tịa nhà, cơng trình xây dựng hay trong nhà kho. Một cầu

trục đƣợc trang bị dây cẩu hay ròng rọc để có thể nâng hạ tải và một cơ cấu di
chuyển theo chiều ngang. Cầu trục hoạt động đơn giản mà có thể giúp con ngƣời di
chuyển tải trọng vƣợt quá khả năng. Cầu trục, cần cẩuđầu tiên đƣợc thiết kế bởi
ngƣời Hy Lạp cổ đại. Các phiên bản đầu của cần cẩu đƣợc vận hành bằng sức mạnh
con ngƣời hoặc động vật nhƣ con lừa.Ngƣời Hi Lạp cổ đại đƣợc cho là đã sử dụng
các cần cẩu này trong việc. Ngày nay trong thế giới hiện đại với nhu cầu di chuyển
tải trọng lớn, nặng khơng thể xử lí bằng lao động con ngƣời. Vì thế cầu trục trở nên
cực kì quan trọng.Cầu trục bao gồm một cơ chế nâng, hạ và một cơ cấu hỗ trợ. Dây
cáp với tải treo trên, móc đƣợc treo từ một điểm trên cơ chế hỗ trợ. Cơ chế hỗ trợ
cũng đƣợc gọi là xe đẩy hay cầu giàn đƣợc thiết kế gần đây lớn hơn, có khả năng
nâng cao hơn sẽ di chuyển tải trọng xung quanh không gian làm việc. Cơ chế nâng,
hạ để nâng hạ các tải và định vị tải ở vị trí mong muốn.
Do sự đa dạng của kết cấu và phƣơng pháp điều khiển, có rất nhiều cách khác
nhau để phân loại cầu trục, cụ thể cầu trục có thể phân loại theo: cơng dụng, kết cấu
dầm, cách tựa của dầm chính, cách bố trí cơ cấu di chuyển, nguồn dẫn động, vị trí
điều khiển và tải trọng nâng.Có các loại cầu trục nhƣ:

Hình 1.1 Cầu trục mini

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

1

do an


CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN

Hình 1.2Cầu trục cẩu tháp
Trong quá trình di chuyển tải trọng tải dao động tự do giống nhƣ dao động của

con lắc để đạt đƣợc năng suất cao và tuân thủ sự an toàn yêu cầu bộ điều khiển hiệu
quả trong việc chống dao động. Hầu hết các kiểm soát chống dao động đƣợc thực
hiện khéo léo bằng tay kết hợp với trực giác, kinh nghiệm và kỹ năng của ngƣời sử
dụng để tải treo trên cáp cẩu bằng cách dừng xe đẩy gần vị trí mong muốn và sau đó
để cho tải trọng ngừng dao động dần dần. Tuy nhiên điều này đặt ra một số vấn đề
thực tếnhƣ sự mệt mỏi của ngƣời sử dụng mà có thể ảnh hƣởng đáng kể hiệu suất và
hoạt động của hệ cầu trục. Vì thế chống dao động của tải trọng có thể hạn chế bằng
cách nghiên cứu, phát triển các thuật toán điều khiển cho hệ cầu trục xác định góc
dao động của tải,vị trí của tải để hệ thống đƣa ra tín hiệu điều khiển đƣa tải về vị trí
cân bằng.
Trong những thập niên gần đây rất nhiều cơng trình nghiên cứu về điều khiển
cầu trục đƣợc cơng bố lẫn lí thuyết và thực tế. Theo đó, một số kỹ thuật điều khiển
đã đƣợc áp dụng từ những kỹ thuật đơn giản nhƣ điều khiển tuyến tính Sakawa [5]
đã xây dựng luật điều khiển tuyến tính nhờ sử dụng phƣơng pháp phản hồi trạng
thái và phân bố điểm cực. Kim [6] đã sử dụng thƣớc đo độ nghiêng đơn giản thay
cho cảm biến góc lắc để đo góc lắc của khối lƣợng hàng. Trên cơ sở đó, bộ quan sát
phi tuyến đã đƣợc thiết kế để ƣớc lƣợng vận tốc của góc lắc khối lƣợng hàng và
chuyển động của xe con. Sau đó, bộ điều khiển hồi tiếp trạng thái đã đƣợc thiết kế
với thông tin trạng thái hệ thống đƣợc thu nhận từ bộ quan sát. Phƣơng pháp điều
khiển thích nghi cho hệ thống cầu trục cũng đã nhận đƣợc sự quan tâm trong những
năm gần đây. Hua [7] phát triển phƣơng pháp điều khiển phi tuyến bằng việc tích

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

2

do an


CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN

hợp bộ thích nghi tham số cho mơ hình cầu trục hai chiều với chiều dài cáp không
đổi một số mở rộng của phƣơng pháp điều khiển thích nghi cho cầu trục đƣợc thực
hiện bởi Yang [8], trong đó bộ điều khiển thích nghi đƣợc thiết kế cho hệ cầu trục
ba chiều mà không cần bất kỳ thông tin nào về các tham số của cầu trục. Nalley và
Trabia [9] đã xây dựng cấu trục hệ thống điều khiển sử dụng logic mờ cho điều
khiển vị trí và điều khiển giảm góc lắc. Những ƣu điểm của Logic mờ là khơng cần
mơ hình dạng số và là hệ thống động nhằm cải thiện sự thông minh của hệ thống
làm việc trong mơi trƣờng nhiễu, khơng chính xác.Bên cạnh đó, bộ điều khiển
truyền thống PID và bộ điều khiển kết hợp Fuzzy tuned PID cũng đƣợc áp dụng để
tăng tính đa dạng cho đề tàivà so sánh hiệu quả của các bộ điều khiển khác nhau.
1.2. Mục tiêu đề tài
-

-

Mục tiêu của đề tài này là xây dựng bộ điều khiển Fuzzy, PID, Fuzzy
tuned PID cho hệ cầu trục,tự động hóa khả năng điều khiển vị trí xe dầm
và loại bỏ dao động của tải trọng khi vận hành.
Bộ điều khiển chống dao động đƣợc áp dụng trên mơ hình cầu trục thực,
thơng qua giao tiếp giữa hệ thống thực và máy tính.

1.3. Phƣơng án thực hiện
-

Thi cơng mơ hình cầu trục.
Xác định mơ hình tốn học của hệ thống cầu trục.
Nghiên cứu, lập trình trên board Adruino và Mathlab.
Thiết kế giao diện điều khiển và giám sát.
Thiết lập bộ điều khiển Fuzzy, PID, Fuzzy tuned PID.

Tiến hành chạy thực nghiệm, phân tích đáp ứng của hệ thống.

1.4. Giới hạn đề tài.
-

Do mơ hình thử nghiệm nhỏ nên chƣa kiểm chứng khi gặp khối lƣợng lớn.
Tập trung vào việc loại bỏ sự dao động nên việc điều khiển chính xác vị
trí giàn xe khơng đƣợc chú trọng.
Hệ thống chỉ di chuyển trên một chiều và khơng có cơ cấu nâng hạ.
Điều khiển và thu thập dữ liệu bằng máy tính,khơng có bộ điều khiển từ
xa đƣợc đơn giản hóa.

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

3

do an


CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN

1.5. Các phƣơng pháp nghiên cứu
 Xây dựng mơ hình lý thuyết gồm có:
- Xây dựng mơ hình hóa của cầu trục
- Khảo sát tài liệu, tìm hiểu các tài liệu liên quan đến đến đề tài nhƣ điều
khiển cầu trục, điều khiển phi tuyến.
- Khảo sát cầu trục thực tế và các mơ hình cầu trục thƣờng đƣợc sử dụng
trong phịng thí nghiệm.
 Tiếp cận mơ hình thực:
- Thiết kế khung cơ khí cho hệ thống

- Xây dựng tủ điện cho hệ thống ( bộ nguồn, board Adruino, mạch cầu H)
và nối dây.
- Nghiên cứu cách lập trình trong chƣơng trình Arduino IDE và Matlab
- Nghiên cứucơng cụ Fuzzy Logic có sẵn trong Matlab để áp dụng vào mơ
hình thực.

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

4

do an


CHƢƠNG 2 . CƠ SỞ LÝ THUYẾT

CHƢƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Mô tả hệ thống
Cầu trục là tên gọi chung của máy trục kiểu cầu, di chuyển trên đƣờng ray cố
định trên kết cấu kim loại hoặc tƣờng cao để vận chuyển các vật trong khoảng
không (khẩu độ) giữa đƣờng ray đó (trục gầm).

Hình 2.1 Mơ hình cầu trục trong thực tế
Xét về đặc điểm cấu tạo, cầu trục là một loại máy trục có phần kết cấu thép
(dầm chính) liên kết với hai dầm ngang (dầm cuối), trên hai dầm ngang này có các
bánh xe để di chuyển trên đƣờng. Cầu trục đƣợc sử dụng rất rộng rãi và tiện dụng
để nâng hạ vật nặng, hàng hóa trong các nhà xƣởng, phân xƣởng cơ khí, nhà kho
bến bãi…
Dầm cầu đƣợc gọi là dầm chính thƣờng có kết cấu hộp hoặc giàn, có thể có
một hoặc hai dầm, trên đó có xe con và cơ cấu nâng di chuyển qua lại dọc theo dầm
chính. Hai dầu của dầm chính liên kết hàn hoặc đinh tán với hai dầm cuối, trên mỗi

dầm cuối có các cụm bánh xe, cụm bánh xe chủ động và cụm bánh xe bị động. Nhờ
cơ cấu di chuyển cầu và kết hợp cơ cấu di chuyển xe con (hoặc pa lăng) mà cầu trục
có thể nâng hạ vật ở bất cứ vị trí nào trong không gian phía dƣới mà cầu trục bao
quát.
Nhƣ vậy, xét về tổng thể, cầu trục trong mơ hình này gồm có phần kết cấu
thép (dầm chính, dầm cuối, sàn công tác), hệ thống thiết bị dẫn điều khiển và các cơ
cấu chuyển động nhƣ xe con và cơ cấu di chuyển xe con thực hiện nhiệm vụ di
chuyển xe con và hàng hóa theo trục ngang hoặc dọc. Là bộ phận chuyển động trên
đƣờng ray trên xe cầu, trên đó có đặt cơ cấu nâng hạ và cơ cấu di chuyển cho xe

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

5

do an


CHƢƠNG 2 . CƠ SỞ LÝ THUYẾT

con. Tùy theo công dụng của cầu trục mà trên xe con có một hoặc hai, ba cơ cấu
nâng hạ, gồm một cơ cấu nâng chính và một hoặc hai cơ cấu nâng phụ. Xe con di
chuyển trên xecầu và xe cầu di chuyển dọc theo phân xƣởng hoặc nhà máy sẽ đáp
ứng việc vận chuyển hàng hóa đến mọi nơi trong phân xƣởng.
2.2. Mơ hình hóa hệ thống
Xét hệ cầu trục đƣợc minh hoạt trong hình 2.2 tải trọng đƣợc giữ bởi cơ cấu
nhƣ móc, kẹp (spreader) và cả hai đƣợc liên kết với xe đẩy (trolley) thơng quamột
dây có chiều dài l. Lực điều khiển fx đƣợctác động vào giàn xe với mục đích đƣa
giàn xe đến vịtrí mong muốn, đồng thời hạn chế tối đa hiện tƣợnglắc lƣ ở tải trọng
trong quá trình di chuyển. Trongthực tế, một hệ cần cẩu container tiêu chuẩn sẽ
sửdụng bốn dây thừng để liên kết ngàm kẹp với xe đẩy.Tuy nhiên, trong đồ án này

để đơn giản hóa,tải trọng và xe con đƣợc liên kết chỉ một dây treo cókhối lƣợng
khơng đáng kể. Giả thiết rằng, chuyểnđộng của giàn xe và chuyển động lắc của tải
trongnằm trong cùng một mặt phẳng OXY. Khơng mất tính tổng quát, giả thiết rằng
-

Dây treo tải có khối lƣợng không đáng kể
Chiều dài dây là hằng số trong suốt quá trình hoạt động
Các thành phần ma sát trong chuyển động của xe có thể bỏ qua
Thơng số
mt
mp
l

Mơ tả
Khối lƣợng giàn xe
Khối lƣợng tải
Chiều dài dây cáp giữa xe con và
tải

Bảng 2.1 Bảng thông số của hệ thống

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

6

do an


CHƢƠNG 2 . CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2.2Mơ hình hệ cầu trục
Dựa trên chuyển động của xe cũng nhƣ dao động củatải, động năng T và thế
năng U của hệ cần cẩu theo nhƣ hình 2.2 vị trí của tải có tọa độ nhƣ sau:
x p  x  l sin 

z p  l cos 








x p  x  l sin   l. cos 






z p   l cos   l. sin 

Động năng của vật nặng đầu con lắc:
Tp 



1
m p v 2p

2





với v 2p  x p 2  z p 2




1
  

m p ( x  l sin   l. cos  ) 2  ( l cos   l. sin  ) 2 
2



2
 


2
2
1
 m p ( x  2. x . l .sin   2. x .l. .cos   l  l. )
2

Động năng của xe

2
1
Tt  mt . x
2

Động năng của hệ thống :
T  Tp  Tt

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

7

do an


CHƢƠNG 2 . CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2
2
2
 

1
1
1
 (mp  mt ) x  mp (l. )  mp (l )  mp . x(l .sin   l. .cos  )
2
2
2

Thế năng của hệ thống bằng thế năng vật nặng đầu con lắc
U  mp .g.l.cos 

Phƣơng trình Lagrange
2
2
2
 

1
1
1
L  T  U  (m p  mt ) x  m p (l. )  m p (l )  m p . x(l .sin   l. .cos  )
2
2
2
 m p .g.l.cos 

d  L  L U


 Fi
dt   q  q  q


d  L  L
F


dt   x  x

d  L  L
0


dt     






 

2

 (m p  mt ) x  m p . l .sin   m p .l  .cos   2.m p . l  cos   m pl. .sin   Fx




 

 m p .l. x .cos   m p .l 2 .  2m p .l. l .  m p .g.l.sin   0

2.3. Lí thuyết PID
Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ PID (Proportional Integral Derivative) là một
cơ chế phản hồi vòng điều khiển tổng quát đƣợc sử dụng rộng rãi trong các hệ thống
điều khiển công nghiệp. Một bộ điều khiển PID tính tốn một giá trị “sai số” là hiệu
số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt mong muốn. Bộ điều khiển sẽ thực
hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào. Các thông

số PID sử dụng trong tính tốn phải điều chỉnh theo tính chất, đặc thù của hệ thống.

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

8

do an


CHƢƠNG 2 . CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2.3 Bộ điều khiển PID
Giải thuật tính tốn bộ điều khiển PID bao gồm 3 thông số riêng biệt: các giá
trị tỉ lệ, tích phân, đạo hàm, viết tắt là P, I, D. Giá trị tỉ lệ xác định tác động của sai
số hiện tại, giá trị tích phân xác định tác động của tổng các sai số quá khứ, và giá trị
vi phân xác định tác động của tốc độ biến đổi sai số.Vài ứng dụng có thể yêu cầu
chỉ sử dụng một hoặc hai khâu tuỳ hệ thống, và sẽ đƣợc gọi bằng P, PI, PD hoặc I
nếu vắng mặt các tác động bị khuyết.
t

u(t )  K P e(t )  K D

de(t )
 K I  e(t )
dt
0

Trong đó u là tín hiệu điều khiển và e là sai lệch điều khiển .
2.3.1. Thành phần Tỉ lệ (P)
u(t )  K P e(t )

Tác động của thành phần tích phân đơn giản là tín hiệu điều khiển tỉ lệ tuyến
tính với sai lệch điều khiển. Ban đầu, khi sai lệch lớn thì tín hiệu điều khiển lớn. Sai
lệch giảm dần thì tín hiệu điều khiển cũng giảm dần. Khi sai lệch 𝑒(𝑡) = 0 thì 𝑢(𝑡) =
0. Một vấn đề là khi sai lệch đổi dấu thì tín hiệu điều khiển cũng đổi dấu. Thành
phần P có ƣu điểm là tác động nhanh và đơn giản. Hệ số tỉ lệ K P càng lớn thì tốc độ
đáp ứng càng nhanh, do đó thành phần P có vai trị lớn trong giai đoạn đầu của quá
trình quá độ.
Tuy nhiên, khi hệ số tỉ lệ K P càng lớn thì sự thay đổi của tín hiệu điều khiển
càng mạnh dẫn đến dao động lớn, đồng thời làm hệ nhạy cảm hơn với nhiễu đo.
Hơn nữa, đối với đối tƣợng khơng có đặc tính tích phân thì sử dụng bộ P vẫn tồn tại
sai lệch tĩnh.

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

9

do an


CHƢƠNG 2 . CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.3.2. Thành phần Tích phân (I)
t

u(t )  K I  e(t )
0

Với thành phần tích phân, khi tồn tại một sai lệch điều khiển dƣơng, luôn làm
tăng tín hiệu điều khiển, và khi sai lệch là âm thì ln làm giảm tín hiệu điều khiển,

bất kể sai lệch đó là nhỏ hay lớn. Do đó, ở trạng thái xác lập, sai lệch bị triệt tiêu
𝑒(𝑡) = 0. Đây cũng là ƣu điểm của thành phần tích phân. Nhƣợc điểm của thành
phần tích phân là do phải mất một khoảng thời gian để đợi 𝑒(𝑡) về 0 nên đặc tính tác
động của bộ điều khiển sẽ chậm hơn. Ngoài ra, thành phần tích phân đơi khi cịn
làm xấu đi đặc tính động học của hệ thống, thậm chí có thể làm mất ổn định.
Ngƣời ta thƣờng sử dụng bộ PI hoặc PID thay vì bộ I đơn thuần vừa để cải
thiện tốc độ đáp ứng, vừa đảm bảo yêu cầu động học của hệ thống.
2.3.3. Thành phần Vi phân (D)
u(t )  K D

de(t )
dt

Mục đích của thành phần vi phân là cải thiện sử ổn định của hệ kín. Do động
học của quá trình, nên sẽ tồn tại một khoảng thời gian trễ làm bộ điều khiển chậm
so với sự thay đổi của sai lệch 𝑒(𝑡) và đầu ra 𝑦(𝑡) của quá trình. Thành phần vi phân
đóng vai trị dự đốn đầu ra của q trình và đƣa ra phản ứng thích hợp dựa trên
chiều hƣớng và tốc độ thay đổi của sai lệch 𝑒(𝑡), làm tăng tốc độ đáp ứng của hệ.
Một ƣu điểm nữa là thành phần vi phân giúp ổn định một số q trình mà
bình thƣờng khơng ổn định đƣợc với các bộ P hay PI. Nhƣợc điểm của thành phần
vi phân là rất nhạy với nhiễu đo hay của giá trị đặt do tính đáp ứng nhanh nêu ở trên
Do từng thành phần của bộ PID có những ƣu nhƣợc điểm khác nhau, và không
thể đồng thời đạt đƣợc tất cả các chỉ tiêu chất lƣợng một cách tối ƣu, nên cần lựa
chọn, thỏa hiệp giữa các yêu cầu chất lƣợng và mục đích điều khiển. Việc lựa chọn
tham số cho bộ điều khiển PID cũng phụ thuộc vào đối tƣợng điều khiển và các
phƣơng pháp xác định thông số. Tuy nhiên, kinh nghiệm cũng là một khâu quản
trọng trong khâu này.
Có nhiều phƣơng pháp để lựa chọn tham số cho bộ điều khiển PID. Ở đây, vì
giới hạn về mặt nội dung nên chỉ trình bày về phƣơng pháp phổ biến hay dùng, đó
là phƣơng pháp dựa trên đặc tính quá độ của quá trình thu đƣợc từ thực nghiệm

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

10

do an