Điều khiển hệ thống cần trục không cảm biến

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
ĐOÀN XUÂN NAM

ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG CẦN TRỤC
KHÔNG CẢM BIẾN
S

K

C

0

0

3

9

5

9

NGÀNH: THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250

S KC 0 0 3 9 3 3

Tp. Hồ Chí Minh, 2012


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
ĐOÀN XUÂN NAM

ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG CẦN TRỤC
KHÔNG CẢM BIẾN

Chuyên ngành: Thiết bị mạng và nhà máy điện
Mã ngành:

60 52 50

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 12/2012


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:
Họ & tên: Đoàn Xuân Nam
Giới tính: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 10/12/1985
Nơi sinh: Gia Lai

Quê quán: Thái Bình
Dân tộc: Kinh
Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 40 Phù Đổng, phường Phù Đổng, Tp. Pleiku
Điện thoại cơ quan: 061722185
Điện thoại nhà riêng: 01254587074
Fax:

E-mail:

II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1.Đại học:
Hệ đào tạo: Chính Quy. Thời gian đào tạo từ 09/2004 đến 05/2009
Nơi học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh
Ngành học: Điện Khí Hóa và Cung Cấp Điện
2. Cao học:
Hệ đào tạo: Chính qui. Thời gian đào tạo từ 2/2010 đến 2/2012
Nơi học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh
Ngành học: Thiết Bị Mạng và Nhà Máy Điện
Tên đề tài: Điều Khiển Hệ Thống Cần Trục Không Cảm Biến
Ngày & nơi bảo vệ: Tháng 1/2013, tại Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí
Minh
Người hướng dẫn: TS. Ngô Văn Thuyên
III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI
HỌC:
Thời gian
Từ 09/2009 đến
10/2011
Từ 12/2011 đến
12/2012

Nơi công tác

Nhiệm vụ

Đại Học Công Ngiệp Thực Phẩm Tp. HCM

Giáo viên

Tổng Công Ty Tư Vấn Thiết Kế Dầu Khí

Nhân viên

Tp. HCM, ngày 15 tháng 1 năm 2013
Người khai ký tên

Đoàn Xuân Nam


Lời Cam Đoan
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố
trong bất kỳ công trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 02 năm 2013
Tác giả luận văn

Đoàn Xuân Nam

i

Lời Cảm Ơn
Để hoàn thành được đề tài này, trước hết học viên xin gửi lời cảm ơn chân thành
nhất tới thầy TS. Ngô Văn Thuyên, thầy đã định hướng và hỗ trợ về phương tiện,
thiết bị cũng như động viên, khích lệ tinh thần làm việc của học viên trong suốt thời
gian thực hiện đề tài.
Bên cạnh đó, học viên cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới tất cả quí Thầy Cô trường
Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh đã trang bị cho học viên lượng kiến
thức rất bổ ích, đặc biệt xin chân thành cảm ơn quí Thầy Cô Khoa Điện – Điện Tử
đã tạo điều kiện thuận lợi và hỗ trợ cho học viên rất nhiều trong quá trình học tập
cũng như trong thời gian làm luận văn này.
Học viên xin gởi lời cảm ơn chân thành nhất đến đồng nghiệp, gia đình, bạn bè đã
giúp đỡ cho học viên rất nhiều, đã tạo cho học viên niềm tin và nỗ lực cố gắng để
hoàn thành luận văn này.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 02 năm 2013
Tác giả luận văn

Đoàn Xuân Nam

ii


Tóm Tắt Luận Văn
Cần trục được sử dụng rộng rãi để vận chuyển vật nặng và vật liệu độc hại trong các
nhà máy hạt nhân, xí nghiệp như đóng tàu, xây dựng nhà cao tầng…Việc vận
chuyển bằng cần trục đòi hỏi phải nhanh chóng và để đảm bảoan toàn thì dao động
ở tải không quá lớn trong suốt quá trình vận chuyển.
Trong điều khiển chống dao động hệ thống cần trục, cảm biến thường được dùng để
đo lường vị trí và góc dao động của tải. Hai tín hiệu đo lường này sẽ được phản hồi
về hai bộ điều khiển riêng biệt để điều khiển xe chạy tới đúng vị trí và đảm bảo cho
góc dao động luôn ổn định và dập tắt khi xe chạy đến vị trí đặt. Tuy nhiên, cảm biến

đo lường góc dao động tải trong các hệ thống thực tế có những trở ngại: chi phí đầu
tư cao, khó lắp đặt nhất là với những cần trục có cơ cấu nâng hạ, thường xuyên bảo
trì sữa chữa…
Mục tiêu của đề tài là không dùng cảm biến đo lường góc mà vẫn điều khiển tự
động được hệ thống cần trục hoạt động theo đúng yêu cầu. Ngoài ra, dòng điện làm
việc của động cơ luôn được điều chỉnh trong phạm vi dòng điện định mức để tránh
hiện tượng quá tải làm cho dòng này tăng quá mức cho phép.
Mô hình toán học của cầu trục được xây dựng dựa trên các phương trình vật lý và
định luật Newton thông qua phép biến đổi Laplace.Mô hình này được sử dụng để
mô phỏng đáp ứng của cần trục theo các phương pháp điều khiển: điều khiển với
hai bộ PID, điều khiển với hai bộ PID có điều khiển dòng điện, điều khiển không
cảm biến bằng mạng nơron.
Các kết quả mô phỏng và thí nghiệm trên mô hình thựccho thấy rằng phương pháp
điều khiển không cảm biến bằng mạng nơroncókết quả tương tự như điều khiển có
cảm biến thực.Khâu điều khiển dòng điện cho phép điều chỉnh linh hoạt dòng làm
việc cũng như dòng khởi động của động cơ.

iii


Abstract
Cranes are widely used in various applications such as heavy loads transportation
and hazardous materials handling in shipyards, in factories, in nuclear installations
and in high building constructions. The transportation by crane requires as fastas
possible and, at the same time, the load swing is kept small during the transfer
process andcompletely vanishes at the load destination.
In anti-swing feedback control of automatic gantry crane system, sensors are
normally employed to detect trolley position and payload swing angle. Two
measurement signals will be feedback on two separate controllers to control the
trolley to the correct position, ensure swing angle stability, and extinguish when

driving to the location. However, the sensors measure the payload swing angle in
real systems there are obstacles: the high investment costs, difficult to install
especially with the crane lifting structure, difficult to maintenance and repair, etc.
The goal of thesis is sensor-less anti-swing control method for automatic gantry
crane system. In addition, the motor working current always be adjusted in the
range of the rated current to avoid increase excessive when overloading.
Mathematical model of the gantry crane is based on the physical equations and
Newton's laws through the Laplace transform. This model is used to simulate the
response of the gantry crane control methods: two PID controllers, two PID
controllers with current controller, sensor-lesscontrol using soft sensor by neural
networks.
The simulation and experimental results on real models showed that using softsensor by neural networks similar to real sensors. Loop current controller allows
adjustment of flexible motor working current, as well as the motor starting current.

iv


Mục Lục
Trang

Trang tựa
Quyết Định Giao Đề Tài
Lý Lịch Khoa Học
Lời Cam Đoan ........................................................................................................... i
Lời Cảm Ơn .............................................................................................................. ii
Mục Lục .....................................................................................................................v
Danh Sách Các Hình ............................................................................................... ix
Chương 1. Tổng Quan ..............................................................................................1
1.1. Giới thiệu chung .................................................................................................1
1.2. Phương pháp tiếp cận điều khiển cần trục ..........................................................3

1.3. Mục tiêu và giới hạn của đề tài ...........................................................................6
1.4. Phương pháp nghiên cứu ....................................................................................6
1.5. Nội dung luận văn ...............................................................................................6
Chương 2. Cơ Sở Lý Thuyết ....................................................................................7
2.1. Mô tả hệ thống sử dụng ......................................................................................7
2.2. Mô hình toán học của hệ thống cần trục .............................................................8
2.2.1. Mô hình động cơ DC ...............................................................................9
2.2.2. Mô hình xe ...............................................................................................9
2.2.3. Mô hình của tải ......................................................................................10
2.3. Mô hình mô phỏng của hệ thống cần trục ........................................................12

v


2.4. Mạng nơron nhân tạo (Artifical Neural Networks_ ANN)...............................13
2.4.1. Hàm tổng hợp ........................................................................................14
2.4.2. Hàm kích hoạt........................................................................................15
2.4.3. Giải thuật lan truyền ngược ...................................................................16
2.4.4. Minh họa giải thuật lan truyền ngược trong huấn luyện mạng nơron
nhiều lớp ................................................................................................18
Chương 3. Các Phương Pháp Điều Khiển ............................................................24
3.1. Phương pháp điều khiển với hai khâu PID .......................................................24
3.2. Phương pháp điều khiển với hai khâu PID có điều khiển dòng điện ..............27
3.3. Phương điều khiển không cảm biến..................................................................31
3.3.1. Phương pháp luận ..................................................................................31
3.3.2. Xây dựng phần mềm cảm biến bằng mạng nơron .................................32
Chương 4. Điều Khiển Hệ Thống Thực ................................................................41
4. 1. Sơ lược về mô hình thí nghiệm hệ thống thực ..................................................41
4. 2. Thiết kế phần cứng............................................................................................42
4. 3. Điều khiển với hai khâu PID ............................................................................45

4.3.1. Thiết kế bộ điều khiển PID góc dao động .............................................46
4.3.2. Thiết kế bộ điều khiển PID vị trí ...........................................................47
4.3.3. Kết quả thực nghiệm .............................................................................48
4. 4. Điều khiển với hai khâu PID có điều khiển dòng .............................................50
4. 5. Điều khiển không cảm biến mạng nơron ..........................................................53
4. 6. Giao diện đồ họa ...............................................................................................57
Chương 5. Kết Luận Và Hướng Phát Triển Đề tài ..............................................59

vi


5.1. Kết luận .............................................................................................................59
5.2. Hướng phát triển đề tài .....................................................................................60
Tài Liệu Tham Khảo ...............................................................................................61
Phụ Lục ....................................................................................................................64

vii


Danh Sách Các Chữ Viết Tắt
PID

: Bộ điều khiển PID (Proportional Integral Derivative)

PWM

: Phương pháp điều rộng xung (Pulse width modulation)

BPA

: Giải thuật lan truyền ngược (Back propagation algorithm)

ANN

: Mạng nơron nhân tạo (Artifical Neural Networks)

viii


Danh Sách Các Hình
Hình

Trang

Hình 1.1. Cần trục giàn ...............................................................................................2
Hình 1.2. Cần trục quay ..............................................................................................2
Hình 2.1. Mô hình cần trục .........................................................................................8
Hình 2.2. Mô hình động cơ DC ...................................................................................8
Hình 2.3. Sơ đồ khối động cơ DC ...............................................................................9
Hình 2.4. Sơ đồ khối điều khiển vòng hở hệ thống cần trục .....................................12
Hình 2.5. (a) kết quả mô phỏng vị trí xe, (b) kết quả mô phỏng góc dao động tải. ..12
Hình 2.6. Cấu trúc một nơron sinh học .....................................................................13
Hình 2.7. Cấu trúc mạng nơron nhân tạo ..................................................................14
Hình 2.8. Cấu trúc một nơron nhân tạo .....................................................................14
Hình 2.9. Cấu trúc mạng với 3 nơron lớp vào, 2 nơron lớp ẩn và 1 nơron lớp ra ....18
Hình 2.10. Mô tả tín hiệu vào ra tại một nơron.........................................................18
Hình 2.11. Tính toán dữ liệu tại lớp vào ...................................................................19
Hình 2.12. Tính toán dữ liệu tại lớp ẩn .....................................................................19
Hình 2.13. Tính toán dữ liệu tại lớp ra ......................................................................20
Hình 2.14. Tính toán sai số đầu ra mạng nơron ........................................................20

Hình 2.15. Mô tả quá trình lan truyền ngược sai số sang lớp ẩn ..............................21
Hình 2.16. Mô tả quá trình lan truyền ngược sai số sang lớp vào ............................21
Hình 2.17. Quá trình cập nhập lại trọng số lớp vào ..................................................22
Hình 2.18. Quá trình cập nhập lại trọng số lớp ẩn ....................................................23

ix


Hình 2.19. Quá trình cập nhập lại trọng số lớp ra .....................................................23
Hình 3.1. Điều khiển cần trục với hai khâu PID .......................................................24
Hình 3.2. Giải thuật điều khiển .................................................................................25
Hình 3.3. Kết quả mô phỏng vị trí điều khiển với hai khâu PID ..............................26
Hình 3.4. Kết quả mô phỏng góc dao động điều khiển với hai khâu PID ................26
Hình 3.5. Kết quả mô phỏng dòng làm việc điều khiển với hai khâu PID ...............27
Hình 3.6. Điều chỉnh dòng điện thông qua điều chỉnh PWM ...................................28
Hình 3.7. Động cơ DC với vòng điều khiển dòng điện ............................................28
Hình 3.8. Mô hình điều khiển với hai khâu PID có điều khiển dòng .......................29
Hình 3.9. So sánh kết quả mô phỏng vị trí giữa hai phương pháp điều khiển ..........30
Hình 3.10. So sánh kết quả mô phỏng góc giữa hai phương pháp điều khiển ..........30
Hình 3.11. So sánh kết quả mô phỏng dòng điện giữa hai phương pháp điều khiển 31
Hình 3.12. Điều khiển không dùng cảm biến góc .....................................................32
Hình 3.13. Sử dụng mạng nơron nhận dạng phần mềm cảm biến ............................33
Hình 3.14. Cấu trúc mạng nơron hai ngõ vào một ngõ ra, 30 nơron lớp ẩn .............34
Hình 3.15. Sơ đồ mô phỏng điều khiển không cảm biến phương án 1 .....................34
Hình 3.16. Sơ đồ mô phỏng điều khiển không cảm biến phương án 2 .....................34
Hình 3.17. Sơ đồ mô phỏng điều khiển không cảm biến phương án 3 .....................35
Hình 3.18. Sơ đồ mô phỏng điều khiển không cảm biến phương án 4 .....................35
Hình 3.19. So sánh kết quả mô phỏng vị trí giữa điều khiển không cảm biến
phương án 1 và điều khiển hai khâu PID có điều khiển dòng điện ..........................36
Hình 3.20. So sánh kết quả mô phỏng vị trí và góc dao động giữa điều khiển không

cảm biến phương án 1 và điều khiển hai khâu PID có điều khiển dòng điện ...........36

x


Hình 3.21. So sánh kết quả mô phỏng vị trí giữa điều khiển không cảm biến phương
án 2 và điều khiển hai khâu PID có điều khiển dòng điện ........................................37
Hình 3.22. So sánh kết quả mô phỏng góc dao động giữa điều khiển không cảm
biến phương án 2 và điều khiển hai khâu PID có điều khiển dòng điện ..................37
Hình 3.23. So sánh kết quả mô phỏng vị trí giữa điều khiển không cảm biến phương
án 3 và điều khiển hai khâu PID có điều khiển dòng điện ........................................38
Hình 3.24. So sánh kết quả mô phỏng vị trí giữa điều khiển không cảm biến phương
án 3 và điều khiển hai khâu PID có điều khiển dòng điện ........................................38
Hình 3.25. So sánh kết quả mô phỏng vị trí và góc dao động giữa điều khiển không
cảm biến phương án 4 và điều khiển hai khâu PID có điều khiển dòng điện ...........39
Hình 3.26. So sánh kết quả mô phỏng vị trí và góc dao động giữa điều khiển không
cảm biến phương án 4 và điều khiển hai khâu PID có điều khiển dòng điện ...........39
Hình 3.27. So sánh kết quả mô phỏng dòng điện giữa điều khiển không cảm biến
phương án 3, 4 và điều khiển hai khâu PID có điều khiển dòng điện ......................40
Hình 4.1. Mô hình cần trục thực nghiệm ..................................................................41
Hình 4.2. Nguyên lý mô hình thí nghiệm hệ thống thực ..........................................42
Hình 4.3. Các phương pháp đo dòng điện.................................................................43
Hình 4.4. Nguyên lý mạch đo dòng dùng IC INA139 ..............................................44
Hình 4.5. Điều chỉnh tốc độ động cơ theo nguyên tắc PWM ...................................44
Hình 4.6. Chương trình điều khiển với hai khâu PID ...............................................45
Hình 4.7. Khâu PID điều khiển góc dao động ..........................................................46
Hình 4.8. Sai số góc do kết cấu cơ khí ......................................................................47
Hình 4.9. Khâu PID điều khiển vị trí ........................................................................48
Hình 4.10. Ví dụ về một đồ thị đáp ứng của hệ thống ..............................................48
Hình 4.11. Kết quả thực nghiệm vị trí điều khiển với hai khâu PID ........................49

xi


Hình 4.12. Kết quả thực nghiệm góc dao động điều khiển với hai khâu PID ..........49
Hình 4.13. Kết quả thực nghiệm dòng điện điều khiển với hai khâu PID ................50
Hình 4.14. Nguyên lý điều khiển dòng điện .............................................................51
Hình 4.15. Chương trình điều khiển có thêm khâu điều khiển dòng ........................51
Hình 4.16. Kết quả thực nghiệm vị trí điều khiển hai khâu PID có điều khiển dòng
...................................................................................................................................51
Hình 4.17. Kết quả thực nghiệm góc dao động điều khiển hai khâu PID có điều
khiển dòng điện .........................................................................................................52
Hình 4.18. Kết quả thực nghiệm dòng điện điều khiển hai khâu PID có điều khiển
dòng điện ...................................................................................................................52
Hình 4.19. So sánh kết quả dòng điện giữa điều khiển hai khâu PID và điều khiển
hai khâu PID có điều khiển dòng điện ......................................................................53
Hình 4.20. Chương trình điều khiển không cảm biến ...............................................54
Hình 4.21. Kết quả thực nghiệm vị trí điều khiển không cảm biến ..........................54
Hình 4.22. Kết quả thực nghiệm góc điều khiển không cảm biến ............................55
Hình 4.23. Kết quả thực nghiệm dòng điện điều khiển không cảm biến ..................55
Hình 4.24. So sánh kết quả thực nghiệm vị trí giữa điều khiển không cảm biến và
điều khiển có cảm biến ..............................................................................................56
Hình 4.25. So sánh kết quả thực nghiệm góc giữa điều khiển không cảm biến và
điều khiển có cảm biến ..............................................................................................56
Hình 4.26. So sánh kết quả thực nghiệm dòng điện giữa điều khiển không cảm biến
và điều khiển có cảm biến .........................................................................................57
Hình 4.27. Giao diện đồ họa chương trình điều khiển ..............................................57

xii

Danh Sách Các Bảng

Bảng

Trang

Bảng 2.1. Các thông số mô phỏng hệ thống .............................................................12
Bảng 3.1. Các thông số của bộ điều khiển ................................................................26
Bảng 3.2. Các thông số của bộ điều khiển ................................................................30
Bảng 3.3. Kết quả mô phỏng điều khiển không cảm biến mạng nơron ....................35
Bảng 4.1. Các thông số của bộ điều khiển ................................................................49
Bảng 4.2. Các thông số của bộ điều khiển ................................................................53

xiii


1. Tổng quan

Chương 1

TổngQuan
1.1. Giới thiệu chung
Cần trục được sử dụng rộng rãi để vận chuyển vật nặng và vật liệu độc hại trong xí
nghiệp đóng tàu, nhà máy hạt nhân, xây dựng nhà cao tầng… Dựa trên cấu hình, có
thể phân loại thành hai loại: cần trục giàn và cần trục quay.
Cần trục giàn thường được sử dụng trong các nhà máy (Hình 1.1).Đây là một dạng
của cần trục, có thể dịch chuyển trên mặt phẳng nằm ngang. Tải trọng gắn với xe
bởi dây cáp, chiều dài có thể thay đổi được bởi một cơ cấu nâng hạ. Tải với cáp
được xem như một hệ con lắc dao động một bậc tự do. Một dạng khác nữa là cần

trục quay, có thể di chuyển cũng theo phương ngang nhưng trong hai hướng vuông
góc. Phân tích gần như giống nhau cho cả hai, bởi vì các chuyển động hai chiều có
thể được chia thành hai chuyển động một chiều.

1


1. Tổng quan

Hình 1.1. Cần trục giàn

a) Cần trục tay với

b) Cần trục hình tháp

Hình 1.2. Cần trục quay
Cần trục quay có thể được chia thành hai loại: cần trục tay với thường được dùng
trong nhà máy đóng tàu, và cần trục hình tháp được sử dụng trong xây dựng (Hình
1.2).

2


1. Tổng quan
1.2. Phương pháp tiếp cận điều khiển cần trục
Cần trục được sử dụng để di chuyển vật nặng từ điểm này đến điểm khác trong thời
gian nhỏ nhất để vật đến được đích mà không bị đung đưa (dao động). Thông
thường, người điều khiển lành nghề đảm nhiệm công việc này. Trong quá trình hoạt
động, tải dao động tự do như chuyển động của con lắc. Nếu dao động vượt quá giới
hạn cho phép, nó phải được giảm dao động hoặc phải dừng hoạt động cho đến khi

dao động bị triệt tiêu.Những vấn đề này đã thúc đẩy nhiều nhà nghiên cứu phát triển
thuật toán điều khiển để tự động hóa các hoạt động cần trục.
Hoạt động cần trục có thể được chia thành năm bước sau: kẹp tải, nâng lên, di
chuyển tải từ điểm này tới điểm khác, hạ xuống, nhả tải. Tự động hóa toàn bộ các
quá trình này là hoàn toàn có thể, một vài nghiên cứu đã hướng tới nhiệm vụ
này[1].Di chuyển tải từ điểm này tới điểm khác là khâu chiếm hầu hết thời gian
trong toàn bộ quá trình và đòi hỏi người điều khiển khéo léo để thực hiện nó.Tìm ra
phương pháp phù hợp để di chuyển tải dễ dàng mà không gây ra dao động lớn là
trọng tâm của các nghiên cứu hiện nay.Chúng ta có thể phân chia việc điều khiển
cần trục thành hai cách tiếp cận.
Trong cách tiếp cận đầu tiên, người vận hành tham gia vào điều khiển và thay đổi
cơ cấu khí động lực của tải để giúp cho vận hành được dễ dàng hơn.Cách một là
thêm bộ giảm chấn bằng đường hồi tiếp góc dao động của tải và tốc độ của nó hoặc
bằng đường hồi tiếp góc dao động trước đó[2, 3].Hồi tiếp này cho biết quỹ đạo phát
sinh thêm vào bởi vận hành.Cách thứ hai là để tránh tải tự kích gần tần số tự nhiên
của nó bằng cách thêm một bộ lọc để loại bỏ các tần số này từ đầu vào [4].Cách thứ
ba là thêm bộ giảm xóc vào cơ cấu của cần trục[5].
Trong cách tiếp cận thứ hai, hoạt động hoàn toàn tự động mà không có người vận
hành điều khiển.Điều này có thể được thực hiện bằng cách sử dụng các kỹ thuật
khác nhau.Kỹ thuật thứ nhất là dựa tạo ra quỹ đạo mới để chuyển tải đến đích với
dao động là nhỏ nhất.Quỹ đạo đạt được nhờ dạng tín hiệu ngõ vào hoặc bằng kỹ
thuật điều khiển tối ưu.Kỹ thuật thứ hai là dựa vào tín hiệu hồi tiếp vị trí và góc dao

3


1. Tổng quan
động. Kỹ thuật thứ ba là chia thiết kế bộ điều khiển thành hai phần: một điều khiển
chống dao động và một điều khiển theo dõi. Mỗi bộ được thiết kế riêng biệt và sau
đó kết hợp để đảm bảo hiệu suất và sự ổn định của hệ thống tổng thể.

Dao động của tải bị ảnh hưởng bởi sự tăng tốc của chuyển động, nhiều nhà nghiên
cứu đã tập trung vào tạo ra quỹ đạo, làm sao chuyển tải đi nhanh nhất có thể với góc
dao động nhỏ nhất. Những quỹ đạo tìm được bằng cách sử dụng các kỹ thuật tối ưu
hóa với các hàm mục tiêu có thể là thời gian chuyển[6], hay hành động điều
khiển[7], hoặc góc dao động [8].Một phương pháp quan trọng tạo ra quỹ đạo là
dạng tín hiệu vào, trong đó bao gồm các chuỗi xung tăng tốc và giảm tốc.Những
trình tự này được tạo ra mà không gây ra dao động trong quá trình vận chuyển
[9].Điều khiển vòng hở nhạycảm với các nhiễu loạn bên ngoài và thông số biến đổi.
Ngoài ra, hoạt động điều khiển là bang-bang, do đó không liên tục. Hơn nữa, nó
thường đòi hỏi góc dao động bằng không tại đầu mỗi quá trình, và không thể nhận
ra được góc thực tế lúc đó.Để tránh những bất lợi của điều khiển vòng hở, nhiều nhà
nghiên cứu [12, 13]đã điều khiển thông qua hồi tiếp vòng kín.
Điều khiển hồi tiếp ít nhạy cảm với các nhiễu loạn và các thông số biến đổi. Do đó,
nó là phương pháp thiết kế điều khiển phổ biến cho cần trục. Ridout [14] đã phát
triển bộ điều khiển hồi tiếp vị trí chiếc xe, tốc độ và góc dao động của tải. Độ lợi
(gains) hồi tiếp được tính toán trên phép thử và sai dựa trên phương pháp quỹ đạo
nghiệm. Salminen [16] sử dụng điều khiển hồi tiếp với độ lợi (gains) được tính toán
dựa trên những phương pháp biểu đồ cực. Hazlerigg [17] đã phát triển bộ bù
(compensator) để triệt tiêu động năng của con lắc. Điều khiển này đã được thử
nghiệm trên một mô hình cần trục vật lý.Nó đã tạo ra kết quả tốt, ngoại trừ dao
động hệ thống chậm tắt dần. Do đó, hệ thống đáp ứng được dao động, nghĩa là thời
gian vận chuyển lâu hơn. Hurteau và DeSantis [18] phát triển một bộ điều khiển hồi
tiếp tuyến tính sử dụng tín hiệu hồi tiếp trạng thái đầy đủ. Độ lợi (gains) điều khiển
được điều chỉnh theo chiều dài cáp. Tuy nhiên, việc thay đổi chiều dài cáp làm giảm
đặc tính của hệ thống.Ngoài ra, các thuật toán điều chỉnh đã không được kiểm
nghiệm bằng thực nghiệm.

4

1. Tổng quan
Mục tiêu điều khiển cần trục là chuyển tải từ điểm này tới điểm khác và đồng thời
dao động tải là nhỏ nhất.Thông thường, điều khiển được thiết kế để đạt được hai
nhiệm vụ cùng một lúc, như trong các bộ điều khiển nói trên.Tuy nhiên, có một đề
xuất khác được sử dụng rộng rãi, hai nhiệm vụ được xử lý riêng bằng cách thiết kế
hai bộ điều khiển hồi tiếp.Bộ đầu tiên là điều khiển chống dao động.Nó điều khiển
dao động bằng tín hiệu phản hồi của góc dao động tải. Bộ điều khiển thứ hai được
thiết kế để theo dõi làm việc của xe theo quỹ đạo tham chiếu. Vị trí xe được sử dụng
làm tín hiệu hồi tiếp. Quỹ đạo vị trí thường dựa trên các mô hình cổ điển, thu được
từ điều khiển tối ưu vòng hở hay các kỹ thuật nhận dạng. Bộ điều khiển theo dõi có
thể là bộ điều khiển vi phân tỉ lệ (PD) [19] hoặc là bộ điều khiển logic mờ [20, 21].
Tương tự như vậy, bộ điều khiển chống dao động được thiết kế bằng các phương
pháp khác nhau[19] sử dụng hồi tiếp vị trí trễ, trong khi[20, 21]sử dụng bộ điều
khiển logic mờ, tách các nhiệm vụ kiểm soát, chống dao động và theo dõi, cho phép
các bộ điều khiển xử lý các quỹ đạo khác nhau tùy theo môi trường làm việc.
Nâng cao tải (cẩu) trong thời gian vận chuyển là điều cần thiết để tránh chướng ngại
vật.Chuyển động này là chậm, và biến đổi chiều dài cáp có thể được coi như là
nhiễu loạn cho hệ thống. Do đó, ảnh hưởng của biến đổi độ dài cáp được xem xét
thông qua mô phỏng để đảm bảo rằng thực hiện việc này không làm điều khiển xấu
đi. Tuy nhiên, có một vài nghiên cứu đã thiết kế các bộ điều khiển bao gồm cả nâng
hạ [22].
Ảnh hưởng của trọng lượng tải thường được bỏ qua.Tuy nhiên, Lee [23], Omar và
Nayfeh [24, 25]đã xem xét nó trong việc thiết kế các bộ điều khiển cho cần trục
giàn và tháp. Từ những nghiên cứu này, chúng ta thấy rằng, trọng lượng của tải là
rất nặng so với trọng lượng xe, hiệu quả của bộ điều khiển thiết kế sẽ không đạt nếu
bỏ qua đại lượng này.
Hầu hết hệ thống điều khiển hồi tiếpđã đề cập đều cần cảm biến để đo vị trí xe cũng
như góc dao động của tải. Tuy nhiên, cảm biến đo lường góc dao động tải trong các

5