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

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
Ệ NH
PHINTUY
NỐCHO
THỐNG CẦN CẨU
CÓ NGHI
TÍNH ĐẾ
YẾUẾT
BẤTHĐỊ
TREO MÔ HÌNH BẤT ĐỊNH
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 9520216

ẾN
SĨ KỸ
ẬT ĐIỀ
ỂNVÀ
ĐỘNG
LUẬNLUẬN
ÁN TI
THU

U KHI
VÀTỰ
TỰ
HÓA
ÁN
TIẾN
SĨ KỸ
THUẬT
ĐIỀU
KHIỂN
ĐỘNG
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.

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.
1.4.

Các phương pháp cho đối tượng cần cẩu treo 2D................................................... 14

Các phương pháp cho đối tượng cần cẩu treo 3D................................................... 20

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

2.3.

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

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.
3.3.

Mô phỏng kiểm chứng trên nền kỹ thuật số ........................................................... 78

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

4.2.

4.1.3.1.

Bộ lọc Kalman cho cảm biến MPU6050 ....................................................... 106

4.1.3.2.

Giao diện HMI............................................................................................... 108

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
Khối lượng của xe con
Khối lượng của xà đỡ
Khối lượng của tải trọng
Chiều dài dây treo
Lực tác dụng theo phương x
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
Tọa độ của xe con theo phương x
Tọa độ của xe con theo phương y
Góc lắc của tải trọng theo phương x
Góc lắc của tải trọng theo phương y

pr

Vị trị của xà đỡ

pc

Vị trí của xe con
Vị trí của tải trọng
Biến trạng thái của hệ cần cẩu treo

Er

Động năng của xà đỡ

Ec

Động năng của xe con
Động năng của tải trọng
Động năng của cả hệ cần cẩu treo

Vl

Thế năng của tải
Thế năng của hệ cần cẩu treo
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
Hàm Lagrange
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
Ma trận lực hướng tâm Coriolis

D

Ma trận hệ số ma sát

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
Thành phần biến khớp thiếu cơ cấu chấp hành

q1r

Tín hiệu đặt cho biến q1
Sai lệch giữa q1 và

e2

Sai lệch góc lắc

K1 , K 2

Hai ma trận đối xứng xác định dương

s

Mặt trượt



Tổng
Tích
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
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

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
Sai lệch giữa W và Wˆ
Ma trận đường chéo có các phần tử trên đường chéo
chính là M
Chuyển vị của ma trận

M
f

F

Chuẩn Frobeniouscủa ma trận M
Đạo hàm Jacobi của f theo x

x
Có nghĩa là [sgn(s1 ) sgn(s2 )
Véc-tơ giá trị rõ

x

sgn(sn )]


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

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

và

của

FLCi

Hình 2.6

Tập mờ của các biến ngôn ngữ đầu vào của u1 và

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 ,

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


Luận án đầy đủ ở file: Luận án Full