Luận án tiến sĩ 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
PHI TUYẾN
THỐNG CẦN CẨU
CÓ NGHI
TÍNH ĐẾN
YẾU TỐCHO
BẤTHỆ
ĐỊNH
TREO MÔ HÌNH BẤT ĐỊNH
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 9520216

LUẬNLUẬN
ÁN TIẾN
SĨ KỸ
THUẬT
VÀTỰ
TỰ
ĐỘNG
HÓA
ÁN TIẾN

SĨ KỸ
THUẬTĐIỀU
ĐIỀU KHIỂN
KHIỂN VÀ
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