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

Các ký hiệu được sử dụng
mc

Khối lượng của xe con

mr

Khối lượng của xà đỡ

m

Khối lượng của tải trọng

l

Chiều dài dây treo

ux

Lực tác dụng theo phương x

uy

Lực tác dụng theo phương y

ul

Lực kéo tải trọng

u

Véc-tơ lực tác động lên hệ cần cẩu treo

u1

Véc-tơ lực điều khiển thành phần đủ chấp hành của hệ
cần cẩu treo

Ox

Phương x

Oy

Phương y

x

Tọa độ của xe con theo phương x

y

Tọa độ của xe con theo phương y

x

Góc lắc của tải trọng theo phương x

y

Góc lắc của tải trọng theo phương y

pr

Vị trị của xà đỡ

pc

Vị trí của xe con

pm

Vị trí của tải trọng

q

Biến trạng thái của hệ cần cẩu treo

Er

Động năng của xà đỡ

Ec

Động năng của xe con

El

Động năng của tải trọng

E

Động năng của cả hệ cần cẩu treo

Vl

Thế năng của tải

V

Thế năng của hệ cần cẩu treo

Mx

Khối lượng di chuyển theo phương x

My

Khối lượng di chuyển theo phương y
viii


J

Mô men quán tính của tải trọng

M

Khối lượng của xe con

L

Hàm Lagrange

Dx , Dy , Dl

Hệ số ma sát nhớt theo phương x, phương y, và khớp
nỗi giữa động cơ và dây treo

M (q)

Ma trận quán tính

C ( q, q )

Ma trận lực hướng tâm Coriolis

D

Ma trận hệ số ma sát

g (q)

Véc-tơ lực trọng trường

f1  X  , g1  X  , f 2  X  , g2  X 

Các hàm bất định của mô hình cần cẩu treo 2D

q1

Thành phần biến khớp đủ cơ cấu chấp hành

q2

Thành phần biến khớp thiếu cơ cấu chấp hành

q1r

Tín hiệu đặt cho biến q1

e1

Sai lệch giữa q1 và q1r

e2

Sai lệch góc lắc

K1 , K 2

Hai ma trận đối xứng xác định dương

s

Mặt trượt




Tổng

u

Tín hiệu điều khiển của hệ cần cẩu treo khi viết dưới

Tích
dạng mô hình sai lệch

u1

Tín hiệu điều khiển thành phần đủ chấp hành của hệ
cần cẩu treo khi viết dưới dạng mô hình sai lệch

u2

Tín hiệu điều khiển thành phần thiếu chấp hành của
hệ cần cẩu treo khi viết dưới dạng mô hình sai lệch

Z2

Tín hiệu điều khiển ảo

s1 , s2

Hai mặt trượt con của tầng trượt thứ nhất

r1 , r2

Hai ma trận hằng số

u1eq

Thành phần điều khiển tương đương của u1

ix


u1sw

Thành phần điều khiển chuyển mạch của u1



Véc-tơ chứa các thành phần bất định của hệ cần cẩu
treo

W

Véc-tơ trọng số lý tưởng của mạng nơ-ron

Wˆ

Ước lượng của W

W

Sai lệch giữa W và Wˆ

diag ( M )

Ma trận đường chéo có các phần tử trên đường chéo
chính là M

 

Chuyển vị của ma trận

T

M

Chuẩn Frobeniouscủa ma trận M
F

f

Đạo hàm Jacobi của f theo x

x
sgn( s )

Có nghĩa là [sgn( s1 ) sgn( s2 )

x0

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 X1 và X 2

Hình 2.2

Tên các hằng số đầu ra

Hình 2.3

Sơ đồ cấu trúc điều khiển trượt tầng

Hình 2.4

Cấu trúc hệ thống điều khiển mờ hai lớp

Hình 2.5

Tập mờ của các biến ngôn ngữ đầu vào ei  ex , ey , e , e  của
FLCi

Hình 2.6

Tập mờ của các biến ngôn ngữ đầu vào của u1 và u2

Hình 2.7

Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển mờ hai lớp

Hình 2.8

Kết quả mô phỏng cho bộ điều khiển mờ hai lớp trong trường
hợp không có nhiễu tác động cho hệ cần cẩu treo 3D

Hình 2.9

Kết quả mô phỏng cho bộ điều khiển mờ hai lớp trong trường
hợp nhiễu có biên độ 10 N tác động cho hệ cần cẩu treo 3D

Hình 2.10

Kết quả mô phỏng cho bộ điều khiển mờ hai lớp trong trường
hợp nhiễu có biên độ 40 N tác động cho hệ cần cẩu treo 3D

Hình 2.11

Kết quả mô phỏng cho bộ điều khiển mờ hai lớp trong trường
hợp không có nhiễu tác động cho hệ cần cẩu treo 2D với khối
lượng tải là 8 (kg)

Hình 2.12

Kết quả mô phỏng cho bộ điều khiển mờ hai lớp trong trường
hợp có nhiễu tác động cho hệ cần cẩu treo 2D với khối lượng tải

là 8 (kg)

Hình 2.13

Kết quả mô phỏng cho bộ điều khiển mờ hai lớp trong trường
hợp không có nhiễu tác động cho hệ cần cẩu treo 2D với khối
lượng tải là 16 (kg)
xii


Hình 2.14

Kết quả mô phỏng cho bộ điều khiển mờ hai lớp trong trường
hợp có nhiễu tác động cho hệ cần cẩu treo 2D với khối lượng tải
là 16 (kg)

Hình 2.15

Kết quả mô phỏng so sánh giữa TLFLC và DFLC với khối
lượng tải m=8(kg)

Hình 2.16

Kết quả mô phỏng so sánh giữa TLFLC và DFLC với khối
lượng tải m=16(kg)

Hình 2.17

Thay đổi k của mặt trượt

Hình 2.18

Tập mờ của các biến ngôn ngữ đầu vào ex , e

Hình 2.19

Cấu trúc điều khiển trượt tầng thích nghi mờ

Hình 2.20

Mặt trượt và tín hiệu điều khiển của AHSMC

Hình 2.21

Hệ thống điều khiển trượt tầng thích nghi mờ

Hình 2.22

Kết quả mô phỏng cho bộ điều khiển trượt tầng thích nghi mờ
trong trường hợp không có nhiễu tác động với khối lượng tải là
8 (kg)

Hình 2.23

Kết quả mô phỏng cho bộ điều khiển trượt tầng thích nghi mờ
trong trường hợp có nhiễu tác động với khối lượng tải là 8 (kg)

Hình 2.24

Kết quả mô phỏng cho bộ điều khiển trượt tầng thích nghi mờ

trong trường hợp không có nhiễu tác động với khối lượng tải là
16 (kg)

Hình 2.25

Kết quả mô phỏng cho bộ điều khiển trượt tầng thích nghi mờ
trong trường hợp có nhiễu tác động với khối lượng tải là 16 (kg)

Hình 2.26

Kết quả mô phỏng so sánh giữa HSMC và AFHSMC

Hình 2.27

Kết quả mô phỏng so sánh giữa AFHSMC và TLFLC

Hình 3.1

Cấu trúc hệ thống ANSMC

Hình 3.2

Cấu trúc mạng nơ-ron hướng tâm

Hình 3.3

Cấu trúc mạng nơ-ron RBF

Hình 3.4

Sơ đồ mô phỏng hệ thống ANSMC

Hình 3.5

Kết quả mô phỏng cho ANSMC trong trường hợp không có
nhiễu tác động

xiii


Hình 3.6

Kết quả mô phỏng cho ANSMC trong trường hợp nhiễu có biên
độ 10 N tác động

Hình 3.7

Kết quả mô phỏng cho ANSMC trong trường hợp nhiễu có biên
độ 40 N tác động

Hình 3.8

Kết quả mô phỏng so sánh chất lượng giữa ANSMC và BSMC

Hình 3.9

Kết quả so sánh chất lượng giữa ANSMC và bộ BSMC dưới sự
tác động của nhiễu 40 N

Hình 3.10

Kết quả so sánh chất lượng giữa ANSMC và bộ TLFLC trong
trường hợp không có nhiễu tác động

Hình 3.11

Kết quả so sánh chất lượng giữa ANSMC và bộ TLFLC dưới
sự tác động của nhiễu 40 N.

Hình 3.12

Sơ đồ mô phỏng hệ thống ASMCWUPL

Hình 3.13

Kết quả mô phỏng cho bộ ASMCWUPL trong trường hợp tải
m=10(kg)

Hình 3.14

Kết quả mô phỏng cho bộ ASMCWUPL trong trường hợp tải
m=20(kg)

Hình 3.15

Kết quả mô phỏng cho bộ ASMCWUPL trong trường hợp tải
m=30(kg)

Hình 4.1

Hệ thống điều khiển và giám sát cần cẩu treo 2D

Hình 4.2

Mạch phần cứng điều khiển

Hình 4.3

Cảm biến MPU6050

Hình 4.4

Lưu đồ thuật toán bộ lọc Kalman

Hình 4.5

Giao diện HMI trên máy tính

Hình 4.6

Kết quả cài đặt thực nghiệm bộ điều khiển mờ hai lớp với khối
lượng của tải là 8 kg.

Hình 4.7

Kết quả cài đặt thực nghiệm bộ điều khiển mờ hai lớp với khối
lượng của tải là 16 kg.

Hình 4.7

Kết quả cài đặt thực nghiệm bộ điều khiển trượt tầng với khối
lượng của tải là 8 kg.

Hình 4.9

Kết quả cài đặt thực nghiệm bộ điều khiển trượt tầng với khối
xiv


lượng của tải là 16 kg.
Hình 4.10

Kết quả cài đặt thực nghiệm bộ điều khiển trượt tầng thích nghi
mờ với khối lượng của tải là 8 kg.

Hình 4.11

Kết quả cài đặt thực nghiệm bộ điều khiển trượt tầng thích nghi
với khối lượng của tải là 8 kg.

xv


Danh mục các bảng
Bảng 2.1

Hệ luật suy diễn theo phương pháp tuyến tính

Bảng 2.2

Hệ luật suy diễn FLC1

Bảng 2.3

Hệ luật suy diễn FLC

Bảng 2.4

Các thông số hệ thông cần cẩu treo 3D

Bảng 2.5

Các thông số hệ thống cần cẩu treo 2D

Bảng 2.6

So sánh chất lượng giữa TLFLC và DFLC

Bảng 2.7

Hệ suy diễn mờ cho bộ điều khiển trượt tầng thích nghi

Bảng 2.8

Thông số hệ thống cần cẩu treo 2D và bộ điều khiển trượt mờ
thích nghi

Bảng 2.9

Đánh giá chất lượng điều khiển của HSMC và AFHSMC

Bảng 2.10

So sánh chất lượng giữa AFHSMC và TLFLC

Bảng 3.1

Thông số mô hình hệ thống cần cẩu treo 3D và bộ điều khiển trượt
thích nghi

Bảng 3.2

So sánh chất lượng điều khiển giữa ANSMC và BSMC

Bảng 3.3

So sánh chất lượng điều khiển của ANSMC và TLFLC cho hệ cần
cẩu treo 3D

Bảng 3.4

Thông số mô hình hệ thống cần cẩu treo 3D và bộ điều khiển trượt
thích nghi mô hình bất định hàm và bù bất định tải

Bảng 4.1

Dây nối của Encoder

Bảng 4.2

So sánh chất lượng cài đặt thực của bộ điều khiển trượt tầng và bộ
điều khiển trượt tầng thích nghi mờ

Bảng 4.3

So sánh chất lượng cài đặt thực của bộ điều khiển mờ hai lớp và
bộ điều khiển trượt tầng thích nghi mờ

xvi


MỞ ĐẦU
1.

Tính cấp thiết của đề tài luận án

Cần cẩu treo là một hệ thống được sử dụng rất rộng rãi trong công nghiệp, phục vụ cho công tác
vận chuyển và nâng hạ hàng hóa có khối lượng lớn tại các bến cảng, nhà xưởng, các công trình
xây dựng ... Hệ thống cần cẩu treo đã giúp giải quyết nhiều công việc vận tải phức tạp và khó
khăn một cách nhanh chóng, linh hoạt và tiết kiệm nhân lực.
Trong công nghiệp hiện đại, các bộ điều khiển tự động cho hệ thống cần cẩu treo được nghiên
cứu nhằm thay thế cho việc sử dụng người điều khiển. Vấn đề khó khăn và thu hút được sự quan
tâm của các nhà khoa học là vì hệ thống cần cẩu treo thực chất là một hệ rô-bốt thiếu cơ cấu chấp
hành, nghĩa là số biến điều khiển luôn ít hơn số bậc tự do của hệ. Bài toán điều khiển cần cẩu
treo ngoài việc điều khiển cho xe con bám vị trí đặt còn phải quan tâm đến việc giảm thiểu rung
lắc của tải trong quá trình xe chuyển động. Trong những năm gần đây, nghiên cứu các giải thuật
và kỹ thuật điều khiển mới cho hệ thống cần cẩu treo đã được phát triển mạnh mẽ cả về lý thuyết
cũng như ứng dụng thực tế. Vì đặc điểm của hệ thống cần cẩu treo là thiếu cơ cấu chấp hành nên
đã dẫn đến hàng loạt các vấn đề mới đầy hấp dẫn, bên cạnh các thách thức mới trong lĩnh vực
điều khiển cần cẩu treo trong đó phải tính đến cả mô hình hệ thống cần cẩu treo với các thành

phần bất định như ma sát, sự thay đổi phụ tải và nhiễu từ bên ngoài tác động vào hệ thống. Bài
toán đặt ra là phải tổng hợp bộ điều khiển cho hệ thống cần cẩu treo vừa đảm bảo bám vị trí đặt
cho xe con và chế ngự rung lắc, bền vững với nhiễu và các bất định của mô hình. Đó chính là
thách thức, cấp bách và là động cơ để thúc đẩy việc lựa chọn hướng nghiên cứu của luận án:
“Điều khiển thích nghi cho hệ thống cần cẩu treo có tính đến yếu tố bất định”.

2.

Mục tiêu và nhiệm vụ của luận án

Hệ thống cần cẩu treo là một trong những đối tượng được sử dụng phổ biến và mang lại hiệu quả
cao trong các xưởng lắp ráp, chế tạo, các công trình xây dựng và các cảng biển ... Trong những
năm gần đây, các phương pháp điều khiển phi tuyến mới đã được nghiên cứu phát triển và áp
dụng cho các hệ thống cần cẩu treo dựa trên các kỹ thuật điều điều khiển phi tuyến như kỹ thuật
backstepping, điều khiển trượt ... Song song với việc nâng cao chất lượng của các khâu cơ khí thì
vấn đề điều khiển cũng là một vấn đề hết sức quan trọng để cải thiện chất lượng làm việc của hệ
1


thống cần cẩu treo. Do cần cẩu treo là một đối tượng phi tuyến có mô hình bất định chịu ảnh
hưởng của nhiễu nên phần lớn các công trình nghiên cứu mới được công bố gần đây đều hướng
đến phương pháp điều khiển thích nghi phi tuyến hoặc là dựa trên mô hình mẫu hoặc dựa trên
các hệ có khả năng suy luận như hệ mờ, mạng nơ-ron. Do vậy, điều khiển thích nghi cho hệ
thống cần cẩu treo vẫn luôn là bài toán thu hút được nhiều nhà khoa học quan tâm giải quyết.
Điều khiển thích nghi là bài toán tổng hợp bộ điều khiển nhằm luôn giữ chất lượng hệ thống
không thay đổi, cho dù có nhiễu không mong muốn tác động vào hệ thống hoặc có những sự
thay đổi không biết trước xảy ra bên trong đối tượng điều khiển. Nguyên tắc hoạt động của hệ
thống điều khiển thích nghi là mỗi khi có sự thay đổi của đối tượng, bộ điều khiển sẽ tự thay đổi
theo nhằm đảm bảo chất lượng hệ thống không bị thay đổi [7].
Mục tiêu của luận án "Điều khiển thích nghi cho hệ thống cần cẩu treo có tính đến yếu tố bất

định" là nhằm nghiên cứu và đề xuất giải thuật điều khiển thích nghi mới cho hệ cần cẩu treo có
mô hình bất định.
Để thực hiện được mục tiêu này, luận án đặt ra bốn nhiệm vụ chính, bao gồm:
-

Nghiên cứu các phương pháp điều khiển thích nghi phi tuyến đã được công bố trong và
ngoài nước ở lĩnh vực điều khiển cần cẩu treo, phân tích ưu nhược điểm của các phương
pháp đó làm nền tảng để đề xuất những đóng góp mới của luận án.

-

Dựa trên cấu trúc đơn giản, dễ thực thi của hệ mờ, luận án tập trung nghiên cứu nhằm đề
xuất cấu trúc điều khiển mờ mới đơn giản dễ thực thi và một thuật toán điều khiển thích
nghi bền vững mới dựa trên kỹ thuật trượt tầng kết hợp với hệ mờ.

-

Cải tiến bộ điều khiển trượt backstepping của Tsai, Chinh-Chih và cộng sự [56] áp dụng
cho cần cẩu treo 3D mô hình bất định, kết hợp xấp xỉ khối lượng tải và hàm bất định trên
cơ sở mạng nơ-ron nhân tạo. Phát biểu chứng minh tính ổn định cho hệ kín và mô phỏng
kiểm chứng trên nền kỹ thuật số.

-

Xây dựng bàn thí nghiệm điều khiển cần cẩu treo có khả năng cài đặt và kiểm nghiệm đa
năng các thuật toán điều khiển nhằm kiểm tra bằng thực nghiệm các đề xuất mới trong
luận án.

3.

Phạm vi nghiên cứu của luận án

- Đối tượng nghiên cứu:

2


Về phương pháp luận: Đối tượng nghiên cứu là lý thuyết điều khiển phi tuyến, điều khiển thích
nghi, điều khiển mờ và mạng nơ-ron nhân tạo. Dựa trên các kỹ thuật hiện đại như kỹ thuật
backstepping (BT), điều khiển trượt tầng (HSMC) kết hợp với hệ mờ và mạng nơ-ron để đề xuất
các giải thuật điều khiển mới cho hệ cần cẩu treo, phát biểu định lý và chứng minh tính ổn định
của hệ kín.
Về phương diện điều khiển: Đối tượng của luận án là nghiên cứu đề xuất bộ điều khiển thích
nghi phi tuyến mới cho hệ cần cẩu treo trên cơ sở hệ logic mờ, mạng nơ-ron nhân tạo và mô
phỏng kiểm chứng hệ thống điều khiển kín trên nền kỹ thuật số.
Về phương diện ứng dụng: Đối tượng của luận án là chế tạo một hệ thống điều khiển cần cẩu
treo trong phòng thí nghiệm để kiểm chứng các giải thuật điều khiển thích nghi mới được luận án
đề xuất bằng thực nghiệm. Bộ điều khiển được chế tạo trên nên vi điều khiển và có ghép nối với
máy tính cá nhân để giám sát thông qua giao diện HMI.
- Phạm vi nghiên cứu:
Về phương pháp lý thuyết: Nghiên cứu lý thuyết điều khiển phi tuyến, điều khiển thích nghi, hệ
mờ và mạng nơ-ron, phân tích các phương pháp điều khiển thích nghi đã được công bố trong và
ngoài nước làm cơ sở cho việc phát triển các giải thuật điều khiển thích nghi mới cho hệ cần cẩu
treo.
Về phương pháp luận: Kết hợp giữa đề xuất giải thuật mới, phát biểu định lý và chứng minh tính
ổn định của hệ kín với kiểm chứng các kết quả nghiên cứu mới bằng mô phỏng số và trên hệ
thống thực trong phòng thí nghiệm.

4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
- Ý nghĩa khoa học:

Luận án đề xuất các thuật toán và cấu trúc điều khiển thích nghi phi tuyến mới trên cơ sở hệ mờ,
mạng nơ-ron nhân tạo áp dụng điều khiển cho hệ thống cần cẩu treo với mô tả bằng mô hình phi
tuyến bất định, tham số tải trọng thay đổi, đảm bảo hệ kín ổn định và bám vị trí đặt với các ý
nghĩa khoa học như sau:
 Đề xuất được bộ điều khiển mờ có cấu trúc mới bao gồm hai lớp, lớp thứ nhất thực hiện
tách riêng từng nhiệm vụ điều khiển (FCL1) và lớp thứ hai (FCL2) phối hợp nhiệm vụ
điều khiển theo nguyên tắc thỏa hiệp.

3


 Đề xuất được bộ điều khiển thích nghi cho hệ thống cần cẩu treo trên cơ sở kỹ thuật trượt
tầng kết hợp với logic mờ.
 Xây dựng được bộ điều khiển thích nghi cho hệ thống cần cẩu treo trên cơ sở điều khiển
trượt, kỹ thuật backstepping và mạng nơ-ron nhân tạo đảm bảo bám vị trí cho trước, giảm
thiểu lắc. Phát biểu và chứng minh định lý về tính ổn định của hệ thống kín.
 Các bộ điều khiển đề xuất được kiểm chứng bằng mô phỏng số và bằng các thí nghiệm
thực ttong phòng thí nghiệm.
- Ý nghĩa thực tiễn:
Do các nghiên cứu đã được kiểm định bằng thực nghiệm trong phòng thí nghiệm cho thấy khả
năng chế tạo bộ điều khiển bằng vi điều khiển và các bộ điều khiển số này hoàn toàn có khả năng
ứng dụng trong thực tế.

5. Cấu trúc của luận án
Bố cục của luận án bao gồm 4 chương:
Chương 1: Tổng quan về hệ thống cần cẩu treo
Nội dung chính của chương này là giới thiệu về mô hình cần cẩu treo, phân tích các đặc điểm
của đối tượng cần cẩu treo và các phương pháp điều khiển có thể áp dụng được cho hệ thống
này. Nghiên cứu tổng quan các phương pháp điều khiển đã được công bố trong và ngoài nước,
phân tích ưu nhược điểm của từng nhóm phương pháp, từ đó chỉ rõ định hướng nghiên cứu đóng

góp cụ thể của luận án trong lĩnh vực điều khiển hệ thống cần cẩu treo.
Chương 2: Điều khiển thích nghi cho hệ thống cần cẩu treo trên cơ sở hệ mờ
Trình bày đóng góp về điều khiển hệ cần cẩu treo trên cơ sở hệ mờ. Đề xuất cấu trúc điều khiển
hệ thống cần cẩu treo sử dụng hai bộ mờ nối tiếp đơn giản và hiệu quả. Điều khiển thích nghi
mặt trượt trên cơ sở kết hợp điều khiển trượt tầng với hệ mờ. Các bộ điều khiển đề xuất được
kiểm chứng bằng mô phỏng số.
Các kết quả nghiên cứu được công bố trong 2 bài báo:
-

Antisway tracking control for 2D overhead crane using double layer fuzzy logic
controlles, Journal of Military Science and Technology, ISSN 1859-1403, Specical Issue,
No. 48A, 5 – 2017.

4


-

Improving of control overhead crane quality based on the fuzzy adaptive second order
sliding mode control, Tạp chí Nghiên cứu Khoa và Công nghệ quân sự, ISSN 1859-1403,
số 45, tháng 10 năm 2016.

Chương 3: Điều khiển trượt thích nghi cho cần cẩu treo dựa trên kỹ thuật backstepping và mạng
nơ ron nhân tạo.
Trình bày đóng góp mới về mặt phương pháp luận trong việc tổng hợp bộ điều khiển trượt thích
nghi trên cơ sở kỹ thuật backstepping và mạng nơ-ron nhân tạo cho hệ thống cần cẩu treo. Thành
phần phi tuyến bất định được xấp xỉ bởi mạng nơ-ron hướng tâm, trọng số mạng được huấn
luyện trực tuyến, kết hợp thích nghi tham số tải ( hằng) và thích nghi hàm dùng mạng nơ-ron
nhân tạo. Phát biểu và chứng minh định lý về tính ổn định của hệ kín.
Mô phỏng kiểm chứng kết quả của thuật toán cho cần cẩu treo 3D. Kết quả nghiên cứu đã được

công bố:
- Adaptive backstepping sliding mode control for uncertain 3D overhead crane based on
neural network, ICSSE, 2017 International Conference on, Publisher IEEE, ISSN 23250925.
- Adaptive control using neural network for overhead crane system with uncertainty of
payload mass” đã được chấp nhận đăng trên Tạp chí Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ
quân sự số 57A, tháng 11 năm 2018.
Chương 4: Kiểm chứng bằng thực nghiệm trên mô hình cần cẩu treo 2D trong phòng thí nghiệm
Nội dung chính là xây dựng bàn thí nghiệm điều khiển cần cẩu treo trong phòng thí nghiệm với
mô hình vật lý đảm bảo gần giống với thực tế công nghiệp, phần mềm có cấu trúc mở có khả
năng cài đặt đa năng các thuật toán điều khiển trên nền vi điều khiển và giao diện HMI thân thiện
với người sử dụng trên máy tính cá nhân. Tiến hành cài đặt một số giải thuật điều khiển mới đã
được đề xuất trong luận án đã được kiểm chứng qua mô phỏng.
Kết quả nghiên cứu trong chương này đã được công bố:
- Implementation of a laboratory overhead crane control system, Tạp chí nghiên cứu khoa
học và công nghệ quân sự, ISSN 1859-1403, số 44, tháng 8, 2016.
-

Antisway tracking control for 2D overhead crane using double layer fuzzy logic
controlles, Journal of Military Science and Technology, ISSN 1859-1403, Specical Issue,
No. 48A, 5 – 2017.
5


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CẦN CẨU
TREO VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN
1.1. Mô hình toán học của cần cẩu treo
1.1.1. Mô hình cẩn cẩu treo 3D có chiều dài dây treo không thay đổi
Mô hình cần cẩu treo 3D với chiều dài dây treo không thay đổi được biểu diễn trong hình 1.1 bao
gồm xe con (trolley) với khối lượng mc , xà đỡ có khối lượng mr , tải trọng (payload) có khối
lượng m và dây treo tải có độ dài l . Hai lực đẩy u x , u y lần lượt tác dụng vào xe con theo các

phương Ox và Oy . Dưới tác dụng của lực quán tính, trong khi di chuyển, tải sẽ xuất hiện dao
động và được biểu diễn bằng các góc  x ,  y . Trong đó,  x là góc lệch theo phương thẳng đứng,
tức là tham số thể hiện sự dao động của tải, còn  y là tham số phụ thuộc gián tiếp cho biết độ
lớn các thành phần dao động theo phương Ox và Oy .

Hình 1.1: Mô hình cần cẩu treo 3D có chiều dài dây treo không thay đổi
Hệ cần cẩu treo 3D được đơn giản theo các giả thiết sau:
-

Khối lượng dây treo được bỏ qua và chiều dây được coi là không thay đổi trong quá trình
hoạt động của cẩu.

6


-

Các thành phần khối lượng mc , mr là đã biết.

-

Trọng tâm của tải, xe và xà đỡ có tính chất điểm và điểm trọng tâm của xe trùng với điểm
trọng tâm của xà đỡ.
T

Cần cẩu treo là một hệ MIMO với véc-tơ tín hiệu vào uv  ux
ra q   x

u y  ; u  R 2 và véc-tơ tín hiệu

T

y  x  y  ; q  R 4 . Như vậy, cần cẩu treo là hệ thống thiếu cơ cấu chấp hành.

Theo hình 1.1. véc-tơ vị trí của xà đỡ, xe con và tải trọng đước xác định như sau:
pr  0

y 0 ; pc   x
T

y 0 ; pm   xm
T

ym

zm 

T

(1.1)

Tọa độ của tải phụ thuộc vào 4 thành phần, như vậy hệ có 4 biến khớp với các thành phần sau:
q   x

y  x  y 

T

(1.2)

Trong đó x và y là tọa độ của xe con theo trục Ox và Oy và:

 xm  x  l sin  x cos  y

 ym  y  l sin  x sin  y

 zm  l cos  x

(1.3)

Động năng của của hệ được tính toán:
E  Er  Ec  Em

(1.4)

Với Er là động năng của xà đỡ; Ec là động năng của xe con; Em là động năng của tải trọng
Trong đó:
Er 

1
1
mr pr T pr  mr y 2
2
2

Ec 

1
1
mc pcT pc  mc x 2  y 2

2
2

Em 

1
1
mpmT pm  m x m2  y m2  z m2
2
2





(1.5)



(1.6)



(1.7)

Từ (1.3) ta dễ dàng có được:

7

 xm  x  l x cos  x cos  y  l y sin  x sin  y

 ym  y  l x cos  x sin  y  l y sin  x cos  y

 zm  l x sin  x

(1.8)

Thế vào (1.7) ta có:





1 2 1 2 1
mx  my  ml 2  2x 
2
2
2
1
ml 2 sin 2  x  y 2  mlx x cos  x cos  y  mlx y sin  x sin  y 
2
mly x cos  x sin  y  mly y sin  x cos  y

Em 





(1.9)

Từ (1.5), (1.6) và (1.9) ta suy ra động năng của hệ là:
E





1
1
1
 mc  m  x 2   mc  m  mr  y 2  ml 2  2x 
2
2
2
1
ml 2 sin 2  x  y 2  mlx x cos  x cos  y  mlx y sin  x sin  y 
2
mly x cos  x sin  y  mly y sin  x cos  y





(1.10)

Thế năng của hệ được tính toán:
V  Vm

Với Vm là thế năng của tải trọng
Vm  mgl cos  x

Ta suy ra, thế năng của hệ là:
V  mgl cos  x

(1.11)

Từ hai phương trình (1.10) và (1.11), ta có hàm Lagrange [32], [16] của hệ:
L  E V


1
1
1
 mc  m  x 2   mc  m  mr  y 2   ml 2  x2 
2
2
2
1
 ml 2 sin 2  x  y 2  mlx x cos  x cos  y  mlx y sin  x sin  y 
2
mly x cos  x sin  y  mly y sin  x cos  y  mgl cos  x

Áp dụng công thức động lực học của hệ Euler-Langrange:

8

(1.12)



d  L q, q

dt  q


 



T

 L q, q

  q
 

 

T




u

(1.13)

 uv 
 
Trong đó u là tín hiệu điều khiển: u   0  . Do hệ có 4 đầu ra mà chỉ có 2 tín hiệu điều khiển
 0 
nên tín hiệu điều khiển không có thì được thay bằng 0.
Ta sẽ thu được mô hình hệ cần cẩu treo 3D có dạng:
M ( q ) q  C ( q, q ) q  g ( q )  u

(1.14)

Tuy nhiên, nếu xét đến ảnh hưởng của ma sát thì mô hình cẩu treo 3D có dạng như sau:





M ( q ) q  C ( q, q )  D q  g ( q )  u

(1.15)

Với:

mc  m


0
M 
 ml cos  x cos  y

 ml sin  x sin  y

0

0
C
0

0

 Dx
0
D
0

0

0

ml cos  x cos  y

mc  mr  m

ml cos  x sin  y

ml cos  x sin  y

ml 2

ml sin  x cos  y

0

0 ml x sin  x cos  y  ml y cos  x sin  y
0 ml x sin  x sin  y  ml y cos  x cos  y
0

0

0

ml  y sin  x cos  y
2

0
Dy
0
0

ml sin  x sin  y 
ml sin  x cos  y 

0

ml 2 sin 2  x 

 ml x cos  x sin  y  ml y sin  x cos  y 

ml x cos  x cos  y  ml y sin  x sin  y 

ml 2 y sin  x cos  y


ml 2 x sin  x cos  y


0 0
0 0 
với Dx , D y là hệ số ma sát nhớt lần lượt theo phương x và phương y.
0 0

0 0

9