Điều khiển thích nghi cho hệ thống cần cầu 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
CĨ NGHI
TÍNH ĐẾN
YẾU TỐCHO
BẤTHỆ
ĐỊNH
TREO MƠ HÌNH BẤT ĐỊNH
Chun 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 – 2019


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 CĨ
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 – 2019


Lời cam đoan
Tơi xin cam đoan đây là cơng 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 2019
Tập thể hướng dẫn

Nghiên cứu sinh


Lời cảm ơn

Trong q trình làm luận án, tơi đã nhận được nhiều góp ý về chun mơn 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.
Tơi xin bày tỏ lịng 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 tơi trong suốt q 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 cơng trình Đơ 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 u tơi để tơi
hồn thành nhiệm vụ học tập.

Nghiên cứu sinh

Lê Xn Hải


MỤC LỤC
Các ký hiệu được sử dụng ............................................................................................................ viii
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt ............................................................................................ xi
Danh mục các hình vẽ, đồ thị........................................................................................................ xii
Danh mục các bảng ....................................................................................................................... xv
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 ......................................................................................... 3

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.

Mơ hình tốn học của cần cẩu treo ................................................................................. 6

1.1.1.

Mơ hình cẩn cẩu treo 3D có chiều dài dây treo khơng thay đổi ............................... 6

1.1.2.

Mơ hình cần cẩu treo 2D ......................................................................................... 10

1.1.3.

Phân tích mơ hình ................................................................................................... 12

1.2.

Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước ................................................................... 13

1.2.1.

Tình hình nghiên cứu trong nước............................................................................ 13

1.2.2.

Tình hình nghiên cứu ngồi 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 ....................................................................................... 19

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
2.1.

Nền tảng cơ sở cho giải thuật điều khiển ...................................................................... 23
v


2.1.1.

Mơ 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 ......................................................................................................... 60

CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT THÍCH NGHI CHO CẦN CẨU TREO TRÊN CƠ SỞ
MẠNG NƠ-RON NHÂN TẠO .................................................................................................... 61
3.1.

Nền tảng cơ sở cho giải thuật điều khiển ...................................................................... 62

3.1.1

Điều khiển backstepping ......................................................................................... 62

3.1.2

Mạng nơ-ron nhân tạo RBF .................................................................................... 65

3.2.

Bộ điều khiển trượt backstepping trên cơ sở mạng nơ-ron nhân tạo ............................ 68

3.2.1.

Tổng hợp bộ điều khiển trượt backstepping ........................................................... 68

3.2.2.

Tổng hợp bộ điều khiển trượt thích nghi trên cơ sở mạng nơ-ron nhân tạo ........... 73

3.2.2.1.

Xấp xỉ véc-tơ hàm bất định bằng mạng nơ ron nhân tạo ................................. 73

3.2.2.2.

Phát biểu định lý và chứng minh về tính ổn định của hệ kín .......................... 75

3.2.3.
3.3.

Mô phỏng kiểm chứng bộ điều khiển ANSMC ...................................................... 77

Bộ điều khiển trượt thích nghi nơ-ron bất định tải ....................................................... 91

3.3.1

Tổng hợp bộ điều khiển trượt ................................................................................. 91

3.3.2

Tổng hợp bộ điều khiển trượt thích nghi nơ-ron bất định tải ................................. 93

3.3.3

Mô phỏng kiểm chứng bộ điều khiển ANSMCWUPL ........................................... 97

3.4.

Kết luận chương 3 ....................................................................................................... 101

CHƯƠNG 4: KIỂM CHỨNG BẰNG THỰC NGHIỆM TRÊN MƠ HÌNH CẦN CẨU TREO 2D
TRONG PHỊNG THÍ NGHIỆM ............................................................................................... 102
4.1.

Xây dựng bàn thí nghiệm ............................................................................................ 102
vi


4.1.1.

Mơ hình vật lý ....................................................................................................... 102

4.1.2.

Thiết kế phần cứng................................................................................................ 103

4.1.3.

Thiết kế phần mềm................................................................................................ 105

4.2.

4.1.3.1.

Bộ lọc Kalman cho cảm biến MPU6050 ....................................................... 105

4.1.3.2.

Giao diện HMI ............................................................................................... 107

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 tốn trượt tầng thích nghi mờ .......................................................... 109

4.3.

Kết luận chương 4 ....................................................................................................... 114

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................................................... 115
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ ĐƯỢC CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ......................... 117

vii


Các ký hiệu được sử dụng
mc , M

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

Mơ men qn tính của tải trọng

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 mơ 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 mơ hình sai lệch

u1

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

u2

Tín hiệu điều khiển thành phần thiếu chấp hành của
hệ cần cẩu treo khi viết dưới dạng mơ 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

u1sw

Thành phần điều khiển chuyển mạch của u1

ix




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

AFHSMC

Adaptive Fuzzy Hierarchical Sliding

Điều khiển trượt tầng thích nghi

Mode Control

mờ

Adaptive Neural Network Sliding

Điều khiển trượt nơ-ron thích nghi

ANSMC

Mode Control
ANSMCWUPL

Adative Neural Network Sliding
Mode Control for Overhead Crane

System With Uncertainty of Payload
Mass.

Điều khiển trượt thích nghi nơ-ron
bất định tải

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

HMI

Human Machine Interface

Giao diện giữa người và máy

MIMO

Multiple Input - Multiple Output

Nhiều đầu vào - nhiều đầu ra

xi


Danh mục các hình vẽ, đồ thị
Hình 1.1

Mơ hình hệ cần cẩu treo 3D với chiều dài dây treo không thay đổi

Hình 2.1

Tập mờ của hai biến ngơn 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 mơ phỏng hệ thống điều khiển mờ hai lớp

Hình 2.8

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

Hình 2.9

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

Hình 2.11

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

Hình 2.12

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

Hình 2.14

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

xii


Hình 2.16

Kết quả mơ 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 ngơn 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 khơng có nhiễu tác động với khối lượng tải là 8 (kg)

Hình 2.23

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

Hình 2.24

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

Hình 2.25

Kết quả mơ 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 mơ phỏng so sánh giữa HSMC và AFHSMC

Hình 2.27

Kết quả mơ 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 mơ phỏng hệ thống ANSMC

Hình 3.5

Kết quả mơ phỏng cho ANSMC trong trường hợp khơng có nhiễu tác
động

Hình 3.6

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

Hình 3.7

Kết quả mơ phỏng cho ANSMC trong trường hợp nhiễu có biên độ
thay đổi tác động

Hình 3.8

Kết quả mơ 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

xiii


động của nhiễu 40 N
Hình 3.10

Kết quả so sánh chất lượng giữa ANSMC và bộ TLFLC trong trường
hợp khơng 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 mơ phỏng hệ thống ANSMCWUPL

Hình 3.13

Kết quả mơ phỏng cho bộ ANSMCWUPL trong trường hợp tải
m=10(kg)

Hình 3.14

Kết quả mơ phỏng cho bộ ANSMCWUPL trong trường hợp tải
m=20(kg)

Hình 3.15

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

Hình 4.1

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

Hình 4.2

Sơ đồ khối hệ thống điều khiển

Hình 4.3

Mạch phần cứng điều khiển

Hình 4.4

Cảm biến MPU6050

Hình 4.5

Lưu đồ thuật tốn bộ lọc Kalman

Hình 4.6

Giao diện HMI trên máy tính

Hình 4.7

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

Hình 4.8

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

Hình 4.9

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

Hình 4.10

Kết quả cài đặt thực nghiệm bộ điều khiển trượt tầng với khối lượng
của tải là 16 kg.

Hình 4.11

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

Hình 4.12

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

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 thống 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

Thơng số mơ 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

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

Bảng 4.4

So sánh giữa kết quả thực nghiệm và kết quả mơ phịng cho bộ
điều khiển mờ hai lớp

Bảng 4.5

So sánh giữa kết quả thực nghiệm và kết quả mơ phịng cho bộ
điều khiển trượt tầng thích nghi mờ
xv


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 cơng trình
xây dựng ... Hệ thống cần cẩu treo đã giúp giải quyết nhiều cơng việc vận tải phức tạp và khó
khăn một cách nhanh chóng, linh hoạt và tiết kiệm nhân lực.
Trong cơng 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 ln ít hơn số bậc tự do của hệ. Bài toán điều khiển cần cẩu
treo ngồi việc điều khiển cho xe con bám vị trí đặt còn phải quan tâm đến việc giảm thiểu rung
lắc của tải trọng 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 mơ 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 thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống cần cẩu treo vừa đảm bảo xe con bám
vị trí đặt đồng thời giảm thiểu rung lắc của tải trọng ngay cả khi bị ảnh hưởng bởi nhiễu ngồi và
các yếu tố bất định trong mơ 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 cơng 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
1


vấn đề điều khiển cũng là một vấn đề hết sức quan trọng để cải thiện chất lượng làm việc của hệ
thống cần cẩu treo. Do cần cẩu treo là một đối tượng phi tuyến có mơ hình bất định chịu ảnh
hưởng của nhiễu nên phần lớn các cơng trình nghiên cứu mới được công bố gần đây đều hướng
đến phương pháp điều khiển thích nghi phi tuyến hoặc là dựa trên mơ 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 ln là bài tốn thu hút được nhiều nhà khoa học quan tâm giải quyết.
Điều khiển thích nghi là bài tốn tổng hợp bộ điều khiển nhằm ln giữ chất lượng hệ thống
khơng thay đổi, cho dù có nhiễu khơng 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 [6].
Mục tiêu của luận án hướng đến việc đề xuất các giải thuật điều khiển thích nghi mới cho hệ cần
cẩu treo có mơ hình bất định trên cơ sở lý thuyết điều khiển phi tuyến và hệ thống thông minh
(hệ mờ và mạng nơ-ron) nhằm đảm bảo hệ thống cần cẩu treo bám vị trí chính xác và giảm thiểu
rung lắc trong quá trình di chuyển.
Để thực hiện được mục tiêu này, luận án đặt ra bốn nội dung chính bao gồm:
-

Nghiên cứu các phương pháp điều khiển thích nghi phi tuyến đã được cơng 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 tốn 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 [55] áp dụng
cho cần cẩu treo 3D mơ 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 mơ 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.

2


3.

Phạm vi nghiên cứu của luận án

- Đối tượng nghiên cứu:
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 mơ
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 phịng 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 nền vi điều khiển và có ghép nối với
máy tính cá nhân để giám sát thơng 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 cơng 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 phịng 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 có mơ hình phi tuyến bất
định và tham số tải trọng thay đổi, sao cho tính ổn định của hệ kín được đảm bảo. Với việc
nghiên cứu các cấu trúc điều khiển mới như bộ điều khiển mờ hai lớp và bộ điều khiển trượt tầng
thích nghi mờ đã cho thấy khả năng áp dụng hệ suy diễn mờ cho các hệ phi tuyến bất định, thiếu
3


cơ cấu chấp hành là khả thi. Các kết quả nghiên cứu này vừa có ý nghĩa khoa học vừa có ý nghĩa
thực tiễn cao.
Ứng dụng mạng nơ-ron hai lớp với việc tăng số lượng phần tử ở lớp đầu vào cho thấy khả năng
xấp xỉ các hàm phi tuyến trơn bị chặn là rất phù hợp, điều này đã được sử dụng trong việc thiết
kế các bộ điều khiển phi tuyến thích nghi cho hệ thống cần cẩu treo. Vì vậy các kết quả nghiên

cứu mới của luận án có ý nghĩa khoa học cao.
- Ý nghĩa thực tiễn:
Một phần các giải thuật điều khiển mới được đề xuất trong luận án đã được kiểm chứng bằng
thực nghiệm cho mơ hình cần cẩu treo 2D trong phịng thí nghiệm cho thấy khả năng ứng dụng
thực tế rất cao. Mặt khác, các thuật toán điều khiển mới được đề xuất trong luận án đều được
kiểm chứng thông qua mô phỏng cho các trường hợp có nhiều đầu vào và tải trọng thay đổi đã
chỉ ra được khả năng ứng dụng trong thực tế của các giải thuật này.

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 mơ 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 ngồi 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.
Mơ 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”, 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 mơ hình cần cẩu treo 2D trong phịng thí nghiệm
Nội dung chính là xây dựng bàn thí nghiệm điều khiển cần cẩu treo trong phịng thí nghiệm với
mơ hình vật lý đảm bảo gần giống với thực tế cơng 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. Mơ hình tốn học của cần cẩu treo
1.1.1. Mơ hình cẩn cẩu treo 3D có chiều dài dây treo khơng thay đổi
Mơ 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 . Lực đẩy u x tác dụng vào xe con theo phương Ox và lực u y
tác dụng vào xà đỡ theo phương Oy . Chọn các tọa độ suy rộng của hệ là:
q

x

y

T
x

y

.

(1.1)

Trong đó, x là dịch chuyển tương đối của xe con trên xà đỡ, y là dịch chuyển của xà đỡ trên
trục Oy0 ,
cịn

y

x

là góc lệch theo phương thẳng đứng, tức là tham số thể hiện sự dao động của tải,

là tham số phụ thuộc gián tiếp cho biết độ lớn các thành phần dao động theo phương Ox

và Oy .

z0

y
x

x0

mr

mc

uy
y0

ux

Hình 1.1: Mơ hình cần cẩu treo 3D có chiều dài dây treo không thay đổi

6


Giả thiết rằng hệ cần cẩu treo 3D có khối lượng dây treo được bỏ qua và chiều dài dây được coi
là khơng thay đổi trong q trình hoạt động của cẩu.
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 được xác định như sau:
pr  0

y 0 ; pc   x
T

y 0 ; pm   xm
T

ym

zm 

T

(1.2)

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

y  x  y 

T

(1.3)

Vị trí của xe con trong hệ trục cố định Ox 0y0z 0 :

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

(1.4)

Biểu thức động năng của của hệ:
E  Er  Ec  Em

(1.5)

Trong đó: Er là động năng của xà đỡ (chuyển động tịnh tiến dọc theo trục Oy0 ); Ec là động năng

của xe con (chuyển động tịnh tiến trên mặt phẳng ngang Ox 0y0 ); Em là động năng của tải trọng
(mô hình chất điểm)
Các biểu thức động năng là:
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





(1.6)



(1.7)



(1.8)

Từ (1.4) 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

(1.9)

Thế (1.9) vào (1.8) 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 





(1.10)

Từ (1.6), (1.7) và (1.10) 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





(1.11)

Thế năng của hệ là:
V  mgl cos  x

(1.12)

Từ hai phương trình (1.11) và (1.12), ta có hàm Lagrange [32], [15] 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

(1.13)

Nếu xét đến ảnh hưởng của ma sát nhớt tại bề mặt tiếp xúc giữa xe con và xà đỡ (hệ số ma sát
nhớt là Dx ) và ma sát nhớt tại bề mặt tiếp xúc giữa xà đỡ và đường trục Oy0 (hệ số ma sát nhớt là
Dy ) thì hàm hao tán (hàm tán năng) của hệ là:

1
D x2
2 x

1
D y2
2 y

(1.14)

Áp dụng cơng thức động lực học của hệ Euler-Langrange, ta có :
8




d  L q, q

dt  q


 



T

 L q, q

  q
 

 

T




u

(1.15)

 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 khơng có thì được thay bằng 0.
Ta sẽ thu được mơ hình hệ cần cẩu treo 3D có dạng:
M ( q ) q  C ( q, q ) q  g ( q )  u

(1.16)

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





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

(1.17)

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


0




0

g q 
 mgl sin  x 


0



 

Phương trình (1.17) được viết dưới dạng hệ phương trình vi phân như sau:

 mc  m  x   ml cos  x cos  y  x   ml sin  x sin  y  y  Dx x





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

 ml

x

(1.18)



cos  x sin  y  ml y sin  x cos  y  y  u x

 mc  mr  m  y   ml cos  x sin  y  x   ml sin  x cos  y  y  Dy y





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

 ml

x

(1.19)



cos  x cos  y  ml y sin  x sin  y  y  u y

 ml cos

x



mgl sin  x  0

 ml sin  sin   x   ml sin  cos   y   ml
 ml  sin  cos    ml  sin  cos 
x

y

x

2

y

sin 2  x  y 

x

0

2

2

y



cos  y  x   ml cos  x sin  y  y   ml 2  x  ml 2 y sin  x cos  y  y

x

y

x

x

y

y

(1.20)

(1.21)

1.1.2. Mơ hình cần cẩu treo 2D
Trong thực tế, cần cẩu treo làm việc với các chế độ khác nhau: chế độ xe chuyển động theo
hướng x và y đồng thời độ dài của dây thay đổi, chế độ chạy theo hướng x và y khi chiều dài của
dây không thay đổi và chế độ chạy theo một hướng độ dài dây không thay đổi. Do vậy khi thiết
kế điều khiển cần cẩu treo người ta phải thiết kế cho từng chế độ. Luận án tập trung vào nghiên
cứu chế độ chạy theo từng hướng x hoặc y và bỏ qua sự thay đổi độ dài dây. Mô hình chạy theo
từng hướng, ví dụ như chạy theo hướng x ( y  const ,  y  0 ) được suy ra từ mơ hình (1.18) và

(1.20), ta có:
2

 M  m  x  Dx x  ml x cos  x  ml x sin  x  ux


l x  cos  x x  g sin  x  0

10

(1.22)