Tải bản đầy đủ (.pdf) (79 trang)

(Luận văn thạc sĩ) điều khiển hệ thống cần trục không cảm biến

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (4.12 MB, 79 trang )

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ
ĐỒN XN NAM

ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG CẦN TRỤC
KHÔNG CẢM BIẾN
S

K

C

0

0

3

9

5

9

NGÀNH: THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250

S KC 0 0 3 9 3 3


Tp. Hồ Chí Minh, 2012


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

LUẬN VĂN THẠC SĨ
ĐỒN XN NAM

ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG CẦN TRỤC
KHÔNG CẢM BIẾN

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

60 52 50

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 12/2012


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

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

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

E-mail:

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


Nơi công tác

Nhiệm vụ

Đại Học Công Ngiệp Thực Phẩm Tp. HCM

Giáo viên

Tổng Công Ty Tư Vấn Thiết Kế Dầu Khí

Nhân viên

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

Đoàn Xuân Nam


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

hồn thành luận văn này.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 02 năm 2013
Tác giả luận văn

Đoàn Xuân Nam

ii


Mục Lục
Trang

Trang tựa
Quyết Định Giao Đề Tài
Lý Lịch Khoa Học
Lời Cam Đoan ........................................................................................................... i
Lời Cảm Ơn .............................................................................................................. ii
Mục Lục .....................................................................................................................v
Danh Sách Các Hình ............................................................................................... ix
Chương 1. Tổng Quan ..............................................................................................1
1.1. Giới thiệu chung .................................................................................................1
1.2. Phương pháp tiếp cận điều khiển cần trục ..........................................................3
1.3. Mục tiêu và giới hạn của đề tài ...........................................................................6
1.4. Phương pháp nghiên cứu ....................................................................................6
1.5. Nội dung luận văn ...............................................................................................6
Chương 2. Cơ Sở Lý Thuyết ....................................................................................7
2.1. Mô tả hệ thống sử dụng ......................................................................................7
2.2. Mơ hình tốn học của hệ thống cần trục .............................................................8
2.2.1. Mơ hình động cơ DC ...............................................................................9
2.2.2. Mơ hình xe ...............................................................................................9

2.2.3. Mơ hình của tải ......................................................................................10
2.3. Mơ hình mơ phỏng của hệ thống cần trục ........................................................12

v


2.4. Mạng nơron nhân tạo (Artifical Neural Networks_ ANN)...............................13
2.4.1. Hàm tổng hợp ........................................................................................14
2.4.2. Hàm kích hoạt........................................................................................15
2.4.3. Giải thuật lan truyền ngược ...................................................................16
2.4.4. Minh họa giải thuật lan truyền ngược trong huấn luyện mạng nơron
nhiều lớp ................................................................................................18
Chương 3. Các Phương Pháp Điều Khiển ............................................................24
3.1. Phương pháp điều khiển với hai khâu PID .......................................................24
3.2. Phương pháp điều khiển với hai khâu PID có điều khiển dịng điện ..............27
3.3. Phương điều khiển khơng cảm biến..................................................................31
3.3.1. Phương pháp luận ..................................................................................31
3.3.2. Xây dựng phần mềm cảm biến bằng mạng nơron .................................32
Chương 4. Điều Khiển Hệ Thống Thực ................................................................41
4. 1. Sơ lược về mơ hình thí nghiệm hệ thống thực ..................................................41
4. 2. Thiết kế phần cứng............................................................................................42
4. 3. Điều khiển với hai khâu PID ............................................................................45
4.3.1. Thiết kế bộ điều khiển PID góc dao động .............................................46
4.3.2. Thiết kế bộ điều khiển PID vị trí ...........................................................47
4.3.3. Kết quả thực nghiệm .............................................................................48
4. 4. Điều khiển với hai khâu PID có điều khiển dịng .............................................50
4. 5. Điều khiển khơng cảm biến mạng nơron ..........................................................53
4. 6. Giao diện đồ họa ...............................................................................................57
Chương 5. Kết Luận Và Hướng Phát Triển Đề tài ..............................................59


vi


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

vii


1. Tổng quan

Chương 1

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

1



1. Tổng quan

Hình 1.1. Cần trục giàn

a) Cần trục tay với

b) Cần trục hình tháp

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

2


1. Tổng quan
1.2. Phương pháp tiếp cận điều khiển cần trục
Cần trục được sử dụng để di chuyển vật nặng từ điểm này đến điểm khác trong thời
gian nhỏ nhất để vật đến được đích mà khơng bị đung đưa (dao động). Thông
thường, người điều khiển lành nghề đảm nhiệm cơng việc này. Trong q trình hoạt
động, tải dao động tự do như chuyển động của con lắc. Nếu dao động vượt quá giới
hạn cho phép, nó phải được giảm dao động hoặc phải dừng hoạt động cho đến khi
dao động bị triệt tiêu.Những vấn đề này đã thúc đẩy nhiều nhà nghiên cứu phát triển
thuật toán điều khiển để tự động hóa các hoạt động cần trục.
Hoạt động cần trục có thể được chia thành năm bước sau: kẹp tải, nâng lên, di
chuyển tải từ điểm này tới điểm khác, hạ xuống, nhả tải. Tự động hóa tồn bộ các
q trình này là hồn tồn có thể, một vài nghiên cứu đã hướng tới nhiệm vụ
này[1].Di chuyển tải từ điểm này tới điểm khác là khâu chiếm hầu hết thời gian

trong tồn bộ q trình và địi hỏi người điều khiển khéo léo để thực hiện nó.Tìm ra
phương pháp phù hợp để di chuyển tải dễ dàng mà không gây ra dao động lớn là
trọng tâm của các nghiên cứu hiện nay.Chúng ta có thể phân chia việc điều khiển
cần trục thành hai cách tiếp cận.
Trong cách tiếp cận đầu tiên, người vận hành tham gia vào điều khiển và thay đổi
cơ cấu khí động lực của tải để giúp cho vận hành được dễ dàng hơn.Cách một là
thêm bộ giảm chấn bằng đường hồi tiếp góc dao động của tải và tốc độ của nó hoặc
bằng đường hồi tiếp góc dao động trước đó[2, 3].Hồi tiếp này cho biết quỹ đạo phát
sinh thêm vào bởi vận hành.Cách thứ hai là để tránh tải tự kích gần tần số tự nhiên
của nó bằng cách thêm một bộ lọc để loại bỏ các tần số này từ đầu vào [4].Cách thứ
ba là thêm bộ giảm xóc vào cơ cấu của cần trục[5].
Trong cách tiếp cận thứ hai, hoạt động hoàn tồn tự động mà khơng có người vận
hành điều khiển.Điều này có thể được thực hiện bằng cách sử dụng các kỹ thuật
khác nhau.Kỹ thuật thứ nhất là dựa tạo ra quỹ đạo mới để chuyển tải đến đích với
dao động là nhỏ nhất.Quỹ đạo đạt được nhờ dạng tín hiệu ngõ vào hoặc bằng kỹ
thuật điều khiển tối ưu.Kỹ thuật thứ hai là dựa vào tín hiệu hồi tiếp vị trí và góc dao

3


1. Tổng quan
động. Kỹ thuật thứ ba là chia thiết kế bộ điều khiển thành hai phần: một điều khiển
chống dao động và một điều khiển theo dõi. Mỗi bộ được thiết kế riêng biệt và sau
đó kết hợp để đảm bảo hiệu suất và sự ổn định của hệ thống tổng thể.
Dao động của tải bị ảnh hưởng bởi sự tăng tốc của chuyển động, nhiều nhà nghiên
cứu đã tập trung vào tạo ra quỹ đạo, làm sao chuyển tải đi nhanh nhất có thể với góc
dao động nhỏ nhất. Những quỹ đạo tìm được bằng cách sử dụng các kỹ thuật tối ưu
hóa với các hàm mục tiêu có thể là thời gian chuyển[6], hay hành động điều
khiển[7], hoặc góc dao động [8].Một phương pháp quan trọng tạo ra quỹ đạo là
dạng tín hiệu vào, trong đó bao gồm các chuỗi xung tăng tốc và giảm tốc.Những

trình tự này được tạo ra mà không gây ra dao động trong q trình vận chuyển
[9].Điều khiển vịng hở nhạycảm với các nhiễu loạn bên ngồi và thơng số biến đổi.
Ngồi ra, hoạt động điều khiển là bang-bang, do đó khơng liên tục. Hơn nữa, nó
thường địi hỏi góc dao động bằng khơng tại đầu mỗi q trình, và khơng thể nhận
ra được góc thực tế lúc đó.Để tránh những bất lợi của điều khiển vòng hở, nhiều nhà
nghiên cứu [12, 13]đã điều khiển thơng qua hồi tiếp vịng kín.
Điều khiển hồi tiếp ít nhạy cảm với các nhiễu loạn và các thơng số biến đổi. Do đó,
nó là phương pháp thiết kế điều khiển phổ biến cho cần trục. Ridout [14] đã phát
triển bộ điều khiển hồi tiếp vị trí chiếc xe, tốc độ và góc dao động của tải. Độ lợi
(gains) hồi tiếp được tính tốn trên phép thử và sai dựa trên phương pháp quỹ đạo
nghiệm. Salminen [16] sử dụng điều khiển hồi tiếp với độ lợi (gains) được tính tốn
dựa trên những phương pháp biểu đồ cực. Hazlerigg [17] đã phát triển bộ bù
(compensator) để triệt tiêu động năng của con lắc. Điều khiển này đã được thử
nghiệm trên một mơ hình cần trục vật lý.Nó đã tạo ra kết quả tốt, ngoại trừ dao
động hệ thống chậm tắt dần. Do đó, hệ thống đáp ứng được dao động, nghĩa là thời
gian vận chuyển lâu hơn. Hurteau và DeSantis [18] phát triển một bộ điều khiển hồi
tiếp tuyến tính sử dụng tín hiệu hồi tiếp trạng thái đầy đủ. Độ lợi (gains) điều khiển
được điều chỉnh theo chiều dài cáp. Tuy nhiên, việc thay đổi chiều dài cáp làm giảm
đặc tính của hệ thống.Ngồi ra, các thuật tốn điều chỉnh đã khơng được kiểm
nghiệm bằng thực nghiệm.

4


1. Tổng quan
Mục tiêu điều khiển cần trục là chuyển tải từ điểm này tới điểm khác và đồng thời
dao động tải là nhỏ nhất.Thông thường, điều khiển được thiết kế để đạt được hai
nhiệm vụ cùng một lúc, như trong các bộ điều khiển nói trên.Tuy nhiên, có một đề
xuất khác được sử dụng rộng rãi, hai nhiệm vụ được xử lý riêng bằng cách thiết kế
hai bộ điều khiển hồi tiếp.Bộ đầu tiên là điều khiển chống dao động.Nó điều khiển

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

5


1. Tổng quan
hệ thống thực tế có những trở ngại: chi phí đầu tư cao, khó lắp đặt nhất là với những
cần trục có cơ cấu nâng hạ, thường xuyên bảo trì sữa chữa…
Phương pháp điều khiển khơng cảm biến này được đề cập bởi tác giả Mahmud Iwan

Solihin và Wahyudi trong [26, 27].Phương pháp này phù hợp với các nước cịn hạn
chế về trình độ về cơng nghệ cảm biến.
1.3. Mục tiêuvà giới hạn của đề tài
Mục tiêu đề tài là điều khiển tự động hệ thống cần trục khơng cảm biến. Cảm biến
thực đo lường góc dao động tải được thay thế bởi phần mềm cảm biến bằng mạng
nơron. Ngồi ra, dịng điện làm việc của động cơ ln được điều chỉnh trong phạm
vi dịng điện định mức để tránh hiện tượng quá tải làm cho dòng này tăng q mức
cho phép.
Thiết kế điều khiển trên mơ hình thực,giao tiếp giữa hệ thống thực và máy tính để
điều khiển thông qua card DSP-28335.
Giới hạn của đề tài chỉ thiết kế điều khiển khơng cảm biến có kiểm sốt dịng điện
trên mơ hình hệ thống cần trục giàn (Hình 1.1).
1.4. Phương pháp nghiên cứu
Các phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong luận văn bao gồm:
 Khảo sát, phân tích tổng hợp
 Mơ phỏng trên máy tính
 Thiết kế mơ hình thực nghiệm
 Đánh giá kết quả dựa trên mơ phỏng và thực nghiệm
1.5. Nội dung luận văn
Phần cịn lại của nội dung luận văn bao gồm:
Chương 2.Cơ sở lý thuyết

6


1. Tổng quan
Trình bày các lý thuyết liên quan sử dụng trong luận văn.Xây dựng mơ hình tốn
mơ tả hệ thống cần trục cần nghiên cứu.
Chương 3.Các phương pháp điều khiển
Nội dung của chương giới thiệu về các phương pháp: điều khiển với hai khâu PID,

điều khiển với hai khâu PID có điều khiển dịng điện, điều khiển khơng cảm biến
mạng nơron.Mô phỏng trong Matlab Simulink các phương pháp điều khiển và đánh
giá kết quả đạt được.
Chương 4.Điều khiển hệ thống thực
Giới thiệu về mơ hình thực nghiệm hệ thống cần trục, thiết kế phần cứng điều
khiển.Chạy thực nghiệm và đánh giá kết quả của các phươngphápđiều khiển.
Chương 5. Kết luận và hướng phát triển đề tài
Tổng kết các vấn đề đã thực hiện và kết quả đạt được.Hướng phát triển đề tài.

Chương 2

Cơ Sở Lý Thuyết
Trước khi tìm hiểu về các phương pháp điều khiển thì cần phải hiểu rõthơng số, đặc
tính của hệ thống đang nghiên cứu.Nội dung của chương 2 giới thiệu sơ lược về hệ
thống cần trục được sử dụng làm đối tượng nghiên cứu trong đề tài, trình bày các
bước xây dựng mơ hình tốn mô tả hệ thống cần trục dựa trên các phương trình vật
lý và định luật Newton thơng qua phép biến đổi Laplace, lý thuyết cơ sở mạng
nơron.Mô phỏng trong Matlab Simulink để thấy được đáp ứng của hệ thống khi
điều khiển vịng hở.
2.1. Mơ tả hệ thống sử dụng

7


2. Cơ sở lý thuyết
Tùy mục đích sử dụng, hệ thống cần trục được chia thành: cần trục giàn (Hình 1.1),
cần trục quay (Hình 1.2).Giới hạn của đề tài chỉ nghiên cứu trên mơ hình cần trục
giàn.Dạng cần trục này, có thể dịch chuyển trên mặt phẳng nằm ngang. Tải trọng
gắn với xe bởi dây cáp, chiều dài có thể thay đổi được bởi một cơ cấu nâng hạ. Tải
với cáp được xem như một hệ con lắc dao động một bậc tự do. Xe được truyền động

bởi động cơ thơng qua hệ thống bánhrăng và dây đai.
Mơ hình thực nghiệm sử dụng động cơ DC 20(V), 1.5 (A).Mơ hình thực nghiệm
này được dùng làm đối tượng để xây dựng mơ hình tốn.
2.2. Mơ hình tốn học của hệ thống cần trục

Hình 2.1. Mơ hình cần trục

Hình 2.2. Mơ hình động cơ DC
Hệ thống cần trục sử dụng trong luận vănđược mơ tả như trong Hình 2.1.Tải được
treo vào điểm cuối của cáp. Tại thời điểm t, xe dịch chuyển đến vị trí x, lực tác động

8


2. Cơ sở lý thuyết
lên xe làF, khối lượng xe là M, khối lượng của tải là m, chiều dài cáp là l, và góc
giữa cáp và trục thẳng đứng là θ.
2.2.1. Mơ hình động cơ DC
Phương trình mơ tả động cơ DC:
v a (t )  L
J

d
i (t )  Ri (t )  K b  (t ) (với K b  (t )  E b )
dt

d
 (t )  K f  (t )  K m i (t )
dt


(2.1)
(2.2)

Với R là điện trở (Ω), L là điện cảm (H), Kb là hệ sốsức điện động, Kmhệ số phần
ứng, Kflà hệ số tuyến tính gần đúng của ma sátvà J là quán tínhtải (kg.m/s2).
Biến đổi Laplace phương trình (2.1) và (2.2):

Va ( s )  ( Ls  R) I ( s )  K b ( s )

(2.3)

Js  ( s )  K f  ( s )  K m I ( s ) ==> I ( s ) 

Js  K f
Km

 ( s)

(2.4)

Thay (2.4) vào (2.3), hàm truyền mô tả động cơ DC được mô tả như sau:

 ( s)
Va ( s)



Km
JLs  ( LK f  RJ ) s  RK f  K m K b
2


(2.5)

Hình 2.3.Sơ đồ khối động cơ DC
2.2.2. Mơ hình xe
Phương trình chuyển động quay:
T puli  puli  Fv xe

(2.6)

9


2. Cơ sở lý thuyết
Với  puli là vận tốc góc của puli, T puli là moment của puli, F là lực tác động lên xe và

v xe là vận tốc của xe.
Vận tốc của xe thì bằng với vận tốc của puli:
v xe  v puli

(2.7)

v puli   puli rpuli

(2.8)

Với r puli là bán kính của puli, v puli là vận tốc của puli.
Biểu thức (2.6) được viết lại như sau:
F


T puli

(2.9)

rpuli

T puli  Eff puli Tmotor

(2.10)

Với Tmotor là moment của động cơ, Eff puli là hiệu suất của puli.
Moment động cơ được viết như sau:
Tmotor  J

d
dt

(2.11)

Với J là moment qn tính,  vận tốc góc.
Thay (2.11), (2.10) vào (2.9):

F

Eff puli J

d
dt

(2.12)


r puli

Suy ra, hàm truyền trong miền Laplace:

F





Eff puli J s

(2.13)

rpuli

2.2.3. Mơ hình của tải
Dựa vào vị trí của tải, chiếu các lực lên các phương quy chiếu:

10


2. Cơ sở lý thuyết
 Xét theo phương ngang:

d 2x
d 2 ( x  l sin  )
M 2 m
F

dt
dt 2

(2.14)

 Xét theo phương thẳng đứng:

d 2 (l cos  )
d 2 ( x  l sin  )
m
sin   m
cos   mg sin 
dt 2
dt 2

(2.15)

d 2 ( x  l sin  )
 x  l cos   l 2 sin 
2
dt

(2.16)

d 2 (l cos)
 lsin   l 2 cos 
2
dt

(2.17)


Trong đó:

Thế (2.16), (2.17) vào biểu thức (2.14) và (2.15):

m  M x  ml  cos   2 sin    F

(2.18)

x cos   l  g sin   0

(2.19)

Phương trình(2.18), (2.19) trênlàhàmphi tuyến, khó dùngchomục đíchthiết kế,phân
tích và những mục đích khác.
Phương trình phi tuyến được xem là tuyến tính nếugóc lệch  nhỏ và vận tốc góc

 nhỏ.Hay nói cách khác:
cos  1; sin   

(2.20)

Thay (2.20)vào (2.18), (2.19) và được viết lại dưới dạng phương trình tuyến tính:

m  M x  ml   F

(2.21)

x  l  g  0


(2.22)

Thực hiện phép biến đổi Laplace (2.21) và (2.22),hàm truyền hệ thống được mô tả
như sau:

11


2. Cơ sở lý thuyết



1
lMs  g (m  M )

(2.23)

V
( s 2l  g )

F s Mls 2  (m  M ) g

(2.24)

F



2






2.3. Mơ hình mơ phỏng của hệ thống cần trục
Sử dụng các khối Transfer Fcn trong Matlab Simulink để khai báo hàm truyền bằng
các biểu thức (2.5), (2.13), (2.23) và (2.24).Sơ đồ mô phỏng hệ thống cần trục điều
khiển vịng hở được mơ tả như Hình 2.4.
Mô phỏng hệ thống cần trục trong Matlab Simulink với tín hiệu đầu vào là hàm nấc
đơn vị; các thơng số mơ phỏng được cho trong Bảng 2.1.Trong đó, khối Rad2Deg là
khối chuyển đổi góc từ radian sang độ.

Hình 2.4.Sơ đồ khối điều khiển vòng hở hệ thống cần trục

12


2. Cơ sở lý thuyết

(a)

(b)

Hình 2.5. (a) kết quả mơ phỏng vị trí xe, (b) kết quả mơ phỏng góc dao động tải.
Bảng 2.1. Các thông số mô phỏng hệ thống
Thông số của hệ thống
R

1.5 Ω


Điện trở động cơ

L

0.005 H

Điện cảm động cơ

Kb

0.6

Hệ số sức điện động

Km

0.7

Hệ số moment xoắn động cơ
2

Moment quán tính động cơ

J

0.01 kg.m/s

Effpuli

0.98


Hiệu suất puli

rpuli

0.03 m

Bán kính puli

m

1 kg

Khối lượng tải

M

2 kg

Khối lượng xe

l

0.5m

Độ dài cáp

g

9.81 m/s2


Hệ số gia tốc trọng trường

Kf

0.1

Hệ số tuyến tính gần đúng của ma sát

Kết quả:
Thực hiện q trình mơ phỏng với tín hiệu vào là hàm bước đơn vị (step function),
thời gian mô phỏng 10s. Từ đồ thị mô phỏng đáp ứng tín hiệu ngõ ra của hệ thống
cho thấy:

12


2. Cơ sở lý thuyết

 Về vị trí: với giá trị đặt (ngõ vào) là 1 thì tín hiệu ngõ ra tăng rất chậm. Điều
này có nghĩa là tốc độ di chuyển tải từ điểm xuất phát tới điểm đặt (điểm
đích) là rất chậm.

 Góc dao động tải (theta): tải dao động không tắt với biên độ ±4o.
2.4. Mạng nơron nhân tạo (Artifical Neural Networks_ ANN)
Bộ não con người có khoảng 1011÷1012 nơron. Mỗi nơron (Hình 2.6) có thể liên kết
với 104 nơron khác thông qua các khớp nối (synapse).Các nơron nhận tín hiệu điện
từ các khớp nối và khi tổng hợp các tín hiệu này mà vượt quá một ngưỡng cho phép
thì nơron sẽ kích hoạt một tín hiệu điện ở ngõ ra để truyền tới trục nơron và dẫn đến
các nơron khác.

Mạng nơron nhân tạo (Hình 2.7) được xây dựng từ những năm 1940 nhằm mô
phỏng chức năng của bộ não người. Dựa trên quan điểm cho rằng bộ não người là
bộ điều khiển. Mạng nơron nhân tạo được thiết kế tương tự như nơron sinh học sẽ
có khả năng giải quyết hàng loạt các bài toán như tính tốn tối ưu, điều khiển, cơng
nghệ robot… Nó gồm có một nhóm các nơ-ron nhân tạo (Hình 2.8) nối với nhau, và
xử lý thông tin bằng cách truyền theo các kết nối và tính giá trị mới tại các nút.

Hình 2.6. Cấu trúc một nơron sinh học

13


2. Cơ sở lý thuyết

Hình 2.7. Cấu trúc mạng nơron nhân tạo

Hình 2.8. Cấu trúc một nơron nhân tạo
Với Xj là giá trị ngõ vào thứ j; Wij là trọng số kết nối giữa ngõ vào thứ j với nơron i;
fi 

n

w x
ij

j

 bi là hàm tổng trọng số; f(fi) là hàm kích hoạt; yi = f(fi) là ngõ ra của

j 1


nơron thứ i.
2.4.1. Hàm tổng hợp
Nếu xj là ngõ vào từ mơi truờng bên ngồi, wij là trọng số kết nối giữa xj và phần tử
xử lý thứ i, bi là giá trị ngưỡng của phần tử xử lý thứ i, thì hàm tổng hợp f i để kết
hợptất cả các thông tin từ các ngõ vào của phần tử xử lý thứ i có thể được định
nghĩa một trong các dạng sau:

14


2. Cơ sở lý thuyết

 Hàm tổng hợp tuyến tính
fi 

n

w x
ij

j

 bi

(2.25)

j 1

 Hàm tổng hợp tuyến tính bình phương

fi 

n

w x
ij

2
j

 bi

(2.26)

j 1

2.4.2. Hàm kích hoạt
Ngõ ra của phần tử xử lý thứ i là một hàm kích hoạt. Hàm này giới hạn phạm vi
biên độ cho phép của tín hiệu ngõ ra trong một khoảng giá trị hữu hạn. Hệ số hiệu
chỉnh bi có tác dụng tăng lên hay giảm đi ngõ vào thực của hàm tác động tùy theo
nó dương hay âm.
Các hàm tác động phải có các đặc tính sau:
 Hàm bị chặn trên và chặn dưới
 Hàm có tính đơn điệu
 Hàm phải có tính liên tục và trơn
Các loại hàm tác động thường dùng:
 Hàm Threshold hay còn gọi là Hardlimit (hàm nấc):
1, x  0
f ( x)  
0, x  0


(2.27)

Khoảng trả về: [0, 1]

 Hàm S đơn cực sigmoid:
f ( x) 

1
1  e f

(2.28)

Khoảng trả về: [0, 1]

15


2. Cơ sở lý thuyết

 Hàm S lưỡng cựcBipolarSigmoid:
f ( x) 

2
1
1  e f

(2.29)

Khoảng trả về: [-1, 1]


2.4.3. Giải thuật lan truyền ngược
Giải thuật lan truyền ngược (back propagation algorithm_BPA) là một trong các
giải thuật quan trọng trong lịch sử phát triển của mạng nơron nhân tạo. Giải thuật
được sử dụng để huấn luyện mạng truyền thẳng với các phần tử xử lý trong mạng
có hàm tác động là hàm phi tuyến. Giải thuật vận hành theo hai luồng dữ liệu:
 Đầu tiên dữ liệu được truyền từ lớp nơron ngõ vào đến lớp ngõ ra và cho kết
quả thật sự y(k) của lớp nơron ngõ ra.
 Sau đó, các tín hiệu sai lệch giữa ngõ ra mong muốn và ngõ ra thật sự của
mạng được truyền ngược từ lớp ngõ ra đến các lớp đứng trước để cập nhật
các trọng số kết nối trong mạng.
Giải thuật BPA được sử dụng để điều chỉnh các trọng số kết nối sao cho tổng sai số
bình phương (J) là nhỏ nhất.
Tóm tắt giải thuật lan truyền ngược:
Bước 1: Tổng nơron đơn
n

si   wij xij

(2.30)

j 1

Bước 2: Hàm kích hoạt sigmoid
1
1  e si

(2.31)

wij (kT )   i x j


(2.32)

yi 

Bước 3: Quy tắc delta

16


2. Cơ sở lý thuyết
Bước 4: Trọng lượng mới
wij (kT )  wij (k  1)T  wij (kT )

(2.33)

 i  yi (1  yi )( d i  yi )

(2.34)

J

1 m
( d i  yi ) 2

2 i 1

(2.35)

 i 


n

  yi (1  yi )  wij  j 
 i 1
 1

(2.36)

Bước 5: Lớp đầu ra

Bước 6: Các lớp khác

Với xj là ngõ vào thứ j; yi ngõ ra thứ i; di là ngõ ra mong muốn thứ i; wij là trọng số
kết nối giữa ngõ vào thứ j với nơron thứ i; J là sai số bình phương;  là hệ số học.
Khi giải quyết bài toán bằng mạng nơron theogiải thuật truyền ngược có những vấn
đề rút ra là:
 Sẽ có bao nhiêu nơron trong mạng, bao nhiêu ngõ vào, bao nhiêu ngõ ra và
bao nhiêu lớp ẩn. Càng nhiều lớp ẩn bài tốn trở nên phức tạp nhưng có thể
giải quyết được những vấn đề lớn.
 Thuật toán Back propagation cung cấp một phương pháp “xấp xỉ” cho việc
tìm trong khơng gian trọng số (nhằm tìm ra những trọng số phù hợp cho
mạng). Càng lấy giá trị của tham số học càng nhỏ bao nhiêu thì sự thay đổi
trọng số càng nhỏ bấy nhiêu và quỹ đạo không gian học sẽ càng trơn. Tuy
nhiên điều này lại làm cho tốc độ học chậm đi. Trái lại, nếu chọn tham số tốc
độ học quá lớn, sự thay đổi lớn của các trọng số có thể làm cho mạng trở nên
khơng ổn định. Về mặt ý tưởng, tất cả các nơron trong mạng nên chọn cùng
một tốc độ học, tham số học  nên gán một giá trị nhỏ. Các nơron với nhiều
ngõ vào nên chọn một tham số tốc độ học nhỏ hơn để giữ một thời gian học
tương tự cho nhau cho tất cả các nơron trong mạng.


17


×