Luận án: Phương pháp điều khiển thích nghi bền vững hệ Euler-Lagrange thiếu cơ cấu chấp hành - Ứng dụng cho cẩu treo

1 PHẦN MỞ ĐẦU 1. Giới thiệu về công trình nghiên cứu, lý do lựa chọn đề tài Hệ Euler-Lagrange (EL) nói chung và cẩu treo nói riêng với mô hình biến khớp là lớp hệ thường gặp nhất trong thực tế ở các lĩnh vực cơ khí, cơ điện tử. Giống như ở các hệ có mô hình trạng thái, mô hình hệ EL cũng mang đầy đủ các tính chất khách quan như không tuyệt đối chính xác, thường được lý tưởng hóa là không có nhiễu khi xây dựng mô hình. Bởi vậy bài toán thiết kế, xây dựng bộ điều khiển cho hệ EL trên nền tảng không có được sự chính xác của mô hình, cũng như phải tính tới sự tác động của nhiễu, mà vẫn đảm bảo chất lượng điều khiển đặt ra, luôn có ý nghĩa ứng dụng lớn.

Cẩu treo là thiết bị công nghiệp được sử dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như các công trình xây dựng, ở các nhà máy hay tại các bến cảng. Tại Việt Nam hiện nay phần lớn các cẩu treo này được vận hành bằng tay bởi người sử dụng. Khi mà kích thước của cẩu treo lớn hơn và yêu cầu vận chuyển nhanh hơn, cường độ làm việc cao hơn, thì việc vận hành chúng sẽ trở nên khó khăn nếu chưa tự động hóa quá trình này. Cẩu treo di chuyển theo quỹ đạo không cứng nhắc, nhưng nó hoạt động trong điều kiện hết sức khắc nghiệt nên một hệ điều khiển trong vòng kín là thích hợp nhất.

Cẩu treo là một thiết bị quan trọng sử dụng rộng rãi trong công nghiệp để vận chuyển các vật nặng và hàng hóa (gọi chung là tải trọng) từ nơi này đến một nơi khác, nó luôn có kết cấu vững chắc để nâng và di chuyển các vật nặng trong nhà máy, trong công trường xây dựng, trên boong tầu đặc biệt là tại các bến cảng. Trong nhà máy, cẩu treo gia tăng quá trình sản xuất bằng cách vận chuyển nguyên liệu với khối lượng rất nặng từ vị trí này đến vị trí khác cũng như di chuyển các sản phẩm ở một dây chuyền sản xuất hay dây chuyển lắp ráp. Ví dụ, trong nhà máy luyện kim cẩu treo vận chuyển cuộn thép, phôi thép hay thùng kim loại nóng chảy để đổ vào khuôn đúc,… Trong xây dựng tòa nhà nhờ sử dụng cẩu treo mà quá trình vận chuyển vật liệu lên những chỗ rất cao hay những nơi trọng yếu khá dễ dàng. Đặc biệt trên boong tàu hay tại bến cảng cẩu treo giúp tiết kiệm thời gian và tiền bạc trong công đoạn xếp và dỡ các container cực kỳ hiệu quả [6,17].

Cẩu treo Hiện đã có một vài nghiên cứu về điều khiển cẩu treo ở Việt Nam. Khi cẩu treo di chuyển khá nhanh thì tải trọng có thể bị đung đưa và quá trình hoạt động của cẩu treo có thể bị mất điều khiển tải. Trong nhiều thập kỷ qua, các nhà nghiên cứu đã thực hiện nhiều nghiên cứu khác nhau về việc điều khiển tải trọng giống như quả lắc nhưng ứng dụng ở Việt Nam thì chủ yếu vẫn là điều khiển vòng hở. Cho tới ngày nay các cẩu treo đa phần vẫn hoạt động thủ công bằng tay và theo kinh nghiệm của người vận hành là chủ yếu.

Nhưng khi kích thước của cẩu treo trở lên lớn hơn và tốc độ vận chuyển hàng đòi hỏi nhanh hơn thì việc vận hành thủ công này sẽ gặp khó khăn. Các hệ thống cẩu treo được kỳ vọng có thể di chuyển đến các vị trí yêu cầu như nhanh và chính xác nhất nhằm đặt tải trọng tại vị trí thích hợp, nâng cao hiệu suất làm việc. Ngoài hai yêu cầu trên thì góc xoay tải trọng nên được giữ càng nhỏ càng tốt; nếu không, xoay tải trọng lớn trong quá trình vận chuyển có thể gây thiệt hại cho bản thân các tải trọng và thiết bị xung quanh hoặc nhân viên. Điều cần thiết là dao động của cáp thường bị hạn chế bởi cả tính an toàn và tốc độ thực hiện công việc cao hơn.

Các hệ thống cẩu treo bị hạn chế bởi vị trí xe hàng và độ mở rộng của cáp. Hệ phương trình trạng thái điều khiển cho hệ thống cẩu treo với chiều dài cáp biến đổi là phi tuyến và liên kết cao. Nhiều nhà nghiên cứu đã phát triển bộ điều khiển cho các hệ thống cẩu treo trong quá khứ. Cẩu treo mang đặc điểm của hệ hụt cơ cấu chấp hành khi không thể can thiệp trực tiếp để điều khiển góc lệch giữa dây treo và phương thẳng đứng khi tải trọng 3 đung đưa.

Đồng thời, hệ phương trình trạng thái điều khiển cho hệ thống cẩu treo với chiều dài cáp biến đổi là phi tuyến và liên kết cao. Bên cạnh đó, những thành phần bất định gây nhiều khó khăn cho việc thiết kế bộ điều khiển đảm bảo chất lượng điều khiển. Để nâng cao hiệu quả cũng như khả năng đáp ứng các yêu cầu khắt khe như đã nêu ở trên, việc thiết kế bộ điều khiển thích nghi bền vững cho cẩu treo được tác giả đề cập đến trong luận án. Đề tài nghiên cứu lý thuyết về điều khiển hệ thống hụt cơ cấu chấp hành; thiết kế bộ điều khiển trượt bậc cao cho hệ cẩu treo nhằm phát huy được ưu điểm của bộ điều khiển trượt là khả năng ổn định tiệm cận bền vững cho đối tượng bất định, đồng thời cải thiện được nhược điểm của bộ điều khiển trượt sử dụng relay là hiện tượng chattering sinh ra trong quá trình trượt.

Đề tài tập trung nghiên cứu về điều khiển thích nghi bền vững hệ Euler- Lagrange thiếu cơ cấu chấp hành nói chung có tham số mô hình không xác định được cũng như có nhiễu tác động, từ đó đề xuất các bộ điều khiển vị trí bền vững cho hệ và áp dụng vào hệ cẩu treo 3D nói riêng. Mục tiêu của luận án Mục tiêu của luận án là hướng tới việc phát triển và bổ sung tính thích nghi bền vững cho các bộ điều khiển hệ Euler-Lagrange thiếu cơ cấu chấp hành để hệ bám theo được quỹ đạo biến khớp mong muốn cho trước, trong khi mô hình của hệ có chứa các tham số bất định và hệ còn bị nhiễu tác động ở đầu vào. Tính thích nghi của bộ điều khiển được xác định là chất lượng bám không bị ảnh hưởng bởi những tham số không xác định được trong mô hình. Tính bền vững được xác định là chất lượng điều khiển không bị ảnh hưởng bởi nhiễu tác động ở đầu vào của hệ.

Để đạt được mục tiêu này, luận án đã đặt ra nhiệm vụ: - Nghiên cứu phân tích mô hình toán hệ hụt cơ cấu chấp hành và từ đó xây dựng bộ điều khiển thích nghi bền vững cho nó trên nền phương pháp điều khiển trượt kết hợp với nguyên lý điều khiển ISS. Tiếp theo sẽ áp dụng kết quả vào điều khiển hệ cẩu treo 3D, tiến hành mô phỏng và đánh giá chất lượng bộ điều khiển với một đối tượng cụ thể. - Phát triển và hoàn thiện phương pháp điều khiển trượt bậc cao vào điều khiển hệ Euler-Lagrange thiếu cơ cấu chấp hành. Đánh giá chất lượng của bộ điều 4 khiển thông qua ứng dụng vào điều khiển đối tượng cẩu treo 3D và mô phỏng bằng phần mềm Matlab/Simulink.

Ngoài ra, luận án cũng còn đặt ra nhiệm vụ là xây dựng mô hình thí nghiệm hệ cẩu treo 3D để bước đầu thử nghiệm và đánh giá chất lượng những kết quả lý thuyết đề xuất của luận án bằng thực nghiệm trên một đối tượng cụ thể. Chi tiết sẽ là: - Chất lượng điều khiển theo vị trí đặt trước, đưa được trọng tải từ vị trí đầu tới ví trí cuối đặt trước trong khoảng thời gian ngắn. - Các góc lệch được giới hạn trong phạm vi nhỏ và bị triệt tiêu dần. - Cải thiện được hiệu ứng rung theo nghĩa thu nhỏ khoảng trượt về trong một lân cận của gốc.

Đối tƣợng nghiên cứu Lớp mô hình hệ Euler-Lagrange tổng quát và cẩu treo 3D như một đối tượng cụ thể để áp dụng, kiểm chứng kết quả, cũng như các hệ chuyển động thiếu cơ cấu chấp hành. Phƣơng pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết điều khiển thích nghi hệ phi tuyến dạng mô hình các biến khớp. Xây dựng bộ điều khiển thích nghi ISS trên nền lý thuyết Lyapunov. - Nghiên cứu phương pháp điều khiển trượt bậc cao nhằm giảm hiện tượng rung.

Xây dựng bộ điều khiển thích nghi bền vững trên nền lý thuyết điều khiển trượt bậc cao. - Phương pháp thực nghiệm: mô phỏng giả định và lấy kết quả trên mô hình thí nghiệm. Nội dung nghiên cứu - Mô hình toán hệ cẩu treo 3D làm đối tượng nghiên cứu về các hệ Euler- Lagrange thiếu cơ cấu chấp hành. - Xây dựng bộ điều khiển thích nghi bền vững cho hệ thống thiếu cơ cấu chấp hành trên cơ sở điều khiển thích nghi ISS.

- Tổng quan về các phương pháp điều khiển cho hệ cẩu treo. Áp dụng kết quả nghiên cứu lý thuyết về điều khiển thích nghi ISS cho hệ cẩu treo. - Nghiên cứu, tìm hiểu về phương pháp điều khiển trượt (trượt cơ bản, phương pháp trượt bậc hai, trượt bậc hai phản hồi đầu ra (trượt siêu xoắn). 5 - Thiết kế bộ điều khiển trượt bậc hai và trượt siêu xoắn cho hệ Euler- Lagrange nói chung và hệ cẩu treo 3D nói riêng.

Kiểm chứng qua mô phỏng bằng phần mềm Matlab/Simulink. - Xây dựng bàn thí nghiệm, kiểm chứng kết quả nghiên cứu lý thuyết bằng thực nghiệm. Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết điều khiển thích nghi bền vững hệ Euler-Lagrange thiếu cơ cấu chấp hành. Đề xuất bổ sung và hoàn thiện các phương pháp đã có về mặt lý thuyết.

Áp dụng phương pháp điều khiển thích nghi ISS và phương pháp điều khiển trượt bậc cao đã đề xuất cho đối tượng cẩu treo 3D. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Luận án đưa ra phương pháp luận và đề xuất xây dựng bộ điều khiển thích nghi bền vững theo nguyên lý điều khiển ISS và nguyên lý điều khiển trượt bậc 2, góp phần bổ sung và làm phong phú thêm khối kiến thức về điều khiển hệ phi tuyến đối với đối tượng là các hệ Euler Lagrange thiếu cơ cấu chấp hành. Kết quả nghiên cứu của luận án có thể giúp cho việc thiết kế bộ điều khiển thích nghi bền vững cho hệ Euler Lagrange thiếu cơ cấu chấp hành, trong đó có cẩu treo trong thực tiễn; Việc áp dụng phương pháp trượt bậc cao để nhằm phát huy ưu điểm của bộ điều khiển trượt là không phụ thuộc quá nhiều vào độ chính xác của mô hình, không quá phức tạp, thuận lợi cho việc lập trình và tính toán của vi điều khiển hay máy tính nên khả năng áp dụng trong thực tiễn rất lớn.