Luận án tiến sĩ điều khiển thích nghi cho hệ thống cần cẩu treo có tính đến yếu

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 CÓ NGHI PHI TUYẾN TÍNH ĐẾN YẾU TỐCHO BẤTHỆ THỐNG CẦN CẨU ĐỊNH TREO MÔ HÌNH BẤT ĐỊNH Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 9520216 LUẬNLUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬTĐIỀU THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀTỰ KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG ĐỘNG HÓA HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Vũ Vân Hà GS. 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. 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.

Tính cấp thiết của đề tài luận án. Mục tiêu và nhiệm vụ của luận án. Phạm vi nghiên cứu của luận án. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án.

Cấu trúc của luận án. 4 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CẦN CẨU TREO VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN. Mô hình toán học của cần cẩu treo. Mô hình cẩn cẩu treo 3D có chiều dài dây treo không thay đổi.

Mô hình cần cẩu treo 2D. Phân tích mô hình. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước. Tình hình nghiên cứu trong nước.

Tình hình nghiên cứu ngoài nước. Tổng quan về các phương pháp điều khiển cần cẩu treo. Các phương pháp cho đối tượng cần cẩu treo 2D. Luật điều khiển PD, luật điều khiển dựa trên bình phương năng lượng và động năng.

Điều khiển tuyến tính hóa từng phần. Điều khiển dựa trên hệ suy diễn mờ. Điều khiển trượt. Điều khiển trượt tầng.

Các phương pháp cho đối tượng cần cẩu treo 3D. Kết luận chương 1. 22 CHƯƠNG 2: ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI CHO CẦN CẨU TREO TRÊN CƠ SỞ HỆ MỜ. Nền tảng cơ sở cho giải thuật điều khiển.

Mô hình mờ Sugeno. Phương pháp suy luận tuyến tính trong biểu diễn hệ mờ. Điều khiển trượt tầng. Tổng hợp bộ điều khiển mờ hai lớp.

Tổng hợp bộ điều khiển mờ cho lớp thứ nhất. Tổng hợp bộ điều khiển mờ cho lớp thứ hai. Kết quả mô phỏng .1 Mô phỏng cho hệ cần cẩu treo 3D với chiều dài dây treo không thay đổi .2 Mô phỏng cho trường hợp cẩu treo 2D. Điều khiển trượt thích nghi mờ cho cần cẩu treo.

Thiết kế bộ điều khiển trượt tầng. Luật điều khiển thích nghi. Kết quả mô phỏng. Kết luận chương 2.

61 CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT THÍCH NGHI CHO CẦN CẨU TREO TRÊN CƠ SỞ MẠNG NƠ-RON NHÂN TẠO. Nền tảng cơ sở cho giải thuật điều khiển .1 Điều khiển backstepping .2 Mạng nơ-ron nhân tạo RBF. Bộ điều khiển trượt backstepping trên cơ sở mạng nơ-ron nhân tạo. Tổng hợp bộ điều khiển trượt backstepping.

Tổng hợp bộ điều khiển trượt thích nghi trên cơ sở mạng nơ-ron nhân tạo. Xấp xỉ véc-tơ hàm bất định bằng mạng nơ ron nhân tạo. Phát biểu định lý và chứng minh về tính ổn định của hệ kín. Mô phỏng kiểm chứng trên nền kỹ thuật số.

Điều khiển trượt thích nghi nơ-ron bất định tải .1 Tổng hợp bộ điều khiển trượt .2 Tổng hợp bộ điều khiển trượt thích nghi bất định tải (ASMCWUPL) .3 Mô phỏng kiểm chứng. Kết luận chương 3. 102 CHƯƠNG 4: KIỂM CHỨNG BẰNG THỰC NGHIỆM TRÊN MÔ HÌNH CẦN CẨU TREO 2D TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM. Xây dựng bàn thí nghiệm.

Mô hình vật lý. Thiết kế phần cứng. Thiết kế phần mềm. Bộ lọc Kalman cho cảm biến MPU6050.

Giao diện HMI. Cài đặt một số giải thuật điều khiển mới. Cài đặt thuật toán mờ hai lớp. Cài đặt thuật toán trượt tầng thích nghi mờ.

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  Tích u Tín hiệu điều khiển của hệ cần cẩu treo khi viết dưới 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 Ŵ Ước lượng của W W Sai lệch giữa W và Ŵ diag ( M ) Ma trận đường chéo có các phần tử trên đường chéo chính là M (•) T Chuyển vị của ma trận M F Chuẩn Frobeniouscủa ma trận M f Đạo hàm Jacobi của f theo x x sgn( s ) Có nghĩa là [sgn(s1 ) sgn(s2 ) sgn(sn )] x0 Véc-tơ giá trị rõ x 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 X 1 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.