Kiểm soát góc lắc tải trọng với cầu trục bằng MPC ràng buộc mềm trạng thái

Bài viết đề xuất một thuật toán mới sử dụng MPC và đã mô phỏng kiểm chứng hiệu quả cho một hệ thống cầu trục không gian hai chiều (2-D). Để thực hiện điều này tác giả đã sử dụng mô hình gián đoạn của cầu trục kết hợp thuật toán tối ưu hóa với ràng buộc là giới hạn góc lắc tải trọng. Kết quả mô phỏng trên Matlab đã cho thấy hiệu quả của giải pháp điều khiển hoàn toàn có thể ứng dụng vào thực tiễn.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Kiểm soát góc lắc tải trọng với cầu trục bằng MPC ràng buộc mềm trạng thái Kỹ thuật Điều khiển – Tự động hóa KIỂM SOÁT GÓC LẮC TẢI TRỌNG CHO CẦU TRỤC BẰNG MPC RÀNG BUỘC MỀM TRẠNG THÁI Nguyễn Trung Thành1*, Nguyễn Thanh Tiên2, Trần Ngọc Quý3, Nguyễn Thị Thu Hằng1 Tóm tắt: Cầu trục là một hệ thống thiếu cơ cấu chấp hành, trong đó góc lắc của tải trọng không được điều khiển trực tiếp nhưng nó có thể được kiểm soát hiệu quả. Kiểm soát góc lắc tải trọng là góp phần nâng cao chất lượng điều khiển, nhằm bảo đảm an toàn cho người và thiết bị tại hiện trường công tác. Một phương pháp đã và đang ngày càng được ứng dụng nhiều trong điều khiển là điều khiển dự báo. Sử dụng phương pháp điều khiển dự báo theo mô hình (MPC) với ràng buộc mềm cho biến trạng thái có thể giữ góc lắc tải trọng trong phạm vi mong muốn. Do đó, bài báo đề xuất một thuật toán mới sử dụng MPC và đã mô phỏng kiểm chứng hiệu quả cho một hệ thống cầu trục không gian hai chiều (2-D). Để thực hiện điều này tác giả đã sử dụng mô hình gián đoạn của cầu trục kết hợp thuật toán tối ưu hóa với ràng buộc là giới hạn góc lắc tải trọng. Kết quả mô phỏng trên Matlab đã cho thấy hiệu quả của giải pháp điều khiển hoàn toàn có thể ứng dụng vào thực tiễn. Từ khóa: Điều khiển dự báo theo mô hình; Ràng buộc mềm trạng thái; Góc lắc tải trọng, cầu trục. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Trong ngành công nghiệp vận chuyển, những tải trọng nặng thường được di chuyển bằng hệ thống cẩu treo như cầu trục, cần cẩu, cầu trục tháp hay cầu trục trên biển. Các bài toán điều khiển nâng cao hiệu suất cẩu treo thường tập trung giải quyết hai vấn đề: một là tải trọng di chuyển đến đích nhanh và chính xác, hai là góc lắc tải trọng càng nhỏ càng tốt. Ngoài những thay đổi cải tiến về mặt cơ khí thì đến nay có khá nhiều các phương pháp để cải thiện chất lượng làm việc của cẩu treo ví dụ như điều khiển phản hồi trạng thái, điều khiển tối ưu, điều khiển thích nghi, điều khiển trượt [1-4][6]... Tuy nhiên, do tính thiếu cơ cấu chấp hành của hệ thống cầu trục, một loại cẩu treo phổ biến, mà bài toán điều khiển góc lắc tải trọng (swing angle) tỏ ra là một nhiệm vụ nhiều thách thức và vẫn mở, các phương pháp hiện tại để đối phó với các ràng buộc trạng thái không thể đảm bảo vấn đề giới hạn góc lắc tải trọng. Trong bài báo này một phương pháp điều khiển mới dựa trên MPC được đề xuất có thể đạt được mục tiêu về độ nhanh và chính xác của xe con (trolley) cũng như triệt tiêu góc lắc. Ngoài ra, trong những tình huống cụ thể, khi vấn đề an toàn là quan trọng nhất, những điều kiện với góc lắc tải trọng phải được đảm bảo và cần phải được tính đến trong quá trình thiết kế bộ điều khiển. Tuy nhiên, vì thiếu cơ cấu chấp hành nên phương pháp MPC truyền thống khó có thể xử lý được các ràng buộc trạng thái. Bằng cách phân tích mối liên hệ giữa chuyển động của xe con và góc lắc tải trọng, một phương pháp chuyển đổi, là một đóng góp chính của bài báo này, được đề xuất để chuyển đổi giới hạn trạng thái góc lắc thành các ràng buộc đối với đầu vào điều khiển và được thực hiện bằng phương pháp MPC. Một hệ cầu trục container 2-D làm việc trong các bến cảng với chuyển động chính là chuyển động của xe con mang theo tải trọng sẽ được sử dụng làm đối tượng cho giải pháp điều khiển đề xuất. Phần 2 bài báo là mô hình hóa hệ cầu trục 2-D, đề xuất thuật toán điều khiển cầu trục với ràng buộc biến trạng thái là góc lắc tải trọng. Phần 3 là kết quả mô phỏng của phương pháp đề xuất. 64 N. T. Thành, …, N. T. T. Hằng, “Kiểm soát góc lắc tải trọng … ràng buộc mềm trạng thái.” Nghiên cứu khoa học công nghệ 2. KIỂM SOÁT GÓC LẮC CẦU TRỤC BẰNG MPC RÀNG BUỘC MỀM 2.1. Mô hình đối tượng cầu trục Nhằm mục đích chính là ứng dụng, giải pháp điều khiển được nhóm nghiên cứu áp dụng trên mô hình hệ thống cầu trục 2-D có sử dụng tuyến tính hóa, để làm cho sơ đồ điều khiển đề xuất đơn giản hơn và bộ điều khiển dễ áp dụng hơn. 2.1.1. Mô hình động học cầu trục 2-D Xét hệ động học cầu trục trong không gian hai chiều như sau [5]:    2 ( m1  m2 ) x  m2l cos   m2l sin   F (1)    m2l cos  x  ( m2l  J d )  m2 gl sin   0  2 (2) trong đó, m1 và m2 lần lượt là khối lượng của xe con và tải trọng, l là chiều dài dây tời, gia tốc trọng trường là g , J d là mô men quán tính động cơ kéo xe con, x ( t ) và  (t ) lần lượt biểu diễn vị trí xe đẩy và góc lắc tải trọng, F (t ) là lực kéo xe đẩy chỉ xuất hiện trong phương trình (1), còn phương trình (2) là ràng buộc thiếu cơ cấu chấp hành (gọi ngắn gọn là cơ hụt) nên vế phải bằng không. 2.1.2. Mô hình rời rạc hóa Tuyến tính hóa phương trình (1) và (2) quanh điểm cân bằng ( x x   )  ( x 0 0 0) , chuyển hệ sang phương trình trạng thái với véc tơ trạng thái xm (t )   x x    , sau đó T   rời rạc hóa với thời gian lấy mẫu là T ta được:  xm (k  1)  A r xm (k )  Br u (k )  (3)  y (k )  Cr xm (k ) trong đó C r  R 14 ; xm (k ), y(k ) là trạng thái đầu vào và đầu ra ở thời điểm k , Ar  R 44 , Br  R 41 không được đưa ra ở đây do giới hạn bài viết. 2.2. Thuật toán MPC điều khiển cầu trục với ràng buộc là góc lắc tải trọng Thông thường phương pháp MPC có hai loại ràng buộc chính là tín hiệu vào- ra và biến trạng thái. T ...