Thiết kế điều khiển thích nghi bền vững cho hệ cánh tay máy xúc

Bài viết này trình bày một phương pháp điều khiển không phụ thuộc vào mô hình cho hệ cánh tay máy xúc. Đầu tiên, mô hình cánh tay máy xúc được xây dựng dưới dạng Euler-Lagrange trong mối quan hệ tổng thể với đế máy. Tiếp theo, bộ điều khiển thích nghi bền vững được xây dựng dựa trên các thông tin về sai lệch trạng thái.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Thiết kế điều khiển thích nghi bền vững cho hệ cánh tay máy xúc Nghiên cứu khoa học công nghệ THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI BỀN VỮNG CHO HỆ CÁNH TAY MÁY XÚC Nguyễn Thị Việt Hương1, Đặng Thị Kiều Nga1, Vũ Thị Thúy Nga2* Tóm tắt: Bài báo này trình bày một phương pháp điều khiển không phụ thuộc vào mô hình cho hệ cánh tay máy xúc. Đầu tiên, mô hình cánh tay máy xúc được xây dựng dưới dạng Euler-Lagrange trong mối quan hệ tổng thể với đế máy. Tiếp theo, bộ điều khiển thích nghi bền vững được xây dựng dựa trên các thông tin về sai lệch trạng thái. Tính ổn định của toàn bộ hệ thống được chứng minh dựa theo lý thuyết ổn định Lyapunov. Cuối cùng, hiệu quả của bộ điều khiển được chứng minh thông qua các kết quả mô phỏng thực hiện trên Matlab/Simulink. Từ khóa: Hệ máy xúc, thích nghi, Bền vững, Euler-Lagrange system. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Máy xúc là một trong các thiết bị được sử dụng khá phổ biến trong nhiều lĩnh vực. Điều khiển tự động từ xa cho các máy xúc đóng một vai trò quan trọng trong ứng dụng thực tiễn ví dụ như trong lĩnh vực hạt nhân, xây dựng, cứu hộ cứu nạn,... Để thực hiện một công việc cụ thể máy xúc tự động cần phải hoàn thành hai nhiệm vụ đó là xác định đường đi từ vị trí ban đầu đến điểm đích và thực thi công việc xúc tải thông qua các thuật toán điều khiển đã cài đặt trước. Do vậy, bài toán điều khiển cho một hệ thống máy xúc là bài toán phức tạp và vẫn không ngừng nhận được sự quan tâm của các nhà khoa học. Trước đây, việc nghiên cứu về máy xúc chủ yếu tập trung vào việc mô hình hóa bao gồm mô hình động học, mô hình tương tác giữa máy và môi trường, nhận dạng tham số mô hình [1-7]. Việc mô hình hóa và nhận dạng tham số trong suốt quá trình làm việc của máy giúp ích rất nhiều cho việc giám sát thời gian thực và điều khiển từ xa. Về mặt điều khiển, trong suốt khoảng thời gian bắt đầu nghiên cứu về máy xúc thì điều khiển trở kháng được coi là phương pháp điều khiển phổ biến. Ở [8], một bộ điều khiển trở kháng dựa vào vị trí được đề xuất cho máy xúc loại nhỏ. Trong [9, 10] các tác giả đã trình bày cụ thể hơn về bộ điều khiển trở kháng bền vững cho máy xúc thủy lực. Ở [11], một bộ điều khiển thích nghi đã được sử dụng để điều khiển cho cánh tay máy xúc. Tính ổn định của thuật toán được đảm bảo thông qua chứng minh toán học và được kiểm chứng thông qua kết quả mô phỏng. Tuy nhiên, phần mô phỏng cũng như phần giải thích các kết quả mô phỏng còn khá nghèo nàn. Một điều đáng lưu ý trong vận hành máy xúc tự động là người vận hành phải cảm nhận được điều kiện làm việc khi gàu xúc chạm tải, nếu không cảm nhận được sự tiếp xúc này thì hiệu quả làm việc của máy xúc tự động sẽ thấp hơn máy xúc được vận hành trực tiếp bởi người vận hành. Chính vì thế, việc điều khiển tay máy với một lực phản hồi hợp lý là vấn đề chính trong điều khiển máy xúc [12, 13]. Bên cạnh việc thiết kế điều khiển cho các máy xúc thủy lực thực tế thì cũng có một số các nghiên cứu dựa trên mô hình ảo. Việc sử dụng mô hình ảo để kiểm chứng Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 54, 04 - 2018 33  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử thuật toán điều khiển giúp tiết kiệm về chi phí, đảm bảo an toàn đồng thời cũng đánh giá được chất lượng bộ điều khiển ở một mức độ chính xác nhất định. Trong bài báo này, các tác giả đề xuất một bộ điều khiển thích nghi bền vững cho hệ cánh tay máy xúc. Bộ điều khiển cấu trúc gồm có hai phần là tín hiệu điều khiển u có vai trò giữu cho hệ thống ổn định và luật thích nghi để tính toán các thành phần không xác định. Tính đúng đắn và phù hợp của thuật toán được chứng minh dựa theo lý thuyết ổn định Lyapunov và được kiểm nghiệm thông qua mô hình mô phỏng. Các kết quả mô phỏng thể hiện rõ hệ thống làm việc tốt ngay cả khi các tham số mô hình của hệ thống biến đổi. 2. THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ CÁNH TAY MÁY XÚC 2.1. Mô hình cánh tay máy xúc Xét hệ thống máy xúc có cấu trúc như hình 1. Hệ gồm hai hệ con là phần đế máy dùng để di chuyển toàn bộ hệ thống trên mặt phẳng x0O0y0, phần cánh tay máy xúc dùng để di chuyển theo mặt phẳng z0O0y0 và z0O0x0. Các hệ tọa độ O1x1y1z1, O2x2y2z2, O3x3y3z3 lần lượt là hệ tọa độ của các khớp 1, 2, và 3 của hệ cánh tay. Trong phạm vi bài báo này, mục tiêu là điều khiển cánh tay máy xúc trong quá trình xúc tải nên phần đế máy và phần xoay quanh trục O0z0 được coi là không đổi. Hình 1. Sơ đồ cấu trúc hệ máy xúc. Mô hình Euler-Lagrange của cánh tay máy xúc trong quá trình xúc tải ứng với các hệ tọa độ của từng khớp như hình 1 có dạng như sau [14]: D( )  C ( ,)  G( )  B()    F L (1) trong đó:    2 3  4  là vị trí của các khớp trong không gian biến khớp, D() là thành phần quán tính, C ( , ) là thành phần Coriolis và hướng tâm, G() là thành phần trọng trường, B () là thành phần ma sát,  là ma trận đầu vào, 34 N.T.V. Hương, Đ.T.K. Nga, V.T.T. Nga, “Thiết kế điều khiển … hệ cánh tay máy xúc.” Nghiên cứu khoa học công nghệ   1  2  3  là lực tác dụng lên các trục của 3 khớp, FL là thành phần phản lực. Biểu thức của các thành phần trên được xác định như sau:  D 11 D 12 D 13   C 11 C 12 C 13  1 1 0  D( )   D 21 D 22    D 23  , C ( , )  C 21 C 22  C 23  ,   0 1 1 ,  D 31 D 32 D 33  C 31 C 32 C 33  0 0 1  G ( )  G1 G2 G3  , B ()   B bo2 B st2 B bu2  , Trong đó: D33  I bu  M bu r42 D22  D33  I s ...