Tổng hợp bộ điều khiển trượt tầng có tham số mặt trượt phụ thuộc thời gian cho cần cẩu treo 2D trong phòng thí nghiệm

Bài viết trình bày về phương pháp tổng hợp bộ điều khiển trượt tầng có tham số phụ thuộc thời gian cho cần cẩu treo 2D bằng vi điều khiển ARM STM32F4. Bộ điều khiển đảm bảo hệ thống bám quĩ đạo, chống lắc và giảm thiểu tần số chuyển mạch của điều khiển trượt.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Tổng hợp bộ điều khiển trượt tầng có tham số mặt trượt phụ thuộc thời gian cho cần cẩu treo 2D trong phòng thí nghiệm Điều khiển – Cơ điện tử - Truyền thông TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT TẦNG CÓ THAM SỐ MẶT TRƯỢT PHỤ THUỘC THỜI GIAN CHO CẦN CẨU TREO 2D TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM Lê Xuân Hải*, Lê Việt Anh, Nguyễn Văn Thái, Hoàng Thị Tú Uyên, Phạm Thị Hương Sen, Nguyễn Quang Minh, Vũ Quốc Doanh, Phan Xuân Minh Tóm tắt: Bài báo trình bày về phương pháp tổng hợp bộ điều khiển trượt tầng có tham số phụ thuộc thời gian cho cần cẩu treo 2D bằng vi điều khiển ARM STM32F4. Bộ điều khiển đảm bảo hệ thống bám quĩ đạo, chống lắc và giảm thiểu tần số chuyển mạch của điều khiển trượt. Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm trên mô hình cần cẩu treo trong phòng thí nghiệm cho thấy khả năng ứng dụng của bộ điều khiển này trong thực tế. Từ khóa: Cần cẩu treo 2D; Điều khiển trượt tầng; Tham số phụ thuộc thời gian. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Cần cẩu treo là một hệ thống được sử dụng rất rộng rãi trong công nghiệp, phục vụ cho công tác vận chuyển và nâng hạ hàng hóa có khối lượng lớn tại các bến cảng, nhà xưởng. Trong công nghiệp hiện đại, các bộ điều khiển tự động cho cần cẩu treo được nghiên cứu nhằm thay thế cho việc sử dụng người điều khiển. Một vấn đề khó khăn và thu hút được sự quan tâm đối với việc điều khiển cần cẩu treo là cơ cấu thiếu chấp hành của nó. Vì thế bên cạnh việc điều khiển cho xe đẩy đạt đến vị trí mong muốn, việc giảm thiểu góc rung lắc của tải nhằm đảm bảo an toàn lao động là hết sức quan trọng. Các nghiên cứu trong thời gian gần đây tập trung vào phương pháp điều khiển mờ [1], [2], điều khiển trượt [3], [4], điều khiển thích nghi [5]. Phương pháp điều khiển trượt tầng (IHSMC) được trình bày trong [6] là một phương pháp điều khiển mới phù hợp với các hệ thống chuyển động thiếu chấp hành. Việc thiết kế mặt trượt có tham số thay đổi phụ thuộc thời gian giúp giảm thiểu tần số chuyển mạch của tín hiệu điều khiển. Các kết quả mô phỏng cho thấy IHSMC mang tới chất lượng điều khiển tốt cho hệ thống. Để cho thấy khả năng ứng dụng thuật toán này vào thực tế, nhóm tác giả đã tiến hành cài đặt bộ điều khiển IHSMC cho mô hình cần cẩu treo 2D trong phòng thí nghiệm. Bộ điều khiển được chế tạo trên dòng vi điều khiển ARM-STM32F4. Bài báo được trình bày thành 4 phần: Đặt vấn đề, thiết kế bộ điều khiển trượt tầng thích nghi, cài đặt bộ điều khiển trên vi điều khiển và kết luận. 2. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT TẦNG THÍCH NGHI CÓ THAM SỐ MẶT TRƯỢT THAY ĐỔI THEO THỜI GIAN 2.1. Mô hình toán học của hệ cẩu treo Hình 1. Mô hình cẩu treo. Mô hình của hệ cẩu treo được biểu diễn trong hình 1. Xe đẩy được tác dụng bằng lực F. Hệ cẩu treo chuyển động trong mặt phẳng Oxy. 176 L. X. Hải, L. V. Anh, …, “Tổng hợp bộ điều khiển trượt… 2D trong phòng thí nghiệm.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Giả thiết rằng xe đẩy và tải là chất điểm, trong quá trình di chuyển bỏ qua ma sát. Mô hình toán của cẩu treo như sau: ( M  m) x  mlcos  ml2 sin   F (1) l  g sin    x cos  0 Trong đó: x, l và  lần lượt là vị trí, độ dài dây treo và góc lệch của tải. Định nghĩa u  F và vector trạng thái X T  [ x1 x2 x3 x4 ]  [ x x  ] , phương trình (1) viết lại dưới dạng không gian trạng thái: x1  x2 x2  f1 ( X )  g1 ( X )u (2) x3  x4 x4  f 2 ( X )  g 2 ( X )u Trong đó: ml 2 sin   mg sin  cos  1 f1 ( X )  g1 ( X )  M  m sin 2  M  m sin 2  ( M  m) g sin   ml 2 sin  cos cos  f2 ( X )   g2 ( X )   ( M  m sin 2  )l ( M  m sin 2  )l 2.2. Điều khiển trượt thích nghi Định nghĩa vector sai số:  x  x   x  xd   e1  e(t )   1 d       x3   d     d   e3  Trong đó: xd và  d lần lượt là vị trí và góc lắc mong muốn. Giả thiết rằng đạo hàm bậc nhất và bậc hai của xd là tồn tại và bị chặn, phương trình (2) được viết lại như sau: e1  e2 e2  f1 ( X )  g1 ( X )u   xd (3) e3  e4 e4  f 2 ( X )  g 2 ( X )u Định nghĩa các mặt trượt như sau: s1  c1e1  e2 s2  c2 e3  s1 (4) s3  c3e4  s2 Trong đó: c1 là hằng số dương, c2 là hằng số, c3 là tham số biến đổi theo thời gian. Dựa trên cơ sở phương pháp điều khiển hệ biến đổi cấu trúc, tín hiệu của bộ điều khiển được chia thành hai thành phần: u  ueq  u sw (5) Để đảm bảo tính ổn định cho hệ thống, ta xét hàm V cho hệ kín có dạng như sau: ...