Ước lượng khối lượng tải trọng và quan sát nhiễu của hệ thống cầu trục

Để góp phần nâng cao hiệu suất điều khiển, nhóm nghiên cứu thiết kế bộ quan sát nhiễu ma sát và gió để có thể loại bỏ ảnh hưởng của chúng. Một phương pháp ước lượng khối lượng tải trọng cũng đã được giới thiệu để lấy số liệu cho bài toán điều khiển. Ngoài ra nghiên cứu có đề xuất mô hình chống lắc sử dụng kết hợp các bộ điều khiển PID để có được kết quả tốt.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Ước lượng khối lượng tải trọng và quan sát nhiễu của hệ thống cầu trục Kỹ thuật điều khiển & Tự độnghóa ƯỚC LƯỢNG KHỐI LƯỢNG TẢI TRỌNG VÀ QUAN SÁT NHIỄU CỦA HỆ THỐNG CẦU TRỤC Nguyễn Trung Thành1*, Trần Ngọc Quý2, Nguyễn Thanh Tiên3, Nguyễn Thị Thu Hằng1 Tóm tắt: Cầu trục là một hệ thống thiếu cơ cấu chấp hành và có trễ, quá trình làm việc thường chịu ảnh hưởng của nhiễu như ma sát hay nhiễu gió. Hơn thế khối lượng của tải trọng không phải lúc nào cũng dễ dàng xác định được, đặc biệt đối với những loại tải lớn. Đây là một trong những nguyên nhân làm giảm hiệu quả chống lắc tải trọng cầu trục. Tuy nhiên, nghiên cứu này đã tìm ra hướng giải quyết. Để góp phần nâng cao hiệu suất điều khiển, nhóm nghiên cứu thiết kế bộ quan sát nhiễu ma sát và gió để có thể loại bỏ ảnh hưởng của chúng. Một phương pháp ước lượng khối lượng tải trọng cũng đã được giới thiệu để lấy số liệu cho bài toán điều khiển. Ngoài ra nghiên cứu có đề xuất mô hình chống lắc sử dụng kết hợp các bộ điều khiển PID để có được kết quả tốt. Từ khóa: Điều khiển cầu trục; Bộ quan sát trạng thái; Góc lắc tải trọng; nhiễu gió; Nhiễu ma sát. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Cầu trục là một loại máy nâng vận chuyển được dùng nhiều trong các nhà máy, bến cảng, công trình xây dựng. Đặc điểm của cầu trục là sử dụng phối hợp một số chuyển động để nâng và di chuyển tải trọng lớn đến các vị trí cần thiết. Do kết cấu cơ khí cồng kềnh, nâng hạ tải bằng dây mềm, lại thêm môi trường làm việc ngoài trời nên cầu trục thường chịu ảnh hưởng của các loại nhiễu, đặc biệt là nhiễu ma sát và gió. Nếu không được kiểm soát thì nhiễu sẽ ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng điều khiển làm giảm hiệu suất của cầu trục, đôi khi còn gây mất an toàn cho người và thiết bị tại hiện trường làm việc. Để giải quyết vấn đề này, người ta có thể lắp đặt cảm biến vận tốc góc và ước lượng góc lắc bằng bộ quan sát [2, 3]. Tuy nhiên phương pháp này rất khó đảm bảo ước lượng chính xác do sai lệch tham số. Đã có những nghiên cứu trước đây [1, 4] thực hiện ước lượng nhiễu, bù nhiễu và bù trễ trong luật điều khiển để cải thiện chất lượng hệ thống. Tuy nhiên góc lắc vẫn còn dao động với biên độ khá lớn, thậm chí chưa dập tắt được hoàn toàn khi tải trọng đã về đến đích. Vì vậy nghiên cứu này tập trung vào vấn đề quan sát, ước lượng tham số nhiễu, từ đó làm tiền đề cho việc thiết kế bộ điều khiển dập dao động tải trọng hiệu quả đồng thời ước lượng khối lượng tải trọng thông qua dòng điện của động cơ truyền động trong quá trình nâng hạ tải. Kết quả mô phỏng đã chứng tỏ hiệu quả của giải pháp đề xuất. Phương pháp ước lượng tải trọng được trình bày trong mục 2 của bài báo, mục 3 đề xuất phương pháp ước lượng nhiễu gió và nhiễu ma sát cho cầu trục 2-D và mục 4 là kết luận. 2. ƯỚC LƯỢNG KHỐI LƯỢNG TẢI TRỌNG CẦU TRỤC Khối lượng của tải trọng có quan hệ trực tiếp với công suất động cơ nâng hạ tải. Nên căn cứ vào dòng điện, điện áp động cơ nâng hạ ta có thể dự đoán tương đối chính xác khối lượng tải. Bằng cách ước lượng khối lượng tải trọng trong quá trình nâng của cầu trục, các tham số để vận chuyển có thể được xác định. Hình 1 mô tả hoạt động nâng tải. Động cơ servo quay với vận tốc góc g (rad/s) với 98 N. T. Thành, …, N. T. T. Hằng, “Ước lượng khối lượng tải trọng … hệ thống cầu trục.” Nghiên cứu khoa học công nghệ momen y (Nm). Giá trị này được chuyển đổi sang tốc độ nâng y (t ) (m/s) và tín hiệu tuyến tính vào cơ cấu nâng Fyref (N), dòng điện cấp cho động cơ nâng hạ i(t). Hình 1. Sơ đồ phân tích lực cơ cấu nâng hạ tải trọng. Quãng đường nâng được xác định là y(t ) (m) và giả thiết khối lượng hàng hóa chưa biết rõ là m(kg). Ở đây ta coi hệ thống là vận hành trong môi trường thực tế nên khối lượng m sẽ là tác nhân trong chuyển động cuốn cáp nâng hàng mà hệ thống có thể nhận được. Xét một loại cầu trục lớn vận chuyển container, khối lượng của pully không đổi và được giả thiết là rất nhỏ so với tải trọng nên có thể bỏ qua. Lực ma sát giữa pully và dây kéo không tính đến. Để thuận tiện cho việc biểu diễn, gia tốc trọng trường g được coi là một đầu vào, thì phương trình chuyển động được suy từ phương trình cân bằng lực tại vị trí pully như sau: my(t )  Fyref  mg (1) Khi tính đến truyền động của động cơ chấp hành (với giả thiết là động cơ điện một chiều kích từ độc lập) thì: r Fyref  Ki  K r i rp trong đó: r là tỷ số truyền của động cơ tới pulley, rp là bán kính hiệu dụng tang trống, K là hệ số momen và K r  (r : rp ) K , i là dòng điện cuộn dây phần ứng.   i suy ra d y (t )   K r 1   (2) dt  m  g  Phương trình (1) được sử dụng để tạo ra bộ ước lượng tải trọng. Ban đầu một bộ quan sát để lấy tốc độ ước lượng yˆ (t ) được tạo ra như công thức (3). Trường hợp khối lượng tải không biết trước, khối lượng tham chiếu mn (kg) biết trước: d ˆ K   i(t )  y (t )  K m ( y (t )  yˆ (t ))   r 1   (3) dt  mn   g (t )    Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san TĐH, 04 - 2019 99  Kỹ thuật điều khiển & Tự độnghóa trong đó Km là hệ số hiệu chỉnh tốc độ hội tụ của bộ quan sát, y (t ) là gia tốc nâng tải, yˆ (t ) là gia tốc nâng tải quan sát. Toán tử hóa các phương trình (2), (3) sau đó thay (2) vào (3) rút ra Yˆ ( s) : K r ms  mn K m 1 ...