Điều khiển giải thuật di truyền – mờ chống dao động bền vững hệ cầu trục 3D

Nội dung text: Điều khiển giải thuật di truyền – mờ chống dao động bền vững hệ cầu trục 3D

1. TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC VĂN LANG Trần Thị Yến Nhi và các tgk ĐIỀU KHIỂN GIẢI THUẬT DI TRUYỀN – MỜ CHỐNG DAO ĐỘNG BỀN VỮNG HỆ CẦU TRỤC 3D CONTROL OF GENETIC ALGORITHMS - FUZZY ANTI - SWING SUSTAINABILITY OF 3D CRANE SYSTEM TRẦN THỊ YẾN NHI , NGUYỄN HOÀNG TRUNG , NGUYỄN THU NGUYỆT MINH và ĐỖ THANH TÙNG( ) TÓM TẮT: Bài viết sử dụng bộ điều khiển mờ để tạo ra bộ điều khiển chống dao động cho hệ cầu trục. Bộ điều khiển mờ được thiết kế hoàn toàn dựa trên thông tin của người vận hành có kinh nghiệm. Đồng thời, sử dụng thêm giải thuật di truyền để tối ưu các thông số trong bộ điều khiển cầu trục. Mục đích của bộ điều khiển là điều khiển vị trí và chống dao động góc của tải khi đến nơi cần đến nhằm giảm nguy cơ tai nạn và tăng hiệu suất trong công việc. Các kết quả mô phỏng được thực hiện trên Matlab Simulink chỉ ra rằng, hệ thống có chất lượng vị trí tốt cũng như khả năng làm giảm góc dao động tốt so với bộ điều khiển PID trong điều kiện biến thiên thông số. Từ khóa: hệ mờ; giải thuật di truyền; hệ cấu trục 3D; chống giao động bền vững. ABSTRACT: The paper uses the fuzzy logic controller to create the anti-swing controller of crane system. The fuzzy logic controller is designed totally from information of the experienced-operator. Simultaneously, uses more genetic algorithm to optimize the parameters inside the crane controller. The controller’s purpose controls position and prevent the payload angle swing at the desired position in order to reduce industrial accidents and increase work performance. The simulated results are performed on Matlab Simulink shows that the system has good position quality as well as the ability to reduce payload angle swing in comparision with PID controller in varying parameter condition. Key words: fuzzy system; genetic algorithm; 3D crane system; anti-swing sustainability. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ cuối. Hơn nữa, để tháo tải, cần một người vận Cầu trục được sử dụng rộng rãi trong các hành tại điểm dừng. Do đó, làm thế nào để đạt ngành công nghiệp như vận chuyển tải nặng, vật được vị trí chỉ định chính xác với thời gian ít nhất liệu nguy hiểm trong các nhà máy, khu đóng tàu, mà vẫn ổn định trở thành vấn đề được quan tâm các công trình xây dựng cao tầng Ở cầu trục, trong việc nghiên cứu các phương pháp điều khi chuyển động nhanh và dừng lại đột ngột, làm khiển cầu trục [3], [6, tr.3972-3984], [8, tr.754- xuất hiện dao động tải. Dao động này có thể tự 760], [11, tr.1298-1303]. Mục tiêu của bài viết đề giảm nhưng sẽ tốn thời gian, gây ra giảm hiệu xuất bộ quy tắc mờ cho hệ cầu trục khi di chuyển suất công việc. Khi điều khiển cầu trục, cần nhân mang tải đến vị trí mong muốn và giữ cho góc viên vận hành có kỹ năng điều khiển bằng kinh dao động của tải nhỏ nhất có thể. Trong điều kiện nghiệm của người đó để dừng dao động tại điểm vận hành thực tế, còn có những tác nhân nhiễu ThS. Trường Đại học Văn Lang, tranthiyennhi@vanlanguni.edu.vn ThS. Trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh, trungnh@vanlanguni.edu.vn ThS. Trường Đại học Văn Lang, Mã số: TCKH21-06-2020 89
2. TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC VĂN LANG Số 21, Tháng 5 - 2020 không dự đoán được hay các tham số bất định Xây dựng luật điều khiển chống dao động tải cho luôn tăng theo sự ảnh hưởng của thời tiết, sự đa khối điều khiển mờ theo kiến thức thông thường và đặc tính cơ khí, sự thay đổi khối lượng tải Do theo kinh nghiệm, nghiên cứu của bản thân. Đồng thời đó, sẽ rất có giá trị để phát triển một bộ điều trình bày thêm một luật điều khiển trên báo quốc tế. khiển bền vững với sự ổn định tốt nhất và đáp ứng các mong muốn cho việc điều khiển hệ cầu trục [10, tr.2724-2729]. Kết quả mô phỏng cho thấy, bộ điều khiển chống dao động bền vững khi thay đổi các thông số và tốt hơn khi so sánh với bộ điều khiển PID – GA trong cùng điều kiện. 2. NỘI DUNG 2.1. Thiết kế bộ điều khiển Khối điều khiển mờ (FLC) có 4 ngõ vào (Hình 3): Sai lệch vị trí theo phương x là 푒 , sai lệch vị trí theo phương y là 푒 , góc dao động của tải theo phương x là 휃1 , góc dao động của tải theo phương y là 휃1 . Ngõ ra khối điều khiển mờ FLC có 2 ngõ ra: Điện áp theo trục x và điện áp theo trục y. Ngõ ra của khối điều khiển mờ đi vào đối tượng hệ cầu trục Crane 3D. [6, tr.3972-3984], [7, tr.261-266], [8, tr.754-760], [11, tr.1298-1303]. Hình 1. Luật mờ theo kiến thức thông thường Mục tiêu điều khiển là điều khiển vị trí cầu và Luật mờ theo bài báo quốc tế [1, tr.196-200] trục , tới vị trí mong muốn 푒푠푖 푒, 푒푠푖 푒 nhanh nhất có thể, không gây ra quá mức dao động của tải 휃1 , 휃1 [5], [9, tr.2956-2961]. Bên cạnh đó, giải thuật di truyền chỉnh định, tìm thông số tối ưu cho 50 biến chứa bên trong khối mờ. Các thông số trong GA: Kích thước quần thể: 120; Số tham số: 50, gồm: 푖 ≤ 푖 ≤ 44, 퐾1, 퐾2, 퐾3, 퐾4, 퐾5, 퐾6 ; Cách chọn lọc: Chọn lọc sắp xếp hạng tuyến tính; Xác suất lai ghép và xác suất đột biến: = 0.9; = 0.1; Cách lai ghép: Lai ghép 2 điểm; Cách đột biến: Đột biến 1 1 điểm; Hàm thích nghi: 푖푡푛푒푠푠 = ; = 퐽+ −12 2 2 2 2 10 ; 퐽 = ∑ −1(푒 + 푒 + 휃1 + 휃1 ). Sai lệch vị trí theo các phương: 푒 = 푒푠푖 푒 − ; 푒 = 푒푠푖 푒 − Các giá trị ngôn ngữ của khối điều khiển mờ: 푒 , 푒 gồm NL, NM, NS, ZE, PS, PM, PL; 휃 , 휃 gồm NL, NM, NS, ZE, PS, PM, PL; , gồm N6, N5, N4, N3, N2, N1, ZE, P1, P2, P3, P4, P5, P6. [6, tr.3972-3984], [8, tr.754-760], [9, tr.2956-2961]. Hình 2. Luật mờ theo kinh nghiệm bản thân và Mô hình cầu trục 90
3. TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC VĂN LANG Trần Thị Yến Nhi và các tgk 2.2. Mô hình hệ cầu trục , , là vị trí của tải trong hệ tọa độ; Hệ cầu trục là hệ phi tuyến, nó rất khó điều là khối lượng của tải và móc tải; khiển một cách trực tiếp góc dao động của tải, góc là khối lượng của cầu trục; dao động sẽ tăng lên theo quán tính của tải. Đồng là khối lượng của đường ray cầu trục; thời, hệ cầu trục được xem như một hệ điều khiển là gia tốc trọng trường; không hoàn chỉnh với số lượng ngõ ra luôn nhiều 푅 là điện trở phần ứng của motor; hơn số lượng ngõ vào, do đó, sẽ luôn tồn tại dao là bán kính bánh xe của cầu trục; động tải không mong muốn trong suốt quá trình 푅 là bán kính trọng tâm của tải; chuyển động của cầu trục [4], [11, tr.1298-1303]. 1, 2, 3, 4 là các hệ số ma sát trên cầu trục; x_T 푙 là chiều dài của dây cáp tải; X desire +- x_T 푙 là chiều dài của tải; ux 퐹 , 퐹 là lực tác dụng vào cầu trục theo theta1x y_T phương x, y; FLC Crane 3D theta1x theta1y , là điện áp motor tác động theo uy theta1y phương x, y; Y desire +- 푅 là bán kính của tải treo; y_T là hằng số moment của motor [8, tr.754-760]. Hình 3. Hệ mờ đề xuất cho cầu trục chống dao động Mô hình cầu trục 4 bậc tự do ( + + ) ̈ + Cầu trục di chuyển tự do theo trục x, y. ̈ Góc dao động tự do theo phương x, y. Chiều 푙 휃1 표푠 휃1 = 1 (1) dài dây là hằng số. Không xét góc dao động ở ( + + ) ̈ tải. Hệ tọa độ tham chiếu được gắn với cầu trục + 푙 휃1̈ 푠푖푛 휃1 푠푖푛 휃1 ̈ (Hình 2), chiều Z1 hướng xuống. Móc tải được + 푙 휃1 표푠 휃1 표푠 휃1 nối với cầu trục qua sợi cáp nhỏ, mềm, khối = 2 (2) lượng cáp được xem như không có khi so sánh 푙 ̈ 표푠 휃1 − 푙 ̈ 푠푖푛 휃1 푠푖푛 휃1 với khối lượng móc tải và tải. Móc tải được 2 + ( 푙 + )휃1̈ = 3 (3) xem như một điểm với tải với khối lượng . 푙 ̈ 표푠 휃1 표푠 휃1 Chiều dài cáp là hằng số 푙 , vì vậy, vị trí chính 2 2 + ( 표푠 휃1 + 푠푖푛 휃1 xác của móc tải có thể xác định bằng góc của 2 2 + 푙 표푠 휃1 )휃1̈ cáp. Góc này được đo bằng hai biến 휃1 , 휃1 là = (4) hình chiếu của cáp trên mặt phẳng X-Z và mặt 4 ̇ phẳng Y-Z [4], [11, tr.1298-1303]. = ( − ) + 푙 휃̇ 2 푠푖푛 휃 1 푅 1 1 Trong đó: − 1 ̇ ̇ 퐹 = ( − ) ; 퐹 2 푅 ̇ ̇ = ( − ) = ( − ) 푅 푅 2 + 푙 휃1̇ 표푠 휃1 푠푖푛 휃1 2 2 2 = = (3푅 + 푙 ); = 푅 2 12 12 + 푙 휃1̇ 표푠 휃1 푠푖푛 휃1 , là vị trí của cầu trục trong hệ tọa độ + 2 푙 휃̇1 휃̇1 푠푖푛 휃1 표푠 휃1 − 2 ̇ quán tính chuẩn; 91
4. TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC VĂN LANG Số 21, Tháng 5 - 2020 2 2 3 = − 3휃1̇ − 푙 휃1̇ 푠푖푛 휃1 표푠 휃1 − ( 2 − )휃̇1 푠푖푛 휃1 표푠 휃1 − 푙 푠푖푛 휃1 표푠 휃1 2 4 = − 4휃1̇ + 2 푙 휃1̇ 휃̇1 푠푖푛 휃1 표푠 휃1 − 2( − )휃̇1 휃̇1 푠푖푛 휃1 표푠 휃1 − 푙 표푠 휃1 푠푖푛 휃1 2.3. Kết quả mô phỏng Thông số đối tượng khi thiết kế bộ điều khiển: = 3 ; = 1 ; = 1 ; 1 = 2 = 3 = 4 = 0.01; 푙 = 1 ; 푙 = 0.1 ; = 0.01 ; 푅 = 2훺; 푅 = 0.05 Hình 5. Vị trí và góc khi so sánh các luật điều khiển mờ Hình 5, theo trục x, ở luật mờ theo kiến thức thông thường, điều khiển vị trí có sai lệch khoảng 6%, vọt lố khoảng 6.81%, có hình dạng bám theo, góc dao động khoảng 0.9 độ. Luật mờ theo bài báo quốc tế, không thể điều khiển được vị trí, góc dao động lớn khoảng 22 độ. Với luật điều khiển mới, sai lệch trong điều khiển vị trí là 0%, vọt lố khoảng 0.52%, góc dao động 0.58 độ. Theo trục y, luật mờ theo kiến thức thông thường và theo bài báo quốc tế không điều khiển được. Ở luật điều khiển mới, vọt lố khoảng 0.33%. Góc dao động theo luật mờ của bài báo quốc tế khoảng 19.4 độ, theo phương pháp thông thường khoảng 1.07 độ, với luật điều khiển mới khoảng 0.14 độ. Hình 4. Vị trí và góc dao động của cầu trục Hình 4, thể hiện chất lượng điều khiển ở thông số thiết kế. Trục x, dừng lại sau khi di chuyển đến giây thứ 25; Trục y, di chuyển tới giây thứ 27 với mục đích để cho dao động của trục này sẽ tác động lên góc dao động của trục còn lại. Góc dao động cả trục x và y sau khi đến nơi cần đến đều rất nhỏ, lần lượt khoảng 0.58 độ ở trục x và 0.14 độ ở trục y. Vọt lố ở điều khiển vị trí trục x là 0.52%, ở trục y là 0.33% [2]. 92
5. TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC VĂN LANG Trần Thị Yến Nhi và các tgk Hình 6. Vị trí và góc khi thay đổi khối lượng cầu trục và khối lượng tải Hình 8. Vị trí và góc khi dùng PID – GA với điều kiện thay đổi điện trở phần ứng và với điều kiện thay đổi khối lượng tải Hình 9. Vị trí và góc khi dùng PID – GA với điều Hình 7. Vị trí và góc khi thay đổi các thông số mờ và khi kiện thay đổi khối lượng thanh ray và với điều kiện dùng PID – GA với điều kiện thay đổi chiều dài dây cáp thay đổi khối lượng cầu trục 93
6. TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC VĂN LANG Số 21, Tháng 5 - 2020 3. KẾT LUẬN góc dao động có tính ổn định bền vững với sự Bài viết giải quyết vấn đề vừa điều khiển biến thiên của các tham số, hơn nhiều so với được vị trí và cũng đảm bảo góc dao động của sự ổn định bền vững trong các bộ điều khiển tải nhỏ. Qua kết quả mô phỏng, chứng tỏ luật khác hay các luật mờ khác trong cùng phương mờ mới tốt hơn nhiều so với các luật mờ khác, pháp điều khiển mờ. Khi so sánh với bộ điều điều khiển chính xác hơn cả về vị trí mà bảo khiển PID – GA, chúng ta thấy rõ, bộ điều đảm được góc dao động của tải nhỏ. Khi thay khiển Fuzzy – GA với luật mờ mới có sự bền đổi các thông số bên trong của đối tượng, vững ổn định với sự biến thiên các thông số. thông số bên trong hệ mờ, chúng ta thấy rằng, TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Dragan, A; Zoran, J; Stanisa, p; Sasa, N; Marko, M; Milos, M (2012), Anti-Swing Fuzzy Controller Applied in a 3D Crane System, ESTAR, Engineering, Technology and Applied Science Research, Bd. 2. [2] J. Zhang, S. P, S. Member, IEEE und Y. and Xia (2010), Robust Adaptive Sliding-Mode Control for Fuzzy Systems with Mismatched Uncertainties, IEEE Transactions on Fuzzy Systems, Bd. 18. [3] Lee, H –H and Cho, S -K (2001), A new Fuzzy-Logic Anti-Swing Control for Industrial Three- Dimensional Overhead Cranes, Proceeding of the 2001 IEEE, International Conference on Robotics and Automation. [4] Lee, K-S; and Hyun, C -C (2008), Adaptive control and stability analysis of nonlinear crane systems with perturbation, Journal of Mechanical Science and Technology. [5] Liu, D; Yi, J; Zhao, D; and Wang, W (2004), Swing-Free Transportating of Two-Dimensional Overhead Crane Using Slidng Mode Fuzzy Control, AACC, Proceeding of the 2004 American Control Conference. [6] Park, M -S; Chwa, D; and Hong, S -K (2008), Anti-sway Tracking Control of Overhead Cranes with System Uncertainty and Actuator Nonlinearity Using an Adaptive Fuzzy Sliding-Mode Control, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Bd. 55. [7] Smoczek, J; and Szpytko, J, (2010) Fuzzy Logic Approach to the Gain Scheduling Crane Control System, IEEE. [8] Stefania, Carmeli; and Marco, Mauri (2013), HIL test bench to test anti-swing fuzzy control of an overhead crane, IEEE. [9] Wahuydi; and Jalani, J (2006), Robust Fuzzy Logic Controller for an Intelligent Gantry Crane System, IEEE, First International Conference on Industrial and Information Systems, ICIIS. [10] Yang, T -W; and O’Connor, W -J (2006), Wave Based Robust Control of a Crane System, IEEE, Proceedings of the 2006 IEEE/RSJ, International Conference on Intelligent Robots and Systems. [11] Yi, J; Yubazaki, N; and Hirota, K (2002), Anti-Swing Fuzzy Control of Overhead Traveling Crane, IEEE. Ngày nhận bài: 16-10-2019. Ngày biên tập xong: 13-5-2020. Duyệt đăng: 26-5-2020 94