BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
LÊ XUÂN HẢI

Lê Xuân Hải

ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI CHO HỆ THỐNG CẦN CẨU TREO
ĐIỀU KHIỂN THÍCH
PHI TUYẾN
THỐNG CẦN CẨU
CÓ NGHI
TÍNH ĐẾN
YẾU TỐCHO
BẤTHỆ
ĐỊNH
TREO MÔ HÌNH BẤT ĐỊNH
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 9520216

LUẬNLUẬN
ÁN TIẾN
SĨ KỸ
THUẬT
VÀTỰ
TỰ
ĐỘNG
HÓA
ÁN TIẾN


Hà Nội – 2018


Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các kết quả nghiên cứu được
trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chưa từng được tác giả khác công bố.

Hà Nội, ngày … tháng … năm 20…
Tập thể hướng dẫn

Nghiên cứu sinh


Lời cảm ơn

Trong quá trình làm luận án, tôi đã nhận được nhiều góp ý về chuyên môn cũng như sự
ủng hộ giúp đỡ của tập thể cán bộ hướng dẫn, của các nhà khoa học, của các bạn đồng nghiệp.
Tôi xin được gửi tới họ lời cảm ơn sâu sắc.
Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn đến tập thể hướng dẫn đã trực tiếp bằng tâm huyết hướng dẫn
tôi trong suốt thời gian qua.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các nhà khoa học, tập thể Bộ môn Điều khiển Tự động,
Viện Điện, Viện đào tạo sau đại học, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận
lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu thực hiện đề tài luận án.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến các bạn đồng nghiệp tôi tại Khoa Kỹ thuật công nghệ đặc
biệt là Ban giám hiệu Trường Cao đẳng Xây dựng công trình Đô thị nơi tôi công tác đã tạo mọi
điều kiện thuận lợi nhất để tôi được yên tâm học tập, nghiên cứu.
Cuối cùng là sự cảm ơn sự ủng hộ, động viên, khích lệ của gia đình thân yêu tôi để tôi
hoàn thành nhiệm vụ học tập.


Cấu trúc của luận án ............................................................................................................ 4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CẦN CẨU TREO VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP
ĐIỀU KHIỂN.................................................................................................................................. 6
1.1.

Mô hình toán học của cần cẩu treo ................................................................................. 6

1.1.1.

Mô hình cẩn cẩu treo 3D có chiều dài dây treo không thay đổi ............................... 6

1.1.2.

Mô hình cần cẩu treo 2D ......................................................................................... 10

1.1.3.

Phân tích mô hình ................................................................................................... 12

1.2.

Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước ................................................................... 13

1.2.1.

Tình hình nghiên cứu trong nước............................................................................ 13

1.2.2.


1.4.

Các phương pháp cho đối tượng cần cẩu treo 2D ................................................... 14

Các phương pháp cho đối tượng cần cẩu treo 3D ................................................... 20

Kết luận chương 1 ......................................................................................................... 22

CHƯƠNG 2: ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI CHO CẦN CẨU TREO TRÊN CƠ SỞ HỆ MỜ .. 23
v


2.1.

Nền tảng cơ sở cho giải thuật điều khiển ...................................................................... 23

2.1.1.

Mô hình mờ Sugeno ................................................................................................ 23

2.1.2.

Phương pháp suy luận tuyến tính trong biểu diễn hệ mờ ....................................... 24

2.1.3.

Điều khiển trượt tầng .............................................................................................. 25

2.2.


2.3.2.

Luật điều khiển thích nghi ...................................................................................... 50

2.3.3.

Kết quả mô phỏng ................................................................................................... 53

2.4.

Kết luận chương 2 ......................................................................................................... 61

CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT THÍCH NGHI CHO CẦN CẨU TREO TRÊN CƠ SỞ
MẠNG NƠ-RON NHÂN TẠO .................................................................................................... 62
3.1.

Nền tảng cơ sở cho giải thuật điều khiển ...................................................................... 63

3.1.1

Điều khiển backstepping ......................................................................................... 63

3.1.2

Mạng nơ-ron nhân tạo RBF .................................................................................... 67

3.2.

Bộ điều khiển trượt backstepping trên cơ sở mạng nơ-ron nhân tạo ............................ 70



3.3.3

Mô phỏng kiểm chứng ............................................................................................ 98

3.4.

Kết luận chương 3 ....................................................................................................... 102

CHƯƠNG 4: KIỂM CHỨNG BẰNG THỰC NGHIỆM TRÊN MÔ HÌNH CẦN CẨU TREO 2D
TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM ............................................................................................... 103
vi


4.1.

Xây dựng bàn thí nghiệm ............................................................................................ 103

4.1.1.

Mô hình vật lý ....................................................................................................... 103

4.1.2.

Thiết kế phần cứng................................................................................................ 104

4.1.3.

Thiết kế phần mềm................................................................................................ 106


Các ký hiệu được sử dụng
mc

Khối lượng của xe con

mr

Khối lượng của xà đỡ

m

Khối lượng của tải trọng

l

Chiều dài dây treo

ux

Lực tác dụng theo phương x

uy

Lực tác dụng theo phương y

ul

Lực kéo tải trọng

u

Góc lắc của tải trọng theo phương y

pr

Vị trị của xà đỡ

pc

Vị trí của xe con

pm

Vị trí của tải trọng

q

Biến trạng thái của hệ cần cẩu treo

Er

Động năng của xà đỡ

Ec

Động năng của xe con

El

Động năng của tải trọng


L

Hàm Lagrange

Dx , Dy , Dl

Hệ số ma sát nhớt theo phương x, phương y, và khớp
nỗi giữa động cơ và dây treo

M (q)

Ma trận quán tính

C ( q, q )

Ma trận lực hướng tâm Coriolis

D

Ma trận hệ số ma sát

g (q)

Véc-tơ lực trọng trường

f1  X  , g1  X  , f 2  X  , g2  X 

Các hàm bất định của mô hình cần cẩu treo 2D

q1

Tổng

u

Tín hiệu điều khiển của hệ cần cẩu treo khi viết dưới

Tích
dạng mô hình sai lệch

u1

Tín hiệu điều khiển thành phần đủ chấp hành của hệ
cần cẩu treo khi viết dưới dạng mô hình sai lệch

u2

Tín hiệu điều khiển thành phần thiếu chấp hành của
hệ cần cẩu treo khi viết dưới dạng mô hình sai lệch

Z2

Tín hiệu điều khiển ảo

s1 , s2

Hai mặt trượt con của tầng trượt thứ nhất

r1 , r2

Hai ma trận hằng số


Ma trận đường chéo có các phần tử trên đường chéo
chính là M

 

Chuyển vị của ma trận

T

M

Chuẩn Frobeniouscủa ma trận M
F

f

Đạo hàm Jacobi của f theo x

x
sgn( s )

Có nghĩa là [sgn( s1 ) sgn( s2 )

x0

Véc-tơ giá trị rõ

x


Radial Basis Function

Hàm hướng tâm

TDL

Tapped Delay Lines

Khâu trễ

HSMC

Hierarchical Sliding Mode Control

Điều khiển trượt tầng

AFHMC

Adaptive Fuzzy Hierarchical Control Điều khiển trượt tầng thích nghi
mờ

ANSMC

Apdaptive Neural Network Sliding

Điều khiển trượt nơ-ron thích nghi

Mode Control
ASMCWUPL



Hình 1.1

Mô hình hệ cần cẩu treo 3D với chiều dài dây treo không thay
đổi

Hình 2.1

Tập mờ của hai biến ngôn ngữ đầu vào X1 và X 2

Hình 2.2

Tên các hằng số đầu ra

Hình 2.3

Sơ đồ cấu trúc điều khiển trượt tầng

Hình 2.4

Cấu trúc hệ thống điều khiển mờ hai lớp

Hình 2.5

Tập mờ của các biến ngôn ngữ đầu vào ei  ex , ey , e , e  của
FLCi

Hình 2.6

Tập mờ của các biến ngôn ngữ đầu vào của u1 và u2

là 8 (kg)

Hình 2.13

Kết quả mô phỏng cho bộ điều khiển mờ hai lớp trong trường
hợp không có nhiễu tác động cho hệ cần cẩu treo 2D với khối
lượng tải là 16 (kg)
xii


Hình 2.14

Kết quả mô phỏng cho bộ điều khiển mờ hai lớp trong trường
hợp có nhiễu tác động cho hệ cần cẩu treo 2D với khối lượng tải
là 16 (kg)

Hình 2.15

Kết quả mô phỏng so sánh giữa TLFLC và DFLC với khối
lượng tải m=8(kg)

Hình 2.16

Kết quả mô phỏng so sánh giữa TLFLC và DFLC với khối
lượng tải m=16(kg)

Hình 2.17

Thay đổi k của mặt trượt


trong trường hợp không có nhiễu tác động với khối lượng tải là
16 (kg)

Hình 2.25

Kết quả mô phỏng cho bộ điều khiển trượt tầng thích nghi mờ
trong trường hợp có nhiễu tác động với khối lượng tải là 16 (kg)

Hình 2.26

Kết quả mô phỏng so sánh giữa HSMC và AFHSMC

Hình 2.27

Kết quả mô phỏng so sánh giữa AFHSMC và TLFLC

Hình 3.1

Cấu trúc hệ thống ANSMC

Hình 3.2

Cấu trúc mạng nơ-ron hướng tâm

Hình 3.3

Cấu trúc mạng nơ-ron RBF

Hình 3.4



Kết quả so sánh chất lượng giữa ANSMC và bộ TLFLC trong
trường hợp không có nhiễu tác động

Hình 3.11

Kết quả so sánh chất lượng giữa ANSMC và bộ TLFLC dưới
sự tác động của nhiễu 40 N.

Hình 3.12

Sơ đồ mô phỏng hệ thống ASMCWUPL

Hình 3.13

Kết quả mô phỏng cho bộ ASMCWUPL trong trường hợp tải
m=10(kg)

Hình 3.14

Kết quả mô phỏng cho bộ ASMCWUPL trong trường hợp tải
m=20(kg)

Hình 3.15

Kết quả mô phỏng cho bộ ASMCWUPL trong trường hợp tải
m=30(kg)

Hình 4.1


Kết quả cài đặt thực nghiệm bộ điều khiển trượt tầng với khối
lượng của tải là 8 kg.

Hình 4.9

Kết quả cài đặt thực nghiệm bộ điều khiển trượt tầng với khối
xiv


lượng của tải là 16 kg.
Hình 4.10

Kết quả cài đặt thực nghiệm bộ điều khiển trượt tầng thích nghi
mờ với khối lượng của tải là 8 kg.

Hình 4.11

Kết quả cài đặt thực nghiệm bộ điều khiển trượt tầng thích nghi
với khối lượng của tải là 8 kg.

xv


Danh mục các bảng
Bảng 2.1

Hệ luật suy diễn theo phương pháp tuyến tính

Bảng 2.2



Bảng 2.10

So sánh chất lượng giữa AFHSMC và TLFLC

Bảng 3.1

Thông số mô hình hệ thống cần cẩu treo 3D và bộ điều khiển trượt
thích nghi

Bảng 3.2

So sánh chất lượng điều khiển giữa ANSMC và BSMC

Bảng 3.3

So sánh chất lượng điều khiển của ANSMC và TLFLC cho hệ cần
cẩu treo 3D

Bảng 3.4

Thông số mô hình hệ thống cần cẩu treo 3D và bộ điều khiển trượt
thích nghi mô hình bất định hàm và bù bất định tải

Bảng 4.1

Dây nối của Encoder

Bảng 4.2


phần bất định như ma sát, sự thay đổi phụ tải và nhiễu từ bên ngoài tác động vào hệ thống. Bài
toán đặt ra là phải tổng hợp bộ điều khiển cho hệ thống cần cẩu treo vừa đảm bảo bám vị trí đặt
cho xe con và chế ngự rung lắc, bền vững với nhiễu và các bất định của mô hình. Đó chính là
thách thức, cấp bách và là động cơ để thúc đẩy việc lựa chọn hướng nghiên cứu của luận án:
“Điều khiển thích nghi cho hệ thống cần cẩu treo có tính đến yếu tố bất định”.

2.

Mục tiêu và nhiệm vụ của luận án

Hệ thống cần cẩu treo là một trong những đối tượng được sử dụng phổ biến và mang lại hiệu quả
cao trong các xưởng lắp ráp, chế tạo, các công trình xây dựng và các cảng biển ... Trong những
năm gần đây, các phương pháp điều khiển phi tuyến mới đã được nghiên cứu phát triển và áp
dụng cho các hệ thống cần cẩu treo dựa trên các kỹ thuật điều điều khiển phi tuyến như kỹ thuật
backstepping, điều khiển trượt ... Song song với việc nâng cao chất lượng của các khâu cơ khí thì
vấn đề điều khiển cũng là một vấn đề hết sức quan trọng để cải thiện chất lượng làm việc của hệ
1


thống cần cẩu treo. Do cần cẩu treo là một đối tượng phi tuyến có mô hình bất định chịu ảnh
hưởng của nhiễu nên phần lớn các công trình nghiên cứu mới được công bố gần đây đều hướng
đến phương pháp điều khiển thích nghi phi tuyến hoặc là dựa trên mô hình mẫu hoặc dựa trên
các hệ có khả năng suy luận như hệ mờ, mạng nơ-ron. Do vậy, điều khiển thích nghi cho hệ
thống cần cẩu treo vẫn luôn là bài toán thu hút được nhiều nhà khoa học quan tâm giải quyết.
Điều khiển thích nghi là bài toán tổng hợp bộ điều khiển nhằm luôn giữ chất lượng hệ thống
không thay đổi, cho dù có nhiễu không mong muốn tác động vào hệ thống hoặc có những sự
thay đổi không biết trước xảy ra bên trong đối tượng điều khiển. Nguyên tắc hoạt động của hệ
thống điều khiển thích nghi là mỗi khi có sự thay đổi của đối tượng, bộ điều khiển sẽ tự thay đổi
theo nhằm đảm bảo chất lượng hệ thống không bị thay đổi [7].
Mục tiêu của luận án "Điều khiển thích nghi cho hệ thống cần cẩu treo có tính đến yếu tố bất

Luận án đề xuất các thuật toán và cấu trúc điều khiển thích nghi phi tuyến mới trên cơ sở hệ mờ,
mạng nơ-ron nhân tạo áp dụng điều khiển cho hệ thống cần cẩu treo với mô tả bằng mô hình phi
tuyến bất định, tham số tải trọng thay đổi, đảm bảo hệ kín ổn định và bám vị trí đặt với các ý
nghĩa khoa học như sau:
 Đề xuất được bộ điều khiển mờ có cấu trúc mới bao gồm hai lớp, lớp thứ nhất thực hiện
tách riêng từng nhiệm vụ điều khiển (FCL1) và lớp thứ hai (FCL2) phối hợp nhiệm vụ
điều khiển theo nguyên tắc thỏa hiệp.

3


 Đề xuất được bộ điều khiển thích nghi cho hệ thống cần cẩu treo trên cơ sở kỹ thuật trượt
tầng kết hợp với logic mờ.
 Xây dựng được bộ điều khiển thích nghi cho hệ thống cần cẩu treo trên cơ sở điều khiển
trượt, kỹ thuật backstepping và mạng nơ-ron nhân tạo đảm bảo bám vị trí cho trước, giảm
thiểu lắc. Phát biểu và chứng minh định lý về tính ổn định của hệ thống kín.
 Các bộ điều khiển đề xuất được kiểm chứng bằng mô phỏng số và bằng các thí nghiệm
thực ttong phòng thí nghiệm.
- Ý nghĩa thực tiễn:
Do các nghiên cứu đã được kiểm định bằng thực nghiệm trong phòng thí nghiệm cho thấy khả
năng chế tạo bộ điều khiển bằng vi điều khiển và các bộ điều khiển số này hoàn toàn có khả năng
ứng dụng trong thực tế.

5. Cấu trúc của luận án
Bố cục của luận án bao gồm 4 chương:
Chương 1: Tổng quan về hệ thống cần cẩu treo
Nội dung chính của chương này là giới thiệu về mô hình cần cẩu treo, phân tích các đặc điểm
của đối tượng cần cẩu treo và các phương pháp điều khiển có thể áp dụng được cho hệ thống
này. Nghiên cứu tổng quan các phương pháp điều khiển đã được công bố trong và ngoài nước,
phân tích ưu nhược điểm của từng nhóm phương pháp, từ đó chỉ rõ định hướng nghiên cứu đóng

công bố:
- Adaptive backstepping sliding mode control for uncertain 3D overhead crane based on
neural network, ICSSE, 2017 International Conference on, Publisher IEEE, ISSN 23250925.
- Adaptive control using neural network for overhead crane system with uncertainty of
payload mass” đã được chấp nhận đăng trên Tạp chí Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ
quân sự số 57A, tháng 11 năm 2018.
Chương 4: Kiểm chứng bằng thực nghiệm trên mô hình cần cẩu treo 2D trong phòng thí nghiệm
Nội dung chính là xây dựng bàn thí nghiệm điều khiển cần cẩu treo trong phòng thí nghiệm với
mô hình vật lý đảm bảo gần giống với thực tế công nghiệp, phần mềm có cấu trúc mở có khả
năng cài đặt đa năng các thuật toán điều khiển trên nền vi điều khiển và giao diện HMI thân thiện
với người sử dụng trên máy tính cá nhân. Tiến hành cài đặt một số giải thuật điều khiển mới đã
được đề xuất trong luận án đã được kiểm chứng qua mô phỏng.
Kết quả nghiên cứu trong chương này đã được công bố:
- Implementation of a laboratory overhead crane control system, Tạp chí nghiên cứu khoa
học và công nghệ quân sự, ISSN 1859-1403, số 44, tháng 8, 2016.
-

Antisway tracking control for 2D overhead crane using double layer fuzzy logic
controlles, Journal of Military Science and Technology, ISSN 1859-1403, Specical Issue,
No. 48A, 5 – 2017.
5


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CẦN CẨU
TREO VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN
1.1. Mô hình toán học của cần cẩu treo
1.1.1. Mô hình cẩn cẩu treo 3D có chiều dài dây treo không thay đổi
Mô hình cần cẩu treo 3D với chiều dài dây treo không thay đổi được biểu diễn trong hình 1.1 bao
gồm xe con (trolley) với khối lượng mc , xà đỡ có khối lượng mr , tải trọng (payload) có khối
lượng m và dây treo tải có độ dài l . Hai lực đẩy u x , u y lần lượt tác dụng vào xe con theo các

T

y  x  y  ; q  R 4 . Như vậy, cần cẩu treo là hệ thống thiếu cơ cấu chấp hành.

Theo hình 1.1. véc-tơ vị trí của xà đỡ, xe con và tải trọng đước xác định như sau:
pr  0

y 0 ; pc   x
T

y 0 ; pm   xm
T

ym

zm 

T

(1.1)

Tọa độ của tải phụ thuộc vào 4 thành phần, như vậy hệ có 4 biến khớp với các thành phần sau:
q   x

y  x  y 

T

(1.2)


2
2

Em 

1
1
mpmT pm  m x m2  y m2  z m2
2
2





(1.5)



(1.6)



(1.7)

Từ (1.3) ta dễ dàng có được:

7



(1.9)

Từ (1.5), (1.6) và (1.9) ta suy ra động năng của hệ là:
E





1
1
1
 mc  m  x 2   mc  m  mr  y 2  ml 2  2x 
2
2
2
1
ml 2 sin 2  x  y 2  mlx x cos  x cos  y  mlx y sin  x sin  y 
2
mly x cos  x sin  y  mly y sin  x cos  y





(1.10)

Thế năng của hệ được tính toán:
V  Vm





d  L q, q

dt  q


 



T

 L q, q

  q
 

 

T




u

(1.13)


0

0
C
0

0

 Dx
0
D
0

0

0

ml cos  x cos  y

mc  mr  m

ml cos  x sin  y

ml cos  x sin  y

ml 2

ml sin  x cos  y

0

ml 2 x sin  x cos  y


0 0
0 0 
với Dx , D y là hệ số ma sát nhớt lần lượt theo phương x và phương y.
0 0

0 0

9