V Ě D E C K É S P I S Y VYS O K É H O U Č E N Í T E C H N I C K É H O V B R N Ě
Edice PhD Thesis, sv. 353 ISSN 1213-4198
Ing. Lubomír Přikryl
Řízení pohybu pojezdu jeřábu s aktivním tlumením kývání břemene ISBN 80-214-3093-1
Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Ústav výkonové elektrotechniky a elektroniky
Ing. Lubomír Přikryl
Řízení pohybu pojezdu jeřábu s aktivním tlumením kývání břemene Movement control of the crane travel with active damping of the load swinging ZKRÁCENÁ VERZE Ph.D. THESIS
Obor:
Silnoproudá elektrotechnika a elektroenergetika
Školitel:
Prof. Ing. Jiří Skalický, CSc.
Oponenti:
Prof. Ing. Jan Skalla, CSc. Prof. Ing. Jiří Pavelka, DrSc.
Datum obhajoby: 24. 10. 2005
KLÍČOVÁ SLOVA Jeřábová soustava, servopohon, fuzzy regulace, neuronové sítě. KEY WORDS The crane system, servo-drive, fuzzy regulation, neural network.
ULOŽENÍ DISERTAČNÍ PRÁCE: ÚVEE FEKT VUT v Brně, Technická 8, Brno 612 00
© Lubomír Přikryl, 2005 ISBN 80-214-3093-1 ISSN 1213-4198
Obsah 1.
ÚVOD ............................................................................................................................................ 4
2.
FORMULACE PROBLÉMU A CÍLE JEHO ŘEŠENÍ............................................................ 5
3.
ANALÝZA SOUČASNÉHO STAVU ŘEŠENÉ PROBLEMATIKY ...................................... 6
4.
NÁVRH REGULAČNÍ STRUKTURY ŘÍZENÍ ....................................................................... 8 4.1
ALGORITMY ŘÍZENÍ POHONŮ ........................................................................................................... 8
4.2
KAMEROVÝ SYSTÉM........................................................................................................................ 8
4.3
ELEKTRICKÝ POHON ........................................................................................................................ 8
4.3.1 4.4
Návrh regulačních smyček polohového servopohonu........................................................... 9
NÁVRH REGULAČNÍ STRUKTURY S „ALTERNATIVNÍMI“ TYPY REGULÁTORŮ RYCHLOSTI .............. 10
4.4.1
Návrh regulační struktury s neuronovou předkorekcí ....................................................... 11
4.4.2
Návrh fuzzy regulátoru ....................................................................................................... 11
5.
ŘÍZENÍ A REGULACE VÝKYVU PŘENÁŠENÉHO TĚLESA JEŘÁBOVOU SOUSTAVOU............................................................................................................................. 13 5.1
ŘÍZENÍ VÝKYVU PŘENÁŠENÉHO TĚLESA ........................................................................................ 13
5.1.1
Popis regulační struktury řízení ......................................................................................... 14
5.1.2
Řídící algoritmus ................................................................................................................ 14
5.1.3
Řídící systém jeřábové soustavy ......................................................................................... 17
5.1.4
Ověření navržených regulačních struktur pro řízení.......................................................... 17
5.2
REGULACE VÝKYVU PŘENÁŠENÉHO TĚLESA ................................................................................. 19
5.2.1
Digitální zpracování výkyvu břemene pomocí kamerového systému.................................. 20
5.2.2
Návrh algoritmů pro regulaci............................................................................................. 20
5.2.3
Regulační systém jeřábové soustavy................................................................................... 23
5.2.4
Ověření navržených regulačních struktur .......................................................................... 23
6.
ZÁVĚR........................................................................................................................................ 26
7.
POUŽITÁ LITERATURA A ODKAZY .................................................................................. 27
8.
AUTOROVY PUBLIKACE A JINÁ VĚDECKÁ ČINNOST ................................................ 29
9.
ŽIVOTOPIS................................................................................................................................ 31
10.
ABSTRACT ................................................................................................................................ 32
3
1. Úvod
Při návrhu optimální trajektorie přenosu břemene jeřábovou soustavou z výchozího do konečného bodu, ať už se jedná o portálové, mostové, sloupové či jiné jeřábové druhy, se obvykle jako nejobtížnější jeví „umravnění“ kývaní přenášeného tělesa. Toto kývání je ve většině případů vysoce nežádoucí, neboť prodlužuje vlastní dobu přenosu břemene a navíc zvyšuje i nebezpečí pracovních úrazů personálu. Teprve však až současný stav řídicí elektroniky a regulovaných pohonů umožňuje toto kývání alespoň omezit, neboť jeho úplné odstranění není z fyzikálního hlediska možné. I když používaná kritéria pro rozdělení způsobů tlumení mohou být různá, v odborné literatuře je prosazováno dělení podle „velikosti“ jednotlivých typů jeřábů, tj. hledisko technicko ekonomické. Pro „malé“ typy jeřábů, s nízkou hmotností přenášeného břemene, není obvykle zapotřebí žádného zvláštního zařízení, které by obecně pomáhalo s tlumením. Většinou postačí jen obsluha, která ve spolupráci s osobou obsluhující jeřáb utlumí a usadí kývající se těleso. Do této skupiny patří především jeřáby portálového typu, pracující v továrních halách, menší typy sloupových jeřábů či autojeřáby. U „velkých“ typů jeřábů, které jsou schopny přenášet až stovky tun [1] není možné pro tlumení přirozeně využít stejného postupu jako pro jeřáby menších typů. Do popředí se tedy dostává snaha po nalezení optimálního způsobu řešení problematiky aktivního tlumení. V minulosti nejčastější způsob tlumení výkyvu, které je i zde prováděno vhodnou manipulací břemene zkušeným jeřábníkem, je nutno považovat za zastaralý, neboť jeho kvalita je dána jen subjektivními schopnostmi jeřábníka a je otázkou, zda současné nižší výrobní náklady jeřábu vykompenzují v blízké budoucnosti zvýšené mzdové náklady na „pořízení“ potřebného vysoce kvalifikovaného jeřábníka. S ohledem na tuto skutečnost a požadavky bezpečnosti práce se problematika automatického řízení trajektorie břemene jeví jako vysoce aktuální pro obě „váhové kategorie“ jeřábů, o čemž svědčí i v kap. 3 uváděný přehled současného stavu řešení této problematiky, publikovaný v dostupné technické literatuře.
4
2. Formulace problému a cíle jeho řešení
Cílem disertační práce bylo, v souladu se závěry státní doktorské zkoušky, vytvoření optimálních regulačních algoritmů jednoosého modelu jeřábové soustavy sloupového charakteru, jejichž výstupem je přenos břemene s maximálně předem stanovenou výchylkou ve dvou možných modifikacích, a to jak bez, tak i s uvažováním vlivu náhodných poruchových veličin (např. větru). Pro snímání skutečné polohy břemene využít signál z CCD kamery. Správnost návrhu komponentů a algoritmů regulačních struktur ověřit jak v Matlab - Simulinku, tak i při měření na reálném, upraveném modelu jeřábu v laboratoři ÚVEE FEKT VUT v Brně, jehož konstrukční úpravy jsem navrhl a ve spolupráci s mechaniky ústavu i fyzicky provedl. Rozvržení cílů disertační práce: 1. Vytvoření matematického modelu jeřábové soustavy a jeho převedení do modelového prostředí programu Matlab - Simulink. Model bude realizovaný ve dvourozměrném prostoru, což vyžaduje zohlednění vzájemného ovlivnění zdvihu a pojezdu přenášeného břemene na jeho výkyv. 2. Návrh optimálních parametrů otáčkového regulátoru pohonu jeřábové kočky, jak klasickými metodami – symetrickým optimem a optimálním modulem, tak i pomocí alternativních metod – fuzzy regulátorem a předkorekcí pomocí neuronového inverzního modelu. Všechny typy budou matematicky popsány a vytvořeny v programovém prostředí Matlab a Matlab - Simulink. Reálné ověření jejich vlastností bude navíc provedeno i na fyzickém modelu. 3. Vlastní regulační proces jeřábové soustavy bude řešen ve dvou variantách: a) Pro vlastní řízení výkmitu přenášeného tělesa bez předem známých rušivých vlivů bude v této disertační práci navržena dráhová trajektorie, při níž nedojde při pojezdu k překročení maximální povolené výchylky výkmitu přenášeného tělesa, jak při konstantní, tak i při proměnné délce závěsu břemene. b) Bude navržena regulační struktura, která zajistí plnou kompenzaci vlivu předem nedefinovatelných poruchových veličin (vítr, apod.) tak, aby ani v tomto případě nedošlo k překročení zvolené maximální výchylky výkmitu přenášeného tělesa. Vstupem do regulační struktury bude optimální dráhová trajektorie z bodu 3a) a zpětnovazební signál skutečné výchylky břemene, získaný pomocí kamerového systému umístěného fyzicky na jeřábové kočce. 4. Bude řešena problematika získávání obrazové informace z kamerového systému a její úpravy do digitálního tvaru, vhodného pro využití při regulaci Celé navržené teoretické řešení bude ověřeno na reálném modelu vzorku jeřábové soustavy.
5
3. Analýza současného stavu řešené problematiky
Tlumení přenášeného břemene z hlediska strojního vybavení jeřábu lze v zásadě rozdělit na dvě základní skupiny: 1. Mechanické tlumení, které má fyzikální základ v úpravě uchycení břemene takovým způsobem, aby docházelo k tlumení i bez zásahu obsluhy jeřábu. Těleso, k němuž je připevněno přenášené břemeno, je přichyceno ke kočce pomocí dvojice lan. Tento způsob řešení sebou ovšem nese určitá omezení a většinou se používá jen u jeřábů, které jsou využívány pouze pro malý zdvih břemene [1]. 2. Aktivní tlumení, které je strukturálně mnohem složitější, ale výrazně variabilnější a dynamičtější, neboť využívá vlastnosti regulačních silových a řídicích struktur jeřábu. Vzhledem k perspektivnosti a novosti řešení, je i má práce zaměřena na návrh aktivního tlumení výkmitu břemene. I když při použití aktivního tlumení je nutno vyřešit celou řadu technických problémů, jsou základem jeho úspěchu návrh vhodné regulační struktury, použití dynamického pohonu a dostatečně přesná informace o skutečné poloze břemena. Této charakteristice odpovídá i většina obsahu publikací, zabývajících se touto problematikou. Jak již bylo uvedeno je pro správnou funkci tlumení výkmitu břemene nutné získávat informace o okamžité poloze přenášeného břemena. Jednou z nejčastějších používaných variant pro toto měření výkyvu břemena je instalace a využití tlakových senzorů, které bývají většinou připevněny k lanům spojujících kočku s hákem. Zpracování takto získané informace je uvedeno ve [2]. Velmi podobnou metodou je i snímání tlaku přímo na hřídeli motoru navíjecího bubnu, na který při vychýlení břemene působí síla přenášená upevňovacími lany. V článku [3] je popsán jiný princip automatického tlumení přenášeného břemene. Systém byl navržen za účelem přemístění břemene na dané místo s minimálním výkmitem pomocí vhodné regulace rychlosti. Zvláštností je, že klasický PID regulátor je v tomto případě nahrazen fuzzy regulátorem, přičemž pohyb je uvažován jen v jedné ose, tj. nezabývá se zdvihem břemene v průběhu jeho přemístění, což svědčí o tom, že navržené řešení v praxi nebylo ověřeno. Článek [4] se zabývá obecnou problematikou aktivní kompenzace pohybu, při přenášení břemene jeřábovou soustavou. V průběhu přenosu se v závislosti na délce lana mění i výchylka břemene. Touto skutečností se zabývá [5]. Je zde popsána metoda, ve které se logicky předpokládá, že při zrychlování a brždění dochází k největším výkyvům přenášeného tělesa. Proto jsou tyto stavy odzkoušeny počítačovou simulací a na základě výsledků poté popsány křivky, po kterých se má rozběh i doběh motorů pohybovat. Bez dalšího konkrétnějšího upřesnění je uvedena možnost aktivního využití fuzzy regulátoru.
6
V [6] je poukázáno na možnost využití tensometrického měření, použitého primárně jako ochrana proti přetížení jeřábové soustavy. Použitá metoda je blízká výše uvedené metodě snímání tlaků v lanech. Metoda cílového přemístění břemene na danou pozici je popsána v [7]. Celá operace je snímána nezávislou CCD kamerou, pomocí které jsou získávána data o umístění břemene i cílového místa a přenášena do vyhodnocovací jednotky, která následně rozhoduje o pohybu. Tato metoda se dá také využít při nezbytnosti velmi „měkkého“ položení břemene na určené místo. Popis indikace a indikátoru zátěžného momentu u regulované jeřábové soustavy je obsahem [8]. Metoda [9] popisuje způsob řešení ochrany proti kmitání břemene při pohybu. Jedná se o systém, kdy dochází k měření výchylky a zároveň i snímání tlaku na úchytných lanech. Všechny tyto veličiny jsou převedeny do regulační jednotky, ze které je vysílán signál pohonným jednotkám. Výhodou tohoto systému je jeho univerzálnost, neboť je schopný nejen provádět aktivní tlumení při přenosu břemen, ale též i zajišťuje funkci ochrany před přetížením. Popsaná metoda v [10] je založena na infračervených vysílačích, připevněných k tělesu, které mapují přenášené břemeno a pomocí speciálních kamer je získávána hodnota výchylky břemene a její relativní natočení vzhledem ke kočce. V literatuře [11] je uvedeno měření výkmitu pomocí speciálních snímačů tlaku v lanové soustavě. Následuje stručný popis vyhodnocení funkce. Metoda popsaná v [12] je založená na systému měření rychlosti a momentu břemene a na základě těchto údajů je řízena vlastní pohonná jednotka. Doposud byly prováděny na ÚVEE FEKT VUT v Brně experimenty v oblasti aktivního tlumení přenášeného břemene jeřábovou soustavou. V diplomové práci [13] je popsán návrh jednoduchého algoritmu, pomocí něhož je možno řídit posun „kočky“ mostového jeřábu za předpokladu minimálního výkyvu přenášeného břemene. Touto problematikou se poté zabývají i práce [14], [15], kde je stávající řešení rozšířeno z ovládání pohybu v jedné ose u mostového jeřábu na pohyb ve dvou osách. Všechny uvedené práce vycházejí z řízení v otevřené regulační smyčce. Jedná se tedy o ovládání, nikoliv regulaci. Toto jednoduché řešení je vhodné jen pro jeřáby, u nichž se nepředpokládá působení nahodilých vnějších poruchových veličin. Hlavní nevýhodou navrženého ovládání je skutečnost, že po vypočtení a aplikování algoritmů na pojezd, není již možné v průběhu posuvu „kočky“ provést potřebné úpravy rychlosti v závislosti na možném okamžitém působení vnějších poruch, neboť není v průběhu posunu k disposici informace o skutečné velikosti výkyvu přenášeného tělesa. Za typickou vnější poruchu lze v praxi považovat zejména vliv větru, který často způsobuje nežádoucí rozkmitání tělesa nejen při pohybu, ale i v klidovém stavu. Za účelem ověření správnosti algoritmů, vytvořených v [16], [17], byl sestrojen na ÚVEE FEKT VUT v Brně model sloupového jeřábu. Rameno jeřábu je uloženo za pomocí dvou kuličkových ložisek na sloupu. Jeho pohánění je provedeno přes ozubené kolo pastorkem. Jeřábová kočka, pohybující se po rameni jeřábu, je poháněna pomocí řemene motorem, sloužícím pro pohon kočky, s řemenicí. Jak vyplynulo z prostudované technické literatury, mají zde uvedená řešení obvyklý popisný charakter s cílem maximálního utajení know – how autorů. 7
4. Návrh regulační struktury řízení
4.1
Algoritmy řízení pohonů
Pro návrh regulace pohonů, tedy regulátorů typu P, PI, PID, se u linearizovaných obvodů s konstantními parametry nejčastěji používá metoda optimálního modulu [18] či symetrického optima [19]. Návrh regulátoru pomocí těchto metod je velmi jednoduchý a ve většině případů je s nimi možno dosáhnout uspokojivých výsledků. Mimo těchto klasických návrhů je ještě celá řada novějších metod. Jedná se například o návrh struktury fuzzy regulátoru [20], [21], [22] či návrh struktury pomocí neuronové předkorekce [23], [24], [25]. Pro objektivní posouzení jejich vlivu na kvalitu regulačního procesu a jejich optimální výběr pro tento konkrétní případ, byly návrhy regulátorů provedeny všemi výše uvedenými metodami.
4.2
Kamerový systém
V současnosti jsou pro informace o skutečné poloze břemene používány prakticky jen analogová čidla. Vzhledem k současnému stavu digitální techniky jsem se rozhodl pro její použití na bázi kamerového vyhodnocení. Při mnou provedené rozsáhlé publikační rešerši této problematiky jsem se s tímto, dle mého názoru perspektivním řešení u jeřábů, nesetkal a níže uvedené řešení problematiky je v oblasti jeřábové techniky originální.
4.3
Elektrický pohon
Elektrický pohon lze charakterizovat jako zařízení pro elektromechanickou přeměnu energie (včetně řízení této přeměny), které slouží k tomu, aby předepsaným způsobem uvedlo poháněný pracovní mechanismus nebo zpracovávanou látku do požadovaného pohybového stavu. S ohledem na dobré dynamické vlastnosti a minimální hmotnost daného motoru, což vyžadovala konstrukce modelu jeřábu, jsem se rozhodl použít pohonu se synchronním motorem.
8
4.3.1
Návrh regulačních smyček polohového servopohonu
Standardní kaskádní struktura regulace polohového servomechanismu je tvořena polohovou smyčkou s podřízenou otáčkovou smyčkou, popřípadě jí další podřízenou smyčkou proudovou nebo momentovou.
4.3.1.1
Proudová smyčka
Žádaná hodnota proudu
1 R 1 + sτ s
FRI
1 1 + sτ TM
0.61 1 + sτ f
Obr. 4.1 : Blokové schema otevřené proudové smyčky
Přenos uzavřené regulační smyčky podle optimálního modulu má standardní tvar: FWI ( s ) =
1 1 + 2τ σ s + 2τ 2 σ s 2
(4.1)
Tento výpočet je pouze symbolický, protože UNI1205 již obsahuje proudový regulátor, jehož nastavení složek Kp a KI nelze měnit, ale dle interních údajů výrobce měniče jsou zde vypočítané konstanty použitého PI regulátoru blízké přednastaveným v měniči.
4.3.1.2
Otáčková smyčka
Podřazeným prvkem regulační struktury otáčkové smyčky je přenos uzavřené proudové smyčky. Tuto smyčku budeme považovat za vykompenzovanou, což znamená, že budeme uvažovat pouze přenos tranzistorového měniče a filtru. Protože otáčková smyčka je pomalejší než proudová, můžeme zanedbat druhý člen, tj. kvadrát časové konstanty τσ .
ω - žádaná hodnota
FRω
FWI
3 Ψm Pp 2
Mz
1 Js
ω
ω -skutečná hodnota
Fv
Obr. 4.2 : Blokové schema otáčkové smyčky
9
Přenos uzavřené smyčky otáček podle symetrického optima má standardní tvar: FWω ( s ) =
4.3.1.3
1 + 4 sτ σ 1 + 4 sτ σ + 8s 2τ σ + 8s 3τ σ 2
(4.2)
3
Polohová smyčka
Při návrhu polohové smyčky vycházíme z operátorového tvaru uzavřené rychlostní smyčky.
ϕž
KV
FWω
ϕ
1 s
Ff
Obr. 4.3 : Blokové schema polohové smyčky
Zesílení proporcionálního regulátoru polohy je poměr rychlosti k polohové odchylce: ω* ω KV = * = ϕ − ϕ ∆ϕ
(4.3)
Zesílení KV se nazývá rychlostní konstantou polohové smyčky a číselně udává rychlost sledování při jednotkové odchylce skutečné polohy od polohy zadávané. Čím větším je KV, tím menším je chyba sledování polohy při dané rychlosti sledování [26].
4.4
Návrh regulační struktury s „alternativními“ typy regulátorů rychlosti
V předchozích částech byl proveden způsob návrhu regulačních struktur pomocí obecně známých a používaných „klasických“ principů. V poslední době jsou často využívány nové nestandardní způsoby návrhů jednotlivých části regulační smyčky, přičemž jejich hodnocení v odborné literatuře je velmi rozdílné. S ohledem na tuto skutečnost a pro posouzení vhodnosti návrhu regulátorů pro tento konkrétní pohon bylo rozhodnuto provést návrh a ověření otáčkových regulátorů vytvořených za použití neuronové sítě a fuzzy logiky (proudový a polohový regulátor ve zvolené hardwarové konfiguraci nelze navrhnout jinak než klasickými metodami).
10
4.4.1
Návrh regulační struktury s neuronovou předkorekcí
Při vytváření sítě se program opíral o dva typy učících algoritmů. Jedná se o algoritmus Back propagation a Levenberg - Marquardt. Při testování obou algoritmů bylo z výsledků konstatováno, že vlastnosti obou naučených sítí se v zásadě od sebe v tomto případě neliší. Algoritmus Levenberg - Marquardt je ovšem při výpočtu rychlejší, než Back propagation. Z tohoto důvodu byly všechny následující měření prováděny pomocí tohoto učícího algoritmu [27]. Pro ověření výsledků návrhu bylo provedeno simulační měření (viz. obr. 4.4), při němž byly vstupní žádané otáčky nastaveny na hodnotu 3500 ot/min.
Obr. 4.4 : - horní obrázek: Výsledek regulace změny otáček z 0 na 3500 ot/min. při použití PI regulátoru a předkorekce neuronovým inverzním modelem (svislá osa: ot/min.; vodorovná osa: počet kroků simulace x10)
- spodní obrázek: Průběh akční veličiny při změně otáček z 0 na 3500 ot/min. (svislá osa: akční veličina x10-1; vodorovná osa: počet kroků simulace x10)
Z výsledků simulace je patrné, že při použití PI regulátoru v součinnosti s naučenou neuronovou sítí je výsledná odezva rychlejší, než při použití samostatného PI regulátoru. Nicméně naučená síť vnáší do systému odchylku, která musí být kompenzovaná PI regulátorem. Výsledná hodnota žádané veličiny je na základě těchto vlastností po ustálení nulová.
4.4.2
Návrh fuzzy regulátoru
Druhým netradičním způsobem návrhu otáčkového regulátoru je využití fuzzy logiky. Pro vytvoření struktury fuzzy regulátoru (pravidla, počet a tvar funkcí příslušnosti a podobně) je využit příkaz anfis [28], který je součástí programových toolboxů Matlabu. Tento příkaz 11
nám pomáhá s generováním tzv. fis-matic, které v sobě nesou veškeré informace o daném fuzzy regulátoru. Při navrhování struktury je stejně jako u návrhu neuronové sítě potřebné znát trénovací množiny, neboť anfis pracuje na základě neuro - fuzzy inference [28]. Pro vytvoření struktury je využit Back propagation v kombinaci s Metodou nejmenších čtverců.
Obr. 4.5 : Skutečná hodnota otáček při použití fuzzy regulátoru v otáčkovém regulačním obvodu (svislá osa: ot/min.; vodorovná osa: čas v sekundách)
Získané zkušenosti „z netradičně navrhnutých regulátorů“ se dají shrnout do následujících dílčích závěrů: Kvalita regulace s předkorekcí pomocí inverzního neuronového modelu je plně závislá na schopnosti naučit model požadovaným vlastnostem. Je-li pomocí tréninku síť dostatečně korektně naučena, není již příliš obtížné provést realizaci systému Vlastnosti regulace se touto předkorekcí mohou výrazně zlepšit. V našem případě se zlepšila dynamika náběhu na žádanou hodnotu, ale síť vykazovala trvale regulační odchylku, kterou musel kompenzovat PI regulátor. Při návrhu fuzzy regulátoru, je mnohem obtížnější získat žádané hodnoty pro trénink. Jsou-li taková data k dispozici společně s dobrým a rychlým výpočtovým prostředím, je návrh vlastností regulátoru zvládnutelný. Kvalita regulace pomocí fuzzy regulátoru je uspokojivá a v porovnání s regulátorem navrženým pomocí symetrického optima téměř totožná.
12
5. Řízení a regulace výkyvu přenášeného tělesa jeřábovou soustavou
Na základě získaných zkušeností v průběhu řešení a po dohodě se školitelem bylo rozhodnuto s ohledem na komplexnost řešení rozdělit návrh regulace výkyvu břemene na dva v praxi možné případy: 1. Řízení výkyvu pomocí vhodného algoritmu, jehož hlavním omezujícím parametrem je maximální výchylka břemene. Tato varianta neuvažuje s možným působením rušivých vlivů v průběhu přesunu břemene, ale je možno ji bez obtíží použít v takovém prostředí, ve kterém je působení poruchových veličin téměř zabráněno (např. portálové jeřáby v halách). 2. Regulace výkyvu břemene na jeho předem požadovanou maximální hodnotu v reálném prostředí. Výchozí hodnotou je i zde průběh trajektorie dráhy podle bodu 1), který je však regulačně ovlivněn skutečnou hodnotou výchylky, která v sobě zahrnuje i vliv dalších rušivých signálů (např. vítr).
5.1
Řízení výkyvu přenášeného tělesa
V následujících kapitolách je proveden popis řízení výkyvu za pomoci navrženého algoritmu, který řídí hodnotu otáček (rychlosti) pojezdu jeřábové kočky s cílem nepřekročení požadovaného limitního vychýlení břemene, při neuvažování působení stochastických vnějších vlivů.
13
5.1.1
Popis regulační struktury řízení
VÝPOČETNÍ STANICE - PC2 OBSAHUJE:
Analogová informace velikosti procenta rychlosti
-
Komunikace: DUAL WinTechnol -
řídicí systém DUAL
Žádaná hodnota otáček a skutečná hodnota otáček
OBSAHUJE: -výstupní hodnota: žádaná hodnota otáček
Skutečná hodnota otáček
model jeřábové soustavy vytvořený v Matlab - Simulinku s otáčkovými regulátory (fuzzy, PI dle struktur měniče a regulátor navržený dle motod symerického optima) a algoritmus pro řízení výkyvu břemene komunikace s DUALEM přes program WinTechnol
Žádaná hodnota otáček
Žádaná hodnota proudu
měnič
jeřábová soustava
motor
Obr. 5.1 : Schema regulační struktury pro řízení
Na obr. 5.1 je zobrazeno schema regulační struktury řízení.
5.1.2
Řídící algoritmus
Pro návrh vhodného algoritmu průběhu otáček pojezdu jeřábové kočky v závislosti na úhlu výkmitu je nezbytné získat základní informace o regulované soustavě. Na základě rovnic [18] byl v Matlab – Simulinku vytvořen model a pro jednotlivé vstupní otáčky do systému zjištěny hodnoty výkmitu břemene odpovídající daným vstupům (viz. tab. 5.1. a tab. 5.2). Pro ověření byl tento model připojen na reálný systém a na vstup přivedena hodnota jednotkového skoku změny otáček a na výstupu měřeny hodnoty úhlu jak v Simulinku (tak i pomocí kamery, která je zde využívána jen pro měření výchylky). Simulační i experimentální měření na modelu byla provedena pro velikost délky lana 40 (tab. 5.2) a 92 centimetrů (tab. 5.1). Pomocí těchto měření je přesně popsána závislost výkmitu na otáčkách. V praxi bylo nezbytné provést úpravu parametrů strojních konstant řídicího systému DUAL na hodnoty, které zajišťují vlastnosti jednotkového skoku v reálném měření.
14
Konečné
Úhel α -
Pixely – max
Pixely –
Stupně
F%
otáčky
vypočtený z
a min výkmit
rozdíl (max-
odpovídající
1
9,8
min)
rozdílu pixelů
158,5-161,22
2,72
0,18
Stupně 0,186
5
49
0,93
154,78-168,38
13,6
0,9
11
108
2,04
145,66-175,66
30
1,985
15
144
2,42
140,61-178,07
37,46
2,475
20
189
3,23
130,94-188,07
57,16
3,25
30
278
4,51
121,89-194,66
72,77
4,445
50
450
7,23
108,35-208,78
107,43
7,125
Tab. 5.1 : Tabulka vypočtených a naměřených hodnot úhlu pro délku lana 92 centimetrů
F%
Konečné
Úhel α -
Pixely –
Pixely –
Stupně
otáčky
vypočtený
max a min
rozdíl
odpovídající
z rovnic
výkmit
(max-min)
rozdílu pixelů
158,3-
3,6
1,314
18,03
6,57
39,75
14,5
78,72
28,77
85
31,07
114,1
41,71
Stupně 1
9,8
1,22
161,9 5
49
6,1
150,1168,13
11
108
13,6
139,7179,6
20
189
27,52
117,98196,7
30
278
35,4
119,9204,9
50
450
42,65
96,7-210,8
Tab. 5.2 : Tabulka vypočtených a naměřených hodnot úhlu pro délku lana 40 centimetrů
Pro objasnění údajů v tab. 5.1 a tab. 5.2 je nezbytné provést základní vysvětlení pojmů, které jsou v těchto tabulkách obsaženy a popis metod, kterými byly hodnoty zjištěny. Jak již bylo zmíněno v předchozím odstavci, v tabulkách jsou uvedeny hodnoty ze dvou různých způsobů stanovení hodnoty úhlů. V prvním případě se jedná o matematický výpočet, v němž bylo použito rovnic [18]. Základní úvahou pro výpočet bylo stanovení maximálního výkmitu při různých hodnotách maximální rychlosti přesunu břemene. V druhém případě se jednalo o fyzikální měření na reálné soustavě pomocí kamerového systému. Na reálnou soustavu byly přivedeny stejné vstupní hodnoty maximálních rychlostí jako u matematického teoretického výpočtu a pro danou délku lana měřena maximální velikost výkmitu. Přivedená maximální rychlost byla volena s ohledem na reálné měření v hodnotě F% (v tab. 5.1 a 5.2: „F%“), tedy procenta rychlosti. Z tohoto parametru jsou poté přepočítány otáčky (sloupec: „Konečné otáčky“). Ve sloupci: „Úhel-α“ jsou uvedeny hodnoty ve stupních, tak jak byly vypočteny z matematických vztahů. Ve sloupci: „Pixely-max. a min. výkmit“ je uvedena hodnota výkmitu změřená přes kamerový systém. Tyto informace jsou upraveny na rozdílovou hodnotu (sloupec: „Pixely-rozdíl“) a následně převedeny na hodnotu stupňů (sloupec: „Stupně odpovídající rozdílu pixelů“). Vypočtená a naměřená hodnota odchylky se v případě tab. 5.1 liší v průměru o 3 procenta, zatímco pro délku lana 42 cm (viz. tab. 5.2), je odchylka větší a pohybuje se v průměru okolo 8 procent. Rozdíl je možno vysvětlit tím, že zde je měření 15
pomocí kamerového systému méně přesné, neboť rychlost změny předmětu při snímání z malé vzdálenosti je více ovlivněno rychlostí snímání a pracování kamerou než pro delší délku lana.
Vlastní regulace aktivního tlumení břemene při pojezdu jeřábové kočky je rozdělena na dvě části: 1. řízení bez zpětné vazby při použití navrženého algoritmu a 2. regulace pomocí informace o výkmitu přenášeného tělesa (bude popsáno v kap. 5.2). Základním cílem při návrhu regulační struktury pro řízení je snaha po co nejjednodušším (ale účinném) způsobu řízení, které by bylo možno v praxi bez větších nároků na výpočetní techniku využít. Na základě předešlých výpočtů a měření (viz. tab. 5.1 a 5.2), je možno stanovit vztahy, určující vzájemné působení jednotlivých hodnot.
Na základě měření byl stanoven vztah pro přepočet hodnoty pixelů na stupně pro danou délku lana a naopak (viz. rov. 5.1).
2
1 velikost úhlu = žádaná hodnota pixelů * 10 / 46 * 94 * * 2,29 / 0,04 délka lana
(5.1)
Před vlastním návrhem je třeba provést omezení v důsledku technického přizpůsobení použitému materiálu. Jedná se o omezení délky lana přenášejícího břemeno na hodnotu 40 až 92 cm. Zdůvodnění tohoto omezení bude popsáno v kap. 5.2.
Při návrhu optimálního řízení se vychází z hodnot uložených v tab. 5.1 a tab. 5.2. Jak je již zřejmé, výpočty byly provedeny pro obě krajní polohy výšky přenášeného tělesa. Z hodnot v tabulce je zřejmé, že vztah mezi délkou 40 a 92 centimetrů je dán: 92 − 40 = 52
92 / 52 = 0,0175
(5.2), (5.3)
Po zjednodušení a po odečtení počátku o hodnotu 52 * 0,0125 od 2,65 je výsledek 2.
Platí též, že pro 40 centimetrů je F 1% = 3,71 pixelů a pro 92 centimetrů je F 1%=2,8 pixelů. Na základě těchto předpokladů je možné napsat následující rovnici:
(((
)
)
)
(5.4)
(((
)
)
)
(5.5)
3,17 − skuteč. hodnota délky lana − 40 * 0,0175 = první hodnota
2,65 − skuteč. hodnota délky lana − 40 * 0,0125 = druhá hodnota
Fx% = druhá hodnota − ( x − 1) * první hodnota = max .výkmit pro danou délku lana a F % (5.6) 16
Dále je třeba provést přepočet z F% na pixely, které jsou na vstupu do řídícího systému. Tento přepočet je dán vztahem: Pixely = 312 − F % * 2
(5.7)
V našem případě se ovšem rovnice 5.7 bude využívat v obráceném smyslu. Vstupní hodnotou je maximální výkmit a na základě této informace je dopočítána hodnota procenta rychlosti F%. Celý algoritmus potom pracuje následovně. Pro známou hodnotu délky lana a požadovaného úhlu, který se nemá při přenášení břemene překročit, je nejdříve vypočten rozsah v pixelech, pro který je podmínka ještě splněna. Na základě této podmínky je dále proveden přepočet dle rov. 5.4 až 5.7 a výsledkem je maximální možná hodnota procenta rychlosti F%, při které je tato podmínka splněna. Celý algoritmus je velmi jednoduchý a v praxi lehce použitelný.
5.1.3
Řídící systém jeřábové soustavy
Struktury modelů, které jsou používány při praktických experimentech ověření řídicího algoritmu, jsou shodné s modely, které budou použity i v kap. 5.2 s výjimkou informace o skutečné poloze břemene z kamerového systému. Z důvodů obsáhlosti této problematiky, budou v těchto tezích uvedeny pouze výsledky měření a vlastní popis jednotlivých struktur modelů bude uveden pouze ve vlastní disertační práci.
5.1.4
5.1.4.1
Ověření navržených regulačních struktur pro řízení
Pojezd jeřábové kočky s konstantní délkou lana při použití algoritmů pro řízení otáček
Při experimentálním ověření na fyzickém vzorku jeřábové soustavy byl nejprve proveden pojezd jeřábové kočky, s řízením otáček, z 0 na 72 centimetrů. Byl stanoven maximální možný výkmit 5 stupňů. Při použití algoritmu pro řízení otáček je maximální rychlosti otáček ovlivňována přes parametr F%, který pro hodnotu 5 stupňů nabývá velikosti F25%, což odpovídá hodnotě otáček 231,15 ot/min. Experiment byl proveden pro dálku lana 92 centimetrů.
Pro vlastní záznam hodnot při měřeních zobrazených v kap. 5.1.4 a v kap. 5.2 byl použit osciloskop řídicího systému DUAL.
17
Obr 5.2 : Měření pro délku lana 92 cm a pojezd z 0 na 72 cm (svislá osa: pro polohu: cm, pro žádanou a skutečnou hodnotu otáček: ot/min.; vodorovná osa: čas v sekundách*10-3)
Obr 5.3 : Výkmit přenášeného břemene při délce lana 92 centimetrů (svislá osa: velkost výkmitu břemene ve stupních; vodorovná osa: počet vzorků snímání – 1 vzorek = 0.1 sekundy )
Jak je patrné z obr. 5.3, algoritmus pro řízení hodnoty otáček si velmi dobře poradil s problematikou pojezdu jeřábové kočky s maximální požadovanou hodnotou výkmitu 5-ti stupňů. Tato hodnota nebyla v průběhu jízdy překročena. Při experimentu v souladu se zadáním nebyly uvažovány žádné vnější poruchy (vliv větru a podobně).
5.1.4.2
Pojezd jeřábové kočky s proměnlivou délkou lana při použití algoritmů pro řízení otáček
Jak je z fyzikálního hlediska patrné, dojde-li ke změně délky lana a není-li tomu příslušně upravena rychlost, projeví se tento děj na velikosti výkmitu. Z tohoto důvodu je algoritmus (popsaný v kap. 5.1) odvozen i pro změnu délky lana. Jeho správná funkce je v následující části vyzkoušena a ověřena.
Připomínám, že i zde se setkáváme s fyzikálním omezením možnosti změny délky lana na vzorku jeřábové soustavy, které bylo již popsáno v kap. 5.1, takže i měření bylo provedeno za stejných podmínek.
18
Vstupní hodnota procenta rychlosti do systému je F% = 25, což odpovídá hodnotě 5 stupňů výkmitu pro počáteční hodnotu délky lana 92 centimetrů. V průběhu změny délky lana se mění i hodnota otáček. Výkmitu břemene do 5-ti stupňů při délce lana 40 cm odpovídá hodnota F% = 2,95, což je 27,28 ot/min.
Obr 5.4 : Měření pro změnu délky lana z 92 na 40 cm při pojezdu z 0 na 72 cm (svislá osa: pro polohu: cm, pro žádanou a skutečnou hodnotu otáček: ot/min.; vodorovná osa: čas v sekundách*10-3)
Obr 5.5 : Velkost výchylky při změně délky lana ze 92 na 40 centimetrů při pojezdu z 0 na 72 cm (svislá osa: velkost výkmitu břemene ve stupních; vodorovná osa: počet vzorků snímání – 1 vzorek = 0.1 sekundy)
Jak je patrné z experimentu, použijeme-li navržený algoritmus pro řízení, dochází v průběhu změny parametru délky lana ke korekci velikosti otáček a tím je hodnota výkmitu udržována stále v požadovaných mezích (zde 5-ti stupňů).
5.2
Regulace výkyvu přenášeného tělesa
Po prověření správnosti návrhu optimálního řízení jeřábu s ohledem na maximální žádaný výkmit břemene, bylo možno přistoupit k návrhu regulační struktury výkyvu přenášeného břemene. Schéma zapojení regulačního obvodu je znázorněno na obr. 5.6. 19
VÝPOČETNÍ STANICE - PC2 OBSAHUJE:
Analogová informace velikosti procenta rychlosti
-
Komunikace: DUAL WinTechnol -
řídicí systém DUAL
Žádaná hodnota otáček a skutečná hodnota otáček
OBSAHUJE: -výstupní hodnota: žádaná hodnota otáček
Skutečná hodnota otáček
model jeřábové soustavy vytvořený v Matlab-Simulinku s otáčkovými regulátory (fuzzy, PI dle struktur měniče a regulátor navržený dle motod symerického optima) a algoritmus pro řízení a regulaci výkyvu břemene - komunikace po sériové lince s PC1 komunikace s DUALEM přes program WinTechnol
Žádaná hodnota otáček
Datová informace o velikosti výkmitu Žádaná hodnota proudu
měnič
jeřábová soustava
motor
VÝPOČETNÍ STANICE – PC1 OBSAHUJE: -programy pro zpracování
přenášené těleso
Obrazová informace o výkmitu
obrazové informace - komunikaci po sériové lince s PC2
Obr 5.6 : Schema regulační struktury pro řízení a regulaci
5.2.1
Digitální zpracování výkyvu břemene pomocí kamerového systému
Jako zdroje informace o výkyvu břemene jsem se rozhodl využít nejmodernější metody, jejímž základem je digitální zpracování obrazu vlastního výkyvu, monitorovaný kamerovým systémem. Poněvadž profesionální systémy mi nebyly především z důvodů velké finanční náročnosti dostupné, navrhl jsem a odzkoušel vlastní řešení, které, jak ukázalo měření, dává uspokojivé výsledky při minimálních nákladech.
5.2.2
Návrh algoritmů pro regulaci Filozofie návrhu regulačních algoritmů je následující: uživatel předem definuje: 1. vzdálenost mezi výchozím a koncovým bodem pojezdu kočky 2. maximální výkmit břemene během pojezdu 3. navíc v rozsahu 0 až max. výkmit může uživatel volit tzv. přepínací úhel výkmitu
20
V mém případě s ohledem na dynamické vlastnosti zpětnovazebního obvodu je optimální hodnota tohoto volitelného úhlu asi 50 - 60% maximálního výkmitu. Zvolený princip je následující: z kamerového systému je vyhodnocena výchylka, která je při dané délce lana převedena na počet stupňů výkmitu. Tato hodnota je ještě ovlivněna derivací hodnoty výchylky. Hodnota derivace má tu zásadní vlastnost, že zvyšuje, či snižuje dynamiku vlastního vyregulování. Je-li hodnota výchylky kladná a derivace také kladná, potom se tyto hodnoty sčítají a dochází k rychlejšímu zásahu. Totéž platí pro záporné hodnoty. Jsou-li ovšem hodnoty výchylky a derivace rozdílné, znamená to, že břemeno se již samovolně vrací a tudíž je akční zásah snižován právě velikostí derivační hodnoty. Hodnota derivovaného vstupu je omezena a její velikost je možné upravovat násobící konstantou, která mění vlastnosti dynamiky regulace. Výsledná hodnota úhlu se poté násobí s již vypočtenou hodnotou pro změnu rychlosti odpovídající 1 stupni, která se vypočte dle rov. 5.8 až 5.21. Algoritmus pro regulaci je odvozen opět z tab. 5.1 a 5.2. Celé odvození výpočtu je založeno na předpokladu, že při výchylce 1 stupně bude reakcí snížení či zvýšení hodnoty otáček právě o tuto hodnotu. Celý algoritmus je třeba přepočíst pro jednotlivé délky lana a velikosti rychlosti. Pro délku lana 40 cm platí: 1. při F11% je výchylka rovna 14,5 stupňům 2. pro F11% jsou otáčky rovny 108 ot/min. Bude tedy platit, že: 14,5 = 1,32 11
(5.8)
a z toho plyne, že poměr mezi F% a stupni je dán vztahem: 1,32 * F = stupně
(5.9)
Pro získání hodnoty žádaného procenta rychlosti bude v obecném tvaru platit vztah: stupně = F ( žádaná ) 1,32
(5.10)
V našem případě, je třeba provést přepočet pro jeden stupeň, od kterého se budou vypočítávat další hodnoty. Po dosazení jednoho stupně do rov. 5.10 bude platit: 0,75 = F
(5.11)
21
a tedy jinak řečeno: 1 stupeň = F 0,75%
(5.12)
Předchozí výpočty platí pro délku lana 40 centimetrů. V následujících odstavcích se budeme zabývat stejnými výpočty, ovšem pro délku lana 92 centimetrů. Pro délku lana 92 cm platí: 1.
při F11% je výchylka rovna 1,985 stupňům
2.
při F11% jsou otáčky rovny 108 ot/min. 1,985 = 0,18 11
(5.13)
0,18 * F = stupně
(5.14)
a stejně jako v případě rov. 5.29 i zde platí poměr mezi jedním stupněm a F: 1 stupeň = F 5,55%
(5.15)
Následuje výpočet hodnoty procenta F% (hodnoty otáček). V předchozích odstavcích bylo vypočteno, že pro délku lana 40 centimetrů je hodnota jednoto stupně výchylky rovna velikosti otáček F0,75%. Pro délku lana 92 centimetrů je při stejných podmínkách hodnota otáček rovna F5,5%. Na základě tohoto zjištění je možno vytvořit obecný tvar pro přepočet procenta otáček pro různé délky lana a provést přepočet pro vytvoření obecného tvaru: Obecná rovnice pro výpočet hodnoty procenta rychlosti je: Fx = 0,75 + X * 0,091 ,
(5.16)
kde hodnota x je dána vztahem: x = skutečná hodnota délky lana − 40
22
(5.17)
Znám-li hodnotu procenta rychlosti F% a délku lana, mohu opět provést přepočet pro délku lana vztahy:
(((
)
)
)
3,17 − skuteč . hodnota délky lana − 40 * 0,0175 = tretí hodnota (5.18)
(((
)
)
)
2,65 − skuteč . hodnota délky lana − 40 * 0,0125 = čtvrtá hodnota (5.19) Pro žádané hodnoty pixelů, které musí vstupovat do systému spolu s žádanou hodnotou otáček dle předpokladu definovaného na počátku, je odvozen vztah (5.20).
žádaná hodnota pixelů =
čtvrtá hodnota + (Fx − 1) * třetí hodnota 2
(5.20)
Pomocí tohoto výpočtového algoritmu získáme hodnotu pixelů, která odpovídá změně velikosti hodnoty procenta otáček pro výkmit břemene právě jednoho stupně při dané délce lana. Ze zpětné vazby od kamerového systému máme základní informace o hodnotě velikosti výchylky ve stupních, která se touto hodnotou násobí a získá se tím hodnota v pixelech, o kterou se musí změnit velikost otáček. Pro úplnost je ještě nezbytné uvést vztah mezi F% a otáčkami: F1% = 9,25 ot / min
5.2.3
(5.21)
Regulační systém jeřábové soustavy
Stejně jako v kap. 5.1, ani zde nebudou uvedeny struktury modelů, které jsou používány při praktických experimentech ověření regulačního algoritmu, z důvodu obsáhlosti této problematiky. Vlastní popis jednotlivých struktur modelů bude uveden pouze ve vlastní disertační práci.
5.2.4
Ověření navržených regulačních struktur
Následující část je věnovaná ověření regulačních algoritmů v koordinaci s algoritmy řídicími.
23
5.2.4.1
Pojezd jeřábové kočky s konstantní délkou lana při působení regulačních struktur zpětné vazby a poruchové veličiny
Regulace za pomoci obrazové informace z kamerového systému bude prováděna na základě těchto podmínek: 1. Pojezd kočky je naprogramovaný z 0 na 72 cm. 2. Maximální výkmit je 5°, což při délce lana 55 cm odpovídá výkmitu 12,8 pixelů na obě strany a maximální rychlosti F% = 6,9. Po přepočtu na otáčky se jedná o 63,8 ot/min. 3. Přepínací úhel je 3°, což odpovídá při délce lana 55 cm výkmitu 7,7 pixelů na obě strany a maximální rychlosti F% = 3,75 (34,68 ot/min). 4. Do systému bude úmyslně přivedena větší hodnota otáček, než je vypočítaná žádaná hodnota. Velikost otáček je nastavena na hodnotu F% = 14 (131,8 ot/min) a maximálnímu výkmitu 10 stupňů (25,6 pixelů na obě strany). Touto úmyslně změněnou hodnotou se vnese do systému imaginární poruchová veličina, na kterou musí následně reagovat algoritmus zpětné vazby od kamerového systému.
Obr 5.7 : Žádaná hodnota otáček (svislá osa: hodnota otáčky za minutu; vodorovná osa: čas v sekundách*10-3)
Obr 5.8 : Data z kamerového systému (svislá osa: velikost výkmitu břemene od svislé osy (je dáno hodnotou 160) v pixelech; vodorovná osa: počet vzorků snímání – 1 vzorek = 0.1 sekundy)
24
Obr 5.9 : Velikost výkmitu (svislá osa: velkost výkmitu břemene od svislé osy ve stupních, vodorovná osa: počet vzorků snímání – 1 vzorek = 0.1 sekundy)
Jak je patrné z výsledků měření, regulační algoritmus si v součinnosti s algoritmem řídícím bez větších obtíží poradil s „vnější poruchou“ a výkmit při pojezdu jeřábové kočky nepřesáhl námi požadovanou hodnotu 5 stupňů.
25
6. Závěr
První část práce byla věnována vytvoření matematického modelu jeřábové soustavy a jeho modelování v Matlab - Simulinku. Byl proveden návrh základních regulačních struktur (proudová smyčka, otáčková smyčka, polohová smyčka). Celý model je řešen ve „2-D“ ve formě popisu vzájemného působení pojezdu jeřábové kočky a zdvihu břemene. Druhou částí práce je návrh alternativních otáčkových regulátorů, které se jevily vhodné pro regulační struktury pohonu jeřábové kočky. Postupně byly navrženy tyto typy regulátorů: PI, fuzzy a PI s neuronovým inversním modelem soustavy. Po simulaci těchto regulátorů v programovém prostředí Matlab a Matlab - Simulink byly vlastnosti těchto regulátorů ověřeny na reálné soustavě. Hlavní komplikací při této dílčí práci byla používaná technika, která svými parametry velmi ztěžovala měření i vlastní návrhy. Jedná se především o kartu AD612, jejíž minimální vzorkovací doba je příliš dlouhá (0,017 sekundy) a díky ní velmi často docházelo k zablokování celého systému. I přes tyto problémy se podařilo navržené regulátory reálně ověřit. Jejich vlastnosti se v této aplikaci od sebe příliš neliší. Z hlediska obtížnosti návrhu jednotlivých regulačních smyček se však dá usuzovat, že návrh fuzzy regulátoru či neuronové předkorekce, je v přímé praxi mnohem obtížnější a komplikovanější, neboť k nastavení jednotlivých parametrů je zapotřebí znát nejen trénovací data, ale především mít potřebnou výpočetní techniku, pomocí které se dá teprve návrh provést a implementovat do běžné praxe. Další částí této práce byl návrh regulační smyčky pro řízení přenosu břemene při minimální hodnotě výchylky od svislé polohy. Na počátku byl stanoven limit výkmitu maximálně 5 stupňů. Pro vlastní regulaci byl v této disertační práci navržen algoritmus, pomocí něhož je možné provádět toto řízení i bez pomoci zpětné vazby, což se může uplatnit u jednodušších typů jeřábů v prostorech bez působení stochastických náhodných poruch. Řízení s využitím zpětné vazby vyžaduje snímání pomocí kamery, umístěné na jeřábové kočce. V souvislosti s použitím kamerového systému se práce zabývá konkrétním způsobem získávání obrazové informace z kamerového systému, úpravou takové informace do digitální formy a jejího využití při regulaci. Kvalita regulace je přímo závislá na kvalitě zpracování dat a na rychlosti, s jakou jsou tato data zpracována. Použitá video-technika na modelu jeřábu není nejideálnější, neboť vzorkovací frekvence a rozlišení jsou velmi nízké (320 x 240 pixelů). Také programové prostředí Matlab v průběhu práce vytvářelo značné obtíže při zpracovávání výsledků z kamerového systému, neboť neumožňovalo funkčně využít multitasking a z tohoto důvodu musela být oddělena část zpracování obrazu od části regulační a tím se prodloužila doba dopravního zpoždění při vlastní regulaci (čas pro přenos po sériové lince i se spuštěním příslušného programu je 0,09 sekundy). V další části je popsán způsob získání digitální informace o poloze přenášeného tělesa a tím i získání potřebné hodnoty pro zpětnou vazbu, vstupující do regulačního algoritmu. Ten byl navržen ve spolupráci s řídícím algoritmem tak, aby jej doplňoval v případě nenadálého působení vnějších sil, přičemž jeho aktivace bude volena uživatelem stanovením tzv. přepínacího úhlu. Nedílnou součástí práce je reálné ověření jak dílčích teoretických výsledků v rámci jednotlivých kapitol, tak i kompletní ověření celé regulační soustavy jeřábu na jeho fyzickém modelu. Jak ukazují porovnání, byla ve všech případech dosažena velmi dobrá technická shoda. 26
7. Použitá literatura a odkazy
[1]
Remta, F., Kupka, L.: Jeřáby díl I., Praha, 1974.
[2]
Liebherr-Werk Biberach GMBH.: Internetové stránky http://www.liebherr.de
[3]
Intak, B., Zeungnam, B.: Anti-swing automatic control systems for unmanned overhead cranes, patent number: GB2280045, 1995.
[4]
Holmen, H., K.: System for active compensation of unwanted relative movements, patent number: US4215851, 1980.
[5]
Wilharm, H.: Time-optimising control or regulation of crane-travel gearing or crane trolley carriage drive - reducing angle of deflection of load and its speed at end of acceleration or braking phase necessary for operation, patent number: DE4223561, 1994.
[6]
Grabowsky, E.: Tensometric measurement systém for overhead travelling crane skewness limiters, patent number: PL283345, 1991.
[7]
Obata, K.: Container position measuring method and device for cargo crane and container landing/stacking method, patent number: US2002191813, 2002.
[8]
Nishikino, T.: Load moment indicator of crane, patent number: EP1180490 A, 2002.
[9]
Schmid, J., K.: Method for protecting a mobile crane against an swing, patent number: EP1153876 A, 2001.
[10] Hepp, F.: Device and method for the determination of the two-dimensional sway and /or the rotation of a crane load, patent number: EP0979796, 2000. [11] Taylor, M., K.: Pendant-responsive crane control, patent number: WO0232804, 2002. [12] Jusila, O.: Method and system for load measurement in a crane hoist, patent number: US5769250, 1998. [13] Grepl, R.:Diplomová práce: Aktivní tlumení pohybu břemene mostového jeřábu, FEKT VUT v Brně, 2000. [14] Urban, M.:Diplomová práce: Programové řízení sloupového jeřábu v reálném čase, FSI VUT v Brně, 2001. [15] Lžičař, P.:Diplomová práce: Aktivní tlumení pohybu břemene sloupového jeřábu, FSI VUT v Brně, 2001. [16] Urban, M.:Diplomová práce: Programové řízení sloupového jeřábu v reálném čase, FSI VUT v Brně, 2001. 17-18. [17] Urban, M.:Diplomová práce: Programové řízení sloupového jeřábu v reálném čase, FSI VUT v Brně, 2001. 18-19. [18] Zboray, L.: Stavové riadenie elektrických pohonov, TU v Košicích, 1992, 1.24- 1.27 27
[19] Zboray, L.: Stavové riadenie elektrických pohonov, TU v Košicích, 1992, 1.27- 1.29 [20] Zadeh, L., A.: Fuzzy sets. Inf. Control, 8, 6, 1966, 338-353.) [21] Self, K.: Designing with fuzzy logic, IEEE, Spectrum, Nov. 1990. [22] Pedrycz, W.: Fuzzy control and fuzzy systems. Research Studies Press, Somerset, England, 1989. [23] Neruda, R., Šíma, J.:Teoretické otázky neuronových sítí, Metafyzpress, 1996 [24] Fletcher, R.: Practical Methods of Optimization, Wiley, 1987 [25] Freeman, J., A.: Neural Networks Algorithms, Applications and Programming Techniques, pages 89-128, Addison-Wesley, 1991. [26] Skalický, J.: Teorie řízení, skripta, Brno, 2002 [27] Nordgaard, M.: Neural networks, Technical Univerzity of Denmark, 2000 [28] Ljung, L.: System Identification - Theory for the User, Prentice-Hall, 1987.
28
8. Autorovy publikace a jiná vědecká činnost
[ A1 ]
PŘIKRYL, L. Application of the Control Techniques Drivers in Coiler and Uncoiler Stands of the Wire Cutting Machines. In 8th Scientific and Business Conference-SILICON 2002. 8th Scientific and Business Conference-SILICON 2002. : , 2002, s. 75 - 81, ISBN 04-531-87
[ A2 ]
PŘIKRYL, L. Použití fuzzy logiky pro řízení autonomního lokomočního robota. In EPVE 2002. EPVE 2002. Brno: , 2002, s. 25 - 30, ISBN 80-214-2246-7
[ A3 ]
PŘIKRYL, L. Střídavý servopohon M‘Ax s vysokorychlostním přenosem dat mezi čidlem a měničem. In Elektrické servopohony a jejich aplikace XII.. Elektrické servopohony a jejich aplikace XII.. Brno: , 2002, s. 51 - 56, ISBN 80-86308-09-x
[ A4 ]
PŘIKRYL, L. Hipokampus z pohledu FMRI. Psychiatrie, 2003, roč. 7, č. 1, s. 3 - 3.
[ A5 ]
PŘIKRYL, L. Kognitivní funkce u prvních epizod schizofrenie. Psychiatrie, 2003, roč. 7, č. 1, s. 4 - 4.
[ A6 ]
PŘIKRYL, L. Kognitivní funkce u prvních epizod schizofrenie In 45. ČeskoSlovenská psychofarmakologická konference. 45. Česko-Slovenská psychofarmakologická konference. : , 2003, s. 25 - 27,
[ A7 ]
PŘIKRYL, L. Hipokampus z pohledu FMRI In 45. Česko-Slovenská psychofarmakologická konference. 45. Česko-Slovenská psychofarmakologická konference. : , 2003, s. 28 - 30,
[ A8 ]
PŘIKRYL, L. The control of the crab position In Veda, vzdelánanie a spoločnosť. VEDA, VZDELÁVANIE A SPOLOČNOSŤ. Žilina: NEUVEDEN, 2003, s. 81 - 84, ISBN 80-8070-118-0
[ A9 ]
PŘIKRYL, L. A sensorless ewitched-reluctance and motor drives In Veda, vzdelánavie a spoločnosť. VEDA, VZDELÁVANIE A SPOLOČNOSŤ. Žilina: NEUVEDEN, 2003, s. 85 - 89, ISBN 80-8070-118-0
[ A10 ] PŘIKRYL, L. Moderní způsoby regulace. In XXVIII. Celostátní konference o
elektrických pohonech. : , 2003, s. 332 - 337, [ A11 ] PŘIKRYL, L. Computer vision. In Studentská konference EEICT. Student EEICT
2003. : , 2003, s. 25-30 - 29, ISBN 80-214-2379-X [ A12 ] PŘIKRYL, L.
Regulace pojezdu. In Elektrotechnika a informatika 2003. Elektrotechnika a informatika 2003. Plzeň: NEUVEDEN, 2003, s. 120 - 123, ISBN 80-7082-992-3
[ A13 ] PŘIKRYL, L., POZDNÍK, J. About the computer vision. In Elektrotechnika a
informatika 2003. Elektrotechnika a informatika 2003. Plzeň: NEUVEDEN, 2003, s. 109 - 112, ISBN 80-7082-992-3
29
[ A14 ] PŘIKRYL, L. Zpracování obrazu programu Matlab. In EPVE 2003. EPVE 2003
elektrické pohony a výkonová elektronika. Brno: EPVE 2003, 2003, s. 201 - 204, ISBN 80-214-2497-4 [ A15 ] PŘIKRYL, L. The computer of the crab position by DPL Toolkit. In Student
EEICT 2004. International Conference and Competition Student EEICT 2004. Brno: NEUVEDEN, 2004, s. 498 - 502, ISBN 80-214-2636-5 [ A16 ] PŘIKRYL, L. Inteligentní rozšiřující moduly elektrických servopohonů Control
Techniques Plc. In Elektrické servopohony a jejich aplikace XIV.. Elektrické servopohony a jejich aplikace XIV.. Brno: NEUVEDEN, 2004, s. 11 - 17, ISBN 8086308-13-8 [ A17 ] PŘIKRYL, L. Zpracování obrazu v programu MATLAB. In EPVE 2004. EPVE
2004. Brno: NEUVEDEN, 2004, s. 220 - 223, ISBN 80-214-2766 [ A18 ] PŘIKRYL, L. Regulace pojezdu jeřábové kočky. In EPVE 2004. EPVE 2004.
Brno: NEUVEDEN, 2004, s. 225 - 228, ISBN 80-214-2766 [ A19 ] PŘIKRYL, L. The kontrol of the crab positron by DUAL. In EEICT 2005. EEICT
2005. Brno: NEUVEDEN, 2005, s. 141 - 146, ISBN 80-214-2889-9 [ A20 ] PŘIKRYL, L.
Omezení výkyvu přenášeného tělesa jeřábovou soustavou. In Elektrotechnika a informatika 2005. Elektrotechnika a informatika 2005. Plzeň: NEUVEDEN, 2005
Projekty FRVŠ: [ PR1 ] Zpracování dat z kamerového systému, IS-432216, řešitel. [ PR2 ] Výukové pracoviště pro měření vysokootáčkových elektrických strojů, IS421718, spoluřešitel. [ PR3 ] Mobilní měřící pracoviště pro laboratorní výuku elektrických strojů, IS432219, spoluřešitel.
30
9. Životopis
Základní údaje: Jméno a příjmení: Datum narození: Národnost: Státní příslušnost:
Lubomír Přikryl 5.12.1977 česká ČR
Trvalé bydliště:
Gellnerova 15A, Brno, 637 00
E-mail:
[email protected]
Vzdělání:
2005 -
Siemens SKV
2001 – 2004 doktorské studium na Fakultě elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně, obor Silnoproudá elektrotechnika a energetika
1996 – 2001 magisterské studium na Fakultě strojního inženýrství VUT v Brně, obor Automatizace a informatika
1992 – 1996 Gymnázium Vídeňská, Brno
Jazykové znalosti:
anglický jazyk:
aktivně
německý jazyk:
pasivně
Ostatní znalosti:
operační systémy Windows a Unix (základy); MS Office; programovací jazyky C, C++ (základy), HTML; programy TestPoint, Matlab, DPL Toolkit, ELCAD; grafické a jiné uživatelské programy
31
10. Abstract
This dissertation deals with the following subparagraphs: 1. The mathematical model of the crane system was created and then simulated in the Matlab - Simulink. The solution was made in the “2-D” with respect to the interaction of the crab travel and main lift. 2. The essential control components of the position servo drive were designed (current loop, speed loop, position loop). During design of the speed controller the possibility of the use of some alternative speed controllers was utilized – classical (standard) PID, Fuzzy and PI with neuron inverse model. Using the simulation in the MATLAB and Matlab - Simulink programs their properties were experimentally tested. Comparing the complexity of the design of the individual loops it can be concluded that the design of the Fuzzy controller or the neuron feed forward is much more difficult and complicated in practice than the standard PID controller and the improvement of the system characteristics is not so pronounced. 3. An algorithm was designed by means of which it is possible to control the crab travel and to comply with the basic condition not to overcome the maximal swing. This algorithm is completed with the compensation of the disturbing variables (e.g. influence of the wind, etc.). The input variable for the compensation is the information about the magnitude of the load swing obtained from the camera system placed in the crane trolley. 4. The validity of the mathematical description and setting of the control elements of the crane position servo system was verified with good correspondence by measuring of its real model.
32
