JOMC 133
Tạp chí Vật liệu & Xây dựng Tập 15 Số 04 năm 2025
ế ần lưu ý khi xây dự
ập lũ Đồ u Long?”, T ế
ế
Đông Hòa Hiệ ế
[7] Đ i Đăng, Gi ế nông thôn theo xu hướ
ế i Vĩnh Lon”, ận văn Thạc Kiế , Trưng Đ
ế
ến đ Tài nguyên và Môi trườ ến đ
t năm 2020. Hà N Môi trườ
n đ
*Liên hệ tác giả: quanlh@huce.edu.vn
Nhận ngày 12/06/2025, sửa xong ngày 21/07/2025, chấp nhận đăng ngày 22/07/2025
Link DOI: https://doi.org/10.54772/jomc.04.2025.1033
Gii pháp gim thiểu dao động cho móc treo và vt nâng trong mô hình
xe con cn trc dng hai bc t do trong mt phng cha cn
để nâng cao năng suất và an toàn khi s dng cn trc
bằng phương pháp điu khin th động
Lê Hng Quân1*
1 Khoa Cơ khí - Trường Đi hc Xây dng Hà Ni
TỪ KHOÁ
TÓM TẮT
Mô hình xe con cn trc dng hai
b
c t do
B
điu khin th động
B
điu khin đo hàm tích phân t
l
PID
Móc treo
T
i trng nâng
C
n trc xây dng
Phân tích s
n đnh ca h th
ng
đi
u khin theo lý thuyết c
a
Lyapunov
M
t phng cha cn
Khi điều khin xe con cn trc trong mt phng cha cn tc đ nhanh s gây ra s lc ca ti trng nâng
và móc treo v
ới biên độ ln, điu này không có li đi vi s an toàn, đ dng chính xác ca v
t nâng, tính
hi
u qu ca các chuyn đng cn trc cũng như năng sut ca cn trc b gim đc bit là khi s d
ng các
c
n trc thông minh cho các nhim v lp ghép t động. Bài báo này trình bày s nghiên cu v
phương
pháp đi
u khin th động áp dng cho bài toán gim rung lc ca móc treo và ti nâng trong
mô hình xe
con c
n trc dng hai bc t do trong mt phng cha cn. Thc tế, các vn tc góc ca v
t nâng và móc
treo là luôn luôn b
dao động trong hu hết các chuyn đng cn trc. Mt vn đ có tính thc tin n v
y
nên r
t cn mt b điu khin th động có các ưu đim rt mạnh đó là đơn giản, d triển khai, độ tin c
y
cao, ph
n ng nhanh với dao động, n đnh và an toàn, không cn năng lượng bên ngoài để gim thi
u rung
đ
ng ca móc treo và vt nâng mt cách nhanh chóng. Bài báo đu tiên trành bày tng quan và tính c
p
thi
ết khi s dng các phương pháp điu khin th động đ gim thiểu dao động ca móc treo và v
t nâng.
Ti
ếp theo là trình bày mt s vn đ cơ bn v phương pháp điều khin th động. Tiếp theo na là mt b
đi
u khin kiu th động được thiết kế đưc áp dng cho mô hình xe con cn trc dng con lc hai b
c
t
do trong mt phng cha cn. Th tư là s phân tích s n đnh ca h thống điều khin th động đượ
c
minh ch
ng theo lý thuyết n đnh ca Lyapunov. Th năm mt s kết qu mô phng bng s b
ng
chương trình Matlab đ
h tr b điu khin th động. th sáu là các nhn xét v các kết qu mô ph
ng
b
ng s để h tr thiết kế điu khin. Cui cùng là mt s s so sánh đánh giá hiệu qu giảm dao động c
a
phương pháp đi
u khin th động so với các phương pháp điều khiển khác đã được nghiên cu và kết lu
n.
KEYWORDS
ABSTRACT
Two degrees of freedom-pendulum
crane trolley model
Passive controller
PID
-
Proportional Integral Derivative
H
ook
P
ayload
Cranes
Control system stability analysis in
the sense Lyapunov
Jib plane
When controlling a trolley in the jib plane at high speeds, it causes significant swingings of the payload and
the hook with large amplitudes. This is detrimental to safety, the accuracy of load positioning, the
effectiveness of crane movements, and overall crane’s productivity, especially in the case of intelligent cranes
used for automated assembly tasks. This paper presents a study on a passive control method applied to the
problem of reducing the oscillations of the hook and payload in a two
-degree-of-f
reedom crane trolley model
operating in the jib plane. In practice, the angular velocities of the payload and the hook always oscillate
during most crane trolley movements. Such a practical issue necessitates a passive controller with significant
advantages such as simplicity, ease of implementation, high reliability, rapid response to vibrations, stability,
safety, and no requirement for external energy sources to quickly minimize the oscillations of the hook and
payload. The paper begins with an overview and a discussion on the necessity of applying passive control
methods to minimize oscillations of the hook and payload. It then presents some fundamental issues related
to the passive control method. Subsequently, a passive controller is designed and appli
ed to the two-degree
-
of
-
freedom pendulum model of the crane trolley in the plane of the jib. Fourthly, the stability of the passive
control system is analyzed and demonstrated using Lyapunov’s stability theory. Fifthly, several numerical
simulation results
using Matlab are provided to support for designing of the passive controller. Sixthly,
comments on the simulation results are made to support the controller design. Finally, a comparative
evaluation is presented to assess the effectiveness of the passive control method in reducing oscillations
compared to other control methods previously studied, followed by conclusions.
JOMC 134
Tạp chí Vật liệu & Xây dựng Tập 15 Số 04 năm 2025
1. Gii thiu
Cn trc nói chung là các máy nâng đưc s dng rng rãi trong
các môi trưng xây dng công nghip Vit nam và trên thế gii do
chúng có nhiu ưu đim như có sc nâng, chiu cao nâng và tm vi là
rt ln. Cn trc có nhiu dng khác nhau, theo các tính cht đng lc
hc thì cn trc xây dựng thường được pn sơ b ra làm 3 nhóm đó
là: nhóm cu trc kiu cu; nhóm cn trc t hành và nhóm cn trc
tháp. Trong 3 loi nhóm cn trc này thì v trí ca đim ni cáp nâng
của chúng được mô t bng mt h ta đ đề các. Trong không gian h
ta đ đề các thì vic s dng các cn trc chu s lc t nhiên ca ti
trng nâng vn đã được mô t giống như chuyển đng ca con lc.
Thông thường, khi ti trng nâng ca các cn trc càng ln và đưc
nâng h thay đổi tm vi vi vn tc cao s dn đến s lc nhúc
nhích của xe con quanh tâm theo phương ngang cũng như sự dao động
rt ln ca vt nâng và móc treo quanh v trí cân bng thng đng
vic kéo dài s lc ca ti trng nâng và móc treo s dn ti mt độ an
toàn trên công trường xây dng, nh ng đến độ dng chính xác,
thi gian vn chuyn hàng hóa, vt liu b tăng, xut hin ti trng
động ln năng sut phc v ca cn trc nói chung là thp. Nhng
điu này có th đưc hiu mt cách khách quan thông qua công thc
tính toán năng sut s dng (năng sut thc tế) Ntt ca cn trc xây
dng như sau: Ntt = Q. kq. ktg.n [tn / h]
Trong đó: Q - ti trng nâng, [tn]; kq -h s s dng ti trng,
thông thường kq = 0,8 ... 0,9 = Qtb /Q ; ktg - H s s dng thi gian
làm vic ca cn trc; n = 3600
Tck là s chu k làm vic ca cn trc
trong mt gi; Tck thi gian ca 1 chu k làm vic ca cn trc (giây)
; Trong trường hp tng quát Tck đưc xác đnh : Tck = tn + th +2tdc
+2ttv +2tq + t1 + t2+ t3 [s]. Vi tn = ln
vn - thi gian nâng vt [s]; th
= lh
vh - thi gian h vt [s]; tdc - thi gian di chuyn cn trc (nếu cn
trc di chuyn trên ray) [s]; ttv = ltv
vtv- thời gian thay đổi tm vi ca
cn trc [s]; tq - thi gian quay cn trc [s]; t1- thi gian h vt xung
v trí cn lp ráp [s]; t2- thi gian nâng móc treo lên v trí lp ráp sau
khi đã tháo móc treo ra khỏi vt [s]; t3- thi gian làm vic ph bng tay
khác chng hn như chng buc vt nâng, c định, tháo móc treo và
dây chng ra khi vt nâng [s]. Như vy rõ ràng năng sut thc tế ca
cn trc là t l nghch vi thi gian ca 1 chu k làm vic Tck điu này
có nghĩa rằng mun nâng cao đ an toàn, gim chi phí kin tng khi s
dng cn trc, tăng năng suất ca cn trc và gim ti trng đng Fqt
= m.a
󰇍
(vi m là khối lượng và a là gia tc và nếu các cơ cu chuyn
động n đnh tc đ cao thì gia tc a = 0) tác động lên máy thì ta
phi tìm gii pháp gim thi gian ca 1 chu k làm vic hay nói cách
khác là phải tìm cách để nâng cao các tc đ làm vic như c tc đ
nâng vt, h vt, tăng tc đ thay đổi tm vi trong khi các dao động
ca xe con, ca móc treo và ca vt nâng phi đưc điu khin dp tt
mt cách nhanh nht thể, đây là vấn đ rt cp thiết rng móc treo
và vt nâng thường có nhng chuyn đng không n đnh, gây ra rung
lc ln khi sc nâng và tc đ ca các cơ cu công tác ln. Nếu không
gii quyết được nhng vn đ này thì thi gian ca mt chu k lp
ghép b kéo dài và s tích lũy thời gian dao động ca móc treo và vt
nâng trong hàng ngàn chu k lp ghép s dn đến không tiết kiệm được
hàng t USD khi chúng ta chế tokhai thác các cn trc mà không
đưc nghiên cu tìm giải pháp điều khin hp đ gim rung động
cho móc treo và ti trng nâng trong mt phng cha cn và mt phng
vuông góc vi mt phng cha cn. Để các vn đ nêu trên đưc ci
thiện theo hướng tích cc hơn thì bài toán điu khin gim thiu rung
lc cho xe con cn trc khi mang ti trọng nâng đã trở thành mt trong
nhng ch đề nghiên cu trng tâm đưc nhiu tác gi quan tâm trong
khong 2 thp k gần đây. Trước đây, các công trình nghiên cứu điều
khin dp tắt dao động ca vật nâng được treo dưới cáp treo ca xe
con cn trc đưc mô hình hóa dng con lc mt bc t do, tuy nhiên
mô hình toán hc dng y là k đơn gin và không phn ánh chính
xác được kết cu ca xe con cn trc thc tế, do đóc b phận điều
khiển đã được thiết kế để chng li s dao động ca ti trng nâng
trong mô hình con lc mt bc t do đã không đáp ứng được c mc
tiêu điều khin như đã kỳ vng. mt s điu kin vn hành, móc treo
và ti trng nâng nên đưc mô hình hóa bng hai điểm khi lưng phân
tán thay vì một điểm khối lượng tập trung như mô hình con lắc mt
bc t do. Gi thiết điểm khối lưng phân tán này dn đến mô hình
động lc hc xe con cn trc hai bc t do (là t hp 2 loi chuyn
động con lc vi các tn s dao đng riêng) và vi gi thiết như vậy thì
h xe con cn trc dng hai bc t do là h b htcu chp hành
(còn gi là h bất định) và vic điu khin mô hình xe con cn trc
dng hai bc t do trong mt phng cha cn th s dng nhiu
phương pháp điều khin hơn vi k vng có th có chất lượng, hiu
qu điu khin gim thiu rung lc tốt hơn so với mô hình xe con cn
trc dng mt bc t do. H xe con cn trc dng con lc hai bc
t do là là mt h phi tuyến bt đnh (h ht cơ cu chp hành), do đó
mt trong những phương pháp khả thi để gii quyết bài toán điều khin
h bất định như vy là áp dụng phương pháp điều khin th động.
S th động là mt trong nhng khái nim hp dn nht v mt vt lý
trong lý thuyết h thng và đưc s dng như mt công c cơ bn trong
vic phát trin các công c điu khin cho các h tuyến tính và phi
tuyến. Đi vi rô bt và các h thng cơ khí khác nói chung, s th
động có liên quan đến s hao tán năng lượng và dn ti các kết qu tt
yếu v s n đnh và truy tìm du vết. T k vng ca lý thuyết điều
khin, s th động là mt công c mnh m để phân tích các h thng
phi tuyến có liên quan đến lý thuyết n đnh b điu khin ca
Lyapunov. S th động luôn luôn liên quan đến năng ng. Khi mt
h thng đng lc hc đưc cho là th động tnăng lưng ca nó
đưc trao đi với môi trường đóng vai trò rt thiết yếu. Trong các h
thng th động, mc năng ợng đưa vào hệ thng không nh n
năng lưng lưu tr tăng lên trong hệ. Nói cách khác, h thng th đng
không th tích tr nhiu ng ng n ng ng được cung cp
cho nó t bên ngoài vi s khác bit là năng lượng đã được hao tán.
Năng lưng bên trong đã được lưu tr trong h thng th động được
điu tiết bi năngợng đã đưc cung cp t bên ngoài. Như vậy rt
d hiu rng tính chất hao tán năng lượng này có các quan h quan
JOMC 135
Tạp chí Vật liệu & Xây dựng Tập 15 Số 04 năm 2025
là các máy nâng đư
các môi trư ế
ưu đinhư
t đ
ựng thường được pn sơ b ra làm 3 nhóm đó
a đi
ủa chúng đượ a đ đề
a đ đề
ốn đã đượ ống như chuyển đ
Thông thườ n đư
thay đổ n đế
ủa xe con quanh tâm theo phương ngang cũng như sự dao độ
ng đ
độ
trên công trườ nh ng đế độ
tăng
độ năng su
đi đư
ăng su năng su ế
như
Trong đó: Q
thườ
3600
Tck
; Trong trườ đưcc đ
ln
vn
lh
vh ế
ltv
vtv ời gian thay đổ
khi đã tháo móc treo ra khỏ
n như ch đị
Như vy rõ ràng năng su ế
đi
có nghĩa rằ nâng cao đ
tăng năng suấ ng đ
a
󰇍
ối lượ ế các cơ c
độ n đ c đ tác độ
ải tìm cách để c đ như c đ
tăng c đ thay đổ các dao độ
đưc đi
ể, đây vấn đ ế
thườ n đ n đ
c đ a các cơ c ế
ết đượ n đ
tích lũy thời gian dao độ
n đế ế ệm đượ
ế
đư ải pháp điề p đ ảm rung độ
Để n đ nêu trên đư
ện theo hướ c hơn thì bài toán đi
ọng nâng đã trở
đề đư
ần đây. Trước đây, các công trình nghiên cứu điề
ắt dao độ ật nâng được treo dướ
c đư
y là k đơn gi
xác đượ ế ế, do đó c b ận điề
ển đã đượ ế ế để dao độ
do đã không đáp ứng đượ
tiêu điề như đã kỳ đi
ng nâng nên đư ằng hai điể i lư
ột điể ối lượ ập trung như hình con l
ết điể ối n đế
độ
độ dao đ ết như v
t cơ c
ất đị c đi
phương pháp điề n hơn v ất lượ
đi t hơn so v
ế t đ t cơ c o đó
ững phương pháp kh thi để ết bài toán điề
ất định như v ng phương pháp điề độ
độ
ế ng và đư ng như m cơ b
đi ế
ến. Đ ng cơ khí khác
động có liên quan đế hao tán năng lượ ế
ế n đ ế ết điề
độ để
ến có liên quan đế ế n đ đi
động luôn luôn liên quan đến năng
ng đ c đư động thì ng
đưc trao đ ới môi trường đóng vai trò r ế ế
độ c năng lượng đưa vào hệ hơn
năng lưng lưu tr tăng lên trong hệ độ
u ng lưng hơn ng ng đượ
t năng ợng đã đượ
Năng lư ên trong đã đưc lưu tr động đượ
đi ế i năng ợng đã đượ bên ngoài. Như vậ
ất hao tán năng lượ
trng đi vi s n đnh của phương pháp điều khin theo vòng kín.
Hơn na, tính cht th động được bo toàn theo các s kết ni phn
hi và kết ni song song ca các h th động. Tính năng này là hết sc
quan trng trong vic thiết kế và phân tích các h thng mng cao cp.
Rõ ràng t s din gii năng lưng ca s th động đã nêu trên thì
d thy s th động có liên quan mt thiết vi tính cht vt lý ca h
thng và tính cht n đnh ca nó nói riêng chng hn như khi xem s
kết ni hi tiếp như mt quá trình trao đổi năng ng, rõ ràng không
h ngc nhiên khi có th hiu rng tính cht th động là bt biến dưi
s kết ni hi tiếp âm. Nói cách khác, mt h thng bao gm hai h
thng ph th động thì vn là th động nếu hai h thng ph có s liên
kết hi tiếp. Chính vì các đặc đim này ca h điu khin th động nên
vic nghiên cu gim thiểu dao động cho móc treo và vt nâng trong
mô hình toán hc xe con cn trc dng hai bc t do trong mt phng
cha cn bằng phương pháp điều khin th động mang tính cp thiết
để tiến ti ng dng cho các cn trc trí tu nhân to đưc qui hoch
các chuyn đng đ tham gia lp ghép t động trong điều kin thc tin
Vit Nam vì đây là giải pháp gim thiu dao đng ph quát vi k vng
mang li hy vng giảm dao động mt cách hiu qu trên s đó
so sánh đối chiếu v mt hiu qu điu khin so với các phương pháp
điu khiển khác đã được nghiên cu da trên các kết qu mô phng
bng s thông qua các chương trình Matlab.
ngoài c, trong khong n hai thp niên tr lại đây vic
nghiên cu và ng dụng điều khin xe con cn trc dng mt bc t
do là vn đ đã được nhiu tác gi quan tâm, có th k đến như h
thống điều khin vòng kín điển hình như phương pháp điều khin tuyến
tính trong công trình nghiên cu ca Abdel-Rahman và các tác giả vào
năm 2003 [1], phương pháp điều khiển theo sự thay đổi của chiều dài
cáp nâng của Tuan và các tác giả [2, 3], phương pháp điều khiển hiện
đại dựa trên sự tuyến tính hóa phản hồi từng phần của Wu các tác
giả [4], phương pháp điều khiển dựa vào năng lượng theo lý thuyết ổn
định của Lyapunov điển hình như các công trình nghiên cứu của
Maschke các tác giả [5] của Karkoub Zribi [6], phương pháp điều
khiển dựa vào kỹ thuật thụ động của Guo các tác giả [7], của Collado
các tác giả [8]. Phương pháp điều khiển bước giật lùi thích nghi của
Cao và các tác giả [9], phương pháp điều khiển thích nghi của Yang
and Yang [10], phương pháp điều khiển bền vững của Yang and
O’Connor [11] của Uchiyama [12], phương pháp điều khiển theo
hình tiên lượng của Deng and Becerra [13], phương pháp điều
khiển thông minh [14] và các công trình nghiên cu điu khin dao
động vt nâng khác mà có th đưc k đến như: các pơng pp điu
khin qui hoạch đường chuyn đng ti ưu ca vt nâng chng hn như
điu khin bài toán qui hoch chuyn đng ti ưu ca Ross and Fahroo
[15], phương pháp qui hoạch động qui hoạch tuyến tính quĩ đạo
chuyn động ca vt nâng như ca Zameroski và các tác gi [16] và Da
Cruz và các tác gi [17]. Ngoài ra còn các phương pháp tạo hình
dạng lệnh dựa trên hệ thống chuyên gia của French các tác gi [18]
của Singhose và các tác giả, phương pháp tạo hình dạng tín hiệu lệnh
đầu vào [19, 20].
trong c, v mt lý thuyết cũng đã có một s tác gi thc
hin các nghiên cu điu khin gim dao động vt nâng trong mô hình
xe con cn trc dng mt bc t do bng mt s phương pháp điều
khin ph biến, tuy nhiên chất lượng, hiu qu điu khin vn chưa
cao và vic ng dng, trin khai vào thc tế sn xut là chưa có do
quyết công nghệ, đa phần vn s dụng các phương pháp điều khin
theo khởi động t, công tc tơ, máy biến tn để i đặt điều khin
tn s dòng điện cp cho đng cơ dn đng cơ cu s dng trong ging
dy và sn xut. Vic trin khai ng dng các gii pháp điu khin gim
rung cho móc treo và xe con bằng phương pháp điu khin th động
ngoài thc tế hu như chưa chăng ch là dùng làm tài liu
phc v cho mục đích đào to. Mt s công trình nghiên cu tiêu biu
trong c có th k đến như: Điu khin chng rung cho cu tháp
bằng phương pháp điều khin tin đnh ca Phm Lê Công và các tác
gi [35], điu khin cu trc kết hp chng rung lc và tránh vt cn
ca Lê Mnh Quí và các tác gi [36], trong lun văn thc s k thut,
tác gi Nguyn Văn ng ng đ cp đến vic nghiên cu xây dng
mô hình thc nghim, khảo sát động lc hc và kh năng điu khin
n đnh ca vật nâng theo phương ngang khi di chuyn xe con cu trc
đưc mô hình hóa dng con lc mt bc t do [37], điu khin chng
rung cho cu trc ba chiu bng phương pháp Hybrid Shape của Tưng
Xuân Thưng và các tác gi [38], Điu khin mô hình con lc ngưc s
dng b điu khin RQL vi hai vòng phn hi ca các tác gi Cao Xuân
ng và Trần Đình Khôi Quc [39]. Ch đề điu khin chng rung lc
cho mô hình động lc hc xe con cn trc dng con lc hai bc t do
ngoài c đã đang là chủ đề có tính thi s đưc các nhà
nghiên cu quan tâm ngày càng nhiu hơn vì những ưu điểm là có th
mang li đ chínhc cao hơn,t vi kết cu thc tế hơn và th s
dng nhiều phương pháp điều khin hơn chng hn như phương pháp
điu khin th động, phương pháp điều khin theo h m, phương
pháp điều khin da trên cơ s phn hi đu ra. Mt s nhà nghiên cu
đã gợi ý s dng điều khin theo h thống điều khin vòng kín đ trit
tiêu các dao động ca vt nâng và móc treo trong mô hình hai bc t
do [21, 22]. Tuy nhiên đối vi h thống điều khin theo vòng kín thì
gp rt nhiu khó khăn trong vic đo lưng dao động ca ti trng nâng
và móc treo kèm theo các can thip v mt hc là rt phc tp
cho đến nay thì đã có mt s nghiên cu điu khin mô hình xe con cn
trc dng con lc hai bc t do theo h thng điu khin vòng kín rt
phc tp và rt đt đ (theo như báo giá ca các hãng chế to cn trc
ca các ớc Tây Phương chào hàng khong 200.000 usd/b) [32].
trong c, vic nghiên cu điu khin trit tiêu dao đng ca vt nâng
và móc treo trong h xe con cn trc dng mô hình hai bc t do
đang còn khá hn chế và vic trin khai ng dng ngoài thc tin li
càng hn chế hơn tính quá phc tp, bí quyết tinh vi ca công ngh
cũng như thiếu chi phí đầu tư th nghim, ng dng vi giá thành rt
cao. Theo cp nht tt nht ca tác gi thì ti Vit nam vic nghiên cu
tìm gii pháp gim thiu các góc lc ca vt nâng và móc treo để ng
cao tc đ làm vic ca c cơ cu công tác ca xe con cn trc dng
hai bc t do có th k đến n đ tài nghiên cu khoa hc cp tng
trọng điểm năm 2017 của tác gi Lê Hng Quân [40] đã thực hin
JOMC 136
Tạp chí Vật liệu & Xây dựng Tập 15 Số 04 năm 2025
nghiên cu mi quan h gia các gia tc và góc lc tương ứng ca cáp
nâng trong mô hình xe con cn trc dng con lc hai bc t do đ xây
dng nên đường quĩ đạo gia tc theo thi gian thc làm cơ s i đt
cho máy biến tn điu khin đng cơ ca cơ cu quay cn trc theo h
thng vòng h nhm gim góc lc của cáp nâng theo phương tiếp tuyến
vi trc quay ca máy (tc là trong mt phng ngang hay còn gi là
mt phng vuông góc vi mt phng cha cn) nhm nâng cao tc đ
làm vic, gim ti trng đng nâng cao đ an toàn và nâng cao năng
sut cn trc trong điều kin Vit Nam. Tuy nhiên n lc nghiên cu
này cũng ch dng li thuyết đc bit là chưa th tiến ti th
nghim, ng dng và trin khai ngoài thc tế sn xuất. Tương tự, vào
các năm 2021 và 2022, tác giả Lê Hng Quân tiếp tc thc hin các đề
tài nghiên cu khoa hc cp trưng [41, 42] đó là nghiên cu gii pháp
điu khin chng rung cho vt nâng và móc treo dng hai bc t do
bằng phương pháp điu khin to hình dng tín hiu đu vào và da
trên cơ s phn hi đu ra trong mt phng cha cn, kết qu mô phng
h tr cho thiết kế các b điu khin ti các nghiên cu này cho thy
các phương pháp rất phc tp tuy nhiên chtợng điều khin tốt hơn
nhiu so vi vic điu khin mô xe con cn trc dng con lc mt bc
t do. Để có s nhn đnh tng quát xem phương pháp điều khin nào
là có hiu qu, chất lượng điều khin cao nht trong các phương pháp
thì vic nghiên cứu thêm các phương pháp điu khin áp dng cho mô
hình xe con cn trc hai bc t do là rt cn thiết và các kết qu
phng trên máy tính bng phn mm Matlab để h tr thiết kế các b
điu khin s cho chúng ta thy đưc hiu qu, chất lượng điu khin
ca c phương pháp điều khin tt nht t đó các hãng sn xut cn
trc trong nưc có th tiến hành th nghim ngoài thc tế và la chn
ng dng. Chính vì vậy năm 2023 tác gi Lê Hng Quân tiếp tục đăng
ký và thc hin đ tài nghiên cu gii pháp điu khin chng rung cho
vt nâng và móc treo bằng phương pháp điều khin kiu trượt tăng dần
và kết qu mô phng bng s trên phn mm Matlab để h tr cho thy
chất lượng điều khin của phương pháp điều khin này là cao nht
trong các phương pháp điều khin mà tác gi đã thực hin trên [43].
Ln quan đến vic điu khin xe con cn trc dng hai bc t do còn
có công trình nghiên cu tng quan chiếnc áp dng các k thut
điu khin vòng h da trên tín hiu đu vào đ điu khin h thng
xe con cu trc dng con lc hai bc t do ca Nguyn Văn Trung và
các tác gi [34]. ng dng b điu khin th động kết hp quan sát
cho h thng cu trc con lc đôi cũng được Bùi Th Khánh Hòa và các
tác gi nghiên cu [47], trong công trình nghiên cứu này phương pháp
điu khin th động kết hp vi b quan sát trng thái để ci thin cht
ợng điu khin ca h thng, nâng cao hiu qu làm vic, nghiên cu
cũng được mô phng bng s da trên phn mm Matlab/Simulink, tuy
nhiên tính hiu qu điu khin và tính n đnh ca b điu khin theo
lý thuyết n đnh ca Lyapunov chưa đưc so sánh đi chiếu vi các
phương pháp điều khin khác. Như vậy rõ ràng vic nghiên cu các
phương pháp điều khin đ giảm rung động cho móc treo và vt nâng
trong mô hình xe con cn trc mô hình hai bc t do so vi mô hình
mt bc t do trong c còn khá khiêm tn và hiu qu điu
khin mô hình xe con dng hai bc t do rõ ràng là tốt hơn nhiu so
vi mô hình xe con mt bc t do. Vì vy thc hin nghiên cu ng
dụng phương pháp điều khin da tn s phn hi đu ra th động
áp dng cho mô hình xe con cn trc dng hai bc t do đ gim rung
động cho móc treo và vt nâng là hết sc cp thiết rng các vn tc
góc ca móc treo và vt nâng là luôn dao đng trong hu hết các trưng
hp cn trc làm vic. Đây có th xem là mt trong nhng nghiên cu
góp phần làm tăng năng sut ca cn trc, gim thiểu nguy cơ tai nạn
trên công trường gây trì hoãn tiến đ xây dng, gim ti trng đng tác
dng lên kết cu thép ca máy, gim phát sinh chi phí tai nn xây dng
do kin tng gây ra đồng thi ch động được công ngh và có th nâng
cp đưc các đc tính k thut ca các cn trc do các tp toàn thiết kế
chế to cn trc xây dng ca Vit Nam đảm nhim đồng thi có th
s dng kết qu nghiên cu làm chuyên đề phc v cho các mc đích
ging dy, tham kho cho Sinh viên, hc viên c bc Đi hc và Sau
Đại hc thuc chuyên ngành Cơ khí đng lc và điu khin, t động
hóa, Máy xây dng và Cơ giới hóa Xây dng cũng như cùng vi các
chuyên gia ng ti trin khai áp dng ngoài thc tế sn xut. T các
lý l nêu trên nên bài báo này trình bày bao gm các ni dung chính
như sau:
+ Gii thiu v mô hình toán hc xe con cn trc dng hai bc
t do trong mt phng cha cn phương trình vi phân chuyển động.
+ Gii thiu chung v phương pháp điều khin th động.
+ Thiết kế b điu khin th động áp dng cho mô hình xe con
cn trc dng hai bc t do.
+ Phân tích n đnh ca b điu khin th động theo lý thuyết
n đnh ca Lyapunov.
+ H tr thiết kế b điu khin th động v mt lý thuyết bng
cách s dng phn mm Matlab để mô phng bng s.
+ Mt s nhn xét v kết qu mô phng bng s để h tr
phương pháp điu khin th động áp dng cho mô hình xe con cn trc
hai bc t do trong mt phng cha cn.
+ Mt s so sánh đánh giá hiệu qu giảm dao động của phương
pháp điều khin th động so với các phương pháp điều khiển khác đã
đưc nghiên cu.
+ Kết lun.
2. Mô hình toán hc xe con cn trc dng hai bc t do
phương trình vi phân mô t chuyn đng
Hình 1. Mô hình toán hc xe con cn trc dng con lc hai bc t do.
JOMC 137
Tạp chí Vật liệu & Xây dựng Tập 15 Số 04 năm 2025
ắc tương ứ
do đ
ng nên đường quĩ đạ c làm cơ scài đ
ế n đi n đng cơ ca cơ c
ủa cáp nâng theo phương tiế ế
c đ
ng đ độ nâng cao năng
trong điề
này cũng ch ế đ chưa th ế
ế ất. Tương tự
các năm 2021 và 2022, tác giả ế đ
p trư] đó là
đi
ằng phương pháp đi u đ
trên cơ s i đ ế
ế ế đi
phương pháp rấ t lượng điề ốt hơn
c đi
Để n đ phương pháp điề
ất lượng điề trong các phương pháp
ứu thêm các phương pháp điề
ế ế
để ế ế
đi đư ất lượng điề
phương pháp điề đó
c trong ế ế
ậy năm 2023 tác ế c đăng
n đ i pp đi
ằng phương pháp điề u trượt tăng dầ
ế để
ất lượng điề ủa phương pháp điề
trong các phương pháp điề đã thự
Ln quan đế c đi
ến
đi u đu vào đđi
ăn Trung và
đi độ ế
c đôi ng đượ
ứu này phương pháp
đi độ ế để
ợng điề
cũng đượ
đi n đ đi
ế n đ a Lyapunov chưa đưc so sánh đ ế
phương pháp điề Như vậ
phương pháp điề n đ m rung độ
trong đi
ốt hơn
ụng phương pháp điề a tn cơ s i đ độ
do đ
độ ế ế
t nâng là luôn dao đ ế các trư
. Đây có th
ần làm tăn năng su ểu nguy cơ tai n
trên công trườ ến đ ng đ
ế
đồ động đượ
đưcác đ ế ế
ế đả đồ
ế làm chuyên đề c đích
c Đ
Đạ ơ khí đ c và đi độ
ơ giớ ng như
ế
như sau
và phương trình vi phân chuyể độ
phương pháp điề độ
ế ế đi độ
n đ đi độ ế
n đ
ế ế đi độ ế
để
ế để
phương pháp đi độ
so sánh đánh giá hiệ ảm dao độ ủa phương
pháp điề độ ới các phương pháp điề ển khác đã
đư
ế
phương trình n đ
hình toán học xe con cần trục dạng con lắc hai bậc tự do
sát với thực tế hơn so với mô hình xe con cần trục ở dạng con lắc một
bậc tự do được tả tại nh 1, dưới tâm xe con hoặc tâm puly
đỉnh cần (đối với cần trục tự hành) thanh cứng không trọng lượng
chiều dài l1 treo khối ợng móc treo m1 phía dưới móc treo
dây treo hàng chiều dài l2 để treo vật nâng khối lượng m2. Giả
thiết rằng các chiều dài l1 và l2 không thay đổi. Xe con cần trục
khối lượng m0 được di chuyển dưới tác động của lực phát động f. Gọi
θ1 θ2 lần lượt là các góc lắc của các khối lượng tập trung m1 và m2
quanh vị trí cân bằng thẳng đứng, g là gia tốc trọng trường và x là bậc
tự do mô tả vị trí của xe con so với gốc tọa độ. Các phương trình mô tả
động lực học xe con cần trục dạng con lắc hai bậc tự do đã được khảo
sát tuyến tính hóa tại [41]. Tại mục y bài báo chỉ trình bày lại
phương trình vi pn của hệ dao động t do của xe con cần trục được
mô tả ở dạng hai bậc tự do sau khi được tuyến tính hóa:
M
𝐪𝐪󰇘+K𝐪𝐪=0 (1)
Trong đó: M
và K là các ma trn khi lưng và ma trn đ cng
đưc xác định như sau:
M
=[m0+m1+m2(m1+m2)l1m2l2
(m1+m2)l1(m1+m2)l1
2m2l1l2
m2l2m2l1l2m2l2
2]
K=[0 0 0
0(m1+m2)gl10
0 0 m2gl2]
Theo khái nim ca không gian trạng thái, phương trình (1) cũng
có th đưc viết bng mt tập các phương trình vi phân thông thường
bc một như sau:
1 = x2
2 = f1(x) + b1(x)u
3 = x4 (2)
4 = f2(x) + b2(x)u
5 = x6
6 = f3(x) + b3(x)u
đây x đưc xác đnh bi [x1, x2, x3, x4, x5, x6]T; x1 = x; x3 = θ1 ;
x5 = θ2; x2 vn tc xe con; x4 là vn tc góc ca móc treo; x6 là vn tc
góc ca ti trng nâng; u = f ký hiu cho tín hiu đầu vào điu khin
(chính là lc phát đng ca đng cơ dn đng xe con); fi(x) và bi(x) (i =
1, 2, 3) là các hàm phi tuyến ca vector x, đưc xác lp bi fi(x) = 𝛤𝛤i/
bi(x) = Ti/. đây Γi, Ti, và đưc xác đnh trong [39].
Gii các đnh thc ca ma trn M
K ta s tìm ra được các tn s
dao động riêng ca các khi ng tp trung m1 và m2 ln lưt là ω1
ω2 theo các tham s vt lý ca xe con cn trc như l1, l2, m1, m2
ω1=g
2β) (3)
ω2=g
2+β) (4)
Trong đó: α=m1+m2
m1(1
l1+1
l2) (5)
β=(m1+m2
m1)2(1
l1+1
l2)24(m1+m2
m1)1
l1l2 (6)
3. Phương pháp điều khin gim thiu rung lc cho mô hình xe
con cn trc dng hai bc t do bằng phương pháp điều khin
th động
Cơ s lý thuyết v điu khin da trên k thut th động đã được
trình bày trong công trình nghiên cu [23]. Đây chính là các s kiến
thc v toán hc k thut có liên quan đến k thuật điều khin. Đ hiu
rõ và chi tiết hơn về b điu khin mô hình xe con cn trc dng 2
bc t do da vào phương pháp th động thì trước tiên bài báo trình
bày mt s khái nim bn v k thut điu khin th động, sau đó
là s phân tích v phương pháp th động áp dng cho mô hình xe con
cn trc dng hai bc t do trong mt phng cha cn, tiếp theo
thiết kế b điu khin mô hình xe con cn trc dng hai bc t do
da trên phương pháp điều khin th động, cui cùng là kết qu
phng bng s, nhận xét đánh giá kết qu mô phng bng s thông qua
chương trình Matlab đ h tr cho thiết kế điu khin gim thiu dao
động cho móc treo và vt nâng trong mô hình toán hc xe con cn trc
dng hai bc t do trong mt phng cha cn bằng phương pháp điều
khin th động.
3.1. Khái niệm chung về kỹ thuật điều khiển thụ động
Sự thụ động là một trong những khái niệm hấp dẫn nhất về mặt
vật lý trong thuyết hệ thống được sử dụng như một công cụ
bản trong việc phát triển các công cụ điều khiển cho các hệ tuyến tính
phi tuyến [24]. Đối với bốt các hệ thống khí khác, sự thụ
động có liên quan đến sự hao tán năng lượng và dẫn tới các kết quả tất
yếu v sn đnh và truy vết [25]. Từ triển vọng của thuyết điều
khiển, sự thụ động cung cấp cho chúng ta một công cmạnh mẽ để
phân tích các hệ thống phi tuyến, liên quan đến thuyết ổn định của
Lyapunov [26].
Sự thụ động luôn luôn liên quan đến năng ợng. Khi một hệ
thống động lực học được chothụ động thì năng lượng của nó được
trao đổi với môi trường là đóng một vai trò rất thiết yếu. Trong các hệ
thống thụ động, mức năng lượng được đưa vào hệ thống không nhỏ
hơn năng lượng lưu trữ tăng lên trong hệ thống [27]. Nói cách khác,
hệ thống thụ động không thể tích trữ nhiều năng lượng hơn năng lượng
được cung cấp cho nó từ bên ngoài với sự khác biệt là năng lượng đã
được hao tán. Năng lượng bên trong đã được lưu trữ trong hệ thống
thụ động thì được điều tiết bởi năng lượng đã được cung cấp từ bên
ngoài. Như vậy rõ ràng tính chất hao tán năng lượng này có các quan
hệ quan trọng đối với sự ổn định của phương pháp điều khiển vòng
kín. Ngoài ra, tính chất thđộng được bảo toàn theo các sự kết nối
phản hồi và kết nối song song của các hệ thụ động [28, 29]. Tính chất
này là hết sức quan trọng trong việc thiết kế và phân tích các hệ thống
mạng cao cấp. Từ sự diễn giải năng lượng của sự thụ động đã nêu
trên liên quan mật thiết với tính chất vật lý của hệ thống nh chất
ổn định của nó nói riêng. Chẳng hạn như, xem sự kết nối hồi tiếp như
một quá trình trao đổi năng lượng nên tính chất thụ động bất biến
dưới sự kết nối hồi tiếp âm. Nói cách khác, một hệ thống bao gồm hai