Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật Cơ điện tử: Mô hình hóa và phát triển hệ thống điều khiển cho hệ cần cẩu di động dựa trên kỹ thuật mẫu ảo

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM

------------------------------------

NGUYỄN CHÍ THIỆN

MÔ HÌNH HÓA VÀ PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG

ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ CẦN CẨU DI ĐỘNG

DỰA TRÊN KỸ THUẬT MẪU ẢO

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ Điện Tử

Mã số ngành: 60520114

TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 8 năm 2016

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM

------------------------------------

NGUYỄN CHÍ THIỆN

MÔ HÌNH HÓA VÀ PHÁT TRIỂN

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

CHO HỆ CẦN CẨU DI ĐỘNG

DỰA TRÊN KỸ THUẬT MẪU ẢO

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ Điện Tử

Mã số ngành: 60520114

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. LÊ NGỌC TRÂN

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Lê Ngọc Trân

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại Học Công nghệ TP. HCM

ngày 02 tháng 10 năm 2016

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:

TT Họ và tên Chức danh Hội đồng

TS. Võ Hoàng Duy Chủ tịch 1

PGS. TS. Nguyễn Thanh Phương Phản biện 1 2

TS. Võ Tường Quân Phản biện 2 3

TS. Ngô Hà Quang Thịnh Ủy viên 4

TS. Nguyễn Duy Anh Ủy viên, Thư ký 5

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được

sửa chữa.

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM PHÒNG QLKH – ĐTSĐH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

TP. HCM, ngày ….. tháng ….. năm 20….

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: NGUYỄN CHÍ THIỆN Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 1987 Nơi sinh: Kiên Giang

Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ MSHV: 1341840019

I- Tên đề tài:

MÔ HÌNH HÓA VÀ PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

CHO HỆ CẦN CẨU DI ĐỘNG DỰA TRÊN KỸ THUẬT MẪU ẢO

II- Nhiệm vụ và nội dung:

Khái niệm về cẩu di động cầu cảng và phân tích điều kiện hoạt động trên biển -

Phân tích hành vi động lực học và mô hình hóa hệ thống cơ khí của cần cẩu -

Xây dựng mẫu ảo và mô phỏng hoạt động của hệ cần cẩu di động trên biển -

Thiết kế hệ thống điều khiển cho mô hình cần cẩu di động trên biển -

Mô phỏng tích hợp mô hình mẫu ảo của hệ thống cần cẩu và đánh giá hệ thống -

điều khiển đã thiết kế trong điều kiện hoạt động như trong ngữ cảnh thật.

III- Ngày giao nhiệm vụ: 23/01/2016

IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 23/07/2016

V- Cán bộ hướng dẫn: TS. Lê Ngọc Trân

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết

quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ

công trình nào khác.

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã

được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc.

Học viên thực hiện Luận văn

Nguyễn Chí Thiện

LỜI CẢM ƠN

Trước hết tôi xin chân thành cảm ơn Phòng Quản Lý Khoa Học Và Đào Tạo

Sau Đại Học, Khoa Cơ – Điện – Điện Tử, trường Đại Học Công Nghệ TPHCM đã

cho tôi có điều kiện được học tập, tiếp cận với khoa học kỹ thuật và được làm việc

với thầy TS. Lê Ngọc Trân khi thực hiện đề tài luận văn tốt nghiệp này.

Tôi chân thành cảm ơn thầy TS. Lê Ngọc Trân đã tận tình hướng dẫn, chỉ

bảo tôi trong suốt thời gian thực hiện đề tài.

Tôi chân thành cảm ơn các quý thầy đã tận tình giảng dạy, trang bị cho tôi

những kiến thức quý báu trong khóa học vừa qua.

Mặc dù tôi đã cố gắng hoàn thành luận văn trong phạm vi và khả năng cho

phép nhưng chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót. Tôi kính mong nhận được

sự thông cảm và tận tình chỉ bảo thêm của quý thầy cô và các bạn đồng nghiệp.

Nguyễn Chí Thiện

iii

TÓM TẮT

Cần cẩu di động cầu cảng (MHC) là giải pháp để vận chuyển một lượng lớn

các container từ tàu container mẹ lên bờ do những tàu này không có khả năng neo

đậu trong các cảng nhỏ, nước cạn. Do điều kiện làm việc trên biển, hệ thống MHC

xuất hiện lắc của tải treo gây ra do nhiễu bên ngoài như sóng và gió. Thêm vào đó,

thông số hệ thống (tải, chiều dài dây cáp) luôn thay đổi làm cho hệ thống mất ổn

định, do đó việc điều khiển chính xác vị trí để gắp hoặc thả một container rất khó để

thực hiện. Luận văn này đề xuất một kỹ thuật mô phỏng ảo thông qua việc xây dựng

mẫu ảo trong môi trường 3D trên máy tính để khám phá hành vi động lực học của

hệ thống MHC cho mục đích nghiên cứu hệ thống này, kỹ thuật này sử dụng giải

pháp tích hợp phần mềm như là Solidworks, Adams, và Matlab/Simulink. Dựa trên

khái niệm của hệ thống MHC, hệ thống cơ khí của MHC trước tiên được mô hình

hóa trong phần mềm Solidworks, sau đó một mô hình mẫu ảo được tạo trong phần

mềm Adams, và một bộ điều khiển trượt thích nghi PID của mô hình mô phỏng kết

hợp được thiết lập trong Matlab/Simulink để mô phỏng và điều khiển vị trí của xe

đẩy cẩu và khống chế góc lắc của tải treo. Kết quả mô phỏng chỉ ra rằng đặc tính

của bộ điều khiển ASMP thỏa mãn nhiệm vụ điều khiển bám mục tiêu xác định

trước trong điều kiện làm việc phức tạp của biển.

ABSTRACT

Mobile Harbour Crane (MHC) is a solution to transport a large number of

containers from a large container ship that has restrited to anchor in the shortage

capacity ports to their destination. Due to working on the sea, the MHC has

appeared swing of payload that is induced by external disturbances such as wind

and wave. In addition, the MHC system paramers always changes (load, rope

length) which make the system uncertainly. Hence, it is difficult to control the

exactly position of a spreader to pick up or release a container. This thesis proposed

a virtual simulation technology by building the virtual prototype in 3-D

environment on computer to investigate the dynamic behaviours of MHC for

studying this MHC system. This approach uses an integrated software solution, such

as SOLIDWORKS, ADAMS, and MATLAB/Simulink. Based on the concept of the

MHC, a mechanical MHC system was first modeled in Solidworks, then a virtual

prototyping model was created in Adams, and the adaptive sliding mode PID

control co-simulation model of crane was established in Matlab/Simulink, to

simulate and control the crane trolley position and suppress the swing angle of the

load. Simulation results showed that, the ASMP controller performance is tracking

the predetermine objectives in the complex working condition of the sea.

MỤC LỤC

Lờ i cam đoan ............................................................................................................... i

Lờ i cảm ơn ................................................................................................................. ii

Tó m tắt ......................................................................................................................iii

Mu ̣c lu ̣c ....................................................................................................................... v

Danh mu ̣c các từ viết tắt ........................................................................................... vii

Danh mu ̣c các bảng .................................................................................................viii

Danh mu ̣c các biểu đồ , đồ thi ̣, sơ đồ , hình ảnh ......................................................... ix

Chương 1: Giớ i thiê ̣u ............................................................................................... 01

1.1. Đă ̣t vấn đề ....................................................................................................... 01

1.2. Tính cấp thiết củ a đề tài .................................................................................. 02

1.3. Mu ̣c tiêu nghiên cứ u củ a đề tài ....................................................................... 03

1.4. Nô ̣i dung nghiên cứ u củ a đề tài ....................................................................... 03

1.5. Phương pháp nghiên cứ u củ a đề tài ................................................................ 04

1.5.1. Phương pháp luâ ̣n ....................................................................................... 04

1.5.2. Phương pháp nghiên cứ u ............................................................................ 04

1.6. Kết cấu luâ ̣n văn .............................................................................................. 05

1.7. Giới hạn phạm vi nghiên cứu .......................................................................... 06

Chương 2: Tổ ng quan về cẩu cầu cảng di động và vấn đề cần nghiên cứu ............. 07

2.1. Khái quát về tình hình nghiên cứu cẩu cầu cảng di động ............................... 07

2.2. Trình tự các bước nghiên cứu cho hệ thống MHC dựa trên kỹ thuật mẫu ảo 11

Chương 3: Thành phần cấu thành và nguyên lý làm việc của cẩu cầu cảng di động13

3.1. Thành phần cấu thành và hoạt động của cẩu cầu cảng di động ...................... 13

3.2. Phân tích điều kiện làm việc của cẩu cầu cảng di động .................................. 15

Chương 4: Mô hình hóa và xây dựng mẫu ảo cho hệ thống cẩu cầu cảng di động . 19

4.1. Sự cần thiết phát triển mẫu ảo cho nghiên cứu hệ thống cơ điện tử ............... 19

4.2. Cấu trúc phần mềm cho xây dựng mẫu ảo của hệ thống MHC ...................... 20

4.3. Mô hình hóa và xây dựng mẫu ảo cho hệ thống MHC ................................... 21

4.4. Mô phỏng hành vi động lực học của mẫu ảo hệ thống MHC ......................... 24

4.4.1. Xây dựng và mô phỏng mô hình MHC 1 .................................................. 24

4.4.2. Xây dựng và mô phỏng mô hình MHC 2 .................................................. 28

4.4.3. Nhận xét kết quả mô phỏng chuyển động của tải treo .............................. 31

Chương 5: Xây dựng hệ thống điều khiển chống lắc cho cẩu cầu cảng di động ..... 33

5.1. Tạo một mô hình adams_sys trong Matlab/simulink ...................................... 33

5.2. Phân tích động học của hệ thống MHC .......................................................... 34

5.3. Thiết kế hệ thống điều khiển cho MHC .......................................................... 36

Chương 6: Kết quả mô phỏng .................................................................................. 42

6.1. Mô phỏng kết hợp cơ khí và điều khiển .......................................................... 42

6.2. Đánh giá kết quả mô phỏng ............................................................................ 46

Chương 7: Kết luận và hướng phát triển của đề tài ................................................. 48

7.1. Kết luâ ̣n ........................................................................................................... 48

7.2. Hướ ng phát triển ............................................................................................. 48

Tài liê ̣u tham khảo .................................................................................................... 50

vii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

MHC .... Mobile Harbour Crane ............ Cần cẩu cầu cảng di động

TL ........ Trolley ..................................... Xe rùa đẩy cẩu

FEA ..... Finite Element Analysis .......... Phân tích phần tử hữu hạn

FEM ..... Finite Element Method ............ Phương pháp phần tử hữu hạn

ADAMS….Automatic Dynamic Analysis of Mechanical system….Phần mềm phân tích tự động động lực học của hệ thống cơ khí

viii

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 4.1: Các giá trị của thông số cho mô phỏng hệ thống MHC 1 ....................... 24

Bảng 4.2: Các giá trị của thông số cho mô phỏng hệ thống MHC 2 ....................... 27

Bảng 6.1: Các giá trị thông số của hệ thống MHC cho mô phỏng .......................... 40

Bảng 6.2: So sánh đặc tính vị trí trong các trường hợp mô phỏng 1 ....................... 44

Bảng 6.3: So sánh đặc tính của góc lắc tải trong các trường hợp mô phỏng 1 ........ 44

Bảng 6.4: So sánh đặc tính vị trí trong các trường hợp mô phỏng 2 ....................... 45

Bảng 6.5: So sánh đặc tính của góc lắc tải trong các trường hợp mô phỏng 2 ........ 45

DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Giải pháp cẩu cầu cảng di động vận chuyển container .............................. 1

Hình 1.2: Mô hình hóa hệ thống MHC gắp container trên tàu mẹ ............................ 2

Hình 2.1: Cần trục giàn bốc xếp container trên tàu khi tàu cập cảng ........................ 6

Hình 2.2: Cẩu cầu cảng di động vận chuyển container từ tàu mẹ .............................. 7

Hình 2.3: Trình tự xây dựng mẫu ảo cho hệ thống cần cẩu di động. ....................... 10

Hình 3.1: Mô hình hệ thống cẩu cầu cảng di động .................................................. 12

Hình 3.2: Cơ chế làm việc của hệ thống khung của MHC ...................................... 13

Hình 3.3: Các chuyển động lắc của cẩu MHC theo các trục ................................... 15

Hình 3.4: Một cơ chế cho chống lắc ngang của tải container .................................. 16

Hình 4.1: Quá trình tạo mô hình mẫu ảo cho MHC ................................................. 19

Hình 4.2: Cấu trúc phần mềm để tạo mẫu ảo ........................................................... 19

Hình 4.3: Mẫu vật lý của hệ thống MHC được vẽ trong Solidworks ...................... 21

Hình 4.4: Quy trình tạo mẫu ảo trong môi trường Adams/View ............................. 21

Hình 4.5: Cấu hình hệ thống mẫu ảo của MHC trong Adams/View ....................... 22

Hình 4.6: Mô hình mẫu ảo của MHC trong Adams/View ....................................... 22

Hình 4.7: Thông số mô hình MHC 1 cho mô phỏng ............................................... 23

Hình 4.8: Khoảng dịch chuyển và góc lắc của tải trong trường hợp 1 của MHC1 .. 24

Hình 4.9: Khoảng dịch chuyển và góc lắc của tải trong trường hợp 2 của MHC1 .. 25

Hình 4.10: Khoảng dịch chuyển và góc lắc của tải trong trường hợp 3 của MHC1.26

Hình 4.11: Khoảng dịch chuyển và góc lắc của tải trong trường hợp 4 của MHC1.26

Hình 4.12: Thông số mô hình MHC 2 cho mô phỏng. ............................................ 27

Hình 4.13: Khoảng dịch chuyển và góc lắc của tải trong trường hợp 1 của MHC2.28

Hình 4.14: Khoảng dịch chuyển và góc lắc của tải trong trường hợp 2 của MHC2.29

Hình 4.15: Khoảng dịch chuyển và góc lắc của tải trong trường hợp 3 của MHC2.29

Hình 4.16: Khoảng dịch chuyển và góc lắc của tải trong trường hợp 4 của MHC2.30

Hình 5.1: Kết nối giữa mô hình Adams và Matlab/Simulink trong điều khiển ....... 32

Hình 5.2: Khối Adams trong adams_sys ................................................................. 33

Hình 5.3: Mô hình hóa động học của xe đẩy ........................................................... 35

Hình 5.4: Sơ đồ khối của bộ điều khiển ASMP cho MHC ...................................... 36

Hình 6.1: Đáp ứng vị trí và góc của bộ điều khiển ASMP với hw=0.02m,fw=1.5rad/s, l=1.2m, ml=148kg .................................................................................................... 41

Hình 6.2: Đáp ứng vị trí và góc của bộ điều khiển ASMP với hw=0.04m, fw=1.5rad/s, l=1.2m, ml=148kg ................................................................................ 41

Hình 6.3: Đáp ứng vị trí và góc của bộ điều khiển ASMP với hw=0.02m, fw=3rad/s, l=1.2m, ml=148kg .................................................................................................... 42

Hình 6.4: Đáp ứng vị trí và góc của bộ điều khiển ASMP với hw=0.04m, fw=3rad/s, l=1.2m, ml=148kg .................................................................................................... 42

Hình 6.5: Đáp ứng vị trí và góc của bộ điều khiển ASMP với hw=0.02m, fw=1.5rad/s, l=1.5m, ml=350kg ................................................................................ 42

Hình 6.6: Đáp ứng vị trí và góc của bộ điều khiển ASMP với hw=0.04m, fw=1.5rad/s, l=1.5m, ml=350kg ................................................................................ 43

Hình 6.7: Đáp ứng vị trí và góc của bộ điều khiển ASMP với hw=0.02m, fw=3 rad/s, l=1.5m, ml=350kg .................................................................................................... 43

Hình 6.8: Đáp ứng vị trí và góc của bộ điều khiển ASMP với hw=0.02m, fw=3rad/s, l=1.5m, ml=350kg .................................................................................................... 43

CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU

1.1. Đặt vấn đề:

Khi nền kinh tế thế giới ngày càng lớn mạnh, một lượng lớn hàng hóa được

yêu cầu nhanh chóng vận chuyển đến khắp nơi trên thế giới bằng đường biển bởi

các tàu container lớn. Tuy nhiên, sức chứa của một số cảng bị giới hạn và các tàu

container lớn khó có thể cập cảng do nước nông và không gian hẹp. Giải pháp mở

rộng cảng không khả thi do vốn đầu tư lớn và ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi

trường. Để giải quyết vấn đề này một khái niệm cần cẩu cầu cảng di động (MHC)

được được đề xuất nhằm giúp vận chuyển các container từ các tàu lớn vào bờ một

cách nhanh chóng. Giải pháp này cho phép một tàu container lớn có thể neo đậu ở

vùng nước sâu ở xa bờ có thể vận chuyển các container đến bờ một cách nhanh

chóng nhờ các cần cẩu cầu cảng di động trên biển bất chấp các cảng nhỏ không cho

phép các tàu container lớn cập cảng.

Hình 1.1: Giải pháp cần cẩu cầu cảng di động vận chuyển container

1.2. Tính cấp thiết của đề tài:

Giải pháp cần cẩu cầu cảng di động trên biển để gắp các container hàng hóa

từ tàu mẹ và vận chuyển chúng đến cầu cảng một cách nhanh chóng khi các tàu mẹ

khó có thể cập cảng mang lại hiệu quả rất lớn về mặt kinh tế. Tuy nhiên việc điều

khiển các cần cẩu cầu cảng di động này hoạt động trên biển trong điều kiện sóng và

gió để gắp chính xác các container là vấn đề khó hơn rất nhiều so với các giàn cẩu

truyền thống lắp đặt trên bờ.

Một trong những vấn đề nghiêm trọng là sự lắc của container gây ra bởi việc

điều khiển không đúng của xe cẩu cộng với sự tác động của nhiễu bên ngoài như

sóng và gió có thể gây ra sự va chạm của container tới các thiết bị và hệ thống xung

quanh có thể làm thiệt hại về tài sản và con người. Hơn nữa, nếu việc lắc của

container xảy ra ở phần cuối của sự di chuyển, việc điều khiển container đến vị trí

mong muốn lúc này trở nên càng khó thực hiện hơn do lực quán tính lớn.

Hình 1.2: Mô hình hóa hệ thống MHC gắp container trên tàu mẹ

Trong vận chuyển hàng hóa, việc tăng năng suất vận chuyển hàng một cách

nhanh chóng là mong muốn của các nhà đầu tư. Tuy nhiên trong trường hợp MHC

để thực hiện việc gắp container một cách nhanh chóng và chính xác, yêu cầu tất cả

các chuyển động của cẩu phải thực hiện ở tốc độ cao và phải được điều khiển đến vị

trí mong muốn một cách chính xác. Đây là vấn đề khó để thực hiện vì khi xe đẩy

mang giá cẩu tăng tốc và giảm tốc, tải container lơ lửng sẽ bị lắc không mong

muốn. Thêm vào đó nhiễu bên ngoài do sóng và gió làm tàu lắc liên tục và làm quỹ

đạo của tải không thể dự đoán. Do đó việc điều khiển container đến vị trí mong

muốn một cách chính xác là vấn đề thách thức cần phải giải quyết.

Để phục vụ cho quá trình nghiên cứu hệ thống cẩu di động cầu cảng hoạt

động trên biển như ý tưởng đề xuất trên, trong luận văn này tôi giới thiệu một kỹ

thuật mô hình hóa và xây dựng hệ thống điều khiển cẩu dựa trên kỹ thuật mẫu ảo

trên máy tính. Kỹ thuật này cho phép các kỹ sư cơ điện tử mô hình hóa và xây dựng

mẫu ảo của hệ thống cần nghiên cứu, mô phỏng để phân tích các hành vi chuyển

động thực của hệ thống cơ khí của cẩu trên máy tính với các điều kiện hoạt động

như ngữ cảnh thật, và phát triển hệ thống điều khiển cho phép điều khiển tải treo lơ

lửng đến vị trí chính xác mong muốn bất chấp sự tác động của nhiễu bên ngoài. Dựa

vào các kết quả thu được trên máy tính sẽ giúp các kỹ sư giảm rủi ro và tiết kiệm

thời gian cũng như chi phí khi chế tạo phần cứng.

1.3. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài:

Phân tích hoạt động và điều kiện làm việc của cẩu di động cầu cảng hoạt

động trên biển.

Mô hình hóa và xây dựng mô hình mẫu ảo hệ thống cơ khí cho hệ thống

cẩu.

Mô phỏng hành vi động lực học của hệ thống cơ khí trên mẫu ảo.

Xây dựng hệ thống điều khiển cho mô hình mẫu ảo của hệ thống cẩu.

Mô phỏng kết hợp hai hệ thống cơ khí và điều khiển với điều kiện như

ngữ cảnh thật và đánh giá bộ điều khiển đã thiết kế.

1.4. Nội dung nghiên cứu của đề tài:

Nghiên cứu điều kiện làm việc của cẩu cầu cảng di động trên biển.

Mô hình hóa và cấu hình mẫu ảo của cần cẩu di động trên biển.

Mô phỏng hành vi động lực học của hệ thống cẩu dựa trên mẫu ảo.

Xây dựng hệ thống điều khiển cho mô hình cẩu.

Mô phỏng kết hợp hoạt động cơ khí và điều khiển của mẫu ảo cần cẩu di

động trong điều kiện làm việc như trong ngữ cảnh thật và đánh giá.

1.5. Phương pháp nghiên cứu của đề tài:

1.5.1. Phương pháp luận:

Phương pháp nghiên cứu là những nguyên tắc và cách thức hoạt động khoa

học nhằm đạt tới chân lý khách quan dựa trên cơ sở của sự chứng minh khoa học.

Điều này có nghĩa rằng, các nghiên cứu khoa học cần phải có những nguyên tắc và

phương pháp cụ thể, mà dựa theo đó các vấn đề sẽ được giải quyết.

Nghiên cứu tạo ra một mô hình mẫu ảo của hệ thống cơ điện tử dựa trên sự

kết hợp giữa các phần mềm thương mại để tạo nên một hệ cơ điện tử như hệ cần cẩu

cầu cảng di động hoạt động trên máy tính với các điều kiện như trong ngữ cảnh thật.

Dựa trên mẫu ảo hệ thống đã được thiết kế các kỹ sư cơ điện tử có thể thể hiện các ý

tưởng, các thuật toán cũng như hiệu chỉnh các thiết kế cơ khí và thiết kế điều khiển

một cách hoàn chỉnh trên máy tính trước khi triển khai trên phần cứng. Để thực hiện

nghiên cứu này cần thực hiện:

Tổng hợp các phần mềm cơ khí và điều khiển cho mô hình hóa và mô

phỏng.

Phân tích điều kiện hoạt động dựa trên khảo sát phương trình sóng, thiết

kế và mô hình hóa hệ thống cơ khí.

Tạo mẫu ảo của hệ thống cơ khí, mô phỏng để khám phá hành vi động

lực học của hệ thống cơ khí.

Thiết kế, tính toán hệ thống điều khiển cho mô hình mẫu ảo của hệ thống

cẩu.

Mô phỏng kết hợp, hiê ̣u chỉnh và đánh giá kết quả của hệ thống.

1.5.2. Phương pháp nghiên cứu:

Các phương pháp sẽ thực hiện để đạt được những mục tiêu trên:

Nội dung 1: Khảo sát và đánh giá nhu cầu của hệ thống cần cẩu giàn di động

trên biển phục vụ vận chuyển hàng hóa từ các tàu mẹ vào bờ.

Phương pháp phân tích các điều kiện làm việc của cẩu giàn trên biển

trong điều kiện sóng và gió.

Tìm hiểu các bài báo trong và ngoài nước nghiên cứu về lĩnh vực cẩu di

động cầu cảng.

Nội dung 2: Thiết kế và mô hình hóa hệ thống cơ khí của cẩu giàn trên biển

Thiết kế, mô hình hóa hệ thống cơ khí bằng phần mềm SOLIDWORKS.

Tạo mẫu ảo của hệ thống cơ khí trên máy tính bằng phần mềm ADAMS.

Mô phỏng hành vi động lực học của hệ thống cơ khí thông qua mẫu ảo.

Nội dung 3: Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống

Lý thuyết điều khiển phi tuyến cho đối tượng không ổn định với nhiễu

không biết và thông số hệ thống thay đổi.

Xây dựng mô hình toán cho xe đẩy giá cẩu.

Thiết kế bộ điều khiển điều khiển xe cẩu bằng Matlab/Simulink.

Mô phỏng hệ thống điều khiển đã thiết kế trên mẫu ảo.

Nội dung 4: Mô phỏng và đánh giá kết quả.

Mô phỏng kết hợp hệ thống cơ khí và điều khiển trên máy tính với các

điều kiện như trong ngữ cảnh thật.

Đánh giá kết quả đạt đươc.

1.6. Kết cấ u luâ ̣n văn:

Kết cấu luâ ̣n văn gồ m 7 chương.

Chương 1: Giớ i thiê ̣u.

Chương 2: Tổ ng quan về cẩu cầu cảng di động và vấn đề cần nghiên cứu.

Chương 3: Thành phần cấu thành và nguyên lý làm việc của cẩu cầu cảng

di động.

Chương 4: Mô hình hóa và xây dựng mẫu ảo cho hệ thống cẩu cầu cảng

di động.

Chương 5: Xây dựng hệ thống điều khiển chống lắc cho cẩu cầu cảng di

động.

Chương 6: Kết quả mô phỏng.

Chương 7: Kết luận và hướng phát triển của đề tài.

1.7. Giới hạn phạm vi nghiên cứu

1) Thiết bị nổi được giả sử được cố định tương đối trong tọa độ Đề các. Do đó,

sự trôi của thiết bị nổi và chuyển động yaw (xoay quanh trục z) trong tọa độ

tuyệt đối có thể bỏ qua bằng cách sử dụng cơ cấu cố định thiết bị nổi MHC

vào tàu mẹ.

2) Nghiên cứu này xem xét chuyển động của xe đẩy dọc theo trục y (hình 3.3)

và chuyển động lắc của tải treo và xe đẩy là đồng phẳng.

3) Chuyển động lắc của tải treo xảy ra trên mặt phẳng khác được điều khiển bởi

thiết bị cơ khí như nghiên cứu [15] và các chuyển động lắc ngẫu nhiên khác

được xem là nhiễu của hệ thống điều khiển.

4) Chuyển động lắc của tải treo container được xem tương tự như là chuyển

động con lắc và không tính đến lực ma sát của xe cẩu.

CHƯƠNG 2

TỔNG QUAN VỀ CẨU CẦU CẢNG DI ĐỘNG VÀ VẤN ĐỀ

CẦN NGHIÊN CỨU

2.1. Khá i quá t về tình hình nghiên cứu cẩu cầu cảng di động: Hiện nay việc vận chuyển hàng hóa tại các cảng đều sử dụng hệ thống cẩu

giàn còn gọi là cần trục, được lắp đặt trên nền cầu cảng, dùng để vận chuyển các

container từ tàu mẹ lên bờ cũng như sắp xếp các container từ bờ lên tàu. Loại cẩu

này có xe đẩy di chuyển trên đường ray nhờ cáp kéo, hệ thống khung cơ khí liên kết

vững chắc, các chân đế của cẩu được cố định trên cầu cảng nên ổn định và vững

chắc. Do đó, hành vi hoạt động của xe đẩy cẩu giàn loại này có thể mô tả chính xác

bằng phương trình toán học. Sự lắc của tải lơ lững chủ yếu là lắc quán tính nên quỹ

đạo của tải có thể dự đoán được nên việc vận hành cần cẩu không gây khó khăn cho

người vận hành. Cầu trục giàn thông thường sử dụng để bốc xếp các container cho

tàu biển khi tàu cập cảng như trên hình 2.1.

Hình 2.1:Cần trục giàn bốc xếp container trên tàu khi tàu cập cảng

So với cẩu giàn trên bờ, cẩu cầu cảng di động (MHC) về kết cấu cơ khí cũng

giống như hệ thống cẩu giàn trên bờ, tuy nhiên điểm khác biệt là hệ thống khung

giàn và chân đế được lắp trên một thiết bị nổi, thiết bị cẩu được lắp phía trên đầu, xe

đẩy cẩu được lắp trên đường ray để vận chuyển các container từ tàu mẹ vào bờ hoặc

vận chuyển các container từ cầu cảng lên tàu mẹ.

Hình 2.2: Cẩu cầu cảng di động vận chuyển container từ tàu mẹ

Do điều kiện làm việc trên biển rất khắc nghiệt, MHC có nhiều đặc điểm

khác biệt so với cẩu giàn trên bờ có khung và chân đế được lắp trên đất liền.

 Hệ thống cẩu MHC được lắp đặt trên một thiết bị nổi và di chuyển trên biển

nên hệ thống cẩu MHC là không ổn định.

 Nhiễu bên ngoài tác động lên hệ thống cẩu là gió và sóng không theo một

hướng nhất định làm hệ thống cẩu lắc và xoay theo các trục x, y, z.

 Hành vi động lực học của hệ thống cẩu MHC khó có thể mô tả chính xác

bằng phương trình toán học.

 Lắc của tải treo (container) mạnh hơn và khó đoán hơn so với cẩu giàn trên

bờ bởi tác động của các thành phần nhiễu bên ngoài như sóng và gió.

Vấn đề nghiêm trọng cần nghiên cứu là lắc của tải treo gây ra bởi điều khiển

không đúng của xe đẩy giá cẩu và ảnh hưởng của nhiễu bên ngoài như sóng và gió.

Hành vi lắc này cực kỳ nguy hiểm bởi vì nó có thể gây hỏng các thiết bị và hệ thống

xung quanh cũng như nguy hại đến con người. Nếu việc lắc của container liên tục

kéo dài đến phần cuối của sự vận chuyển, nó trở nên rất khó để điều khiển container

đến một vị trí mong muốn [1]. Để tăng năng suất vận chuyển hàng hóa của hệ thống

cẩu MHC, tất cả các chuyển động của cẩu nên được thực hiện ở tốc độ cao, và tải

phải được vận chuyển đến vị trí mong muốn một cách chính xác. Tuy nhiên rất khó

để thực hiện những yêu cầu này, bởi vì khi xe đẩy được gia tốc và giảm tốc, tải treo

sẽ lắc không mong muốn. Hơn nữa nhiễu bên ngoài gây ra bởi sóng, gió và thân tàu

di chuyển liên tục cũng làm cho quỹ đạo của tải không thể dự đoán được. Do đó,

điều khiển tải đến vị trí mong muốn một cách chính xác trong trường hợp cẩu MHC

là vấn đề được tập trung nghiên cứu trong luận văn này.

Đối với cẩu giàn hoạt động trên đất liền, chuyển động của xe đẩy và chuyển

động lắc là đồng phẳng. Trong trường hợp này xe đẩy giá cẩu được sử dụng để

chống lắc cho container bởi kỹ năng điều khiển của người vận hành. Trong trường

hợp của MHC, container ngoài chuyển động lắc dọc còn có chuyển động lắc ngang

gây ra do chuyển động lắc của thân tàu. Và điều này khó có thể chống lắc như đối

với trường hợp cẩu hoạt động trên đất liền, bởi vì thành phần lắc ngang và hướng di

chuyển của xe đẩy không cùng một mặt phẳng.

Tổng quát có hai giải pháp được đề xuất chống lắc cho tải treo container, bao

gồm giải pháp cơ khí và giải pháp điện, giải pháp cơ khí được áp dụng thành công

để khống chế lắc dọc của tải trong nhiều trường hợp. Tuy nhiên, phương pháp này

phát ra rung động, thời gian đáp ứng chậm và chi phí bảo trì cao [2], trong hầu hết

tất cả các trường hợp giải pháp điện được sử dụng phổ biến để chống lắc cho tải,

giải pháp điện được phân làm hai loại phương pháp điều khiển, điều khiển vòng hở

và điều khiển vòng kín. Sơ đồ điều khiển vòng hở được đề xuất trong [3] thì không

trang bị các cảm biến, mục tiêu điều khiển dựa trên quỹ đạo và tốc độ những thông

số mà đã mô phỏng trước để loại bỏ nhiễu, phương pháp này kinh tế và ổn định với

các loại cẩu có tần số tự nhiên thấp, tuy nhiên nó không hiệu quả đối với đối tượng

không ổn định bị ảnh hưởng bởi nhiễu. Trong khi đó sơ đồ điều khiển vòng kín

cũng để xuất để chống nhiễu cho cẩu di động, những sơ đồ này được trang bị với

nhiều loại cảm biến để phát hiện góc lắc của tải trong điều khiển đối tượng phi

tuyến [4-10], tín hiệu góc lắc của tải được xử lý bởi bộ quan sát và dự đoán trước

khi phản hồi đến bộ điều khiển. Rất nhiều thiết bị được đề xuất để đo góc lắc của

tải. Nhóm tác giả Yoshida [9] đề xuất sử dụng camera như là một cảm biến không

tiếp xúc để quan sát tín hiệu phản hồi của cẩu. Trong trường hợp này một 3D

camera được lắp đặt trên xe đẩy giá cẩu để đo vị trí 3D của tải, phương pháp này

hiệu quả cho cẩu có tác động bởi nhiễu. Tuy nhiên hệ thống quan sát chi phí đầu tư

cao và khó bảo trì, thêm vào đó tuổi thọ của các thiết bị quan sát bị giảm khi chúng

làm việc trong môi trường biển. Để giảm chi phí, chính xác và đáp ứng nhanh,

nhóm tác giả [11] đã giới thiệu một phương pháp đo mới sử dụng cảm biến gia tốc 3

trục để dự đoán góc lắc. Trong phương pháp này góc lắc được đo bởi cảm biến gia

tốc dựa trên sự sai lệch giữa điểm cố định trên xe đẩy và giá cẩu. Những phương

pháp đo trên nhằm phát hiện góc lắc nhằm giúp thiết kế hệ thống điều khiển vòng

kín để chống lắc của tải treo. Những phương pháp này đã đạt được những mục tiêu

đo góc lắc chính xác và thiết kế một hệ thống điều khiển mong muốn.

Qua phân tích tất cả các phương pháp nghiên cứu trên, tôi thấy rằng khi

nghiên cứu đối với một sản phẩm cơ điện tử từ ý tưởng đến triển khai ra thực tế mất

nhiều thời gian và chi phí cho quá trình xây dựng phần cứng, chạy thử, kiểm tra, sửa

chữa và đánh giá, hơn nữa các cảm biến đo với độ chính xác cao rất đắt nên hạn chế

sử dụng để thử nghiệm, đặc biệt đối với các hệ thống cơ điện tử lớn và đắt tiền.

Nhằm giảm chi phí và thời gian xây dựng mẫu phần cứng, trong luận văn này, tôi

giới thiệu một kỹ thuật mô phỏng trên mẫu ảo chạy trên máy tính nhằm giúp các kỹ

sư cơ điện tử có thể triển khai các ý tưởng và thực hiện mô phỏng, kiểm nghiệm các

thuật toán sao cho hệ thống cơ điện tử thiết kế tối ưu nhất trước khi xây dựng mẫu

phần cứng. Kỹ thuật mô phỏng mẫu ảo là sự tích hợp nhiều phần mềm thương mại

như: SOLIDWORKS, ADAMS, và MATLAB/Simulink. Phần mềm

SOLIDWORKS dùng để thiết kế các thành phần cơ khí của hệ thống cơ điện tử,

ADAMS dùng để tạo mô hình cơ khí ảo và mô phỏng hành vi động lực học của

thành phần cơ khí, đặc điểm của phần mềm ADAMS cho phép sử dụng các cảm

biến ảo để đo bất kỳ thông số nào tại bất kỳ điểm nào của các thành phần cơ khí như

lực, tải, momen…., MATLAB/Simulink được sử dụng để thiết kế các hệ thống điều

khiển. Mô hình mẫu ảo được tạo thành từ các phần mềm trên có những đặc tính

tương tự như mô hình cơ điện tử thực tế, thông qua mô phỏng trên mô hình mẫu ảo

với các điều kiện như trong ngữ cảnh thật không chỉ giúp cho các kỹ sư cơ điện tử

sửa chữa các thiết kế cơ khí sao cho phù hợp mà còn cải tiến được phương pháp

điều khiển.

2.2. Trình tự các bước nghiên cứu cho hệ thống MHC dựa trên kỹ thuật mẫu

ảo:

Để nghiên cứu đối tượng cần cẩu di động cầu cảng dựa trên kỹ thuật mẫu ảo

như đã đề xuất trên, tôi trình bày quy trình các bước thực hiện như giới thiệu trên

hình 2.3:

Hình 2.3: Trình tự xây dựng mẫu ảo cho hệ thống cần cẩu di động

(a) Phân tích điều kiện làm việc của MHC: Dựa trên khái niệm về cẩu cầu cảng di

động hoạt động trên biển, phân tích kết cấu cơ khí và ảnh hưởng của các yếu tố

nhiễu bên ngoài như sóng biển và gió tác động lên hệ cơ khí.

(b) Phân tích hành vi động lực học của MHC: Phân tích và xây dựng các phương

trình động lực học của xe đẩy của MHC khi gắp container.

hoạt động của MHC sử dụng phần mềm SOLIDWORKS để thiết kế các thành

phần cơ khí.

(d) Xây dựng mẫu ảo của MHC và mô phỏng hành vi động lực học: Xây dựng mô

hình mẫu ảo của MHC trong môi trường ADAMS, mô phỏng và khám phá hành

vi động lực học của các thành phần cơ khí với các điều kiện làm việc tương tự

như trong ngữ cảnh thật. Dựa trên kết quả mô phỏng, đánh giá hiệu quả của mô

hình cơ khí của MHC.

(e) Thiết kế và mô phỏng hệ thống điều khiển: Thiết kế hệ thống điều khiển trong

môi trường MATLAB/Simulink và áp dụng thuật toán điều khiển đã thiết kế

trên mẫu ảo cơ khí của MHC dưới ảnh hưởng của các điều kiện làm việc như

trong ngữ cảnh thật và đánh giá hiệu quả của phương pháp điều khiển.

CHƯƠNG 3

THÀNH PHẦN CẤU THÀNH VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC

CỦA CẨU CẦU CẢNG DI ĐỘNG

3.1. Thành phần cấu thành và hoạt động của cẩu cầu cảng di động:

Cẩu cầu cảng di động là một hệ thống cần cẩu được ráp trên một thiết bị nổi

(1). Thiết bị nổi; (2). Khung chân đế; (3). Khung hỗ trợ; (4). Thanh giằng;

(5). Xe đẩy (xe rùa); (6). Giá cẩu

như giới thiệu trong hình 3.1.

Hình 3.1: Mô hình hệ thống cẩu cầu cảng di động

Hệ thống MHC bao gồm: thiết bị nổi, khung chân đế, khung hỗ trợ, xe đẩy

giá cẩu, giá cẩu và thanh giằng. Thiết bị nổi làm việc trên biển, nó được thiết kế như

một chiếc tàu, sao cho có thể nâng toàn bộ hệ thống cẩu và tải, thiết bị nổi làm việc

trong điều kiện sóng và gió nên bị lắc quanh các trục như trên hình vẽ. Hệ thống

khung chân đế được thiết kế có cấu trúc vững chắc để có thể chịu đựng được tổng

trọng tải của cẩu, khung chân đế có thể di chuyển dọc theo chiều dài của tàu và có

thể được điều chỉnh theo chiều ngang để thao tác gắp và thả container. Khung hỗ trợ

được nâng lên khi cẩu bắt đầu làm việc và hạ thấp khi cẩu ngưng hoạt động, chức

năng này nhằm thu gọn cẩu khi thiết bị nổi di chuyển từ bờ ra tàu mẹ và ngược lại.

Xe đẩy di chuyển trên ray của thanh giằng theo hướng trục y và được dẫn động bởi

mô tơ điện, xe đẩy kéo giá cẩu đến vị trí mong muốn để gắp hoặc sắp xếp container.

Giá cẩu được treo trên xe đẩy bởi 4 dây cáp có thể điều chỉnh được, chức năng này

để điều chỉnh các móc để gắp container, hệ thống kẹp và định vị được sử dụng để

định vị các container một cách chính xác.

Hình 3.2: Cơ chế làm việc của hệ thống khung của MHC

Cơ chế làm việc của hệ thống khung cẩu có thể mô tả chi tiết như hình 3.2:

 Chức năng di chuyển dọc và ngang tàu: chức năng này cho phép cẩu có

thể di chuyển dọc theo chiều dài thân tàu và có thể điều chỉnh theo chiều

ngang (di chuyển qua trái hoặc qua phải để gắp container) nhờ hệ thống

ray thiết kế trên tàu.

 Chức năng xoay: chức năng này cho phép cẩu có thể điều chỉnh ổn định

tàu khi bị lắc bởi sóng biển.

 Chức năng di chuyển xe đẩy cẩu: hệ thống xe đẩy được vận chuyển để

mang theo giá cẩu đến vị trí gắp hoặc thả container.

 Hệ thống giá cẩu: hệ thống bao gồm nhiều chi tiết bao gồm các cơ cấu

định vị và kẹp container.

3.2. Phân tích điều kiện làm việc của cẩu cầu cảng di động:

Do điều kiện làm việc trên biển nên hệ thống MHC bị tác động bởi sóng và

gió theo các hướng khó xác định. Theo nghiên cứu của Jing-Jong Jang và cộng sự

[13], lực kéo do gió gây ra tác động lên cấu trúc cẩu thông qua sóng biển có thể

đánh giá dựa trên phương trình cơ bản của lực kéo trong khí động học như sau:

(3.1)

Trong đó: : mật độ không khí; CD: hệ số kéo của gió; A: diện tích của cấu

trúc cẩu; U(t): tốc độ gió sự cố.

(3.2)

Trong đó là hằng số với tốc độ gió phụ thuộc vào độ cao so với mực nước

biển, và w(t) là hàm biểu diễn tốc độ gió xoáy biến đổi ngẫu nhiên. Lực kéo do gió

gây ra có thể được viết như sau:

(3.3)

Thành phần đầu tiên của phương trình (3.3) được gọi là lực kéo trung bình,

thành phần thứ 2 và thành phần thứ 3 của phương trình (3.3) là lực kéo kết hợp với

gió xoáy. Để đánh giá tác động của gió lên cấu trúc cẩu, thành phần thứ 3 của

phương trình (3.3) có thể được bỏ qua, dao động của tốc độ gió xoáy w(t) là quá

trình ngẫu nhiên Gaussian với trung bình là zero.

Trong nghiên cứu này, phần diện tích và độ cao của kết cấu khung cần cẩu

chịu tác động của nhiễu gió thì không đáng kể, do đó ảnh hưởng của gió đến cấu

trúc của khung cần cẩu có thể được bỏ qua, và nó có thể được xem như là nhiễu

ngẫu nhiên Gaussian của hệ thống điều khiển, trong khi đó nhiễu gây ra bởi sóng

biển là thành phần ảnh hưởng chính đến chuyển động của thiết bị nổi. Do đó khi

khảo sát đối tượng như hệ thống MHC, việc biểu diễn sự tác động của sóng biển

trực tiếp ảnh hưởng lên quá trình làm việc của thiết bị nổi là cần thiết khi mô hình

hóa và điều khiển hệ thống MHC. Để phân tích nhiễu do sóng biển tác động lên hệ

thống MHC, nhiễu sóng biển có thể chia làm 2 thành phần: sự chồng lên nhau của

các sóng dao động điều hòa là nhân tố tác động chính đến thiết bị nổi và thành phần

dao động nhỏ ngẫu nhiên. Do đó, dao động sóng biển được biểu diễn bởi phương

trình bên dưới [14]:

(3.4)

Trong đó thành phần dao động điều hòa của sóng biển được biểu diễn bởi

phương trình , và thành phần nhiễu ngẫu nhiên là .

Các đại lượng , , và là biên độ, tần số và pha của phương trình sóng

tương ứng.

Dưới tác dụng của nhiễu sóng biển, hệ thống MHC bị lắc theo 6 bậc tự do của

chuyển động, bao gồm ba chuyển động tịnh tiến (surge, sway, và heavy) và ba

chuyển động xoay (roll, pitch, và yaw). Sáu bậc tự do của chuyển động được mô tả

như trên hình 3.3.

Hình 3.3: Các chuyển động lắc của cẩu MHC theo các trục

Đối với cẩu giàn gắp container bố trí trên đất liền, chuyển động lắc của tải và

chuyển động xe cẩu thì đồng phẳng và việc chống lắc cho tải container thì được

thực hiện bởi sự điều chỉnh xe cẩu của người vận hành. Trong trường hợp của MHC

ngoài chuyển động lắc dọc còn xuất hiện chuyển động lắc ngang do tác động của

nhiễu sóng biển. Thành phần lắc dọc có thể được khắc chế bởi điều khiển sự dịch

chuyển của xe đẩy, tuy nhiên không có phương pháp trực tiếp để khắc chế thành

phần lắc ngang, đối với trường hợp cần cẩu di động, một hệ thống cơ khí kết hợp

với phương pháp điều khiển hợp lý có thể loại bỏ hai thành phần lắc này. Hình 3.4

giới thiệu một cơ chế mới để điều khiển khống chế thành phần lắc ngang của tải

[15]:

Hình 3.4: Một cơ chế cho chống lắc ngang của tải container [15]

Khảo sát cơ chế chống lắc ngang như hình 3.4, hai dây thừng, với các puly

và trống tang cần thiết được thêm vào để tạo nên cơ chế cho chống lắc ngang. Các

trống tang thì cần thiết để bù cho sự chênh lệch về chiều dài giữa phần dây thừng

thêm vào và phần dây thừng chính nhấc container lên khi container được di chuyển

lên và xuống. Trong phần dây thừng thêm vào, cơ cấu chấp hành thủy lực phát ra

lực ép để truyền tải lực chống lắc ngang.

CHƯƠNG 4

MÔ HÌNH HÓA VÀ XÂY DỰNG MẪU ẢO CHO HỆ THỐNG

CẨU CẦU CẢNG DI ĐỘNG

4.1. Sự cần thiết phát triển mẫu ảo cho nghiên cứu hệ thống cơ điện tử:

Một khi tính phức tạp của hệ thống cơ điện tử ngày càng tăng, để tăng tính

cạnh tranh trong sản xuất một sản phẩm cơ điện tử yêu cầu thời gian cho một chu

kỳ sản xuất phải giảm. Do đó, xây dựng một mẫu phần cứng để kiểm tra tính tối ưu

của sản phẩm sẽ mất nhiều thời gian và chi phí để đưa ra một sản phẩm mới ra thị

trường. Kỹ thuật mẫu ảo được đề xuất trong luận văn này như một giải pháp làm

giảm chi phí sản xuất và thời gian so với phương pháp truyền thống, nhờ các quá

trình: xây dựng mẫu ảo, mô phỏng, và tối ưu thiết kế trên máy tính trước khi thực

hiện xây dựng mẫu phần cứng để kiểm tra.

Phương pháp mẫu ảo là giải pháp phần mềm tích hợp bao gồm mô hình hóa

một hệ thống cơ khí, mô phỏng, và quan sát hành vi chuyển động của hệ cơ khí

trong môi trường 3D trên máy tính dưới điều kiện hoạt động như thật, và tinh chỉnh,

tối ưu các thiết kế thông qua nghiên cứu các thiết kế lặp lại. Ưu điểm của kỹ thuật

mô phỏng này bao gồm: tạo ra mô hình chi tiết và được sử dụng như là một thí

nghiệm ảo trong cách tương tự như trường hợp thật. Khả năng của mô hình này cho

phép sử dụng các cảm biến ảo để đo tất cả các thông số ở tất cả các thành phần của

mô hình cơ khí một cách thuận tiện. Hình 4.1 trình bày quá trình tạo mẫu ảo cho hệ

thống MHC.

Trong quá trình thiết kế một hệ thống cơ điện tử phức tạp, giai đoạn thiết kế cơ

khí và thiết kế điều khiển được làm tách biệt với các công cụ phần mềm khác nhau

nhưng cùng khái niệm. Sau giai đoạn thiết kế, mỗi mô hình phải được kiểm tra và

xác minh xem có thỏa mãn các mục tiêu đã xác định trước chưa, và sau đó kiểm

chứng trên mô hình vật lý, nếu có vấn đề gì xuất hiện trong hoạt động tương tác

giữa hai hệ thống, các kỹ sư thiết kế phải tinh chỉnh thiết kế cơ khí hoặc thiết kế

điều khiển để đạt một hệ thống cơ điện tử hoàn thiện. Nếu sử dụng kỹ thuật mô

phỏng ảo trong thiết kế các sản phẩm cơ điện tử thì quá trình kiểm tra trên mẫu vật

lý sẽ đơn giản hơn nhiều, do đó tiết kiệm thời gian và chi phí cũng như giảm nguy

cơ hỏng hóc thiết bị gây ra bởi sự xung đột giữa hai hệ thống.

Hình 4.1: Quá trình tạo mô hình mẫu ảo cho MHC

4.2. Cấu trúc phần mềm cho xây dựng mẫu ảo của hệ thống MHC:

Hình 4.2 giới thiệu cấu trúc phần mềm để tạo mẫu ảo, bao gồm những phần

mềm sau: CAD-Computer Aided Design (SOLIDWORKS, CATIA,

PROENGINEER); MBS-Multibody (ADAMS, SD-EXACT, PLEXUS); FEA-

Finite Element Analysis (NASTRAN/PATRAN, COSMOS, ANSYS) và Command

& Control (MATLAB, EASY5, MATRIX).

Hình 4.2: Cấu trúc phần mềm để tạo mẫu ảo

Phần mềm CAD được sử dụng để tạo mô hình hình học của hệ thống cơ khí.

Mô hình này bao gồm các chi tiết cứng với hình dạng và kích thước như mẫu vật lý,

và nó chứa thông tin về khối lượng và thuộc tính quán tính của những chi tiết cứng

này. Môi trường CAD cũng có thể thực hiện kiểm tra chuyển động đơn giản với lực

và mô men. Sau đó mô hình hình học này được xuất từ môi trường CAD đến môi

trường MBS sử dụng các định dạng file như là: STEP với CATIA, Parasolid.x_t với

SOLIDWORKS. Phần mềm MBS là thành phần trung tâm của nền tảng mẫu ảo. Nó

được sử dụng cho phân tích, tối ưu và mô phỏng hành vi động lực học của hệ thống

cơ khí dưới điều kiện hoạt động như trong môi trường thật. Phần mềm FEA được sử

dụng cho mô hình hóa các thành phần mềm dẻo. Phần mềm MBS có khả năng

chuyển tải đến phần mềm FEA và nhận những thành phần mềm dẻo phản hồi từ

FEA. Chức năng này cho phép chụp lại đặc điểm quán tính và các quy luật, và dự

đoán tải với độ chính xác cao, do đó đạt được nhiều kết quả thực tế. Command &

Control (C&C) là phần mềm được sử dụng cho thiết kế các hệ thống điều khiển.

Phần mềm này trao đổi thông tin với phần mềm MBS. Quá trình trao đổi tạo một

vòng kín sao cho đầu ra từ mô hình MBS là đầu vào cho hệ thống điều khiển và

ngược lại. Đầu ra từ mô hình MBS là các thông đo cần thiết cho điều khiển, và đầu

ra từ hệ thống điều khiển ảnh hướng trên mô hình mô phỏng MBS.

4.3. Mô hình hóa và xây dựng mẫu ảo cho hệ thống MHC:

Để xây dựng một mô hình mẫu ảo cơ khí của hệ thống MHC, trước tiên các

thành phần và chi tiết của MHC phải được vẽ 3D trong môi trường SolidWorks với

hình dạng và kích thước như mẫu vật lý. Sau đó những chi tiết này được lắp ráp với

các ràng buộc hình học biểu diễn đặc tính của hệ thống MHC.

Trong môi trường SolidWorks, mô hình cơ khí này có thể kiểm tra và đánh giá

hành vi động học đơn giản bằng cách gắn các lực và mô men để dẫn động các chi

tiết và kiểm tra hành vi chuyển động của hệ cơ khí này. Hình 4.3 giới thiệu mô hình

MHC được thiết kế trong SolidWorks dựa trên thông số của mẫu vật lý.

Để xây dựng mẫu ảo cho MHC, mô hình cơ khí đã thiết kế trong phần mềm

SolidWorks sẽ được lưu với file có đuôi Parasolid.x_t và xuất sang môi trường

ADAMS để xây dựng mẫu ảo.

Quá trình tạo mẫu ảo cho hệ thống MHC trong môi trường ADAMS/View

(1) Thiết bị nổi; (2) Khung đứng; (3) Khung ngang; (4) Xe đẩy; (5) Cáp; (6) Container

được trình bày trên sơ đồ hình 4.4.

Hình 4.3: Mẫu vật lý của hệ thống MHC được vẽ trong SolidWorks

Hình 4.4: Quy trình tạo mẫu ảo trong môi trường Adams/View

Trong môi trường Adams/View, mô hình mẫu ảo cho hệ thống MHC được

tạo như trên hình 4.4. Quá trình mô hình hóa được xây dựng như trình tự như sau để

dễ sửa đổi trong giai đoạn thiết kế. Trước tiên, các thông số hình học của các chi tiết

như thuộc tính vật liệu, khối lượng, và mật độ của vật liệu phải được định nghĩa, sau

đó ma trận khối lượng và quán tính của các chi tiết sẽ được phát ra tự động. Những

chi tiết này được nối với nhau từng chi tiết này với từng chi tiết khác tham chiếu

theo tọa độ của thiết bị nổi, sử dụng các ràng buộc hình học. Những ràng buộc này

được mô tả như hình 4.5 và 4.6.

Hình 4.5: Cấu hình hệ thống mẫu ảo của MHC trong Adams/View

Hình 4.6: Mô hình mẫu ảo của MHC trong Adams/View

Những ràng buộc này được mô tả như sau: Tâm tọa độ khối của thiết bị nổi

(1) được gán cố định trên tâm của hệ thống tọa độ Đề các trong môi trường Adams

sử dụng khớp quay (khớp bản lề). Chuyển động của thiết bị nổi bị lắc dựa trên hàm

nhiễu sóng. Hệ thống khung (2) được ráp trên thiết bị nổi và di chuyển dọc theo

thiết bị nổi sử dụng khớp tịnh tiến. Xe đẩy (3) được dẫn động bởi lực phát ra từ

motor sẽ di chuyển xe đẩy trên khung ngang theo hướng trục x sử dụng khớp tịnh

tiến. Tải container (4) được nối với xe đẩy sử dụng khớp cầu và tải sẽ được di

chuyển theo chuyển động của xe đẩy.

4.4. Mô phỏng hành vi động lực học của mẫu ảo hệ thống MHC:

Quá trình mô phỏng trên mẫu ảo được thực hiện nhằm khám phá hành vi động

lực học của mô hình cơ khí của hệ thống MHC. Trong nghiên cứu này, tôi thực hiện

mô phỏng nhiều trường hợp với các thông số hệ thống và nhiễu thay đổi trong thời

gian t=30s. Hình 4.6 trình bày mô hình MHC 1 và bảng 4.1 trình bày các giá trị của

thông số cho mô phỏng hệ thống MHC theo mô hình 1.

4.4.1. Xây dựng và mô phỏng mô hình MHC 1:

Hình 4.7: Thông số mô hình MHC 1 cho mô phỏng

Bảng 4.1: Các giá trị của thông số cho mô phỏng hệ thống MHC 1:

Trường

Thời gian

Quỹ đạo xe đẩy

Hàm nhiễu sóng biển

hợp

mô phỏng

1 30s x = step(time,0,0,30,2.0) Sw(t) = 0.02sin(1.5time) rad

2 30s x = step(time,0,0,30,2.0) Sw(t) = 0.04sin(1.5time) rad

3 30s x = step(time,0,0,30,2.0) Sw(t) = 0.02sin(3time) rad

4 30s x = step(time,0,0,30,2.0) Sw(t) = 0.04sin(3time) rad

Kết quả mô phỏng chuyển động lắc của tải treo container theo các thông số

cho trong bảng 4.1 được biểu diễn trên hình 4.8 đến 4.11:

(a) Dịch chuyển của tải dưới tác dụng của sóng

(b) Góc lắc của tải khi xe đẩy dịch chuyển

Hình 4.8: Khoảng dịch chuyển và góc lắc của tải trong trường hợp 1 của MHC1

(a) Dịch chuyển của tải dưới tác dụng của sóng

(b) Góc lắc của tải khi xe đẩy dịch chuyển

Hình 4.9: Khoảng dịch chuyển và góc lắc của tải trong trường hợp 2 của MHC1

(a) Dịch chuyển của tải dưới tác dụng của sóng

(b) Góc lắc của tải khi xe đẩy dịch chuyển

Hình 4.10: Khoảng dịch chuyển và góc lắc của tải trong trường hợp 3 của MHC1

(a) Dịch chuyển của tải dưới tác dụng của sóng

(b) Góc lắc của tải khi xe đẩy dịch chuyển

Hình 4.11: Khoảng dịch chuyển và góc lắc của tải trong trường hợp 4 của MHC1

4.4.2. Xây dựng và mô phỏng mô hình MHC 2:

Trong mô hình 2 này, các thông số của hệ thống thay đổi như chiều dài cáp và

khối lượng tải. Các giá trị của thông số mô phỏng cho trong bảng 4.2.

Hình 4.12: Thông số mô hình MHC 2 cho mô phỏng

Bảng 4.2: Các giá trị của thông số cho mô phỏng hệ thống MHC 2:

Trường

Thời gian

Quỹ đạo xe đẩy

Hàm nhiễu sóng biển

hợp

mô phỏng

30s 1 x = step(time,0,0,30,2.0) Sw(t) = 0.02sin(1.5time) rad

30s 2 x = step(time,0,0,30,2.0) Sw(t) = 0.04sin(1.5time) rad

30s 3 x = step(time,0,0,30,2.0) Sw(t) = 0.02sin(2.5time) rad

30s 4 x = step(time,0,0,30,2.0) Sw(t) = 0.04sin(2.5time) rad

Kết quả mô phỏng chuyển động lắc của tải treo container theo các thông số

cho trong bảng 4.2 được biểu diễn trên hình 4.13 đến hình 4.16:

(a) Dịch chuyển của tải dưới tác dụng của sóng

(b) Góc lắc của tải khi xe đẩy dịch chuyển

Hình 4.13: Khoảng dịch chuyển và góc lắc của tải trong trường hợp 1 của MHC2

(a) Dịch chuyển của tải dưới tác dụng của sóng

(b) Góc lắc của tải khi xe đẩy dịch chuyển

Hình 4.14: Khoảng dịch chuyển và góc lắc của tải trong trường hợp 2 của MHC2

(a) Dịch chuyển của tải dưới tác dụng của sóng

(b) Góc lắc của tải khi xe đẩy dịch chuyển

Hình 4.15: Khoảng dịch chuyển và góc lắc của tải trong trường hợp 3 của MHC2

(a) Dịch chuyển của tải dưới tác dụng của sóng

(b) Góc lắc của tải khi xe đẩy dịch chuyển

Hình 4.16: Khoảng dịch chuyển và góc lắc của tải trong trường hợp 4 của MHC2

4.4.3. Nhận xét kết quả mô phỏng chuyển động của tải treo:

Qua kết quả mô phỏng hành vi chuyển động và lắc của tải treo trong nhiều

trường hợp thông số nhiễu thay đổi và thông số hệ thống thay đổi, chúng tôi nhận

thấy:

 Khi hệ thống MHC hoạt động trên biển, biên độ dao động và tần số lắc

của tải treo tỉ lệ với biên độ và tần số lắc của sóng biển.

 Tần số lắc của tải treo cũng bị ảnh hưởng khi thay đổi thông số của hệ

thống MHC (khối lượng và chiều dài cáp thay đổi).

 Việc lắc của tải treo trong hệ thống MHC rất phức tạp và khó dự đoán,

nên việc chống lắc theo phương pháp truyền thống (người vận hành điều

khiển chuyển động của xe đẩy để khắc chế dao động lắc) là không thể

thực hiện được.

Do đó, trong luận văn này ngoài hệ thống cơ khí chống lắc như chúng tôi đã

giới thiệu. Nhiệm vụ trọng tâm của chúng tôi trong luận văn này là thiết kế hệ thống

điều khiển thích nghi, cho việc chống lắc tải treo nhằm giúp hệ thống MHC có thể

làm việc tự động trong bất kỳ trường hợp nào của nhiễu.

CHƯƠNG 5

XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHỐNG LẮC CHO

CẨU CẦU CẢNG DI ĐỘNG

5.1. Tạo một mô hình adams_sys trong Matlab/simulink:

Thiết kế một hệ thống điều khiển cho mô hình mẫu ảo MHC là cần thiết cho

việc mô phỏng kết hợp toàn bộ hệ thống trong ngữ cảnh thật. Trong kỹ thuật mẫu

ảo, quá trình thiết kế điều khiển được phát triển dựa trên ADAMS/Control và

MATLAB/Simulink. Để xuất mô hình cơ khí mẫu ảo của MHC từ môi trường

ADAMS đến môi trường MATLAB, các biến vào và biến ra trước tiên phải được

định nghĩa trong môi trường ADAMS. Tín hiệu vào điều khiển đối tượng là lực

dùng để điều khiển sự dịch chuyển của xe đẩy khung cẩu, các tín hiệu ra là thông số

đo vị trí của xe và góc lắc của tải tương ứng. Sau đó mô hình này sẽ được xuất sang

môi trường MATLAB/Simulink. Hình 5.1

Hình 5.1: Kết nối giữa mô hình Adams và Matlab/Simulink trong điều khiển

Trong môi trường Matlab, một file .m và adams_sys được tạo. Mô hình

adams_sys được gọi là mô hình non-linear MSC.ADAMS (Mô hình cơ khí của

MHC), được biểu diễn trên hình 5.2. Khối Adams được tạo dựa trên những thông

tin từ file .m [16].

Adams_sys được sử dụng để xây dựng một hệ thống điều khiển trong

Matlab/Simulink, trong mô hình này tín hiệu vào là tín hiệu phát ra từ bộ điều

khiển, và tín hiệu đo là các giá trị đo của khoảng dịch chuyển xe đẩy khung cẩu và

góc lắc của tải tương ứng.

Hình 5.2: Khối Adams trong adams_sys

5.2. Phân tích động học của hệ thống MHC

Hệ thống MHC là một hệ thống bao gồm cẩu giàn lắp đặt trên thiết bị nổi, việc

điều khiển gắp và thả các container được thực hiện tự động thông qua việc điều

khiển chuyển động của xe đẩy. Để nghiên cứu chuyển động của xe đẩy một cách

đơn giản, trong nghiên cứu này chúng tôi đề xuất một số điều kiện để giới hạn phạm

vi nghiên cứu nhằm mô phỏng hệ thống cơ điện tử theo mô hình mẫu ảo:

(1) Thân của thiết bị nổi giả sử được đặt tương đối trong tọa độ Đề các nên

chuyển động xoay tròn quanh trục của tâm thiết bị nổi có thể bỏ qua.

(2) Chuyển động của xe đẩy chạy dọc theo trục x và chuyển động lắc của tải

gây ra bởi chuyển động của xe đẩy dọc theo trục z có thể xem là nhiễu của

hệ thống điều khiển.

(3) Chuyển động lắc của tải treo được xem xét như chuyển động của con lắc

đơn.

(4) Không tính lực ma sát giữa xe đẩy và ray, độ giãn của dây thừng là không

đáng kể.

Hình 5.3: Mô hình hóa động học của xe đẩy

Phương trình chuyển động của xe đẩy dựa trên phương trình Lagrange:

(i=1,2,3,4) (5.1)

Trong đó, L=T-V là phương trình Lagrange, V là năng lượng thế năng, T là

năng lượng động học, qi là tọa độ (x,y,θ) và Ti là lực tác động ngoài (Fx).

(5.2)

(5.3)

(5.4)

Phương trình Lagrange của chuyển động xe đẩy tịnh tiến và chuyển động xoay của

tải treo:

(5.5)

(5.6)

Với x biểu thị khoảng cách tương đối giữa xe đẩy và tọa độ cơ bản của cẩu; xw là

khoảng dịch chuyển của xe đẩy gây ra bởi sóng biển liên quan đến tọa độ tuyệt đối.

xa = x+xw (5.7)

Tuyến tính hóa quá trình chuyển động lắc của xe đẩy, xem xét góc lắc là nhỏ, kết

quả là: . Phương trình chuyển động (5.5) và (5.6) có thể

viết lại: (5.8)

(5.9)

Với u biểu diễn tín hiệu vào, xa biểu diễn vị trí xe đẩy, và  biểu diễn sự quay của tải. Biến trạng thái có thể được gán như sau:

(5.10)

(5.11)

Phương trình trạng thái của hệ thống:

5.3. Thiết kế hệ thống điều khiển cho MHC:

Như đã được phân tích điều kiện làm việc và nguyên lý của MHC ở trên, đối

tượng của MHC là một hệ thống phi tuyến với nhiễu bên ngoài và thông số hệ thống

luôn thay đổi (tần số và biên độ của sóng biển, tải và độ giãn của dây thừng). Để

xây dựng một hệ thống điều khiển vững chắc chống lại sự thay đổi của nhiễu là vấn

đề thách thức cần giải quyết mà các bộ điều khiển truyền thống không thể thực hiện

`được, trong nghiên cứu này, tôi giới thiệu một bộ điều khiển hiện đại gọi là

Adaptive Sliding Mode PID (ASMP) để điều khiển chống lắc cho tải treo trong bất

kỳ điều kiện của nhiễu và thông số hệ thống thay đổi. Để đạt được mục tiêu điều

khiển trên, bộ điều khiển ASMP thiết kế là sự kết hợp ưu điểm của bộ điều khiển

PID và bộ điều khiển Sliding Mode [18], và luật thích nghi cũng được thiết kế cho

phép bộ điều khiển thay đổi thích nghi với điều kiện làm việc một cách phù hợp.

Hình 5.4 biểu diễn sơ đồ khối của bộ điều khiển ASMP để điều khiển chóng lắc cho

cẩu di động cầu cảng.

Rất nhiều nghiên cứu trước đây ứng dụng phương pháp điều khiển Sliding

Mode Control (SMC) để điều khiển các hệ thống không ổn định [8, 15, 23]. SMC là

một phương pháp điều khiển hiện đại, sử dụng kỹ thuật không gian trạng thái để

phân tích như một hệ thống, ưu điểm của SMC giúp hệ thống bền vững chống lại sự

biến đổi của thông số hệ thống và nhiễu bên ngoài. Cách thức hoạt động của SMC

đối với sự không ổn định là điều khiển để đưa các quỹ đạo trạng thái của đối tượng

lên mặt trượt và duy trì quỹ đạo lỗi trên mặt trượt này cho tất cả các lần tiếp theo.

Mặt trượt định nghĩa là là sự hội tụ nhằm đưa lỗi trạng thái của hệ thống tiến đến

zero dựa theo tín hiệu vào tham chiếu [23]. Một luật thích nghi được thiết kế thêm

vào để các thông số PID gains của bộ điều khiển có thể cập nhật liên tục theo cơ chế

thích nghi để đối phó với sự thay đổi của thông số hệ thống và nhiễu bên ngoài.

Hình 5.4: Sơ đồ khối của bộ điều khiển ASMP cho MHC

Để thiết kế hệ thống điều khiển cho đối tượng phi tuyến như trường hợp MHC

có một đầu vào (tín hiệu điều khiển u), và hai đầu ra (vị trí và góc lắc của tải x, và

), phương trình không gian trạng thái của đối tượng có thể viết lại tổng quát như

(5.12)

Trong đó: X=(x1, x2, x3, x4) là véc tơ biến trạng thái biểu diễn vị trí, vận tốc của

xe đẩy, góc lắc và vận tốc góc của tải treo; f1(X), f2(X), b1(X) và b2(X) là các hàm phi

tuyến; d1(t) và d2(t) là các hàm nhiễu bị chặn, hàm này bao gồm các thay đổi thông

số hệ thống và nhiễu (nghĩa là, thỏa mãn |d1(t)|≤d1M và |d2(t)|≤d2M, khi d1M, d2M là

các hằng số âm chưa biết), và u là tín hiệu điều khiển vào để điều khiển vị trí của xe

đẩy và góc lắc của tải để đạt được mục tiêu mong muốn.

Từ phương trình (5.12), hệ thống điều khiển MHC được phân làm hai hệ thống

con, bao gồm: hệ thống điều khiển vị trí của xe đẩy, và hệ thống điều khiển chống

lắc cho tải treo.

Mặt trượt của hai hệ thống con được định nghĩa như sau:

(5.13)

Trong công việc này, một tín hiệu điều khiển u được thiết kế để điều khiển vị

trí xe đẩy và đè nén góc lắc của tải một cách đồng thời, phương pháp thiết kế này là

thiết kế một tín hiệu vào điều khiển để điều khiển hai nhiệm vụ đồng thời. Do đó,

trong luận văn này tôi chỉ trình bày phương pháp xây dựng phương trình toán điều

khiển cho một trường hợp cụ thể là điều khiển vị trí cho xe đẩy, trường hợp điều

khiển góc lắc thì tương tự:

Mặt trượt của bộ điều khiển được xây dựng như sau:

(5.14)

là sai số của vị trí, là vị trí mong muốn; là vị trí đo,

Trong đó: và là hằng số dương.

Đạo hàm phương trình (5.14), ta được:

(5.15)

Thay thế = từ phương trình (5.12) vào phương trình (5.15), ta có:

(5.16)

Tín hiệu điều khiển u của bộ điều khiển PID được thiết kế dựa trên phương

trình (5.16):

(5.17)

Trong đó, : vector gain của bộ PID; : vector

cơ bản của bộ PID ; là lỗi xấp xỉ.

Tín hiệu điều khiển ux của bộ điều khiển vị trí được xác định như sau:

(5.18)

Trong đó là giá trị ước tính của vector A, ; là tín hiệu điều

khiển của bộ điều khiển phụ.

Thay thế phương trình (5.18) vào phương trình (5.16), ta được:

(5.19)

Trong đó: là sai số ước lượng

Để trạng thái ổn định, hàm Lyapunov có thể được sử dụng.

(5.20)

Đạo hàm phương trình (5.20), ta được:

(5.21)

Từ phương trình (5.21), chúng ta có:

(5.22)

Do đó,

Ba thông số PID gains bao gồm KP, KI, và KD được cập nhật liên tục dựa trên luật

thích nghi.

(5.23)

Khảo sát phương trình (5.21), ta có:

(5.24)

Trong đó: là hàm dấu.

(5.25)

Hệ phương trình (5.21) chứng minh mặt phẳng trượt luôn ổn định theo lý

thuyết ổn định của Lyapunov.

Tín hiệu vào điều khiển cho mô hình MHC là kết hợp điều khiển vị trí của đầu

vào ux và đầu vào điều khiển uθ là:

(5.26)

CHƯƠNG 6 KẾ T QUẢ MÔ PHỎNG

6.1. Mô phỏng kết hợp cơ khí và điều khiển:

Trong phần này, mô phỏng được thực hiện trên mô hình mẫu ảo của MHC

dưới điều kiện của nhiễu sóng biển và thông số hệ thống thay đổi, nhiễu sóng được

thay đổi bởi độ cao và tần số của sóng biển, trong khi đó thông số hệ thống (tải và

độ giãn của dây cáp) được thay đổi bởi thay đổi chiều dài và khối lượng, giá trị của

các thông số sử dụng cho mô phỏng được cho trong bảng 3.

Bảng 6.1: Các giá trị thông số của hệ thống MHC cho mô phỏng

Thông số Giá trị

Thời gian mô phỏng (t) 30 sec

Mục tiêu điều khiển:

2.0 m - Vị trí xe đẩy mong muốn (Xd)

- Góc lắc của tải mong muốn (θd) 0 rad

Thông số mô hình:

- Độ cao cẩu (h)

3 m 1.2 m; 1.5 m - Chiều dài cáp (l)

127 kg - Khối lượng xe đẩy (mt)

148 kg; 350kg - Khối lượng tải (ml)

Thông số nhiễu:

- Độ cao sóng biển (hw) 0.02 m; 0.04 m

1.5 rad/sec; 3 rad/sec

- Tần số sóng biển (fw) Thống số gains của bộ điều khiển ASMP:

- Bám theo vị trí mong muốn

- Bám theo góc lắc mong muốn

Một bộ điều khiển được gọi là tối ưu khi chất lượng điều khiển thỏa mãn các

tiêu chí như trong tài liệu [18]:

Đối với bộ điều khiển vị trí cho điều khiển xe đẩy của MHC:

 Độ vọt lố (Overshoot) ≤ 2 %

 Thời gian đáp ứng (Settling time) ≤ 5 s

 Sai lệch trạng thái (Steady state error) ≤ ±15 %

Đối với bộ điều khiển góc lắc của tải treo:

 Thời gian đáp ứng (Settling time) ≤ 5 s

 Sai lệch góc lắc (Residual swing) ≤ ±0.05 rad.

Kết quả mô phỏng được biểu diễn từ hình 6.1 đến hình 6.12:

(a) (b)

Hình 6.1: Đáp ứng vị trí và góc của bộ điều khiển ASMP với hw=0.02m, fw=1.5rad/s, l=1.2m, ml=148kg. (a) Chuyển động xe; (b) Chuyển động lắc của tải.

(a) (b)

Hình 6.2: Đáp ứng vị trí và góc của bộ điều khiển ASMP với hw=0.04m, fw=1.5rad/s, l=1.2m, ml=148kg. (a) Chuyển động xe; (b) Chuyển động lắc của tải.

(a) (b)

Hình 6.3: Đáp ứng vị trí và góc của bộ điều khiển ASMP với hw=0.02m, fw=3rad/s, l=1.2m, ml=148kg. (a) Chuyển động xe; (b) Chuyển động lắc của tải.

(a) (b)

Hình 6.4: Đáp ứng vị trí và góc của bộ điều khiển ASMP với hw=0.04m, fw=3rad/s, l=1.2m, ml=148kg. (a) Chuyển động xe; (b) Chuyển động lắc của tải.

(a) (b)

Hình 6.5: Đáp ứng vị trí và góc của bộ điều khiển ASMP với hw=0.02m, fw=1.5rad/s, l=1.5m, ml=350kg. (a) Chuyển động xe; (b) Chuyển động lắc của tải.

(a) (b)

Hình 6.6: Đáp ứng vị trí và góc của bộ điều khiển ASMP với hw=0.04m, fw=1.5rad/s, l=1.5m, ml=350kg. (a) Chuyển động xe; (b) Chuyển động lắc của tải.

(a) (b)

Hình 6.7: Đáp ứng vị trí và góc của bộ điều khiển ASMP với hw=0.02m, fw=3 rad/s, l=1.5m, ml=350kg. (a) Chuyển động xe; (b) Chuyển động lắc của tải.

(a) (b)

Hình 6.8: Đáp ứng vị trí và góc của bộ điều khiển ASMP với hw=0.02m, fw=3rad/s, l=1.5m, ml=350kg. (a) Chuyển động xe; (b) Chuyển động lắc của tải.

Thông qua so sánh các đáp ứng giữa không điều khiển và điều khiển với bộ

điều khiển ASMP như biểu diễn từ hình 6.1-6.8, các đồ thị đạt được khi mô phỏng

trên mô hình mẫu ảo được đánh giá dựa trên những tiêu chí điều khiển trên. Đồ thị

vị trí của xe đẩy được đánh giá theo các tiêu chuẩn, độ vọt lố, thời gian đáp ứng và

độ sai lệch, trong khi đó góc lắc của tải treo được đánh giá dựa trên biên độ lắc và

thời gian đáp ứng.

6.2. Đánh giá kết quả mô phỏng:

Bảng 6.2, 6.3, 6.4, và 6.5 biểu diễn các so sánh của đặc tính vị trí của xe cẩu

và góc lắc của tải giữa hai trường hợp không điều khiển và điều khiển với bộ điều

khiển đã thiết kế ASMP, trong tất cả các trường hợp nhiễu và thông số hệ thống

thay đổi. Các đánh giá của các đặt tính vị trí xe cẩu và góc lắc của tải dựa trên so

sánh chi tiết trong các bảng bên dưới.

Bảng 6.2: So sánh đặc tính vị trí trong các trường hợp mô phỏng TH1

Hình Hình Hình Hình

6.1a 6.2a 6.3a 6.4a Mô phỏng Đặc tính

Không điều khiển 0.12 0.06 0.12 0.06

Dao động điều hòa với biên độ (m) Điều khiển với bộ ASMP

1 4 0 1 4 0 1.5 4 0 1.5 4 0

Overshoot (%) Settling time (s) Error (m)

Bảng 6.3: So sánh đặc tính của góc lắc tải trong các trường hợp mô phỏng TH1

Hình Hình Hình Hình

6.1b 6.2b 6.3b 6.4b Mô phỏng Đặc tính

Không điều khiển 0.75 0.1 0.12 0.43 Dao động điều hòa với biên độ (rad)

Điều khiển với bộ ASMP

0.12 2.6 0.12 2.6 0.13 2.6 0.14 2.6

Amplitude (rad) Settling time (s)

Bảng 6.4: So sánh đặc tính vị trí trong các trường hợp mô phỏng TH2

Hình Hình Hình Hình

6.5a 6.6a 6.7a 6.8a Mô phỏng Đặc tính

Không điều khiển 0.12 0.06 0.12 0.06

Dao động điều hòa với biên độ (m) Điều khiển với bộ ASMP

1.4 5 0 1.8 5 0 1.1 5 0 1.5 5 0

Overshoot (%) Settling time (s) Error (m) Bảng 6.5: So sánh đặc tính của góc lắc tải trong các trường hợp mô phỏng TH2

Hình Hình Hình Hình

6.5b 6.8b 6.6b 6.7b Mô phỏng Đặc tính

Không điều khiển 0.34 0.14 0.18 0.20 Dao động điều hòa với biên độ (rad)

Điều khiển với bộ ASMP

0.13 3.8 0.16 3.8 0.15 3.8 0.15 3.8

Amplitude (rad) Settling time (s)

Qua kết quả so sánh các trường hợp mô phỏng, tôi nhận thấy: độ vọt lố

(overshoot) xuất hiện ít hơn 2%, thời gian đáp ứng (settling time) duy trì trong

khoảng 4-5s, và lỗi trạng thái (steady state error) xấp xỉ bằng zero. Các đáp ứng vị

trí của xe đẩy bám theo vị trí mong muốn, và thành phần lắc dọc của tải treo hầu

như bị loại bỏ. Do đó, tôi có thể kết luận rằng bộ điều khiển thiết kế ASMP có thể

áp dụng cho trường hợp của cẩu cầu cảng di động để điều khiển chính xác vị trí của

xe và chống lắc cho tải treo. Tóm lại, dựa trên kết quả đánh giá từ tất cả các trường

hợp mô phỏng với nhiễu và thông số hệ thống thay đổi, tôi có thể kết luận bộ điều

khiển thiết kế ASMP là bộ điều khiển bền vững trong tất cả các trường hợp thông số

hệ thống và nhiễu thay đổi.

CHƯƠNG 7 KẾ T LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI

7.1. Kết luâ ̣n:

7.1.1. Các nhiệm vụ đã hoàn thành:

Kỹ thuật mẫu ảo là kỹ thuật tiên tiến giúp cho các kỹ sư cơ điện tử có thể mô

phỏng và hiện thực ý tưởng của mình ngay từ khâu thiết kế thành phần cơ khí, phân

tích động lực học, thiết kế bộ điều khiển, mô phỏng và kiểm thử các thông số trước

khi triển khai thực tế. Việc này giúp giảm chi phí kiểm thử trên mô hình thực tế,

giảm rủi ro hư hỏng, tăng tính linh hoạt thiết kế và triển khai nâng cấp hệ thống.

Đặc biệt, kỹ thuật này nếu áp dụng trong môi trường nghiên cứu giúp cho giảng

viên và sinh viên có thể ứng dụng trong bài học, bài tập…

Dựa trên các kết quả phân tích, tính toán, thiết kế và mô phỏng, luận văn này đã bước đầu giới thiệu quy trình xây dựng mẫu ảo và giải quyết đươ ̣c các vấn đề sau:

Phân tích hoạt động và điều kiện làm việc của MHC hoạt động trên biển.

Mô hình hóa và xây dựng mô hình mẫu ảo hệ thống cơ khí cho hệ MHC.

Mô phỏng hành vi động lực học của hệ thống cơ khí của hệ thống cẩu cầu

cảng di động dựa trên mô hình mẫu ảo với các điều kiện như trong ngữ

cảnh thật để khám phá hành vi cơ khí của hệ thống.

Xây dựng hệ thống điều khiển ASMP cho mô hình mẫu ảo của hệ MHC.

Mô phỏng kết hợp hệ thống điều khiển hệ MHC dựa trên phương pháp

điều khiển ASMP được thiết lập trong phần mềm ADAMS và

MATLAP/Simulink để nghiên cứu đặc tính của bộ điều khiển trong tất cả

trường hợp nhiễu và thông số hệ thống thay đổi.

7.1.2. Hạn chế:

Khi thiết kế hệ thống điều khiển chỉ tập trung khống chế chống lắc với thành

phẩn lắc dọc của tải treo, trong thực tế hệ thống MHC có các thành phần lắc ngang

và xoáy, luận văn chỉ giới thiệu hệ chống lắc cơ khí nhưng chưa có giải pháp để kết

hợp trong nghiên cứu này.

7.2. Hướ ng phá t triển:

Chế tạo một mô hình hệ thống MHC hoàn chỉnh hoặc một mô hình thu

nhỏ để khảo sát một cách toàn diện nhất về hệ MHC.

Kết hợp với hệ thống chống lắc điện với hệ cơ khí để tạo thành một hệ

thống hoàn thiện có thể chóng lắc tất cả các trường hợp của nhiễu gồm:

lắc dọc, lắc ngang, và xoay.

TÀ I LIỆU THAM KHẢ O

1. A. Z. Al-Garni, K. A. F. Moustafa and S. S. A. K. Javeed Nizami, “Optimal

control of overhead cranes,” Control Eng. Practice, vol. 3, no. 9, pp. 1277-

1284, 1995.

2. Y. S. Kim, H. S. Seo and S. K. Sul, “A new anti- sway control scheme for

trolley crane system,” Industry applications conference of Thirty-sixth IAS

Annual Meeting, vol. 1, pp. 548-552, Korea, September 2001.

3. K. T. Hong, C. D. Huh and K. S. Hong, “Command Shaping Control for

Limiting the Transient Sway Angle of Crane Systems,” International Journal

of Control, Automation, and Systems, vol. 1, no. 1, pp. 43-53, 2003.

4. Y. S. Kim, K. S. Hong and S. K. Sul, “Anti-Sway Control of Container

Cranes: Inclinometer, Observer, and State Feedback,” International Journal

of Control, Automation, and Systems, vol. 2, no. 4, pp. 435-449, 2004.

5. Y. Fang, W. E. Dixon, D. M. Dawson and E. Zergeroglu, “Nonlinear

coupling control laws for an underactuated overhead crane system,”

Mechatronics, IEEE/ASME Transactions on, vol. 8, no. 3, pp. 418-423,

September 2003.

6. H. Kawai, Y. B. Kim and Y. W. Choi, “Anti-sway system with image sensor

for container cranes,” J. Mech. Sci. Technol., vol. 23, no. 10, pp. 2757–2765,

2009.

7. H. Park, D. Chwa, and K.-S. Hong, “A feedback linearization control of

container cranes: Varying rope length,” Int. J. Control Autom. Syst., vol. 5,

no. 4, pp. 379–387, 2007.

8. Q. H. Ngo and K. S. Hong, “Sliding mode antisway control of an offshore

container crane,” Mechatronics, IEEE/ASME transactions on, vol. 17, no. 2,

pp. 201-209, April 2012.

9. Y. Yoshida and H. Tabata, “Visual feedback control of an overhead crane and

its combination with time-optimal control,” Advanced Intelligent

Mechatronics, 2008. IEEE/ASME International Conference, pp. 1114-1119,

July 2008.

10. Y. S. Kim, H. Yoshihara, N. Fujioka, H. Kasahara, H. Shim and S. K. Sul, “A

new vision-sensorless anti-sway control system for container cranes,”

Industry Applications conference of 38th IAS Annual Meeting, vol. 1, pp. 262-

269, October 2003.

11. K. R. Park and D. S. Kwon, “Swing-free control of mobile harbour crane

with accelerometer feedback,” International Conference on Control,

Automation and Systems 2010, pp. 1322-1327, Oct. 2010.

12. Q. H. Ngo, K. S. Hong, K. H. Kim, Y. J. Shin, and S. H. Choi, “Skew control of a container crane,” International conference on control, automation and systems, pp. 1490-1494, Oct. 2008.

13. J. J. Jang, and G. J. Shinn, “Analysis of maximum wind force for offshore

structure design,” Journal of marine science and technology, vol.7, no.1, pp.

43-51, 1999.

14. P. T. D. Spanos, “Filter approaches to wave kinematics approximations,”

Journal of Applied Ocean Research, vol. 8, no. 1, pp. 2-7, Jan. 1986.

15. W. Wang, J. Yi, D. Zhao and D. Liu, “Design of a stable sliding-mode

controller for a class of second-order underactuated systems,” IEE Proc.-

Control Theory Appl., vol. 151, no. 6, pp. 683-690, Nov. 2004.

16. C. alexandru and C. pozna, “Dynamic modeling and control of the

windshield wiper mechanisms,” Journal WSEAS transactions on systems,

vol. 8, no. 7, pp. 825-834, July 2009.

17. T. C. Kuo, Y. J. Huang, C. Y. Chen, and C. H. Chang, “Adaptive sliding