Mô hình hóa và điều khiển cầu trục nhằm nâng cao chất lượng làm việc

BỘ CÔNG THƯƠNG

BỘ GIÁO DỤC&ĐÀO TẠO

VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ

VŨ VĂN KHOA

MÔ HÌNH HÓA VÀ ĐIỀU KHIỂN CẦU TRỤC NHẰM NÂNG CAO

CHẤT LƯỢNG LÀM VIỆC

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI – NĂM 2016


BỘ CÔNG THƯƠNG

BỘ GIÁO DỤC&ĐÀO TẠO

VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ

VŨ VĂN KHOA

MÔ HÌNH HÓA VÀ ĐIỀU KHIỂN CẦU TRỤC NHẰM NÂNG CAO
CHẤT LƯỢNG LÀM VIỆC

Chuyên ngành : Kỹ thuật Cơ khí
Mã số

: 62 52 01 03

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS. TS. Nguyễn Chỉ Sáng
2. TS. Nguyễn Quang Hoàng

HÀ NỘI - NĂM 2016


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu,
kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố
trong bất kỳ công trình nào khác.
Tác giả

Vũ Văn Khoa


ii

LỜI CÁM ƠN
Tác giả xin chân thành cám ơn các thầy, cô giáo đã tham gia giảng dạy,
đào tạo trong suốt quá trình tác giả học nghiên cứu sinh và tác giả cũng chân
thành cám ơn các thầy cô trong các hội đồng đánh giá nghiên cứu sinh đã có
những góp ý về chuyên môn giúp nghiên cứu sinh hoàn thiện hơn luận án.
Đặc biệt, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới PGS.TS Nguyễn Chỉ
Sáng và TS. Nguyễn Quang Hoàng những người đã tận tình hướng dẫn tác

giả hoàn thành luận án.
Đồng thời tác giả cũng xin chân thành cám ơn Trung tâm đào tạo- Viện
Nghiên cứu Cơ khí đã tạo mọi điều kiện thuận lợi và động viên trong suốt quá
trình nghiên cứu sinh và hoàn thành luận án. Cuối cùng tác giả ghi lòng sự hỗ
trợ về vật chất và động viên tinh thần của bạn bè, đồng nghiệp và những
người thân trong gia đình trong suốt quá trình nghiên cứu sinh hoàn thành
luận án này.

NCS: Vũ Văn Khoa


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................. i
LỜI CÁM ƠN ................................................................................................... ii
DANH MỤC MỘT SỐ KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................... vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ .................................................. viii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ..................................................................... x
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ CẦU TRỤC VÀ ĐIỀU KHIỂN CẦU TRỤC ... 5
1.1. Khái niệm và phân loại cầu trục ............................................................. 5
1.1.1. Khái niệm cầu trục .......................................................................... 5
1.1.2. Các thành phần chính của cầu trục................................................... 5
1.1.3. Các yêu cầu kỹ thuật của cầu trục .................................................... 7
1.1.4. Phân loại cầu trục ........................................................................... 10
1.1.6. Xu hướng phát triển cầu trục ......................................................... 16
1.2. Mô hình hóa cầu trục ............................................................................ 17
1.3. Điều khiển cầu trục ............................................................................... 19
1.3.1. Đặc điểm bài toán điều khiển hệ thống cầu trục ............................ 19

1.3.2. Các phương pháp điều khiển cầu trục ............................................ 21
1.3.3. Điều khiển chống lắc...................................................................... 26
1.3.4. Bộ điều khiển PID .......................................................................... 29
1.4. Kết luận chương 1 ................................................................................ 32
Chương 2. MÔ HÌNH HÓA HỆ CẦU TRỤC ................................................ 33
2.1. Mô hình động lực học tổng quát hệ cầu trục ........................................ 33
2.1.1. Mô hình vật lý hệ cầu trục và các chế độ làm việc ........................ 33
2.1.2. Thiết lập phương trình vi phân chuyển động hệ cầu trục .............. 34
2.1.3. Mô hình động lực học trong không gian trạng thái ....................... 42

NCS: Vũ Văn Khoa


iv
2.1.4. Phương trình tuyến tính hóa quanh vị trí đích ............................... 42
2.2. Mô hình động lực học hệ cầu trục trong các chế độ làm việc .............. 43
2.2.1. Chế độ nâng hạ hàng ...................................................................... 43
2.2.2. Chế độ di chuyển ngang ................................................................. 44
2.2.3. Chế độ di chuyển ngang và nâng hạ hàng...................................... 46
2.2.4. Chế độ di chuyển ngang và dọc đồng thời ..................................... 48
2.3. Mô hình động lực học cơ - điện hệ cầu trục ......................................... 50
2.4. Mô hình hóa hệ cầu trục trong MATLAB............................................ 62
2.5. Kết luận chương 2 ................................................................................ 72
Chương 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CẦU TRỤC .................. 74
3.1. Xây dựng cấu trúc hệ thống điều khiển cầu trục .................................. 74
3.2. Thiết kế hệ thống điều khiển cầu trục bằng giải thuật Nelder-Mead ... 77
3.2.1. Tính chất động lực của hệ cầu trục ................................................ 77
3.2.2. Thiết kế điều khiển dựa trên năng lượng ....................................... 79
3.2.3. Thiết kế bộ điều khiển trên cơ sở tính chất thụ động của tín hiệu
vào theo x và  ...................................................................................... 81

3.2.4. Tối ưu tham số điều khiển bằng giải thuật Nelder-Mead .............. 83
3.3. Thiết kế hệ thống điều khiển cầu trục bằng giải thuật di truyền .......... 89
3.3.1. Giải thuật di truyền (GA) ............................................................... 89
3.3.2. Tối ưu các tham số bộ PID và PD bằng giải thuật GA .................. 91
3.4. Thiết kế hệ thống điều khiển cầu trục bằng giải thuật tối ưu bày đàn . 97
3.4.1. Giải thuật tối ưu bày đàn (PSO) ..................................................... 97
3.4.2. Tối ưu các tham số bộ điều khiển PD và PID bằng giải thuật PSO .. 100
3.5. Kết luận chương 3 .............................................................................. 108
4.1. Mô hình cầu trục thực nghiệm............................................................ 110
4.1.1. Tủ điều khiển................................................................................ 112
4.1.2. Đối tượng điều khiển, cơ cấu chấp hành...................................... 113

NCS: Vũ Văn Khoa


v
4.1.3. Cảm biến vị trí và cảm biến góc lắc của cáp................................ 113
4.1.4. Máy tính và phần mềm điều khiển, xử lý, hiện thị số liệu đo...... 113
4.2. Thử nghiệm hệ thống điều khiển cầu trục .......................................... 114
4.2.1. Thử bộ điều khiển cầu trục bằng giải thuật GA ........................... 114
4.2.2. Thử bộ điều khiển cầu trục bằng giải thuật PSO ......................... 116
4.3. Kết luận chương 4 .............................................................................. 119
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ....................................................................... 120
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ.................................... 122
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 123

NCS: Vũ Văn Khoa


vi

DANH MỤC MỘT SỐ KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
GA

Giải thuật di truyền (Genetic Algorithm)

HIL

Mô hình mô phỏng bán tự nhiên (Hardware-in-the-loop)

PD

Bộ điều khiển tỷ lệ - vi phân (Proportional-Derivative)

PID

Bộ điều khiển tỷ lệ-tích phân-vi phân (Proportional-Integral-Derivative)

PSO

Giải thuật tối ưu bày đàn (Particle Swarm Optimization)

FLC

Điều khiển tuyến tính hoá hồi tiếp (Feedback Loop Control)

PLC

Bộ điều khiển lôgic khả trình (Programmable Logic Controller)

CCD

Linh kiện tích điện kép (Charge Coupled Device)



Góc lắc của dây cáp trong mặt phẳng chuyển động của xe con

b1, b2

Hệ số cản chuyển động xe cầu và xe con



Góc lắc của dây cáp trong mặt phẳng chuyển động của xe cầu

C(q, q)

Ma trận cản

Ft , Fb , Fl

Lực kéo xe con, xe cầu và kéo cáp



Hàm hao tán do các thành phần cản tuyến tính;

g

Gia tốc trọng trường

Ii

Dòng điện chạy trong động cơ thứ i

i1, i2, i3

Tỉ số truyền từ trục động cơ đến trục bánh xe, tang cuốn cáp

J m1, J m 2, J m 3 Mô men quán tính của roto
km,i , ke,i

Hằng số mômen và hằng số phản sức điện động của động cơ

l

Chiều dài của dây cáp

M(q)

Ma trận khối lượng

mb

Khối lượng xe cầu

mt

Khối lượng xe con

NCS: Vũ Văn Khoa


vii
mp

Khối lượng tải trọng (hàng hóa)



Thế năng của hệ

Qi

Lực suy rộng không thế tương ứng với tọa độ suy rộng thứ i

qi

Bậc tự do thứ i

qe

Tọa độ suy rộng điện

vb , vt , v p

Độ lớn vận tốc của khối tâm xe cầu, xe con và tải trọng

T

Động năng của hệ

x

Dịch chuyển của xe con trên cầu theo trục Ox

y

Dịch chuyển của xe cầu trên cầu theo trục Oy

NCS: Vũ Văn Khoa


viii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Các thành phần chính của cầu trục ................................................... 5
Hình 1.2. Cầu trục một dầm. ........................................................................... 12
Hình 1.3. Cầu hai dầm kép. ............................................................................. 12
Hình 1.4. Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID .................................................. 30
Hình 2.1. Mô hình động lực học cầu trục dạng tổng quát. ............................. 35
Hình 2.2. Mô hình cầu trục 1D. ...................................................................... 44
Hình 2.3. Mô hình cầu trục 2D. ...................................................................... 44
Hình 2.4. Mô hình động học động cơ điện một chiều .................................... 51
Hình 2.5. Chương trình mô phỏng hệ cầu trục ............................................... 63
Hình 2.6. Mô hình mô phỏng hệ cầu trục ở chế độ di chuyển ngang hoặc di
chuyển dọc (2 bậc tự do) ...................................................................... 64
Hình 2.7. Mô hình mô phỏng hệ cầu trục ở chế độ di chuyển ngang hoặc di
chuyển dọc và nâng hạ hàng (3 bậc tự do) ........................................... 64
Hình 2.8. Mô hình mô phỏng hệ cầu trục ở chế độ di chuyển ngang và di
chuyển dọc đồng thời (4 bậc tự do) ...................................................... 65

Hình 2.9. Mô hình mô phỏng hệ cầu trục ở chế độ nâng hạ hàng, di chuyển
ngang và dọc đồng thời (5 bậc tự do) ................................................... 66
Hình 2.10. Đáp ứng của hệ cầu trục ở chế độ di chuyển ngang và nâng hạ
hàng đồng thời khi tải trọng mp=0,5 kg. ............................................... 68
Hình 2.11. Đáp ứng của hệ cầu trục ở chế độ di chuyển ngang và nâng hạ
hàng đồng thời khi tải trọng mp=2,5 kg. ............................................... 68
Hình 2.12. Đáp ứng của hệ cầu trục ở chế độ di chuyển ngang và nâng hạ
hàng đồng thời khi tải trọng mp=5 kg. .................................................. 69
Hình 2.13. Di chuyển của xe con. ................................................................... 70
Hình 2.14. Di chuyển của xe cầu. ................................................................... 70
Hình 2.15. Chiều dài cáp. ................................................................................ 71

NCS: Vũ Văn Khoa


ix
Hình 2.16. Góc lắc . ...................................................................................... 71
Hình 2.17. Góc lắc . ...................................................................................... 72
Hình 3.1. Sơ đồ cấu trục hệ thống điều khiển cầu trục ở chế độ di chuyển
ngang hoặc di chuyển dọc .................................................................... 75
Hình 3.2. Sơ đồ cấu trục hệ thống điều khiển cầu trục ở chế độ di chuyển
ngang và di chuyển dọc đồng thời ........................................................ 76
Hình 3.3. Giá trị hàm mục tiêu qua các bước lặp ........................................... 87
Hình 3.4. Đáp ứng của hệ được chính định bằng giải thuật NM với các khối
lượng khác nhau.................................................................................... 87
Hình 3.5. Đáp ứng của hệ được chính định bằng giải thuật NM với các chiều
dài cáp ban đầu khác nhau. ................................................................... 88
Hình 3.6. Chỉnh định tham số của bộ PID và PD cho cầu trục ở chế độ di
chuyển ngang hoặc dọc bằng giải thuật GA ......................................... 92
Hình 3.7. Sơ đồ giải thuật GA tối ưu các tham số của bộ PID ....................... 94

Hình 3.8. Đáp ứng của hệ được chính định bằng giải thuật GA với các khối
lượng khác nhau.................................................................................... 95
Hình 3.9. Đáp ứng của hệ được chính định bằng giải thuật GA với các chiều
dài cáp ban đầu khác nhau. ................................................................... 95
Hình 3.10. Thiết kế bộ PID trên cơ sở giải thuật PSO .................................... 99
Hình 3.11. Tối ưu các tham số của bộ PID và PD cho cầu trục ở chế độ di
chuyển ngang hoặc dọc bằng giải thuật PSO ..................................... 102
Hình 3.12. Mô hình mô phỏng hệ thống điều khiển cầu trục 2D ................. 104
Hình 3.13. Thuật toán tối ưu các tham số của bộ điều khiển PID và PD bằng
giải thuật PSO. .................................................................................... 105
Hình 3.14. Đáp ứng của hệ được chính định bằng giải thuật PSO với các chiều
dài cáp ban đầu khác nhau. ................................................................. 106

NCS: Vũ Văn Khoa


x
Hình 3.15. Đáp ứng của hệ được chính định bằng giải thuật PSO với các chiều
dài cáp ban đầu khác nhau. ................................................................. 107
Hình 4.1. Sơ đồ khối chức năng hệ cầu trục thực nghiệm. ........................... 111
Hình 4.2. Hệ thống cầu trục thử nghiệm ....................................................... 111
Hình 4.3. Giao diện phần mềm điều khiển và hiển thị kết quả đo................ 114
Hình 4.4. Đáp ứng của hệ với tải trọng 0,5 kg, chiều dài cáp 0,5 m ............ 115
Hình 4.5. Đáp ứng của hệ với tải trọng 2,5 kg, chiều dài cáp 0,5 m ............ 116
Hình 4.6. Đáp ứng của hệ với tải trọng 5 kg, chiều dài cáp 0,5 m ............... 116
Hình 4.7. Kết quả thử nghiệm khi tải trọng 0,5 kg, chiều dài cáp 0,5 m ...... 117
Hình 4.8. Kết quả thử nghiệm khi tải trọng 2,5 kg, chiều dài cáp 0,5 m ...... 117
Hình 4.9. Kết quả thử nghiệm khi tải trọng 5 kg, chiều dài cáp 0,5 m ......... 118
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Ảnh hưởng của các tham số đến chất lượng hệ thống điều khiển. . 31

Bảng 2.1. Thông số cầu trục mẫu sử dụng cho mô phỏng số ......................... 66
Bảng 3.1. Kết quả đánh giá hiệu quả hệ thống điều khiển khi L0=1 m. ......... 88
Bảng 3.2. Kết quả đánh giá hiệu quả hệ thống điều khiển mp=2,5 kg. ........... 88
Bảng 3.3. Tham số thiết kế tối ưu của các bộ điều khiển PID, PD cho cầu trục
bằng giải thuật GA. ............................................................................... 94
Bảng 3.4. Kết quả đánh giá hiệu quả hệ thống điều khiển khi L0=1 m. ......... 96
Bảng 3.5. Kết quả đánh giá hiệu quả hệ thống điều khiển mp=2,5 kg. ........... 96
Bảng 3.6. Tham số thiết kế tối ưu của các bộ điều khiển PID, PD............... 107
Bảng 3.7. Kết quả đánh giá hiệu quả hệ thống điều khiển............................ 107

NCS: Vũ Văn Khoa


1
MỞ ĐẦU
1. Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài
Trong xu hướng toàn cầu hóa ngày càng sâu rộng, năng suất lao động có
tính chất quyết định đến sự thành công của mỗi ngành trong chuỗi giá trị toàn
cầu. Chúng ta đang phấn đấu đến năm 2020, năng suất lao động của Việt Nam
đạt ASEAN 6 và đến năm 2025 đạt ASEAN 4. Để đạt được các mục tiêu này,
các ngành cần phải có sự đổi mới công nghệ một cách mạnh mẽ. Trong các
ngành xây dựng công nghiệp, cơ khí, đóng tàu, vận tải, vật liệu xây dựng, cầu
cảng..., họ các thiết bị nâng chuyển như cầu trục có vai trò rất quan trọng
trong việc tăng năng suất lao động.
Cùng với sự phát triển của nền kinh tế, khoa học kỹ thuật, cầu trục ngày
càng được hoàn thiện có tính năng ưu việt hơn, đáp ứng tốt các yêu cầu vận
hành như công suất, mức độ tự động hóa cao, vận hành an toàn và hiệu quả…
Tuy nhiên, cầu trục luôn tồn tại một số vấn đề: Trong quá trình di chuyển
hàng thường bao gồm chuyển động lắc không mong muốn của khối lượng
hàng do chúng thường được treo bằng dây cáp mềm. Chuyển động lắc này

dẫn đến giảm hiệu quả làm việc, đôi khi gây nguy hiểm cho hàng hóa và làm
mất an toàn lao động, do đó chuyển động lắc phải được dập tắt càng nhanh
càng tốt.
Trong thực tế, sự lắc của khối lượng hàng thường được dập tắt thông qua
điều chỉnh chuyển động của xe con hoặc xe cầu do cầu trục không có bộ phận
dẫn động cho chuyển động lắc. Ngoài ra, để nâng cao hiệu suất, khối lượng
hàng thường được nâng và hạ trong khi xe con di chuyển, điều này làm cho
chuyển động lắc nguy hiểm hơn. Trong các ứng dụng thực tế, quỹ đạo chuyển
động của khối lượng hàng được chia thành ba giai đoạn chính: Giai đoạn tăng
tốc, giai đoạn tốc độ bình ổn và giai đoạn giảm tốc. Khối lượng hàng thường
được nâng lên trong vùng tăng tốc và được hạ xuống trong vùng giảm tốc.
NCS: Vũ Văn Khoa


2
Cũng có thể phải nâng lên và hạ xuống nhanh trong lúc đang di chuyển ổn
định trong vùng tốc độ bình ổn để tránh va chạm với các vật cản trên nền.
Ở nước ta hiện nay chưa có nhiều công trình nghiên cứu chuyên sâu về
cầu trục, đặc biệt là nghiên cứu phát triển các hệ thống cầu trục tự động. Các
nghiên cứu hiện có chỉ tập trung vào động lực học cơ cấu dẫn động, chưa đáp
ứng được yêu cầu trong việc tự chủ thiết kế, chế tạo cầu trục phục vụ các
công trình, nhà máy trong nước, cũng như yêu cầu tự động hóa sản xuất. Vì
vậy, việc nghiên cứu tính chất động lực học, thiết kế và điều khiển nhằm nâng
cao hiệu quả làm việc của cầu trục phù hợp với điều kiện công nghệ trong
nước trở nên rất cấp thiết và có ý nghĩa khoa học, thực tiễn cao.
Xuất phát từ thức tế đó, NCS chọn đề tài “Mô hình hóa và điều khiển
cầu trục nhằm nâng cao chất lượng làm việc”.
2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án
Nghiên cứu các tính chất động lực học và điều khiển của hệ cầu trục, đề
xuất các giải pháp điều khiển chống lắc và di chuyển hàng hoá chính xác

nhằm nâng cao chất lượng làm việc của cầu trục, có khả năng áp dụng trong
thiết kế, chế tạo hoặc cải tiến, nâng cấp họ cầu trục sử dụng trong công nghiệp.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án
* Đối tượng nghiên cứu của luận án: Họ cầu trục trong các nhà máy cơ
khí dẫn động bằng động cơ điện yêu cầu làm việc ở chế độ tự động với quy
trình nâng hạ hàng hóa được định sẵn.
* Phạm vi nghiên cứu của luận án:
- Khảo sát tính chất động lực học của cầu trục.
- Xây dựng cấu trục hệ thống điều khiển cầu trục dựa trên bộ điều khiển
PID.

NCS: Vũ Văn Khoa


3
- Tối ưu hóa các thông số bộ điều khiển PID bằng các giải thuật tối ưu
Nelder-Mead (NM), giải thuật di truyền (GA) và giải thuật tối ưu bầy đàn
(PSO).
4. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm kiểm chứng.
Về lý thuyết: Trên cơ sở đối tượng nghiên cứu, xây dựng mô hình động
lực học chuyển động của tháp cầu trục trong các trường hợp làm việc dưới
dạng các hệ phương trình vi phân chuyển động. Xây dựng cấu trúc hệ thống
điều khiển sử dụng bộ điều khiển PID cho cầu trục và thiết kế bộ điều khiển
PID bằng các phương pháp chỉnh định trên cơ sở giải thuật tối ưu NelderMead, giải thuật di truyền và giải thuật tối ưu bầy đàn. Các tính toán được
thực hiện nhờ chương trình máy tính lập trình trên phần mềm MATLABSIMULINK.
Về thực nghiệm: Do điều kiện về thời gian và kinh phí, luận án giới hạn
ở việc thiết kế, chế tạo mô hình cầu trục thử nghiệm sử dụng hệ thống truyền
động điện với động cơ điện một chiều, cùng các cảm biến và phương tiện đo
hiện đại. Tiến hành thử nghiệm và so sánh kết quả tính toán, mô phỏng giữa

các trường hợp có và không có hệ thống điều khiển để kiểm chứng các kết
quả lý thuyết.
5. Những đóng góp mới của luận án
- Đã mô hình hóa hệ động lực học cầu trục, bao gồm cả mô hình cơ học
và mô hình cơ điện ở tất cả các chế độ làm việc khác nhau của cầu trục.
- Đề xuất được cấu trúc hệ thống điều khiển cầu trục tự động sử dụng bộ
điều khiển PID nhằm điều khiển chính xác vị trí làm việc và chống lắc.
- Bằng các giải thuật di truyền và giải thuật tối ưu bầy đàn, đã xây dựng
thuật toán và tính toán tối ưu tham số của các bộ điều khiển PID nhằm nâng
cao chất lượng làm việc của cầu trục.

NCS: Vũ Văn Khoa


4
- Thiết kế chế tạo mô hình cầu trục mẫu và tiến hành thử nghiệm, kết quả
thử nghiệm sơ bộ có thể đánh giá được tính hiệu quả, khả thi của cấu trúc hệ
thống điều khiển cầu trục đề xuất.
6. Bố cục của luận án
Luận án gồm phần mở đầu, bốn chương, phần kết luận và kiến nghị.
Chương 1: Tổng quan về cầu trục và điều khiển cầu trục. Trình bày tổng
quan về cầu trục, các phương pháp mô hình hóa và điều khiển cầu trục. Từ đó
xác định phạm vi, đối tượng và mục tiêu nghiên cứu của luận án.
Chương 2: Xây dựng mô hình động lực học cầu trục. Xây dựng mô hình
động lực học chuyển động của cầu trục ở các chế độ làm việc, bao gồm cả mô
hình cơ học và mô hình cơ điện. Các mô hình động lực học này là cơ sở cho
các nghiên cứu khảo sát động lực học và tính toán, thiết kế các hệ thống điều
khiển cầu trục.
Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển tự động cho cầu trục. Đề xuất
cấu trục hệ thống điều khiển cầu trục sử dụng bộ điều khiển PID. Thiết kế các

bộ điều khiển PID bằng giải thuật tối ưu Nelder-Mead, giải thuật di truyền và
giải thuật tối ưu bầy đàn.
Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm. Thiết kế chế tạo mô hình cầu trục
thử nghiệm. Thực nghiệm đánh giá các tính chất động lực học và điều khiển
của cầu trục. Phân tích, so sánh kết quả thử nghiệm với kết quả nghiên cứu lý
thuyết nhằm minh chứng tính xác thực của mô hình lý thuyết và tính khả thi
của cấu trúc hệ thống điều khiển đề xuất.

NCS: Vũ Văn Khoa


5
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ CẦU TRỤC VÀ ĐIỀU KHIỂN CẦU TRỤC
1.1. Khái niệm và phân loại cầu trục
1.1.1. Khái niệm cầu trục
Cầu trục là tên gọi chung của máy trục kiểu cầu, di chuyển trên hai
đường ray cố định trên kết cấu kim loại hoặc tường cao để vận chuyển các vật
trong khoảng không (khẩu độ) giữa hai đường ray đó [2], [11].
1.1.2. Các thành phần chính của cầu trục
Mặc dù đa dạng về chủng loại, song về cơ bản đặc điểm cấu tạo của cầu
trục bao gồm các bộ phận sau: bộ phận nâng hạ, bộ phận di chuyển xe cầu, bộ
phận di chuyển xe con, hệ thống điều khiển và một số cơ cấu phụ để lấy, giữ
hàng. Cấu tạo của cầu trục điển hình như trên Hình 1.1

Hình 1.1. Các thành phần chính của cầu trục
1- Dầm chính; 2- Dầm cuối; 3- Bánh xe di chuyển; 4- Cơ cấu di chuyển xe
cầu; 5- Đường ray; 6- Xe con; 7- Cơ cấu nâng chính; 8- Cơ cấu nâng phụ; 9Cơ cấu di chuyển xe con; 10- Bộ góp điện; 11- Cabin; 12- Đường dây điện;
13- Đường lăn bánh xe con.

NCS: Vũ Văn Khoa

6
Trên hình 1.1, xét về đặc điểm cấu tạo, cầu trục là một loại máy trục có
phần kết cấu thép (dầm chính) liên kết với hai dầm ngang (dầm cuối), trên hai
dầm ngang này có các bánh xe để di chuyển trên hai đường ray song đặt trên
vai cột nhà xưởng hay trên giàn kết cấu thép. Cầu trục được sử dụng rất rộng
rãi và tiện dụng để nâng hạ vật nặng, hàng hóa trong các nhà xưởng, phân
xưởng cơ khí, nhà kho bến bãi…
Dầm cầu được gọi là dầm chính thường có kết cấu hộp hoặc giàn, có thể
có một hoặc hai dầm, trên đó có xe con và cơ cấu nâng di chuyển qua lại dọc
theo dầm chính. Hai dầu của dầm chính liên kết hàn hoặc đinh tán với hai
dầm cuối, trên mỗi dầm cuối có các cụm bánh xe, cụm bánh xe chủ động và
cụm bánh xe bị động. Nhờ cơ cấu di chuyển cầu và kết hợp cơ cấu di chuyển
xe con (hoặc pa lăng) mà cầu trục có thể nâng hạ vật ở bất cứ vị trí nào trong
không gian phía dưới mà cầu trục bao quát.
Như vậy, xét về tổng thể, cầu trục gồm có phần kết cấu thép (dầm chính,
dầm cuối, sàn công tác, lan can), hệ thống thiết bị dẫn điều khiển và các cơ
cấu chuyển động bao gồm:
- Cơ cấu nâng hạ thực hiện nhiệm vụ nâng và hạ hàng;
- Xe con và cơ cấu di chuyển xe con thực hiện nhiệm vụ di chuyển xe
con và hàng hóa theo trục ngang;
- Xe cầu và cơ cấu di chuyển cầu trục thực hiện nhiệm vụ di chuyển cả
cầu trục (bao gồm xe con và khối lượng hàng) theo trục dọc.
+ Cơ cấu nâng - hạ
Có hai loại chính: Loại dùng cho cầu trục một dầm là palăng điện hoặc
palăng tay. Palăng điện hay palăng tay đều có khả năng di chuyển dọc theo
dầm chính để nâng hạ vật. Các loại palăng này được chế tạo theo tải trọng và
tốc độ nâng yêu cầu.

NCS: Vũ Văn Khoa


7
Đối với các loại dầm thông thường, các cơ cấu nâng hạ được chế tạo và
đặt trên xe con để có thể di chuyển dọc theo dầm chính. Trên xe con có từ
một đến ba cơ câu nâng hạ.
Ngoài ra, còn có cơ cấu phanh hãm, thường sử dụng ba loại: Phanh guốc,
phanh đĩa và phanh đai. Nguyên lí hoạt động của các loại phanh này cơ bản
giống nhau. Cơ cấu phanh hãm gồm có: Má phanh, cuộn dây nam châm
phanh và đối trọng phanh.
+ Xe con và cơ cấu di chuyển xe con
Là bộ phận chuyển động trên đường ray trên xe cầu, trên đó có đặt cơ
cấu nâng hạ và cơ cấu di chuyển cho xe con. Tùy theo công dụng của cầu trục
mà trên xe con có một hoặc hai, ba cơ cấu nâng hạ, gồm một cơ cấu nâng
chính và một hoặc hai cơ cấu nâng phụ. Xe con di chuyển trên xe cầu và xe
cầu di chuyển dọc theo phân xưởng hoặc nhà máy sẽ đáp ứng việc vận chuyển
hàng hóa đến mọi nơi trong phân xưởng.
+ Xe cầu và cơ cấu di chuyển xe cầu
Là một khung sắt hình chữ nhật, được thiết kế với kết cấu chịu lực, gồm
một dầm chính chế tạo bằng thép, đặt cách nhau một khoảng tương ứng với
khoảng cách của bánh xe con, bao quanh là một giàn khung. Hai dầm cầu
được liên kết cơ khí với hai dầm ngang tạo thành một khung hình chữ nhật
trong mặt phẳng ngang. Các bánh xe của cầu trục được thiết kế trên các dầm
ngang của khung để cầu trục có thể chạy dọc suốt nhà xưởng một cách dễ
dàng.
Như vậy, khi nghiên cứu một hệ cầu trục, xe cầu, xe con và cơ cấu nâng
hạ là ba đối tượng chính.
1.1.3. Các yêu cầu kỹ thuật của cầu trục
Yêu cầu kỹ thuật đối với hệ truyền động sử dụng trong cầu trục [10],

[12]:
NCS: Vũ Văn Khoa


8
+ Cần đảm bảo tốc độ nâng chuyển với tải trọng định mức
Tốc độ chuyển động tối ưu của hàng hoá được nâng chuyển là điều kiện
trước tiên để nâng cao năng suất bốc xếp hàng hoá, đưa lại hiệu quả kinh tế
tốt nhất cho sự hoạt động của cầu trục. Nếu tốc độ thiết kế quá lớn sẽ đòi hỏi
kích thước trọng lượng của các bộ truyền động cơ khí lớn, điều này dẫn đến
giá thành chế tạo cao.
Mặt khác tốc độ nâng hạ tối ưu đảm bảo cho hệ thống điều khiển chuyển
động cho các cơ cấu thỏa mãn các yêu cầu về thời gian đảo chiều, thời gian
hãm, làm việc liên tục trong chế độ quá độ, gia tốc và độ giật thoả mãn yêu
cầu.
Ngược lại, tốc độ quá thấp sẽ ảnh hưởng đến năng suất bốc xếp hàng
hoá. Thông thường tốc độ chuyển động của hàng hoá ở chế độ định mức nằm
trong phạm vi (0,2-l,0) m/s hay (12-60) m/phút.
+ Có khả năng thay đổi tốc độ trong phạm vi rộng:
Phạm vi điều chỉnh tốc độ của các cơ cẩu điều khiển chuyển động là điều
kiện cần thiết để nâng cao năng suất bốc xếp đồng thời thoả mãn yêu cầu của
công nghệ bốc xếp với nhiều chủng loại hàng hoá. Cụ thể là: khi không có tải
trọng hoặc chỉ có tải trọng nhẹ thì cần di chuyển với tốc độ cao, còn khi có
yêu cầu khai thác phải có tốc độ thấp và ổn định để hạ hàng hoá vào đúng vị
trí yêu cầu.
Vì vậy số cấp tốc độ cho các cơ cấu điều khiển chuyển động của cầu trục
ít nhất là 3 cấp tốc độ. Cấp tốc độ thấp nhằm thoả mãn công nghệ khi nâng và
hạ hàng chạm đất, cấp tốc độ cao là tốc độ tối ưu cho từng cơ cấu, giữa hai
cấp tốc độ này thường được thiết kế thêm các tốc độ trung gian để thoả mãn
công nghệ bốc xếp hàng hoá cũng như sự ổn định của cầu trục.

+ Có khả năng rút ngắn thời gian quá độ:

NCS: Vũ Văn Khoa


9
Các cơ cấu điều khiển chuyển động trên cầu trục làm việc ở chế độ ngắn
hạn lặp lại, thường hệ số đóng điện % = 40 % vì vậy thời gian quá độ chiếm
hầu hết thời gian công tác. Do đó việc rút ngắn thời gian quá độ là biện pháp
cơ bản để nâng cao năng xuất. Thời gian chuyển tiếp trong các chế độ công
tác là thời gian khởi động và thời gian hãm trong quá trình tăng tốc và giảm
tốc. Nhằm rút ngắn thời gian quá độ cần sử dụng các biện pháp như: Chọn
động cơ có mômen khởi động lớn; Giảm mômen quán tính của các bộ phận
quay; Dùng động cơ điện có tốc độ không cao (1000-1500) vòng/phút.
Đối với động cơ điện một chiều, mômen khởi động phụ thuộc vào giới
hạn của các phiến góp vì vậy thường chọn dòng khởi động Ikđ = (2,0-2,5) Iđm.
Đối với động cơ xoay chiều mômen khởi động phụ thuộc vào loại động
cơ, với động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc mômen khởi động có thể đạt
l,5Iđm, còn với động cơ không đồng bộ rotor dây quấn về nguyến tắc mômen
khởi động có thể chọn bằng mômen tới hạn Mmax.
+ Có trị số hiệu suất cos cao:
Công tác khai thác hợp lý cầu trục trong bốc xếp hàng hoá là một yếu tố
để nâng cao tính kinh tế của hệ thống điều khiển. Như đã biết hệ thống truyền
động điện của các cần trục thường không sử dụng hết khả năng công suất, hệ
số tải thường trong khoảng 0,3 - 0,4. Do vậy khi chọn các động cơ truyền
động phải chọn loại có hệ số cos cao và ổn định trong phạm vi rộng, làm
việc tin cậy.
+ Đảm bảo an toàn hàng hoá:
Đảm bảo an toàn cho hàng hoá, thiết bị và người lao động trong quá
trình bốc xếp, di chuyển hảng hóa là yêu cầu cao nhất trong công tác khai thác

vận hành cầu trục. Để thực hiện điều đó thì các bộ truyền động cần phải có
quy trình an toàn cho công tác vận hành và điều khiển cầu trục trong quá trình
hoạt động.
NCS: Vũ Văn Khoa


10
Trong quá trình tính toán thiết kế phải chọn các hệ số dự trữ hợp lý. Kỹ
thuật điều khiển chuyển động cầu trục cần có các hệ thống giám sát, bảo vệ tự
động các hệ thống. Ngoài ra, còn có các hệ thống đo lường và bảo vệ quá tải
cho cơ cấu nâng hạ hàng,
Hệ thống điều khiển bắt buộc phải có đầy đủ các bảo vệ sự cố, bảo vệ
ngắn mạch, bảo vệ quá tải cho động cơ thực hiện và bảo vệ dừng khẩn cấp.
+ Điều khiển tiện lợi và đơn giản:
Để đảm bảo thuận lợi cho người điều khiển, việc thiết kế thiết bị điều
khiển phải được bố trí thuận tiện và thống nhất giữa các loại cầu trục. Đồng
thời người điều khiển có thể sử dụng các lệnh khẩn cấp một cách thuận tiện
và dễ dàng.
+ Ổn định nhiệt cơ và điện:
Các cầu trục thông thường được lắp ráp để vận hành ở các nơi có nhiệt
độ và độ ẩm cao, các khu vực làm việc thường có nhiệt độ biến đổi theo mùa
rõ rệt. Vì vậy, các thiết bị điện phải chế tạo thích hợp với môi trường công
tác.
+ Tính kinh tế và kỹ thuật cao:
Thiết bị chắc chắn, kết cấu đơn giản, trọng lượng và kích thước nhỏ, giá
thành hạ, chi phí bảo quản và chi phí năng lượng hợp lý.
1.1.4. Phân loại cầu trục
Ngay từ khi nước ta bắt đầu bước vào thời kỳ xây dựng đất nước, các
nhà máy cơ khí (nhà máy đòng tàu, nhà máy luyện kim, nhà máy xi măng…)
đã bắt đầu được cơ giới hóa, hàng loạt cầu trục đã được lắp đặt phục vụ cho

công tác sản xuất, sửa chữa trong các nhà xưởng. Nhiều hệ thống cầu trục do
Liên Xô (cũ), Đức, Áo, Phần Lan… đã được trang bị nhằm tạo ra nguồn lực
dồi dào cho các nhà máy cơ khí. Do nền kinh tế ngày càng phát triển, hàng
loạt các nhà máy cơ khí được xây dựng, cùng với đó là lượng hàng hóa phục
NCS: Vũ Văn Khoa


11
vụ sản xuất và sản xuất ra tăng nhanh, vì thế các thiết bị nâng chuyển phát
triển nhanh cả về số lượng và chủng loại.
Nhìn chung, các loại cầu trục đang ngày càng hoàn thiện hơn, đặc biệt là
các hệ thống cầu trục làm việc như rô bốt trong các nhà máy công nghiệp.
Chúng dần thỏa mãn được nhiều hệ thống dây truyền công nghệ lắp máy cũng
như công nghệ bốc xếp vận chuyển hàng hóa. Đồng thời với sự phát triển của
các kỹ thuật điện tử và phương pháp điều khiển hiện đại đã làm cho các cầu
trục trong nhà máy hiện nay rất đa dạng về chủng loại, kỹ thuật điều khiển,
năng xuất lao động và trọng tải được nâng lên rõ rệt. Biến tần và các thiết bị
lập trình điều khiển được đưa vào ứng dụng cho cầu trục ngày càng nhiều hơn.
Do sự đa dạng của kết cấu và phương pháp điều khiển, có rất nhiều cách
khác nhau để phân loại cầu trục, cụ thể cầu trục có thể phân loại theo: Công
dụng, kết cấu dầm, cách tựa của dầm chính, cách bố trí cơ cấu di chuyển,
nguồn dẫn động, vị trí điều khiển và tải trọng nâng [2], [12].
1.1.4.1. Phân loại theo công dụng
Theo công dụng có các loại cầu trục có công dụng chung và cầu trục
chuyên dùng.
- Cầu trục có công dụng chung: có kết cấu tương tự như các cầu trục
khác, điểm khác biệt cơ bản của loại cầu trục này là thiết bị mang vật đa dạng,
có thể nâng được nhiều loại hàng hoá khác nhau. Thiết bị mang vật chủ yếu
của loại cầu trục này là móc treo để xếp dỡ, lắp ráp và sửa chữa máy móc.
Loại cầu trục này có tải trọng nâng không lớn và khi cần có thể dùng với gầu

ngoạm, nam châm điện hoặc thiết bị cặp để xếp dỡ một loại hàng nhất định.
- Cầu trục chuyên dùng, là loại cầu trục mà thiết bị mang vật của nó
chuyên để nâng một loại hàng nhất định, cầu trục chuyên dùng được sử dụng
chủ yếu trong công nghiệp luyện kim với các thiết bị mang vật chuyên dùng
và có chế độ làm việc rất nặng.

NCS: Vũ Văn Khoa


12
1.1.4.2. Phân loại theo kết cấu dầm
Theo kết cấu dầm cầu có các loại cầu trục một dầm và cầu trục hai dầm.

Hình 1.2. Cầu trục một dầm.

Hình 1.3. Cầu hai dầm kép.
- Cầu trục một dầm (Hình 1.2), cầu trục chỉ có một dầm hoặc tổ hợp với
các giàn thép tăng cứng cho dầm cầu, xe con treo palăng di chuyển trên cánh
dưới của dầm hoặc mang cơ cấu nâng di chuyển phía trên dầm, toàn bộ cầu
trục có thể di chuyển dọc theo nhà xưởng trên đường ray chuyên dùng.
NCS: Vũ Văn Khoa


13
- Cầu trục dầm kép: kết cấu tổng thế của cầu trục hai dầm (Hình 1.3)
gồm có: dầm hoặc giàn chính (1), hai dầm chủ liên kết với hai dầm đầu (7),
trên dầm đầu lắp các cụm bánh bánh xe di chuyển cầu trục (6), bộ máy dẫn
động (3), bộ máy di chuyển hoạt động sẽ làm cho các bánh xe quay và cầu
trục chuyển động theo đường ray chuyên dùng (5) đặt trên cao dọc nhà
xưởng, hướng chuyển động của cầu trục xác định bởi chiều quay của động cơ

điện. Xe con mang hàng (11) di chuyển dọc theo đường ray lắp trên hai dầm
chính. Trên xe con đặt các bộ máy dẫn động của tời chính (10), tời phụ (9) và
bộ máy di chuyển xe con (2), các dây cáp điện (8) có thể co dãn phù hợp vói
vị trí của xe con và cấp điện cho cầu trục nhờ hệ thanh dẫn điện (12) đặt dọc
theo tường nhà xưởng, các quẹt điện ba pha tỳ sát trên các thanh này, lồng
thép làm công tác kiểm tra (13) treo dưới dầm cầu trục. Các bộ máy của cầu
trục thực hiện ba chức năng: nâng hạ hàng, di chuyển xe con và di chuyển cầu
trục.
Dầm chính của cầu trục hai dầm được chế tạo dưới dạng hộp hoặc giàn
không gian. Giàn không gian tuy có nhẹ hơn dầm hộp song khó chế tạo và
thường chỉ dùng cho cầu trục có tải trọng nâng và khẩu độ lớn. Dầm cuối của
cầu trục hai dầm thường được làm dưới dạng hộp và liên kết với các dầm
chính bằng bu lông hoặc hàn.
1.1.4.3. Phân loại theo cách tựa của dầm chính
Theo cách tựa của dầm chính có các loại cầu trục tựa và cầu trục treo.
- Cầu trục tựa là loại cầu trục mà hai đầu của dầm chính tựa lên các dầm
cuối, chúng được liên kết với nhau bởi đinh tán hoặc hàn. Loại cầu trục này
thường dùng phương án dẫn động chung, tuy có kết cấu đơn giản, nhưng vẫn
đảm bảo được độ tin cậy cao nên được sử dụng rất phổ biến.
- Cầu trục treo là loại cầu trục mà toàn bộ phần kết cấu thép có thể chạy
dọc theo nhà xưởng nhờ hai ray treo hoặc nhờ nhiều ray treo. Do liên kết treo

NCS: Vũ Văn Khoa