Mô hình hóa và phát triển hệ thống điều khiển cho cần cẩu di động dựa trên kỹ thuật mẫu ảo
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.75 MB, 66 trang )
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
1
TS. Võ Hoàng Duy
Chủ tịch
2
PGS. TS. Nguyễn Thanh Phương
Phản biện 1
3
TS. Võ Tường Quân
Phản biện 2
4
TS. Ngô Hà Quang Thịnh
Ủy viên
5
TS. Nguyễn Duy Anh
Ủy viên, Thư ký
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
Ngày, tháng, năm sinh:
Giới tính: Nam
Nơi sinh: Kiên Giang
1987
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
i
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
ii
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.
iv
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.
v
MỤC LỤC
Lời cam đoan ............................................................................................................... i
Lời cảm ơn ................................................................................................................. ii
Tóm tắ t ......................................................................................................................iii
Mu ̣c lu ̣c....................................................................................................................... v
Danh mu ̣c các từ viế t tắ t...........................................................................................vii
Danh mu ̣c các bảng .................................................................................................viii
Danh mu ̣c các biể u đồ , đồ thi,̣ sơ đồ , hiǹ h ảnh ......................................................... ix
Chương 1: Giới thiê ̣u ............................................................................................... 01
1.1. Đă ̣t vấ n đề ....................................................................................................... 01
1.2. Tiń h cấ p thiế t của đề tài .................................................................................. 02
1.3. Mu ̣c tiêu nghiên cứu của đề tài ....................................................................... 03
1.4. Nô ̣i dung nghiên cứu của đề tài....................................................................... 03
1.5. Phương pháp nghiên cứu của đề tài ................................................................ 04
1.5.1. Phương pháp luâ ̣n....................................................................................... 04
1.5.2. Phương pháp nghiên cứu............................................................................ 04
1.6. Kế t cấ u 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
vi
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: Kế t 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: Kế t luận và hướng phát triển của đề tài ................................................. 48
7.1. Kế t luâ ̣n ........................................................................................................... 48
7.2. Hướng phát triể n ............................................................................................. 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
ix
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
x
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
1
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
Giải pháp:
Cần cẩu di động
hoạt động trên biển
Mục tiêu
Tàu container có trọng tải lớn khó
neo đậu ở các cảng nước nông và
diện tích hẹp.
Khó khăn
phép các tàu container lớn cập cảng.
Cần cẩu di động giải quyết vấn các
vấn đề hạn chế của cảng biển:
- Di chuyển các container hàng từ tàu
vào bờ nhanh chóng
- Sắp xếp các container
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
2
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
3
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.
4
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 chin̉ h và đánh giá kế t 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.
5
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. Kế t cấ u luâ ̣n văn:
Kế t cấ u luâ ̣n văn gồ m 7 chương.
Chương 1: Giới 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: Kế t quả mô phỏng.
Chương 7: Kế t luận và hướng phát triển của đề tài.
6
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.
7
CHƯƠNG 2
TỔNG QUAN VỀ CẨU CẦU CẢNG DI ĐỘNG VÀ VẤN ĐỀ
CẦN NGHIÊN CỨU
2.1. Khái quát 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
8
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
9
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
10
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
11
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:
Khái niệm
cần cẩu di
động (MHC)
Phân tích điều kiện làm
việc của MHC
Xây dựng mô hình mẫu
ảo của MHC
ADAMS
Phân tích hành vi động
lực học của MHC
Mô phỏng, kiểm tra,
đành giá
Thiết kế các thành phần
cơ khí của MHC
SOLIDWORK
Thiết kế và mô phỏng
hệ thống điều khiển
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.
