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

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.2 MB, 20 trang )

(1)<div class='page_container' data-page=1>

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ TP.HCM 
---

NGUYỄN CHÍ THIỆN

MƠ HÌNH HĨA 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

</div>
(2)<div class='page_container' data-page=2>

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM 
---

NGUYỄN CHÍ THIỆN

MƠ HÌNH HĨA 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

</div>
(3)<div class='page_container' data-page=3>

CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI 
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG 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.

</div>
(4)<div class='page_container' data-page=4>

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:

MƠ HÌNH HĨA 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 mơ 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 mơ hình cần cẩu di động trên biển

- Mơ phỏng tích hợp mơ 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

</div>
(5)<div class='page_container' data-page=5>

LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan đây là cơng 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
cơng trình nào khác.

Tơi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã
được cảm ơn và các thơng tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc.

Học viên thực hiện Luận văn

</div>
(6)<div class='page_container' data-page=6>

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 tơi

những kiến thức q báu trong khóa học vừa qua.

Mặc dù tơi đã cố gắng hồn thành luận văn trong phạm vi và khả năng cho
phép nhưng chắc chắn khơng tránh khỏi những thiếu sót. Tơi kính mong nhận được
sự thơng cảm và tận tình chỉ bảo thêm của quý thầy cô và các bạn đồng nghiệp.

</div>
(7)<div class='page_container' data-page=7>

TÓM TẮT

</div>
(8)<div class='page_container' data-page=8>

ABSTRACT

</div>
(9)<div class='page_container' data-page=9>

MỤC LỤC

Lờ i cam đoan ... i

Lờ i cảm ơn ... ii

Tóm tắt ...iii

Mục lu ̣c ... v

Danh mục các từ viết tắt ... vii

Danh mục các bảng ...viii

Danh mục các biểu đồ, đồ thi ̣, sơ đồ, hình ảnh ... ix

Chương 1: Giới thiê ̣u ... 01

1.1. Đặt vấn đề ... 01

1.2. Tính cấp thiết của đề tài ... 02

1.3. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài ... 03

1.4. Nội 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. Kết cấu luâ ̣n văn ... 05

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

Chương 2: Tổng 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: Mơ 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

</div>
(10)<div class='page_container' data-page=10>

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

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

4.4.2. Xây dựng và mô phỏng mơ 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. Mơ 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

</div>
(11)<div class='page_container' data-page=11>

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

</div>
(12)<div class='page_container' data-page=12>

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 mơ 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

</div>
(13)<div class='page_container' data-page=13>

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: Mơ 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: Mơ 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: Q trình tạo mơ 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 mơi trường Adams/View ... 21

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

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

Hình 4.7: Thơng số mơ 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

</div>
(14)<div class='page_container' data-page=14>

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

</div>
(15)<div class='page_container' data-page=15>

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.

Giải pháp:
Cần cẩu di động
hoạt động trên biển

Tàu container có trọng tải lớn khó
neo đậu ở các cảng nước nơng và
diện tích hẹp.

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

Khó
k
hă
n M
ục
tiêu

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

1.2. Tính cấp thiết của đề tài:

</div>
(16)<div class='page_container' data-page=16>

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 ngồi 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 qn tính lớn.

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

</div>
(17)<div class='page_container' data-page=17>

mang giá cẩu tăng tốc và giảm tốc, tải container lơ lửng sẽ bị lắc khơng mong
muốn. Thêm vào đó nhiễu bên ngồi do sóng và gió làm tàu lắc liên tục và làm quỹ
đạo của tải không thể dự đốn. 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 mơ 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 mơ 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.

Mơ hình hóa và xây dựng mơ 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 mơ 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:

</div>
(18)<div class='page_container' data-page=18>

Mơ 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 mơ 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 tốn 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 mơ hình hóa và mơ
phỏng.

Phân tích điều kiện hoạt động dựa trên khảo sát phương trình sóng, thiết
kế và mơ hình hóa hệ thống cơ khí.

Tạo mẫu ảo của hệ thống cơ khí, mơ phỏng để khám phá hành vi động
lực học của hệ thống cơ khí.

Thiết kế, tính tốn hệ thống điều khiển cho mơ hình mẫu ảo của hệ thống
cẩu.

Mô phỏng kết hợp, hiệu 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:

</div>
(19)<div class='page_container' data-page=19>

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 mơ hình hóa hệ thống cơ khí của cẩu giàn trên biển
Thiết kế, mơ 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 thơng 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 mơ hình tốn 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 cấu luận văn:

Kết cấu luâ ̣n văn gồm 7 chương.
Chương 1: Giới thiê ̣u.

Chương 2: Tổng 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: Mơ 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.

</div>
(20)<div class='page_container' data-page=20>

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 trơi 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.

</div>