Đồ án tốt nghiệp xây dựng mô hình và điều khiển xe triền trong công nghiệp tàu thủy

Công nghiệp đóng tàu ngày càng phát triển thì trọng tải của những con tàucũng ngày càng được nâng lên và một tất yếu là việc chuyên chở và hạ thủy contàu đó cũng cần những kỹ thuật mới m

M C L CỤC LỤC ỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 4

CHƯƠNG 1: MỤC ĐÍCH, YÊU CẦU, NỘI DUNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU 6

1.1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỒ ÁN 6

1.2 MỤC ĐÍCH, YÊU CẦU ĐỒ ÁN 7

1.2.1 Mục đích 7

1.2.2 Yêu cầu 7

1.3 NỘI DUNG CỦA ĐỒ ÁN 8

1.4 PHẠM VI NGHIÊN CỨU 8

1.5.KẾT LUẬN 8

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ XE TRIỀN 9

2.1 MỘT SỐ KỸ THUẬT VẬN CHUYỂN TÀU ĐƯỢC ỨNG DỤNG TRONG THỰC TẾ 9

2.1.1 Vận chuyển bằng tời và hệ thống giữ tàu 9

2.1.2 Vận chuyển trên đường trượt nghiêng 10

2.2 SƠ LƯỢC VỀ XE TRIỀN 11

2.2.1 Định nghĩa 11

2.2.2 Một số sản phẩm thực tế về xe triền hiện nay 15

2.3 KẾT CẤU CƠ KHÍ CỦA XE TRIỀN 20

2.4 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN XE TRIỀN TRONG CÔNG NGHIỆP.21 2.5 ỨNG DỤNG CỦA XE TRIỀN TRONG CÔNG NGHIỆP TÀU THỦY 21 2.6 KẾT LUẬN 21

CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH HÓA XE TRIỀN 22

3.1 THIẾT LẬP MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA XE TRIỀN 22

3.1.1 Mô hình xe triền 22

3.1.2 Thiết lập mô hình toán 23

3.1.3 Mô hình hóa động cơ điện 1 chiều 25

3.2 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN XE TRIỀN 27

3.2.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 27

3.2.2 Chọn bộ điều khiển PID 28

3.3 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VỚI CÔNG CỤ SIMULINK.31 3.3.1 Giới thiệu về phần mềm MATLAB, công cụ SIMULINK 31

3.3.2 Mô phỏng hệ thống điều khiển của xe triền 32

3.4 KẾT LUẬN 39

CHƯƠNG 4: HỆ THỐNG CẢM BIẾN VÀ CHẤP HÀNH 40

4.1 CẢM BIẾN GÓC NGHIÊNG 40

4.1.1 Giới thiệu cảm biến Accelerometer (Cảm biến gia tốc) 40

4.1.2 Thiết kế hệ thống cảm biến cho mô hình xe triền 47

4.2 CƠ CẤU CHẤP HÀNH 48

4.2.1 Các phần tử chấp hành thủy khí 48

4.2.2 Cơ cấu vitme – đai ốc 54

4.2.3 Tính toán chọn động cơ 58

4.4 KẾT LUẬN 59

CHƯƠNG 5: LẬP TRÌNH PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN 60

5.1 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 60

5.1.1 Thiết mạch điều khiển trung tâm 60

5.1.2 Mạch điều khiển động cơ 63

5.2 LẬP TRÌNH PHẦN MỀM 64

5.2.1 Xây dựng thuật toán 64

5.2.2 Chương trình điều khiển 66

5.3 KẾT LUẬN 66

CHƯƠNG 6: VẬN HÀNH ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 67

6.1 KẾT QUẢ THỰC HIỆN 67

6.1.1 Về nghiên cứu lý thuyết 67

6.1.2 Về mặt thực hành 67

6.2 NHỮNG HẠN CHẾ 67

6.3 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO 69 PHỤ LỤC

LỜI NÓI ĐẦU

gười Việt Nam chúng ta vẫn luôn tự hào về nguồn gốc con rồng cháutiên, về rừng vàng biển bạc chính vì vậy mà vấn đề biển được nhànước và xã hội rất quan tâm Đặc biệt nước ta đang trong thời kì hộinhập với kinh tế thị trường thì việc phải phát triển nền kinh tế là một nhu cầukhách quan chính vì vậy mà nước ta đã đề ra chỉ tiêu đến năm 2020 nước ta cơbản trở thành nước công nghiệp theo hướng hiện đại trong đó kinh tế biển đóngmột vai trò rất lớn tới việc phát triển nền kinh tế của Việt Nam

N

Nước ta có ba mặt giáp biển, trong chiến lược biển Việt Nam đến năm

2020, phải phấn đấu nước ta trở thành một quốc gia mạnh về biển, giàu lên từbiển, bảo vệ vững chắc chủ quyền biển đảo của Việt Nam.Nói đến biển khôngthể không nói đến nền công nghiệp tàu thủy của nước ta.Việt Nam là một nước

có nền công nghiệp đóng tàu lớn mạnh vươn lên hàng thứ 10 thế giới về đóngtàu Đây là một thành công không nhỏ của đội ngũ kỹ sư tàu thủy Việt Nam tuynhiên việc phát triển ngành công nghiệp đóng tàu sẽ kéo theo cần phát triểnthêm nhiều những ngành sản xuất có liên quan như những thiết bị hỗ trợ việcđóng, sửa chữa và hạ thủy tàu Đây là một mặt còn yếu của nền đóng tàu ViệtNam chúng ta còn phải nhập khẩu rất nhiều thiết bị từ nước ngoài để hoàn thiện

và xuất xưởng một con tàu

Công nghiệp đóng tàu ngày càng phát triển thì trọng tải của những con tàucũng ngày càng được nâng lên và một tất yếu là việc chuyên chở và hạ thủy contàu đó cũng cần những kỹ thuật mới mẻ hơn và kinh tế hơn đặc biệt có độ antoàn cao hơn trước.Trước thực tế đó một yêu cầu đặt ra là phải tập trung nghiêncứu và phát triển về kỹ thuật nâng, chở tàu và hạ thủy tàu ở Việt Nam

Là một kỹ sư tương lai mang trong mình niềm tự hào dân tộc mong muốngóp sức lực nhỏ bé của mìnhvào việc xây dựng đất nước do đó em đã lựa chọn

đề

tài: “Xây dựng mô hình và điều khiển xe triền trong công nghiệp tàu thủy”.

Đây là một kỹ thuật không phải là mới nhưng rất có hiệu quả trong việc

chuyên chở, nâng hạ và hạ thủy những con tàu lớn đã được nhiều nước trên thế

giới áp dụng.Ở Việt Nam trong những năm gần đây xe triền cũng được một số

công ty tàu thủy sử dụng để phục vụ việc đóng tàu, vận chuyển và hạ thủy tàu

nhưng vẫn chưa phổ biến và cần có sự giúp sức của các kỹ sư nước ngoài

Trên cơ sở những gì đã học và qua tìm tòi nghiên cứu thực tế và sách vở

em đã thiết kế một mô hình xe triền và cách điều khiển để phục vụ cho công

việc nghiên cứu, học tập và cũng có thể phát triển thành sản phẩm thật có ứng

dụng cao trong thực tiễn đặc biệt là công nghiệp tàu thủy

Em xin chân thành cảm ơn khoa hàng không vũ trụ, bộ môn cơ điện tử đã

quan tâm giúp đỡ em trong quá trình làm đồ án; xin cám ơn thầy giáo Vũ Minh

Đức và các thầy trong bộ môn Cơ điện tử đã tận tình hướng dẫn em hoàn thành

đồ án này Do kiến thức còn hạn chế và kinh nghiệm thực tế không nhiều nên đồ

án còn nhiều sai sót, rất mong được sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo, các

bạn sinh viên để em hoàn thành đồ án tốt hơn

Cấu trúc của đồ án gồm 6 chương:

Chương 1: Đặt vấn đề

Chương 2: Tổng quan về xe triền

Chương 3: Mô hình hóa xe triền

Chương 4: Hệ thống cảm biến và chấp hành

Chương 5: Lập trình phần mền điều khiển

Chương 6: Vận hành đánh giá kêt quả

Hà Nội, ngày 10/09/2012

CHƯƠNG 1: MỤC ĐÍCH, YÊU CẦU, NỘI DUNG, PHẠM VI

NGHIÊN CỨU.

Chương này nhằm giới thiệu sơ lược tính cấp thiết của đồ án, mục tiêucần đạt được và yêu cầu cũng như ý nghĩa của đồ án nhằm có một cái nhìn tổngthể cho người đọc khi đọc nội dung đồ án này

1.1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỒ ÁN

Với điều kiện nền kinh tế nước ta còn nghèo nàn lạc hậu thì việc tiếp cậnvới các kỹ thuật tiên tiến hiện đại là vô cùng khó khăn vì thế mà cần đòi hỏi độingũ trí thức của ta phải không ngừng nâng cao cả về chất lượng và số lượng đểđáp ứng được với yêu cầu của xã hội

Học viện kỹ thuật quân sự là một trung tâm đào tạo cán bộ kỹ thuật củaquân đội cũng như xã hội Nhiệm vụ chủ yếu của học viện là đào tạo bồi dưỡngđội ngũ cán bộ có trình độ kỹ thuật cao cho toàn quân Đào tạo cán bộ kỹ thuậtđược coi là nhiệm vụ khó khăn, phức tạp nhất bởi đây đồng nghĩa với việc đặtnhững viên gạch đầu tiên xây dựng nên nhân cách người sĩ quan kỹ thuật, vữngvàng về chính trị, kiên định với mục tiêu lý tưởng của Đảng và Nhà nước.Chính

vì vậy mà học viện đã rất quan tâm tới công tác giảng dạy và đặc biệt là nhữngđối tượng học viên năm cuối sắp ra trường để phục vụ cho quân đội và xã hội vìthế mà việc lựa chọn đồ án tốt nghiệp cũng được xem xét rất kỹ càng và đây lànhững đề tài có tính thực tiễn và ứng dụng cao

Kinh tế càng phát triển trong đó có công nghiệp đóng tàu thì sự ra đời củanhững chiếc tàu trọng tải lớn là điều hiển nhiên, số lượng tàu sẽ ngày càng giatăng dẫn đến việc đóng mới và sửa chữa cũng tăng cao

Trong quá trình sử dụng có nhiều nguyên nhân khiến cho tàu bị hư hỏngcần phái được bảo dưỡng và kiểm tra thường xuyên để đảm bảo độ an toàn chotàu và cũng cho chính con người ở trên tàu

Xã hội càng phát triển thì vấn đề đảm bảo quyền lợi và an toàn cho conngười càng được nâng cao đặc biệt là an toàn lao động Công nghiệp tàu thủy là

một ngành công nghiệp lớn nhưng đây cũng là một môi trường làm việc đặc thù

có nguy cơ mất an toàn lao động cao do một số kỹ thuật của ta còn hạn chế

Đồ án: “Xây dựng mô hình và điều khiển xe triền trong công nghiệp tàu

thủy” Là một đồ án có tính thực tiễn khá cao nhằm cải thiện kỹ thuật chuyên

chở tàu một cách linh hoạt và an toàn hơn

Đây là một đồ án khá mới mẻ về vấn đề công nghiệp tàu thủy- một vấn đềkhông phải là thế mạnh của học viện ta Ở Việt Nam thì kỹ thuật về việc nâng,

hạ, chở tàu thủy còn chậm phát triển, những thành tựu đạt được không nhiều tuyrằng về kỹ thuật đóng tàu của chúng ta rất tốt

Việc vận chuyển tàu thủy luôn tồn tại nhiều nguy hiểm liên quan đến tínhmạng con người và của cải vật chất chính vì vậy mà thực tế đã chứng minh chotính cấp thiết của vấn đề này, nó góp phần giảm thiểu những tai nạn có thể xảy

ra và đưa công nghiệp tàu thủy của ta lên một bước tiến mới

Xe triền còn khá lạ lẫm với nhiều người, những kiến thức liên quan đến

xe triền còn có hạn, chính vì vậy mà đồ án này rất có ý nghĩa.Chúng ta có thểtham khảo và cũng có thể nghiên cứu tiếp để ứng dụng rộng rãi trong thực tiễn.1.2 MỤC ĐÍCH, YÊU CẦU ĐỒ ÁN

1.2.1 Mục đích

- Phải nắm bắt được một cách khá cụ thể về xe triền

- Biết cách điều khiển và hiểu rõ nguyên lý hoạt động của loại xe này

- Chế tạo được mô hình xe triền

- Tính toán cụ thể các số liệu và phù hợp với thực tế

1.2.2 Yêu cầu

Để đạt được mục đích đề ra, đồ án cần tập trung thực hiện tốt các yêu cầusau:

- Mô hình hóa và tính phương trình vi phân chuyển động của xe triền

- Biết sử dụng Matlab Simulink để mô phỏng

- Thiêt kế mạch và lập trình vi điều khiển phải nắm vững

- Biết chế tạo và lắp ráp mô hình trong thực tế

1.3 NỘI DUNG CỦA ĐỒ ÁN

Đồ án tốt nghiệp này nhằm chế tạo một mô hình xe triền ứng dụng trongcông nghiệp tàu thủy

Tính toán được các yêu cầu về cơ khí và động lực học ngoài ra cũng phảithiết kế được phần điều khiển điện để mô hình hoạt động được như mong muốn

Mô hình tạo ra phải đáp ứng đầy đủ các yêu cầu của đồ án và phải đượcthử nghiệm thành công

Thiết kế hệ thống nâng, hạ và bề mặt chở tàu phải tính toán hợp lý để chotàu được cân bằng và khi di chuyển tàu không được nghiêng ngả hay rơi khỏi

xe

Điều đặc biệt quan tâm ở đây là cơ chế tự cân bằng và cách điều khiểnhoạt động của xe

1.4 PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Đồ án này nghiên cứu trong phạm vi nhà trường, học viện

Tuy phạm vi nghiên cứu có giới hạn song có thể tham khảo thêm thực tếtại các nhà máy, công ty tàu thủy của Việt Nam để phát triển thành các đề tài cóthể ứng dụng trong thực tế

1.5.KẾT LUẬN

Trong chương 1 này đã trình bày về cơ sở và phương pháp nghiên cứu đểthực hiện các nội dung đồ án sẽ được trình bày ở các chương tiếp theo

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ XE TRIỀN

2.1 MỘT SỐ KỸ THUẬT VẬN CHUYỂN TÀU ĐƯỢC ỨNG DỤNGTRONG THỰC TẾ

Trên thực tế có khá nhiều những kỹ thuật được ứng dụng trên thế giới và

ở nước ta để chuyên chở và vận chuyển tàu.Mỗi kỹ thuật lại có những ưu vànhược điểm riêng nó phù hợp cho từng loại tàu và trên các địa hình khác nhau

Ở đây chỉ xin giới thiệu một số kỹ thuật cơ bản và được ứng dụng khá phổbiến ở nhiều nơi

Hình 2.1: Một số kỹ thuật vận chuyển tàu

2.1.1 Vận chuyển bằng tời và hệ thống giữ tàu

Đây là một kỹ thuật khá đơn giản và dễ thực hiện nhưng lại có một số hạnchế khi với những tàu có trọng tải lớn thì hệ thống giữ tàu sẽ thiết kế khó khăn

và tời cũng phải được sản xuất với khả năng chịu lực lớn hơn

Nhiều nước đã dựa trên nguyên lý đơn giản này và cải tiến thêm bằng hệthống bánh xe đã tạo nên những sản phẩm chuyên sử dụng để chở tàu, nâng hạtàu một cách dễ dàng hơn

Dưới đây là một số hình ảnh minh họa cho kỹ thuật này:

Hình 2.2: Vận chuyển tàu bằng tời và hệ thống giữ tàu

2.1.2 Vận chuyển trên đường trượt nghiêng

+ Đà tàu ( đà ngang, đà dọc)

+ Triền tàu( triền ngang, triền dọc)

Sau khi đóng xong, tàu tự trượt xuống nước theo mái nghiêng, nhờ trọnglượng bản thân của tàu

Nhược điểm của vận chuyển trên đường trượt nghiêng:

- Cần thiết tốn tiền cho việc gia cường triền vì lực nén bề mặt lớn ở gầncuối triền và tốn nhiều công khi xây dựng bảo quản phần triền dướinước.

- Xuất hiện ứng xuất lớn trong mối ghép thân tàu

- Cần có lòng sông rộng từ bờ này sang bờ bên kia, ít nhất 2 ÷ 2,5 lầnchiều dài khi tàu xuống nước

- Khi vận chuyển gặp nhiều khó khăn và nguy cơ biến dạng vỏ tàunhiều

Hình 2.3: Đường triền

2.2 SƠ LƯỢC VỀ XE TRIỀN

2.2.1 Định nghĩa

2.2.1.1 Định nghĩa triền tàu:

Triền tàu cũng là loại công trình nâng hạ tàu dạng mái nghiêng và là mộttrong những loại công trình thuỷ công xuất hiện sớm nhất Từ rất lâu, triền tàuchỉ là những mặt đất nghiêng, trên đó có kê những dầm gỗ để cho tàu trượt trên

nó Khi kéo lên cạn hoặc hạ xuống nước, và đồng thời để tiến hành sửa chữa hayđóng mới

trên nó

Người ta cũng dùng loại công trình này để chuyển tàu qua các đập trongnhững kênh đào.Ví dụ như năm 1702, Pie đệ nhất đã sử dụng chúng để chuyểnhạm đội tàu nhỏ từ Bạch Hải đến hồ Ozenck Dần dần với việc tăng kích thước

và trọng tải của tàu, loại công trình mái nghiêng này được cải tiến về vật liệuxây dựng, về thiết bị và về kĩ thuật thao tác nâng hạ tàu vv và đến thế kỉ thứ 19

nó mới trở thành những công trình chuyên dụng.Triền trở thành công trình sửdụng kết hợp nâng, hạ tàu nên được trang bị cho các nhà máy sửa chữa

Đầu tiên, để chuyển -tàu trên mái nghiêng, người ta dùng các con lănbằng gỗ, sau này với đà, người ta dùng xe trượt và với triền người ta dùng xechở tàu bằng kim loại chạy trên đường ray

Lần đầu tiên xe được dùng vào triền để chở tàu do Tô-mát Mooc-tôn chếtạo và sau gọi là triền Mooc-tôn Khoảng giữa và cuối thế kỉ 19, triền Mooc-tônđược sử dụng rộng rãi ở khắp các nước châu Âu Một trong những triền kiểu nàyđược xây dựng ở Xê-vát-stô-pôn (Nga) vào năm 1859-1861 thay thế cho ụ khô

đã bị phá hoại năm 1855 có lực nâng lớn nhất là 3000 tấn

Sau này do trọng lượng tàu tăng lên mạnh kiểu triền này không được pháttriển nữa vì khi nâng, hạ tàu đuôi tàu nổi lên phía trước, trong khi đó phía mũitàu vẫn tì trên đường trượt làm cho các bánh xe chịu lực không đều nhau Nhữngbánh xe phía lái không chịu lực (khi hạ tàu cho phía lái xuống nước trước), cònbánh xe ngoài cùng phía mũi chịu lực rất lớn gọi là áp lực đầu tàu (trị số này đạtkhoảng 20 - 25 % trọng lượng hạ thuỷ của tàu) Mặt khác, quá trình nâng hạ và

sửa chữa, tàu luôn ở trạng thái nằm nghiêng Do đó, đến đầu thế kỉ 20 triềnMooc-tôn chỉ được tiếp tục xây dựng ở Anh và các nước thuộc địa của Anh.

Một kiểu triền mới được sử dụng rộng rãi ở Mỹ và nam Mỹ, sau đó phổbiến dần sang các nước khác đó là “ụ đường ray” Kiểu này tiến bộ hơn triềnMooc-tôn ở chỗ đã biết hạn chế độ nghiêng của mặt xe bằng cách chế tạo loại xe

có độ cao 2 đầu khác nhau, sau này gọi là giá nghiêng Do yêu cầu hạ giá thànhxây dựng và tăng hiệu suất làm việc của nó, người ta tiếp tục cải tiến các loại xe

và sử dụng kết hợp với 1 số bệ

Hiện nay triền là 1 trong những công trình nâng hạ tàu được dùng rộng rãinhất trong các nước có công nghiệp đóng tàu phát triển và chậm phát triển.Nóthích hợp cho các nhà máy đóng hoặc sửa chữa loại tàu nhỏ và vừa Trải quahàng trăm năm sử dụng, triền đà được hiện đại hoá và đang được tiếp tục cảitiến không ngừng

Phương hướng cải tiến chủ yếu về các mặt:

- Cải tiến kết cấu đường trượt và biện pháp thi công chúng

- Cải tiến thiết bị vận chuyển (xe chở tàu) và tiến tới định hình hoáviệc chếtạo chúng

- Nâng cao tỉ lệ cơ giới hoá và tự động hoá trong khâu thao tác vàvận chuyển tàu để giảm bớt các công tác thi công và đơn giản sơ đồthao tác

Ở Việt Nam ta, trong những năm hoà bình đã xây dựng được một số triềnnhư triền Cửa Hội, triền Ninh Bình, triền ở nhà máy đóng tàu đóng tàu Bạch -Đằng, vv Tuy quy mô còn nhỏ bé song những người thiết kế cũng đã áp dụngcác sơ đồ của các triền hiện đại ở nước ngoài một cách sáng tạo vào điều kiệnthực tế ở Việt Nam

2.2.1.2 Định nghĩa xe triền

Xe triền là một dạng xe chở tàu thông minh (smart ship-trolleys) có tácdụng chở tàu và kèm theo một số chức năng khi kết hợp với các thiết bị khácnhư nâng, hạ tàu dùng trong việc đóng mới và sửa chữa tàu

Xe triền có tính linh hoạt cao trong việc vận chuyển phù hợp với nhữngđịahình không bằng phẳng vì có một cơ chế cân bằng khá hợp lý Khả năngthayđổi

hướng cũng rất linh hoạt nhờ hệ thống bánh xe

Thường trên mặt bằng có 2 tầng xe Tầng trên chở tàu và trực tiếp đưa tàu

ra, vào bệ Để việc nâng, hạ tàu thuận tiện, xe được chia thành nhiều đoạn, kíchthước mỗi đoạn không lớn, nên sức nâng cũng hạn chế Vì chọn sức chở lớn thìtrọng lượng bản thân cũng rất nặng, ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của xetầng dưới Thực tế sức chở của mỗi xe phân đoạn có thể tới 300 - 500 tấn Hình(2.5) là cấu tạo một đoạn xe chạy trên bệ Đây là loại phân đoạn ngắn, sức chởnhỏ có thể quay bánh xe một góc 900 Còn hình (2.6) là một đoạn xe có thể thayđổi độ nghiêng của mặt phẳng Xe tầng dưới chỉ chạy trong các đường hào cốđịnh, không thay đổi phương chuyển động Xe này có kết cấu phức tạp và sứcchở rất lớn hàng vạn tấn

Hình 2.4: Xe triền 2 tầng đang di chuyển trên đường triền để chuyển tàu vào

xưởng.

Hình 2.5: Một đoạn xe tầng trên của xe chạy trên bệ.

Hình 2.6: Cấu tạo 1 đoạn xe có thể thay đổi độ nghiêng của mặt phẳng.

Hình (2.7) là cấu tạo 1 xe tầng dưới có sức chở 6.000 T, thực chất nó là 1cái cầu thép di động thẳng góc với tàu và có thể dừng lại trước bất kỳ 1 bệ nào

Xe này có 6 đường ray bố trí phù hợp với ray trên bệ Khi chở tàu nhỏ, xe contầng trên có sức chở 100 T chạy trên 4 ray ở giữa, khi chở tàu lớn hơn, xe contầng trên có sức chở 200 T chạy ở 4 ray phía ngoài

Hình 2.7: Sơ đồ cấu tạo xe tầng dưới có sức chở 6000T 1-Tổ ray cách nhau 1 m dành cho xe con 100 T; 2- Tổray cách nhau 2m dành

Với nhiều ụ trên bờ, càng nhiều tàu có thể cùng sửa chữa 1 lúc, sử dụng một sànnâng duy nhất

Hình 2.8: Sàn nâng Syncrolift®.

b Hệ thống dịch chuyển

Hệ thống dịch chuyển được cung cấp trong giai đoạn 1 là hệ thống đơnmức của RRNMI được lắp đặt trong nhiều dự án Hệ thống này sử dụng ray loạitiêu chuẩn ray đường sắt để kéo tàu ra, vào sàn nâng, dùng thép hình, bánh xeSyncrolift công suất cao Những bánh xe đặc biệt này được đúc bằng sắt với bạcđạn côn để tuổi thọ cao và dễ kéo Chúng được bịt kín và có thể ngâm trongnước biển

Hình 2.9: Hệ thống ray

hệ thống ray ngang trên bờ Kích được dùng để kích tải của bánh xe và quay bộbánh xe Khi bánh chuyển sang hướng ngang, tàu được chuyển sang hướngngang, Việc di chuyển thông thường được dùng với xe kéo máy bay, tời hay hệròng rọc.

Các mô đun xe chở tàu bổ sung phải phù hợp với thiết kế và bản vẽ hiệntại do RRNMI cung cấp trước đó Đặc tính hệ thống dịch chuyển được giả định

là bổ sung thêm xe chở tàu loại 1 vào cấu hình ce chở tàu giai đoạn 1 tối đa đểtạo thành tổng cộng 9 xe loại 1.Bảng dưới đây mô tả các đặc điểm của hệ thốngdịch chuyển

Chiều dài xe chở tàu dọc 89,30 m *Chiều rộng xe chở tàu dọc 15,0 m

Khoảng cách ray 1,0 /8,0/ 1,0 m

2.2.2.2 Xe triền trên thế giới.

Trong các nước phát triển các hệ thống xe triền được gắn thêm các hệthống điều khiển tự động để có thể dễ dàng nâng hạ hoặc tự cân bằng khi chở tàu như hình 2.11

Hình 2.11: Các bánh xe triền có gắn thêm các hệ thống điều khiển tự động.

Để có thể di chuyển tự do và di chuyển trên nhiều địa hình các nước pháttriển đã cho ra loại xe triền có lốp thay thế cho các bánh ray và đường ray.

Hình 2.12: Các sản phẩm xe triền dùng lốp.

Vẫn còn rất nhiều những mẫu thiết kế về xe triền khác nhau nhưng đaphần đều có một kết cấu cơ khí và nguyên lý hoạt động khá giống nhau

2.3 KẾT CẤU CƠ KHÍ CỦA XE TRIỀN

Kết cấu chịu lực chính của xe chở tàu là một sàn phẳng, có kích thướctrên mặt bằng tương ứng với kích thước của tàu thiết kế Sàn được đặt trên cáccụm bánh xe có chiều cao điều khiển được bằng kỹ thuật số Số lượng cụm bánh

xe thay đổi tùy theo chiều dài tàu Mỗi cụm bánh xe là một cơ cấu cơ khí – thủylực có thể điều khiển được bằng kỹ thuật số, có lắp cảm biến độ nghiêng trên sàn

xe để bộ điều khiển trung tâm xác định được độ nghiêng của sàn và điều chỉnh

độ cao hiện thời của từng cụm bánh xe

Hình 2.13: Mô hình cơ khí của xe triền.

Hình 2.14: Kết cấu cụm bánh xe chở tàu.

2.4 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN XE TRIỀN TRONG CÔNG NGHIỆP

Trong nền công nghiệptàu thủy hiện nay xe triền được điều khiển dưới 2dạng sau:

 Triền dọc: Là triền có trục dọc thẳng góc với tuyến bờ Nói một cáchkhác, triền dọc là triền mà khi hạ thuỷ, tàu chuyển động theo phươngdọc thân tàu Ưu điểm của phương pháp này là: Triền dọc dùng thuậnlợi cho các nhà máy đóng hoặc sửa chữa tàu nhỏ và biển có bãi

 Triền ngang: Trục dọc song song với bờ, khi hạ thuỷ, tàu chuyển độngtheo phương ngang thân tàu Triền ngang có 1 số ưu điểm là: Triềnngang có nhiều thuận lợi trong việc chọn kết cấu, bố trí mặt bằng nhàmáy, yêu cầu khu nước không rộng Triền ngang thường có lực nânglớn hơn triền dọc vì có nhiều đường trượt Nhưng có nhược điểm làvốn đầu tư cao hơn Đặc biệt nếu có dòng chảy dọc bờ thì triền ngangkhó định vị tàu hơn triền dọc Do đó, ở các nhà máy đóng tàu sôngdùng triền ngang thích hợp hơn.

2.5 ỨNG DỤNG CỦA XE TRIỀN TRONG CÔNG NGHIỆP TÀU THỦYĐây là một thiết bị không thể thiếu trong công nghiệp tàu thủy, nó được sửdụng ở nhiều giai đoạn từ việc đóng mới, hạ thủy và sửa chữa tàu đều cần đến.Một số ứng dụng chính như sau:

- Dùng để chở tàu, vận chuyển tàu để hạ thủy

- Nâng, hạ tàu để sửa chữa

- Vận chuyển tàu qua một số địa hình không bằng phẳng

2.6 KẾT LUẬN

Ở chương này đã giới thiệu được tổng quan về xe triền và các sản phẩmthực tế ở trong nước và trên thế giới Qua đó chúng ta có thể hiểu được về cáckết cấu, ứng dụng và sự cần thiết của xe triền trong công nghiệp tàu thủy

CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH HÓA XE TRIỀN

3.1 THIẾT LẬP MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA XE TRIỀN

3.1.1 Mô hình xe triền

Mô hình xe triền gồm: Một sàn cứng và sàn cứng này phải được tựa trênhai cụm bánh xe (2 toa), hơn nữa các cụm bánh xe này cần phải được cấu tạo đểvừa cho phép khoảng cách từ trục cụm bánh xe đến mặt sàn có thể thay đổiđược đồng thời lại có khả năng quay quanh trục liên kết với mặt sàn Qua tìm

hiểu thực tế tôi đã thiết kế được mô hình xe triền 2 toa với mục đích thí nghiệm

và điều khiển cân bằng cho sàn xe Mô hình được thiết kế như hình vẽ dưới đây:

Hình 3.1: Xe triền thiết kế bằng Inventor.

Từ mô hình thực tế trên ta xây dựng được mô hình xe triền như hình vẽdưới đây:

Khi xe phải lên (xuống) dốc thì sàn xe sẽ bị lệch khỏi vị trí cân bằng 1góc thì khi đó, cơ cấu chấp hành có nhiệm vụ tạo ra xung lực F1, F2 tác động

lên 2 đầu sàn xe, làm thay đổi vị trí x1, x2nhằm mục đích đưa sàn xe trở lại trạngthái ổn định theo phương ngang.

Mục đích của bài toán này là phải tìm ra một bộ điều khiển để đưa sàn xe

về trạng thái cân bằng và giữ cho sàn ổn định theo phương ngang

Giả thiết bài toán:

- Giả thiết m = 0,5 (kg); l = 0,3 (m)

- Bỏ qua khối lượng của các cơ cấu

- Góc lệch φ nhỏ

- Lực F1, F2 là hai lực đối ngẫu

3.1.2 Thiết lập mô hình toán

Có thể biểu diễn mỗi bánh xe gồm một giảm chấn và một lò xo ta có sơ

đồ của hệ thống xe triền như hình vẽ:

Hình 3.3: Mô hình toán của xe triền 2 toa

Giả sử các cơ cấu chấp hành là một khối cứng ta có lực tác dụng lên các cơcấu như sau:

Hình 3.4: Lực tác dụng lên từng cơ cấu chấp hành

Từ hình trên và áp dụng phương trình Newton’s cho từng cơ cấu chấp hành

ta suy ra phương trình vi phân:

bi là hệ số qui dẫn giảm chấn của cơ cấu chấp hành thứ i;

ki là hệ số qui dẫn của phần tử đàn hồi của cơ cấu chấp hành thứ i;

wi là độ mấp mô của mặt đường tại cơ cấu chấp hành thứ i;

Fi lực tác dụng của cơ cấu chấp hành thứ i lên mặt sàn;

Biến đổi laplace ta có:

b1= b2= 0Ns/m (coi bánh xe là vật cứng tuyệt đối)

k1= k2= 0N/m(coi bánh xe là vật cứng tuyệt đối)

Vậy ta được phương trình:

Sơ đồ mạch điện phần ứng của động cơ điện một chiều như sau:

Hình 3.5.Sơ đồ động cơ điện một chiều

Mô men xoắn của động cơ, T phụ thuộc vào dòng điện phần ứngi bởi hệ

số K Sức điện động e phụ thuộc vận tốc góc theo biểu thức sau: t

L Ri V K dt

Ke là hệ số đặc trưng cho suất điện động;

Mặt khác ta có lực F của cơ cấu chấp hành tỉ lệ với T theo hệ số k: T= k.F;nên công thức (3-10) biến đổi thành:

 Hàm truyền của động cơ điện DC:

Biến đổi Laplace biểu thức (3-11) ta được:

P Ei  ở đây E là suất điện động cảm ứng sinh ra trong động cơ và

3.2 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN XE TRIỀN

3.2.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển

Các tín hiệu tác động trong hệ thống:

 Tín hiệu vào: là góc R= 00 tức là sàn xe luôn ổn định theo phươngngang khi xe lên hoặc xuống dốc.

 Tín hiệu ra: là góc của sàn xe khi xe di chuyển vào địa hình mấpmô

 Tín hiệu điều khiển động cơ là u1, u2

 Tín hiệu điều khiển tác động lên đối tượng là: F1, F2

 Tín hiệu phản hồi: là góc 

3.2.2 Chọn bộ điều khiển PID

3.2.2.1 Lý do chọn bộ điều khiển PID

Để điều khiển cho sàn xe ổn định theo phương ngang, ta phải điều khiểnlực tác động vào 2 cơ cấu chấp hành để đáp ứng được hệ thống Cụ thể: khi xelên hoặc xuống dốc, sàn xe bị lệch, lúc này bộ điều khiển sẽ cấp điện áp u1(t),

u2(t) vào 2 động cơ, động cơ tạo ra lực, tác động vào cơ cấu chấp hành để đưasàn xe về vị trí ổn định, tức là làm cho góc giảm dần về 0 độ

Ta so bộ điều khiển của chúng ta với chức năng điều khiển như vậy vớicác bộ điều khiển mà ngày nay chúng ta có như:

 Bộ điều khiển tuyến tính và phi tuyến có bộ điều khiển Mờ, bộđiều khiển PID, bộ điều khiển Mờ lai PID, bộ điều khiển trượt, …

vv

 Bộ điều khiển số

 Bộ điều khiển logic

Ta thấy rằng phù hợp hơn cả là bộ điều khiển PID bởi vì đó là bộ điềukhiểncó nhiệm vụ đưa sai lệch về 0 sao cho quá trình quá độ thoả mãn các yêucầu cơ bản về chất lượng và vì đối tượng điều khiển của chúng ta là kiểu đối

tượng SISO (một vào một ra) theo nguyên lý hồi tiếp, hơn nữa PID còn có tínhđơn giản cả về cấu trúc lẫn nguyên lý làm việc.

3.2.2.2 Giới thiệu về bộ điều khiển PID

Tên gọi PID là chữ viết tắt của ba thành phần cơ bản có trong bộ điềukhiển(hình 3.7): khuếch đại tỷ lệ (P), tích phân (I), và vi phân (D) Bộ điều khiểnPID được ví như một tập thể hoàn hảo gồm ba cá nhân với ba tính cách khácnhau:

 Phục tùng và thực hiện chính xác nhiệm vụ được giao (tỷ lệ)

 Làm việc và có tích luỹ kinh nghiệm để thực hiện tốt nhiệm vụđược giao(tích phân)

 Luôn có sáng kiến và phản ứng nhanh nhạy với sự thay đổi trongquá trìnhthực hiện nhiệm vụ (vi phân)

Hình 3.7 Ba thành phần của bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID được sử dụng khá rộng rãi để điều khiển đối tượngSISO(một vào, một ra) theo nguyên lý hồi tiếp (hình 3.8) Lý do bộđiềukhiểnPID được sử dụng rộng rãi là vì tính đơn giản của nó cả về cấu trúc lẫnnguyên lýlàm việc Bộ điều khiển PID có nhiệm vụ đưa sai lệch e(t) của hệthống về 0 sao cho quá trình quá độ thoả mãn các yêu cầu cơ bản về chất lượng.Nguyên lý làm việc của bộ điều khiển PID được mô tả một cách định tính nhưsau:

 Nếu sai lệch e(t) càng lớn thì thông qua thành phần up(t), tín hiệuđiều chỉnh u(t) càng lớn (vai trò của khâu khuếch đại Kp)

 Nếu sai lệch e(t) chưa bằng 0 thì thông qua thành phần uI(t), bộđiều khiển PID vẫn còn tạo tín hiệu điều chỉnh u(t) (vai trò củakhâu tích phân TI)

 Nếu sự thay đổi của sai lệch e(t) càng lớn thì thông qua thành phần

uD(t), bộ điều khiển PID sẽ phản ứng càng nhanh (vai trò của khâu

vi phân TD)

Hình 3.8: Mô hình hệ thống điều khiển với bộ PID

Biểu thức toán học của bộ điều khiển PID có dạng:

Trong đó e(t) là tín hiệu đầu vào, u(t) là tín hiệu đầu ra, kP được gọi là hệsốkhuếch đại, TI là hằng số tích phân, TD là hằng số vi phân

Từ biểu thức toán học trên ta suy ra được hàm truyền đạt của bộ điềukhiển PID:

Chất lượng của hệ thống phụ thuộc vào các tham sốkP, TI, TD Muốn hệthống có được chất lượng như mong muốn thì phải phân tích đối tượng rồi trên

cơ sở đó chọn các tham sốkP, TI, TD cho phù hợp Hiện có khá nhiều phươngpháp xác định các tham số kP, TI, TD cho bộ điều khiển PID Dưới đây là một sốnhữngphương pháp thường được sử dụng:

 Phương pháp tối ưu môdun, phương pháp tối ưu đối xứng.

 Phương pháp của Ziegler-Nichols

 Phương pháp thực nghiệm

 Phương pháp của Reinisch

Một điểm cần chú ý là trong nhiều trường hợp không cần xác định cả batham số kP, TI, TD cho bộ điều khiển PID Chẳng hạn như bản thân đối tượng đã

có thành phần tích phân thì trong bộ điều khiển ta không cần phải có thêm khâutích phân mới triệt tiêu được sai lệch tĩnh, tức là ta chỉ cần sử dụng bộ điềukhiển PD là đủ Hàm truyền đạt của bộ điều khiển PD có dạng:

Nếu tín hiệu trong hệ thống thay đổi tương đối chậm và bản thân bộđiềukhiển không cần phải có phản ứng thật nhanh với sự thay đổi của sai lệche(t) thì ta chỉ cần sử dụng bộ điều khiển PI với hàm truyền đạt có dạng:

3.3 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VỚI CÔNG CỤ SIMULINK.3.3.1 Giới thiệu về phần mềm MATLAB, công cụ SIMULINK

MATLAB – phần mềm nổi tiếng của công ty MathWorks, là một ngônngữ hiệu năng cao cho tính toán kỹ thuật như được viết trong logo của phầnmềm này.Nó tích hợp tính toán, hiện thị và lập trình trong một môi trường dễ sửdụng Các ứng dụng tiêu biểu của MATLAB bao gồm:

 Hỗ trợ toán học và tính toán

 Phát triển thuật toán

 Mô hình, mô phỏng

 Phân tích, khảo sát và hiển thị số liệu

 Đồ họa khoa học và kỹ thuật

 Phát triển ứng dụng với các giao diện đồ họa

Tên của phần mềm MATLAB bắt nguồn từ thuật ngữ “MatrixLaboratory”.Đầu tiên nó được viết bằng FORTRAN để cung cấp truy nhập dễdàng tới phần mềm ma trận được phát triển bởi các dự án LINPACK vàEISPACK Sau đó nó được viết bằng ngôn ngữ C trên cơ sở các thư viện nêutrên và phát triển thêm nhiều lĩnh vực của tính toán khoa học và các ứng dụng

kỹ thuật

Ngoài MATLAB cơ bản với các khả năng rất phong phú sẽ được đề cậpsau, phần mềm MATLAB còn được trang bị thêm các ToolBox – các góichương trình (thư viện) cho các lĩnh vực ứng dụng rất đa dạng như xử lý tínhiệu, nhận dạng hệ thống, xử lý ảnh, mạng nơ ron, logic mờ, tài chính, tối ưuhóa, phương trình đạo hàm riêng, sinh tin học, Đây là các tập hợp mã nguồnviết bằng chính MATLAB dựa theo các thuật toán mới, hữu hiệu mà người dùng

có thể chỉnh sửa hoặc bổ sung thêm các hàm mới

MATLAB được thiết kế để giải các bài toán bằng số chứ không nhằmmục đích chính là tính toán ký hiệu như MATHEMATICA và MAPLE.Tuynhiên, trong MATLAB cũng có thể tính toán ký hiệu được nhờ các hàm trongSymbolic Math ToolBox

Simulink là một công cụ của Matlab, được MathWorks giới thiệu vàotháng6 năm 2003 (Simulink 5.0) Simulink cho phép phân tích, mô hình hoá và

mô phỏng các hệ thống động một cách trực quan trong môi trường giao tiếp đồhoạ Simulink hỗ trợ các hệ thống tuyến tính lẫn phi tuyến, mô hình ở chế độthời gian liên tục, hoặc rời rạc, hoặc có thể là hệ ghép liên tục và rờirạc.Simulink là công cụ rất hữu dụng cho người làm công tác mô hình, môphỏng Thư viện sẵn có của Simulink rất phong phú, thuộc nhiều lĩnh vực khácnhau như điều khiển, viễn thông, xử lý tin hiệu, xử lý ảnh, … Ngoài các khốiđược xây dựng sẵn, Simulink còn thiết kế sẵn các khối mở, cho phép ngườidùng tự định nghĩa chức năng Chính vì vậy, nó cho phép mô hình hoá và môphỏng cho bất kỳ hệ thống nào

Chính vì những lợi điểm trên, em đã chọn Simulink làm công cụ cho việcmôhình hoá và mô phỏng của đồ án.

3.3.2 Mô phỏng hệ thống điều khiển của xe triền

Yêu cầu thiết kế:

Để sàn xe triền ổn định khi xe lên hoặc xuống dốc thì các cơ cấu chấphành phải đáp ứng kịp thời để góc  dần về 0 độ Độ dốc của đường (w) sẽđược mô phỏng là một đầu vào tượng trưng cho việc xe lên (xuống) dốc Tôithiết kế 1 bộ điều khiển với tín hiệu phản hồi là có overshoot nhỏ hơn 5% vàsettling time nhỏ hơn 6s

Xây dựng mô hình:

Hệ thống sẽ được mô phỏng bằng cách tổng hợp 2 lực từ cơ cấu chấphành tác dụng vào hai đầu sàn xe và nguyên hàm 2 lần gia tốc ta sẽ được quãngđường Áp dụng định luật Newton cho từng cơ cấu chấp hành.Mở Simulink và

mở một cửa sổ mới Trước tiên sẽ mô phỏng nguyên hàm gia tốc của 2 đầu sànxe:

2

1 2

2

2 2

Lấy khối Integrator từ thư viện tuyến tính và vẽ các đường đến và đường

ra Gắn nhãn cho các đường vừa vẽ (hình 3.9)

Hình 3.9: Khối Integrator.

Tiếp đó, ta sử dụng phương trình Newton cho từng cơ cấu chấp hành tađược phương trình:

2 1 2

2 2 2