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

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. 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.

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

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

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

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

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

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 (ParticleSwarm 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

1 2,

b b Hệ số cản chuyển động xe cầu và xe con

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

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

l Chiều dài của dây cáp

x Dịch chuyển của xe con trên cầu theo trục Ox

y Dịch chuyển của xe cầu trên cầu theo trục Oy

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

Hình 2.16 Góc lắc  71Hình 2.17 Góc lắc  72Hình 3.1 Sơ đồ cấu trục hệ thống điều khiển cầu trục ở chế độ di chuyển

ngang hoặc di chuyển dọc 75Hình 3.2 Sơ đồ cấu trục hệ thống điều khiển cầu trục ở chế độ di chuyển

ngang và di chuyển dọc đồng thời 76Hình 3.3 Giá trị hàm mục tiêu qua các bước lặp 87Hình 3.4 Đáp ứng của hệ được chính định bằng giải thuật NM với các khối

lượng khác nhau 87Hình 3.5 Đáp ứng của hệ được chính định bằng giải thuật NM với các chiều

dài cáp ban đầu khác nhau 88Hình 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 92Hình 3.7 Sơ đồ giải thuật GA tối ưu các tham số của bộ PID 94Hình 3.8 Đáp ứng của hệ được chính định bằng giải thuật GA với các khối

lượng khác nhau 95Hình 3.9 Đáp ứng của hệ được chính định bằng giải thuật GA với các chiều

dài cáp ban đầu khác nhau 95Hình 3.10 Thiết kế bộ PID trên cơ sở giải thuật PSO 99Hình 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 102Hình 3.12 Mô hình mô phỏng hệ thống điều khiển cầu trục 2D 104Hình 3.13 Thuật toán tối ưu các tham số của bộ điều khiển PID và PD bằng

giải thuật PSO 105Hình 3.14 Đáp ứng của hệ được chính định bằng giải thuật PSO với các chiều

dài cáp ban đầu khác nhau 106

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

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

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

- 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 Nelder-Mead, 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 MATLAB-SIMULINK

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

- 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

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; 9-

Cơ cấu di chuyển xe con; 10- Bộ góp điện; 11- Cabin; 12- Đường dây điện;

13- Đường lăn bánh xe con

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

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]:

+ 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:

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

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

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

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

- 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

của các ray phức tạp nên loại cầu trục này thường chỉ được dùng trong các trường hợp đặc biệt cần thiết So với cầu trục tựa, cầu trục treo có ưu điểm là

có thể làm dầm cầu dài hơn, do đó nó có thể phục vụ cả phần rìa mép của nhà xưởng, thậm chí có thể chuyển hàng giữa hai nhà xưởng song song, đồng thời kết cấu thép của cầu trục treo nhẹ hơn so với cầu trục tựa Tuy nhiên, cầu trục treo có chiều cao nâng thấp hơn cầu trục tựa

1.1.4.4 Phân loại theo cách bố trí cơ cấu di chuyển

Theo cách bố trí cơ cấu di chuyển cầu trục có các loại cầu trục dẫn động chung và cầu trục dẫn động riêng

Trong phương án dẫn động chung, động cơ dẫn động được đặt ở giữa dầm cầu và truyền chuyển động tới các bánh xe chủ động ở hai bên ray nhờ các trục truyền Trục truyền có thể là trục quay chậm, quay nhanh và quay trung bình Ở phương án dẫn động riêng mỗi bánh xe hoặc cụm bánh xe chủ động được trang bị một cơ cấu dẫn động

Cơ cấu dẫn động chung với trục truyền quay chậm gồm động cơ điện và hộp giảm tốc

1.1.4.5 Phân loại theo nguồn dẫn động

Theo nguồn dẫn động có các loại cầu trục dẫn động tay và cầu trục dẫn động máy

- Cầu trục dẫn động bằng tay, được dùng chủ yếu trong sửa chữa, lắp

ráp nhỏ và các công việc nâng - chuyển hàng không yêu cầu tốc độ cao Cơ cấu nâng của loại cầu trục này thường là palăng xích kéo tay Cơ cấu di chuyển palăng xích và cầu trục cũng được dẫn động bằng cách kéo xích từ dưới lên Tuy là thiết bị nâng thô sơ song do giá thành rẻ và dễ sử dụng nên cầu trục dẫn động bằng tay vẫn được sử dụng có hiệu quả trong các phân

xưởng nhỏ

- Cầu trục dẫn động bằng động cơ điện được sử dụng trong các phân

xưởng sửa chữa, lắp ráp lớn và công việc nâng - chuyển hàng yêu cầu có tốc

độ và khối lượng lớn Cơ cấu nâng của loại cầu trục này là palăng điện Cơ cấu di chuyển palăng điện, xe con và cầu cũng được dẫn động từ động cơ điện Loại cầu trục này được dùng phổ biến nhất do có nhiều ưu điểm nổi bật

là khả năng tự động hoá, thuận tiện và có thể sử dụng trong việc vận chuyển

các loại hàng có khối lượng lớn

1.1.4.6 Phân loại theo vị trí điều khiển

Theo vị trí điều khiển có các loại cầu trục điều khiển từ cabin gắn trên dầm cầu và cầu trục điều khiển từ dưới nền nhờ hộp nút bấm Điều khiển từ dưới nền bằng hộp nút bấm thường dùng cho các loại cầu trục một dầm có tải trọng nâng nhỏ

1.1.4.7 Phân loại theo tốc độ di chuyển xe con và xe cầu

Theo tốc độ di chuyển xe con và xe cầu có các loại cầu trục tốc độ thấp, cầu trục tốc độ trung bình và cầu trục tốc độ cao Cầu trục tốc độ cao là cầu trục có tốc độ di chuyển xe con trên 0,508 m/s

1.1.4.7 Phân loại theo tải trọng nâng

Theo tải trọng nâng, cầu trục được phân thành:

- Cầu trục có tải trọng nhỏ: sức nâng chuyển từ 1-5 tấn;

- Cầu trục có tải trọng trung bình: sức nâng chuyển từ 10-30 tấn;

- Cầu trục có tải trọng lớn: sức nâng chuyển từ 30-60 tấn; và

- Cầu trục có tải trọng rất lớn: sức nâng chuyển từ 80-500 tấn

Theo các cách phân loại trên, lựa chọn đối tượng nghiên cứu của luận án

là cầu trục dùng chung, hai dầm tựa, dẫn động riêng bằng động cơ điện, tốc

độ cao và có sức nâng trung bình Đây là dạng cầu trục được sử dụng phổ biến trong các nhà máy cơ khí

1.1.6 Xu hướng phát triển cầu trục

Cầu trục có vai trò quan trọng trong việc thực hiện công nghiệp hóa, hiện đại hóa, nó giúp nâng cao năng lực bốc xếp và vận chuyển Hiện nay, cầu trục trong các nhà máy, kho trạm, bến cảng chủ yếu sử dụng hệ thống truyền động

là động cơ không đồng bộ ba pha dây quấn, điều chỉnh tốc độ bằng cách điều chỉnh điện trở mạch kích từ rôtô Mạch điều khiển chủ yếu thiết kế là các rơle công tắc tơ nên hệ thống điều khiển kém chính xác Bên cạnh đó, khi tần suất đóng cắt lớn sẽ gây mòn tiếp điểm nên phải bảo dưỡng thường xuyên Việc điều chỉnh tốc độ sử dụng điện trở phụ gây tổn hao lớn về điện năng trên các điện trở này Tín hiệu từ bộ điều khiển được đưa đến các rơle trung gian, tín hiệu của các rơ le trung gian dùng để điều khiển đóng cắt các công tắc tơ cấp nguồn cho các động cơ chấp hành của các cơ cấu, sự liên kết động giữa các cơ cấu được thực hiện bằng các tiếp điểm hạn chế Như vậy, năng lượng điện đã được khuếch đại hoàn toàn bằng các hệ thống rơ le công tắc tơ, từ năng lượng

ở tay điều khiển tương đối nhỏ đã chuyển thành năng lượng lớn cấp nguồn cho động cơ thực hiện

Trong thời kỳ đầu, các thiết bị điện tử công suất lớn ra đời, người ta đã

sử dụng các thiết bị này để khởi động và điều khiển tốc độ động cơ Phần điều khiển được thực hiện chủ yếu bằng các bộ điều khiển tương tự với nhiều khối mạch ghép lại, mỗi khối thực hiện một chức năng riêng Do có cấu trúc như vậy nên hệ thống rất phức tạp đòi hỏi người vận hành, khai thác, bảo dưỡng sửa chữa cần có trình độ cả về công nghệ và điện tử công suất

Ngày nay, với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, nhất là trong lĩnh vực điện tử công suất, kỹ thuật điều khiển và các hệ thống truyền động cho cầu trục đã có nhiều thay đổi thậm chí ngay từ ý tưởng, quan niệm thiết kế Hệ thống đã được sử dụng trong các hệ thống động cơ không đồng bộ rô to lồng sóc, điều chỉnh tốc độ bằng biến tần Hệ thống thông thường được thiết kế là

các hệ số với phần tử xử lý, điều khiển chính là bộ điều khiển lôgic khả trình (PLC-Programmable Logic Controller) hoặc máy tính điện tử Hệ thống điều khiển thường là hệ kín, điều khiển giám sát bằng máy tính với độ tin cậy cao Việc kiểm tra các thông số đầu vào và điều khiển được thực hiện bởi vi điều khiển hoặc CPU, bảo vệ liên động giữa các cơ cấu thực hiện bằng cả phần cứng và phần mềm Tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển, qua bộ mã hóa chuyển thành tín hiệu số sau đó đưa tới đầu vào cho các bộ PLC, DSC hoặc CPU Các bộ điều khiển này xử lý các tín hiệu đầu vào theo luật điều khiển được lập trình trước, tín hiệu đầu ra của các bộ điều khiển PLC có thể được đưa tới biến tần, micro rơle để đóng cắt các công tắc tơ cấp nguồn cho động

cơ Tùy theo yêu cầu công nghệ, chất lượng bốc xếp và giá thành mà người ta lựa chọn số cấp tốc độ cho động cơ để từ đó lựa chọn phương án sử dụng biến tần hay dùng rơ le, công tắc tơ Trong hệ thống này, năng lượng cũng được khuếch đại nhờ hệ thống rơ le trung gian

Nhưng cho dù thuộc hệ thống nào hay được thiết kế theo nguyên lỳ gì khác nữa, thì cầu trục luôn được thiết kế với kỹ thuật tối ưu hóa biến điều khiển nhằm giảm thiếu số biến điều khiển mà vẫn bảo đảm khả năng điều khiển theo yêu cầu công nghệ Đồng thời cần bảo đảm đặc tính động học của cầu trục đáp ứng các yêu điều khiển Hệ thống điều khiển có bộ phận điều khiển, bộ phận giám sát làm giao diện giữa người vận hành và hệ thống như:

Hệ thống báo động, hệ thống báo lỗi và dừng khẩn cấp

Như vậy, vấn đề khoa học cơ bản trong tính toán, thiết kế hệ thống cầu trục là việc mô hình hóa và điều khiển cầu trục

1.2 Mô hình hóa cầu trục

Một trong những vấn đề cơ bản trong nghiên cứu tính toán, thiết kế và điều khiển để nâng cao hiệu quả làm việc của cầu trục là phải xây dựng các

mô hình động lực học hệ thống cầu trục sát với mô hình thực, phù hợp với

yêu cầu phân tích, khảo sát các đặc tính động lực học, cũng như làm cơ sở cho việc thiết kế các hệ thống điều khiển hệ thống cầu trục

Như đã trình bày trong mục trước, cầu trục thông thường gồm ba bộ phận chính: 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; và 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 Khi làm việc cầu trục thực hiện bốn chuyển động chính gồm chuyển động của xe cầu, chuyển động của xe con, chuyển động nâng hạ hàng và chuyển động lắc của hàng Tuy nhiên, trong khai thác sử dụng cầu trục, chuyển động của xe cầu và chuyển động của xe con thường không đồng thời, khi đó trạng thái làm việc phổ biến thường chỉ gồm ba chuyển động: Chuyển động của xe cầu hoặc chuyển động của xe con, chuyển động kéo cáp nâng hạ hàng và chuyển động lắc của khối lượng hàng

Tùy theo mục tiêu nghiên cứu, nhiều mô hình động lực học chuyển động của tháp cầu trục đã được xây dựng Các tác giả như Giua [21], Kim [23], Wang [31]… đã xây dựng mô hình động lực chuyển động cầu trục trong mặt phẳng bao gồm 2 bậc tự do: Chuyển động của xe con và góc lắc của cáp như Hua [32], Almutairi [63]… xây dựng mô hình động lực học cầu trục trong mặt phẳng gồm 3 bậc tự do: Chuyển động của xe con, chuyển động nâng hạ hàng và góc lắc của cáp Trong khi nhiều tác giả khác đã xây dựng mô hình động lực học chuyển động của cầu trục trong không gian gồm 4 bậc tự do: Chuyển động của xe con, chuyển động của xe cầu, góc lắc của cáp trong mặt phẳng chuyển động của xe con và góc lắc của cáp trong mặt phẳng chuyển động của xe cầu [27], [51]…, hoặc 5 bậc tự do bao gồm thêm chuyển động nâng hạ hàng [45], [46] Một số tác giả khác đã xây dựng mô hình động lực học chuyển động của cầu trục có kể đến bộ phận truyền động điện [39], [69]

Tất cả các mô hình động lực học chuyển động tháp cầu trục đều được mô hình hóa dưới dạng các hệ phương trình vi phân chuyển động hoặc hệ phương trình trạng thái Chúng được dùng để khảo sát động lực học chuyển động và tổng hợp các bộ điều khiển nhằm di chuyển hàng hóa tới vị trí mong muốn nhanh nhất với góc lắc nhỏ nhất

Trong chương 2 của luận án này sẽ trình bày các mô hình động lực học chuyển động tháp cầu trục từ đơn giản nhất là 1 bậc tự do chỉ mô tả chuyển động nâng hạ hàng, tới phức tạp nhất là 5 bậc tự do mô tả đồng thời cả di chuyển ngang, dọc và nâng hạ hàng Các mô hình này sẽ bao gồm cả mô hình

cơ học và mô hình cơ-điện

1.3 Điều khiển cầu trục

1.3.1 Đặc điểm bài toán điều khiển hệ thống cầu trục

Cầu trục được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp để di chuyển những vật nặng Tuy nhiên, cầu trục hiện có tồn tại một số hạn chế: 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 mềm Chuyển động lắc này dẫn đến giảm hiệu quả làm việc, đôi khi gây nguy hiểm cho hàng hóa, người

và thậm trí 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 bằng chuyển động của xe con 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 Tuy nhiên, nó 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

Một số nghiên cứu đã được thực hiện để cân bằng và giảm thiểu chuyển động lắc khối lượng hàng với những điều kiện nhất định như góc lắc nhỏ, tốc

độ nâng chậm và hành trình nâng hạ ngắn [10], [11] Tuy nhiên, trong những điều kiện này, các luật điều khiển chống lắc hiện có không thể phù hợp để điều khiển chống lắc hiệu quả cho cầu trục làm việc với tốc độ nâng hạ cao được sử dụng trong thực tế

Một hệ thống điều khiển cầu trục bảo đảm các điều kiện làm việc hiệu suất cao và an toàn là không thể thiếu đối với hệ cầu trục hiện đại Tuy nhiên,

hệ động lực cầu trục về cơ bản là một hệ phi tuyến với một số yếu tố bất định Trong quá trình làm việc hệ bao gồm các chuyển động mong muốn, được dẫn động là chuyển động nâng hạ, di chuyển khối lượng hàng; và chuyển động không mong muốn, bị dẫn động là chuyển động lắc của khối lượng hàng Do

đó, mặc dù đã có nhiều công trình nghiên cứu với các cách tiếp cận khác nhau

để điều khiển các chuyển động cầu trục [47], nhưng mỗi hệ thống điều khiển cũng chỉ đáp ứng được một số yêu cầu nhất định, thường được xây dựng để điều khiển các chuyển động được dẫn động nhằm đạt được mục tiêu đưa hàng đến vị trí mong muốn trong thời gian ngắn với ít chuyển động lắc của khối lượng hàng nhất

Điều khiển chuyển động nâng hạ hàng, di chuyển hàng hoá treo trên móc cầu trục theo quỹ đạo mong muốn trong không gian hoạt động của cầu trục có thể thực hiện đồng thời nhờ 3 cơ cấu: nâng hạ hàng, cơ cấu di chuyển xe con

và cơ cấu di chuyển xe cầu

1.3.2 Các phương pháp điều khiển cầu trục

Hệ thống cầu trục hiện đại thường được trang bị các bộ điều khiển chất lượng cao để giảm sự lắc của hàng hóa và tăng độ chính xác các chuyển động Trong những thập niên gần đây, rất nhiều công trình nghiên cứu về điều khiển cầu trục đã được công bố cả về lý thuyết và thực tế Theo đó, một số kỹ thuật điều khiển đã được áp dụng từ các kỹ thuật đơn giản như điều khiển tuyến tính [17]-[23], điều khiển phi tuyến [24]-[26], điều khiển tối ưu [27]-[30], thuật toán thích nghi [32]-[36], tới các kỹ thuật điều khiển hiện đại như điều khiển mờ [37] và mạng nơ ron nhân tạo [41]

Một số công trình như [34] đã trình bầy một cách tổng quan nhất về các phương pháp điều khiển cầu trục, bao gồm sự phân loại, đánh giá về ưu nhược điểm của mỗi phương pháp hay kỹ thuật điều khiển Trong luận án, tác giả chỉ trình bầy tóm lược mang tính định hướng về các phương pháp điều khiển cầu trục hiện có, từ đó lựa chọn phương pháp điều khiển cho hệ thống cầu trục phù hợp với công nghệ trong nước

Mô hình điều khiển đơn giản nhất là các mô hình tuyến tính [17]-[23] Các kỹ thuật điều khiển cho mô hình này được xây đựng trên cơ sở hệ phương trình trạng thái đã được tuyến tính hóa của hệ động lực học cầu trục, Sakawa [17] đã xây dựng luật điều khiển tuyến tính nhờ sử dụng phương pháp phản hồi trạng thái và phân bố điểm cực Trong công trình khác của Corriga [20], đã xây dựng mô hình biến thiên tham số tuyến tính của cầu trục hai chiều trong đó chiều dài của dây cáp được xem như tham số thay đổi theo thời gian Đầu tiên, tác giả thiết lập mô hình cầu trục với chiều dài cáp thay đổi Tiếp đó, mô hình này được quy giảm về mô hình bất biến theo thời gian nhờ sử dụng tham số tỷ lệ với thời gian Sau đó, luật điều khiển được thiết lập nhờ thực hiện quan hệ thống kê bội số ẩn và tỷ lệ thời gian Tác giả Giua [21]

đã mở rộng phương pháp điều khiển trên cho mô hình cầu trục ba chiều với

cấu trúc hệ thống điều khiển tương tự Với công trình [22], Sawodny đã thiết

kế hệ thống tự động điều khiển cầu trục làm việc như rô bốt trong nhà xưởng nhờ sử dụng cả phương pháp phản hồi trạng thái và điều khiển tiền tiếp thuận tuyến tính Trong một công trình khác, Kim [23] đã áp dụng phương pháp điều khiển H ∞ để điều khiển chống lắc cho cầu trục Bộ điều khiển này được

thiết kế trên mô hình toán phi tuyến bậc nhất của hệ thống cầu trục

Phương pháp điều khiển phi tuyến cho hệ thống cầu trục phức tạp hơn nhiều so với phương pháp tuyến tính Moustafa [24] đã xây dựng sơ đồ khối điều khiển phi tuyến để điều khiển bám cho chuyển động của xe con và giảm thiểu sự lắc của khối lượng hàng theo tính chất của hàm Lyapunov Các bộ điều khiển trên cơ sở thụ động đối với hệ cầu trục ba chiều đã được thiết kế bởi Fang [25], trong đó kể thêm sự liên kết giữa vị trí của xe cầu và góc lắc của khối lượng hàng Sự ổn định của hệ thống được kiểm chứng bằng các phân tích ổn định trên cơ sở tiêu chuẩn Lyapunov kết hợp với lý thuyết bất biến LaSalle Trong một số công trình của Lee [26], vấn đề điều khiển cầu trục với tốc độ nâng hạ cao đã được đề cập Công trình [27] đã thiết kế luật điều khiển chống lắc theo phương pháp điều khiển bám Sơ đồ điều khiển bao gồm một bộ phận tiền tiếp thuận và một bộ điều khiển phi tuyến có bù sai lệch do trọng lượng Còn trong [24], phương pháp lập quỹ đạo chuyển động

đã được đề xuất dưới dạng bài toán động học Điều khiển chống lắc được xây dựng trên cơ sở tiêu chuẩn ổn định Lyapunov Sau đó, thuật toán lập quỹ đạo chuyển động đã được xây dựng bằng phương pháp điều khiển cực tiểu theo thời gian, cấu trúc điều khiển chống lắc được đề xuất và đã được áp dụng vào thực tế Kim [26] đã sử dụng thước đo độ nghiêng đơn giản thay cho cảm biến góc lắc để đo góc lắc của khối lượng hàng Trên cơ sở đó, bộ quan sát phi tuyến đã được thiết kế để ước lượng vận tốc của góc lắc khối lượng hàng và chuyển động của xe con Sau đó, bộ điều khiển hồi tiếp trạng thái đã được

thiết kế với thông tin trạng thái hệ thống được thu nhận từ bộ quan sát Cũng tác giả này [27] đã tính toán bộ điều khiển phi tuyến trên mô hình cầu trục di chuyển trên hệ dầm đàn hồi Với việc cải thiện sơ đồ thuật toán lập quỹ đạo chuyển động trong [28] đã thiết kế được bộ điều khiển trên cơ sở hồi tiếp phi tuyến góc lắc và vận tốc lắc của khối lượng hàng cho mô hình cầu trục ba chiều với chiều dài cáp không đổi

Quan điểm điều khiển tối ưu áp dụng cho cầu trục cũng đã được công bố trong một số công trình Sakawa [28] đã nghiên cứu áp dụng điều khiển tối ưu cho hệ cầu trục bốc xếp container thông qua việc chia quá trình vận chuyển hàng thành năm giai đoạn Đối với mội giai đoạn chuyển động, luật điều khiển tối ưu được tính sao cho đáp ứng quỹ đạo chuyển động tương thích với điều kiện biên nhất định và góc lắc của container là nhỏ nhất Một giải thuật điều khiển tối ưu khác cũng đã được xây dựng bởi Auernig [29] nhằm giảm thiểu thời gian di chuyển Điều kiện cần và đủ để giải bài toán tối ưu theo thời gian được dựa trên sự mở rộng nguyên lý cực tiểu Pontryagin Ngoài ra, một luật điều khiển tối ưu phi tuyến đã được giới thiệu bởi Algarni [30] Bộ điều khiển đã được xây dựng theo điều kiện biên và hàm ràng buộc đối với các trạng thái, nhằm giảm thiểu góc lắc của khối lượng hàng và thời gian vận chuyển Gần đây, Wang [31] đã thiết kế bộ điều khiển toàn phương tuyến tính tiệm cận tối ưu với việc cố định các hệ số xác định theo quan hệ tỷ lệ khối lượng hàng và khối lượng xe con

Phương pháp điều khiển thích nghi cho hệ thống cầu trục cũng đã nhận được sự quan tâm trong những năm gần đây Hua [32] phát triển phương pháp điều khiển phi tuyến bằng việc tích hợp bộ thích nghi tham số cho mô hình cầu trục hai chiều với chiều dài cáp không đổi Trong công trình [33] đã đề xuất phương pháp điều khiển hồi tiếp đầu ra thích nghi nhờ sử dụng phương pháp trích mẫu với nhiều tốc độ khác nhau Một luật điều khiển thích khi khác

được giới thiệu bởi Teo [34] để điều khiển cơ cấu di chuyển của hệ thống cầu trục mà không bao gồm điều khiển chống lắc khối lượng hàng Phương pháp điều khiển thích nghi được xây dựng với tối thiểu một dạng thông tin giả định

về mô hình cầu trục Một số mở rộng của phương pháp điều khiển thích nghi cho cầu trục được thực hiện bởi Yang [35], trong đó bộ điều khiển thích nghi được thiết kế cho hệ cầu trục ba chiều mà không cần bất kỳ thông tin nào về các tham số của cầu trục Trong công trình [37], một kỹ thuật thích nghi khác

đã được áp dụng để thiết kế bộ điều khiển quỹ đạo trên cơ sở liên kết động học cho cầu trục

Điều khiển tuyến tính hóa hồi tiếp (FLC) là một kỹ thuật điều khiển phi tuyến đã được giới thiệu trong một số nghiên cứu điều khiển cầu trục Lý thuyết chung của phương pháp tuyến tính hóa hồi tiếp riêng phần cho hệ dẫn động thiếu (như hệ cầu trục) đã được xây dựng và hoàn chỉnh hơn bởi Spong [48] và Fang [49] Đối với hệ thống cầu trục, Cheng [50] đã phát triển một bộ điều khiển bền vững nhờ sử dụng kết hợp điều khiển FLC và điều khiển thời gian trễ Với việc xem hệ cầu trục trong mô hình biến thiên tham số tuyến tính hóa, Giua [51] đã thiết kế bộ điều khiển và bộ quan sát dựa trên kỹ thuật ổn định hồi tiếp trạng thái trong miền thời gian Park [52] đã xây dựng bộ điều khiển phi tuyến cho hệ cầu trục bốc xếp container hai chiều để giảm thiểu sai lệch góc lắc, di chuyển xe con và sự nâng hạ khối lượng hàng Điều khiển FLC được áp dụng riêng cho động lực học xe con và động lực học nâng hạ cáp tạo thành các bộ phận của hệ cầu trục Trong khi đó, bộ phận chống lắc được thực hiện bởi bộ điều khiển phi tuyến thiết kế dựa trên phương pháp năng lượng Trong công trình [53], Cho đã đề xuất luật điều khiển tuyến tính

sử dụng bộ điều khiển PD và đề xuất phương pháp chỉnh định bộ điều khiển

PD theo phương pháp tuyến tính hóa hồi tiếp Cũng với tác giả này, trong [53],

đã mở rộng bộ điều khiển trên cơ sở FLC tích hợp thành phần thích nghi

Một phương pháp điều khiển bền vững khác cũng thường được áp dụng cho hệ phi tuyến là điều khiển trượt Phương pháp này rất hữu dụng cho hệ dẫn động thiếu như hệ cầu trục Lý thuyết chung của phương pháp điều khiển trượt đối với hệ dẫn động thiếu lần đầu được giới thiệu bởi Lee [53], sau đó được phát triển tiếp bởi Ashrafiuon [56], và được hoàn thiện bởi Sankaranarayanan [57] Cầu trục là một hệ dẫn động thiếu trong đó số bậc tự

do nhiều hơn số đầu vào điều khiển Karkoub [58] đã giới thiệu bộ điều khiển cấu trục biến đổi với sự liên kết giữa thuật toán điều khiển hồi tiếp trạng và thuật toán điều khiển tổng hợp cộng tính Trong công trình [59], Bartolini đã

đề xuất thuật toán điều khiển đơn giản trên cơ sở điều khiển trượt bậc hai cho

hệ cáp – khối lượng hàng với chiều dài cáp không đổi, hai thuật toán điều khiển trượt, bộ điều khiển trên cơ sở PI và bộ quan sát tuyến tính trên cơ sở thuật toán hồi tiếp thay đổi theo thời gian Sự kết hợp kỹ thuật điều khiển mờ

và trượt áp dụng cho hệ cầu trục được thiết kế bởi Liu [60] trên cơ sở mô hình toán học đã được tuyến tính hóa Lee [61] đã thiết kế các bộ điều khiển trượt

để điều khiển góc lắc và chuyển động xe con Các bộ điều khiển này được tổng hợp trên cơ sở phân tích tính ổn định của mặt trượt định nghĩa bởi sự kết hợp tuyến tính với tất cả các sai số Mô hình cầu trục đơn giản hơn khi xem chiều dài cáp là không đổi, bộ điều điều khiển mờ trượt đã được đề xuất bởi Park [62] để điều khiển chống lắc và chuyển động của xe con Một công trình khác của Almutrairi [63] đã phát triển bộ điều khiển trượt của Lee cho hệ ba chiều Ngoài ra, bộ quan sát được thiết kế để ước lượng vận tốc của các đầu ra Các vận tốc này được sử dụng trong thuật toán điều khiển trượt xem như các trạng thái hồi tiếp

Như vậy, xuất phát từ đặc điểm nguyên lý, kết cấu và yêu cầu hoạt động của cầu trục, đồng thời đáp ứng được yêu cầu ngày càng cao về tốc độ và khối lượng nâng chuyển, các nhà khoa học trên thế giới đã xây dựng một số mô

hình nghiên cứu động lực học cầu trục, cũng đã áp dụng nhiều kỹ thuật điều khiển khác nhau từ đó cho ra đời các thế hệ cầu trục ngày càng tiên tiến Tuy nhiên, với sự đòi hỏi ngày càng cao của quá trình sản xuất, hệ thống cầu trục vẫn phải tiếp tục hoàn thiện, đặc biệt là trong vấn đề điều khiển nhằm nâng cao độ chính xác nâng chuyển và giảm thiểu, tiến tới triệt tiêu hoàn toàn góc lắc

Trên thế giới, các nhà nghiên cứu trong điều khiển cầu trục đã tập trung vào các giải pháp điều khiển triệt tiêu dao động một cách nhanh chóng, liên tục và hiệu quả Các phương pháp điều khiển cầu trục đã được phát triển bao gồm, Singhose [45] và Park [52] sử dụng kỹ thuật tạo dáng tín hiệu vào (input shaping) cho vòng điều khiển hở Tuy nhiên, phương pháp này có hiệu quả không cao trong việc giảm góc lắc ngược của khối lượng hàng Gupta và Bhowal [60] cũng xây dựng kỹ thuật điều khiển chống lắc theo vòng điều khiển hở đơn giản Kỹ thuật này được thực hiện trên cơ sở điều khiển tốc độ trong khi đang di chuyển Một số tác giả khác cũng đã đề xuất cấu trúc hệ thống điều khiển vòng hở tối ưu theo thời gian để chống lắc cho cầu trục như Auernig [68] Theo cấu trúc hệ thống này, bộ phận chấp hành chủ yếu đề

chống lắc là dẫn động kéo cáp Tuy nhiên, các kỹ thuật điều khiển vòng hở phụ thuộc nhiều vào các tham số hệ thống, nên mức độ thích nghi không cao

Hệ thống điều khiển phản hồi vòng kín ít phụ thuộc vào sự thay đổi của các tham số hệ thống và tác động ngoài cũng đã được đề xuất đề điều khiển chống lắc cho cầu trục Hệ thống này sử dụng các kỹ thuật điều khiển từ kinh điển như bộ điều khiển PID đến các kỹ thuật điều khiển thông minh như bộ điều khiển mờ, điều khiển mạng nơ ron nhân tạo Omar [73] đề xuất cấu trục

hệ thống điều khiển phản hồi vòng kín sử dụng bộ điều khiển PD để điều khiển cả vị trí xe con và giảm góc lắc Nalley và Trabia [69] đã xây dựng cấu trục hệ thống điều khiển sử dụng logic mờ cho điều khiển vị trí và điều khiển giảm góc lắc Tương tự, Lee và Cho [70] cũng đề xuất hệ thống điều khiển phản hồi vòng kín sử dụng logic mờ Hệ thống điều khiển sử dụng logic mờ kết hợp với nguyên lý điều khiển trượt cho cầu trục cũng đã được phát triển bởi Liu và cộng sự [60] Ngoài ra, hệ thống cầu trục thông minh trên cơ sở logic mờ cũng đã được phát triển bởi Wahyudi và Jalani [71] Các bộ điều khiển mờ có thể được áp dụng để điều khiển vị trí và điều khiển chống lắc Hiệu quả của hệ thống cầu trục thông minh đã được đánh giá bằng thử nghiệm trên mô hình cầu trục trong phòng thí nghiệm Một số kết quả thực nghiệm đã minh chứng hiệu quả điều khiển vị trí tốt cũng như có khả năng chống lắc cao hơn so với hệ thống cầu trục sử dụng các bộ điều khiển kinh điển như PID

Tuy nhiên, hầu hết các hệ thống điều khiển phản hồi vòng kín cho cầu trục cần phải có cảm biến để đo vị trí xe cầu hoặc xe con cũng như cảm biến

để đo chuyển động lắc của khối lượng hàng hoặc dây cáp Hơn nữa, việc thiết

kế hệ thống đo góc lắc khối lượng hàng cho các hệ thống cầu trục thực tế là nhiệm vụ rất khó khăn do cơ cấu nâng hạ của cầu trục thường sử dụng dây cáp mềm Altafini và công sự [72] đã giới thiệu phương pháp sử dụng kỹ

thuật đo mô men và tốc độ góc của các động cơ dẫn động để quan sát động lực học của tải Tuy nhiên, thay vì sử dụng cảm biến đo góc lắc trực tiếp, thì các tác giả sử dụng hai cảm biến để quan sát chuyển động của hai điểm đã biết trên dây cáp

Một số nghiên cứu xây dựng cấu trúc hệ thống điều khiển sử dụng cảm biến quang không đặt ở trên hàng hóa Một số hệ thống điều khiển kín cho cấu trục gần đây sử dụng camera linh kiện tích điện kép (CCD- Charge Coupled Device) đã được phát triển bởi Osumi và cộng sự [73] Nhược điểm của hệ thống này là sử dụng cảm biến quang nên khó bảo dưỡng và giá thành cao

Nhằm khắc phục được các khó khăn trong kỹ thuật đo góc lắc của khối lượng hàng hoặc dây cáp, một số nghiên cứu đã đề xuất cấu trúc hệ thống điều khiển chống lắc không sử dụng cảm biến góc lắc và phát triển để áp dụng cho hệ thống cấu trục tự động [76] Cấu trúc hệ thống điều khiển này được xây dựng trên cơ sở mô hình toán học của cầu trục Các tác giả đã đề xuất hai phương pháp ước lượng góc lắc Phương pháp thứ nhất sử dụng bộ ước lượng góc lắc trên cơ sở mô hình toán của cầu trục để thay thế cho cảm biến góc lắc thật Phương pháp khác sử dụng bộ ước lượng chuyển động của khối lượng hàng trên cơ sở mô hình động lực học bằng cách đo vị trí xe con Trong phương pháp này tác giả còn đề xuất sử dụng bộ điều chỉnh tham chiếu để điều chỉnh quỹ đạo xe chuyển xe con để chống lắc

Như vậy, có rất nhiều phương pháp điều khiển chuyển động của cầu trục

đã được đề xuất, tuy nhiên bộ điều khiển được sử dụng phổ biến trong thực tế cầu trục vẫn là bộ điều khiển PID PID là bộ điều khiển hồi tiếp đầu ra thông dụng và được sử dụng rộng rãi nhất trong các hệ thống điều khiển công nghiệp Theo [8], [17], [49], hơn 95% các bộ điều khiển phản hồi vòng kín trong các lĩnh vực điều khiển công nghiệp sử dụng bộ điều khiển PID, chúng được tìm thấy trong hầu hết các lĩnh vực điều khiển cả tuyến tính và phi tuyến cho các ứng dụng thông dụng và ứng dụng đặc biệt Với mục đích nghiên cứu