Nghiên cứu điều khiển chủ động bị động và bán chủ động để giảm dao động vật nâng của cần cẩu

KẾT HỢP ĐIỀU KHIỂN NẮN TÍN HIỆU ĐẦU VÀO VỚI BỘ GIẢM CHẤN ĐỂ GIẢM DAO ĐỘNG VẬT NÂNG .... Mô hình dao động của vật nâng khi kết hợp giữa điều khiển nắn tín hiệu đầu vào với bộ giảm chấn..

VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

Hà Nội – 2020

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC

VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS.TS Lã Đức Việt

2 GS.TSKH Nguyễn Đông Anh

Hà Nội - 2020

ii

LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin chân thành cám ơn PGS.TS Lã Đức Việt và GS.TSKH Nguyễn Đông Anh đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tác giả hoàn thành luận án

Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo đã tham gia giảng dạy

và đào tạo trong quá trình tác giả học tập tại Viện Cơ học, Học viện Khoa học và Công nghệ

Tác giả xin chân thành cảm ơn Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Viện Cơ học, Khoa Cơ học kỹ thuật và Tự động hóa, Khoa Xây dựng - Trường Đại học Vinh đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả trong suốt thời gian học tập tại Học viện

Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn các nhà khoa học đã có những đóng góp quý báu cho luận án trong buổi seminar

Tác giả ghi nhớ 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 học tập và nghiên cứu để hoàn thành luận án

Tác giả Luận án

Nguyễn Trọng Kiên

iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ix

DANH MỤC CÁC BẢNG xiii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 4

1.1 Giới thiệu 4

1.2 Giảm dao động của vật nâng bằng phương pháp chủ động 8

1.2.1 Kỹ thuật điều khiển phản hồi 8

1.2.2 Kỹ thuật điều khiển dẫn tiếp 10

1.3 Giảm dao động của vật nâng bằng phương pháp bị động 16

1.3.1 Các phương thức bị động để điều khiển dao động lắc lư 16

1.3.2 Giảm dao động lắc lư bằng lực Coriolis của vật nâng 17

1.4 Các thiết bị dạng bán chủ động 19

1.5 Vấn đề đặt ra của luận án 21

1.6 Kết luận chương 1 22

CHƯƠNG 2 KẾT HỢP ĐIỀU KHIỂN PHẢN HỒI VỚI BỘ GIẢM CHẤN ĐỂ GIẢM DAO ĐỘNG VẬT NÂNG 23

2.1 Giới thiệu 23

2.2 Mô hình dao động của vật nâng 23

2.3 Xây dựng các phương án điều khiển 27

2.3.1 Phương án điều khiển phản hồi 27

2.3.2 Sử dụng bộ giảm chấn theo phương hướng tâm 32

iv

2.3.3 Kết hợp điều khiển phản hồi và bộ giảm chấn 38

2.4 Một số kết quả khảo sát tính toán số 41

2.4.1 Trường hợp không vận hành cẩu 42

2.4.2 Trường hợp có vận hành cẩu 44

2.5 Kết luận chương 2 45

CHƯƠNG 3 KẾT HỢP ĐIỀU KHIỂN NẮN TÍN HIỆU ĐẦU VÀO VỚI BỘ GIẢM CHẤN ĐỂ GIẢM DAO ĐỘNG VẬT NÂNG 47

3.1 Giới thiệu 47

3.2 Mô hình dao động của vật nâng khi kết hợp giữa điều khiển nắn tín hiệu đầu vào với bộ giảm chấn 47

3.3 Kiểm nghiệm độ tin cậy của việc mô hình hóa hoạt động của cần cẩu 55

3.4 Mô phỏng số 61

3.5 Thực nghiệm kiểm chứng 65

3.6 Kết luận chương 3 71

CHƯƠNG 4 GIẢM DAO ĐỘNG VẬT NÂNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP BÁN CHỦ ĐỘNG 72

4.1 Giới thiệu 72

4.2 Mô hình khảo sát 73

4.3 Điều khiển cản bật tắt tối ưu 76

4.4 Bộ điều khiển cản bật-tắt dựa trên năng lượng 83

4.4.1 Đề xuất bộ điều khiển 83

4.4.2 Mô phỏng số 85

4.4.3 Độ bền vững của luật điều khiển 88

4.5 Trường hợp con lắc cầu chịu tác động ngẫu nhiên 89

4.6 Kết luận chương 4 90

KẾT LUẬN 92

v

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 94

TÀI LIỆU THAM KHẢO 95

PHỤ LỤC 103

Phụ lục 1: Đoạn mã MATLAB cho mục 2.4 103

Phụ lục 2: Đoạn mã Recurdyn cho các khớp, mô phỏng số mục 3.3 106

Phụ lục 3: Đoạn mã MATLAB cho mục 4.4 108

Phụ lục 4: Đoạn mã MATLAB và mô hình Simulink cho mục 4.5 109

1 - góc lắc lư của vật nâng trong mặt phẳng xz

2 - góc lắc lư của vật nâng trong mặt phẳng yz

0 - góc lắc lư ban đầu của vật nâng

l - Khoảng cách giữa xe tời và vật nâng trong điều kiện tĩnh

u - Chuyển động hướng tâm của vật nâng đo từ vị trí tĩnh

u 0 - độ giãn tĩnh của là xo

u n - dạng phi thứ nguyên của chuyển dịch hướng tâm của bộ giảm chấn

g - Gia tốc trọng trường

s - tần số riêng của con lắc

n - tần số riêng của bộ giảm chấn

α opt - Tỷ số giữa các tần số tối ưu

ζopt - Tỷ số cản của bộ giảm chấn tối ưu

e tb - Trung bình phương sai số

Q – Ma trận đối xứng xác định dương

A – ma trận hệ thống

p – véc tơ trạng thái

vii

x - chuyển dịch xe tời

x n - Dạng phi thứ nguyên của chuyển động xe tời

vr – Vận tốc của xe tời

am - gia tốc phi thư nguyên

x p , y p , z p – tọa độ của tải trọng trong hệ tọa độ tổng thể

PID – Bộ điều khiển proportional-integral-derivative

ZV – bộ nắn tín hiệu Zero Vibration

ZVD – bộ nắn tín hiệu Zero Vibration Derivative

EI – bộ nắn tín hiệu EI (Extra intensive)

L1 - Chiều cao của trục cần cẩu

L2 - Chiều dài tay với

L3 - Chiều dài dây cáp ở trạng thái tĩnh

 - pha chuẩn hóa của mô men ngoài

f – đầu vào kích động điều hòa

f 0 – biên độ của đầu vào kích động f

 - pha của đầu vào kích động f

M1, M2 mô men do các lực ngoài tạo ra đối với điểm treo

M, M mô men của lực kích động

h , l – tương ứng là giá trị bật tắt của tỷ số cản

   ,

    là hai thành phần độc lập ồn trắng Gauss với cường độ đơn vị

J – chỉ số đánh giá biên độ của đáp ứng (cm)

ζh - Tỷ số cản của bộ giảm chấn ở giá trị cao

ζl - Tỷ số cản của bộ giảm chấn ở giá trị thấp

H – hàm Hamilton

H - dòng năng lƣợng

ix

Hình 1.2 Cần cẩu tay với 5

Hình 1.3 Cần trục tháp 5

Hình 1.4 Sơ đồ các kỹ thuật điều khiển cẩu bằng phương pháp chủ động 7

Hình 1.5 Hiệu ứng con lắc kép 8

Hình 1.6a Quỹ đạo tải trọng khi không điều khiển 10

Hình 1.6b Quỹ đạo tải trọng khi có điều khiển phản hồi PD 10

Hình 1.7 Hai xung có thể dập tắt dao động 12

Hình 1.8: Dập tắt dao động bằng tổng hai xung 13

Hình 1.9: Minh họa trường hợp có và không nắn tín hiệu đầu vào 13

Hình 1.10: Thời gian trễ do nắn tín hiệu 14

Hình 1.11: Độ nhạy của một số dạng nắn tín hiệu 14

Hình 1.12 Bộ hấp thụ động lực tuyến tính lắp vào ca bin cáp treo 16

Hình 1.13 Bộ hấp thụ động lực Coriolis lắp vào ca bin cáp treo 16

Hình 1.14 Bộ hấp thụ động lực con quay được sử dụng để giảm dao động con lắc .16

Hình 1.15 Mô hình hệ thống lò xo và giảm chấn hướng tâm [6] 17

Hình 1.16: Thiết bị giảm chấn Cranemaster 1400 tấn lắp đặt vào cáp cần cẩu 18

Hình 1.17: Thiết bị giảm chấn Safelink tấn lắp đặt vào cáp cần cẩu 18

Hình 1.18: Bộ giảm chấn có khe thay đổi được 20

Hình 1.19: Một ví dụ về bộ giảm chấn MR 20

Hình 1.20: Bộ đệm trượt có ma sát điều khiển được 21

Hình 2.1 Kết hợp điều khiển phản hồi và lò xo giảm chấn bị động 24

Hình 2.2 So sánh các chuyển dịch theo phương ngang của xe tời do người điều khiển và do tín hiệu phản hồi, P=0.1, 0=/6 30

x

Hình 2.3 So sánh các chuyển dịch theo phương ngang của xe tời do người điều

khiển và do tín hiệu phản hồi, P=0.5, 0=/6 30

Hình 2.4 So sánh các chuyển dịch theo phương ngang của xe tời do người điều khiển và do tín hiệu phản hồi, P=1, 0=/6 31

Hình 2.5 So sánh các chuyển dịch theo phương ngang của xe tời do người điều khiển và do tín hiệu phản hồi, P=2, 0=/6 31

Hình 2.6 Góc lắc theo thời gian phi thứ nguyên, trường hợp góc ban đầu 30o, P=0.05 43

Hình 2.7 Góc lắc theo thời gian phi thứ nguyên, trường hợp góc ban đầu 10o, P=0.05 43

Hình 2.8 Góc lắc theo thời gian phi thứ nguyên, trường hợp góc ban đầu 30o, P=0.1 43

Hình 2.9 Góc lắc theo thời gian phi thứ nguyên, trường hợp góc ban đầu 10o, P=0.1 43

Hình 2.10 Góc lắc theo thời gian phi thứ nguyên, trường hợp a m=0.1, P=0.1 44

Hình 2.11 Góc lắc theo thời gian phi thứ nguyên, trường hợp a m=0.2, P=0.1 44

Hình 2.12 Dịch chuyển ngang của vật nâng theo thời gian phi thứ nguyên, trường hợp a m=0.2, P=0.1 45

Hình 3.1 Sơ đồ điều khiển kết hợp giữa bộ nắn tín hiệu đầu vào và bộ giảm chấn hướng tâm 47

Hình 3.2 Sơ đồ khối bộ nắn tín hiệu đầu vào 48

Hình 3.3a Cần cẩu tay với 49

Hình 3.3b: Mô hình cần cẩu tay với có lắp giảm chấn 49

Hình 3.4 Ảnh chụp mô hình cần cẩu sử dụng cho ví dụ kiểm nghiệm 56

Hình 3.5 Mô hình cần cẩu được xây dựng trong phần mềm độc lập RecurDyn 58

Hình 3.6: Góc xoay bệ cẩu, góc nâng tay với và chiều dài dây treo 59

xi

Hình 3.7: Vận tốc góc xoay bệ cẩu, vận tốc góc nâng tay với và vận tốc kéo thả dây

59

Hình 3.8: Gia tốc góc xoay bệ cẩu và gia tốc góc nâng tay với 60

Hình 3.9 Các quỹ đạo của vật nâng tính bằng Recurdyn (bên trái) và bằng cách giải phương trình vi phân (bên phải) 60

Hình 3.10: Mô hình cần cẩu trong RECURDYN 61

Hình 3.11: Vận tốc xoay bệ cẩu trước và sau khi nắn tín hiệu 62

Hình 3.12 Vận tốc nâng hạ tay với trước và sau khi nắn tín hiệu 62

Hình 3.13 Vận tốc kéo thả dây cáp trước và sau khi nắn tín hiệu 62

Hình 3.14: Độ căng cáp do chuyển động của cần cẩu 63

Hình 3.15: Góc lắc do chuyển động của cần cẩu 64

Hình 3.16: Độ căng của cáp do chuyển động của cần cẩu và các nhiễu do gió 64

Hình 3.17: Góc lắc do chuyển động của cần cẩu và các nhiễu do gió 65

Hình 3.18: Cơ cấu cần cẩu (a) và cơ cấu giảm chấn bị động (b) 66

Hình 3.19: Quỹ đạo của tải trọng trong mặt phẳng ngang, dao động tự do 67

Hình 3.20: Độ lệch của tải trọng trong mặt phẳng ngang, dao động tự do 67

Hình 3.21: Quỹ đạo của tải trọng trong mặt phẳng đứng, dao động tự do 68

Hình 3.22: Chiều cao của tải trọng, dao động tự do 68

Hình 3.23: Chuyển động thẳng đứng của tải trọng gây ra bởi sự dịch chuyển theo phương đứng ban đầu 68

Hình 3.24: Lệnh điều khiển vận tốc xoay bệ cẩu 69

Hình 3.25: Quỹ đạo của tải trọng trong mặt phẳng nằm ngang, lắc lư do xoay bệ cẩu 69

Hình 3.26: Độ lệch theo phương ngang X, lắc lư do xoay bệ cẩu 70

Hình 3.27: Độ lệch theo phương ngang Y, lắc lư do xoay bệ cẩu 70

Hình 3.28: Góc lắc do xoay bệ cẩu 70

xii

Hình 4.1 Mô hình dao động của vật nâng có gắn bộ điều khiển bật-tắt hệ số cản cho

bộ giảm chấn theo phương hướng tâm 73

Hình 4.2: Các đường cong liên hệ điển hình (nét đứt) giữa 0 và m và quỹ đạo (nét liền) của các điểm cực tiểu với h=20%, l=5%, =2, m=/6, s=1% 82

Hình 4.3: Các đường cong liên hệ điển hình (nét đứt) giữa 0 và m và quỹ đạo (nét liền) của các điểm cực tiểu với h=100%, l=1%, =2, m=/6, s=1% 82

Hình 4.4 Đồ thị biên độ-tần số với α=2, ζs=1%, ζh=20%, ζl=5%, 86

Hình 4.5 Đồ thị biên độ-tần số với α=2, ζs=1%, ζh=100%, ζl=1%, 86

Hình 4.6 Đồ thị biên độ-tần số với α=2, ζs=1%, ζh=200%, ζl=0.5%, 87

Hình 4.7 Đồ thị biên độ-tần số với m = 300, ζs=1%, ζh=100%, ζl=1%, 88

Hình 4.8 Đồ thị chỉ số đánh giá theo tỉ số tần số, với m=20o, m=10o, ζs = 1% 90

xiii

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Mô tả các ký hiệu 25 Bảng 2.2: Các trường hợp mô phỏng 42 Bảng 2.3 Giá trị lớn nhất của góc lắc (đơn vị độ) sau 4 chu kỳ (số phần trăm bên cạnh chỉ độ giảm dao động) 43 Bảng 2.4 Giá trị lớn nhất của góc lắc (đơn vị độ) sau 4 chu kỳ (số phần trăm bên cạnh chỉ độ giảm dao động) 44 Bảng 3.1: Mô tả các ký hiệu 49 Bảng 4.1 Tỉ lệ phần trăm giảm của biên độ góc lắc lớn nhất……… 88

1

Vật nâng của cần cẩu luôn có tính linh động cố hữu Các kích động bên ngoài như gió hoặc dịch chuyển của các bộ phận đỡ (như cầu trục hoặc xe tời hoặc tháp cẩu), có thể dẫn tới những dao động lắc lư thừa hoặc dao động dọc, làm hạn chế sự vận hành của cần cẩu, giảm tốc độ vận hành, ảnh hưởng tới độ bền của cáp treo, gây va chạm hoặc gây mất an toàn Do cần cẩu là một thiết bị phổ biến, vấn đề giảm dao động cho vật nâng là có tính cấp thiết và thực tiễn cao

Các phương thức chính để giảm dao động của vật nâng là phương thức chủ động (có thể đưa năng lượng vào hoặc rút năng lượng ra khỏi hệ), phương thức bị động (chỉ rút năng lượng ra khỏi hệ) và phương thức bán chủ động (rút năng lượng

ra khỏi hệ nhưng có sự điều tiết) Mỗi phương thức đều có những ưu nhược điểm riêng Luận án đề xuất và nghiên cứu sự kết hợp giữa các phương thức điều khiển nhằm đạt được hiệu quả tốt hơn so với từng phương thức đơn lẻ Việc kết hợp các phương thức chủ động – bị động hoặc phương thức bán chủ động cho bài toán giảm dao động của vật nâng, theo hiểu biết của nghiên cứu sinh và giáo viên hướng dẫn

là mới, thể hiện tính khoa học của đề tài Đó là lý do hình thành đề tài luận án:

“Nghiên cứu phương pháp điều khiển chủ động - bị động và bán chủ động để giảm dao động vật nâng của cần cẩu”

Mục tiêu, nội dung nghiên cứu của luận án:

Mục tiêu của luận án là đề xuất kết hợp giữa các phương pháp điều khiển chủ động,

bị động và bán chủ động nhằm nâng cao hiệu quả trong việc giảm dao động lắc lư của vật nâng của cần cẩu, nhằm đạt hiệu quả hơn so với từng phương pháp đơn lẻ

Nội dung nghiên cứu:

- Nghiên cứu làm rõ ưu nhược điểm của các phương pháp điều khiển;

- Nghiên cứu làm rõ động lực học của vật nâng khi được điều khiển;

- Đề xuất được phương thức điều khiển đơn giản và hiệu quả kết hợp giữa hai phương pháp chủ động – bị động

- Đề xuất được thuật toán điều khiển đơn giản cho phương pháp bán chủ động;

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: là vật nâng của cần cẩu được treo bởi dây cáp đơn, được

điều khiển để có thể chuyển động trong không gian từ vị trí này đến vị trí khác, chịu tác động của tải trọng gió dạng xung, dạng điều hòa, dạng ngẫu nhiên hoặc chịu tác động do sự điều khiển cẩu không chuẩn xác Đại lượng cần giảm là các góc lắc lư của vật nâng và lực căng trong cáp treo

Phạm vi nghiên cứu: Luận án chỉ xét cần cẩu đặt trên bệ cố định, không xét đặt

trên bệ di động Luận án chỉ xét dao động của vật nâng, không xét dao động của các thành phần khác của cần cẩu Luận án chỉ xét tính chịu kéo, không xét tính chịu nén

và chịu uốn của dây cáp

Phương pháp nghiên cứu

Luận án xem xét kết hợp giữa các phương pháp giải tích, mô phỏng số và thực nghiệm:

a Phương pháp giải tích

Các phương pháp giải tích trong Cơ học được sử dụng trong Luận án để xây dựng các phương trình vi phân chuyển động của vật nâng Sử dụng phương pháp tuyến tính hóa tương đương để tìm các thông số tối ưu của bộ giảm chấn, để tìm các thông số tối ưu của bộ cản bật-tắt

b Phương pháp mô phỏng số

Do tính phức tạp về mặt toán học của các phương trình vi phân chuyển động nên trong Luận án đã sử dụng phần mềm Matlab và phần mềm đã được thương mại Recurdyn để xây dựng và tính toán số các phương trình vi phân

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Ý nghĩa khoa học: Xây dựng các phương pháp giảm dao động mới cho vật nâng của cần cẩu dưới tác động của điều khiển cẩu không chuẩn xác và của nhiễu bên ngoài

Ý nghĩa thực tiễn: Các phương pháp giảm dao động được đề xuất trong luận

án này có thể được triển khai ứng dụng cho nhiều loại cần cẩu khác nhau

Bố cục của Luận án

Bố cục của luận án bao gồm phần mở đầu, kết luận và bốn chương bao gồm:

Chương 1 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Chương này trình bày những nghiên cứu tổng quan để định hướng đề tài luận án

Chương 2 Kết hợp điều khiển phản hồi với bộ giảm chấn để giảm dao động

vật nâng

Chương này trình bày các kết quả nghiên cứu về sự kết hợp giữa phương pháp điều khiển chủ động dựa trên tín hiệu phản hồi với phương pháp bị động sử dụng bộ giảm chấn hướng tâm để giảm dao động lắc lư của vật nâng của cần cẩu

Chương 3 Kết hợp nắn tín hiệu đầu vào với bộ giảm chấn để giảm dao động

vật nâng

Chương này trình bày các kết quả nghiên cứu về sự kết hợp giữa kỹ thuật nắn tín hiệu đầu vào với bộ giảm chấn hướng tâm để giảm dao động lắc lư của vật nâng và dao động của lực căng dây treo

Chương 4 Giảm dao động vật nâng bằng phương pháp bán chủ động

Chương này trình bày đề xuất thuật toán điều khiển bán chủ động cho bộ giảm chấn hướng tâm để giảm dao động lắc lư của vật nâng

Phần Kết luận trình bày tóm tắt kết quả chính đã nhận được trong luận án,

các đóng góp mới của luận án Đồng thời cũng nêu ra một số vấn đề chưa giải quyết được cần phải nghiên cứu tiếp

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

Chương này tóm lược các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước về vấn đề điều khiển dao động của vật nâng của cần cẩu Kết quả nghiên cứu, đối tượng nghiên cứu liên quan tới Luận án, được thảo luận chi tiết Cuối chương trình bày định hướng nghiên cứu của Luận án

1.1 Giới thiệu

Cần cẩu là một thiết bị cơ giới được dùng để chuyển vật nặng hoặc vật liệu nguy hiểm từ nơi này đến nơi khác Những hoạt động này thường diễn ra trong các ngành công nghiệp như nhà máy, xây dựng, công nghiệp hàng hải và bến cảng Nhiều loại cần cẩu được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, chẳng hạn như cần cẩu dạng dầm cầu trục hay dạng cổng (hình 1.1), cần cẩu tay với (hình 1.2) và cần trục quay (cần trục tháp) (hình 1.3) Chúng có thể được phân loại dựa trên số bậc tự do mà cơ cấu đỡ tạo ra tại điểm treo [1]

Cần cẩu dạng dầm cầu trục và dạng cổng là loại cần cẩu mà điểm treo có 2 bậc tự do dịch chuyển tịnh tiến Cơ cấu đỡ trong một cần cẩu dạng cổng hoặc dạng cầu bao gồm một xe gòng chạy trên một dầm Trong một số cẩu dạng cổng thì các dầm này đến lượt nó lại được gắn lên một tập hợp các đường ray trực giao khác trong mặt phẳng nằm ngang Cách bố trí như vậy cho phép điểm treo có 1 hoặc 2 chuyển động tịnh tiến trong mặt phẳng nằm ngang Khi cần cẩu dạng cổng hoặc dạng cẩu được sử dụng ở các bến cảng để bốc dỡ hàng hóa thì còn được gọi là cần cẩu container

Hình 1.1 Cần cẩu dạng dầm cầu trục và dạng cổng (nguồn Internet)

Hình 1.2 Cần cẩu tay với (nguồn Internet) Hình 1.3 Cần trục tháp (nguồn Internet)

Cần trục tháp là loại cần cẩu mà điểm treo có 1 bậc tự do dịch chuyển tịnh tiến và 1 bậc tự do chuyển dịch xoay Với dạng cần cẩu này, dầm ngang (xà ngang) quay trong mặt phẳng nằm ngang quanh một trục thẳng đứng cố định Cách bố trí

đó cho phép điểm treo có 2 dạng di chuyển trong mặt phẳng nằm ngang, di chuyển tịnh tiến và xoay Về mặt động lực học, cần cẩu xoay hay cẩu tháp phức tạp hơn so với cẩu dạng cầu hoặc dạng cổng vì nó có một chuyển động xoay

Loại cần cẩu thứ 3 phức tạp nhất là cần cẩu tay với vì điểm treo không có bậc tự do chuyển dịch tịnh tiến mà có 2 bậc tự do xoay Điểm treo trong cần cẩu tay với được cố định tại cuối của cần Điểm treo có 2 dạng chuyển động là 2 chuyển động xoay xung quanh 2 trục trực giao đặt tại điểm đầu của cần Cần cẩu dạng tay với không thể dịch chuyển tải trọng trên một đường thẳng chỉ bằng một chuyển động đơn giản Cần cẩu tay với có thể di chuyển tải trọng bằng cách phát động 3 trục chuyển động: xoay (slewing), nâng hạ cần (luffing) và kéo thả (hoisting) Chuyển động thứ nhất xoay đế bên trên của cần cẩu quanh đế bên dưới Chuyển động thứ hai xoay cần trong mặt phẳng thẳng đứng vuông góc với đế xoay Chuyển động thứ ba thì tương tự như tất cả các cần cẩu khác

Các vấn đề cần cải thiện trong hệ thống cẩu là giảm sự lắc lư của vật nâng và

di chuyển vật nâng đến vị trí mong muốn nhanh nhất [2] Để vận chuyển nhanh vật nâng đến một điểm mong muốn, cần phải giảm thiểu các lắc lư của vật nâng [3] Chuyển động của điểm treo cáp gây ra các dao động lắc lư thừa của vật nâng, có thể

ảnh hưởng đến sự chính xác, chất lượng, hiệu quả và sự an toàn trong vận hành cẩu Việc thất bại trong điều khiển góc lắc sẽ dẫn đến khó khăn trong việc điều khiển cẩu của công nhân, cùng với thiệt hại có thể xảy ra đối với chất lượng của vật nâng hoặc môi trường hoạt động xung quanh công trình xây dựng Ngoài ra, sẽ mất nhiều thời gian hơn để hoàn thành nhiệm vụ và điều này có thể làm giảm khối lượng sản xuất Thống kê đã chỉ ra rằng thiết bị vận hành truyền thống lãng phí hơn 30% để chỉnh

vị trí vật nâng trong thời gian nâng [4]

Trong hai thập kỷ qua đã có rất nhiều các nghiên cứu về giảm dao động lắc

lư của vật nâng Dao động lắc lư của vật nâng có thể được kiểm soát bằng cách sử dụng một số phương pháp tiếp cận các hoạt động của nó, thường liên quan đến quá trình gắn, nâng, vận chuyển tải, sau đó hạ và dỡ tải Khả năng giảm chấn của hệ thống vận chuyển đóng một vai trò quan trọng đối với hiệu suất chuyển động chính xác, nơi khả năng của nó có thể được cải tiến hơn nữa bằng cách áp dụng các kỹ thuật giảm chấn thụ động hoặc chủ động Bộ giảm chấn ngoài như bộ giảm chấn ma sát (khô) và bộ giảm chấn nhớt là những ví dụ về cho bộ giảm chấn thụ động [5] Bên cạnh đó, các kỹ thuật để giảm sự lắc lư bằng cách sử dụng lực Coriolis được tạo ra bởi một bộ giảm chấn hướng tâm [6] và một hệ thống cáp-giảm chấn bị động [7] cũng được đề xuất Mặt khác, các chiến lược điều khiển phản hồi (vòng kín) hoặc dẫn tiếp (vòng hở) là các phương pháp tiếp cận chủ động đã được nghiên cứu rất nhiều [8-28]

Điều khiển dẫn tiếp (điều khiển vòng hở)

Các kỹ thuật

điều khiển cần cẩu

Kết hợp dẫn tiếp với phản hồi (Lai)

Nắn tín hiệu

đầu vào Lọc tín hiệu Làm trơn tín hiệu

Điều khiển tuyến tính

Điều khiển thông minh

Điều khiển tối -u

Điều khiển thích nghi

Điều khiển tr-ợt mode Sơ đồ điều khiển khác

PID

Điều chỉnh toàn ph-ơng tuyến tính

Điều khiển phản hồi trạng thái Logic mờ

Mạng nơron

Điều khiển dự báo mô hình Toàn ph-ơng tuyến tính Gauss

Điều khiển dự báo tổng quát

Hỡnh 1.4 Sơ đồ cỏc kỹ thuật điều khiển cẩu bằng phương phỏp chủ động [52] Cỏc phương phỏp điều khiển chủ động đều cú cỏc hạn chế nhất định Để khắc phục cỏc hạn chế của phương phỏp điều khiển chủ động, nhiều nhà nghiờn cứu

đó đề xuất cỏc giải phỏp bằng cỏch phỏt triển một số sơ đồ điều khiển cho hệ thống cần cẩu [9, 29-46] Cỏc sơ đồ điều khiển cẩu cú thể được phõn loại thành hai kỹ thuật chớnh là: điều khiển dẫn tiếp (feedforward) (hay cũn gọi là điều khiển vũng hở) và điều khiển phản hồi (feedback) (hay điều khiển vũng kớn) Hỡnh 1.4 Bờn cạnh đú, một bộ điều khiển dựa trờn sự kết hợp giữa kỹ thuật dẫn tiếp và kỹ thuật phản hồi cũng đó được đề xuất [47-51] Một đỏnh giỏ toàn diện về cả hai kỹ thuật này cú thể được tỡm thấy trong [52]

Từ những thống kê trên chúng ta thấy các kỹ thuật để điều khiển giảm dao động của vật nâng chỉ là các kỹ thuật đơn lẻ hoặc là chủ động hoặc là bị động hay chỉ là các phương pháp chủ động kết hợp với nhau Mỗi kỹ thuật đều có ưu, nhược điểm riêng Theo hiểu biết của nghiên cứu sinh chưa thấy các nghiên cứu về sự kết hợp giữa phương pháp chủ động và bị động và xa hơn nữa là phương pháp bán chủ động áp dụng cho bài toán giảm dao động vật nâng của cần cẩu Do đó trong luận

án này tác giả đề xuất kết hợp giữa phương pháp chủ động – bị động hoặc sử dụng phương pháp bán chủ động để nâng cao hiệu quả điều khiển dao động so với từng phương thức đơn lẻ

Dưới đây tác giả sẽ trình bày các kỹ thuât chính, đã được nghiên cứu để điều khiển dao động của vật nâng của cần cẩu Các kỹ thuật này sẽ được dùng trong nghiên cứu của luận án

1.2 Giảm dao động của vật nâng bằng phương pháp chủ động

1.2.1 Kỹ thuật điều khiển phản hồi

Kỹ thuật điều khiển phản hồi (hay còn gọi là kỹ thuật điều khiển vòng kín (closed loop)) sử dụng các số đo của cần cẩu như biến dạng, vị trí để tạo ra tín hiệu điều khiển Để điểu khiển giảm dao động lắc lư của vật nâng trong trường hợp 1 (hình1.5), người ta có thể đặt một cảm biến ở xe tời để đo góc lắc của vật nâng Từ góc lắc đo được sẽ tạo ra tín hiệu điều khiển tác động vào di chuyển của xe tời Trong trường hợp 1 (hình 1.5) để giảm góc lắc thì xe tời cần giảm tốc trong khi ở trường hợp 2 (hình 1.5) thì xe tời cần tăng tốc

Hình 1.5 Hiệu ứng con lắc kép

Kỹ thuật phản hồi có thể triệt tiêu được các nhiễu nhưng gặp phải 2 hạn chế hết sức cơ bản trong bài toán giảm lắc lư của vật nâng Thứ nhất: việc đo chính xác các trạng thái của hệ là không dễ dàng Vật nâng của cần cầu có thể thay đổi thường xuyên và lắc lư trong không gian Trong nhiều trường hợp vật nâng còn tạo nên các hiệu ứng con lắc kép Ví dụ như trên hình 1.5, vật nâng có thể có hai vị trí khác nhau nhưng việc chỉ sử dụng góc lệch của dây cáp làm đại lượng điều khiển cho tín hiệu điều khiển giống nhau, có thể dẫn tới điều khiển không chuẩn xác Ngoài ra các đầu đo có thể đắt đỏ và khó khăn khi lắp đặt và duy trì

Hạn chế cơ bản thứ hai nghiêm trọng hơn của kỹ thuật phản hồi là có thể gây

ra những chuyển động xung đột, không phù hợp với người điều khiển cẩu Hầu như mọi cần cẩu đều phải có người điều khiển Bản thân người điều khiển cẩu là một hệ phản hồi (mắt nhận thông tin phản hồi từ dao động của dây để não ra quyết định điều khiển), nên việc kết nối hai hệ phản hồi có thể làm giảm hiệu quả [53] Điều khiển phản hồi có thể tạo ra những chuyển động không mang tính trực giác và gây khó khăn cho người điều khiển cẩu Bản thân người điều khiển cẩu cũng thay đổi và các tác vụ cũng thay đổi nên việc điều chỉnh được một bộ điều khiển phản hồi tốt cũng không hề dễ dàng Trong thực tế việc lắp đặt các hệ thống điều khiển phản hồi vào cần cẩu thường có hai chế độ: điều khiển tự động và điều khiển bằng tay để tránh xung đột giữa hai hệ phản hồi

Kỹ thuật điều khiển phản hồi đã được nghiên cứu cho nhiều dạng cần cẩu truyền thống Trong luận án này, ta sẽ xem xét kỹ hơn sự kết hợp của phương pháp điều khiển phản hồi đơn giản là điều khiển tỷ lệ P (điều khiển tuyến tính) với bộ giảm chấn lắp theo phương hướng tâm

Ví dụ về hiệu quả của các bộ điều khiển phản hồi có thể được tham khảo trong [53] và trên hình 1.6b Qua hình vẽ ta thấy tuy về lý thuyết điều khiển phản hồi có hiệu quả tốt nhưng khi áp dụng thực tế có người lái cẩu thì hiệu quả có thể bị suy giảm đi do xung đột giữa hai hệ phản hồi với nhau

Hình 1.6a Quỹ đạo tải trọng khi không

điều khiển

Hình 1.6b Quỹ đạo tải trọng khi có điều

khiển phản hồi PD Vấn đề điều khiển cần cẩu là một hướng nghiên cứu trong lĩnh vực cơ điện

tử Ở trong nước, một số nhóm nghiên cứu của Đại học Xây dựng, Đại học Cần Thơ, Đại học Bách Khoa Hà Nội, Đại học Thái Nguyên có các nghiên cứu về điều khiển cần cẩu dạng giàn, dạng treo (overhead crane, gantry crane) ứng dụng trong công nghiệp, cần cẩu container (container crane) ở cảng biển, cần cẩu dạng tháp (tower crane) trong xây dựng [69-81] Tuy nhiên các nghiên cứu này chỉ tập trung vào các loại điều khiển phản hồi Nội dung các nghiên cứu đều là sự phát triển các thuật toán điều khiển áp dụng cho các mô hình cần cẩu khác nhau

1.2.2 Kỹ thuật điều khiển dẫn tiếp

Kỹ thuật điều khiển dẫn tiếp (feedforward) (hay còn gọi là điều khiển vòng hở), là một kỹ thuật điều khiển tạo lệnh nhằm sửa đổi lệnh đầu vào tham chiếu để loại bỏ các yếu tố không mong muốn Việc sửa đổi này được thực hiện bằng cách kết hợp lệnh tham chiếu với một loạt các xung Một đặc tính của điều khiển dẫn tiếp

là nó không sử dụng tín hiệu phản hồi để xác định liệu đầu ra của nó có đạt được mục đích mong muốn của đầu vào hay không Điều này có nghĩa là hệ thống này không giám sát đầu ra của quá trình mà nó điều khiển Do đó, một hệ thống dẫn tiếp không thể hiệu chỉnh bất kỳ sai số có thể mắc phải nào Nó cũng không thể bù nhiễu trong hệ thống Điều khiển dẫn tiếp được sử dụng cho các hệ thống được xác định

rõ ràng, nơi mà mối quan hệ giữa đầu vào và trạng thái kết quả có thể được mô tả bởi một công thức toán học Một ví dụ của điều này là một hệ thống băng chuyền, yêu cầu di chuyển với vận tốc không đổi Với một điện áp không đổi, băng chuyền

sẽ di chuyển với vận tốc khác nhau phụ thuộc vào tải trọng đặt vào động cơ (ở đây

là trọng lượng của các vật đặt trên băng chuyền)

Kỹ thuật điều khiển dẫn tiếp không sử dụng tín hiệu đo phản hồi mà chỉ làm trễ một phần tín hiệu điều khiển của người điều khiển cẩu theo một cách hợp lý (đúng thời điểm và đúng cường độ) Do đặc tính trên mà kỹ thuật dẫn tiếp có thể khắc phục được hai nhược điểm cơ bản của kỹ thuật phản hồi, đó là không cần sử dụng đầu đo đắt đỏ phức tạp và tín hiệu điều khiển sau khi sửa đổi vẫn có dạng "tự nhiên" đối với người điều khiển (tín hiệu điều khiển vẫn giữ nguyên dạng, chỉ trễ đi một khoảng thời gian thích hợp)

Kỹ thuật dẫn tiếp có ba loại: Nắn tín hiệu đầu vào, lọc tín hiệu và làm trơn tín hiệu Trong luận án này để minh họa nghiên cứu sinh chỉ giới thiệu một kỹ thuật dẫn tiếp điển hình là kỹ thuật nắn tín hiệu đầu vào (input shaping) Tín hiệu điều khiển được đi qua một bộ nắn (inputshaper) trước khi đưa đến mô tơ của cần cẩu [20,54] Để minh họa kỹ thuật nắn tín hiệu đầu vào, ta xem xét hai dạng đơn giản nhất là nắn tín hiệu ZV và ZVD Để dịch chuyển xe tời, người ta thường dùng dạng điều khiển xung Nếu chỉ tác động 1 xung để xe tời chuyển động tới tốc độ tối đa thì sau khi dừng tác động xung, vật nâng của cần cẩu sẽ bị dao động tự do dạng:

tạo ra đáp ứng chấm Kết hợp hai xung bằng phương pháp chồng chất cho ra dao động được triệt tiêu

Hình 1.7 Hai xung có thể dập tắt dao động

Sử dụng 2 xung theo cách trên được gọi là nắn tín hiệu ZV (zero vibration) [54] Tuy nhiên trên thực tế khi chiều dài cáp thay đổi thì tần số dao động riêng thay đổi

và cách nắn tín hiệu ZV trở nên nhạy cảm với sai số Ta xem xét thêm một cách nắn tín hiệu bền vững hơn gọi là ZVD (zero vibration and derivative) [54] Cách nắn tín hiệu này không chỉ làm dao động triệt tiêu mà đạo hàm của biên độ dao động theo sai số tần số cũng triệt tiêu Cách nắn tín hiệu chia tín hiệu thành ba phần, mỗi phần cách nhau nửa chu kỳ và đáp ứng có dạng:

Hình 1.8: Dập tắt dao động bằng tổng hai xung Nếu như hệ là tuyến tính thì sự chồng chất có thể được sử dụng để tìm đáp ứng tổng của cả hai xung Đáp ứng tổng được chỉ ra bằng đường liền nét trên hình Vì dao động gây ra bởi hai xung là bằng nhau và được tách ra một nửa chu kỳ dao động, các dao động gây ra bởi A1 bị triệt tiêu bởi A2 Bằng cách thay đổi số lượng, thời điểm và biên độ của xung, các bộ nắn tín hiệu đầu vào khác nhau với các tính chất khác nhau trên miền thời gian và tần số có thể được tạo ra Một bộ nắn tín hiệu đầu vào có thể cuộn với bất kỳ tín hiệu điều khiển nền nào để tạo ra một tín hiệu điều khiển được nắn Quá trình cuộn bảo toàn tính chất giảm dao động của bộ nắn tín hiệu đầu vào Do đó lệnh đầu vào được nắn sẽ tạo ra dao động không tại tần số được

mô phỏng nếu như bộ nắn đầu vào tạo ra dao động không tại tần số được thiết kế Hình 1.9 thể hiện mô hình khối của quá trình nắn tín hiệu đầu vào và so sánh với tín hiệu được tạo ra không có nắn tín hiệu Nhược điểm của kỹ thuật nắn tín hiệu là sự tăng thời gian chuyển động của hệ như thấy trên Hình 1.10

Hình 1.9: Minh họa trường hợp có nắn và không nắn tín hiệu đầu vào

Hình 1.10: Thời gian trễ do nắn tín hiệu Thời gian tăng thêm bằng hiệu số của thời điểm xung cuối và thời điểm xung đầu

Đó được xem là thời gian của bộ nắn Mặc dù sự trễ là một hạn chế của bộ nắn tín hiệu nhưng hiệu quả giảm dao động thu được lớn hơn rất nhiều Ngoài ra, việc sử dụng nắn tín hiệu không đòi hỏi đầu đo và không thay đổi sự ổn định của hệ Một

ưu điểm nữa của nắn tín hiệu là sự bền vững đối với sai số mô hình hóa Ví dụ tần

số dao động của vật nâng bị tác động bởi nhiều yếu tố, trong đó chủ yếu là thay đổi

độ dài dây treo Độ bền vững của bộ nắn tín hiệu đo bằng đồ thị độ nhạy như trên Hình 1.11

Hình 1.11: Độ nhạy của một số dạng nắn tín hiệu Trên hình 1.11, trục hoành là tần số được chuẩn hóa được xác định bởi tần số thực chia cho tần số được mô hình hóa Trục tung là dao động được chuẩn hóa được định nghĩa bởi phần trăm dao động còn lại do xung đơn vị chia cho dao động gây ra bởi xung nắn tín hiệu Độ rộng của mỗi đường cong trên hình là biểu thị cho độ bền vững của nắn tín hiệu Đường cong càng rộng thì nắn tín hiệu càng bền vững Độ bền vững ở đây được định nghĩa là khi tần số thực sai khác với tần số mô hình thì dao động dư tăng lên Nếu bộ nắn tín hiệu nào có sự sai khác tần số càng lớn mà

dao động dư tăng lên ít thì càng bền vững có nghĩa là ít nhạy với sự sai khác của tần

số và ngược lại Trên hình 1.11 thể hiện độ nhạy của ba bộ nắn tín hiệu điển hình:

ZV, ZVD và EI Mỗi một bộ nắn tín hiệu được xây dựng bằng cách sử dụng một tập các ràng buộc thiết kế khác nhau Bộ nắn tín hiệu ZV rất nhạy với sự sai khác của tần số, có nghĩa là độ bền vững kém nhất Khi tần số thực lệch khỏi tần số mô hình thì dao động dư tăng nhanh Bộ nắn tín hiệu trên hình 1.8 là bộ nắn tín hiệu ZV, nó được cho bởi:

0.5 0.5

02

i i

2

i i

Bộ nắn ZVD như biểu thức trên được tạo thành bởi ràng buộc đạo hàm bằng

0 của đường cong nhạy tại tần số được mô tả Do đó độ bền vững của nó được tăng lên đáng kể Độ bền vững này đi kèm với cái giá phải trả là bộ nắn tín hiệu ZVD dài gấp đôi bộ nắn tín hiệu ZV Bộ nắn tín hiệu EI được tạo thành bằng cách cho phép một lượng nhỏ dao động dư ở tần số được mô hình hóa trong khi cực đại hóa độ rộng của đường cong nhạy (Hình 1.11) Độ trễ của nó bằng độ trễ của bộ nắn tín hiệu ZVD nhưng có độ không nhạy lớn hơn Cách thiết kế này là hợp lý vì dao động

có thể không bao giờ bằng không trong hệ thực Do đó ràng buộc dao động không được gỡ bỏ để đạt được mục tiêu khả thi hơn của dao động dư, và do đó độ bền vững lớn hơn có thể đạt được Các nguyên tắc thiết kế các bộ nắn tín hiệu phức tạp nhưng bền vững hơn có thể tham khảo trong tài liệu [54]

Tóm lại kỹ thuật điều khiển dẫn tiếp mà dạng điển hình là nắn tín hiệu là một

kỹ thuật đơn giản, dễ áp dụng, ít tác động đến người lái cẩu và không đòi hỏi đầu đo nhưng chỉ tác động được vào những hệ thống được xác định rõ ràng, nơi mà mối quan hệ giữa đầu vào và trạng thái kết quả có thể được mô tả bởi một công thức toán học Đây là nhược điểm của kỹ thuật này vì nó chỉ có thể triệt tiêu được các dao động do các nguyên nhân biết trước Các nhiễu (như tải trọng gió) hoặc điều kiện dao động ban đầu (do va chạm ) không thể xử lý được bằng kỹ thuật dẫn tiếp

1.3 Giảm dao động của vật nâng bằng phương pháp bị động

1.3.1 Các phương thức bị động để điều khiển dao động lắc lư

Ngoài phương thức chủ động như trên (có thể đưa năng lượng vào hoặc rút năng lượng ra khỏi hệ), trong lĩnh vực điều khiển dao động còn sử dụng phương thức bị động (chỉ rút năng lượng ra khỏi hệ) mà điển hình là sử dụng các bộ giảm chấn Tuy nhiên, việc áp dụng phương thức bị động trong bài toán giảm lắc lư của vật nâng treo bởi cáp đơn là không dễ dàng vì không dễ để hình dung cách lắp đặt một bộ giảm chấn vào một dây cáp đơn Một hướng nghiên cứu đã được đặt ra gần đây dựa trên ý tưởng chuyển các dao động lắc lư về dao động hướng tâm [6] Ngoài

ra dao động của một con lắc đơn đỡ bởi kết cấu nối cứng còn có thể được giảm bằng cách sử dụng các bộ hấp thụ động lực dạng tuyến tính [55], dạng Coriolis [56]

và dạng con quay [57] Trên các hình 1.12, 1.13, 1.14 cho thấy ảnh chụp các thiết bị hấp thụ động lực dạng tuyến tính, Coriolis và con quay lắp đặt vào các ca bin cáp treo ở Nhật

Hình 1.12 Bộ hấp thụ động lực tuyến tính lắp vào ca bin cáp treo

Hình 1.13 Bộ hấp thụ động lực

Coriolis lắp vào ca bin cáp treo

Hình 1.14 Bộ hấp thụ động lực con quay được sử dụng để giảm dao động con lắc (nguồn Internet)

Nguyên tắc của các thiết bị trên hình 1.12, 1.13 và 1.14 là sử dụng khối lượng bổ sung tạo ra lực ngang truyền qua kết nối cứng để giảm dao động lắc lư Tuy nhiên bản chất ca bin cáp treo là con lắc đỡ bởi kết cấu nối cứng khác với vật nâng của cần cẩu là con lắc treo bởi dây mềm Hiệu ứng tạo ra tác động ngang của khối lượng

bổ sung của bộ hấp thụ động lực lên dây mềm có thể không như mong muốn đối với kết nối cứng

Mặc dù vậy, các nguyên lý của các thiết bị đã có có thể được xem xét Trong luận

án này chúng tôi tập trung đến hiệu ứng sinh ra lực Coriolis của chuyển động hướng tâm

1.3.2 Giảm dao động lắc lư bằng lực Coriolis của vật nâng

Để giảm dao động của vật nâng, một hệ gồm lò xo và bộ giảm chấn đã được

đề xuất lắp vào giữa vật nâng và cáp như hình 1.15 [6] Lực Coriolis là nhân tố chính làm giảm dao động lắc lư Khi vật nâng lắc lư thì lực ly tâm thay đổi theo thời gian và gây ra chuyển động hướng tâm cho vật nâng Chuyển động hướng tâm sẽ tạo ra cản Coriolis tác động vào chuyển động lắc lư của vật nâng và làm giảm chuyển động lắc lư đó

Hình 1.15 Mô hình hệ thống lò xo và giảm chấn hướng tâm [6]

Tài liệu [6] đã chứng minh được hiệu quả trong việc giảm dao động lắc lư của vật nâng bằng bộ giảm chấn bị động này Tuy nhiên cần nhấn mạnh rằng các thiết bị bị động (do bản chất của nó) chỉ rút năng lượng ra khỏi hệ nên không có sự thích ứng thích hợp trong bài toán điều khiển dao động Do đó hiệu quả của phương pháp bị động là hạn chế hơn các phương pháp chủ động

Ý tưởng sử dụng bộ giảm chấn theo phương hướng tâm trên thực tế đã được

sử dụng để giảm sự thay đổi đột ngột lực căng của dây treo cần cẩu khi tiếp xúc hoặc tách tiếp xúc với nền tàu hoặc mặt biển Hình 1.16 cho thấy ảnh chụp thiết bị của hãng Cranemaster lắp đặt giữa cáp cần cẩu và vật nâng để giảm dao động lắc lư theo phương đứng Hình 1.17 cũng là ảnh chụp của thiết bị tương tự của hãng Safelink Các thiết bị này hoạt động sử dụng khí nén

Hình 1.16: Thiết bị giảm chấn Cranemaster 1400 tấn lắp đặt vào cáp cần cẩu (nguồn

Internet)

Hình 1.17: Thiết bị giảm chấn Safelink tấn lắp đặt vào cáp cần cẩu (nguồn Internet)

Như vậy có thể thấy rằng các thiết bị giảm chấn đã được sử dụng trong thực

tế để giảm các dao động dọc của lực căng dây Tuy nhiên như đã chỉ ra trong [6], mặc dù lắp theo phương hướng tâm nhưng các thiết bị này cũng vẫn có khả năng giảm cả các dao động lắc lư ngang Do đó có thể xem đây là thiết bị hữu dụng “2 trong 1”

1.4 Các thiết bị dạng bán chủ động

Trong nhiều trường hợp, việc thay đổi các đặc tính độ cản của các bộ giảm chấn có thể giúp nâng cao hiệu quả của việc kiểm soát dao động Để minh họa cho trường hợp này ta xét mô hình giảm chấn như trên hình 1.15 Mô hình này sử dụng

bộ giảm chấn bị động tương đối kinh điển để kiểm soát dao động lắc lư Bộ giảm chấn hoạt động dựa trên nguyên lý của cản Coriolis Trong đó hệ số cản là bị động (không thay đổi được giá trị) do đó không linh hoạt trong việc ngăn cản chuyển động bất lợi và không khuếch đại được chuyển động có lợi, nên có hiệu quả hạn chế Điều khiển hệ số cản là cách để cải thiện sự thích ứng của hệ số cản nhằm khuếch đại các chuyển động có lợi và hạn chế các chuyển động bất lợi để tăng nhanh khả năng tiêu tán năng lượng của bộ giảm chấn từ đó làm giảm dao động lắc

lư của cáp cần cẩu Phương pháp điều khiển hệ số cản này được gọi là phương pháp bán chủ động không đưa thêm năng lượng vào hệ nhưng có thể điều khiển được năng lượng tiêu tán của hệ qua bộ cản Các thiết bị bán chủ động là các thiết bị thụ động có các thuộc tính có thể thay đổi theo thời gian, với tốc độ có thể so sánh được với bản thân chu kỳ dao động Với mục đích điều khiển cản bán chủ động, các thiết

bị tiêu tán năng lượng khác nhau đã được sử dụng để đạt được độ cản mong muốn Các thiết bị này bao gồm giảm chấn thủy lực, giảm chấn điện biến (Electrorheological: ER) và từ biến (Magnetorheological: MR), các thiết bị ma sát bán chủ động và các thiết bị điện từ

Bộ giảm chấn thủy lực bán chủ động thường bao gồm một bộ xi lanh pit tông thủy lực với cơ cấu van điều khiển Sự thay đổi hệ số cản có thể đạt được bằng cách điều chỉnh tiết diện của lỗ hoặc khe tiết lưu nơi chất lỏng chảy qua (hình 1.18) Van điều khiển có thể có dạng van điện từ (solenoid) để điều khiển bật tắt hoặc van trợ động (servo) để điều khiển biến thiên liên tục Bộ giảm chấn chất lỏng nhớt đã được ứng dụng rộng rãi trong việc cách ly dao động trong hàng không và điều khiển đáp ứng do động đất gây ra

Hình 1.18: Bộ giảm chấn có khe thay đổi được

Bộ giảm chấn ER và MR (hình 1.19) bao gồm một xi lanh thủy lực chứa các hạt phân cực có kích thước micron trong một chất lỏng (thường là dầu) Cả hai vật liệu ER và MR đều có khả năng thay đổi từ trạng thái lỏng nhớt chảy tự do sang trạng thái bán rắn trong cỡ phần nghìn giây khi chịu điện hoặc từ trường [8] Các thiết bị này đáng tin cậy về mặt cơ học, vì chúng không chứa bất kỳ bộ phận chuyển động nào Thông tin chi tiết hơn về việc sử dụng bộ giảm chấn ER và MR để kiểm soát rung có thể được tìm thấy trong [8]

Hình 1.19: Một ví dụ về bộ giảm chấn MR Các thiết bị ma sát bán chủ động sử dụng lực ma sát sinh ra trên các bề mặt tiếp xúc

để tiêu tán năng lượng Một bộ giảm chấn ma sát lý tưởng có thể được coi là tuân theo định luật ma sát của Coulomb trong đó lực ma sát là tích của hệ số ma sát và lực ép vuông góc giữa hai mặt tiếp xúc Bằng việc sử dụng các thiết bị cơ học để

thay đổi lực ép giữa 2 mặt tiếp xúc, độ cản của thiết bị có thể thay đổi được (hình 1.20)

Hình 1.20: Bộ đệm trượt có ma sát điều khiển được

Bộ giảm chấn điện từ sử dụng lực tác dụng tương hỗ giữa chuyển động của cuộn dây và từ trường của nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện để tạo ra hiệu ứng cản Khi một cuộn dây của giảm chấn điện từ được kết nối với điện trở bên ngoài, thiết bị sẽ trở thành một bộ giảm chấn cơ học tuyến tính Mức độ cản có thể thay đổi bằng cách thay đổi điện trở bên ngoài hoặc cường độ của từ trường

Khi điện trở bên ngoài thay đổi, hệ số cản cũng thay đổi Ở trạng thái mạch hở, hệ

số cản triệt tiêu, trong khi nếu cuộn dây được nối tắt thì hệ số cản đạt giá trị cực đại

Vì điện trở hiệu dụng có thể được thay đổi nhanh chóng bằng điện tử, một bộ truyền động điện có thể hoạt động như một bộ giảm chấn bán chủ động trong các phương tiện giao thông hoặc trong hệ thống treo cách ly dao động

1.5 Vấn đề đặt ra của luận án

Những phân tích ở các mục trên cho thấy có nhiều cách thức tiếp cận khác nhau để điều khiển dao động của vật nâng Mỗi cách thức đều có những ưu nhược điểm riêng và có thể tóm tắt như sau:

- Điều khiển phản hồi dựa trên các tín hiệu dao động đo được là phương pháp được nghiên cứu rất nhiều trên phương diện lý thuyết điều khiển cũng như ứng dụng thực

tế Ưu điểm của điều khiển phản hồi là có thể kiểm soát dao động do mọi loại nguyên nhân (do điều khiển cẩu không chuẩn, do gió, do va chạm, ) Ba nhược điểm cơ bản của điều khiển phản hồi bao gồm: khó khăn trong việc đo chính xác

dao động của vật nâng; khó khăn trong việc lắp đặt, duy trì đổi với những cần cẩu

có hoạt động phức tạp và làm việc trong môi trường khắc nhiệt và cuối cùng là sự tương thích kém đối với người điều khiển cẩu Một bộ điều khiển phản hồi chỉ có thể áp dụng vào cần cẩu nếu nó có tác động thứ yếu (low-authority) và người điều khiển cẩu vẫn là bộ điều khiển phản hồi chính Một bộ điều khiển phản hồi tác động quá mạnh vào hệ thống sẽ gây ra các chuyển động không thể nắm bắt được và gây ngạc nhiên, bối rối đối với người điều khiển cẩu

- Điều khiển hồi tiếp dựa trên việc nắn tín hiệu đầu vào có ưu điểm là đơn giản về nguyên lý và không gây xung đột với người điều khiển cẩu Tuy nhiên, điều khiển hồi tiếp chỉ có thể triệt tiêu nguyên nhân "biết trước" gây ra dao động, là sự điều khiển cẩu không chuẩn xác Các nguyên nhân không biết trước như gió, va chạm thì không thể xử lý bằng điều khiển dẫn tiếp

- Bộ giảm chấn có thể kiểm soát mọi loại dao động nhưng tác dụng của bộ giảm chấn còn hạn chế do bản chất thụ động của nó

- Bộ giảm chấn dạng bán chủ động là hướng nghiên cứu mới, có thể giúp nâng cao hiệu quả điều khiển dao động, mặc dù chưa đạt được mức của điều khiển chủ động

Luận án xem xét các cách kết hợp khác nhau của các kỹ thuật điều khiển để kết hợp ưu điểm và hạn chế các nhược điểm của các phương pháp đơn lẻ nhằm nâng cao hiệu quả giảm dao động của vật nâng

1.6 Kết luận chương 1

Trong chương này luận án đã trình bày tổng quan các phương pháp điều khiển nhằm giảm dao động của vật nâng Qua các đề cập trên ta thấy các phương pháp đều có những ưu nhược điểm riêng Luận án sẽ đề xuất và nghiên cứu sự kết hợp giữa các phương thức điều khiển nhằm đạt được hiệu quả tốt hơn so với từng phương thức đơn lẻ Cụ thể luận án sẽ kết hợp các phương pháp phản hồi chủ động với bộ giảm chấn bị động; kết hợp phương pháp nắn tín hiệu đầu vào với bộ giảm chấn bị động và nghiên cứu áp dụng phương pháp bán chủ động để điều khiển dao động lắc lư của vật nâng dưới dạng con lắc đơn Nội dung của sự kết hợp sẽ được trình bày chi tiết ở trong các chương tiếp theo

CHƯƠNG 2 KẾT HỢP ĐIỀU KHIỂN PHẢN HỒI VỚI BỘ GIẢM CHẤN ĐỂ

GIẢM DAO ĐỘNG VẬT NÂNG 2.1 Giới thiệu

Chương này sẽ trình bày mô hình khảo sát dao động của vật nâng trong không gian 2 chiều có kết hợp giữa điều khiển phản hồi với bộ giảm chấn Các phương trình dao động của vật nâng được xây dựng theo phương trình Lagrange loại II Trong chương này sẽ khảo sát tác động của điều khiển phản hồi đến người lái cẩu Từ đó đưa ra các hệ số khuếch đại của điều khiển phản hồi phù hợp để tránh gây xung đột lớn đến người lái cẩu Mô hình về bộ giảm chấn hướng tâm cũng sẽ được giới thiệu trong chương Trên cơ sở các kết quả đã tìm được của các tham số tối ưu của bộ giảm chấn làm việc độc lập Các tham số tối ưu của bộ giảm chấn khi

có sự kết hợp với điều khiển phản hồi sẽ được thiết lập Các kết quả tính toán số để chứng minh hiệu quả của sự kết hợp giữa điều khiển phản hồi với bộ giảm chấn trong việc giảm dao động của vật nâng so với các phương pháp đơn lẻ sẽ được trình bày ở cuối chương

2.2 Mô hình dao động của vật nâng

Trong chương này, để tìm các tham số tối ưu của bộ giảm chấn, ta hạn chế chỉ xét cần cẩu hoạt động trong không gian 2 chiều với chiều dài cáp treo không đổi Vật nâng được di chuyển từ vị trí đầu đến vị trí cuối mà không có thao tác nâng

hạ Mô hình về sự kết hợp phương pháp điều khiển phản hồi và phương pháp bị động dùng bộ giảm chấn để giảm chuyển động lắc lư của vật nâng 2D được cho trên hình 2.1

Xe têi

Bé ®iÒu khiÓnph¶n håi

y

P

x

Bé gi¶m chÊn

c¶nCoriolis

k cO

Hình 2.1 Kết hợp điều khiển phản hồi và lò xo giảm chấn bị động

Trên hình 2.1, chuyển động lắc lư của vật nâng tạo ra lực ly tâm Do kết nối lò xo giảm chấn giữa vật nâng và cáp, chuyển động hướng tâm của vật nâng được kích hoạt Chuyển động này về phần nó tạo ra lực cản Coriolis tác động vào chuyển động lắc lư để kiểm soát chuyển động đó Ở đây ta đối mặt với một bài toán “thỏa hiệp” Theo đó, ta phải chấp nhận có một chuyển động nhỏ theo phương hướng tâm để giảm chuyển động lớn hơn theo phương vòng (chuyển động lắc lư) vì chuyển động hướng tâm có thể được tiêu tán năng lượng dễ hơn rất nhiều so với chuyển động lắc

lư Như trên hình 2.1 ta thấy thì hệ thống lò xo và giảm chấn chỉ là một kết nối đơn giản giữa vật nâng và cáp, do đó nó có thể dễ dàng gỡ bỏ trong trường hợp không cho phép chuyển động hướng tâm Ngoài ra ta cũng có thể giới hạn độ lớn của chuyển động hướng tâm bằng cách tăng độ cản của bộ giảm chấn

Ta xét thêm các giả thiết sau:

- Bỏ qua khối lượng của lò xo và giảm chấn vì nhỏ so với khối lượng vật nâng;

- Xem độ dãn của cáp là nhỏ khi so sánh với độ dãn của lò xo để bỏ qua biến dạng của cáp

Trên thực tế cần xét đến các lực bên ngoài tác động vào vật nâng như lực gió, lực va chạm, Tuy nhiên, để minh họa cho hiệu quả của sự kết hợp của hai phương pháp chủ động – bị động, trong chương này ta chỉ xét dao động gây ra do sự di chuyển điểm treo và do độ lệch góc ban đầu Độ lệch ban đầu có thể do lực gió tĩnh tác

động vào vật nâng làm dây cáp lệch ra khỏi vị trí cân bằng, sau đó khi lực gió đột ngột biến mất thì vật nâng sẽ bị dao động với góc lệch ban đầu

Với các giả thiết như vậy, một số ký hiệu được sử dụng trong mô hình được chỉ ra trên Hình 2.1 và giải thích trong bảng 2.1

l Khoảng cách giữa xe tời và vật nâng trong điều kiện tĩnh

u Chuyển động hướng tâm của vật nâng đo từ vị trí tĩnh

x Chuyển dịch của xe tời

x x l Dạng phi thứ nguyên của chuyển động của xe tời

* Thiết lập phương trình dao động của vật nâng:

Căn cứ vào hình 2.1, vị trí của vật nâng (x P ,y P) được xác định bởi: