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

Mục tiêu 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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC

VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

Công trình được hoàn thành tại: Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Lã Đức Việt

GS TSKH Nguyễn Đông Anh

… năm ……

Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ

- Thư viện Quốc gia Việt Nam

1 Lý do lựa chọn đề tài

Vật nâng của cần cẩu thường bị dao động, làm hạn chế khả năng

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 nên 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, phương thức bị động và phương thức bán chủ

động 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 Đó

là lý do hình thành đề tài luận án: “Nghiên cứu điều khiển chủ động -

bị động và bán chủ động để giảm dao động vật nâng của cần cẩu”

2 Mục tiêu 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 của vật nâng của cần cẩu, nhằm đạt

hiệu quả tốt hơn so với từng phương pháp đơn lẻ

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là vật nâng của cần cẩu được treo bởi dây

cáp đơn, chịu tác động của tải trọng 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

4 Phương pháp nghiên cứu

Luận án kết hợp các phương pháp giải tích, mô phỏng số và

thực nghiệm

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

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

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 cho vật nâng của cần cẩu

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 (vòng kín) sử dụng các số đo của cần cẩu như biến dạng, vị trí để tạo ra tín hiệu điều khiển

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 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

1.2.2 Kỹ thuật điều khiển dẫn tiếp

Kỹ thuật điều khiển dẫn tiếp (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

Một kỹ thuật dẫn tiếp điển hình là kỹ thuật nắn tín hiệu đầu vào (input shaping) trước khi đưa tín hiệu điều khiển đến mô tơ của cần cẩu 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 nắn vẫn có dạng "tự nhiên" đối với người điều khiển cẩu Tuy nhiên kỹ thuật điều khiển dẫn tiếp chỉ có thể triệt tiêu được các dao động do các tín hiệu điều khiển xác định Các nhiễu (như tải trọng gió) hoặc điều kiện dao động ban đầu (do va chạm ) không thể xác định được và 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, trong lĩnh vực điều khiển dao động còn sử dụng phương thức bị động mà điển hình là sử dụng các bộ giảm chấn Ngoài ra dao động của một con lắc đơn có kết nối cứng còn có thể được giảm bằng cách sử dụng các bộ hấp thụ động lực dạng tuyến tính, dạng Coriolis và dạng con quay

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 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 làm cho vật nâng có chuyển động hướng tâm 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 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

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 điều khiển dao

động 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

1.5 Kết luận chương 1

Trong chương này luận án đã trình bày tổng quan các phương pháp điều khiển 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

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

Khái niệm về sự kết hợp giữa phương pháp điều khiển phản hồi

và phương pháp bị động dùng bộ giảm chấn để giảm dao động lắc lư

của vật nâng 2D được cho trên hình 2.1

c¶nCoriolis

k cO

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

Căn cứ vào hình 2.1, ta thiết lập được phương trình dao động

của vật nâng P có dạng như (2.1)

còn các giá trị ban đầu khác chọn bằng 0 Ta rút gọn phương trình

(2.1) về dạng phi thứ nguyên sau:

2.3 Xây dựng các phương án điều khiển

2.3.1 Phương án điều khiển phản hồi

Trong mục này ta xem xét bộ điều khiển đơn giản nhất là điều

khiển PID (proportional-integral-derivative) Để minh họa những tác

động của điều khiển phản hồi đối với người điều khiển cẩu Ta xét

các trường hợp dịch chuyển ngang của vật nâng, dịch ngang của xe tời do tín hiệu phản hồi và do người điều khiển trên các hình 2.2, 2.3

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

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=1, 0=/6

Kết quả cho thấy khi tăng hệ số độ lợi P thì dao động của vật nâng tắt càng nhanh nhưng chuyển dịch ngang của xe tời do tín hiệu phản hồi ngày càng cách xa chuyển dịch ngang của xe tời do người điều khiển tạo ra Điều đó thể hiện rõ nhược điểm của điều khiển

phản hồi Bộ điều khiển phản hồi càng tác động mạnh đến hệ thống thì càng có hiệu quả giảm dao động nhưng rối trí người điều khiển cẩu

2.3.2 Sử dụng bộ giảm chấn theo phương hướng tâm

Tiếp theo ta xem xét trường hợp không có điều khiển phản hồi

và chỉ có bộ giảm chấn Bằng phương pháp tuyến tính hóa tương đương và phương pháp cân bằng cực ta xác định được giá trị tối ưu của bộ giảm chấn như (2.4) và (2.5)

2.3.3 Kết hợp điều khiển phản hồi và bộ giảm chấn

Nghiệm tối ưu (2.4) và (2.5) được xác định ở mục trên trong trường hợp không có điều khiển phản hồi Xét trường hợp có điều khiển phản hồi dạng tỷ lệ:

n P

x   (2.6) Cũng bằng phương pháp tuyến tính hóa tương đương và phương pháp cân bằng cực ta xác định được giá trị tối ưu của bộ giảm chấn như (2.4) và (2.7)

tỷ lệ với bộ giảm chấn Nghiệm giải tích được xác định bởi (2.4) và (2.7)

2.4 Một số kết quả khảo sát tính toán số

Tính toán số được thực hiện trên phương trình chuyển động phi thứ nguyên (2.3) Vận tốc của xe tời được xác định bởi:

Điều khiển chủ động Không Có Không Có

Điều khiển bị động Không Không Có Có

2.4.1 Trường hợp không vận hành cẩu

Các kết quả so sánh về góc lắc của cáp được cho trên hình 2.5 với các trường hợp khác nhau của góc lắc ban đầu

-10 10

, P=0.1 Bảng 2.2 Giá trị lớn nhất của góc lắc (đơn vị độ) sau 4 chu kỳ (số phần trăm bên cạnh chỉ độ giảm dao động)

Kết quả cho thấy:

- Trường hợp 4 kết hợp cả hai phương pháp chủ động và bị động rõ ràng có hiệu quả hơn trường hợp từng phương pháp đơn lẻ

-45 45

Hình 2.6 Góc lắc theo thời

gian phi thứ nguyên, trường hợp

a m=0.1, P=0.1

Hình 2.7 Góc lắc theo thời gian phi thứ nguyên, trường hợp

a m=0.2, P=0.1

Bảng 2.3 Giá trị lớn nhất của góc lắc (đơn vị độ) sau bốn chu

kỳ (số phần trăm bên cạnh chỉ độ giảm dao động)

a m=0.1,P=0.1 22.85(0%) 7.64(66.6%) 8.43(63.1%) 4.18(81.7%)

a m=0.2,P=0.1 45.09(0%) 15.20(66.3%) 13.23(70.7%) 5.76(87.2%) Kết quả cho thấy:

- Trường hợp 4, kết hợp cả hai phương pháp chủ động và bị động vẫn có hiệu quả hơn trường hợp từng phương pháp đơn lẻ

2.5 Kết luận chương 2

Chương này xem xét bài toán kết hợp giữa hai phương pháp điều khiển chủ động phản hồi tỷ lệ và sử dụng bộ giảm chấn bị động

để giảm lắc lư của vật nâng

Bằng phương pháp cân bằng cực, chương này đã thu được lời giải giải tích tối ưu cho các tham số phi thứ nguyên của độ cứng lò

xo và độ cản của bộ giảm chấn

Kết quả mô phỏng số cho thấy sự kết hợp chủ động – bị động có hiệu quả tốt hơn so với từng phương pháp đơn lẻ, trong tất cả các trường hợp góc dao động ban đầu và hệ số điều khiển khác nhau Các kết quả của chương đã được trình bày trong các bài báo [T4, T6]

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

3.1 Giới thiệu

Chương này sẽ trình bày mô hình khảo sát dao động của vật nâng trong không gian 3 chiều có kết hợp giữa điều khiển nắn tín hiệu đầu vào với bộ giảm chấn Các phương trình mô tả động lực học của cần cẩu tay với được xây dựng bằng phương pháp phương trình Lagrange loại II Trên cơ sơ các phương trình dao động tìm được Các kết quả tính toán số để chứng minh hiệu quả của sự kết hợp giữa điều khiển nắn tín hiệu đầu vào với bộ giảm chấn trong việc giảm dao động của vật nâng so với các phương pháp đơn lẻ sẽ được trình bày Trong chương này một mô hình thực nghiệm nhỏ cũng sẽ được xây dựng để chứng minh hiệu quả giảm dao động của phương pháp kết hợp được đề xuất so với các phương pháp đơn lẻ

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

Khái niệm kết hợp giữa kỹ thuật nắn tín hiệu đầu vào và bộ giảm chấn hướng tâm để giảm dao động ba chiều của vật nâng được thể hiện trong Hình 3.1

Hình 3.1 Mô hình kết hợp giữa bộ nắn tín hiệu đầu vào và bộ

giảm chấn hướng tâm

Bộ nắn tín hiệu đầu vào tổng quát có thể được sơ đồ hóa như trong Hình 3.2

Hình 3.2 Sơ đồ khối bộ nắn tín hiệu đầu vào

Trong luận án này, với mục đích minh họa, hai bộ nắn tín hiệu đầu vào đơn giản nhất được xem xét: bộ nắn tín hiệu ZV (zero vibration) và bộ nắn tín hiệu ZVD (zero vibration and derivative) [54] Chúng được mô tả như sau:

z

P

k c

3

sin cos cos 2 sin

c c

Mô hình cần cẩu dùng để mô phỏng được hiển thị trong hình 3.3

Hình 3.3 Mô hình cần cẩu trong RECURDYN

Phương pháp điều khiển theo vận tốc sẽ được mô phỏng Các

lệnh vận tốc được lấy từ [60]

Hiệu quả trong việc giảm dao động ba chiều được đánh giá bởi

hai chỉ số: độ căng cáp và các góc lắc Các so sánh được hiển thị

trong Hình 3.4-3.7

Hình 3.4: Độ căng cáp do chuyển động của cần cẩu

Hình 3.5: Góc lắc do chuyển động của cần cẩu

Hình 3.6: Độ căng của cáp do chuyển động của cần cẩu và các

nhiễu do gió

Hình 3.7: Góc lắc do chuyển động của cần cẩu và các nhiễu do gió

Từ kết quả trên ta rút ra một số nhận xét sau:

- Với trường hợp không bị tác động do nhiễu bên ngoài, hiệu quả của bộ giảm chấn trong việc giảm góc lắc lư là không rõ ràng (Hình.3.5) Tuy nhiên, sự thay đổi độ căng của cáp trơn hơn nhờ bộ giảm chấn (Hình 3.4)

- Với trường hợp có nhiễu, bộ nắn tín hiệu đầu vào không thể

xử lý nhiễu nhưng bộ giảm chấn có thể làm giảm dao động do nhiễu (Hình 3.6, 3.7)

- Trong mọi trường hợp, sự kết hợp của hai phương pháp được

đề xuất cho thấy hiệu quả tốt của nó Điều này là do kết hợp các ưu điểm của hai phương pháp

3.4 Thực nghiệm kiểm chứng

Một thử nghiệm đơn giản được thiết lập để chứng minh tính hiệu quả của phương pháp đề xuất Hình 3.8a-b trình bày các thiết lập được sử dụng

Hình 3.8: Cơ cấu cần cẩu (a) và cơ cấu giảm chấn bị động (b) Hiệu quả của sự kết hợp giữa bộ nắn tín hiệu đầu vào và bộ giảm chấn hướng tâm được nhìn thấy bằng cách xoay đế cần cẩu Các kết quả được thể hiện trong Hình 3.9-3.12

Hình 3.9: Quỹ đạo của tải trọng trong mặt phẳng nằm ngang, lắc

lư do xoay bệ cẩu