Mô hình hóa và phát triển hệ thống điều khiển cho cần cẩu di động dựa trên kỹ thuật mẫu ảo

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN CHÍ THIỆN Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 1987 Nơi sinh: Kiên Giang I- Tên đề tài: MÔ HÌNH HÓA VÀ PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG ĐIỀU KHI

-

NGUYỄN CHÍ THIỆN

MÔ HÌNH HÓA VÀ PHÁT TRIỂN

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ CẦN CẨU DI ĐỘNG DỰA TRÊN KỸ THUẬT MẪU ẢO

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Lê Ngọc Trân

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại Học Công nghệ TP HCM ngày 02 tháng 10 năm 2016

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:

2 PGS TS Nguyễn Thanh Phương Phản biện 1

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được

sửa chữa

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

TP HCM, ngày … tháng … năm 20…

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: NGUYỄN CHÍ THIỆN Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 1987 Nơi sinh: Kiên Giang

I- Tên đề tài:

MÔ HÌNH HÓA VÀ PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

CHO HỆ CẦN CẨU DI ĐỘNG DỰA TRÊN KỸ THUẬT MẪU ẢO

II- Nhiệm vụ và nội dung:

- Khái niệm về cẩu di động cầu cảng và phân tích điều kiện hoạt động trên biển

- Phân tích hành vi động lực học và mô hình hóa hệ thống cơ khí của cần cẩu

- Xây dựng mẫu ảo và mô phỏng hoạt động của hệ cần cẩu di động trên biển

- Thiết kế hệ thống điều khiển cho mô hình cần cẩu di động trên biển

- Mô phỏng tích hợp mô hình mẫu ảo của hệ thống cần cẩu và đánh giá hệ thống

điều khiển đã thiết kế trong điều kiện hoạt động như trong ngữ cảnh thật

III- Ngày giao nhiệm vụ: 23/01/2016

IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 23/07/2016

V- Cán bộ hướng dẫn: TS Lê Ngọc Trân

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

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

Học viên thực hiện Luận văn

Nguyễn Chí Thiện

LỜI CẢM ƠN

Trước hết tôi xin chân thành cảm ơn Phòng Quản Lý Khoa Học Và Đào Tạo Sau Đại Học, Khoa Cơ – Điện – Điện Tử, trường Đại Học Công Nghệ TPHCM đã cho tôi có điều kiện được học tập, tiếp cận với khoa học kỹ thuật và được làm việc với thầy TS Lê Ngọc Trân khi thực hiện đề tài luận văn tốt nghiệp này

Tôi chân thành cảm ơn thầy TS Lê Ngọc Trân đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo tôi trong suốt thời gian thực hiện đề tài

Tôi chân thành cảm ơn các quý thầy đã tận tình giảng dạy, trang bị cho tôi những kiến thức quý báu trong khóa học vừa qua

Mặc dù tôi đã cố gắng hoàn thành luận văn trong phạm vi và khả năng cho phép nhưng chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót Tôi kính mong nhận được

sự thông cảm và tận tình chỉ bảo thêm của quý thầy cô và các bạn đồng nghiệp

Nguyễn Chí Thiện

TÓM TẮT

Cần cẩu di động cầu cảng (MHC) là giải pháp để vận chuyển một lượng lớn các container từ tàu container mẹ lên bờ do những tàu này không có khả năng neo đậu trong các cảng nhỏ, nước cạn Do điều kiện làm việc trên biển, hệ thống MHC xuất hiện lắc của tải treo gây ra do nhiễu bên ngoài như sóng và gió Thêm vào đó, thông số hệ thống (tải, chiều dài dây cáp) luôn thay đổi làm cho hệ thống mất ổn định, do đó việc điều khiển chính xác vị trí để gắp hoặc thả một container rất khó để thực hiện Luận văn này đề xuất một kỹ thuật mô phỏng ảo thông qua việc xây dựng mẫu ảo trong môi trường 3D trên máy tính để khám phá hành vi động lực học của

hệ thống MHC cho mục đích nghiên cứu hệ thống này, kỹ thuật này sử dụng giải pháp tích hợp phần mềm như là Solidworks, Adams, và Matlab/Simulink Dựa trên khái niệm của hệ thống MHC, hệ thống cơ khí của MHC trước tiên được mô hình hóa trong phần mềm Solidworks, sau đó một mô hình mẫu ảo được tạo trong phần mềm Adams, và một bộ điều khiển trượt thích nghi PID của mô hình mô phỏng kết hợp được thiết lập trong Matlab/Simulink để mô phỏng và điều khiển vị trí của xe đẩy cẩu và khống chế góc lắc của tải treo Kết quả mô phỏng chỉ ra rằng đặc tính của bộ điều khiển ASMP thỏa mãn nhiệm vụ điều khiển bám mục tiêu xác định trước trong điều kiện làm việc phức tạp của biển

ABSTRACT

Mobile Harbour Crane (MHC) is a solution to transport a large number of containers from a large container ship that has restrited to anchor in the shortage capacity ports to their destination Due to working on the sea, the MHC has appeared swing of payload that is induced by external disturbances such as wind and wave In addition, the MHC system paramers always changes (load, rope length) which make the system uncertainly Hence, it is difficult to control the exactly position of a spreader to pick up or release a container This thesis proposed

a virtual simulation technology by building the virtual prototype in 3-D environment on computer to investigate the dynamic behaviours of MHC for studying this MHC system This approach uses an integrated software solution, such

as SOLIDWORKS, ADAMS, and MATLAB/Simulink Based on the concept of the MHC, a mechanical MHC system was first modeled in Solidworks, then a virtual prototyping model was created in Adams, and the adaptive sliding mode PID control co-simulation model of crane was established in Matlab/Simulink, to simulate and control the crane trolley position and suppress the swing angle of the load Simulation results showed that, the ASMP controller performance is tracking the predetermine objectives in the complex working condition of the sea

MỤC LỤC

Lờ i cam đoan i

Lờ i cảm ơn ii

Tóm tắt iii

Mục lu ̣c v

Danh mục các từ viết tắt vii

Danh mục các bảng viii

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

Chương 1: Giới thiê ̣u 01

1.1 Đặt vấn đề 01

1.2 Tính cấp thiết của đề tài 02

1.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 03

1.4 Nội dung nghiên cứu của đề tài 03

1.5 Phương pháp nghiên cứu của đề tài 04

1.5.1 Phương pháp luâ ̣n 04

1.5.2 Phương pháp nghiên cứu 04

1.6 Kết cấu luâ ̣n văn 05

1.7 Giới hạn phạm vi nghiên cứu 06

Chương 2: Tổng quan về cẩu cầu cảng di động và vấn đề cần nghiên cứu 07

2.1 Khái quát về tình hình nghiên cứu cẩu cầu cảng di động 07

2.2 Trình tự các bước nghiên cứu cho hệ thống MHC dựa trên kỹ thuật mẫu ảo 11 Chương 3: Thành phần cấu thành và nguyên lý làm việc của cẩu cầu cảng di động13 3.1 Thành phần cấu thành và hoạt động của cẩu cầu cảng di động 13

3.2 Phân tích điều kiện làm việc của cẩu cầu cảng di động 15

Chương 4: Mô hình hóa và xây dựng mẫu ảo cho hệ thống cẩu cầu cảng di động 19 4.1 Sự cần thiết phát triển mẫu ảo cho nghiên cứu hệ thống cơ điện tử 19

4.2 Cấu trúc phần mềm cho xây dựng mẫu ảo của hệ thống MHC 20

4.3 Mô hình hóa và xây dựng mẫu ảo cho hệ thống MHC 21

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

4.4.1 Xây dựng và mô phỏng mô hình MHC 1 24

4.4.2 Xây dựng và mô phỏng mô hình MHC 2 28

4.4.3 Nhận xét kết quả mô phỏng chuyển động của tải treo 31

Chương 5: Xây dựng hệ thống điều khiển chống lắc cho cẩu cầu cảng di động 33

5.1 Tạo một mô hình adams_sys trong Matlab/simulink 33

5.2 Phân tích động học của hệ thống MHC 34

5.3 Thiết kế hệ thống điều khiển cho MHC 36

Chương 6: Kết quả mô phỏng 42

6.1 Mô phỏng kết hợp cơ khí và điều khiển 42

6.2 Đánh giá kết quả mô phỏng 46

Chương 7: Kết luận và hướng phát triển của đề tài 48

7.1 Kết luâ ̣n 48

7.2 Hướ ng phát triển 48

Tài liê ̣u tham khảo 50

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

MHC Mobile Harbour Crane Cần cẩu cầu cảng di động

TL Trolley Xe rùa đẩy cẩu

FEA Finite Element Analysis Phân tích phần tử hữu hạn

FEM Finite Element Method Phương pháp phần tử hữu hạn

ADAMS….Automatic Dynamic Analysis of Mechanical system….Phần mềm phân tích tự động động lực học của hệ thống cơ khí

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 4.1: Các giá trị của thông số cho mô phỏng hệ thống MHC 1 24

Bảng 4.2: Các giá trị của thông số cho mô phỏng hệ thống MHC 2 27

Bảng 6.1: Các giá trị thông số của hệ thống MHC cho mô phỏng 40

Bảng 6.2: So sánh đặc tính vị trí trong các trường hợp mô phỏng 1 44

Bảng 6.3: So sánh đặc tính của góc lắc tải trong các trường hợp mô phỏng 1 44

Bảng 6.4: So sánh đặc tính vị trí trong các trường hợp mô phỏng 2 45

Bảng 6.5: So sánh đặc tính của góc lắc tải trong các trường hợp mô phỏng 2 45

DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Giải pháp cẩu cầu cảng di động vận chuyển container 1

Hình 1.2: Mô hình hóa hệ thống MHC gắp container trên tàu mẹ 2

Hình 2.1: Cần trục giàn bốc xếp container trên tàu khi tàu cập cảng 6

Hình 2.2:Cẩu cầu cảng di động vận chuyển container từ tàu mẹ 7

Hình 2.3: Trình tự xây dựng mẫu ảo cho hệ thống cần cẩu di động 10

Hình 3.1: Mô hình hệ thống cẩu cầu cảng di động 12

Hình 3.2: Cơ chế làm việc của hệ thống khung của MHC 13

Hình 3.3: Các chuyển động lắc của cẩu MHC theo các trục 15

Hình 3.4: Một cơ chế cho chống lắc ngang của tải container 16

Hình 4.1: Quá trình tạo mô hình mẫu ảo cho MHC 19

Hình 4.2: Cấu trúc phần mềm để tạo mẫu ảo 19

Hình 4.3: Mẫu vật lý của hệ thống MHC được vẽ trong Solidworks 21

Hình 4.4: Quy trình tạo mẫu ảo trong môi trường Adams/View 21

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

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

Hình 4.7: Thông số mô hình MHC 1 cho mô phỏng 23

Hình 4.8: Khoảng dịch chuyển và góc lắc của tải trong trường hợp 1 của MHC1 24

Hình 4.9: Khoảng dịch chuyển và góc lắc của tải trong trường hợp 2 của MHC1 25

Hình 4.10: Khoảng dịch chuyển và góc lắc của tải trong trường hợp 3 của MHC1.26 Hình 4.11: Khoảng dịch chuyển và góc lắc của tải trong trường hợp 4 của MHC1.26 Hình 4.12: Thông số mô hình MHC 2 cho mô phỏng 27

Hình 4.13: Khoảng dịch chuyển và góc lắc của tải trong trường hợp 1 của MHC2.28

Hình 4.14: Khoảng dịch chuyển và góc lắc của tải trong trường hợp 2 của MHC2.29

Hình 4.15: Khoảng dịch chuyển và góc lắc của tải trong trường hợp 3 của MHC2.29

Hình 4.16: Khoảng dịch chuyển và góc lắc của tải trong trường hợp 4 của MHC2.30

Hình 5.1: Kết nối giữa mô hình Adams và Matlab/Simulink trong điều khiển 32

Hình 5.2: Khối Adams trong adams_sys 33

Hình 5.3: Mô hình hóa động học của xe đẩy 35

Hình 5.4: Sơ đồ khối của bộ điều khiển ASMP cho MHC 36

Hình 6.1: Đáp ứng vị trí và góc của bộ điều khiển ASMP với hw=0.02m,fw=1.5rad/s, l=1.2m, ml=148kg 41

Hình 6.2: Đáp ứng vị trí và góc của bộ điều khiển ASMP với hw=0.04m, fw=1.5rad/s, l=1.2m, ml=148kg 41

Hình 6.3: Đáp ứng vị trí và góc của bộ điều khiển ASMP với hw=0.02m, fw=3rad/s, l=1.2m, ml=148kg 42

Hình 6.4: Đáp ứng vị trí và góc của bộ điều khiển ASMP với hw=0.04m, fw=3rad/s, l=1.2m, ml=148kg 42

Hình 6.5: Đáp ứng vị trí và góc của bộ điều khiển ASMP với hw=0.02m, fw=1.5rad/s, l=1.5m, ml=350kg 42

Hình 6.6: Đáp ứng vị trí và góc của bộ điều khiển ASMP với hw=0.04m, fw=1.5rad/s, l=1.5m, ml=350kg 43

Hình 6.7: Đáp ứng vị trí và góc của bộ điều khiển ASMP với hw=0.02m, fw=3 rad/s, l=1.5m, ml=350kg 43

Hình 6.8: Đáp ứng vị trí và góc của bộ điều khiển ASMP với hw=0.02m, fw=3rad/s, l=1.5m, ml=350kg 43

Giải pháp:

Cần cẩu di động hoạt động trên biển

Tàu container có trọng tải lớn khó

neo đậu ở các cảng nước nông và

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

1.2 Tính cấp thiết của đề tài:

Giải pháp cần cẩu cầu cảng di động trên biển để gắp các container hàng hóa

từ tàu mẹ và vận chuyển chúng đến cầu cảng một cách nhanh chóng khi các tàu mẹ khó có thể cập cảng mang lại hiệu quả rất lớn về mặt kinh tế Tuy nhiên việc điều

khiển các cần cẩu cầu cảng di động này hoạt động trên biển trong điều kiện sóng và gió để gắp chính xác các container là vấn đề khó hơn rất nhiều so với các giàn cẩu truyền thống lắp đặt trên bờ

Một trong những vấn đề nghiêm trọng là sự lắc của container gây ra bởi việc điều khiển không đúng của xe cẩu cộng với sự tác động của nhiễu bên ngoài như sóng và gió có thể gây ra sự va chạm của container tới các thiết bị và hệ thống xung quanh có thể làm thiệt hại về tài sản và con người Hơn nữa, nếu việc lắc của container xảy ra ở phần cuối của sự di chuyển, việc điều khiển container đến vị trí mong muốn lúc này trở nên càng khó thực hiện hơn do lực quán tính lớn

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

Trong vận chuyển hàng hóa, việc tăng năng suất vận chuyển hàng một cách nhanh chóng là mong muốn của các nhà đầu tư Tuy nhiên trong trường hợp MHC

để thực hiện việc gắp container một cách nhanh chóng và chính xác, yêu cầu tất cả các chuyển động của cẩu phải thực hiện ở tốc độ cao và phải được điều khiển đến vị trí mong muốn một cách chính xác Đây là vấn đề khó để thực hiện vì khi xe đẩy

mang giá cẩu tăng tốc và giảm tốc, tải container lơ lửng sẽ bị lắc không mong muốn Thêm vào đó nhiễu bên ngoài do sóng và gió làm tàu lắc liên tục và làm quỹ đạo của tải không thể dự đoán Do đó việc điều khiển container đến vị trí mong muốn một cách chính xác là vấn đề thách thức cần phải giải quyết

Để phục vụ cho quá trình nghiên cứu hệ thống cẩu di động cầu cảng hoạt động trên biển như ý tưởng đề xuất trên, trong luận văn này tôi giới thiệu một kỹ thuật mô hình hóa và xây dựng hệ thống điều khiển cẩu dựa trên kỹ thuật mẫu ảo trên máy tính Kỹ thuật này cho phép các kỹ sư cơ điện tử mô hình hóa và xây dựng mẫu ảo của hệ thống cần nghiên cứu, mô phỏng để phân tích các hành vi chuyển động thực của hệ thống cơ khí của cẩu trên máy tính với các điều kiện hoạt động như ngữ cảnh thật, và phát triển hệ thống điều khiển cho phép điều khiển tải treo lơ lửng đến vị trí chính xác mong muốn bất chấp sự tác động của nhiễu bên ngoài Dựa vào các kết quả thu được trên máy tính sẽ giúp các kỹ sư giảm rủi ro và tiết kiệm thời gian cũng như chi phí khi chế tạo phần cứng

1.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài:

Phân tích hoạt động và điều kiện làm việc của cẩu di động cầu cảng hoạt động trên biển

Mô hình hóa và xây dựng mô hình mẫu ảo hệ thống cơ khí cho hệ thống cẩu

Mô phỏng hành vi động lực học của hệ thống cơ khí trên mẫu ảo

Xây dựng hệ thống điều khiển cho mô hình mẫu ảo của hệ thống cẩu

Mô phỏng kết hợp hai hệ thống cơ khí và điều khiển với điều kiện như ngữ cảnh thật và đánh giá bộ điều khiển đã thiết kế

1.4 Nội dung nghiên cứu của đề tài:

Nghiên cứu điều kiện làm việc của cẩu cầu cảng di động trên biển

Mô hình hóa và cấu hình mẫu ảo của cần cẩu di động trên biển

Mô phỏng hành vi động lực học của hệ thống cẩu dựa trên mẫu ảo

Xây dựng hệ thống điều khiển cho mô hình cẩu

Mô phỏng kết hợp hoạt động cơ khí và điều khiển của mẫu ảo cần cẩu di

động trong điều kiện làm việc như trong ngữ cảnh thật và đánh giá

1.5 Phương pháp nghiên cứu của đề tài:

1.5.1 Phương pháp luận:

Phương pháp nghiên cứu là những nguyên tắc và cách thức hoạt động khoa học nhằm đạt tới chân lý khách quan dựa trên cơ sở của sự chứng minh khoa học Điều này có nghĩa rằng, các nghiên cứu khoa học cần phải có những nguyên tắc và phương pháp cụ thể, mà dựa theo đó các vấn đề sẽ được giải quyết

Nghiên cứu tạo ra một mô hình mẫu ảo của hệ thống cơ điện tử dựa trên sự kết hợp giữa các phần mềm thương mại để tạo nên một hệ cơ điện tử như hệ cần cẩu cầu cảng di động hoạt động trên máy tính với các điều kiện như trong ngữ cảnh thật Dựa trên mẫu ảo hệ thống đã được thiết kế các kỹ sư cơ điện tử có thể thể hiện các ý tưởng, các thuật toán cũng như hiệu chỉnh các thiết kế cơ khí và thiết kế điều khiển một cách hoàn chỉnh trên máy tính trước khi triển khai trên phần cứng Để thực hiện nghiên cứu này cần thực hiện:

Tổng hợp các phần mềm cơ khí và điều khiển cho mô hình hóa và mô phỏng

Phân tích điều kiện hoạt động dựa trên khảo sát phương trình sóng, thiết

kế và mô hình hóa hệ thống cơ khí

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

Thiết kế, tính toán hệ thống điều khiển cho mô hình mẫu ảo của hệ thống cẩu

Mô phỏng kết hợp, hiệu chỉnh và đánh giá kết quả của hệ thống

1.5.2 Phương pháp nghiên cứu:

Các phương pháp sẽ thực hiện để đạt được những mục tiêu trên:

Nội dung 1: Khảo sát và đánh giá nhu cầu của hệ thống cần cẩu giàn di động

trên biển phục vụ vận chuyển hàng hóa từ các tàu mẹ vào bờ

Phương pháp phân tích các điều kiện làm việc của cẩu giàn trên biển trong điều kiện sóng và gió

Tìm hiểu các bài báo trong và ngoài nước nghiên cứu về lĩnh vực cẩu di động cầu cảng

Nội dung 2: Thiết kế và mô hình hóa hệ thống cơ khí của cẩu giàn trên biển

Thiết kế, mô hình hóa hệ thống cơ khí bằng phần mềm SOLIDWORKS Tạo mẫu ảo của hệ thống cơ khí trên máy tính bằng phần mềm ADAMS

Mô phỏng hành vi động lực học của hệ thống cơ khí thông qua mẫu ảo

Nội dung 3: Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống

Lý thuyết điều khiển phi tuyến cho đối tượng không ổn định với nhiễu không biết và thông số hệ thống thay đổi

Xây dựng mô hình toán cho xe đẩy giá cẩu

Thiết kế bộ điều khiển điều khiển xe cẩu bằng Matlab/Simulink

Mô phỏng hệ thống điều khiển đã thiết kế trên mẫu ảo

Nội dung 4: Mô phỏng và đánh giá kết quả

Mô phỏng kết hợp hệ thống cơ khí và điều khiển trên máy tính với các điều kiện như trong ngữ cảnh thật

Đánh giá kết quả đạt đươc

1.6 Kết cấu luâ ̣n văn:

Kết cấu luâ ̣n văn gồm 7 chương

Chương 1: Giới thiê ̣u

Chương 2: Tổng quan về cẩu cầu cảng di động và vấn đề cần nghiên cứu Chương 3: Thành phần cấu thành và nguyên lý làm việc của cẩu cầu cảng

Chương 6: Kết quả mô phỏng

Chương 7: Kết luận và hướng phát triển của đề tài

1.7 Giới hạn phạm vi nghiên cứu

1) Thiết bị nổi được giả sử được cố định tương đối trong tọa độ Đề các Do đó,

sự trôi của thiết bị nổi và chuyển động yaw (xoay quanh trục z) trong tọa độ tuyệt đối có thể bỏ qua bằng cách sử dụng cơ cấu cố định thiết bị nổi MHC vào tàu mẹ

2) Nghiên cứu này xem xét chuyển động của xe đẩy dọc theo trục y (hình 3.3)

và chuyển động lắc của tải treo và xe đẩy là đồng phẳng

3) Chuyển động lắc của tải treo xảy ra trên mặt phẳng khác được điều khiển bởi thiết bị cơ khí như nghiên cứu [15] và các chuyển động lắc ngẫu nhiên khác được xem là nhiễu của hệ thống điều khiển

4) Chuyển động lắc của tải treo container được xem tương tự như là chuyển động con lắc và không tính đến lực ma sát của xe cẩu

CHƯƠNG 2

TỔNG QUAN VỀ CẨU CẦU CẢNG DI ĐỘNG VÀ VẤN ĐỀ CẦN NGHIÊN CỨU

2.1 Kha ́ i quát về tình hình nghiên cứu cẩu cầu cảng di động:

Hiện nay việc vận chuyển hàng hóa tại các cảng đều sử dụng hệ thống cẩu giàn còn gọi là cần trục, được lắp đặt trên nền cầu cảng, dùng để vận chuyển các container từ tàu mẹ lên bờ cũng như sắp xếp các container từ bờ lên tàu Loại cẩu này có xe đẩy di chuyển trên đường ray nhờ cáp kéo, hệ thống khung cơ khí liên kết vững chắc, các chân đế của cẩu được cố định trên cầu cảng nên ổn định và vững chắc Do đó, hành vi hoạt động của xe đẩy cẩu giàn loại này có thể mô tả chính xác bằng phương trình toán học Sự lắc của tải lơ lững chủ yếu là lắc quán tính nên quỹ đạo của tải có thể dự đoán được nên việc vận hành cần cẩu không gây khó khăn cho người vận hành Cầu trục giàn thông thường sử dụng để bốc xếp các container cho tàu biển khi tàu cập cảng như trên hình 2.1

Hình 2.1:Cần trục giàn bốc xếp container trên tàu khi tàu cập cảng

So với cẩu giàn trên bờ, cẩu cầu cảng di động (MHC) về kết cấu cơ khí cũng giống như hệ thống cẩu giàn trên bờ, tuy nhiên điểm khác biệt là hệ thống khung giàn và chân đế được lắp trên một thiết bị nổi, thiết bị cẩu được lắp phía trên đầu, xe đẩy cẩu được lắp trên đường ray để vận chuyển các container từ tàu mẹ vào bờ hoặc vận chuyển các container từ cầu cảng lên tàu mẹ

Hình 2.2: Cẩu cầu cảng di động vận chuyển container từ tàu mẹ

Do điều kiện làm việc trên biển rất khắc nghiệt, MHC có nhiều đặc điểm khác biệt so với cẩu giàn trên bờ có khung và chân đế được lắp trên đất liền

 Hệ thống cẩu MHC được lắp đặt trên một thiết bị nổi và di chuyển trên biển nên hệ thống cẩu MHC là không ổn định

 Nhiễu bên ngoài tác động lên hệ thống cẩu là gió và sóng không theo một hướng nhất định làm hệ thống cẩu lắc và xoay theo các trục x, y, z

 Hành vi động lực học của hệ thống cẩu MHC khó có thể mô tả chính xác bằng phương trình toán học

 Lắc của tải treo (container) mạnh hơn và khó đoán hơn so với cẩu giàn trên

bờ bởi tác động của các thành phần nhiễu bên ngoài như sóng và gió

Vấn đề nghiêm trọng cần nghiên cứu là lắc của tải treo gây ra bởi điều khiển không đúng của xe đẩy giá cẩu và ảnh hưởng của nhiễu bên ngoài như sóng và gió Hành vi lắc này cực kỳ nguy hiểm bởi vì nó có thể gây hỏng các thiết bị và hệ thống

xung quanh cũng như nguy hại đến con người Nếu việc lắc của container liên tục kéo dài đến phần cuối của sự vận chuyển, nó trở nên rất khó để điều khiển container đến một vị trí mong muốn [1] Để tăng năng suất vận chuyển hàng hóa của hệ thống cẩu MHC, tất cả các chuyển động của cẩu nên được thực hiện ở tốc độ cao, và tải phải được vận chuyển đến vị trí mong muốn một cách chính xác Tuy nhiên rất khó

để thực hiện những yêu cầu này, bởi vì khi xe đẩy được gia tốc và giảm tốc, tải treo

sẽ lắc không mong muốn Hơn nữa nhiễu bên ngoài gây ra bởi sóng, gió và thân tàu

di chuyển liên tục cũng làm cho quỹ đạo của tải không thể dự đoán được Do đó, điều khiển tải đến vị trí mong muốn một cách chính xác trong trường hợp cẩu MHC

là vấn đề được tập trung nghiên cứu trong luận văn này

Đối với cẩu giàn hoạt động trên đất liền, chuyển động của xe đẩy và chuyển động lắc là đồng phẳng Trong trường hợp này xe đẩy giá cẩu được sử dụng để chống lắc cho container bởi kỹ năng điều khiển của người vận hành Trong trường hợp của MHC, container ngoài chuyển động lắc dọc còn có chuyển động lắc ngang gây ra do chuyển động lắc của thân tàu Và điều này khó có thể chống lắc như đối với trường hợp cẩu hoạt động trên đất liền, bởi vì thành phần lắc ngang và hướng di chuyển của xe đẩy không cùng một mặt phẳng

Tổng quát có hai giải pháp được đề xuất chống lắc cho tải treo container, bao gồm giải pháp cơ khí và giải pháp điện, giải pháp cơ khí được áp dụng thành công

để khống chế lắc dọc của tải trong nhiều trường hợp Tuy nhiên, phương pháp này phát ra rung động, thời gian đáp ứng chậm và chi phí bảo trì cao [2], trong hầu hết tất cả các trường hợp giải pháp điện được sử dụng phổ biến để chống lắc cho tải, giải pháp điện được phân làm hai loại phương pháp điều khiển, điều khiển vòng hở

và điều khiển vòng kín Sơ đồ điều khiển vòng hở được đề xuất trong [3] thì không trang bị các cảm biến, mục tiêu điều khiển dựa trên quỹ đạo và tốc độ những thông

số mà đã mô phỏng trước để loại bỏ nhiễu, phương pháp này kinh tế và ổn định với các loại cẩu có tần số tự nhiên thấp, tuy nhiên nó không hiệu quả đối với đối tượng không ổn định bị ảnh hưởng bởi nhiễu Trong khi đó sơ đồ điều khiển vòng kín cũng để xuất để chống nhiễu cho cẩu di động, những sơ đồ này được trang bị với

nhiều loại cảm biến để phát hiện góc lắc của tải trong điều khiển đối tượng phi tuyến [4-10], tín hiệu góc lắc của tải được xử lý bởi bộ quan sát và dự đoán trước khi phản hồi đến bộ điều khiển Rất nhiều thiết bị được đề xuất để đo góc lắc của tải Nhóm tác giả Yoshida [9] đề xuất sử dụng camera như là một cảm biến không tiếp xúc để quan sát tín hiệu phản hồi của cẩu Trong trường hợp này một 3D camera được lắp đặt trên xe đẩy giá cẩu để đo vị trí 3D của tải, phương pháp này hiệu quả cho cẩu có tác động bởi nhiễu Tuy nhiên hệ thống quan sát chi phí đầu tư cao và khó bảo trì, thêm vào đó tuổi thọ của các thiết bị quan sát bị giảm khi chúng làm việc trong môi trường biển Để giảm chi phí, chính xác và đáp ứng nhanh, nhóm tác giả [11] đã giới thiệu một phương pháp đo mới sử dụng cảm biến gia tốc 3 trục để dự đoán góc lắc Trong phương pháp này góc lắc được đo bởi cảm biến gia tốc dựa trên sự sai lệch giữa điểm cố định trên xe đẩy và giá cẩu Những phương pháp đo trên nhằm phát hiện góc lắc nhằm giúp thiết kế hệ thống điều khiển vòng kín để chống lắc của tải treo Những phương pháp này đã đạt được những mục tiêu

đo góc lắc chính xác và thiết kế một hệ thống điều khiển mong muốn

Qua phân tích tất cả các phương pháp nghiên cứu trên, tôi thấy rằng khi nghiên cứu đối với một sản phẩm cơ điện tử từ ý tưởng đến triển khai ra thực tế mất nhiều thời gian và chi phí cho quá trình xây dựng phần cứng, chạy thử, kiểm tra, sửa chữa và đánh giá, hơn nữa các cảm biến đo với độ chính xác cao rất đắt nên hạn chế

sử dụng để thử nghiệm, đặc biệt đối với các hệ thống cơ điện tử lớn và đắt tiền Nhằm giảm chi phí và thời gian xây dựng mẫu phần cứng, trong luận văn này, tôi giới thiệu một kỹ thuật mô phỏng trên mẫu ảo chạy trên máy tính nhằm giúp các kỹ

sư cơ điện tử có thể triển khai các ý tưởng và thực hiện mô phỏng, kiểm nghiệm các thuật toán sao cho hệ thống cơ điện tử thiết kế tối ưu nhất trước khi xây dựng mẫu phần cứng Kỹ thuật mô phỏng mẫu ảo là sự tích hợp nhiều phần mềm thương mại như: SOLIDWORKS, ADAMS, và MATLAB/Simulink Phần mềm SOLIDWORKS dùng để thiết kế các thành phần cơ khí của hệ thống cơ điện tử, ADAMS dùng để tạo mô hình cơ khí ảo và mô phỏng hành vi động lực học của thành phần cơ khí, đặc điểm của phần mềm ADAMS cho phép sử dụng các cảm

biến ảo để đo bất kỳ thông số nào tại bất kỳ điểm nào của các thành phần cơ khí như lực, tải, momen…., MATLAB/Simulink được sử dụng để thiết kế các hệ thống điều khiển Mô hình mẫu ảo được tạo thành từ các phần mềm trên có những đặc tính tương tự như mô hình cơ điện tử thực tế, thông qua mô phỏng trên mô hình mẫu ảo với các điều kiện như trong ngữ cảnh thật không chỉ giúp cho các kỹ sư cơ điện tử sửa chữa các thiết kế cơ khí sao cho phù hợp mà còn cải tiến được phương pháp điều khiển

2.2 Trình tự các bước nghiên cứu cho hệ thống MHC dựa trên kỹ thuật mẫu ảo:

Để nghiên cứu đối tượng cần cẩu di động cầu cảng dựa trên kỹ thuật mẫu ảo như đã đề xuất trên, tôi trình bày quy trình các bước thực hiện như giới thiệu trên hình 2.3:

Phân tích điều kiện làm việc của MHC

Khái niệm cần cẩu di động (MHC)

Phân tích hành vi động lực học của MHC

Hình 2.3: Trình tự xây dựng mẫu ảo cho hệ thống cần cẩu di động

(a) Phân tích điều kiện làm việc của MHC: Dựa trên khái niệm về cẩu cầu cảng di

động hoạt động trên biển, phân tích kết cấu cơ khí và ảnh hưởng của các yếu tố nhiễu bên ngoài như sóng biển và gió tác động lên hệ cơ khí

(b) Phân tích hành vi động lực học của MHC: Phân tích và xây dựng các phương

trình động lực học của xe đẩy của MHC khi gắp container

(c) Thiết kế và mô hình hóa các thành phần cơ khí của MHC: Dựa trên phân tích

hoạt động của MHC sử dụng phần mềm SOLIDWORKS để thiết kế các thành phần cơ khí

(d) Xây dựng mẫu ảo của MHC và mô phỏng hành vi động lực học: Xây dựng mô

hình mẫu ảo của MHC trong môi trường ADAMS, mô phỏng và khám phá hành

vi động lực học của các thành phần cơ khí với các điều kiện làm việc tương tự như trong ngữ cảnh thật Dựa trên kết quả mô phỏng, đánh giá hiệu quả của mô hình cơ khí của MHC

(e) Thiết kế và mô phỏng hệ thống điều khiển: Thiết kế hệ thống điều khiển trong

môi trường MATLAB/Simulink và áp dụng thuật toán điều khiển đã thiết kế trên mẫu ảo cơ khí của MHC dưới ảnh hưởng của các điều kiện làm việc như trong ngữ cảnh thật và đánh giá hiệu quả của phương pháp điều khiển

CHƯƠNG 3

THÀNH PHẦN CẤU THÀNH VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA CẨU CẦU CẢNG DI ĐỘNG

3.1 Thành phần cấu thành và hoạt động của cẩu cầu cảng di động:

Cẩu cầu cảng di động là một hệ thống cần cẩu được ráp trên một thiết bị nổi như giới thiệu trong hình 3.1

(1) Thiết bị nổi; (2) Khung chân đế; (3) Khung hỗ trợ; (4) Thanh giằng;

(5) Xe đẩy (xe rùa); (6) Giá cẩu

Hình 3.1: Mô hình hệ thống cẩu cầu cảng di động

Hệ thống MHC bao gồm: thiết bị nổi, khung chân đế, khung hỗ trợ, xe đẩy giá cẩu, giá cẩu và thanh giằng Thiết bị nổi làm việc trên biển, nó được thiết kế như một chiếc tàu, sao cho có thể nâng toàn bộ hệ thống cẩu và tải, thiết bị nổi làm việc trong điều kiện sóng và gió nên bị lắc quanh các trục như trên hình vẽ Hệ thống khung chân đế được thiết kế có cấu trúc vững chắc để có thể chịu đựng được tổng trọng tải của cẩu, khung chân đế có thể di chuyển dọc theo chiều dài của tàu và có thể được điều chỉnh theo chiều ngang để thao tác gắp và thả container Khung hỗ trợ

được nâng lên khi cẩu bắt đầu làm việc và hạ thấp khi cẩu ngưng hoạt động, chức năng này nhằm thu gọn cẩu khi thiết bị nổi di chuyển từ bờ ra tàu mẹ và ngược lại

Xe đẩy di chuyển trên ray của thanh giằng theo hướng trục y và được dẫn động bởi

mô tơ điện, xe đẩy kéo giá cẩu đến vị trí mong muốn để gắp hoặc sắp xếp container Giá cẩu được treo trên xe đẩy bởi 4 dây cáp có thể điều chỉnh được, chức năng này

để điều chỉnh các móc để gắp container, hệ thống kẹp và định vị được sử dụng để

định vị các container một cách chính xác

Hình 3.2: Cơ chế làm việc của hệ thống khung của MHC

Cơ chế làm việc của hệ thống khung cẩu có thể mô tả chi tiết như hình 3.2:

 Chức năng di chuyển dọc và ngang tàu: chức năng này cho phép cẩu có thể di chuyển dọc theo chiều dài thân tàu và có thể điều chỉnh theo chiều ngang (di chuyển qua trái hoặc qua phải để gắp container) nhờ hệ thống ray thiết kế trên tàu

 Chức năng xoay: chức năng này cho phép cẩu có thể điều chỉnh ổn định tàu khi bị lắc bởi sóng biển

 Chức năng di chuyển xe đẩy cẩu: hệ thống xe đẩy được vận chuyển để mang theo giá cẩu đến vị trí gắp hoặc thả container

 Hệ thống giá cẩu: hệ thống bao gồm nhiều chi tiết bao gồm các cơ cấu định vị và kẹp container

3.2 Phân tích điều kiện làm việc của cẩu cầu cảng di động:

Do điều kiện làm việc trên biển nên hệ thống MHC bị tác động bởi sóng và gió theo các hướng khó xác định Theo nghiên cứu của Jing-Jong Jang và cộng sự [13], lực kéo do gió gây ra tác động lên cấu trúc cẩu thông qua sóng biển có thể

đánh giá dựa trên phương trình cơ bản của lực kéo trong khí động học như sau:

Trong đó U là hằng số với tốc độ gió phụ thuộc vào độ cao so với mực nước

biển, và w(t) là hàm biểu diễn tốc độ gió xoáy biến đổi ngẫu nhiên Lực kéo do gió

gây ra F t D( ) có thể được viết như sau:

phương trình (3.3) có thể được bỏ qua, dao động của tốc độ gió xoáy w(t) là quá

trình ngẫu nhiên Gaussian với trung bình là zero

Trong nghiên cứu này, phần diện tích và độ cao của kết cấu khung cần cẩu chịu tác động của nhiễu gió thì không đáng kể, do đó ảnh hưởng của gió đến cấu trúc của khung cần cẩu có thể được bỏ qua, và nó có thể được xem như là nhiễu ngẫu nhiên Gaussian của hệ thống điều khiển, trong khi đó nhiễu gây ra bởi sóng biển là thành phần ảnh hưởng chính đến chuyển động của thiết bị nổi Do đó khi

khảo sát đối tượng như hệ thống MHC, việc biểu diễn sự tác động của sóng biển trực tiếp ảnh hưởng lên quá trình làm việc của thiết bị nổi là cần thiết khi mô hình hóa và điều khiển hệ thống MHC Để phân tích nhiễu do sóng biển tác động lên hệ thống MHC, nhiễu sóng biển có thể chia làm 2 thành phần: sự chồng lên nhau của các sóng dao động điều hòa là nhân tố tác động chính đến thiết bị nổi và thành phần dao động nhỏ ngẫu nhiên Do đó, dao động sóng biển được biểu diễn bởi phương trình bên dưới [14]:

Hình 3.3: Các chuyển động lắc của cẩu MHC theo các trục

Đối với cẩu giàn gắp container bố trí trên đất liền, chuyển động lắc của tải và chuyển động xe cẩu thì đồng phẳng và việc chống lắc cho tải container thì được thực hiện bởi sự điều chỉnh xe cẩu của người vận hành Trong trường hợp của MHC ngoài chuyển động lắc dọc còn xuất hiện chuyển động lắc ngang do tác động của nhiễu sóng biển Thành phần lắc dọc có thể được khắc chế bởi điều khiển sự dịch chuyển của xe đẩy, tuy nhiên không có phương pháp trực tiếp để khắc chế thành phần lắc ngang, đối với trường hợp cần cẩu di động, một hệ thống cơ khí kết hợp với phương pháp điều khiển hợp lý có thể loại bỏ hai thành phần lắc này Hình 3.4 giới thiệu một cơ chế mới để điều khiển khống chế thành phần lắc ngang của tải [15]:

Hình 3.4: Một cơ chế cho chống lắc ngang của tải container [15]

Khảo sát cơ chế chống lắc ngang như hình 3.4, hai dây thừng, với các puly

và trống tang cần thiết được thêm vào để tạo nên cơ chế cho chống lắc ngang Các trống tang thì cần thiết để bù cho sự chênh lệch về chiều dài giữa phần dây thừng thêm vào và phần dây thừng chính nhấc container lên khi container được di chuyển

lên và xuống Trong phần dây thừng thêm vào, cơ cấu chấp hành thủy lực phát ra lực ép để truyền tải lực chống lắc ngang

CHƯƠNG 4

MÔ HÌNH HÓA VÀ XÂY DỰNG MẪU ẢO CHO HỆ THỐNG CẨU CẦU CẢNG DI ĐỘNG

4.1 Sự cần thiết phát triển mẫu ảo cho nghiên cứu hệ thống cơ điện tử:

Một khi tính phức tạp của hệ thống cơ điện tử ngày càng tăng, để tăng tính cạnh tranh trong sản xuất một sản phẩm cơ điện tử yêu cầu thời gian cho một chu

kỳ sản xuất phải giảm Do đó, xây dựng một mẫu phần cứng để kiểm tra tính tối ưu của sản phẩm sẽ mất nhiều thời gian và chi phí để đưa ra một sản phẩm mới ra thị trường Kỹ thuật mẫu ảo được đề xuất trong luận văn này như một giải pháp làm giảm chi phí sản xuất và thời gian so với phương pháp truyền thống, nhờ các quá trình: xây dựng mẫu ảo, mô phỏng, và tối ưu thiết kế trên máy tính trước khi thực hiện xây dựng mẫu phần cứng để kiểm tra

Phương pháp mẫu ảo là giải pháp phần mềm tích hợp bao gồm mô hình hóa một hệ thống cơ khí, mô phỏng, và quan sát hành vi chuyển động của hệ cơ khí trong môi trường 3D trên máy tính dưới điều kiện hoạt động như thật, và tinh chỉnh, tối ưu các thiết kế thông qua nghiên cứu các thiết kế lặp lại Ưu điểm của kỹ thuật

mô phỏng này bao gồm: tạo ra mô hình chi tiết và được sử dụng như là một thí nghiệm ảo trong cách tương tự như trường hợp thật Khả năng của mô hình này cho phép sử dụng các cảm biến ảo để đo tất cả các thông số ở tất cả các thành phần của

mô hình cơ khí một cách thuận tiện Hình 4.1 trình bày quá trình tạo mẫu ảo cho hệ thống MHC

Trong quá trình thiết kế một hệ thống cơ điện tử phức tạp, giai đoạn thiết kế cơ khí và thiết kế điều khiển được làm tách biệt với các công cụ phần mềm khác nhau nhưng cùng khái niệm Sau giai đoạn thiết kế, mỗi mô hình phải được kiểm tra và xác minh xem có thỏa mãn các mục tiêu đã xác định trước chưa, và sau đó kiểm chứng trên mô hình vật lý, nếu có vấn đề gì xuất hiện trong hoạt động tương tác giữa hai hệ thống, các kỹ sư thiết kế phải tinh chỉnh thiết kế cơ khí hoặc thiết kế điều khiển để đạt một hệ thống cơ điện tử hoàn thiện Nếu sử dụng kỹ thuật mô