Nghiên cứu hệ thống điều khiển phi tuyến bền vững cho cần trục container đặt trên phao nổi

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM PHẠM VĂN TRIỆU NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN BỀN VỮNG CHO CẦN TRỤC CONTAINER ĐẶT TRÊN PHAO NỔI LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HẢI PHÒNG – 2019 BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM PHẠM VĂN TRIỆU NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN BỀN VỮNG CHO CẦN TRỤC CONTAINER ĐẶT TRÊN PHAO NỔI LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC; MÃ SỐ: 9520116 CHUYÊN NGÀNH: KHAI THÁC, BẢO TRÌ TÀU THỦY Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Lê Anh Tuấn TS Hồng Mạnh Cường HẢI PHỊNG - LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận án trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả luận án Phạm Văn Triệu LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban Giám hiệu, Viện Đào tạo Sau đại học, Khoa Máy tàu biển, Viện Nghiên cứu Khoa học Công nghệ Hàng hải, trường Đại học Hàng hải Việt Nam tạo điều kiện, giúp đỡ tơi suốt q trình học tập nghiên cứu để hồn thành luận án Tơi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến hai thầy hướng dẫn khoa học PGS TS Lê Anh Tuấn TS Hồng Mạnh Cường tận tình bảo, định hướng, hướng dẫn tơi q trình nghiên cứu thực luận án Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn chân thành đến đồng nghiệp nơi công tác, tới nhóm nghiên cứu sinh ngành kỹ thuật khí động lực, tới bạn bè giúp đỡ, động viên tơi đặc biệt lịng biết ơn gửi tới gia đình tơi ln bên động viên giúp đỡ để tơi hồn thành luận án Nghiên cứu sinh Phạm Văn Triệu MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU iv DANH MỤC CÁC BẢNG vii DANH MỤC CÁC HÌNH viii MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết luận án Mục đích nghiên cứu 3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tiễn Những đóng góp luận án Các nội dung luận án CHƯƠNG I TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề 1.1.1 Thực trạng cảng biển giới Việt Nam 1.1.2 Các phương án trung chuyển container 1.1.3 Trang thiết bị cảng container .14 1.1.4 Các bước chế tạo cần trục container đặt tàu 15 1.2 Tình hình nghiên cứu 17 1.2.1 Ngoài nước 17 1.2.2 Trong nước 26 1.3 Hướng nghiên cứu 27 1.4 Kết luận chương 28 CHƯƠNG II ĐỘNG LỰC HỌC CẦN TRỤC CONTAINER ĐẶT TRÊN PHAO NỔI .30 2.1 Xây dựng mơ hình dao động 30 i 2.2 Thiết lập phương trình vi phân chuyển động 33 2.3 Mơ hình khơng gian trạng thái 39 2.4 Phương pháp số giải hệ phương trình vi phân phi tuyến 40 2.4.1 Các phương pháp tính tốn số giải hệ phương trình vi phân phi tuyến 40 2.4.2 Phương pháp Newmark giải hệ phương trình vi phân phi tuyến 42 2.5 Phân tích kết tính tốn 47 2.5.1 Các thông số đầu vào 47 2.5.2 Kết tính tốn .48 2.6 Kết luận chương 52 CHƯƠNG III HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 53 3.1 Đặc điểm đối tượng điều khiển 53 3.1.1 Đặc điểm 53 3.1.2 Tách hệ động lực .53 3.2 Điều khiển trượt bậc hai 54 3.2.1 Thuật toán điều khiển .54 3.2.2 Phân tích ổn định 56 3.3 Điều khiển trượt tích hợp quan sát 57 3.3.1 Thuật toán điều khiển .58 3.3.2 Phân tích ổn định 59 3.4 Điều khiển trượt tích hợp mạng nơ ron 60 3.4.1 Thuật toán điều khiển .60 3.4.2 Cấu trúc thích nghi 61 3.4.3 Phân tích ổn định 63 3.5 Mô 64 3.5.1 Các thông số đầu vào 64 3.5.2 Kết mô .65 ii 3.5.3 Tính bền vững hệ thống điều khiển 70 3.6 Kết luận chương 74 CHƯƠNG IV THỰC NGHIỆM 75 4.1 Mơ hình thực nghiệm 75 4.1.1 Xây dựng mơ hình thực nghiệm 75 4.1.2 Các lưu ý 77 4.2 Hệ thống điều khiển 78 4.2.1 Tổng quan hệ thống .78 4.2.2 Các thành phần hệ thống điều khiển cần trục .81 4.2.3 Đế kích động .85 4.3 Kết thực nghiệm 86 4.4 Thực nghiệm tính bền vững hệ thống điều khiển 90 4.5 So sánh kết mô thực nghiệm 92 4.6 Kết luận chương 96 KẾT LUẬN 97 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 99 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CÔNG BỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI LUẬN ÁN 100 TÀI LIỆU THAM KHẢO 102 PHỤ LỤC Phụ lục Chương trình điều khiển viết cho vi điều khiển nhúng MyRIO-1900PL-1 Phụ lục Giao diện người dùng phần mềm Labview PL-1 Phụ lục Mơ hình Simulink thuật tốn điều khiển SOSMC PL-2 Phụ lục Mơ hình Simulink thuật tốn điều khiển NN-SOSMC PL-3 Phụ lục Mô hình Simulink thuật tốn điều khiển SOSMC tích hợp quan sát trạng thái PL-4 Phụ lục Bản vẽ mặt cắt mẫu tàu MH-A1-250 Viện KAIST đề xuất PL-5 iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Ký hiệu/viết tắt Tiếng Anh Second-Order Sliding Mode Control Neural Network integrated NN-SOSMC Second-Order Sliding Mode Control Observer based on SecondOB-SOSMC Order Sliding Mode Control SMC Sliding Mode Control Radial Basis Function RBFN Network RBF Radial Basis Function Multiple-Input and MIMO Multiple-Output PWM Pulse Width Modulation Integrated Development IDE Environment I/O Input/Output Korea Advanced Institute KAIST of Science and Technology DWT Deadweight Tonnage Rail Mounted Gantry RMG Crane Rubber Tyred Gantry RTG Crane SOSMC QC TEU Diễn giải Đơn vị Điều khiển trượt bậc hai - Điều kiển trượt bậc hai tích hợp mạng nơ ron - Điều khiển trượt bậc hai tích hợp quan sát - Điều khiển trượt - Mạng hàm hướng kính sở - Hàm hướng kính sở Hệ nhiều đầu vào nhiều đầu Điều biến độ rộng xung - Môi trường thiết kế hợp - Đầu vào/Đầu Viện Khoa học Công nghệ tiên tiến Hàn Quốc Tải trọng tàu Cổng trục bánh sắt di chuyển ray - - Tấn - Cổng trục bánh lốp - Quay Crane Cẩu giàn QC dùng tuyến tiền phương - Twenty-foot Equivalent Units Đơn vị đo hàng hóa container hóa tương đương với container tiêu chuẩn 20 ft (dài) × ft (rộng) × 8,5 ft (cao) (khoảng 39 m³ thể tích) - a1 Vị trí tọa độ ban đầu xe Khoảng cách từ trọng tâm tàu đến dầm cần trục container a2 iv m m Ký hiệu/viết tắt Tiếng Anh Diễn giải Đơn vị b3 Khoảng cách từ trọng tâm tàu đến chân đế bên trái Khoảng cách từ trọng tâm tàu đến chân đế bên phải Độ cứng đệm đàn hồi bên trái Độ cứng đệm đàn hồi bên phải Độ cứng cáp nâng Độ cản đệm đàn hồi bên trái Độ cản đệm đàn hồi bên phải Hệ số cản cáp nâng bt Hệ số cản dịch chuyển xe Ns/m mt Khối lượng xe kg mb Khối lượng tàu kg mc Khối lượng container Mơ men qn tính khối lượng tời Mơ men qn tính khối lượng thân tàu Góc lắc tàu kg a3 a4 k1 k2 k3 b1 b2 Jm Jb b m m N/m N/m N/m Ns/m Ns/m Ns/m kgm2 kgm2 độ  Góc lắc cáp nâng độ m Góc quay tời độ l Chiều dài cáp nâng m xt Vị trí xe m Mw Nm rm Mm Mơ men gây góc lắc tàu Lực gây dịch chuyển thân tàu Bán kính tời Mô men quay tời s Độ dãn cáp nâng m ut Lực kéo xe Độ biến dạng ban đầu của lị xo có độ cứng k3 N Fw s v N m Nm m Ký hiệu/viết tắt Tiếng Anh Diễn giải Độ biến dạng ban đầu của lị xo có độ cứng k1 k2 Tọa độ suy rộng trục X gắn với xe Tọa độ suy rộng trục Y gắn với xe Tọa độ suy rộng trục X gắn với container Tọa độ suy rộng trục Y gắn với container y xmt ymt xC yC vi Đơn vị m m m m m