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

MỞ ĐẦU 1. Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài Trong xu hướng toàn cầu hóa ngày càng sâu rộng, năng suất lao động có tính chất quyết định đến sự thành công của mỗi ngành trong chuỗi giá trị toàn cầu. Chúng ta đang phấn đấu đến năm 2020, năng suất lao động của Việt Nam đạt ASEAN 6 và đến năm 2025 đạt ASEAN 4. Để đạt được các mục tiêu này, các ngành cần phải có sự đổi mới công nghệ một cách mạnh mẽ. Trong các ngành xây dựng công nghiệp, cơ khí, đóng tàu, vận tải, vật liệu xây dựng, cầu cảng..., họ các thiết bị nâng chuyển như cầu trục có vai trò rất quan trọng trong việc tăng năng suất lao động. Cùng với sự phát triển của nền kinh tế, khoa học kỹ thuật, cầu trục ngày càng được hoàn thiện có tính năng ưu việt hơn, đáp ứng tốt các yêu cầu vận hành như công suất, mức độ tự động hóa cao, vận hành an toàn và hiệu quả… Tuy nhiên, cầu trục luôn tồn tại một số vấn đề: Trong quá trình di chuyển hàng thường bao gồm chuyển động lắc không mong muốn của khối lượng hàng do chúng thường được treo bằng dây cáp mềm. Chuyển động lắc này dẫn đến giảm hiệu quả làm việc, đôi khi gây nguy hiểm cho hàng hóa và làm mất an toàn lao động, do đó chuyển động lắc phải được dập tắt càng nhanh càng tốt. Trong thực tế, sự lắc của khối lượng hàng thường được dập tắt thông qua điều chỉnh chuyển động của xe con hoặc xe cầu do cầu trục không có bộ phận dẫn động cho chuyển động lắc. Ngoài ra, để nâng cao hiệu suất, khối lượng hàng thường được nâng và hạ trong khi xe con di chuyển, điều này làm cho chuyển động lắc nguy hiểm hơn. Trong các ứng dụng thực tế, quỹ đạo chuyển động của khối lượng hàng được chia thành ba giai đoạn chính: Giai đoạn tăng tốc, giai đoạn tốc độ bình ổn và giai đoạn giảm tốc. Khối lượng hàng thường được nâng lên trong vùng tăng tốc và được hạ xuống trong vùng giảm tốc. Cũng có thể phải nâng lên và hạ xuống nhanh trong lúc đang di chuyển ổn định trong vùng tốc độ bình ổn để tránh va chạm với các vật cản trên nền. Ở nước ta hiện nay chưa có nhiều công trình nghiên cứu chuyên sâu về cầu trục, đặc biệt là nghiên cứu phát triển các hệ thống cầu trục tự động. Các nghiên cứu hiện có chỉ tập trung vào động lực học cơ cấu dẫn động, chưa đáp ứng được yêu cầu trong việc tự chủ thiết kế, chế tạo cầu trục phục vụ các công trình, nhà máy trong nước, cũng như yêu cầu tự động hóa sản xuất. Vì vậy, việc nghiên cứu tính chất động lực học, thiết kế và điều khiển nhằm nâng cao hiệu quả làm việc của cầu trục phù hợp với điều kiện công nghệ trong nước trở nên rất cấp thiết và có ý nghĩa khoa học, thực tiễn cao. Xuất phát từ thức tế đó, NCS chọn đề tài “Mô hình hóa và điều khiển cầu trục nhằm nâng cao chất lượng làm việc”. 2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án Nghiên cứu các tính chất động lực học và điều khiển của hệ cầu trục, đề xuất các giải pháp điều khiển chống lắc và di chuyển hàng hoá chính xác nhằm nâng cao chất lượng làm việc của cầu trục, có khả năng áp dụng trong thiết kế, chế tạo hoặc cải tiến, nâng cấp họ cầu trục sử dụng trong công nghiệp.

BỘ CÔNG THƯƠNG BỘ GIÁO DỤC&ĐÀO TẠO VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ VŨ VĂN KHOA MÔ HÌNH HÓA VÀ ĐIỀU KHIỂN CẦU TRỤC NHẰM NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG LÀM VIỆC LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – NĂM 2016 BỘ CÔNG THƯƠNG BỘ GIÁO DỤC&ĐÀO TẠO VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ VŨ VĂN KHOA MÔ HÌNH HÓA VÀ ĐIỀU KHIỂN CẦU TRỤC NHẰM NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG LÀM VIỆC Chuyên ngành : Kỹ thuật Cơ khí Mã số : 62 52 01 03 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS Nguyễn Chỉ Sáng TS Nguyễn Quang Hoàng HÀ NỘI - NĂM 2016 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tôi, số liệu, kết nghiên cứu luận án trung thực chưa công bố công trình khác Tác giả Vũ Văn Khoa ii LỜI CÁM ƠN Tác giả xin chân thành cám ơn thầy, cô giáo tham gia giảng dạy, đào tạo suốt trình tác giả học nghiên cứu sinh tác giả chân thành cám ơn thầy cô hội đồng đánh giá nghiên cứu sinh có góp ý chuyên môn giúp nghiên cứu sinh hoàn thiện luận án Đặc biệt, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới PGS.TS Nguyễn Chỉ Sáng TS Nguyễn Quang Hoàng người tận tình hướng dẫn tác giả hoàn thành luận án Đồng thời tác giả xin chân thành cám ơn Trung tâm đào tạo- Viện Nghiên cứu Cơ khí tạo điều kiện thuận lợi động viên suốt trình nghiên cứu sinh hoàn thành luận án Cuối tác giả ghi lòng hỗ trợ vật chất động viên tinh thần bạn bè, đồng nghiệp người thân gia đình suốt trình nghiên cứu sinh hoàn thành luận án NCS: Vũ Văn Khoa iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CÁM ƠN ii DANH MỤC MỘT SỐ KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ viii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU x MỞ ĐẦU Chương TỔNG QUAN VỀ CẦU TRỤC VÀ ĐIỀU KHIỂN CẦU TRỤC 1.1 Khái niệm phân loại cầu trục 1.1.1 Khái niệm cầu trục 1.1.2 Các thành phần cầu trục 1.1.3 Các yêu cầu kỹ thuật cầu trục 1.1.4 Phân loại cầu trục 10 1.1.6 Xu hướng phát triển cầu trục 16 1.2 Mô hình hóa cầu trục 17 1.3 Điều khiển cầu trục 19 1.3.1 Đặc điểm toán điều khiển hệ thống cầu trục 19 1.3.2 Các phương pháp điều khiển cầu trục 21 1.3.3 Điều khiển chống lắc 26 1.3.4 Bộ điều khiển PID 29 1.4 Kết luận chương 32 Chương MÔ HÌNH HÓA HỆ CẦU TRỤC 33 2.1 Mô hình động lực học tổng quát hệ cầu trục 33 2.1.1 Mô hình vật lý hệ cầu trục chế độ làm việc 33 2.1.2 Thiết lập phương trình vi phân chuyển động hệ cầu trục 34 2.1.3 Mô hình động lực học không gian trạng thái 42 NCS: Vũ Văn Khoa iv 2.1.4 Phương trình tuyến tính hóa quanh vị trí đích 42 2.2 Mô hình động lực học hệ cầu trục chế độ làm việc 43 2.2.1 Chế độ nâng hạ hàng 43 2.2.2 Chế độ di chuyển ngang 44 2.2.3 Chế độ di chuyển ngang nâng hạ hàng 46 2.2.4 Chế độ di chuyển ngang dọc đồng thời 48 2.3 Mô hình động lực học - điện hệ cầu trục 50 2.4 Mô hình hóa hệ cầu trục MATLAB 62 2.5 Kết luận chương 72 Chương THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CẦU TRỤC 74 3.1 Xây dựng cấu trúc hệ thống điều khiển cầu trục 74 3.2 Thiết kế hệ thống điều khiển cầu trục giải thuật Nelder-Mead 77 3.2.1 Tính chất động lực hệ cầu trục 77 3.2.2 Thiết kế điều khiển dựa lượng 79 3.2.3 Thiết kế điều khiển sở tính chất thụ động tín hiệu vào theo x  81 3.2.4 Tối ưu tham số điều khiển giải thuật Nelder-Mead 83 3.3 Thiết kế hệ thống điều khiển cầu trục giải thuật di truyền 89 3.3.1 Giải thuật di truyền (GA) 89 3.3.2 Tối ưu tham số PID PD giải thuật GA 91 3.4 Thiết kế hệ thống điều khiển cầu trục giải thuật tối ưu bày đàn 97 3.4.1 Giải thuật tối ưu bày đàn (PSO) 97 3.4.2 Tối ưu tham số điều khiển PD PID giải thuật PSO 100 3.5 Kết luận chương 108 4.1 Mô hình cầu trục thực nghiệm 110 4.1.1 Tủ điều khiển 112 4.1.2 Đối tượng điều khiển, cấu chấp hành 113 NCS: Vũ Văn Khoa v 4.1.3 Cảm biến vị trí cảm biến góc lắc cáp 113 4.1.4 Máy tính phần mềm điều khiển, xử lý, thị số liệu đo 113 4.2 Thử nghiệm hệ thống điều khiển cầu trục 114 4.2.1 Thử điều khiển cầu trục giải thuật GA 114 4.2.2 Thử điều khiển cầu trục giải thuật PSO 116 4.3 Kết luận chương 119 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 120 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 122 TÀI LIỆU THAM KHẢO 123 NCS: Vũ Văn Khoa vi DANH MỤC MỘT SỐ KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT GA Giải thuật di truyền (Genetic Algorithm) HIL Mô hình mô bán tự nhiên (Hardware-in-the-loop) PD Bộ điều khiển tỷ lệ - vi phân (Proportional-Derivative) PID Bộ điều khiển tỷ lệ-tích phân-vi phân (Proportional-Integral-Derivative) PSO Giải thuật tối ưu bày đàn (Particle Swarm Optimization) FLC Điều khiển tuyến tính hoá hồi tiếp (Feedback Loop Control) PLC Bộ điều khiển lôgic khả trình (Programmable Logic Controller) CCD Linh kiện tích điện kép (Charge Coupled Device)  Góc lắc dây cáp mặt phẳng chuyển động xe b1, b2 Hệ số cản chuyển động xe cầu xe  Góc lắc dây cáp mặt phẳng chuyển động xe cầu C(q, q) Ma trận cản Ft , Fb , Fl Lực kéo xe con, xe cầu kéo cáp  Hàm hao tán thành phần cản tuyến tính; g Gia tốc trọng trường Ii Dòng điện chạy động thứ i i1, i2, i3 Tỉ số truyền từ trục động đến trục bánh xe, tang cáp J m1, J m 2, J m Mô men quán tính roto km,i , ke,i Hằng số mômen số phản sức điện động động l Chiều dài dây cáp M(q) Ma trận khối lượng mb Khối lượng xe cầu mt Khối lượng xe NCS: Vũ Văn Khoa vii mp Khối lượng tải trọng (hàng hóa)  Thế hệ Qi Lực suy rộng không tương ứng với tọa độ suy rộng thứ i qi Bậc tự thứ i qe Tọa độ suy rộng điện vb , vt , v p Độ lớn vận tốc khối tâm xe cầu, xe tải trọng T Động hệ x Dịch chuyển xe cầu theo trục Ox y Dịch chuyển xe cầu cầu theo trục Oy NCS: Vũ Văn Khoa viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Các thành phần cầu trục Hình 1.2 Cầu trục dầm 12 Hình 1.3 Cầu hai dầm kép 12 Hình 1.4 Sơ đồ khối điều khiển PID 30 Hình 2.1 Mô hình động lực học cầu trục dạng tổng quát 35 Hình 2.2 Mô hình cầu trục 1D 44 Hình 2.3 Mô hình cầu trục 2D 44 Hình 2.4 Mô hình động học động điện chiều 51 Hình 2.5 Chương trình mô hệ cầu trục 63 Hình 2.6 Mô hình mô hệ cầu trục chế độ di chuyển ngang di chuyển dọc (2 bậc tự do) 64 Hình 2.7 Mô hình mô hệ cầu trục chế độ di chuyển ngang di chuyển dọc nâng hạ hàng (3 bậc tự do) 64 Hình 2.8 Mô hình mô hệ cầu trục chế độ di chuyển ngang di chuyển dọc đồng thời (4 bậc tự do) 65 Hình 2.9 Mô hình mô hệ cầu trục chế độ nâng hạ hàng, di chuyển ngang dọc đồng thời (5 bậc tự do) 66 Hình 2.10 Đáp ứng hệ cầu trục chế độ di chuyển ngang nâng hạ hàng đồng thời tải trọng mp=0,5 kg 68 Hình 2.11 Đáp ứng hệ cầu trục chế độ di chuyển ngang nâng hạ hàng đồng thời tải trọng mp=2,5 kg 68 Hình 2.12 Đáp ứng hệ cầu trục chế độ di chuyển ngang nâng hạ hàng đồng thời tải trọng mp=5 kg 69 Hình 2.13 Di chuyển xe 70 Hình 2.14 Di chuyển xe cầu 70 Hình 2.15 Chiều dài cáp 71 NCS: Vũ Văn Khoa 117 Hình 4.7 Kết thử nghiệm tải trọng 0,5 kg, chiều dài cáp 0,5 m Hình 4.8 Kết thử nghiệm tải trọng 2,5 kg, chiều dài cáp 0,5 m NCS: Vũ Văn Khoa 118 Hình 4.9 Kết thử nghiệm tải trọng kg, chiều dài cáp 0,5 m Kết thử nghiệm hệ cầu trục với tham số điều khiển chỉnh định giải thuật PSO cho thấy, kết thử nghiệm kết mô có tính tương đồng cao Sai khác vị trí xe góc lắc lớn kết thử nghiệm với kết mô khoảng (2  4)% Nhưng thời gian để hệ ổn định thử nghiệm dài so với mô phỏng, mặt khác số chu kỳ dao động lắc khối lượng hàng nhiều Kết thử nghiệm cho thấy, hệ thống điều khiển cầu trục chỉnh định giải thuật PSO cho chất lượng tốt so với hệ thống điều khiển cầu trục chỉnh định giải thuật GA Các kết thử nghiệm minh chứng tính khả thi cấu trúc hệ thống điều khiển cầu trục đề xuất, đồng thời sử dụng để hiệu chỉnh giải thuật chỉnh định tham số điều khiển PID PD NCS: Vũ Văn Khoa 119 4.3 Kết luận chương Chương trình bày kết thử nghiệm hệ thống điều khiển cầu trục Đã thiết kế chế tạo điều khiển cầu trục hệ thống cầu trục làm việc mặt phẳng Thử nghiệm điều khiển tự động cầu trục mang tải trọng khác khảo sát hoạt động hệ thống trường hợp có điều khiển chống lắc Kết thử nghiệm qua phân tích, đánh giá, so sánh chứng tỏ cấu trục hệ thống điều khiển tham số chỉnh định điều khiển PID PD nâng cao chất lượng làm việc hệ thống cầu trục Hệ thống cầu trục thiết kế có thời gian đáp ứng tới vị trí mong muốn nhanh, góc lắc cáp nhỏ thời gian để khối lượng hàng ổn định ngắn Kết có ý nghĩa quan trọng, sở để nghiên cứu hoàn thiện công nghệ chế tạo điều khiển điện tử cho hệ thống cầu trục NCS: Vũ Văn Khoa 120 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Do mức độ phát triển nhanh quy mô xuất sản xuất công nghiệp, nhu cầu hệ thống cầu trục tốc độ cao cho nhà máy khí, kho trạm không ngừng nâng lên Các hệ thống cầu trục phải đáp ứng yêu cầu nâng hạ, di chuyển hàng hóa với tốc độ cao, mà phải bảo đảm yêu cầu an toàn lao động, giảm thiểu rung lắc có khoảng làm việc rộng Bởi vậy, hệ thống cầu trục cần phải có phương pháp điều khiển tiên tiến, hiệu cao Mặt khác, hệ thống cầu trục hệ động lực có tính phi tuyến cao, phức tạp, nên việc tính toán thiết kế hệ thống điều khiển phức tạp, khó sử dụng giải pháp điều khiển mà đáp ứng Từ kết nghiên cứu luận án rút số kết luận sau: Đã mô hình hóa hệ cầu trục dạng đầy đủ gồm bậc tự tương ứng với chuyển động gồm chuyển động xe cầu, chuyển động xe con, chuyển động nâng hạ hàng hai chuyển động lắc hàng Từ hệ phương trình vi phân thiết lập cho hệ bậc tự suy mô hình động lực học cầu trục theo chế độ làm việc: Chỉ nâng hạ hàng; di chuyển ngang; di chuyển ngang nâng hạ hàng đồng thời; di chuyển ngang di chuyển dọc đồng thời Đây sở toán học quan trọng để tính toán, phân tích động lực học điều khiển hệ cầu trục Đã xây dựng cấu trục hệ thống điều khiển cầu trục, hướng tới ứng dụng hệ thống điều khiển cầu trục tốc độ cao, làm việc với hành trình tương đối ổn định, nâng hạ hàng hóa với khối lượng thay đổi khoảng rộng, làm việc an toàn với góc lắc độ điều chỉnh nhỏ Đối với hệ cầu trục làm việc chế độ di chuyển ngang, hệ thống điều khiển gồm hai điều khiển: Một điều khiển PID dùng để điều khiển chuyển động xe điều khiển PD để điều khiển chống lắc Còn hệ cầu trục làm việc chế độ di chuyển ngang di chuyển dọc NCS: Vũ Văn Khoa 121 đồng thời, hệ thống điều khiển gồm bốn điều khiển: 02 điều khiển PID tương ứng điều khiển di chuyển ngang xe di chuyển dọc xe cầu; 02 điều khiển PD tương ứng điều khiển chống lắc cho tải trọng mặt phẳng di chuyển xe mặt phẳng di chuyển xe cầu Đã thiết kế điều khiển PID, PD thiết kế NelderMead, giải thuật di truyền GA giải thuật bày đàn PSO Kết mô minh chứng hệ thống điều khiển cầu trục với cấu trúc đề xuất đem lại hiệu điều chỉnh cao, hệ thống cầu trục làm việc với sai lệch vị trí xe con, sai lệch chiều dài cáp góc lắc nhỏ, thời gian độ nhanh Bằng việc sử dụng điều khiển PID, PD điều khiển sử dụng rộng rãi công nghiệp, nên hệ thống điều khiển cầu trục đề xuất áp dụng vào hệ cầu trục công nghiệp Đã thiết kế chế tạo mô hình cầu trục thực nghiệm làm việc chế độ di chuyển ngang sử dụng hệ thống điều khiển có cấu trúc đề xuất Kết thử nghiệm với tham số điều khiển PID, PD thiết kế giải thuật GA PSO số chế độ tải trọng khác cho thấy tương thích hiệu hệ thống điều khiển khiển thiết kế Các vấn đề cần nghiên cứu tiếp Cần mở rộng nghiên cứu điều khiển cầu trục truyền động động xoay chiều; Để đưa kết nghiên cứu vào ứng dụng thực tế cần có thêm nghiên cứu thực nghiệm NCS: Vũ Văn Khoa 122 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ [1] Vũ Văn Khoa, Nguyễn Chỉ Sáng, Nguyễn Quang Hoàng (2012), "Về việc xác định hệ số tải trọng động cho dầm cầu trục dựa mô hình động lực học", Tuyển tập công trình khoa học Hội nghị Cơ học toàn quốc lần thứ IX, Hà Nội 12/2012, Tập 1, tr 331-340 [2] Vu Van Khoa and Do Van Diep (2014), "PID-Controllers Tuning Optimization with PSO Algorithm for Nonlinear Gantry Crane System", International Journal Of Engineering And Computer Science, ISSN:2319-7242 Vol.3(6), 6/2014, pp 6631-6635 [3] Nguyen Quang Hoang, Vu Van Khoa and Le Huu Minh (2014), "Energy- base Controller with Optimization Tuning by Using Genetic Algorithm for Overhead Cranes", Preceedings of the 3rd International Conference on Engineering Mechanics and Automation – ICEMA, Ha Noi, 2014, pp.35-41 [4] Nguyen Quang Hoang and Vu Van Khoa (2014), "Energy-based Controller with Optimization Tuning by Using Nelder-Mead Algorithm for Overhead Cranes", International Journal Of Engineering And Computer Science, ISSN:2319-7242 Vol.3(9), 9/2014, pp 7786-7991 [5] Nguyễn Quang Hoàng, Vũ Văn Khoa, Nguyễn Chỉ Sáng (2014), "Phương pháp lượng thiết kế điều khiển cầu trục – nghiên cứu so sánh", Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ học kỹ thuật toàn quốc kỷ niệm 35 năm thành lập Viện Cơ học, tháng 4/2014, Tập 1, tr 509-514 [6] Nguyen Quan Hoang, Vu Van Khoa, Do Van Diep, "Tuning of PID Controllers for Overhead Cranes Using Genetic Algorithm", Journal of Science & Technology, Technical Universities, ISSN 2354-1083, 5/2015, pp 86-90 NCS: Vũ Văn Khoa 123 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Trần Văn Chiến (2005), Động lực học máy trục, NXB Hải Phỏng [2] Phạm Huy Chính (2007) Máy thiết bị nâng - chuyển, Nhà xuất Xây dựng, Hà Nội [3] Nguyễn Văn Đạo (2002), Cơ học giải tích, NXB ĐHQG Hà Nội [4] Hoàng Kiếm, Lê Hoàng Thái (2000), Giải thuật di truyền cách giải tự nhiên toán máy tính, Nhà xuất giáo dục [5] Nguyễn Văn Khang (2007), Động lực học hệ nhiều vật, NXB Khoa học Kỹ thuật [6] Nguyễn Văn Khang (2009), Cơ học kỹ thuật, NXB Giáo dục Việt Nam [7] Nguyễn Văn Hợp, Phạm Thị Nghĩa, Lê Thiện Thành (2000), Máy trục vận chuyển, NXB Giao thông vận tải [8] Nguyễn Thương Ngô (2009), Lý thuyết điều khiển tự động thông thường đại, Nxb KH&KT, Hà Nội [9] Nguyễn Doãn Phước (2007), Lý thuyết điều khiển nâng cao, Nxb KH&KT, Hà Nội [10] Đào Trọng Thường (1972), Tính toán cấu máy trục, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [11] Đào Trọng Thường (1993), Máy nâng chuyển, NXB Bách khoa Hà Nội [12] Đào Trọng Thường, Nguyễn Đăng Hiếu, Trần Doãn Thường (1986), Máy nâng chuyển, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [13] Trần Đức Trung (2005), Điều khiển tối ưu - Lý thuyết ứng dụng học, Giáo trình ĐH Bách Khoa Hà Nội [14] Đỗ Sanh (2004), Động lực học máy, NXB Bách khoa Hà Nội [15] Đỗ Sanh (2008), Cơ học giải tích, NXB Bách khoa Hà Nội [16] Trương Quốc Thành, Phạm Quang Dũng (1999), Máy thiết bị nâng, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội NCS: Vũ Văn Khoa 124 Tiếng Anh [17] Aidan O (2008), Handbook of PI and PID Controller Tuning Rules, 3rd Ed., Imperial College Press, London [18] Arfken G., Hans J Weber (2005), Mathematical Methods for Physicists, 6th ed Elsevier Inc [19] Y Sakawa and H Sano (1997), “Nonlinear model and linear robust control of overhead travelling cranes”, Nonlinear Analysis, Theory, Methods & Applications, Vol 30, no 4, pp 2197-2207 [20] G Corriga, A Giua (1998), “An implicit gain-scheduling controller for cranes,” IEEE Transactions on Control Systems Technology, Vol 6, no 1, pp.15-20 [21] A Giua, M Sanna, C Seatzu (2001), “Observer-controller design for three dimensional overhead cranes using time-scaling,” Mathematical and Computer Modeling of Dynamical Systems, vol 7, no 1, pp 77107, 2001 [22] O Sawodny, H Aschemann, S Lahres (1999), “An automated gantry crane as a large workspace robot,” Control Engineering Practice, vol 10, no 12, pp.1323-1338 [23] Y B Kim (2004), “A new approach to anti-sway system design problem”, KSME International Journal, vol 18, no 8, pp 1306-1311 [24] K A F Moustafa (2001), “Reference trajectory tracking of overhead cranes,” Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, vol 123, no 1, pp 139-141 [25] Y Fang, W E Dixon, D M Dawson, E Zergeroglu (2003), “Nonlinear coupling control laws for an under-actuated overhead crane system,” IEEE/ASME Transactions onMechatronics, vol 8, no 3, pp 418-423 NCS: Vũ Văn Khoa 125 [26] H H Lee (2003), “A new approach for the anti-swing control of overhead cranes with high-speed load hoisting,” International Journal of Control, vol 76, no 15, pp 1493-1499 [27] D Chwa (2009), “Nonlinear tracking control of 3D overhead cranes against the initial swing angle and variation of payload weight,” IEEE Transactions on Control Systems Technology, vol 17, no 4, pp 876883 [28] Y Sakawa and Y Shindo, “Optimal control of container cranes,” Automatica, vol 18, no 3, pp 257-266 [29] J W Auernig, H Troger (1987), “Time optimal control of overhead cranes with hoisting of the load,” Automatica, vol 23, no 4, pp 437447 [30] A Z Algarni, K A F Moustafa, S S A K Javeed Nizami (1995), “Optimal control of overhead cranes,” Control Engineering Practice, vol 3, no 9, pp 1277-1284 [31] Z Wang (2006), “A problem with the LQ control of overhead cranes,” Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, vol 128, no 2, pp 436-440 [32] Y J Hua, Y K Shine (2007), “Adaptive coupling control for overhead crane systems,” Mechatronics, vol 17, issues 2-3, pp 143-152 [33] I Mizumoto, T Chen, S Ohdaira, M Kumon, Z Iwai (2007), “Adaptive output feedback control of general MIMO systems using multi-rate sampling and its application to a cart-crane system,” Automatica, vol 43, no.12, pp 2077-2085 [34] C S Teo, K K Tan, S Y Lim, S Huang, E B Tay (2007) “Dynamic modeling and adaptive control of a H-type gantry stage,” Mechatronics, vol 17, no 7, pp 361-367 NCS: Vũ Văn Khoa 126 [35] J H Yang, S H Shen (2010), “Novel approach for adaptive tracking control of a 3D overhead crane system,” Journal of Intelligent Robot System, vol 62, no 1, pp 59-80 [36] N Sun, Y Fang, Y Zhang, B Ma (2012), “A novel kinematic coupling-based trajectory planning method for overhead cranes,” IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 2011, DOI: 10.1109/TMECH 2010.2103085 [37] A Benhidjeb, G L Gissinger (1995), “Fuzzy control of an overhead crane performance comparison with classic control,” Control Engineering Practice, vol 3, issue 12, pp 1687-1696 [38] S K Cho, H H Lee (2002), “A fuzzy-logic anti-swing controller for three dimensional overhead cranes,” ISA Transactions, vol 41, no 2, pp 235-243 [39] J Yi, N Yubazaki, K Hirota (2003), “Anti-swing and positioning control of overhead traveling crane,” Information Sciences, vol 155, no 1-2, pp 19-42 [40] C Y Chang, K H Chiang (2008), “Fuzzy projection control law and its application to the overhead crane,” Mechatronics, vol 18, no 10, pp 607-615 [41] Y J Chen, W J Wang, C L Chang (2009), “Guaranteed cost control for an overhead crane with practical constraints: Fuzzy descriptor system approach,” Engineering Applications of Artificial Intelligence, vol 22, numbers 4-5, pp 639-645 [42] J H Suh, J W Lee, Y J Lee, K S Lee(2005), “Anti-sway position control of an automated transfer crane based on neural network predictive PID controller,” Journal of Mechanical Science and Technology, vol 19, no 2, pp 505-519 NCS: Vũ Văn Khoa 127 [43] M Mahfouf, C H Kee, M F Abbod, D A Linkens (2000), “Fuzzy logic-based antisway control design for overhead cranes,” Neural Computing & Application, vol 9, number 1, pp 38-43 [44] W Yu, M A Moreno-Armendariz, F O Rodriguez (2001), “Stable adaptive compensation with fuzzy CMAC for an overhead crane,” Information Science, vol 181, no 21, pp.4895-4907 [45] W Singhose, L Perter, M Kenison, E Krrikk (2000), “Effects of hoisting on the input shaping control of gantry cranes,” Control Engineering Practice, vol 8, no 10, pp.1159-1165 [46] W Singhose, D Kim, M Kenison (2008), “Input shaping control of double pendulum bridge crane oscillations,” Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, vol 130, no 3, pp 03450410345047 [47] E M Abdel-Rahman, A H Nayfeh, Z N Masoud (2003), “Dynamics and control of cranes: A review,” Journal of Vibration and Control, vol 9, no 7, pp 863-908 [48] M W Spong (1994), “Partial feedback linearization of under-actuated mechanical systems,” Proceedings of the IEEE/RSJ/GI international conference on intelligent robots and systems, pp 314-321 [49] B Fang, A G Kelkar (2001), “On feedback linearization of underactuated nonlinear spacecraft dynamics,” Proceedings of the 40th IEEE conference on decision and control, pp 3400-3404 [50] C C Cheng, C Y Chen (1996), “Controller design for an overhead crane system with uncertainty,” Control Engineering Practice, vol 4, no.5, pp 645-653 [51] A Giua, C Seatzu, G Usai (1999), “Observer-controller design for cranes via Lyapunov equivalence,” Automatica, vol 35, no 4, pp 669678 NCS: Vũ Văn Khoa 128 [52] H Park, D Chwa, K S Hong (2007), “A feedback linearization control of Container cranes: Varying rope length,” International Journal of Control, Automation, and Systems, vol 5, no 4, pp 379-387 [53] H C Cho, K S Lee (2008), “Adaptive control and stability analysis of nonlinear crane systems with perturbation,” Journal of Mechanical Science and Technology, vol 22, no 6, pp 1091-1098 [54] H C Cho, J W Lee, Y J Lee, K S Lee (2008), “Lyapunov theory based robust control of complicated nonlinear mechanical systems with uncertainty,” Journal of Mechanical Science and Technology, vol 22, no 11, pp 2142-2150 [55] F Mnif (2005), “VSS control for a class of under-actuated mechanical systems,” International Journal of Computational Cognition, vol 3, no 2, pp 14-18 [56] H Ashrafiuon, R S Erwin (2008), “Sliding mode control of underactuated multibody systems and its application to shape change control,” International Journal of Control, vol 81, no 12, pp 1849-1858 [57] V Sankaranarayanan, A D Mahindakar (2009), “Control of a class of under-actuated mechanical systems using sliding modes,” IEEE transactions on robotics, vol 25, no 2, pp 459-466 [58] M A Karkoub, M Zribi (2001), “Robust control schemes for an overhead crane,” Journal of Vibration and Control, vol 7, pp 395-416 [59] G Bartolini, A Pisano, E Usai (2002), “Second-order sliding mode control of container cranes,” Automatica, vol 38, no 10, pp 1783-1790 [60] D Liu, J Yi, D Zhao, W Wang (2004), “Adaptive sliding mode fuzzy control for a two dimensional overhead crane,” Mechatronics, vol 15, no 5, pp 505-522 [61] H H Lee, Y Liang, D Segura (2006), “A sliding mode anti-swing trajectory control for overhead cranes with high-speed load hoisting,” NCS: Vũ Văn Khoa 129 Journal of Dynamics Systems, Measurement, and Control, vol 128, no 4, pp.842-845 [62] M S Park, D K Chwa, S K Hong (2003), “Anti-sway tracking control of overhead cranes with system uncertainty and actuator nonlinearity using an adaptive fuzzy sliding mode control,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol 55, no 11, pp 39723984 [63] N Almutairi, M Zribi (2009), “Sliding mode control of a three dimensional overhead crane,” Journal of Vibration and Control, vol 15, no 11, pp 1679-1730 [64] Slotine, J J E, Li, W (1991), Applied nonlinear control, Prentice Hall [65] Lynch, Stephen (2001), Dynamical Systems with Applications using Maple, Birkhäuser [66] Singhose, W.E., Porter, L.J, Seering, W.P (1997), "Input shaped control of a planar gantry crane with hoisting", Proceedings of the American Control Conference, pp 97-100 [67] Park, B.J., Hong, K.S & Huh, C.D (2000), “Time-efficient input shaping control of container crane systems”, Proceedings of IEEE International Conference on Control Application pp 80-85 [68] Auernig, J.W & Troger, H (1987) “Time optimal control of overhead cranes with hoisting of the load”, Automatica, Vol 23, pp 437-447 [69] Nalley, M.J & Trabia, M.B (2000) “Control of overhead cranes using a fuzzy logic controller”, Journal of Intelligent Fuzzy System Vol.8, pp 1-18 [70] Lee, H.H & Cho, S.K (2001) “A new fuzzy-logic anti-swing control for industrial three-dimensional overhead cranes”, Proceedings of IEEE International Conference on Robotics & Automation, pp 56-61 [71] Wahyudi and Jalani, J (2005) “Design and implementation of fuzzy logic controller for an intelligent gantry crane system”, Proceedings of The 2nd International Conference on Mechatronics, pp 345-351 NCS: Vũ Văn Khoa 130 [72] Altafini, C., Frezza, R & Galic, J (2000) “Observing the load dynamic of an overhead crane with minimal sensor equipment”, Proceedings of the 2000 IEEE International Conference on Robotics & Automation San Francisco [73] Osumi, H., Miura, A & Eiraku, S (2005) “Positioning of wire suspension system using CCD cameras”, Proceedings of IEEE International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS) [74] Kim, Y.S., Yoshihara, H., Fujioka, N., Kasahara, H., Shim H & Sul, S.K (2003) “A new vision-sensorless anti-sway control system for container cranes”, Industry Applications Conference Vol.1, pp.262269 [75] Wahyudi, Jalani J (2005), “Modeling and parameters identification of gantry crane system”, Proc of the International Conference on Recent Advances in Mechanical & Materials Engineering [76] Mahmud Iwan Solihin, Wahyudi (2007), “Sensorless Anti-swing Control for Automatic Gantry Crane System: Model-based Approach”, International Journal of Applied Engineering Research, Vol.2, No.1 (2007), pp 147–161 [77] Nelder, J.A., Mead, R (1965), “A simplex method for function minimization”, Comput J 7, 308–313 13 [78] Kennedy J., Eberhart R (1995), “Particle Swarm Optimization”, Proceedings of the 1995 IEEE International Conference on Neural Networks, pp 1942-1948 [79] Shi Y.H., Eberhart R.C (1998), “A modified particle swarm optimizer”, IEEE International Conference on Evolutionary Computation, Anchorage, Alaska [80] M Clerc (1999), “The Swarm and the Queen: Towards a Deterministic and Adaptive Particle Swarm Optimization”, In Proceedings of the IEEE Congress on Evolutionary Computation (CEC), pp 1951-1957 NCS: Vũ Văn Khoa 131 NCS: Vũ Văn Khoa [...]... thống cầu trục là việc mô hình hóa và điều khiển cầu trục 1.2 Mô hình hóa cầu trục Một trong những vấn đề cơ bản trong nghiên cứu tính toán, thiết kế và điều khiển để nâng cao hiệu quả làm việc của cầu trục là phải xây dựng các mô hình động lực học hệ thống cầu trục sát với mô hình thực, phù hợp với NCS: Vũ Văn Khoa 18 yêu cầu phân tích, khảo sát các đặc tính động lực học, cũng như làm cơ sở cho việc. .. tạo cầu trục phục vụ các công trình, nhà máy trong nước, cũng như yêu cầu tự động hóa sản xuất Vì vậy, việc nghiên cứu tính chất động lực học, thiết kế và điều khiển nhằm nâng cao hiệu quả làm việc của cầu trục phù hợp với điều kiện công nghệ trong nước trở nên rất cấp thiết và có ý nghĩa khoa học, thực tiễn cao Xuất phát từ thức tế đó, NCS chọn đề tài Mô hình hóa và điều khiển cầu trục nhằm nâng cao. .. học chuyển động của cầu trục ở các chế độ làm việc, bao gồm cả mô hình cơ học và mô hình cơ điện Các mô hình động lực học này là cơ sở cho các nghiên cứu khảo sát động lực học và tính toán, thiết kế các hệ thống điều khiển cầu trục Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển tự động cho cầu trục Đề xuất cấu trục hệ thống điều khiển cầu trục sử dụng bộ điều khiển PID Thiết kế các bộ điều khiển PID bằng giải... hệ thống điều khiển cầu trục đề xuất 6 Bố cục của luận án Luận án gồm phần mở đầu, bốn chương, phần kết luận và kiến nghị Chương 1: Tổng quan về cầu trục và điều khiển cầu trục Trình bày tổng quan về cầu trục, các phương pháp mô hình hóa và điều khiển cầu trục Từ đó xác định phạm vi, đối tượng và mục tiêu nghiên cứu của luận án Chương 2: Xây dựng mô hình động lực học cầu trục Xây dựng mô hình động... cabin gắn trên dầm cầu và cầu trục điều khiển từ dưới nền nhờ hộp nút bấm Điều khiển từ dưới nền bằng hộp nút bấm thường dùng cho các loại cầu trục một dầm có tải trọng nâng nhỏ 1.1.4.7 Phân loại theo tốc độ di chuyển xe con và xe cầu Theo tốc độ di chuyển xe con và xe cầu có các loại cầu trục tốc độ thấp, cầu trục tốc độ trung bình và cầu trục tốc độ cao Cầu trục tốc độ cao là cầu trục có tốc độ di... trục nhằm nâng cao chất lượng làm việc 2 Mục tiêu nghiên cứu của luận án Nghiên cứu các tính chất động lực học và điều khiển của hệ cầu trục, đề xuất các giải pháp điều khiển chống lắc và di chuyển hàng hoá chính xác nhằm nâng cao chất lượng làm việc của cầu trục, có khả năng áp dụng trong thiết kế, chế tạo hoặc cải tiến, nâng cấp họ cầu trục sử dụng trong công nghiệp 3 Đối tượng và phạm vi nghiên... thống điều khiển cầu trục tự động sử dụng bộ điều khiển PID nhằm điều khiển chính xác vị trí làm việc và chống lắc - Bằng các giải thuật di truyền và giải thuật tối ưu bầy đàn, đã xây dựng thuật toán và tính toán tối ưu tham số của các bộ điều khiển PID nhằm nâng cao chất lượng làm việc của cầu trục NCS: Vũ Văn Khoa 4 - Thiết kế chế tạo mô hình cầu trục mẫu và tiến hành thử nghiệm, kết quả thử nghiệm... điều khiển hệ thống cầu trục Như đã trình bày trong mục trước, cầu trục thông thường gồm ba bộ phận chính: Cơ cấu nâng hạ thực hiện nhiệm vụ nâng và hạ hàng; xe con và cơ cấu di chuyển xe con thực hiện nhiệm vụ di chuyển xe con và hàng hóa theo trục ngang; và xe cầu và cơ cấu di chuyển cầu trục thực hiện nhiệm vụ di chuyển cả cầu trục (bao gồm xe con và khối lượng hàng) theo trục dọc Khi làm việc cầu. .. luận án này sẽ trình bày các mô hình động lực học chuyển động tháp cầu trục từ đơn giản nhất là 1 bậc tự do chỉ mô tả chuyển động nâng hạ hàng, tới phức tạp nhất là 5 bậc tự do mô tả đồng thời cả di chuyển ngang, dọc và nâng hạ hàng Các mô hình này sẽ bao gồm cả mô hình cơ học và mô hình cơ-điện 1.3 Điều khiển cầu trục 1.3.1 Đặc điểm bài toán điều khiển hệ thống cầu trục Cầu trục được sử dụng rộng rãi... lắc nhỏ, tốc độ nâng chậm và hành trình nâng hạ ngắn [10], [11] Tuy nhiên, trong những điều kiện này, các luật điều khiển chống lắc hiện có không thể phù hợp để điều khiển chống lắc hiệu quả cho cầu trục làm việc với tốc độ nâng hạ cao được sử dụng trong thực tế Một hệ thống điều khiển cầu trục bảo đảm các điều kiện làm việc hiệu suất cao và an toàn là không thể thiếu đối với hệ cầu trục hiện đại Tuy