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

Mục tiêu nghiên cứu 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 lư

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

Ở nước ta hiện nay hầu như các công trình nghiên cứu 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

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 cứu

Họ cầu trục trong các nhà máy cơ khí dẫn động bằng động cơ điện yêu cầu làm việc ở chế độ tự động với quy trình nâng hạ hàng hóa được định sẵn

4 Phương pháp nghiên cứu

- Trên cơ sở đối tượng nghiên cứu, xây dựng mô hình động lực học chuyển động của tháp cầu trục trong các trường hợp làm việc dưới dạng các hệ phương trình vi phân chuyển động

- Xây dựng cấu trúc hệ thống điều khiển sử dụng bộ điều khiển PID cho cầu trục và thiết kế bộ điều khiển PID bằng các phương pháp chỉnh định trên cơ sở giải thuật tối ưu Nelder-Mead, giải thuật di truyền và giải

2 thuật tối ưu bầy đàn

- Mô phỏng các kết quả tính toán trên phần mềm SIMULINK

MATLAB Tiến hành thử nghiệm và so sánh kết quả tính toán, mô phỏng giữa các trường hợp có và không có hệ thống điều khiển để kiểm chứng các kết quả lý thuyết

5 Giới hạn phạm vi nghiên cứu

- Khảo sát tính chất động lực học của cầu trục

- Xây dựng cấu trục hệ thống điều khiển cầu trục dựa trên bộ điều khiển PID

- Tối ưu hóa các thông số bộ điều khiển PID bằng các giải thuật tối

ưu Nelder-Mead (NM), giải thuật di truyền (GA) và giải thuật tối ưu bầy đàn (PSO)

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

- Xây dựng được hệ phương trình vi phân chuyển động của cầu trục

mô tả quan hệ cơ- điện

- Tìm được bộ thông số tối ưu cho bộ điều khiển PD và PID dựa trên các giải thuật GA và PSO

- Mô phỏng số được các trường hợp chuyển động của cầu trục trên phần mềm

- Xây dựng được cầu trục mẫu để kiểm chứng kết quả khi không có điều khiển và khi có bộ điều khiển được đề xuất

- Kết quả của Luận án là tiền đề quan trọng để áp dụng vào thực tiễn

7 Những đóng góp mới của luận án

- Đã mô hình hóa hệ động lực học cầu trục, bao gồm cả mô hình cơ học và mô hình cơ điện ở tất cả các chế độ làm việc khác nhau của cầu trục

- Đề xuất được cấu trúc hệ thống điều khiển cầu trục tự động sử dụng bộ điều khiển PID nhằm điều khiển chính xác vị trị làm việc và chống lắc

- Bằng các giải thuật tối ưu Nelder-Mead, 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

- Thiết kế chế tạo mô hình cầu trục mẫu và tiến hành thử nghiệm, kết quả thử nghiệm sơ bộ có thể đánh giá được tính hiệu quả, khả thi của cấu trúc hệ thống điều khiển cầu trục đề xuất

8 Bố cục của luận án

Luận án gồm phần mở đầu, kết luận và bốn chương nội dung:

3 Chương 1: Tổng quan về cầu trục và điều khiển cầu trục

Chương 2: Xây dựng mô hình động lực học cầu trục

Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển tự động cho cầu trục

Chương 4: Kết quả thực nghiệm

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CẦU TRỤC VÀ ĐK CẦU TRỤC 1.1 Khái niệm và phân loại cầu trục

1.1.1 Khái niệm cầu trục

Cầu trục là tên gọi chung của máy trục kiểu cầu, di chuyển trên hai đường ray cố định trên kết cấu kim loại hoặc tường cao để vận chuyển các vật trong khoảng không (khẩu độ) giữa hai đường ray đó

1.1.2 Các thành phần chính của cầu trục

Mặc dù đa dạng về chủng loại, song về cơ bản đặc điểm cấu tạo của cầu trục bao gồm các bộ phận sau: bộ phận nâng hạ, bộ phận di chuyển xe cầu, bộ phận di chuyển xe con, hệ thống điều khiển và một số cơ cấu phụ

để lấy, giữ hàng Kết cấu của cầu trục điển hình như trên Hình 1.1

Hình 1.1 Các thành phần chính của cầu trục

1- Dầm chính; 2- Dầm cuối; 3- Bánh xe di chuyển; 4- Cơ cấu di chuyển xe cầu; 5- Đường ray; 6- Xe con; 7- Cơ cấu nâng chính; 8- Cơ cấu nâng phụ; 9- Cơ cấu di chuyển xe con; 10- Bộ góp điện; 11- Cabin; 12- Đường

dây điện; 13- Đường lăn bánh xe con

Xét về tổng thể, cầu trục gồm có phần kết cấu thép (dầm chính, dầm cuối, sàn công tác, lan can), hệ thống thiết bị dẫn điều khiển và các cơ cấu chuyển động bao gồm: 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; 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

4

1.1.3 Các yêu cầu kỹ thuật của cầu trục

Với đặc điểm là máy nâng chuyển đa dụng, cầu trục cần đáp ứng được các yêu cầu chính sau: Bảo đảm tốc độ nâng chuyển với tải trọng định mức; Có khả năng thay đổi tốc độ trong phạm vi rộng; Có khả năng

rút ngắn thời gian quá độ; Có trị số hiệu suất cos cao; Đảm bảo an toàn

hàng hoá; Điều khiển tiện lợi và đơn giản; Ổn định nhiệt cơ và điện; Tính kinh tế và kỹ thuật cao

1.1.4 Phân loại cầu trục

Do sự đa dạng của kết cấu và phương pháp điều khiển, có rất nhiều cách khác nhau để phân loại cầu trục, cụ thể cầu trục có thể phân loại theo: Công dụng, kết cấu dầm, cách tựa của dầm chính, cách bố trí cơ cấu di chuyển, nguồn dẫn động, vị trí điều khiển và tải trọng nâng

1.1.5 Phạm vi ứng dụng của cầu trục

Cầu trục có phạm vi hoạt động rộng, lại được bố trí trên cao không chiếm nhiều mặt bằng công nghệ nên được sử dụng rất rộng rãi trong các nhà máy, phân xưởng, nhà kho để nâng hạ hàng hóa với lưu lượng lớn

1.1.6 Xu hướng phát triển cầu trục

Xu hướng chung trong thiết kế và phát triển các họ cầu trục là tối ưu hóa biến điều khiển nhằm giảm thiếu số biến điều khiển mà vẫn bảo đảm khả năng điều khiển theo yêu cầu công nghệ Đồng thời cần bảo đảm đặc tính động học của cầu trục đáp ứng các yêu điều khiển Hệ thống điều khiển có bộ phận điều khiển, bộ phận giám sát làm giao diện giữa người vận hành và hệ thống như: Hệ thống báo động, hệ thống báo lỗi và dừng khẩn cấp

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 yêu cầu phân tích, khảo sát các đặc tính động lực học, cũng như làm

cơ sở cho việc thiết kế các hệ thống điều khiển hệ thống cầu trục

Tùy theo mục tiêu nghiên cứu, nhiều mô hình động lực học chuyển động của tháp cầu trục đã được xây dựng gồm: Mô hình cầu trục trong mặt phẳng bao gồm 2 bậc tự do: Chuyển động của xe con và góc lắc của cáp;

mô hình cầu trục trong mặt phẳng gồm 3 bậc tự do: Chuyển động của xe con, chuyển động nâng hạ hàng và góc lắc của cáp; mô hình cầu trục trong không gian gồm 4 bậc tự do: Chuyển động của xe con, chuyển động của

xe cầu, góc lắc của cáp trong mặt phẳng chuyển động của xe con và góc lắc của cáp trong mặt phẳng chuyển động của xe cầu; hoặc gồm 5 bậc tự

5

do bao gồm thêm chuyển động nâng hạ hàng

Các mô hình động lực học chuyển động tháp cầu trục đều được mô hình hóa dưới dạng các hệ phương trình vi phân chuyển động hoặc hệ phương trình trạng thái Đây là cơ sở toán học để khảo sát động lực học chuyển động và tổng hợp các bộ điều khiển nhằm di chuyển hàng hóa tới

vị trí mong muốn nhanh nhất với góc lắc nhỏ nhất

1.3 Điều khiển cầu trục

1.3.1 Đặc điểm bài toán điều khiển hệ thống cầu trục

Điều khiển chuyển động nâng hạ hàng, di chuyển hàng hoá treo trên móc cầu trục theo quỹ đạo mong muốn trong không gian hoạt động của cầu trục có thể thực hiện đồng thời nhờ 3 cơ cấu: nâng hạ hàng, cơ cấu di chuyển xe con và cơ cấu di chuyển xe cầu

1.3.2 Các phương pháp điều khiển cầu trục

Hệ thống cầu trục hiện đại được trang bị các bộ điều khiển chất lượng cao để giảm sự lắc của hàng hóa và tăng độ chính xác các chuyển động

Đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về điều khiển cầu trục đã được công

bố cả về lý thuyết và thực tế Theo đó, một số kỹ thuật điều khiển đã được

áp dụng từ các kỹ thuật đơn giản như điều khiển tuyến tính, điều khiển phi tuyến, điều khiển tối ưu, thuật toán thích nghi, tới các kỹ thuật điều khiển hiện đại như điều khiển mờ và mạng nơ ron nhân tạo

Xuất phát từ đặc điểm nguyên lý, kết cấu và yêu cầu hoạt động của cầu trục, đồng thời đáp ứng được yêu cầu ngày càng cao về tốc độ và khối lượng nâng chuyển, các nhà khoa học trên thế giới đã xây dựng một số mô hình nghiên cứu động lực học cầu trục, cũng đã áp dụng nhiều kỹ thuật điều khiển khác nhau từ đó cho ra đời các thế hệ cầu trục ngày càng tiên tiến Tuy nhiên, với sự đòi hỏi ngày càng cao của quá trình sản xuất, hệ thống cầu trục vẫn phải tiếp tục hoàn thiện, đặc biệt là trong vấn đề điều khiển nhằm nâng cao độ chính xác nâng chuyển và giảm thiểu, tiến tới triệt tiêu hoàn toàn góc lắc khi tải đến đích

6

1.3.4 Bộ điều khiển PID

Hiện nay rất nhiều phương pháp điều khiển chuyển động của cầu trục

đã được đề xuất, tuy nhiên bộ điều khiển được sử dụng phổ biến trong thực tế cầu trục vẫn là bộ điều khiển PID PID là bộ điều khiển hồi tiếp đầu ra thông dụng và được sử dụng rộng rãi nhất trong các hệ thống điều khiển công nghiệp Qua khảo sát, hơn 95% bộ điều khiển phản hồi vòng kín trong các lĩnh vực điều khiển công nghiệp sử dụng bộ điều khiển PID Chúng được tìm thấy trong hầu hết các lĩnh vực điều khiển cả tuyến tính

và phi tuyến cho các mục đích thông dụng và mục đích đặc biệt

Do sự đa dạng của các quá trình thực, bộ điều khiển PID cũng được thiết kế theo nhiều phương pháp khác nhau để chỉnh định các tham số, đối với các hệ một đầu vào, một đầu ra, tuyến tính, phương pháp được sử dụng phổ biến gồm: Phương pháp Ziegler-Nichols, phương pháp tối ưu

mô đun và phương pháp tối ưu đối xứng hoặc phương pháp tối ưu theo sai lệch bám

Đối với các hệ phi tuyến có tính bất định, sử dụng phương pháp chỉnh định các tham số của bộ PID bằng giải thuật tối ưu Nelder-Mead, giải thuật di truyền (GA) và giải thuật tối ưu bày đàn (PSO) mang lại hiệu quả rất tốt Do đó, luận án sẽ sử dụng các giải thuật này để thiết kế các bộ điều khiển PID và PD cho hệ thống cầu trục

1.4 Kết luận chương 1

Hiện nay, các họ cầu trục cơ bản đã hoàn thiện về kết cấu cơ khí, hệ thống dẫn động và công nghệ chế tạo, lắp đặt Tuy nhiên, tùy theo mục đích sử dụng và yêu cầu vận hành, các phương pháp và kỹ thuật điều khiển cầu trục, nhất là đối với cầu trục tự động luôn là vấn đề cần phải được tiếp tục đầu tư nghiên cứu Mặt khác, ở nước ta hiện nay, mặc dù đang khai thác nhiều hệ thống cầu trục, nhưng việc tự chủ thiết kế, chế tạo các hệ thống cầu trục phù hợp với đặc điểm dây truyền công nghệ trong nước vẫn là một thách thức

Luận án nghiên cứu xây dựng mô hình hóa hệ cầu trục dạng cơ điện

và thiết kế hệ thống điều khiển dựa trên bộ điều khiển PID bằng các giải thuật tiên tiến nhằm điều khiển chính xác vị trí và giảm thiểu góc lắc của khối lượng hàng, góp phần nâng cao chất lượng và năng suất làm việc của cầu trục trở nên rất cấp thiết và có ý nghĩa khoa học, thực tiễn cao

Chương 2 MÔ HÌNH HÓA HỆ CẦU TRỤC

2.1 Mô hình động lực học tổng quát hệ cầu trục

2.1.1 Mô hình vật lý hệ cầu trục và các chế độ làm việc

Trong khai thác sử dụng cầu trục có các chế độ di chuyển sau: (1)

7 Chế độ nâng hạ hàng, chỉ có động cơ nâng hạ làm việc, hệ gồm 1 bậc tự do; (2) Chế độ di chuyển ngang, chỉ có động cơ xe con làm việc, hệ gồm 2 bậc tự do; (3) Chế độ di chuyển ngang và nâng hạ hàng, động cơ xe con và động cơ nâng hạ làm việc, hệ gồm 3 bậc tự do; (4) Chế độ di chuyển ngang và dọc, động cơ xe cầu và động cơ xe con làm việc, hệ bao gồm 4 bậc tự do; (5) Chế độ di chuyển ngang, dọc và nâng hạ hàng, cả ba động

cơ hoạt động, hệ bao gồm 5 bậc tự do

Trong năm chế độ làm việc trên, chế độ 5 là tổng quát nhất, mô hình cầu trục ở chế độ này là mô hình 3D gồm 5 bậc tự do Trên cơ sở mô hình này, tùy theo chế độ di chuyển, có thể giản lược các di chuyển tương ứng

để thu được các mô hình động lực trong các chế độ đơn giản hơn

2.1.2 Mô hình động lực học hệ cầu trục

Các giả thiết xây dựng mô hình:

Khi xây dựng mô hình động lực cầu trục, sử dụng các giả thiết sau:

nhỏ gọn và được coi có khối

lượng tập trung tại khối tâm

Hệ phương trình vi phân chuyển động (HPTVPCĐ):

Với các giả thiết trên, mô hình cầu trục tổng quát được mô tả như Hình 2.1, cơ hệ này gồm 5 toạ độ suy rộng được định nghĩa như sau: 1

q x là dịch chuyển của xe con trên cầu theo trục Ox; q2 y là dịch

Hình 2.1 Mô hình cầu trục dạng tổng

quát(5 bậc tự do)

8 chuyển của xe cầu theo trục Oy; q3 l là khoảng cách từ xe con đến tải trọng nâng hay chiều dài phần cáp không cuốn vào tang trống); q4  là góc lắc của dây cáp trong mặt phẳng đứng ABC song song Oxz; và 5

q   là góc lắc của dây cáp trong mặt phẳng ACD Các tọa độ suy rộng này lập thành véc tơ tọa độ suy rộng của hệ cầu trục có dạng:

cos cos sin sin

trong đó, m m m tương ứng là khối lượng xe cầu, khối lượng xe con b, t, p

và khối lượng hàng; b b là các hệ số cản nhớt cản trở chuyển động của 1, 2

xe cầu và xe con; F F F là các ngoại lực đặt vào cơ hệ t, ,b l

2.2 Mô hình động lực học hệ cầu trục trong các chế độ làm việc

Từ mô hình động lực học cầu trục tổng quát có thể thành lập mô động lực học cầu trục ở các chế độ làm việc

9

2.2.1 Chế độ nâng hạ hàng

Trong chế độ nâng hạ chỉ có duy nhất tọa độ q thay đổi, còn các tọa 3

độ khác không thay đổi PTVPCĐ trong trường hợp này là:

2.2.3 Chế độ di chuyển ngang và nâng hạ hàng

Trong chế độ này hai động cơ 2 và 3 điều khiển hệ Các tọa độ thay đổi và không thay đổi sẽ là q1 const, q2 q t2( ), q3 q t3( ),

2.2.4 Chế độ di chuyển ngang và dọc đồng thời

Trong chế độ này hai động cơ 1 và 2 điều khiển hệ Các tọa độ thay đổi và không thay đổi sẽ là q1 q t1( ), q2 q t2( ), q3  l const,

2 2 2

cos cos sin sin

2.3 Mô hình động lực học cơ - điện hệ cầu trục

Các cơ cấu của cầu trục

được dẫn động bởi các động cơ

điện một chiều hoặc xoay chiều

thông qua các bộ truyền động cơ

khí Để mô tả trạng thái làm việc

của cầu trục sát với thực tế, xây

11

2

2.4 Mô hình hóa hệ cầu trục trong MATLAB

Hình 2.5 Chương trình mô phỏng hệ cầu trục

Trên cơ sở mô hình động lực học cầu trục dạng tổng quát hoặc theo các chế độ làm việc của cầu trục được xây dựng trên đây, dựa trên nền tảng toán học của phần mềm MATLAB với công cụ SIMULINK, luận án

đã lập trình xây dựng một công cụ chuyên dụng để mô phỏng cầu trục theo bốn chế độ làm việc chính: Di chuyển ngang; di chuyển ngang và nâng hàng; di chuyển ngang và dọc; và di chuyển ngang, dọc và nâng hàng Trong hai chế độ điều khiển: Bằng tay và tự động

Giao diện chính của công cụ này như trên Hình 2.5, tại đây có thể chọn loại mô hình nghiên cứu, nhập số liệu, chọn chế độ làm việc và dạng kết quả cần hiển thị Các tính toán và mô phỏng của phần mềm được thực hiện nhờ sự trợ giúp của công cụ SIMULINK với các mô hình con tương ứng với các chế độ làm việc và chế độ điều khiển

12

Bảng 2.1 Thông số cầu trục mẫu sử dụng cho mô phỏng số

4 Hệ số cản di chuyển xe cầu (b 1) 18,35 Ns/m

5 Hệ số cản di chuyển xe con (b 2) 12,68 Ns/m

8 Bán kính hiệu dụng của puli kéo xe cầu, xe con và puli kéo cáp ( , ,

10 Mô men quán tính của roto (J m1,J m2,J m3) 0,01 kgm2

11 Điện trở phần ứng của động cơ kéo xe cầu,

xe con và mô tơ kéo cáp (R R a1, a2,R ) a3 3,2 

12 Hằng số mô men của động cơ kéo xe cầu, xe con và mô tơ kéo cáp (k m1,k m2,k m3) 0,007 Nm/A

13 Hằng số phản sức điện động của các động cơ điện (k k e1, e2,k ) e3 0,009 V/(rad/s)

2.5 Kết luận chương 2

Chương 2 đã thiết lập mô hình toán học để phân tích các trạng thái làm việc thường sử dụng trong thực tế của hệ cầu trục Đã xây dựng mô hình động lực học hệ cầu trục cơ – điện dạng đầy đủ gồm 5 bậc tự do tương ứng với 5 chuyển động chính gồm chuyển động của xe cầu, chuyển động của xe con, chuyển động nâng hạ hàng và hai chuyển động lắc của hàng Trên cơ sở mô hình này, đã khai triển thành mô hình động lực học cầu trục theo các chế độ làm việc: Chỉ nâng hạ hàng; Chỉ di chuyển ngang;

di chuyển ngang và nâng hạ hàng đồng thời; di chuyển ngang và di chuyển dọc đồng thời

HPTVPCĐ nhận được có tính chất phi tuyến, trừ trường hợp nâng hạ thuần túy, cho phép phân tích, tính toán các đặc tính làm việc của các cụm

cơ cấu chính trên hệ thống cầu trục Đây là cơ sở quan trọng để nghiên cứu động lực học và điều khiển cầu trục

Sử dụng các công cụ chuyên dụng trên nền phần mềm MATLAB và