luận án tiến sĩ nghiên cứu điều khiển chủ động bị động và bán chủ động để giảm dao động vật nâng của cần cẩu

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - Nguyễn Trọng Kiên NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN CHỦ ĐỘNG - BỊ ĐỘNG VÀ BÁN CHỦ ĐỘNG ĐỂ GIẢM DAO ĐỘNG VẬT NÂNG CỦA CẦN CẨU LUẬN ÁN TIẾN SỸ NGÀNH KỸ THUẬT CƠ KHÍ VÀ CƠ KỸ THUẬT Hà Nội – 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - Nguyễn Trọng Kiên NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN CHỦ ĐỘNG - BỊ ĐỘNG VÀ BÁN CHỦ ĐỘNG ĐỂ GIẢM DAO ĐỘNG VẬT NÂNG CỦA CẦN CẨU Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật Mã số: 9520101 LUẬN ÁN TIẾN SỸ NGÀNH KỸ THUẬT CƠ KHÍ VÀ CƠ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Lã Đức Việt GS.TSKH Nguyễn Đông Anh Hà Nội - 2020 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi Các số liệu kết đƣợc trình bày luận án trung thực chƣa đƣợc công bố cơng trình khác Nghiên cứu sinh Nguyễn Trọng Kiên i LỜI CẢM ƠN Tác giả xin chân thành cám ơn PGS.TS Lã Đức Việt GS.TSKH Nguyễn Đơng Anh tận tình hƣớng dẫn giúp đỡ tác giả hoàn thành luận án Tác giả xin chân thành cảm ơn thầy giáo, cô giáo tham gia giảng dạy đào tạo trình tác giả học tập Viện Cơ học, Học viện Khoa học Công nghệ Tác giả xin chân thành cảm ơn Học viện Khoa học Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam, Viện Cơ học, Khoa Cơ học kỹ thuật Tự động hóa, Khoa Xây dựng - Trƣờng Đại học Vinh tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả suốt thời gian học tập Học viện Tác giả xin chân thành cảm ơn nhà khoa học có đóng góp quý báu cho luận án buổi seminar Tác giả ghi nhớ hỗ trợ vật chất động viên tinh thần bạn bè, đồng nghiệp ngƣời thân gia đình suốt trình học tập nghiên cứu để hoàn thành luận án Tác giả Luận án Nguyễn Trọng Kiên ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ix DANH MỤC CÁC BẢNG xiii MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Giới thiệu 1.2 Giảm dao động vật nâng phƣơng pháp chủ động 1.2.1 Kỹ thuật điều khiển phản hồi 1.2.2 Kỹ thuật điều khiển dẫn tiếp 10 1.3 Giảm dao động vật nâng phƣơng pháp bị động 16 1.3.1 Các phƣơng thức bị động để điều khiển dao động lắc lƣ 16 1.3.2 Giảm dao động lắc lƣ lực Coriolis vật nâng 17 1.4 Các thiết bị dạng bán chủ động 19 1.5 Vấn đề đặt luận án 21 1.6 Kết luận chƣơng 22 CHƢƠNG KẾT HỢP ĐIỀU KHIỂN PHẢN HỒI VỚI BỘ GIẢM CHẤN ĐỂ GIẢM DAO ĐỘNG VẬT NÂNG 23 2.1 Giới thiệu 23 2.2 Mơ hình dao động vật nâng 23 2.3 Xây dựng phƣơng án điều khiển 27 2.3.1 Phƣơng án điều khiển phản hồi 27 2.3.2 Sử dụng giảm chấn theo phƣơng hƣớng tâm 32 iii 2.3.3 Kết hợp điều khiển phản hồi giảm chấn 38 2.4 Một số kết khảo sát tính toán số 41 2.4.1 Trƣờng hợp không vận hành cẩu 42 2.4.2 Trƣờng hợp có vận hành cẩu 44 2.5 Kết luận chƣơng 45 CHƢƠNG KẾT HỢP ĐIỀU KHIỂN NẮN TÍN HIỆU ĐẦU VÀO VỚI BỘ GIẢM CHẤN ĐỂ GIẢM DAO ĐỘNG VẬT NÂNG 47 3.1 Giới thiệu 47 3.2 Mơ hình dao động vật nâng kết hợp điều khiển nắn tín hiệu đầu vào với giảm chấn 47 3.3 Kiểm nghiệm độ tin cậy việc mơ hình hóa hoạt động cần cẩu .55 3.4 Mô số 61 3.5 Thực nghiệm kiểm chứng 65 3.6 Kết luận chƣơng 71 CHƢƠNG GIẢM DAO ĐỘNG VẬT NÂNG BẰNG PHƢƠNG PHÁP BÁN CHỦ ĐỘNG 72 4.1 Giới thiệu 72 4.2 Mơ hình khảo sát 73 4.3 Điều khiển cản bật tắt tối ƣu 76 4.4 Bộ điều khiển cản bật-tắt dựa lƣợng 83 4.4.1 Đề xuất điều khiển 83 4.4.2 Mô số 85 4.4.3 Độ bền vững luật điều khiển 88 4.5 Trƣờng hợp lắc cầu chịu tác động ngẫu nhiên 89 4.6 Kết luận chƣơng 90 KẾT LUẬN 92 iv DANH MỤC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 94 TÀI LIỆU THAM KHẢO 95 PHỤ LỤC 103 Phụ lục 1: Đoạn mã MATLAB cho mục 2.4 103 Phụ lục 2: Đoạn mã Recurdyn cho khớp, mô số mục 3.3 106 Phụ lục 3: Đoạn mã MATLAB cho mục 4.4 108 Phụ lục 4: Đoạn mã MATLAB mơ hình Simulink cho mục 4.5 109 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, VIẾT TẮT m - khối lƣợng vật nâng k – hệ số độ cứng lò xo c – hệ số cản nhớt cs – hệ số cản môi trƣờng  - góc lắc lƣ vật nâng 1 - góc lắc lƣ vật nâng mặt phẳng xz 2 - góc lắc lƣ vật nâng mặt phẳng yz 0 - góc lắc lƣ ban đầu vật nâng l - Khoảng cách xe tời vật nâng điều kiện tĩnh u - Chuyển động hƣớng tâm vật nâng đo từ vị trí tĩnh u0 - độ giãn tĩnh xo un - dạng phi thứ nguyên chuyển dịch hƣớng tâm giảm chấn g - Gia tốc trọng trƣờng s - tần số riêng lắc n - tần số riêng giảm chấn t – Thời gian  - Thời gian phi thứ nguyên α - Tỷ số tần số αc - Góc xoay bệ cẩu c - Góc nâng cần ζ - Tỷ số cản giảm chấn ζs - Tỷ số cản vật nâng ζe - Độ cản tƣơng đƣơng αopt - Tỷ số tần số tối ƣu ζopt - Tỷ số cản giảm chấn tối ƣu etb - Trung bình phƣơng sai số Q – Ma trận đối xứng xác định dƣơng A – ma trận hệ thống p – véc tơ trạng thái vi x - chuyển dịch xe tời xn - Dạng phi thứ nguyên chuyển động xe tời vr – Vận tốc xe tời am - gia tốc phi thƣ nguyên xp , yp , zp – tọa độ tải trọng hệ tọa độ tổng thể PID – Bộ điều khiển proportional-integralderivative ZV – nắn tín hiệu Zero Vibration ZVD – nắn tín hiệu Zero Vibration Derivative EI – nắn tín hiệu EI (Extra intensive) L1 Chiều cao trục cần cẩu L2 - Chiều dài tay với L3 - Chiều dài dây cáp trạng thái tĩnh I - cƣờng độ xung T - chu kỳ dao động Ai - xung đơn EK - hàm động năng, EP - hàm ED - hàm tiêu tán lƣợng P - điều khiển tỷ lệ (P) P, I, D - hệ số tỷ lệ  - tần số kích động  - Tần số chuẩn hóa mơ men ngồi  f - pha chuẩn hóa mơ men ngồi f – đầu vào kích động điều hịa f0 – biên độ đầu vào kích động f  - pha đầu vào kích động f M1, M2 mơ men lực tạo điểm treo M, M mơ men lực kích động h, l – tƣơng ứng giá trị bật tắt tỷ số cản    ,   hai thành phần độc lập ồn trắng Gauss với cƣờng độ đơn vị vii m m hai độ lệch chuẩn hai góc lắc lắc cầu khơng có giảm chấn J L – đáp ứng cận dƣới (cm) J – số đánh giá biên độ đáp ứng (cm) ζh - Tỷ số cản giảm chấn giá trị cao ζl - Tỷ số cản giảm chấn giá trị thấp H – hàm Hamilton H - dòng lƣợng viii 98 [34] G Glossiotis, I Antoniadis, Digital filter based motion command preconditioning of time varying suspended loads in boom cranes for sway suppression, J Vib Control 13 (2007) 617–656 [35] W Singhose, R Eloundou, J Lawrence, Command generation for flexible systems by input shaping and command smoothing, J Guid Control Dyn 33 (2010) 1697–1707 [36] K.A Alghanim, K.A Alhazza, Z.N Masoud, Discrete-time command profile for simultaneous travel and hoist maneuvers of overhead cranes, J Sound Vib 345 (2015) 47–57 [37] H.M Omar, A.H Nayfeh, Anti-swing control of gantry and tower cranes using fuzzy and time delayed feedback with friction compensation, J Shock Vib 12 (2005) 73–89 [38] J Suh, J Lee, Y Lee, K Lee, Anti sway position control of an automated transfer crane based on neural network predictive PID controller, J Mech Sci Technol 19 (2005) 505–519 [39] K Kawada, T Yamamoto, Y Mada, Gain scheduled PD sway control of a lifted load for a mobile crane, Control Intell Syst 33 (2005) 48–54 [40] H Ouyang, G Zhang, L Mei, X Deng, D Wang, Load vibration reduction in rotary cranes using robust two degree of freedom control approach, Adv.Mech Eng (2016) 1–11 [41] S Sano, H Ouyang, H Yamashita, N Uchiyama, LMI approach to robust control of rotary cranes under load sway frequency variance, J Syst Des Dyn (2011) 1402–1417 [42] Z Wu, X Xia, B Zhu, Model predictive control for improving operational efficiency of overhead cranes, Nonlinear Dyn 79 (2015) 2639–2657 [43] D Jolevski, O Bego, Model predictive control of gantry/bridge crane with anti-sway algorithm, J Mech Sci Technol 29 (2015) 827–834 [44] H Chen, Y Fang, S Member, N Sun, A swing constraint guaranteed MPC algorithm for underactuated overhead cranes, Mechatronics 21 (2016) 2543–2555 IEEE/ASME Trans 99 [45] J Smoczek, J Szpytko, Particle swarm optimization-based multivariable generalized predictive control for an overhead crane, IEEE/ASME Trans Mechatronics 22 (2017) 258–268 [46] J Neupert, E Arnold, K Schneider, O Sawodny, Tracking and anti-sway control for boom cranes, Control Eng Pract 18 (2010) 31–44 [47] J Huang, E Maleki, W Singhose, Dynamics and swing control of mobile boom cranes subject to wind disturbances, IET Control Theory Appl (2013) 1187–1195 [48] M.J Maghsoudi, Z Mohamed, A.R Husain, M.O Tokhi, An optimal performance control scheme for a 3D crane, Mech Syst Signal Process 66– 67 (2016) 756–768 [49] D Fujioka, W Singhose, Performance comparison of input-shaped model reference control on an uncertain flexible system, IFAC-PapersOnLine 48 (2016) 129–134 [50] L Lee, P Huang, Y Shih, T Chiang, C Chang, Parallel neural network combined with sliding mode control in overhead crane control system, J Vib Control 20 (2014) 749–760 [51] Z.M Chen, W.J Meng, M.H Zhao, J.G Zhang, Hybrid robust control for gantry crane system, Appl Mech Mater 29–32 (2010) 2082–2088 [52] Liyana Ramli, Z Mohamed, Auwalu M Abdullahi, H.I Jaafar, Izzuddin M Lazim, Control strategies for crane systems: A comprehensive review, Mechanical Systems and Signal Processing 95, 1–23, (2017) [53] J.Vaughan, E Maleki, W Singhose, Advantages of Using Command Shaping Over Feedback for Crane Control, Proc of American Control Conference, Baltimore, USA, pp 2308-2313, 2010 [54] Vaughan.J, Yano.A, Singhose.W, Comparison of robust input shapers, Journal of Sound and Vibration, 315, 797–815, 2008 [55] H Matsuhisa and M Yasuda, Location effect of dynamic absorbers on rolling structures, Proc of Asia-Pacific Vibration Conference, Gold Coast, Australia, pp.439-444, (2003) 100 [56] H Matsuhisa, H Kitaura, M Isono, H Utsuno, J.G Park and M Yasuda, A new Coriolis dynamic absorber for reducing the swing of gondola, Proc of Asia-Pacific Vibration Conference, Langkawi, Malaysia, 211-215, (2005) [57] Nishihara, O.; Matsuhisa, H and Sato, S., Vibration Damping Mechanisms with Gyroscopic Moments, JSME International Journal , Series III, vol 35, No 1, pp 50-55, (1992) [58] Viet Duc La, Partial stochastic linearization of a spherical pendulum with Coriolis damping produced by radial spring and damper, Journal of Vibration and Acoustics, J Vib Acoust 137(5), 054504, (2015) [59] Function Bay Inc., http://www.functionbay.co.kr/, last checked 27 May 2018 [60] Kazuhiko Terashima, Ying Shen, Ken’ichi Yano, Modeling and optimal control of a rotary crane using the straight transfer transformation method, Control Engineering Practice 15 (2007) 1179–1192 [61] La Duc Viet and Youngjin Park, A Cable-Passive Damper System for Sway and Skew Motion Control of a Crane Spreader, Shock and Vibration, Volume 2015, Article ID 507549, 2015 [62] F Casciati, F Marazzi, Technology of Semi-active Devices and Applications in Vibration Mitigation, Wiley, UK, 2006 [63] L.D.Viet, Semi-active On–off Damping Control of a Dynamic Vibration Absorber using Coriolis Force, Journal of Sound and Vibration, 331, 3429– 3436, (2012) [64] M Couillard, P Micheau, P Masson, Improved clipped periodic optimal control for semi-active harmonic disturbance rejection, Journal of Sound and Vibration 318 (2008) 737–756 [65] J.N Potter, S.A Neild, D.J Wagg, Generalisation and optimisation of semiactive, on–off switching controllers for single degree-of-freedom systems, Journal of Sound and Vibration 329 (2010) 2450–2462 [66] La VD and Adam C General on-off damping controller for semi-active Tuned Liquid Column Damper, J Vib Control 2018; 24(23): 5487–5501 101 [67] J.N Potter, S.A Neild, D.J Wagg, Generalisation and Optimisation of SemiActive, On-Off Switching Controllers for Single Degree-of-Freedom Systems, Journal of Sound and Vibration, 329, 2450–2462, (2010) [68] Nguyễn Đông Anh, Lã Đức Việt, Giảm dao động thiết bị tiêu tán lượng, NXB Khoa học tự nhiên Công nghệ, 2008 [69] Trƣơng Quốc Thành, Nghiên cứu ứng dụng hệ điều khiển PLC, cho cần trục tháp xây dựng, Tạp chí khoa học công nghệ xây dựng, Số 01 9/2007, 47-53 [70] Ngô Quang Hiếu, Điều khiển chống lắc hệ cần cẩu container có bù ma sát, Tạp chí Khoa học Trƣờng Đại học Cần Thơ, 29 (2013): 8-14 [71] Nguyễn Thị Việt Hƣơng vcs, Mơ hình hóa mơ có sử dụng quan sát trạng thái hệ cần cẩu treo, Tạp chí KHCN Đại học Thái Nguyên, 110(10): 27 – 36, 2013 [72] Hoàng Đức Quỳnh vcs, Nhận dạng trạng thái hệ cẩu treo chiều quan sát Kalman rời rạc, Tạp chí KHCN Đại học Thái Nguyên 106(06): 15 – 21, 2013 [73] Trịnh Lƣơng Miên, Điều khiển hệ cầu cầu trục dựa luật PID, Số 113 (3/2010),Tạp chí tự động hóa ngày [74] Ngô Quang Hiếu, Thiết kế điều khiển bền vững cho cần cẩu container hoạt động biển, Đề tài nghiên cứu Quỹ Nafosted, mã số 107.04-2013.28 [75] Lê Anh Tuấn, Động lực học điều khiển phi tuyến cần trục container gắn đàn hồi có kể đến co giãn cáp nâng, Đề tài nghiên cứu Quỹ Nafosted, mã số 107.01-2013.04 [76] Nguyen Quang Hoang, Soon-Geul Lee, Hyung Kim and Sang-Chan Moon: Trajectory planning for overhead crane by trolley acceleration shaping Journal of Mechanical Science and Technology 28 (7) (2014) 2879~2888 [77] Lê Xuân Hải, Quách Thái Quyền, Lê Văn Hùng, Nguyễn Văn Thái, Trần Hải Đăng, Phan Xuân Minh, Phạm Đức Tuấn Bùi Thế Hào, Nâng Cao Chất Lượng Điều Khiển Cần Cẩu Treo Điều Khiển Trượt Bậc Hai Thích 102 Nghi Mờ, Tuyển tập Cơng trình khoa học Hội nghị Cơ điện tử tồn quốc lần thứ (VCM-2016) Cần Thơ, ngày 25 - 26/11/2016 [78] Nguyễn Huỳnh Phi Long, Phạm Phƣơng Tùng Nguyễn Quốc Chí, Phát Triển Hệ Thống Khử Dao Động Tích Hợp Hệ Thống Thị Giác cho Cầu Trục Container, Tuyển tập Cơng trình khoa học Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ (VCM-2016) Cần Thơ, ngày 25 - 26/11/2016 [79] Ngo Phong Nguyen and Quang Hieu Ngo, Adaptive Fuzzy Sliding Mode Control of Container Cranes, Tuyển tập Cơng trình khoa học Hội nghị Cơ điện tử tồn quốc lần thứ (VCM-2016) Cần Thơ, ngày 25 - 26/11/2016 [80] Nguyen Quang Hoang, Soon Geul Lee: Energy-based Approach for Controller Design of Overhead Cranes: a Comparative Study Applied Mechanics and Materials Vols 365-366 (2013) pp 784-787 [81] Lê Xuân Hải, Điều khiển thích nghi cho hệ thống cần cẩu treo có tính đến yếu tố bất định, luận án tiến sỹ kỹ thuật, ngành kỹ thuật điều khiển tự động hóa, năm 2018 103 PHỤ LỤC Phụ lục 1: Đoạn mã MATLAB cho mục 2.4 Mô tả: Đoạn mã phụ lục mô dao động lắc vật nâng trƣờng hợp có kết hợp điều khiển phản hồi giảm chấn Hàm mophongso Đầu vào: q0 góc ban đầu gây dao động lắc, a tỷ số tần số cố định giá trị theo nhƣ lý thuyết (cơng thức (2.37)), qdesign góc dùng để thiết kế tỷ số cản, se tỷ số cản theo phƣơng trình trùng phƣơng (2.49), gmp hệ số phản hồi điều khiển amax gia tốc phi thứ nguyên công thức (2.69) (đƣợc thay đổi để khảo sát), T thời gian mô phi thứ nguyên, lấy lần chu kỳ phi thứ nguyên Đầu ra: t1,y1 thời gian phi thứ nguyên góc lắc có điều khiển phản hồi, khơng có giảm chấn, t2,y2 thời gian phi thứ nguyên góc lắc có điều khiển phản hồi, có giảm chấn, t3,y3 thời gian phi thứ nguyên góc lắc khơng có điều khiển phản hồi, khơng có giảm chấn, t4,y4 thời gian phi thứ nguyên góc lắc khơng có điều khiển phản hồi, có giảm chấn, Hàm phụ ptvpu Dùng để giải phƣơng trình vi phân hệ có giảm chấn lệnh ode45 MATLAB Đầu vào lấy từ hàm chính: s tỷ số cản, a, gmp amax đƣợc giải thích Đầu mơ tả phƣơng trình vi phân (2.12) Hàm phụ ptvp Dùng để giải phƣơng trình vi phân hệ khơng có giảm chấn lệnh ode45 MATLAB Đầu vào lấy từ hàm chính: gmp amax đƣợc giải thích Đầu mơ tả phƣơng trình vi phân (2.20) function mophongso q0=pi/6;a=2; qdesign=pi/6; 104 se=roots([1152,768+36*qdesign^2,-27*qdesign^2+128,3*qdesign^2]);se=se(find(imag(se)==0));se=se(find(se>0));s=2*sqrt(se) gmp=0.1;amax=0.2; T=5*2*pi; [t1,y1]=ode45(@ptvp,[0 T],[q0 0]',[],gmp,amax); [t2,y2]=ode45(@ptvpu,[0 T],[q0 0 0]',[],s,a,gmp,amax); [t3,y3]=ode45(@ptvp,[0 T],[q0 0]',[],0,amax); [t4,y4]=ode45(@ptvpu,[0 T],[q0 0 0]',[],s,a,0,amax); figure(1);plot(t1,y1(:,1)*180/pi,t2,y2(:,1)*180/pi,t3,y3(:,1)*180/pi,t4,y4(:,1)*180/pi );legend('th2','th4','th1','th3') [max(abs(y3(find(t3>4*2*pi),1)))*180/pi max(abs(y1(find(t1>4*2*pi),1)))*180/pi max(abs(y4(find(t4>4*2*pi),1)))*180/pi max(abs(y2(find(t2>4*2*pi),1)))*180/pi]; function dz=ptvpu(t,z,s,a,gmp,amax) q=z(1);u=z(2);dq=z(3);du=z(4); d2x=gmp*dq; if t