Tóm tắt luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu hệ thống điều khiển phi tuyến bền vững cho cần trục Container đặt trên phao nổi

Xây dựng các thuật toán điều khiển mới áp dụng cho hệ cần trục-tàu. Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ góp phần cải tiến và áp dụng vào thiết kế cần trục container nói chung cũng như cần trục container gắn trên tàu, từ đó nâng cao hiệu quả khai thác cũng như an toàn trong quá trình vận hành cần trục container.

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 Tóm tắt luận án tiến sĩ kỹ thuật NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC; MÃ SỐ 9520116 CHUYÊN NGÀNH: KHAI THÁC, BẢO TRÌ TÀU THỦY Hải Phịng-2019 Cơng trình hoàn thành Trường Đại học Hàng hải Việt Nam Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Lê Anh Tuấn TS Hoàng Mạnh Cường Phản biện 1: GS TS Lê Anh Tuấn Phản biện 2: GS TS Chu Văn Đạt Phản biện 3: PGS TS Trần Thị Thu Hương Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ cấp Trường họp Trường Đại học Hàng hải Việt Nam vào hồi phút ngày tháng năm 2020 Có thể tìm hiểu luận án Thư viện Trường Đại học Hàng hải Việt Nam MỞ ĐẦU Lý cho chọn đề tài Vận chuyển hàng hóa đường biển phương thức vận chuyển phổ biến có giá thành rẻ phương thức vận chuyển Chính vậy, lượng hàng hóa vận chuyển theo đường biển ngày tăng, vận chuyển hàng hóa container tăng theo hàng năm Để đáp ứng mức tăng này, ngày nhiều tàu container cỡ lớn sức chở lên đến 20.000 TEU tham gia vào trình vận chuyển container toàn cầu Sự tăng trưởng đòi hỏi phải cải thiện tái cấu trúc sở hạ tầng cảng biển để phục vụ xếp dỡ container Ngồi ra, viện Khoa học Cơng nghệ tiên tiến Hàn Quốc (KAIST) đề xuất giải pháp vận chuyển container theo đường biển hệ gọi cảng di động (Mobile Harbor) Mục đích mơ hình thiết kế phát triển hệ thống vận chuyển container hệ tiếp cận tàu container cỡ lớn thực q trình xếp dỡ hàng hóa sau đưa container đến cảng mà không phụ thuộc vào độ sâu độ rộng cảng Mơ hình cảng di động tổ hợp thiết bị cấu thành quan trọng cần trục container đặt tàu đóng vai trị chuyển tải hàng hóa từ tàu lớn (tàu mẹ) sang tàu nhỏ (tàu con) để đưa container vào sâu cảng cách nhanh an toàn Khi làm việc biển, cảng di động chịu tác động yếu tố bất lợi kích động sóng biển tác động lên thân tàu tải trọng gió tác động lên cần trục trình làm việc, hệ hệ tàu-cần trục dao động từ ảnh hưởng đến hiệu làm hàng Trong thiết kế, chế tạo cần trục bước quan trọng thiết kế hệ thống điều khiển Đối với toán thiết kế hệ thống điều khiển cho cần trục container gắn tàu, điều khiển phải đáp ứng yêu cầu tàu chịu cấp sóng lớn cho phép xếp dỡ hàng hóa ngồi biển Hệ thống điều khiển thực đồng thời chức năng: Điều khiển dẫn động xe trống tời tới vị trí mong muốn; giữ góc lắc hàng nhỏ góp phần ổn định thân tàu trình làm việc Do yêu cầu thời gian làm hàng đòi hỏi cần trục phải làm việc nhanh Chuyển động nhanh cần trục gây lắc hàng mức, điều ảnh hưởng đến độ xác, chất lượng, hiệu an toàn trình làm việc cần trục Do đó, cần phải có hệ thống điều khiển tốt để đáp ứng yêu cầu thời gian an toàn trình hoạt động cần trục Đề tài “Nghiên cứu hệ thống điều khiển phi tuyến bền vững cho cần trục container đặt phao nổi” nghiên cứu bước đầu để tiến tới tự thiết kế, chế tạo cần trục đặt phao nước ta Mục đích nghiên cứu Xây dựng thuật tốn điều khiển áp dụng cho hệ cần trục-tàu Kết nghiên cứu đề tài góp phần cải tiến áp dụng vào thiết kế cần trục container nói chung cần trục container gắn tàu, từ nâng cao hiệu khai thác an tồn q trình vận hành cần trục container Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu cần trục container gắn mẫu tàu MH-A1-250 Viện KAIST đề xuất - Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu xây dựng hệ thống điều khiển phi tuyến bền vững cho cần trục container đặt phao dựa mơ hình động lực học hai chiều sáu bậc tự Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp lý thuyết thực nghiệm, cụ thể sau: - Nghiên cứu lý thuyết: Thiết kế thuật tốn điều khiển dựa mơ hình tốn đối tượng thực Ứng dụng ngơn ngữ lập trình MATLAB®/Simulink® để mơ số đáp ứng thuật toán điều khiển - Nghiên cứu thực nghiệm: Kiểm chứng thuật tốn điều khiển mơ hình thực nghiệm phịng thí nghiệm Ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tiễn - Ý nghĩa khoa học: Kết luận án làm sở cho việc áp dụng thuật toán điều khiển phi tuyến cho cần trục container đặt phao chịu kích động sóng biển Ngồi ra, sở cho nghiên cứu động lực học điều khiển cần trục tương lai - Ý nghĩa thực tiễn: Kết luận án góp phần nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển cần trục container đặt phao chịu kích động sóng biển Những đóng góp luận án Đề tài xây dựng thành cơng ba thuật tốn điều khiển cho cần trục container đặt phao chịu kích động sóng biển thuật tốn điều khiển trượt bậc hai (SOSMC), thuật toán điều khiển trượt bậc hai tích hợp mạng nơ ron (NN-SOSMC) thuật tốn điều khiển trượt bậc hai tích hợp quan sát (OB-SOSMC) Thuật toán điều khiển SOSMC bền vững với thơng số bất định nhiễu ngồi giới hạn Trong đó, thuật tốn điều khiển NN-SOSMC đảm bảo tính thích nghi bền vững khơng cần biết thơng tin mơ hình động lực học bao gồm thơng số hệ thống Bộ quan sát trạng thái xây dựng để ước lượng vận tốc dịch chuyển cấu góp phần giảm giá thành chế tạo hệ thống lắp đặt nhiều cảm biến Kết cấu luận án Luận án gồm 115 trang A4 (không kể phụ lục), thứ tự gồm phần sau: Mở đầu; nội dung (được chia thành bốn chương); kết luận; hướng nghiên cứu tiếp theo; danh mục cơng trình khoa học cơng bố kết nghiên cứu đề tài luận án (06 công bố quốc tế, 05 công bố nước, 01 đề tài nghiên cứu khoa học cấp bộ); danh mục tài liệu tham khảo (11 tài liệu tham khảo tiếng Việt, 121 tài liệu tham khảo tiếng Anh, 10 tham khảo từ website) phụ lục (06 phụ lục) CHƯƠNG I TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề Cảng biển nơi luân chuyển hàng hóa khu vực khác giới mắt xích quan trọng vận chuyển hàng hóa đường biển Tuy nhiên, thách thức lớn cảng biển khả tiếp nhận tàu container cỡ lớn lực cảng biển hạn chế, đặc biệt luồng vào cảng nông hẹp Đứng trước hội thách thức này, cảng biển phải có thay đổi sở hạ tầng để đáp ứng yêu khai thác Tuy nhiên, giới, số cảng biển đạt đến giới hạn không cho phép mở rộng, số khu vực tắc nghẽn, số khu vực khác hạ tầng chưa phát triển dẫn đến thách thức cho việc thay đổi sở hạ tầng cảng (Hình 1.2) Việt Nam quốc gia có đường bờ biển dài, có nhiều lợi việc phát triển cảng biển Tuy nhiên, cảng biển Việt Nam lại phân tán, khả tiếp nhận tàu cảng biển hạn chế Theo thống kê khoảng 1% số cảng Việt Nam có khả tiếp nhận tàu có trọng tải 50.000 DWT Điều ảnh hưởng lớn đến khả thu hút hàng hóa thơng qua cảng biển Việt Nam Nguyên nhân dẫn đến điều cảng lớn Việt Nam có luồng nơng hẹp Từ phân tích trên, thấy cảng biển cần đề xuất phương án để nâng cao lực xếp dỡ tiếp nhận tàu container cỡ lớn Hình 1.2 Thực trạng cảng giới [140]1 Các phương án trung chuyển hàng hóa ngồi khơi đưa ra, gồm có: sử dụng cảng nổi; xây dựng cảng trung chuyển ngồi khơi sử dụng mơ hình cảng di động Trong ba phương án trên, phương án sử dụng mơ hình cảng di động (Hình 1.7) quan tâm phát triển phương thức vận chuyển kỷ XXI Viện KAIST Hàn Quốc đề xuất ba mẫu tàu đóng vai trị cảng di động tham gia chuyển tải khu vực tàu container cỡ lớn tiếp cận (Hình 1.8) Sau đó, container tàu đưa vào sâu cảng thực xếp dỡ bến cảng Có thể thấy, với độ sâu cảng Việt Nam khả đáp ứng mặt kinh tế, mẫu tàu MH-A1-250 (có sức chở tối đa 252 TEU, độ sâu luồng yêu cầu 5,3 m) phù hợp việc phát triển phương thức chuyển tải cảng biển nước ta giai đoạn Do đó, đề tài tập trung vào nghiên cứu xây dựng hệ thống điều khiển cho đối tượng Hình 1.7 Mơ hình cảng di động [140] Hình 1.8 Ba mẫu tàu Viện KAIST đề xuất [141] Thứ tự trích dẫn thứ tự hình vẽ tuân theo thứ tự tồn văn luận án 1.2 Tình hình nghiên cứu Về động lực học: Các nghiên cứu động lực học cần trục tập trung vào đối tượng cần trục đặt cứng [15, 26, 38, 65, 67, 76, 77, 93] cần trục đặt đàn hồi [70, 120, 123] Các nghiên cứu chưa đề cập đầy đủ đến yếu tố đàn hồi cáp nâng, kích động sóng biển tải trọng gió tác động lên đối tượng điều khiển Về điều khiển: Có nhiều thuật tốn điều khiển sử dụng nghiên cứu điều khiển cần trục, thuật tốn điều khiển có ưu nhược điểm khác nhau, kể đến thuật tốn: điều khiển tuyến tính (Linear Control), điều khiển phi tuyến (Non-linear Control), điều khiển tối ưu (Optimal Control), điều khiển bền vững (Robust Control), điều khiển thích nghi (Adaptive Control), điều khiển đại/điều khiển thơng minh (Modern Control/Intelligent Control) - Điều khiển tuyến tính: Đa phần nghiên cứu điều khiển cần trục sử dụng kết hợp thuật tốn điều khiển tuyến tính (PID, PD) với hỗ trợ thuật toán điều khiển khác để điều khiển vị trí lắc hàng [47, 111, 130] Một điều khiển tuyến tính khác điều khiển phản hồi trạng thái (State Feedback Controller) sử dụng cho điều khiển cần trục kiểu cần để điều khiển góc lắc hàng cần chuyển động theo phương ngang phương thẳng đứng [52, 90, 122] Tuy nhiên, việc thiết kế điều khiển tuyến tính cho hệ cần trục khơng xác với mơ hình thực Các yếu tố phi tuyến gió, sóng biển, thay đổi chiều dài cáp nâng ma sát không kể đến - Điều khiển phi tuyến: Sử dụng kỹ thuật phản hồi tuyến tính hóa (Feedback Linearization) [57, 66, 70, 92] phi tuyến dựa tảng Lyapunov [39, 46, 54, 78], với thuật toán điều khiển này, điều khiển phải biết xác mơ hình tốn đối tượng thực Mặt khác, thuật tốn khơng bền vững với thay đổi tham số điều khiển, nhiễu số tham số hệ thống thay đổi làm cho hệ thống điều khiển ổn định - Điều khiển tối ưu: Thuật toán điều khiển tối ưu không tập trung cải thiện chất lượng đáp ứng (thời gian tăng, lượng điều chỉnh,…) mà tập trung vào số mục tiêu cụ thể tối ưu lượng, thời gian…[37, 73] - Điều khiển bền vững: Thuật toán điều khiển bền vững biết đến với khả ổn định với thay đổi nhiễu thông số hệ thống Nhiều thuật toán điều khiển bền vững áp dụng cho hệ phi tuyến hệ tuyến tính Thuật toán điều khiển SMC dùng cho hệ phi tuyến hệ tuyến tính Phương pháp điều khiển áp dụng với điều khiển SMC phù hợp để sử dụng cho hệ thống cần trục làm việc hiệu xác điều kiện làm việc khác cần trục [71] Có vài cơng bố điều khiển cầu trục sử dụng thuật toán SMC [23, 75, 99] Như vậy, với thuật toán điều khiển bền vững, hệ thống điều khiển không cần mô hình tốn q xác, bền vững với nhiễu ngồi (sóng, gió…) nhiễu (cảm biến, nội điều khiển…) - Điều khiển thích nghi: Khả thích nghi với thay đổi thơng số hệ thống nhiễu tác động nhà nghiên cứu phát triển việc sử dụng phương pháp điều khiển thích nghi hệ thống cầu trục [33, 42, 88, 113-115, 117, 129], [112] cho hệ thống cần trục tháp Bộ điều khiển thích nghi có khả ước lượng tham số khơng chắn dựa lý thuyết ổn định Lyapunov Do đó, với ưu điểm này, nhà nghiên cứu thiết kế thuật tốn điều khiển dựa mơ hình phi tuyến đại diện cho hệ thống phi tuyến [88] Điều khiển hệ cầu trục hụt dẫn động với tham số thay đổi đề xuất nghiên cứu [114] Tính thích nghi hệ thống chắn thông số hệ thống khả dẫn động đến vị trí xác giảm góc lắc hàng - Điều khiển đại: Hai thuật toán điều khiển đại áp dụng hiệu lĩnh vực điều khiển gồm thuật toán điều khiển mạng nơ ron thuật toán điều khiển logic mờ Việc sử dụng mạng nơ ron có ý nghĩa cách tiếp cận thơng minh để đối phó với vấn đề mơ hình tốn [28, 38, 44, 97] Bộ điều khiển logic mờ có khả thích nghi mạnh mẽ khơng bắt buộc phải có mơ hình xác đối tượng điều khiển [16, 89, 95, 103, 104, 119] Về thực nghiệm: Thực tế cho thấy, giới có nhiều cơng trình nghiên cứu động lực học điều khiển cần trục bao gồm mô thực nghiệm công bố Các nghiên cứu thử nghiệm mơ hình phịng thí nghiệm để kiểm chứng thuật tốn điều khiển đề xuất trước áp dụng vào thực tế [18, 76, 79, 103, 110, 125] Các nghiên cứu thường sử dụng mơ hình cần trục 3D hãng INTECO chế tạo Tuy nhiên, với toán điều khiển cần trục đặt phao mơ hình khơng thể đáp ứng Do đó, cần xây dựng mơ hình thí nghiệm sát với u cầu nghiên cứu đặt 1.3 Hướng nghiên cứu Với phân tích trên, đề tài tập trung vào nghiên cứu điều khiển cần trục container đặt tàu Với đối tượng này, vài nghiên cứu đề cập đến [24, 34, 53, 54, 85, 87, 108, 109, 120] Các nghiên cứu thường đơn giản mơ hình tốn để thiết kế tốn điều khiển Từ đó, đề tài đề xuất hướng nghiên cứu để giải vấn đề cịn tồn có cải tiến sau đây: Về động lực học: Kể từ nghiên cứu thống kê động lực học cần trục [13], cơng trình nghiên cứu trước đa số tập trung vào nghiên cứu động lực học cần trục đặt cứng Sau đó, nghiên cứu động lực học cần trục khơng có cải tiến mơ hình Việc cải tiến mơ hình đề cập đến đề tài việc sử dụng mơ hình cần trục đặt phao có kể đến đàn hồi kích động sóng biển, co dãn cáp nâng, tác động gió Mơ hình sát với thực tế, kể đến số yếu tố mà cơng trình nghiên cứu trước bỏ qua xây dựng mơ hình đối tượng điều khiển Về điều khiển: Dựa mô hình tốn xây dựng, đề tài cải tiến thiết kế ba thuật toán điều khiển phi tuyến bền vững cho đối tượng điều khiển cần trục container đặt phao chịu kích động sóng biển Thuật tốn SOSMC đảm bảo tính bền vững điều khiển thơng số mơ hình thơng số hệ thống thay đổi Trong đó, thuật toán điều khiển NN-SOSMC đảm bảo yếu tố bền vững thích nghi Tính thích nghi thuật tốn điều khiển NN-SOSMC thể việc tự ước lượng thơng số mơ hình mơ hình tốn đối tượng điều khiển Thuật tốn điều khiển OB-SOSMC góp phần giảm giá thành chế tạo hệ thống điều khiển việc sử dụng quan sát thay cho cảm biến đo vận tốc cấu Về thực nghiệm: Mơ hình thực nghiệm xây dựng mơ hình cải tiến so với mơ hình hãng INTECO chế tạo Mơ hình xây dựng có đầy đủ đặc điểm mơ hình cần trục hãng INTECO sản xuất Tuy nhiên, mơ hình có cải tiến sau: (i) Thiết kế đế kích động sáu bậc tự để tiến hành giả lập sóng biển kích động lên cần trục 3D; (ii) Sử dụng biến tần để điều khiển tốc độ động điện xoay chiều không đồng ba pha theo hai phương thay cho việc sử dụng hoàn toàn động điện chiều 1.4 Kết luận chương Với nội dung trình bày, chương giải vấn đề sau: Phân tích nhu cầu vận chuyển hàng hóa đường biển, nêu thực trạng cảng biển giới Việt Nam, từ vấn đề tồn khai thác cảng biển, đặc biệt khả tiếp nhận tàu container cỡ lớn Phân tích phương án sử dụng để chuyển tải tàu container cỡ lớn khơng thể cập cảng Từ phương án khả thi sử dụng mơ hình cảng di động (Mobile Harbor) Viện KAIST Hàn Quốc đề xuất việc chuyển tải container Phân tích cơng trình nghiên cứu ngồi nước liên quan đến động lực học điều khiển cần trục Từ đề xuất hướng nghiên cứu cho đề tài với việc xây dựng hệ thống điều khiển phi tuyến bền vững cho cần trục container đặt phao chịu kích động sóng biển, đàn hồi cáp nâng, thay đổi tải trọng gió dựa cải tiến mơ hình đối tượng điều khiển, thuật tốn điều khiển phương thức thực nghiệm CHƯƠNG II ĐỘNG LỰC HỌC CẦN TRỤC CONTAINER ĐẶT TRÊN PHAO NỔI 2.1 Xây dựng mơ hình dao động Một số giả thiết xây dựng mơ hình: Chuyển động cần trục thực không gian hai chiều (2D); Đàn nhớt nước biển quy hai đệm đàn hồi có độ cứng hệ số cản (k1 , b1 ) (k2 , b2 ) ; Tàu cần trục coi vật, khối lượng cần trục quy đổi khối lượng tàu Do khối lượng tàu lớn, trọng tâm hệ quy đổi trọng tâm tàu nằm xung quanh mặt phẳng sườn tàu; Bỏ qua khối lượng cáp nâng, đàn hồi cáp nâng tuyến tính; Góc lắc cáp nâng giới hạn khoảng (       ), góc lắc tàu giới hạn khoảng (    b  ); Ma sát đường chạy xe con, ma sát quay tời tuyến tính; Bỏ 2 qua khe hở lắp ráp, khe hở động  y a1 xt C Jm,rm Xe Mm ut A φm mt θ k3 b3 a2 s Mw xc mc yc φb y Pông tông O a3 G k1 b1 mb,Jb x a4 Fw k2 b2 Hình 2.2 Mơ hình vật lý cần trục container đặt phao Mơ hình dao động cần trục container đặt phao nổi, tàu có khối lượng mơ men (mb ; J b ) đặt đàn hồi nước biển với hệ số đàn hồi k1 k Chọn hệ quy chiếu Oxy hệ quy chiếu tuyệt đối, trọng tâm tàu có tọa độ y nghiêng góc  b Cần trục gắn tàu với xe có khối lượng mt gắn trống tời có bán kính rm mơ men J m , cáp nâng có chiều dài l (t ) gắn vào trống tời bị thay đổi chiều dài trống tời quay Cáp nâng có giả thiết đàn hồi với hệ số đàn hồi k3 , container có khối lượng mC Khi hoạt động, cáp nâng lắc với góc  Như vậy, hệ hệ bậc tự do, gồm có: dịch chuyển xe xt , góc quay tời  m , góc lắc cáp nâng  , độ dãn cáp nâng s , dịch chuyển trọng tâm tàu theo phương thẳng đứng y góc lắc tàu  b , ( xmt , ymt ) tọa độ suy rộng ứng với xe con, ( xC , yC ) tọa độ suy ứng với container 2.2 Thiết lập phương trình vi phân chuyển động Từ mơ hình dao dộng cần trục container đặt phao nổi, dựa phương trình Lagrange loại hai, ta xây dựng hệ phương trình vi phân chuyển động gồm sáu phương trình vi phân cấp hai, hệ phương trình vi phân cấp hai viết gọn dạng ma trận sau: (2.15)2 M(q)q  C(q, q)q  G(q)  U  W Trong đó, T U  ut M m 0 0 véc tơ lực dẫn động, gồm lực kéo xe để thay đổi vị trí xe mô men quay tời để thay đổi chiều dài cáp nâng; M(q)  R66 ma trận quán tính khối lượng; C(q, q)  R66 ma trận quán tính ly tâm Coriolis; G(q)   g1 g2 g3 g4 g6  T g5 véc tơ lực trọng trường; W  [0 f w Fw M w ] véc tơ nhiễu tác động lên cần trục, gồm kích động sóng biển tải trọng gió 2.3 Mơ hình khơng gian trạng thái Để mơ số, phương trình chuyển động hệ chuyển thành mơ hình khơng gian trạng thái với 12 biến trạng thái, x1  xt , x2  xt , x3   m , x4   m , x5   , x6   , x7  s, x8  s, x9  y, x10  y, x11  b , T x12  b 2.4 Phương pháp số giải hệ phương trình vi phân phi tuyến Có nhiều phương pháp tính tốn số để giải hệ phương trình vi phân phi tuyến, kể đến: phương pháp Runge-Kutta [29], phương pháp Runge-Kutta-Nyström [36], phương pháp Adams [72], phương pháp dự báo hiệu chỉnh (predictor-corrector) [81], phương pháp Newmak [31] Trong đó, phương pháp Newmark phương pháp tích phân bước Véc tơ trạng thái thời điểm tn 1  tn  h xác định từ véc tơ trạng thái thời điểm tn qua khai triển Taylor hàm dịch chuyển vận tốc Phương pháp Newmark lựa chọn để giải trực tiếp hệ phương trình vi phân chuyển động (2.15) 2.5 Các kết tính tốn Để tính tốn động lực học cần trục container đặt phao mơ hình Hình 2.2, ta tính tốn lực mơ men đưa vào để dịch chuyển cấu mô tả cơng thức (2.60) & (2.61) tồn văn luận án Các thơng số tính tốn thể Bảng 2.1 Số thứ tự công thức tuân theo số thứ tự toàn văn luận án Bảng 2.1 Thơng số tính tốn động lực học Thơng số hệ thống Kích động sóng biển a0  c0  0N, a1  b1  3.105 N, a2 = 32 m, a3 = 12.5 m, a4 = 12.5 m, rm = 0.325 m, l0 =15 m, mb = 4500000 kg, mt =5900 kg, mc = 24000 kg, Jb = 571875000 kgm2, Jm = 41700 kgm2, k1 = 1250000 N/m, k2 = 1250000 N/m, k3 = 12000 N/m, b1 = 200 Ns/m, b2=200 Ns/m, b3 = 220 Ns/m, bt = 50 Ns/m, g = 9.81m/s2, bm = 70 Ns/m c1  d1  6.105 Nm, F  M  0.35rad/ s Tải trọng gió a  1.22 kg/m3 ,  7,1m/s, C  1.1, W Kr  0.85, Kh  1.15, Kwd  0.9, Cg  1.05, Ac  14,06 m2 Thông số hệ thống lấy theo thiết kế mẫu tàu MH-A1-250 Viện KAIST [141], thơng số kích động sóng biển lấy dựa phân tích liệu sóng phần mềm mơ Marine Systems Simulator (MSS) nhóm nghiên cứu gồm Thor I Fossen Tristan Perez đến từ trường đại học Bách khoa Na Uy (Norwegian University of Science and Technology), Na Uy [139], thơng số tải trọng gió lấy theo tài liệu “Influence of wind on crane operation” [142] Ngồi ra, mẫu tàu MH-A1-250 có sức chở tối đa 252 TEU thơng số động lực tàu tham khảo thơng số mẫu tàu tương tự trình bày tài liệu “Đặc điểm thiết kế tàu container”[1] Với yêu cầu điều khiển đưa container đến vị trí u cầu, người điều khiển thơng qua tay trang điều khiển dịch chuyển xe trống quay tời để container đến vị trí yêu cầu Vị trí yêu cầu m so với vị trí ban đầu dịch chuyển xe chiều dài cáp nâng nâng lên vị trí m so với vị trí ban đầu cáp nâng có chiều dài 15 m Xe 15,44 giây để đạt đến trạng thái xác lập Tuy nhiên, giá trị xác lập không tiến đến giá trị yêu cầu có dao động lớn Có thể thấy, xe dao động với nhiều tần số, giá trị biên độ dao động có xu hướng tăng lên sai số xác lập có thời điểm lên đến 0,5 m (Hình 2.4) Sự tồn dao động sai số xác lập lớn trình điều khiển xe đến vị trí yêu cầu, người điều khiển thực việc phanh đột ngột làm cho hàng dao động lớn, bên cạnh đó, dao động thân tàu tác động sóng biển tải trọng gió làm cho hàng dao động liên tục Điều thấy rõ đáp ứng góc lắc cáp nâng dao động với biên độ dao động lớn max  7,8 , biên độ dao động góc lắc cáp nâng lặp lại chu kỳ khác khơng có dấu hiệu tắt dần xe trống tời xác lập vị trí (Hình 2.6) Hình 2.5 Chiều dài cáp nâng ((khơng điều khiển) Hình 2.4 Dịch chuyển xe (khơng điều khiển) Thay phương trình (3.5) vào phương trình (3.1) ta dạng đơn giản hệ tương đương: (3.6) M(q)qa  C1 (q,q)qa  C2 (q,q)qu  G(q)  U Trong thành phần hệ tương đương mơ tả sau: 1 M(q)  M11 (q)  M12 (q)M 22 (q)M 21 (q) 1 C1 (q,q)  C11 (q,q)  M12 (q)M 22 (q)C21 (q,q) (3.7) 1 C2 (q,q)  C12 (q,q)  M12 (q)M 22 (q)C22 (q,q) 1 G(q)  G1 (q)  M12 (q)M 22 (q)G (q) với tín hiệu vào tương đương U tương tác tín hiệu điều khiển U1 kích động sóng biển W2 xác định bằng: 1 U  U1 (q,q)  M12 (q)M22 (q)W (3.8) Chú ý rằng, M(q) ma trận xác định dương Xem q a tín hiệu hệ thống, phương trình (3.6) viết thành: 1 qa  M1 (q)U1 (q,q)  M12 (q)M22 (q)W2  C1 (q,q)q a  C2 (q,q)q u  G(q) (3.9) Luật điều khiển tạo U1 (q,q) với tín hiệu hồi tiếp q q đưa trạng T thái hệ q  qa qu  đến mặt trượt đưa q đến vị trí mong muốn Một dạng mặt trượt chuyển mạch có dạng sau: s  ea  βea  ρeu (3.10) Trong đó, ea  qa  qad eu  qu  qud véc tơ sai số; s  R , β  diag( 1 , 2 )  1 0   ρ    ma trận tham số điều khiển Với tác động luật điều  3 4  khiển, quỹ đạo trạng thái q đẩy đến vị trí mặt trượt giữ mặt trượt mãi Để làm điều đó, phương trình ổn định động học mặt trượt đóngmở xét đến (3.11) s  βs  K sgn(s)  Trong đó, K  diag( K1 , K2 ) ma trận xác định dương Thành phần s  βs đảm bảo ổn định số mũ, thành phần K sgn(s) trì tính bền vững ổn định mặt trượt Thay phương trình (3.9) (3.10) vào phương trình (3.11) ta thuật tốn SOSMC có dạng: 1 U1 (q,q)  M12 (q)M22 (q)W2  C1 (q,q)q a  C2 (q,q)q u  G(q)  M(q)2βq a  ρqu  βT β(q a  q ad )  βρ(qu  qud )  K sgn(s) (3.12) Ma trận hệ số điều khiển K chọn phép thử sai để chắn giai đoạn tiến tới mặt trượt không dài tượng rung (chattering) giảm Trong thực tế, hệ thống điều khiển không lắp đặt cảm biến để đo nhiễu động bên ngồi Khơng cung cấp thông tin nhiễu W2 , điều khiển đề xuất làm việc tốt chịu tác động nhiễu Trong trường hợp này, thành phần M12 (q)M221 (q)W2 loại bỏ thuật tốn điều khiển (3.12) đơn giản thành: 11 U1 (q,q)  M(q) 2βqa  ρqu  βT β(q a  q ad )  βρ(qu  qud )  K sgn(s)  C1 (q,q)q a  C2 (q,q)qu  G(q) (3.13) Phân tích ổn định hệ (2.15) với dẫn động điều khiển SOSMC (3.13) dựa ổn định Lyapunov ta chứng minh s bị chặn mặt trượt ổn định tiệm cận, lim s  t  3.3 Điều khiển trượt tích hợp quan sát Trong mơ phỏng, tín hiệu phản hồi trạng thái gồm véc tơ tọa độ suy rộng q   xt m  y b  đạo hàm q   xt m  T y b  Trong thực tế, hệ thống điều khiển sử dụng sáu cảm biến để đo sáu thành phần véc tơ tín hiệu q , sáu thành phần véc tơ phản hồi vận tốc q xấp xỉ đạo hàm số quan sát trạng thái Trong phần này, tác giả thiết kế quan sát để ước lượng thành phần vận tốc q xem tín hiệu hệ thống mơ hình động lực học cần trục (2.15) viết lại dạng mơ hình khơng gian trạng thái: (3.19) x1  x s T s x2  M-1 (x1 ) F  C(x1 , x )x  G(x1 ) (3.20) Trong đó, x1  q  R6 x2  q  R6 định nghĩa trạng thái hệ thống Dựa dạng mơ hình động lực học (3.19) & (3.20) tham khảo kết cơng trình nghiên cứu [30], tác giả xây dựng ước lượng Luenberger sau: xˆ  xˆ   (x1  xˆ ) (3.21) xˆ  M (x1 ) Fˆ  C(x1 , σv (x2 ))  G(x1 )     (x1  xˆ ) (3.22) Trong đó, (xˆ , xˆ ) giá trị xấp xỉ (x1 , x )  ,  ,  ma trận thông số 1 quan sát V  R6 véc tơ giới hạn vận tốc x2, yếu tố phải thỏa mãn xi  Vi (i   6) σ v (x ) hàm tới hạn Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển trượt bậc hai tích hợp quan sát 12 T Do đó, tương ứng với tín hiệu vào Fˆ  Fˆ c 0 tín hiệu q hệ thống điều khiển, quan sát Luenberger (3.21) & (3.22) sử dụng để xấp xỉ (q, q) trường hợp q đo q khơng đo Tiếp đó, thông số trạng thái xấp xỉ (xˆ , xˆ )  (qˆ , qˆ ) hồi tiếp đến điều khiển Tương ứng với quan sát (3.21) & (3.22) Với điều khiển SOSMC, quan sát tích hợp vào điều khiển định nghĩa sau:   U1 (xˆ , xˆ )  M(xˆ ) 2βqˆ a  ρqˆ u  βT β(qˆ a  qˆ ad )  βρ(qˆ u  qˆ ud )  K sgn(sˆ )  C1 (xˆ , xˆ )qˆ a  C2 (xˆ , xˆ )qˆ u  G(xˆ ) (3.24) (3.25) sˆ  eˆ a  βeˆ a  ρeˆ u với eˆ a  qˆ a  qad eˆ u  qˆ u  qud Nghiên cứu nhóm tác giả báo [30] chứng tỏ quan sát động lực học (3.21) & (3.22) ổn định toàn cục theo số mũ sai số ước lượng tốc độ hội tụ phụ thuộc vào thông số thiết kế quan sát 3.4 Điều khiển trượt tích hợp mạng nơ ron Bộ điều khiển SOSMC (3.13) sử dụng hiệu trường hợp chắn thông số hệ thống Mặc dù điều khiển (3.13) giữ cho đáp ứng hệ thống quán yêu cầu thông tin từ cấu trúc đối tượng điều khiển Một điều khiển thích nghi-bền vững điều khiển khơng cần thiết phải biết hầu hết thành phần đối tượng điều khiển cần trục container gắn tàu đề xuất Bộ ước lượng RBFN thiết kế tích hợp vào vòng lặp điều khiển để ước lượng cấu trúc đối tượng điều khiển bao gồm M(q) , C(q,q) G(q) Khi đó, thuật tốn điều khiển SOSMC (3.13) viết lại thành: 2βqa  ρqu  βT β(qa  q ad )    (3.27) U1 (q,q)  f(q,q)  M(q)    βρ ( q  q )  K sgn( s )    u ud  với (3.28) f(q,q)  C1 (q,q)qa  C2 (q,q)qu  G(q) trở thành hệ mơ hình cần trục phi tuyến phức tạp Hình 3.2 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển trượt bậc hai tích hợp mạng nơ ron 13 Khơng biết thơng tin mơ hình hệ thống, điều khiển bền vững (3.27) thơng tin đối tượng điều khiển M(q) , C(q,q) G(q) , thành phần ˆ  R2 điều khiển C (q, q) , C (q,q) , G(q) đại lượng chưa biết Gọi f(q,q) xấp xỉ phi tuyến f(q,q) , thuật toán điều khiển (3.27) viết dạng thích nghi sau: T  2βqa  ρqu  β β(qa  q ad )   ˆ (3.29) U1 (q,q)  f(q,q)  M(q)    βρ ( q  q )  K sgn( s )    u ud  ˆ ˆ (q,q)q  C ˆ (q,q)q  G(q) ˆ C f(q,q) véc tơ hàm phi tuyến, a u ước lượng ˆ Mô hình xác định f(q,q) nhận dạng ngoại tuyến Khi ước lượng mơ hình f(q,q) đủ xác, thay vào cấu trúc điều khiển (3.29) Nhìn chung, mạng RBF bao gồm lớp tín hiệu vào, lớp tín hiệu ẩn lớp tín hiệu Đầu vào mạng nơ ron RBF cho bởi: T z  ea euc eus   R32 (3.30) với euc  (  d ) ( s  sd )  R2 eus  ( y  yd ) (b  bd )  R2 véc tơ sai số phần biến trạng thái bị động tương ứng với cần trục tàu Tín hiệu xấp xỉ mạng nơ ron f(z) xác định bằng: f(z)  WT h(z)  ε (3.31) Trong đó, W ma trận trọng số lý tưởng, h(z) hàm kích hoạt, ε sai số mơ hình mạng nơ ron, ta có: T T  z μ  (3.32) h(z)  exp     2δ2   với μ   ij  véc tơ trung tâm, δ   j  véc tơ độ lệch chuẩn Tiếp đó, tín hiệu ˆ mạng RBFN xấp xỉ f(z) biểu thị bằng: ˆ W ˆ T h(z) f(z) (3.33) Sai số mơ hình ε nhỏ, đó, loại bỏ thấy phương trình (3.27) Áp dụng ổn định Lyapunov, cấu xác định đề xuất để trực tiếp ˆ ˆ sau: ước lượng thành phần phi mô hình f(z) việc xấp xỉ ma trận trọng số W ˆ  Γh(z)sT W (3.34) với Γ  diag(1 ,  , , m ) ma trận chéo xác định dương thơng số thích nghi ˆ Thực tế, cấu (3.40) trực tiếp xấp xỉ f(z) việc xác định xấp xỉ ma trận trọng số ˆ ˆ ánh xạ tín hiệu vào xấp xỉ hệ f(z) gần tốt để xác định thành W phần f(q, q) Phân tích ổn định hệ (2.15) với dẫn động điều khiển NN-SOSMC (2.29) dựa ổn định Lyapunov ta chứng minh s W bị chặn mặt trượt ổn định tiệm cận, lim s  t  3.5 Mô Các thông số đầu vào mô cho Bảng 3.1, thơng số hệ động lực, thơng số sóng biển kích động, thơng số tải trọng gió chọn theo phân tích lý giải chọn thơng số Bảng 2.1 Các tham số điều khiển SOSMC, NNSOSMC OB-SOSMC chọn phương pháp thử sai 14 Hệ động lực a2 = 32 m, a3 = 12.5 m, a4 = 12.5 m, rm = 0.325 m, l0 =15 m, mb = 450000 kg, mt =5900 kg, mc = 24000 kg, Jb = 571875000 kgm2, Jm = 41700 kgm2, k1 = 1250000 N/m, k2 = 1250000 N/m, k3 = 12000 N/m, b1 = 200 Ns/m, b2=200 Ns/m, b3 = 220 Ns/m, bt = 50 Ns/m, g = 9.81m/s2, bm = 70 Ns/m Bảng 3.1 Các thơng số mơ Sóng biển aw0  cw0  0N, aw1  bw1  3.105 N, cw1  d w1  6.105 Nm, F  M  0.35rad/ s Tải trọng gió a  1.22 kg/m3 ,  7,1m/s, CW  1.1, Kr  0.85, Kh  1.15, Kwd  0.9, Cg  1.05, Ac  14,06 m2 Thuật toán điều khiển SOSMC 1  0.21 , 2  0.3 , 1  13 ,   , 3  ,   0.1 , K1  K2  Thuật toán điều khiển NN-SOSMC 1  0.2 , 2  0.4 , 1  13 ,   , 3  ,   0.1 , K1  K2  , i  12,  1.5 μ  0.1  1.5   1.5 δ  2 2 1 0.5 0.1 0.5 1.5 0.5 1 1.5 1 0.5 0.1 0.5 1.5 0.5 1 1.5 ,  1 0.5 0.1 0.5 1.5 0.5 1 1.5 2 2 2 2 Bộ quan sát T xˆ (0)  qˆ (0)  0 0 0 , T xˆ (0)  qˆ (0)  0 0 0 0 , T v  1 0.1 0.5 0.5 0.5 ,   5,   1,   Dựa ngơn ngữ lập trình MATLAB®/Simulink® để mơ cho ta đáp ứng từ Hình 3.4 đến Hình 3.11 Để tăng hiệu suất khai thác, việc nâng hạ container dịch chuyển xe mô thực đồng thời Dưới tác động lực ut mô men M m , dịch chuyển xe (Hình 3.5) chuyển động tời (Hình 3.7) tiệm cận với giá trị đặt góc lắc cáp nâng nhỏ (Hình 3.8) Hình 3.5 Vị trí xe Hình 3.8 Góc lắc cáp nâng Hình 3.7 Chiều dài cáp nâng Hình 3.9 Dao động container dọc theo cáp nâng 15 Hình 3.10 Dao động lắc ngang thân tàu Hình 3.11 Dao động thẳng đứng thân tàu Góc lắc cáp nâng (Hình 3.8) dao động dọc cáp nâng (Hình 3.9) khơng đáng kể đích đến container chuyển động hệ đáng kể Trên Hình 3.8, ta dễ dàng nhận thấy đáp ứng góc lắc cáp nâng ba thuật tốn điều có tính tương đồng Ở giai đoạn q độ, góc lắc lớn thuật toán điều khiển gần nhau, với thuật toán điều khiển NN-SOSMC θmax=2,7°, góc lắc cực đại hai thuật toán điều khiển SOSMC OB-SOSMC θmax=2,8° Biên độ dao động lớn dao động container dọc theo cáp nâng thuật toán điều khiển SOSMC OB-SOSMC giống smax= 0,18 m, với thuật tốn điều khiển NNSOSMC biên độ dao động lớn container dọc theo cáp nâng smax= 0,22 m (Hình 3.9) Tuy nhiên, trạng thái xác lập thuật tốn điều khiển cho đáp ứng điều khiển tương đương tiệm cận với giá trị đặt Tác động sóng lên thân tàu gây dao động nghiêng chúi thân tàu Hình 3.10 & Hình 3.11 Các dao động thống qua kích thích chu kỳ dao động với tần số: Dao động riêng hệ cần trục-tàu dao động cưỡng sóng biển Mục đích điều khiển đề xuất ổn định tiệm cận với tín hiệu đặt để dịch chuyển container tới vị trí u cầu giữ cho góc lắc dao động dọc cáp container nhỏ Các thuật toán điều khiển khơng thể hồn tồn dập tắt dao động thân tàu kích động sóng biển Tuy nhiên, chúng gián tiếp góp phần vào việc ổn định biên tàu cần trục container ổn định tiệm cận Trong q trình khai thác cần trục có nhiều yếu tố thay đổi tác động lên hệ thống với dải thay đổi rộng Để xem xét tính bền vững hệ thống điều khiển, đề tài mô xem xét đáp ứng hệ thống cho hai trường hợp sau đây: Trường hợp 1: Thay đổi tần số sóng kích động F  M  0,2 rad/s, khối lượng tàu 2.800.000 kg Sử dụng container 20 feet với diện tích chắn gió AC  14,06 m2, tốc độ gió   5, 2m/s (ứng với cấp gió Bơ-pho cấp 3), khối lượng hàng 24.000 kg Trường hợp 2: Thay đổi tần số sóng kích động F  M  0,5 rad/s, khối lượng tàu 4.500.000 kg Sử dụng container 40 feet với diện tích chắn gió AC  28,7 m2, tốc độ gió   8, 8m/s (ứng với cấp gió Bơ-pho cấp 5), khối lượng hàng 30.480 kg Hình 3.14 Vị trí xe (thử tính bền vững hệ thống điều khiển) Hình 3.15 Chiều dài cáp nâng (thử tính bền vững hệ thống điều khiển) 16 Hình 3.16 Góc lắc cáp nâng (tính bền vững hệ thống điều khiển) Hình 3.17 Dao động container dọc theo cáp nâng (tính bền vững hệ thống điều khiển) Hình 3.18 Dao động lắc ngang thân tàu (tính bền vững hệ thống điều khiển) Hình 3.19 Dao động thẳng đứng thân tàu (tính bền vững hệ thống điều khiển) Khi nhiễu thông số hệ thống thay đổi, hệ thống điều khiển đảm bảo ổn định với dải thay đổi lớn Các đáp ứng hệ thống đạt yêu cầu trình làm việc Cơ cấu dẫn động đưa container đến vị trí yêu cầu cách xác Vị trí xe (Hình 3.14) chiều dài cáp nâng (Hình 3.15) hai trường hợp đề xuất đạt giá trị yêu cầu, không tồn độ điều chỉnh sai số xác lập nhỏ Góc lắc cáp nâng (Hình 3.16) dao động container dọc theo cáp nâng (Hình 3.17) giữ nhỏ giai đoạn chuyển tiếp triệt tiêu đích đến Chức hệ thống điều khiển dẫn động dịch chuyển đến vị trí yêu cầu Tuy nhiên, tính bền vững hệ thống điều khiển thể rõ việc khối lượng hàng khối lượng tàu thay đổi lớn dao động lắc ngang thân tàu (3.18) dao động thẳng đứng thân tàu (3.19) giữ ổn định biên Như vậy, thay đổi thông số nhiễu, thông số hệ thống, hệ thống điều khiển đảm bảo ổn định trình làm việc Kết luận chương Chương thực nội dung sau: Xây dựng ba thuật toán điều khiển phi tuyến bền vững cho cần trục container đặt phao dựa mô hình tốn Chương 2, gồm: thuật tốn điều khiển trượt bậc hai (SOSMC), thuật toán điều khiển trượt bậc hai tích hợp mạng nơ ron (NN-SOSMC), thuật tốn điều khiển trượt tích hợp quan sát (OB-SOSMC) Các thuật tốn điều khiển xây dựng có kế thừa bổ sung cho Các kết mô hệ thống điều khiển bền vững với thay đổi nhiễu thay đổi thông số hệ thống CHƯƠNG IV THỰC NGHIỆM 4.1 Mơ hình thực nghiệm Hệ thống cần trục container thiết kế với chiều cao m, chiều rộng m, chiều dài 1.6 m, cho phép nâng hạ chuyển tải với tải trọng hàng tối đa 20 kg Xe dẫn 17 động động điện xoay chiều khơng đồng ba pha dịch chuyển dầm cần trục container Dầm dẫn động động xoay chiều ba pha để thay đổi vị trí làm hàng cần trục container động điện chiều dẫn động quay tời để thay đổi chiều dài cáp nâng Cũng giống tốn mơ phỏng, trình thực nghiệm ba cấu thực đồng thời để nâng cao hiệu giảm thời gian làm hàng Mơ hình hệ thống cần trục container phịng thí nghiệm mơ tả Hình 4.1 Dưới tác động đế kích động, cần trục liên tục dao động Cần trục rung lắc ổn định cấu khơng điều khiển xác Bộ điều khiển phải đáp ứng yêu cầu điều khiển phải giữ cho hệ thống ổn định suốt trình cần trục container làm việc Khi xây dựng mơ hình thực nghiệm cần trục cần có tính tương đồng với đối tượng thực nhiều tốt Tuy nhiên, mơ hình cịn số điểm khác biệt, số giả thiết cần kể đến xây dựng mơ hình tiến hành thực nghiệm Sự khác biệt giả thiết đưa vào thiết kế mơ hình cần trục khơng ảnh hưởng đến tính trung thực kết thực nghiệm mục đích tốn đặt Các giả thiết bao gồm: Hệ cần trục-đế kích động dao động với tần số giai đoạn chuyển tiếp tiếp tục giai đoạn ổn định liên kết cứng đế kích động cần trục Biên độ đế kích động thay đổi tuần hoàn với vài tần số lựa chọn tương đương với tần số dao động sóng biển; Chưa tính đến đàn hồi cáp nâng thay đổi chiều dài cáp nâng thực phịng thí nghiệm nhỏ Mơ hình thực nghiệm xây dựng mơ hình có khả nặng thực chuyển động không gian ba chiều (3D) Thực nghiệm chuyển động không gian hai chiều (2D) để phù hợp với mơ hồn tồn thực với việc dầm khơng chuyển động Mặt khác, đế kích động tạo dao động với sáu bậc tự do, việc tạo dao động theo hai bậc tự (heave, roll) hồn tồn thực Các kích thước hình học cần trục không ảnh hưởng lớn đến kết thử nghiệm chất việc thử nghiệm thử đáp ứng thuật toán điều khiển Xe Cần trục container Tủ điều khiển đế kích động Dầm Quạt Mã hàng Đế kích động sáu bậc tự Tủ điều khiển cần trục Vi điều khiển NI MyRIO-1900 PC Hình 4.1 Hệ thống cần trục container phịng thí nghiệm 18 Các encoders Xử lý tín hiệu (đạo hàm số, lọc tần số thấp) Tín hiệu đặt xd ld θd=0 Cấp sóng yêu cầu Đơn nguyên điều khiển cần trục (1) Phần cứng: + Biến tần để điều khiển động xoay chiều pha + Mạch cầu H + Kit vi điều khiển hãng NI (MyRIO1900) gồm mạch (card) giao tiếp vi xử lý + Máy tính (2) Phần mềm: + Thuật tốn điều khiển + MATLAB/Simulink/Labview Đơn nguyên điều khiển đế kích động (1) Phần cứng: + Kit Master Arduino MEGA 2560 Kit Slave Arduino UNO + Máy tính (2) Phần mềm: + Phần mềm mã nguồn mở IDE Arduino Động xoay chiểu pha dẫn động xe Cần trục container Tín hiệu Động xoay chiểu pha dẫn động cần trục θ Động chiều nâng hạ tải Trục nâng Hình 4.4 Sơ đồ khối hệ thống thực nghiệm 19 Đế kích động 4.2 Hệ thống điều khiển Mơ hình cần trục container phịng thí nghiệm thể chi tiết sơ đồ Hình 4.4, hệ thống gồm hai phần cần trục container đế kích động Cần trục container trang bị ba động điện, hai động điện xoay chiều không đồng ba pha sử dụng để dẫn động xe dẫn động dầm chính, động điện chiều sử dụng để quay tời với mục đích thay đổi chiều dài cáp nâng Sở dĩ đề tài sử dụng đồng thời động điện xoay chiều không đồng ba pha động điện chiều kết hợp đồng thời hai phương pháp điều khiển tốc độ động điều khiển biến tần động điện xoay chiều không đồng ba pha điều khiển tốc độ động điện chiều PWM Ngoài ra, đề cập việc sử dụng động điện xoay chiều khơng đồng ba pha có ưu điểm gần với thực tế thực tế việc dẫn động cấu cần trục hoàn toàn sử dụng động điện xoay chiều không đồng ba pha Dưới yêu cầu điều khiển, điều khiển thiết kế đưa tín hiệu để điều khiển hai động xoay chiều ba pha dùng để dẫn động xe dẫn động cần trục động điện chiều để nâng/hạ hàng tiến tới giá trị yêu cầu đồng thời giữ cho góc lắc hàng nhỏ q trình làm việc cần trục Các tín hiệu đo cảm biến phản hồi điều khiển dạng chuyển vị Các tín hiệu vận tốc xử lý thông qua việc đạo hàm số, quan sát, lọc tần số thấp Đế kích động robot song song sáu bậc tự dùng để tạo kích động kích động sóng tác động lên thân tàu tàu làm việc ngồi biển Với u cầu cấp sóng khác tác động hệ thống điều khiển mạch hở, đế kích động dịch chuyển tạo kích động ứng với cấp sóng đưa vào điều khiển Các liệu cấp sóng liệu ngẫu nhiên để đảm bảo tính tương đồng mơ hình thực nghiệm phịng thí nghiệm mơ hình thực tế 4.3 Kết thực nghiệm Hình 4.16 Vị trí xe (thực nghiệm) Hình 4.17 Chiều dài cáp nâng (thực nghiệm) Hình 4.18 Góc lắc cáp nâng (thực nghiệm) 20 Dưới kích động đế kích động, hệ cần trục-đế kích động dao động liên tục với tần số dao động ngẫu nhiên Nhiệm vụ hệ thống điều khiển dẫn động xe nâng/hạ tải có khối lượng kg đến vị trí yêu cầu đồng thời giữ cho góc lắc cáp nâng nhỏ q trình làm việc Sự sai số khâu ảnh hưởng đến hiệu suất làm hàng Giống mô phỏng, để tăng suất làm hàng, trình thực nghiệm thực đồng thời việc dịch chuyển xe nâng/hạ hàng Xe khoảng giây để dịch chuyển đến vị trí 0,4 m so với vị trí ban đầu, cấu nâng phải khoảng 5,5 giây để hạ tải từ vị trí có chiều dài cáp nâng 0,4 m xuống vị trí có chiều dài cáp nâng 0,8 m Khi đạt đến trạng thái xác lập, nhìn chung thuật tốn điều khiển tích hợp vào hệ thống cho đáp ứng tốt Tuy nhiên, thấy, với hệ thống điều khiển tích hợp quan sát tồn dao động sai lệch tĩnh trạng thái xác lập Điều có tính tương đồng với q trình mơ Mặt khác, với việc điều khiển xe đến vị trí yêu cầu, có tồn độ điều chỉnh điều khiển chịu nhiễu tác động liên tục Tại vị trí xác lập, hệ thống điều khiển nhận tín hiệu ảo gây đế kích động, điều làm cho xe vị trí u cầu Tuy nhiên, việc cải thiện sau xe dẫn động đến vị trí yêu cầu Việc cần trục gắn chặt đế kích động dao động với tần số kích thích đế kích động làm cho việc điều khiển góc lắc cáp nâng trở nên khó khăn nhiều Tuy nhiên, tác động hệ thống điều khiển, góc lắc cáp nâng khống chế Ở giai đoạn độ, góc lắc cáp nâng có dao động với biên độ dao động khơng lớn θmax=2,6° hệ thống điều khiển tích hợp thuật toán điều khiển NN-SOSMC OB-SOSMC, θmax=2,5° với hệ thống điều khiển tích hợp thuật tốn điều khiển SOSMC (Hình 4.18) Ở giai đoạn xác lập, dao động tồn dao động với biên độ nhỏ không ảnh hưởng đến việc dịch chuyển hàng đến vị trí yêu cầu 4.4 Thực nghiệm tính bền vững hệ thống điều khiển Kết mô hệ thống điều khiển bền vững với thay đổi nhiễu tác động thay đổi thông số hệ thống Trong thực nghiệm, để xem xét tính bền vững hệ thống điều khiển, đề tài thực nghiệm với hai trường hợp sau: Trường hợp 1: Khối lượng tải trọng 7,8 kg, kích thước tải trọng (0,1 m x 0.1 m x 0.1 m), tốc độ gió 4,8 m/s Trường hợp 2: Khối lượng tải trọng 15,6 kg, kích thước tải trọng (0,2 m x 0.1 m x 0.1 m), tốc độ gió 8,2 m/s Dao động đế kích động hai trường hợp thay đổi để phù hợp với quy luật thay đổi mô thể rõ toàn văn luận án Các đáp ứng hệ thống điều khiển thể từ Hình 4.21 đến Hình 4.23 Có thể thấy, hệ thống điều khiển đáp ứng tốt yêu cầu điều khiển Góc lắc cáp nâng có dao động khác hai trường hợp góc lắc lớn giai đoạn chuyển tiếp xoay quanh giá trị θmax=2,6° (Hình 4.23) Như vậy, khẳng định hệ thống điều khiển đảm bảo tính bền vững với thay đổi nhiễu thông số hệ thống Hình 4.21 Vị trí xe (thực nghiệm thử tính bền vững hệ thống điều khiển) Hình 4.22 Chiều dài cáp nâng (thực nghiệm thử tính bền vững hệ thống điều khiển) 21 Hình 4.23 Góc lắc cáp nâng (thực nghiệm thử tính bền vững hệ thống điều khiển) 4.5 So sánh kết mô thực nghiệm Để đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển, thơng qua đáp ứng với ba thuật tốn điều khiển mô thực nghiệm Các tiêu chất lượng hệ thống điều khiển gồm: thời gian tăng, độ điều chỉnh, sai lệch tĩnh Các đáp ứng so sánh gồm: vị trí xe con, chiều dài cáp nâng, góc lắc cáp nâng Số chu kỳ dao động đáp ứng liệt kê để đánh giá khả đáp ứng hệ thống điều khiển, đặc biệt với góc lắc cáp nâng Nhìn cách tổng thể, mơ thực nghiệm có quy luật tương đồng đáp ứng tiêu chất lượng hệ thống điều khiển Thứ nhất, thời gian tăng: Đối với thuật tốn điều khiển thời gian tăng đáp ứng tương đương với thuật tốn điều khiển mơ thực nghiệm Tuy nhiên, góc lắc cáp nâng với thuật tốn điều khiển OB-SOSMC, mơ có thời gian tăng nhỏ so với thời gian tăng của thuật toán điều khiển SOSMC NN-SOSMC Tuy nhiên, thực nghiệm, thời gian tăng với đáp ứng góc lắc cáp nâng thuật toán điều khiển OB-SOSMC lại lớn so với hai thuật tốn điều khiển cịn lại Thứ hai, độ điều chỉnh: Nhìn chung đáp ứng trường hợp mơ thuật tốn điều khiển tương đương Tuy nhiên, thực nghiệm sử dụng quan sát thuật tốn điều khiển cho đáp ứng có độ điều chỉnh cực đại với chiều dài cáp nâng 0,015 m Tuy tồn độ điều chỉnh, giá trị nhỏ, không ảnh hưởng nhiều đến chất lượng làm hàng chất lượng hệ thống điều khiển sử dụng thuật toán OB-SOSMC Thứ ba, sai lệch tĩnh: Không tồn sai lệch tĩnh mơ với hai thuật tốn điều khiển SOSMC NN-SOSMC, với thuật tốn điều khiển OB-SOSMC tồn sai lệch tĩnh dịch chuyển xe dao động cáp nâng Trong thực nghiệm, sai lệch tĩnh hai thuật toán điều khiển SOSMC NN-SOSMC tương đương (chỉ tồn dao động cáp nâng) Thuật toán OB-SOSMC tồn sai lệch với ba đáp ứng xét đến vị trí xe con, chiều dài cáp nâng góc lắc cáp nâng Tuy nhiên, mô thực nghiệm, sai lệch khơng đáng kể, đó, khơng ảnh hưởng đến chất lượng q trình làm hàng chất lượng hệ thống điều khiển Thứ tư, số chu kỳ dao động: Để xét đến khả khống chế dao động điều khiển cấu hệ thống dịch chuyển, số chu kỳ dao động kể đến Số chu kỳ dao động mô đáp ứng thuật tốn điều khiển hồn tồn giống Tuy nhiên, thực nghiệm số chu kỳ dao động có sai khác, số chu kỳ dao động hai thuật toán điều khiển SOSMC NN-SOSMC giống (hai chu kỳ với đáp ứng góc lắc cáp nâng), số chu kỳ dao động thuật toán điều khiển OB-SOSMC 2,5 chu kỳ 22 Sự sai lệch kết nguyên nhân chủ yếu sai khác kết cấu kích động mơ thực nghiệm Sai lệch kết thời gian tăng chủ yếu sai khác kết cấu Thời gian tăng thuật tốn điều khiển mơ lớn nhiều so với thời gian tăng thực nghiệm Cùng thuật tốn điều khiển SOSMC, mơ xe phải 15 giây để di chuyển đến vị trí yêu cầu giây để di chuyển đến vị trí yêu cầu thực nghiệm Tương tự, cấu nâng 15 giây để đạt giá trị yêu cầu mô 5,5 giây thực nghiệm Điều giải thích sai lệch kích thước nên quãng đường di chuyển xe con, chiều dài cáp nâng mô lớn nhiều so với thực nghiệm Quãng đường di chuyển xe mô m quãng đường di chuyển xe thực nghiệm 0,4 m Chiều dài cáp nâng thay đổi m từ vị trí cáp nâng có chiều dài 15 m lên vị trí cáp nâng có chiều dài m mơ thay đổi 0,4 m từ vị trí cáp nâng có chiều dài 0,4 m xuống vị trí cáp nâng có chiều dài 0,8 m Sai lệch kết số chu kỳ dao động mô thực nghiệm chủ yếu sai khác kích động Trong thực nghiệm, số chu kỳ dao động lớn so với mơ đế kích động tác động liên tục lên cần trục với chu kỳ dao động nhỏ nhiều so với chu kỳ dao động sóng biển tác động lên thân tàu Cụ thể, số chu kỳ dao động thuật toán điều khiển SOSMC NN-SOSMC thực nghiệm chu kỳ mô chu kỳ, với thuật toán điều khiển OB-SOSMC 2,5 chu kỳ thực nghiệm chu kỳ mô Như vậy, tổng thể, đáp ứng thực nghiệm không tốt mơ q trình mơ bỏ qua số yếu tố xây dựng mơ hình Tuy nhiên, đáp ứng tương đồng quy luật Chất lượng đáp ứng thuật toán điều khiển OBSOSMC không tốt chất lượng đáp ứng hai thuật toán điều khiển SOSMC NN-SOSMC tồn sai số ước lượng Tuy nhiên, chất lượng đáp ứng đáp ứng yêu cầu làm hàng dẫn động cấu đến vị trí yêu cầu cách xác Việc sử dụng quan sát nói giúp giảm giá thành thiết kế bảo trì hệ thống giảm số cảm biến cần lắp đặt hệ thống điều khiển 4.6 Kết luận chương Chương thực nội dung sau: - Xây dựng mơ hình thực nghiệm dựa cải tiến mơ hình hãng INTECO (Ba Lan) cung cấp Mơ hình thực nghiệm đáp ứng yêu cầu thử nghiệm thuật toán điều khiển xây dựng Chương - Tiến hành thử nghiệm thuật toán điều khiển vài trường hợp khác để khẳng định tính bền vững hệ thống khả đáp ứng hệ thống với tác động nhiễu từ bên Kết thử nghiệm số điều sau:  Kết thực nghiệm cho đáp ứng không tốt so với mô Kết tính tương đồng quy luật hai phương pháp mô thực nghiệm;  Hệ thống điều khiển khơng cần biết thơng tin nhiễu sóng biển đáp ứng tốt yêu cầu trình làm việc Đây cải tiến so với cơng trình nghiên cứu trước cần trục đặt phao nổi;  Góc lắc hàng tất trường hợp thực nghiệm triệt tiêu dao động giá trị biên độ nhỏ Sở dĩ khơng thể triệt tiêu hồn tồn góc lắc kích động đế làm cho cần trục dịch chuyển lắc liên tục Bộ điều khiển góp phần giảm góc lắc ổn định dao động góc lắc có thay đổi từ bên tác động lên cần trục; 23  Cơ cấu thích nghi hoạt động tốt khơng biết xác mơ hình tốn hệ thống Do sai số q trình xấp xỉ thơng số mơ hình nên đáp ứng điều khiển sử dụng thuật toán điều khiển NN-SOSMC tốt điều khiển sử dụng thuật toán điều khiển SOSMC;  Bộ quan sát tích hợp vào hệ thống cho đáp ứng khơng tốt hai thuật toán điều khiển SOSMC NN-SOSMC Tuy nhiên, đáp ứng đáp ứng u cầu q trình làm hàng Khi tích hợp quan sát giảm chi phí xây dựng bảo dưỡng hệ thống KẾT LUẬN Luận án hoàn thành mục tiêu nghiên cứu đặt xây dựng hệ thống điều khiển phi tuyến bền vững cho cần trục container đặt phao chịu kích động sóng biển Hệ thống điều khiển đáp ứng tốt với yêu cầu làm hàng điều kiện chịu kích động yếu tố nhiễu ngồi kích động sóng biển tải trọng gió luận án đạt kết cụ thể sau: Luận án phân tích tiềm việc áp dụng cảng di động khu vực cảng có luồng nơng hẹp việc trung chuyển hàng hóa Cảng di động mơ hình vận tải hệ có tính động cao góp phần phát triển cảng biển vận tải thủy nội địa Luận án mơ hình hóa đối tượng điều khiển cần trục container đặt tàu, mô hình phi tuyến phức tạp gần với thực tế để phân tích động lực học hệ thống xây dựng thuật toán điều khiển dựa mơ hình Trên sở phân tích kết tính tốn động lực học mơ hình đối tượng cần thiết phải thiết kế thuật toán điều khiển để chống lắc hàng dẫn động cấu xác an tồn Hệ thống điều khiển bền vững với thay đổi nhiễu thông số hệ thống Chất lượng đáp ứng ba thuật toán điều khiển SOSMC, NN-SOSMC OBSOSMC có tính tương đồng mơ thực nghiệm Trong mơ phỏng, thuật tốn điều khiển dẫn động xác cấu tồn dao động cáp nâng lớn 3° với chu kỳ dao động không tồn độ điều chỉnh Nhiệm vụ hệ thống điều khiển dịch chuyển cấu đến vị trí yêu cầu cách xác đồng thời giảm góc lắc hàng q trình khai thác Tuy nhiên, hệ thống điều khiển lại góp phần làm ổn định thân tàu với chu kỳ dao động thân tàu tăng lên so với khơng tích hợp thuật toán điều khiển Luận án thiết kế quan sát Luenberger tích hợp vào thuật tốn điều khiển để thực ước lượng giá trị vận tốc Kết điều khiển tích hợp quan sát làm việc tốt với độ hội tụ nhanh, chất lượng đáp ứng có giá trị gần giống với hai thuật toán điều khiển SOSMC NN-SOSMC Đây sở để áp dụng quan sát vào thực tế chế tạo hệ thống điều khiển cho cần trục container góp phần giảm giá thành chế tạo hệ thống Với kết đạt được, luận án làm sở cho việc áp dụng thuật toán điều khiển đề xuất vào thực tế chế tạo hệ thống cần trục để nâng cao chất lượng, hiệu làm việc giảm giá thành chế tạo hệ thống điều khiển 24 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CƠNG BỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI LUẬN ÁN A Công bố quốc tế [1] Pham Van Trieu and Le Anh Tuan, “Combined Controls of Floating Container Cranes” in Proceedings of The Fourth International Conference on Control, Automation and Information Sciences (ICCAIS), Changshu, China, October 29-31, 2015 [2] Pham Van Trieu, Hoang Manh Cuong, and Le Anh Tuan, “Advanced sliding mode control of floating container cranes” in Proceedings of the 16th Asian Pacific Vibration Conference, Hanoi, Vietnam, November 24-26, 2015 [3] Pham Van Trieu, Do Duc Luu, Hoang Manh Cuong, and Le Anh Tuan, “Neural network integrated sliding mode control of floating container cranes” in Proceedings of The 11th Asian Control Conference, Gold Coast, Australia, December 17-20, 2017 [4] Le Anh Tuan, Hoang Manh Cuong, Pham Van Trieu, Luong Cong Nho, Vu Duc Thuan, and Le Viet Anh, “Adaptive neural network sliding mode control of shipboard container cranes considering actuator backlash” Mechanical Systems and Signal Processing, 2018 112: p 233-250 [5] Le Viet Anh, Le Xuan Hai, Vu Duc Thuan, Pham Van Trieu, Hoang Manh Cuong, and Le Anh Tuan, “Designing an Adaptive Controller for 3D Overhead Cranes using Hierarchical Sliding Mode and Neural Network” in Proceedings of The International Conference on System Science and Engineering 2018 (ICSSE 2018), Taipei, Taiwan, Jun 28-30, 2018 [6] Le Anh Tuan, Quang Ha, and Pham Van Trieu, “Obsever-based nonlinear robust control of floating container cranes subject to output hysteresis”, Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, 2019.141:p.11102-1-11 B Công bố nước [7] Phạm Văn Triệu, Hoàng Mạnh Cường, Lê Anh Tuấn (2015), "Động lực học cần trục container đặt tàu có kể đến tính đàn hồi cáp", Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải - Số 42/2015 [8] Phạm Văn Triệu, Hoàng Mạnh Cường, Lê Anh Tuấn (2017), "Phân tích động lực học cần trục container coi container vật rắn chuyển động song phẳng ", Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải - Số 51/2017 [9] Phạm Văn Triệu, Hồng Mạnh Cường, Lê Anh Tuấn, "Điều khiển thích nghi trượt tích hợp mạng nơ ron cho cần trục container gắn tàu ", Hội nghị - Triển lãm quốc tế lần thứ Điều khiển Tự động hố VCCA 2017 [10] Phạm Văn Triệu, Hồng Mạnh Cường, Lê Anh Tuấn, “Nghiên cứu thực nghiệm hệ thống điều khiển cổng trục nổi”, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, Số 02/2019 [11] Lê Anh Tuấn, Phạm Văn Triệu, "Điều khiển thích nghi bền vững cần trục tháp với tham số thay đổi ", Hội nghị toàn quốc lần thứ ba Điều khiển Tự động hóa VCCA 2015 C Đề tài nghiên cứu khoa học nghiệm thu [12] Chủ nhiệm đề tài (2018), “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo mơ hình cần cẩu đặt phao phục vụ xếp dỡ container cảng biển Việt Nam”, Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ (Bộ Giao thông vận tải), Mã số DT184028, nghiệm cấp 16/01/2018, đạt loại A ... hoạt động cần trục Đề tài ? ?Nghiên cứu hệ thống điều khiển phi tuyến bền vững cho cần trục container đặt phao nổi? ?? nghiên cứu bước đầu để tiến tới tự thiết kế, chế tạo cần trục đặt phao nước ta... hệ thống KẾT LUẬN Luận án hoàn thành mục tiêu nghiên cứu đặt xây dựng hệ thống điều khiển phi tuyến bền vững cho cần trục container đặt phao chịu kích động sóng biển Hệ thống điều khiển đáp ứng... số hệ thống Nhiều thuật tốn điều khiển bền vững áp dụng cho hệ phi tuyến hệ tuyến tính Thuật tốn điều khiển SMC dùng cho hệ phi tuyến hệ tuyến tính Phương pháp điều khiển áp dụng với điều khiển