Luận án tiến sĩ_Phạm Văn Triệu

Do đó, đề tài sẽ tập trung vào đối tượng này để nghiên cứu xây dựng hệ thống điều khiển đáp ứng được các yêu cầu trong quá trình làm việc của cần trục gắn trên mẫu tàu MH-A1-250... Với[r]

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

PHẠM VĂN TRIỆU

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

PHI TUYẾN BỀN VỮNG CHO CẦN TRỤC CONTAINER ĐẶT TRÊN PHAO NỔI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

PHẠM VĂN TRIỆU

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

PHI TUYẾN BỀN VỮNG CHO CẦN TRỤC CONTAINER ĐẶT TRÊN PHAO NỔI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC; MÃ SỐ: 9520116 CHUYÊN NGÀNH: KHAI THÁC, BẢO TRÌ TÀU THỦY Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Lê Anh Tuấn TS Hoàng Mạnh Cường

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận án cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận án trung thực chưa cơng bố cơng trình khác

Tác giả luận án

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban Giám hiệu, Viện Đào tạo Sau đại học, Khoa Máy tàu biển, Viện Nghiên cứu Khoa học Công nghệ Hàng hải, trường Đại học Hàng hải Việt Nam tạo điều kiện, giúp đỡ tơi suốt q trình học tập nghiên cứu để hồn thành luận án

Tơi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến hai thầy hướng dẫn khoa học PGS TS Lê Anh Tuấn TS Hồng Mạnh Cường tận tình bảo, định hướng, hướng dẫn tơi q trình nghiên cứu thực luận án

Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn chân thành đến đồng nghiệp nơi tơi cơng tác, tới nhóm nghiên cứu sinh ngành kỹ thuật khí động lực, tới bạn bè giúp đỡ, động viên đặc biệt lịng biết ơn gửi tới gia đình tơi ln bên động viên giúp đỡ để tơi hoàn thành luận án

Nghiên cứu sinh

i MỤC LỤC

Trang

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU iv

DANH MỤC CÁC BẢNG vii

DANH MỤC CÁC HÌNH viii

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết luận án

2 Mục đích nghiên cứu

3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu

4 Phương pháp nghiên cứu

5 Ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tiễn

6 Những đóng góp luận án

7 Các nội dung luận án

CHƯƠNG I TỔNG QUAN

1.1 Đặt vấn đề

1.1.1 Thực trạng cảng biển giới Việt Nam

1.1.2 Các phương án trung chuyển container

1.1.3 Trang thiết bị cảng container 14

1.1.4 Các bước chế tạo cần trục container đặt tàu 15

1.2 Tình hình nghiên cứu 17

1.2.1 Ngồi nước 17

1.2.2 Trong nước 26

1.3 Hướng nghiên cứu 27

1.4 Kết luận chương 1 28

CHƯƠNG II ĐỘNG LỰC HỌC CẦN TRỤC CONTAINER ĐẶT TRÊN PHAO NỔI 30

ii

2.2 Thiết lập phương trình vi phân chuyển động 33

2.3 Mơ hình khơng gian trạng thái 39

2.4 Phương pháp số giải hệ phương trình vi phân phi tuyến 40

2.4.1 Các phương pháp tính tốn số giải hệ phương trình vi phân phi tuyến 40 2.4.2 Phương pháp Newmark giải hệ phương trình vi phân phi tuyến 42

2.5 Phân tích kết tính tốn 47

2.5.1 Các thông số đầu vào 47

2.5.2 Kết tính tốn 48

2.6 Kết luận chương 2 52

CHƯƠNG III HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 53

3.1 Đặc điểm đối tượng điều khiển 53

3.1.1 Đặc điểm 53

3.1.2 Tách hệ động lực 53

3.2 Điều khiển trượt bậc hai 54

3.2.1 Thuật toán điều khiển 54

3.2.2 Phân tích ổn định 56

3.3 Điều khiển trượt tích hợp quan sát 57

3.3.1 Thuật toán điều khiển 58

3.3.2 Phân tích ổn định 59

3.4 Điều khiển trượt tích hợp mạng nơ ron 60

3.4.1 Thuật toán điều khiển 60

3.4.2 Cấu trúc thích nghi 61

3.4.3 Phân tích ổn định 63

3.5 Mô phỏng 64

3.5.1 Các thông số đầu vào 64

iii

3.5.3 Tính bền vững hệ thống điều khiển 70

3.6 Kết luận chương 3 74

CHƯƠNG IV THỰC NGHIỆM 75

4.1 Mơ hình thực nghiệm 75

4.1.1 Xây dựng mơ hình thực nghiệm 75

4.1.2 Các lưu ý 77

4.2 Hệ thống điều khiển 78

4.2.1 Tổng quan hệ thống 78

4.2.2 Các thành phần hệ thống điều khiển cần trục 81

4.2.3 Đế kích động 85

4.3 Kết thực nghiệm 86

4.4 Thực nghiệm tính bền vững hệ thống điều khiển 90

4.5 So sánh kết mô thực nghiệm 92

4.6 Kết luận chương 4 96

KẾT LUẬN 97

HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 99

DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CƠNG BỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI LUẬN ÁN 100

TÀI LIỆU THAM KHẢO 102

iv

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

Ký

hiệu/viết tắt Tiếng Anh Diễn giải Đơn vị

SOSMC Second-Order Sliding

Mode Control Điều khiển trượt bậc hai -

NN-SOSMC

Neural Network integrated Second-Order Sliding

Mode Control

Điều kiển trượt bậc hai tích

hợp mạng nơ ron -

OB-SOSMC

Observer based on Second-Order Sliding Mode

Control

Điều khiển trượt bậc hai tích

hợp quan sát -

SMC Sliding Mode Control Điều khiển trượt -

RBFN Radial Basis Function

Network Mạng hàm hướng kính sở -

RBF Radial Basis Function Hàm hướng kính sở -

MIMO Multiple-Input and

Multiple-Output

Hệ nhiều đầu vào nhiều

đầu -

PWM Pulse Width Modulation Điều biến độ rộng xung -

IDE Integrated Development

Environment Môi trường thiết kế hợp -

I/O Input/Output Đầu vào/Đầu -

KAIST Korea Advanced Institute

of Science and Technology

Viện Khoa học Công nghệ

tiên tiến Hàn Quốc -

DWT Deadweight Tonnage Tải trọng tàu Tấn

RMG Rail Mounted Gantry

Crane

Cổng trục bánh sắt di chuyển

trên ray -

RTG Rubber Tyred Gantry

Crane Cổng trục bánh lốp -

QC Quay Crane Cẩu giàn QC dùng tuyến

tiền phương -

TEU Twenty-foot Equivalent

Units

Đơn vị đo hàng hóa container hóa tương đương với container tiêu chuẩn

20 ft (dài) × ft (rộng) × 8,5 ft (cao) (khoảng 39 m³ thể

tích)

-

1

a Vị trí tọa độ ban đầu xe m

2 a

Khoảng cách từ trọng tâm tàu đến dầm cần trục

container

v Ký

hiệu/viết tắt Tiếng Anh Diễn giải Đơn vị

3

a Khoảng cách từ trọng tâm tàu

đến chân đế bên trái m

4

a Khoảng cách từ trọng tâm tàu

đến chân đế bên phải m

1

k Độ cứng đệm đàn hồi bên

trái N/m

2

k Độ cứng đệm đàn hồi bên

phải N/m

3

k Độ cứng cáp nâng N/m

1

b Độ cản đệm đàn hồi bên

trái Ns/m

2

b Độ cản đệm đàn hồi bên

phải Ns/m

3

b Hệ số cản cáp nâng Ns/m

t

b Hệ số cản dịch chuyển xe Ns/m

t

m Khối lượng xe kg

b

m Khối lượng tàu kg

c

m Khối lượng container kg

m

J Mơ men qn tính khối lượng

tời kgm2

b

J Mô men quán tính khối lượng

thân tàu kgm

2

b

 Góc lắc tàu độ

 Góc lắc cáp nâng độ

m

 Góc quay tời độ

l Chiều dài cáp nâng m

t

x Vị trí xe m

w

M Mô men gây góc lắc tàu Nm

w

F Lực gây dịch chuyển thân

tàu N

m

r Bán kính tời m

m

M Mô men quay tời Nm

s Độ dãn cáp nâng m

t

u Lực kéo xe N

s

 Độ biến dạng ban đầu của lị xo có độ cứng

3

vi Ký

hiệu/viết tắt Tiếng Anh Diễn giải Đơn vị

y

 Độ biến dạng ban đầu của

lò xo có độ cứng k 1 k 2

m

mt

x Tọa độ suy rộng trục X gắn với xe m

mt

y Tọa độ suy rộng trục Y gắn với xe m

C

x Tọa độ suy rộng trục X gắn với container m

C

vii

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang

Bảng 1.1 Các thông số ba mẫu tàu Viện KAIST đề xuất [141] 12

Bảng 2.1 Thông số tính tốn động lực học 48

Bảng 3.1 Các thông số mô 64

Các thiết bị vật tư phục vụ thiết kế mô hình cần trục container 79

Thơng số động điện 82

Chi tiết đấu nối đường tín hiệu với chân vi điều khiển 83

viii

DANH MỤC CÁC HÌNH

Trang

Hình 1.1 Tỷ trọng hàng container vận tải biển [134]

Hình 1.2 Thực trạng cảng giới [140]

Hình 1.3 Luồng hàng hóa vận chuyển đến Việt Nam [137]

Hình 1.4 Độ sâu luồng vào cảng Hải Phịng [136]

Hình 1.5 Mơ hình cảng 10

Hình 1.6 Mơ hình cảng trung chuyển ngồi khơi [135] 11

Hình 1.7 Mơ hình cảng di dộng (Mobile Harbor) [140] 11

Hình 1.8 Ba mẫu tàu Viện KAIST đề xuất [141] 13

Hình 1.13 Các bước chế tạo cần trục container đặt tàu 16

Hình 1.18 Mơ hình thực nghiệm điều khiển cổng trục đặt cứng hãng INTECO [133] 25

Hình 2.1 Chuyển động tàu khơng gian 31

Hình 2.2 Mơ hình vật lý cần trục container đặt phao 32

Hình 2.3 Sơ đồ thuật tốn phương pháp Newmark tìm nghiệm hệ phi tuyến 46

Hình 2.4 Dịch chuyển xe (khơng có điều khiển) 49

Hình 2.6 Góc lắc cáp nâng (khơng có điều khiển) 50

Hình 2.7 Dao động container dọc theo cáp nâng (khơng có điều khiển) 50

Hình 2.8 Dịch chuyển thân tàu theo phương thẳng đứng (không có điều khiển) 51

Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển trượt bậc hai tích hợp quan sát 58

Hình 3.2 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển trượt bậc hai tích hợp mạng nơ ron 60

Hình 3.3 Cấu trúc thích nghi dùng mạng nơ ron 62

Hình 3.4 Lực đẩy xe 66

Hình 3.5 Vị trí xe 66

Hình 3.6 Mơ men quay tời 66

Hình 3.7 Chiều dài cáp nâng 67

ix

Hình 3.9 Dao động container dọc theo cáp nâng 68

Hình 3.10 Dao động nghiêng thân tàu 69

Hình 3.11 Dao động chúi thân tàu 69

Hình 3.12 Phần tử hệ tương đương (NN-SOSMC) 70

Hình 3.13 Ước lượng thơng số hệ tương đương (NN-SOSMC) 70

Hình 3.14 Vị trí xe (thử tính bền vững hệ thống điều khiển) 72

Hình 3.15 Chiều dài cáp nâng (thử tính bền vững hệ thống điều khiển) 72

Hình 3.16 Góc lắc cáp nâng (thử tính bền vững hệ thống điều khiển) 72

Hình 3.17 Dao động container dọc theo cáp nâng (thử tính bền vững hệ thống điều khiển) 73

Hình 3.18 Dao động nghiêng thân tàu (thử tính bền vững hệ thống điều khiển) 73 Hình 3.19 Dao động chúi thân tàu (thử tính bền vững hệ thống điều khiển) 73

Hình 4.1 Hệ thống cần trục container phịng thí nghiệm 76

Hình 4.4 Sơ đồ khối hệ thống thực nghiệm 80

Hình 4.5 Sơ đồ chân ngoại vi chức Kit MyRIO-1900 83

Hình 4.6 Biến tần Mitsubishi FREQROL-S500 hộp điều khiển 84

Hình 4.7 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển đế kích động 86

Hình 4.9 Góc lắc đế kích động 87

Hình 4.10 Vị trí xe (thực nghiệm) 88

Hình 4.11 Chiều dài cáp nâng (thực nghiệm) 89

Hình 4.12 Góc lắc cáp nâng (thực nghiệm) 89

Hình 4.13 Góc lắc đế kích động (thử tính bền vững hệ thống điều khiển) 90

Hình 4.14 Dịch chuyển đế kích động (thử tính bền vững hệ thống điều khiển) 90 Hình 4.15 Vị trí xe (thực nghiệm thử tính bền vững hệ thống điều khiển) 91

Hình 4.16 Chiều dài cáp nâng (thực nghiệm thử tính bền vững hệ thống điều khiển) 91

1 MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết luận án

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 Theo thống kê, lượng container toàn cầu tăng theo năm mức khoảng 8%/năm [134] 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 tồn cầu Sự tăng trưởng địi hỏi phải cải thiện tái cấu trúc sở hạ tầng cảng biển để phục vụ xếp dỡ container Ngoài ra, cảng dần chuyển đổi thành mạng lưới trung chuyển container tác động đến hoạt động vận chuyển container Với việc tăng số lượng tàu container cỡ lớn tạo dịch vụ cho tàu cỡ nhỏ, tăng lượng hàng trung chuyển, tăng dịch vụ trung gian hệ thống cảng biển không đáp ứng độ sâu cần thiết để tàu container cỡ lớn cập cảng Do đó, cần có giải pháp dựa hệ thống cảng container truyền thống mở rộng cảng có xây dựng cảng đáp ứng yêu cầu để tàu container cỡ lớn cập cảng Tuy nhiên, khơng phải giải pháp tốt kèm với số vấn đề khác như: gây ô nhiễm mơi trường xây dựng; việc mở rộng cảng địi hỏi vốn đầu tư lớn khó đáp ứng Để đáp ứng yêu cầu thị trường vận chuyển container bên cạnh việc giải thách thức liên quan đến phương pháp truyền thống, cần có giải pháp vận tải hàng hóa đường biển Xuất phát từ thực tế đó, Viện Khoa học Công 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 trình xếp dỡ hàng hóa sau đưa container đến cảng mà không phụ thuộc vào độ sâu độ rộng cảng

2

nhất 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 q 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 biển Hệ thống điều khiển thực đồng thời chức sau:

- Điều khiển xác xe mang container tới vị trí mong muốn;

- Nâng hạ container từ vị trí ban đầu đến vị trí ứng với chiều dài cáp nâng mong muốn;

- Giữ góc lắc hàng nhỏ suốt q trình vận chuyển; - Góp phần chống lắc tàu trình khai thác cần trục

Do yêu cầu thời gian làm hàng đòi hỏi cần trục phải làm việc nhanh Việc chuyển động nhanh dẫn đến an tồn q trình khai thác cần trục Do đó, cần trục chuyển động nhanh, vấn đề hệ thống liên quan đến khả giảm góc lắc hàng dịch chuyển hàng đến vị trí yêu cầu đề cập đến nhiều nghiên cứu nghiên cứu lý thuyết nghiên cứu thực nghiệm Để việc chuyển tải hàng hóa đạt hiệu cao góc lắc hàng phải giữ nhỏ suốt trình vận chuyển [38] Chuyển động cần trục gây lắc hàng mức, điều ảnh hưởng đến độ xác, chất lượng, hiệu an tồn q trình làm việc cần trục Do đó, hệ thống điều khiển khơng kiểm sốt góc lắc dẫn đến khó khăn cho người khai thác, gây ảnh hưởng đến hàng hóa mơi trường làm việc xung quanh Ngồi ra, việc dẫn đến việc nhiều thời gian để hồn thành cơng việc, làm giảm suất làm việc giảm sản lượng sản xuất Các thống kê cho thấy, lần làm hàng cần trục phải 30% thời gian cho việc quay trở di chuyển cấu [74] Vì vậy, cần phải có hệ thống điều khiển tốt để đáp ứng yêu cầu thời gian an toàn trình hoạt động cần trục Từ lập luận trên, chọn đề tài “Nghiên cứu hệ thống điều khiển phi tuyến bền vững cho cần trục container đặt

3

toán xây dựng hệ thống điều khiển cần trục container đặt phao chịu kích động sóng biển tải trọng gió Đây nghiên cứu bước đầu để tiến tới tự thiết kế, chế tạo cần trục đặt phao nước ta

2 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

3 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

4 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 toán điều khiển mơ hình thực nghiệm phịng thí nghiệm

5 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

4 6 Những đóng góp luận án

Đề tài xây dựng thành công ba thuật toán 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 thông 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

7 Các nội dung luận án

Nội dung luận án gồm: CHƯƠNG I TỔNG QUAN

Trong chương phân tích thực trạng cảng biển phương án trung chuyển container cảng biển Phân tích ưu nhược điểm phương án chuyển tải để chọn phương án tốt cho việc trung chuyển container cảng có luồng nơng hẹp Ngồi ra, đề tài tập trung phân tích tình hình nghiên cứu ngồi nước liên quan đến lĩnh vực điều khiển cần trục, từ đề xuất hướng nghiên cứu cho đề tài dựa cải tiến mơ hình tốn đối tượng điều khiển, thuật toán điều khiển và phương thức tiến hành thực nghiệm

CHƯƠNG II ĐỘNG LỰC HỌC CẦN TRỤC CONTAINER ĐẶT TRÊN PHAO NỔI

Phân tích động lực học cần trục container đặt phao thực chương Đầu tiên, từ đối tượng thực, tác giả mơ hình hóa đối tượng xây dựng phương trình vi phân chuyển động cho hệ Bằng việc sử dụng phương pháp số dựa ngơn ngữ lập trình MATLAB®/Simulink® cho đáp ứng

5 CHƯƠNG III HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

Nội dung chương trình bày việc thiết kế thuật tốn điều khiển cho cần trục container gắn tàu dựa mơ hình tốn xây dựng Chương Các thuật tốn điều khiển phân tích chứng minh ổn định Mô đáp ứng dựa trờn ngụn ng lp trỡnh MATLABâ/Simulinkđ Cỏc ỏp ng ca hệ thống

điều khiển phân tích để chứng minh tính bền vững khả làm việc xác hệ thống điều khiển

CHƯƠNG IV THỰC NGHIỆM

6

CHƯƠNG I TỔNG QUAN

Chương trình bày trình bày thực trạng cảng biển giới Việt Nam, từ yêu cầu q trình chuyển tải hàng hóa số lượng tàu container cỡ lớn phát triển nhanh thách thức khả cảng biển trong việc tiếp nhận tàu Mơ hình cảng di động xem phương thức vận chuyển kỷ XXI, đáp ứng yêu cầu phát triển mạnh mẽ vận tải container toàn cầu Các nghiên cứu động lực học điều khiển cần trục phân tích để điểm cần cải tiến nghiên cứu đã cơng bố, từ đề xuất hướng nghiên cứu cho đề tài

1.1 Đặt vấn đề

1.1.1 Thực trạng cảng biển giới Việt Nam

Trên giới: Cảng biển nơi luân chuyển hàng hóa nơi

7

nước sâu trở nên cấp bách để tiếp nhận tàu có sức chở lớn Tiếp nhận tàu container cỡ lớn thách thức nhiều cảng khu vực giới, kể đến kênh đào Panama1, cảng sông, vùng biển nước nông Tuy nhiên, việc xây dựng mở rộng cảng mang đến nhiều thách thức khó khăn kinh phí, mơi trường vùng địa lý không cho phép mở rộng cảng Điều đặt nhiều thách thức cảng giới việc cạnh tranh đáp ứng nhu cầu ngày tăng việc vận chuyển container Do đó, cần có giải pháp chuyển tải biển để giải vấn đề nêu

Hình 1.1 Tỷ trọng hàng container vận tải biển [134]

Hình 1.2 Thực trạng cảng giới [140]

8

Tại Việt Nam: Việt Nam có vị trí nằm cạnh Biển Đơng-cầu nối thương

mại đặc biệt quan trọng đồ hàng hải giới Biển Đông tuyến đường vận chuyển quan trọng mặt kinh tế, giúp trung chuyển hàng hóa từ châu Á đến khu vực khác giới Có tới 29 tuyến đường hàng hải qua Biển Đông số 39 tuyến đường hàng hải hoạt động giới (Hình 1.3) Việt Nam cịn sở hữu 3.260 km đường bờ biển, có nhiều vũng vịnh nước sâu, gần tuyến đường hàng hải quốc tế Khu vực cảng biển phía Bắc Việt Nam cửa ngõ kết nối tiếp giáp với quốc gia Đông Bắc Á Trung Quốc, Hồng Kông, Hàn Quốc Nhật Bản Trong đó, khu vực cảng biển miền Nam có vị trí kết nối nước châu Á tuyến vận tải quốc tế khu vực khác giới Hiện tại, Việt Nam có 49 cảng biển, 268 bến cảng 330 cầu cảng cho tàu neo đậu với tổng chiều dài gần 40km Tuy nhiên, cảng biển phân bổ không đồng khu vực, với cảng miền Bắc, 20 cảng miền Trung 23 cảng miền Nam [138]

Hình 1.3 Luồng hàng hóa vận chuyển đến Việt Nam [137]

9

cảng biển Việt Nam Ngun nhân dẫn đến điều cảng lớn Việt Nam có luồng nơng hẹp Cảng Hải Phịng có độ sâu lớn luồng vào cảng mức -6,9 m, hạn chế việc tiếp nhận tàu có trọng tải lớn (Hình 1.4) Đa phần cảng Hải Phịng tiếp nhận tàu có trọng tải khoảng 10.000 DWT 20.000 DWT điều kiện có tàu lai dắt vào cảng Cảng Lạch Huyện đưa vào khai thác (5/2018) có độ sâu luồng lớn -13,8 m, có khả tiếp nhận tàu lên đến 75.000 DWT Tại Quảng Ninh, có cảng nước sâu với độ sâu luồng đến -10 m nên tiếp nhận tàu có trọng tải 50.000 DWT

Hình 1.4 Độ sâu luồng vào cảng Hải Phòng [136]

Như vậy, Việt Nam có nhiều lợi tiềm phát triển ngành kinh tế biển dịch vụ cảng biển Tuy nhiên, đa phần cảng Việt Nam lại có hạn chế việc tiếp nhận tàu có tải trọng lớn, đặc biệt tàu container cỡ lớn phát triển mạnh mẽ tham gia vào trình vận tải hàng hóa tồn cầu Để phát huy lợi sẵn có, cảng biển cần đưa giải pháp để khắc phục điểm tồn việc cung cấp dịch vụ nhằm đáp ứng yêu cầu tăng trưởng dịch vụ vận chuyển container đường biển

1.1.2 Các phương án trung chuyển container

10

những tàu Có nhiều phương án đưa để giải vấn đề trên, phương án tập trung vào việc trung chuyển container ngồi biển, kể đến phương án sau:

Phương án (sử dụng cảng nổi): Container xếp dỡ từ tàu lớn sang tàu

nhỏ, tàu nhỏ chở container vào cảng nội địa, cần trục container gắn thiết bị nổi, thiết bị dùng để chứa container, khơng dùng để vận chuyển (Hình 1.5) Đối với phương án này, ưu điểm khả ổn định làm việc biển Tuy nhiên, sử dụng cần trục kiểu cần nên thời gian làm hàng lâu đặc điểm quay trở nó, ảnh hưởng đến hiệu suất làm việc cần trục

Hình 1.5 Mơ hình cảng

Phương án (sử dụng cảng trung chuyển khơi): Phương án giúp

11

Hình 1.6 Mơ hình cảng trung chuyển ngồi khơi [135]

Phương án (sử dụng mơ hình cảng di động): Container xếp dỡ từ tàu

lớn sang tàu nhỏ, tàu nhỏ chở vào cảng nội địa, cần trục gắn tàu nhỏ (Hình 1.7)

Hình 1.7 Mơ hình cảng di dộng (Mobile Harbor) [140]

12

thế phát triển đội tàu container có sức chứa lớn với khả thay đổi vị trí tiếp cận làm hàng cần trục mơ hình cảng di động linh hoạt tầm với cẩu giàn phụ thuộc vào lớp tàu (Panamax, Post-Panamax, Super-Post-Panamax)2 Tuy nhiên, mơ hình cảng di động đề xuất mới, áp dụng vào thực tế cần có q trình nghiên cứu thử nghiệm khu vực áp dụng Ngoài ra, cảng di động hoạt động cấp sóng cho phép làm gián đoạn khả khai thác vùng địa lý thường xuyên chịu tác động xấu thời tiết Viện KAIST Hàn Quốc đề xuất ba mẫu tàu đóng vai trò 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 Các thông số ba mẫu tàu viện KAIST đề xuất trình bày Bảng 1.1 Có thể thấy, với độ sâu cảng Việt Nam khả đáp ứng mặt kinh tế, mẫu tàu MH-A1-250 phù hợp việc phát triển phương thức chuyển tải cảng biển Việt Nam giai đoạn Do đó, đề tài tập trung vào đối tượng để nghiên cứu xây dựng hệ thống điều khiển đáp ứng yêu cầu trình làm việc cần trục gắn mẫu tàu MH-A1-250

Bảng 1.1 Các thông số ba mẫu tàu Viện KAIST đề xuất [141]

Thông số MH-A1-250 MH-A1-700 MH-A1-1200

Chiều dài (m) 76,75 164 164

Chiều rộng (m) 33 31 41

Độ sâu luồng yêu cầu (m) 5,3 5,4 5,7

Sức chở (TEU) 252 702 1248

Tốc độ làm hàng (TEU/h) 60 60 120

Tốc độ tàu (Hải lý/h) 15 12

2 Cẩu Panamax dùng phục vụ cho tàu Panamax (chiều rộng tàu 12-13 container) có sức chở 2.800÷5.100

13

Hình 1.8 Ba mẫu tàu Viện KAIST đề xuất [141]

Bằng cách sử dụng cảng di động, mơ hình kỳ vọng đạt mục đích sau:

- Thay tăng cường chức cảng container có để giảm thiểu vấn đề liên quan đến việc xây dựng mở rộng cảng;

- Cung cấp giải pháp vận chuyển hàng hóa thân thiện với môi trường, giảm gánh nặng cho cảng nội địa;

- Nâng cao lực cảng, tạo thị trường tăng khả giao thương toàn cầu;

- Nâng cao hiệu kinh tế tiết kiệm chi phí cho việc xây dựng mở rộng cảng biển có;

- Góp phần thúc đẩy phát triển kinh tế biển tăng cường khả kết nối vận tải thủy nội địa

Như vậy, với phân tích trên, cho thấy nhiều hội cho mơ hình cảng di động áp dụng vào thực tế khai thác cảng biển với lý sau:

- Các khu vực mở rộng xây dựng cảng gặp khó khăn kinh phí, mơi trường địa lý;

- Các cảng có thiếu sở hạ tầng để xử lý lượng hàng tăng theo năm; - Các cảng có gặp ùn tắc nghiêm trọng khu vực có mức độ ưu tiên cao an ninh

14

1.1.3 Trang thiết bị cảng container

Đối với cảng biển, hệ thống trang thiết bị công nghệ yếu tố quan trọng để phát triển dịch vụ cảng biển Ngày nay, nhu cầu vận chuyển hàng hóa theo đường biển ngày lớn, lượng hàng hóa thơng qua cảng ngày tăng, cảng biển cần phải nâng cao chất lượng trang thiết bị phục vụ Điều làm tăng suất sản lượng hàng hóa thơng qua cảng Đối với cảng container, trang thiết bị phục vụ xếp dỡ hàng hóa cảng gồm có: Cẩu giàn QC, cẩu chân đế cẩu xếp container

Cẩu giàn QC: Đây loại cần trục lớn đặt cầu tàu trực tiếp xếp dỡ hàng từ tàu container lên bờ ngược lại (Hình 1.9) Cẩu giàn QC đại nâng hai container song song lúc giúp sản lượng hàng hóa thơng qua lớn so với cẩu đơn Mặt khác, trình làm việc, cẩu giàn QC cần không gian làm việc nhỏ khơng phải quay trở, ảnh hưởng đến khu vực xếp dỡ lân cận

Cẩu chân đế: Đây loại dùng để cẩu container hàng rời (Hình 1.10) Đặc điểm bật loại cẩu khả quay trở 180o dễ dàng linh hoạt nên

có thể chọn vị trí nhấc đặt container mà khơng cần di chuyển Tuy nhiên, nhược điểm loại cần cẩu quay trở cần khoảng không gian lớn phương tiện làm việc lúc Mặt khác, phải quay trở nên tốc độ làm việc chậm nhiều so với cẩu giàn QC Do đó, dùng cảng container sử dụng cảng bốc xếp hàng rời số loại hàng đặc biệt khác

Cẩu xếp container: Đây loại cẩu hoạt động cảng có chức xếp dỡ container từ cảng lên xe container ngược lại Loại cẩu khơng có khả xếp dỡ container từ tàu lên bờ ngược lại Có hai loại cẩu xếp container cảng cẩu RTG cẩu RMG Cẩu RMG (Hình 1.11) hoạt động điện cẩu RTG (Hình 1.12) chạy dầu diesel

15

Hình 1.11 Cẩu RMG Hình 1.12 Cẩu RTG

1.1.4 Các bước chế tạo cần trục container đặt tàu

16

vào hệ thống quan trọng, giúp cho hệ thống làm việc hiệu xác chịu kích động yếu tố nhiễu gây bất lợi trình làm việc Hệ thống điều khiển tự bảo vệ trường hợp tải, góc lắc tàu lớn giá trị cho phép cần trục làm việc biển trường hợp điện đột ngột nâng hạ hàng Khi tải góc lắc tàu lớn hệ thống điều khiển khơng cho phép thực lệnh làm việc Hệ thống cần trục sử dụng cơng tắc thường đóng để bảo vệ điện đột ngột

Hình 1.13 Các bước chế tạo cần trục container đặt tàu Yêu cầu sức

nâng tầm với cần trục container

Cần trục container

Mua sẵn Chế tạo

Thiết kế cần trục container

Thiết kế pông tông

Thiết kế chi tiết

Thiết kế hệ thống Thiết kế thân vỏ

Yêu cầu đăng kiểm

Yêu cầu cần trục

17 1.2 Tình hình nghiên cứu

1.2.1 Ngồi nước

1.2.1.1 Nghiên cứu động lực học

Có nhiều cơng trình nghiên cứu động lực học cần trục, mơ hình dao động sử dụng nghiên cứu phân thành mơ hình cần trục đặt cứng mơ hình cần trục đặt phao

Mơ hình cần trục đặt cứng: Mơ hình thường sử dụng xây

dựng toán động lực học điều khiển cần trục đặt cứng phân loại theo mơ hình hai chiều 2D [14, 41, 70] (Hình 1.14) mơ hình ba chiều 3D [15, 26, 38, 65, 67, 76, 77, 93] (Hình 1.15) Ngồi ra, mơ hình cần trục đặt cứng gồm có mơ hình cần trục container [91, 132], mơ hình cổng trục giàn sử dụng phương pháp Lagrange dạng nhân tử [96, 101], mơ hình cầu trục [22, 43, 57], mơ hình cần trục khơng gian chiều [77] Mặt khác, cần trục tháp mơ hình hóa việc sử dụng số phương pháp phân tích phần tử hữu hạn [45], phương pháp Lagrange loại hai [118], phân tích mơ hình dựa vào máy tính [12] Mơ hình phần tử hữu hạn sử dụng để mơ hình hóa cần trục kiểu cần [100] Trong hầu hết nghiên cứu, phương pháp Lagrange sử dụng để thiết lập phương trình chuyển động Ngồi ra, phương trình Kane áp dụng để thiết lập phương trình động lực học mơ hình cầu trục [51, 116] Tìm nghiệm xấp xỉ (approximate solutions) phương pháp giải tích phi tuyến trình bày nghiên cứu [68, 80, 84] Việc khảo sát ổn định rẽ nhánh hệ thực dựa phương pháp giải tích phương pháp đa thang (multiple scale technique) [84], phương pháp trung bình hóa (averaging method) [80], rẽ nhánh Hopf (Hopf bifurcation) [68], phương pháp số

Hình 1.14 Sơ đồ tính chuyển động hai chiều cầu trục [49]

18

Mơ hình cần trục đặt phao nổi: Mơ hình cần trục đặt phao số nhóm nghiên cứu xây dựng cho toán động lực học điều khiển cần trục gắn tàu Küchler cộng [69] xây dựng mơ hình cần trục kiểu cần đặt phao để điều khiển chủ động (active control) cần trục đặt tàu Cũng với mơ hình cần trục đặt phao nổi, nhóm nghiên cứu Hieu Hong [50, 85, 86] nghiên cứu động lực học điều khiển cần trục container gắn tàu có kể đến kích động sóng biển Nhóm nghiên cứu Tuan Lee [70, 120, 123] nghiên cứu điều khiển cần trục container gắn tàu dựa mơ hình sáu bậc tự có kể đến kích động sóng biển, đàn hồi cáp nâng Các nhóm nghiên cứu có điểm chung giống kể đến đàn hồi sóng biển Tuy nhiên, cần trục làm việc biển chịu tác động đồng thời yếu tố sóng biển, gió đàn hồi cáp nâng Trên Hình 1.16 Hình 1.17 mơ hình cần trục đặt tàu có kể đến đàn hồi sóng biển Cả mơ hình chưa đề cập đến đàn hồi cáp nâng tác động gió Do đó, việc phát triển mơ hình cần trục container gắn tàu nhiều vấn đề cần cải tiến

Hình 1.16 Mơ hình cần trục kiểu cần đặt tàu [69]

Hình 1.17 Sơ đồ tính cần trục container đặt tàu [85]

1.2.1.2 Nghiên cứu điều khiển

19

vững (Robust Control), điều khiển thích nghi (Adaptive Control), điều khiển đại/điều khiển thông minh (Modern Control/Intelligent Control)

Điều khiển tuyến tính: Một kỹ thuật điều khiển tuyến tính áp dụng rộng rãi cho hệ thống cần trục điều khiển PID (Proportional Integral Derivative) Để đáp ứng yêu cầu thay đổi chiều dài cáp nâng, tham số điều khiển PID điều chỉnh dựa vào chiều dài cáp nâng Có vài phương pháp áp dụng phương pháp quỹ tích nghiệm số (root locus) [17], trí tuệ tính tốn (Computational Intelligence – CI), kỹ thuật tối ưu bầy đàn (Particle Swarm Optimization – PSO) [56, 107] Trong thực tế, điều khiển tỷ lệ-vi phân (Proportional Derivative – PD) sử dụng để điều khiển góc lắc hàng khả giải vấn đề dao động [19, 56, 61, 124]

20

Bộ điều khiển PD thiết kế cho điều khiển hệ thống cần trục tháp góp phần giảm đáng kể góc lắc hàng, tác động nhiễu loại bỏ với điều khiển PD mờ [20] Các tác giả so sánh hiệu suất hoạt động cần trục tháp sử dụng điều khiển PD mờ điều khiển PD cổ điển [19] Kết nghiên cứu góc lắc hàng giảm đáng kể sử dụng điều khiển PD Kawada cộng [62, 63] kết luận điều khiển PD hữu ích để điều khiển nâng hạ hàng cần trục Tuy nhiên, khó để tìm thơng số điều khiển trường hợp thời gian thay đổi hệ phi tuyến Vì vậy, thuật giải di truyền (GA) tích hợp để có thơng số tối ưu cho tham số điều khiển [64]

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] Trong nghiên cứu [98], điều khiển phản hồi trạng thái sử dụng để đạt bền vững với thay đổi chiều dài cáp nâng bất đẳng thức ma trận tuyến tính (Linear Matrix Inequality – LMI) xây dựng 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 toán không 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

21

giải khó khăn với khả sử dụng mơ hình đơn giản, ổn định mạch kín tính bền vững rõ thông số hệ thống [127] Một số lượng lớn nghiên cứu thực việc sử dụng thuật toán MPC cho điều khiển cổng trục giàn cầu trục [58, 59, 65, 125, 127] Bộ điều khiển MPC sử dụng để ràng buộc biến bị động (under-actuated state), góc lắc hàng giới thiệu nghiên cứu [32, 102] Các phương pháp tối ưu cho điều khiển MPC phụ thuộc vào chức mong muốn nhà nghiên cứu lựa chọn Phần lớn nghiên cứu thiết kế điều khiển MPC chủ yếu tập trung vào việc điều khiển vị trí chống lắc hàng Chẳng hạn, Jolevski Bego [58] đưa hàm tiêu chuẩn (criteria functions) để vị trí hàng đến vị trí mong muốn thời gian nhỏ phòng ngừa lắc hàng gây chuyển động hàng nhiễu ngồi Để giải hàm tiêu chuẩn việc tối ưu hóa nhiều tiêu chí sử dụng để đạt tín hiệu điều khiển tối ưu

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 tốn 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] Bộ điều khiển SMC thiết kế SMC bậc hai cho cần trục container [25], SMC bậc hai cho cầu trục 3D với tham số không rõ [67], điều khiển SMC phân cấp [94], điều khiển SMC tỷ lệ [35], điều khiển SMC thời gian gián đoạn [128] Các nghiên cứu cho thấy thuật toán điều khiển SMC có khả loại bỏ yếu tố khơng chắn tính phi tuyến hệ thống Trong nghiên cứu [54, 87], điều khiển SMC sử dụng để điều khiển cần trục Hầu hết nghiên cứu nhằm mục đích chống lại thay đổi hệ thống khối lượng tải trọng thay đổi, thay đổi chiều dài cáp nâng, tác động tải trọng gió nhiễu

22

cho hệ tuyến tính Một điều khiển bền vững H∞ áp dụng cho điều khiển

cần trục, bao gồm điều khiển cầu trục [48], điều khiển H∞ dùng cho hệ LMI để điều

khiển cổng trục giàn [121], điều khiển H∞ để điều khiển cần trục kiểu cần

[24] Trong nghiên cứu [60] thuật tốn điều khiển “tổng hợp µ” nghiên cứu để điều khiển dao động cầu trục Kết cho thấy điều khiển H∞ “tổng hợp

µ” đáp ứng tốt yêu cầu điều khiển cần trục bền vững với thay đổi chiều dài cáp nâng, thay đổi khối lượng hàng nhiễu ngồi tác động

Như vậy, với thuật tốn điều khiển bền vững, hệ thống điều khiển không cần mơ 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 ngồi 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 không chắn dựa lý thuyết ổn định Lyapunov Do đó, với ưu điểm này, nhà nghiên cứu thiết kế thuật toán 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

Đạt đến vị trí xác giảm lắc hàng mục tiêu hệ thống điều khiển cần trục, hiệu làm việc tăng lên việc làm hàng xác, chuyển động xe nhanh an tồn Vì vậy, chúng yếu tố quan trọng hệ thống điều khiển Một thuật tốn điều khiển thích nghi phi tuyến đề xuất nhóm tác giả cơng trình nghiên cứu [131] Sự ổn định tiệm cận hệ thống chứng minh ổn định Lyapunov kết mơ cho thấy điều khiển thích nghi bền vững với thay đổi tham số hệ thống tác động nhiễu

23 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 Một điều khiển mạng nơ ron có khả xử lý phi tuyến tốt bền vững với cấu trúc song song vốn có [38] Hơn nữa, điều khiển mạng nơ ron thuật toán điều khiển bền vững với thay đổi chiều dài cáp nâng yếu tố mơ hình khơng rõ việc thực phản hồi trạng thái [97] Một số nhà nghiên cứu thực chế tạo điều khiển mạng nơ ron cho cầu trục Công việc Lee [44] đề xuất việc kết hợp mạng nơ ron điều khiển trượt để dẫn động xe đến vị trí xác giảm góc lắc hàng Thuật toán điều khiển SMC sử dụng thuật toán tự chỉnh với mục đích điều chỉnh thơng số hệ thống điều khiển mạng nơ ron [28]

Đối với cần trục tháp, có thuật tốn điều khiển phản hồi khác để giảm góc lắc hàng thực Tuy nhiên, thuật toán điều khiển có khả làm giảm góc lắc hàng theo phương hướng kính chưa thực theo phương hướng tâm Một cách tiếp cận để giải vấn đề sử dụng thuật toán hồi tiếp phi tuyến (Nonlinear Feedback) Tuy nhiên, phương pháp địi hỏi phải có kiến thức sâu điều khiển khơng thể điều khiển góc lắc cần trục quay lớn 90o Để giải vấn đề này, Nakazono cộng [82]

đã đề xuất điều khiển mạng nơ ron với chương trình huấn luyện điều khiển góc lắc hàng hai trường hợp hướng trục hướng tâm cách đồng thời Hơn nữa, thuật toán cho thấy hiệu đơn giản điểu khiển thông thường

24

và phức tạp với tính phi tuyến mạnh [95] Bộ điều khiển FLC sử dụng rộng rãi việc điều khiển vị trí xe góc lắc hàng cho cổng trục giàn cầu trục [16, 89, 95, 103, 104, 119] Trong [105], điều khiển phản hồi chống lắc có tích hợp thuật tốn logic mờ áp dụng hoạt động tốt khơng có cảm biến gắc lắc thực phịng thí nghiệm Trong [26], nhóm nhiên cứu sử dụng điều khiển mạng nơ ron kết hợp với FLC để thực điều khiển cần trục 3D Kết cho thấy, thuật tốn điều khiển mờ tích hợp mạng nơ ron có khả hội tụ nhanh so sánh với thuật toán phản hồi truyền thống khác

1.2.1.3 Nghiên cứu thực nghiệm

Hầu hết nghiên cứu động lực học điều khiển cần trục dựa phương pháp mô kết hợp với thực nghiệm Các nghiên cứu thường tiến hành thực nghiệm mơ hình Sau thiết kế thuật tốn điều khiển cho cần trục container, q trình mơ thực nghiệm để kiểm chứng thuật toán điều khiển thực Tuy nhiên, với hệ cần trục phức tạp, có kích thước lớn việc kiểm chứng thuật tốn điều khiển mơ hình thực gặp khó khăn Vì vậy, việc thử nghiệm thuật tốn điều khiển thực phịng thí nghiệm với mơ hình thực nghiệm thu nhỏ Đây bước trung gian trước tiến hành lắp ráp chạy thử hệ thống hệ thống thực 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 toán điều khiển đề xuất trước áp dụng vào thực tế [18, 76, 79, 103, 110, 125] Mơ hình cần trục 3D cơng ty INTECO (Ba Lan) sản xuất thương mại hóa sản phẩm cung cấp cho phịng thí nghiệm trung tâm nghiên cứu trường đại học khắp giới với nhu cầu nghiên cứu điều khiển cần trục [133] Các thành phần thông số mơ hình cần trục hãng INTECO cung cấp, gồm có:

- Kết cấu khí gồm: Khung (khối lượng 30 kg, kích thước m x m x m), dầm chính, đường ray, mã hàng;

25 - Giao diện nguồn cấp;

- Các Board mạch điều khiển I/O RT-DAC/PCI I/O RT-DAC/USB Bên cạnh thơng số bản, mơ hình cần trục cịn có đặc điểm sau đây: - Đây hệ MIMO (Multiple-Input and Multiple-Output) có tính phi tuyến cao cho thí nghiệm thời gian thực;

- Tích hợp MALAB Simulink để tạo điều khiển thời gian thực;

- Phần mềm cho phép khởi tạo nhanh thuật tốn điều khiển thời gian thực, khơng bắt buộc mã lập trình C;

- Chuyển động theo hướng vng góc với nhau; - Được trang bị hệ thống cảm biến đo góc theo chiều; - Minh họa thuật tốn phi tuyến phức tạp

Hình 1.18 Mơ hình thực nghiệm điều khiển cổng trục đặt cứng hãng INTECO [133]

26

(1) Mơ hình cần trục hãng INTECO thực phịng thí nghiệm đặt cứng, khơng có kích động từ bên ngồi;

(2) Các động điện sử dụng động điện chiều, điều khiển tốc độ PWM Tuy nhiên, thực tế, động sử dụng hệ thống cần trục động xoay chiều ba pha điều khiển tốc độ biến tần Sử dụng biến tần để điều khiển tốc độ động xoay chiều phức tạp nhiều so với điều khiển tốc độ động điện chiều ln xuất nhiễu q trình điều khiển Do đó, cần cải tiến mơ hình thực nghiệm so với mơ hình mà hãng INTECO cung cấp để thỏa mãn điều kiện nghiên cứu cần trục container đặt phao nổi

1.2.2 Trong nước

1.2.2.1 Nghiên cứu động lực học

Các nghiên cứu nước tập trung vào khảo sát động lực học cần cẩu Tuy nhiên, nghiên cứu tập trung chủ yếu vào khảo sát động lực học cần cẩu đặt ô tô [3, 8], cần trục tháp [9, 10] sử dụng phổ biến xây dựng Các nghiên cứu chủ yếu khảo sát dao động khối hàng để nắm bắt quy luật dao động chúng Các yếu tố thay đổi tác động vào hệ cần cẩu chưa tính đến thay đổi khối lượng hàng, tải trọng gió Các yếu tố thay đổi tác động lớn đến trình làm việc cần cẩu, đặc biệt với cẩu tháp làm việc độ cao lớn chịu tác động mạnh gió Với cần trục tháp, nghiên cứu dao động hàng xét chuyển động đồng thời cấu trình bày báo [5] Trong năm qua, nghiên cứu động lực học cần cẩu tập trung chủ yếu vào đối tượng cẩu đặt ô tô cần trục tháp Với đối tượng cần trục container, báo [11] đề cập đến việc khảo sát động lực học dựa mơ hình dao động cần trục đặt cứng, chưa xét đến hoạt động cấu nâng

1.2.2.2 Nghiên cứu điều khiển

27

hệ cần trục container nhằm đảm bảo dẫn động xe đến vị trí mong muốn giảm lắc lư hàng trình dịch chuyển Bài báo [2] trình bày thuật tốn điều khiển phi tuyến tích hợp ước lượng ma sát với mục tiêu chặn dao động ngang container trình di chuyển với tồn lực ma sát Để ổn định cần cẩu tháp chịu tác động tải trọng gió thay đổi liên tục, nhóm nghiên cứu [7] lựa chọn phương pháp thiết bị nhằm đảm bảo ổn định trình làm việc cần trục chịu tác động gió giật Với việc sử dụng thuật tốn điều khiển PID tích hợp hệ thống vision cho điều khiển cần trục container đảm bảo xe dẫn động xác giảm góc lắc hàng trình bày nghiên cứu [4] Các nghiên cứu điều khiển cần cẩu đề xuất thuật tốn điều khiển từ tuyến tính đến phi tuyến để điều khiển cho số đối tượng cần cẩu Các nghiên cứu tập trung chủ yếu vào việc mơ phỏng, chưa xây dựng điều khiển có tính thích nghi, bền vững Hệ thống điều khiển khơng đáp ứng yêu cầu thay đổi thông số hệ thống, nhiễu tác động lên hệ thống điều khiển nhiễu tác động lên hệ cần cẩu

1.3 Hướng nghiên cứu

Qua phân tích trên, hướng nghiên cứu mặt mạnh Tuy nhiên, cịn số vấn đề cần phải giải để hoàn thiện việc chế tạo điều khiển cần trục Do đó, 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: Như trình bày, kể từ nghiên cứu thống kê động lực học

28

Về điều khiển: Dựa mơ 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 tốn 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 Ngoài ra, vấn đề phát sinh trình thiết kế, chế tạo cần trục việc tiết kiệm chi phí chế tạo Trong chế tạo hệ thống điều khiển cần phải lắp đặt cảm biến đo chuyển vị vận tốc dịch chuyển cấu Để giảm giá thành, đề tài có đề xuất thêm phương án sử dụng quan sát trạng thái thiết kế hệ thống điều khiển để ước lượng vận tốc chuyển động cấu Từ đó, giảm chi phí chế tạo hệ thống bớt phức tạp

Về thực nghiệm: Với tốn điều khiển cần trục nói chung, việc thực nghiệm

hầu thực phịng thí nghiệm với mơ hình thí nghiệm thu nhỏ Tuy nhiên, mơ hình hãng INTECO cung cấp chưa đáp ứng yêu cầu thực nghiệm hệ thống điều khiển cho cần trục container đặt tàu chịu kích động sóng biển Do đó, mơ hình thí nghiệm để kiểm chứng thuật tốn điều khiển cải tiến so với mơ hình nghiên cứu trước 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:

29

- Phân tích phương án sử dụng để chuyển tải tàu container cỡ lớn 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

30

CHƯƠNG II ĐỘNG LỰC HỌC CẦN TRỤC CONTAINER ĐẶT TRÊN PHAO NỔI

Chương trình bày việc xây dựng mơ hình vật lý cần trục container đặt phao chịu kích động sóng biển tải trọng gió Từ mơ hình vật lý, đề tài xây dựng phương trình vi phân chuyển động hệ cần trục-tàu Hệ phương trình vi phân thu dựa phương trình Lagrange loại hai hệ phương trình vi phân cấp hai Từ hệ phương trình vi phân thu đề xuất sử dụng phương pháp số để giải hệ phương trình vi phân Kết thu dao động container lớn và cần thiết phải thiết kế quy luật điều khiển cho cần trục container nhằm đảm bảo an toàn hiệu suất làm việc hệ thống

2.1 Xây dựng mơ hình dao động

Cần trục container gắn tàu, q trình làm việc ln chịu tác động yếu tố bất lợi gây ảnh hưởng đến hoạt động an tồn q trình khai thác cần trục Các yếu tố có ảnh hưởng rõ rệt kích động sóng biển tải trọng gió Ngồi ra, với khối lượng hàng lớn tạo độ co dãn cáp nâng ảnh hưởng đến độ xác q trình dẫn động Các yếu tố khơng kiểm sốt ảnh hưởng lớn đến khả suất làm việc cần trục Như vậy, xây dựng hệ thống điều khiển cần phải tính tới yếu tố tác động lên hệ cần trục nói Bài tốn đặt cần phải xây dựng mơ hình tốn xác đối tượng phục vụ cho việc thiết kế phần mềm điều khiển thuật toán điều kiển cho cần trục container gắn tàu

Xuất phát từ đối tượng thực (Hình 1.7), mơ hình dao động cần trục container gắn tàu mô hình có kể đến số yếu tố đàn nhớt nước biển, kích động sóng biển, tải trọng gió, ngồi cịn kể đến đàn hồi cáp nâng hoạt động cấu nâng Với mơ hình dao động này, có nhiều cải tiến so với mơ hình dao động đề cập đến nghiên cứu trước nghiên cứu động lực học điều khiển cần trục [21, 34, 40, 54, 109] với việc xem kích động sóng kích động động lực thay kích động động học Mơ hình dao động trường hợp mơ tả đầy đủ Hình 2.2 Để xây dựng mơ hình, số giả thiết đưa ra, gồm có:

31

dao động quay (Yaw), dao động dạt ngang (Sway) dao động tịnh tiến (Surge) (Hình 2.1) Tuy nhiên, với mơ hình cảng di động, q trình chuyển tải, tàu (tàu mang cần trục container) buộc vào tàu mẹ, dao động tịnh tiến dao động dạt ngang nhỏ Quá trình làm hàng, container chủ yếu dao động dọc theo phương chuyển động xe con, dao động container theo phương vng góc với phương chuyển động xe nhỏ bỏ qua Khi xây dựng mơ hình, đề tài khơng xét đến dao động tịnh tiến, dạt ngang, lắc dọc dao động quay (Surge, Sway, Pitch, Yaw) tàu, xét đến dao động thẳng đứng dao động lắc ngang (Heave, Roll) Vì vậy, mơ hình dao động hệ xây dựng dạng mơ hình mặt phẳng

(ii) Đàn nhớt nước biển quy hai đệm đàn hồi có độ cứng hệ số cản ( , )k b 1 1 ( ,k b 2 2)

(iii) 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

(iv) Bỏ qua khối lượng cáp nâng, đàn hồi cáp nâng tuyến tính

(v) Góc lắc cáp nâng giới hạn khoảng (

2

  

   ), góc lắc tàu

được giới hạn khoảng (

2 b

  

   )

(vi) Ma sát đường chạy xe con, ma sát quay tời tuyến tính (vii) Bỏ qua khe hở lắp ráp, khe hở động

Hình 2.1 Chuyển động tàu không gian

X

Y

Z

Yaw

Heave

Pitch

Sway Surge

32

Mơ hình dao động cần trục container đặt phao nổi, tàu có khối lượng mô men (m Jb; b) đặt đàn hồi nước biển với hệ số đàn hồi k1và k2 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

m

r mơ men Jm, 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

Hình 2.2 Mơ hình vật lý cần trục container đặt phao mc k3 k k b b b Fw Mw φb O G

a3 a4 y Pông tông a a u

t mt

φm J

m,rm

Xe y

C xt

x s θ A xc yc mb,Jb

M

33

2.2 Thiết lập phương trình vi phân chuyển động

Mơ hình cần trục container đặt phao Hình 2.2, hệ có sáu bậc tự gồm dịch chuyển xe xt, góc quay tời m, góc lắc hàng  , co dãn cáp nâng s, dịch chuyển thân tàu theo phương thẳng đứng gây sóng biển y, góc lắc tàu sóng biển gây b, từ ta chọn hệ tọa độ suy rộng đủ

1 t; m; ; ; ; b q x q  q  q s q  y q 

Khi động hệ có dạng

2 2 2 2

1 1 1

( ) ( ) ( )

2 b b b t mt mt m b m C C C

T  m y  J   m x y  J    m x  y (2.1)

Trong đó,

1

1

( ) cos( ) sin( )

( )sin( ) cos( )

mt t b b

mt t b b

x a x a

y y a x a

 

 

  



    

 (2.2)

cos( ) ( )sin( )

sin( ) ( ) cos( )

C mt m t m

C mt m t m

x x r l r s s

y y r l r s s

  

  

      



       

 (2.3)

0

t m m

l  l r  (2.4)

Thế hệ có dạng:

2

1

2 1 ( ) ( ) 2 ( ) b b

b t mt C C

k y y a k y y a

k s s m gy m gy m gy

 

        

     

(2.5)

Hàm hao tán có dạng:

2 2 2

1

1 1 1

( ) ( )

2b y ab 2b y ab 2b xt t 2b s 2bmm

        (2.6)

Các lực suy rộng lực không thế:

; ; 0; 0; 0; 0;

t m b

x t m s y

Q u Q  M Q  Q  Q  Q  (2.7)

Thay (2.1), (2.5), (2.6) (2.7) vào phương trình Lagrange loại hai:

i

i i i i

d T T

Q

dt q q q q

      

    

34

Thay biểu thức động (2.1), (2.5), hàm hao tán (2.6) lực suy rộng lực hoạt động không (2.7) vào (2.8) ta hệ sáu phương trình vi phân mơ tả dao động cần trục container đặt phao sau:

Phương trình thứ nhất:

0

2

0

( ) sin( )

( )cos( )

sin( ) ( )sin ( )

2 cos( )

( 2 )cos( ) ( ) sin( )

(

c t t c m b m

c m m m b

c b t c b t c b

t t c m b m

c m b c m m m b

t c

m m x m r

m l s s r r

m s m m y m m a

b x m r

m r s m l s s r r

m m                                                         

 

1

)(a xt)b (mt m gc) sinb ut

(2.9)

Phương trình thứ hai:

      2 2

sin( ) ( ) cos

( )cos( ) sin( )

2 cos( ) ( )

( ) sin( ) cos( )

co

c m b t m c m m c m c m

m c m t b b b

c m b b t m m c m m m m

c m t b b c m b b b

c m

m r x J m r m r s m r y

J m r x a a

m r x b m r l s s r s r

m r x a m r a

m gr                                                

 s Mm

(2.10)

Phương trình thứ ba:

 

 

 

  

0

2 2

0

0

0

0

( )cos( )

( ) ( ) 2( )

2 ( )( ) ( )

( )sin

( ) cos( ) ( )sin( )

2 (

c m m m b t

m m

c

c m m m

c m m m

c m m b t b b

c

m l s s r r x

l s s r l s s

m

m r l s s s

m l s s r r y

m l s s r a x a

m l s s

                                                                          0

0 1

0 w

) sin( )

2 ( )

( )(2 )

( ) ( )cos( ) sin( )

( )sin .

m m m b b t

c m m m m m

c m m m m

c m m m b b b

c m m m

r r x

m r l s s r r

m l s s r r s r

m l s s r r q a a

m g l s s r r f

35 Phương trình thứ tư:

 

 

1

2

3

3

sin( ) y cos

( )cos( ) sin( )

2 cos( ) ( )

( )sin( ) cos(

) c s

)

o

( 0

c b t c m m c c

c t b c b b

c b b t c m m m

c t b b c b b

c

b

m x m r m s m

m x a m a

m x m l s s r r

b s m x a m

k s

a

s m g

                                                    (2.12)

Phương trình thứ năm:

        2

( )sin cos

( )sin cos

( ) ( )cos sin 2( ) cos

( )cos ( 2 2 )sin

t c b t c m m

c m m m c t b c

t c t b b b t c b t b

c m m m c m m m

m m x m r

m l s s r r m s m m m y

m m a x a m m x

m l s s r r m r r s

b b y b a                                                      

4

w

2

( ) cos (

( ) ( )( ) ) ( ) ) i ( s n

t c b b t c t b b b

b t c b

m m m

b a

g k a k a k k y y F

m m a   m m a x 



 

     

         

(2.13)

Phương trình thứ sáu:

           

2

0

2

1

1

( ) ( ) cos( ) sin( )

( )

cos( ) ( )sin( )

( ) cos( ) sin( )

( ) ( ) cos sin

( )(

t c t m c m t b b m

c m m

b t b

c t b c b

t c t b b

b m t c

m m a x J m r x a a

m l s s r

a x a

m x a m a s

m m a x a y

J J m m x

                                                         

    2

1 1

1 2

1 0

2 ) 2( )( )

( )(2 )

sin( )

( )

(2 )

( )( ) cos(

( )

t t b t c t b t

t m m m

c b

m m m m m m

c t m m m b

m m m

a a a x m m x a x

x a s r r

m

a l s s r r

a s r r

m x a l s s r r

l s s r r

                                                                        

   2 2

2 4 3 4

1

( )( ) ( )

( ) ( ) cos ( ) sin

b b

t c t b c t b w

b a b a y b a b a k a k a y y k a k a

m m g a x m m ga M

                              

36

Hệ phương trình vi phân chuyển động gồm sáu phương trình vi phân cấp hai từ (2.9) đến (2.14) viết gọn dạng ma trận sau:

( )  ( , )  ( ) 

M q q C q q q G q U W (2.15)

Trong đó,

ut Mm 0 0T



U 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;

11 12 13 14 15 16 21 22 24 25 26

31 33 35 36

41 42 44 45 46 51 52 53 54 55 56 61 62 63 64 65 66

0

0

( )

0

m m m m m m

m m m m m

m m m m

m m m m m

m m m m m m

m m m m m m

                  

M q ma trận quán tính khối lượng;

11 12 13 16

21 22 23 26

31 32 33 36

41 43 44 46

51 53 55 56

61 63 65 66

0 0 0 ( , ) 0 0 0

c c c c

c c c c

c c c c

c c c c

c c c c

c c c c

                  

C q q ma trận quán tính ly tâm Coriolis;

 6

( ) g g g g g g T

G q véc tơ lực trọng trường;

w

[0 f Fw Mw]T



W véc tơ nhiễu ngồi tác động lên cần trục, gồm

kích động sóng biển tải trọng gió

Các thành phần ma trận véc tơ phương trình vi phân chuyển động (2.15) tính sau:

11 c t;

m m m m22 Jmm r mc m2; 23 m32 0;

 

 

 

2 2

33 0

0

( ) ( ) )

2 ( )( ) ( )

c m m

c m m m

m m l s s r l s s

m r l s s s

 

   

        

      ;

37 2

66 b m ( t c)( t 2 t); m J J  m m x a a  a x

12 21 c msin( b ); m m m r  

13 31 c(0 m m m )cos( b );

m m  m l    s s r  r   

14 41 csin( b ); 15 51 ( t c)sin b;

m m  m   m m  m m 

16 61 ( t c) ;2 m m   m m a

24 42 c m; 25 52 c mcos ; m m  m r m m m r 

 

26 62 m c m ( t 1)cos( b ) 2sin( b ) ;

m m  J m r x a   a  

34 43 0; 35 53 c(0 m m m)sin ;

m m  m m m l    s s r r 

  

36 63 c m( m) 2cos( b ) ( t 1)sin( b ) ;

m m  m l    s s r   a    x a  

45 54 ccos ;

m m  m 

46 64 c( t 1)cos( b ) c 2sin( b ); m m  m x a   m a  

 

56 65 ( t c) ( t)cos b 2sin b ; m m  m m a x  a 

11 t; 12 c m cos( b ); c b c  m r  

13

14 15

( )cos( ) ( ) sin( );

0;

c m b c m m m b

c m r s m l s s r r

c c

       

          

 

16 ( t c)( t) b; 21 c m bcos( b ); 22 m; 24 25 0; c   m m a x  c  m r    c b c c 

23 c m(0 m m m) ; c m r l    s s r s r  

26 c m( t 1) bsin( b ) c m bcos( b ); c  m r x a    m r a  

31 c(0 m m m) bsin( b ); c  m l    s s r r   

32 c m(0 m m m) ; c   m r l    s s rr 

33 c(0 m m m)(2 m ); 34 35 0; c m l    s s rr sr  c c 

 

36 c(0 m m m) ( 1)cos( b ) 2sin( b ) b;

38 41 c bcos( b ); 42 0;

c   m   c 

43 c(0 m m m) ; 44 3; 45 0; c  m l    s s rr  c b c 

46 c( t 1)sin( b ) b c 2cos( b ) ;b c m x a    m a   

51 2( t c)cos b b; 52 54 0;

c  m m   c c 

53 c(0 m m m)cos c( m m m )sin ;

c m l    s s r r  m r r  s 

55 2; c  b b

56 ( t c) 2cos b b ( t c)( t)sin b b; c b a b a  m m a    m m a x  

61 2( t c)( t 1) ;b c  m m x a 

 

63

2

1 0

( )(2 ) ( ) sin( )

(2 )

( )( ) cos( );

( )

c t m m m m m m b

m m m

c t m m m b

m m m

c m x a s r r a l s s r r

a s r r

m x a l s s r r

l s s r r

                                                    2

65 3; 66 3; 62 64 0; c b a b a c b a b a c c 

1 ( t c) sin b; c mcos ;

g  m m g  g m gr 

3 c (0 m m m)sin ;

g m g l    s s rr  

4 3( ) c cos ; g k s  s m g 

5 ( b t c) ( 4) b ( 2)( ); g  m m m g k a k a   k k y y

2

6 4

1

( )( ) ( )

( ) ( ) cos ( ) sin ;

b

t c t b c t b

g k a k a y y k a k a

m m g a x m m ga



 

      

    

39

Giả sử tác động sóng biển với lực mơ men kích động, theo nghiên cứu [126] lực mơ men mơ tả dạng khai triển Fourier sau: w cos sin w

wi F wi F

i a

F a i t b i t





   (2.16)

0 w cos sin w

wi M wi M

i c

M c i t d i t





   (2.17)

Trong đó, Fw Mw lực mô men gây dao động cho tàu, 0, , , 0,

w wi wi w wi

a a b c c dwi hệ số không đổi, F Mlà tần số sóng biển Nhiễu sóng biển (2.16) (2.17) gây lắc mạn tàu bvà dịch chuyển thẳng đứng thân tàu y dễ khiến cho container dao động mạnh xe chuyển động khơng xác khơng có chiến lược điều khiển tốt

Tải trọng gió: Để xét đến tải trọng gió tác động lên container, giả sử gió theo phương ngang tác động trực tiếp lên container biểu diễn sau [40]:

w w w g

f q C C A (2.18)

Trong đó, Cw hệ số lực gió, Cg biểu thị mức độ gió giật, A diện tích bề mặt

tối đa dự kiến container xác định A Accos(  b) với Ac diện tích

bao quanh container, qw 0.5av2 áp suất gió với a tỷ trọng khơng khí,

vlà cấp gió tính sau:

0 wd h r

v v K K K (2.19)

với v0 tốc độ gió bản, Kwd biểu thị hướng gió Kh biểu thị đặc điểm gió

chiều cao tham chiếu

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,

1

9 10 11 12

, , , , , , , ,

, , ,

t t m m

b b

x x x x x x x x x s x s

x y x y x x

   

 

       

40

Khi đó, dạng phương trình khơng gian trạng thái hệ viết lại sau:

12 13 14 15 16 11

11 12 13 16 11 11

1 ut m x m x m x m x m x

x

c x c x c x c x g m

    

 

  

    

  (2.20)

2

x  x (2.21)

21 24 25 26 11

21 22 23 26 11 22

1 Mm m x m x m x m x

x

c x c x c x c x g m

   

 

  

    

  (2.22)

4

x  x (2.23)

 

5 w 31 35 36 11 31 32 33 66 11 33

1

x f m x m x m x c x c x c x c x g

m

          (2.24)

6

x  x (2.25)

 

7 41 42 45 46 11 31 43 44 46 11 44

1

x m x m x m x m x c x c x c x c x g

m

          (2.26)

8

x x (2.27)

w 51 52 53 54 56 11

51 53 55 56 11 55

1 F m x m x m x m x m x

x

c x c x c x c x g m

    

 

  

    

  (2.28)

10

x x (2.29)

w 61 62 63 64 65 11

61 63 65 66 11 66

1 M m x m x m x m x m x

x

c x c x c x c x g m

    

 

  

    

  (2.30)

12 11

x  x (2.31)

2.4 Phương pháp số giải hệ phương trình vi phân phi tuyến

2.4.1 Các phương pháp tính tốn 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]

41

Runge Kutta đề xuất để xác định gần nghiệm phương trình vi phân Các phương pháp Runge-Kutta phương pháp bước chúng có dạng tổng quát sau:

1: ( , ), n  nh h tn n h t

y y Φ y (2.32)

Trong đó, yn1và y véc tơ trạng thái bước thứ n n1 bước thứ n, Φ h hàm gia lượng (incremental function),  t tn1tn Độ xác phương pháp phụ thuộc vào việc chọn Φ Phương pháp Runge-Kutta chia thành h phương pháp Euler (phương pháp Runge-Kutta bậc 1), phương pháp Runge-Kutta bậc 2, phương pháp Runge-Kutta bậc 4, phương pháp Runge-Kutta bậc cao

- Phương pháp Runge-Kutta-Nyström: Đây phương pháp dùng mở rộng cho hệ phương trình vi phân cấp cao

( , , )t



y f y y (2.33)

0 0

( )t  , ( )t 

y y y y (2.34)

Nystrưm phát triển cơng thức Runge-Kutta cho hệ phương trình vi phân (2.33) thành:

1 ( 3)

3

n n n

h h

     

y y y k k k (2.35)

1

1

( 2 )

3

n  n h n    

y y y k k k k (2.36)

Trong đó, k k k k bốn véc tơ hàm xác định giá trị véc tơ hàm 1, 2, 3, 4 ( , , )t

f y y bốn vị trí trung gian khoảng thời gian t Người ta chứng minh rằng, áp dụng phương pháp Runge-Kutta-Nyström cho cho kết nhanh phương pháp Runge-Kutta [27]

42

định thuật toán bước Dạng tổng quát phương pháp nhiều bước cho biểu thức (2.37)

1

1 1

0

( , ) 0,

p k

i n i i n i n i

i i

h t h t

 



     

 

   

 y  f y (2.37)

Trong đó, i i tham số Nếu 0 0 f(tn1,yn1) khơng xuất phương trình sai phân, phương pháp Adams gọi phương pháp Nếu

0

  phương pháp Adams gọi phương pháp ẩn

- Phương pháp dự báo hiệu chỉnh (predictor-corrector): Phương pháp đề xuất việc sử dụng kết hợp phương pháp nhiều bước (được dùng để dự báo nghiệm) phương pháp nhiều bước ẩn (được dùng để hiệu chỉnh nghiệm) Ưu điểm phương pháp độ xác cao, nhiên thuật tốn lại cồng kềnh dẫn đến thời gian tính toán lâu phương pháp khác

2.4.2 Phương pháp Newmark giải hệ phương trình vi phân phi tuyến

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 t qua khai n triển Taylor hàm dịch chuyển vận tốc Như biết, khai triển Taylor hàm véctơ f t có dạng

2 ( ) n ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ! s s

n n n n s

h h

t h t h t t t

s

      

f f f f f r (2.38)

Trong r số dư khai triển Taylor đến bậc s ( )s f t

1 ( 1) ( )( ) ! n n t s s s n t

t h d

s   

 

   

r f (2.39)

Theo công thức (2.38) & (2.39) ta tính vận tốc ( )q t dịch chuyển  t

q hệ thời điểm tn1 công thức sau: Khi lấys0, từ (2.38) ta suy ra:

1 ( )

n n t h n n t d       

q q q (2.40)

43

1 ( )( )

n n

t h

n n n n

t

h  t  d



      

q q q q (2.41)

với

qn q( )tn ; qn1q(tn1); qn q( )tn ; qn1 q(tn1)

Trong công thức gần (2.40) (2.41) ta cần phải xác định thành phần tích phân gia tốc phương pháp số Ta xem ( )q  với  đoạn tn, tn1 hàm qn q( )tn qn1q(tn1) Áp dụng cơng thức Taylor ta có:

2

(3) (4) ( )

( ) ( )( ) ( ) n n n t t           

q q q q (2.42)

2

(3) (4)

1 ( ) ( ) ( )( ) ( ) n n n t t              

q q q q (2.43)

Nhân phương trình (2.42) với (1 ), phương trình (2.43) với  cộng lại ta được:

 

(3) (4)

1

( )  (1 ) n n  ( )  h tn 0(h )

q q q q q (2.44)

Tương tự, nhân phương trình (2.42) với (1  2) , phương trình (2.43) với 2 , ta có:

 

(3) (4)

1

( )  (1 ) n 2 n  ( )  2htn 0(h )

q q q q q (2.45)

Thế (2.44) vào biểu thức tích phân (2.40), ta được:

1 1

1

( ) (1 ) (1 )

n n n

n n n

t t t

n n n n n

t t t

d d d h h

       

  

 

       

 q q  q  q q r (2.46)

Thế (2.45) vào biểu thức tích phân (2.41), ta được:

     

1 1

1 ( ) (1 ) 1

n n n

n n n

t t t

n n n n n

t t t

t   d  t  d  t  d

  

          

 q q  q 

Suy   2 1

( ) (1 )

2

n

n

t

n n n n

t

t   d  h h



       

44 Trong đó,

2 (3) (4) (3) (4)

( ) ( ) 0( )

2

( ) ( ) 0( )

6 n n h h h h           

r q q

r q q

với tn   tn1 Các số   tham số liên quan tới sơ đồ cầu phương Nếu ta chọn  1 / 2,  1 / ta biểu thức gia tốc thay đổi tuyến tính đoạn tn, tn1

1

( ) n n

n

h   q  q 

q q

Nếu chọn  1 / 2,  1 / 6, tương ứng với giả thiết gia tốc lấy giá trị trung bình đoạn tn, tn1

1 ( )

2

n n

 q  q

q

Thế biểu thức (2.46) (2.47) vào công thức (2.40) & (2.41), bỏ qua vô bé bậc cao, ta nhận công thức gần phương pháp Newmark

1 2 1 (1 ) 1 ( ) 2 n n n n

n n n

n n

h h

h h h

                

q q q q

q q q q q (2.48)

Sau dựa vào (2.48) ta xây dựng sơ đồ thuật tốn tìm nghiệm hệ phương trình vi phi tuyến

Phương trình vi phân chuyển động hệ nhiều vật thường có dạng:

( , )t  ( , , )t  ( , , )t

M q q K q q h q q (2.49)

Từ (2.49) ta suy ra:

  1 

( , )t  ( , , )t ( , , )t

 

q M q h q q K q q (2.50)

Nếu ta đặt

 

1

( , , )t   ( , )t ( , , )t  ( , , )t

45 phương trình (2.49) có dạng:

( , , )t



q f q q (2.52)

Giả sử thời điểm đầu ta biết

0: ( )0 0, ( )0

tt q t q q t q (2.53)

Thế (2.53) vào (2.52) ta

0  ( ,t 0, 0)

q f q q (2.54)

Từ biểu thức (2.48) ta đưa công thức dự báo

* * (1 ) (0,5 ) i i i

i i i

i h h h              

q q q

q q q q

(2.55)

Thế (2.55) vào (2.52) ta

* * *

1 ( , 1, 1) i  t i i

q f q q (2.56)

Các đại lượng hiệu chỉnh tính theo cơng thức sau

* *

1

* *

1 * 1 1 1 1 ( , , ) i i i i i i i i i i t h h                  

q q q

q q q

q q f q q

(2.57)

Kiểm tra điều kiện

* *

1

1 , 1

i  i  i  i 

q q q q (2.58)

Nếu điều kiện (2.58) khơng thỏa mãn, ta lại tiếp tục lấy

* * *

1 1 1, 1, i i

i  i i  i   

q q q q q q

và lại trở lại trình lặp điều kiện (2.58) thỏa mãn

Sơ đồ khối phương pháp Newmark giải hệ phương trình vi phân phi tuyến trình bày Hình 2.3, ta sử dụng kí hiệu sau

( , , ); ( , , ); ( , , )

i  ti i i i  ti i i i  ti i i

46

Hình 2.3 Sơ đồ thuật tốn phương pháp Newmark tìm nghiệm hệ phi tuyến Bắt đầu

ti = ti+1

i = i + i =

Tính ma trận véc tơ

ti+1 = ti + h

Dự báo

Hiệu chỉnh

Đúng

Đúng ,

Sai

ti+1 T

Kết thúc ti = ti+1

i = i +

47 2.5 Phân tích kết tính tốn

2.5.1 Các thơng số đầu vào

Dưới tác động sóng biển (2.16) & (2.17) tải trọng gió (2.18) lên thân tàu, ta tiến hành tính tốn giải hệ phương trình vi phân chuyển động (2.15) để xem xét chuyển động cấu góc lắc cáp nâng chưa tích hợp điều khiển Đầu tiên, để dịch chuyển xe thay đổi chiều dài cáp nâng, ta cần tính tốn lực mơ men tương ứng đưa vào tời quay cấu Lực kích động để xe chuyển động mô men quay quay trống tời mô tả sau:

 1 

( )(1 ),

, ( )

0 ,

t kd t kd

kd

c d t p t kd kd kd

t

u u u t t

t

m K x K x t t t t

u t

t t t

                    (2.60)

 2 

( )(1 ) ,

( ) ,

,

t kd t kd

kd

m c d m p m kd kd

t kd

t

M M M t t

t

M t m K K t t t t

M t t

                    (2.61)

Trong đó, u lực tối thiểu để thắng ma sát xe dầm chính, t u kd lực khởi động, theo tài liệu [83] ukd (1.72)ut Tương tự, M mô men để t giữ cho cáp nâng không dịch chuyển treo hàng, M mô men khởi động để kd nâng/hạ container đến vị trí mong muốn, tkd thời gian khởi động ứng với thời gian

động làm việc để dẫn động xe đến vị trí yêu cầu quay tời để thay đổi chiều dài cáp nâng, sau thời gian này, cấu dịch chuyển đạt đến trạng thái xác lập Để cho xe cáp nâng không dịch chuyển, người điều khiển cần thực việc phanh cấu lại, thời gian phanh tính Δt Sau thời gian tkd+ Δt, lực

dẫn động xe ut=0, mô men dẫn động trống tời Mm=Mt

48

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 (NTNU)), 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]

Bảng 2.1 Thơng số tính tốn động lực học

Thơng số hệ thống Kích động sóng biển

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, b

m = 70 Ns/m

0 0 N,

a c  a1  b1 3.10 N,5

1 6.10 Nm,

c d 

0.35rad/ s

F M

  

Tải trọng gió

0

1.22kg/m , 7,1m/ ,s 1.1,

W

a C

    

0.85, r

K  Kh 1.15, Kwd 0.9,

1.05, g

C  Ac 14,06m2

2.5.2 Kết tính tốn

49

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 2.5)

Tương tự, chiều dài cáp nâng thay đổi đạt đến giá trị xác lập sau khoảng 22 giây kể từ lúc người vận hành bắt đầu thực việc điều khiển tay trang dao động xung quanh vị trí yêu cầu với sai số xác lập biên độ dao động lớn Điều hai yếu tố tác động gồm dịch chuyển trọng tâm tàu theo phương thẳng đứng đàn hồi cáp nâng Nếu không khống chế dao động hàng có xu hướng hạ xuống thấp lực kéo tác động lên cáp nâng thay đổi liên tục Điều thấy rõ kể từ giây thứ 40, vị trí xác lập ngày có xu hướng tăng dần giá trị Giá trị sai số xác lập thấy rõ với sai số lên đến 0,5 m giây thứ 60 Với sai số xác lập dao động với biên độ lớn container, cáp nâng xe dẫn đến việc thực xếp/dỡ hàng hệ thống khơng thể dẫn động cấu đến vị trí yêu cầu cách xác

50

Hình 2.5 Chiều dài cáp nâng (khơng có điều khiển)

Hình 2.6 Góc lắc cáp nâng (khơng có điều khiển)

51

Do tác động sóng biển, q trình lắc hàng không khống chế dẫn đến việc chiều dài cáp thay đổi liên tục, thay đổi với thay đổi bất lợi khác trình làm hàng Điều làm cho việc tiếp cận đích đến container trở nên khó khăn tốn nhiều thời gian điều chỉnh cho lần dịch chuyển container Dao động thân tàu dịch chuyển thân tàu theo phương thẳng đứng biểu thị Hình 2.8 & Hình 2.9 Khối lượng thân tàu lớn so với khối lượng hàng nên thân tàu dao động chủ yếu tác động sóng biển tải trọng gió Tuy nhiên, dao động thân tàu chịu ảnh hưởng việc làm hàng dịch chuyển cấu tạo dao động cưỡng với biên độ nhỏ Với mục đích dẫn động cấu đến vị trí yêu cầu cách xác, đồng thời góc lắc cáp nâng dao động container dọc theo cáp nâng phải giữ nhỏ triệt tiêu đích đến hệ thống điều khiển trực tiếp tay trang khó đáp ứng đồng thời yếu tố Có thể thấy, cấu dịch chuyển dao động xung quanh vị trí chế độ xác lập đồng thời góc lắc cáp nâng dao động với biên độ lớn Điều dẫn đến việc thực việc xếp/dỡ hàng góc lắc cáp nâng lớn gây độ lệch vị trí hàng đích đến, gây va đập với hàng hóa thiết bị lân cận khơng kiểm sốt góc lắc cáp nâng dẫn đến tai nạn hư hỏng trình làm hàng Do vậy, cần trục container gắn tàu cần thiết phải trang bị hệ thống điều khiển để tạo đáp ứng tốt góp phần nâng cao hiệu suất làm hàng giảm tai nạn hỏng hóc q trình làm việc cần trục

52

Hình 2.9 Góc lắc tàu (khơng có điều khiển)

2.6 Kết luận chương

Chương thực nội dung sau:

- Xây dựng mơ hình động lực học cần trục container đặt phao mơ hình phẳng, sáu bậc tự do, kể đến kích động sóng biển, thay đổi tải trọng gió, đàn hồi cáp nâng

- Xây dựng phương trình vi phân chuyển động hệ dựa phương trình Lagrange loại hai Hệ phương trình thu gồm sáu phương trình vi phân phi tuyến cấp hai Đây sở để xây dựng thuật tốn điều khiển

- Phân tích phương pháp tính tốn số sử dụng để giải trực tiếp phương trình vi phân cấp hai, từ lựa chọn phương pháp Newmark để giải hệ phương trình vi phân xây dựng

53

CHƯƠNG III HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

Hệ thống điều khiển thiết kế dựa thuật toán điều khiển bền vững SOSMC Bộ ước lượng mạng nơ ron (RBFN) tích hợp vào hệ thống điều khiển để ước lượng thơng số mơ hình hệ thống Bộ quan sát trạng thái sử dụng để thay thế cảm biến việc đo tín hiệu vận tốc góp phần giảm chi phí thiết kế hệ thống Tính bền vững hệ thống điều khiển khả đáp ứng thay đổi nhiễu thay đổi tham số hệ thống điều khiển điều

3.1 Đặc điểm đối tượng điều khiển

3.1.1 Đặc điểm

Đối tượng điều khiển cần trục gắn tàu mơ hình hóa Hình 2.2, hệ hụt dẫn động với sáu tín hiệu cần điều khiển q[xt m  s y b]T

nhưng dẫn động hai tín hiệu điều khiển U[ut Mm 0 0]T Đối tượng điều khiển hệ hụt dẫn động nên việc điều khiển khó khăn nhiều so với điều khiển hệ đủ cấu chấp hành Với hai tín hiệu điều khiển  T

t m

u M phải

cùng lúc đảm bảo yêu cầu điều khiển gồm kéo xe đến vị trí yêu cầu xt xd, thay đổi chiều dài cáp nâng đến chiều dài mong muốn ứng với góc quay tời đến góc quay tời mong muốn m md, đồng thời phải đảm bảo tín hiệu phụ thuộc gồm góc lắc container  , độ dãn cáp nâng s, chuyển động tàu theo phương thẳng

đứng y góc lắc tàu b đạt đến giá trị mong muốn

 s y b T  d sd yd bd T  0 0T Việc thiếu cấu chấp hành khó khăn lớn việc xây dựng hệ thống điều khiển số tín hiệu điều khiển khơng điều khiển trực tiếp cấu chấp hành Số lượng biến điều khiển phụ thuộc lớn gây khó khăn cho việc điều khiển

3.1.2 Tách hệ động lực

54

được dẫn động trực tiếp lực điều khiển U1[ut Mm]T , biến bị động

[ ]T

u   s y b

q không dẫn động trực tiếp cấu chấp hành Kết

hợp biến chủ động biến bị động, hệ động lực phân tích thành hai hệ

11 a  12 u  11 a  12 u 

M (q)q M (q)q C (q,q)q C (q,q)q G (q) U (q,q) (3.1)

12 a 22 u 21 a  22 u  

M (q)q M (q)q C (q,q)q C (q,q)q G (q) W (3.2)

Trong đó, 2

11 R





M (q) , M (q)12 R2 4 , M (q)21 R4 2 ,M (q)22 R4 4 ma trận M(q) C (q, q)11 R2 2 , C (q, q)12 R2 4 , C (q, q)21 R4 2 , C (q, q)22 R4 4 . ma trận C(q, q) G (q)1 R2và G (q)2 R4 ma trận ma trận G(q)

2 [ w w w] T

f F M



W véc tơ nhiễu sóng gió tác động lên hệ Các ma trận nói

trên xếp sau:

11 12 11 12

21 22 21 22

,

M (q) M (q) C (q, q) C (q, q)

M(q) C(q, q)

M (q) M (q) C (q, q) C (q, q)

   

   

    (3.3)

và

 



G(q) G (q) G (q) (3.4)

3.2 Điều khiển trượt bậc hai

3.2.1 Thuật toán điều khiển

Thuật toán điều khiển trượt bậc hai (SOSMC) xây dựng để đưa

[ ]T

a  xt m

q đến giá trị đặt qad xd mdT đưa qu [ s y b]T đến giá

trị mong muốn qud d sd yd bd T  0 0T Thuật toán điều khiển SOSMC đảm bảo hệ thống bền vững, bất chấp hệ chịu tác động nhiễu thay đổi tham số M (q)22 ma trận xác định dương, hệ bị động (3.2) biến

đổi thành:

 

1

22 21 21 22

u a a u



    

q M (q) W M (q)q C (q, q)q C (q, q)q G (q) (3.5)

55

1

a  a u  

M(q)q C (q, q)q C (q, q)q G(q) U (3.6)

Trong thành phần hệ tương đương mô tả sau:

1

12 22 21

1 11 12 22 21

1

2 12 12 22 22

1

1 12 22

            11

M(q) M (q) M (q)M (q)M (q)

C (q, q) C (q, q) M (q)M (q)C (q, q)

C (q, q) C (q, q) M (q)M (q)C (q, q)

G(q) G (q) M (q)M (q)G (q)

(3.7)

với tín hiệu vào tương đương U tương tác tín hiệu điều khiển U1 kích động sóng biển W2 xác định bằng:

1

1 12 22



 

U U (q, q) M (q)M (q)W (3.8)

Chú ý rằng, M(q) ma trận xác định dương Xem qa tín hiệu hệ thống, phương trình (3.6) viết thành:

 

1

1 12 22 2

a a u

 

    

q M (q) U (q, q) M (q)M (q)W C (q, q)q C (q, q)q G(q) (3.9)

Luật điều khiển tạo U (q, q)1 với tín hiệu hồi tiếp q qT đưa trạng thái hệ qqa qu đến mặt trượt đưa q đến vị trí mong muốn Một dạng mặt trượt chuyển mạch có dạng sau:

a a u

  

s e βe ρe (3.10)

Trong đó, ea qaqad eu qu qud véc tơ sai số;

 s R ,

1

diag( ,  )



β

3 0 0           

ρ ma trận tham số điều khiển Với tác

động luật điều 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 đóng-mở xét đến

sgn( )

  

s βs K s 0 (3.11)

Trong đó, Kdiag(K K1, 2) ma trận xác định dương Thành phần sβs

56 định mặt trượt

Thay phương trình (3.9) (3.10) vào phương trình (3.11) ta thuật tốn SOSMC có dạng:

 

 

1

1 12 22 2

2 ( ) ( ) sgn( )

a u

T

a u a ad u ud



   

      

U (q,q) M (q)M (q)W C (q,q)q C (q,q)q G(q)

M(q) βq ρq β β q q βρ q q K 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 Không cung cấp thông tin nhiễu W2, điều khiển đề

xuất làm việc tốt chịu tác động nhiễu Trong trường hợp này, thành

phần

12 22



M (q)M (q)W loại bỏ thuật toán điều khiển (3.12) đơn giản thành:

 

1

1

2 a u T ( a ad) ( u ud) sgn( )

a u

       

  

U (q,q) M(q) βq ρq β β q q βρ q q K s

C (q,q)q C (q,q)q G(q)

(3.13)

3.2.2 Phân tích ổn định

Ta phân tích ổn định hệ (2.15) với dẫn động điều khiển SOSMC (3.13) Xét hàm Lyapunov có dạng:

1

T

V  s M(q)s (3.14)

Đạo hàm hàm Lyapunov (3.14) theo thời gian, ta được:

1

T

V  s M(q)s (3.15)

Thay phương trình (3.9) vào đạo hàm mặt trượt (3.10), ta được:

 

1

1 12 22 a u

 

    

s M (q) U (q, q) M (q)M (q)W f(q, q) βq ρq (3.16)

Thay luật điều khiển (3.13) vào phương trình (3.16) dẫn đến mặt trượt đóng-mở

sgn( )

  

57

Thay phương trình (3.16) vào phương trình (3.14), ta được:

 

   

1

sgn( ) T

T T

V 

  

s M q s

s M q βs s M q K s

(3.18)

Chú ý M(q), β K ma trận xác định dương Do đó, V 0 V t( )V(0), t dẫn đến V t( )L Điều cho thấy s bị chặn Vậy, mặt trượt ổn định tiệm cận, lim

ts0 3.3 Điều khiển trượt tích hợp quan sát

Trong thực tế, tất biến trạng thái đo để phản hồi hệ thống điều khiển Khi đó, cần phải xây dựng ước lượng biến trạng thái để cung cấp thông tin điều khiển Trong số trường hợp, lấy đạo hàm biến trạng thái để tạo biến khác Điều làm cho độ xác tín hiệu phản hồi khơng cao có sai số lớn ảnh hưởng nhiễu Lấy đạo hàm biến trạng thái để tạo biến trạng thái khác làm giảm tỷ số tín hiệu-nhiễu thơng thường nhiễu dao động nhanh tín hiệu Sau lần đạo hàm tỷ số tín hiệu-nhiễu giảm vài lần Do đó, sử dụng ước lượng để ước lượng biến trạng thái không đo mà không cần dùng đến phép đạo hàm Bộ ước lượng gọi quan sát trạng thái hay nói ngắn gọn quan sát

58

Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển trượt bậc hai tích hợp quan sát

3.3.1 Thuật tốn điều khiển

Trong mơ phỏng, tín hiệu phản hồi trạng thái gồm véc tơ tọa độ suy rộng

 T

t m b

x   s y 



q đạo hàm q xt m  s y bT

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 Giảm số lượng cảm biến làm cho hệ thống điều khiển trở nên gọn nhẹ giảm giá thành Trong mục 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:

1

x x (3.19)

2    ( ,1 2)  ( 1)

-1 1

x M (x ) F C x x x G x (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:

Bộ điều khiển trượt tích hợp quan sát

Mơ hình quy đổi

; ; ; ;

Mơ hình động lực cần trục

; ;

Bộ quan sát Luenberger Mặt

trượt Tín hiệu đặt+ -

Tín hiệu

Nhiễu sóng biển W

59

1 1

ˆ  ˆ ( ˆ )

x x x x (3.21)

1

2 ˆ 1

ˆ     , v   (  ˆ )

x M (x ) F C(x σ (x )) G(x ) x x (3.22)

Trong đó, ( ,x xˆ ˆ1 2) giá trị xấp xỉ ( ,x x1 2)  , ,  ma trận thông số quan sát VR6 véc tơ giới hạn vận tốc x2, yếu tố phải thỏa mãn

( 6)

i i

x V i  σ (x )v 2 hàm tới hạn định nghĩa sau:

 

khi khi

i i i

i i i i

i

i i i

V x V

x V x V

V x V

           v

σ (x ) (3.23)

Do đó, tương ứng với tín hiệu vào ˆ ˆ T

c

 

  

F F 0 tín hiệu q hệ thống điều khiển, quan sát Luenberger (3.21) & (3.22) sử dụng để xấp xỉ ( , )q q trong trường hợp q đo q khơng đo Tiếp đó, thơng số trạng thái xấp xỉ ( ,x xˆ ˆ1 2)( , )q q hồi tiếp đến điều khiển Tương ứng với quan sát ˆ ˆ (3.21) & (3.22) Với điều khiển SOSMC, quan sát tích hợp vào điều khiển định nghĩa sau:

 

1

1 2

ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ

ˆ ˆ, ˆ ( ) ( ) sgn( )

ˆ ˆ

ˆ ˆ, ˆ ˆ, ˆ

T

a u a ad u ud

a u

       

  

U (x x ) M(x ) βq ρq β β q q βρ q q K s

C (x x )q C (x x )q G(x )

(3.24)

và

ˆ ˆ a  ˆa  ˆu

s e βe ρe (3.25)

với eˆa qˆa qad eˆu qˆuqud

3.3.2 Phân tích ổn định

60 t k e



η η(0) (3.26)

Trong đó,   12

1 2

ˆ ˆ

( ) ( ) T R

   

η x x x x véc tơ sai số xấp xỉ

  12

1 2

ˆ ˆ

( ) ( ) T R

   

η(0) x (0) x (0) x (0) x (0) trạng thái ban đầu nó, k  là thơng số chọn tùy ý lớn k Lưu ý, trạng thái cải tiến mơ hình cần trục container (2.15) quan sát (3.21) & (3.22) Do đó, điều kiện ban đầu mơ hình động lực học mơ hình quan sát phải giống hệt

1

ˆ ˆ

(q(0) q(0), )(x (0) x (0), ) [30]

3.4 Điều khiển trượt tích hợp mạng nơ ron

Hình 3.2 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển trượt bậc hai tích hợp mạng nơ ron

3.4.1 Thuật toán điều khiển

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

Bộ điều khiển NN-SOSMC

Mơ hình quy đổi

; ; ; ;

Mơ hình động lực cần trục ; ; Bộ xấp xỉ mạng nơ ron Mặt trượt Tín hiệu đặt+ -

Tín hiệu

Nhiễu sóng biển W

61

để ước lượng cấu trúc đối tượng điều khiển bao gồm M(q), C(q, q) G(q) Khi đó, thuật toán điều khiển SOSMC (3.13) viết lại thành:

1

2 ( )

( ) sgn( )

T

a u a ad

u ud

    

   

  

 

βq ρq β β q q

U (q, q) f(q, q) M(q)

βρ q q K s (3.27)

với

1 a u

  

f(q, q) C (q, q)q C (q, q)q G(q) (3.28)

trở thành hệ mơ hình cần trục phi tuyến phức tạp

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

của điều khiển C (q, q)1 , C (q, q)2 ,G(q) đại lượng chưa biết Điều dễ dàng nhận thấy từ mối quan hệ phương trình (3.3), (3.4) (3.7) Trong mạng RBFN, cấu thích nghi xây dựng để ước lượng hàm ẩn (3.27)

của điều khiển (3.28) Gọi ˆ

R 

f(q, q) xấp xỉ phi tuyến f(q, q), thuật toán điều khiển (3.27) viết dạng thích nghi sau

1

2 ( )

ˆ

( ) sgn( )

T

a u a ad

u ud

    

   

  

 

βq ρq β β q q

U (q, q) f(q, q) M(q)

βρ q q K s (3.29)

Trong đó, f(q, q)ˆ C (q, q)qˆ1 a C (q, q)qˆ2 u G(q)ˆ véc tơ hàm phi tuyến, ước lượng

3.4.2 Cấu trúc thích nghi

Cấu trúc thích nghi sử dụng thiết kế thuật toán điều khiển gồm mạng nơ ron với lớp tín hiệu vào, lớp ẩn lớp tín hiệu (Hình 3.3)

Tín hiệu đưa vào cấu trúc thích nghi véc tơ sai số  

s .

T a uc u R



 

z e e e

62

Hình 3.3 Cấu trúc thích nghi dùng mạng nơ ron

Mạng hàm hướng kính Gauss sử dụng để xấp xỉ mơ hình khơng biết f(q, q) Mơ hình xác định f(q, q) nhận dạng ngoại tuyến Khi ước lượng mơ

hình ˆf(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:

 

s T a uc u R



 

z e e e (3.30)

với euc (  d) (ssd)TR2 eus (yyd) ( b bd)T 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)được xác định bằng:

T

 

f(z) W 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:

2 exp         z μ h(z)

δ (3.32)

với μ   ij véc tơ trung tâm, δ   j véc tơ độ lệch chuẩn Tiếp đó, tín Lớp tín hiệu Lớp tín hiệu vào

Lớp ẩn

 

s T

a uc u R



 

z e e e

2 exp         z μ h(z) δ T  

f(z) W h(z) ε

ˆ  ˆ T

63

hiệu mạng RBFN xấp xỉ ˆf(z) biểu thị bằng:

ˆ  ˆ T

f(z) W h(z) (3.33)

Sai số mơ hình ε nhỏ, đó, loại bỏ thấy phương trình (3.33) Áp dụng ổn định Lyapunov, cấu xác định đề xuất để trực tiếp ước lượng thành phần phi mơ hình ˆf(z) việc xấp xỉ ma trận trọng số Wˆ sau:

ˆ   T

W Γh(z)s (3.34)

với Γdiag( 1, 2, ,m) ma trận chéo xác định dương thơng số thích nghi Thực tế, cấu (3.40) trực tiếp xấp xỉ ˆf(z) việc xác định xấp xỉ ma trận trọng số Wˆ ánh xạ tín hiệu vào xấp xỉ hệ ˆf(z) gần tốt để xác định thành phần f(q, q)

3.4.3 Phân tích ổn định

Ta phân tích ổn định hệ (2.15) tích hợp cấu thích nghi (3.29) với dẫn động điều khiển RBFN Xét hàm Lyapunov có dạng

1

1

trace( )

2

T T

V  s M(q)s W Γ W  (3.35)

Trong đó, WW Wˆ  sai số ma trận trọng số, Wˆ xấp xỉ ma trận trọng số

Đạo hàm hàm Lyapunov (3.35) theo thời gian, ta được:

1 ˆ

trace( )

T T

V s M(q)s W Γ W  (3.36)

Thay phương trình (3.9) vào đạo hàm mặt trượt (3.10), ta được:

 

1

1 12 22 a u

 

    

s M (q) U (q, q) M (q)M (q)W f(q, q) βq ρq (3.37)

Thay luật điều khiển (3.29) vào phương trình (3.36) dẫn đến mặt trượt đóng-mở

1

sgn( ) 

  

s βs M (q)f(q,q) K s (3.38)

64

ˆ ˆ T ,

  

f f(q, q) f(q, q) W h(z) (3.39)

là sai số ước lượng thành phần phi tuyến f(q, q) Thay phương trình (3.37) vào

phương trình (3.35), ta được:

1

1 1

1 ˆ

trace( )

2

ˆ

sgn( ) trace( )

ˆ

sgn( ) trace( )

ˆ

sgn( ) trace( )

T T

T T T T

T T T T T

T T T T

V                           

s M(q)s W Γ W

s M(q)βs s M(q)K s s f(q,q) W Γ W

s M(q)βs s M(q)K s s W (q,q) W Γ W

s M(q)βs s M(q)K s W Γ W s h(z)

(3.40)

Thêm cấu cập nhật (3.34) vào đạo hàm hàm Lyapunov (3.36), ta được:

sgn( )

T T

V  s M(q)βs s M(q)K s (3.41)

Chú ý M(q), β K ma trận xác định dương Do đó, V 0 V t( )V(0), t dẫn đến V t( )L Điều cho thấy s W bị chặn Vậy, mặt trượt ổn định tiệm cận, lim

ts0 3.5 Mô

3.5.1 Các thông số đầu vào

Ta tiến hành mơ số mơ hình động lực cần trục (2.15) chịu tác động sóng biển (2.16), (2.17) gió (2.18) dẫn động điều khiển (3.13) điều khiển thích nghi bền vững (3.29) Trong đó, RBFN áp dụng để xấp xỉ hệ thống (3.32)÷(3.34) Dưới thơng số sử dụng mô đáp ứng hệ thống gồm thông số hệ động lực, nhiễu, tham số điều khiển, cấu thích nghi, thơng số quan sát (Bảng 3.1) Các thông số hệ động lực, thơng số sóng biển kích động, thơng số tải trọng gió chọn theo phân tích lý giải chọn thông số Bảng 2.1 Các tham số điều khiển SOSMC, NN-SOSMC OB-SOSMC chọn phương pháp thử sai

Bảng 3.1 Các thông số mơ

Hệ động lực Sóng biển

a2 = 32 m, 0

0 N,

w w

a c  aw1 bw1 3.10 N,5 cw1 dw1 6.10 Nm,5 0.35rad/ s

65 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

Tải trọng gió

0

1.22kg/m , 7,1m/ ,s 1.1,

W

a C

     Kr 0.85,

1.15,

h

K  Kwd 0.9, Cg 1.05, Ac 14,06m2 Thuật toán điều khiển SOSMC

1 0.21

  , 2 0.3, 1 13, 2 1, 3 4, 4 0.1, 2

K K 

Thuật toán điều khiển NN-SOSMC

1 0.2

  , 2 0.4, 113, 2 1,3 4 , 4 0.1, 2

K K  ,  i 12,

1.5 0.5 0.1 0.5 1.5 0.5 1.5

0.1 1.5 0.5 0.1 0.5 1.5 0.5 1.5 ,

1.5 0.5 0.1 0.5 1.5 0.5 1.5

                            μ

2 2 2 2 2 2



δ

Bộ quan sát

1 ˆ

ˆ (0) (0) 0 0 0T

x q ,

 

2 ˆ

ˆ (0) (0) 0 0 0 T

x q ,

1 0.1 0.5 0.5 0.5 ,T

v  5,  1,  1

3.5.2 Kết mô

66

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

Hình 3.4 Lực đẩy xe

Hình 3.5 Vị trí xe

67

Hình 3.7 Chiều dài cáp nâng

Trên Hình 3.8, ta dễ dàng nhận thấy đáp ứng góc lắc cáp nâng thuật tốn điều khiển OB-SOSMC đạt đến trạng thái xác lập sớm so với hai thuật toán điều khiển SOSMC NN-SOSMC Tuy nhiên, đạt đến trạng thái xác lập, góc lắc cáp nâng việc sử dụng thuật toán điều khiển OB-SOSMC không bị triệt tiêu mà tiếp tục dao động với biên độ nhỏ Ở giai đoạn độ, góc lắc lớn thuật tốn 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° Đối với dao động dọc theo cáp nâng container, giai đoạn

quá độ, biên độ dao động lớn thuật toán điều khiển SOSMC OB-SOSMC giống smax= 0,18 m, với thuật tốn điều khiển

NN-SOSMC biên độ dao động lớn container dọc theo cáp nâng smax= 0,22

68

Hình 3.8 Góc lắc cáp nâng

Hình 3.9 Dao động container dọc theo cáp nâng

69

dịch chuyển thân tàu theo phương thẳng đứng chu kỳ đao dộng tăng từ 10 giây lên 12 giây Như vậy, khẳng định, trang bị hệ thống điều khiển với thuật tốn điều khiển đề xuất góp phần tăng chất lượng đáp ứng trình điều khiển cần trục

Hình 3.10 Dao động nghiêng thân tàu

Hình 3.11 Dao động chúi thân tàu

70

tín hiệu hệ thống Với nhiều giá trị xấp xỉ f(z)ˆ  fˆ1(z) fˆ2(z) làm cho  hệ thống ổn định Do đó, ước lượng khơng cần thiết nhận dạng mơ hình hệ thống

Hình 3.12 Phần tử hệ tương đương (NN-SOSMC)

Hình 3.13 Ước lượng thơng số hệ tương đương (NN-SOSMC)

3.5.3 Tính bền vững hệ thống điều khiển

71

tiêu chuẩn EURO container loại 20 feet có khối lượng lớn 24 tấn, container 40 feet có khối lượng lớn 30,48 [1] Như vậy, nhiễu thông số hệ thống thay đổi liên tục trình khai thác cần trục container 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 0,2rad/s, khối lượng

tàu 2.800.000 kg Sử dụng container 20 feet với diện tích chắn gió AC 14,06m2, tốc

độ gió 0 5,2 m/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 0,5rad/s, khối lượng

tàu 4.500.000 kg Sử dụng container 40 feet với diện tích chắn gió AC 28,7m2, tốc độ gió 0 8,8m/s(ứng với cấp gió Bơ-pho cấp 5), khối lượng hàng 30.480 kg

72

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)

73

Hình 3.17 Dao động container dọc theo cáp nâng (thử tính bền vững hệ thống điều khiển)

Hình 3.18 Dao động nghiêng thân tàu (thử tính bền vững hệ thống điều khiển)

74 3.6 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 Cả thuật toán điều khiển trượt thơng thường thuật tốn điều khiển trượt bậc hai bảo đảm tính bền vững hệ chịu tác động nhiễu thay đổi tham số Tuy nhiên, điều khiển trượt bậc hai cịn góp phần giảm tượng rung (chattering) đưa hệ thống tiến mặt trượt tín hiệu tạo từ điều khiển trượt hàm không liên tục

- Các thuật tốn điều khiển mơ để tính tốn đáp ứng dựa ngơn ngữ lập trình MATLAB®/Simulink® Các kết mơ hệ thống

điều khiển bền vững với thay đổi nhiễu thay đổi thông số hệ thống Góc lắc hàng q trình làm việc ln giữ mức nhỏ giai đoạn chuyển tiếp θmax=2,8°, không tồn độ điều chỉnh sai số xác lập

75

CHƯƠNG IV THỰC NGHIỆM

Mơ hình thực nghiệm cần trục xây dựng dựa cải tiến mơ hình cần trục 3D công ty INTECO, bổ sung thêm đế kích động để tạo dao động giống với dao động sóng tác động lên tàu làm việc biển Kết thực nghiệm chứng minh tương đồng quy luật mô thực nghiệm Hệ thống điều khiển thể tính bền vững với thay đổi nhiễu thơng số hệ thống

4.1 Mơ hình thực nghiệm

4.1.1 Xây dựng 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 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

76

Hình 4.1 Hệ thống cần trục container phịng thí nghiệm

Hình 4.2 Đế kích động Gough-Stewart tạo dao động sóng

Hình 4.3 Dịch chuyển đế kích động khơng gian chiều

Như vậy, hệ thống có năm tín hiệu cần điều khiển gồm chuyển vị dầm chính, chuyển động xe con, chiều dài cáp nâng hàng, hai góc lắc hàng theo hai phương Trong đó, có ba tín hiệu điều khiển gồm lực kéo (mơ men) ba động dẫn động xe con, dẫn động dầm chính, nâng/hạ container Mặt khác, điều

Trục nâng Đế kích

động

Kit phụ Arduino

UNO

Cần trục container

Xe

Dầm

PC

Tủ điều khiển cần trục Mã hàng Quạt

Đế kích động sáu bậc tự Tủ điều khiển

đế kích động

77

kiện làm việc cần trục container khơi phức tạp: cần trục container cịn chịu kích động sóng biển, gió, khởi động lúc ba cấu Điều khiển hệ thống với điều kiện làm việc phức tạp trên, đồng thời, số tín hiệu điều khiển nhỏ số tín hiệu thường gặp nhiều thách thức khó nhiều so với hệ đủ cấu chấp hành

4.1.2 Các lưu ý

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 Trong thực tế, giai đoạn chuyển tiếp, hệ tàu-cần trục dao động với hai tần số tần số riêng tàu tần số dao động cưỡng sóng Sau đó, giai đoạn xác lập ổn định, hệ tàu-cần trục dao động với tần số so với tần số dao động sóng biển Tuy nhiên, mục tiêu toán điều khiển cần trục dẫn động xe hàng đến vị trí mong muốn đồng thời giữ cho góc lắc hàng nhỏ suốt q trình làm việc nên yếu tố không ảnh hưởng đến kết thực nghiệm Vì tốn thiết kế thuật tốn điều khiển yếu tố kích động sóng xem nhiễu ngồi tác động

Biên độ đế kích động thay đổi tuần hoàn với vài tần số lựa chọn tương đương với tần số dao động sóng biển, thay đổi tần số biên độ kích động phù hợp với cấp sóng khác đại diện cho kích động sóng biển ngồi thực tế

Chưa tính đến đàn hồi cáp nâng thay đổi chiều dài cáp nâng thực phịng thí nghiệm nhỏ Yếu tố có kể đến mơ hình thực tế chiều dài cáp nâng thực tế thay đổi lớn đề cập thiết kế thuật toán điều khiển

78

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) hoàn 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 Thực tế cho thấy, nghiên cứu điều khiển cần trục, mơ hình cần trục 3D hãng INTECO sử dụng để thử nghiệm thuật toán điều khiển cho loại cần trục khác gồm cầu trục, cổng trục cần trục container Ngoài ra, thử nghiệm hệ thống điều khiển mơ hình bước trung gian trước thử nghiệm thực tế Với luận điểm trên, mơ hình cần trục Hình 4.1 hồn tồn đáp ứng u cầu thử nghiệm toán điều khiển cần trục container đặt phao

4.2 Hệ thống điều khiển

4.2.1 Tổng quan hệ thống

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, thiết bị vật tư dùng để chế tạo mơ hình cần trục container phịng thí nghiệm liệt kê Bảng 4.1

79

nhỏ 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 biển Với yêu 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

Dưới tác động đế kích động, cần trục container làm việc khó khăn Nếu khơng có chiến lược điều khiển tốt cần trục khơng thể thực tốt chức mình, điều ảnh hưởng lớn đến chất lượng làm việc an tồn khai thác cần trục Việc mơ tả chi tiết phần tử hệ thống bao gồm phần cứng phần mềm trình bày phần

Các thiết bị vật tư phục vụ thiết kế mơ hình cần trục container

STT Danh mục vật tư, thiết bị Số lượng

1 Động xoay chiều ba pha 02

2 Động điện chiều 24V 01

3 Cảm biến quang 200 xung 05

4 Biến tần Mitsubishi FREQROL-S500 02

5 Mạch cầu MB02A 01

6 Kit vi điều khiển NI-MyRIO 1900 01

7 Hệ robot Gough-Stewart bậc tự 01

8 Kit vi điều khiển Arduino MEGA 2560 01

9 Kit vi điều khiển Arduino UNO R3 06

10 Trục nâng hành trình 150 mm 06

80

Hình 4.4 Sơ đồ khối hệ thống thực nghiệm Động xoay chiểu pha

dẫn động xe

Động chiều nâng hạ tải

Động xoay chiểu pha dẫn động cần trục

Cần trục container Các encoders

Tín hiệu

đặt

Đế kích động Xử lý tín hiệu (đạo hàm số, lọc tần số thấp)

θ

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

Trục nâng

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 (MyRIO-1900) gồm mạch (card) giao tiếp vi xử lý + Máy tính

(2) Phần mềm:

+ Thuật tốn điều khiển

+ MATLAB /Simulink /Labview

Tín hiệu

ra

xd

ld

81

4.2.2 Các thành phần hệ thống điều khiển cần trục

Hệ thống điều khiển cần trục gồm có: cảm biến, động điện, vi điều khiển biến tần

a Cảm biến (Encoder)

82 b Động điện

Động điện sử dụng để dẫn động cấu hệ thống cần trục container gồm: hai động điện xoay chiều khơng đồng ba pha 3P-220VAC-50Hz-60W, có kèm hộp giảm tốc 280 vịng/phút; động điện chiều có hộp giảm tốc Động điện xoay chiều không đồng ba pha điều khiển tốc độ biến tần, động điện chiều điều khiển tốc độ điều biến độ rộng xung PWM Hai động điện xoay chiều không đồng ba pha sử dụng để dẫn động xe dầm cần trục container, động điện chiều dùng để quay tời thay đổi chiều dài cáp nâng

Thông số động điện

Điện áp sử dụng

Cơng suất định mức

Vịng quay định mức

Tỷ số truyền hộp giảm tốc

Tốc độ định mức trục

Động điện xoay chiều không đồng ba pha

220 V 60 W 1800 v/ph 1:20 90 v/ph

Động điện chiều

24 V 17 W 9000 v/ph 1:180 50 v/ph

c Vi điều khiển

Phần cứng điều khiển cần trục bao gồm Kit vi điều khiển nhúng MyRIO-1900 hãng National Instrument (NI), hai biến tần Mitsubishi FREQROL-S500 điều khiển tốc độ hai động xoay chiều không đồng ba pha mạch PWM để điều khiển tốc độ động chiều Phần cứng điều khiển đế kích động gồm Kit Arduino MEGA 2560 sáu Kit phụ Arduino UNO MEGA 2560

Hệ thống nhúng MyRIO-1900 tích hợp vi điều khiển sản phẩm hãng NI, ứng dụng nhiều lĩnh vực: Điện tử, Cơ điện tử, Điều khiển-Tự động hoá, Hệ thống nhúng, lập trình FPGA & Real-time Kit thiết kế dòng vi xử lý ARM Cortex-A9 Xilinx FPGA Kit hỗ trợ nhiều ngoại vi khác như:

83

- 40 đầu vào số, cấu hình chân ngắt ngoài; - giải mã sườn xung;

- kênh PWM;

- Truyền thông UART, I2C, SPI

Bên cạnh đó, Kit cịn hỗ trợ truyền thông không dây qua wifi, phù hợp với ứng dụng nhúng không dây Sơ đồ chân ngoại vi chức mô tả chi tiết Hình 4.5

Hình 4.5 Sơ đồ chân ngoại vi chức Kit MyRIO-1900

Các ngoại vi vi điều khiển sử dụng ứng dụng điều khiển cần trục container gồm: bốn giải mã sườn xung (QEP) để đọc tín hiệu từ cảm biến đo vị trí xe góc lắc cáp nâng; ngắt ngồi để đo tín hiệu cảm biến đo góc quay tời, kênh PWM; ba kênh đầu số để cấp tín hiệu điều khiển cho mạch động lực Chi tiết đấu nối đường tín hiệu với chân vi điều khiển thể Bảng 4.3

Chi tiết đấu nối đường tín hiệu với chân vi điều khiển Chân vi điều

khiển Tín hiệu Chức

C/DIO0 X/A Kênh A cảm biến dịch chuyển trục X

C/DIO2 X/B Kênh B cảm biến dịch chuyển trục X

C/DIO4 Y/A Kênh A cảm biến dịch chuyển trục Y

84 Chân vi điều

khiển Tín hiệu Chức

A/DIO11 DX/A Kênh A cảm biến góc lắc trục X

A/DIO12 DX/B Kênh B cảm biến góc lắc trục X

B/DIO11 DY/A Kênh A cảm biến góc lắc trục Y

B/DIO12 DY/B Kênh B cảm biến góc lắc trục Y

A/DIO0 (Interrupt) Z/A Kênh A cảm biến góc quay tời

A/DIO11 Z/B Kênh B cảm biến góc quay tời

A/PWM0 PWM X Tín hiệu điều khiển tốc độ động trục X

A/PWM1 PWM Y Tín hiệu điều khiển tốc độ động trục Y

A/PWM2 PWM Z Tín hiệu điều khiển tốc độ động quay tời

B/DIO0 DIR X+ Tín hiệu điều khiển động trục X quay thuận

B/DIO1 DIR X- Tín hiệu điều khiển động trục X quay nghịch

B/DIO2 DIR Y+ Tín hiệu điều khiển động trục Y quay thuận

B/DIO3 DIR Y- Tín hiệu điều khiển động trục Y quay nghịch

B/DIO4 DIR Z Tín hiệu điều khiển chiều động quay tời

B/DIO1 DIR X- Tín hiệu điều khiển động trục X quay nghịch

Hình 4.6 Biến tần Mitsubishi FREQROL-S500 hộp điều khiển Biến tần điều

khiển tốc độ động trục X Biến tần điều

khiển tốc độ động trục Y Nguồn cấp

Mạch cầu H

85 d Biến tần

Hai biến tần Mitsubishi FREQROL-S500, thể Hình 4.6, sử dụng để điều khiển truyền động điện hai động xoay chiều không đồng ba pha Đây dòng sản phẩm biến tần nhỏ gọn, thiết kế phù hợp cho ứng dụng nhỏ, tải nhẹ thực tế với thông số kỹ thuật sau:

- Dải cơng suất: 0.2 kW ~ 1.5 kW (với nguồn 220 V), 0.4 kW~3.7 kW (với nguồn 380 V);

- Dải tần số ra: 0.5 ~ 120 Hz;

- Có tích hợp điều khiển PID, truyền thơng theo chuẩn RS485;

- Có bảo vệ tải, lọc nhiễu nguồn vào,…

Trong đó, động điện chiều điều khiển mạch cầu H MB02A hãng HBQ Technology thông qua phương pháp điều biến độ rộng xung (PWM)

4.2.3 Đế kích động

Hệ thống điều khiển đế kích động mơ tả Hình 4.7 với liệu sóng ngẫu nhiên lấy từ toolbox: Marine Systems Simulator (MSS) [139] Nhóm tác giả đo sóng biển ngẫu nhiên ngồi biển, lấy số liệu dao động sóng ngẫu nhiên đưa vào toolbox họ Do vậy, kích động đế tạo sóng gần giống với sóng biển thực tế Quỹ đạo đặt được đưa vào điều khiển file liệu sóng ngẫu nhiên theo thời gian nạp vào Kit thông qua phần mềm mã nguồn mở IDE Arduino Môi trường phát triển tích hợp (IDE) Arduino ứng dụng đa tảng viết Java, từ IDE sử dụng cho ngôn ngữ lập trình xử lý

86

Hình 4.7 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển đế kích động

4.3 Kết thực nghiệm

Để kiểm chứng thuật toán điều khiển thiết kế cho cần trục container đặt phao chịu kích động sóng biển Trong phịng thí nghiệm, mơ hình cần trục container gắn lên đế kích động hệ robot Gough-Stewart platform sáu bậc tự nạp liệu sóng ngẫu nhiên Để phù hợp với mơ hình mơ phỏng, đế kích động dịch chuyển hai bậc tự ứng với góc lắc roll dịch chuyển heave mơ tả Hình 4.8 & Hình 4.9 Trong đó, lực gió giả lập với gió sinh từ quạt điện phịng thí nghiệm Gió thổi trực tiếp vào tải trọng, kích thước tải trọng thay đổi với khối lượng khác Tải trọng có khối lượng 11,7 kg, kích thước (0,1 m x 0,5 m x 0,1 m), tốc độ gió đo 6,4 m/s Các đáp ứng điều khiển với thuật toán điều khiển tổng hợp phân tích để điều khiển đề xuất làm việc tốt chịu kích động đế kích động với biên độ tần số sóng thay đổi liên tục

Máy tính/phần mềm mã nguồn mở IDE Arduino Kit Master Arduino MEGA 2560

Kit Slave Arduino UNO MEGA 2560 Trục nâng Trục nâng Trục nâng Trục nâng Trục nâng Trục nâng Đế kích động

87

Ba thuật toán điều khiển SOSMC, NN-SOSMC OB-SOSMC thiết kế Chương kiểm chứng mơ hình thực nghiệm Thuật toán điều khiển viết vi điều khiển nhúng MyRIO-1900 sử dụng phần mềm Labview Ngôn ngữ lập trình kết hợp câu lệnh với khối tính tốn, tương tự mơi trường MATLAB®/Simulink® Thời gian lấy mẫu 10 ms thiết lập timer

trong vi điều khiển, sau khoảng thời gian này, chương trình thực tính tốn theo giải thuật điều khiển để đưa tín hiệu điều khiển Giao diện người dùng thiết kế phần mềm Labview, bao gồm số chức đặt giá trị mong muốn, giám sát q trình động học thơng qua đồ thị, lưu trữ liệu dạng file Excel dừng hoạt động có cố

Hình 4.8 Dịch chuyển đế kích động theo phương thẳng đứng

88

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 u cầu đồng thời giữ cho góc lắc cáp nâng nhỏ 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 q vị trí u cầu Tuy nhiên, việc cải thiện sau xe dẫn động đến vị trí u cầu Điều chứng tỏ hiệu làm việc thuật toán điều khiển chịu tác động yếu tố bất lợi Hệ thống điều khiển bền vững với thông số bất định nhiễu tác động

89

Hình 4.11 Chiều dài cáp nâng (thực nghiệm)

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 không lớn θmax=2,6° hệ thống điều khiển tích hợp thuật tốn điều khiển

NN-SOSMC OB-NN-SOSMC, θmax=2,5° với hệ thống điều khiển tích hợp thuật tốn điều

khiển SOSMC (Hình 4.12) 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

90

4.4 Thực nghiệm tính bền vững hệ thống điều khiển

Kết mô hệ thống điều khiển bền vững với thay đổi nhiễu ngồi tác động thay đổi thơng 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 thể Hình 4.13 Hình 4.14 Biên độ dao động lớn trường hợp lớn trường hợp

Hình 4.13 Góc lắc đế kích động (thử tính bền vững hệ thống điều khiển)

91

Với thay đổi yếu tố nhiễu ngồi thơng số hệ thống, đáp ứng hệ thống điều khiển thể từ Hình 4.15 đến Hình 4.17 Có thể thấy, hệ thống điều khiển đáp ứng tốt yêu cầu điều khiển So với kết đáp ứng thực nghiệm với hệ thống điều khiển tích hợp thuật tốn NN-SOSMC hai trường hợp thử tính bền vững hệ thống cho đáp ứng gần giống Xe chiều dài cáp nâng bám giá trị đặt Trong đó, góc lắc cáp nâng có dao động khác ba trường hợp góc lắc lớn giai đoạn chuyển tiếp xoay quanh giá trị θmax=2,6° (Hình 4.17) Như vậy, khẳng định hệ thống điều khiển đảm bảo

tính bền vững với thay đổi nhiễu thơng số hệ thống

Hình 4.15 Vị trí xe (thực nghiệm thử tính bền vững hệ thống điều khiển)

92

Hình 4.17 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 liệt kê Bảng 4.4 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 toán điều khiển thời gian tăng đáp ứng tương đương với thuật toán điều khiển mơ thực nghiệm Tuy nhiên, góc lắc cáp nâng với thuật toán 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

93

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 toán 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 không đáng kể, đó, khơng ảnh hưởng đến chất lượng 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 toán điều khiển hoàn toàn 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

94

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 mô 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 mô 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

95

So sánh đáp ứng thuật toán điều khiển

Các đáp ứng hệ thống

Thời gian tăng (s) Độ điều chỉnh Sai lệch tĩnh Số chu kỳ dao động

Mô Thực

nghiệm Mô

Thực

nghiệm Mô

Thực

nghiệm Mô

Thực nghiệm

SOSMC

Vị trí xe x t 15 0,01 m 0 0

Chiều dài cáp nâng l 15 5,5 0 0 0

Góc lắc cáp nâng  14 θmax=2,8° θmax=2,5° ess=0,25°

NN

-SOS

MC

Vị trí xe x t 15,5 0,01 m 0 0

Chiều dài cáp nâng l 14 5,5 0 0 0

Góc lắc cáp nâng  14 θmax=2,7° θmax=2,6° ess=0,3°

OB

-SOS

MC

Vị trí xe x t 15 0,01 m 0,05 m 0,005 m 0

Chiều dài cáp nâng l 15 5,5 0,015 m 0,004 m 0

96 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 u 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 mơ 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;

 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;

97 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 OB-SOSMC 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

98

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

99

HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI

Với kết đạt được, đề tài phát triển nghiên cứu theo số hướng sau đây:

1 Mơ hình hóa đối tượng điều khiển dạng mơ hình khơng gian ba chiều, phát triển mơ hình coi container vật rắn chuyển động song phẳng

2 Trong mơ hình thực nghiệm cải tiến lắp thêm thiết bị đo để tính tốn độ co dãn cáp nâng từ xét ảnh hưởng đàn hổi cáp nâng trình thực nghiệm

100

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

101

[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, Hoàng 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 hoá VCCA 2017

[10] Phạm Văn Triệu, Hoàng 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

102

TÀI LIỆU THAM KHẢO

A Tài liệu tiếng Việt

1 Trần Ngọc Tú (2017), Đặc điểm thiết kế tàu container Nxb Hàng hải

2 Ngô Quang Hiếu, Điều khiển chống lắc hệ cần cẩu container có bù ma sát Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ, 2013(29): p 8-14

3 Bùi Khắc Gầy, Trần Huy Hùng, Khảo sát động lực học cần trục tự hành dẫn động điện nâng vật từ 2010

4 Nguyễn Quốc, Chí Nguyễn Tiến Khang, Giải thuật chống lắc tích hợp hệ thống vision cho cầu trục container Tạp chí Phát triển Khoa học Công nghệ 20(1K): trang 35-41

5 Lưu Quang Khanh, Nghiên cứu dao động hàng phối hợp làm việc cấu di chuyển cấu quay cần trục tháp 2007, Đại học Hàng hải

6 Ngô Quang Hiếu, Nguyễn Chí Ngơn, Nguyễn Ngơ Phong, Thiết kế điều khiển chống lắc Fuzzy PD cho hệ cần cẩu container tự động Proceedings of Publishing House for Science and Technology, 2016 1(1)

7 Trần Đức Hiếu, Pavel Sorokin, Phương pháp thiết bị điều khiển đảm bảo ổn định cần trục tháp tác động luồng gió giật Tạp chí khoa học công nghệ xây dựng, (13): trang 102-105

8 Bùi Khắc Gầy, Vũ Đức Thịnh, Tính tốn động lực học cầu trục loại dầm sử dụng hai pa lăng điện làm cấu nâng vật Tạp chí Cơ khí Việt Nam, 2014

9 Nguyễn Thúc Tráng, Nghiên cứu động lực học cần cẩu tháp dạng cần nằm ngang trong trình nâng vật thay đổi tầm với Tạp chí GTVT, 2016

10 Nguyễn Anh Tuấn, Cơ sở lí thuyết để xây dựng mơ hình động học cần trục tháp cột cố định Tạp chí Khoa học kỹ thuật Thủy lợi Môi trường, (18): tr 54

103 B Tài liệu tiếng Anh

12 H Abdel-Khalel, K Shawki, and M Adel, A computer-based Model for optimizing the location of single tower crane in construction sites International Journal of Engineering Science and Innovative Technology, 2013 2(2): p 438-446

13 Eihab M Abdel-Rahman, Ali H Nayfeh, and Ziyad N Masoud, Dynamics and control of cranes: A review Modal Analysis, 2003 9(7): p 863-908

14 EM Abdel-Rahman and AH Nayfeh, Pendulation reduction in boom cranes using cable length manipulation Nonlinear Dynamics, 2002 27(3): p 255-269

15 Auwalu M Abdullahi, et al., Output-based command shaping technique for an effective payload sway control of a 3D crane with hoisting Transactions of the Institute of Measurement and Control, 2016: p 0142331216640871

16 Mahdieh Adeli, et al Anti-swing control for a double-pendulum-type overhead crane via parallel distributed fuzzy LQR controller combined with genetic fuzzy rule set selection in Control System, Computing and Engineering (ICCSCE), 2011 IEEE International Conference on 2011 IEEE

17 MA Ahmad, et al Hybrid collocated PD with non-collocated PID for sway control of a lab-scaled rotary crane in Industrial Electronics and Applications (ICIEA), 2010 the 5th IEEE Conference on 2010 IEEE

18 MA Ahmad, et al Experimental investigations of low pass filter techniques for sway control of a Gantry crane system in Electronic Computer Technology (ICECT), 2010 International Conference on 2010 IEEE

19 MA Ahmad, et al Active sway control of a lab-scale rotary crane system in Computer and Automation Engineering (ICCAE), 2010 The 2nd International Conference on 2010 IEEE

104

21 S Akiyama, T Fukuyama, and T Iketani, Dynamic Response of a Cargo Suspended by a Floating Crane under Sea Waves Kajima Technical Research Institute annual report, 2004 52: p 43-48

22 Andrei Aksjonov, Valery Vodovozov, and Eduard Petlenkov, Three-dimensional crane modelling and control using Euler-Lagrange state-space approach and anti-swing fuzzy logic Electrical, Control and Communication Engineering, 2015 9(1): p 5-13

23 Naif B Almutairi and Mohamed Zribi, Sliding mode control of a three-dimensional overhead crane Journal of vibration and control, 2009 15(11): p 1679-1730

24 Morten Kollerup Bak, Michael Rygaard Hansen, and Hamid Reza Karimi, Robust tool point control for offshore knuckle boom crane IFAC Proceedings Volumes, 2011 44(1): p 4594-4599

25 Giorgio Bartolini, Alessandro Pisano, and Elio Usai, Second-order sliding-mode control of container cranes Automatica, 2002 38(10): p 1783-1790

26 Belkheir Benhellal, et al., Decoupled adaptive neuro-fuzzy sliding mode control applied in a 3D crane system Journal of Electrical Engineering, 2014 14(2014): p 305-313

27 S Blanes and PC Moan, Practical symplectic partitioned Runge–Kutta and Runge–Kutta–Nyström methods Journal of Computational and Applied Mathematics, 2002 142(2): p 313-330

28 Arnut Burananda, et al Neural network based self-tuning control for overhead crane systems in SICE 2002 Proceedings of the 41st SICE Annual Conference 2002 IEEE

29 John Butcher, Runge-Kutta methods Scholarpedia, 2007 2(9): p 3147

105

31 Shuenn‐Yih Chang, Studies of Newmark method for solving nonlinear systems:(I) basic analysis Journal of the Chinese Institute of Engineers, 2004 27(5): p 651-662

32 He Chen, Yongchun Fang, and Ning Sun, A swing constraint guaranteed MPC algorithm for underactuated overhead cranes IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 2016 21(5): p 2543-2555

33 Hyun Cheol Cho and Kwon Soon Lee, Adaptive control and stability analysis of nonlinear crane systems with perturbation Journal of Mechanical Science and Technology, 2008 22(6): p 1091

34 Yingguang Chu, et al Modelling And Simulation Of An Offshore Hydraulic Crane in ECMS 2014

35 M Defoort, J Maneeratanaporn, and T Murakami Integral sliding mode antisway control of an underactuated overhead crane system in Mechatronics (MECATRONICS), 2012 9th France-Japan & 7th Europe-Asia Congress on and Research and Education in Mechatronics (REM), 2012 13th Int'l Workshop on 2012 IEEE

36 JR Dormand, MEA El-Mikkawy, and PJ Prince, Families of Runge-Kutta-Nystrom Formulae IMA Journal of Numerical Analysis, 1987 7(2): p 235-250

37 Łukasz Drąg, Model of an artificial neural network for optimization of payload positioning in sea waves Ocean Engineering, 2016 115: p 123-134

38 Sam Chau Duong, et al., A hybrid evolutionary algorithm for recurrent neural network control of a three-dimensional tower crane Automation in Construction, 2012 23: p 55-63

39 D Economou and I Antoniadis, Vibration reduction of gantry crane loads with hoisting using finite impulse response (FIR) digital filters Adv Syst Sci Meas Circuits Control, World Scientific and Engineering Academy and Society, 2001: p 22-28

106

41 Thomas Erneux and Tamás Kalmár-Nagy, Nonlinear stability of a delayed feedback controlled container crane Journal of Vibration and Control, 2007 13(5): p 603-616

42 Yongchun Fang, et al., A motion planning-based adaptive control method for an underactuated crane system IEEE Transactions on Control Systems Technology, 2012 20(1): p 241-248

43 Mohammad H Fatehi, Mohammad Eghtesad, and Roya Amjadifard, Modelling and control of an overhead crane system with a flexible cable and large swing angle Journal of Low Frequency Noise, Vibration and Active Control, 2014 33(4): p 395-409

44 Daichi Fujioka, Manan Shah, and William Singhose Robustness analysis of input-shaped model reference control on a double-pendulum crane in American Control Conference (ACC), 2015 2015 IEEE

45 Ismail Gerdemeli, Serpil Kurt, and Okan Deliktas Finite element analysis of the tower crane in 14th International Research Expert Conference TMT 2010 2010 Citeseer

46 A Giua, M Sanna, and C Seatzu, Observer-controller design for three dimensional overhead cranes using time-scaling Mathematical and Computer Modelling of Dynamical Systems, 2001 7(1): p 77-107

47 Muhammad Hamid, et al., Jib system control of industrial robotic three degree of freedom crane using a hybrid controller Indian Journal of Science and Technology, 2016 9(21)

48 Gijs Hilhorst, Goele Pipeleers, and Jan Swevers Reduced-order multi-objective

ℋ∞ control of an overhead crane test setup in Decision and Control (CDC), 2013 IEEE 52nd Annual Conference on 2013 IEEE

49 Nguyen Quang Hoang, et al., Trajectory planning for overhead crane by trolley acceleration shaping Journal of Mechanical Science and Technology, 2014 28(7): p 2879-2888

107

51 Jie Huang, Zan Liang, and Qiang Zang, Dynamics and swing control of double-pendulum bridge cranes with distributed-mass beams Mechanical Systems and Signal Processing, 2015 54: p 357-366

52 Takahiro Inukai and Yasuo Yoshida Control of a boom crane using installed stereo vision in Sensing Technology (ICST), 2012 Sixth International Conference on 2012 IEEE

53 RMT Raja Ismail and QP Ha Trajectory tracking and anti-sway control of three-dimensional offshore boom cranes using second-order sliding modes in Automation Science and Engineering (CASE), 2013 IEEE International Conference on 2013 IEEE

54 RMT Raja Ismail, Nguyen D That, and QP Ha, Modelling and robust trajectory following for offshore container crane systems Automation in Construction, 2015 59: p 179-187

55 Hazriq Izzuan Jaafar, et al Optimal performance of a nonlinear gantry crane system via priority-based fitness scheme in binary PSO algorithm in IOP Conference Series: Materials Science and Engineering 2013 IOP Publishing 56 HI Jaafar, et al Optimal tuning of PID+ PD controller by PFS for Gantry Crane

System in Control Conference (ASCC), 2015 10th Asian 2015 IEEE

57 Adiyabaatar Janchiv, Gook-Hwan Kim, and Soon-Geul Lee Feedback linearization control of overhead cranes with varying cable length in Control, Automation and Systems (ICCAS), 2011 11th International Conference on 2011 IEEE

58 Danijel Jolevski and Ozren Bego, Model predictive control of gantry/bridge crane with anti-sway algorithm Journal of mechanical science and technology, 2015 29(2): p 827

59 Bartosz Käpernick and Knut Graichen Model predictive control of an overhead crane using constraint substitution in American Control Conference (ACC), 2013 2013 IEEE

108

61 K Kawada, et al Evolutionary computation in designing a robust PD sway controller for a mobile crane in Control Applications, 2002 Proceedings of the 2002 International Conference on 2002 IEEE

62 K Kawada, H Sogo, and T Yamamoto Variable gain PD sway control of a lifted load for a mobile crane in American Control Conference, 2001 Proceedings of the 2001 2001 IEEE

63 Kazuo Kawada, Toru Yamamoto, and Y Mada, Gain scheduled PD sway control of a lifted load for a mobile crane Control and intelligent systems, 2005 33(1): p 48-54

64 Kazuo Kawada, et al., Robust PD sway control of a lifted load for a crane using a genetic algorithm IEEJ Transactions on Industry Applications, 2004 123: p 1097-1103

65 Arash Khatamianfar and Andrey V Savkin A new tracking control approach for 3D overhead crane systems using model predictive control in Control Conference (ECC), 2014 European 2014 IEEE

66 Dongho Kim and Youngjin Park, Tracking control in xy plane of an offshore container crane Journal of Vibration and Control, 2017 23(3): p 469-483

67 Jae-Jun Kim, et al., Second-order sliding mode control of a 3D overhead crane with uncertain system parameters International journal of precision engineering and manufacturing, 2014 15(5): p 811-819

68 Wieslaw Krawcewicz and Jianhong Wu, Theory and applications of Hopf bifurcations in symmetric functional differential equations Nonlinear Analysis: Theory, Methods & Applications, 1999 35(7): p 845-870

69 Sebastian Küchler, et al., Active control for an offshore crane using prediction of the vessel’s motion IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 2011 16(2): p 297-309

109

71 Arie Levant, Principles of 2-sliding mode design automatica, 2007 43(4): p 576-586

72 Changpin Li and Chunxing Tao, On the fractional Adams method Computers & Mathematics with Applications, 2009 58(8): p 1573-1588

73 Peng Li, Zongwei Li, and Yuguo Yang The application research of ant colony optimization algorithm for intelligent control on special crane in Instrumentation, Measurement, Computer, Communication and Control (IMCCC), 2012 Second International Conference on 2012 IEEE

74 Cheng Liu, Haizhou Zhao, and Yang Cui Research on application of fuzzy adaptive PID controller in bridge crane control system in Software Engineering and Service Science (ICSESS), 2014 5th IEEE International Conference on 2014 IEEE

75 Diantong Liu, et al., Adaptive sliding mode fuzzy control for a two-dimensional overhead crane Mechatronics, 2005 15(5): p 505-522

76 MJ Maghsoudi, et al An experiment for position and sway control of a 3D gantry crane in Intelligent and Advanced Systems (ICIAS), 2012 4th International Conference on 2012 IEEE

77 Mohammad Javad Maghsoudi, et al., An optimal performance control scheme for a 3D crane Mechanical Systems and Signal Processing, 2016 66: p 756-768

78 Ehsan Maleki and William Singhose, Swing dynamics and input-shaping control of human-operated double-pendulum boom cranes Journal of Computational and Nonlinear Dynamics, 2012 7(3): p 031006

79 Ziyad N Masoud, Nader A Nayfeh, and Ali H Nayfeh Sway reduction on container cranes using delayed feedback controller: Simulations and experiments in ASME 2003 International Design Engineering Technical Conferences and Computers and Information in Engineering Conference 2003 American Society of Mechanical Engineers

110

81 Predictor Corrector Modes, Predictor Corrector Methods− 2014

82 Kunihiko Nakazono, et al., Vibration control of load for rotary crane system using neural network with GA-based training Artificial Life and Robotics, 2008 13(1): p 98-101

83 Ali H Nayfeh, Ziyad N Masoud, and Nader A Nayfeh A delayed-position feedback controller for cranes in IUTAM Symposium on Chaotic Dynamics and Control of Systems and Processes in Mechanics 2005 Springer

84 Ali H Nayfeh and Dean T Mook, Nonlinear oscillations 2008: John Wiley & Sons

85 Quang Hieu Ngo and Keum-Shik Hong, Sliding-mode antisway control of an offshore container crane IEEE/ASME transactions on mechatronics, 2012 17(2): p 201-209

86 Quang Hieu Ngo, et al., Fuzzy sliding mode control of container cranes International Journal of Control, Automation and Systems, 2015 13(2): p 419-425

87 Ngo Phong Nguyen, Quang Hieu Ngo, and Quang Phuc Ha Active control of an offshore container crane in Control, Automation and Systems (ICCAS), 2015 15th International Conference on 2015 IEEE

88 Quoc Chi Nguyen and Won-Ho Kim Nonlinear adaptive control of a 3D overhead crane in Control, Automation and Systems (ICCAS), 2015 15th International Conference on 2015 IEEE

89 F Omar, et al., Autonomous overhead crane system using a fuzzy logic controller Modal Analysis, 2004 10(9): p 1255-1270

90 Huimin Ouyang, et al., Load vibration reduction in rotary cranes using robust two-degree-of-freedom control approach Advances in Mechanical Engineering, 2016 8(3): p 1687814016641819

111

92 Hahn Park, Dongkyoung Chwa, and K Hong, A feedback linearization control of container cranes: Varying rope length International Journal of Control Automation and Systems, 2007 5(4): p 379

93 P Petrehuş, Zs Lendek, and Paula Raica, Fuzzy modeling and design for a 3D Crane IFAC Proceedings Volumes, 2013 46(20): p 479-484

94 Dianwei Qian and Jianqiang Yi, Hierarchical sliding mode control for under-actuated cranes 2016: Springer

95 Leila Ranjbari, et al., Designing precision fuzzy controller for load swing of an overhead crane Neural Computing and Applications, 2015 26(7): p 1555-1560

96 VS Renuka and Abraham T Mathew, Precise Modelling of a Gantry Crane System Including Friction 3D Angular Swing and Hoisting Cable Flexibility Int J Theor Appl Res Mech Eng., 2013 2: p 119-125

97 Hamed Saeidi, Mahyar Naraghi, and Abolghasem Asadollah Raie, A neural network self tuner based on input shapers behavior for anti sway system of gantry cranes Journal of Vibration and Control, 2013 19(13): p 1936-1949

98 Shigenori Sano, et al., LMI approach to robust control of rotary cranes under load sway frequency variance Journal of System Design and Dynamics, 2011 5(7): p 1402-1417

99 Kuo-Kai Shyu, Cheng-Lung Jen, and Li-Jen Shang Design of sliding-mode controller for anti-swing control of overhead cranes in Industrial Electronics Society, 2005 IECON 2005 31st Annual Conference of IEEE 2005 IEEE

100 Bhupender Singh, Bhaskar Nagar, and Anuj Kumar, Modeling and finite element analysis of crane boom International Journal of Advanced Engineering Research and Studies, 2011 3(2): p 306-309

101 William Singhose, et al., Effects of hoisting on the input shaping control of gantry cranes Control engineering practice, 2000 8(10): p 1159-1165

112

103 Jaroslaw Smoczek, Experimental verification of a GPC-LPV method with RLS and P1-TS fuzzy-based estimation for limiting the transient and residual vibration of a crane system Mechanical Systems and Signal Processing, 2015 62: p 324-340

104 Jaroslaw Smoczek and Janusz Szpytko, Evolutionary algorithm-based design of a fuzzy TBF predictive model and TSK fuzzy anti-sway crane control system Engineering Applications of Artificial Intelligence, 2014 28: p 190-200

105 Jaroslaw Smoczek, Fuzzy crane control with sensorless payload deflection feedback for vibration reduction Mechanical Systems and Signal Processing, 2014 46(1): p 70-81

106 Mahmud Iwan Solihin, MAS Kamal, and Ari Legowo Objective function selection of GA-based PID control optimization for automatic gantry crane in Computer and Communication Engineering, 2008 ICCCE 2008 International Conference on 2008 IEEE

107 Mahmud Iwan Solihin, MAS Kamal, and Ari Legowo Optimal PID controller tuning of automatic gantry crane using PSO algorithm in Mechatronics and Its Applications, 2008 ISMA 2008 5th International Symposium on 2008 IEEE

108 Michael P Spathopoulos and Dimosthenis Fragopoulos, Control design of a crane for offshore lifting operations, in Nonlinear control in the year 2000 volume 2001, Springer p 469-486

109 MP Spathopoulos* and D Fragopoulos, Pendulation control of an offshore crane International Journal of Control, 2004 77(7): p 654-670

110 John Stergiopoulos, George Konstantopoulos, and Anthony Tzes Experimental verification of an adaptive input shaping scheme for hoisting cranes in Control and Automation, 2009 MED'09 17th Mediterranean Conference on 2009 IEEE

113

112 Ning Sun, et al., Slew/translation positioning and swing suppression for 4-DOF tower cranes with parametric uncertainties: Design and hardware experimentation IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2016 63(10): p 6407-6418

113 Ning Sun, Yongchun Fang, and He Chen, Adaptive antiswing control for cranes in the presence of rail length constraints and uncertainties Nonlinear Dynamics, 2015 81(1-2): p 41-51

114 Ning Sun, Yongchun Fang, and He Chen Adaptive control of underactuated crane systems subject to bridge length limitation and parametric uncertainties in Control Conference (CCC), 2014 33rd Chinese 2014 IEEE

115 Ning Sun, et al., Adaptive nonlinear crane control with load hoisting/lowering and unknown parameters: Design and experiments IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 2015 20(5): p 2107-2119

116 Rui Tang and Jie Huang, Control of bridge cranes with distributed-mass payloads under windy conditions Mechanical Systems and Signal Processing, 2016 72: p 409-419

117 József K Tar, et al., Adaptive tackling of the swinging problem for a DOF crane–payload system, in Computational Intelligence in Engineering 2010, Springer p 103-114

118 Mustafa Tinkir, et al Modeling and control of scaled a tower crane system in Computer Research and Development (ICCRD), 2011 3rd International Conference on 2011 IEEE

119 Mohamed B Trabia, Jamil M Renno, and Kamal AF Moustafa A general anti-swing fuzzy controller for an overhead crane with hoisting in Fuzzy Systems, 2006 IEEE International Conference on 2006 IEEE

114

121 MZ Mohd Tumari, et al., H-Infmity Controller with LMI Region Schemes for a Lab-Scale Rotary Pendulum Crane System Int J Syst Signal Control Eng Appl, 2012 5(1): p 14-20

122 N Uchiyama, S Takagi, and S Sano Robust control of rotary cranes based on pole placement approach in Advanced Motion Control, 2006 9th IEEE International Workshop on 2006 IEEE

123 Pham Van Trieu Combined controls of floating container cranes in Control, Automation and Information Sciences (ICCAIS), 2015 International Conference on 2015 IEEE

124 Joshua Vaughan, Ajeya Karajgikar, and William Singhose A study of crane operator performance comparing PD-control and input shaping in American Control Conference (ACC), 2011 2011 IEEE

125 Milan Vukov, et al Experimental validation of nonlinear MPC on an overhead crane using automatic code generation in American Control Conference (ACC), 2012 2012 IEEE

126 Gabriel David Weymouth, Robert Vance Wilson, and Frederick Stern, RANS computational fluid dynamics predictions of pitch and heave ship motions in head seas Journal of Ship Research, 2005 49(2): p 80-97

127 Zhou Wu, Xiaohua Xia, and Bing Zhu, Model predictive control for improving operational efficiency of overhead cranes Nonlinear Dynamics, 2015 79(4): p 2639-2657

128 Z Xi and T Hesketh, Discrete time integral sliding mode control for overhead crane with uncertainties IET control theory & applications, 2010 4(10): p 2071-2081

129 Jung Hua Yang and Shih Hung Shen, Novel approach for adaptive tracking control of a 3-D overhead crane system Journal of Intelligent & Robotic Systems, 2011 62(1): p 59-80

115

131 Menghua Zhang, et al., Adaptive tracking control for double-pendulum overhead cranes subject to tracking error limitation, parametric uncertainties and external disturbances Mechanical Systems and Signal Processing, 2016 76: p 15-32

132 NĐ Zrnić, K Hoffmann, and SM Bošnjak, Modelling of dynamic interaction between structure and trolley for mega container cranes Mathematical and computer modelling of dynamical systems, 2009 15(3): p 295-311

C Các website

133 http://www.inteco.com.pl/.

134 https://www.drewry.co.uk/.

135 http://ngict.eu/western-scheldt-offshore-terminal/.

136 http://cangvuhaiphong.gov.vn/viewPage.aspx?page=portinfo.

137.http://fpts.com.vn/FileStore2/File/2017/08/21/Marine%20Port%20Rpt_July2017_ FPTS.pdf.

138 http://www.vinamarine.gov.vn/.

139 http://www.marinecontrol.org/.

140 http://sdac.kaist.ac.kr/research/index.php?mode=area&act=crane

141 https://brasembseul.files.wordpress.com/2011/06/enmh_briefre_0323.pdf.

142

PL-1 PHỤ LỤC

Phụ lục Chương trình điều khiển viết cho vi điều khiển nhúng MyRIO-1900

PL-2

PL-3

PL-4

PL-5

Môi trường thiết kế hợp và Tristan Perez 137. http://sdac.kaist.ac.kr/research/index.php?mode=area&act=crane.