I. Điều Khiển Cầu Trục 3D Tổng Quan và Ứng Dụng Thực Tế
Cầu trục là thiết bị quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp, được sử dụng để nâng hạ và di chuyển vật nặng. Nhu cầu sử dụng cầu trục ngày càng tăng, đặc biệt là các loại cầu trục có khả năng hoạt động trong không gian ba chiều (3D). Bài viết này sẽ cung cấp một cái nhìn tổng quan về điều khiển cầu trục 3D, các ứng dụng thực tế của chúng, và giới thiệu phương pháp Adaptive Command Shaping (ACS). Crane are equipment which are used to lifting and transfer heavy weight objects in working fields, stores, seaport, etc. Nowadays, the demands for lifting, loading and unloading of goods, materials, equipment whose loads exceed human capacity are very large, so the cranes are now widely used.
1.1. Các Loại Cầu Trục Phổ Biến và Phạm Vi Ứng Dụng
Cầu trục có nhiều loại khác nhau, bao gồm cầu trục di động, cầu trục tháp, cầu trục nổi và cầu trục trên cao. Mỗi loại cầu trục có những ưu điểm và nhược điểm riêng, phù hợp với các ứng dụng khác nhau. Cầu trục di động linh hoạt, cầu trục tháp lý tưởng cho xây dựng cao tầng, cầu trục nổi cho công trình ngoài khơi, và cầu trục trên cao được sử dụng rộng rãi trong nhà máy và kho hàng. The tower crane is a modern form of a balance crane. When fixed to the ground, tower cranes will often give the best combination of height and lifting capacity and are also used when constructing tall buildings. They are used mostly in the construction of high buildings.
1.2. Tầm Quan Trọng của Điều Khiển Cầu Trục Không Gian 3 Chiều
Việc điều khiển cầu trục 3D một cách hiệu quả là rất quan trọng để đảm bảo an toàn, tăng năng suất và giảm chi phí. Điều khiển chính xác cầu trục giúp tránh va chạm, giảm rung động và tối ưu hóa quỹ đạo di chuyển. Crane often use steel cable to lift up the cargos. Consequently, when a crane with heavy cargo move, the cargo oscillates and creates a sway angle with vertical line. In reality, this kind of oscillation is harmful for equipment or even man around. Moreover, time is wasted for waiting this oscillation stops.
II. Thách Thức Trong Điều Khiển Cầu Trục 3D và Giải Pháp ACS
Điều khiển cầu trục, đặc biệt là trong không gian 3D, đối mặt với nhiều thách thức. Rung động của tải trọng, sự phức tạp của mô hình động học và động lực học, và yêu cầu về độ chính xác cao là những vấn đề cần giải quyết. Adaptive Command Shaping (ACS) là một giải pháp hiệu quả để giảm rung động và cải thiện hiệu suất của cầu trục. Overhead cranes are very adaptive with working condition of small space like factory, store, etc. Moreover, with simple structure, it can be easily install to many working fields. These make overhead cranes are really popular in modern industry and reality life.
2.1. Các Vấn Đề Chính Trong Điều Khiển Chuyển Động Cầu Trục
Một trong những vấn đề chính là sự rung động của tải trọng khi cầu trục di chuyển. Rung động này có thể gây mất ổn định, ảnh hưởng đến độ chính xác và gây nguy hiểm cho người và thiết bị. Thách thức khác là xây dựng mô hình động học và động lực học chính xác của cầu trục, đặc biệt là khi xét đến các yếu tố phi tuyến và thay đổi theo thời gian. Increasing speed affect on reliability of the crane. Moreover, it leads to increasing the payload’s oscillation and takes more waste time. Therefore, to archive both goals, increasing speed of the crane and minimizing the sway angle, automatic control method has to be applied in the working process.
2.2. Tổng Quan về Phương Pháp Adaptive Command Shaping ACS
ACS là một phương pháp điều khiển thích nghi, sử dụng bộ tạo hình lệnh để giảm rung động của tải trọng. Phương pháp này điều chỉnh hình dạng của tín hiệu điều khiển để triệt tiêu các tần số rung động tự nhiên của hệ thống. ACS có khả năng thích nghi với các thay đổi trong hệ thống, chẳng hạn như thay đổi chiều dài cáp hoặc khối lượng tải trọng. It is recognizable that 3-D overhead crane has five degrees of freedom: trolley movement, bridge movement, lifting-lowering movement, and two sway angles of the payload. It nevertheless has three actuators to perform movement of the trolley, the bridge and hoist motion. Thus, overhead cranes are underactuated systems, with the sway angles are driven indirectly.
III. Xây Dựng Mô Hình Động Lực Học Cầu Trục 3D để ACS Hiệu Quả
Để áp dụng Adaptive Command Shaping hiệu quả, việc xây dựng mô hình động lực học chính xác của cầu trục 3D là rất quan trọng. Mô hình này giúp xác định các tần số rung động tự nhiên của hệ thống và thiết kế bộ tạo hình lệnh phù hợp. Nghiên cứu này sử dụng phương pháp Euler-Lagrange để xây dựng mô hình động lực học của cầu trục. Based on this dynamic model, natural frequency of overhead crane is determined. It is analyzed to exam what happen if it changes through out the control process.
3.1. Phương Pháp Euler Lagrange để Mô Hình Hóa Cầu Trục
Phương pháp Euler-Lagrange là một phương pháp mạnh mẽ để xây dựng mô hình động lực học của các hệ thống cơ học. Phương pháp này dựa trên nguyên lý tác động nhỏ nhất và cho phép dễ dàng xác định các phương trình chuyển động của hệ thống. In ODEs model, payload is assumed as lumped mass model, elasticity of the cable is also ignored. This model is commonly used in researching overhead cranes, when mass of the payload is extremely bigger than mass of the cable. In other words, mass of the cable is neglected.
3.2. Tuyến Tính Hóa Mô Hình và Xác Định Thông Số Dao Động
Để đơn giản hóa việc thiết kế bộ tạo hình lệnh, mô hình động lực học phi tuyến được tuyến tính hóa. Từ mô hình tuyến tính, có thể xác định các tần số rung động tự nhiên và tỷ số cản của hệ thống, là những thông số quan trọng để thiết kế bộ tạo hình lệnh ACS. After that, this model is linearization to compute the natural frequency, damping ratio of a 3-D overhead crane as well as applying adaptive input command shaping control to 3-D overhead crane.
IV. Thiết Kế Adaptive Command Shaping ACS cho Cầu Trục 3D
Thiết kế Adaptive Command Shaping bao gồm việc lựa chọn cấu trúc bộ tạo hình lệnh và điều chỉnh các tham số của nó để giảm rung động. Bài viết này sử dụng bộ tạo hình lệnh ZV (Zero Vibration) và ZVD (Zero Vibration and Derivative) và tích hợp thuật toán thích nghi để điều chỉnh các tham số khi tần số rung động thay đổi. The advantages of this method are uncomplicated, not difficult to design, applied in reality. Because it does not need the feedback signals of the sway angles. And thus, the equipment of this system is simplified. On the contrary, the response of this control method is so sensitive with the variation in natural frequency of the crane.
4.1. Bộ Tạo Hình Lệnh ZV và ZVD và Ứng Dụng cho Cầu Trục
Bộ tạo hình lệnh ZV và ZVD là hai loại bộ tạo hình lệnh phổ biến. ZV loại bỏ rung động tại tần số rung động tự nhiên, trong khi ZVD đồng thời loại bỏ rung động và đạo hàm của rung động, giúp cải thiện độ ổn định. Singer et al. [10] presented a ZV input shaper to control gantry crane followed this method. Singhose et al. [11] examined the effects on hoisting on the input shaping control of the gantry cranes, considered ZV shaper and ZVD shaper and shows how effectively this method is.
4.2. Thuật Toán Thích Nghi ACS và Điều Chỉnh Tham Số
Thuật toán thích nghi trong ACS theo dõi các thay đổi trong tần số rung động tự nhiên của hệ thống và điều chỉnh các tham số của bộ tạo hình lệnh để duy trì hiệu quả giảm rung động. Thuật toán này có thể dựa trên ước lượng tần số trực tuyến hoặc sử dụng mô hình thích nghi. Adaptive Input Shaping Method. X-axis response in IS method and AIS method. Y-axis response in IS method and AIS method.
V. Mô Phỏng và Đánh Giá Hiệu Quả ACS Trong Điều Khiển 3D
Để đánh giá hiệu quả của phương pháp Adaptive Command Shaping, các mô phỏng số được thực hiện trên mô hình cầu trục 3D. Kết quả mô phỏng cho thấy ACS có khả năng giảm rung động đáng kể và cải thiện độ chính xác của hệ thống, đặc biệt là khi có sự thay đổi trong các thông số của hệ thống. Experiment in Matlab® simulation: . ADAPTIVE INPUT SHAPING IN 3-D OVERHEAD CRANE . ZV input shaper with variable cable length of 3-D overhead crane . Adaptive input shaping method (AIS) applied in 3-D overhead crane
5.1. Thiết Lập Mô Phỏng và Các Kịch Bản Thử Nghiệm
Các mô phỏng được thực hiện trong môi trường Matlab/Simulink. Các kịch bản thử nghiệm bao gồm di chuyển cầu trục đến các vị trí khác nhau trong không gian 3D, thay đổi chiều dài cáp và thay đổi khối lượng tải trọng. LQR controller is employed to track the desired input after using command shaping. The responses of this method are compared with the responses of the same system without using command shaping input to experience the effectiveness of shaping method.
5.2. So Sánh Kết Quả Với và Không Có ACS Đánh Giá Ưu Điểm
Kết quả mô phỏng cho thấy ACS giúp giảm đáng kể thời gian ổn định của hệ thống, giảm rung động của tải trọng và cải thiện độ chính xác của vị trí. So sánh với hệ thống không có ACS, ACS cho thấy hiệu quả vượt trội trong việc điều khiển cầu trục 3D. Furthermore, response of system according as natural frequency changes are considered to survey the effectiveness of this controller.
VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển Điều Khiển Cầu Trục 3D
Bài viết này đã trình bày phương pháp Adaptive Command Shaping (ACS) để điều khiển cầu trục 3D. Kết quả nghiên cứu cho thấy ACS là một giải pháp hiệu quả để giảm rung động và cải thiện hiệu suất của hệ thống. Nghiên cứu này có thể được mở rộng để xem xét các yếu tố khác như nhiễu loạn và các ràng buộc về điều khiển. Under these circumstances, adaptive input shaping is designed to adapt with the change of system natural frequency.
6.1. Tóm Tắt Kết Quả và Đóng Góp của Nghiên Cứu
Nghiên cứu này đã xây dựng mô hình động lực học của cầu trục 3D, thiết kế bộ tạo hình lệnh ACS và đánh giá hiệu quả của phương pháp thông qua mô phỏng. Kết quả nghiên cứu cho thấy ACS có tiềm năng ứng dụng lớn trong việc điều khiển cầu trục thực tế. In these cases, the natural frequency of the system also changes. As a result, the command shaping input with initial natural frequency is no longer accordant with updated system. Therefore, adaptive command shaping input method is employed.
6.2. Các Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo và Ứng Dụng Mở Rộng
Các hướng nghiên cứu tiếp theo có thể bao gồm việc tích hợp ACS với các phương pháp điều khiển khác, chẳng hạn như điều khiển phản hồi trạng thái, để cải thiện hơn nữa hiệu suất của hệ thống. Ngoài ra, có thể nghiên cứu ứng dụng ACS cho các loại cầu trục khác và trong các môi trường làm việc khác nhau.This controller improves the response of the system even if the natural frequency changes.
