Điều Khiển Cầu Trục 3 Chiều Hoạt Động Sử Dụng Adaptive Command Shaping

• Tác giả: Lê Giáp
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Quốc Chí
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG - HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ điện tử
• Đề tài: Điều Khiển Cầu Trục Hoạt Động Trong Không Gian 3 Chiều Sử Dụng Adaptive Command Shaping
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

• ACKNOWLEDGEMENT
• ABSTRACT
• 1. CHAPTER 1: INTRODUCTION
• 1.1. General review of cranes and some factual applications
• 1.2. Operation of overhead crane
• 1.3. Modeling of an overhead crane
• 1.4. Control of 3-D overhead cranes
• 1.5. Objectives of the thesis
• 1.6. Organization of the thesis
• 2. OVERHEAD CRANE DYNAMICS MODEL
• 2.1. Overhead crane modeling
• 2.2. System linearizing and oscillation specifications
• 3. INPUT SHAPING METHOD
• 3.1. ZV Input shaping with 3-D overhead crane
• 3.2. Experiment in Matlab® simulation
• 4. ADAPTIVE INPUT SHAPING IN 3-D OVERHEAD CRANE
• 4.1. ZV input shaper with variable cable length of 3-D overhead crane
• 4.2. Adaptive input shaping method (AIS) applied in 3-D overhead crane
• LIST OF FIGURES

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.

## Tổng quan nghiên cứu

Trong ngành công nghiệp hiện đại, cầu trục là thiết bị không thể thiếu để nâng và di chuyển các vật nặng vượt quá khả năng con người. Theo ước tính, nhu cầu sử dụng cầu trục ngày càng tăng trong các nhà máy, cảng biển và kho bãi. Tuy nhiên, khi cầu trục hoạt động, hiện tượng dao động của tải trọng gây ra các góc lệch (sway angles) làm giảm hiệu quả và tiềm ẩn nguy cơ an toàn. Vấn đề nghiên cứu chính của luận văn là phát triển phương pháp điều khiển cầu trục hoạt động trong không gian 3 chiều nhằm giảm thiểu dao động tải trọng đồng thời đảm bảo vị trí mong muốn của xe con và cầu trục. Mục tiêu cụ thể bao gồm xây dựng mô hình động lực học cầu trục 3D dựa trên phương trình Euler-Lagrange, thiết kế thuật toán điều khiển adaptive command shaping để thích ứng với sự thay đổi đặc tính dao động trong quá trình vận hành. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống cầu trục 3D tại Việt Nam trong giai đoạn 2017-2018. Ý nghĩa nghiên cứu được thể hiện qua việc nâng cao độ chính xác và an toàn trong vận hành cầu trục, giảm thời gian chờ đợi do dao động, từ đó cải thiện năng suất và hiệu quả kinh tế.

## Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

### Khung lý thuyết áp dụng

- **Phương trình Euler-Lagrange:** Được sử dụng để xây dựng mô hình động lực học phi tuyến của cầu trục 3D, mô tả chuyển động của xe con, cầu trục và dao động tải trọng với các tọa độ tổng quát.
- **Mô hình động lực học ODE:** Mô hình hệ thống được xây dựng dưới dạng phương trình vi phân thường (ODE), bỏ qua khối lượng và độ đàn hồi của cáp để đơn giản hóa.
- **Phương pháp Input Shaping (IS):** Kỹ thuật điều khiển mở nhằm giảm dao động bằng cách tạo ra các xung điều khiển có pha ngược nhau, trong đó ZV input shaper được lựa chọn để giảm dao động hiệu quả.
- **Điều khiển LQR (Linear Quadratic Regulator):** Được áp dụng để theo dõi vị trí mong muốn của cầu trục và xe con, đảm bảo ổn định hệ thống.
- **Adaptive Input Shaping (AIS):** Phương pháp cải tiến của IS, tự động điều chỉnh các tham số điều khiển dựa trên sự thay đổi tần số dao động do thay đổi chiều dài cáp trong quá trình vận hành.

### Phương pháp nghiên cứu

- **Nguồn dữ liệu:** Dữ liệu thực nghiệm và thông số kỹ thuật của hệ thống cầu trục tại Phòng thí nghiệm Điều khiển và Tự động hóa, Trường Đại học Bách Khoa, TP. Hồ Chí Minh.
- **Phương pháp phân tích:** Xây dựng mô hình toán học bằng phương trình Euler-Lagrange, tuyến tính hóa mô hình để xác định tần số dao động tự nhiên và hệ số giảm chấn. Thiết kế bộ điều khiển LQR kết hợp với input shaping và adaptive input shaping.
- **Timeline nghiên cứu:** Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 7/2017 đến tháng 6/2018, bao gồm xây dựng mô hình, thiết kế thuật toán, mô phỏng và đánh giá hiệu quả qua phần mềm Matlab®.

## Kết quả nghiên cứu và thảo luận

### Những phát hiện chính

- Mô hình động lực học 3D của cầu trục được xây dựng thành công dựa trên phương trình Euler-Lagrange, phản ánh chính xác các chuyển động của hệ thống với 5 bậc tự do.
- Ứng dụng ZV input shaper giúp giảm dao động góc sway của tải trọng xuống còn khoảng 50,6% so với không sử dụng điều khiển, rút ngắn thời gian ổn định vị trí sau khoảng 6-8 giây.
- Khi chiều dài cáp thay đổi trong quá trình vận hành, tần số dao động tự nhiên thay đổi dẫn đến hiệu quả của input shaper giảm sút, dao động góc sway tăng lên gấp 4-5 lần so với ban đầu.
- Thuật toán adaptive input shaping được đề xuất và mô phỏng cho thấy khả năng tự động điều chỉnh tham số điều khiển theo sự thay đổi chiều dài cáp, duy trì hiệu quả giảm dao động ổn định trong suốt quá trình vận hành.

### Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của dao động tải trọng là do đặc tính dao động tự nhiên của hệ thống thay đổi khi chiều dài cáp biến đổi. Phương pháp input shaping truyền thống không thích ứng được với sự thay đổi này, dẫn đến giảm hiệu quả điều khiển. So sánh với các nghiên cứu trước đây sử dụng điều khiển đóng vòng hoặc fuzzy logic, phương pháp adaptive input shaping kết hợp với LQR mang lại sự cân bằng giữa độ phức tạp thiết kế và hiệu quả điều khiển. Kết quả mô phỏng qua biểu đồ vị trí và góc dao động cho thấy sự cải thiện rõ rệt về độ ổn định và giảm dao động, phù hợp với yêu cầu thực tế trong vận hành cầu trục. Việc áp dụng phương pháp này có thể giảm thiểu rủi ro hư hỏng thiết bị và tăng năng suất làm việc.

## Đề xuất và khuyến nghị

- **Triển khai hệ thống điều khiển adaptive input shaping:** Áp dụng thuật toán adaptive input shaping kết hợp LQR trong các hệ thống cầu trục 3D để giảm thiểu dao động tải trọng, nâng cao độ chính xác vận hành.
- **Nâng cấp thiết bị cảm biến:** Lắp đặt cảm biến đo chiều dài cáp và góc dao động để cung cấp dữ liệu phản hồi chính xác cho bộ điều khiển adaptive, đảm bảo hiệu quả điều chỉnh tham số kịp thời.
- **Đào tạo nhân sự vận hành:** Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về vận hành và bảo trì hệ thống điều khiển mới, giúp nhân viên nắm bắt và khai thác tối đa tính năng của hệ thống.
- **Thử nghiệm thực tế và đánh giá liên tục:** Thực hiện các thử nghiệm thực tế tại các nhà máy, cảng biển để đánh giá hiệu quả điều khiển, thu thập dữ liệu vận hành nhằm cải tiến thuật toán phù hợp với điều kiện thực tế.
- **Thời gian thực hiện:** Các giải pháp trên nên được triển khai trong vòng 12-18 tháng, bắt đầu từ việc nâng cấp thiết bị và đào tạo, tiếp theo là thử nghiệm và hoàn thiện hệ thống.

## Đối tượng nên tham khảo luận văn

- **Kỹ sư điều khiển tự động:** Nắm bắt kiến thức về mô hình động lực học và thuật toán điều khiển adaptive input shaping để áp dụng trong thiết kế hệ thống điều khiển cầu trục và các thiết bị nâng hạ tương tự.
- **Nhà quản lý kỹ thuật tại các nhà máy, cảng biển:** Hiểu rõ về lợi ích của việc áp dụng công nghệ điều khiển hiện đại nhằm nâng cao hiệu quả vận hành, giảm thiểu rủi ro và chi phí bảo trì.
- **Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật cơ điện tử, tự động hóa:** Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo nghiên cứu, phát triển các đề tài liên quan đến điều khiển hệ thống cơ khí phức tạp.
- **Nhà nghiên cứu trong lĩnh vực robot và cơ khí chính xác:** Tham khảo phương pháp adaptive input shaping để áp dụng trong các hệ thống điều khiển robot có yêu cầu cao về độ chính xác và ổn định chuyển động.

## Câu hỏi thường gặp

1. **Adaptive input shaping là gì và khác gì so với input shaping truyền thống?**  
Adaptive input shaping là phương pháp điều khiển tự động điều chỉnh tham số input shaper dựa trên sự thay đổi đặc tính dao động của hệ thống, trong khi input shaping truyền thống sử dụng tham số cố định, không thích ứng với biến đổi hệ thống.

2. **Tại sao phải sử dụng mô hình Euler-Lagrange trong nghiên cứu này?**  
Phương trình Euler-Lagrange giúp xây dựng mô hình động lực học chính xác cho hệ thống cơ học phức tạp như cầu trục 3D, bao gồm các chuyển động phi tuyến và các bậc tự do khác nhau.

3. **LQR controller có vai trò gì trong hệ thống điều khiển?**  
LQR controller đảm bảo theo dõi chính xác vị trí mong muốn của cầu trục và xe con, đồng thời phối hợp với input shaping để giảm dao động tải trọng hiệu quả.

4. **Phương pháp này có thể áp dụng cho các loại cầu trục khác không?**  
Có, phương pháp adaptive input shaping có thể được điều chỉnh và áp dụng cho các loại cầu trục khác nhau, đặc biệt là các hệ thống có dao động tải trọng và thay đổi đặc tính trong quá trình vận hành.

5. **Hiệu quả của phương pháp được đánh giá như thế nào?**  
Hiệu quả được đánh giá qua mô phỏng trên Matlab® với các tham số thực tế, kết quả cho thấy giảm dao động góc sway xuống dưới 10% sau hai chu kỳ dao động và duy trì ổn định khi chiều dài cáp thay đổi.

## Kết luận

- Đã xây dựng thành công mô hình động lực học 3D của cầu trục sử dụng phương trình Euler-Lagrange, phản ánh chính xác các chuyển động và dao động tải trọng.  
- Thiết kế và áp dụng thành công thuật toán adaptive input shaping kết hợp với LQR controller giúp giảm đáng kể dao động tải trọng và thích ứng với sự thay đổi chiều dài cáp trong quá trình vận hành.  
- Mô phỏng cho thấy phương pháp adaptive input shaping vượt trội hơn so với input shaping truyền thống khi hệ thống có biến đổi đặc tính dao động.  
- Đề xuất triển khai thực tế các giải pháp điều khiển hiện đại nhằm nâng cao hiệu quả và an toàn trong vận hành cầu trục.  
- Các bước tiếp theo bao gồm thử nghiệm thực tế, hoàn thiện thuật toán và đào tạo nhân sự để ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp.  

**Hành động ngay:** Các đơn vị quản lý và kỹ thuật nên xem xét áp dụng phương pháp adaptive input shaping để nâng cao hiệu quả vận hành cầu trục, đồng thời phối hợp với các chuyên gia để triển khai thử nghiệm và đào tạo nhân lực.