I. Tổng quan về cầu trục container
Hệ thống cầu trục container là một phần quan trọng trong ngành công nghiệp vận tải và logistics, đặc biệt là tại các cảng biển. Cấu trúc của cầu trục bao gồm khung cầu, xe lăn, cơ cấu nâng hạ và spreader, cho phép di chuyển và nâng hạ hàng hóa một cách hiệu quả. Tuy nhiên, việc vận hành cầu trục thường gặp phải vấn đề dao động, gây ảnh hưởng đến an toàn và hiệu suất làm việc. Do đó, việc phát triển hệ thống khử dao động là rất cần thiết. Nghiên cứu này tập trung vào việc thiết kế một hệ thống điều khiển tích hợp vision để nhận diện và điều chỉnh vị trí tải, từ đó giảm thiểu dao động trong quá trình di chuyển. Các nghiên cứu trước đó chủ yếu tập trung vào việc điều khiển góc lệch của dây cáp, trong khi nghiên cứu này đề xuất một phương pháp mới sử dụng cảm biến hình ảnh để theo dõi vị trí tải chính xác hơn.
1.1. Cấu tạo và ứng dụng cầu trục
Cầu trục thường được sử dụng để nâng hạ và vận chuyển hàng hóa nặng tại các cảng biển, nhà máy sản xuất và các khu vực lưu trữ. Cấu tạo của cầu trục bao gồm khung cầu vững chắc, xe lăn di chuyển trên thanh ray, cơ cấu nâng hạ và thiết bị kẹp chặt hàng hóa. Để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quá trình vận hành, cần thiết phải khắc phục hiện tượng dao động xảy ra khi di chuyển tải. Việc sử dụng công nghệ tự động hóa để điều khiển cầu trục giúp nâng cao hiệu suất làm việc và giảm thiểu rủi ro trong quá trình vận hành. Hệ thống điều khiển tích hợp vision sẽ giúp nhận diện vị trí tải một cách chính xác, từ đó điều chỉnh hoạt động của cầu trục để đạt được hiệu quả cao nhất.
1.2. Tổng quan những nghiên cứu trong và ngoài nước
Nghiên cứu về hệ thống cầu trục đã được tiến hành rộng rãi ở nhiều quốc gia. Tại Việt Nam, một số nghiên cứu đã đề xuất các phương pháp điều khiển chống lắc cho cầu trục, nhưng chưa có nghiên cứu nào ứng dụng hệ thống vision trong việc khử dao động. Ở nước ngoài, nhiều nhà nghiên cứu đã phát triển các giải pháp sử dụng cảm biến hình ảnh để theo dõi vị trí tải, từ đó điều chỉnh hoạt động của cầu trục một cách hiệu quả. Các nghiên cứu này cho thấy rằng việc tích hợp công nghệ cao trong điều khiển cầu trục là xu hướng tất yếu, góp phần nâng cao an toàn và hiệu suất trong ngành công nghiệp.
II. Cơ sở lý thuyết
Phân tích lý thuyết về hệ tọa độ suy rộng, biểu thức Lagrange, và lý thuyết ổn định Lyapunov là rất quan trọng trong việc xây dựng mô hình cho hệ thống cầu trục. Hệ tọa độ suy rộng giúp mô tả các chuyển động của hệ thống trong không gian, từ đó xác định các lực tác động lên tải. Biểu thức Lagrange cung cấp công cụ mạnh mẽ để phân tích động lực học của hệ thống, cho phép xây dựng các phương trình chuyển động chính xác. Lý thuyết ổn định Lyapunov được sử dụng để chứng minh tính ổn định của hệ thống điều khiển, đảm bảo rằng tải sẽ trở về vị trí mong muốn mà không xảy ra dao động. Việc áp dụng các lý thuyết này trong thiết kế bộ điều khiển LQR sẽ giúp cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống.
2.1. Hệ tọa độ suy rộng vận tốc lực
Hệ tọa độ suy rộng là công cụ cần thiết để mô tả chuyển động của tải trong không gian ba chiều. Mỗi chất điểm trong hệ thống cần có ba tọa độ để xác định vị trí của nó. Khi có lực tác động vào tải, việc xác định vận tốc và lực là rất quan trọng để điều khiển chính xác. Công thức suy rộng cho phép tính toán các lực tác động lên tải một cách chính xác, từ đó giúp điều chỉnh hoạt động của cầu trục. Việc hiểu rõ về hệ tọa độ và lực tác động sẽ giúp cải thiện khả năng điều khiển và khử dao động của hệ thống.
2.2. Biểu thức Lagrange
Biểu thức Lagrange là phương pháp mạnh mẽ trong cơ học để phân tích động lực học của hệ thống. Phương pháp này cho phép xây dựng các phương trình chuyển động dựa trên năng lượng của hệ thống. Việc áp dụng biểu thức Lagrange trong nghiên cứu này sẽ giúp xác định các yếu tố ảnh hưởng đến chuyển động của tải, từ đó phát triển một bộ điều khiển hiệu quả. Biểu thức này không chỉ giúp phân tích mà còn cung cấp các thông tin cần thiết để tối ưu hóa hoạt động của cầu trục, giảm thiểu dao động và nâng cao an toàn trong quá trình vận hành.
