Chương 1: Giới thiê ̣u. Chương 2: Tổ ng quan về cẩu cầu cảng di động và vấn đề cần nghiên cứu. Chương 3: Thành phần cấu thành và nguyên lý làm việc của cẩu cầu cảng di động. Chương 4: Mô hình hóa và xây dựng mẫu ảo cho hệ thống cẩu cầu cảng di động.
Chương 5: Xây dựng hệ thống điều khiển chống lắc cho cẩu cầu cảng di động. Chương 6: Kế t quả mô phỏng. Chương 7: Kế t luận và hướng phát triển của đề tài. Giới hạn phạm vi nghiên cứu 1) Thiết bị nổi được giả sử được cố định tương đối trong tọa độ Đề các.
Do đó, sự trôi của thiết bị nổi và chuyển động yaw (xoay quanh trục z) trong tọa độ tuyệt đối có thể bỏ qua bằng cách sử dụng cơ cấu cố định thiết bị nổi MHC vào tàu mẹ. 2) Nghiên cứu này xem xét chuyển động của xe đẩy dọc theo trục y (hình 3.3) và chuyển động lắc của tải treo và xe đẩy là đồng phẳng. 3) Chuyển động lắc của tải treo xảy ra trên mặt phẳng khác được điều khiển bởi thiết bị cơ khí như nghiên cứu [15] và các chuyển động lắc ngẫu nhiên khác được xem là nhiễu của hệ thống điều khiển. 4) Chuyển động lắc của tải treo container được xem tương tự như là chuyển động con lắc và không tính đến lực ma sát của xe cẩu.
7 CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ CẨU CẦU CẢNG DI ĐỘNG VÀ VẤN ĐỀ CẦN NGHIÊN CỨU 2. Khái quát về tình hình nghiên cứu cẩu cầu cảng di động: Hiện nay việc vận chuyển hàng hóa tại các cảng đều sử dụng hệ thống cẩu giàn còn gọi là cần trục, được lắp đặt trên nền cầu cảng, dùng để vận chuyển các container từ tàu mẹ lên bờ cũng như sắp xếp các container từ bờ lên tàu. Loại cẩu này có xe đẩy di chuyển trên đường ray nhờ cáp kéo, hệ thống khung cơ khí liên kết vững chắc, các chân đế của cẩu được cố định trên cầu cảng nên ổn định và vững chắc. Do đó, hành vi hoạt động của xe đẩy cẩu giàn loại này có thể mô tả chính xác bằng phương trình toán học.
Sự lắc của tải lơ lững chủ yếu là lắc quán tính nên quỹ đạo của tải có thể dự đoán được nên việc vận hành cần cẩu không gây khó khăn cho người vận hành. Cầu trục giàn thông thường sử dụng để bốc xếp các container cho tàu biển khi tàu cập cảng như trên hình 2.1:Cần trục giàn bốc xếp container trên tàu khi tàu cập cảng 8 So với cẩu giàn trên bờ, cẩu cầu cảng di động (MHC) về kết cấu cơ khí cũng giống như hệ thống cẩu giàn trên bờ, tuy nhiên điểm khác biệt là hệ thống khung giàn và chân đế được lắp trên một thiết bị nổi, thiết bị cẩu được lắp phía trên đầu, xe đẩy cẩu được lắp trên đường ray để vận chuyển các container từ tàu mẹ vào bờ hoặc vận chuyển các container từ cầu cảng lên tàu mẹ.2: Cẩu cầu cảng di động vận chuyển container từ tàu mẹ Do điều kiện làm việc trên biển rất khắc nghiệt, MHC có nhiều đặc điểm khác biệt so với cẩu giàn trên bờ có khung và chân đế được lắp trên đất liền. Hệ thống cẩu MHC được lắp đặt trên một thiết bị nổi và di chuyển trên biển nên hệ thống cẩu MHC là không ổn định. Nhiễu bên ngoài tác động lên hệ thống cẩu là gió và sóng không theo một hướng nhất định làm hệ thống cẩu lắc và xoay theo các trục x, y, z.
Hành vi động lực học của hệ thống cẩu MHC khó có thể mô tả chính xác bằng phương trình toán học. Lắc của tải treo (container) mạnh hơn và khó đoán hơn so với cẩu giàn trên bờ bởi tác động của các thành phần nhiễu bên ngoài như sóng và gió. Vấn đề nghiêm trọng cần nghiên cứu là lắc của tải treo gây ra bởi điều khiển không đúng của xe đẩy giá cẩu và ảnh hưởng của nhiễu bên ngoài như sóng và gió. Hành vi lắc này cực kỳ nguy hiểm bởi vì nó có thể gây hỏng các thiết bị và hệ thống 9 xung quanh cũng như nguy hại đến con người.
Nếu việc lắc của container liên tục kéo dài đến phần cuối của sự vận chuyển, nó trở nên rất khó để điều khiển container đến một vị trí mong muốn [1]. Để tăng năng suất vận chuyển hàng hóa của hệ thống cẩu MHC, tất cả các chuyển động của cẩu nên được thực hiện ở tốc độ cao, và tải phải được vận chuyển đến vị trí mong muốn một cách chính xác. Tuy nhiên rất khó để thực hiện những yêu cầu này, bởi vì khi xe đẩy được gia tốc và giảm tốc, tải treo sẽ lắc không mong muốn. Hơn nữa nhiễu bên ngoài gây ra bởi sóng, gió và thân tàu di chuyển liên tục cũng làm cho quỹ đạo của tải không thể dự đoán được.
Do đó, điều khiển tải đến vị trí mong muốn một cách chính xác trong trường hợp cẩu MHC là vấn đề được tập trung nghiên cứu trong luận văn này. Đối với cẩu giàn hoạt động trên đất liền, chuyển động của xe đẩy và chuyển động lắc là đồng phẳng. Trong trường hợp này xe đẩy giá cẩu được sử dụng để chống lắc cho container bởi kỹ năng điều khiển của người vận hành. Trong trường hợp của MHC, container ngoài chuyển động lắc dọc còn có chuyển động lắc ngang gây ra do chuyển động lắc của thân tàu.
Và điều này khó có thể chống lắc như đối với trường hợp cẩu hoạt động trên đất liền, bởi vì thành phần lắc ngang và hướng di chuyển của xe đẩy không cùng một mặt phẳng. Tổng quát có hai giải pháp được đề xuất chống lắc cho tải treo container, bao gồm giải pháp cơ khí và giải pháp điện, giải pháp cơ khí được áp dụng thành công để khống chế lắc dọc của tải trong nhiều trường hợp. Tuy nhiên, phương pháp này phát ra rung động, thời gian đáp ứng chậm và chi phí bảo trì cao [2], trong hầu hết tất cả các trường hợp giải pháp điện được sử dụng phổ biến để chống lắc cho tải, giải pháp điện được phân làm hai loại phương pháp điều khiển, điều khiển vòng hở và điều khiển vòng kín. Sơ đồ điều khiển vòng hở được đề xuất trong [3] thì không trang bị các cảm biến, mục tiêu điều khiển dựa trên quỹ đạo và tốc độ những thông số mà đã mô phỏng trước để loại bỏ nhiễu, phương pháp này kinh tế và ổn định với các loại cẩu có tần số tự nhiên thấp, tuy nhiên nó không hiệu quả đối với đối tượng không ổn định bị ảnh hưởng bởi nhiễu.
Trong khi đó sơ đồ điều khiển vòng kín cũng để xuất để chống nhiễu cho cẩu di động, những sơ đồ này được trang bị với 10 nhiều loại cảm biến để phát hiện góc lắc của tải trong điều khiển đối tượng phi tuyến [4-10], tín hiệu góc lắc của tải được xử lý bởi bộ quan sát và dự đoán trước khi phản hồi đến bộ điều khiển. Rất nhiều thiết bị được đề xuất để đo góc lắc của tải. Nhóm tác giả Yoshida [9] đề xuất sử dụng camera như là một cảm biến không tiếp xúc để quan sát tín hiệu phản hồi của cẩu. Trong trường hợp này một 3D camera được lắp đặt trên xe đẩy giá cẩu để đo vị trí 3D của tải, phương pháp này hiệu quả cho cẩu có tác động bởi nhiễu.
Tuy nhiên hệ thống quan sát chi phí đầu tư cao và khó bảo trì, thêm vào đó tuổi thọ của các thiết bị quan sát bị giảm khi chúng làm việc trong môi trường biển. Để giảm chi phí, chính xác và đáp ứng nhanh, nhóm tác giả [11] đã giới thiệu một phương pháp đo mới sử dụng cảm biến gia tốc 3 trục để dự đoán góc lắc. Trong phương pháp này góc lắc được đo bởi cảm biến gia tốc dựa trên sự sai lệch giữa điểm cố định trên xe đẩy và giá cẩu. Những phương pháp đo trên nhằm phát hiện góc lắc nhằm giúp thiết kế hệ thống điều khiển vòng kín để chống lắc của tải treo.
Những phương pháp này đã đạt được những mục tiêu đo góc lắc chính xác và thiết kế một hệ thống điều khiển mong muốn. Qua phân tích tất cả các phương pháp nghiên cứu trên, tôi thấy rằng khi nghiên cứu đối với một sản phẩm cơ điện tử từ ý tưởng đến triển khai ra thực tế mất nhiều thời gian và chi phí cho quá trình xây dựng phần cứng, chạy thử, kiểm tra, sửa chữa và đánh giá, hơn nữa các cảm biến đo với độ chính xác cao rất đắt nên hạn chế sử dụng để thử nghiệm, đặc biệt đối với các hệ thống cơ điện tử lớn và đắt tiền. Nhằm giảm chi phí và thời gian xây dựng mẫu phần cứng, trong luận văn này, tôi giới thiệu một kỹ thuật mô phỏng trên mẫu ảo chạy trên máy tính nhằm giúp các kỹ sư cơ điện tử có thể triển khai các ý tưởng và thực hiện mô phỏng, kiểm nghiệm các thuật toán sao cho hệ thống cơ điện tử thiết kế tối ưu nhất trước khi xây dựng mẫu phần cứng. Kỹ thuật mô phỏng mẫu ảo là sự tích hợp nhiều phần mềm thương mại như: SOLIDWORKS, ADAMS, và MATLAB/Simulink.
Phần mềm SOLIDWORKS dùng để thiết kế các thành phần cơ khí của hệ thống cơ điện tử, ADAMS dùng để tạo mô hình cơ khí ảo và mô phỏng hành vi động lực học của thành phần cơ khí, đặc điểm của phần mềm ADAMS cho phép sử dụng các cảm 11 biến ảo để đo bất kỳ thông số nào tại bất kỳ điểm nào của các thành phần cơ khí như lực, tải, momen…., MATLAB/Simulink được sử dụng để thiết kế các hệ thống điều khiển. Mô hình mẫu ảo được tạo thành từ các phần mềm trên có những đặc tính tương tự như mô hình cơ điện tử thực tế, thông qua mô phỏng trên mô hình mẫu ảo với các điều kiện như trong ngữ cảnh thật không chỉ giúp cho các kỹ sư cơ điện tử sửa chữa các thiết kế cơ khí sao cho phù hợp mà còn cải tiến được phương pháp điều khiển. Trình tự các bước nghiên cứu cho hệ thống MHC dựa trên kỹ thuật mẫu ảo: Để nghiên cứu đối tượng cần cẩu di động cầu cảng dựa trên kỹ thuật mẫu ảo như đã đề xuất trên, tôi trình bày quy trình các bước thực hiện như giới thiệu trên hình 2.3: Khái niệm cần cẩu di động (MHC) Phân tích điều kiện làm Xây dựng mô hình mẫu việc của MHC ảo của MHC ADAMS Phân tích hành vi động lực học của MHC Mô phỏng, kiểm tra, đành giá Thiết kế các thành phần cơ khí của MHC Thiết kế và mô phỏng SOLIDWORK hệ thống điều khiển Hình 2.
