Đặt vấn đề Khác với hệ cần trục 2D vốn được nghiên cứu nhiều [1]-[3], hệ cần trục 3D là một hệ đang ít được nghiên cứu ở Việt Nam. Hiện thời, chỉ có 1 số công trình được thực hiện liên quan đến đối tượng này [4], [5]. Ở nghiên cứu [4], giải thuật mờ được đề nghị và đã thành công trên cả mô phỏng và thực nghiệm nhưng chỉ điều khiển ổn định tại chỗ và chống dao động cho tải. Ở nghiên cứu [5], bên cạnh chống dao động thì hệ cần trục 3D cũng được điều khiển để tránh vật cản thông qua giải thuật PD.
Trong các nghiên cứu trên, giải thuật mờ và PD không được đảm bảo bằng toán học. Giải thuật LQR là một giải thuật được đảm bảo toán học và có thể áp dụng cho hệ trên. Tuy nhiên, giải thuật LQR áp dụng cho hệ MIMO-underactuated như hệ cần trục 3D thậm chí chưa được đề cập đến ở cả ổn định tại chỗ chứ chưa nói tới bám quỹ đạo (ổn định tại chỗ chỉ là trường hợp riêng của điều khiển bám quỹ đạo). Do đó, một nghiên cứu áp dụng LQR để điều khiển bám quỹ đạo và cũng chống dao động cho hệ cần trục 3D.
Ở nước ngoài, hệ cầu trục 3D này đã được chuẩn hóa để dùng trong các thí nghiệm điều khiển tự động. Các giải thuật mờ [6], trượt [7], PID [8]… đều đã được thử nghiệm thành công trên cả mô phỏng và thực nghiệm. Tuy nhiên, các nghiên cứu trên chỉ điều khiển vị trí và chống dao động chứ chưa điểu khiển hệ di chuyển theo quỹ đạo. Trong [9], các tác giả đã nghiên cứu đến giải thuật tối ưu bền vững cho hệ này trên cả mô phỏng và thực nghiệm.
Cũng trong nghiên cứu trên, việc điều khiển đế vị trí mong muốn cũng như chống dao động đã được thực hiện tốt. Tóm lại, đối với các nghiên cứu ở nước ngoài, đối tượng này không mới. Tuy nhiên, việc điều khiển bám quỹ đạo thì lại chưa được đề cập đến. Do đó, một nghiên cứu điều khiển bám quỹ đạo bằng giải thuật có đảm bảo bằng toán học là một hướng đi mới, dù nhỏ cũng đóng góp cho kiến thức chuyên ngành.
Cần trục tháp (TC - Tower Crane) là một hệ nhiều đầu vào nhiều đầu ra (MIMO - multi input multi output) có tính ứng dụng cao và là thiết bị quan trọng và cần thiết trong cách các ngành công nghiệp và dịch vụ liên quan đến vận chuyển hàng hoá và nguyên vật liệu. Việc sự dụng cần trục tháp vùa thuận tiện và đem lại năng suất cao trong việc di chuyển, bốc xếp hàng hoá, đặc biệt là đối với các thiết bị, hàng hoá hạng nặng cần được di chuyển lên một độ cao nhất định, như việc thi công các nhà cao tầng. Cần trục tháp có tiềm năng 5 lớn giúp kinh tế phát triển mạnh mẽ, nhưng cũng có nhiều vấn đề khó khăn đang tồn tại xung quanh cần trục tháp. Việc di chuyển hàng hoá với tải trọng lớn khiến cho trong lúc di chuyển gây ra dao động quá lớn có thể va đập vào mọi thứ xung quanh làm gẫy cần trục và gây nguy hiểm cho con người.
Do đó bài toán điều khiển bám quỹ đạo vị trí và giảm dao động cho hệ cần trục tháp nhằm nâng cao hiệu quả làm việc và giảm thiệt hại trong công việc trở nên cấp thiết và có tính thực tiễn cao. Trong nghiên cứu này, chúng em đã đề xuất sử dụng giải thuật điều khiển LQR (Linear Quadratic Regulator) để điều khiển bám quỹ đạo vị trí và giảm dao động cho tải. Chúng tôi đã thực hiên nhiều mô phỏng với nhiều tình huống khác nhau nhau nhằm kiểm chứng tính khả quan của giải thuật LQR đối với hệ cần trục tháp và việc mô phỏng cho thấy việc áp dụng phương pháp điều khiển đã giúp giảm dao động và bám vị trí của hệ cần trục.2 Lý do chọn đề tài. Do tính ứng dụng cao và là thiết bị thiết yếu trong các ngành xây dựng, vận chuyển hàng hoá và các ngành liên quan nên việc nghiên cứu về cần trục tháp 3D là cần thiết nên vì thế mà nhóm sinh viên sẽ nghiên cứu đề tài “THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN LQR CHO HỆ CẦN TRỤC THÁP 3D”.
Hệ cần trục tháp 3D là một đối tưởng khó nghiên cứu hơn là hệ cần trục 2D (Grantry crane) và có phần mới mẻ nên nhóm sinh viên sẽ tìm hiểu kĩ hơn về hệ này nhằm có thể kiểm chứng được các thuật toán điều khiển trên mô phỏng và khả năng tương thích của bộ điều khiển LQR.3 Mục tiêu đề tài. Đề tài xây dựng và khảo sát bộ điều khiển LQR trong việc điều khiển bám quỹ đạo và chống dao động tải cho hệ cần trục 3D. Nghiên cứu giúp tạo nền tảng để áp dụng giải thuật vào công nghiệp để tối ưu hóa chất lượng điều khiển cho việc vận chuyển hang hóa. Bên cạnh đó, kết quả nghiên cứu là một tài liệu để phục vụ đào tạo ngành điều khiển tự động (thực tập điều khiển tự động/ điều khiển thông minh/ mô hình mô phỏng hệ thống).
Phạm vi của đề tài Đối với bài nghiên cứu khoa học này nhóm sinh viên thực hiện xây dưng mô phỏng trên matlab để kiểm chứng bộ điều khiển LQR 6 Chiều dài dây dẫn là cố định, khối lượng tả (vật nặng) là cố định 1. Phƣơng pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết kết hợp mô phỏng kiểm chứng 7 CHƢƠNG II: MÔ HÌNH TOÁN 8 2. Sơ lƣợc về cần trục 2D và cần trục tháp 3D Trên thế giới hiện nay cần trục 2D (Grantry crane) và cần trục tháp 3D (Tower crane) được con người sử dụng phổ biến trong các bến cảng hay các nhà máy, xưởng sản xuất nhằm mục đích vận chuyển các hàng hóa, vật liệu nặng, trong quá trình vận chuyển cần trục luôn bị dao động làm giảm hiệu suất làm việc, thậm chí gây tai nạn nguy hiểm đến tính mạng con người. Vì vậy hệ cần trục được mang ra làm đối tượng để nghiên cứu, áp dụng các giải thuật điều khiển tự động nhằm mục đích điều khiển cần trục đến vị trí mong muốn và chống giao động cho hàng hóa.
Ở đất nước chúng ta mô hình cần trục 2D được mang ra nghiên cứu và áp dụng điều khiển rộng rải đã có nhiều nghiên cứu và bài báo về đề tài này. Cấu tạo của cần trục 2D gồm 1 xe đẩy (trolley) di chuyển qua lại trên thanh ngang, tải sẽ được nối với trolley thông qua 1 sợi dây dài dùng để nâng hạ tải. Trolley di chuyển qua lại từ vị trí này sang vị trí khác để đặt tải đến vị trí mong muốn và chống dao động cho tài. 1: Hình ảnh thực tế của cần trục tháp 2D Với mô hình cần trục tháp 2D, khả năng di chuyển của cần trục bị giới hạn và khả năng vận chuyển vật liệu cũng bị hạn chế theo độ cao cần trục.
Ngược lại, mô hình cần trục tháp 3D là một phiên bản nâng cấp của mô hình cần trục 2D với khả năng xoay 360 độ, giúp cho việc di chuyển vật liệu trở nên linh hoạt và tầm hoạt động trở nên tốt hơn. Ứng dụng của cần trục tháp 3D rất hữu ích đối với các công trình xây dựng có cơ cấu phức tạp. Cấu tạo của hệ cần trục tháp 3D gồm phần thân dưới, thân trên, phần thân dưới bao gồm 9 đế và thân tháp có động cơ dùng để quay cần trục, phần thân trên bao gồm cần trục, trolley và đối trọng giúp cần trục giữ thăng bằng. 2: Hình ảnh thực tế của cần trục tháp 3D 2.
Mô hình toán học hệ cần trục tháp 3D Hình 2. 3: Hệ cần trục 3D 10 Bảng 2. 1: Biến hệ thống của hệ cần trục 3D Tên biến Miêu tả Đơn vị Vị trí của xe trượt Góc lắc của tải (Khi di chuyển xe trượt) Góc lắc của tải (Khi cần trục xoay) Góc xoay của tháp Lực tác động lên xe trượt Mô men tác động lên cần trục Bảng 2.