Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "Nghiên cứu hệ thống điều khiển phi tuyến bền vững cho cần trục container đặt trên phao nổi" được thực hiện bởi nghiên cứu sinh Phạm Văn Triệu tại Trường Đại học Hàng hải Việt Nam (năm 2019), dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Lê Anh Tuấn và TS. Hoàng Mạnh Cường. Luận án thuộc ngành Kỹ thuật cơ khí động lực (mã số: 9520116), chuyên ngành Khai thác, bảo trì tàu thủy.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Vận chuyển hàng hóa bằng đường biển chiếm tỷ trọng lớn và có chi phí thấp nhất trong các phương thức vận tải hiện đại. Thống kê cho thấy khối lượng container toàn cầu duy trì tốc độ tăng trưởng bình quân khoảng 8%/năm. Cùng với xu thế này, các tàu container thế hệ mới có sức chở lên tới 20.000 TEU, thậm chí hướng tới 24.000 TEU, ngày càng tham gia sâu vào mạng lưới vận tải quốc tế. Sự phát triển này đặt ra áp lực lớn đối với hạ tầng cảng biển, đòi hỏi độ sâu luồng hàng hải và trang thiết bị xếp dỡ đáp ứng kích thước tàu gia tăng. Tại Việt Nam, hệ thống cảng biển có 49 cảng, 268 bến cảng và 330 cầu cảng nhưng phân bổ không đồng đều (miền Bắc có 6 cảng, miền Trung có 20 cảng, miền Nam có 23 cảng). Theo số liệu từ Viện Nghiên cứu và Phát triển Logistics, chỉ khoảng 1% bến cảng tại Việt Nam đủ năng lực tiếp nhận tàu trọng tải trên 50.000 DWT. Phần lớn luồng vào các cảng chính tương đối nông và hẹp; tiêu biểu như luồng vào cảng Hải Phòng chỉ đạt độ sâu lớn nhất -6,9 m (chủ yếu tiếp nhận tàu 10.000 DWT có hỗ trợ lai dắt), cảng Lạch Huyện đạt -13,8 m (tiếp nhận tàu đến 75.000 DWT) và khu vực Quảng Ninh có luồng sâu -10 m (tiếp nhận tàu 50.000 DWT).

Để giải quyết tình trạng này mà không cần đầu tư nguồn kinh phí khổng lồ cho nạo vét luồng hay mở rộng cảng truyền thống (vốn tiềm ẩn nguy cơ ô nhiễm môi trường), Viện Khoa học và Công nghệ tiên tiến Hàn Quốc (KAIST) đã đưa ra giải pháp cảng di động (Mobile Harbor). Mô hình này sử dụng tàu trung chuyển trang bị cần trục tiếp cận tàu mẹ ngoài khơi để bốc dỡ container rồi đưa thẳng vào cảng nội địa. Tuy nhiên, khi vận hành ngoài biển, hệ thống tàu - cần trục chịu tác động đồng thời của sóng biển, gió và tính co dãn của cáp nâng, gây dao động lắc nghiêm trọng cho container và thân tàu. Thống kê chỉ ra rằng hơn 30% thời gian làm việc của cần trục bị tiêu tốn cho việc quay trở và di chuyển các cơ cấu. Khoảng trống nghiên cứu được luận án chỉ ra là: các nghiên cứu trước đây thường đơn giản hóa mô hình toán học (bỏ qua đàn nhớt nước biển, đàn hồi cáp nâng hoặc coi sóng là kích động động học thuần túy), các giải thuật điều khiển tuyến tính hoặc phi tuyến cổ điển kém bền vững trước sự thay đổi thông số cơ hệ và nhiễu ngoài, đồng thời các mô hình thực nghiệm trong phòng thí nghiệm chưa mô phỏng được kích động sóng biển và động cơ xoay chiều điều khiển bằng biến tần.

Mục tiêu nghiên cứu

Mục đích nghiên cứu của đề tài là xây dựng các thuật toán điều khiển mới áp dụng cho hệ cần trục - tàu nhằm nâng cao hiệu quả khai thác và bảo đảm an toàn khi vận hành cần trục container đặt trên phao nổi. Hệ thống điều khiển thực hiện đồng thời 4 chức năng (được đánh số theo văn bản luận án):

  1. Điều khiển chính xác xe con mang container tới vị trí mong muốn;
  2. Nâng hoặc hạ container từ vị trí ban đầu đến vị trí ứng với chiều dài cáp nâng mong muốn;
  3. Giữ góc lắc hàng nhỏ trong suốt quá trình vận chuyển;
  4. Góp phần chống lắc tàu trong quá trình khai thác cần trục.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Cần trục container gắn trên mẫu tàu MH-A1-250 do Viện Khoa học và Công nghệ tiên tiến Hàn Quốc (KAIST) đề xuất.
  • Phạm vi nghiên cứu: Luận án tập trung xây dựng hệ thống điều khiển phi tuyến bền vững cho cần trục container đặt trên phao nổi dựa trên mô hình động lực học phẳng hai chiều với sáu bậc tự do (2D-6DOF).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước mà tác giả điểm lại

Luận án đã hệ thống hóa các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước theo ba mảng trọng tâm:

  1. Về động lực học cần trục:

    • Mô hình đặt trên nền cứng: Phân loại thành mô hình 2D (như công trình của các tác giả [14, 41, 70]) và mô hình 3D (công trình của các tác giả [15, 26, 38, 65, 67, 76, 77, 93]). Các dạng cần trục cụ thể gồm cần trục container [91, 132], cổng trục giàn thiết lập theo phương pháp Lagrange dạng nhân tử [96, 101], cầu trục [22, 43, 57], cần trục tháp mô hình hóa bằng phần tử hữu hạn [45], phương pháp Lagrange loại hai [118] hoặc mô phỏng máy tính [12]. Phương trình Kane được áp dụng cho cầu trục trong các nghiên cứu [51, 116]. Nghiệm xấp xỉ của hệ phi tuyến được tìm bằng phương pháp đa thang [84], phương pháp trung bình hóa [80] hoặc rẽ nhánh Hopf [68].
    • Mô hình đặt trên phao nổi: Küchler và cộng sự [69] khảo sát cần trục kiểu cần trên phao nổi để điều khiển chủ động. Nhóm của Hieu và Hong [50, 85, 86] nghiên cứu động lực học cần trục container gắn trên tàu xét đến kích động sóng biển. Nhóm Tuan và Lee [70, 120, 123] khảo sát mô hình sáu bậc tự do có tính đến kích động sóng biển và độ đàn hồi của cáp nâng.
    • Nghiên cứu trong nước: Các nghiên cứu chủ yếu khảo sát động lực học cẩu ô tô (tác giả [3, 8]), cần trục tháp (tác giả [5, 9, 10]) hoặc cần trục container đặt trên nền cứng chưa xét đến cơ cấu nâng [11].

  2. Về các thuật toán điều khiển:

    • Điều khiển tuyến tính: Bộ điều khiển PID/PD kết hợp quỹ tích nghiệm số [17], tối ưu bầy đàn PSO [56, 107], mạng nơ ron tự chỉnh NNST [97], PID mờ [74], PID tích hợp giải thuật di truyền GA [106], PD mờ [19, 20]. Kawada và cộng sự [62, 63, 64] ứng dụng bộ điều khiển PD và GA cho cần trục nổi. Bộ điều khiển phản hồi trạng thái kết hợp bất đẳng thức ma trận tuyến tính LMI [52, 90, 98, 122]. Điểm hạn chế là các phương pháp tuyến tính bỏ qua đặc tính phi tuyến của sóng, gió và cáp co dãn.
    • Điều khiển phi tuyến: Phản hồi tuyến tính hóa [57, 66, 70, 92] và kỹ thuật dựa trên hàm Lyapunov [39, 46, 54, 78] đòi hỏi phải biết chính xác mô hình toán học và mất ổn định khi tham số biến động.
    • Điều khiển tối ưu: Điều khiển dự báo mô hình (MPC) được áp dụng để ràng buộc biến bị động và chống lắc container [32, 58, 59, 65, 102, 125, 127], tiêu biểu là nghiên cứu của Jolevski và Bego [58].
    • Điều khiển bền vững: Bộ điều khiển trượt (SMC) bậc hai cho cần trục container [25], SMC bậc hai cho cầu trục 3D [67], SMC phân cấp [94], SMC trên thời gian gián đoạn [128], SMC cho cần trục nổi [54, 87]. Kỹ thuật điều khiển $H_\infty$ và tổng hợp $\mu$ ($\mu$-Synthesis) cho cầu trục và cổng trục [24, 48, 60, 121].
    • Điều khiển thích nghi và thông minh: Bộ điều khiển thích nghi ước lượng tham số dựa trên Lyapunov [33, 42, 88, 112-115, 117, 129, 131]; mạng nơ ron kết hợp điều khiển trượt của Lee [44] và các tác giả [28, 38, 97]; mạng nơ ron huấn luyện điều khiển góc lắc hướng trục và hướng tâm của Nakazono và cộng sự [82]; logic mờ FLC kết hợp nơ ron cho cần trục 3D [16, 26, 74, 89, 95, 103-105, 119].
    • Điều khiển cần trục tại Việt Nam: Nhóm của PGS. Ngô Quang Hiếu ứng dụng PD mờ [6] và điều khiển phi tuyến tích hợp bộ ước lượng ma sát [2]; nghiên cứu [7] khảo sát ổn định cần trục tháp chịu gió giật; nghiên cứu [4] kết hợp PID với hệ thống thị giác máy tính. Hầu hết các công trình trong nước dừng lại ở mô phỏng, chưa xây dựng bộ điều khiển thích nghi bền vững trước nhiễu ngoài.

  3. Về phương diện thực nghiệm:

    • Các công trình quốc tế sử dụng mô hình cổng trục 3D thu nhỏ đặt trên nền cứng của hãng INTECO (Ba Lan) [133]. Mô hình này gồm 3 động cơ điện một chiều 24V điều khiển bằng PWM, 5 cảm biến đo góc lắc và vị trí, giao tiếp qua card I/O RT-DAC.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Luận án xác định và tập trung xử lý ba khoảng trống kỹ thuật:

  • Về mô hình động lực học: Khắc phục việc xem kích động sóng biển là kích động động học đơn giản bằng cách xây dựng mô hình vật lý xem sóng là kích động động lực, tích hợp đồng thời tính chất đàn nhớt của nước biển, kích động sóng, tải trọng gió và độ dãn đàn hồi của cáp nâng.
  • Về thuật toán điều khiển: Phát triển các thuật toán phi tuyến bền vững (SOSMC, NN-SOSMC) giúp hệ thống duy trì tính ổn định mạch kín ngay cả khi tham số cơ hệ bất định hoặc không biết trước thông tin mô hình toán học; đồng thời tích hợp bộ quan sát trạng thái (OB-SOSMC) để ước lượng vận tốc các cơ cấu nhằm giảm cảm biến đo lường.
  • Về thực nghiệm: Cải tiến hạn chế của mô hình thương mại INTECO bằng cách thiết kế hệ thống thực nghiệm có đế kích động 6 bậc tự do mô phỏng tác động sóng biển và sử dụng biến tần điều khiển động cơ điện xoay chiều ba pha.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và mô hình toán học

Luận án ứng dụng cơ học giải tích với phương trình Lagrange loại hai để thiết lập phương trình vi phân chuyển động của cơ hệ: $$\frac{d}{dt}\left(\frac{\partial T}{\partial \dot{q}_i}\right) - \frac{\partial T}{\partial q_i} + \frac{\partial \Phi}{\partial \dot{q}_i} + \frac{\partial \Pi}{\partial q_i} = Q_i$$ Trong đó: $T$ là động năng, $\Pi$ là thế năng, $\Phi$ là hàm hao tán Rayleigh, $q_i$ là các tọa độ suy rộng và $Q_i$ là véc tơ lực suy rộng của các lực không thế.

Cơ hệ gồm sáu tọa độ suy rộng: $q = [x_t, \varphi_m, \theta, s, y, \varphi_b]^T$. Phương trình vi phân chuyển động tổng quát dạng ma trận cấp hai được biểu diễn: $$\mathbf{M}(q)\ddot{q} + \mathbf{C}(q, \dot{q})\dot{q} + \mathbf{G}(q) = \mathbf{U} + \mathbf{W}$$

  • $\mathbf{M}(q) \in \mathbb{R}^{6 \times 6}$: Ma trận quán tính khối lượng đối xứng;
  • $\mathbf{C}(q, \dot{q}) \in \mathbb{R}^{6 \times 6}$: Ma trận lực quán tính ly tâm và ma sát Coriolis;
  • $\mathbf{G}(q) \in \mathbb{R}^{6 \times 1}$: Véc tơ lực trọng trường;
  • $\mathbf{U} = [u_t, M_m, 0, 0, 0, 0]^T$: Véc tơ lực dẫn động, gồm lực kéo xe con $u_t$ và mô men quay tời nâng $M_m$;
  • $\mathbf{W} = [0, 0, f_w, 0, F_w, M_w]^T$: Véc tơ nhiễu ngoại cảnh, gồm lực gió tác động lên container $f_w$, lực kích động thẳng đứng của sóng $F_w$ và mô men sóng gây lắc tàu $M_w$.

Lý thuyết ổn định theo chuẩn Lyapunov được sử dụng xuyên suốt để chứng minh tính ổn định tiệm cận của mặt trượt và sai số bám quỹ đạo trong không gian trạng thái. Mạng nơ ron hàm hướng kính cơ sở (Radial Basis Function Network - RBFN) được ứng dụng trong thuật toán thích nghi để xấp xỉ các thành phần động lực học phi tuyến chưa biết.

Phương pháp nghiên cứu thực tế

  • Nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng số: Tách hệ động lực thành các hệ con điều khiển; sử dụng phương pháp số Newmark để tìm nghiệm số của hệ phương trình vi phân chuyển động phi tuyến cấp hai; xây dựng cấu trúc mô phỏng trên phần mềm MATLAB/Simulink.
  • Nghiên cứu thực nghiệm: Chế tạo mô hình vật lý thu nhỏ của cần trục container 3D. Sử dụng bộ điều khiển nhúng thời gian thực NI MyRIO-1900 của hãng National Instruments lập trình trên môi trường LabVIEW; điều khiển góc quay và chuyển động thông qua biến tần Mitsubishi FREQROL-S500 cấp nguồn cho động cơ không đồng bộ ba pha; đế kích động không gian sáu bậc tự do mô phỏng chuyển động lắc của sóng biển.

Bảng thông số cơ hệ và tọa độ suy rộng

Các biến trạng thái và thông số cơ bản của mô hình động lực học được tổng hợp trong bảng sau:

Ký hiệu Tên gọi đại lượng Đơn vị
$q_1 = x_t$ Vị trí dịch chuyển của xe con m
$q_2 = \varphi_m$ Góc quay của trống tời nâng rad (hoặc độ)
$q_3 = \theta$ Góc lắc của cáp nâng container rad (hoặc độ)
$q_4 = s$ Độ biến dạng co dãn của cáp nâng m
$q_5 = y$ Dịch chuyển trọng tâm tàu theo phương đứng (Heave) m
$q_6 = \varphi_b$ Góc lắc ngang của thân tàu (Roll) rad (hoặc độ)
$m_t, m_c, m_b$ Khối lượng xe con, container và thân tàu kg
$J_m, J_b$ Mô men quán tính khối lượng trống tời và thân tàu $\text{kg}\cdot\text{m}^2$
$r_m, l_0$ Bán kính trống tời và chiều dài cáp nâng ban đầu m
$k_1, k_2, k_3$ Độ cứng đệm đàn hồi mạn trái, mạn phải và cáp nâng N/m
$b_1, b_2, b_3, b_t, b_m$ Hệ số cản đệm đàn hồi, cáp nâng, xe con và tời $\text{N}\cdot\text{s/m}$ hoặc $\text{N}\cdot\text{m}\cdot\text{s}$
$a_1, a_2, a_3, a_4$ Kích thước hình học bố trí xe con, dầm và chân đế m

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG I. TỔNG QUAN

Chương 1 phân tích bức tranh tổng thể về ngành vận tải container, thực trạng khai thác cảng biển trên phạm vi quốc tế và tại Việt Nam. Tác giả chỉ ra sự mâu thuẫn giữa tốc độ phát triển kích thước tàu container và giới hạn luồng lạch của các cảng nội địa.

Chương này so sánh ba phương án trung chuyển container ngoài khơi:

  • Phương án 1 (Sử dụng cảng nổi): Cần trục kiểu cần gắn trên thiết bị nổi cố định. Ưu điểm là tính ổn định cao, nhược điểm là thời gian làm hàng kéo dài do cơ cấu quay chậm.
  • Phương án 2 (Sử dụng cảng trung chuyển ngoài khơi): Xây dựng đảo hoặc bến nhân tạo dùng cổng trục giàn. Ưu điểm là năng suất bốc xếp cao, nhược điểm là chi phí xây lắp ngoài khơi rất đắt và gây tác động môi trường biển.
  • Phương án 3 (Sử dụng mô hình cảng di động - Mobile Harbor): Cần trục container bố trí trên tàu chuyên dụng cỡ nhỏ. Phương án này tối ưu về tính linh hoạt, giảm thiểu phụ thuộc luồng cống nội địa và tầm với của cẩu bờ.

Mẫu tàu trung chuyển MH-A1-250 do Viện KAIST thiết kế được tác giả chứng minh là phương án phù hợp nhất với điều kiện địa hình luồng lạch và kinh tế của Việt Nam:

Thông số thiết kế Mẫu MH-A1-250 Mẫu MH-A1-700 Mẫu MH-A1-1200
Chiều dài thân tàu (m) 76,75 164,0 164,0
Chiều rộng thân tàu (m) 33,0 31,0 41,0
Độ sâu luồng yêu cầu (m) 5,3 5,4 5,7
Sức chở container (TEU) 252 702 1248
Năng suất làm hàng (TEU/h) 60 60 120
Tốc độ hành trình (Hải lý/h) 8,0 15,0 12,0

Chương 1 cũng tổng kết quy trình chế tạo cần trục container đặt trên tàu (gồm các bước thiết kế kết cấu thân vỏ, pông tông theo QCVN 23:2016/BGTVT và thiết kế hệ thống điều khiển), rà soát các nghiên cứu động lực học, điều khiển và thực nghiệm để xác định mục tiêu đề tài.

CHƯƠNG II. ĐỘNG LỰC HỌC CẦN TRỤC CONTAINER ĐẶT TRÊN PHAO NỔI

Chương 2 tập trung xây dựng mô hình vật lý và toán học của hệ cần trục container đặt trên phao nổi làm việc trong không gian 2D với sáu bậc tự do.

Các giả thiết kỹ thuật được đặt ra:

  • Chuyển động khảo sát trong mặt phẳng 2D; bỏ qua 4 chuyển động không gian nhỏ của tàu (Surge, Sway, Pitch, Yaw) do tàu con được buộc cập mạn tàu mẹ khi làm hàng, chỉ giữ lại chuyển động lắc ngang (Roll) $\varphi_b$ và chuyển động nhấp nhô đứng (Heave) $y$;
  • Tàu và kết cấu cần trục quy về một vật cứng có khối lượng $m_b$ và mô men quán tính $J_b$, trọng tâm nằm tại mặt phẳng sườn giữa;
  • Khối lượng cáp nâng được bỏ qua, cáp nâng đàn hồi tuyến tính với độ cứng $k_3$;
  • Lực cản và ma sát đường chạy xe con, ma sát ổ trục tời được coi là tuyến tính;
  • Bỏ qua các khe hở lắp ráp cơ khí và khe hở khớp động cơ.

Bằng phương pháp Lagrange loại hai, hệ sáu phương trình vi phân chuyển động cấp hai phi tuyến được thiết lập hoàn chỉnh, bao gồm các thành phần lực tương hỗ phức tạp giữa chuyển động của xe con, chuyển động nâng hạ hàng của tời, dao động lắc tự do của container dọc theo dây cáp và dao động kích động của thân tàu trên nền đàn nhớt sóng biển ($k_1, k_2, b_1, b_2$). Tác giả áp dụng thuật toán số Newmark để giải hệ phương trình phi tuyến này trong môi trường MATLAB. Kết quả tính toán đáp ứng tự do (khi chưa có bộ điều khiển) cho thấy: dưới tác động kích động của sóng biển và gió, container dao động mất ổn định với biên độ góc lắc lớn, cáp nâng bị co dãn liên tục và thân tàu dao động nghiêng chúi rõ rệt, chứng minh tính cấp thiết phải áp dụng các thuật toán điều khiển để triệt tiêu dao động.

CHƯƠNG III. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

Chương 3 trình bày việc thiết kế, phân tích ổn định và mô phỏng số ba thuật toán điều khiển phi tuyến cho hệ động lực học cần trục - tàu:

  1. Điều khiển trượt bậc hai (SOSMC):

    • Cơ hệ được tách thành các hệ con điều khiển vị trí xe con và điều khiển chiều dài cáp nâng. Thuật toán SOSMC được thiết kế nhằm khắc phục hiện tượng rung chấn (chattering) của bộ điều khiển trượt truyền thống (SMC), đồng thời bảo đảm tính bền vững mạch kín trước các thành phần bất định và nhiễu ngoài bị chặn.
    • Tính ổn định tiệm cận của hệ thống được chứng minh thông qua hàm Lyapunov xác định dương.

  2. Điều khiển trượt bậc hai tích hợp bộ quan sát trạng thái (OB-SOSMC):

    • Do việc lắp đặt các cảm biến đo vận tốc dịch chuyển xe con và vận tốc quay tời trong môi trường biển làm tăng giá thành và dễ hư hỏng, tác giả thiết kế bộ quan sát trạng thái bậc cao để ước lượng các tín hiệu đạo hàm vận tốc.
    • Các tín hiệu ước lượng này được đưa về bộ điều khiển SOSMC, bảo đảm sai số ước lượng và sai số bám quỹ đạo cùng hội tụ tiệm cận về 0.

  3. Điều khiển trượt bậc hai tích hợp mạng nơ ron (NN-SOSMC):

    • Thuật toán thích nghi sử dụng mạng nơ ron hàm hướng kính cơ sở (RBFN) để xấp xỉ trực tiếp các hàm phi tuyến chưa biết của mô hình động lực học và các thông số biến đổi của hệ thống (khối lượng hàng hóa, chiều dài cáp, nhiễu sóng gió).
    • Bộ điều khiển không đòi hỏi phải biết trước các giá trị ma trận khối lượng và Coriolis. Thuật toán cập nhật trọng số thích nghi được suy dẫn từ đạo hàm hàm Lyapunov, đảm bảo cơ hệ ổn định toàn cục.

Kết quả mô phỏng trên MATLAB/Simulink chứng minh: cả ba thuật toán đều điều khiển xe con và cáp nâng bám sát quỹ đạo đặt, giữ góc lắc container $\theta$ nằm trong phạm vi an toàn nhỏ và triệt tiêu dao động khi xe con dừng tại đích, đồng thời góp phần suy giảm biên độ dao động lắc ngang của thân tàu. Trong đó, thuật toán NN-SOSMC thể hiện tính thích nghi vượt trội khi các thông số tải trọng và độ sâu sóng thay đổi.

CHƯƠNG IV. THỰC NGHIỆM

Chương 4 kiểm chứng tính đúng đắn của các thuật toán điều khiển thông qua mô hình thực nghiệm trong phòng thí nghiệm.

Các thành phần chính của hệ thống thực nghiệm:

  • Kết cấu cơ khí: Khung cổng trục 3D gắn trên đế chuyển động; xe con di chuyển trên ray dầm chính; cụm tời nâng hạ container.
  • Hệ thống kích động sóng biển: Đế kích động không gian sáu bậc tự do mô phỏng các trạng thái lắc ngang, lắc dọc và chuyển dịch thẳng đứng của sóng biển tác động lên thân tàu.
  • Thiết bị chấp hành: Sử dụng động cơ không đồng bộ ba pha xoay chiều điều khiển vận tốc thông qua biến tần Mitsubishi FREQROL-S500 theo hai phương chuyển động, thay thế cho động cơ điện một chiều điều khiển PWM thường thấy ở các mô hình phòng thí nghiệm trước đó.
  • Hệ thống đo lường và điều khiển nhúng: Trung tâm xử lý tín hiệu là Kit NI MyRIO-1900 kết hợp các khối I/O kết nối máy tính qua môi trường LabVIEW; hệ thống cảm biến quang học encoder đo góc lắc cáp nâng và vị trí cơ cấu.

Kết quả thử nghiệm thực tế cho thấy:

  • Hệ thống điều khiển thực nghiệm vận hành ổn định dưới các kịch bản kích động lắc đế khác nhau;
  • Xe con đạt vị trí đặt với sai số nhỏ, chiều dài cáp nâng bám sát tín hiệu điều khiển, góc lắc container được triệt tiêu nhanh chóng khi xe con dừng lại;
  • Quy luật đáp ứng giữa mô phỏng số và thực nghiệm có sự tương đồng cao về dạng đường đặc tính, kiểm chứng được độ tin cậy của mô hình toán học và tính khả thi của thuật toán điều khiển đã đề xuất.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học

  1. Xây dựng thành công mô hình động lực học phẳng hai chiều sáu bậc tự do (2D-6DOF) cho cần trục container đặt trên phao nổi có xét đến đồng thời đặc tính đàn nhớt của môi trường nước biển, lực kích động động lực của sóng biển, tải trọng gió và tính dãn đàn hồi của cáp nâng container.
  2. Thiết kế thành công ba thuật toán điều khiển phi tuyến cho cơ hệ:
    • Thuật toán điều khiển trượt bậc hai (SOSMC) có khả năng kháng nhiễu và bền vững với thông số bất định trong phạm vi biên xác định;
    • Thuật toán điều khiển trượt bậc hai tích hợp mạng nơ ron (NN-SOSMC) có khả năng tự thích nghi mà không cần biết trước thông tin mô hình động lực học và các thông số vật lý của cơ hệ;
    • Thuật toán điều khiển trượt bậc hai tích hợp bộ quan sát trạng thái (OB-SOSMC) ước lượng chính xác vận tốc các cơ cấu, cho phép giảm bớt cảm biến đo lường phần cứng.
  3. Chứng minh toán học chặt chẽ về tính ổn định tiệm cận của toàn bộ hệ thống điều khiển mạch kín dựa trên lý thuyết hàm ổn định Lyapunov.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn và giải pháp kỹ thuật

  1. Đề xuất cấu trúc điều khiển nhúng thời gian thực ứng dụng vi điều khiển NI MyRIO-1900 kết hợp biến tần điều khiển động cơ điện ba pha xoay chiều cho cơ cấu nâng và di chuyển xe con, phù hợp với trang thiết bị thực tế trên các cần trục công nghiệp.
  2. Chế tạo thành công mô hình thực nghiệm cần trục container 3D tích hợp đế kích động sáu bậc tự do để giả lập tác động của sóng biển trong phòng thí nghiệm.
  3. Đưa ra giải pháp công nghệ khả thi áp dụng mẫu tàu trung chuyển MH-A1-250 nhằm giải quyết bài toán tiếp nhận tàu container cỡ lớn tại các cảng có luồng nông và hẹp ở Việt Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Các hạn chế của luận án

Theo phạm vi nghiên cứu được công bố trong văn bản, luận án tồn tại một số giả thiết giới hạn:

  • Mô hình động lực học được xây dựng trong không gian phẳng hai chiều (2D), chỉ xét 2 bậc tự do chuyển động của thân tàu (Heave và Roll), đã bỏ qua 4 bậc tự do chuyển động không gian còn lại (Surge, Sway, Pitch, Yaw);
  • Bỏ qua khối lượng bản thân của cáp nâng; giả thiết đặc tính đàn hồi của cáp nâng và lực ma sát trên đường chạy xe con, ma sát tời nâng là tuyến tính;
  • Chưa xét đến ảnh hưởng của khe hở lắp ghép cơ khí và khe hở động học trong hộp giảm tốc động cơ.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Mở rộng bài toán động lực học và điều khiển sang không gian ba chiều (3D), mô hình hóa đầy đủ sáu bậc tự do của thân tàu dưới tác động ngẫu nhiên của sóng và gió biển;
  • Tích hợp các yếu tố phi tuyến phức tạp như ma sát phi tuyến Stribeck, tính đàn nhớt phi tuyến của cáp nâng và khe hở cơ khí vào mô hình toán học;
  • Thử nghiệm các thuật toán điều khiển trên mô hình bán tự nhiên hoặc trên tàu chuyển tải container thực tế ở điều kiện làm việc ngoài khơi.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn đối với nhiều nhóm đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Thuộc các ngành Kỹ thuật cơ khí động lực, Kỹ thuật tàu thủy, Tự động hóa và Cơ điện tử; có thể tham khảo phương pháp thiết lập phương trình vi phân chuyển động bằng phương trình Lagrange loại hai và kỹ thuật thiết kế bộ điều khiển phi tuyến (SMC, RBFN, Lyapunov).
  • Kỹ sư thiết kế và chế tạo thiết bị nâng hạ: Tham khảo cấu trúc phần cứng điều khiển nhúng, giải pháp tích hợp biến tần điều khiển động cơ xoay chiều ba pha và phương pháp ước lượng trạng thái nhằm cắt giảm số lượng cảm biến đo đạc.
  • Cơ quan quản lý và doanh nghiệp cảng biển: Cung cấp cơ sở khoa học để đánh giá tính khả thi của mô hình cảng di động (Mobile Harbor MH-A1-250) trong chiến lược nâng cao năng lực bốc dỡ container tại các vùng biển nước nông như khu vực Hải Phòng và duyên hải miền Trung.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ tọa độ suy rộng trong mô hình động lực học của luận án gồm những biến trạng thái nào?

Mô hình động lực học cần trục - tàu trong luận án là hệ phẳng hai chiều với sáu bậc tự do (2D-6DOF). Hệ tọa độ suy rộng đủ gồm sáu biến trạng thái:

  • $q_1 = x_t$: Dịch chuyển vị trí xe con mang container (m);
  • $q_2 = \varphi_m$: Góc quay của trống tời nâng hạ container (rad hoặc độ);
  • $q_3 = \theta$: Góc lắc của cáp nâng container (rad hoặc độ);
  • $q_4 = s$: Độ biến dạng co dãn đàn hồi của cáp nâng (m);
  • $q_5 = y$: Dịch chuyển theo phương thẳng đứng của thân tàu do sóng biển kích động (m);
  • $q_6 = \varphi_b$: Góc lắc ngang của thân tàu do sóng biển kích động (rad hoặc độ).

2. Ba mẫu tàu cảng di động do Viện KAIST đề xuất có thông số ra sao và vì sao luận án chọn mẫu MH-A1-250?

Viện KAIST đề xuất ba mẫu tàu cảng di động gồm: MH-A1-250 (dài 76,75 m, rộng 33 m, mớn nước yêu cầu 5,3 m, sức chở 252 TEU, tốc độ làm hàng 60 TEU/h), MH-A1-700 (dài 164 m, rộng 31 m, mớn nước 5,4 m, sức chở 702 TEU, tốc độ làm hàng 60 TEU/h) và MH-A1-1200 (dài 164 m, rộng 41 m, mớn nước 5,7 m, sức chở 1248 TEU, tốc độ làm hàng 120 TEU/h).

Luận án lựa chọn mẫu MH-A1-250 vì độ sâu luồng vào các cảng lớn phía Bắc Việt Nam (như cảng Hải Phòng chỉ đạt độ sâu lớn nhất -6,9 m), mẫu tàu này có mớn nước yêu cầu 5,3 m và kích thước hình học phù hợp nhất với điều kiện luồng lạch nội địa cũng như khả năng đầu tư kinh tế tại Việt Nam.

3. Nguyên lý và đặc điểm vượt trội của thuật toán điều khiển NN-SOSMC trong luận án là gì?

Thuật toán NN-SOSMC là sự kết hợp giữa điều khiển trượt bậc hai (Second-Order Sliding Mode Control) và mạng nơ ron hàm hướng kính cơ sở (RBFN). Ưu điểm cốt lõi của thuật toán này là khả năng tự thích nghi: bộ điều khiển có thể tự ước lượng trực tiếp các thành phần động lực học phi tuyến và thông số hệ thống mà không cần biết trước mô hình toán học chính xác của đối tượng. Thuật toán khắc phục được nhược điểm mất ổn định của các bộ điều khiển phi tuyến truyền thống khi có sự biến thiên khối lượng hàng hoặc chịu tác động nhiễu động lực từ sóng và gió biển.

4. Mô hình thực nghiệm của luận án có những cải tiến kỹ thuật nào so với mô hình INTECO?

Mô hình thực nghiệm của luận án khắc phục hai nhược điểm chính của mô hình thương mại INTECO:

  1. Mô hình INTECO đặt cố định trên nền cứng; mô hình của luận án được lắp đặt trên một đế kích động sáu bậc tự do có khả năng tạo chuyển động mô phỏng sóng biển tác động lên hệ cần trục - tàu;
  2. Mô hình INTECO sử dụng toàn bộ động cơ điện một chiều điều khiển bằng PWM; mô hình của luận án sử dụng động cơ điện xoay chiều không đồng bộ ba pha điều khiển bằng biến tần Mitsubishi FREQROL-S500 theo hai phương chuyển động, phản ánh sát với cấu hình thực tế của cần trục công nghiệp.

5. Vì sao luận án có thể bỏ qua bốn bậc tự do chuyển động không gian của thân tàu?

Trong quá trình bốc dỡ hàng ngoài khơi theo mô hình cảng di động, tàu con (mang cần trục) được buộc dây cập sát mạn tàu mẹ, do đó dao động tịnh tiến dọc (Surge) và dạt ngang (Sway) là rất nhỏ. Đồng thời, container chủ yếu dao động trong mặt phẳng chuyển động của xe con, dao động vuông góc với hướng chạy xe con không đáng kể. Do đó, luận án bỏ qua các chuyển động Surge, Sway, Pitch (lắc dọc) và Yaw (quay trở), chỉ giữ lại chuyển động Heave (nhấp nhô đứng) và Roll (lắc ngang) để xây dựng mô hình phẳng 2D.

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Phạm Văn Triệu đã giải quyết trọn vẹn bài toán động lực học và điều khiển hệ thống cần trục container đặt trên phao nổi chịu kích động của sóng biển và gió. Bằng việc xây dựng mô hình toán học phẳng sáu bậc tự do có kể đến độ đàn nhớt của nước biển và độ dãn đàn hồi của cáp nâng, tác giả đã phát triển thành công ba thuật toán điều khiển phi tuyến bền vững (SOSMC, OB-SOSMC, NN-SOSMC) bảo đảm ổn định bám vị trí và triệt tiêu lắc hàng. Các kết quả mô phỏng số trên MATLAB và thực nghiệm trên hệ thống nhúng NI MyRIO-1900 kết hợp đế kích động sóng biển đã khẳng định tính chính xác của mô hình lý thuyết. Công trình là cơ sở khoa học và kỹ thuật quan trọng phục vụ định hướng tự chủ thiết kế, chế tạo thiết bị chuyển tải container chuyên dụng tại Việt Nam.