phần mở đầu, kết luận và bốn chƣơng bao gồm: Chƣơng 1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu. Chƣơng này trình bày những nghiên cứu tổng quan để định hƣớng đề tài luận án. Kết hợp điều khiển phản hồi với bộ giảm chấn để giảm dao động vật nâng.
Chƣơng này trình bày các kết quả nghiên cứu về sự kết hợp giữa phƣơng pháp điều khiển chủ động dựa trên tín hiệu phản hồi với phƣơng pháp bị động sử dụng bộ giảm chấn hƣớng tâm để giảm dao động lắc lƣ của vật nâng của cần cẩu. Kết hợp nắn tín hiệu đầu vào với bộ giảm chấn để giảm dao động vật nâng. Chƣơng này trình bày các kết quả nghiên cứu về sự kết hợp giữa kỹ thuật nắn tín hiệu đầu vào với bộ giảm chấn hƣớng tâm để giảm dao động lắc lƣ của vật nâng và dao động của lực căng dây treo. Giảm dao động vật nâng bằng phƣơng pháp bán chủ động.
Chƣơng này trình bày đề xuất thuật toán điều khiển bán chủ động cho bộ giảm chấn hƣớng tâm để giảm dao động lắc lƣ của vật nâng. Phần Kết luận trình bày tóm tắt kết quả chính đã nhận đƣợc trong luận án, các đóng góp mới của luận án. Đồng thời cũng nêu ra một số vấn đề chƣa giải quyết đƣợc cần phải nghiên cứu tiếp. luan an 4 CHƢƠNG 1.
TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Chƣơng này tóm lƣợc các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc về vấn đề điều khiển dao động của vật nâng của cần cẩu. Kết quả nghiên cứu, đối tƣợng nghiên cứu liên quan tới Luận án, đƣợc thảo luận chi tiết. Cuối chƣơng trình bày định hƣớng nghiên cứu của Luận án. Giới thiệu Cần cẩu là một thiết bị cơ giới đƣợc dùng để chuyển vật nặng hoặc vật liệu nguy hiểm từ nơi này đến nơi khác.
Những hoạt động này thƣờng diễn ra trong các ngành công nghiệp nhƣ nhà máy, xây dựng, công nghiệp hàng hải và bến cảng. Nhiều loại cần cẩu đƣợc sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, chẳng hạn nhƣ cần cẩu dạng dầm cầu trục hay dạng cổng (hình 1.1), cần cẩu tay với (hình 1.2) và cần trục quay (cần trục tháp) (hình 1. Chúng có thể đƣợc phân loại dựa trên số bậc tự do mà cơ cấu đỡ tạo ra tại điểm treo [1]. Cần cẩu dạng dầm cầu trục và dạng cổng là loại cần cẩu mà điểm treo có 2 bậc tự do dịch chuyển tịnh tiến.
Cơ cấu đỡ trong một cần cẩu dạng cổng hoặc dạng cầu bao gồm một xe gòng chạy trên một dầm. Trong một số cẩu dạng cổng thì các dầm này đến lƣợt nó lại đƣợc gắn lên một tập hợp các đƣờng ray trực giao khác trong mặt phẳng nằm ngang. Cách bố trí nhƣ vậy cho phép điểm treo có 1 hoặc 2 chuyển động tịnh tiến trong mặt phẳng nằm ngang. Khi cần cẩu dạng cổng hoặc dạng cẩu đƣợc sử dụng ở các bến cảng để bốc dỡ hàng hóa thì còn đƣợc gọi là cần cẩu container.
Cần cẩu dạng dầm cầu trục và dạng cổng (nguồn Internet) luan an 5 Hình 1. Cần cẩu tay với (nguồn Internet) Hình 1. Cần trục tháp (nguồn Internet) Cần trục tháp là loại cần cẩu mà điểm treo có 1 bậc tự do dịch chuyển tịnh tiến và 1 bậc tự do chuyển dịch xoay. Với dạng cần cẩu này, dầm ngang (xà ngang) quay trong mặt phẳng nằm ngang quanh một trục thẳng đứng cố định.
Cách bố trí đó cho phép điểm treo có 2 dạng di chuyển trong mặt phẳng nằm ngang, di chuyển tịnh tiến và xoay. Về mặt động lực học, cần cẩu xoay hay cẩu tháp phức tạp hơn so với cẩu dạng cầu hoặc dạng cổng vì nó có một chuyển động xoay. Loại cần cẩu thứ 3 phức tạp nhất là cần cẩu tay với vì điểm treo không có bậc tự do chuyển dịch tịnh tiến mà có 2 bậc tự do xoay. Điểm treo trong cần cẩu tay với đƣợc cố định tại cuối của cần.
Điểm treo có 2 dạng chuyển động là 2 chuyển động xoay xung quanh 2 trục trực giao đặt tại điểm đầu của cần. Cần cẩu dạng tay với không thể dịch chuyển tải trọng trên một đƣờng thẳng chỉ bằng một chuyển động đơn giản. Cần cẩu tay với có thể di chuyển tải trọng bằng cách phát động 3 trục chuyển động: xoay (slewing), nâng hạ cần (luffing) và kéo thả (hoisting). Chuyển động thứ nhất xoay đế bên trên của cần cẩu quanh đế bên dƣới.
Chuyển động thứ hai xoay cần trong mặt phẳng thẳng đứng vuông góc với đế xoay. Chuyển động thứ ba thì tƣơng tự nhƣ tất cả các cần cẩu khác. Các vấn đề cần cải thiện trong hệ thống cẩu là giảm sự lắc lƣ của vật nâng và di chuyển vật nâng đến vị trí mong muốn nhanh nhất [2]. Để vận chuyển nhanh vật nâng đến một điểm mong muốn, cần phải giảm thiểu các lắc lƣ của vật nâng [3].
Chuyển động của điểm treo cáp gây ra các dao động lắc lƣ thừa của vật nâng, có thể luan an 6 ảnh hƣởng đến sự chính xác, chất lƣợng, hiệu quả và sự an toàn trong vận hành cẩu. Việc thất bại trong điều khiển góc lắc sẽ dẫn đến khó khăn trong việc điều khiển cẩu của công nhân, cùng với thiệt hại có thể xảy ra đối với chất lƣợng của vật nâng hoặc môi trƣờng hoạt động xung quanh công trình xây dựng. Ngoài ra, sẽ mất nhiều thời gian hơn để hoàn thành nhiệm vụ và điều này có thể làm giảm khối lƣợng sản xuất. Thống kê đã chỉ ra rằng thiết bị vận hành truyền thống lãng phí hơn 30% để chỉnh vị trí vật nâng trong thời gian nâng [4].
Trong hai thập kỷ qua đã có rất nhiều các nghiên cứu về giảm dao động lắc lƣ của vật nâng. Dao động lắc lƣ của vật nâng có thể đƣợc kiểm soát bằng cách sử dụng một số phƣơng pháp tiếp cận các hoạt động của nó, thƣờng liên quan đến quá trình gắn, nâng, vận chuyển tải, sau đó hạ và dỡ tải. Khả năng giảm chấn của hệ thống vận chuyển đóng một vai trò quan trọng đối với hiệu suất chuyển động chính xác, nơi khả năng của nó có thể đƣợc cải tiến hơn nữa bằng cách áp dụng các kỹ thuật giảm chấn thụ động hoặc chủ động. Bộ giảm chấn ngoài nhƣ bộ giảm chấn ma sát (khô) và bộ giảm chấn nhớt là những ví dụ về cho bộ giảm chấn thụ động [5].
Bên cạnh đó, các kỹ thuật để giảm sự lắc lƣ bằng cách sử dụng lực Coriolis đƣợc tạo ra bởi một bộ giảm chấn hƣớng tâm [6] và một hệ thống cáp-giảm chấn bị động [7] cũng đƣợc đề xuất. Mặt khác, các chiến lƣợc điều khiển phản hồi (vòng kín) hoặc dẫn tiếp (vòng hở) là các phƣơng pháp tiếp cận chủ động đã đƣợc nghiên cứu rất nhiều [8-28]. luan an 7 N¾n tÝn hiÖu §iÒu khiÓn ®Çu vµo dÉn tiÕp Läc (®iÒu khiÓn tÝn hiÖu vßng hë) Lµm tr¬n tÝn hiÖu PID §iÒu khiÓn §iÒu chØnh toµn tuyÕn tÝnh ph-¬ng tuyÕn tÝnh §iÒu khiÓn ph¶n håi tr¹ng th¸i Logic mê §iÒu khiÓn th«ng minh C¸c kü thuËt M¹ng n¬ron ®iÒu khiÓn cÇn cÈu §iÒu khiÓn ph¶n håi §iÒu khiÓn dù b¸o (®iÒu khiÓn m« h×nh vßng kÝn) Toµn ph-¬ng §iÒu khiÓn tèi -u tuyÕn tÝnh Gauss §iÒu khiÓn dù b¸o §iÒu khiÓn thÝch nghi tæng qu¸t §iÒu khiÓn LËp ch-¬ng tr×nh tr-ît mode ®é lîi KÕt hîp dÉn tiÕp S¬ ®å H - v« cïng víi ph¶n håi ®iÒu khiÓn kh¸c (Lai) Tæng hîp Hình 1. Sơ đồ các kỹ thuật điều khiển cẩu bằng phƣơng pháp chủ động [52] Các phƣơng pháp điều khiển chủ động đều có các hạn chế nhất định.
Để khắc phục các hạn chế của phƣơng pháp điều khiển chủ động, nhiều nhà nghiên cứu đã đề xuất các giải pháp bằng cách phát triển một số sơ đồ điều khiển cho hệ thống cần cẩu [9, 29-46]. Các sơ đồ điều khiển cẩu có thể đƣợc phân loại thành hai kỹ thuật chính là: điều khiển dẫn tiếp (feedforward) (hay còn gọi là điều khiển vòng hở) và điều khiển phản hồi (feedback) (hay điều khiển vòng kín) Hình 1. Bên cạnh đó, một bộ điều khiển dựa trên sự kết hợp giữa kỹ thuật dẫn tiếp và kỹ thuật phản hồi cũng đã đƣợc đề xuất [47-51]. Một đánh giá toàn diện về cả hai kỹ thuật này có thể đƣợc tìm thấy trong [52].
luan an 8 Từ những thống kê trên chúng ta thấy các kỹ thuật để điều khiển giảm dao động của vật nâng chỉ là các kỹ thuật đơn lẻ hoặc là chủ động hoặc là bị động hay chỉ là các phƣơng pháp chủ động kết hợp với nhau. Mỗi kỹ thuật đều có ƣu, nhƣợc điểm riêng. Theo hiểu biết của nghiên cứu sinh chƣa thấy các nghiên cứu về sự kết hợp giữa phƣơng pháp chủ động và bị động và xa hơn nữa là phƣơng pháp bán chủ động áp dụng cho bài toán giảm dao động vật nâng của cần cẩu. Do đó trong luận án này tác giả đề xuất kết hợp giữa phƣơng pháp chủ động – bị động hoặc sử dụng phƣơng pháp bán chủ động để nâng cao hiệu quả điều khiển dao động so với từng phƣơng thức đơn lẻ.
Dƣới đây tác giả sẽ trình bày các kỹ thuât chính, đã đƣợc nghiên cứu để điều khiển dao động của vật nâng của cần cẩu. Các kỹ thuật này sẽ đƣợc dùng trong nghiên cứu của luận án. Giảm dao động của vật nâng bằng phƣơng pháp chủ động 1. Kỹ thuật điều khiển phản hồi Kỹ thuật điều khiển phản hồi (hay còn gọi là kỹ thuật điều khiển vòng kín (closed loop)) sử dụng các số đo của cần cẩu nhƣ biến dạng, vị trí để tạo ra tín hiệu điều khiển.
Để điểu khiển giảm dao động lắc lƣ của vật nâng trong trƣờng hợp 1 (hình1.5), ngƣời ta có thể đặt một cảm biến ở xe tời để đo góc lắc của vật nâng. Từ góc lắc đo đƣợc sẽ tạo ra tín hiệu điều khiển tác động vào di chuyển của xe tời. Trong trƣờng hợp 1 (hình 1.5) để giảm góc lắc thì xe tời cần giảm tốc trong khi ở trƣờng hợp 2 (hình 1.5) thì xe tời cần tăng tốc. Hiệu ứng con lắc kép.
luan an 9 Kỹ thuật phản hồi có thể triệt tiêu đƣợc các nhiễu nhƣng gặp phải 2 hạn chế hết sức cơ bản trong bài toán giảm lắc lƣ của vật nâng. Thứ nhất: việc đo chính xác các trạng thái của hệ là không dễ dàng. Vật nâng của cần cầu có thể thay đổi thƣờng xuyên và lắc lƣ trong không gian. Trong nhiều trƣờng hợp vật nâng còn tạo nên các hiệu ứng con lắc kép.
Ví dụ nhƣ trên hình 1.5, vật nâng có thể có hai vị trí khác nhau nhƣng việc chỉ sử dụng góc lệch của dây cáp làm đại lƣợng điều khiển cho tín hiệu điều khiển giống nhau, có thể dẫn tới điều khiển không chuẩn xác.