##common.pageHeaderLogo.altText##
Tạp chí Vật liệu và Xây dựng - Viện Vật liệu xây dựng

ISSN: 1859-381X

Website: www.jomc.vn

Nghiên cứu dập tắt dao động của vật nâng và móc treo trong mô hình xe con cần trục ở dạng con lắc hai bậc tự do bằng phương pháp điều khiển tạo hình dạng tín hiệu đầu vào

Lê Hồng Quân , Trịnh Bích Ngọc , Phạm Văn Uy , Thiều Thị Hồng

Tóm tắt

Khi vận hành xe con cần trục ở tốc độ nhanh có thể gây ra sự lắc của tải trọng nâng và móc treo với biên độ lớn, vấn đề này gây ra các quan ngại đến an độ an toàn, dừng chính xác và hiệu quả của việc khai thác cần trục. Hầu như các nghiên cứu về điều khiển xe con cần trục cho đến nay chủ yếu tập trung vào mô hình động lực học xe con một bậc tự do. Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng các dao động ở dạng con lắc một bậc tự do có thể được giảm đi đáng kể bằng cách tạo ra hình dạng các tín hiệu đầu vào một cách hợp lý cho các động cơ của các cơ cấu trên cần trục. Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu phương pháp tạo hình đạng tín hiệu đầu vào cho bài toán điều khiển chống rung lắc của xe con cần trục ở dạng con lắc hai bậc tự do. Kỹ thuật tạo hình dạng tín hiệu đầu vào là một tiếp cận điều khiển vòng hở. Phương pháp này có thể thực hiện hoạt động điều khiển bằng cách tạo ra hình dạng tín hiệu các lệnh tham chiếu một cách thông minh. Phương pháp này vốn là một kỹ thuật nạp trước. Trong các ứng dụng thực tế, thông thường rất khó để chống lại sai số bất kỳ nào đó chẳng hạn như sai số về mô hình hóa hoặc sai số về tần số mà không có thiết kế điều khiển đặc biệt và phương pháp tạo hình dạng tín hiệu đầu vào là một thiết kế đặc biệt như vậy để có thể triệt tiêu các dao động gây ra do chuyển động một cách có hiệu quả. Nghiên cứu này, đầu tiên thực hiện khảo sát động lực học mô hình xe con cần trục ở dạng con lắc hai bậc tự do để xác định 2 tần số dao động riêng và chỉ ra mức độ ảnh hưởng của các biên độ của hai tần số dao động. Đây là thông tin đầu vào rất quan trọng giúp chúng tôi thiết kế các bộ tạo hình dạng tín hiệu đầu vào kiểu tích chập và kiểu đồng bộ. Các bộ điều khiển tín hiệu đầu vào được thiết kế để có tính bền vững với các thay đổi theo hai tần số dao động riêng và theo các sai số mô hình hóa. Trong các điều kiện nào đó, bài toán điều khiển xe con cần trục nên được tích hợp khi tải nâng tạo ra hiệu ứng dao động trong mô hình con lắc hai bậc tự do. Do đó việc điều khiển động cơ trong mô hình động lực học xe con cần trục ở dạng con lắc hai bậc tự do bằng cách thiết kế các bộ tạo hình dạng tín hiệu đầu vào tích hợp với các bộ điều khiển dựa vào kỹ thuật thụ động và hệ mờ dựa vào các mô đun lệnh một đầu vào được kỳ vọng để vượt qua các dao động con lắc hai bậc tự do một cách hiệu quả. Chúng tôi đã thực hiện mô phỏng các phương pháp điều khiển tích hợp nêu trên bằng cách sử dụng phần mềm Matlab với các thông số vật lý bằng số của một xe con cần trục bất kỳ. Từ các kết quả mô phỏng cho thấy rằng sự tích hợp của bộ điều khiển tạo hình dạng tín hiệu đầu vào kiểu tích chập với bộ điều khiển dựa trên kỹ thuật thụ động có hiệu quả điều khiển tốt nhất trong số các bộ điều khiển đã được tích hợp trong bài toàn điều khiển vận chuyển của xe con cần trục ở dạng con lắc hai bậc tự do. Điều này chứng tỏ rằng sự tích hợp của bộ điều khiển dựa trên kỹ thuật thụ động và bộ tạo hình dạng tín hiệu đầu vào kiểu tích chập góp phần vào việc nâng cao chất lượng điều khiển chống rung lắc cho xe con cần trục.

Tài liệu tham khảo

  1. Abdel- Rahman EM, Nayfeh AH, Masoud ZN. Dynamics and control of cranes: a review. J Vib Control, 2003. 9(7): p.863-908.
  2. Tuan L, Janchiv A, Kim GH, Lee SG. Feedback linearization control of overhead cranes with varying cable length. In: Proceedings of International Conference on Control, Automation and Systems, Gyeonggi-do, Korea, 2011. p. 906–911.
  3. Tuan L, Kim GH, Lee SG. Partial feedback linearization control of the three- dimensional overhead crane. In: Proceedings of IEEE International Conference on Automation Science and Engineering, Seoul, Korea, 2012. p. 1198–1203.
  4. Wu XQ, He XX, Sun N, Fang YC. A novel anti-swing control method for 3-D overhead cranes. In: Proceedings of American Control Conference, Portland OR, USA, 2014. p. 2821–2826.
  5. Maschke B, Ortega R, Van der Schaft AJ. Energy-based Lyapunov functions for forced Hamiltonian systems with dissipation. IEEE Trans Autom Control, 2000. 45(8): p.1498–1502.
  6. Karkoub MA, Zribi M. Modelling and energy based nonlinear control of crane lifters. IEE Proc Control Theory Appl, 2002. 149(3): p. 209–216.
  7. Guo W, Liu D, Yi J, Zhao D. Passivity-based-control for double-pendulum-type overhead cranes. In: Proceedings of IEEE Region 10 Annual International Conference, Chiang Mai, Thailand, 2004. p. 546–549.
  8. Collado J, Lozano R, Fantoni I. Control of convey-crane based on passivity. In: Proceedings of American Control Conference, Chicago IL, USA, 2000. p. 1260–1264.
  9. Cao LZ, Wang HW, Niu C, Wei SB. Adaptive backstepping control of crane hoisting system. In: Proceedings of IEEE International Conference on Automation and Logistics, Qingdao, China, 2007, p. 245–248.
  10. Yang JH, Yang KS. Adaptive control for 3-D overhead crane systems. In: Proceedings of American Control Conference, Minneapolis MN, USA, 2006. p. 1832–1837.
  11. Yang TW, O’Connor WJ. Wave based robust control of a crane system. In: Proceedings of 2006 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, Beijing, China, 2006. p. 2724–2729.
  12. Uchiyama N. Robust control of rotary crane by partial-state feedback with integrator. Mechatronics, 2009. 19(8): p.1294–1302.
  13. Deng JM, Becerra VM. Application of constrained predictive control on a 3D crane system. In: Proceedings of IEEE Conference on Robotics, Automation and Mechatronics, Singapore City, Singapore, 2004. p. 583–587.
  14. Michels K, Klawonn F, Kruse R, Numberger A. Fuzzy control: Fundamentals, stability and design of fuzzy controllers. New York: Springer-Verlag, 2006.
  15. Ross IM, Fahroo F. Pseudospectral methods for optimal motion planning of differentially flat systems. IEEE Trans Autom Control, 2004. 49(8): p. 1410–1413.
  16. Zameroski D, Starr G, Wood J, Lumia R. Rapid swing-free transport of non-linear payloads using dynamic programming. J Dyn Syst Meas Control Trans ASME, 2008, 130(4), DOI:10.1115/1.2936384.
  17. Da Cruz JJ, Leonardi F. Minimum-time anti-swing motion planning of cranes using linear programming. Optimum Control Appl Meth, 2013. 34(2): p. 191–201.
  18. French L, Singhouse W, Seering W. An expert system for the design of input shapers. In: Proceedings of the 1999 IEEE International Conference on Control Applications, Kohala Coast-Island, USA, 1999. p. 713–718.
  19. Singer N, Singhose W, Kriikku E. An input shaping controller enabling cranes to move without sway. In: Proceedings of 7th Topical Meeting on Robotics and Remote Systems, Augusta, GA, 1997. p. 225–231.
  20. Sorensen K, Singhose W, Dickerson S. A controller enabling precise positioning and sway reduction in bridge and gantry cranes. Control Eng Pract, 2007. 15(7): p. 825–837.
  21. Ahres, S., Aschemann, H., Sawodny, O., and Hofer, E. P., 2000, “Crane Automation by Decoupling Control of a Double Pendulum Using Two Tran-lational Actuators,” in Proceedings of the 2000 American Control Conference, Vol. 2. p. 1052–1056.
  22. Tanaka, S., and Kouno, S., 1998, “Automatic Measurement and Control of the Attitude of Crane Lifters: Lifter-Attitude Measurement and Control,” Control Eng. Pract.,6(9), p. 1099–1107.
  23. Ortega R, Perez JA, Nicklasson PJ, Sira-Ramirez H. Passivity-based control of Euler-Lagrange systems: Mechanical, electrical and electromechanical applications. Berlin: Springer, 2013.
  24. Qian D, Tong S, Yang B, Lee S. Design of simultaneous input-shaping-based SIRMs fuzzy control for double-pendulum-type overhead cranes. Bull Pol Acad Sci-Tech Sci, 2015. 63(4): p. 887–896.
  25. Smith, O. J. M., 1958, Feedback Control Systems, McGraw-Hill, New York.
  26. Singer, N., and Seering, W., 1990, “Preshaping Command Inputs to Reduce System Vibration” J. Dyn. Syst., Meas., Control.112. p. 76–82.
  27. Kenison, M., and Singhose, W., 2002, “Concurrent Design of Input Shaping and Proportional Plus Derivative Feedback Control,” ASME J. Dyn. Syst., Meas., Control. 1243 (3): p. 398–405.
  28. Singer, N., Singhose, W., and Kriikku, E., 1997, “An Input Shaping Controller Enabling Cranes to Move Without Sway,” in ANS Seventh Topical Meeting on Robotics and Remote Systems, Augusta, GA, Vol. 1. p. 225–231.
  29. Singhose, W., Porter, L., Kenison, M., and Kriikku, E., 2000, “Effects of Hoisting on the Input Shaping Control of Gantry Cranes,” Control Eng. Pract., 8(10): p. 1159–1165.
  30. Sorensen, K., Singhose, W., and Dickerson, S., 2007, “A Controller Enabling Precise Positioning and Sway Reduction in Bridge and Gantry Cranes,” Con-trol Eng. Pract.15(7): p. 825–837.
  31. Vaughan J, Kim D, Singhose W. Control of tower cranes with double- pendulum payload dynamics. IEEE Trans Control Syst Technol, 2010. 18(6): p. 1345–1358.
  32. Pai MC. Robust input shaping control for multi-mode flexible structures using neuro-sliding mode output feedback control. J Frankl Inst – Eng Appl Math, 2012. 349(3): p. 1283–1303.
  33. Qian DW, Tong SW, Yi JQ. Adaptive control based on incremental hierarchical sliding mode for overhead crane systems. Appl Math Inform Sci, 2013. 7(4): p. 1359–1364.
  34. Chen G, Pham TT. Introduction to fuzzy sets, fuzzy logic, and fuzzy control systems. Padstow: CRC Press, 2000.
  35. Yager RR, Zadeh LA. An introduction to fuzzy logic applications in intelligent systems. Berlin: Springer, 2012.
  36. Yi J, Yubazaki N, Hirota K. Anti-swing and positioning control of overhead traveling crane. Inf Sci, 2003. 155(1): p. 19 – 42.
  37. Seki H, Ishii H, Mizumoto M. On the generalization of single input rule modules connected type fuzzy reasoning method. IEEE Trans Fuzzy Syst, 2008. 16(5): p. 1180 –1187.
  38. Liu D, Yi J, Zhao D, Wang W. Adaptive sliding mode fuzzy control for a two-dimensional overhead crane. Mechatronics, 2005. 15(5): p. 505–522.
  39. Lee LH, Huang CH, Ku SC, Yang ZH, Chang CY. Efficient visual feedback method to control a three-dimensional overhead crane. IEEE Trans Ind Electron, 2014. 61(8): p. 4073–4083.
  40. Qian DW, Tong SW, Lee S. Fuzzy-logic-based control of payloads subjected to double-pendulum motion in overhead cranes. Autom Constr, 2016, 65: p. 133–143.
  41. Liu DT, Guo WP, Yi JQ. Dynamics and GA-based stable control for a class of underactuated mechanical systems. Int J Control Autom Syst, 2008. 6(1): p. 35–43.
  42. Fantoni I, Lozano R, Spong MW. Energy based control of the pendubot. IEEE Trans Autom Control, 2000. 45(4): p. 725–729.
  43. Khalil HK (1996), Nonlinear systems. Upper Saddle River, NJ: Prentice-Hall, 1996.
  44. Spong MW, Holm JK, Lee D. Passivity-based control of bipedal locomotion. IEEE Robot Autom Mag, 2007. 14(2): p. 30–40.
  45. Ortega R, Van Der Schaft A, Maschke B, Escobar G. Interconnection and damping assignment passivity-based control of port-controlled Hamiltonian systems. Automatica, 2002, 38(4): p. 585–596.
  46. Gao H, Chen T, Chai T. Passivity and passification for networked control systems. SIAM J. Control Optim, 2007. 46(4): p. 1299–1322.
  47. Xue D, Chen Y, Atherton DP. Linear feedback control: Analysis and design with MATLAB. Philadelphia, PA: Society for Industrial and Applied Mathematics, 2007.
  48. Dianwei Qian, Anti- sway control for Cranes, Design and implementation using Matlab.
  49. Hồ Việt Long, Dương Minh Đức, Điều khiển chống rung cho cẩu tháp, 2017, CASD 2017.
  50. Nguyễn Văn Trung, Chenglong Du, Nguyễn Trọng Quỳnh, Phạm Thị Thảo, Tổng quan chiến lược áp dụng các kỹ thuật điều khiển vòng hở để điều khiển hệ thống cầu trục, 2019, Tạp chí nghiên cứu khoa học. Trường Đại học Sao Đỏ. ISSN 1859-4190. Số 4(67). 2019.
  51. Phạm Lê Công, Điều khiển chống rung cho cẩu tháp bằng phương pháp điều khiển tiền định, Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật, 2020, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.
  52. Lê Mạnh Quý, Nguyễn Đức Minh, Dương Minh Đức, Nguyễn Tùng Lâm, Ngô Văn An, Điều khiển cầu trục kết hợp chống rung lắc và tránh vật cản, 2015, Hội nghị toàn quốc lần thứ 3 về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2015.
  53. Nguyễn Văn Hùng, Nghiên cứu xây dựng mô hình thực nghiệm, khảo sát động lực học và khả năng điều khiển ổn định của vật nâng theo phương ngang khi di chuyển xe con cầu trục” 2013, Luận văn thạc sỹ kỹ thuật chuyên ngành Kỹ thuật cơ khí; Mã số: 60520103, ĐHXD 2013. Trường Đại học Xây dựng Hà Nội.
  54. Tưởng Xuân Thưởng, Dương Minh Đức, Nguyễn Tùng Lâm, Điều khiển chống rung cho cầu trục ba chiều bằng phương pháp Hybrid Shape, 2015, Hội nghị toàn quốc lần thứ 3 về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2015.
  55. Cao Xuân Cường và Trần Đình Khôi Quốc, Điều khiển mô hình con lắc ngược sử dụng bộ điều khiển RQL với hai vòng phản hồi, 2018, Tạp chí điện tử và công nghệ, Đại học Đà Nẵng, 2018. 5(126) Quyển 1.
  56. Lê Hồng Quân, Nghiên cứu mối quan hệ giữa các gia tốc làm giảm góc lắc của cáp nâng cần trục tháp khi quay cần trục làm cơ sở cho việc điều khiển động cơ để nâng cao tốc độ làm việc: Đề tài nghiên cứu khoa học và công nghệ cấp trường trọng điểm 2017; Mã số đề tài: 140-2017/KHXD-TĐ, Hà Nội, tháng 4/2018. Trường Đại học Xây dựng Hà Nội.