Vol. 15 No. 04 (2025): Journal of Materials & Construction
##common.pageHeaderLogo.altText##
Tạp chí Vật liệu & Xây dựng - Bộ Xây dựng

ISSN:

Website: www.jomc.vn

The solution to reduce of oscillations for the hook and payload in two degrees of freedom- pendulum crane trolley model in the jib plane to increase crane’s production capacity and safety using passive control method

Lê Hồng Quân

Keywords:

Two degrees of freedom-pendulum crane trolley model
Passive controller
Cranes
Control system stability analysis in the sense Lyapunov
Jib plane
PID-Proportional Integral Derivative
Hook
Payload

Abstract

When controlling a trolley in the jib plane at high speeds, it causes significant swingings of the payload and the hook with large amplitudes. This is detrimental to safety, the accuracy of load positioning, the effectiveness of crane movements, and overall crane’s productivity, especially in the case of intelligent cranes used for automated assembly tasks. This paper presents a study on a passive control method applied to the problem of reducing the oscillations of the hook and payload in a two-degree-of-freedom crane trolley model operating in the jib plane. In practice, the angular velocities of the payload and the hook always oscillate during most crane trolley movements. Such a practical issue necessitates a passive controller with significant advantages such as simplicity, ease of implementation, high reliability, rapid response to vibrations, stability, safety, and no requirement for external energy sources to quickly minimize the oscillations of the hook and payload. The paper begins with an overview and a discussion on the necessity of applying passive control methods to minimize oscillations of the hook and payload. It then presents some fundamental issues related to the passive control method. Subsequently, a passive controller is designed and applied to the two-degree-of-freedom pendulum model of the crane trolley in the plane of the jib. Fourthly, the stability of the passive control system is analyzed and demonstrated using Lyapunov’s stability theory. Fifthly, several numerical simulation results using Matlab are provided to support for designing of the passive controller. Sixthly, comments on the simulation results are made to support the controller design. Finally, a comparative evaluation is presented to assess the effectiveness of the passive control method in reducing oscillations compared to other control methods previously studied, followed by conclusions.

User Navigation

PDF (Tiếng Việt)

How to Cite

Lê Hồng Quân. (2025). The solution to reduce of oscillations for the hook and payload in two degrees of freedom- pendulum crane trolley model in the jib plane to increase crane’s production capacity and safety using passive control method. Tạp Chí Vật liệu & Xây dựng - Bộ Xây dựng, 15(04), Trang 134 – Trang 147. https://doi.org/10.54772/jomc.04.2025.1033

References

  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. Fantoni I, Lozano R, Spong MW. Energy based control of the pendubot. IEEE Trans Autom Control, 2000, 45(4): 725–729.
  25. Khalil HK. Nonlinear systems. Upper Saddle River, NJ: Prentice-Hall, 1996.
  26. Spong MW, Holm K, Lee D. Passivity-based control of bipedal locomotion. IEEE Robot Autom Mag, 2007, 14(2): 30–40.
  27. 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): 585–596.
  28. Gao H, Chen T, Chai T. Passivity and passification for networked control systems. SIAM . Control Optim, 2007, 46(4): 1299–1322.
  29. Qian DW, Tong SW, Lee S. Fuzzy-logic-based control of payloads subjected to double-pendulum motion in overhead cranes. Autom Constr, 2016, 65: 133–143.
  30. Liu DT, Guo WP, Yi Q. Dynamics and GA-based stable control for a class of underactuated mechanical systems. Int Control Autom Syst, 2008, 6(1): 35–43.
  31. Xue D, Chen Y, Atherton DP. Linear feedback control: Analysis and design with MATLAB. Philadelphia, PA: Society for Industrial and Applied Mathematics, 2007.
  32. Dianwei Qian, Anti- sway control for Cranes, Design and implementation using Matlab.
  33. Hồ Việt Long, Dương Minh Đức, Điều khiển chống rung cho cẩu tháp, 2017, CASD 2017.
  34. 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.
  35. 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.
  36. 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.
  37. 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.
  38. 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.
  39. 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.
  40. 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.
  41. Lê Hồng Quân, Nghiên cứu giải pháp điều khiển chống lắc cho mô hình xe con cần trục ở dạng con lắc hai bậc tự do dựa trên kỹ thuật tạo hình dạng tín hiệu đầu vào: Đề tài nghiên cứu khoa học và công nghệ cấp trường 2021; Mã số đề tài: 37-2021/KHXD, Hà Nội, tháng 01/2022. Trường Đại học Xây dựng Hà Nội.
  42. Lê Hồng Quân, Nghiên cứu điều khiển chống rung lắc cho vật nâng và móc treo trong mô hình xe con cần trục ở dạng con lắc hai bậc tự do dựa trên cơ sở phản hồi đầu ra: Đề tài nghiên cứu khoa học và công nghệ cấp trường 2021; Mã số đề tài: 15-2022/KHXD, Hà Nội, tháng 12/2022. Trường Đại học Xây dựng Hà Nội.
  43. Lê Hồng Quân, Nghiên cứu chống rung cho vật nâng và móc treo trong mô hình toán học xe con cần trục ở dạng con lắc hai bậc tự do trong mặt phẳng chứa cần bằng phương pháp điều khiển kiểu trượt: Đề tài nghiên cứu khoa học và công nghệ cấp trường 2023; Mã số đề tài: 23-2023/KHXD, Hà Nội, tháng 11/2023. Trường Đại học Xây dựng Hà Nội.
  44. Lê Hồng Quân, Trịnh Bích Ngọc, Phạm Văn Uy, Giải pháp giảm rung của vật nâng và móc treo trong mô hình xe con cần trục ở dạng hai bậc tự do để nâng cao năng suất và an toàn khi sử dụng cần trục bằng phương pháp điều khiển kiểu trượt tăng dần.2024, Tạp chí Vật liệu & Xây dựng ISSN 1859- 381X, Tập 14, Số 02 năm 2024. Trang 80 – Trang 89.
  45. Lê Hồng Quân, Nghiên cứu giảm rung 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 dựa trên cơ sở phản hồi đầu ra. 2024, Tạp chí Vật liệu & Xây dựng ISSN 1859- 381X, Tập 12, Số 06 năm 2022. Trang 30 – Trang 40.
  46. Lê Hồng Quân, Trịnh Bích Ngọc, Phạm Văn Uy, Thiều Thị Hồng, 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. 2024, Tạp chí Vật liệu và Xây dựng ISSN 1859- 381X, Tập 11, Số 06 năm 2021. Trang 127 – Trang 143.
  47. Bùi Thị Khánh Hòa, Hà Văn Phương, Phạm Văn Huy, ứng dụng bộ điều khiển thụ động kết hợp quan sát cho hệ thống cầu trục mô hình con lắc đôi. 2023, Tạp chí Khoa học và Công nghệ. Tập 59, Số 5 tháng 10 năm 2023 P- ISSN 1859- 3585, E- ISSN 2615- 9619. Trang 26 – Trang 30. Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội.
  48. Trương Quốc Thành, Phạm Quang Dũng, Máy và Thiết bị nâng, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật 2000.