Luận án: Nghiên cứu điều khiển chủ động, bị động và bán chủ động giảm dao động vật nâng cần cẩu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Nguyễn Trọng Kiên NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN CHỦ ĐỘNG - BỊ ĐỘNG VÀ BÁN CHỦ ĐỘNG ĐỂ GIẢM DAO ĐỘNG VẬT NÂNG CỦA CẦN CẨU LUẬN ÁN TIẾN SỸ NGÀNH KỸ THUẬT CƠ KHÍ VÀ CƠ KỸ THUẬT Hà Nội – 2020 luan an BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Nguyễn Trọng Kiên NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN CHỦ ĐỘNG - BỊ ĐỘNG VÀ BÁN CHỦ ĐỘNG ĐỂ GIẢM DAO ĐỘNG VẬT NÂNG CỦA CẦN CẨU Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật Mã số: 9520101 LUẬN ÁN TIẾN SỸ NGÀNH KỸ THUẬT CƠ KHÍ VÀ CƠ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. Nguyễn Đông Anh Hà Nội - 2020 luan an LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu và kết quả đƣợc trình bày trong luận án là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất cứ công trình nào khác. Nghiên cứu sinh Nguyễn Trọng Kiên i luan an LỜI CẢM ƠN Tác giả xin chân thành cám ơn PGS.TS Lã Đức Việt và GS.

Nguyễn Đông Anh đã tận tình hƣớng dẫn và giúp đỡ tác giả hoàn thành luận án. Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo đã tham gia giảng dạy và đào tạo trong quá trình tác giả học tập tại Viện Cơ học, Học viện Khoa học và Công nghệ. Tác giả xin chân thành cảm ơn Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Viện Cơ học, Khoa Cơ học kỹ thuật và Tự động hóa, Khoa Xây dựng - Trƣờng Đại học Vinh đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả trong suốt thời gian học tập tại Học viện. Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn các nhà khoa học đã có những đóng góp quý báu cho luận án trong buổi seminar.

Tác giả ghi nhớ sự hỗ trợ về vật chất và động viên tinh thần của bạn bè, đồng nghiệp và những ngƣời thân trong gia đình trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu để hoàn thành luận án. Nguyễn Trọng Kiên ii luan an MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN. ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, VIẾT TẮT. vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.

ix DANH MỤC CÁC BẢNG. xiii MỞ ĐẦU. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU. Giảm dao động của vật nâng bằng phƣơng pháp chủ động.

Kỹ thuật điều khiển phản hồi. Kỹ thuật điều khiển dẫn tiếp.3 Giảm dao động của vật nâng bằng phƣơng pháp bị động .1 Các phƣơng thức bị động để điều khiển dao động lắc lƣ .2 Giảm dao động lắc lƣ bằng lực Coriolis của vật nâng. Các thiết bị dạng bán chủ động. Vấn đề đặt ra của luận án.

Kết luận chƣơng 1. KẾT HỢP ĐIỀU KHIỂN PHẢN HỒI VỚI BỘ GIẢM CHẤN ĐỂ GIẢM DAO ĐỘNG VẬT NÂNG. Mô hình dao động của vật nâng. Xây dựng các phƣơng án điều khiển.

Phƣơng án điều khiển phản hồi. Sử dụng bộ giảm chấn theo phƣơng hƣớng tâm .32 iii luan an 2. Kết hợp điều khiển phản hồi và bộ giảm chấn. Một số kết quả khảo sát tính toán số.

Trƣờng hợp không vận hành cẩu. Trƣờng hợp có vận hành cẩu. Kết luận chƣơng 2. KẾT HỢP ĐIỀU KHIỂN NẮN TÍN HIỆU ĐẦU VÀO VỚI BỘ GIẢM CHẤN ĐỂ GIẢM DAO ĐỘNG VẬT NÂNG.

Mô hình dao động của vật nâng khi kết hợp giữa điều khiển nắn tín hiệu đầu vào với bộ giảm chấn. Kiểm nghiệm độ tin cậy của việc mô hình hóa hoạt động của cần cẩu. Mô phỏng số. Thực nghiệm kiểm chứng.

Kết luận chƣơng 3. GIẢM DAO ĐỘNG VẬT NÂNG BẰNG PHƢƠNG PHÁP BÁN CHỦ ĐỘNG. Mô hình khảo sát. Điều khiển cản bật tắt tối ƣu.

Bộ điều khiển cản bật-tắt dựa trên năng lƣợng. Đề xuất bộ điều khiển. Mô phỏng số. Độ bền vững của luật điều khiển.

Trƣờng hợp con lắc cầu chịu tác động ngẫu nhiên. Kết luận chƣơng 4 .92 iv luan an DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ .94 TÀI LIỆU THAM KHẢO .103 Phụ lục 1: Đoạn mã MATLAB cho mục 2.103 Phụ lục 2: Đoạn mã Recurdyn cho các khớp, mô phỏng số mục 3.106 Phụ lục 3: Đoạn mã MATLAB cho mục 4.108 Phụ lục 4: Đoạn mã MATLAB và mô hình Simulink cho mục 4.109 v luan an DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, VIẾT TẮT m - khối lƣợng vật nâng k – hệ số độ cứng lò xo c – hệ số cản nhớt cs – hệ số cản môi trƣờng  - góc lắc lƣ của vật nâng 1 - góc lắc lƣ của vật nâng trong mặt phẳng xz 2 - góc lắc lƣ của vật nâng trong mặt phẳng yz 0 - góc lắc lƣ ban đầu của vật nâng l - Khoảng cách giữa xe tời và vật nâng trong điều kiện tĩnh u - Chuyển động hƣớng tâm của vật nâng đo từ vị trí tĩnh u0 - độ giãn tĩnh của là xo un - dạng phi thứ nguyên của chuyển dịch hƣớng tâm của bộ giảm chấn g - Gia tốc trọng trƣờng s - tần số riêng của con lắc n - tần số riêng của bộ giảm chấn t – Thời gian  - Thời gian phi thứ nguyên α - Tỷ số giữa các tần số αc - Góc xoay bệ cẩu c - Góc nâng cần ζ - Tỷ số cản của bộ giảm chấn ζs - Tỷ số cản của vật nâng ζe - Độ cản tƣơng đƣơng αopt - Tỷ số giữa các tần số tối ƣu ζopt - Tỷ số cản của bộ giảm chấn tối ƣu etb - Trung bình phƣơng sai số Q – Ma trận đối xứng xác định dƣơng A – ma trận hệ thống p – véc tơ trạng thái vi luan an x - chuyển dịch xe tời xn - Dạng phi thứ nguyên của chuyển động xe tời vr – Vận tốc của xe tời am - gia tốc phi thƣ nguyên xp , yp , zp – tọa độ của tải trọng trong hệ tọa độ tổng thể PID – Bộ điều khiển proportional-integral-derivative ZV – bộ nắn tín hiệu Zero Vibration ZVD – bộ nắn tín hiệu Zero Vibration Derivative EI – bộ nắn tín hiệu EI (Extra intensive) L1 - Chiều cao của trục cần cẩu L2 - Chiều dài tay với L3 - Chiều dài dây cáp ở trạng thái tĩnh I - cƣờng độ xung T - chu kỳ dao động Ai - một xung đơn EK - hàm động năng, EP - hàm thế năng ED - hàm tiêu tán năng lƣợng P - bộ điều khiển tỷ lệ (P) P, I, D - các hệ số tỷ lệ.  - tần số kích động  - Tần số chuẩn hóa của mô men ngoài  f - pha chuẩn hóa của mô men ngoài f – đầu vào kích động điều hòa f0 – biên độ của đầu vào kích động f  - pha của đầu vào kích động f M1, M2 mô men do các lực ngoài tạo ra đối với điểm treo M, M mô men của lực kích động h, l – tƣơng ứng là giá trị bật tắt của tỷ số cản    ,    là hai thành phần độc lập ồn trắng Gauss với cƣờng độ đơn vị vii luan an m và m là hai độ lệch chuẩn của hai góc lắc của con lắc cầu khi không có bộ giảm chấn J L – đáp ứng cận dƣới (cm) J – chỉ số đánh giá biên độ của đáp ứng (cm) ζh - Tỷ số cản của bộ giảm chấn ở giá trị cao ζl - Tỷ số cản của bộ giảm chấn ở giá trị thấp H – hàm Hamilton H - dòng năng lƣợng viii luan an DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1. Cần cẩu dạng dầm cầu trục và dạng cổng.

Cần cẩu tay với. Cần trục tháp. Sơ đồ các kỹ thuật điều khiển cẩu bằng phƣơng pháp chủ động. Hiệu ứng con lắc kép.

Quỹ đạo tải trọng khi không điều khiển. Quỹ đạo tải trọng khi có điều khiển phản hồi PD. Hai xung có thể dập tắt dao động .8: Dập tắt dao động bằng tổng hai xung .9: Minh họa trƣờng hợp có và không nắn tín hiệu đầu vào .10: Thời gian trễ do nắn tín hiệu .11: Độ nhạy của một số dạng nắn tín hiệu. Bộ hấp thụ động lực tuyến tính lắp vào ca bin cáp treo.

Bộ hấp thụ động lực Coriolis lắp vào ca bin cáp treo. Bộ hấp thụ động lực con quay đƣợc sử dụng để giảm dao động con lắc. Mô hình hệ thống lò xo và giảm chấn hƣớng tâm [6] .16: Thiết bị giảm chấn Cranemaster 1400 tấn lắp đặt vào cáp cần cẩu .17: Thiết bị giảm chấn Safelink tấn lắp đặt vào cáp cần cẩu .18: Bộ giảm chấn có khe thay đổi đƣợc .19: Một ví dụ về bộ giảm chấn MR .20: Bộ đệm trƣợt có ma sát điều khiển đƣợc. Kết hợp điều khiển phản hồi và lò xo giảm chấn bị động.

So sánh các chuyển dịch theo phƣơng ngang của xe tời do ngƣời điều khiển và do tín hiệu phản hồi, P=0.30 ix luan an Hình 2. So sánh các chuyển dịch theo phƣơng ngang của xe tời do ngƣời điều khiển và do tín hiệu phản hồi, P=0. So sánh các chuyển dịch theo phƣơng ngang của xe tời do ngƣời điều khiển và do tín hiệu phản hồi, P=1, 0=/6. So sánh các chuyển dịch theo phƣơng ngang của xe tời do ngƣời điều khiển và do tín hiệu phản hồi, P=2, 0=/6.

Góc lắc theo thời gian phi thứ nguyên, trƣờng hợp góc ban đầu 30o, P=0. Góc lắc theo thời gian phi thứ nguyên, trƣờng hợp góc ban đầu 10o, P=0. Góc lắc theo thời gian phi thứ nguyên, trƣờng hợp góc ban đầu 30o, P=0. Góc lắc theo thời gian phi thứ nguyên, trƣờng hợp góc ban đầu 10o, P=0.

Góc lắc theo thời gian phi thứ nguyên, trƣờng hợp am=0. Góc lắc theo thời gian phi thứ nguyên, trƣờng hợp am=0. Dịch chuyển ngang của vật nâng theo thời gian phi thứ nguyên, trƣờng hợp am=0. Sơ đồ điều khiển kết hợp giữa bộ nắn tín hiệu đầu vào và bộ giảm chấn hƣớng tâm.

Sơ đồ khối bộ nắn tín hiệu đầu vào. Cần cẩu tay với .3b: Mô hình cần cẩu tay với có lắp giảm chấn. Ảnh chụp mô hình cần cẩu sử dụng cho ví dụ kiểm nghiệm. Mô hình cần cẩu đƣợc xây dựng trong phần mềm độc lập RecurDyn .6: Góc xoay bệ cẩu, góc nâng tay với và chiều dài dây treo .59 x luan an Hình 3.7: Vận tốc góc xoay bệ cẩu, vận tốc góc nâng tay với và vận tốc kéo thả dây .8: Gia tốc góc xoay bệ cẩu và gia tốc góc nâng tay với .