Luận án TS: Nghiên cứu hệ thống điều khiển phi tuyến bền vững cho cần trục container đặt trên phao nổi

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM PHẠM VĂN TRIỆU NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN BỀN VỮNG CHO CẦN TRỤC CONTAINER ĐẶT TRÊN PHAO NỔI LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HẢI PHÒNG – 2019 BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM PHẠM VĂN TRIỆU NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN BỀN VỮNG CHO CẦN TRỤC CONTAINER ĐẶT TRÊN PHAO NỔI LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC; MÃ SỐ: 9520116 CHUYÊN NGÀNH: KHAI THÁC, BẢO TRÌ TÀU THỦY Người hướng dẫn khoa học: 1. Lê Anh Tuấn 2. Hoàng Mạnh Cường HẢI PHÒNG - 2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án này là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất cứ công trình nào khác.

Tác giả luận án Phạm Văn Triệu LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban Giám hiệu, Viện Đào tạo Sau đại học, Khoa Máy tàu biển, Viện Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ Hàng hải, trường Đại học Hàng hải Việt Nam đã tạo điều kiện, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu để hoàn thành luận án. Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến hai thầy hướng dẫn khoa học là PGS. Lê Anh Tuấn và TS. Hoàng Mạnh Cường đã tận tình chỉ bảo, định hướng, và hướng dẫn tôi trong quá trình nghiên cứu và thực hiện luận án.

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến đồng nghiệp nơi tôi công tác, tới nhóm nghiên cứu sinh ngành kỹ thuật cơ khí động lực, tới bạn bè đã giúp đỡ, động viên tôi và đặc biệt là lòng biết ơn gửi tới gia đình tôi đã luôn ở bên động viên và giúp đỡ để tôi có thể hoàn thành luận án này. Nghiên cứu sinh Phạm Văn Triệu MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU. iv DANH MỤC CÁC BẢNG. vii DANH MỤC CÁC HÌNH .viii MỞ ĐẦU.

Tính cấp thiết của luận án. Mục đích nghiên cứu. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu. Phương pháp nghiên cứu.

Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn. Những đóng góp mới của luận án. Các nội dung chính của luận án. Thực trạng các cảng biển trên thế giới và Việt Nam.

Các phương án trung chuyển container. Trang thiết bị chính tại cảng container. Các bước chính chế tạo cần trục container đặt trên tàu. Tình hình nghiên cứu.

Hướng nghiên cứu. Kết luận chương 1. 28 CHƯƠNG II. ĐỘNG LỰC HỌC CẦN TRỤC CONTAINER ĐẶT TRÊN PHAO NỔI.

Xây dựng mô hình dao động. Thiết lập phương trình vi phân chuyển động. Mô hình không gian trạng thái. Phương pháp số giải hệ phương trình vi phân phi tuyến.

Các phương pháp tính toán số trong giải hệ phương trình vi phân phi tuyến. Phương pháp Newmark trong giải hệ phương trình vi phân phi tuyến. Phân tích kết quả tính toán. Các thông số đầu vào.

Kết quả tính toán. Kết luận chương 2. 52 CHƯƠNG III. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN.

Đặc điểm đối tượng điều khiển. Tách hệ động lực. Điều khiển trượt bậc hai. Thuật toán điều khiển.

Phân tích ổn định. Điều khiển trượt tích hợp bộ quan sát. Thuật toán điều khiển. Phân tích ổn định.

Điều khiển trượt tích hợp mạng nơ ron. Thuật toán điều khiển. Cấu trúc thích nghi. Phân tích ổn định.

Các thông số đầu vào. Kết quả mô phỏng. Tính bền vững của hệ thống điều khiển. Kết luận chương 3.

74 CHƯƠNG IV. Mô hình thực nghiệm. Xây dựng mô hình thực nghiệm. Hệ thống điều khiển.

Tổng quan về hệ thống. Các thành phần của hệ thống điều khiển cần trục. Kết quả thực nghiệm. Thực nghiệm tính bền vững của hệ thống điều khiển.

So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm. Kết luận chương 4. 97 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI. 99 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CÔNG BỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI LUẬN ÁN.

100 TÀI LIỆU THAM KHẢO. Chương trình điều khiển viết cho vi điều khiển nhúng MyRIO-1900 PL-1 Phụ lục 2. Giao diện người dùng trên phần mềm Labview. PL-1 Phụ lục 3.

Mô hình Simulink thuật toán điều khiển SOSMC. PL-2 Phụ lục 4. Mô hình Simulink thuật toán điều khiển NN-SOSMC. PL-3 Phụ lục 5.

Mô hình Simulink thuật toán điều khiển SOSMC tích hợp bộ quan sát trạng thái. PL-4 Phụ lục 6. Bản vẽ mặt cắt mẫu tàu MH-A1-250 do Viện KAIST đề xuất. PL-5 iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Ký Tiếng Anh Diễn giải Đơn vị hiệu/viết tắt Second-Order Sliding SOSMC Điều khiển trượt bậc hai - Mode Control Neural Network integrated Điều kiển trượt bậc hai tích NN-SOSMC Second-Order Sliding - hợp mạng nơ ron Mode Control Observer based on Second- Điều khiển trượt bậc hai tích OB-SOSMC Order Sliding Mode - hợp bộ quan sát Control SMC Sliding Mode Control Điều khiển trượt - Radial Basis Function RBFN Mạng hàm hướng kính cơ sở - Network RBF Radial Basis Function Hàm hướng kính cơ sở - Multiple-Input and Hệ nhiều đầu vào và nhiều MIMO - Multiple-Output đầu ra PWM Pulse Width Modulation Điều biến độ rộng xung - Integrated Development IDE Môi trường thiết kế hợp nhất - Environment I/O Input/Output Đầu vào/Đầu ra - Korea Advanced Institute Viện Khoa học và Công nghệ KAIST - of Science and Technology tiên tiến Hàn Quốc DWT Deadweight Tonnage Tải trọng của tàu Tấn Rail Mounted Gantry Cổng trục bánh sắt di chuyển RMG - Crane trên ray Rubber Tyred Gantry RTG Cổng trục bánh lốp - Crane Cẩu giàn QC dùng ở tuyến QC Quay Crane - tiền phương Đơn vị đo của hàng hóa được container hóa tương đương Twenty-foot Equivalent với một container tiêu chuẩn TEU - Units 20 ft (dài) × 8 ft (rộng) × 8,5 ft (cao) (khoảng 39 m³ thể tích) a1 Vị trí tọa độ ban đầu xe con m Khoảng cách từ trọng tâm tàu a2 đến dầm chính cần trục m container iv Ký Tiếng Anh Diễn giải Đơn vị hiệu/viết tắt Khoảng cách từ trọng tâm tàu a3 m đến chân đế bên trái Khoảng cách từ trọng tâm tàu a4 m đến chân đế bên phải Độ cứng của đệm đàn hồi bên k1 N/m trái Độ cứng của đệm đàn hồi bên k2 N/m phải k3 Độ cứng của cáp nâng N/m Độ cản của đệm đàn hồi bên b1 Ns/m trái Độ cản của đệm đàn hồi bên b2 Ns/m phải b3 Hệ số cản của cáp nâng Ns/m bt Hệ số cản dịch chuyển xe con Ns/m mt Khối lượng xe con kg mb Khối lượng tàu kg mc Khối lượng container kg Mô men quán tính khối lượng Jm kgm2 tời Mô men quán tính khối lượng Jb kgm2 thân tàu b Góc lắc tàu độ  Góc lắc cáp nâng độ m Góc quay tời độ l Chiều dài cáp nâng m xt Vị trí xe con m Mw Mô men gây ra góc lắc tàu Nm Lực gây ra dịch chuyển thân Fw N tàu rm Bán kính tời m Mm Mô men quay tời Nm s Độ dãn cáp nâng m ut Lực kéo xe con N Độ biến dạng ban đầu của của s m lò xo có độ cứng k3 v Ký Tiếng Anh Diễn giải Đơn vị hiệu/viết tắt Độ biến dạng ban đầu của của y m lò xo có độ cứng k1 và k 2 Tọa độ suy rộng trục X gắn xmt m với xe con Tọa độ suy rộng trục Y gắn ymt m với xe con Tọa độ suy rộng trục X gắn xC m với container Tọa độ suy rộng trục Y gắn yC m với container vi DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.

Các thông số cơ bản của ba mẫu tàu do Viện KAIST đề xuất [141]. Thông số tính toán động lực học. Các thông số mô phỏng .64 Các thiết bị vật tư phục vụ thiết kế mô hình cần trục container .79 Thông số các động cơ điện .82 Chi tiết đấu nối các đường tín hiệu với các chân của vi điều khiển.83 So sánh đáp ứng của các thuật toán điều khiển .95 vii DANH MỤC CÁC HÌNH Trang Hình 1. Tỷ trọng hàng container trong vận tải biển [134].

Thực trạng các cảng trên thế giới [140]. Luồng hàng hóa vận chuyển đi và đến Việt Nam [137]. Độ sâu luồng vào cảng Hải Phòng [136]. Mô hình cảng nổi.

Mô hình cảng trung chuyển ngoài khơi [135]. Mô hình cảng di dộng (Mobile Harbor) [140]. Ba mẫu tàu do Viện KAIST đề xuất [141]. Các bước chính chế tạo cần trục container đặt trên tàu.

Mô hình thực nghiệm điều khiển cổng trục đặt trên nền cứng của hãng INTECO [133]. Chuyển động của tàu trong không gian. Mô hình vật lý cần trục container đặt trên phao nổi. Sơ đồ thuật toán phương pháp Newmark tìm nghiệm hệ phi tuyến.

Dịch chuyển xe con (không có điều khiển). Dao động container dọc theo cáp nâng (không có điều khiển). Dịch chuyển thân tàu theo phương thẳng đứng (không có điều khiển). Sơ đồ khối hệ thống điều khiển trượt bậc hai tích hợp bộ quan sát.

Sơ đồ khối hệ thống điều khiển trượt bậc hai tích hợp mạng nơ ron. Cấu trúc thích nghi dùng mạng nơ ron. Lực đẩy xe con. Vị trí xe con.

Mô men quay tời. Chiều dài cáp nâng. Dao động container dọc theo cáp nâng. Dao động nghiêng của thân tàu.

Dao động chúi của thân tàu. Phần tử của cơ hệ tương đương (NN-SOSMC). Ước lượng thông số hệ tương đương (NN-SOSMC). Vị trí xe con (thử tính bền vững của hệ thống điều khiển).

Chiều dài cáp nâng (thử tính bền vững của hệ thống điều khiển). Dao động container dọc theo cáp nâng (thử tính bền vững của hệ thống điều khiển). Dao động nghiêng thân tàu (thử tính bền vững của hệ thống điều khiển) 73 Hình 3. Dao động chúi thân tàu (thử tính bền vững của hệ thống điều khiển).

Hệ thống cần trục container trong phòng thí nghiệm. Sơ đồ khối hệ thống thực nghiệm. Sơ đồ các chân ngoại vi và chức năng Kit MyRIO-1900. Biến tần Mitsubishi FREQROL-S500 trong hộp điều khiển.

Sơ đồ khối hệ thống điều khiển đế kích động. Góc lắc đế kích động. Vị trí xe con (thực nghiệm). Chiều dài cáp nâng (thực nghiệm).

Góc lắc đế kích động (thử tính bền vững của hệ thống điều khiển). Dịch chuyển đế kích động (thử tính bền vững của hệ thống điều khiển). Vị trí xe con (thực nghiệm thử tính bền vững của hệ thống điều khiển) .