Đang tải... (xem toàn văn)
Trong vận chuyển hàng hóa, việc tăng năng suất vận chuyển hàng một cách nhanh chóng là mong muốn của các nhà đầu tư. Tuy nhiên trong trường hợp MHC để thực hiện việc gắp container một [r]
(1)BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM -
NGUYỄN CHÍ THIỆN
MƠ HÌNH HĨA VÀ PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ CẦN CẨU DI ĐỘNG
DỰA TRÊN KỸ THUẬT MẪU ẢO
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ Điện Tử Mã số ngành: 60520114
(2)BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM -
NGUYỄN CHÍ THIỆN
MƠ HÌNH HĨA VÀ PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
CHO HỆ CẦN CẨU DI ĐỘNG DỰA TRÊN KỸ THUẬT MẪU ẢO
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ Điện Tử Mã số ngành: 60520114
(3)CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM
Cán hướng dẫn khoa học: TS Lê Ngọc Trân
Luận văn Thạc sĩ bảo vệ Trường Đại Học Công nghệ TP HCM ngày 02 tháng 10 năm 2016
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
TT Họ tên Chức danh Hội đồng
1 TS Võ Hoàng Duy Chủ tịch
2 PGS TS Nguyễn Thanh Phương Phản biện
3 TS Võ Tường Quân Phản biện
4 TS Ngô Hà Quang Thịnh Ủy viên TS Nguyễn Duy Anh Ủy viên, Thư ký
Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau Luận văn sửa chữa
(4)TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP HCM
PHÒNG QLKH – ĐTSĐH
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc
TP HCM, ngày … tháng … năm 20…
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: NGUYỄN CHÍ THIỆN Giới tính: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 1987 Nơi sinh: Kiên Giang
Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ MSHV: 1341840019
I- Tên đề tài:
MƠ HÌNH HĨA VÀ PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ CẦN CẨU DI ĐỘNG DỰA TRÊN KỸ THUẬT MẪU ẢO II- Nhiệm vụ nội dung:
- Khái niệm cẩu di động cầu cảng phân tích điều kiện hoạt động biển - Phân tích hành vi động lực học mơ hình hóa hệ thống khí cần cẩu - Xây dựng mẫu ảo mô hoạt động hệ cần cẩu di động biển - Thiết kế hệ thống điều khiển cho mơ hình cần cẩu di động biển
- Mơ tích hợp mơ hình mẫu ảo hệ thống cần cẩu đánh giá hệ thống điều khiển thiết kế điều kiện hoạt động ngữ cảnh thật
III- Ngày giao nhiệm vụ: 23/01/2016
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 23/07/2016
V- Cán hướng dẫn: TS Lê Ngọc Trân
(5)LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu Luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác
Tơi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực Luận văn cảm ơn thơng tin trích dẫn Luận văn rõ nguồn gốc
Học viên thực Luận văn
(6)LỜI CẢM ƠN
Trước hết xin chân thành cảm ơn Phòng Quản Lý Khoa Học Và Đào Tạo Sau Đại Học, Khoa Cơ – Điện – Điện Tử, trường Đại Học Công Nghệ TPHCM cho tơi có điều kiện học tập, tiếp cận với khoa học kỹ thuật làm việc với thầy TS Lê Ngọc Trân thực đề tài luận văn tốt nghiệp
Tôi chân thành cảm ơn thầy TS Lê Ngọc Trân tận tình hướng dẫn, bảo suốt thời gian thực đề tài
Tôi chân thành cảm ơn quý thầy tận tình giảng dạy, trang bị cho tơi kiến thức quý báu khóa học vừa qua
Mặc dù tơi cố gắng hồn thành luận văn phạm vi khả cho phép chắn khơng tránh khỏi thiếu sót Tơi kính mong nhận thơng cảm tận tình bảo thêm quý thầy cô bạn đồng nghiệp
(7)TÓM TẮT
(8)ABSTRACT
(9)MỤC LỤC
Lờ i cam đoan i
Lờ i cảm ơn ii
Tóm tắt iii
Mục lu ̣c v
Danh mục các từ viết tắt vii
Danh mục các bảng viii
Danh mục các biểu đồ, đồ thi ̣, sơ đồ, hình ảnh ix
Chương 1: Giới thiê ̣u 01
1.1 Đặt vấn đề 01
1.2 Tính cấp thiết của đề tài 02
1.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 03
1.4 Nội dung nghiên cứu của đề tài 03
1.5 Phương pháp nghiên cứu của đề tài 04
1.5.1 Phương pháp luâ ̣n 04
1.5.2 Phương pháp nghiên cứu 04
1.6 Kết cấu luâ ̣n văn 05
1.7 Giới hạn phạm vi nghiên cứu 06
Chương 2: Tổng quan về cẩu cầu cảng di động vấn đề cần nghiên cứu 07
2.1 Khái quát về tình hình nghiên cứu cẩu cầu cảng di động 07
2.2 Trình tự bước nghiên cứu cho hệ thống MHC dựa kỹ thuật mẫu ảo 11 Chương 3: Thành phần cấu thành nguyên lý làm việc cẩu cầu cảng di động13 3.1 Thành phần cấu thành hoạt động cẩu cầu cảng di động 13
3.2 Phân tích điều kiện làm việc cẩu cầu cảng di động 15
Chương 4: Mơ hình hóa xây dựng mẫu ảo cho hệ thống cẩu cầu cảng di động 19 4.1 Sự cần thiết phát triển mẫu ảo cho nghiên cứu hệ thống điện tử 19
4.2 Cấu trúc phần mềm cho xây dựng mẫu ảo hệ thống MHC 20
(10)4.4 Mô hành vi động lực học mẫu ảo hệ thống MHC 24
4.4.1 Xây dựng mơ mơ hình MHC 24
4.4.2 Xây dựng mơ mơ hình MHC 28
4.4.3 Nhận xét kết mô chuyển động tải treo 31
Chương 5: Xây dựng hệ thống điều khiển chống lắc cho cẩu cầu cảng di động 33
5.1 Tạo mô hình adams_sys Matlab/simulink 33
5.2 Phân tích động học hệ thống MHC 34
5.3 Thiết kế hệ thống điều khiển cho MHC 36
Chương 6: Kết mô 42
6.1 Mơ kết hợp khí điều khiển 42
6.2 Đánh giá kết mô 46
Chương 7: Kết luận hướng phát triển đề tài 48
7.1 Kết luâ ̣n 48
7.2 Hướ ng phát triển 48
(11)DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
MHC Mobile Harbour Crane Cần cẩu cầu cảng di động TL Trolley Xe rùa đẩy cẩu
FEA Finite Element Analysis Phân tích phần tử hữu hạn FEM Finite Element Method Phương pháp phần tử hữu hạn
(12)DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 4.1: Các giá trị thông số cho mô hệ thống MHC 24
Bảng 4.2: Các giá trị thông số cho mô hệ thống MHC 27
Bảng 6.1: Các giá trị thông số hệ thống MHC cho mô 40
Bảng 6.2: So sánh đặc tính vị trí trường hợp mơ 44
Bảng 6.3: So sánh đặc tính góc lắc tải trường hợp mô 44
Bảng 6.4: So sánh đặc tính vị trí trường hợp mơ 45
(13)DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Giải pháp cẩu cầu cảng di động vận chuyển container
Hình 1.2: Mơ hình hóa hệ thống MHC gắp container tàu mẹ
Hình 2.1: Cần trục giàn bốc xếp container tàu tàu cập cảng
Hình 2.2:Cẩu cầu cảng di động vận chuyển container từ tàu mẹ
Hình 2.3: Trình tự xây dựng mẫu ảo cho hệ thống cần cẩu di động 10
Hình 3.1: Mơ hình hệ thống cẩu cầu cảng di động 12
Hình 3.2: Cơ chế làm việc hệ thống khung MHC 13
Hình 3.3: Các chuyển động lắc cẩu MHC theo trục 15
Hình 3.4: Một chế cho chống lắc ngang tải container 16
Hình 4.1: Q trình tạo mơ hình mẫu ảo cho MHC 19
Hình 4.2: Cấu trúc phần mềm để tạo mẫu ảo 19
Hình 4.3: Mẫu vật lý hệ thống MHC vẽ Solidworks 21
Hình 4.4: Quy trình tạo mẫu ảo mơi trường Adams/View 21
Hình 4.5: Cấu hình hệ thống mẫu ảo MHC Adams/View 22
Hình 4.6: Mơ hình mẫu ảo MHC Adams/View 22
Hình 4.7: Thông số mô hình MHC cho mơ 23
Hình 4.8: Khoảng dịch chuyển góc lắc tải trường hợp MHC1 24
Hình 4.9: Khoảng dịch chuyển góc lắc tải trường hợp MHC1 25
(14)Hình 5.1: Kết nối mơ hình Adams Matlab/Simulink điều khiển 32
Hình 5.2: Khối Adams adams_sys 33
Hình 5.3: Mơ hình hóa động học xe đẩy 35
Hình 5.4: Sơ đồ khối điều khiển ASMP cho MHC 36
Hình 6.1: Đáp ứng vị trí góc điều khiển ASMP với hw=0.02m,fw=1.5rad/s, l=1.2m, ml=148kg 41
Hình 6.2: Đáp ứng vị trí góc điều khiển ASMP với hw=0.04m, fw=1.5rad/s, l=1.2m, ml=148kg 41
Hình 6.3: Đáp ứng vị trí góc điều khiển ASMP với hw=0.02m, fw=3rad/s, l=1.2m, ml=148kg 42
Hình 6.4: Đáp ứng vị trí góc điều khiển ASMP với hw=0.04m, fw=3rad/s, l=1.2m, ml=148kg 42
Hình 6.5: Đáp ứng vị trí góc điều khiển ASMP với hw=0.02m, fw=1.5rad/s, l=1.5m, ml=350kg 42
Hình 6.6: Đáp ứng vị trí góc điều khiển ASMP với hw=0.04m, fw=1.5rad/s, l=1.5m, ml=350kg 43
Hình 6.7: Đáp ứng vị trí góc điều khiển ASMP với hw=0.02m, fw=3 rad/s, l=1.5m, ml=350kg 43
(15)CHƯƠNG
GIỚI THIỆU
1.1 Đặt vấn đề:
Khi kinh tế giới ngày lớn mạnh, lượng lớn hàng hóa yêu cầu nhanh chóng vận chuyển đến khắp nơi giới đường biển tàu container lớn Tuy nhiên, sức chứa số cảng bị giới hạn tàu container lớn khó cập cảng nước nông không gian hẹp Giải pháp mở rộng cảng không khả thi vốn đầu tư lớn ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường Để giải vấn đề khái niệm cần cẩu cầu cảng di động (MHC) được đề xuất nhằm giúp vận chuyển container từ tàu lớn vào bờ cách nhanh chóng Giải pháp cho phép tàu container lớn neo đậu vùng nước sâu xa bờ vận chuyển container đến bờ cách nhanh chóng nhờ cần cẩu cầu cảng di động biển bất chấp cảng nhỏ không cho phép tàu container lớn cập cảng
Giải pháp: Cần cẩu di động hoạt động biển
Tàu container có trọng tải lớn khó neo đậu cảng nước nơng và diện tích hẹp.
Cần cẩu di động giải vấn các vấn đề hạn chế cảng biển:
-Di chuyển container hàng từ tàu vào bờ nhanh chóng
-Sắp xếp container
Khó k hă n M ục tiêu
Hình 1.1: Giải pháp cần cẩu cầu cảng di động vận chuyển container
1.2 Tính cấp thiết đề tài:
(16)khiển cần cẩu cầu cảng di động hoạt động biển điều kiện sóng gió để gắp xác container vấn đề khó nhiều so với giàn cẩu truyền thống lắp đặt bờ
Một vấn đề nghiêm trọng lắc container gây việc điều khiển không xe cẩu cộng với tác động nhiễu bên ngồi sóng gió gây va chạm container tới thiết bị hệ thống xung quanh làm thiệt hại tài sản người Hơn nữa, việc lắc container xảy phần cuối di chuyển, việc điều khiển container đến vị trí mong muốn lúc trở nên khó thực lực qn tính lớn
Hình 1.2: Mơ hình hóa hệ thống MHC gắp container tàu mẹ
(17)mang giá cẩu tăng tốc giảm tốc, tải container lơ lửng bị lắc không mong muốn Thêm vào nhiễu bên ngồi sóng gió làm tàu lắc liên tục làm quỹ đạo tải khơng thể dự đốn Do việc điều khiển container đến vị trí mong muốn cách xác vấn đề thách thức cần phải giải
Để phục vụ cho trình nghiên cứu hệ thống cẩu di động cầu cảng hoạt động biển ý tưởng đề xuất trên, luận văn tơi giới thiệu kỹ thuật mơ hình hóa xây dựng hệ thống điều khiển cẩu dựa kỹ thuật mẫu ảo máy tính Kỹ thuật cho phép kỹ sư điện tử mơ hình hóa xây dựng mẫu ảo hệ thống cần nghiên cứu, mơ để phân tích hành vi chuyển động thực hệ thống khí cẩu máy tính với điều kiện hoạt động ngữ cảnh thật, phát triển hệ thống điều khiển cho phép điều khiển tải treo lơ lửng đến vị trí xác mong muốn bất chấp tác động nhiễu bên Dựa vào kết thu máy tính giúp kỹ sư giảm rủi ro tiết kiệm thời gian chi phí chế tạo phần cứng
1.3 Mục tiêu nghiên cứu đề tài:
Phân tích hoạt động điều kiện làm việc cẩu di động cầu cảng hoạt động biển
Mơ hình hóa xây dựng mơ hình mẫu ảo hệ thống khí cho hệ thống cẩu
Mô hành vi động lực học hệ thống khí mẫu ảo Xây dựng hệ thống điều khiển cho mơ hình mẫu ảo hệ thống cẩu Mô kết hợp hai hệ thống khí điều khiển với điều kiện ngữ cảnh thật đánh giá điều khiển thiết kế
1.4 Nội dung nghiên cứu đề tài:
(18)Mô kết hợp hoạt động khí điều khiển mẫu ảo cần cẩu di động điều kiện làm việc ngữ cảnh thật đánh giá
1.5 Phương pháp nghiên cứu đề tài: 1.5.1 Phương pháp luận:
Phương pháp nghiên cứu nguyên tắc cách thức hoạt động khoa học nhằm đạt tới chân lý khách quan dựa sở chứng minh khoa học Điều có nghĩa rằng, nghiên cứu khoa học cần phải có nguyên tắc phương pháp cụ thể, mà dựa theo vấn đề giải
Nghiên cứu tạo mơ hình mẫu ảo hệ thống điện tử dựa kết hợp phần mềm thương mại để tạo nên hệ điện tử hệ cần cẩu cầu cảng di động hoạt động máy tính với điều kiện ngữ cảnh thật Dựa mẫu ảo hệ thống thiết kế kỹ sư điện tử thể ý tưởng, thuật tốn hiệu chỉnh thiết kế khí thiết kế điều khiển cách hoàn chỉnh máy tính trước triển khai phần cứng Để thực nghiên cứu cần thực hiện:
Tổng hợp phần mềm khí điều khiển cho mơ hình hóa mơ
Phân tích điều kiện hoạt động dựa khảo sát phương trình sóng, thiết kế mơ hình hóa hệ thống khí
Tạo mẫu ảo hệ thống khí, mơ để khám phá hành vi động lực học hệ thống khí
Thiết kế, tính tốn hệ thống điều khiển cho mơ hình mẫu ảo hệ thống cẩu
Mô kết hợp, hiệu chỉnh và đánh giá kết quả hệ thống
1.5.2 Phương pháp nghiên cứu:
Các phương pháp thực để đạt mục tiêu trên:
(19)Phương pháp phân tích điều kiện làm việc cẩu giàn biển điều kiện sóng gió
Tìm hiểu báo ngồi nước nghiên cứu lĩnh vực cẩu di động cầu cảng
Nội dung 2: Thiết kế mơ hình hóa hệ thống khí cẩu giàn biển Thiết kế, mơ hình hóa hệ thống khí phần mềm SOLIDWORKS Tạo mẫu ảo hệ thống khí máy tính phần mềm ADAMS Mơ hành vi động lực học hệ thống khí thông qua mẫu ảo
Nội dung 3: Nghiên cứu thiết kế điều khiển cho hệ thống
Lý thuyết điều khiển phi tuyến cho đối tượng không ổn định với nhiễu thông số hệ thống thay đổi
Xây dựng mơ hình tốn cho xe đẩy giá cẩu
Thiết kế điều khiển điều khiển xe cẩu Matlab/Simulink Mô hệ thống điều khiển thiết kế mẫu ảo
Nội dung 4: Mô và đánh giá kết
Mơ kết hợp hệ thống khí điều khiển máy tính với điều kiện ngữ cảnh thật
Đánh giá kết đạt đươc
1.6 Kết cấu luận văn:
Kết cấu luâ ̣n văn gồm chương Chương 1: Giới thiê ̣u
Chương 2: Tổng quan về cẩu cầu cảng di động vấn đề cần nghiên cứu Chương 3: Thành phần cấu thành nguyên lý làm việc cẩu cầu cảng di động
Chương 4: Mơ hình hóa xây dựng mẫu ảo cho hệ thống cẩu cầu cảng di động
Chương 5: Xây dựng hệ thống điều khiển chống lắc cho cẩu cầu cảng di động
Chương 6: Kết mô
(20)1.7 Giới hạn phạm vi nghiên cứu
1) Thiết bị giả sử cố định tương đối tọa độ Đề Do đó, trôi thiết bị chuyển động yaw (xoay quanh trục z) tọa độ tuyệt đối bỏ qua cách sử dụng cấu cố định thiết bị MHC vào tàu mẹ
2) Nghiên cứu xem xét chuyển động xe đẩy dọc theo trục y (hình 3.3) chuyển động lắc tải treo xe đẩy đồng phẳng
3) Chuyển động lắc tải treo xảy mặt phẳng khác điều khiển thiết bị khí nghiên cứu [15] chuyển động lắc ngẫu nhiên khác xem nhiễu hệ thống điều khiển