Tài liệu Mô hình hóa và điều khiển cầu trục nhằm nâng cao chất lượng làm việc

BỘ CÔNG THƯƠNG BỘ GIÁO DỤC&ĐÀO TẠO VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ VŨ VĂN KHOA MÔ HÌNH HÓA VÀ ĐIỀU KHIỂN CẦU TRỤC NHẰM NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG LÀM VIỆC LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – NĂM 2016 BỘ CÔNG THƯƠNG BỘ GIÁO DỤC&ĐÀO TẠO VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ VŨ VĂN KHOA MÔ HÌNH HÓA VÀ ĐIỀU KHIỂN CẦU TRỤC NHẰM NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG LÀM VIỆC Chuyên ngành : Kỹ thuật Cơ khí Mã số : 62 52 01 03 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS. TS. Nguyễn Chỉ Sáng 2. TS. Nguyễn Quang Hoàng HÀ NỘI - NĂM 2016 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả Vũ Văn Khoa ii LỜI CÁM ƠN Tác giả xin chân thành cám ơn các thầy, cô giáo đã tham gia giảng dạy, đào tạo trong suốt quá trình tác giả học nghiên cứu sinh và tác giả cũng chân thành cám ơn các thầy cô trong các hội đồng đánh giá nghiên cứu sinh đã có những góp ý về chuyên môn giúp nghiên cứu sinh hoàn thiện hơn luận án. Đặc biệt, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới PGS.TS Nguyễn Chỉ Sáng và TS. Nguyễn Quang Hoàng những người đã tận tình hướng dẫn tác giả hoàn thành luận án. Đồng thời tác giả cũng xin chân thành cám ơn Trung tâm đào tạo- Viện Nghiên cứu Cơ khí đã tạo mọi điều kiện thuận lợi và động viên trong suốt quá trình nghiên cứu sinh và hoàn thành luận án. Cuối cùng tác giả ghi lòng sự hỗ trợ về vật chất và động viên tinh thần của bạn bè, đồng nghiệp và những người thân trong gia đình trong suốt quá trình nghiên cứu sinh hoàn thành luận án này. NCS: Vũ Văn Khoa iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................. i LỜI CÁM ƠN ................................................................................................... ii DANH MỤC MỘT SỐ KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................... vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ .................................................. viii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ..................................................................... x MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ CẦU TRỤC VÀ ĐIỀU KHIỂN CẦU TRỤC ... 5 1.1. Khái niệm và phân loại cầu trục ............................................................. 5 1.1.1. Khái niệm cầu trục .......................................................................... 5 1.1.2. Các thành phần chính của cầu trục................................................... 5 1.1.3. Các yêu cầu kỹ thuật của cầu trục .................................................... 7 1.1.4. Phân loại cầu trục ........................................................................... 10 1.1.6. Xu hướng phát triển cầu trục ......................................................... 16 1.2. Mô hình hóa cầu trục ............................................................................ 17 1.3. Điều khiển cầu trục ............................................................................... 19 1.3.1. Đặc điểm bài toán điều khiển hệ thống cầu trục ............................ 19 1.3.2. Các phương pháp điều khiển cầu trục ............................................ 21 1.3.3. Điều khiển chống lắc...................................................................... 26 1.3.4. Bộ điều khiển PID .......................................................................... 29 1.4. Kết luận chương 1 ................................................................................ 32 Chương 2. MÔ HÌNH HÓA HỆ CẦU TRỤC ................................................ 33 2.1. Mô hình động lực học tổng quát hệ cầu trục ........................................ 33 2.1.1. Mô hình vật lý hệ cầu trục và các chế độ làm việc ........................ 33 2.1.2. Thiết lập phương trình vi phân chuyển động hệ cầu trục .............. 34 2.1.3. Mô hình động lực học trong không gian trạng thái ....................... 42 NCS: Vũ Văn Khoa iv 2.1.4. Phương trình tuyến tính hóa quanh vị trí đích ............................... 42 2.2. Mô hình động lực học hệ cầu trục trong các chế độ làm việc .............. 43 2.2.1. Chế độ nâng hạ hàng ...................................................................... 43 2.2.2. Chế độ di chuyển ngang ................................................................. 44 2.2.3. Chế độ di chuyển ngang và nâng hạ hàng...................................... 46 2.2.4. Chế độ di chuyển ngang và dọc đồng thời ..................................... 48 2.3. Mô hình động lực học cơ - điện hệ cầu trục ......................................... 50 2.4. Mô hình hóa hệ cầu trục trong MATLAB............................................ 62 2.5. Kết luận chương 2 ................................................................................ 72 Chương 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CẦU TRỤC .................. 74 3.1. Xây dựng cấu trúc hệ thống điều khiển cầu trục .................................. 74 3.2. Thiết kế hệ thống điều khiển cầu trục bằng giải thuật Nelder-Mead ... 77 3.2.1. Tính chất động lực của hệ cầu trục ................................................ 77 3.2.2. Thiết kế điều khiển dựa trên năng lượng ....................................... 79 3.2.3. Thiết kế bộ điều khiển trên cơ sở tính chất thụ động của tín hiệu vào theo x và  ...................................................................................... 81 3.2.4. Tối ưu tham số điều khiển bằng giải thuật Nelder-Mead .............. 83 3.3. Thiết kế hệ thống điều khiển cầu trục bằng giải thuật di truyền .......... 89 3.3.1. Giải thuật di truyền (GA) ............................................................... 89 3.3.2. Tối ưu các tham số bộ PID và PD bằng giải thuật GA .................. 91 3.4. Thiết kế hệ thống điều khiển cầu trục bằng giải thuật tối ưu bày đàn . 97 3.4.1. Giải thuật tối ưu bày đàn (PSO) ..................................................... 97 3.4.2. Tối ưu các tham số bộ điều khiển PD và PID bằng giải thuật PSO .. 100 3.5. Kết luận chương 3 .............................................................................. 108 4.1. Mô hình cầu trục thực nghiệm............................................................ 110 4.1.1. Tủ điều khiển................................................................................ 112 4.1.2. Đối tượng điều khiển, cơ cấu chấp hành...................................... 113 NCS: Vũ Văn Khoa v 4.1.3. Cảm biến vị trí và cảm biến góc lắc của cáp................................ 113 4.1.4. Máy tính và phần mềm điều khiển, xử lý, hiện thị số liệu đo...... 113 4.2. Thử nghiệm hệ thống điều khiển cầu trục .......................................... 114 4.2.1. Thử bộ điều khiển cầu trục bằng giải thuật GA ........................... 114 4.2.2. Thử bộ điều khiển cầu trục bằng giải thuật PSO ......................... 116 4.3. Kết luận chương 4 .............................................................................. 119 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ....................................................................... 120 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ.................................... 122 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 123 NCS: Vũ Văn Khoa vi DANH MỤC MỘT SỐ KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT GA Giải thuật di truyền (Genetic Algorithm) HIL Mô hình mô phỏng bán tự nhiên (Hardware-in-the-loop) PD Bộ điều khiển tỷ lệ - vi phân (Proportional-Derivative) PID Bộ điều khiển tỷ lệ-tích phân-vi phân (Proportional-Integral-Derivative) PSO Giải thuật tối ưu bày đàn (Particle Swarm Optimization) FLC Điều khiển tuyến tính hoá hồi tiếp (Feedback Loop Control) PLC Bộ điều khiển lôgic khả trình (Programmable Logic Controller) CCD Linh kiện tích điện kép (Charge Coupled Device)  Góc lắc của dây cáp trong mặt phẳng chuyển động của xe con b1, b2 Hệ số cản chuyển động xe cầu và xe con  Góc lắc của dây cáp trong mặt phẳng chuyển động của xe cầu C(q, q) Ma trận cản Ft , Fb , Fl Lực kéo xe con, xe cầu và kéo cáp  Hàm hao tán do các thành phần cản tuyến tính; g Gia tốc trọng trường Ii Dòng điện chạy trong động cơ thứ i i1, i2, i3 Tỉ số truyền từ trục động cơ đến trục bánh xe, tang cuốn cáp J m1, J m 2, J m 3 Mô men quán tính của roto km,i , ke,i Hằng số mômen và hằng số phản sức điện động của động cơ l Chiều dài của dây cáp M(q) Ma trận khối lượng mb Khối lượng xe cầu mt Khối lượng xe con NCS: Vũ Văn Khoa vii mp Khối lượng tải trọng (hàng hóa)  Thế năng của hệ Qi Lực suy rộng không thế tương ứng với tọa độ suy rộng thứ i qi Bậc tự do thứ i qe Tọa độ suy rộng điện vb , vt , v p Độ lớn vận tốc của khối tâm xe cầu, xe con và tải trọng T Động năng của hệ x Dịch chuyển của xe con trên cầu theo trục Ox y Dịch chuyển của xe cầu trên cầu theo trục Oy NCS: Vũ Văn Khoa viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1. Các thành phần chính của cầu trục ................................................... 5 Hình 1.2. Cầu trục một dầm. ........................................................................... 12 Hình 1.3. Cầu hai dầm kép. ............................................................................. 12 Hình 1.4. Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID .................................................. 30 Hình 2.1. Mô hình động lực học cầu trục dạng tổng quát. ............................. 35 Hình 2.2. Mô hình cầu trục 1D. ...................................................................... 44 Hình 2.3. Mô hình cầu trục 2D. ...................................................................... 44 Hình 2.4. Mô hình động học động cơ điện một chiều .................................... 51 Hình 2.5. Chương trình mô phỏng hệ cầu trục ............................................... 63 Hình 2.6. Mô hình mô phỏng hệ cầu trục ở chế độ di chuyển ngang hoặc di chuyển dọc (2 bậc tự do) ...................................................................... 64 Hình 2.7. Mô hình mô phỏng hệ cầu trục ở chế độ di chuyển ngang hoặc di chuyển dọc và nâng hạ hàng (3 bậc tự do) ........................................... 64 Hình 2.8. Mô hình mô phỏng hệ cầu trục ở chế độ di chuyển ngang và di chuyển dọc đồng thời (4 bậc tự do) ...................................................... 65 Hình 2.9. Mô hình mô phỏng hệ cầu trục ở chế độ nâng hạ hàng, di chuyển ngang và dọc đồng thời (5 bậc tự do) ................................................... 66 Hình 2.10. Đáp ứng của hệ cầu trục ở chế độ di chuyển ngang và nâng hạ hàng đồng thời khi tải trọng mp=0,5 kg. ............................................... 68 Hình 2.11. Đáp ứng của hệ cầu trục ở chế độ di chuyển ngang và nâng hạ hàng đồng thời khi tải trọng mp=2,5 kg. ............................................... 68 Hình 2.12. Đáp ứng của hệ cầu trục ở chế độ di chuyển ngang và nâng hạ hàng đồng thời khi tải trọng mp=5 kg. .................................................. 69 Hình 2.13. Di chuyển của xe con. ................................................................... 70 Hình 2.14. Di chuyển của xe cầu. ................................................................... 70 Hình 2.15. Chiều dài cáp. ................................................................................ 71 NCS: Vũ Văn Khoa ix Hình 2.16. Góc lắc . ...................................................................................... 71 Hình 2.17. Góc lắc . ...................................................................................... 72 Hình 3.1. Sơ đồ cấu trục hệ thống điều khiển cầu trục ở chế độ di chuyển ngang hoặc di chuyển dọc .................................................................... 75 Hình 3.2. Sơ đồ cấu trục hệ thống điều khiển cầu trục ở chế độ di chuyển ngang và di chuyển dọc đồng thời ........................................................ 76 Hình 3.3. Giá trị hàm mục tiêu qua các bước lặp ........................................... 87 Hình 3.4. Đáp ứng của hệ được chính định bằng giải thuật NM với các khối lượng khác nhau.................................................................................... 87 Hình 3.5. Đáp ứng của hệ được chính định bằng giải thuật NM với các chiều dài cáp ban đầu khác nhau. ................................................................... 88 Hình 3.6. Chỉnh định tham số của bộ PID và PD cho cầu trục ở chế độ di chuyển ngang hoặc dọc bằng giải thuật GA ......................................... 92 Hình 3.7. Sơ đồ giải thuật GA tối ưu các tham số của bộ PID ....................... 94 Hình 3.8. Đáp ứng của hệ được chính định bằng giải thuật GA với các khối lượng khác nhau.................................................................................... 95 Hình 3.9. Đáp ứng của hệ được chính định bằng giải thuật GA với các chiều dài cáp ban đầu khác nhau. ................................................................... 95 Hình 3.10. Thiết kế bộ PID trên cơ sở giải thuật PSO .................................... 99 Hình 3.11. Tối ưu các tham số của bộ PID và PD cho cầu trục ở chế độ di chuyển ngang hoặc dọc bằng giải thuật PSO ..................................... 102 Hình 3.12. Mô hình mô phỏng hệ thống điều khiển cầu trục 2D ................. 104 Hình 3.13. Thuật toán tối ưu các tham số của bộ điều khiển PID và PD bằng giải thuật PSO. .................................................................................... 105 Hình 3.14. Đáp ứng của hệ được chính định bằng giải thuật PSO với các chiều dài cáp ban đầu khác nhau. ................................................................. 106 NCS: Vũ Văn Khoa x Hình 3.15. Đáp ứng của hệ được chính định bằng giải thuật PSO với các chiều dài cáp ban đầu khác nhau. ................................................................. 107 Hình 4.1. Sơ đồ khối chức năng hệ cầu trục thực nghiệm. ........................... 111 Hình 4.2. Hệ thống cầu trục thử nghiệm ....................................................... 111 Hình 4.3. Giao diện phần mềm điều khiển và hiển thị kết quả đo................ 114 Hình 4.4. Đáp ứng của hệ với tải trọng 0,5 kg, chiều dài cáp 0,5 m ............ 115 Hình 4.5. Đáp ứng của hệ với tải trọng 2,5 kg, chiều dài cáp 0,5 m ............ 116 Hình 4.6. Đáp ứng của hệ với tải trọng 5 kg, chiều dài cáp 0,5 m ............... 116 Hình 4.7. Kết quả thử nghiệm khi tải trọng 0,5 kg, chiều dài cáp 0,5 m ...... 117 Hình 4.8. Kết quả thử nghiệm khi tải trọng 2,5 kg, chiều dài cáp 0,5 m ...... 117 Hình 4.9. Kết quả thử nghiệm khi tải trọng 5 kg, chiều dài cáp 0,5 m ......... 118 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Ảnh hưởng của các tham số đến chất lượng hệ thống điều khiển. . 31 Bảng 2.1. Thông số cầu trục mẫu sử dụng cho mô phỏng số ......................... 66 Bảng 3.1. Kết quả đánh giá hiệu quả hệ thống điều khiển khi L0=1 m. ......... 88 Bảng 3.2. Kết quả đánh giá hiệu quả hệ thống điều khiển mp=2,5 kg. ........... 88 Bảng 3.3. Tham số thiết kế tối ưu của các bộ điều khiển PID, PD cho cầu trục bằng giải thuật GA. ............................................................................... 94 Bảng 3.4. Kết quả đánh giá hiệu quả hệ thống điều khiển khi L0=1 m. ......... 96 Bảng 3.5. Kết quả đánh giá hiệu quả hệ thống điều khiển mp=2,5 kg. ........... 96 Bảng 3.6. Tham số thiết kế tối ưu của các bộ điều khiển PID, PD............... 107 Bảng 3.7. Kết quả đánh giá hiệu quả hệ thống điều khiển............................ 107 NCS: Vũ Văn Khoa 1 MỞ ĐẦU 1. Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài Trong xu hướng toàn cầu hóa ngày càng sâu rộng, năng suất lao động có tính chất quyết định đến sự thành công của mỗi ngành trong chuỗi giá trị toàn cầu. Chúng ta đang phấn đấu đến năm 2020, năng suất lao động của Việt Nam đạt ASEAN 6 và đến năm 2025 đạt ASEAN 4. Để đạt được các mục tiêu này, các ngành cần phải có sự đổi mới công nghệ một cách mạnh mẽ. Trong các ngành xây dựng công nghiệp, cơ khí, đóng tàu, vận tải, vật liệu xây dựng, cầu cảng..., họ các thiết bị nâng chuyển như cầu trục có vai trò rất quan trọng trong việc tăng năng suất lao động. Cùng với sự phát triển của nền kinh tế, khoa học kỹ thuật, cầu trục ngày càng được hoàn thiện có tính năng ưu việt hơn, đáp ứng tốt các yêu cầu vận hành như công suất, mức độ tự động hóa cao, vận hành an toàn và hiệu quả… Tuy nhiên, cầu trục luôn tồn tại một số vấn đề: Trong quá trình di chuyển hàng thường bao gồm chuyển động lắc không mong muốn của khối lượng hàng do chúng thường được treo bằng dây cáp mềm. Chuyển động lắc này dẫn đến giảm hiệu quả làm việc, đôi khi gây nguy hiểm cho hàng hóa và làm mất an toàn lao động, do đó chuyển động lắc phải được dập tắt càng nhanh càng tốt. Trong thực tế, sự lắc của khối lượng hàng thường được dập tắt thông qua điều chỉnh chuyển động của xe con hoặc xe cầu do cầu trục không có bộ phận dẫn động cho chuyển động lắc. Ngoài ra, để nâng cao hiệu suất, khối lượng hàng thường được nâng và hạ trong khi xe con di chuyển, điều này làm cho chuyển động lắc nguy hiểm hơn. Trong các ứng dụng thực tế, quỹ đạo chuyển động của khối lượng hàng được chia thành ba giai đoạn chính: Giai đoạn tăng tốc, giai đoạn tốc độ bình ổn và giai đoạn giảm tốc. Khối lượng hàng thường được nâng lên trong vùng tăng tốc và được hạ xuống trong vùng giảm tốc. NCS: Vũ Văn Khoa 2 Cũng có thể phải nâng lên và hạ xuống nhanh trong lúc đang di chuyển ổn định trong vùng tốc độ bình ổn để tránh va chạm với các vật cản trên nền. Ở nước ta hiện nay chưa có nhiều công trình nghiên cứu chuyên sâu về cầu trục, đặc biệt là nghiên cứu phát triển các hệ thống cầu trục tự động. Các nghiên cứu hiện có chỉ tập trung vào động lực học cơ cấu dẫn động, chưa đáp ứng được yêu cầu trong việc tự chủ thiết kế, chế tạo cầu trục phục vụ các công trình, nhà máy trong nước, cũng như yêu cầu tự động hóa sản xuất. Vì vậy, việc nghiên cứu tính chất động lực học, thiết kế và điều khiển nhằm nâng cao hiệu quả làm việc của cầu trục phù hợp với điều kiện công nghệ trong nước trở nên rất cấp thiết và có ý nghĩa khoa học, thực tiễn cao. Xuất phát từ thức tế đó, NCS chọn đề tài “Mô hình hóa và điều khiển cầu trục nhằm nâng cao chất lượng làm việc”. 2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án Nghiên cứu các tính chất động lực học và điều khiển của hệ cầu trục, đề xuất các giải pháp điều khiển chống lắc và di chuyển hàng hoá chính xác nhằm nâng cao chất lượng làm việc của cầu trục, có khả năng áp dụng trong thiết kế, chế tạo hoặc cải tiến, nâng cấp họ cầu trục sử dụng trong công nghiệp. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án * Đối tượng nghiên cứu của luận án: Họ cầu trục trong các nhà máy cơ khí dẫn động bằng động cơ điện yêu cầu làm việc ở chế độ tự động với quy trình nâng hạ hàng hóa được định sẵn. * Phạm vi nghiên cứu của luận án: - Khảo sát tính chất động lực học của cầu trục. - Xây dựng cấu trục hệ thống điều khiển cầu trục dựa trên bộ điều khiển PID. NCS: Vũ Văn Khoa 3 - Tối ưu hóa các thông số bộ điều khiển PID bằng các giải thuật tối ưu Nelder-Mead (NM), giải thuật di truyền (GA) và giải thuật tối ưu bầy đàn (PSO). 4. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm kiểm chứng. Về lý thuyết: Trên cơ sở đối tượng nghiên cứu, xây dựng mô hình động lực học chuyển động của tháp cầu trục trong các trường hợp làm việc dưới dạng các hệ phương trình vi phân chuyển động. Xây dựng cấu trúc hệ thống điều khiển sử dụng bộ điều khiển PID cho cầu trục và thiết kế bộ điều khiển PID bằng các phương pháp chỉnh định trên cơ sở giải thuật tối ưu NelderMead, giải thuật di truyền và giải thuật tối ưu bầy đàn. Các tính toán được thực hiện nhờ chương trình máy tính lập trình trên phần mềm MATLABSIMULINK. Về thực nghiệm: Do điều kiện về thời gian và kinh phí, luận án giới hạn ở việc thiết kế, chế tạo mô hình cầu trục thử nghiệm sử dụng hệ thống truyền động điện với động cơ điện một chiều, cùng các cảm biến và phương tiện đo hiện đại. Tiến hành thử nghiệm và so sánh kết quả tính toán, mô phỏng giữa các trường hợp có và không có hệ thống điều khiển để kiểm chứng các kết quả lý thuyết. 5. Những đóng góp mới của luận án - Đã mô hình hóa hệ động lực học cầu trục, bao gồm cả mô hình cơ học và mô hình cơ điện ở tất cả các chế độ làm việc khác nhau của cầu trục. - Đề xuất được cấu trúc hệ thống điều khiển cầu trục tự động sử dụng bộ điều khiển PID nhằm điều khiển chính xác vị trí làm việc và chống lắc. - Bằng các giải thuật di truyền và giải thuật tối ưu bầy đàn, đã xây dựng thuật toán và tính toán tối ưu tham số của các bộ điều khiển PID nhằm nâng cao chất lượng làm việc của cầu trục. NCS: Vũ Văn Khoa 4 - Thiết kế chế tạo mô hình cầu trục mẫu và tiến hành thử nghiệm, kết quả thử nghiệm sơ bộ có thể đánh giá được tính hiệu quả, khả thi của cấu trúc hệ thống điều khiển cầu trục đề xuất. 6. Bố cục của luận án Luận án gồm phần mở đầu, bốn chương, phần kết luận và kiến nghị. Chương 1: Tổng quan về cầu trục và điều khiển cầu trục. Trình bày tổng quan về cầu trục, các phương pháp mô hình hóa và điều khiển cầu trục. Từ đó xác định phạm vi, đối tượng và mục tiêu nghiên cứu của luận án. Chương 2: Xây dựng mô hình động lực học cầu trục. Xây dựng mô hình động lực học chuyển động của cầu trục ở các chế độ làm việc, bao gồm cả mô hình cơ học và mô hình cơ điện. Các mô hình động lực học này là cơ sở cho các nghiên cứu khảo sát động lực học và tính toán, thiết kế các hệ thống điều khiển cầu trục. Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển tự động cho cầu trục. Đề xuất cấu trục hệ thống điều khiển cầu trục sử dụng bộ điều khiển PID. Thiết kế các bộ điều khiển PID bằng giải thuật tối ưu Nelder-Mead, giải thuật di truyền và giải thuật tối ưu bầy đàn. Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm. Thiết kế chế tạo mô hình cầu trục thử nghiệm. Thực nghiệm đánh giá các tính chất động lực học và điều khiển của cầu trục. Phân tích, so sánh kết quả thử nghiệm với kết quả nghiên cứu lý thuyết nhằm minh chứng tính xác thực của mô hình lý thuyết và tính khả thi của cấu trúc hệ thống điều khiển đề xuất. NCS: Vũ Văn Khoa 5 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ CẦU TRỤC VÀ ĐIỀU KHIỂN CẦU TRỤC 1.1. Khái niệm và phân loại cầu trục 1.1.1. Khái niệm cầu trục Cầu trục là tên gọi chung của máy trục kiểu cầu, di chuyển trên hai đường ray cố định trên kết cấu kim loại hoặc tường cao để vận chuyển các vật trong khoảng không (khẩu độ) giữa hai đường ray đó [2], [11]. 1.1.2. Các thành phần chính của cầu trục Mặc dù đa dạng về chủng loại, song về cơ bản đặc điểm cấu tạo của cầu trục bao gồm các bộ phận sau: bộ phận nâng hạ, bộ phận di chuyển xe cầu, bộ phận di chuyển xe con, hệ thống điều khiển và một số cơ cấu phụ để lấy, giữ hàng. Cấu tạo của cầu trục điển hình như trên Hình 1.1 Hình 1.1. Các thành phần chính của cầu trục 1- Dầm chính; 2- Dầm cuối; 3- Bánh xe di chuyển; 4- Cơ cấu di chuyển xe cầu; 5- Đường ray; 6- Xe con; 7- Cơ cấu nâng chính; 8- Cơ cấu nâng phụ; 9Cơ cấu di chuyển xe con; 10- Bộ góp điện; 11- Cabin; 12- Đường dây điện; 13- Đường lăn bánh xe con. NCS: Vũ Văn Khoa 6 Trên hình 1.1, xét về đặc điểm cấu tạo, cầu trục là một loại máy trục có phần kết cấu thép (dầm chính) liên kết với hai dầm ngang (dầm cuối), trên hai dầm ngang này có các bánh xe để di chuyển trên hai đường ray song đặt trên vai cột nhà xưởng hay trên giàn kết cấu thép. Cầu trục được sử dụng rất rộng rãi và tiện dụng để nâng hạ vật nặng, hàng hóa trong các nhà xưởng, phân xưởng cơ khí, nhà kho bến bãi… Dầm cầu được gọi là dầm chính thường có kết cấu hộp hoặc giàn, có thể có một hoặc hai dầm, trên đó có xe con và cơ cấu nâng di chuyển qua lại dọc theo dầm chính. Hai dầu của dầm chính liên kết hàn hoặc đinh tán với hai dầm cuối, trên mỗi dầm cuối có các cụm bánh xe, cụm bánh xe chủ động và cụm bánh xe bị động. Nhờ cơ cấu di chuyển cầu và kết hợp cơ cấu di chuyển xe con (hoặc pa lăng) mà cầu trục có thể nâng hạ vật ở bất cứ vị trí nào trong không gian phía dưới mà cầu trục bao quát. Như vậy, xét về tổng thể, cầu trục gồm có phần kết cấu thép (dầm chính, dầm cuối, sàn công tác, lan can), hệ thống thiết bị dẫn điều khiển và các cơ cấu chuyển động bao gồm: - Cơ cấu nâng hạ thực hiện nhiệm vụ nâng và hạ hàng; - Xe con và cơ cấu di chuyển xe con thực hiện nhiệm vụ di chuyển xe con và hàng hóa theo trục ngang; - Xe cầu và cơ cấu di chuyển cầu trục thực hiện nhiệm vụ di chuyển cả cầu trục (bao gồm xe con và khối lượng hàng) theo trục dọc. + Cơ cấu nâng - hạ Có hai loại chính: Loại dùng cho cầu trục một dầm là palăng điện hoặc palăng tay. Palăng điện hay palăng tay đều có khả năng di chuyển dọc theo dầm chính để nâng hạ vật. Các loại palăng này được chế tạo theo tải trọng và tốc độ nâng yêu cầu. NCS: Vũ Văn Khoa 7 Đối với các loại dầm thông thường, các cơ cấu nâng hạ được chế tạo và đặt trên xe con để có thể di chuyển dọc theo dầm chính. Trên xe con có từ một đến ba cơ câu nâng hạ. Ngoài ra, còn có cơ cấu phanh hãm, thường sử dụng ba loại: Phanh guốc, phanh đĩa và phanh đai. Nguyên lí hoạt động của các loại phanh này cơ bản giống nhau. Cơ cấu phanh hãm gồm có: Má phanh, cuộn dây nam châm phanh và đối trọng phanh. + Xe con và cơ cấu di chuyển xe con Là bộ phận chuyển động trên đường ray trên xe cầu, trên đó có đặt cơ cấu nâng hạ và cơ cấu di chuyển cho xe con. Tùy theo công dụng của cầu trục mà trên xe con có một hoặc hai, ba cơ cấu nâng hạ, gồm một cơ cấu nâng chính và một hoặc hai cơ cấu nâng phụ. Xe con di chuyển trên xe cầu và xe cầu di chuyển dọc theo phân xưởng hoặc nhà máy sẽ đáp ứng việc vận chuyển hàng hóa đến mọi nơi trong phân xưởng. + Xe cầu và cơ cấu di chuyển xe cầu Là một khung sắt hình chữ nhật, được thiết kế với kết cấu chịu lực, gồm một dầm chính chế tạo bằng thép, đặt cách nhau một khoảng tương ứng với khoảng cách của bánh xe con, bao quanh là một giàn khung. Hai dầm cầu được liên kết cơ khí với hai dầm ngang tạo thành một khung hình chữ nhật trong mặt phẳng ngang. Các bánh xe của cầu trục được thiết kế trên các dầm ngang của khung để cầu trục có thể chạy dọc suốt nhà xưởng một cách dễ dàng. Như vậy, khi nghiên cứu một hệ cầu trục, xe cầu, xe con và cơ cấu nâng hạ là ba đối tượng chính. 1.1.3. Các yêu cầu kỹ thuật của cầu trục Yêu cầu kỹ thuật đối với hệ truyền động sử dụng trong cầu trục [10], [12]: NCS: Vũ Văn Khoa 8 + Cần đảm bảo tốc độ nâng chuyển với tải trọng định mức Tốc độ chuyển động tối ưu của hàng hoá được nâng chuyển là điều kiện trước tiên để nâng cao năng suất bốc xếp hàng hoá, đưa lại hiệu quả kinh tế tốt nhất cho sự hoạt động của cầu trục. Nếu tốc độ thiết kế quá lớn sẽ đòi hỏi kích thước trọng lượng của các bộ truyền động cơ khí lớn, điều này dẫn đến giá thành chế tạo cao. Mặt khác tốc độ nâng hạ tối ưu đảm bảo cho hệ thống điều khiển chuyển động cho các cơ cấu thỏa mãn các yêu cầu về thời gian đảo chiều, thời gian hãm, làm việc liên tục trong chế độ quá độ, gia tốc và độ giật thoả mãn yêu cầu. Ngược lại, tốc độ quá thấp sẽ ảnh hưởng đến năng suất bốc xếp hàng hoá. Thông thường tốc độ chuyển động của hàng hoá ở chế độ định mức nằm trong phạm vi (0,2-l,0) m/s hay (12-60) m/phút. + Có khả năng thay đổi tốc độ trong phạm vi rộng: Phạm vi điều chỉnh tốc độ của các cơ cẩu điều khiển chuyển động là điều kiện cần thiết để nâng cao năng suất bốc xếp đồng thời thoả mãn yêu cầu của công nghệ bốc xếp với nhiều chủng loại hàng hoá. Cụ thể là: khi không có tải trọng hoặc chỉ có tải trọng nhẹ thì cần di chuyển với tốc độ cao, còn khi có yêu cầu khai thác phải có tốc độ thấp và ổn định để hạ hàng hoá vào đúng vị trí yêu cầu. Vì vậy số cấp tốc độ cho các cơ cấu điều khiển chuyển động của cầu trục ít nhất là 3 cấp tốc độ. Cấp tốc độ thấp nhằm thoả mãn công nghệ khi nâng và hạ hàng chạm đất, cấp tốc độ cao là tốc độ tối ưu cho từng cơ cấu, giữa hai cấp tốc độ này thường được thiết kế thêm các tốc độ trung gian để thoả mãn công nghệ bốc xếp hàng hoá cũng như sự ổn định của cầu trục. + Có khả năng rút ngắn thời gian quá độ: NCS: Vũ Văn Khoa