Tổng quan chiến lược áp dụng các kỹ thuật điều khiển vòng hở để điều khiển hệ thống cầu trục

Chí Linh, Việt Nam Ngày nhận bài: 4/10/2019 Ngày nhận bài sửa sau phản biện: 6/12/2019 Ngày chấp nhận đĕng: 31/12/2019 Tóm tắt Hệ thống cầu trục được sử dụng rất nhiều trong ngành vận tải. Do đó, việc điều khiển hệ thống cầu trục là một lĩnh vực nghiên cứu đặc biệt quan trọng. Vì bài viết đánh giá cuối cùng đã trình bày tổng quan về các phương pháp điều khiển cầu trục từ nĕm 2000 đến nĕm 2016, thiếu thông tin được thu thập và sắp xếp liên quan đến các bản cập nhật mới nhất về các chiến lược điều khiển cho các hệ thống điều khiển cầu trục. Do đó, bài viết này trình bày tổng quan chiến lược áp dụng các kỹ thuật điều khiển vòng hở mới nhất điều khiển hệ thống cầu trục từ nĕm 2001 đến nĕm 2019. Một đánh giá ngắn gọn về mô hình của hệ thống cầu trục con lắc đơn và con lắc đôi cũng được đưa ra, bài viết này cũng tóm tắt hầu hết các công việc liên quan đến việc áp dụng các kỹ thuật điều khiển vòng hở để điều khiển các hệ thống cầu trục đã được công bố trước đây. Ngoài ra, các hệ thống điều khiển chống xoay cho cần cẩu công nghiệp có sẵn trên thị trường được mô tả. Bài viết này sẽ hữu ích cho các nhà nghiên cứu mới khi xác định hướng nghiên cứu cho lĩnh vực đặc biệt quan tâm này. Từ khóa: Hệ thống cầu trục; điều khiển vòng hở; định hình đầu vào; làm mịn lệnh; bộ lọc. Abstract Crane system is used a lot in the transport industry. Therefore, the control of crane systems is a particularly important area of research. Because the final review article presented an overview of crane control methods from 2000 to 2016, there is a lack of information collected and organized regarding the latest updates on control strategies for crane control systems. Therefore, this article presents a overview of the strategy of applying the latest open loop control techniques that control the crane system from 2001 to 2019. A brief review of the model of the single and double pendulum crane is also provided, this article also summarizes most of the work involved in the application of ring control techniques open loop control the previously announced crane systems. In addition, anti-swing control systems for industrial cranes available on the market are described. This article will be useful for new researchers when identifying research directions for this area of particular interest. Keywords: Crane system; open loop control; input shaping; command smoothing; filters. Người phản biện: 1. GS.TSKH. Thân Ngọc Hoàn 2. PGS.TS. Trần Vệ Quốc 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Thế giới ngày càng phát triển, số lượng hàng hóa, vật liệu tại các nhà xưởng, bến cảng, công trình xây dựng, nhà máy luyện kim và các ngành công nghiệp khác ngày càng nhiều. Để nâng, hạ, lắp ghép, vận chuyển tất cả các loại hàng hóa và vật liệu này không thể thiếu cần cẩu, do cần cẩu có khả nĕng nâng, hạ, lắp ghép, vận chuyển những khối hàng hóa và vật liệu có trọng lượng lớn hoặc vật liệu nguy hiểm, tiết kiệm được thời gian và công sức [1, 2]. Ngoài ra, cần cẩu với ưu điểm không gian sàn nhỏ được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, chẳng hạn như cần trục tháp, cần trục và cầu trục [3]. Các cấu trúc này, được thể hiện trong hình 1. Để vận hành cầu trục được an toàn, kịp thời và hiệu quả cần điều khiển tối ưu ba thông số là vị trí xe nâng, dao động của móc và dao động của tải trọng [4]. 20 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Tạp chí Nghiên cứu khoa học,Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4 (67).2019 Hình 1. Cấu trúc của (a) cần cẩu; (b) cần trục tháp; và (c) cầu trục Tuy nhiên, khi vận hành giàn cầu trục trên không, góc lắc tự nhiên của móc, tải trọng và tác động bởi nhiễu gây ra như ma sát, gió, va chạm, sai lệch trục bánh xe và các khuyết tật trên đường ray làm cho những chức nĕng nâng, hạ, lắp ghép, vận chuyển của cầu trục hoạt động kém hiệu quả, đặc biệt tốc độ định vị chậm và độ chính xác định vị thấp, thậm chí điều chỉnh qua lại được lặp lại nhiều lần. Điều này không chỉ ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu quả sản xuất, mà còn gây nguy cơ tiềm tàng lớn cho hoạt động an toàn của công trường, như hư hỏng cơ học, tai nạn ngắn mạch, lật cầu trục. Theo dữ liệu thống kê đã chỉ ra rằng điều khiển cầu trục vận chuyển, lắp ghép truyền thống gây lãng phí hơn 30% cho việc điều chỉnh qua lại được lặp lại [5] và hơn 50% cầu trục đã bị lệch trục bánh xe, lật cầu trục mất an toàn nghiêm trọng [6], sự an toàn của cần cẩu trong ngành xây dựng cũng đã xem xét trong [7]. Ngày 11/9/2015 tại Mecca, Ả Rập Xêút đã xảy ra vụ tai nạn nghiêm trọng do cần cẩu gây ra [8]. Vụ tai nạn khiến 107 người chết và hơn 230 người bị thương xảy ra tại Nhà thờ Hồi giáo Lớn Ả Rập Xêút do gió mạnh và mưa lớn đã gây ra sự sụp đổ của cần cẩu. Vụ tai nạn sập cần cẩu tại thành phố Vinh làm cho 1 học sinh bị tử vong [9]. Vụ tai nạn gãy cần cẩu tại tỉnh Cà Mau làm cho 1 công nhân bị tử vong [10]. Một nghiên cứu trong [11] về các tai nạn cần cẩu cho thấy lý do chính của vụ tai nạn là trường hợp cần cẩu bị lật đổ và trường hợp nạn nhân bị tấn công do di chuyển trọng tải. Cả hai lý do tai nạn có thể là liên quan đến sự dao động của tải trọng. Do đó, để giảm thiểu các vụ tai nạn và điều khiển cần trục được hiệu quả thì cần phải nghiên cứu thiết kế các bộ điều khiển để điều khiển tốt vị trí xe nâng, dao động của móc và tải trọng. Chiến lược điều khiển vị trí cầu trục truyền thống tương đối đơn giản, dựa trên kinh nghiệm của chính người lái, khiến hiệu quả công việc không cao, mất thời gian và không đáp ứng kế hoạch sản xuất, gây thiệt hại nghiêm trọng về kinh tế. Vì vậy phải tìm ra phương pháp để điều khiển nhanh và chính xác vị trí xe nâng đồng thời điều khiển được góc lắc của móc và tải trọng nhỏ. Do đó sẽ là rất cấp bách để xác định các chiến lược điều khiển cải thiện hiệu suất của xe nâng và giảm dao động của móc, tải trọng. Trong những nĕm gần đây, nhiều học giả trong và ngoài nước đã thực hiện rất nhiều nghiên cứu về điều khiển vận hành cầu trục và đạt được những kết quả điều khiển nhất định. Trong đó phải kể đến tình trạng nghiên cứu của hệ thống vận hành cầu trục được bài báo [3] trình bày công việc nghiên cứu từ nĕm 1961 đến 2001 về phương pháp mô hình hóa cần cẩu và các kỹ thuật điều khiển khác nhau được sử dụng để điều khiển một số cần cẩu kiểu con lắc đơn. Tuy nhiên, mô hình cần cẩu kiểu con lắc đôi không được đề cập trong [3]. Một bài đánh giá ngắn gọn trong những nĕm gần đây cũng đã được trình bày trong [12]. Tuy nhiên, bài viết chỉ tập trung vào việc ứng dụng các phương pháp điều khiển thông minh để điều khiển cho các hệ thống cầu trục. Trong bài báo [13] đã trình bày công việc nghiên cứu từ nĕm 2000 đến 2016 về mô hình hệ thống cầu trục kiểu con lắc đơn, kiểu con lắc đôi, các kỹ thuật điều khiển chống xoay cho hệ thống cầu trục. Tuy nhiên, chưa có bài viết đánh giá tổng hợp trình bày về những đối tượng điều khiển này từ nĕm 2001 đến 2019. Vì vậy, bài báo này đã tiến hành trình bày đánh giá toàn diện chiến lược áp dụng các kỹ thuật điều khiển vòng hở mới nhất điều khiển hệ thống cầu trục từ nĕm 2001 đến 2019. Phần còn lại của bài báo được cấu trúc như sau: Phần 2 là Mô hình động lực của các hệ thống cần cẩu. Đề án điều khiển vòng hở được trình bày trong phần 3. Phần 4 là hệ thống điều khiển chống xoay cho cần cẩu công nghiệp. Phần 5 là Kết luận. 2. MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC CỦA CÁC HỆ THỐNG CẦN CẨU 2. 1. Hệ thống cần cẩu kiểu con lắc đơn Một số mô hình động lực học của các cần cẩu kiểu con lắc đơn đã được các nhà nghiên cứu sử dụng phương trình Lagrangian để thiết lập mô hình động lực học [14, 15, 16, 17], mô hình hóa cần cẩu container [18, 19], mô hình hóa cần cẩu tháp [20, 21], cơ học Lagrangian được áp dụng để tạo thành mô hình động lực học cho cần cẩu bánh xích [22], dựa trên phân tích nhiễu sóng biển, mô hình động lực học được thiết lập bằng cách sử dụng phương pháp Lagrange [23, 24, 25, 26], mô hình hóa một cần trục hai chiều (2D) [27], mô hình hóa một cần trục ba chiều (3D) [28, 29, 30] và sử dụng phương pháp đồ thị trái phiếu để mô hình hóa cần cẩu ngoài khơi [31], Takagi-Sugeno [32], phân tích phần tử hữu hạn [33], phân tích mô hình dựa trên máy tính [34] và các phương pháp khác [35, 36]. Mặt khác, để có được một mô hình động lực học chính xác hơn, một số nhà nghiên cứu đã đưa vào một số tham số khác như độ đàn hồi, giảm xóc, ma sát trong ổ đỡ và sức cản không khí trong các mô hình động để mô hình hóa cần trục 21 LIÊN NGÀNH ĐIỆN - ĐIỆN TỬ - TỰ ĐỘNG HÓA Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4 (67).2019 [37], một số nhà nghiên cứu cũng đã xem xét thay đổi chiều dài cáp và khối lượng tải trọng trong mô hình mô phỏng [28, 35, 38]. Ngoài ra, một mô hình bao gồm phương trình điều khiển động cơ của hệ thống đã được đề xuất và thử nghiệm thành công trên cần cẩu công nghiệp 10 tấn [1], các phương trình chuyển động cho hệ thống cầu trục với sự hiện diện của hai tải trọng song song trên giới hạn chiều dài xe đẩy và đường ray được thiết lập thông qua phương trình Euler-Lagrange [39], các phương trình chuyển động của cần trục phi tuyến với ma sát được thiết lập thông qua phương trình Euler-Lagrange [40]. 2. 2. Hệ thống cần cẩu kiểu con lắc đôi Một số mô hình động lực học của các cần cẩu kiểu con lắc đôi đã được các nhà nghiên cứu sử dụng phương trình Lagrangian để thiết lập mô hình động lực học cho cần cẩu [41, 42, 43, 44, 45, 46], cần trục tháp [47], một số nhà nghiên cứu đã xem xét các giả định không có ma sát, cáp cứng và không có khối lượng, móc và tải trọng điểm khối trong các mô hình động để mô hình hóa cầu trục [48, 49]. Mặt khác, để có được một mô hình động lực học chính xác hơn, một số nhà nghiên cứu đã đưa vào một số tham số khác như thay đổi thông số khối lượng tải, chiều dài cáp, ma sát và sức cản không khí trong các mô hình động để mô hình hóa cầu trục [4], một số nhà nghiên cứu đã sử dụng công thức Euler-Lagrange để thiết lập mô hình động lực học của hệ thống cầu trục [50]. Ngoài ra, một mô hình động lực học của hệ thống cầu trục trục kép (DOCS) đã được thiết lập bằng cách sử dụng phương pháp mô hình Lagrangian [51], các phương trình động của cầu trục có chiều dài cáp không đổi đã được thiết lập bằng cách sử dụng phương pháp mô hình Lagrangian [52], một mô hình động lực học cho cần cẩu nhiều dây đã được thiết lập trong [53], bằng cách sử dụng phương pháp mô hình Lagrangian, một mô hình động lực học cho sự phối hợp giữa các cần cẩu đã được thiết lập trong [54] bằng cách sử dụng phương pháp mô hình Lagrangian, sử dụng phương trình Lagrangian để thiết lập mô hình động lực học cho cầu trục [55] với các ràng buộc vật lý của bộ truyền động bao gồm vận tốc giới hạn và gia tốc giới hạn đã được đưa vào hệ thống. Trong bài báo này, một công thức ngắn gọn để mô hình hóa một cần cẩu trên không bằng phương pháp Lagrangian được đưa ra. Sơ đồ của hệ thống cần trục trên cao con lắc đôi được minh họa trong hình 2. Các thông số và các giá trị được lấy theo tỷ lệ với giá trị thực tế như trong bảng 1. Hệ thống này có thể được mô hình hóa như là một xe nâng với khối lượng M. Một cái móc gắn liền với nó có trọng lượng m 1 , l 1 là chiều dài cáp treo móc, m 2 là trọng lượng của tải trọng, l 2 là chiều dài cáp treo tải trọng, q1 là góc lắc của móc, q1 là vận tốc góc của móc, q2 là góc lắc của tải trọng, q2 là vận tốc góc của tải trọng. Giàn cần trục di chuyển với một lực đẩy F (N). Giả sử các dây cáp không có khối lượng và cứng. Bảng 1. Ký hiệu và giá trị các thông số giàn cần trục kiểu con lắc đôi Ký hiệu Mô tả Giá trị Đơn vị M Khối lượng xe nâng 24 kg m 1 Trọng lượng của móc 7 kg m 2 Trọng lượng của tải trọng 10 kg l 1 Chiều dài cáp treo móc 2 m l 2 Chiều dài cáp treo tải trọng 0.6 m q Hằng số hấp dẫn 9,81 m/s2 Hình 2. Sơ đồ của hệ thống giàn cần trục kiểu con lắc đôi Các phương trình chuyển động có thể thu được bằng cách: Theo phương trình Lagrangian: Trong đó: q i : hệ tọa độ suy rộng; i: số bậc tự do của hệ thống; Q i : lực bên ngoài, L = T − P; P: thế nĕng của hệ thống; T: động nĕng của hệ thống. Thế nĕng của hệ thống là: Thay thế (2), (3) vào (1) ta có phương trình phi tuyến chuyển động của hệ thống giàn cần trục kiểu con lắc đôi như sau: !!" ! #$#%̇!" − #$#%! = 𝑄𝑄' (1) 𝑇𝑇 = 𝑇𝑇! + 𝑇𝑇"# + 𝑇𝑇"% = 12𝛭𝛭�̇�𝑥% +12𝑚𝑚#+�̇�𝑥% + 𝑙𝑙#%�̇�𝜃#% + 2�̇�𝑥𝑙𝑙#�̇�𝜃#𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝜃𝜃#1 + #%𝑚𝑚%(�̇�𝑥% + 𝑙𝑙#%�̇�𝜃#% + 𝑙𝑙%%�̇�𝜃%% + 2�̇�𝑥𝑙𝑙#�̇�𝜃#𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝜃𝜃# + 2�̇�𝑥𝑙𝑙%�̇�𝜃%𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝜃𝜃% + 2𝑙𝑙#𝑙𝑙%�̇�𝜃#�̇�𝜃%𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐(𝜃𝜃# − 𝜃𝜃%)) (2) 𝑃𝑃 = (𝑚𝑚! +𝑚𝑚")𝑔𝑔𝑙𝑙!(1 − 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝜃𝜃!) + 𝑚𝑚"𝑔𝑔𝑙𝑙"(1 − 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝜃𝜃") (3) 𝑎𝑎!�̈�𝑥 + 𝑎𝑎"(�̈�𝜃!𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝜃𝜃! − �̇�𝜃!"𝑐𝑐𝑠𝑠𝑠𝑠𝜃𝜃!) +𝑎𝑎#/�̈�𝜃"𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝜃𝜃" − �̇�𝜃""𝑐𝑐𝑠𝑠𝑠𝑠𝜃𝜃"0 = 𝐹𝐹 − 𝐹𝐹$% + 𝐹𝐹& (4) . . 22 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Tạp chí Nghiên cứu khoa học,Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4 (67).2019 Trong đó: Mô hình toán của hệ thống mà nhóm tác giả đề xuất khác với mô hình toán trong bài báo [13] và một số bài báo khác là một số tham số khác như các hệ số giảm xóc nhớt liên quan đến chuyển động của xe đẩy, móc, các tấm tương ứng và các tham số liên quan đến ma sát đã được đưa vào trong các mô hình động để mô hình hóa hệ thống giàn cầu trục. Mô hình động lực của hệ thống giàn cần trục đã thiết kế được mô phỏng trên phần mềm MATLAB/ Simulink trong trường hợp không có các thiết bị điều khiển để xác minh tính chính xác của mô hình động lực, đồng thời đặt nền móng vững chắc cho các nghiên cứu thử nghiệm trong mô hình này. Mô phỏng mô hình động lực với các tham số hệ thống được sử dụng trong bảng 1 và u = 100 N. Chúng ta có kết quả mô phỏng như thể hiện trong hình 3. Hình 3. Đường đặc tính đáp ứng vị trí của xe nâng, góc lắc của móc và góc lắc của tải trọng Trong đó: x 1 : đường đặc tính đáp ứng vị trí của xe nâng liên tục tĕng dần theo thời gian; q1, q2: đường đặc tính đáp ứng góc lắc của móc và góc lắc của tải trọng liên tục lắc mạnh không ngừng. Đây là một hiện tượng con lắc đôi phức tạp làm cho khả nĕng định vị thiếu chính xác và gây mất an toàn.Vì vậy, với kết quả mô phỏng trên được xác minh là phù hợp với đặc tính động lực của hệ thống giàn cần trục. 3. ĐỀ ÁN ĐIỀU KHIỂN VÒNG HỞ Để thực hiện các chiến lược điều khiển vòng hở cho các hệ thống cầu trục đến được vị trí mong (5) 𝑎𝑎!�̈�𝜃" + 𝑎𝑎#�̈�𝜃$𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐(𝜃𝜃" − 𝜃𝜃$) + 𝑎𝑎#�̇�𝜃$$𝑐𝑐𝑠𝑠𝑠𝑠(𝜃𝜃" − 𝜃𝜃$) + (𝑚𝑚" +𝑚𝑚$)𝑔𝑔𝑙𝑙"𝑐𝑐𝑠𝑠𝑠𝑠𝜃𝜃" + 𝑎𝑎$𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝜃𝜃"�̈�𝑥 = 𝐹𝐹%! (6) 𝑎𝑎!𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝜃𝜃"�̈�𝑥 + 𝑎𝑎#�̈�𝜃$𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐(𝜃𝜃$ − 𝜃𝜃") + 𝑎𝑎%�̈�𝜃" −𝑎𝑎#�̇�𝜃$"𝑐𝑐𝑠𝑠𝑠𝑠(𝜃𝜃$ − 𝜃𝜃") + 𝑎𝑎!𝑔𝑔𝑐𝑐𝑠𝑠𝑠𝑠𝜃𝜃" = 𝐹𝐹&! 𝑎𝑎! =(𝑀𝑀 +𝑚𝑚! +𝑚𝑚"),𝑎𝑎" =(𝑚𝑚! +𝑚𝑚")𝑙𝑙!,𝑎𝑎# = 𝑚𝑚"𝑙𝑙"， 𝑎𝑎$ =(𝑚𝑚! +𝑚𝑚")𝑙𝑙!", 𝑎𝑎%=𝑚𝑚"𝑙𝑙!𝑙𝑙", 𝑎𝑎&=𝑚𝑚"𝑙𝑙"". muốn trong thời gian ngắn, đồng thời kiểm soát được góc xoay của móc và tải trọng nhỏ. Trong nội dung này, trọng tâm là đánh giá ngắn gọn về ba kỹ thuật điều khiển vòng hở chính, cụ thể là định hình đầu vào, làm mịn lệnh và bộ lọc. Hình 4 cho thấy một sơ đồ khối để thực hiện các chiến lược điều khiển vòng hở cho các hệ thống cầu trục [13]. Hình 4. Sơ đồ khối của các chiến lược điều khiển vòng hở cho hệ thống cầu trục 3.1. Định hình đầu vào Định hình đầu vào đã được nhiều nhà nghiên cứu sử dụng một cách phổ biến nhằm giảm thiểu các chuyển động gây ra bởi các rung động hoặc dao động của cần cẩu, đồng thời có thể được áp dụng trong thời gian thực. Trong các tài liệu [56-64] đã sử dụng định hình đầu vào để điều khiển cần trục, độ rung động của hệ thống cần trục đã được giảm bởi sự kết hợp giữa tín hiệu đầu vào với một chuỗi các xung được thiết kế dựa trên tần số tự nhiên và tỷ lệ giảm chấn của hệ thống cần trục. Trong [65] đã sử dụng lệnh định hình để điều khiển các cấu trúc linh hoạt, định hình đầu vào cho cầu trục [66], cần cẩu container [67-70], cần trục khí nén và cần cẩu [71, 72], cần trục quay [73-75], dựa trên phân tích tuyến tính hoặc hệ thống tuyến tính để định hình đầu vào cho cầu trục [76, 77]. Trong [76] cũng đã sử dụng thuật toán định hình mới để phù hợp với các hệ thống phi tuyến mạnh hơn cho cần trục tháp. Định hình đầu vào có ưu điểm dễ thực hiện, chi phí thấp và không yêu cầu thêm cảm biến [78]. Tuy nhiên, định hình đầu vào hoạt động kém với các nhiễu bên ngoài và với tần số dao động [79], đồng thời góc lắc ban đầu phải bằng 0 [78]. Một số nhà nghiên cứu đã kết hợp sơ đồ kiểm soát phản hồi với một máy ép hình đầu vào để điều khiển cần cẩu [80-83]. Trong đó sơ đồ phản hồi sẽ điều khiển vị trí giỏ hàng, đồng thời cũng có thể phát hiện, loại bỏ các nhiễu loạn từ bên ngoài tác động vào hệ thống và một hình dạng đầu vào để triệt tiêu dao động của móc và tải trọng. Trong [84], một hệ thống cần cẩu kiểu con lắc đôi chịu các nhiễu loạn bên ngoài đã được điều khiển bởi định hình đầu vào kết hợp với kiểm soát phản hồi. Trong [85] đã thiết kế một máy tạo lệnh lai trên hai con lắc. Hình 5 minh họa sơ đồ khối của chiến lược điều khiển lai cho hệ thống cầu trục [13]. Hình 5. Sơ đồ khối của chiến lược điều khiển lai cho hệ thống cầu trục 23 LIÊN NGÀNH ĐIỆN - ĐIỆN TỬ - TỰ ĐỘNG HÓA Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4 (67).2019 Ngoài ra, một số bài báo khác đã sử dụng kỹ thuật định hình đầu vào bằng cách sử dụng tốc độ đầu ra của hệ thống cầu trục [86]. Trong [17], một hình dạng đầu vào dựa trên mạng thần kinh được đào tạo bằng cách tối ưu hóa dòng hạt để giảm thiểu dao động của tải trong quá trình nâng và trong các trường hợp thông số của tải trọng thay đổi. Một sơ đồ nhận dạng đầu vào tự động khả thi được thực hiện bởi các bộ điều khiển logic lập trình công nghiệp cũng được trình bày để định hình tín hiệu đầu vào để giảm dao động tải trọng cho cần cẩu 3D [83]. Sử dụng kỹ thuật định hình đầu vào chức nĕng liên tục [87], sử dụng kỹ thuật định hình đầu vào điều chế tần số [88] và sử dụng kỹ thuật định hình đầu vào với độ trễ phân tán [89]. Trong [90], một cần trục ba chiều (3D) phi tuyến với ma sát đã được điều khiển bởi sơ đồ định hình đầu vào được cải tiến bằng thuật toán tối ưu hóa dòng hạt (PSO). Để đối phó với độ không đảm bảo của tham số hệ thống, trong [91] đã đề xuất một hình dạng đầu vào thích ứng dựa trên sự thay đổi tần số chế độ linh hoạt. Trong [92] đã đề xuất một định dạng lệnh trì hoãn thời gian thích ứng cho cả hệ thống. Trong [93] đã thiết kế việc định hình lệnh thích ứng miền thời gian mà không cần phải lấy thông tin tham số hệ thống. Trong [30], cần cẩu trên không 3D đã được điều khiển bởi phương pháp định hình lệnh dựa trên đầu ra thích ứng. Trong [94] đã thiết kế định hình đầu vào thích ứng cho cần trục trên không, cần cẩu 3D [95], định hình đầu vào thích ứng được sửa đổi định hình [96] và định hình đầu vào thích ứng cho cần trục có các thông số hệ thống thay đổi [97]. 3.2. Làm mịn lệnh Làm mịn lệnh là một trong những kỹ thuật điều khiển vòng hở có thể triệt tiêu được rất nhiều rung động trong hệ thống thông qua việc làm mịn lệnh ban đầu bằng cách ước tính tần số tự nhiên của hệ thống và tỷ lệ giảm xóc hệ thống [94]. Trong [98, 99], các nhà nghiên cứu đã sử dụng làm mịn lệnh để triệt tiêu dao động của cần trục. Trong [100] đã thực hiện so sánh về chức nĕng bước hình đầu vào và làm mịn lệnh bằng cách sử dụng đường cong S. Kết quả chức nĕng bước hình đầu vào có hiệu quả hơn khi triệt tiêu các dao động của tải trọng, mạnh mẽ đối với các lỗi mô hình hóa và có khả nĕng di chuyển nhanh hơn lệnh đường cong S. Kỹ thuật làm mịn lệnh được kết hợp với lệnh từ chối gió để điều khiển cần trục [101]. Trong [102] đã đề xuất một kỹ thuật để tạo ra một cấu hình gia tốc được xác nhận bằng cách sử dụng mô hình tỷ lệ của cần trục. 3.3. Bộ lọc Việc thiết kế các bộ lọc để điều khiển cần trục cũng là một trong những kỹ thuật điều khiển vòng hở được nhiều nhà nghiên cứu sử dụng để điều khiển ảnh hưởng của tải trọng cầu trục. Một số nghiên cứu liên quan đến các bộ lọc phản hồi xung vô hạn (IIR) đã được thực hiện để điều khiển cần trục [103-105]. Tuy nhiên, bộ lọc IIR có nhược điểm là không có pha chính xác và chúng thường khó điều khiển. Để khắc phục nhược điểm này, một số nhà nghiên cứu đã sử dụng bộ lọc phản hồi xung hữu hạn (FIR) với ưu điểm luôn có pha tuyến tính và dễ điều khiển để điều khiển cần trục [106-108]. Trong [109] đã thiết kế định hình đầu vào bằng bộ lọc FIR. Trong [110] đã nghiên cứu chuyển tiếp cấp dữ liệu FIR đa đầu ra cho điều khiển theo dõi. 4. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHỐNG XOAY CHO CẦN CẨU CÔNG NGHIỆP Vì kiểm soát cần trục rất quan trọng để tĕng nĕng suất và an toàn, do đó, trong những nĕm gần đây đã có nhiều công ty, nhà máy, xí nghiệp và bến cảng đã đặt hàng mua nhiều cần cẩu xếp tự động để tĕng tính tự động hóa, tĕng nĕng suất và an toàn khi vận hành cầu trục. Để đáp ứng với nhu cầu thực tế này, nhiều công ty đã tập trung nghiên cứu, phát triển và chế tạo ra các hệ thống điều khiển cầu trục công nghiệp hoạt động hiệu quả, an toàn, định vị nhanh và có khả nĕng loại bỏ tốt dao động của tải trọng. Các sản phẩm chủ yếu nhằm mục đích tĕng tốc thời gian xử lý và giảm gánh nặng công việc của người vận hành. Trong đó phải kể đến một số các hệ thống điều khiển chống lắc đã có sẵn trên thị trường cụ thể như sau: sản phẩm DynAPilot Sway Control System được sản xuất bởi công ty KONECRANES [111], hệ thống điều khiển lắc SIMOCRane được sản xuất bởi công ty SIEMENS [112], sản phẩm EXPERTOPERATOR Crane Controls được sản xuất bởi công ty CAMotion Inc and PaR Systems [113], Sway Control System Series 2 được sản xuất bởi công ty MAGNETEK [114], AntiswayComplete được sản xuất bởi công ty SmartCrane LLC [115], Crane control and safety with the ACS880 industrial drives được sản xuất bởi công ty ABB [116]. 5. KẾT LUẬN Bài viết này đã tổng quan chiến lược áp dụng các kỹ thuật điều khiển vòng hở mới nhất điều khiển hệ thống cầu trục từ nĕm 2001 đến 2019. Điều khiển vòng hở cho các hệ thống cầu trục có ưu điểm rất dễ thực hiện, không cần các cảm biến để đo góc lắc của móc và tải trọng, tiết kiệm được chi phí, triệt tiêu được nhiều rung động trong hệ thống, kiểm soát mức độ ảnh hưởng của tải trọng và đầu vào điều khiển thường không tính đến các thay đổi của hệ thống, đồng thời đã điều khiển được chính xác vị trí xe nâng trong thời gian ngắn và điều khiển được góc xoay tải trọng nhỏ. Tuy nhiên, nhược điểm chính của phương pháp điều khiển vòng hở là nó hoạt động kém hiệu quả với các nhiễu loạn bên ngoài tác động vào hệ thống như gió, sóng biển hoặc ma sát phi tuyến và với tần số dao động, đồng thời góc lắc ban đầu phải bằng 0. Do đó, hương nghiên cứu trong tương lai của nhóm tác giả là đánh giá toàn diện chiến lược 24 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Tạp chí Nghiên cứu khoa học,Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4 (67).2019 áp dụng các kỹ thuật điều khiển vòng kín và các phương pháp điều khiển khác để điều khiển hệ thống cầu trục. Bài báo này dự kiến sẽ thúc đẩy và tạo ra ý tưởng cho các nhà nghiên cứu mới có thể tĕng cường và cải thiện các đề án hiện có hướng tới các chiến lược điều khiển hiệu quả hơn cho các hệ thống cầu trục khác nhau. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] K L. Sorensen, W Singhose, S Dickerson (2007), A controller enabling precise positioning and sway reduction in bridge and gantry cranes, Control Engineering Practice 15. 825-837. [2] Ngo QH, Hong KS (2012), Sliding-mode antisway control of an offshore container crane, IEEE/ASME Trans Mechatronics;17(2):201-209. [3] E.M. Abdel-Rahman, A.H. Nayfeh, Z.N. Masoud (2003), Dynamics and control of cranes: a review, J. Vib. Control. 9. 863-908. [4] M Zhang, X Ma, X Rong, X Tian, Y Li (2016), Adaptive tracking control for double-pendulum overhead cranes subject to tracking error limitation, parametric uncertainties and external disturbances, M S and S P 76-77. 15-32. [5] C Liu, H. Zhao, Y. Cui (2011), Research on application of fuzzy adaptive PID controller in bridge crane control system, in: Int. Conf. Control. Autom. Syst. Eng., IEEE, Beijing. China, pp. 1-4. [6] Ermidoro M, Cologni A L, F S, et al (2016), Fixed-order gain-scheduling anti-sway control of overhead bridge cranes[J]. M; 39:237-247. [7] R.L. Neitzel, N.S. Seixas, K.K. Ren (2001), A review of crane safety in the construction industry, Appl. Occup. Environ. Hyg. 16. 1106-1117. [8] BBC News (2015), Mecca crane collapse: 107 dead at Saudi Arabia’s grand mosque, (accessed 30.12.2019). [9] Vietnamnet.vn (2016), The Department of Construction was surprised because the crane collapsed into the school, , (accessed 30.12.2019). [10] Baomoi.com (2019), Broken crane, a worker was crushed to death, , (accessed 30.12.2019). [11] S. Rishmawi (2016), Tip-Over Stability Analysis of Crawler Cranes in Heavy Lifting Applications Master’s Thesis, Georgia Institute of Technology. [12] P. Hyla (2012), The crane control systems: a survey, in: 17th Int, Conf. Methods Model. Autom. Robot., Miedzyzdroje, Poland, pp. 505–509. [13] L Ramli, Z. Mohamed, A M. A, H.I. J, I. M. L (2017), Control strategies for crane systems: A comprehensive review, M S and S P 95. 1-23. [14] R.M.T. R. I, M.A. A, M.S. R, F.R.M. R (2010), Nonlinear dynamic modelling and analysis of a 3-D overhead gantry crane system with system parameters variation, Int. J. Simul. Syst. Sci. Technol. 11. 9-16. [15] N Sun, Yongchun Fang (2014), Nonlinear tracking control of underactuated cranes with load transferring and lowering: T and e. A 50. 2350-2357. [16] V.S. Renuka, A.T. M (2013), Precise modelling of a gantry crane system including friction, 3D angular swing and hoisting cable flexibility, Int. J. Theor. Appl. Res. Mech. Eng. 2. 119-125. [17] L. R, Z. M, H.I. J (2018), A neural network- based input shaping for swing suppression of an overhead crane under payload hoisting and mass variations, M S and S P 107 484-501. [18] N.D. Zrnic´, K. Hoffmann, S.M. Bošnjak (2009), Modelling of dynamic interaction between structure and trolley for mega container cranes, M. C. Model. Dyn. Syst. 15. 295-311. [19] E. Pap, M. Georgijević, V. Bojanić, G. Bojanić (2010), Pseudo-analysis application in complex mechanical systems modelling of container quay cranes, in: SIISY. IEEE Int. S. Intell. Syst. I, Subotica, Serbia, pp. 493-496. [20] A T Le, S-G Lee (2017), 3D cooperative control of tower cranes using robust adaptive techniques, Journal of the Franklin Institute 354. 8333-8357. [21] H Chen, Yc Fang, N Sun (2019), An adaptive tracking control method with swing suppression for 4-DOF tower crane systems, Mechanical Systems and Signal Processing 123 426-442. [22] L A Tuan, S-G Lee (2018), Modeling and advanced sliding mode controls of crawler cranes considering wire rope elasticity and complicated operations, M S and S P 103. 250-263. [23] Yuzhe Qian, Yongchun Fang, Biao Lu (2019), Adaptive robust tracking control for an offshore ship-mounted crane subject to unmatched sea wave disturbances, M S and S P 114. 556-570. [24] Yuzhe Qian, Yongchun Fang, Biao Lu (2017), Adaptive repetitive learning control for an offshore boom crane, Automatica 82. 21-28. [25] Q H Ngo, N P Nguyen, C N Nguyen, T H Tran, Q P Ha (2017), Fuzzy sliding mode control of an offshore container crane, Ocean E 140 125-134. [26] R.M.T. R Ismail, N D. That, Q.P. Ha (2015), Modelling and robust trajectory following for offshore container crane systems, Automation in Construction 59. 179-187. [27] Dt Liu, JqYi, Db Zhao, W Wang (2005), Adaptive sliding mode fuzzy control for a two-dimensional overhead crane, M 15. 505-522. [28] M. Pauluk (2016), Optimal and robust control of 3D crane, Prz. Elektrotechniczny 92. 206-212. [29] Xq Wu, Xx He (2016), Partial feedback linearization control for 3-D underactuated overhead crane systems, ISA T 65 361-370. [30] A M. Abdullahi, Z. M, H. S, H R. P , M.S. Z A, F.S. I, A. H (2018), Adaptive output-based command shaping for sway control of a 3D overhead crane with payload hoisting and wind disturbance, M S and S P 98. 157-172. [31] Y. Chu, V. Aesoy, H. Zhang, O. Bunes (2014), Modelling and simulation of an offshore hydraulic crane. in: Proc. - 28th Eur, Conf. Model. Simulation, ECMS, B, Italy, 2014, pp. 87-93. [32] Zhao Y, Gao H (2012), Fuzzy-model-based control of an overhead crane with input delay and actuator saturation. IEEE T F Syst;20(1):181-186. [33] I. Gerdemeli, S. Kurt, O. Deliktaᶊ (2010), Finite element analysis of the tower crane, in: 14th Int. Res. Conf. Mediterranean Cruise, pp. 561-564. 25 LIÊN NGÀNH ĐIỆN - ĐIỆN TỬ - TỰ ĐỘNG HÓA Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4 (67).2019 [34] H. Abdel-Khalek, K. Shawki, M. Adel (2013), A Computer-based model for optimizing the location of single tower crane in construction sites, Int. J. Eng. Sci. Innov. Technol. 2. 438-446. [35] K.A.F. Moustafa, E.H. G, A.M.A. El-M, M.I.S. I (2005), Modelling and control of overhead cranes with flexible variable-length cable by finite element method, T. I. M. C. 27 1-20. [36] W. Xu, B. Liu, J. Chu, X. Zhou (2012), An anti- swing and positioning controller for overhead cranes based on multi-sliding mode method. Adv. Mater, Res. 468-471. 328-334. [37] I. Marinović, D. S, B. J (2012), A slewing crane payload dynamics, Teh. Vjesn. 19. 907–916. [38] L. A. T, A. J, G.H. K, S.G. L (2011), Feedback linearization control of o