ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------------------------

HỒ NHẬT AN

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG CÂN BẰNG
CHO TÀU VỚT LỤC BÌNH

STUDY ON DESIGN OF SELF-BALANCING SYSTEM
FOR HARVESTER MACHINES

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử
Mã số: 8520114

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 7 năm 2023


Cơng trình được hồn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TpHCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS Nguyễn Thanh Phương

Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS.TS Trương Nguyễn Luân Vũ

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc
gia Thành phố Hồ Chí Minh ngày 07 tháng 07 năm 2023.
Thành phần Hội đồng đánh giá đề cương luận văn thạc sĩ gồm:
1. Chủ tịch: PGS.TS Nguyễn Duy Anh

2. Thư ký: TS. Phùng Thanh Huy
3. Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Thanh Phương
4. Phản biện 2: PGS.TS Trương Nguyễn Luân Vũ
5. Ủy viên: TS. Trần Việt Hồng
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn và Trưởng khoa quản lý
chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ


i

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lậ p - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên:

HỒ NHẬT AN

MSHV:

2070296

Ngày tháng năm sinh:


01/5/1997

Nơi sinh:

TpHCM

Chuyên ngành:

Kỹ thuật Cơ điện tử

Mã số:

8520114

TÊN ĐỀ TÀI

I.

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG CÂN BẰNG CHO TÀU VỚT LỤC
BÌNH (STUDY ON DESIGN OF SELF-BALANCING SYSTEM FOR
HARVESTER MACHINES)
II.

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG
- Tìm hiểu tổng quan về hệ thống cân bằng cho phương tiện nổi áp dụng cho tàu

vớt lục bình;
- Tìm hiểu về các phương án cân bằng, phương án truyền động cho hệ cân bằng và
phương án thiết kế bộ điều khiển cho tàu vớt lục bình;

- Mơ hình hóa và thiết kế bộ điều khiển cân bằng cho tàu vớt lục bình;
- Mơ phỏng đáp ứng bộ điều khiển đã thiết kế cho tàu vớt lục bình;
- Thực nghiệm bộ điều khiển đã thiết kế cho tàu vớt lục bình;
- Đưa ra kết luận và hướng phát triển đề tài.
III.

NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

06/02/2023

IV.

NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 11/06/2023

V.

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS. NGUYỄN TẤN TIẾN
Tp.HCM ngày … tháng … năm 2023
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến
TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ


ii

LỜI CẢM ƠN
Để có thể hồn thành được luận văn thạc sĩ này, tôi xin gửi lời cảm ơn

chân thành đến thầy PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến - Người đã định hướng, giúp đỡ
và hướng dẫn cho tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn. Thầy đã giúp tôi
mở mang thêm nhiều kiến thức hữu ích về ngành Cơ điện tử. Đồng thời, thầy
cũng là người cho tôi những lời khuyên vô cùng quý giá về cả kiến thức chuyên
môn cũng như định hướng phát triển sự nghiệp. Một lần nữa, tôi xin cảm ơn
đến thầy bằng tất cả tấm lịng và sự biết ơn của mình.
Tơi xin cảm ơn các quý thầy cô trong bộ môn Cơ điện tử - Khoa Cơ khí
– Trường Đại học Bách khoa – Đại học Quốc gia Tp.HCM đã truyền đạt cho
tôi những kiến thức chuyên ngành, kỹ năng nghiên cứu khoa học cũng như
những kỹ năng chuyên môn trong lĩnh vực Cơ điện tử.
Tôi xin cảm ơn các anh chị tại Ban Quản lý Đường sắt đô thị Tp.HCM
đã hỗ trợ, giúp đỡ nhiệt tình trong cơng việc và tạo điều kiện cho tơi chun
tâm vào việc nghiên cứu và hồn thành luận văn sớm nhất.
Sau cùng, tơi xin tỏ lịng biết ơn đến ba mẹ, anh chị em và những người
bạn đã luôn bên cạnh ủng hộ, động viên tôi trong khoảng thời gian thực hiện
luận văn này.
Chân thành cảm ơn và xin chúc những điều tốt đẹp nhất sẽ đến với tất cả
mọi người./.
Hồ Nhật An


iii

TĨM TẮT
Luận văn trình bày giải pháp cân bằng tự động cho tổ hợp thiết bị thu gom lục
bình hoạt động trên các kênh rạch. Cân bằng cho các thiết bị làm việc trên mặt nước
là vấn đề cần được quan tâm nhằm đảm bảo an tồn trong q trình vận hành. Dựa
vào khoảng trống thực tế trong khoang hầm hoặc trên boong thiết bị mà ta sẽ bố trí
hệ thống cân bằng sao cho phù hợp. Giải pháp ở đây là sử dụng các vật nặng đối trọng
được điều khiển theo hai phương vng góc tạo ra mơ men cân bằng cho thiết bị. Bộ

điều khiển trượt đơn giản được sử dụng để điều khiển các vật đối trọng sao cho thiết
bị ln trong trạng thái an tồn. Kết quả mô phỏng bằng Matlab và thực nghiệm sẽ
chứng minh khả năng ứng dụng của giải pháp này.

ABSTRACT
The thesis presents the self-balancing solution for water hyacinth automatic
harvester machine working on canals. Balance for machines floating on water is a
matter of concern to ensure safety during operation. The advantage of actual empty
space in hold of machine or on the deck will arrange the balancing system
accordingly. The solution here is to use counterweights that are driven in two
perpendicular directions to create a balanced torque for the machine. A basic slide
mode controller is used to control counterweights so that the machine is always in a
safe state. Simulation results using Matlab and experiment will prove the applicability
and the effectiveness of this solution.


iv

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn Thạc sĩ “Nghiên cứu thiết kế hệ thống cân bằng
cho tàu vớt lục bình” là cơng trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của
thầy PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến.
Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong đề tài này là trung thực. Những số liệu,
công thức, phương pháp được thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần
tài liệu tham khảo. Tôi xin chịu trách nhiệm hồn tồn về cơng trình nghiên cứu của
mình./.
Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2023

Hồ Nhật An



v

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
1.

Lý do chọn đề tài ...........................................................................................1

2.

Mục đích nghiên cứu đề tài ...........................................................................1

3.

Phạm vi nghiên cứu .......................................................................................2
TỔNG QUAN ...................................................................................3

1.1. Sơ lược về thiết bị thu gom lục bình .............................................................3
1.1.1.

Tình hình nghiên cứu trên thế giới ......................................................3

1.1.2.

Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam .....................................................4

1.2. Sơ lược về tổ hợp thiết bị xử lý thu gom lục bình trong nghiên cứu ............8
1.2.1.


Sơ lược thiết bị băm phá lục bình trong nghiên cứu ...........................8

1.2.2.

Sơ lược thiết bị trục vớt lục bình trong nghiên cứu ..........................13

1.3. Đầu bài đặt ra cần phải giải quyết ...............................................................18
1.4. Tình hình nghiên cứu hệ thống cân bằng cho phương tiện nổi ...................20
1.5. Các giải pháp cân bằng cho phương tiện nổi hiện nay ................................22
1.5.1.

Hệ thống cân bằng cho phương tiện nổi ............................................22

1.5.2.

Các kỹ thuật cân bằng được áp dụng hiện nay ..................................23

1.6. Lựa chọn phương án cân bằng cho tổ hợp thiết bị ......................................33
1.7. Tiêu chuẩn đánh giá độ ổn định thiết bị ......................................................34
PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ ..............................................................37
2.1. Xác định trọng tâm cân bằng .......................................................................37
2.2. Xác định khối lượng vật nặng cần thiết .......................................................39
2.2.1.

Đối với thiết bị băm phá lục bình ......................................................39

2.2.2.

Đối với thiết bị trục vớt lục bình .......................................................41



vi

2.3. Cơ cấu truyền động ......................................................................................43
2.3.1.

Truyền động đai.................................................................................43

2.3.2.

Truyền động xích...............................................................................45

2.3.3.

Truyền động bánh răng......................................................................47

2.3.4.

Truyền động vít-me – đai ốc kết hợp ray trượt .................................48

2.3.5.

Lựa chọn cơ cấu truyền động ............................................................50

2.4. Giải thuật điều khiển....................................................................................50
2.4.1.

Phương pháp điều khiển ON-OFF ....................................................50

2.4.2.


Phương pháp điều khiển PID, PD, PI ................................................50

2.4.3.

Phương pháp điều khiển trượt ...........................................................52

2.4.4.

Lựa chọn giải thuật điều khiển ..........................................................53

2.5. Bộ lọc Kalman .............................................................................................53
2.6. Phương án bố trí hệ thống cân bằng trên thiết bị.........................................54
MƠ HÌNH HĨA VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN .....................57
3.1. Mơ hình hóa .................................................................................................57
3.1.1.

Mơ hình hóa cụm trục vít-me ............................................................57

3.1.2.

Mơ hình hóa hệ thống cân bằng cho thiết bị băm phá lục bình ........59

3.1.3.

Mơ hình hóa hệ thống cân bằng cho thiết bị trục vớt lục bình ..........62

3.2. Thiết kế bộ điều khiển .................................................................................64
3.2.1.


Cơ sở lý thuyết ..................................................................................66

3.2.1.1. Lý thuyết điều khiển trượt .................................................................66
3.2.1.2. Lý thuyết ổn định Lyapunov .............................................................68
3.2.2.

Thiết kế bộ điều khiển cụm trục vít me .............................................69

3.2.3.

Thiết kế bộ điều khiển cân bằng cho tổ hợp thiết bị .........................73


vii

MƠ PHỎNG ...................................................................................75
4.1. Mơ phỏng bộ điều khiển cụm trục vít-me ...................................................75
4.2. Mơ phỏng bộ điều khiển cân bằng thiết bị băm phá lục bình .....................79
4.3. Mơ phỏng bộ điều khiển cân bằng thiết bị trục vớt lục bình .......................82
THỰC NGHIỆM ............................................................................87
5.1. Xây dựng mơ hình thực nghiệm ..................................................................87
5.1.1.

Thiết kế phần cứng ............................................................................87

5.1.1.1. Phương pháp xây dựng mơ hình........................................................87
5.1.1.2. Thơng số mơ hình đồng dạng ............................................................90
5.1.1.3. Phương án thi cơng mơ hình .............................................................90
5.1.1.4. Ước lượng các khối lượng tính tốn ..................................................91
5.1.2.


Thiết kế phần điện .............................................................................92

5.2. Thực nghiệm bộ điều khiển cân bằng..........................................................93
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ........................97
6.1. Kết luận ........................................................................................................97
6.2. Hướng phát triển đề tài ................................................................................97
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ....................................................98
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................99


viii

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Thiết bị trục vớt cỡ lớn của cơng ty Inland Lake Harvesters, Inc, Mỹ .......3
Hình 1.2: Thiết bị trục vớt rong, lục bình cỡ lớn của cơng ty Aquamarine, Canada ..4
Hình 1.3: Thiết bị cắt-vớt tại Vườn quốc gia U Minh Thượng, Kiên Giang ..............4
Hình 1.4: Thiết bị cắt-vớt do Sở Khoa học và Công nghệ Tp.HCM thực hiện ..........5
Hình 1.5: Thiết bị vớt lục bình trên kênh cấp thốt nước khu vực Tp.HCM..............5
Hình 1.6: Thiết bị vớt lục bình được TS. Bùi Trung Thành và các cộng sự cải tiến ..6
Hình 1.7: Sơ đồ quy trình tổ hợp xử lý lục bình trước đây .........................................6
Hình 1.8: Sơ đồ quy trình tổ hợp xử lý lục bình đề xuất sử dụng ...............................7
Hình 1.9: Sơ đồ tổ hợp thiết bị thu gom, trục vớt lục bình .........................................8
Hình 1.10: Dao cắt tích hợp trên băng tải vớt lục bình ...............................................9
Hình 1.11: Dao cắt dạng trịn và dạng trụ thường sử dụng cho thiết bị băm phá .....10
Hình 1.12: Dao cắt lục bình dạng trụ trong thực tế...................................................11
Hình 1.13: Thiết bị băm phá lục bình trong nghiên cứu ...........................................12
Hình 1.14: Hình chiếu đứng thiết bị trục vớt lục bình trong dự án...........................14
Hình 1.15: Hình chiếu bằng thiết bị trục vớt lục bình trong dự án ...........................14
Hình 1.16: Sơ đồ truyền động bằng động cơ thủy lực ..............................................15

Hình 1.17: Sơ đồ di chuyển lục bình trên thiết bị trục vớt........................................16
Hình 1.18: Sơ đồ xả tải lục bình theo mạn phải hoặc mạn trái của thiết bị ..............17
Hình 1.19: Trường hợp thiết bị mất cân bằng theo phương ngang ...........................17
Hình 1.20: Trường hợp thiết bị mất cân bằng theo phương dọc ...............................18
Hình 1.21: Các góc xoay trong trường hợp thiết bị mất cân bằng ............................19
Hình 1.22: Mơ hình con quay hồi chuyển .................................................................23
Hình 1.23: Nguyên lý hoạt động con quay hồi chuyển [25] .....................................23
Hình 1.24: Con quay hồi chuyển lắp đặt trên tàu Conte di Savoia tại Ý năm 1932 .24
Hình 1.25: Cách bố trí vây giảm lắc (ki hơng) bên hông tàu ....................................25


ix

Hình 1.26: Các mẫu kết cấu ki hơng .........................................................................26
Hình 1.27: Mô men được tạo ra trong hoạt động của thùng chứa chống lắc ............27
Hình 1.28: Thùng chứa chống lắc chủ động .............................................................27
Hình 1.29: Van điều chỉnh khí của thùng chứa thụ động theo mặt cắt ngang ..........28
Hình 1.30: Hệ thống lái hơng của hãng Motora ........................................................29
Hình 1.31: Hệ thống lái hơng của hãng Denny-Brown.............................................30
Hình 1.32: Cách bánh lái thiết bị nổi làm giảm mơ men lắc ....................................31
Hình 1.33: Quy trình đánh giá ổn định của máy thu gom lục bình...........................36
Hình 2.1: Tọa độ trọng tâm thiết bị băm phá theo phương x và phương y ...............38
Hình 2.2: Tọa độ trọng tâm thiết bị băm phá theo phương z ....................................38
Hình 2.3: Tọa độ trọng tâm thiết bị trục vớt theo phương x và phương y ................38
Hình 2.4: Tọa độ trọng tâm thiết bị trục vớt theo phương z .....................................39
Hình 2.5: Các bước xác định khối lượng vật nặng cần thiết cho thiết bị băm phá ...39
Hình 2.6: Các bước xác định khối lượng vật nặng cần thiết cho thiết bị trục vớt ....41
Hình 2.7: Bộ truyền đai thơng thường ......................................................................43
Hình 2.8: Bộ truyền đai chéo và nửa chéo ................................................................43
Hình 2.9: Bộ phận căng đai .......................................................................................43

Hình 2.10: Bộ truyền xích .........................................................................................45
Hình 2.11: Bộ truyền có 3 đĩa bị dẫn ........................................................................45
Hình 2.12: Bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng ........................................................47
Hình 2.13: Bộ truyền bánh răng trụ răng nghiêng ...................................................47
Hình 2.14: Bộ truyền bánh răng nón (cơn) ...............................................................47
Hình 2.15: Bộ truyền vít - đai ốc...............................................................................48
Hình 2.16: Bộ truyền động vít-me - đai ốc bi ...........................................................50
Hình 2.17: Đáp ứng của bộ điều khiển PID ..............................................................52


x

Hình 2.18: Sơ đồ nguyên lý điều khiển trượt ............................................................53
Hình 2.19: Mơ hình đo lường ước lượng của bộ lọc Kalman ...................................54
Hình 2.20: Tín hiệu thu trước và sau khi lọc qua Kalman ........................................54
Hình 2.21: Bố trí vật đối trọng trong khoang hầm thiết bị........................................55
Hình 2.22: Bố trí vật đối trọng trên boong thiết bị ...................................................55
Hình 2.23: Bố trí các vật đối trọng trong khoang hầm thiết bị .................................56
Hình 3.1: Mơ hình cụm trục vít-me ..........................................................................57
Hình 3.2: Sơ đồ ngun lý cụm trục vít-me ..............................................................58
Hình 3.3: Mơ hình cấu trúc hệ thống truyền động điện điều khiển trục vít me ........58
Hình 3.4: Sơ đồ khối hệ truyền động của hệ thống cụm trục vít me ........................58
Hình 3.5: Vật nặng 2 và 3 dịch chuyển khi có lực cắt sinh ra ..................................59
Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lý hệ thống cân bằng trên thiết bị băm phá ........................59
Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý cân bằng theo các phương .............................................60
Hình 3.8: Vật nặng dịch chuyển khi lục bình trên băng tải vớt ................................62
Hình 3.9: Vật nặng dịch chuyển khi lục bình trên băng tải chứa ..............................62
Hình 3.10: Vật nặng dịch chuyển khi lục bình trên băng tải xả................................62
Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý hệ thống cân bằng trên thiết bị trục vớt .......................63
Hình 3.12: Sơ đồ nguyên lý cân bằng theo các phương ...........................................63

Hình 3.13: Sơ đồ khối tổng quát điều khiển cân bằng ..............................................65
Hình 3.14: Sơ đồ khối thể hiện hai vịng hồi tiếp .....................................................66
Hình 3.15: Cơ cấu chấp hành ....................................................................................66
Hình 3.16: Sơ đồ khối điều khiển cụm trục vít-me ...................................................69
Hình 4.1: Kết quả bám quỹ đạo trường hợp (1) ........................................................76
Hình 4.2: Kết quả sai số bám quỹ đạo trường hợp (1) ..............................................76
Hình 4.3: Tín hiệu điều khiển vật đối trọng trường hợp (1) .....................................76


xi

Hình 4.4: Kết quả bám nhiễu của hệ thống trường hợp (1) ......................................76
Hình 4.5: Kết quả sai số bám nhiễu của hệ thống trường hợp (1) ............................76
Hình 4.6: Kết quả bám quỹ đạo trường hợp (2) ........................................................77
Hình 4.7: Kết quả sai số bám quỹ đạo trường hợp (2) ..............................................77
Hình 4.8: Tín hiệu điều khiển vật đối trọng trường hợp (2) .....................................77
Hình 4.9: Kết quả bám nhiễu của hệ thống trường hợp (2) ......................................77
Hình 4.10: Kết quả sai số bám nhiễu của hệ thống trường hợp (2) ..........................77
Hình 4.11: Kết quả bám quỹ đạo trường hợp (3) ......................................................78
Hình 4.12: Kết quả sai số bám quỹ đạo trường hợp (3) ............................................78
Hình 4.13: Tín hiệu điều khiển vật đối trọng trường hợp (3) ...................................78
Hình 4.14: Kết quả bám nhiễu của hệ thống trường hợp (3) ....................................78
Hình 4.15: Kết quả sai số bám nhiễu của hệ thống trường hợp (3) ..........................78
Hình 4.16: Kết quả bám quỹ đạo trường hợp (4) ......................................................80
Hình 4.17: Kết quả sai số bám quỹ đạo trường hợp (4) ............................................80
Hình 4.18: Tín hiệu điều khiển vật đối trọng trường hợp (4) ...................................80
Hình 4.19: Kết quả bám quỹ đạo trường hợp (5) ......................................................81
Hình 4.20: Kết quả sai số bám quỹ đạo trường hợp (5) ............................................81
Hình 4.21: Tín hiệu điều khiển vật đối trọng trường hợp (5) ...................................81
Hình 4.22: Kết quả bám quỹ đạo theo phương pitch trường hợp (6)........................83

Hình 4.23: Kết quả sai số bám quỹ đạo theo phương pitch trường hợp (6)..............83
Hình 4.24: Kết quả bám quỹ đạo theo phương roll trường hợp (6) ..........................83
Hình 4.25: Kết quả sai số bám quỹ đạo theo phương roll trường hợp (6) ................83
Hình 4.26: Đồ thị vị trí vật đối trọng 1 trường hợp (6) .............................................84
Hình 4.27: Đồ thị vị trí vật đối trọng 2 trường hợp (6) .............................................84
Hình 4.28: Đồ thị vị trí vật đối trọng 3 trường hợp (6) .............................................84


xii

Hình 4.29: Kết quả bám quỹ đạo theo phương pitch trường hợp (7)........................84
Hình 4.30: Kết quả sai số bám quỹ đạo theo phương pitch trường hợp (7)..............84
Hình 4.31: Kết quả bám quỹ đạo theo phương roll trường hợp (7) ..........................85
Hình 4.32: Kết quả sai số bám quỹ đạo theo phương roll trường hợp (7) ................85
Hình 4.33: Đồ thị vị trí vật đối trọng 1 trường hợp (7) .............................................85
Hình 4.34: Đồ thị vị trí vật đối trọng 2 trường hợp (7) .............................................85
Hình 4.35: Đồ thị vị trí vật đối trọng 3 trường hợp (7) .............................................85
Hình 5.1: Đồng dạng hình học mơ hình thật và mơ hình thu nhỏ với tỉ lệ 1/10 .......87
Hình 5.2: Các bộ phận của mơ hình ..........................................................................90
Hình 5.3: Sơ đồ khối hệ thống mạch điện .................................................................92
Hình 5.4: Hồ dùng thực nghiệm cho mơ hình ...........................................................93
Hình 5.5: Mơ hình tàu sau khi thi cơng xong............................................................93
Hình 5.6: Các thiết bị điện sử dụng trên mơ hình thực nghiệm ................................94
Hình 5.7: Mơ hình thực nghiệm tàu trong mơi trường hồ nước ...............................94
Hình 5.8: Thực nghiệm trường hợp 1 với phương pitch khi khơng có bộ điều khiển
...................................................................................................................................95
Hình 5.9: Thực nghiệm trường hợp 1 với phương pitch khi có bộ điều khiển .........95
Hình 5.10: Thực nghiệm trường hợp 1 với phương roll khi khơng có bộ điều khiển
...................................................................................................................................95
Hình 5.11: Thực nghiệm trường hợp 1 với phương roll khi có bộ điều khiển .........96

Hình 5.12: Thực nghiệm trường hợp 2 với phương roll khi có tải tác động.............96
Hình 5.13: Thực nghiệm trường hợp 2 với phương pitch khi có tải tác động ..........96


xiii

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Thông số cơ bản của thiết bị băm phá lục bình ........................................12
Bảng 1.2: Thơng số cơ bản của thiết bị trục vớt lục bình .........................................14
Bảng 1.3: Thông số công suất các cụm công tác trên thiết bị trục vớt .....................15
Bảng 4.1: Thơng số cụm trục vít-me mô phỏng [52] ................................................75
Bảng 4.2: Thông số mô phỏng cân bằng thiết bị băm phá lục bình ..........................79
Bảng 4.3: Thơng số mô phỏng cân bằng thiết bị trục vớt lục bình ...........................82
Bảng 5.1: Thơng số quy đổi giữa thiết bị thực tế và mơ hình ...................................90
Bảng 5.2: Số lượng và khối lượng vật nặng..............................................................91


xiv

KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT


Góc nghiêng thực tế

 ref

Góc nghiêng mong muốn




Tốc độ góc động cơ trục vít-me

x

Vị trí vật đối trọng

x

Tốc độ tịnh tiến vật đối trọng

B

Ma sát nhớt động cơ

J

Mơ men qn tính động cơ

rg

Hệ số chuyển đổi từ vận tốc góc sang vận tốc tịnh tiến trục vít-me

Pi

Trọng lượng của các vật nặng thứ i

Pf

Lực sinh ra từ ngoại lực


xi

Khoảng cách từ trọng tâm con nặng thứ i đến trọng tâm thiết bị

xf

Cánh tay đòn ngoại lực theo phương x đối với trọng tâm thiết bị

yf

Cánh tay đòn ngoại lực theo phương y đối với trọng tâm thiết bị

Mp

Mô men thiết bị theo trục pitch

Mr

Mô men thiết bị theo trục roll

Ip

Mơ men qn tính của thiết bị theo trục pitch

Ir

Mơ men qn tính của thiết bị theo trục roll

p


Đạo hàm cấp 2 góc nghiêng của thiết bị theo trục pitch

r

Đạo hàm cấp 2 góc nghiêng của thiết bị theo trục roll

g

Gia tốc trọng trường

dp

Nhiễu theo trục pitch

dr

Nhiễu theo trục roll


xv

e

Sai số bám quỹ đạo trục vít-me

e1

Sai số góc nghiêng thiết bị theo trục pitch

e2


Sai số góc nghiêng thiết bị theo trục roll

X ng

Khoảng cách từ trọng tâm thiết bị đến vị trí trục dao băm phá

X hp

Khoảng cách từ trọng tâm thiết bị đến vị trí xa nhất trên trục vít-me

RMS

Root Mean Square (Giá trị hiệu dụng)

RRS

Rudder Roll Stabilization

LQR

Linear–Quadratic Regulator

PD

Proportional and Derivative

GPC

Generalized Predictive Control


DPC

Dead-Beat Predictive Control

LTR

Loop Transfer Recovery

SMC

Sliding Mode Control

CBA

Classical Back-propagation Algorithm


1

MỞ ĐẦU
1.

Lý do chọn đề tài
Hiện nay, chủ yếu công việc vớt lục bình ở các vùng sơng nước Việt Nam

được thực hiện bằng phương pháp thủ công, người lao động đứng trên thuyền hoặc
trên bờ sử dụng các dụng cụ cầm tay như vợt, móc, lưới,… để vớt lục bình. Các loại
thiết bị dùng để vớt lục bình hiện nay chủ yếu là các thuyền, ghe thơ sơ, có loại có
máy đẩy, có loại phải chèo hoặc chống bằng sào. Cơng việc vớt lục bình trên sơng

của các cơng nhân rất nặng nhọc và vất vả, chủ yếu sử dụng sức người, khơng có
nhiều thiết bị hỗ trợ. Để giảm sức lao động của công nhân trong việc thu gom lục
bình tại các sơng ngịi, kênh rạch, tại Việt Nam đã có một số đề tài nghiên cứu khoa
học từ cấp tỉnh, cấp nhà nước được triển khai thực hiện chế tạo các thiết bị nổi để giải
quyết vấn nạn lục bình và bước đầu đã đạt được một số kết quả nhất định. Tuy nhiên,
hạn chế chung của các đề tài này là chưa đề cập đến việc cân bằng thiết bị trong quá
trình vận hành. Yếu tố an tồn trong hoạt động thu gom lục bình là cực kỳ quan trọng,
đảm bảo sự an tồn tính mạng cho người vận hành cũng như tránh rủi ro chìm thiết
bị do các nguyên nhân khách quan.
Trong quá trình hoạt động thu gom lục bình, người điều khiển phương tiện sẽ
không thể quan sát được trạng thái thiết bị, mục đích quan sát được trạng thái làm
việc của thiết bị nhằm xử lý các tình huống nguy hiểm có thể ảnh hưởng đến sự an
toàn như: thiết bị trục vớt lục bình q tải trọng, tải trọng phân bổ khơng đều trong
khi vớt, va chạm các cành cây, nhánh cây to gây nghiêng thiết bị, hiện tượng nghiêng
lắc đột ngột do tác động tự nhiên (sóng to, gió lớn,…). Chính vì lí do trên, việc nghiên
cứu xây dựng hệ thống điều khiển cân bằng cho thiết bị trong quá trình hoạt động là
vô cùng cần thiết. Nghiên cứu trong luận văn này sẽ giải quyết vấn đề về cân bằng
cho tổ hợp thiết bị băm phá và thu gom lục bình tại các kênh rạch, đồng thời có thể
đề xuất phương án mới trong việc thiết kế hệ thống cân bằng cho các phương tiện nổi
chuyên dụng cỡ nhỏ.
2. Mục đích nghiên cứu đề tài
Đề tài “Nghiên cứu thiết kế hệ thống cân bằng cho tàu vớt lục bình” là một


2

phần nghiên cứu trong dự án “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo tổ hợp thiết bị thu gom,
tiền xử lý và trục vớt lục bình trên kênh, rạch tại Long An và các tỉnh lân cận” do
thầy PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến – Trường đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia
Thành phố Hồ Chí Minh làm chủ nhiệm dự án. Mục đích nghiên cứu là thiết kế hệ

thống cân bằng có thể áp dụng cho thiết bị băm phá lục bình và thiết bị trục vớt lục
bình trong dự án nhằm tăng tính an tồn trong q trình vận hành.
3. Phạm vi nghiên cứu
Đề tài tập trung nghiên cứu ở những nội dung sau:
- Tìm hiểu tổng quan về hệ thống cân bằng cho phương tiện nổi áp dụng cho
tổ hợp thiết bị băm phá và thu gom lục bình;
- Tìm hiểu về các phương án cân bằng, phương án truyền động cho hệ cân
bằng và phương án thiết kế bộ điều khiển cho tổ hợp thiết bị băm phá và thu gom lục
bình;
- Mơ hình hóa và thiết kế bộ điều khiển cân bằng cho tổ hợp thiết bị băm phá
và thu gom lục bình;
- Mơ phỏng đáp ứng bộ điều khiển đã thiết kế cho tổ hợp thiết bị băm phá và
thu gom lục bình;
- Thực nghiệm bộ điều khiển đã thiết kế cho thiết bị thu gom lục bình;
- Đưa ra kết luận và hướng phát triển đề tài.
Phạm vi nghiên cứu của đề tài giới hạn ở việc tính tốn, mơ phỏng hệ thống
cân bằng và thực nghiệm trong trường hợp thiết bị nghiêng lắc trên sóng điều hồ với
tần số dao động nhỏ, phù hợp với dao động sóng trên các kênh rạch tại Việt Nam
trong điều kiện thường. Các trường hợp va chạm gây nghiêng đột ngột hoặc nghiêng
trong quá trình trục vớt sẽ được mô phỏng và thực nghiệm theo dạng sóng bước (step)
và phải đảm bảo cho thiết bị ln trong giới hạn phạm vi an toàn khi hoạt động theo
tiêu chuẩn quy định.


3

TỔNG QUAN
1.1.

Sơ lược về thiết bị thu gom lục bình

Để vớt và xử lý tình trạng rong bèo và lục bình trơi nổi trên sơng, những thiết

bị và tàu chun dụng đã được chế tạo nhằm giảm sức lao động của công nhân cũng
như tăng năng suất công việc. Các thiết bị trục vớt hiện nay rất đa dạng về kích thước,
cơng suất, tính năng và cơng dụng. Sau khi chế tạo, các thiết bị này sẽ được đưa đến
vị trí các con sơng, kênh rạch cần thực hiện cơng việc. Tại đó, tàu sẽ di chuyển đến
nơi có lục bình và vớt lục bình lên khoang chứa, khi khoang chứa đầy, tàu di chuyển
tới gần bờ để chuyển lục bình lên thùng xe hoặc đưa lên bờ. Những thiết bị chuyên
dụng này phải tuân thủ các quy định khắt khe về tiêu chuẩn an tồn, tiêu chuẩn chất
thải mơi trường trong ngành đường thủy được luật pháp quốc tế và Việt Nam quy
định.
1.1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Trên thế giới, có rất nhiều quốc gia hàng đầu trong việc nghiên cứu chế tạo
thiết bị cắt rong, cỏ dại dưới nước và thu gom lục bình trong lịng sơng, mương, hồ
chứa nước, điển hình như Hoa Kỳ, Canada, Trung Quốc,.... Nhiệm vụ của thiết bị cắt
– vớt rong, cỏ dại, lục bình là làm thơng thống dịng chảy để phục vụ giao thơng
đường thủy, cấp thốt nước, tạo mơi trường tốt cho các lồi thuỷ sinh sinh sống và
bảo vệ cảnh quan thiên nhiên theo các tiêu chuẩn vệ sinh môi trường của Hoa kỳ và
châu Âu. Các công ty chế tạo tại các quốc gia này đã đưa ra nhiều mẫu thiết bị có các
tính năng riêng biệt để phục vụ theo các mục đích khác nhau.

Hình 1.1: Thiết bị trục vớt cỡ lớn của công ty Inland Lake Harvesters, Inc, Mỹ


4

Hình 1.2: Thiết bị trục vớt rong, lục bình cỡ lớn của công ty Aquamarine, Canada
Sự ra đời của các thiết bị này đã giúp Chính phủ các nước giảm được nhiều chi phí
trong việc xử lý vấn nạn lục bình, bảo vệ mơi trường.
1.1.2. Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam

Ở Việt Nam, đã có một số đề tài nghiên cứu khoa học từ cấp tỉnh, cấp trung
ương đã được triển khai thực hiện để giải quyết vấn nạn lục bình và bước đầu đã đạt
được một số kết quả nhất định. Một số đề tài tiêu biểu như:
Đề tài “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống máy, thiết bị cắt rong, cỏ dại,
vớt bèo tây, rác thải nổi trong lòng kênh, mương, hồ chứa nước” do ThS. Bùi Trung
Thành chủ nhiệm đề tài [8]. Nhóm nghiên cứu đã hoàn thiện và đưa mẫu máy vào
phục vụ trục vớt lục bình tại Vườn Quốc gia U Minh Thượng, tỉnh Kiên Giang. Máy
có khả năng cắt, vớt rong dưới mặt nước, cắt vớt cỏ dại, lục bình với hiệu suất làm
việc tương đối cao.

Hình 1.3: Thiết bị cắt-vớt tại Vườn quốc gia U Minh Thượng, Kiên Giang


5

Năm 2015, Trung tâm Nghiên cứu và Chuyển giao công nghệ thuộc Sở Khoa
học và Công nghệ Thành phố Hồ Chí Minh thực hiện hợp đồng với Trung tâm Nghiên
cứu Ứng dụng Khoa học kỹ thuật thuộc Sở Khoa học và Công nghệ tỉnh Long An về
thiết kế và chế tạo máy cắt, vớt lục bình quy mơ nhỏ. Máy sau khi chế tạo đã đáp ứng
được cơ bản những yêu cầu.

Hình 1.4: Thiết bị cắt-vớt do Sở Khoa học và Cơng nghệ Tp.HCM thực hiện
Dự án “Hồn thiện thiết kế, chế tạo máy cắt-vớt rong, cỏ dại, lục bình cỡ nhỏ
trên kênh, mương cấp thoát nước khu vực thành phố Hồ Chí Minh” do Trung tâm
Nghiên cứu và Phát triển Công nghệ – Máy Công nghiệp thuộc Trường Đại học Cơng
nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh thực hiện [9]. Kết quả nghiên cứu đã tạo ra được
mẫu máy có tính năng vừa có thể trục vớt lục bình trên kênh rạch nhỏ, vừa cắt, vớt
rong dưới mặt nước ở độ sâu 1,8m trong các kênh cấp thoát nước khu vực Thành phố
Hồ Chí Minh.


Hình 1.5: Thiết bị vớt lục bình trên kênh cấp thốt nước khu vực Tp.HCM


6

Dự án “Nghiên cứu tính tốn thiết kế chế tạo máy cắt, vớt rong, cỏ dại, lục
bình trên sơng phục vụ thốt nước, chống ngập úng cho các đơ thị và cấp nước phục
vụ sinh hoạt, sản xuất nông nghiệp, nông thôn Việt Nam” là đề tài nghiên cứu do TS.
Bùi Trung Thành và các cộng sự thực hiện đã giải quyết được một số khuyết điểm
tồn tại từ trước. Máy có thể thực hiện chức năng cắt rong, cỏ dại dưới mặt nước với
mật độ dày đặc và hệ dao cắt có khả năng điều chỉnh lên xuống theo chiều sâu của
mực nước trên sông cũng như theo chiều cao của cây rong, cỏ dại, mọc lên từ đáy
sông lên trong phạm vi độ sâu từ 0 - 1,5 m, bề rộng 2,36 m.

Hình 1.6: Thiết bị vớt lục bình được TS. Bùi Trung Thành và các cộng sự cải tiến
Các thiết bị thu gom lục bình trước đây được chế tạo thường có quy trình tổ
hợp xử lý lục bình như sau:

Hình 1.7: Sơ đồ quy trình tổ hợp xử lý lục bình trước đây
Đây là quy trình đang được sử dụng phổ biến tại Việt Nam hiện nay [8],[9],[10]. Tuy
nhiên, khi áp dụng quy trình này đã gặp nhiều khó khăn và xuất hiện các nhược điểm


7

như năng suất giảm khi gặp những lục bình bị kết khối cứng, các khối lục bình này
liên kết dày đặc và cắm sâu xuống lịng sơng 2 đến 3m, cơng tác vớt sẽ gặp khó khăn
và hiệu suất khơng cao và máy trục vớt sau khi vớt sẽ nhanh đầy khoang (do lục bình
ở khoang chứa là lục bình kết khối), khi đó cần một máy trung chuyển (xà lan trung
chuyển) mới có thể nâng cao được năng suất vớt.

Về ưu điểm của quy trình này, thiết bị trục vớt có bố trí dao cắt trên băng tải
vớt thường có chiều rộng cơ sở lớn, vì thế dễ dàng bố trí các cụm cơng tác, có nhiều
khơng gian để người vận hành đi lại, kiểm tra thiết bị. Có thể đặt đáy khoang chứa
sâu xuống gần đáy thiết bị, tăng thể tích chứa. Ngồi ra sử dụng băng tải vớt, băng
tải chứa và băng tải xả thải độc lập sẽ đảm bảo thiết bị làm việc được liên tục tránh
việc phải di chuyển ra vào bờ để xả tải liên tục.
Về nhược điểm, chiều rộng cơ sở lớn cũng sẽ làm giảm khả năng thơng qua
của thiết bị, khó xoay sở trong các kênh rạch nhỏ, tăng khối lượng do tăng thêm hai
vách ngăn. Khi sử dụng băng tải vớt, băng tải chứa và băng tải xả thải độc lập cũng
làm tăng khối lượng của thiết bị. Khó di chuyển thiết bị bằng phương tiện vận tải
đường bộ do kích thước ngang lớn. Trong q trình trục vớt khi gặp những tảng lục
bình lớn sẽ rất khó để có thể cắt nhỏ khối lục bình và vớt lên thiết bị. Ngồi ra, khó
có thể vớt các lục bình trong các ngách, góc hẹp trên kênh, rạch.
Để khắc phục những nhược điểm còn tồn tại trong việc xử lý lục bình hiện
nay, đề xuất thay đổi quy trình tổ hợp xử lý thu gom như sau:

Hình 1.8: Sơ đồ quy trình tổ hợp xử lý lục bình đề xuất sử dụng
Ở phương án này, sử dụng máy băm phá sơ cấp sẽ giúp tăng năng suất cho
máy trục vớt do phá được những lục bình bị kết khối cứng. Ngồi ra, chúng ta bố trí
lại máy băm đặt trên máy trục vớt nhằm giảm thời gian dừng của máy trục vớt, tăng


8

năng suất và tăng hiệu quả làm việc do thể tích lục bình sau khi băm đã giảm đi rất
nhiều (kích thước trung bình sau băm < 5cm). Tuy nhiên bố trí máy băm thứ cấp như
vậy sẽ làm cho máy trục vớt trở nên cồng kềnh hơn.
Nhược điểm chung của các đề tài trước đây là chưa nghiên cứu đến vấn đề cân
bằng thiết bị trong quá trình vận hành, dẫn đến nguy cơ xảy ra tai nạn. Yếu tố an toàn
trong hoạt động thu gom xử lý lục bình là cực kỳ quan trọng, đảm bảo sự an tồn tính

mạng cho người vận hành cũng như tránh rủi ro chìm thiết bị.
1.2.

Sơ lược về tổ hợp thiết bị xử lý thu gom lục bình trong nghiên cứu
Trong dự án nghiên cứu đang được triển khai thực hiện, tổ hợp thiết bị thu

gom, tiền xử lý và trục vớt lục bình trên kênh rạch được đề xuất bao gồm:
+ 01 máy băm phá lục bình sơ cấp;
+ 01 máy trục vớt lục bình và băm thứ cấp.

Hình 1.9: Sơ đồ tổ hợp thiết bị thu gom, trục vớt lục bình
Tổ hợp thiết bị sau khi nghiên cứu sẽ được chuyển giao cho tỉnh Long An, do
đó, tổ hợp này cần phải đáp ứng các đặc điểm của các con kênh tại địa bàn thuộc
Long An. Đặc điểm của các con kênh khu vực huyện Mộc Hóa và huyện Thạnh Hóa
như sau:
+ Chiều rộng kênh: 𝑏 = 25 ÷ 30 𝑚;
+ Độ sâu kênh: ℎ = 3 ÷ 3,5 𝑚;
+ Vận tốc dịng chảy: 𝑣 = 0,2 ÷ 0,4𝑚/𝑠.
1.2.1. Sơ lược thiết bị băm phá lục bình trong nghiên cứu
Trên các thiết bị thu gom lục bình đã được chế tạo trước đây, để có thể tách
tảng lục bình thành từng khối nhỏ, phía trước băng tải vớt được trang bị hai cụm dao
cắt đứng và một cụm dao cắt ngang như Hình 1.10.