BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM
--------- oOo --------

ĐÀO VŨ HẢI AN

GIẢI PHÁP GIẢM DAO ĐỘNG CỦA TẢI
CHO CẨU GIÀN CONTAINER DỰA TRÊN
PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN LQG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

TP. HCM 6 - 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM
--------- oOo --------

ĐÀO VŨ HẢI AN

GIẢI PHÁP GIẢM DAO ĐỘNG CỦA TẢI
CHO CẨU GIÀN CONTAINER DỰA TRÊN
PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN LQG

CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA
MÃ SỐ: 1481031013

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS ĐẶNG XUÂN KIÊN

TP. HCM 6 - 2017


LUẬN VĂN ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THƠNG VẬN TẢI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS. TS ĐẶNG XUÂN KIÊN

Cán bộ chấm nhận xét 1 :

TS. NGÔ MẠNH DŨNG

Cán bộ chấm nhận xét 2 :

PGS. TS NGUYỄN HỮU KHƯƠNG

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Giao thông vận tải Tp. HCM
ngày 28 tháng 6 năm 2017
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1.
2.
3.
4.

5.

PGS. TS ĐỒNG VĂN HƯỚNG
TS. NGÔ MẠNH DŨNG
PGS.TS NGUYỄN HỮU KHƯƠNG
TS. VÕ CÔNG PHƯƠNG
TS. VÕ NGUYÊN SƠN

Chủ tịch Hội đồng;
Ủy viên, phản biện;
Ủy viên, phản biện;
Ủy viên, thư ký;
Ủy viên;

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.
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

PGS. TS NGUYỄN HỮU KHƯƠNG

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ

TS. VÕ CÔNG PHƯƠNG


i

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: ĐÀO VŨ HẢI AN

Sinh ngày 28 tháng 01 năm 1982
Học viên lớp cao học khoá 2014-2016, chuyên ngành: Tự động hoá –
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM
Xin cam đoan đề tài “Giải pháp giảm dao động của tải cho cẩu giàn Container
dựa trên phương pháp điều khiển LQG” do thầy PGS.TS Đặng Xuân Kiên hướng
dẫn, là cơng trình nghiên cứu thực sự của riêng tơi. Các số liệu để xây dựng mơ hình
điều khiển và những kết quả thu được trong luận văn là trung thực. Tất cả các tài liệu
tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ.
Tơi xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng như nội dung
trong đề cương và các yêu cầu của thầy hướng dẫn. Nếu sai tơi hồn tồn chịu trách
nhiệm trước Hội đồng khoa học và trước Pháp luật.
TP.HCM, ngày tháng 6 năm 2017
Người viết cam đoan

Đào Vũ Hải An


ii

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, tôi xin chân thành cảm ơn Thầy PGS.TS Đặng Xuân Kiên người
đã hướng dẫn tôi trong q trình thực hiện luận văn. Tuy có gặp khó khăn nhưng nhờ
sự hỗ trợ tận tình của thầy và cố gắng của bản thân tơi đã đã hồn thành luận văn này.
Bên cạnh đó tơi xin chân thành cảm ơn đến Trường ĐẠI HỌC GIAO THÔNG
VẬN TẢI TP.HCM và q thầy, q cơ. Trong suốt q trình đào tạo khố cao học
các thầy, cơ đã truyền đạt những kiến thức rất quan trọng để giúp tơi có đủ kiến thức
học tập nghiên cứu và hồn thành đề tài.
Tơi xin cảm ơn các bạn, các anh, chị, em lớp cao học Tự động hóa khóa 2014
đã hỗ trợ và giúp đỡ tơi trong suốt khóa học.

Cuối cùng, tơi xin chân thành cảm ơn sự quan tâm, hỗ trợ về thời gian và động
viên tinh thần của cơ quan, bạn bè, gia đình tơi trong suốt thời gian tơi học tập và
hoàn thành luận văn.
HVTH: Đào Vũ Hải An


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ i
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................ii
MỤC LỤC ................................................................................................................. iii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ..................................................................................... vi
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .............................................................................vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ............................................................................ viiiviii
Chương 1: MỞ ĐẦU.................................................................................................. 1
1.1. Đặt vấn đề ........................................................................................................... 1
1.2. Cơ sở khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài .................................................. 4
1.2.1 Một số hệ thống và cơng trình nghiên cứu giảm lắc trong thực tế ................... 4
1.2.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ........................................................ 10
1.3. Mục tiêu của đề tài ........................................................................................... 11
1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .................................................................... 11
1.5. Phương pháp thực hiện ..................................................................................... 12
1.6. Cấu trúc luận văn .............................................................................................. 12
Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................. 15
2.1. Tổng quan ........................................................................................................... 15
2.2. Bộ điều khiển PID ............................................................................................. 15
2.2.1 Giới thiệu bộ điều khiển PID ......................................................................... 15
2.2.2 Các phương pháp xác định tham số bộ điều khiển PID .................................. 16
2.2.3 Kết luận phương pháp PID.............................................................................. 19

2.3. Bộ điều khiển tối ưu LQR ................................................................................. 20
2.3.1 Ổn định Lyapunov đối với hệ thống tuyến tính – Tiêu chuẩn ổn định thứ hai
của Lyapunov (điều kiện đủ): ................................................................................... 20
2.3.2 Điều khiển tối ưu hệ tuyến tính với chỉ tiêu chất lượng dạng tồn phương –
Phương trình Riccati đối với hệ liên tục: .................................................................. 22
2.3.3 Các bước thiết kế phương pháp điều khiển tồn phương tuyến tính hệ thống
liên tục ....................................................................................................................... 24
2.4. Bộ điều khiển LQG ........................................................................................... 25


iv

Chương 3: MƠ HÌNH TỐN HỌC HỆ XE TỜI VÀ TẢI ...................................... 28
3.1. Tổng quan về cẩu giàn container STS .............................................................. 28
3.1.1 Các cơ cấu chính của cẩu giàn ........................................................................ 28
3.1.2 Thông số kỹ thuật ............................................................................................ 28
3.1.2 Sơ lược nguyên lý hoạt động .......................................................................... 29
3.1.2 Hệ xe tời và tải ................................................................................................ 30
3.2. Xây dựng mơ hình tốn học hệ xe tời và tải .................................................... 30
3.3. Tuyến tính hóa hệ phi tuyến xe tời và tải .......................................................... 33
3.4. Xây dựng đối tượng xe tời và tải trong phần mềm MATLAB ......................... 35
3.4.1 Thiết lập thông số đối tượng trong m – file: ................................................... 35
3.4.2 Xây dựng đối tượng phi tuyến trong Simulink: .............................................. 36
3.4.3 Đáp ứng bước của hệ xe tời và tải khi chưa có bộ điều khiển ........................ 38
3.4.4 Kiểm tra tính điều khiển và quan sát của đối tượng ....................................... 38
Chương 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN HỆ XE TỜI VÀ TẢI ............................. 41
4.1 Thông số hệ thống cho các bộ điều khiển .......................................................... 41
4.2 Thiết kế bộ điều khiển PID cho hệ xe tời và tải ................................................. 41
4.2.1 Xây dựng bộ điều khiển PID bằng Matlab ..................................................... 42
4.2.2 Thiết lập thông số kP, kI, kD cho bộ điều khiển ............................................... 43

4.2.3 Mô phỏng bộ điều khiển PID .......................................................................... 49
4.2.4 Kết luận bộ điều khiển PID ............................................................................. 50
4.3 Thiết kế bộ điều khiển tối ưu LQR cho hệ xe tời và tải .................................... 51
4.3.1 Xây dựng mơ hình bộ điều khiển LQR trong Simulink – Matlab. ................. 51
4.3.2 Thiết lập ma trận K của bộ điều khiển LQR bằng Matlab .............................. 52
4.3.3 So sánh bộ điều khiển LQR với bộ điều khiển PID ........................................ 57
4.3.4 Mô phỏng hệ xe tời và tải với bộ điều khiển LQR ......................................... 57
4.3.5 Kết luận bộ điều khiển LQR ........................................................................... 62
4.4 Thiết kế bộ điều khiển tối ưu bền vững LQG cho hệ xe tời và tải..................... 62
4.4.1 Thiết kế bộ quan sát trạng thái Kalman trong Matlab. ................................... 62
4.4.2 Xây dựng mơ hình mơ phỏng bộ điều khiển LQG trong Matlab.................... 64
4.4.3 Mô phỏng hệ xe tời và tải với bộ điều khiển tối ưu bền vững LQG ............... 65
4.4.4 Kết luận bộ điều khiển LQG ........................................................................... 70


v

Chương 5: MƠ HÌNH THỰC TẾ MƠ PHỎNG HỆ XE TỜI VÀ TẢI .................... 71
5.1 Đặt vấn đề ......................................................................................................... 71
5.2 Thiết kế cơ khí................................................................................................... 71
5.2.1 Khung mơ hình cẩu trục ................................................................................. 72
5.2.2 Động cơ lai xe tời ............................................................................................ 72
5.2.3 Bộ phản hồi tín hiệu ........................................................................................ 73
5.3 Thiết kế khối điều khiển .................................................................................... 75
5.3.1 Card xử lý tín hiệu số DSP TMS320F28335 ................................................. 75
5.3.2 Mạch giao tiếp UART .................................................................................... 76
5.3.2 Mạch cầu H .................................................................................................... 77
5.3.3 Nguồn điều khiển ........................................................................................... 78
5.4 Thiết kế chương trình điều khiển mơ hình thực hệ xe tời và tải ........................ 79
5.4.1 Giới thiệu Matlab Simulink và Code Composer Studio ................................. 79

5.4.2 Các khối cơ bản trong thư viện Matlab dùng để lập trình điều khiển............. 80
5.4.3 Khối chương trình điều khiển ......................................................................... 81
5.4.3 Xây dựng giao diện điều khiển ....................................................................... 83
5.5 Kết quả thực nghiệm với bộ điều khiển LQG ................................................... 84
5.5.1 Đáp ứng dao động của tải khi chưa có bộ điều khiển ..................................... 84
5.5.2 Đáp ứng dao động của tải với các góc lệch khác nhau ................................... 85
5.5.3 Đáp ứng dao động của tải với khối lượng khác nhau ..................................... 87
5.5.4 Kết luận đánh giá bộ điều khiển LQG với mơ hình thực ................................ 88
Chương 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ................................ 90
6.1 Kết luận .............................................................................................................. 90
6.1.1 Kết quả đã đạt được ........................................................................................ 90
6.1.2 Hạn chế của đề tài ........................................................................................... 90
6.2 Hướng phát triển của đề tài ................................................................................ 91
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ................................................ 92
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 93
PHỤ LỤC 1: Bài báo khoa học ……………………………………………………94
PHỤ LỤC 2: Chương trình viết trong Matlab……………………………………100
PHỤ LỤC 3: Chương trình thực thi DSP TMS320F82335………………………105


vi

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Diễn giải

ADC

Analog Digital Converter


CCS

Code Composer Studio

DO

Digital Output

DSP

Digital signal processing/processor

LQG

Linear Quadratic Gaussian

LQR

Linear Quadratic Regulator

PID

Proportional Integral Derivative

PLC

Programmable Logic Controller

PWM


Pulse Width Modulation

RMG

Rail Mounted Gantry

RTG

Rubber Tyre Gantry

STS

Ship to Shore

UART

Universal Asynchronous Receiver – Transmitter


vii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất .................16
Bảng 2.2 Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ 2 .....................17
Bảng 2.3 Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick 1 ................18
Bảng 2.4 Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick 2 ................18
Bảng 2.5 Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick 3 ................19
Bảng 2.6 Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick 4 ................19
Bảng 3.1 Các thông số của đối tượng xe tời và tải ...................................................36

Bảng 4.1 Thông số chuẩn của hệ xe tời và tải ..........................................................41
Bảng 4.2 Ảnh hưởng của việc hiệu chỉnh các thông số kP, kI, kD .............................47
Bảng 4.3 Giá trị góc dao động mơ phỏng bộ điều khiển PID ...................................49
Bảng 4.4 Giá trị tải trọng Container mô phỏng bộ điều khiển PID ..........................50
Bảng 4.5 Thiết lập giá trị của hệ xe tời và tải trong bộ điều khiển LQR ..................52
Bảng 4.6 Thông số mô phỏng khi thay đổi góc dao động với bộ điều khiển LQR ..58
Bảng 4.7 Thông số mô phỏng khi thay đổi tải trọng với bộ điều khiển LQR ..........58
Bảng 4.8 Thời gian góc dao động cân bằng với tải trọng khác nhau ........................59
Bảng 4.9 Thông số mô phỏng khi chiều dài cáp thay đổi với bộ điều khiển LQR ...60
Bảng 5.1 Thông số mơ hình hệ xe tời và tải cẩu giàn STS .......................................72
Bảng 5.2 Kết quả đáp ứng góc dao động ban đầu thay đổi.......................................86
Bảng 5.3 Kết quả đáp ứng góc dao động thay đổi tải trọng ......................................87


viii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Cảng Tân Cảng Cát Lái thành phố Hồ Chí Minh ........................................1
Hình 1.2 Cẩu giàn container (STS) .............................................................................2
Hình 1.3 Nguy cơ mất an tồn do tải dao động ..........................................................3
Hình 1.4 Hệ thống giảm lắc sử dụng cáp ....................................................................4
Hình 1.5 Hệ thống giảm lắc của hãng Kalmar ............................................................5
Hình 1.6 Hệ thống giảm lắc của hãng Satec ...............................................................6
Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý điều khiển Fuzzy – PID ....................................................7
Hình 1.8 So sánh đáp ứng của cẩu giàn giữa thuật tốn PID và FPID .......................8
Hình 1.9 Cấu trúc điều khiển mạng neuron đơn .........................................................8
Hình 1.10 Mơ phỏng đáp ứng góc dao động bộ điều khiển mạng neuron đơn...........9
Hình 1.11 Đáp ứng của bộ điều khiển phi tuyến có bù ma sát .................................10
Hình 2.1 Cấu trúc bộ điều khiển PID ........................................................................15
Hình 2.2 Đáp ứng nấc của hệ hở có dạng S ..............................................................16

Hình 2.3 Xác định hằng số khuếch đại tới hạn .........................................................17
Hình 2.4 Đáp ứng nấc của hệ kín khi k = kth ............................................................17
Hình 2.5 Đáp ứng nấc của hệ thích hợp cho phương pháp Chien-Hrones-Reswick 18
Hình 2.6 Mơ hình điều khiển phản hồi trạng thái .....................................................20
Hình 3.1 Cấu trúc cẩu giàn container STS ...............................................................28
Hình 3.2 Đối tượng điều khiển xe tời và tải..............................................................30
Hình 3.3 Mơ hình cơ học của hệ xe tời và tải ...........................................................31
Hình 3.4 Thiết lập đối tượng xe tời và tải trong Simulink – Matlab ........................37
Hình 3.5 Đáp ứng bước hệ xe tời và tải khi chưa có điều khiển ...............................38
Hình 4.1 Sơ đồ khối bộ điều khiển PID ...................................................................42
Hình 4.2 Sơ đồ khối bộ điều khiển PID trong Matlab ..............................................42
Hình 4.3 Xây dựng bộ điều khiển PID cho cẩu giàn trong Matlab .........................43
Hình 4.4 Đáp ứng dao động khi kP = 80 ...................................................................43
Hình 4.5 Cài đặt giá trị cho bộ điều khiển PID để xác định Tth và kth ......................44
Hình 4.6 Cài đặt thơng số cho bộ điều khiển PID với giá trị tính tốn .....................45
Hình 4.7 Đáp ứng của hệ xe tời và tải với bộ điều khiển PID tính tốn ...................45
Hình 4.8 Đáp ứng bộ điều khiển PID tính tốn với góc dao động 0,5 rad và 1,3 rad
...................................................................................................................................46
Hình 4.9 Cài đặt thông số cho bộ điều khiển PID với giá trị đã chỉnh định .............47
Hình 4.10 Đáp ứng vị trí xe tời của bộ PID đã chỉnh định và PID tính tốn ............48
Hình 4.11 Đáp ứng góc dao động tải của bộ PID đã chỉnh định và PID tính tốn ...48
Hình 4.12 Mơ phỏng trường hợp góc dao động khác nhau với bộ điều khiển PID ..49
Hình 4.13 Mơ phỏng trường hợp tải trọng khác nhau với bộ điều khiển PID ..........50
Hình 4.14 Mơ hình bộ điều khiển LQR với hệ xe tời và tải .....................................51
Hình 4.15 Mơ hình mơ phỏng bộ điều khiển LQR hệ xe tời và tải trong Matlab.....51


ix

Hình 4.16 Vị trí xe tời và góc dao động của tải với K1 của bộ điều khiển LQR ......54

Hình 4.17 Vị trí xe tời và góc dao động của tải với K2 của bộ điều khiển LQR ......55
Hình 4.18 Vị trí xe tời và góc dao động của tải với K3 của bộ điều khiển LQR ......56
Hình 4.19 So sánh góc dao động của tải với K1 , K2 , K3 của bộ điều khiển LQR ...56
Hình 4.20 So sánh hiệu quả bộ điều khiển PID và LQR ..........................................57
Hình 4.21 Mơ phỏng trường hợp góc dao động khác nhau của bộ điều khiển LQR 58
Hình 4.22 Mơ phỏng trường hợp tải trọng khác nhau của bộ điều khiển LQR ........59
Hình 4.23 Mơ phỏng trường hợp chiều dài cáp khác nhau của bộ điều khiển LQR 60
Hình 4.24 Sơ đồ mơ phỏng nhiễu với bộ điều khiển LQR .......................................61
Hình 4.25 Mơ phỏng hệ thống khi có nhiễu với bộ điều khiển LQR .......................61
Hình 4.26 Mơ hình thiết kế bộ điều khiển LQG cho hệ xe tời và tải........................63
Hình 4.27 Sơ đồ khối bộ điều khiển LQG ................................................................63
Hình 4.28 Thiết lập bộ quan sát ước lượng trạng thái trong Simulink .....................64
Hình 4.29 Mơ hình mơ phỏng bộ điều khiển LQG ...................................................65
Hình 4.30 Nhiễu tác động vào góc dao động của tải với 2 bộ điều khiển LQR và
LQG ...........................................................................................................................65
Hình 4.31 Đáp ứng khi có nhiễu vào góc dao động giữa bộ điều khiển LQR và LQG
...................................................................................................................................66
Hình 4.32 Góc tải dao động giữa bộ điều khiển LQR khơng có nhiễu và bộ điều
khiển LQG có nhiễu tác động ...................................................................................66
Hình 4.33 Đáp ứng hệ thống khi có nhiễu vào tín hiệu hồi tiếp với bộ điều khiển
LQR ...........................................................................................................................67
Hình 4.34 Đáp ứng hệ thống khi có nhiễu vào tín hiệu hồi tiếp với bộ điều khiển
LQG ...........................................................................................................................68
Hình 4.35 Tăng biên độ nhiễu vào hệ thống .............................................................68
Hình 4.36 Đáp ứng hệ thống với bộ điều khiển LQG khi tăng biên độ nhiễu ..........69
Hình 4.37 Đáp ứng hệ thống với bộ điều khiển LQR khi tăng biên độ nhiễu ..........69
Hình 5.1 Sơ đồ khối mơ hình thực hệ xe tời và tải ...................................................71
Hình 5.2 Mơ hình thực tế hệ xe tời và tải .................................................................72
Hình 5.3 Động cơ DC Servo trong mơ hình .............................................................73
Hình 5.4 Mơ hình cấu tạo encoder ............................................................................74

Hình 5.5 Ngun lý mã hóa vịng quay tín hiệu với hai kênh ..................................74
Hình 5.6 Bộ xử lý tín hiệu số DSP TMS320F28335 ................................................75
Hình 5.7 Mạch UART FT232RL ..............................................................................77
Hình 5.8 Mạch cầu H dùng MOSFET ......................................................................77
Hình 5.9 Mạch Cầu H HI216 ....................................................................................78
Hình 5.10 Bộ nguồn xung 24V 5A ...........................................................................78
Hình 5.11 Thư viện khối hàm lập trình cho DSP TMS320F28335 ..........................80
Hình 5.12 Xây dựng đối tượng xe tời với DSP.........................................................82
Hình 5.13 Khối điều khiển động cơ lai xe tời ...........................................................82


x

Hình 5.14 Bộ quan sát trạng thái trong mơ hình thực ...............................................83
Hình 5.15 Khối truyền giá trị của hệ xe tời và tải vào giao diện ..............................83
Hình 5.16 Giao diện giám sát mơ hình xe tời và tải .................................................84
Hình 5.17 Đáp ứng góc dao động khi chưa có bộ điều khiển ...................................84
Hình 5.18 Đáp ứng góc dao động 100, khối lượng tải 0,2 kg ...................................85
Hình 5.19 Đáp ứng góc dao động 140, khối lượng tải 0,2 kg ...................................85
Hình 5.20 Đáp ứng góc dao động 200, khối lượng tải 0,2 kg ...................................85
Hình 5.21 Đáp ứng góc dao động 300, khối lượng tải 0,2 kg ...................................86
Hình 5.22 Đáp ứng góc dao động 140, khối lượng tải 0,3 kg ...................................87
Hình 5.23 Đáp ứng góc dao động 140, khối lượng tải 0,4 kg ...................................87


1

Chương 1
MỞ ĐẦU
1.1. Đặt vấn đề

Xuất nhập khẩu có vai trò to lớn trong sự phát triển kinh tế xã hội của mỗi quốc
gia. Nền sản xuất xã hội một nước phát triển như thế nào phụ thuộc nhiều vào lĩnh
vực hoạt động kinh doanh này. Thông qua xuất nhập khẩu có thể làm tăng ngoại tệ
thu được, cải thiện cán cân thanh toán, tăng thu cho ngân sách nhà nước, kích thích
đổi mới cơng nghệ, tiếp cận được phương thức quản lý và kinh doanh mới, cải biến
cơ cấu kinh tế, tạo thêm công ăn việc làm, tạo sự cạnh tranh của hàng hoá nội và
ngoại, nâng cao mức sống của người dân.

Hình 1.1 Cảng Tân Cảng Cát Lái thành phố Hồ Chí Minh
Để phát triển kinh tế, xã hội, đảm bảo an ninh quốc phòng và hội nhập với thế
giới, nâng cao vai trò xuất nhập khẩu trong q trình cơng nghiệp hóa và hiện đại hóa
ở nước ta, Việt Nam đã phát triển rất nhiều hệ thống Cảng sông, Cảng biển, cùng
hàng vạn kho hàng, bãi chứa hàng, đây cũng là một lĩnh vực chiến lược đang rất được
nhà nước và rất nhiều doanh nghiệp quan tâm đầu tư. Những năm đầu của thế kỷ 20,
ông Malcolm McLean người Mỹ đã phát minh ra container tạo nên cuộc cách mạng
container hóa, làm thay đổi diện mạo của ngành vận tải. Do đó, phương thức vận tải
hàng hóa, phát triển dịch vụ logistics hiện đại ở nước ta, vận chuyển bằng container
là lựa chọn hàng đầu hiện nay.


2

Để phục vụ cho việc sắp xếp, vận chuyển container tại các cảng tàu, bãi chứa
hàng, các công ty khai thác sử dụng cẩu trục với nhiều loại khác nhau. Có các loại
cẩu như cẩu khung chạy ray RMG (Rail Mounted Gantry Crane), cẩu khung chạy
bánh lốp (Rubber Tyred Gantry Crane) sử dụng trong bãi Container, cẩu quay (Jib
Crane), cẩu giàn chạy ray STS (Ship To Shore Crane) sử dụng tại cầu tàu.
Phương tiện cẩu trục là phương tiện kỹ thuật, cơ giới chính trong các ngành sản
xuất, cứu hộ cứu nạn, xây dựng, cơ giới xếp dỡ, khai thác cảng… đây cũng là một
lĩnh vực cần được quan tâm nghiên cứu, phát triển trong thời điểm đất nước ta đẩy

mạnh cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa, ứng dụng khoa học cơng nghệ, kỹ thuật tự động
hóa vào các khu công nghiệp, bến cảng và giao thông vận tải để xây dựng nền kinh
tế đất nước, hội nhập với thế giới bên ngồi.

Hình 1.2 Cẩu giàn container (STS)
Cùng với sự phát triển của ngành tự động hóa, đã có rất nhiều giải pháp được
ứng dụng để tối ưu hóa hệ thống điều khiển, giám sát và vận hành cẩu trục. Một trong
các vấn đề đang được quan tâm hiện nay là giảm lắc cho tải khi cẩu vận hành. Đa số
cẩu giàn container sử dụng cáp thép để treo tải, do đó việc dao động, lắc của tải là
khơng thể tránh khỏi.
Khi trạng thái của tải dao động, lắc sẽ dẫn đến các hạn chế chính sau:
- Nguy cơ mất an tồn cho con người hư hỏng hàng hóa, hư hỏng thiết bị trong
vùng làm việc khi tải dao động va chạm gây rơi, đổ.
- Các kết cấu, thiết bị như khung, dầm, pulley, bạc đạn, gối đỡ, động cơ, thiết bị
điện … sẽ bị giảm tuổi thọ và cáp hàng sẽ nhanh bị hư hỏng.


3

- Năng suất khai thác cảng được tính bằng thời gian xếp dỡ, khi tải bị dao động,
thời gian khử lắc cao, tiến độ làm hàng chậm, ảnh hưởng đến năng suất hoạt động
của nhà khai thác.

Hình 1.3 Nguy cơ mất an toàn do tải dao động
Một số phương pháp giảm lắc cho container trước đây như điều khiển motor
tang tời phụ dùng cáp, điều khiển piston cylinder dùng cáp để giảm lắc cho cẩu bãi
chạy ray (RMG crane), cẩu bãi chạy bánh lốp (RTG crane), giảm lắc bằng cách bắt
chéo cáp hàng cho cẩu giàn (STS Crane) được ứng dụng khá rộng rãi tuy nhiên thời
gian giảm lắc vẫn còn cao, vẫn phải phụ thuộc vào người vận hành, cần lắp thêm
nhiều thiết bị cồng kềnh, kết quả thực tiễn không cao.

Cùng với sự phát triển của ngành tự động hóa, thời gian gần đây có một số giải
pháp điều khiển motor xe tời (trolley) theo hướng sử dụng thuật toán được các nhà
sản xuất cẩu trục lớn như Kocks crane, Mitsui crane, Kalmar crane, ZBMC crane…
đưa ra nhằm giảm lắc cho tải container. Các giải pháp này khắc phục được nhiều
khuyết điểm nhưng vẫn chưa được lựa chọn nhiều do chưa hoàn toàn tự động, sử
dụng khá phức tạp đồng thời chi phí rất cao và khách hàng tại Việt Nam chưa làm
chủ được công nghệ.
Như vậy, việc sử dụng các thuật toán để điều khiển motor xe tời (trolley) cùng
với hệ thống cảm biến để giảm lắc của tải cho cẩu giàn container là cơ sở để nghiên
cứu đưa ra giải pháp tốt nhất hiện nay.
Xuất phát từ tình hình thực tế trên, được sự học tập, tạo điều kiện, giúp đỡ của


4

Trường Đại học Giao thông vận tải TP.HCM, Viện Đào tạo sau đại học và thầy
PGS.TS. Đặng Xuân Kiên, tác giả chọn đề tài là “Giải pháp giảm dao động của tải
cho cẩu giàn Container dựa trên phương pháp điều khiển LQG”.
1.2. Cơ sở khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài
1.2.1 Một số hệ thống và công trình nghiên cứu giảm lắc trong thực tế
a) Hệ thống giảm lắc khơng điều khiển của hãng Mitsui [13]

Hình 1.4 Hệ thống giảm lắc sử dụng cáp
- Hệ thống giảm lắc của hãng Mitsui (Nhật) sử dụng 8 sợi cáp thép, trong đó có 4
sợi cáp được bắt chéo nhau và liên kết với khung chụp container như Hình 1.4 .
-

Khi có dao động ở tải, lực căng ở các sợi cáp sẽ thay đổi, hệ thống sử dụng động

cơ Torque để đảm bảo lực căng trên sợi cáp trở về giá trị không đổi trong thời gian

ngắn nhất. Điều này đảm bảo tải sẽ không bị dao động.
Nhận xét: Hệ thống giảm lắc sử dụng cáp là hệ thống đơn giản và được áp dụng nhiều
nhất trên các cẩu khung có tốc độ chậm, chiều cao thấp như cẩu khung chạy ray, cẩu
khung chạy bánh lốp. Hệ thống này không được sử dụng ở cẩu giàn STS với chiều
cao lớn, tốc độ cao. Hệ thống khơng có điều khiển, hoàn toàn sử dụng bằng cơ, thời
gian trở về cân bằng tải chậm, khơng kiểm sốt được.


5

b) Hệ thống giảm lắc có điều khiển của hãng Kalmar [12]

Hình 1.5 Hệ thống giảm lắc của hãng Kalmar
-

Hệ thống giảm lắc của hãng Kalmar (Bắc Âu) sử dụng cảm biến dao động theo

trục tọa độ (X, Y) được đặt trên khung chụp container. Tín hiệu cảm biến được đưa
vào bộ xử lý và truyền dữ liệu (sử dụng kiểu truyền dữ liệu CAN – Bus) của hãng
Kalmar, để truyền dữ liệu phản hồi về bộ điều khiển khả lập trình PLC (hãng
Siemens) của cẩu trục.
- Bộ điều khiển khả lập trình PLC sử dụng thuật tốn xử lý tín hiệu phản hồi và đưa
tín hiệu đến bộ biến tần dùng để điều khiển động cơ di chuyển xe tời theo vịng kín.
Lúc này xe tời sẽ được điều khiển di chuyển đến vị trí mong muốn với góc dao động
của tải và thời gian đáp ứng theo thuật tốn được lập trình.
Nhận xét: Hệ thống giảm lắc của hãng Kalmar là hệ thống sử dụng thuật toán để điều
khiển, hệ thống này có giá thành cao với việc dùng cảm biến dao động và PLC có khả
năng lập trình các thuật tốn điều khiển hiện đại. Đổi lại, chất lượng đáp ứng khá tốt,
thời gian giảm góc dao động của tải và tốc độ làm hàng nhanh hơn hệ thống điều
khiển bằng cơ, tuy nhiên khi sử dụng đường truyền CAN – Bus và cảm biến dao động

như trên, hệ thống chỉ ứng dụng cho các loại cẩu khung có chiều cao thấp. Đồng thời,
cần nghiên cứu và lai ghép các thuật toán để điều khiển hệ thống được tối ưu hơn và
bền vững với các loại nhiễu.


6

c) Hệ thống giảm lắc có điều khiển của hãng Satec [14]

Hình 1.6 Hệ thống giảm lắc của hãng Satec
-

Hệ thống giảm lắc của hãng Satec (Hàn Quốc) sử dụng cảm biến hồng ngoại để

nhận biết góc dao động của tải (STAD – 2000). Tín hiệu cảm biến được đưa vào bộ
điều khiển chống lắc bằng đường truyền RS422. Bộ điều khiển chống lắc sẽ đưa các
dữ liệu vào bộ điều khiển khả lập trình PLC bằng đường truyền ProfiBus.
- Bộ điều khiển khả lập trình PLC sử dụng thuật tốn xử lý tín hiệu phản hồi và đưa
tín hiệu đến bộ biến tần dùng để điều khiển động cơ di chuyển xe tời theo vịng kín.
Lúc này xe tời sẽ được điều khiển di chuyển đến vị trí mong muốn với góc dao động
của tải và thời gian đáp ứng theo thuật tốn được lập trình.
Nhận xét: Tương tự như hệ thống giảm lắc của hãng Kalmar, tuy nhiên do sử dụng
cảm biến hồng ngoại và và hệ thống tự động hiện đại hơn, do đó giá thành đắt hơn,
đổi lại hệ thống này sử dụng được cho cẩu giàn STS tại cầu tàu với tốc độ cao, chiều
cao có thể lên đến 40 mét, thời gian đáp ứng tốt hơn. Cũng như các hệ thống có điều
khiển khác ta cần nghiên cứu và lai ghép các thuật toán để điều khiển hệ thống được
tối ưu hơn và bền vững với các loại nhiễu.
d) Nghiên cứu thuật toán giảm lắc dùng bộ điều khiển mờ chỉnh định PID [8]
-


Tác giả thực hiện: KANTHA RAO A/L SIMANJALAM.

-

Nơi thực hiện: Đại học Teknologi – Malaysia.


7

-

Năm thực hiện: 2012

-

Nguyên lý điều khiển:

Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý điều khiển Fuzzy – PID
Từ các cảm biến phản hồi vị trí của xe tời và góc dao động của tải, hệ số tỷ lệ,
tích phân, vi phân của bộ điều khiển PID và PD được chỉnh định theo thời gian bằng
thuật tốn mờ. Với tín hiệu đặt xref thông qua bộ điều khiển và đối tượng điều khiển
là Gantry crane (cẩu chạy) góc dao động của tải và vị trí xe tời sẽ đạt giá trị mong
muốn.
-

Kết quả đạt được:


8


a) Đáp ứng vị trí xe tời

b) Đáp ứng góc dao động của tải
Hình 1.8 So sánh đáp ứng của cẩu giàn giữa thuật toán PID và FPID
Nhận xét: Kết quả cho thấy sử dụng thuật toán mờ để chỉnh đỉnh các hệ số trong bộ
điều khiển PID cho đáp ứng tốt hơn chỉ sử dụng đơn thuần thuật toán PID cơ bản.
Tuy nhiên, trong mô phỏng, thời gian đáp ứng vẫn còn chậm, giá trị khối lượng của
tải và chiều dài của cáp nhỏ, chưa cho thấy kết quả thực nghiệm cũng như phân tích
trường hợp thực tế với tải trong container là hơn 40 tấn và chiều cao đạt đến 40 mét.
e) Nghiên cứu thuật toán giảm lắc sử dụng mạng Neuron đơn chỉnh định PID
[9]
-

Tác giả thực hiện: W.Li, J.S.Yao, R.H.Li .

-

Nơi thực hiện: Trung Quốc.

-

Năm thực hiện: 2008

-

Nguyên lý điều khiển:

Hình 1.9 Cấu trúc điều khiển mạng neuron đơn



9

Phương pháp này sử dụng mạng neuron đơn với tín hiệu f ở ngõ ra, chỉnh định
các tham số của bộ điều khiển PID.
- Kết quả đạt được:

Hình 1.10 Mơ phỏng đáp ứng góc dao động bộ điều khiển mạng neuron đơn
Nhận xét: Đối với bộ điều khiển sử dụng mạng neuron đơn, góc dao động có thời
gian đáp ứng nhanh, độ vọt lố thấp hơn so với bộ điều khiển PID. Tuy nhiên, thời
gian đáp ứng vẫn còn chậm, chưa có mơ hình thực nghiệm cụ thể.
f) Nghiên cứu thuật toán giảm lắc sử dụng điều khiển phi tuyến có bù ma sát [4]
-

Tác giả thực hiện: Ngơ Quang Hiếu.

-

Nơi thực hiện: Đại học Cần Thơ – Việt Nam.

-

Năm thực hiện: 2013

-

Nguyên lý điều khiển: Nghiên cứu này chỉ ra phương pháp ước lượng các hệ số

ma sát sử dụng phương pháp bình phương cực tiểu hồi quy. Đồng thời, thiết kế luật
điều khiển phi tuyến có bù ma sát để điều khiển xe tời đến vị trí mong muốn với góc
dao động của tải được triệt tiêu ở cuối hành trình.

-

Kết quả đạt được:


10

a) Đáp ứng vị trí xe tời

b) Đáp ứng góc dao động của tải
Hình 1.11 Đáp ứng của bộ điều khiển phi tuyến có bù ma sát
Nhận xét: Đa số các nghiên cứu đưa ra mơ hình tốn học của đối tượng cẩu trục
thường bỏ qua ma sát của xe tời, pulley treo cáp hàng, …, việc đưa ra phương pháp
bù ma sát đã đạt được mục tiêu và có đáp ứng khá tốt. Tuy nhiên, vẫn chưa tính tốn
đến các nhiễu khác và nhiễu tổng quát để bộ điều khiển được bền vững.
1.2.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Như vậy đã có một số nghiên cứu trong và ngoài nước đối với việc giảm lắc của
tải cho cẩu giàn, các giải pháp đã có kết quả khá tốt và là nền tảng cho những nghiên
cứu tiếp theo. Cẩu giàn container là một loại cẩu trục lớn, cao, có hành trình di chuyển
xe tời và tốc độ cao hơn các loại cẩu trục khác tại bến cảng. Đồng thời cẩu giàn trực
tiếp sản xuất trên cầu cảng, gắp nhả container trên tàu hàng do đó yêu cầu về kỹ thuật
của loại cẩu này là rất khắt khe và phải đảm bảo các tiêu chí cao hơn cẩu bãi. Đây là
một hướng nghiên cứu mới có nhiều người quan tâm và phát triển các giải pháp thực
hiện trong giai đoạn tới.
Nghiên cứu giải pháp giảm lắc của tải nhằm nâng cao độ chính xác khi xếp dỡ,


11

giảm thiểu thời gian xếp dỡ, tiết kiệm chi phí cho các bãi hàng. Đồng thời, không cần

đến người vận hành có kinh nghiệm cao để khử lắc cho container.
Bên cạnh đó, giảm lắc container sẽ giúp giảm thiểu các nguy cơ mất an toàn do
va chạm, giảm thiểu chi phí bảo trì sửa chữa hệ thống cẩu trục của doanh nghiệp.
Nghiên cứu giải pháp giảm lắc của tải cho cẩu giàn là cơ sở để chủ động nắm
bắt công nghệ tự động, hiện đại của nước ta trong quá trình hội nhập, từ đó phát triển,
áp dụng vào thực tế sản xuất với chi phí rẻ, khơng phải nhập các cơng nghệ ở nước
ngồi với giá thành cao.
Giải pháp giảm lắc của tải cho cẩu giàn container cũng là nội dung tham khảo
cho việc nghiên cứu áp dụng các phương pháp ứng dụng thuật tốn điều khiển khác
có khả năng tối ưu hơn trong thực tế, cũng như áp dụng, mở rộng giải pháp này trong
các hệ cẩu trục khác, các cơ cấu thiết bị khác có đặc tính liên quan hoặc tương tự.
1.3. Mục tiêu của đề tài
Khắc phục các nhược điểm do lắc của tải trên cẩu giàn Container nhằm tự động
hóa cẩu trục, tối ưu hóa tốc độ vận chuyển một mã hàng, nâng cao năng lực sản xuất
của các Cảng và bến bãi.
Thiết kế bộ điều khiển tối ưu, bền vững LQG, xây dựng hệ cơ học bền vững
đảm bảo tính ổn định của xe tời và container trong quá trình chụp, gắp mã hàng và
khi đặt mã hàng tại vị trí cho trước.
Chỉnh định các thông số của bộ điều khiển tối ưu LQG, ước lượng được các
trạng thái phản hồi của mơ hình và giảm thiểu các sai số gây ra như container lắc do
gió, cẩu trục rung, khi thay đổi tải trọng của container, khi thay đổi chiều cao của mã
hàng.
Thiết kế và thi cơng mơ hình cơ khí thể hiện thuật tốn LQG dùng để giảm lắc
trên cẩu giàn. Từ đó, so sánh giữa lý thuyết và thực tế, kiểm nghiệm, chỉnh định các
thông số sao cho điều khiển xe tời đến vị trí mong muốn và góc dao động của tải được
triệt tiêu ở cuối hành trình với thời gian ngắn nhất.
1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Khảo sát sự thay đổi góc lệch do dao động gây ra đối với container.



12

Khảo sát các thơng số của mơ hình xe tời mang tải là container.
Nghiên cứu lý thuyết đưa ra các thuật toán điều khiển.
Thiết kế bộ điều khiển LQG để điều khiển tốc độ và vị trí của xe tời đảm bảo
container giảm dao động.
Mô phỏng và xây dựng mô hình để kiểm nghiệm kết quả nghiên cứu.
1.5. Phương pháp thực hiện
- Xây dựng các thuật toán điều khiển:
. Xây dựng mơ hình phi tuyến cho đối tượng cần điều khiển là hệ xe tời và tải
container.
. Thiết kế bộ điều khiển PID, bộ điều khiển tối ưu LQR.
. Xây dựng hệ xe tời và tải container tối ưu bền vững với bộ điều khiển LQG.
. Sử dụng phần mềm Matlab, mô phỏng các kết quả điều khiển, so sánh, tổng
hợp, nhận xét và rút ra kết luận.
- Thiết kế phần cơ khí:
. Thiết kế mơ hình cơ khí cẩu giàn để mơ phỏng xe tời di chuyển và góc dao động
của tải với yêu cầu: các khung, kết cấu chắn chắn, bộ truyền động đai thang, các
ổ bi, bạc đạn trơn tru sao cho ma sát ít nhất, lắp đặt các cảm biến truyền tín hiệu
phản hồi, mơ hình cơ khí gọn nhẹ đạt các u cầu mơ phỏng hệ.
. Lựa chọn động cơ phù hợp, có bước điều khiển nhỏ, độ ổn định cao.
. Lựa chọn cảm biến nhỏ gọn, thông số phù hợp với bộ điều khiển.
- Thiết kế phần mạch điện tử:
. Thiết kế các bộ nguồn điều khiển và công suất.
. Thiết kế mạch động lực điều khiển động cơ.
. Thiết kế mạch điều khiển và giao tiếp máy tính sử dụng bộ xử lý tín hiệu số
DSP TMS320F28335.
. Sử dụng phần mềm Matlab để điều khiển, phần mềm Visual Sudio và card giao
tiếp để giám sát.
1.6. Cấu trúc luận văn

Luận văn gồm có 6 chương như sau: