Luận văn Mô hình hóa và phát triển hệ thống điều khiển cho hệ cần cẩu di động dựa trên kỹ thuật mẫu ảo

liên tục kéo dài đến phần cuối của sự vận chuyển, nó trở nên rất khó để điều khiển container đến một vị trí mong muốn [1]. Để tăng năng suất vận chuyển hàng hóa của hệ thống cẩu MHC, tất cả các chuyển động của cẩu nên được thực hiện ở tốc độ cao, và tải phải được vận chuyển đến vị trí mong muốn một cách chính xác. Tuy nhiên rất khó để thực hiện những yêu cầu này, bởi vì khi xe đẩy được gia tốc và giảm tốc, tải treo sẽ lắc không mong muốn. Hơn nữa nhiễu bên ngoài gây ra bởi sóng, gió và thân tàu di chuyển liên tục cũng làm cho quỹ đạo của tải không thể dự đoán được. Do đó, điều khiển tải đến vị trí mong muốn một cách chính xác trong trường hợp cẩu MHC là vấn đề được tập trung nghiên cứu trong luận văn này. Đối với cẩu giàn hoạt động trên đất liền, chuyển động của xe đẩy và chuyển động lắc là đồng phẳng. Trong trường hợp này xe đẩy giá cẩu được sử dụng để chống lắc cho container bởi kỹ năng điều khiển của người vận hành. Trong trường hợp của MHC, container ngoài chuyển động lắc dọc còn có chuyển động lắc ngang gây ra do chuyển động lắc của thân tàu. Và điều này khó có thể chống lắc như đối với trường hợp cẩu hoạt động trên đất liền, bởi vì thành phần lắc ngang và hướng di chuyển của xe đẩy không cùng một mặt phẳng. Tổng quát có hai giải pháp được đề xuất chống lắc cho tải treo container, bao gồm giải pháp cơ khí và giải pháp điện, giải pháp cơ khí được áp dụng thành công để khống chế lắc dọc của tải trong nhiều trường hợp. Tuy nhiên, phương pháp này phát ra rung động, thời gian đáp ứng chậm và chi phí bảo trì cao [2], trong hầu hết tất cả các trường hợp giải pháp điện được sử dụng phổ biến để chống lắc cho tải, giải pháp điện được phân làm hai loại phương pháp điều khiển, điều khiển vòng hở và điều khiển vòng kín. Sơ đồ điều khiển vòng hở được đề xuất trong [3] thì không trang bị các cảm biến, mục tiêu điều khiển dựa trên quỹ đạo và tốc độ những thông số mà đã mô phỏng trước để loại bỏ nhiễu, phương pháp này kinh tế và ổn định với các loại cẩu có tần số tự nhiên thấp, tuy nhiên nó không hiệu quả đối với đối tượng không ổn định bị ảnh hưởng bởi nhiễu. Trong khi đó sơ đồ điều khiển vòng kín cũng để xuất để chống nhiễu cho cẩu di động, những sơ đồ này được trang bị với 10 nhiều loại cảm biến để phát hiện góc lắc của tải trong điều khiển đối tượng phi tuyến [4-10], tín hiệu góc lắc của tải được xử lý bởi bộ quan sát và dự đoán trước khi phản hồi đến bộ điều khiển. Rất nhiều thiết bị được đề xuất để đo góc lắc của tải. Nhóm tác giả Yoshida [9] đề xuất sử dụng camera như là một cảm biến không tiếp xúc để quan sát tín hiệu phản hồi của cẩu. Trong trường hợp này một 3D camera được lắp đặt trên xe đẩy giá cẩu để đo vị trí 3D của tải, phương pháp này hiệu quả cho cẩu có tác động bởi nhiễu. Tuy nhiên hệ thống quan sát chi phí đầu tư cao và khó bảo trì, thêm vào đó tuổi thọ của các thiết bị quan sát bị giảm khi chúng làm việc trong môi trường biển. Để giảm chi phí, chính xác và đáp ứng nhanh, nhóm tác giả [11] đã giới thiệu một phương pháp đo mới sử dụng cảm biến gia tốc 3 trục để dự đoán góc lắc. Trong phương pháp này góc lắc được đo bởi cảm biến gia tốc dựa trên sự sai lệch giữa điểm cố định trên xe đẩy và giá cẩu. Những phương pháp đo trên nhằm phát hiện góc lắc nhằm giúp thiết kế hệ thống điều khiển vòng kín để chống lắc của tải treo. Những phương pháp này đã đạt được những mục tiêu đo góc lắc chính xác và thiết kế một hệ thống điều khiển mong muốn. Qua phân tích tất cả các phương pháp nghiên cứu trên, tôi thấy rằng khi nghiên cứu đối với một sản phẩm cơ điện tử từ ý tưởng đến triển khai ra thực tế mất nhiều thời gian và chi phí cho quá trình xây dựng phần cứng, chạy thử, kiểm tra, sửa chữa và đánh giá, hơn nữa các cảm biến đo với độ chính xác cao rất đắt nên hạn chế sử dụng để thử nghiệm, đặc biệt đối với các hệ thống cơ điện tử lớn và đắt tiền. Nhằm giảm chi phí và thời gian xây dựng mẫu phần cứng, trong luận văn này, tôi giới thiệu một kỹ thuật mô phỏng trên mẫu ảo chạy trên máy tính nhằm giúp các kỹ sư cơ điện tử có thể triển khai các ý tưởng và thực hiện mô phỏng, kiểm nghiệm các thuật toán sao cho hệ thống cơ điện tử thiết kế tối ưu nhất trước khi xây dựng mẫu phần cứng. Kỹ thuật mô phỏng mẫu ảo là sự tích hợp nhiều phần mềm thương mại như: SOLIDWORKS, ADAMS, và MATLAB/Simulink. Phần mềm SOLIDWORKS dùng để thiết kế các thành phần cơ khí của hệ thống cơ điện tử, ADAMS dùng để tạo mô hình cơ khí ảo và mô phỏng hành vi động lực học của thành phần cơ khí, đặc điểm của phần mềm ADAMS cho phép sử dụng các cảm 11 biến ảo để đo bất kỳ thông số nào tại bất kỳ điểm nào của các thành phần cơ khí như lực, tải, momen., MATLAB/Simulink được sử dụng để thiết kế các hệ thống điều khiển. Mô hình mẫu ảo được tạo thành từ các phần mềm trên có những đặc tính tương tự như mô hình cơ điện tử thực tế, thông qua mô phỏng trên mô hình mẫu ảo với các điều kiện như trong ngữ cảnh thật không chỉ giúp cho các kỹ sư cơ điện tử sửa chữa các thiết kế cơ khí sao cho phù hợp mà còn cải tiến được phương pháp điều khiển. 2.2. Trình tự các bước nghiên cứu cho hệ thống MHC dựa trên kỹ thuật mẫu ảo: Để nghiên cứu đối tượng cần cẩu di động cầu cảng dựa trên kỹ thuật mẫu ảo như đã đề xuất trên, tôi trình bày quy trình các bước thực hiện như giới thiệu trên hình 2.3: Phân tích điều kiện làm việc của MHC Khái niệm cần cẩu di động (MHC) Phân tích hành vi động lực học của MHC Thiết kế các thành phần cơ khí của MHC SOLIDWORK Xây dựng mô hình mẫu ảo của MHC ADAMS Mô phỏng, kiểm tra, đành giá Thiết kế và mô phỏng hệ thống điều khiển Hình 2.3: Trình tự xây dựng mẫu ảo cho hệ thống cần cẩu di động (a) Phân tích điều kiện làm việc của MHC: Dựa trên khái niệm về cẩu cầu cảng di động hoạt động trên biển, phân tích kết cấu cơ khí và ảnh hưởng của các yếu tố nhiễu bên ngoài như sóng biển và gió tác động lên hệ cơ khí. 12 (b) Phân tích hành vi động lực học của MHC: Phân tích và xây dựng các phương trình động lực học của xe đẩy của MHC khi gắp container. (c) Thiết kế và mô hình hóa các thành phần cơ khí của MHC: Dựa trên phân tích hoạt động của MHC sử dụng phần mềm SOLIDWORKS để thiết kế các thành phần cơ khí. (d) Xây dựng mẫu ảo của MHC và mô phỏng hành vi động lực học: Xây dựng mô hình mẫu ảo của MHC trong môi trường ADAMS, mô phỏng và khám phá hành vi động lực học của các thành phần cơ khí với các điều kiện làm việc tương tự như trong ngữ cảnh thật. Dựa trên kết quả mô phỏng, đánh giá hiệu quả của mô hình cơ khí của MHC. (e) Thiết kế và mô phỏng hệ thống điều khiển: Thiết kế hệ thống điều khiển trong môi trường MATLAB/Simulink và áp dụng thuật toán điều khiển đã thiết kế trên mẫu ảo cơ khí của MHC dưới ảnh hưởng của các điều kiện làm việc như trong ngữ cảnh thật và đánh giá hiệu quả của phương pháp điều khiển. 13 CHƯƠNG 3 THÀNH PHẦN CẤU THÀNH VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA CẨU CẦU CẢNG DI ĐỘNG 3.1. Thành phần cấu thành và hoạt động của cẩu cầu cảng di động: Cẩu cầu cảng di động là một hệ thống cần cẩu được ráp trên một thiết bị nổi như giới thiệu trong hình 3.1. (1). Thiết bị nổi; (2). Khung chân đế; (3). Khung hỗ trợ; (4). Thanh giằng; (5). Xe đẩy (xe rùa); (6). Giá cẩu Hình 3.1: Mô hình hệ thống cẩu cầu cảng di động Hệ thống MHC bao gồm: thiết bị nổi, khung chân đế, khung hỗ trợ, xe đẩy giá cẩu, giá cẩu và thanh giằng. Thiết bị nổi làm việc trên biển, nó được thiết kế như một chiếc tàu, sao cho có thể nâng toàn bộ hệ thống cẩu và tải, thiết bị nổi làm việc trong điều kiện sóng và gió nên bị lắc quanh các trục như trên hình vẽ. Hệ thống khung chân đế được thiết kế có cấu trúc vững chắc để có thể chịu đựng được tổng trọng tải của cẩu, khung chân đế có thể di chuyển dọc theo chiều dài của tàu và có thể được điều chỉnh theo chiều ngang để thao tác gắp và thả container. Khung hỗ trợ 14 được nâng lên khi cẩu bắt đầu làm việc và hạ thấp khi cẩu ngưng hoạt động, chức năng này nhằm thu gọn cẩu khi thiết bị nổi di chuyển từ bờ ra tàu mẹ và ngược lại. Xe đẩy di chuyển trên ray của thanh giằng theo hướng trục y và được dẫn động bởi mô tơ điện, xe đẩy kéo giá cẩu đến vị trí mong muốn để gắp hoặc sắp xếp container. Giá cẩu được treo trên xe đẩy bởi 4 dây cáp có thể điều chỉnh được, chức năng này để điều chỉnh các móc để gắp container, hệ thống kẹp và định vị được sử dụng để định vị các container một cách chính xác. Hình 3.2: Cơ chế làm việc của hệ thống khung của MHC Cơ chế làm việc của hệ thống khung cẩu có thể mô tả chi tiết như hình 3.2:  Chức năng di chuyển dọc và ngang tàu: chức năng này cho phép cẩu có thể di chuyển dọc theo chiều dài thân tàu và có thể điều chỉnh theo chiều ngang (di chuyển qua trái hoặc qua phải để gắp container) nhờ hệ thống ray thiết kế trên tàu.  Chức năng xoay: chức năng này cho phép cẩu có thể điều chỉnh ổn định tàu khi bị lắc bởi sóng biển. 15  Chức năng di chuyển xe đẩy cẩu: hệ thống xe đẩy được vận chuyển để mang theo giá cẩu đến vị trí gắp hoặc thả container.  Hệ thống giá cẩu: hệ thống bao gồm nhiều chi tiết bao gồm các cơ cấu định vị và kẹp container. 3.2. Phân tích điều kiện làm việc của cẩu cầu cảng di động: Do điều kiện làm việc trên biển nên hệ thống MHC bị tác động bởi sóng và gió theo các hướng khó xác định. Theo nghiên cứu của Jing-Jong Jang và cộng sự [13], lực kéo do gió gây ra tác động lên cấu trúc cẩu thông qua sóng biển có thể đánh giá dựa trên phương trình cơ bản của lực kéo trong khí động học như sau: 21( ) ( ) 2 D DF t C AU t (3.1) Trong đó:  : mật độ không khí; CD: hệ số kéo của gió; A: diện tích của cấu trúc cẩu; U(t): tốc độ gió sự cố.  ( )U t U w t  (3.2) Trong đó U là hằng số với tốc độ gió phụ thuộc vào độ cao so với mực nước biển, và w(t) là hàm biểu diễn tốc độ gió xoáy biến đổi ngẫu nhiên. Lực kéo do gió gây ra ( )DF t có thể được viết như sau:   21 1 ( ) ( ) ( ) 2 2 D D D DF t C AU C AUw t C Aw t w t     (3.3) Thành phần đầu tiên của phương trình (3.3) được gọi là lực kéo trung bình, thành phần thứ 2 và thành phần thứ 3 của phương trình (3.3) là lực kéo kết hợp với gió xoáy. Để đánh giá tác động của gió lên cấu trúc cẩu, thành phần thứ 3 của phương trình (3.3) có thể được bỏ qua, dao động của tốc độ gió xoáy w(t) là quá trình ngẫu nhiên Gaussian với trung bình là zero. Trong nghiên cứu này, phần diện tích và độ cao của kết cấu khung cần cẩu chịu tác động của nhiễu gió thì không đáng kể, do đó ảnh hưởng của gió đến cấu trúc của khung cần cẩu có thể được bỏ qua, và nó có thể được xem như là nhiễu ngẫu nhiên Gaussian của hệ thống điều khiển, trong khi đó nhiễu gây ra bởi sóng biển là thành phần ảnh hưởng chính đến chuyển động của thiết bị nổi. Do đó khi 16 khảo sát đối tượng như hệ thống MHC, việc biểu diễn sự tác động của sóng biển trực tiếp ảnh hưởng lên quá trình làm việc của thiết bị nổi là cần thiết khi mô hình hóa và điều khiển hệ thống MHC. Để phân tích nhiễu do sóng biển tác động lên hệ thống MHC, nhiễu sóng biển có thể chia làm 2 thành phần: sự chồng lên nhau của các sóng dao động điều hòa là nhân tố tác động chính đến thiết bị nổi và thành phần dao động nhỏ ngẫu nhiên. Do đó, dao động sóng biển được biểu diễn bởi phương trình bên dưới [14]: ( ) sin( )aw t f t B    (3.4) Trong đó thành phần dao động điều hòa của sóng biển được biểu diễn bởi phương trình sin( )af t  , và thành phần nhiễu ngẫu nhiên là B . Các đại lượng af , , và  là biên độ, tần số và pha của phương trình sóng tương ứng. Dưới tác dụng của nhiễu sóng biển, hệ thống MHC bị lắc theo 6 bậc tự do của chuyển động, bao gồm ba chuyển động tịnh tiến (surge, sway, và heavy) và ba chuyển động xoay (roll, pitch, và yaw). Sáu bậc tự do của chuyển động được mô tả như trên hình 3.3. Hình 3.3: Các chuyển động lắc của cẩu MHC theo các trục 17 Đối với cẩu giàn gắp container bố trí trên đất liền, chuyển động lắc của tải và chuyển động xe cẩu thì đồng phẳng và việc chống lắc cho tải container thì được thực hiện bởi sự điều chỉnh xe cẩu của người vận hành. Trong trường hợp của MHC ngoài chuyển động lắc dọc còn xuất hiện chuyển động lắc ngang do tác động của nhiễu sóng biển. Thành phần lắc dọc có thể được khắc chế bởi điều khiển sự dịch chuyển của xe đẩy, tuy nhiên không có phương pháp trực tiếp để khắc chế thành phần lắc ngang, đối với trường hợp cần cẩu di động, một hệ thống cơ khí kết hợp với phương pháp điều khiển hợp lý có thể loại bỏ hai thành phần lắc này. Hình 3.4 giới thiệu một cơ chế mới để điều khiển khống chế thành phần lắc ngang của tải [15]: Hình 3.4: Một cơ chế cho chống lắc ngang của tải container [15] Khảo sát cơ chế chống lắc ngang như hình 3.4, hai dây thừng, với các puly và trống tang cần thiết được thêm vào để tạo nên cơ chế cho chống lắc ngang. Các trống tang thì cần thiết để bù cho sự chênh lệch về chiều dài giữa phần dây thừng thêm vào và phần dây thừng chính nhấc container lên khi container được di chuyển 18 lên và xuống. Trong phần dây thừng thêm vào, cơ cấu chấp hành thủy lực phát ra lực ép để truyền tải lực chống lắc ngang. 19 CHƯƠNG 4 MÔ HÌNH HÓA VÀ XÂY DỰNG MẪU ẢO CHO HỆ THỐNG CẨU CẦU CẢNG DI ĐỘNG 4.1. Sự cần thiết phát triển mẫu ảo cho nghiên cứu hệ thống cơ điện tử: Một khi tính phức tạp của hệ thống cơ điện tử ngày càng tăng, để tăng tính cạnh tranh trong sản xuất một sản phẩm cơ điện tử yêu cầu thời gian cho một chu kỳ sản xuất phải giảm. Do đó, xây dựng một mẫu phần cứng để kiểm tra tính tối ưu của sản phẩm sẽ mất nhiều thời gian và chi phí để đưa ra một sản phẩm mới ra thị trường. Kỹ thuật mẫu ảo được đề xuất trong luận văn này như một giải pháp làm giảm chi phí sản xuất và thời gian so với phương pháp truyền thống, nhờ các quá trình: xây dựng mẫu ảo, mô phỏng, và tối ưu thiết kế trên máy tính trước khi thực hiện xây dựng mẫu phần cứng để kiểm tra. Phương pháp mẫu ảo là giải pháp phần mềm tích hợp bao gồm mô hình hóa một hệ thống cơ khí, mô phỏng, và quan sát hành vi chuyển động của hệ cơ khí trong môi trường 3D trên máy tính dưới điều kiện hoạt động như thật, và tinh chỉnh, tối ưu các thiết kế thông qua nghiên cứu các thiết kế lặp lại. Ưu điểm của kỹ thuật mô phỏng này bao gồm: tạo ra mô hình chi tiết và được sử dụng như là một thí nghiệm ảo trong cách tương tự như trường hợp thật. Khả năng của mô hình này cho phép sử dụng các cảm biến ảo để đo tất cả các thông số ở tất cả các thành phần của mô hình cơ khí một cách thuận tiện. Hình 4.1 trình bày quá trình tạo mẫu ảo cho hệ thống MHC. Trong quá trình thiết kế một hệ thống cơ điện tử phức tạp, giai đoạn thiết kế cơ khí và thiết kế điều khiển được làm tách biệt với các công cụ phần mềm khác nhau nhưng cùng khái niệm. Sau giai đoạn thiết kế, mỗi mô hình phải được kiểm tra và xác minh xem có thỏa mãn các mục tiêu đã xác định trước chưa, và sau đó kiểm chứng trên mô hình vật lý, nếu có vấn đề gì xuất hiện trong hoạt động tương tác giữa hai hệ thống, các kỹ sư thiết kế phải tinh chỉnh thiết kế cơ khí hoặc thiết kế điều khiển để đạt một hệ thống cơ điện tử hoàn thiện. Nếu sử dụng kỹ thuật mô 20 phỏng ảo trong thiết kế các sản phẩm cơ điện tử thì quá trình kiểm tra trên mẫu vật lý sẽ đơn giản hơn nhiều, do đó tiết kiệm thời gian và chi phí cũng như giảm nguy cơ hỏng hóc thiết bị gây ra bởi sự xung đột giữa hai hệ thống. Hình 4.1: Quá trình tạo mô hình mẫu ảo cho MHC 4.2. Cấu trúc phần mềm cho xây dựng mẫu ảo của hệ thống MHC: Hình 4.2 giới thiệu cấu trúc phần mềm để tạo mẫu ảo, bao gồm những phần mềm sau: CAD-Computer Aided Design (SOLIDWORKS, CATIA, PROENGINEER); MBS-Multibody (ADAMS, SD-EXACT, PLEXUS); FEA- Finite Element Analysis (NASTRAN/PATRAN, COSMOS, ANSYS) và Command & Control (MATLAB, EASY5, MATRIX). Concept CAD C&C MBS FEA Virtual prototype Physical prototype STEP Parasolid.- x_t Hình 4.2: Cấu trúc phần mềm để tạo mẫu ảo 21 Phần mềm CAD được sử dụng để tạo mô hình hình học của hệ thống cơ khí. Mô hình này bao gồm các chi tiết cứng với hình dạng và kích thước như mẫu vật lý, và nó chứa thông tin về khối lượng và thuộc tính quán tính của những chi tiết cứng này. Môi trường CAD cũng có thể thực hiện kiểm tra chuyển động đơn giản với lực và mô men. Sau đó mô hình hình học này được xuất từ môi trường CAD đến môi trường MBS sử dụng các định dạng file như là: STEP với CATIA, Parasolid.x_t với SOLIDWORKS. Phần mềm MBS là thành phần trung tâm của nền tảng mẫu ảo. Nó được sử dụng cho phân tích, tối ưu và mô phỏng hành vi động lực học của hệ thống cơ khí dưới điều kiện hoạt động như trong môi trường thật. Phần mềm FEA được sử dụng cho mô hình hóa các thành phần mềm dẻo. Phần mềm MBS có khả năng chuyển tải đến phần mềm FEA và nhận những thành phần mềm dẻo phản hồi từ FEA. Chức năng này cho phép chụp lại đặc điểm quán tính và các quy luật, và dự đoán tải với độ chính xác cao, do đó đạt được nhiều kết quả thực tế. Command & Control (C&C) là phần mềm được sử dụng cho thiết kế các hệ thống điều khiển. Phần mềm này trao đổi thông tin với phần mềm MBS. Quá trình trao đổi tạo một vòng kín sao cho đầu ra từ mô hình MBS là đầu vào cho hệ thống điều khiển và ngược lại. Đầu ra từ mô hình MBS là các thông đo cần thiết cho điều khiển, và đầu ra từ hệ thống điều khiển ảnh hướng trên mô hình mô phỏng MBS. 4.3. Mô hình hóa và xây dựng mẫu ảo cho hệ thống MHC: Để xây dựng một mô hình mẫu ảo cơ khí của hệ thống MHC, trước tiên các thành phần và chi tiết của MHC phải được vẽ 3D trong môi trường SolidWorks với hình dạng và kích thước như mẫu vật lý. Sau đó những chi tiết này được lắp ráp với các ràng buộc hình học biểu diễn đặc tính của hệ thống MHC. Trong môi trường SolidWorks, mô hình cơ khí này có thể kiểm tra và đánh giá hành vi động học đơn giản bằng cách gắn các lực và mô men để dẫn động các chi tiết và kiểm tra hành vi chuyển động của hệ cơ khí này. Hình 4.3 giới thiệu mô hình MHC được thiết kế trong SolidWorks dựa trên thông số của mẫu vật lý. 22 Để xây dựng mẫu ảo cho MHC, mô hình cơ khí đã thiết kế trong phần mềm SolidWorks sẽ được lưu với file có đuôi Parasolid.x_t và xuất sang môi trường ADAMS để xây dựng mẫu ảo. Quá trình tạo mẫu ảo cho hệ thống MHC trong môi trường ADAMS/View được trình bày trên sơ đồ hình 4.4. 6 4 1 2 3 5 (1) Thiết bị nổi; (2) Khung đứng; (3) Khung ngang; (4) Xe đẩy; (5) Cáp; (6) Container Hình 4.3: Mẫu vật lý của hệ thống MHC được vẽ trong SolidWorks Mô hình hóa hệ thống cơ khí của MHC Lưu mô hình với File Parasolid.x_t M ô i trư ờ n g S O L ID W O R K S Xuất mô hình sang ADAMS/View CÀI ĐẶT MÔ HÌNH MẪU ẢO ● Đặt tọa độ hệ thống, đơn vị đo, gia tốc trọng trường ● Định nghĩa thuộc tính vật liệu cho mỗi chi tiết: hệ thống sinh ra ma trận khối lượng và quán tính tương ứng với loại vật liệu ● Tạo ràng buộc tiếp xúc, ma sát, tâm điểm của các chi tiết, các điểm đo M ô i trư ờ n g A D A M S \V iewTẠO CÁC RÀNG BUỘC VÀ CHUYỂN ĐỘNG ● Thiết bị nổi bị lắc theo phương trình sóng qua khớp xoay ● Xe đẩy di chuyển tịnh tiến trên ray của khung ngang qua khớp tịnh tiến. Lực đẩy cho xe dựa trên tín hiệu phát ra từ bộ điều khiển ● Tải treo container được nối với xe đẩy qua một khớp cầu và lắc theo chuyển động của xe đẩy Hình 4.4: Quy trình tạo mẫu ảo trong môi trường Adams/View Trong môi trường Adams/View, mô hình mẫu ảo cho hệ thống MHC được tạo như trên hình 4.4. Quá trình mô hình hóa được xây dựng như trình tự như sau để 23 dễ sửa đổi trong giai đoạn thiết kế. Trước tiên, các thông số hình học của các chi tiết như thuộc tính vật liệu, khối lượng, và mật độ của vật liệu phải được định nghĩa, sau đó ma trận khối lượng và quán tính của các chi tiết sẽ được phát ra tự động. Những chi tiết này được nối với nhau từng chi tiết này với từng chi tiết khác tham chiếu theo tọa độ của thiết bị nổi, sử dụng các ràng buộc hình học. Những ràng buộc này được mô tả như hình 4.5 và 4.6. Hình 4.5: Cấu hình hệ thống mẫu ảo của MHC trong Adams/View Hình 4.6: Mô hình mẫu ảo của MHC trong Adams/View 24 Những ràng buộc này được mô tả như sau: Tâm tọa độ khối của thiết bị nổi (1) được gán cố định trên tâm của hệ thống tọa độ Đề các trong môi trường Adams sử dụng khớp quay (khớp bản lề). Chuyển động của thiết bị nổi bị lắc dựa trên hàm nhiễu sóng. Hệ thống khung (2) được ráp trên thiết bị nổi và di chuyển dọc theo thiết bị nổi sử dụng khớp tịnh tiến. Xe đẩy (3) được dẫn động bởi lực phát ra từ motor sẽ di chuyển xe đẩy trên khung ngang theo hướng trục x sử dụng khớp tịnh tiến. Tải container (4) được nối với xe đẩy sử dụng khớp cầu và tải sẽ được di chuyển theo chuyển động của xe đẩy. 4.4. Mô phỏng hành vi động lực học của mẫu ảo hệ thống MHC: Quá trình mô phỏng trên mẫu ảo được thực hiện nhằm khám phá hành vi động lực học của mô hình cơ khí của hệ thống MHC. Trong nghiên cứu này, tôi thực hiện mô phỏng nhiều trường hợp với các thông số hệ thống và nhiễu thay đổi trong thời gian t=30s. Hình 4.6 trình bày mô hình MHC 1 và bảng 4.1 trình bày các giá trị của thông số cho mô phỏng hệ thống MHC theo mô hình 1. 4.4.1. Xây dựng và mô phỏng mô hình MHC 1: h mtrolley mload l - Độ cao cẩu: h=3m - Chiều dài dây: l=1,2m - Khối lượng xe cẩu: mtrolley = 127kg - Khối lượng tải: mload = 148kg Hình 4.7: Thông số mô hình MHC 1 cho mô phỏng 25 Bảng 4.1: Các giá trị của thông số cho mô phỏng hệ thống MHC 1: Trường hợp Thời gian mô phỏng Quỹ đạo xe đẩy Hàm nhiễu sóng biển 1 30s x = step(time,0,0,30,2.0) Sw(t) = 0.02sin(1.5time) rad 2 30s x = step(time,0,0,30,2.0) Sw(t) = 0.04sin(1.5time) rad 3 30s x = step(time,0,0,30,2.0) Sw(t) = 0.02sin(3time) rad 4 30s x = step(time,0,0,30,2.0) Sw(t) = 0.04sin(3time) rad Kết quả mô phỏng chuyển động lắc của tải treo container theo các thông số cho trong bảng 4.1 được biểu diễn trên hình 4.8 đến 4.11: (a) Dịch chuyển của tải dưới tác dụng của sóng (b) Góc lắc của tải khi xe đẩy dịch chuyển Hình 4.8: Khoảng dịch chuyển và góc lắc của tải trong trường hợp 1 của MHC1 26 0 5 10 15 20 25 30 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Time (sec) P o s iti o n ( m ) Trolley position (a) Dịch chuyển của tải dưới tác dụng của sóng 0 5 10 15 20 25 30 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Time (sec) P o si tio n ( m ) Trolley position (b) Góc lắc của tải khi xe đẩy dịch chuyển Hình 4.9: Khoảng dịch chuyển và góc lắc của tải trong trường hợp 2 của MHC1 0 5 10 15 20 25 30 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Time (sec) P o s it io n ( m ) Trolley position (a) Dịch chuyển của tải dưới tác dụng của sóng 27 0 5 10 15 20 25 30 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Time (sec) P o si tio n ( m ) Trolley position (b) Góc lắc của tải khi xe đẩy dịch chuyển Hình 4.10: Khoảng dịch chuyển và góc lắc của tải trong trường hợp 3 của MHC1 0 5 10 15 20 25 30 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Time (sec) P o s it io n ( m ) Trolley position (a) Dịch chuyển của tải dưới tác dụng của sóng 0 5 10 15 20 25 30 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Time (sec) P o s it io n ( m ) Trolley position (b) Góc lắc của tải khi xe đẩy dịch chuyển Hình 4.11: Khoảng dịch chuyển và góc lắc của tải trong trường hợp 4 của MHC1 28 4.4.2. Xây dựng và mô phỏng mô hình MHC 2: Trong mô hình 2 này, các thông số của hệ thống thay đổi như chiều dài cáp và khối lượng tải. Các giá trị của thông số mô phỏng cho trong bảng 4.2. h mtrolley mload l - Độ cao cẩu: h=3m - Chiều dài dây: l=1,5m - Khối lượng xe cẩu: mtrolley = 127kg - Khối lượng tải: mload = 350kg Hình 4.12: Thông số mô hình MHC 2 cho mô phỏng Bảng 4.2: Các giá trị của thông số cho mô phỏng hệ thống MHC 2: Trường hợp Thời gian mô phỏng Quỹ đạo xe đẩy Hàm nhiễu sóng biển 1 30s x = step(time,0,0,30,2.0) Sw(t) = 0.02sin(1.5time) rad 2 30s x = step(time,0,0,30,2.0) Sw(t) = 0.04sin(1.5time) rad 3 30s x = step(time,0,0,30,2.0) Sw(t) = 0.02sin(2.5time) rad 4 30s x = step(time,0,0,30,2.0) Sw(t) = 0.04sin(2.5time) rad Kết quả mô phỏng chuyển động lắc của tải treo container theo các thông số cho trong bảng 4.2 được biểu diễn trên hình 4.13 đến hình 4.16: 29 0 5 10 15 20 25 30 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Time (sec) P o s iti o n ( m ) Trolley position (a) Dịch chuyển của tải dưới tác dụng của sóng 0 5 10 15 20 25 30 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Time (sec) P o si tio n ( m ) Trolley postion (b) Góc lắc của tải khi xe đẩy dịch chuyển Hình 4.13: Khoảng dịch chuyển và góc lắc của tải trong trường hợp 1 của MHC2 0 5 10 15 20 25 30 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Time (sec) P o s it io n ( m ) Trolley position (a) Dịch chuyển của tải dưới tác dụng của sóng 30 0 5 10 15 20 25 30 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Time (sec) P o s it io n ( m ) Trolley position (b) Góc lắc của tải khi xe đẩy dịch chuyển Hình 4.14: Khoảng dịch chuyển và góc lắc của tải trong trường hợp 2 của