Cầu trục container là một thiết bị bốc dỡ hàng hóa không thể thiếu ở các cảng biển trên thế giới cũng như ở Việt Nam. Nó là một thiết bị chuyên dụng dùng để chuyển container từ tàu lên bờ và ngược lại. Lượng hàng hóa thông qua cảng phụ thuộc rất lớn vào năng suất bốc dỡ của các cầu trục container. Tăng năng suất bốc dỡ cho cầu trục container là nhu cầu rất lớn ở các cảng biển trên thế giới cũng như tại Việt Nam.
Tại sao Việt Nam cần phải tăng năng suất bốc dỡ cho cầu trục container?
Việt Nam có tiềm năng rất lớn trong việc phát triển kinh doanh cảng biển khi có hơn 3260 km bờ biển trải dài từ Bắc vào Nam, với vùng thềm lục địa thuộc chủ quyền rộng gấp 3 lần diện tích đất liền, có nhiều sông lớn và đặc biệt là vị trí địa lí gần với các tuyến hàng hải quốc tế. Lượng hàng hóa lưu thông qua các cảng biển của Việt Nam chiếm số lượng lớn (trên 90%). Trong đó, lượng hàng hóa vận chuyển bằng container qua cảng là cao nhất và ngày càng tăng theo các năm.
Để đáp ứng nhu cần tăng trưởng xuất nhập khẩu hàng hóa, hiện các cảng biển tại Việt Nam nhập khẩu một số lượng rất lớn các loại cầu trục container, đặc biệt là cầu trục bốc dỡ container từ tàu lên bờ. Tuy nhiên, việc điều khiển bốc dỡ container chủ yếu vẫn do con người, trong khi thời gian bốc dỡ container để giải phóng tàu là một yếu tố rất quan trọng trong dịch vụ tại cảng.
Dự án nghiên cứu “Phát triển cấu trúc bốc dỡ container tự động từ tàu lên bờ cho các cảng nhỏ” do nhóm nghiên cứu của PGS.TS. Ngô Quang Hiếu triển khai do đó mang ý nghĩa thực tiễn quan trọng. Dự án nhằm phát triển một bộ điều khiển chống lắc chuyên dùng cho các loại cầu trục container bằng hai cách: tích hợp giải thuật lên thiết bị hiện có và chế tạo thiết bị mới. Thiết bị này có thể ứng dụng để thay thế các hệ thống điều khiển bằng khởi động từ hay hư hỏng, vận hành kém an toàn cho các loại cầu trục nhỏ trong các bãi container cho đến các loại cầu trục lớn như cầu trục container bốc dỡ hàng hóa trên các tàu container.
Bộ điều khiển chống lắc cho cầu trục container cho phép cầu trục hoạt động tự động với tốc độ cao, đáp ứng yêu cầu về thời gian bốc dỡ container ít hơn so với cầu trục container hiện tại, đáp ứng yêu cầu về trình độ của nhân viên vận hành (năng suất bốc dỡ không phụ thuộc trình độ nhân viên vận hành) và đáp ứng yêu cầu vận hành an toàn, tránh tai nạn lao động và hư hỏng thiết bị cũng như container và hàng hóa trong container.
Hiện tượng lắc của container là gì?
Hiện tượng lắc (dao động) của container khi được bốc dỡ bằng cầu trục container là một hiện tượng tự nhiên gây ra bởi quá trình di chuyển của giàn xe đẩy, đặc biệt là khi tăng tốc và khi dừng lại. Hiện tượng lắc làm cho quá trình vận hành cầu trục rất khó khăn và kéo dài quá trình bốc dỡ container. Điều này đòi hỏi người vận hành cầu trục phải có rất nhiều kinh nghiệm để điều chỉnh chuyển động của giàn xe đẩy sao cho quá trình lắc được giảm một cách nhanh nhất. Các nhà nghiên cứu với nhiều hướng tiếp cận khác nhau đã phát triển các thuật toán chống lắc và điều khiển chuyển động tự động cho cầu trục container nhằm triệt tiêu chuyển động lắc để nâng cao năng suất bớc dỡ cho cầu trục. Rất nhiều giải pháp đã được đề xuất và áp dụng trong thực tế đã mang lại nhiều kết quả khả quan trong việc tăng năng suất bốc dỡ cho cầu trục container.
Các giải pháp chống lắc cho cầu trục container
Khi chiều dài dây là hằng số trong quá trình vận hành thì input shaping (phương pháp tạo hình dạng tín hiệu đầu/ngõ vào) được xem như là một trong những phương pháp rất hiệu quả. Với các nghiên cứu này, tín hiệu tham chiếu được cập nhật và thiết lập trong quá trình điều khiển thời gian thực, trong đó quá trình chỉnh sửa, cập nhật phụ thuộc chủ yếu vào tần số dao động tự nhiên của hệ thống.
Sorensen và cộng sự (2007) đề xuất việc kết hợp giữa hai giải thuật (thuật toán): thay đổi dạng tín hiệu đầu vào và hồi tiếp trạng thái (hồi tiếp là thuật ngữ chỉ phương pháp lấy tín hiệu ngõ ra của một hệ thống rồi đưa ngược trở lại đầu vào của chính nó, để góp phần thay đổi, không chế hoặc điều khiển đầu vào) nhằm đảm bảo việc điều khiển chính xác vị trí tải cũng như giảm thiểu tối đa hiện tượng dao động của container trong quá trình vận hành hệ thống. Trong đó, module hồi tiếp thứ nhất đóng vai trò điều khiển vị trí của giàn xe; việc phát hiện cũng như xử lý tín hiệu nhiễu sẽ được đảm nhận bởi module thứ hai cũng với giải thuật điều khiển hồi tiếp. Cuối cùng, giải thuật input shaping ở module thứ ba sẽ giải quyết hiện tượng dao động của tải.
Hong và cộng sự (2000) cũng phát triển bộ điều khiển hai bậc cho hệ cầu trục container hai chiều. Theo đó, để tăng tốc độ đáp ứng của giàn xe, ở bậc một, giải thuật điều khiển tối ưu được kết hợp với phương pháp hồi tiếp nhằm giám sát sai số của giàn xe trong quá trình di chuyển; ở bậc hai, các tác giả đề nghị sử dụng giải thuật hồi tiếp tuyến tính có cấu trúc thay đổi nhằm giải quyết hiện tượng dao động của container cũng như để đối phó với các thành phần không chắc chắn từ mô hình tham số của hệ thống. Tuy nhiên, nếu các thông số của hệ thống không được xác định một cách chính xác, chiến lược điều khiển dựa trên hai giải thuật input shaping và time optimal control (điều khiển tối ưu thời gian) không thực sự đáp ứng được yêu cầu mong muốn. Cả hai phương pháp này đều gặp phải hạn chế, đó là rất nhạy với sự thay đổi của điều kiện ban đầu, của các giá trị tham số cũng như nhiễu tác động lên hệ thống. Tóm lại, để có thể nhận được đáp ứng đúng với yêu cầu đặt ra, với cả hai phương pháp này đều yêu cầu sự chính xác của tham số hệ thống trong quá trình thiết kế luật điều khiển.
Kim và cộng sự (2004) đề xuất phát triển bộ điều khiển hồi tiếp trạng thái cho hệ cầu trục container hai chiều. Trong đó, các tác giả xây dựng các bộ giám sát (observer) khác nhau để ước lượng các giá trị vận tốc của giàn xe cũng như vận tốc góc của tải trọng. Ngoài ra, luật điều khiển hồi tiếp trạng thái cũng được kết hợp với bộ điều khiển tích phân nhằm triệt tiêu sai số ở cả hai thành phần – vị trí của giàn xe và dao động của tải.
Park và cộng sự (2007) xây dựng bộ điều khiển hồi tiếp tuyến tính cho hệ cầu trục container hai chiều (hệ 3 bậc tự do – 3DOFs: bậc tự do của một hệ cơ học là tập hợp các tham số độc lập tối thiểu đủ để xác định vị trí và hình dáng bản thân hệ một cách duy nhất trong không gian), trong đó có xét đến cả chuyển động kéo dây trong quá trình vận hành. Tính ổn định của hệ thống với luật điều khiển đề xuất được kiểm nghiệm dựa trên Lý thuyết ổn định Lyapunov. Vấn đề đặt ra đối với các phương pháp này, đó là việc tinh chỉnh các thông số điều khiển để có thể cài đặt các giải thuật lên hệ thời gian thực không đơn giản, bởi ảnh hưởng của các thành phần không chắc chắn từ mô hình toán của hệ thống cũng như sai lệch của các giá trị đo. Bên cạnh đó, chiều dài dây thay đổi trong quá trình vận hành và sự sai lệch của các giá trị ma sát trong mô hình toán là những nhân tố ảnh hưởng mạnh mẽ đến các giải pháp này khi áp dụng lên mô hình thực tế.
Trước đó, Benhidieb và Gissinger (1995) đề xuất sử dụng bộ điều khiển logic mờ (fuzzy logic) cơ bản cho hệ cầu trục container hai chiều. Tính hiệu quả của giải thuật này cũng được so sánh với phương pháp điều khiển tối ưu LQR (điều khiển tối ưu tuyến tính dạng toàn phương – linear quadratic regulator). Ngoài ra, để kiểm nghiệm tính bền vững của cách tiếp cận này, nhiều trường hợp thực nghiệm khác nhau đã được nhóm tác giả thực hiện để kiểm chứng. Dựa trên các nền tảng đó, Chen và cộng sự (2009) đã phát triển phương pháp điều khiển mới cho hệ cầu trục với các yêu cầu khắt khe hơn như: (1) vị trí của xe giàn xe phải tuyệt đối chính xác; (2) hiện tượng lắc lư của tải trọng phải được triệt tiêu khi giàn xe đến vị trí mong muốn; (3) góc lắc tải trọng trong quá trình giàn xe phải nhỏ và tốc độ lắc phải được tối thiểu nhằm tránh gây nguy hiểm trong quá trình hoạt động của hệ cầu trục; (4) năng lượng tiêu thụ trong hệ thống phải được tối thiểu hóa. Ngoài ra, lần đầu tiên, tác giả chứng minh tính hiệu quả của hệ nhận diện mờ thay cho các hệ mờ Sugeno hay Mamdani truyền thống trong việc xây dựng tập hợp luật điều khiển đối tượng.
Bên cạnh việc ứng dụng giải thuật mờ cho hệ cầu trục hai chiều, Cho và Lee (2002) cũng đề xuất phương án này cho cho hệ cầu trục ba chiều (hệ có 5 bậc tự do – 5DOFs); trong đó, ngoài việc điều khiển vị trí của giàn xe và góc lắc của tải trọng, thì việc kéo hoặc thả dây trong quá trình vận hành của hệ thống cũng được xét đến. Ngoài ra, các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực điều khiển cầu trục đề xuất việc kết hợp giải thuật điều khiển thông minh với các giải thuật điều khiển kinh điển cũng như giải thuật điều khiển thích nghi (adaptive control – sử dụng bộ điều khiển thích ứng với một hệ thống có các thông số thay đổi, hoặc có điều kiện đầu không chắc chắn) để tận dụng tối đa ưu điểm của những cách tiếp cận này. Trong nghiên cứu của Ahmad (2009), phương pháp điều khiển mờ PD (điều khiển mờ vi phân – tỷ lệ – fuzzy proportional – derivative control) đã được xây dựng cho hệ cầu trục hai chiều; trong đó, bộ điều khiển mờ đóng vai trò chính trong việc điều khiển vị trí của giàn xe cũng như giảm thiểu hiện tượng dao động ở tải trọng, còn bộ điều khiển PD nhận nhiệm vụ tinh chỉnh các giá trị sai lệch của vị trí của tải trọng cũng như góc lắc container vào vùng giá trị tối ưu trước khi đưa vào bộ điều khiển mờ cơ bản.
Chang (2007) đề xuất việc kết hợp giải thuật điều khiển mờ với phương pháp điều khiển thích nghi nhằm xây dựng bộ điều khiển chống lắc cho hệ cầu trục hai chiều đối phó với nhiễu; trong đó, tác giả sử dụng vị trí giàn xe và góc lắc của tải trọng để xây dựng nên giá trị điện áp điều khiển đầu ra mà không quá quan tâm đến mô hình toán của đối tượng. Đồng thời, giải thuật thích nghi đóng vai trò tinh chỉnh các khoảng giá trị của tập mờ, qua đó có thể tìm ra được các giá trị tối ưu. Bằng cách này, luật điều khiển cho hiệu quả điều khiển tốt hơn hẳn so với các bộ điều khiển mờ thông thường cũng như bộ điều khiển tối ưu LQR trên cùng một mô hình thực tế. Ngoài ra, để kiểm tra được tính bền vững của chiến lược điều khiển trên, trọng lượng của tải trọng cũng như chiều dài dây được thay đổi để kiểm chứng khả năng đáp ứng của hệ thống. Mặc dù vậy, hai trong những số những khuyết điểm vẫn còn tồn tại của các cách tiếp cận trên, đó là với giải thuật điều khiển mờ, tính ổn định của hệ thống không thể được kiểm chứng trước thông qua các lý thuyết ổn định; ngoài ra, với các hệ thống cần điều khiển, nếu chỉ áp dụng thuần một bộ điều khiển mờ căn bản, sai số xác lập ở các biến trạng thái sẽ không được triệt tiêu một cách thực sự có hiệu quả.
Nguyen và Ngo (2014) đề xuất chiến lược điều khiển trượt (SMC – sliding mode control) cho hệ cầu trục hai chiều; trong đó, mặt trượt được thiết kế bằng cách tích hợp chung chuyển động của giàn xe và dao động lắc của tải trọng nhằm đảm bảo việc giám sát cho cả hai khâu điều khiển được và không điều khiển được. Tính ổn định của hệ thống với luật điều khiển trên cũng được chứng minh thông qua lý thuyết ổn định Lyapunov. Ngoài ra, để kiểm tra chất lượng điều khiển của phương pháp, các tác giả cài đặt hai giải thuật trượt và mờ PD trên cùng một mô hình thực tế. Đáp ứng của hệ thống với các bài toán điều khiển khác nhau (khi thay đổi giá trị chiều dây) đã minh chứng cho tính hiệu quả của giải thuật. Bên cạnh đó, Bartolini và cộng sự (2002) cũng đề xuất xây dựng bộ điều khiển trượt hai bậc cho hệ cầu trục container hai chiều; trong đó, luật điều khiển sẽ chia chuyển động của hệ thống làm hai giai đoạn: giai đoạn “di chuyển”, tác giả tập trung vào việc nhanh chóng đưa container đạt đến vị trí mong muốn cũng như hạn chế tối đa dao động của tải trọng; sau đó, khi gần đạt đến vị trí mong muốn sẽ tinh chỉnh thông số điều khiển để nhanh chóng triệt tiêu hiện tượng dao động của tải trọng.
Ngoài việc ứng dụng cho hệ cầu trục hai chiều, Almutairi và Zribi (2009) còn đề xuất sử dụng giải thuật điều khiển trượt cho hệ cầu trục container ba chiều (hệ 5 bậc tự do – 5DOFs, như đã đề cập). Cùng với việc phát triển các luật điều khiển trượt nhằm đảm bảo tính bền vững của hệ thống trước các thành phần không chắc chắn, nghiên cứu cũng xây dựng các bộ quan sát (hay bộ ưước lượng trạng thái – observer) để có được giá trị chính xác của vận tốc giàn xe cũng như vận tốc góc của dao động tải trọng. Tuy nhiên, tính ổn định của hệ thống mới chỉ được các tác giả kiểm nghiệm thông qua lý thuyết ổn định Lyapunov cũng như trên môi trường mô phỏng. Các kết quả điều khiển thực nghiệm chưa được nghiên cứu đề cập đến.
Ngoài ra, các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực điều khiển cầu trục đề xuất việc kết hợp các giải thuật điều khiển bền vững với các giải thuật điều khiển thông minh và giải thuật điều khiển thích nghi để tận dụng tối đa ưu điểm cũng những các cách tiếp cận này. Nghiên cứu của Ngo và cộng sự (2015) là một bước phát triển của nghiên cứu của các tác giả Nguyen và Ngo (2014); trong đó, bên cạnh việc thiết kế mặt trượt tích hợp chung chuyển động của giàn xe và dao động của tải trọng, các tác giả đề xuất sử dụng giải thuật mờ để chỉnh định giá trị thông số điều khiển trong luật điều khiển để loại bỏ triệt để hiện tượng chattering (hiện tượng dao động với tần số cao quanh mặt trượt hay còn gọi là hiện tượng rung) có thể xảy ra với các bộ điều khiển trượt thông thường. Bên cạnh đó, Lee và cộng sự (2006) đề xuất xây dựng bộ điều khiển trượt thích nghi cho hệ thống cầu trục container 5DOFs. Thông qua việc phát triển các luật tự chỉnh thông số khối lượng container và giá trị của các hệ số ma sát trong hệ thống, phương pháp này có thể đảm bảo được tính ổn định của hệ thống khi giàn xe nhanh chóng di chuyển đến vị trí mong muốn cũng như hiện tượng dao động của tải trọng được hạn chế ở mức tối đa. Tuy nhiên, chiến lược điều khiển này chỉ mới được nhóm tác giả kiểm tra trên mô phỏng, các kết quả thực nghiệm chưa được đề cập. Tóm lại, giải thuật điều khiển trượt là một cách tiếp cận rất đáng quan tâm cho hệ cầu trục hai chiều. Phương pháp này đem đến những ưu điểm trong việc bảo đảm tính ổn định và bền vững của hệ thống trước sự thay đổi của các thông số trong mô hình hệ thống. Tuy nhiên, hiện tượng chatttering là một trong những vấn đề cần được chú ý đến, khi cài đặt giải thuật này lên mô hình thực tế.
Hua và Shine (2007) đề xuất sử dụng bộ điều khiển thích nghi cho hệ cầu trục container hai chiều. Trong đó, nghiên cứu xây dựng và phát triển những luật tự chỉnh nhằm ước lượng chính xác thông số của hệ thống trong suốt quá trình vận hành. Tính ổn định của luật điều khiển cũng được chứng minh thông qua lý thuyết ổn định Lyapunov. Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm được trình bày nhằm thể hiện tính hiệu quả của phương pháp điều khiển trong thực tế.
Hình 2. Kết quả thực nghiệm của các giải thuật điều khiển của mô hình cầu trục
Các nhà khoa học cũng đưa ra các cách tiếp cận hiệu quả hơn cho việc điều khiển chống lắc bằng cách kết hợp giải thuật thích nghi với các phương pháp khác như: điều khiển thông minh (điều khiển m) và điều khiển bền vững (điều khiển trượt). Nghiên cứu của Liu và cộng sự (2005) đề xuất giải pháp điều khiển rất đáng quan tâm cho hệ cầu trục container hai chiều (4 bậc tự do – 4DOFs) thông qua việc tận dụng ưu điểm của ba giải thuật đó là: điều khiển mờ, điều khiển thích nghi và điều khiển trượt. Trong đó, giá trị của các tham số trong mặt trượt sẽ được chỉnh định thông qua luật học thích nghi. Ngoài ra, giá trị điện áp điều khiển đầu ra sẽ được quyết định dựa trên một tập luật, được xây dựng thông qua giá trị của mặt trượt vừa có được ở bước trên. Tính ổn định cũng như bền vững của hệ thống với luật điều khiển trên lần lượt được kiểm nghiệm thông qua lý thuyết ổn định Lyapunov và các trường hợp thực nghiệm khác nhau. Ngo và Hong (2012) đề nghị giải pháp kết hợp giữa hai kỹ thuật điều khiển trượt và điều khiển thích nghi nhằm điều khiển chính xác vị trí của tải trọng đồng thời hạn chế tối đa hiện tượng dao động ở tải trọng; trong đó, giải thuật trượt đóng vai trò chính trong việc xác định điện áp điều khiển của hệ thống; luật chỉnh thích nghi đóng vai trò xác định chính xác giá trị tham số điều khiển trong luật điều khiển trượt để hạn chế tối đa hiện tượng chattering có thể xảy ra làm ảnh hưởng đến chất lượng đáp ứng của hệ thống. Giải thuật điều khiển thích nghi cùng với giải thuật điều khiển bền vững là hai trong số những cách tiếp cận thực sự có hiệu quả cho hệ cầu trục container nói chung. Thông qua việc xác định các luật điều khiển thích hợp, giàn xe có thể di chuyển đến đúng vị trí mong muốn, đồng thời hiện tượng dao động ở tải trọng hầu như không đáng kể.
Kết luận
Điều khiển chống lắc cho hệ cầu trục nói chung, hệ cầu trục container nói riêng luôn là một trong những vấn đề được các nhà nghiên cứu quan tâm. Đối với hệ cầu trục container thông thường, đã có rất nhiều giải pháp chống lắc được đưa ra và các nhà khoa học vẫn đang tiếp tục đề xuất những giải thuật điều khiển mới nhằm ngày càng nâng cao hiệu quả cũng như độ an toàn của hệ thống này trong quá trình vận hành.
Tác giả: PGS.TS. Ngô Quang Hiếu – Trường Đại học Cần Thơ.
Biên tập: Quỹ đổi mới sáng tạo Vingroup (VinIF).
Tài liệu tham khảo
Ahmad, M.A. (2009). Active sway suppression techniques of a gantry crane system. European Journal of Sciences Research, 27(3): 322-333.
Almutairi, N.B and M. Zibri (2009). Sliding mode control of a three-dimensional overhead crane. Journal of Vibration and Control, 15(11): 1679-1730.
Bartolini, G., A. Pisano and E. Usai (2002). Second-order sliding mode control of container cranes. Automatica, 38(10): 1783-1790.
Benhidjeb, A. and G.L. Gissinger (1995). Fuzzy control of an overhead crane performance comparison with classical control. Control Engineering Practice, 3(12): 1687-1696.
Chang, C.Y. (2007). Adaptive fuzzy controller of the overhead cranes with nonlinear disturbance. IEEE Transactions on Industrial Informatics, 3(2), 164 – 172.
Chen, Y.J., W.J. Wang and C.L. Chang, (2009). Guaranteed cost control for an overhead crane with practical constraints: fuzzy descriptor system approach. Enginerring Application of Artificial Intelligence, 22(4-5): 639-645.
Cho, S.K. and H.H. Lee (2002). A fuzzy-logic antiswing controller for three-dimensional overhead cranes. ISA Transactions, 41(2): 235-243.
Hong, K.–S., B.J. Park and M.H. Lee (2000). Two-stage control for container cranes. JSME International Journal Series C, 43(2): 273-282.
Hua, Y. J. and Shine, Y. K. (2007). Adaptive coupling control for overhead crane system. Mechatronics, 17(2-3): 143-152.
Kim, Y.S., K.–S. Hong and S.K.Sul (2004). Anti-sway control of container cranes: inclinometer, observer, and state feedback. International Journal of Control, Automation and Systems, 2(4): 435-449.
Lee, H.H., Y. Liang and D. Segura (2006). A sliding-mode anti-swing trajectory control of overhead cranes with high-speed load hoisting. ASME Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, 128(4): 842-845.
Liu, D., Yi, J., Zhao, D. and Wang, W. (2005). Adaptive sliding mode fuzzy control for a two-dimensional overhead crane. Mechatronics, 15(5): 505-522.
Ngo, Q. H. and Hong, K.-S. (2012), “Adaptive sliding-mode control of container cranes,” IET Control Theory and Application, 6(5): 662-668.
Ngo, Q. H., Nguyen, N. P., Nguyen, C. N., Tran, T. H., and Hong, K.-S., Fuzzy sliding mode control of container cranes, International Journal of Control, Automation and System, Vol. 13, No. 2, 2015, pp. 419-425.
Nguyen, N.P. and Ngo, Q.H. (2014). Sliding mode control of container cranes. Proceedings of the 6th Vietnam Conference on Mechatronics, Dong Nai, Vietnam, November 2014, pp. 394-399.
Park, H., D. Chwa and K.–S. Hong (2007). A feedback linearization control of container cranes: varying rope length. International Journal of Control, Automation and Systems, 5(4), 379-387.
Sorensen, K.L, W. Singhose and S. Dickerson (2007). A controller enabling precise positioning and sway reduction in bridge and gantry cranes. Control Engineering Practice, 15(7): 825-837.