Thiết kế bộ điều khiển bền vững cho cần cẩu container hoạt động trên biển

Trong những năm gần đây, với sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp vận tải thuỷ trên thế giới cùng với việc nâng cao khả năng cạnh tranh và giảm chi phí vận chuyển, các công ty vận tải thuỷ có xu hướng sử dụng các tàu container có tải trọng lớn hơn. Hiện nay, tàu container có tải trọng 12.000 TEU (twenty-foot equivalent unit) đang được dùng phổ biến để vận chuyển hàng hoá trên các tuyến đường chính, và một số tàu có tải trọng lớn hơn, 15.000 TEU, cũng đang được dùng. Đến tháng 7 năm 2017, tàu chở container lớn nhất thế giới, 20.000 TEU, sẽ xuất hiện lần đầu tiên. Vì vậy, để theo kịp với việc bốc dỡ hàng hoá cho các con tàu có kích thước ngày càng tăng, cần cẩu container ngày càng phải trở nên lớn hơn, nhanh hơn và cao hơn, đến lượt nó đòi hỏi việc điều khiển hiệu quả hơn mà có thể vừa đảm bảo nhanh chóng vận chuyển hàng hoá vừa đáp ứng yêu cầu an toàn nghiêm ngặt. Mặc dù điều này sẽ được cải thiện nhưng một trong những vấn đề còn tồn tại với các cảng container nhỏ: chúng không thể phục vụ cho những con tàu container lớn do độ sâu không phù hợp tại các cảng này. Để giải quyết vấn đề cho các cảng nhỏ, một ý tưởng được đề xuất là sử dụng các tàu được trang bị cần cẩu (“bến cảng di động”) có khả năng hoạt động trên biển để bốc dỡ các container từ tàu container lớn và vận chuyển vào trong các cảng nhỏ để đưa lên các kho bãi.

Trong đề tài này, bắt đầu bằng việc xây dựng các vấn đề nghiên cứu và cơ sở lý thuyết cho những vấn đề này, nhóm nghiên cứu đã trình bày các phương pháp điều khiển cấn cẩu trên biển và những hạn chế của các phương pháp đó. Nhóm nghiên cứu quyết định phát triển các phương pháp điều khiển mới để có thể vượt qua những hạn chế này. Hơn nữa, phương trình động lực học của cần cẩu trên biển cũng được thiết lập và làm rõ trước khi thiết kế hệ thống điều khiển.

Thiết bị quan trọng nhất được trang bị trên các cảng di động là một cần cẩu container có sức nâng lớn. Cần cẩu container bao gồm một cấu trúc khung hỗ trợ chuyển động dọc theo chiều dài của bến cảng di động, một xe đẩy, và ngàm kẹp. Xe đẩy chạy dọc theo đường ray, nằm phía trên cần cẩu để chuyển container giữa bến cảng di động và tàu container. Ngàm kẹp có thể được hạ xuống từ phía trên của container và khóa cứng với container bằng các chốt khoá ở bốn góc. Container sau đó được nâng lên và vận chuyển giữa bến cảng di động và tàu container. Cần cẩu thường vận chuyển được một container duy nhất cho một lượt di chuyển, tuy nhiên, một số cần cẩu mới có khả năng bốc dỡ hàng lên đến bốn container 20-feet cùng một lúc.

Trong quá trình xếp dỡ container trên biển, chuyển động của xe đẩy (đặc biệt là khi bắt đầu di chuyển hoặc khi dừng lại, cùng với dao động của tàu do sóng gây ra) tác động đến chuyển động con lắc của container đang treo lơ lửng. Điều này không chỉ dẫn đến việc tăng mức độ nguy hiểm, gây thiệt hại nghiêm trọng mà còn kéo dài thời gian cần thiết để xác định vị trí chính xác của container. Một phương pháp điều khiển thỏa đáng để loại bỏ chuyển động không mong muốn của container được vận chuyển là một điều rất cần thiết cho các hệ thống cần cẩu.

Nhóm nghiên cứu do Cơ quan chủ quản Qũy Phát triển Khoa học và Công nghệ phối hợp cùng Chủ nhiệm đề tài TS. Ngô Quang Hiếu thực hiện nghiên cứu đề tài “Thiết kế bộ điều khiển bền vững cho cần cẩu container hoạt động trên biển”. Với mục tiêu những nghiên cứu mới dự kiến sẽ cải thiện chất lượng việc điều khiển và nâng cao hiệu quả hoạt động của cần cẩu container hoạt động trên biển. Khi cần cẩu container hoạt động trên biển được ứng dụng rộng rãi trong dịch vụ hậu cần cảng (port logistics), chất lượng điều khiển được cải tiến bởi bộ điều khiển được đề xuất sẽ tăng năng suất và chất lượng của quá trình bốc dỡ container tại các cảng container.

Với phương pháp nghiên cứu là Phương trình EulerLagrange là một công cụ mạnh mẽ trong việc xác định phương trình chuyển động của các hệ thống động lực học. Vì vậy, phương trình EulerLagrange cũng sẽ được sử dụng để xác định các phương trình chuyển động của cần cẩu container trên biển trong đề tài nghiên cứu này. Phương trình EulerLagrange được xây dựng trên cơ sở động năng và thế năng của hệ thống cần cẩu trên biển. Việc hiểu biết về năng lượng của hệ thống trong việc thiết lập các  phương trình chuyển động cũng sẽ là cơ sở để thiết kế hệ thống điều khiển sử dụng công cụ phân tích ổn định Lyapunov.

Sau thời gian nghiên cứu, đề tài thu được những kết quả như sau: Đề tài được đề xuất đóng góp vào việc phát triển lý thuyết điều khiển cho các cần cẩu container trên biển và các ứng dụng trong công nghiệp của chúng trong việc vận chuyển hàng hoá trên biển và tại các cảng container. Đề tài được đề xuất sẽ đóng góp các ấn phẩm có chất lượng cao trong lĩnh vực điều khiển cần cẩu container trên biển.

(1) Xuất bản hai bài báo khoa học đăng trên tạp chí quốc tế có trong danh mục của ISI (SCI) với tiêu đề như sau: (i) Fuzzy sliding mode control of an offshore container crane (Ocean Engineering SCI) ; (ii) Fuzzy sliding mode control of container crane (International Journal of Control, Automation and System SCIE).

(2) Công bố hai báo cáo tại hội thảo quốc tế.

(3) Xuất bản một bài báo trong tạp chí trong nước.

(4) Công bố năm báo cáo tại hội thảo quốc gia.

Có thể tìm đọc báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 14145/2017) tại Cục Thông tin KH&CNQG.

Đ.T.V (NASATI)