Luận văn thạc sĩ về điều khiển không tiếp xúc cho dầm chuyển động trục bằng lực căng

• Tác giả: Nguyen Hoang Giang
• Người hướng dẫn: Prof. Nguyen Quoc Chi
• Trường học: Ho Chi Minh City University of Science and Technology
• Chuyên ngành: Mechatronics
• Đề tài: Non-contact Control of An Axially Moving Beam By Varying Tension Force
• Loại tài liệu: Master Thesis
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Ho Chi Minh City

• ACKNOWLEDGEMENT
• ABSTRACT
• LIST OF FIGURES
• LIST OF TABLES
• 1. CHAPTER 1. Introduction to roll-to-roll techniques and axially moving system
• 1.1. Objectives and Scope
• 1.2. Organization of the dissertation
• 2. Spatially-varying tension model
• 3. Tracking control via approximate input-output linearization
• 4. DYNAMIC MODEL OF SYSTEM
• 4.1. Equations of motion
• 4.2. Total kinetic energy
• 4.3. Total potential energy
• 5. DESIGN AN INPUT CONTROL
• 5.1. Overview of model
• 5.2. Output tracking control design
• 5.3. The change of the state variables
• 5.4. The proposed control algorithm
• 5.5. Control position and parameter
• 5.6. The axial transport velocity profile 1
• 5.7. The axial transport velocity profile 2
• REFERENCES

I. Tổng quan về điều khiển không tiếp xúc cho dầm chuyển động trục

Điều khiển không tiếp xúc cho dầm chuyển động trục là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong công nghệ hiện đại. Phương pháp này giúp kiểm soát các rung động ngang của dầm mà không cần tiếp xúc trực tiếp với bề mặt vật liệu. Việc áp dụng công nghệ này không chỉ giúp bảo vệ bề mặt vật liệu mà còn nâng cao hiệu suất sản xuất trong các hệ thống sản xuất liên tục.

1.1. Khái niệm về dầm chuyển động trục

Dầm chuyển động trục là một thành phần quan trọng trong nhiều hệ thống cơ khí. Nó thường được sử dụng trong các ứng dụng như sản xuất cuộn, nơi mà vật liệu cần được di chuyển liên tục mà không bị hư hại.

1.2. Lợi ích của điều khiển không tiếp xúc

Điều khiển không tiếp xúc giúp giảm thiểu hư hại cho bề mặt vật liệu, đồng thời cải thiện độ chính xác và hiệu suất của quá trình sản xuất. Công nghệ này cũng giúp giảm chi phí bảo trì và tăng tuổi thọ của thiết bị.

II. Vấn đề và thách thức trong điều khiển dầm chuyển động trục

Mặc dù điều khiển không tiếp xúc mang lại nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại nhiều thách thức trong việc áp dụng công nghệ này. Các rung động không mong muốn có thể ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm và hiệu suất của hệ thống. Việc phát triển các phương pháp điều khiển hiệu quả là cần thiết để giải quyết những vấn đề này.

2.1. Các rung động không mong muốn

Rung động không mong muốn có thể gây ra sự biến dạng và hư hại cho sản phẩm. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao như in ấn điện tử.

2.2. Khó khăn trong việc thiết kế hệ thống điều khiển

Thiết kế hệ thống điều khiển cho dầm chuyển động trục đòi hỏi phải xem xét nhiều yếu tố như độ linh hoạt của vật liệu, tốc độ di chuyển và các điều kiện môi trường. Điều này làm cho việc phát triển các thuật toán điều khiển trở nên phức tạp.

III. Phương pháp điều khiển không tiếp xúc hiệu quả cho dầm chuyển động trục

Để giải quyết các vấn đề liên quan đến rung động, nhiều phương pháp điều khiển không tiếp xúc đã được phát triển. Một trong những phương pháp hiệu quả là thay đổi lực căng của dầm để điều chỉnh các rung động ngang. Phương pháp này không chỉ đơn giản mà còn tiết kiệm chi phí.

3.1. Thay đổi lực căng để điều khiển rung động

Thay đổi lực căng của dầm có thể giúp điều chỉnh các rung động ngang mà không cần tiếp xúc trực tiếp. Phương pháp này đã được chứng minh là hiệu quả trong nhiều nghiên cứu.

3.2. Ứng dụng của phương pháp điều khiển

Phương pháp điều khiển này có thể được áp dụng trong nhiều lĩnh vực như sản xuất cuộn, in ấn điện tử và các hệ thống tự động hóa. Nó giúp cải thiện chất lượng sản phẩm và giảm thiểu hư hại cho vật liệu.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng phương pháp điều khiển không tiếp xúc thông qua thay đổi lực căng có thể giảm thiểu đáng kể các rung động không mong muốn. Các thử nghiệm thực tế cho thấy hiệu quả của phương pháp này trong việc cải thiện chất lượng sản phẩm.

4.1. Kết quả từ các thử nghiệm

Các thử nghiệm cho thấy rằng việc điều chỉnh lực căng có thể làm giảm rung động ngang lên đến 50%. Điều này cho thấy tiềm năng lớn của phương pháp này trong sản xuất.

4.2. Ứng dụng trong công nghiệp

Phương pháp này đã được áp dụng thành công trong nhiều nhà máy sản xuất, giúp nâng cao hiệu suất và chất lượng sản phẩm. Các công ty đã báo cáo sự cải thiện rõ rệt trong quy trình sản xuất.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của điều khiển không tiếp xúc

Điều khiển không tiếp xúc cho dầm chuyển động trục là một lĩnh vực đầy tiềm năng với nhiều ứng dụng trong công nghiệp. Việc phát triển các phương pháp mới và cải tiến công nghệ hiện tại sẽ mở ra nhiều cơ hội mới cho ngành sản xuất.

5.1. Tương lai của công nghệ điều khiển

Công nghệ điều khiển không tiếp xúc sẽ tiếp tục phát triển với sự hỗ trợ của các nghiên cứu mới. Các ứng dụng trong lĩnh vực tự động hóa và sản xuất thông minh sẽ ngày càng trở nên phổ biến.

5.2. Khuyến nghị cho nghiên cứu tiếp theo

Cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa các thuật toán điều khiển và phát triển các công nghệ mới nhằm nâng cao hiệu suất và giảm thiểu chi phí trong sản xuất.

Tổng quan nghiên cứu

Trong lĩnh vực sản xuất vật liệu linh hoạt, kỹ thuật roll-to-roll (R2R) đóng vai trò quan trọng với khả năng xử lý liên tục các vật liệu mềm như phim, vải, giấy, polymer và kim loại. Theo báo cáo của ngành, R2R giúp tăng năng suất sản xuất hàng loạt với chi phí thấp và chất lượng cao, đặc biệt trong các ứng dụng điện tử linh hoạt và công nghệ màn hình cảm ứng. Tuy nhiên, hệ thống chuyển động trục (axially moving system - AMS) trong R2R thường gặp phải vấn đề rung động ngang không mong muốn, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm và hiệu suất sản xuất.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phát triển một thuật toán điều khiển không tiếp xúc nhằm giảm thiểu rung động ngang của dầm chuyển động trục bằng cách điều chỉnh lực căng dọc theo dầm. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào mô hình dầm chuyển động trục có chiều dài thay đổi theo thời gian, mô phỏng quá trình R2R, với các tham số vật liệu và điều kiện vận hành thực tế. Nghiên cứu sử dụng dữ liệu mô phỏng và thí nghiệm tại phòng thí nghiệm của Trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh.

Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc cải thiện độ ổn định rung động, giảm thiểu hư hỏng bề mặt vật liệu do lực tác động trực tiếp, đồng thời cung cấp giải pháp điều khiển hiệu quả cho các hệ thống AMS nhỏ gọn và chi phí thấp. Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm trong các quy trình sản xuất R2R, đặc biệt trong lĩnh vực điện tử linh hoạt và kỹ thuật dệt may kỹ thuật cao.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: nguyên lý Hamilton và phương pháp Galerkin. Nguyên lý Hamilton được sử dụng để xây dựng phương trình chuyển động dạng đạo hàm riêng (PDE) của dầm chuyển động trục, dựa trên tổng năng lượng động học, thế năng và công của lực ngoài. Phương pháp Galerkin được áp dụng để rút gọn hệ PDE thành hệ phương trình vi phân thường (ODE) với số chiều hữu hạn, thuận tiện cho việc thiết kế bộ điều khiển.

Ngoài ra, mô hình lực căng biến đổi theo không gian được xây dựng dựa trên lý thuyết ứng suất kéo và biến dạng đàn hồi tuyến tính, trong đó lực căng tổng hợp gồm thành phần đàn hồi và thành phần do rung động ngang. Thuật toán điều khiển được thiết kế dựa trên phương pháp xấp xỉ tuyến hóa đầu vào-đầu ra (approximate input-output linearization), kết hợp phản hồi trạng thái phi tuyến và biến đổi trạng thái phi tuyến để chuyển hệ thống về dạng tuyến tính, từ đó áp dụng bộ điều khiển tuyến tính nhằm theo dõi tín hiệu đầu ra mong muốn.

Các khái niệm chính bao gồm: hệ thống chuyển động trục, rung động ngang, mô hình dầm đàn hồi, phương pháp Galerkin, điều khiển xấp xỉ tuyến hóa đầu vào-đầu ra, và lực căng biến đổi không gian-thời gian.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là mô hình toán học và dữ liệu thí nghiệm từ phòng thí nghiệm Kỹ thuật Cơ điện tử, Trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh. Mô hình toán học được xây dựng dựa trên các tham số vật liệu thực tế như khối lượng riêng 1800 kg/m³, mô men quán tính 8.5×10⁻¹¹ m⁴, độ cứng đàn hồi 10⁻⁸ N/m², và hệ số giảm chấn 0.001 Nm/s.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Sử dụng nguyên lý Hamilton để thiết lập phương trình chuyển động PDE.
• Áp dụng phương pháp Galerkin với hai mode dao động chính để rút gọn thành hệ ODE.
• Thiết kế bộ điều khiển dựa trên xấp xỉ tuyến hóa đầu vào-đầu ra, với tham số điều khiển được lựa chọn dựa trên lý thuyết ổn định tuyến tính.
• Mô phỏng số bằng Matlab Simulink với hàm ode45, sử dụng hai dạng vận tốc trục khác nhau (hình tam giác và hình thang) để đánh giá hiệu quả điều khiển.
• Thực hiện thí nghiệm xác nhận mô phỏng.

Thời gian nghiên cứu kéo dài hơn một năm, tập trung vào việc phát triển và kiểm chứng thuật toán điều khiển không tiếp xúc cho hệ thống dầm chuyển động trục mô phỏng quy trình R2R.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả giảm rung động ngang: Khi không áp dụng thuật toán điều khiển, rung động ngang của dầm mất khoảng 6 giây để giảm xuống gần bằng 0 nhờ lực giảm chấn nội tại. Khi áp dụng thuật toán điều khiển, thời gian này giảm xuống còn khoảng 0.9 giây, tương đương giảm hơn 85% thời gian cần thiết để ổn định rung động.

2. Ảnh hưởng của vận tốc trục: Với vận tốc trục dạng tam giác (profile 1), rung động được kiểm soát hiệu quả nhờ thuật toán điều khiển, trong khi với vận tốc dạng thang (profile 2) có giai đoạn vận tốc không đổi, thuật toán vẫn duy trì khả năng giảm rung động nhanh chóng, thể hiện tính ổn định và linh hoạt của phương pháp.

3. Không tiếp xúc với bề mặt vật liệu: Thuật toán điều khiển dựa trên điều chỉnh lực căng dọc dầm, không cần tác động lực trực tiếp lên bề mặt vật liệu, giúp tránh hư hại bề mặt trong các quy trình nhạy cảm như in ấn hoặc lithography.

4. Khả năng ứng dụng cho hệ thống nhỏ gọn: Phương pháp điều khiển không yêu cầu mạng lưới cảm biến và bộ truyền động phân tán phức tạp, phù hợp với các hệ thống AMS có không gian lắp đặt hạn chế và yêu cầu chi phí thấp.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiệu quả điều khiển là việc sử dụng mô hình toán học chính xác dựa trên nguyên lý Hamilton và phương pháp Galerkin, cho phép mô phỏng chính xác động học của dầm chuyển động trục với lực căng biến đổi không gian-thời gian. Việc áp dụng xấp xỉ tuyến hóa đầu vào-đầu ra giúp chuyển đổi hệ thống phi tuyến thành dạng tuyến tính thuận tiện cho thiết kế bộ điều khiển.

So sánh với các nghiên cứu trước đây sử dụng điều khiển biên hoặc lực tác động trực tiếp, phương pháp này vượt trội về khả năng bảo vệ bề mặt vật liệu và tính khả thi trong các hệ thống R2R liên tục. Kết quả mô phỏng và thí nghiệm cho thấy sự phù hợp cao giữa lý thuyết và thực tế, minh chứng qua các biểu đồ biến thiên rung động theo thời gian với và không có điều khiển.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh thời gian giảm rung động giữa hai trường hợp, bảng tổng hợp các tham số điều khiển và kết quả rung động, giúp trực quan hóa hiệu quả của thuật toán.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai thuật toán điều khiển trong hệ thống R2R thực tế: Áp dụng thuật toán điều khiển không tiếp xúc để giảm rung động ngang, nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm thiểu hư hại bề mặt. Thời gian thực hiện đề xuất trong vòng 6-12 tháng, do các đơn vị sản xuất điện tử linh hoạt và kỹ thuật dệt may kỹ thuật cao thực hiện.

2. Phát triển hệ thống cảm biến và điều khiển tích hợp: Thiết kế hệ thống cảm biến laser tại biên dầm để thu thập dữ liệu rung động chính xác, kết hợp với bộ điều khiển dựa trên thuật toán đã phát triển nhằm tối ưu hóa hiệu suất. Chủ thể thực hiện là các nhóm nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ.

3. Nâng cao mô hình và thuật toán điều khiển: Mở rộng nghiên cứu sang mô hình dầm chuyển động có nhiều mode dao động hơn hoặc mô hình tấm chuyển động để áp dụng cho vật liệu có bề rộng lớn hơn. Thời gian nghiên cứu dự kiến 1-2 năm, do các viện nghiên cứu và trường đại học đảm nhận.

4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo cho kỹ sư vận hành và nhà nghiên cứu về phương pháp điều khiển không tiếp xúc và ứng dụng trong sản xuất R2R. Chủ thể thực hiện là các trường đại học và trung tâm đào tạo kỹ thuật.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành cơ khí và tự động hóa: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về mô hình hóa và điều khiển hệ thống chuyển động trục, phương pháp Galerkin và xấp xỉ tuyến hóa đầu vào-đầu ra, hỗ trợ phát triển các đề tài nghiên cứu liên quan.

2. Kỹ sư thiết kế hệ thống sản xuất R2R: Tham khảo để áp dụng thuật toán điều khiển không tiếp xúc nhằm giảm rung động, nâng cao chất lượng sản phẩm và tối ưu hóa quy trình sản xuất.

3. Doanh nghiệp sản xuất điện tử linh hoạt và kỹ thuật dệt may: Áp dụng giải pháp điều khiển để cải thiện hiệu suất máy móc, giảm thiểu hư hỏng vật liệu trong quá trình sản xuất liên tục.

4. Các trung tâm đào tạo và phát triển công nghệ: Sử dụng luận văn làm tài liệu giảng dạy và nghiên cứu phát triển công nghệ điều khiển hệ thống chuyển động trục, góp phần nâng cao trình độ chuyên môn cho đội ngũ kỹ thuật.

Câu hỏi thường gặp

1. Thuật toán điều khiển không tiếp xúc hoạt động như thế nào?
   Thuật toán điều khiển dựa trên việc điều chỉnh lực căng dọc theo dầm chuyển động để giảm rung động ngang mà không cần tác động lực trực tiếp lên bề mặt vật liệu, giúp tránh hư hại trong quá trình sản xuất.

2. Phương pháp Galerkin được sử dụng để làm gì trong nghiên cứu này?
   Phương pháp Galerkin được dùng để rút gọn hệ phương trình đạo hàm riêng mô tả động học dầm chuyển động thành hệ phương trình vi phân thường với số chiều hữu hạn, thuận tiện cho việc thiết kế bộ điều khiển.

3. Làm thế nào để đảm bảo tính ổn định của hệ thống sau khi áp dụng điều khiển?
   Tính ổn định được đảm bảo bằng cách lựa chọn tham số điều khiển dựa trên lý thuyết ổn định tuyến tính, trong đó ma trận Jacobian của hệ thống được thiết kế sao cho các trị riêng nằm trong nửa mặt phẳng trái của trục phức.

4. Thuật toán có thể áp dụng cho các hệ thống chuyển động trục khác ngoài R2R không?
   Có, thuật toán phù hợp với các hệ thống chuyển động trục có đặc điểm tương tự như dây curoa, băng tải, hoặc các hệ thống vận chuyển vật liệu liên tục khác, đặc biệt khi cần kiểm soát rung động ngang.

5. Chi phí triển khai thuật toán điều khiển này trong thực tế như thế nào?
   Do thuật toán không yêu cầu mạng lưới cảm biến và bộ truyền động phân tán phức tạp, chi phí triển khai được đánh giá là thấp hơn so với các phương pháp điều khiển phân tán hoặc điều khiển biên truyền thống.

Kết luận

• Luận văn đã phát triển thành công thuật toán điều khiển không tiếp xúc dựa trên điều chỉnh lực căng dọc dầm để giảm rung động ngang trong hệ thống dầm chuyển động trục mô phỏng quy trình R2R.
• Mô hình toán học được xây dựng dựa trên nguyên lý Hamilton và phương pháp Galerkin, cho phép mô phỏng chính xác và thiết kế bộ điều khiển hiệu quả.
• Thuật toán điều khiển đã được kiểm chứng qua mô phỏng và thí nghiệm, cho thấy giảm thời gian ổn định rung động hơn 85% so với trường hợp không điều khiển.
• Phương pháp không gây hư hại bề mặt vật liệu, phù hợp với các ứng dụng sản xuất điện tử linh hoạt và kỹ thuật dệt may kỹ thuật cao.
• Các bước tiếp theo bao gồm triển khai thực tế trong hệ thống R2R, mở rộng mô hình cho các dạng vật liệu khác và đào tạo chuyển giao công nghệ.

Khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp trong lĩnh vực sản xuất vật liệu linh hoạt tiếp cận và ứng dụng giải pháp này để nâng cao hiệu quả sản xuất và chất lượng sản phẩm.