phần mở đầu, giới thiệu, danh mục tham khảo, phụ lục… nội dung chính của luận văn đƣợc chia làm 4 chƣơng nhƣ sau: Chƣơng 1: Giới thiệu về công nghệ di chuyển vật bằng từ trường Phần này sẽ giới thiệu tổng quan về lịch sử, phân loại đặc điểm và cấu tạo của các hệ thống nâng hạ vật bằng từ trƣờng cả lý thuyết và thực tế. Chƣơng 2: Mô hình của hệ thống nâng hạ đĩa sắt bằng từ trường Phần này sẽ trình bày mô hình toán học của hệ thống nâng, hạ đĩa sắt bằng từ trƣờng dựa vào kết quả trong tài liệu [1]. Chƣơng 3: Cơ sở lý thuyết các bộ điều khiển cho hệ thống nâng hạ vật trong từ trường Phần này sẽ trình bày cơ sở lý thuyết và quá trình xây dựng các bộ điều khiển PID, RST theo mô hình chuẩn, RST thích nghi theo mô hình chuẩn và điều khiển LQR và bộ lọc Kalman. Chƣơng 4: Xây dựng các Bộ điều khiển cho hệ thống nâng hạ đĩa sắt bằng từ trường Phần này sẽ trình bày cơ sở khoa học và quá trình xây dựng bộ điều khiển PID, điều khiển RST theo mô hình chuẩn, RST tự chỉnh theo mô hình chuẩn và điều khiển LQR hai vòng kín có bộ quan sát cho hệ thống nâng hạ đĩa sắt bằng từ trƣờng.
Tổng quan về tài liệu nghiên cứu Tài liệu nghiên cứu tác giả dựa vào các nguồn tài liệu sau: - Các bài báo khoa học về điều khiển hệ thống nâng hạ vật bằng từ trƣờng (magnetic levitation system). - Các bài báo, tài liệu khoa học về điều khiển RST. Các bài báo, tài liệu khoa học về điều khiển thích nghi. Các bài báo, tài liệu về điều khiển tối ƣu, ƣớc lƣợng thông số, bộ lọc Kalman.
3 CHƢƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ DI CHUYỂN VẬT BẰNG TỪ TRƢỜNG 1. CÔNG NGHỆ DI CHUYỂN VẬT BẰNG TỪ TRƢỜNG Hệ thống nâng hạ vật trong từ trƣờng (tên tiếng anh là Magnetic levitation system hoặc viết tắt là Maglev) có nhiều ứng dụng trong thực tế với ƣu điểm vƣợt trội là giảm đƣợc ma sát. Các hệ thống này đƣợc ứng dụng nhiều trong các ngành công nghiệp, giao thông vận tải, đặc biệt là sử dụng trong công nghệ chế tạo tàu đệm từ trƣờng; các ổ bi từ (Maglev bearing); trong ngành công nghiệp chế tạo loa (magnetic levitation speaker) …Trong phần tìm hiểu về các ứng dụng của công nghệ Maglev, tác giả xin giới thiệu qua về ứng dụng trong tàu đệm từ và trong ổ bi không tiếp xúc. Tàu đệm từ Tàu đệm từ có tên tiếng Anh là Magnetic levitation transport (rút ngắn thành maglev), là một phƣơng tiện giao thông đƣợc vận hành bằng cách nâng tàu lên khỏi mặt đất một khoảng cách nhất định, dẫn lái và di chuyển tàu bằng lực từ hoặc lực điện từ.
Tàu điện từ di chuyển nhanh hơn nhiều so với các phƣơng tiện giao thông công cộng nhƣ tàu lửa, xe ô tô… do giảm ma sát và loại bỏ tác động của các cấu trúc cơ khí. Hình ảnh thực tế của tàu đệm từ đƣợc thể hiện nhƣ Hình 1. Tàu không chạy trên các đƣờng ray truyền thống mà nhờ các tấm từ gắn dọc 2 bên đƣờng dẫn tàu.1: Hình ảnh một tàu đệm từ Kỹ thuật vận hành tàu đệm từ khác biệt với vận hành tàu truyền thống đặc biệt là không sử dụng bánh xe và đƣờng ray để di chuyển. Do không sử dụng chung các cơ sở 4 hạ tầng đang hiện có, tàu đệm từ phải đƣợc thiết kế với một hệ thống giao thông hoàn toàn mới.
Thuật ngữ "tàu đệm từ" không chỉ đơn thuần chỉ đến phƣơng tiện chuyên chở mà còn bao gồm cả sự tƣơng tác giữa tàu và đƣờng dẫn; chúng đƣợc thiết kế đặc biệt tƣơng thích lẫn nhau để tạo ra lực nâng và điều khiển chính xác việc nâng lên và đẩy tới bằng lực điện từ.3 sẽ cho ta thấy đƣợc cơ chế hoạt động của việc nâng tàu và đẩy tàu bằng lực từ nhƣ thế nào.2: Cơ chế nâng tàu lên bằng lực từ Tàu đƣợc nâng lên nhờ những nam châm điện đặt trên thân tàu và trên đƣờng dẫn hƣớng của tàu. Nhờ vào lực tác động đẩy của các nam châm cùng cực tính và lực hút của các nam châm ngƣợc cực tính, tàu sẽ đƣợc nâng lên. Tƣơng tự nhƣ việc nâng con tàu lên, cơ chế đẩy tàu bằng lực từ cũng sử dụng lực tƣơng tác của các nam châm điện đặt trên thân tàu và đƣờng dẫn. Để đẩy con tàu đi tới, các nam châm điện trên đƣờng dẫn đƣợc điều khiển để cấp và ngắt điện theo một chu trình để hút và đẩy con tàu về hƣớng mong muốn.3: Cơ chế đẩy tàu bằng lực từ 5 Bởi vì không có sự tiếp xúc trực tiếp giữa đƣờng ray và tàu, nên chỉ có lực ma sát giữa con tàu và không khí.
Do đó, tàu đệm từ có khả năng di chuyển với vận tốc rất cao, ít tiếng ồn và tiêu tốn ít năng lƣợng. Các tàu đệm từ hiện tại có thể hoạt động với vận tốc lên đến 650 km/h, nhanh hơn nhiều lần so với tàu hỏa truyền thống. Tốc độ rất cao của tàu đệm từ làm chúng có thể cạnh tranh với các đƣờng bay dƣới 1. Mặc dù vậy, kỹ thuật tàu đệm từ hiện tại vẫn bị rào cản vận tốc bởi lực cản không khí khiến nó không thể nhanh hơn máy bay.
Ngƣời ta nghĩ ra một phƣơng án thiết kế mới là Vactrain – Maglev, nghĩa là sử dụng tàu đệm từ chạy trong các đƣờng ống chân không để loại bỏ lực cản không khí và tăng đƣợc tốc độ di chuyển của tàu. Tuy nhiên, nguy cơ tiềm ẩn đối với hành khách bên trong các đƣờng ống chân không là cabin có thể bị mất áp suất và khiến hành khách bị ngạt. Hiện tại công nghệ này vẫn đang đƣợc nghiên cứu để áp dụng. Nếu áp dụng đƣợc thì tốc độ tàu có thể đạt tới 1200Km/h so với vận tốc khoảng 500 đến 650Km/h của các tàu đệm từ hiện tại.4: Hình ảnh mô phỏng tàu đệm từ chạy trong chân không 1.
Trục quay nằm lơ lửng giữa vòng bi và có thể quay với ma sát nhỏ và hầu nhƣ không bị mài mòn.5: Hình ảnh ổ bi từ Các nam châm điện hoặc các nam châm vĩnh cửu đặt trên phần quay và phần tĩnh của ổ bi tạo ra các lực hút và đẩy lẫn nhau làm cho phần quay và phần tĩnh của ổ bi không tiếp xúc với nhau. CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐÃ ÁP DỤNG ĐỐI VỚI HỆ THỐNG NÂNG HẠ VẬT BẰNG TỪ TRƢỜNG Đã có nhiều phƣơng pháp điều khiển đã đƣợc nghiên cứu để áp dụng đối với hệ thống nâng hạ bằng từ trƣờng (levitation system) nhƣ là điều khiển PID [2], điều khiển nơ ron [3, 4], điều khiển thích nghi [5, 6], điều khiển mờ [7], điều khiển PI [8-11]…. Tuy vậy, các nghiên cứu điều khiển cho đối tƣợng bằng phƣơng pháp điều khiển số RST và LQR hai vòng kín kết hợp bộ quan sát chƣa có nhiều nghiên cứu và trình bày chi tiết. 7 KẾT LUẬN CHƢƠNG 1 Chƣơng 1 giới thiệu khái quát về công nghệ di chuyển vật bằng từ trƣờng và các ứng dụng thực tế của công nghệ này trong thực tế đời sống.
Trong chƣơng 1 cũng liệt kê các phƣơng pháp đã đƣợc sử dụng để thiết kế bộ điều khiển nâng hạ vật trong từ trƣờng. 8 CHƢƠNG 2 MÔ HÌNH CỦA HỆ THỐNG NÂNG HẠ ĐĨA SẮT BẰNG TỪ TRƢỜNG 2. CÁC PHƢƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC Hệ thống mô hình thực nghiệm nhƣ Hình 2. Hệ thống gồm 4 nam châm điện dùng để cung cấp lực điện từ nhằm đảm bảo đĩa sắt từ cân bằng trong từ trƣờng, một đĩa vuông cứng với 4 nam châm vĩnh cửu tại mỗi góc và 4 sensor theo hiệu ứng Hall để xác định vị trí của vật trƣờng.
Điện áp đặt vào các nam châm điện là Va.1: Hệ thống mô hình thực nghiệm [1] Các nam châm điện là các cuộn sắt từ có điện cảm là 15 mH và điện trở là 2Ω. Các sensor theo hiệu ứng Hall là các sensor đo tuyến tính với 50 V/T. Nam châm vĩnh cửu là loại nam châm đĩa N25 có đƣờng kính 12.70 mm và dày 6. Đĩa là loại đĩa crylic trong suốt với kích thƣớc 152.
Khung đƣợc làm bằng gỗ. Để đơn giản, việc mô hình hóa chỉ sử dụng 1/4 của hệ thống. Mô hình đƣợc trình bày nhƣ Hình 2.2: Mô phỏng ¼ hệ thống [1] Mô hình hệ thống nâng hạ đĩa nam châm bằng từ trƣờng đƣợc mô tả nhƣ trong phần mô tả đối tƣợng điều khiển đã nêu bên trên. R Điện trở của cuộn dây nam châm điện (Ω) L Điện cảm của cuộn dây nam châm điện (H) i Dòng điện trong cuộn dây nam châm điện (A) g Gia tốc trọng trƣờng (m/s2) m Khối lƣợng đối tƣợng, bằng 1/4 khối lƣợng đĩa (kg) v Điện áp đặt vào cuộn dây nam châm điện (V) e Điện áp trên sensor hiệu ứng Hall (V) d Khoảng cách từ đĩa đến đáy của nam châm điện (m) Fdt Lực điện từ tác động vào đối tƣợng cần nâng hạ (N) C Hệ số liên quan đến số vòng dây và diện tích mặt cắt ngang của nam châm điện β Thông số của sensor (V.m2) γ Thông số của sensor (V/A) α Thông số của sensor (V) i0 Dòng điện tại điểm cân bằng ban đầu (A) d0 Khoảng cách từ đĩa đến đáy nam châm điện tại điểm cân bằng (mm) Bảng 2.1: Thông số của hệ thống mô phỏng tại điểm cân bằng 10 STT Đối tƣợng Thông số Giá trị Đơn vị 1 Sensor β 5.48 V 4 Điểm làm việc i0 1 A 5 d0 20 mm 6 Nam châm điện C 2.02985 Kg Để mô hình hóa đối tƣợng, ta đi xây dựng các phƣơng trình trạng thái của đối tƣợng.
Có 2 phƣơng trình chính là phƣơng trình cân bằng lực và phƣơng trình điện áp. Lực điện từ tác động lên đối tƣợng [12]: (2.1) i(t): dòng điện tức thời chạy qua cuộn dây nam châm điện Lực tác động lên đối tƣợng theo phƣơng thẳng đứng: (2.2) Phƣơng trình cân bằng điện áp: (2.3) Khoảng cách d đƣợc xác định thông qua điện áp e của sensor hiệu ứng HALL. Hiệu ứng này đƣợc khám phá bởi Edwin Herbert Hall vào năm 1879. Hiệu ứng Hall là một hiệu ứng vật lý đƣợc thực hiện khi áp dụng một từ trƣờng vuông góc lên một bản làm bằng kim loại hay chất bán dẫn hay chất dẫn điện nói chung (thanh Hall) đang có dòng điện chạy qua.
Lúc đó ngƣời ta nhận đƣợc hiệu điện thế (hiệu thế Hall) sinh ra tại hai mặt đối diện của thanh Hall. Sensor hiệu ứng Hall có điện áp đầu ra theo công thức [13]: (2.4) Với: α, β, γ là các hệ số của sensor. MÔ TẢ HỆ THỐNG DƢỚI DẠNG HÀM TRUYỀN ĐẠT 2.