Tổng quan luận án

Chuẩn đo lường lực là phương tiện kỹ thuật được sử dụng nhằm thể hiện, duy trì đơn vị đo của đại lượng lực, đóng vai trò làm chuẩn để so sánh, liên kết và sao truyền đơn vị đo cho các phương tiện đo hoặc chuẩn cấp thấp hơn trong hệ thống chuẩn đo lường quốc gia. Trong đó, máy chuẩn lực kiểu khuếch đại đòn bẩy (Lever Amplification Force Standard Machine - LA-FSM) thuộc nhóm chuẩn đầu hoặc chuẩn thứ, có chức năng tạo ra các lực chuẩn giá trị lớn dựa trên sự kết hợp giữa khối lượng tải trọng trực tiếp và tỷ lệ khuếch đại đòn bẩy.

Về tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu, các thế hệ LA-FSM truyền thống sử dụng cơ cấu dao - gối phẳng hoặc dao - vòng bi thuần cơ khí bộc lộ nhiều hạn chế về mài mòn, ma sát, thăng giáng tiếp xúc và khó kiểm soát trạng thái cân bằng. Để khắc phục, xu hướng tích hợp kỹ thuật điện tử thông qua gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng (dựa trên bản lề đàn hồi gắn tem biến dạng) đã được áp dụng. Tại Việt Nam, hệ thống chuẩn lực còn thiếu về dải thể hiện và hạn chế về độ chính xác; hệ thống LA-FSM 1 MN lắp đặt tại Khu Công nghệ cao Láng Hòa Lạc (thuộc Viện Đo lường Việt Nam) mới đạt cấp độ chính xác $1 \times 10^{-4}$. Độ chính xác của hệ thống chịu tác động trực tiếp bởi các thành phần nhiễu dao động cơ học ký sinh (dao động kiểu con lắc, dao động kiểu bồng bềnh) và moment uốn ký sinh do hiện tượng cong đòn bẩy dưới tải trọng lớn. Khoảng trống đặt ra là các nghiên cứu trước đây chủ yếu khảo sát dao động trên máy chuẩn lực tải trọng trực tiếp (DW-FSM) hoặc xử lý cơ học riêng lẻ, chưa thiết lập mô hình toán học động học hoàn chỉnh mô tả chu trình chuyển đổi "lực - moment - tín hiệu điện - lực" trong kênh điều khiển cân bằng của LA-FSM và chưa có giải pháp xử lý nhiễu bằng thuật toán lọc số tương thích với cấu trúc kênh đo này.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án là đề xuất giải pháp nâng cao độ chính xác cho chuẩn đo lường lực kiểu khuếch đại đòn bẩy sử dụng gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng bằng kỹ thuật điện tử, trọng tâm là giảm thiểu ảnh hưởng của các nhiễu dao động và moment ký sinh.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Chuẩn đo lường lực kiểu khuếch đại đòn bẩy LA-FSM sử dụng gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng.
  • Phạm vi nghiên cứu: Các vấn đề liên quan đến xây dựng giải pháp nâng cao độ chính xác đối với hệ thống LA-FSM sử dụng ba gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng bằng kỹ thuật điện tử, áp dụng dữ liệu thiết kế của hệ thống LA-FSM 1 MN tại Khu Công nghệ cao Láng Hòa Lạc.

Nội dung nghiên cứu của luận án gồm 4 nội dung chính:

  1. Nghiên cứu tổng quan về việc nâng cao độ chính xác cho LA-FSM sử dụng gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng, xác định bài toán tối ưu theo tiêu chuẩn độ chính xác và định hướng nghiên cứu.
  2. Nghiên cứu xác lập mô hình kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy và mô hình nhiễu dao động ký sinh kiểu con lắc và kiểu bồng bềnh trong LA-FSM.
  3. Nghiên cứu xây dựng giải pháp xử lý nhiễu dao động ký sinh kiểu con lắc và kiểu bồng bềnh bằng việc áp dụng thuật toán lọc theo định dạng bộ lọc số có đáp ứng xung dài vô hạn (IIR).
  4. Đánh giá hiệu quả của giải pháp xử lý nhiễu dao động ký sinh bằng thuật toán lọc IIR thông qua phương pháp mô phỏng trên các mức tải trọng cụ thể và đưa ra khuyến nghị phạm vi ứng dụng.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tổng quan các công trình nghiên cứu trên thế giới và trong nước cho thấy hai hướng tiếp cận chính trong việc kiểm soát sai số của máy chuẩn lực:

Hướng thứ nhất tập trung vào việc khảo sát thuộc tính động và giảm thiểu dao động ký sinh trong hệ tạo tải trọng:

  • Dae-Im Kang và Byoung-Duk Lim (1996) khảo sát hệ thống Build-up trên DW-FSM, phát hiện dao động có chu kỳ với tần số khoảng 0,23 Hz (dao động kiểu con lắc) và từ 0,8 Hz đến 1,5 Hz (dao động kiểu bồng bềnh), đề xuất chọn thời gian trung bình bằng chu kỳ dao động để giảm sai số.
  • Yon-Kyu Park và Dae-Im Kang (1999) phân tích sắc thái động của DW-FSM tại Viện Nghiên cứu Chuẩn và Khoa học Hàn Quốc (KRISS), tách tín hiệu thành thành phần DC và AC, ghi nhận tần số dao động con lắc trong khoảng 0,19 Hz đến 0,23 Hz, dao động bồng bềnh trong khoảng 0,67 Hz đến 1,42 Hz; đồng thời đề xuất khả năng dùng bộ lọc thông thấp IIR để triệt giảm thành phần xoay chiều.
  • Yon-Kyu Park và Dae-Im Kang (2000) tiếp tục khảo sát trên DW-FSM 100 kN tại KRISS, xác định thành phần dao động con lắc khoảng 0,28 Hz và mô tả quỹ đạo chuyển động nhằm ước lượng trạng thái động.
  • Yon-Kyu Park, Dae-Im Kang, Rolf Kumme và Amritlal Sawla (2001) làm rõ sự phụ thuộc của tần số dao động con lắc vào mức tải trọng và chiều cao tâm khối của bộ tải.
  • Yon-Kyu Park, Dae-Im Kang, Jong-Ho Kim và Min-Seok Kim (2009) kiểm chứng quỹ đạo chuyển động con lắc trên DW-FSM 500 kN tại KRISS và đề xuất biện pháp giảm dao động bằng việc kiểm soát chính xác tốc độ ra tải.

Hướng thứ hai tập trung vào việc cải tiến cấu trúc cơ học, ứng dụng bản lề đàn hồi và bù trừ moment ký sinh trên LA-FSM:

  • G. Gassmann (2001) khảo sát hệ thống LA-FSM 110 kN/1,1 MN của EIM (Hy Lạp) do GTM (Đức) chế tạo, khẳng định hiệu quả của gối điện tử bản lề đàn hồi trong việc kiểm soát và bù trừ moment uốn tại các khớp nối.
  • Lim Chi Kah, Bernd Glöckner và Thomas Allgeier (2003, 2004) công bố kết quả trên hệ thống LA-FSM 55 kN/2,2 MN tại SPRING (Singapore) với tỷ số đòn bẩy 40:1, sử dụng đòn bẩy thép nguyên khối, tem biến dạng trở kháng 5000 $\Omega$, số hóa hoàn toàn mạch điều khiển servo và khảo sát sự trôi dạt điểm không theo thời gian.
  • S. Titus, Falk Tegtmeier, Norbert Tetzlaff và Daniel Schwind (2012) tối ưu LA-FSM 100 kN/1 MN của GTM bằng cách tăng độ cứng khung máy, bao kín đòn bẩy, thiết kế 26 quả tải có độ không đảm bảo đo $5 \times 10^{-6}$ ($k = 2$) và hạ thấp trọng tâm quang treo 4 cột.
  • Ulrich Kolwinski và Daniel Schwind (2012, 2014) phát triển phương pháp tự động bù sự cong đòn bẩy bằng hàm đa thức kiểm soát theo lực dọc trục trên LA-FSM 100 kN/1 MN, đưa độ không đảm bảo đo về mức xấp xỉ $9 \times 10^{-5}$.

Tại Việt Nam, các nghiên cứu của Viện Đo lường Việt Nam chủ yếu tập trung vào tiếp nhận, vận hành và xây dựng sơ đồ sao truyền chuẩn cho máy chuẩn lực LA-FSM 1 MN được trang bị năm 2013.

Nhóm nghiên cứu / Tác giả Đối tượng khảo sát Giải pháp kỹ thuật áp dụng Kết quả và hạn chế
Kang & Lim (1996), Park & Kang (1999, 2000, 2001, 2009) Máy chuẩn lực tải trọng trực tiếp (DW-FSM tại KRISS) Tính trung bình thời gian, kiểm soát tốc độ gia tải, thử nghiệm sơ bộ bộ lọc IIR Xác định dải tần số con lắc (0,19–0,28 Hz) và bồng bềnh (0,67–1,42 Hz); chỉ áp dụng cho DW-FSM, chưa tích hợp vào kênh điều khiển đòn bẩy
Gassmann (2001), Lim et al. (2003, 2004), Titus et al. (2012) Máy chuẩn lực khuếch đại đòn bẩy (LA-FSM tại EIM, SPRING, GTM) Dùng bản lề đàn hồi, số hóa điều khiển servo, tăng độ cứng cơ khí, đòn bẩy đơn khối Bù khử moment ký sinh và kiểm soát trôi dạt; giải pháp phần cứng cơ khí phức tạp, độ không đảm bảo đo đạt mức $1 \times 10^{-4}$
Kolwinski & Schwind (2012, 2014) Hệ thống LA-FSM 100 kN/1 MN (GTM) Bù sự cong đòn bẩy bằng hàm đa thức theo lực dọc trục Giảm độ không đảm bảo đo xuống $9 \times 10^{-5}$; công thức hiệu chỉnh đa thức chưa được công bố tường minh
Luận án (2022) Hệ thống LA-FSM sử dụng 3 gối điện tử (LA-FSM 1 MN tại VMI) Mô hình hóa toán học kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy và thiết kế bộ lọc số IIR' bậc cao ghép tầng DCR Xử lý đồng thời dao động con lắc, dao động bồng bềnh và moment ký sinh qua xử lý thông tin đo

Vị trí của luận án được xác lập tại điểm giao thoa giữa cơ sở đo lường học lực và kỹ thuật xử lý tín hiệu số: giải quyết bài toán nâng cao độ chính xác cho LA-FSM không bằng việc can thiệp cơ khí phức tạp mà thông qua phương pháp xử lý thông tin đo của kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án vận dụng các cơ sở lý thuyết và mô hình toán học vật lý:

  • Nguyên lý tạo lực chuẩn theo Định luật 2 Newton kết hợp Định luật Archimedes hiệu chỉnh sức nổi không khí: $$F = mg\left(1 - \frac{\rho_a}{\rho_m}\right)$$ trong đó $m$ là khối lượng quả tải, $g$ là gia tốc trọng trường địa phương, $\rho_a$ là khối lượng riêng của không khí tính theo công thức CIPM, $\rho_m$ là khối lượng riêng của vật liệu chế tạo tải trọng.
  • Nguyên lý khuếch đại lực bằng hệ đòn bẩy: $$F_2 = F_1 Q_{LA} = mg_{đp}\left(1 - \frac{\rho_a}{\rho_m}\right)\frac{l_1}{l_2}$$ với $l_1, l_2$ lần lượt là chiều dài cánh tay đòn dài và ngắn, $Q_{LA}$ là hệ số khuếch đại đòn bẩy ($Q_{LA} = l_1/l_2 = 10$).
  • Lý thuyết bản lề đàn hồi điện tử: Hệ thống sử dụng ba gối điện tử bản lề đàn hồi $H_1, H_2, H_3$ gắn mạch cầu tem biến dạng để chuyển đổi các biến dạng uốn cơ học thành các tín hiệu điện áp $u_1, u_2, u_3$.
  • Lý thuyết xử lý tín hiệu số và lý thuyết lọc: Thiết kế bộ lọc số đệ quy có đáp ứng xung dài vô hạn (IIR), sử dụng cấu trúc ghép tầng bậc hai dạng trực tiếp chuyển vị (Direct Form II Transposed - DCR) nhằm đảm bảo tính ổn định, giảm thiểu trễ nhóm và triệt tiêu dải tần số nhiễu cơ học.
  • Bài toán tối ưu hệ thống đo lường theo tiêu chuẩn độ chính xác (tiêu chuẩn $\Delta$): $$u^*{tư} = \arg\min{u \in U} \Delta(u)$$ với điều kiện giới hạn về thời gian sử dụng $T_{th}$ và chi phí/mức độ phức tạp $M$.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa phân tích giải tích lý thuyết và mô phỏng số:

  • Phương pháp phân tích giải tích: Thiết lập các phương trình động học mô tả lực hướng tâm, lực tiếp tuyến, ảnh hưởng của lực đẩy Archimedes, lực điện từ, lực quán tính khi quang treo chuyển động có gia tốc theo phương thẳng đứng lên hoặc xuống, và các moment uốn ký sinh tác động lên ba gối đỡ $H_1, H_2, H_3$.
  • Phương pháp mô phỏng số: Sử dụng phần mềm MATLAB để mô phỏng đáp ứng tần số, đáp ứng xung, quỹ đạo cực - không, phân tích mức suy giảm biên độ nhiễu và độ lệch chuẩn của tín hiệu tại các mức tải trọng từ 20 kN đến 1 MN.

Nguồn dữ liệu thực nghiệm phục vụ tính toán và mô phỏng được trích xuất từ các thông số thực tế của hệ thống LA-FSM 1 MN lắp đặt tại Khu Công nghệ cao Láng Hòa Lạc do Viện Đo lường Việt Nam quản lý.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về nghiên cứu nâng cao độ chính xác cho chuẩn đo lường lực kiểu khuếch đại đòn bẩy sử dụng gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng và hướng nghiên cứu của luận án

Chương này trình bày tổng quan cấu trúc, nguyên lý làm việc của LA-FSM sử dụng gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng, đồng thời phân tích chi tiết các thành phần sai số trong hệ thống. Tác giả chỉ ra công thức sai số lý thuyết tương đối tổng quát của LA-FSM: $$\frac{\Delta F_2}{F_2} = \frac{\Delta m}{m} + \frac{\Delta g_{đp}}{g_{đp}} - \frac{\Delta \rho_a}{\rho_m - \rho_a} + \frac{\rho_a \Delta \rho_m}{\rho_m(\rho_m - \rho_a)} + \frac{\Delta l_1}{l_1} - \frac{\Delta l_2}{l_2}$$

Các nguồn sai số và mức độ đóng góp định lượng được tác giả phân tích dựa trên thông số của máy LA-FSM 1 MN tại Hòa Lạc:

  • Sai số khối lượng tải trọng: Với quả tải $m = 1021,953121\text{ kg}$, lượng hiệu chỉnh $2530\text{ mg}$, độ không đảm bảo đo $\Delta m = 5110\text{ mg}$, đóng góp sai số tương đối là $5 \times 10^{-6}$.
  • Sai số gia tốc trọng trường: Giá trị đo thực tế $g = 9,78664322\text{ m/s}^2$, $\Delta g = 45 \times 10^{-8}\text{ m/s}^2$, đóng góp sai số tương đối là $4,6 \times 10^{-8}$.
  • Sai số khối lượng riêng không khí: Khối lượng riêng $\rho_a = 1,194774\text{ kg/m}^3$, biến thiên $\Delta \rho_a = 0,0548\text{ kg/m}^3$, đóng góp sai số tương đối là $6,9 \times 10^{-6}$.
  • Sai số khối lượng riêng vật liệu quả tải: $\rho_m = 7950\text{ kg/m}^3$, $\Delta \rho_m = 80\text{ kg/m}^3$, đóng góp sai số tương đối là $1,5 \times 10^{-6}$.
  • Sai số hình học của hệ truyền lực: Độ lệch mặt bàn nén ($0,03^\circ$) đóng góp $1,37 \times 10^{-7}$; độ lệch đồng trục ngàm kéo ($0,01^\circ$) đóng góp $1,52 \times 10^{-8}$.
  • Sai số chiều dài cánh tay đòn (khi dùng dao - gối cơ học): Cánh tay đòn dài $l_1 = 1260\text{ mm}$, $\Delta l_1 = \pm 0,2\text{ mm}$ gây sai số $1,59 \times 10^{-4}$; cánh tay đòn ngắn $l_2 = 126\text{ mm}$, $\Delta l_2 = \pm 0,3\text{ mm}$ gây sai số $2,38 \times 10^{-3}$.

Tác giả khẳng định việc chuyển đổi sang gối điện tử kiểm soát biến dạng giúp loại bỏ sự trượt tiếp xúc cơ học, nhưng làm xuất hiện bài toán cân bằng moment uốn tồn dư ($M_a, M_b, M_c$) do sự cong đòn bẩy và các dao động ký sinh kiểu con lắc (tần số $0,19 \div 0,23\text{ Hz}$) cùng dao động kiểu bồng bềnh (tần số $0,67 \div 1,42\text{ Hz}$). Luận án xác định nhiệm vụ trọng tâm là tối ưu hóa độ chính xác thông qua xử lý thông tin đo trong kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy.

Chương 2: Xác lập mô hình kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy và mô hình nhiễu dao động ký sinh trong LA-FSM

Chương 2 đi sâu xây dựng mô hình động học giải tích cho kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy sử dụng ba gối điện tử $H_1, H_2, H_3$. Mô hình mô tả chuỗi biến đổi vật lý: từ lực đặt tại hệ tạo tải trọng $F_1$, chuyển thành moment uốn tại các gối đỡ, sinh ra tín hiệu điện áp vi sai $u_1, u_2, u_3$ từ các mạch cầu tem biến dạng, qua mạch khuếch đại đo lường và khối biến đổi A/D thành các dữ liệu số $U_1, U_2, U_3$, sau đó tổng hợp thành tín hiệu $U_\Sigma$ để tính toán ra tín hiệu điều khiển $U_{đc}$, điều khiển động cơ cân bằng dịch chuyển bàn trượt tạo lực điều chỉnh $\Delta F_2$ nhằm xác lập trạng thái cân bằng.

Mô hình toán học của các thành phần nhiễu dao động ký sinh được phân tích:

  • Nhiễu dao động kiểu con lắc: Xuất phát từ sự dao động của quang treo quả tải được mô hình hóa dưới dạng hệ con lắc đơn, chịu tác động của góc lệch ban đầu $\alpha_0$, lực tiếp tuyến và lực hướng tâm, gây biến thiên định kỳ của thành phần lực thẳng đứng.
  • Nhiễu dao động kiểu bồng bềnh: Hình thành từ tương tác đàn hồi của hệ thống treo, lực cản không khí, lực đẩy Archimedes dao động theo nhiệt độ môi trường, ảnh hưởng của lực điện từ và lực quán tính khi hệ thống nâng hạ quả tải chuyển động có gia tốc hướng lên ($N\text{-}QT^+$) hoặc hướng xuống ($N\text{-}QT^-$).
  • Phương trình cân bằng moment tổng hợp tại các điểm tựa gối đỡ được thiết lập có tính đến biến dạng uốn: $$M_{H1} + M_{H2} + M_{H3} = 0$$ kèm theo các góc lệch đàn hồi $\alpha_a, \alpha_b, \alpha_c$ tại các bản lề.

Mô hình tín hiệu thu nhận tại kênh điều khiển cân bằng được biểu diễn dưới dạng tổng hợp của tín hiệu lực có ích và tổ hợp nhiễu dao động ký sinh: $$u_i(t) = s_i(t) + n_{cl}(t) + n_{bb}(t) + n_k(t)$$ trong đó $s_i(t)$ là tín hiệu phản ánh độ biến dạng do lực cân bằng, $n_{cl}(t)$ là thành phần nhiễu con lắc, $n_{bb}(t)$ là nhiễu bồng bềnh và $n_k(t)$ là nhiễu ngẫu nhiên khác.

Chương 3: Xây dựng giải pháp xử lý nhiễu dao động ký sinh cho tín hiệu kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy của LA-FSM bằng áp dụng thuật toán lọc IIR

Chương 3 trình bày giải pháp thiết kế bộ lọc số đệ quy IIR chuyên dụng (ký hiệu là $\text{IIR}'$) để loại bỏ các thành phần tần số dao động ký sinh trong kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy.

Quy trình thiết kế và kết quả nghiên cứu gồm:

  • Xác định tham số đặc tả: Bộ lọc được thiết kế là bộ lọc thông thấp số với dải thông và dải chặn phù hợp để triệt tiêu dải tần số nhiễu con lắc ($0,19 \div 0,28\text{ Hz}$) và nhiễu bồng bềnh ($0,67 \div 1,42\text{ Hz}$), bảo toàn thành phần tín hiệu DC phản ánh độ lệch cân bằng đòn bẩy.
  • So sánh các phương pháp thiết kế: Tác giả khảo sát 4 phương pháp thiết kế bộ lọc số (Butterworth, Chebyshev Type I, Chebyshev Type II và Elliptic), đánh giá chi tiết đáp ứng biên độ, đáp ứng pha, trễ nhóm và phân bố điểm cực - điểm không nhằm chọn ra cấu trúc tối ưu về độ ổn định và độ gợn dải thông.
  • Cấu trúc bộ lọc: Bộ lọc $\text{IIR}'$ được triển khai theo cấu trúc ghép tầng bậc hai dạng trực tiếp chuyển vị (DCR - Direct Form II Transposed) nhằm giảm thiểu độ nhạy tham số do hiện tượng làm tròn hệ số số học.
  • Đánh giá hiệu quả xử lý nhiễu qua mô phỏng: Thuật toán lọc được kiểm nghiệm trên 5 mức tải trọng đại diện của máy LA-FSM 1 MN:
    • Mức tải $20\text{ }000\text{ N}$ (sử dụng 1 quả tải nhỏ nhất).
    • Mức tải $100\text{ }000\text{ N}$.
    • Mức tải $200\text{ }000\text{ N}$.
    • Mức tải $500\text{ }000\text{ N}$.
    • Mức tải $1\text{ }000\text{ }000\text{ N}$ (mức tải toàn phần, sử dụng toàn bộ 26 quả tải).

Kết quả mô phỏng cho thấy bộ lọc $\text{IIR}'$ làm suy giảm mạnh biên độ các thành phần dao động xoay chiều AC, giảm phương sai của tín hiệu điều khiển cân bằng, giúp tín hiệu điều khiển động cơ servo nhanh chóng xác lập giá trị ổn định mà không bị thăng giáng bởi chuyển động con lắc hay bồng bềnh của bộ tải trọng.

Kết quả và những đóng góp mới

Các kết quả và đóng góp mới của luận án được tổng hợp trên hai phương diện:

Về mặt lý luận và khoa học đo lường:

  1. Thiết lập được mô hình toán học giải tích mô tả quá trình biến đổi động học "lực - moment - tín hiệu điện - lực" trong kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy của chuẩn đo lường lực LA-FSM sử dụng ba gối điện tử bản lề đàn hồi.
  2. Mô hình hóa tường minh quy luật hình thành và đặc tính phổ của các thành phần nhiễu dao động ký sinh kiểu con lắc và kiểu bồng bềnh dưới tác động đồng thời của các yếu tố cơ học, môi trường (nhiệt độ, sức nổi Archimedes) và quán tính gia tải.
  3. Chứng minh tính khả thi của việc nâng cao độ chính xác hệ thống đo lường lực cấp chuẩn quốc gia thông qua phương pháp xử lý tối ưu thông tin đo thay vì chỉ can thiệp vào cơ cấu cơ khí.

Về mặt kỹ thuật điện tử và thực tiễn:

  1. Thiết kế thành công thuật toán lọc số đệ quy $\text{IIR}'$ cấu trúc ghép tầng DCR với các tham số đặc tả tương thích với đặc tính động học của máy chuẩn lực LA-FSM.
  2. Cung cấp bộ thông số và giải pháp kỹ thuật có thể tích hợp trực tiếp vào phần mềm điều khiển của hệ thống chuẩn đo lường lực quốc gia LA-FSM 1 MN tại Viện Đo lường Việt Nam, hỗ trợ giảm thiểu phương sai xác định điểm cân bằng đòn bẩy và nâng cao độ ổn định của lực chuẩn tạo ra.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu:

  • Các đánh giá về mức độ suy giảm nhiễu và nâng cao độ chính xác của thuật toán lọc $\text{IIR}'$ chủ yếu được thực hiện thông qua mô phỏng số trên môi trường MATLAB dựa trên bộ tham số danh định và dữ liệu thiết kế của LA-FSM 1 MN, chưa được triển khai thử nghiệm đo đạc đối sánh trực tiếp trên phần cứng máy chuẩn lực trong điều kiện vận hành thực tế dài hạn.
  • Mô hình nghiên cứu áp dụng đặc thù cho cấu trúc hệ đòn bẩy sử dụng ba gối điện tử bản lề đàn hồi với tỷ số khuếch đại 10:1.

Hướng nghiên cứu tiếp:

  • Triển khai lập trình nhúng thuật toán lọc $\text{IIR}'$ vào khối xử lý số liệu của hệ thống điều khiển máy LA-FSM 1 MN tại Khu Công nghệ cao Láng Hòa Lạc.
  • Tiến hành thực nghiệm so sánh liên kết chuẩn lực sau khi áp dụng bộ lọc với các chuẩn lực quốc tế để đánh giá thực tế độ không đảm bảo đo mở rộng.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo cho các đối tượng và lĩnh vực:

  • Cán bộ kỹ thuật và nghiên cứu viên tại các cơ quan đo lường chuẩn quốc gia (như Viện Đo lường Việt Nam): Tham khảo mô hình toán học và thông số kỹ thuật của hệ thống LA-FSM 1 MN phục vụ công tác hiệu chuẩn, bảo dưỡng và nâng cấp hệ thống chuẩn đo lường lực.
  • Giảng viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Kỹ thuật điện tử, Đo lường và Điều khiển tự động: Sử dụng làm tài liệu nghiên cứu về kỹ thuật xử lý tín hiệu cảm biến biến dạng, thiết kế bộ lọc số đệ quy IIR xử lý nhiễu cơ học tần số thấp trong các hệ thống cơ điện tử chính xác cao.
  • Các kỹ sư thiết kế thiết bị đo lường lực công nghiệp: Vận dụng phương pháp mô hình hóa bản lề đàn hồi và phương pháp bù moment ký sinh cho các hệ thống cân điện tử, cảm biến lực (load cell) cỡ lớn.

Câu hỏi thường gặp

1. Gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng trong LA-FSM có cấu tạo và nguyên lý hoạt động như thế nào?
Gối điện tử được chế tạo dựa trên nguyên lý bản lề đàn hồi (BLĐH) bằng kim loại nguyên khối có phần thắt hẹp đàn hồi. Tại khu vực này, các cảm biến tem biến dạng (strain gauge) được gắn kết tạo thành mạch cầu đo. Khi đòn bẩy chịu lực hoặc moment uốn, bản lề bị biến dạng sinh ra tín hiệu điện áp vi sai tỷ lệ với độ biến dạng, cho phép đo đạc và điều khiển cân bằng đòn bẩy mà không cần dùng dao - gối cơ học tiếp xúc.

2. Nhiễu dao động ký sinh kiểu con lắc và kiểu bồng bềnh trong LA-FSM có dải tần số là bao nhiêu?
Theo các kết quả khảo sát thực nghiệm được luận án trích dẫn và mô hình hóa, dao động kiểu con lắc của bộ tải trọng có tần số nằm trong dải từ $0,19\text{ Hz}$ đến $0,28\text{ Hz}$ (tùy mức tải trọng và chiều cao tâm khối). Dao động kiểu bồng bềnh do đàn hồi và tác động môi trường có tần số nằm trong dải từ $0,67\text{ Hz}$ đến $1,42\text{ Hz}$.

3. Vì sao luận án lựa chọn bộ lọc số IIR thay vì phương pháp lấy trung bình thời gian đơn giản?
Phương pháp lấy trung bình theo thời gian yêu cầu chiều dài cửa sổ lấy mẫu phải thay đổi linh hoạt theo từng chu kỳ dao động ứng với từng mức tải trọng khác nhau, gây khó khăn cho việc tự động hóa. Bộ lọc số IIR (đáp ứng xung vô hạn) cho phép thiết kế dải thông và độ dốc dải chặn lớn với bậc lọc thấp hơn bộ lọc FIR, giúp triệt tiêu đồng thời các thành phần xoay chiều ở tất cả các mức tải mà vẫn đảm bảo tốc độ đáp ứng của hệ thống điều khiển cân bằng.

4. Dữ liệu thực nghiệm của hệ thống chuẩn lực nào được sử dụng để tính toán trong luận án?
Luận án sử dụng bộ số liệu thiết kế, tham số hình học và dữ liệu đo đạc thực tế của máy chuẩn lực kiểu khuếch đại đòn bẩy LA-FSM 1 MN (dải lực đến 1 MN, tỷ lệ đòn bẩy 10:1, sử dụng ba gối điện tử) của Viện Đo lường Việt Nam lắp đặt tại Khu Công nghệ cao Láng Hòa Lạc.

5. Luận án đã thử nghiệm mô phỏng thuật toán lọc IIR trên những mức tải trọng nào?
Thuật toán lọc $\text{IIR}'$ được kiểm chứng mô phỏng trên 5 mức tải trọng gồm: $20\text{ }000\text{ N}$ (1 quả tải nhỏ nhất), $100\text{ }000\text{ N}$, $200\text{ }000\text{ N}$, $500\text{ }000\text{ N}$ và $1\text{ }000\text{ }000\text{ N}$ (toàn bộ 26 quả tải).

Kết luận

Luận án đã giải quyết bài toán nâng cao độ chính xác cho máy chuẩn đo lường lực kiểu khuếch đại đòn bẩy sử dụng ba gối điện tử bản lề đàn hồi bằng phương pháp xử lý thông tin đo. Tác giả đã xây dựng mô hình toán học giải tích mô tả chu trình động học của kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy có tính đến tương tác của các moment uốn ký sinh cùng các thành phần nhiễu dao động kiểu con lắc và kiểu bồng bềnh. Thuật toán lọc số đệ quy $\text{IIR}'$ cấu trúc bậc hai chuyển vị được thiết kế và mô phỏng trên hệ thống LA-FSM 1 MN, chứng minh khả năng triệt giảm hiệu quả các thành phần dao động ký sinh, giảm phương sai tín hiệu đo và tạo cơ sở khoa học để nâng cao cấp độ chính xác cho chuẩn đo lường lực quốc gia.