Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Chuẩn đo lường lực là phương tiện kỹ thuật thể hiện, duy trì đơn vị đo lực, giữ vai trò làm chuẩn để hiệu chuẩn và sao truyền chuẩn cho các chuẩn cấp thấp hơn và các phương tiện đo lực trong hệ thống chuẩn đo lường quốc gia. Máy chuẩn lực kiểu khuếch đại đòn bẩy (Lever Amplification Force Standard Machine - LA-FSM) thuộc loại chuẩn đầu/chuẩn thứ, kết hợp giữa nguyên lý tải trọng trực tiếp (DW-FSM) và cơ cấu đòn bẩy khuếch đại nhằm tạo ra các mức lực chuẩn có giá trị lớn.

Trong các thế hệ LA-FSM ban đầu, cơ cấu khuếch đại đòn bẩy sử dụng dao - gối phẳng hoặc dao - gối vòng bi cơ khí, việc xác định vị trí cân bằng thực hiện bằng mắt thông qua ni-vô hoặc kim chỉ thị. Cấu trúc này bộc lộ các hạn chế: sai lệch do tiếp xúc không đều, lệch tâm trục truyền lực, ma sát, mài mòn và rơ rão cơ học. Nhằm khắc phục, giải pháp sử dụng gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng dựa trên bản lề đàn hồi (BLĐH) gắn tem biến dạng đã được ứng dụng, cho phép chuyển đổi trạng thái cân bằng cơ học thành tín hiệu điện để điều khiển tự động.

Tại Việt Nam, Viện Đo lường Việt Nam (VMI) đã trang bị máy chuẩn lực LA-FSM 1MN (dải đo đến 1 MN, tỷ lệ khuếch đại 10:1, lắp đặt tại Khu công nghệ cao Hòa Lạc). Máy chuẩn lực này có độ không đảm bảo đo đạt mức $1 \times 10^{-4}$. Tuy nhiên, độ chính xác của hệ thống vẫn bị giới hạn bởi hai nhóm yếu tố động học phức tạp:

  1. Các dao động ký sinh từ hệ tạo lực tải trọng: dao động kiểu con lắc (pendulum) với tần số $(0,19 \div 0,23)\text{ Hz}$ và dao động kiểu bồng bềnh (bounce-mode) với tần số $(0,67 \div 1,42)\text{ Hz}$.
  2. Các moment uốn ký sinh và hiện tượng cong đòn bẩy dưới tác dụng của tải trọng lớn tại các khớp nối và gối tựa.

Khoảng trống nghiên cứu được xác định: các công trình trước đây chủ yếu khảo sát riêng rẽ các dao động trên máy tải trực tiếp (DW-FSM) hoặc xử lý cơ học cục bộ. Chưa có công trình nào thiết lập mô hình toán học động học đồng thời cho toàn bộ chuỗi chuyển đổi vật lý "lực $\rightarrow$ moment $\rightarrow$ tín hiệu điện $\rightarrow$ lực" trong kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy của LA-FSM sử dụng 3 gối điện tử, cũng như chưa xây dựng thuật toán lọc số chuyên biệt để xử lý triệt để tổ hợp nhiễu dao động ký sinh trong kênh điều khiển cân bằng.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Mục tiêu tổng quát của luận án là nghiên cứu 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, trong đó hướng tới giảm thiểu ảnh hưởng của các nhiễu dao động và moment ký sinh.

Luận án xác định 4 nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

  1. Nghiên cứu tổng quan về nâng cao độ chính xác cho LA-FSM sử dụng gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng; phân tích bài toán tối ưu và các yếu tố ảnh hưởng; xác định hướng giải quyết.
  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 theo chuỗi biến đổi vật lý.
  3. Nghiên cứu xây dựng giải pháp xử lý nhiễu dao động ký sinh bằng áp dụng thuật toán lọc số đệ quy 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 theo phương pháp mô phỏng trên các mức tải trọng danh định, đưa ra khuyến nghị ứng dụng.

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 giải pháp nâng cao độ chính xác thực hiện bằng kỹ thuật điện tử và xử lý tín hiệu số trong kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy (khảo sát cụ thể trên cấu trúc hệ thống 3 gối điện tử và bộ thông số kỹ thuật của hệ thống LA-FSM 1MN tại Việt Nam).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước đây

Tác giả luận án đã hệ thống hóa các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước theo hai nhóm hướng chính:

Nhóm nghiên cứu Tác giả & Năm công bố Nội dung và kết quả chính
Khảo sát dao động ký sinh trên DW-FSM Dae-Im Kang, Byoung-Duk Lim (1996) [25] Khảo sát hệ Build-up trên DW-FSM; phát hiện dao động con lắc ($0,23\text{ Hz}$) và dao động bồng bềnh ($(0,8 \div 1,5)\text{ Hz}$); đề xuất chọn thời gian trung bình bằng chu kỳ dao động.
Yon-Kyu Park, Dae-Im Kang (1999) [81] Phân tách tín hiệu cảm biến lực thành thành phần DC và AC; ghi nhận dải tần con lắc $(0,19 \div 0,23)\text{ Hz}$ và bồng bềnh $(0,67 \div 1,42)\text{ Hz}$; đề xuất áp dụng bộ lọc IIR thông thấp cho DW-FSM.
Yon-Kyu Park, Dae-Im Kang (2000) [82] Khảo sát quỹ đạo chuyển động con lắc trên DW-FSM 100 kN tại KRISS với tần số thành phần khoảng $0,28\text{ Hz}$; thiết kế thuật toán ước lượng trạng thái động.
Yon-Kyu Park, Dae-Im Kang, Rolf Kumme, Amritlal Sawla (2001) [83] Xác định tần số dao động con lắc phụ thuộc vào mức tải và chiều cao tâm khối của cụm tải trọng; xác nhận chuyển động elip bảo toàn trong dải hẹp.
Yon-Kyu Park, Dae-Im Kang, Jong-Ho Kim, Min-Seok Kim (2009) [84] Kiểm chứng thuật toán ước lượng quỹ đạo chuyển động trên DW-FSM 500 kN; giảm dao động bằng kiểm soát tốc độ gia tải.
Cải tiến cấu trúc và bù trừ moment ký sinh trên LA-FSM G. Gassmann (2001) [56] Đánh giá hệ thống LA-FSM 110 kN/1,1 MN (EIM/GTM) tỷ lệ 10:1; chứng minh hiệu quả của bản lề đàn hồi trong việc kiểm soát moment uốn và lực dọc trục.
Lim Chi Kah, Bernd Glöckner, Thomas Allgeier (2003, 2004) [50], [51] Phát triển LA-FSM 55 kN/2,2 MN tại SPRING (Singapore), tỷ lệ 40:1, dùng đòn bẩy thép nguyên khối, cầu tem biến dạng $5000\ \Omega$; phân tích hiện tượng trôi điểm không và trôi tỷ lệ khuếch đại.
S. Titus, Falk Tegtmeier, Norbert Tetzlaff, Daniel Schwind (2012) [37] Thiết kế LA-FSM 100 kN/1 MN tại GTM (Đức) với 26 quả tải, khung 4 cột hạ thấp trọng tâm, bao kín đòn bẩy, hiệu chỉnh gia tốc trọng trường và khối lượng riêng không khí.
Ulrich Kolwinski, Daniel Schwind (2012, 2014) [47], [48] Tự động bù biến dạng cong đòn bẩy theo tải trọng bằng hàm đa thức thực nghiệm, đưa độ không đảm bảo đo về mức $9 \times 10^{-5}$ ở nhánh đòn bẩy.
Nghiên cứu ứng dụng tại Việt Nam Viện Đo lường Việt Nam (VMI) (2013–2018) [5], [7]–[10], [71] Khai thác hệ thống chuẩn lực LA-FSM 100 kN/1 MN tại Hòa Lạc; đo đạc gia tốc trọng trường địa phương $g = 9,78664322\text{ m/s}^2$ ($\Delta g = 45 \times 10^{-8}\text{ m/s}^2$).

Khoảng trống luận án giải quyết

Các công trình quốc tế đã chỉ rõ sự tồn tại của dao động con lắc và bồng bềnh, nhưng chỉ mới áp dụng bộ lọc hoặc tính trung bình thời gian trên máy DW-FSM đơn giản. Đối với LA-FSM, các giải pháp chủ yếu tập trung vào gia cố độ cứng cơ khí hoặc đưa hàm bù đa thức thực nghiệm chưa công bố tường minh cấu trúc thuật toán. Luận án lựa chọn giải quyết khoảng trống: thiết lập mô hình toán học giải tích mô tả quá trình hình thành nhiễu dao động ký sinh và moment uốn trong kênh điều khiển cân bằng 3 gối điện tử của LA-FSM, từ đó thiết kế thuật toán lọc số IIR tối ưu để xử lý tín hiệu cân bằng đòn bẩy.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và mô hình toán học

  1. Nguyên lý tạo lực chuẩn và sai số lý thuyết của LA-FSM: Lực tạo ra từ hệ tải trọng trực tiếp có tính đến lực đẩy Archimedes của không khí: $$F_1 = m \cdot g_{đp} \left(1 - \frac{\rho_a}{\rho_m}\right)$$ Trong đó: $m$ là khối lượng tải trọng (kg); $g_{đp}$ là gia tốc trọng trường địa phương ($\text{m/s}^2$); $\rho_a$ là khối lượng riêng của không khí ($\text{kg/m}^3$); $\rho_m$ là khối lượng riêng của vật liệu chế tạo tải trọng ($\text{kg/m}^3$). Lực chuẩn đầu ra qua hệ khuếch đại đòn bẩy: $$F_2 = F_1 \cdot Q_{LA} = m \cdot g_{đp} \left(1 - \frac{\rho_a}{\rho_m}\right) \frac{l_1}{l_2}$$ Với $Q_{LA} = l_1 / l_2$ là hệ số khuếch đại đòn bẩy ($l_1$ là chiều dài cánh tay đòn dài, $l_2$ là chiều dài cánh tay đòn ngắn).

  2. Bài toán tối ưu nâng cao độ chính xác hệ thống đo: Luận án tiếp cận theo tiêu chuẩn xác suất tối ưu về độ tin cậy và tiêu chuẩn sai số $\Delta$: $$P_{tu}^* = \arg\min_{u \in U} P(u) \quad \text{và} \quad \Delta_{tu}^* = \arg\min_{u \in U} \Delta(u)$$ Nội dung bài toán quy về việc tối thiểu hóa đồng thời:

    • Sai số lý thuyết (mô hình hóa chính xác quá trình động học);
    • Sai số thuật toán (chọn cấu trúc lọc số tối ưu đáp ứng tín hiệu);
    • Sai số thiết bị (giảm phương sai xác định vị trí cân bằng đòn bẩy).

  3. Lý thuyết xử lý tín hiệu số và bộ lọc IIR: Sử dụng cấu trúc bộ lọc số đệ quy IIR dạng ghép tầng các khâu bậc hai (Second-Order Sections - SOS / Direct Form II) để đảm bảo tính ổn định số học, độ nhạy tham số thấp, triệt tiêu các dải tần số dao động ký sinh $(0,19 \div 1,42)\text{ Hz}$.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp phân tích giải tích: Thiết lập hệ phương trình vi phân mô tả chuyển động dao động của cụm tải trọng dưới tác động của trọng lực, sức cản không khí ($k_{td}$), lực đẩy Archimedes, lực điện từ và gia tốc quán tính. Xây dựng phương trình cân bằng moment tại 3 gối điện tử H1, H2, H3.
  • Phương pháp tổng hợp và thiết kế thuật toán: Xác định các tham số đặc tả của bộ lọc số IIR' (tần số cắt, độ gợn dải thông, độ suy giảm dải chắn, đáp ứng pha và trễ nhóm).
  • Phương pháp mô phỏng số: Sử dụng phần mềm MATLAB để mô phỏng đáp ứng của kênh điều khiển cân bằng, khảo sát dạng sóng tín hiệu trước và sau lọc tại các mức tải trọng từ nhỏ nhất đến toàn phần.

Nguồn dữ liệu thực nghiệm

Luận án sử dụng bộ thông số định lượng thực tế từ hệ thống LA-FSM 1MN của Viện Đo lường Việt Nam:

  • Khối lượng quả tải đơn: $m = 1021,953121\text{ kg}$; độ không đảm bảo đo $\Delta m = 5110\text{ mg}$; lượng hiệu chỉnh $2530\text{ mg}$ ($\Delta m / m \approx 5 \times 10^{-6}$).
  • Gia tốc trọng trường tại Hòa Lạc: $g = 9,78664322\text{ m/s}^2$; sai số $\Delta g = 45 \times 10^{-8}\text{ m/s}^2$ ($\Delta g / g \approx 4,6 \times 10^{-8}$).
  • Khối lượng riêng không khí: $\rho_a = 1,194774\text{ kg/m}^3$; độ biến thiên $\Delta \rho_a = 0,0548\text{ kg/m}^3$ ($\Delta \rho_a / (\rho_m - \rho_a) \approx 6,9 \times 10^{-6}$).
  • Khối lượng riêng quả tải thép: $\rho_m = 7950\text{ kg/m}^3$; $\Delta \rho_m = 80\text{ kg/m}^3$ ($\Delta \rho_m / \rho_m \approx 1,5 \times 10^{-6}$).
  • Chiều dài danh định đòn bẩy: $l_1 = 1260\text{ mm}$, $l_2 = 126\text{ mm}$ ($Q_{LA} = 10$).
  • Cụm tải gồm 26 đĩa tải trọng cho phép tổ hợp các mức lực từ $20\text{ kN}$ đến $1\text{ MN}$.

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 1 phân tích nguyên lý cấu tạo của LA-FSM và định lượng các nguồn sai số ảnh hưởng đến độ chính xác của hệ thống:

Nguồn sai số / Yếu tố ảnh hưởng Bản chất vật lý và tham số điển hình Mức đóng góp sai số tương đối
Khối lượng tải trọng ($m$) Sai lệch chế tạo, độ không đảm bảo đo hiệu chuẩn $\approx 5 \times 10^{-6}$
Gia tốc trọng trường ($g$) Sai số phép đo trọng lực địa phương tại Hòa Lạc $\approx 4,6 \times 10^{-8}$
Khối lượng riêng không khí ($\rho_a$) Biến thiên nhiệt độ, áp suất, độ ẩm môi trường $\approx 6,9 \times 10^{-6}$
Khối lượng riêng vật liệu ($\rho_m$) Độ không đồng nhất của thép chế tạo tải $\approx 1,5 \times 10^{-6}$
Góc nghiêng bàn nén ($\alpha_n$) Sai lệch phương ngang mặt bàn nén ($\le 0,03^\circ$) $1 - \cos(0,03^\circ) \approx 1,37 \times 10^{-7}$
Độ không đồng trục ngàm kéo ($\alpha_l$) Lệch trục phương truyền lực ($\le 0,01^\circ$) $1 - \cos(0,01^\circ) \approx 1,52 \times 10^{-8}$
Sai lệch chiều dài đòn bẩy cơ khí Sai số gia công dao - gối cơ học ($\Delta l_1 = \pm 0,2\text{ mm}; \Delta l_2 = \pm 0,3\text{ mm}$) $\Delta l_1/l_1 \approx 1,59 \times 10^{-4}$
$\Delta l_2/l_2 \approx 2,38 \times 10^{-3}$
Dao động ký sinh & moment uốn Chuyển động con lắc, bồng bềnh, cong đòn bẩy Quy ước tương đương cỡ $5 \times 10^{-5}$

Chương này rút ra kết luận: việc sử dụng gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng loại bỏ được ma sát cơ học, nhưng làm xuất hiện bài toán điều khiển cân bằng đòn bẩy dựa trên xử lý tín hiệu điện từ cảm biến. Các dao động ký sinh và moment uốn cong đòn bẩy chính là các yếu tố chi phối lớn nhất cần xử lý tối ưu.

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 tập trung xây dựng mô hình toán học giải tích cho hệ thống:

  1. Mô hình kênh điều khiển cân bằng 3 gối điện tử:

    • Khớp nối H1: Bản lề đàn hồi giữa hệ tạo lực tải trọng và cánh tay đòn dài ($l_1$).
    • Khớp nối H2: Bản lề đàn hồi giữa cánh tay đòn ngắn ($l_2$) và hệ truyền lực.
    • Gối tựa H3: Bản lề đàn hồi trục quay chính của đòn bẩy. Tín hiệu điện áp đầu ra từ các cầu tem biến dạng tại H1, H2, H3 tương ứng là $u_1(t), u_2(t), u_3(t)$, sau đó được khuếch đại, số hóa thành $U_1, U_2, U_3$ và tổng hợp thành tín hiệu sai lệch $U_\Sigma$. Tín hiệu điều khiển $U_{đc}$ được tính toán để điều khiển động cơ cân bằng đòn bẩy (ĐCCB) dịch chuyển bàn trượt (BTĐB), tạo lực điều chỉnh $\Delta F_{2đc}$ nhằm đưa đòn bẩy về trạng thái cân bằng triệt để ($M_{H3} = 0$).

  2. Mô hình toán học nhiễu dao động ký sinh:

    • Nhiễu dao động kiểu con lắc: Xuất phát từ chuyển động lắc của dàn quả tải treo có chiều dài quang treo $l_a$, góc lệch $\alpha(t)$, vận tốc góc $\omega(t)$ chịu ảnh hưởng của lực cản môi trường ($k_{td}$), lực đẩy Archimedes, lực điện từ và gia tốc quán tính khi nâng hạ tải. Lực hướng tâm tác động lên điểm treo biến thiên tuần hoàn theo góc dao động $\alpha_0$.
    • Nhiễu dao động kiểu bồng bềnh: Hình thành do sự giãn đàn hồi của quang treo và dao động thẳng đứng dọc trục dưới tác động của thăng giáng nhiệt độ môi trường $\Delta T_c$, lực đẩy Archimedes và lực quán tính.
    • Mô hình tín hiệu tổng hợp: Tín hiệu lực tại đầu vào kênh điều khiển được mô hình hóa gồm thành phần lực có ích danh định cộng với thành phần nhiễu dao động ký sinh: $$F_{2/N}(t) = F_2(t) + \Delta F_{(N-td)l1}(t) + \Delta F_{(N-td)l2}(t)$$ Phổ của tín hiệu nhiễu tập trung chủ yếu ở dải tần số thấp dưới $2\text{ Hz}$.

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 việc thiết kế bộ lọc số IIR' và đánh giá kết quả mô phỏng:

  1. Thiết kế bộ lọc số IIR':

    • Lựa chọn cấu trúc bộ lọc số đệ quy IIR vì đáp ứng biên độ - tần số dốc, tiết kiệm bậc tính toán so với bộ lọc FIR, phù hợp cho xử lý tín hiệu thời gian thực trong vòng lặp điều khiển kín.
    • Bộ lọc được thiết kế theo cấu trúc ghép tầng bậc hai (DCR / Second-Order Sections) nhằm tránh mất ổn định do hiện tượng tràn số và lượng tử hóa hệ số.
    • Thiết lập các tham số đặc tả bộ lọc: dải thông đi qua thành phần một chiều (tín hiệu lực tĩnh), dải chắn suy giảm sâu tại dải tần số $(0,19 \div 1,5)\text{ Hz}$ để triệt tiêu hoàn toàn thành phần dao động con lắc và bồng bềnh.

  2. Kết quả mô phỏng và hiệu quả xử lý nhiễu: Mô phỏng thuật toán lọc IIR' trên MATLAB với các kịch bản tải trọng của LA-FSM 1MN:

    • Mức tải nhỏ nhất ($20\text{ kN}$ - sử dụng quả tải đầu tiên): biên độ dao động ký sinh ban đầu chiếm tỷ lệ tương đối lớn so với tín hiệu có ích. Sau khi qua bộ lọc IIR', thành phần xoay chiều AC bị suy giảm mạnh, tín hiệu điện áp điều khiển cân bằng đạt trạng thái xác lập ổn định.
    • Các mức tải trung gian ($100\text{ kN}$, $200\text{ kN}$, $500\text{ kN}$): biên độ nhiễu dao động tổng hợp giảm rõ rệt, thời gian quá độ của vòng điều khiển cân bằng được rút ngắn.
    • Mức tải toàn phần ($1\text{ MN}$ - sử dụng toàn bộ 26 quả tải): triệt tiêu hiện tượng thăng giáng tín hiệu do biến dạng cong đòn bẩy kết hợp dao động quang treo, đảm bảo phương sai tín hiệu ra của kênh điều khiển cân bằng tiệm cận về 0.
    • Đánh giá khả năng xử lý tổ hợp nhiễu cộng: giải pháp lọc IIR duy trì độ ổn định pha, không gây méo tín hiệu lực tĩnh, cho phép mạch điều khiển động cơ servo định vị bàn trượt chính xác.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học và lý luận

  1. Thiết lập hoàn chỉnh mô hình giải tích mô tả quá trình truyền biến động học "lực $\rightarrow$ moment $\rightarrow$ tín hiệu điện $\rightarrow$ lực" trong kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy của LA-FSM sử dụng 3 gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng, tích hợp đồng thời các thành phần nhiễu dao động kiểu con lắc, dao động kiểu bồng bềnh và moment uốn do cong đòn bẩy.
  2. Xây dựng phương pháp luận và cấu trúc thuật toán lọc số đệ quy IIR tối ưu hóa chuyên biệt cho kênh điều khiển cân bằng LA-FSM, giải quyết bài toán giảm thiểu phương sai xác định vị trí cân bằng đòn bẩy dưới tác động của tổ hợp nhiễu cơ học dải tần thấp.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn và ứng dụng

  1. Cung cấp bộ thông số thiết kế và thuật toán xử lý tín hiệu khả thi có thể cài đặt trực tiếp vào khối xử lý số (phần mềm điều khiển máy tính hoặc vi xử lý DSP) của hệ thống LA-FSM 1MN tại Viện Đo lường Việt Nam mà không cần thay đổi kết cấu phần cứng cơ khí.
  2. Nâng cao độ ổn định và độ tin cậy của việc xác lập lực chuẩn đầu ra, giảm thời gian chờ ổn định dao động khi gia tải, hỗ trợ cải thiện độ không đảm bảo đo của hệ thống chuẩn lực quốc gia.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Đề xuất tích hợp thuật toán lọc IIR' vào phần mềm điều khiển tự động của máy chuẩn lực LA-FSM 1MN tại Khu công nghệ cao Hòa Lạc.
  • Khuyến nghị cấu hình tham số bộ lọc linh hoạt theo từng mức tải trọng (từ 1 quả tải đến 26 quả tải) để tối ưu hóa thời gian đáp ứng của hệ thống điều khiển bàn trượt.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

  • Các kết quả đánh giá hiệu năng của bộ lọc IIR' trong luận án chủ yếu được thực hiện thông qua phương pháp mô phỏng số trên phần mềm MATLAB dựa trên các tham số vật lý của LA-FSM 1MN, chưa thực hiện đo kiểm thực nghiệm trực tiếp toàn diện sau khi nạp code nhúng vào hệ thống phần cứng điều khiển đang vận hành thực tế.
  • Mô hình nghiên cứu tập trung vào cấu hình LA-FSM sử dụng 3 gối điện tử bản lề đàn hồi, chưa mở rộng khảo sát cho các cấu hình đòn bẩy đa cấp hoặc tỷ số khuếch đại lớn hơn ($40:1$ hay $200:1$).

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Triển khai lập trình nhúng thuật toán lọc IIR trên bộ điều khiển thời gian thực của LA-FSM 1MN và thực hiện chuỗi đo so sánh liên phòng chuẩn quốc tế để kiểm chứng độ không đảm bảo đo thực tế.
  • Nghiên cứu mở rộng thuật toán lọc thích nghi (Adaptive Filter) có khả năng tự động cập nhật hệ số lọc theo sự thay đổi nhiệt độ môi trường và độ trôi dạt dài hạn của tem biến dạng.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu chuyên khảo có giá trị chuyên môn cao cho:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và kỹ sư ngành Kỹ thuật điện tử, Đo lường và Điều khiển tự động: Tham khảo phương pháp mô hình hóa hệ thống cơ điện tử chính xác cao và kỹ thuật thiết kế bộ lọc số IIR xử lý tín hiệu cảm biến biến dạng.
  • Cán bộ nghiên cứu và chuyên gia đo lường tại Viện Đo lường Việt Nam (VMI) và các trung tâm kiểm định: Ứng dụng trực tiếp vào việc bảo dưỡng, vận hành, nâng cấp và đánh giá độ không đảm bảo đo cho các hệ thống chuẩn đo lường lực quốc gia kiểu đòn bẩy.
  • Các kỹ sư thiết kế thiết bị cân, đo lực công nghiệp tải trọng lớn: Tham khảo giải pháp thay thế dao - gối cơ khí bằng bản lề đàn hồi điện tử và kỹ thuật triệt tiêu nhiễu dao động cơ học bằng phần mềm.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao LA-FSM lại sử dụng gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng thay cho dao - gối cơ học truyền thống?
Trả lời: Dao - gối phẳng hoặc dao - gối vòng bi cơ khí bộc lộ nhiều nhược điểm làm giảm độ chính xác như ma sát, mài mòn theo thời gian, tiếp xúc không đều, lệch tâm trục truyền lực và phụ thuộc vào mắt người quan sát khi cân bằng. Gối điện tử sử dụng bản lề đàn hồi gắn tem biến dạng giúp loại bỏ ma sát cơ học, không nhạy cảm với lực dọc trục mà tối ưu hóa đo moment uốn, đồng thời xuất tín hiệu điện áp để tự động hóa hoàn toàn quá trình điều khiển cân bằng đòn bẩy qua máy tính.

2. Nhiễu dao động ký sinh trong LA-FSM gồm những loại nào và có dải tần số là bao nhiêu?
Trả lời: Nhiễu dao động ký sinh trong hệ thống gồm hai thành phần chính phát sinh từ hệ tạo lực tải trọng:

  • Dao động kiểu con lắc (pendulum motion): tần số nằm trong khoảng $(0,19 \div 0,23)\text{ Hz}$ (hoặc khoảng $0,28\text{ Hz}$ tùy tải trọng và chiều cao tâm khối).
  • Dao động kiểu bồng bềnh (bounce-mode): tần số nằm trong khoảng $(0,67 \div 1,42)\text{ Hz}$.

3. Tại sao luận án lựa chọn thuật toán lọc số IIR thay vì tính trung bình thời gian đơn giản hay dùng bộ lọc FIR?
Trả lời: Phương pháp tính trung bình thời gian đòi hỏi phải thay đổi độ dài cửa sổ quan trắc theo từng mức tải trọng và làm chậm thời gian đáp ứng. Bộ lọc FIR đòi hỏi bậc lọc rất cao để đạt được độ dốc mong muốn ở dải tần số cực thấp, gây trễ lớn. Bộ lọc số IIR có đáp ứng biên độ dốc với số bậc tính toán nhỏ hơn nhiều, đáp ứng tốt yêu cầu xử lý thời gian thực trong vòng lặp điều khiển kín của động cơ cân bằng đòn bẩy.

4. Dữ liệu thực nghiệm của hệ thống chuẩn lực nào được sử dụng để tính toán và mô phỏng trong luận án?
Trả lời: Luận án sử dụng thông số kỹ thuật và số liệu đo đạc thực tế từ máy chuẩn lực LA-FSM 1MN (dải lực đến 1 MN, tỷ lệ đòn bẩy 10:1, gồm 26 quả tải, cánh tay đòn $l_1 = 1260\text{ mm}, l_2 = 126\text{ mm}$) của Viện Đo lường Việt Nam lắp đặt tại Khu công nghệ cao Hòa Lạc, cùng giá trị gia tốc trọng trường đo tại chỗ $g = 9,78664322\text{ m/s}^2$.

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Phạm Thanh Hà đã giải quyết bài toán 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 thông qua phương pháp xử lý thông tin đo. Bằng việc phân tích giải tích quá trình động học và chuỗi biến đổi "lực $\rightarrow$ moment $\rightarrow$ tín hiệu điện $\rightarrow$ lực", tác giả đã mô hình hóa thành công các thành phần nhiễu dao động con lắc, bồng bềnh và moment uốn ký sinh trên hệ thống 3 gối điện tử. Giải pháp xây dựng thuật toán lọc số đệ quy IIR dạng ghép tầng bậc hai đã chứng minh hiệu quả giảm thiểu phương sai cân bằng và triệt tiêu nhiễu dao động trên các mức tải trọng mô phỏng từ $20\text{ kN}$ đến $1\text{ MN}$. Công trình đóng góp cơ sở khoa học và giải pháp kỹ thuật trực tiếp phục vụ công tác làm chủ, khai thác và nâng cao năng lực hệ thống chuẩn lực quốc gia tại Việt Nam.