Tổng quan luận án
Luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "Nghiên cứu 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" được thực hiện bởi nghiên cứu sinh Phạm Thanh Hà dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Đào Mộng Lâm và TS. Vũ Khánh Xuân, bảo vệ tại Viện Khoa học và Công nghệ quân sự - Bộ Quốc phòng năm 2022. Công trình thuộc chuyên ngành Kỹ thuật điện tử (mã số: 9520203).
Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu
Chuẩn đo lường lực là phương tiện kỹ thuật duy trì và thể hiện đơn vị đo của đại lượng lực, giữ vị trí then chốt trong hệ thống chuẩn đo lường quốc gia nhằm phục vụ kiểm định, hiệu chuẩn và sao truyền chuẩn. Máy chuẩn lực kiểu khuếch đại đòn bẩy (Lever Amplification Force Standard Machine - LA-FSM) thuộc nhóm chuẩn đầu/chuẩn thứ, cho phép mở rộng dải thể hiện lực chuẩn có giá trị lớn từ một bộ tải trọng khối lượng xác định.
Sự phát triển của kỹ thuật điện tử đã thay thế các dao - gối cơ học (như dao - gối phẳng, dao - vòng bi) bằng gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng (bản lề đàn hồi tích hợp cảm biến tem biến dạng). Giải pháp này giúp kiểm soát và thiết lập trạng thái cân bằng đòn bẩy bằng kênh điều khiển điện tử. Tuy nhiên, hệ thống vẫn tồn tại các nguồn sai số phức tạp:
- Sai lệch hình học và cơ khí do biến dạng, sự cong đòn bẩy dưới tác dụng của tải trọng lớn dẫn đến tồn dư các moment uốn ký sinh tại các khớp nối.
- Các dao động ký sinh cơ học nội tại trong hệ tạo lực tải trọng bao gồm dao động kiểu con lắc (pendulum motion) và dao động kiểu bồng bềnh (bounce-mode).
Ở Việt Nam, Viện Đo lường Việt Nam (VMI) đã trang bị máy chuẩn lực LA-FSM 1MN (tại Khu Công nghệ cao Hòa Lạc), song độ không đảm bảo đo chỉ đạt mức $1 \times 10^{-4}$ ở dải đo đến 1 MN. Khoảng trống nghiên cứu được chỉ ra là: các nghiên cứu trước đây trên thế giới chủ yếu phân tích dao động ký sinh một cách rời rạc trên máy chuẩn lực tải trọng trực tiếp (Deadweight Force Standard Machine - DW-FSM) hoặc áp dụng giải pháp thuần cơ khí, chưa có mô hình toán học giải tích mô tả quá trình biến đổi động học liên hoàn "lực $\rightarrow$ moment $\rightarrow$ tín hiệu điện $\rightarrow$ lực" và chưa xây dựng giải pháp xử lý thông tin đo bằng thuật toán lọc số thích nghi trực tiếp trong kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy của LA-FSM.
Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
Mục tiêu tổng quát của luận án là nghiên cứu đề xuất một 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, hướng tới giảm thiểu ảnh hưởng của các nhiễu dao động và moment ký sinh.
Để thực hiện mục tiêu trên, 4 nội dung nghiên cứu cụ thể được xác lập (đánh số theo văn bản):
- Nghiên cứu tổng quan về 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 LA-FSM.
- 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.
- Nghiên cứu xây dựng giải pháp xử lý nhiễu dao động ký sinh kiểu con lắc và kiểu bồng bềnh bằng áp dụng thuật toán lọc theo định dạng bộ lọc số IIR.
- Đánh giá hiệu quả của giải pháp xử lý nhiễu dao động ký sinh bằng áp dụng thuật toán lọc theo định dạng bộ lọc số IIR theo phương pháp mô phỏng.
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 lý thuyết và kỹ thuật liên quan đến xây dựng giải pháp nâng cao độ chính xác cho LA-FSM sử dụng gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng bằng phương pháp xử lý thông tin tín hiệu đo trong kỹ thuật điện tử; các dữ liệu thông số và kiểm chứng được gắn với cấu hình máy LA-FSM 1MN của Viện Đo lường Việt Nam.
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Luận án đã hệ thống hóa các hướng nghiên cứu trong nước và quốc tế liên quan đến bài toán nâng cao độ chính xác của máy chuẩn lực:
Các hướng nghiên cứu chính trên thế giới
-
Khảo sát dao động ký sinh và xử lý tín hiệu trên máy chuẩn lực tải trực tiếp (DW-FSM):
- Dae-Im Kang, Byoung-Duk Lim (1996) [25]: Hiệu chuẩn hệ Build-up bằng DW-FSM, phát hiện chuyển động con lắc có chu kỳ tần số khoảng $0,23\text{ Hz}$ và dao động bồng bềnh trong khoảng $(0,8 \div 1,5)\text{ Hz}$. Tác giả đề xuất giải pháp tính trung bình thời gian tín hiệu đầu ra theo chu kỳ dao động tải trọng.
- Yon-Kyu Park, Dae-Im Kang (1999) [81]: Khảo sát DW-FSM tại Viện Nghiên cứu Chuẩn và Khoa học Hàn Quốc (KRISS), phân tách tín hiệu lực thành thành phần một chiều (DC) và xoay chiều (AC). Xác định tần số dao động con lắc $(0,19 \div 0,23)\text{ Hz}$ và bồng bềnh $(0,67 \div 1,42)\text{ Hz}$, tần số giảm dần khi tăng tải; bước đầu đề xuất bộ lọc số đáp ứng xung vô hạn (IIR) thông thấp để triệt tiêu thành phần AC.
- Yon-Kyu Park, Dae-Im Kang (2000) [82]: Phân tích chuyển động con lắc trên DW-FSM 100 kN tại KRISS (tần số $\approx 0,28\text{ Hz}$), mô tả quỹ đạo chuyển động và thiết kế phương pháp xử lý tín hiệu ước lượng trạng thái động.
- Yon-Kyu Park, Dae-Im Kang, Rolf Kumme, Amritlal Sawla (2001) [83]: Khảo sát trạng thái động trên DW-FSM, chứng minh tần số dao động phụ thuộc vào mức tải và độ cao tâm khối tải trọng.
- Yon-Kyu Park, Dae-Im Kang, Jong-Ho Kim, Min-Seok Kim (2009) [84]: Kiểm chứng thuật toán ước lượng trên DW-FSM 500 kN và đưa ra giải pháp giảm dao động bằng cách kiểm soát chính xác tốc độ ra tải.
-
Cải tiến cấu trúc cơ - điện tử và bù trừ moment ký sinh trên LA-FSM:
- G. Gassmann (2001) [56]: Khảo sát ảnh hưởng của moment uốn ký sinh trên máy LA-FSM 110 kN/1,1 MN (do GTM - Đức chế tạo cho EIM - Hy Lạp), khẳng định gối điện tử bản lề đàn hồi có thể kiểm soát và bù khử moment uốn tốt hơn dao - gối cơ khí.
- Lim Chi Kah, Bernd Glöckner, Thomas Allgeier (2003, 2004) [50, 51]: Phát triển máy LA-FSM 55 kN/2,2 MN tại SPRING (Singapore) với tỷ số đòn bẩy 40:1, cánh tay đòn thép nguyên khối, tem biến dạng $5000\ \Omega$, hệ thống điều khiển số hóa hoàn toàn; công trình khảo sát hiện tượng trôi điểm không và trôi tỷ lệ khuếch đại theo thời gian, đạt độ không đảm bảo đo $1 \times 10^{-4}$.
- S. Titus, Falk Tegtmeier, Norbert Tetzlaff, Daniel Schwind (2012) [37]: Tối ưu hóa LA-FSM 100 kN/1 MN của GTM bằng cách tăng độ cứng khung máy, thiết kế quang treo 4 cột và bộ 26 quả tải hiệu chỉnh theo gia tốc trọng trường địa phương và mật độ không khí.
- Ulrich Kolwinski, Daniel Schwind (2012, 2014) [47, 48]: Đề xuất phương pháp tự động bù độ cong cánh tay đòn do tải bằng hàm đa thức kiểm soát theo lực dọc trục trên LA-FSM 100 kN/1 MN, đưa độ không đảm bảo đo xuống mức $9 \times 10^{-5}$.
| Nhóm công trình / Năm |
Giải pháp đối với dao động và moment ký sinh |
Kết quả chính |
| Dae-Im Kang và cs (1996) [25] |
Tính trung bình tín hiệu theo thời gian cho hệ Build-up trên DW-FSM. |
Xác nhận dao động con lắc ($0,23\text{ Hz}$) và bồng bềnh ($(0,8 \div 1,5)\text{ Hz}$). |
| Yon-Kyu Park và cs (1999 - 2009) [81, 82, 83, 84] |
Tách thành phần DC/AC, áp dụng thử nghiệm lọc IIR; kiểm soát tốc độ gia tải trên DW-FSM. |
Định lượng sắc thái động; tần số con lắc $(0,19 \div 0,28)\text{ Hz}$, bồng bềnh $(0,67 \div 1,42)\text{ Hz}$. |
| G. Gassmann (2001) [56] |
Bản lề đàn hồi kiểm soát biến dạng trên LA-FSM 110 kN/1,1 MN. |
Bù khử lực và moment uốn ký sinh tại các khớp nối. |
| Lim Chi Kah và cs (2003, 2004) [50, 51] |
Đòn bẩy nguyên khối, tem $5000\ \Omega$, điều khiển số toàn phần trên LA-FSM 2,2 MN. |
Tỷ số đòn bẩy 40:1, độ không đảm bảo đo đạt $1 \times 10^{-4}$; nhận diện độ trôi dạt. |
| S. Titus và cs (2012) [37] |
Quang treo 4 cột, bộ 26 quả tải điều chỉnh trọng trường và không khí trên LA-FSM 1 MN. |
Tăng độ cứng vững, giảm chuyển động phụ của tải trọng. |
| Ulrich Kolwinski và cs (2012, 2014) [47, 48] |
Bù độ cong đòn bẩy bằng hàm đa thức theo lực dọc trục trên LA-FSM 1 MN. |
Hạ độ không đảm bảo đo nhánh đòn bẩy xuống mức $9 \times 10^{-5}$. |
| Nghiên cứu tại Việt Nam (2013 - 2022) [5, 8, 71] |
Đầu tư, khai thác hệ thống chuẩn LA-FSM 100 kN/1 MN tại VMI Hòa Lạc. |
Đo gia tốc trọng trường $g = 9,78664322\text{ m/s}^2$; vận hành phân cấp chuẩn quốc gia. |
Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết
Các công trình trên thế giới về lọc số IIR mới chỉ dừng lại ở việc áp dụng cho DW-FSM đơn kênh, chưa được phát triển cho LA-FSM. Luận án lựa chọn giải quyết bài toán: xây dựng mô hình toán học giải tích mô tả đầy đủ kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy sử dụng 3 gối điện tử và thiết kế thuật toán lọc số IIR tối ưu nhằm triệt tiêu trực tiếp nhiễu dao động con lắc, dao động bồng bềnh và moment uốn ký sinh trong tín hiệu đo điều khiển cân bằng.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Cơ sở lý thuyết và khung phân tích
-
Lý thuyết tạo lực và khuếch đại cơ học:
- Lực sinh ra từ tải trọng trực tiếp có tính lực đẩy Acsimet:
$$F = m \cdot g_{\text{đp}} \left(1 - \frac{\rho_a}{\rho_m}\right)$$
Trong đó $m$ là khối lượng tải trọng, $g_{\text{đp}}$ là gia tốc trọng trường địa phương, $\rho_a$ là khối lượng riêng của không khí, $\rho_m$ là khối lượng riêng của vật liệu quả tải.
- Nguyên lý khuếch đại đòn bẩy:
$$F_2 = F_1 \cdot Q_{LA} = m \cdot g_{\text{đp}} \left(1 - \frac{\rho_a}{\rho_m}\right) \cdot \frac{l_1}{l_2}$$
Với $Q_{LA} = l_1/l_2$ là tỷ lệ khuếch đại đòn bẩy giữa cánh tay đòn dài ($l_1$) và cánh tay đòn ngắn ($l_2$).
-
Lý thuyết tối ưu hóa hệ thống đo lường:
- Bài toán tối ưu nâng cao độ chính xác đưa về bài toán cực tiểu hóa sai số theo "tiêu chuẩn $\Delta$":
$$u^*{\text{tư}} = \arg \min{u \in U} \Delta(u) \quad \text{với } T_{\text{th}}, M = \text{const}$$
Trong đó $u$ là các yếu tố chi phối (được chọn là dao động ký sinh và moment uốn ký sinh), $M$ là hàm giới hạn về công nghệ, kinh phí, và $T_{\text{th}}$ là thời gian sử dụng tới hạn.
-
Lý thuyết xử lý tín hiệu và lọc số IIR:
- Sử dụng mô hình toán học hàm truyền đạt trong miền biến đổi $Z$ của bộ lọc số đệ quy có đáp ứng xung dài vô hạn (IIR).
- Thiết kế bộ lọc theo cấu trúc tầng bậc hai chuyển vị (Direct Form II Transposed - DCR) nhằm hạn chế tác động của sai số lượng tử hóa và giữ vững tính ổn định pha/biên độ.
Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp phân tích giải tích toán học: Xây dựng hệ phương trình vi phân và mô hình cân bằng moment lực tại các khớp nối $H_1, H_2, H_3$ dưới tác động của các lực hướng tâm, lực quán tính, lực đẩy không khí và lực cản môi trường.
- Phương pháp xử lý thông tin đo: Chuyển đổi bài toán giảm sai số cơ học thành bài toán xử lý số liệu đo bằng thuật toán lọc tín hiệu số trong bộ điều khiển.
- Phương pháp mô phỏng số: Thiết lập thuật toán và kiểm chứng hiệu năng bộ lọc trên môi trường phần mềm MATLAB.
Nguồn tư liệu và dữ liệu thực nghiệm
Luận án khai thác bộ tham số kỹ thuật thực tế của hệ thống chuẩn đo lường lực LA-FSM 1MN của Viện Đo lường Việt Nam (VMI) đặt tại Hòa Lạc:
- Chiều dài cánh tay đòn: $l_1 = 1260\text{ mm}$, $l_2 = 126\text{ mm}$ (tỷ lệ khuếch đại $Q_{LA} = 10:1$).
- Hệ thống tải trọng: Gồm 26 quả tải, cho dải lực danh định tới 1 MN. Quả tải đơn vị $10\text{ kN}$ có khối lượng $m = 1021,953121\text{ kg}$, lượng hiệu chỉnh $2530\text{ mg}$, độ không đảm bảo đo $\Delta m = 5110\text{ mg}$.
- Gia tốc trọng trường đo tại chỗ (hợp tác với KRISS năm 2014): $g = 9,78664322\text{ m/s}^2$, $\Delta g = 45 \times 10^{-8}\text{ m/s}^2$.
- Khối lượng riêng không khí: $\rho_a = 1,194774\text{ kg/m}^3$, $\Delta \rho_a = 0,0548\text{ kg/m}^3$.
- Khối lượng riêng vật liệu quả tải: $\rho_m = 7950\text{ kg/m}^3$, $\Delta \rho_m = 80\text{ kg/m}^3$.
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 phân tích nguyên lý cấu tạo của LA-FSM, so sánh ưu nhược điểm giữa hệ đòn bẩy dùng dao - gối cơ khí và gối điện tử bản lề đàn hồi. Tác giả đi sâu tính toán đóng góp sai số của từng tham số cấu thành dựa trên số liệu của máy LA-FSM 1MN tại VMI:
- Sai số tương đối do khối lượng quả tải: $\Delta F_m / F_m \approx 5 \times 10^{-6}$.
- Sai số tương đối do gia tốc trọng trường: $\Delta F_g / F_g \approx 4,6 \times 10^{-8}$.
- Sai số tương đối do khối lượng riêng không khí: $\Delta F_{\rho a} / F_{\rho a} \approx 6,9 \times 10^{-6}$.
- Sai số tương đối do khối lượng riêng vật liệu tải: $\Delta F_{\rho m} / F_{\rho m} \approx 1,5 \times 10^{-6}$.
- Sai số do góc nghiêng mặt bàn nén ($\alpha_n \le 0,03^\circ$): $\delta F_n \approx 1,37 \times 10^{-7}$.
- Sai số do độ không đồng trục ngàm kéo ($\alpha_l \le 0,01^\circ$): $\delta F_l \approx 1,52 \times 10^{-8}$.
Đặc biệt, sai lệch chiều dài cánh tay đòn gây ảnh hưởng rất lớn:
- Với cánh tay đòn dài ($l_1 = 1260\text{ mm}$, $\Delta l_1 = \pm 0,2\text{ mm}$): sai số tương đối là $1,59 \times 10^{-4}$.
- Với cánh tay đòn ngắn ($l_2 = 126\text{ mm}$, $\Delta l_2 = \pm 0,3\text{ mm}$): sai số tương đối lên tới $2,38 \times 10^{-3}$.
Ngoài ra, các dao động ký sinh kiểu con lắc ($(0,19 \div 0,23)\text{ Hz}$) và kiểu bồng bềnh ($(0,67 \div 1,42)\text{ Hz}$) trong thực tế thường gây ra sai lệch chưa được lượng hóa chính xác, ước tính chiếm khoảng $5 \times 10^{-5}$. Tác giả kết luận giải pháp tối ưu là can thiệp vào kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy thông qua phương pháp xử lý thông tin đo.
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 mô tả chu trình động học của hệ thống 3 gối điện tử bản lề đàn hồi:
- $H_1$: Bản lề đàn hồi khớp nối giữa hệ tạo lực tải trọng và cánh tay đòn dài.
- $H_2$: Bản lề đàn hồi khớp nối giữa cánh tay đòn ngắn và hệ truyền lực đòn bẩy.
- $H_3$: Bản lề đàn hồi gối tựa trung tâm của hệ khuếch đại đòn bẩy.
Quá trình chuyển đổi tín hiệu trong kênh điều khiển cân bằng được mô hình hóa theo chuỗi:
$$\text{Lực } (F_1, F_2) \longrightarrow \text{Moment uốn } (M_a, M_b, M_c) \longrightarrow \text{Tín hiệu điện } (u_1, u_2, u_3) \longrightarrow \text{Tín hiệu số } (U_1, U_2, U_3) \longrightarrow U_\Sigma \longrightarrow U_{\text{đc}} \longrightarrow \text{Lực điều chỉnh } \Delta F_2$$
Tác giả thiết lập các phương trình vi phân mô tả nguồn gốc hình thành của hai thành phần nhiễu dao động cơ học:
- Nhiễu dao động kiểu con lắc: Biểu diễn qua mô hình con lắc đơn có chiều dài quang treo $l_a$, chịu tác động của lực kéo về, lực cản không khí (hệ số tắt dần $k_{\text{td}}$), lực quán tính khi nâng hạ tải và gia tốc trọng trường. Nhiễu này làm xuất hiện thành phần lực hướng tâm $F_{\text{hta}}$ dao động với tần số góc riêng.
- Nhiễu dao động kiểu bồng bềnh: Biểu diễn sự dao động thẳng đứng của khối tải trọng do tương tác với lực đẩy Acsimet, thăng giáng nhiệt độ môi trường $\Delta T_c$ và hiệu ứng điện từ trường xung quanh.
Từ đó, mô hình tín hiệu tổng hợp kèm nhiễu trong kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy được biểu diễn thành phương trình toán học thống nhất, làm cơ sở dữ liệu đầu vào cho việc thiết kế thuật toán lọc số.
Chương 3: 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 thuật toán lọc số đáp ứng xung vô hạn cải tiến (kí hiệu là bộ lọc $\text{IIR}'$) dành riêng cho kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy:
- Đặc tả bộ lọc: Thiết lập bộ lọc thông thấp số có tần số cắt phù hợp để triệt tiêu dải tần số dao động ký sinh từ $0,19\text{ Hz}$ đến $1,42\text{ Hz}$ nhưng vẫn đảm bảo đáp ứng nhanh, không gây trễ pha lớn làm mất ổn định vòng lặp điều khiển động cơ servo cân bằng.
- Cấu trúc bộ lọc: Phân tích 4 phương pháp thiết kế và lựa chọn cấu trúc bộ lọc đệ quy IIR ghép tầng bậc 2 dạng chuyển vị (Direct Form II Transposed - DCR) nhằm hạn chế tích lũy sai số làm tròn số học và đảm bảo vị trí điểm cực nằm trọn vẹn trong vòng tròn đơn vị trên mặt phẳng $Z$.
- Kết quả mô phỏng: Thuật toán lọc $\text{IIR}'$ được kiểm chứng mô phỏng trên MATLAB tại 5 mức tải danh định: $20.000\text{ N}$, $100.000\text{ N}$, $200.000\text{ N}$, $500.000\text{ N}$, và $1.000.000\text{ N}$ (sử dụng trọn bộ 26 quả tải).
Kết quả mô phỏng cho thấy bộ lọc $\text{IIR}'$ đã suy giảm mạnh biên độ dao động của các thành phần nhiễu xoay chiều, giảm thiểu phương sai của tín hiệu điều khiển cân bằng $U_{\text{đc}}$, duy trì ổn định giá trị lực chuẩn đầu ra $F_{2\text{lc}}$ ngay cả khi xuất hiện tổ hợp nhiễu cộng phức tạp.
Kết quả và những đóng góp mới
Đóng góp mới về lý luận và khoa học
- Xác lập mô hình toán học giải tích toàn diện mô tả quá trình biến đổi động học "lực $\rightarrow$ moment $\rightarrow$ tín hiệu điện $\rightarrow$ lực" trong kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy sử dụng 3 gối điện tử bản lề đàn hồi.
- Mô hình hóa tường minh hai thành phần nhiễu dao động ký sinh cơ học (dao động kiểu con lắc và dao động kiểu bồng bềnh) dưới dạng tín hiệu điện áp/số trong kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy của máy chuẩn lực kiểu khuếch đại đòn bẩy.
Đóng góp mới về mặt thực tiễn
- Xây dựng thành công thuật toán lọc số đệ quy $\text{IIR}'$ cấu trúc tầng bậc hai DCR tối ưu hóa cho việc triệt tiêu nhiễu tần số thấp ($(0,19 \div 1,42)\text{ Hz}$) trong kênh điều khiển cân bằng của LA-FSM.
- Cung cấp bộ dữ liệu tính toán, đánh giá định lượng về mức độ suy giảm sai số và cải thiện độ ổn định tín hiệu điều khiển trên máy chuẩn lực LA-FSM 1MN tại Việt Nam ở các cấp tải từ 20 kN đến 1 MN.
Kiến nghị và giải pháp đề xuất
- Đề xuất tích hợp thuật toán lọc $\text{IIR}'$ vào phần mềm và khối xử lý tín hiệu số (XL-CT) của hệ thống điều khiển máy LA-FSM 1MN tại Khu Công nghệ cao Hòa Lạc.
- Khuyến nghị kết hợp giải pháp lọc số với việc kiểm soát vận tốc nâng hạ quả tải và ổn định nhiệt độ buồng đặt máy nhằm tối ưu hóa độ chính xác của chuẩn lực quốc gia.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế: Các đánh giá hiệu năng của bộ lọc $\text{IIR}'$ và mức độ suy giảm nhiễu trong luận án mới dừng lại ở kết quả mô phỏng số học (sử dụng công cụ MATLAB) dựa trên các tham số vật lý của máy LA-FSM 1MN, chưa tiến hành can thiệp trực tiếp vào phần cứng và phần mềm nhúng điều khiển thực tế của thiết bị do rào cản bản quyền đóng của nhà sản xuất nước ngoài.
- Hướng nghiên cứu tiếp:
- Hiện thực hóa thuật toán lọc $\text{IIR}'$ trên vi xử lý tín hiệu số chuyên dụng (DSP/FPGA) hoặc máy tính điều khiển công nghiệp của máy LA-FSM.
- Tiến hành thực nghiệm kiểm định, so sánh liên kết chuẩn lực thông qua hệ đầu đo lực chuẩn Build-up trong quá trình vận hành thực tế tại Viện Đo lường Việt Nam.
Giá trị tham khảo
- Đối tượng hưởng lợi:
- Nghiên cứu sinh, học viên cao học, giảng viên thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật điện tử, Kỹ thuật Đo lường và Điều khiển, Cơ điện tử.
- Các kỹ sư, chuyên gia đo lường làm việc tại Viện Đo lường Việt Nam (VMI), các Trung tâm Kỹ thuật Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng (Quatest), và các phòng thử nghiệm đo lường lực thuộc khối quân sự và dân sự.
- Nội dung tham khảo giá trị:
- Khung phân tích toán học về sai số hệ thống đo lường và bài toán cân bằng moment trên bản lề đàn hồi.
- Phương pháp thiết kế bộ lọc số IIR tầng bậc hai cấu trúc DCR xử lý tín hiệu dải tần số siêu thấp lẫn trong tín hiệu đo lường có độ chính xác cao.
Câu hỏi thường gặp
1. Gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng trong LA-FSM có cấu tạo và ưu điểm gì so với dao - gối cơ khí truyền thống?
Gối điện tử được chế tạo dựa trên nguyên lý bản lề đàn hồi (BLĐH) bằng kim loại đồng nhất, tại phần thon bóp có dán các tem biến dạng tạo thành kênh biến dạng và cảm biến (KBDCB). Khi có moment uốn, mạch cầu tem biến dạng phát ra tín hiệu điện phản ánh biến dạng, giúp hệ thống đo và điều khiển động cơ đưa đòn bẩy về trạng thái cân bằng triệt để, khắc phục hoàn toàn hiện tượng mòn, trượt, lệch tâm và ma sát của dao - gối phẳng hoặc dao - vòng bi.
2. Tần số đặc trưng của dao động kiểu con lắc và dao động kiểu bồng bềnh trong hệ tạo lực tải trọng là bao nhiêu?
Theo các số liệu khảo sát được tổng hợp trong văn bản, dao động kiểu con lắc có dải tần số khoảng từ $0,19\text{ Hz}$ đến $0,23\text{ Hz}$ (hoặc lên đến $0,28\text{ Hz}$ tùy tải trọng và chiều cao tâm khối). Dao động kiểu bồng bềnh có dải tần số nằm trong khoảng từ $0,67\text{ Hz}$ đến $1,42\text{ Hz}$. Các tần số này có xu hướng giảm dần khi tải trọng tăng lên.
3. Vì sao sai lệch chiều dài cánh tay đòn ngắn ($l_2$) lại gây ảnh hưởng sai số nghiêm trọng hơn cánh tay đòn dài ($l_1$)?
Tỷ số khuếch đại đòn bẩy là $Q_{LA} = l_1 / l_2$. Do $l_2$ có kích thước danh định rất ngắn ($126\text{ mm}$ so với $l_1 = 1260\text{ mm}$), một sai lệch cơ khí nhỏ ($\Delta l_2 = \pm 0,3\text{ mm}$) sẽ tạo ra sai số tương đối $\Delta l_2 / l_2 = 2,38 \times 10^{-3}$, lớn hơn rất nhiều so với sai số tương đối của cánh tay đòn dài ($\Delta l_1 / l_1 = 1,59 \times 10^{-4}$ ứng với $\Delta l_1 = \pm 0,2\text{ mm}$).
4. Vì sao tác giả lựa chọn cấu trúc bộ lọc số IIR tầng bậc 2 (DCR) thay vì bộ lọc FIR hoặc IIR trực tiếp bậc cao?
Bộ lọc IIR đáp ứng tốt yêu cầu xử lý tín hiệu tần số cực thấp với bậc lọc nhỏ hơn nhiều so với bộ lọc FIR, giúp giảm độ trễ tính toán trong vòng lặp điều khiển thời gian thực. Việc phân rã thành các tầng bậc 2 với cấu trúc chuyển vị (Direct Form II Transposed - DCR) giúp triệt tiêu hiện tượng mất ổn định do sai số làm tròn hệ số và hạn chế tiếng ồn lượng tử hóa tín hiệu.
5. Đối tượng máy chuẩn lực cụ thể nào được sử dụng để lấy thông số tính toán trong luận án?
Luận án sử dụng bộ thông số kỹ thuật thực tế của hệ thống máy chuẩn lực kiểu khuếch đại đòn bẩy LA-FSM 1MN (tỷ số đòn bẩy 10:1, dải tải trọng đến 1 MN với 26 quả tải) của Viện Đo lường Việt Nam, đặt tại Khu Công nghệ cao Láng Hòa Lạc.
Kết luận
Luận án của tác giả Phạm Thanh Hà đã giải quyết bài toán nâng cao độ chính xác cho máy chuẩn lực kiểu khuếch đại đòn bẩy sử dụng gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng thông qua phương pháp xử lý tín hiệu số. Bằng việc xây dựng mô hình toán học liên kết giữa cơ học biến dạng và tín hiệu điện, tác giả đã làm rõ cơ chế tác động của các dao động ký sinh con lắc, bồng bềnh và moment uốn tồn dư. Thuật toán lọc số IIR cải tiến cấu trúc DCR được thiết kế và mô phỏng thành công trên cấu hình máy LA-FSM 1MN, cung cấp cơ sở khoa học và giải pháp kỹ thuật phục vụ công tác hoàn thiện hệ thống chuẩn đo lường lực tại Việt Nam.
