Kỹ Thuật Điều Khiển Hệ Thống Đệm Áp Dụng Mã Số 8520116

• Người hướng dẫn: PTS. Lê Văn Quỳnh
• Trường học: Đại Học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật
• Đề tài: Kỹ Thuật Điều Khiển Hệ Thống Đệm Áp Dụng Mã Số 8520116
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thái Nguyên

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
• 1.1. Tình hình phát triển máy xây dựng tại thị trường Việt Nam
• 1.2. Phân tích đệm êm giảm động của máy xây dựng
• 1.3. Tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước
• 1.4. Mục tiêu, ý nghĩa, đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH DAO ĐỘNG VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO XE LU RUNG BÁNH KÉP
• 2.1. Mô hình dao động tương đương của xe lu rung bánh kép
• 2.2. Thiết lập phương trình vi phân mô tả dao động xe lu rung
• 2.3. Cơ sở về điều khiển tự động
• 2.4. Phân tích bộ điều khiển ổ điểm
• 2.5. Điều khiển thông minh và điều khiển tối ưu
• 2.6. Xây dựng bộ điều khiển mờ
• 2.7. Kết cấu đệm êm giảm động bán chủ động
• 2.8. Tập luật điều khiển
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ CỦA HỆ THỐNG ĐỆM ÊM DAO ĐỘNG BÁN CHỦ ĐỘNG
• 3.1. Phân tích đánh giá hiệu quả đệm êm dao động bán tĩnh
• 3.2. Điều kiện xe di chuyển đến công trường làm việc
• 3.3. Mô phỏng và đánh giá hiệu quả hệ thống đệm êm dao động bán chủ động
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Kỹ Thuật Điều Khiển Hệ Thống Đệm

Bài viết này trình bày tổng quan về nghiên cứu điều khiển hệ thống đệm, đặc biệt là ứng dụng mã HS 8520116. Thị trường máy xây dựng tại Việt Nam đang phát triển mạnh mẽ, kéo theo nhu cầu cao về các giải pháp kỹ thuật tiên tiến. Các nhà sản xuất máy xây dựng không ngừng cải tiến thiết kế để nâng cao hiệu quả và độ êm dịu. Máy xây dựng thường xuyên làm việc trong môi trường khắc nghiệt. Nguồn dao động từ mặt nền, cơ cấu chấp hành và nguồn động lực truyền lên cabin người điều khiển. Việc nâng cao hiệu quả của hệ thống đệm cách khí cho cabin người điều khiển máy xây dựng là vô cùng quan trọng. Các nghiên cứu và phát triển liên tục hướng tới các hệ thống đệm tiên tiến như hệ thống đệm cao su, thủy lực, điện từ, bán chủ động và chủ động.

1.1. Vai Trò Quan Trọng Của Hệ Thống Đệm Khí Trong Máy Xây Dựng

Hệ thống đệm khí đóng vai trò quan trọng trong việc giảm thiểu dao động truyền từ khung gầm xe lên cabin. Trong nhiều ứng dụng, hệ thống này giúp cải thiện đáng kể sự thoải mái cho người vận hành và tăng năng suất làm việc. Việc kiểm soát hiệu quả hệ thống đệm áp có thể giúp kéo dài tuổi thọ của thiết bị. Điều này đặc biệt quan trọng trong các điều kiện làm việc khắc nghiệt. Ứng dụng kỹ thuật điều khiển phù hợp có thể tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống.

1.2. Phân Tích Dao Động Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Hiệu Suất

Phân tích dao động là yếu tố then chốt trong thiết kế hệ thống đệm áp. Các yếu tố như tần số, biên độ và hướng dao động cần được xem xét kỹ lưỡng để đảm bảo hiệu quả giảm xóc tối ưu. Mức độ dao động cũng ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe và sự thoải mái của người vận hành máy xây dựng. Việc giảm thiểu dao động giúp cải thiện sự tập trung và giảm mệt mỏi cho người vận hành. Từ đó tăng năng suất lao động.

II. Vấn Đề Vì Sao Cần Điều Khiển Hệ Thống Đệm HS 8520116

Các máy xây dựng không được trang bị hệ thống treo, nên dao động truyền đến cabin người điều khiển chủ yếu qua hệ thống đệm. Do đó, nghiên cứu đặc tính của hệ thống đệm cách khí phù hợp với điều kiện khai thác máy xây dựng là cần thiết. Việc này giúp nâng cao độ êm dịu hoạt động của cabin. Đồng thời giảm tác động xấu đến sức khỏe người điều khiển. Theo nghiên cứu, con người mẫn cảm với dải tần số 2-8Hz theo phương đứng và 1-2Hz theo phương ngang. Vì vậy, cần có những giải pháp phù hợp.

2.1. Tác Động Của Dao Động Lên Sức Khỏe Người Vận Hành

Dao động quá mức có thể gây ra nhiều vấn đề sức khỏe cho người vận hành máy xây dựng. Các vấn đề thường gặp bao gồm đau lưng, mỏi cổ, và các bệnh về khớp. Tiếp xúc lâu dài với dao động có thể dẫn đến các bệnh nghề nghiệp nghiêm trọng hơn. Việc giảm thiểu dao động không chỉ cải thiện sự thoải mái mà còn bảo vệ sức khỏe của người vận hành. Cần nghiên cứu sâu để có các giải pháp hiệu quả.

2.2. Hạn Chế Của Các Hệ Thống Đệm Truyền Thống

Các hệ thống đệm truyền thống thường có những hạn chế nhất định trong việc giảm thiểu dao động. Ví dụ, hệ thống đệm lò xo có thể không hiệu quả trong việc giảm dao động ở tần số thấp. Hệ thống đệm cao su có thể bị biến dạng theo thời gian, làm giảm hiệu quả giảm xóc. Việc điều khiển linh hoạt hệ thống đệm là cần thiết để khắc phục những hạn chế này.

III. Phương Pháp Điều Khiển Hệ Thống Đệm Áp Mã HS 8520116

Để nâng cao độ êm dịu cabin, và giảm tác động xấu đến người điều khiển máy xây dựng, cần các giải pháp kỹ thuật như: điều khiển PID, điều khiển mờ (Fuzzy Logic), hoặc điều khiển thích nghi. Các cảm biến được sử dụng để đo áp suất, gia tốc, và các thông số khác. Bộ điều khiển sử dụng thông tin này để điều chỉnh van điều khiển, động cơ, hoặc các thành phần khác của hệ thống đệm khí. Mục tiêu là giảm thiểu dao động và tối ưu hóa sự thoải mái cho người vận hành.

3.1. Điều Khiển PID Ứng Dụng Trong Hệ Thống Đệm Khí

Điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) là một phương pháp điều khiển phổ biến trong các hệ thống tự động hóa. Trong hệ thống đệm khí, điều khiển PID có thể được sử dụng để duy trì áp suất ổn định trong các khoang khí. Việc điều chỉnh các thông số P, I, D giúp hệ thống phản ứng nhanh chóng và chính xác với các thay đổi của tải trọng và điều kiện làm việc.

3.2. Điều Khiển Mờ Fuzzy Logic Giải Pháp Cho Hệ Thống

Điều khiển logic mờ (Fuzzy Logic) là một phương pháp điều khiển dựa trên lý thuyết tập mờ. Phương pháp này cho phép xử lý các thông tin không chắc chắn và mơ hồ. Trong hệ thống đệm khí, điều khiển logic mờ có thể được sử dụng để điều chỉnh các thông số của hệ thống dựa trên kinh nghiệm và kiến thức của người vận hành. Điều này giúp hệ thống hoạt động hiệu quả hơn trong các điều kiện làm việc khác nhau.

3.3. Điều Khiển Thích Nghi Tối Ưu Hóa Hiệu Suất

Điều khiển thích nghi là một phương pháp điều khiển cho phép hệ thống tự động điều chỉnh các thông số của nó để thích ứng với các thay đổi trong môi trường hoặc tải trọng. Trong hệ thống đệm khí, điều khiển thích nghi có thể được sử dụng để tối ưu hóa hiệu suất giảm xóc trong các điều kiện làm việc khác nhau. Điều này giúp cải thiện đáng kể sự thoải mái cho người vận hành và tăng năng suất làm việc.

IV. Ứng Dụng Thực Tế Kỹ Thuật Điều Khiển Đệm Mã HS 8520116

Các kết quả nghiên cứu về điều khiển hệ thống đệm áp được ứng dụng trong nhiều loại máy xây dựng. Xe lu rung bánh kép, máy xúc, máy ủi đều được hưởng lợi từ công nghệ này. Các thử nghiệm và mô phỏng cho thấy việc điều khiển hệ thống đệm giúp giảm đáng kể dao động truyền đến cabin. Điều này dẫn đến cải thiện đáng kể sự thoải mái cho người vận hành. Phần mềm điều khiển chuyên dụng được phát triển để giám sát và điều khiển hệ thống. Các thông số hoạt động được hiển thị trên HMI (Human Machine Interface).

4.1. Mô Phỏng Hệ Thống Công Cụ Hỗ Trợ Thiết Kế

Mô hình hóa hệ thống và mô phỏng là các công cụ quan trọng trong thiết kế hệ thống đệm khí. Các phần mềm điều khiển chuyên dụng cho phép các kỹ sư kiểm tra hiệu suất của hệ thống trong các điều kiện làm việc khác nhau. Các kết quả mô phỏng giúp tối ưu hóa thiết kế và giảm thiểu chi phí thử nghiệm thực tế. Lưu đồ thuật toán điều khiển cũng được sử dụng để thiết kế hệ thống.

4.2. Kết Quả Nghiên Cứu Đánh Giá Hiệu Quả Giảm Dao Động

Các kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng kỹ thuật điều khiển tiên tiến có thể giảm đáng kể dao động truyền đến cabin máy xây dựng. Các thử nghiệm thực tế trên xe lu rung bánh kép cho thấy rằng hệ thống đệm được điều khiển có hiệu suất giảm xóc tốt hơn so với hệ thống đệm truyền thống. Điều này dẫn đến cải thiện đáng kể sự thoải mái cho người vận hành và tăng năng suất làm việc.

4.3. Tích hợp PLC và SCADA trong điều khiển hệ thống đệm

Việc tích hợp PLC (Programmable Logic Controller) và SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) giúp việc điều khiển trở nên hiệu quả hơn. PLC điều khiển trực tiếp các thành phần của hệ thống, còn SCADA thu thập dữ liệu và cho phép giám sát hệ thống từ xa. Điều này tăng tính linh hoạt và khả năng vận hành cho hệ thống đệm.

V. Tương Lai Của Kỹ Thuật Điều Khiển HS 8520116

Tương lai của kỹ thuật điều khiển hệ thống đệm hứa hẹn nhiều đột phá. Điều khiển thông minh (Artificial Intelligence) và điều khiển dự đoán mô hình (MPC) sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống. Hệ thống điều khiển phân tán (DCS) sẽ được sử dụng để quản lý và điều khiển nhiều hệ thống đệm cùng lúc. Sự phát triển của điện tử công nghiệp và tự động hóa công nghiệp sẽ giúp nâng cao tính tin cậy và hiệu quả của hệ thống.

5.1. Ứng Dụng Điều Khiển Thích Nghi và Dự Đoán Mô Hình

Điều khiển thích nghi và điều khiển dự đoán mô hình (MPC) là các phương pháp điều khiển tiên tiến cho phép hệ thống tự động điều chỉnh để thích ứng với các thay đổi trong môi trường và tải trọng. Điều này giúp hệ thống hoạt động hiệu quả hơn và giảm thiểu tác động của các yếu tố bên ngoài.

5.2. Phát Triển Robot Công Nghiệp và Hệ Thống CNC

Sự phát triển của robot công nghiệp và hệ thống điều khiển CNC (Computer Numerical Control) sẽ mang lại nhiều cơ hội cho việc ứng dụng kỹ thuật điều khiển hệ thống đệm. Robot có thể được sử dụng để lắp ráp và bảo trì hệ thống đệm, trong khi hệ thống CNC có thể được sử dụng để sản xuất các thành phần của hệ thống.

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của ngành xây dựng tại Việt Nam, việc nâng cao hiệu quả vận hành và giảm thiểu rung động, tiếng ồn của máy xây dựng là vấn đề cấp thiết. Theo báo cáo ngành, tốc độ tăng trưởng GDP của Việt Nam năm 2019 đạt 7,02%, vượt mục tiêu đề ra, kéo theo nhu cầu sử dụng máy xây dựng ngày càng tăng. Tuy nhiên, rung động và tiếng ồn phát sinh từ các thiết bị này ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe người lao động và chất lượng công trình. Mục tiêu nghiên cứu là xây dựng mô hình dao động và bộ điều khiển hệ thống đệm giảm rung động cho máy xây dựng, cụ thể là xe lu rung bánh kép, nhằm nâng cao độ êm dịu hoạt động và giảm thiểu tác động tiêu cực đến người điều khiển.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống đệm dao động của xe lu rung bánh kép, với dữ liệu thu thập và phân tích trong giai đoạn 2013-2020 tại Việt Nam. Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc cải thiện hiệu quả làm việc của máy xây dựng, giảm thiểu rung động truyền đến người điều khiển, từ đó góp phần bảo vệ sức khỏe lao động và nâng cao năng suất lao động trong ngành xây dựng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết dao động cơ học và lý thuyết điều khiển mờ (fuzzy control). Lý thuyết dao động cơ học giúp mô phỏng và phân tích các dạng rung động phát sinh trong hệ thống máy xây dựng, đặc biệt là rung động truyền qua các bộ phận như bánh xe, thân xe và người điều khiển. Lý thuyết điều khiển mờ được áp dụng để thiết kế bộ điều khiển hệ thống đệm nhằm giảm thiểu rung động một cách hiệu quả trong điều kiện hoạt động thực tế có nhiều biến đổi và không chắc chắn.

Các khái niệm chính bao gồm:

• Đệm dao động cao su: vật liệu đàn hồi dùng để giảm rung động truyền qua.
• Hệ thống đệm thủy lực: sử dụng chất lỏng để hấp thụ và giảm rung động.
• Hệ số hấp thụ rung động (damping ratio): chỉ số đo khả năng giảm rung động của hệ thống.
• Tần số dao động (frequency): tần suất rung động của máy trong quá trình vận hành.
• Độ êm dịu (comfort level): mức độ giảm rung động truyền đến người điều khiển.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các phép đo thực nghiệm trên xe lu rung bánh kép tại một số công trường xây dựng ở Việt Nam trong giai đoạn 2013-2020. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm 12 xe lu rung bánh kép với các thông số kỹ thuật và điều kiện vận hành khác nhau, được lựa chọn theo phương pháp chọn mẫu ngẫu nhiên có chủ đích nhằm đảm bảo tính đại diện.

Phương pháp phân tích sử dụng mô phỏng động học và điều khiển mờ trên phần mềm MATLAB/Simulink kết hợp với các phép đo thực tế để đánh giá hiệu quả của hệ thống đệm. Timeline nghiên cứu kéo dài khoảng 2 năm, bao gồm giai đoạn thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, thiết kế bộ điều khiển và thử nghiệm thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Mô hình dao động của xe lu rung bánh kép được xây dựng thành công với các tham số vật lý chính như khối lượng bánh xe, thân xe và người điều khiển. Kết quả mô phỏng cho thấy tần số dao động chủ yếu nằm trong khoảng 60-90 Hz, phù hợp với các tiêu chuẩn rung động công nghiệp.

2. Hiệu quả của hệ thống đệm cao su và thủy lực: Đệm cao su giảm rung động ở tần số cao (trên 50 Hz) với hệ số hấp thụ khoảng 0,3, trong khi đệm thủy lực hiệu quả hơn ở dải tần số thấp (2-8 Hz) với hệ số hấp thụ lên đến 0,5, giúp giảm đáng kể rung động truyền đến người điều khiển.

3. Bộ điều khiển mờ (fuzzy controller) được thiết kế và tích hợp vào hệ thống đệm cho phép điều chỉnh linh hoạt theo điều kiện vận hành thực tế, nâng cao độ êm dịu hoạt động của xe lu rung. Thử nghiệm thực tế cho thấy giảm rung động truyền đến người điều khiển từ 20% đến 35% so với hệ thống đệm truyền thống.

4. Đánh giá độ êm dịu theo tiêu chuẩn ISO 2631-1: Các giá trị hệ số độ êm dịu K̟ đo được đều nằm trong giới hạn cho phép, đảm bảo sức khỏe người điều khiển trong suốt thời gian làm việc. Thời gian mệt mỏi giảm hiệu quả, nâng cao năng suất lao động.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiệu quả giảm rung động là do sự kết hợp giữa vật liệu đệm cao su có khả năng hấp thụ rung động tần số cao và hệ thống thủy lực điều khiển mờ linh hoạt đáp ứng tốt dải tần số thấp. So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả này phù hợp với báo cáo của ngành và các nghiên cứu quốc tế về giảm rung động máy xây dựng.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ tần số dao động và hệ số hấp thụ của từng loại đệm, cũng như bảng so sánh mức giảm rung động trước và sau khi áp dụng bộ điều khiển mờ. Ý nghĩa của nghiên cứu không chỉ nâng cao hiệu quả vận hành máy mà còn góp phần bảo vệ sức khỏe người lao động, giảm thiểu chi phí bảo trì và tăng tuổi thọ thiết bị.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai áp dụng hệ thống đệm kết hợp điều khiển mờ trên các loại máy xây dựng phổ biến, đặc biệt là xe lu rung bánh kép, nhằm nâng cao độ êm dịu và giảm rung động truyền đến người điều khiển. Thời gian thực hiện dự kiến trong vòng 1 năm, do các đơn vị sản xuất và vận hành máy xây dựng thực hiện.

2. Đào tạo kỹ thuật viên và người vận hành về nguyên lý hoạt động và bảo trì hệ thống đệm mới, đảm bảo vận hành hiệu quả và an toàn. Khóa đào tạo nên được tổ chức định kỳ hàng năm.

3. Nghiên cứu mở rộng áp dụng công nghệ điều khiển mờ cho các loại máy xây dựng khác như máy xúc, máy ủi để đa dạng hóa giải pháp giảm rung động. Thời gian nghiên cứu và thử nghiệm khoảng 2 năm.

4. Xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật và quy trình kiểm định cho hệ thống đệm và bộ điều khiển mờ nhằm đảm bảo chất lượng và hiệu quả sử dụng trong ngành xây dựng. Cơ quan quản lý nhà nước phối hợp với các viện nghiên cứu thực hiện trong vòng 18 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà sản xuất máy xây dựng: Nắm bắt công nghệ mới để cải tiến sản phẩm, nâng cao tính cạnh tranh và đáp ứng yêu cầu thị trường về giảm rung động và tiếng ồn.

2. Các đơn vị thi công xây dựng: Áp dụng hệ thống đệm và bộ điều khiển để bảo vệ sức khỏe người lao động, giảm thiểu tai nạn nghề nghiệp và tăng năng suất lao động.

3. Các viện nghiên cứu và trường đại học: Tham khảo mô hình và phương pháp nghiên cứu để phát triển các đề tài liên quan về kỹ thuật giảm rung động và điều khiển hệ thống.

4. Cơ quan quản lý nhà nước và tổ chức tiêu chuẩn: Sử dụng kết quả nghiên cứu làm cơ sở xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật và chính sách quản lý về an toàn lao động trong ngành xây dựng.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống đệm dao động là gì và tại sao quan trọng?
   Hệ thống đệm dao động là bộ phận giảm rung động truyền từ máy đến người điều khiển, giúp nâng cao độ êm dịu và bảo vệ sức khỏe. Ví dụ, đệm cao su và thủy lực được sử dụng phổ biến trong xe lu rung bánh kép.

2. Phương pháp điều khiển mờ có ưu điểm gì?
   Điều khiển mờ cho phép xử lý các tín hiệu không chắc chắn và biến đổi liên tục trong thực tế, giúp điều chỉnh hệ thống đệm linh hoạt, nâng cao hiệu quả giảm rung động so với điều khiển truyền thống.

3. Tiêu chuẩn ISO 2631-1 đánh giá độ êm dịu như thế nào?
   Tiêu chuẩn này sử dụng các chỉ số như hệ số độ êm dịu K̟ và tần số dao động để đánh giá mức độ rung động ảnh hưởng đến sức khỏe người lao động, giúp xác định giới hạn an toàn và thoải mái.

4. Nghiên cứu có áp dụng được cho các loại máy xây dựng khác không?
   Có, mô hình và phương pháp điều khiển mờ có thể được điều chỉnh và áp dụng cho nhiều loại máy xây dựng khác như máy xúc, máy ủi để giảm rung động hiệu quả.

5. Làm thế nào để triển khai hệ thống đệm và điều khiển mờ trong thực tế?
   Cần phối hợp giữa nhà sản xuất, đơn vị thi công và kỹ thuật viên để thiết kế, lắp đặt và bảo trì hệ thống, đồng thời đào tạo người vận hành để sử dụng đúng cách, đảm bảo hiệu quả lâu dài.

Kết luận

• Xây dựng thành công mô hình dao động và bộ điều khiển mờ cho hệ thống đệm giảm rung động xe lu rung bánh kép.
• Hệ thống đệm kết hợp cao su và thủy lực đáp ứng hiệu quả dải tần số rung động khác nhau, nâng cao độ êm dịu.
• Bộ điều khiển mờ giúp điều chỉnh linh hoạt, giảm rung động truyền đến người điều khiển từ 20-35%.
• Kết quả đáp ứng tiêu chuẩn ISO 2631-1, bảo vệ sức khỏe người lao động và nâng cao năng suất.
• Đề xuất triển khai áp dụng rộng rãi, đào tạo kỹ thuật viên và xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật trong ngành xây dựng.

Hành động tiếp theo: Các đơn vị sản xuất và thi công cần phối hợp triển khai thử nghiệm thực tế, đồng thời mở rộng nghiên cứu áp dụng cho các loại máy xây dựng khác nhằm nâng cao hiệu quả và bảo vệ sức khỏe người lao động.