Tổng quan nghiên cứu

Điều khiển chuyển động vị trí đóng vai trò then chốt trong việc nâng cao chất lượng máy sản xuất, đặc biệt trong các ứng dụng công nghiệp như điều khiển máy rô bốt, máy CNC và van công nghiệp. Theo ước tính, sai lệch tĩnh trong các hệ điều khiển vị trí cần được duy trì trong khoảng 3% đến 5% để đảm bảo độ chính xác cao. Luận văn tập trung nghiên cứu điều khiển chuyển động vị trí nhằm ứng dụng trong điều khiển cánh hướng van trong hệ thống điều khiển gió của nhà máy nhiệt điện, một lĩnh vực có ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và an toàn vận hành của lò hơi.

Mục tiêu nghiên cứu là hoàn chỉnh lý thuyết điều khiển chuyển động vị trí, xây dựng sơ đồ điều khiển vị trí thích hợp cho hệ truyền động động cơ điện đồng bộ kích từ vĩnh cửu (ĐB-KTVC), khảo sát và đánh giá chất lượng hệ thống qua mô phỏng bằng bộ điều khiển PID tuyến tính, đồng thời phát triển các phương pháp điều khiển phi tuyến như điều khiển mờ, mờ thích nghi và mờ trượt nhằm nâng cao hiệu quả điều khiển. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống điều khiển gió tại nhà máy nhiệt điện, với dữ liệu và mô phỏng thực hiện trong môi trường Matlab Simulink.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao độ chính xác và ổn định của hệ thống điều khiển vị trí, góp phần cải thiện hiệu suất vận hành và giảm thiểu tổn thất năng lượng trong các nhà máy nhiệt điện. Các chỉ số đánh giá chất lượng như tiêu chuẩn tích phân bình phương sai lệch (ISE) và tiêu chuẩn tích phân của tích số giữa thời gian và giá trị tuyệt đối của sai lệch (ITAE) được sử dụng để đo lường hiệu quả điều khiển.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình điều khiển vị trí truyền thống và hiện đại, bao gồm:

  • Lý thuyết điều khiển vị trí tuyến tính: Tập trung vào nguyên tắc xây dựng hệ điều khiển vị trí với bộ điều khiển PID, phân tích các tiêu chuẩn đánh giá như ISE, ITAE và ITSE để tối ưu hóa đáp ứng hệ thống. Khái niệm về tính phi tuyến trong hệ điều khiển vị trí tuyến tính được làm rõ qua các quan hệ vận tốc và sai lệch vị trí, đặc biệt trong quá trình hãm.

  • Mô hình điều khiển vị trí tối ưu theo thời gian: Sử dụng phương pháp điều khiển trượt và điều khiển mờ trượt nhằm đảm bảo thời gian quá độ ngắn nhất và độ ổn định cao, với các sơ đồ khối điều khiển phi tuyến được thiết kế để bù sai lệch và giảm nhiễu.

  • Mô hình điều khiển vector động cơ điện đồng bộ kích từ vĩnh cửu (ĐB-KTVC): Biểu diễn động cơ trên hệ tọa độ vectơ không gian và hệ tọa độ quay đồng bộ dq, xây dựng các phương trình điện áp, từ thông và mô men điện từ. Phân tích điều khiển tốc độ động cơ qua mạch vòng dòng điện và mạch vòng tốc độ với bộ điều khiển PI và P.

  • Phương pháp bù nhiễu và bù sai lệch tác động đầu vào: Áp dụng các sơ đồ cấu trúc điều khiển để loại bỏ ảnh hưởng của nhiễu và sai lệch trong quá trình vận hành, đảm bảo hệ thống bất biến với nhiễu.

Các khái niệm chính bao gồm: sai lệch vị trí (Δφ), mô men điện từ (M), bộ điều khiển PID, điều khiển mờ trượt, vector không gian dòng điện, hệ tọa độ dq, và tiêu chuẩn đánh giá chất lượng hệ thống (ISE, ITAE).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các mô hình toán học và mô phỏng hệ thống điều khiển vị trí trong Matlab Simulink, kết hợp với các thông số kỹ thuật thực tế của động cơ điện ĐB-KTVC và hệ thống van cánh hướng trong nhà máy nhiệt điện. Cỡ mẫu nghiên cứu là các mô hình mô phỏng chi tiết, được xây dựng dựa trên các tham số kỹ thuật đo đạc và tính toán thực nghiệm.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Xây dựng và phân tích sơ đồ khối hệ thống điều khiển vị trí với bộ điều khiển PID tuyến tính.
  • Mô phỏng hệ thống điều khiển vị trí với bộ điều khiển mờ trượt để nâng cao chất lượng điều khiển.
  • Tính toán các thông số bộ điều khiển dựa trên tiêu chuẩn modul tối ưu và modul đối xứng.
  • Đánh giá hiệu quả điều khiển qua các tiêu chuẩn ISE và ITAE, đồng thời so sánh kết quả mô phỏng giữa các phương pháp điều khiển.
  • Thời gian nghiên cứu kéo dài trong khoảng năm 2016-2017, tập trung vào hệ thống điều khiển gió tại nhà máy nhiệt điện.

Phương pháp chọn mẫu mô phỏng được ưu tiên do tính phức tạp và yêu cầu chính xác cao trong điều khiển vị trí, đồng thời cho phép đánh giá chi tiết các ảnh hưởng của nhiễu và phi tuyến trong hệ thống.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả của bộ điều khiển PID tuyến tính: Mô phỏng hệ thống điều khiển vị trí với bộ điều khiển PID cho thấy thời gian quá độ ngắn, sai lệch tĩnh nằm trong khoảng 3-5%, đáp ứng các tiêu chuẩn ISE và ITAE. Tuy nhiên, hệ thống vẫn còn hiện tượng dao động nhẹ và không hoàn toàn ổn định khi có nhiễu hoặc thay đổi tải trọng.

  2. Tính phi tuyến trong hệ điều khiển vị trí: Phân tích quan hệ giữa sai lệch vị trí và vận tốc cho thấy hệ thống có đặc tính phi tuyến rõ rệt, đặc biệt trong quá trình hãm. Việc sử dụng bộ điều khiển tuyến tính với hệ số khuếch đại cố định không thể bù trừ hoàn toàn sai lệch này, dẫn đến hiện tượng dao động và giảm độ chính xác.

  3. Nâng cao chất lượng bằng điều khiển mờ trượt: Áp dụng bộ điều khiển mờ trượt cho mạch vòng vị trí giúp giảm đáng kể dao động và sai lệch, cải thiện độ ổn định hệ thống. Kết quả mô phỏng cho thấy sai lệch tĩnh giảm xuống dưới 2%, thời gian quá độ được rút ngắn khoảng 15-20% so với bộ điều khiển PID.

  4. Ưu điểm của hệ truyền động biến tần động cơ ĐB-KTVC: Hệ truyền động này đáp ứng tốt yêu cầu công suất từ 0,5 đến 1 kW, có khả năng điều chỉnh vô cấp, tác động nhanh nhạy và chất lượng cao. Mô hình điều khiển vector trên hệ tọa độ dq giúp ổn định tốc độ và mô men, đồng thời dễ dàng tích hợp với các bộ điều khiển phi tuyến.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các hiện tượng dao động và sai lệch trong hệ điều khiển vị trí tuyến tính là do đặc tính phi tuyến của cơ cấu truyền động và ảnh hưởng của nhiễu tải không xác định trước. Việc sử dụng bộ điều khiển mờ trượt giúp bù trừ các phi tuyến này hiệu quả hơn, nhờ khả năng thích nghi và điều chỉnh luật điều khiển theo trạng thái hệ thống.

So sánh với các nghiên cứu trong ngành, kết quả mô phỏng của luận văn phù hợp với xu hướng ứng dụng điều khiển mờ và điều khiển trượt trong các hệ thống điều khiển vị trí phức tạp. Việc lựa chọn động cơ ĐB-KTVC và hệ truyền động biến tần cũng được đánh giá cao về tính ổn định và hiệu quả năng lượng.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ mô phỏng đáp ứng vị trí, sai lệch theo thời gian, và bảng so sánh các chỉ số ISE, ITAE giữa các phương pháp điều khiển. Điều này giúp minh họa rõ ràng sự cải thiện về chất lượng điều khiển khi áp dụng các phương pháp phi tuyến.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai bộ điều khiển mờ trượt trong hệ thống điều khiển cánh hướng van: Áp dụng bộ điều khiển mờ trượt để nâng cao độ chính xác và ổn định vị trí cánh hướng van, giảm sai lệch tĩnh xuống dưới 2% trong vòng 6 tháng tới, do bộ phận kỹ thuật tự động hóa nhà máy thực hiện.

  2. Tối ưu hóa tham số bộ điều khiển PID và PI trong mạch vòng dòng điện và tốc độ: Điều chỉnh các hệ số theo tiêu chuẩn modul tối ưu và modul đối xứng nhằm giảm thời gian quá độ và dao động, hoàn thành trong 3 tháng, phối hợp giữa nhóm nghiên cứu và nhà cung cấp thiết bị.

  3. Nâng cấp hệ truyền động động cơ ĐB-KTVC với biến tần hiện đại: Đầu tư và lắp đặt biến tần mới có khả năng điều khiển vector chính xác, đảm bảo công suất phù hợp và khả năng điều chỉnh vô cấp, dự kiến hoàn thành trong 1 năm, do phòng kỹ thuật điện thực hiện.

  4. Đào tạo và nâng cao năng lực vận hành cho nhân viên kỹ thuật: Tổ chức các khóa đào tạo về điều khiển mờ trượt và vận hành hệ thống biến tần động cơ ĐB-KTVC, nhằm đảm bảo vận hành hiệu quả và bảo trì kịp thời, thực hiện liên tục trong 6 tháng đầu năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư tự động hóa và điều khiển công nghiệp: Nắm bắt kiến thức về điều khiển vị trí và ứng dụng điều khiển mờ trượt trong hệ thống truyền động, giúp cải thiện hiệu suất và độ chính xác trong các dây chuyền sản xuất.

  2. Nhà quản lý vận hành nhà máy nhiệt điện: Hiểu rõ về hệ thống điều khiển gió và vai trò của cánh hướng van, từ đó đưa ra các quyết định nâng cấp và bảo trì phù hợp nhằm tối ưu hóa hiệu suất lò hơi.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật điều khiển và tự động hóa: Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo chuyên sâu về lý thuyết điều khiển vị trí, mô hình động cơ ĐB-KTVC và các phương pháp điều khiển phi tuyến hiện đại.

  4. Nhà nghiên cứu và phát triển thiết bị điều khiển công nghiệp: Tham khảo các mô hình và phương pháp điều khiển mới, đặc biệt là điều khiển mờ trượt, để phát triển các sản phẩm điều khiển chính xác và ổn định hơn.

Câu hỏi thường gặp

  1. Điều khiển mờ trượt khác gì so với điều khiển PID truyền thống?
    Điều khiển mờ trượt kết hợp ưu điểm của điều khiển mờ và điều khiển trượt, giúp xử lý tốt các phi tuyến và nhiễu không xác định, trong khi PID là bộ điều khiển tuyến tính, hiệu quả với hệ tuyến tính và ít nhiễu. Ví dụ, trong hệ thống van cánh hướng, điều khiển mờ trượt giảm sai lệch tĩnh xuống dưới 2%, trong khi PID thường ở mức 3-5%.

  2. Tại sao chọn động cơ đồng bộ kích từ vĩnh cửu (ĐB-KTVC) cho hệ truyền động?
    Động cơ ĐB-KTVC có chỉ số năng lượng cao, kích thước nhỏ gọn, khả năng quá tải tốt và ổn định tần số quay, phù hợp với yêu cầu công suất nhỏ đến vừa của hệ thống van cánh hướng. Ngoài ra, điều khiển vector trên hệ tọa độ dq giúp điều khiển chính xác mô men và tốc độ.

  3. Tiêu chuẩn ISE và ITAE được áp dụng như thế nào trong đánh giá hệ thống?
    ISE tập trung giảm sai lệch lớn ban đầu, phù hợp với hệ cần giảm tiêu thụ năng lượng, còn ITAE đánh giá nặng sai lệch kéo dài trong quá trình quá độ, giúp giảm dao động và độ quá điều chỉnh. Luận văn sử dụng cả hai để đánh giá và tối ưu bộ điều khiển.

  4. Phương pháp bù nhiễu có vai trò gì trong hệ điều khiển?
    Bù nhiễu giúp hệ thống bất biến với các tác động nhiễu tải không xác định trước, như mô men cản hoặc áp suất thay đổi, từ đó duy trì độ chính xác và ổn định của vị trí cánh hướng van trong quá trình vận hành.

  5. Làm thế nào để triển khai thực tế bộ điều khiển mờ trượt trong nhà máy?
    Cần xây dựng thuật toán điều khiển mờ trượt trên bộ xử lý trung tâm (CPU), tích hợp với cảm biến vị trí và hệ truyền động động cơ ĐB-KTVC, sau đó tiến hành thử nghiệm mô phỏng và hiệu chỉnh tham số trước khi áp dụng thực tế. Đào tạo nhân viên vận hành cũng là bước quan trọng để đảm bảo hiệu quả.

Kết luận

  • Hoàn chỉnh lý thuyết điều khiển chuyển động vị trí và ứng dụng thành công trong điều khiển cánh hướng van tại nhà máy nhiệt điện.
  • Xây dựng và mô phỏng hệ thống điều khiển vị trí với bộ điều khiển PID tuyến tính, đạt sai lệch tĩnh 3-5% và thời gian quá độ ngắn.
  • Phát triển bộ điều khiển mờ trượt giúp giảm sai lệch tĩnh xuống dưới 2%, cải thiện độ ổn định và giảm dao động hệ thống.
  • Lựa chọn hệ truyền động biến tần động cơ ĐB-KTVC phù hợp với yêu cầu công suất và điều khiển chính xác trong hệ thống van cánh hướng.
  • Đề xuất các giải pháp triển khai thực tế và đào tạo nhân viên nhằm nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống điều khiển gió trong nhà máy nhiệt điện.

Tiếp theo, nghiên cứu sẽ tập trung vào thử nghiệm thực tế và tối ưu hóa thuật toán điều khiển mờ trượt, đồng thời mở rộng ứng dụng cho các hệ thống điều khiển vị trí khác trong công nghiệp. Đề nghị các đơn vị liên quan phối hợp triển khai và đánh giá hiệu quả trong thực tế sản xuất.