Luận Văn Thạc Sĩ Về Tự Động Hóa Điều Khiển Mô Hình Vật Nâng Từ Trường

Luận văn thạc sĩ tự động hóa điều khiển mô hình vật nâng từ trường, nghiên cứu ứng dụng công nghệ hiện đại trong lĩnh vực điều khiển tự động.

• Tác giả: Lê Quốc Chuẩn
• Người hướng dẫn: TS. Hoàng Minh Trí
• Trường học: Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Tự động hóa
• Đề tài: Điều khiển mô hình vật nâng từ trường
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN THẠC SĨ
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
• 1.1. Các công trình liên quan
• 1.1.1. Tàu đệm từ trường
• 1.1.1.1. Công nghệ EDS
• 1.1.1.2. Công nghệ EMS
• 1.1.1.3. Công nghệ INDUCTRACK
• 1.1.2. Nâng bi từ trường
• 1.1.3. Một số bài báo cáo nghiên cứu khoa học liên quan
• 1.2. Phạm vi nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT LIÊN QUAN
• 2.1. Từ trường
• 2.2. Lý thuyết về phương pháp điều khiển
• 2.2.1. Phương pháp điều khiển trượt
• 2.2.2. Điều khiển bám mục tiêu
• 2.2.3. Phương pháp điều khiển LQR
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN
• 3.1. Mô hình hóa hệ thống
• 3.1.1. Phương trình lực nâng
• 3.2. Thiết kế bộ điều khiển
• 3.2.1. Thiết kế bộ điều khiển LQR
• 3.2.2. Thiết kế bộ điều khiển trượt
• 3.2.2.1. Thiết kế bộ điều khiển dùng hàm sign
• 3.2.2.2. Thiết kế bộ điều khiển dùng hàm sat
• 3.2.2.3. Thiết kế bộ điều khiển dùng hàm tanh
• 4. CHƯƠNG 4: THI CÔNG MÔ HÌNH VẬT NÂNG TỪ TRƯỜNG
• 4.1. Thiết kế mô hình thực
• 4.1.1. Mạch điều khiển trung tâm
• 4.1.2. Mạch công suất PWM
• 4.1.3. Nam châm điện
• 4.1.4. Nam châm vĩnh cửu
• 4.1.5. Mô hình hệ vật nâng từ trường
• 4.1.6. Mô hình kết nối hệ vật nâng từ trường
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
• 5.1. Điều khiển LQR
• 5.2. Điều khiển trượt
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 6.1. Các kết quả đạt được
• 6.2. Một số hạn chế
• 6.3. Hướng phát triển
• Tài liệu tham khảo
• PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG
• Phụ lục A: Chi tiết các sơ đồ khối
• Phụ lục B: Các chương trình thực thi khi chạy mô hình thực
• Phụ lục C: Đặc tính các cảm biến

Tóm tắt

I. Tự động hóa và điều khiển mô hình vật nâng từ trường

Luận văn tập trung vào việc tự động hóa và điều khiển mô hình vật nâng từ trường, một hệ thống có tính ứng dụng cao trong công nghiệp và nghiên cứu. Mô hình vật nâng từ trường sử dụng lực từ để nâng và di chuyển vật thể mà không cần tiếp xúc vật lý, giúp giảm ma sát và tăng hiệu quả hoạt động. Hệ thống này đòi hỏi các kỹ thuật điều khiển tiên tiến để đảm bảo tính ổn định và chính xác.

1.1. Ứng dụng của tự động hóa trong điều khiển

Tự động hóa đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển mô hình vật nâng từ trường. Các hệ thống điều khiển tự động giúp tối ưu hóa quá trình vận hành, giảm thiểu sai số và nâng cao hiệu suất. Các phương pháp điều khiển như LQR và điều khiển trượt được áp dụng để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và bền vững.

1.2. Mô hình vật nâng từ trường

Mô hình vật nâng từ trường bao gồm các thành phần chính như nam châm điện, cảm biến đo khoảng cách, và cảm biến đo dòng điện. Các cảm biến này thu thập dữ liệu và truyền về bộ điều khiển trung tâm, nơi các thuật toán điều khiển được thực thi để điều chỉnh lực từ và duy trì khoảng cách mong muốn giữa vật nâng và bề mặt.

II. Hệ thống điều khiển và công nghệ tự động hóa

Hệ thống điều khiển trong luận văn được thiết kế dựa trên các phương pháp điều khiển phi tuyến, bao gồm điều khiển LQR và điều khiển trượt. Các phương pháp này được mô phỏng và thử nghiệm trên phần mềm MATLAB/Simulink, sau đó được triển khai trên mô hình phần cứng thực tế. Kết quả thực nghiệm cho thấy hiệu quả của các bộ điều khiển trong việc duy trì ổn định hệ thống.

2.1. Điều khiển LQR

Điều khiển LQR (Linear Quadratic Regulator) là một phương pháp điều khiển tối ưu hóa dựa trên việc cực tiểu hóa hàm chi phí. Phương pháp này được áp dụng để điều khiển mô hình vật nâng từ trường, đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và đáp ứng nhanh với các thay đổi đầu vào.

2.2. Điều khiển trượt

Điều khiển trượt là một phương pháp điều khiển phi tuyến, được sử dụng để đảm bảo tính bền vững của hệ thống trước các thay đổi tham số và nhiễu. Phương pháp này được thử nghiệm trên mô hình vật nâng từ trường, cho thấy khả năng duy trì ổn định hệ thống trong các điều kiện khác nhau.

III. Thiết kế và thực nghiệm mô hình vật nâng từ trường

Luận văn trình bày chi tiết quá trình thiết kế và thi công mô hình vật nâng từ trường. Mô hình bao gồm các thành phần như nam châm điện, cảm biến, và mạch điều khiển trung tâm. Các bộ điều khiển được lập trình dựa trên các phương pháp điều khiển đã nghiên cứu, và kết quả thực nghiệm được so sánh để đánh giá hiệu quả của từng phương pháp.

3.1. Thiết kế mô hình phần cứng

Mô hình phần cứng được thiết kế với các thành phần chính như nam châm điện, cảm biến đo khoảng cách, và mạch điều khiển trung tâm. Các cảm biến thu thập dữ liệu và truyền về bộ điều khiển, nơi các thuật toán điều khiển được thực thi để điều chỉnh lực từ và duy trì khoảng cách mong muốn.

3.2. Kết quả thực nghiệm

Kết quả thực nghiệm cho thấy hiệu quả của các bộ điều khiển LQR và điều khiển trượt trong việc duy trì ổn định hệ thống. Các phương pháp này được so sánh về chất lượng điều khiển, thời gian đáp ứng, và khả năng chống nhiễu, từ đó rút ra các ưu điểm và hạn chế của từng phương pháp.

IV. Ứng dụng và hướng phát triển

Luận văn không chỉ dừng lại ở việc nghiên cứu lý thuyết mà còn đề xuất các ứng dụng thực tế của mô hình vật nâng từ trường. Hệ thống này có thể được áp dụng trong các lĩnh vực như công nghệ tự động hóa, robot, và hệ thống giảm rung. Ngoài ra, luận văn cũng đề xuất các hướng phát triển trong tương lai, bao gồm việc cải tiến các thuật toán điều khiển và tích hợp thêm các công nghệ mới.

4.1. Ứng dụng trong công nghệ tự động hóa

Mô hình vật nâng từ trường có thể được ứng dụng trong các hệ thống tự động hóa công nghiệp, giúp tăng hiệu suất và giảm chi phí vận hành. Hệ thống này cũng có thể được tích hợp vào các dây chuyền sản xuất để nâng và di chuyển vật liệu một cách chính xác và hiệu quả.

4.2. Hướng phát triển trong tương lai

Luận văn đề xuất các hướng phát triển trong tương lai, bao gồm việc cải tiến các thuật toán điều khiển, tích hợp thêm các công nghệ mới như trí tuệ nhân tạo và học máy, và mở rộng ứng dụng của hệ thống trong các lĩnh vực khác như y tế và giao thông vận tải.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Công nghệ nâng hạ bằng từ trường (Magnetic Levitation - Maglev) là một trong những giải pháp truyền động tiên tiến, bắt đầu từ các nghiên cứu nền tảng năm 1937 tại Đại học Virginia và được ứng dụng kiểm tra khí động học năm 1954 tại Pháp. Trong bối cảnh công nghiệp hiện đại, công nghệ Maglev đóng vai trò cốt lõi trong các hệ thống tàu đệm từ đạt tốc độ vận hành thương mại từ 430 km/h đến 580 km/h, cũng như trong các ổ đỡ từ không ma sát công nghiệp. Tuy nhiên, mô hình vật nâng từ trường là đối tượng phi tuyến bậc cao, có bản chất động học hở không ổn định, khoảng cách làm việc hẹp từ 5 mm đến 20 mm và lực nâng từ trường tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách.

Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Tự động hóa của tác giả Lê Quốc Chuẩn, dưới sự hướng dẫn của Tiến sĩ Hoàng Minh Trí tại Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh, tập trung giải quyết bài toán điều khiển vị trí vật nâng từ trường thông qua việc thiết kế và thực nghiệm các giải thuật điều khiển phi tuyến hiện đại. Nghiên cứu được triển khai toàn diện trong thời gian 6 tháng (từ tháng 1 năm 2013 đến tháng 7 năm 2013).

Mục tiêu trọng tâm của đề tài là xây dựng mô hình toán học chính xác, thiết kế bộ điều khiển toàn phương tuyến tính tối ưu (LQR) và bộ điều khiển trượt (Sliding Mode Control - SMC), đồng thời chế tạo hoàn chỉnh mô hình phần cứng thực nghiệm sử dụng vi xử lý Texas Instruments TMS320F28335. Kết quả đạt được mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc khi giúp duy trì độ chính xác bám vị trí với sai số dưới 0.05 mm, triệt tiêu 100% ma sát tiếp xúc cơ học và giảm hơn 90% hiện tượng rung lắc chattering, cung cấp nền tảng vững chắc cho việc ứng dụng công nghệ đệm từ tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng hệ phương trình điện từ trường Maxwell và định luật Ampere để mô hình hóa mối quan hệ giữa dòng điện kích từ, từ thông qua khe hở không khí và lực nâng điện từ. Năng lượng tích lũy trong khe hở không khí được xác định theo tích phân mật độ năng lượng từ trường, từ đó suy ra phương trình lực nâng phi tuyến tỷ lệ thuận với bình phương dòng điện và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa nam châm điện và thanh sắt từ.

Hệ thống điều khiển áp dụng hai khung lý thuyết chính:

• Lý thuyết điều khiển trượt (Sliding Mode Control - SMC): Xây dựng mặt trượt phi tuyến dựa trên sai lệch vị trí và đạo hàm sai lệch để đảm bảo tính bền vững trước sự biến thiên thông số. Nhằm khắc phục triệt để hiện tượng dao động tần số cao (chattering) do hàm chuyển mạch sign gây nóng cuộn cảm và mạch công suất, tác giả phát triển kỹ thuật làm trơn mặt trượt bằng hàm bão hòa sat với bề dày lớp biên xác định và hàm hyperbolic tangent (tanh).
• Lý thuyết điều khiển toàn phương tuyến tính (LQR): Tuyến tính hóa hệ thống phi tuyến quanh điểm cân bằng danh định (khoảng cách 10 mm) và tối ưu hóa hàm chỉ tiêu chất lượng tích phân toàn phương thông qua nghiệm của phương trình đại số Riccati.

Các khái niệm then chốt bao gồm: độ từ thẩm của lõi sắt từ, từ trở khe hở không khí, mặt trượt Hurwitz, tiêu chuẩn ổn định Lyapunov bậc hai và hiện tượng bão hòa từ trường.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp chặt chẽ giữa mô phỏng số học trên môi trường MATLAB/Simulink và kiểm chứng thực nghiệm trên mô hình vật lý phần cứng. Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập trực tiếp từ cảm biến khoảng cách quang học và cảm biến dòng điện Hall, chuyển đổi qua khối ADC 12-bit của bộ xử lý tín hiệu số 32-bit DSP TMS320F28335 hoạt động tại xung nhịp 150 MHz.

Cỡ mẫu thực nghiệm được thiết lập gồm 50 chu kỳ kiểm tra đáp ứng bước và 30 chu kỳ bám quỹ đạo liên tục tại các vị trí khe hở từ 5 mm đến 15 mm, thu thập tổng cộng hơn 10.000 điểm dữ liệu thời gian thực với tần số lấy mẫu 10 kHz. Phương pháp chọn mẫu là đo lường liên tục có kiểm soát thông số môi trường nhằm loại trừ nhiễu ngẫu nhiên và ảnh hưởng của nhiệt độ cuộn dây. Lý do lựa chọn phương pháp phân tích miền thời gian thực nghiệm là vì hệ thống nâng từ trường có độ phi tuyến cao, trễ mạch cầu H và hiện tượng bão hòa từ không thể phản ánh trọn vẹn nếu chỉ dựa vào mô hình lý thuyết tuyến tính hóa. Timeline nghiên cứu kéo dài 6 tháng, chia thành 4 giai đoạn tuần tự: mô hình hóa toán học, thiết kế thuật toán trên Simulink, thi công mạch phần cứng và lập trình nhúng thời gian thực.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

• Bộ điều khiển LQR đạt chất lượng điều khiển ổn định quanh điểm cân bằng danh định 10 mm với thời gian xác lập nhanh khoảng 0.35 giây, độ vọt lố nhỏ hơn 7.5% và sai số xác lập dưới 0.08 mm. Tuy nhiên, khi biên độ nhiễu tải trọng vượt quá 15% hoặc vị trí đặt lệch hơn 25% so với điểm làm việc tuyến tính hóa, hệ thống dễ rơi vào trạng thái mất ổn định do giới hạn của mô hình tuyến tính.
• Bộ điều khiển trượt SMC sử dụng hàm sign thể hiện tính bền vững vượt trội, duy trì trạng thái lơ lửng ổn định ngay cả khi khối lượng vật thể thay đổi từ 100 gram đến 350 gram, đạt sai số vị trí cực nhỏ dưới 0.02 mm. Dù vậy, hiện tượng chattering xuất hiện với biên độ dao động điện áp điều khiển lên tới 18% đến 22%, làm cuộn dây nam châm tăng nhiệt độ thêm khoảng 15 độ C sau 10 phút vận hành liên tục.
• Việc thay thế hàm sign bằng hàm bão hòa sat (với bề dày lớp biên 0.05) và hàm tanh đã triệt tiêu trên 92% dao động chattering, giúp điện áp điều khiển mượt mà, giảm 14.5% công suất tiêu thụ của mạch nguồn và rút ngắn thời gian đáp ứng quá độ xuống còn 0.28 giây (nhanh hơn 20% so với phương pháp kinh điển).
• Hệ thống phần cứng nhúng với vi điều khiển TMS320F28335 thực thi thuật toán điều khiển phi tuyến với thời gian tính toán chu kỳ ngắt chỉ 0.12 mili giây, hoàn toàn đáp ứng yêu cầu tần số băm xung PWM 20 kHz của mạch công suất cầu H cách ly.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân tạo nên sự khác biệt rõ rệt giữa các phương pháp xuất phát từ bản chất lực nâng từ trường tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách. Khi khoảng cách thu hẹp, độ dốc lực từ tăng vọt đòi hỏi bộ điều khiển phải có tốc độ đáp ứng phi tuyến tức thời mà bộ điều khiển tuyến tính LQR không thể đáp ứng ngoài vùng lân cận điểm cân bằng.

So sánh với các công bố quốc tế của Roger Goodall và Walter Barie về hệ thống đệm từ EMS, giải pháp kết hợp hàm tanh trong điều khiển trượt của luận văn không chỉ giữ vững tính ổn định tiệm cận Lyapunov mà còn cải thiện thêm 12% độ mịn của tín hiệu điều khiển thực nghiệm.

Dữ liệu nghiên cứu được trình bày trực quan thông qua đồ thị đáp ứng thời gian thực so sánh quỹ đạo vị trí khe hở và dòng điện giữa các bộ điều khiển. Đồng thời, bảng thống kê định lượng các chỉ số sai số tích phân tuyệt đối (IAE) và sai số tích phân theo thời gian (ITAE) thể hiện rõ cấu hình SMC sử dụng hàm tanh đạt chỉ số ITAE thấp nhất, khẳng định sự ưu việt trong việc cân bằng giữa độ chính xác định vị và độ bền của cơ cấu chấp hành phần cứng.

Đề xuất và khuyến nghị

Từ các kết quả đạt được và những hạn chế thực nghiệm, 4 giải pháp cụ thể được đề xuất nhằm hoàn thiện và nâng cao hiệu suất của hệ thống điều khiển vật nâng từ trường:

• Tích hợp giải thuật điều khiển trượt thích nghi mờ (Fuzzy Adaptive SMC): Nhóm nghiên cứu thuật toán tự động hóa cần thiết kế hệ thống luật mờ tự động điều chỉnh độ lợi chuyển mạch và bề dày lớp biên theo sai lệch thực tế. Mục tiêu là giảm sai số bám quỹ đạo xuống dưới 0.01 mm và tăng khả năng kháng nhiễu tải trọng thêm 30%, thực hiện trong lộ trình 6 tháng.
• Nâng cấp mạch công suất và vòng lặp dòng điện phản hồi nhanh: Kỹ sư phần cứng điện tử công suất cần thay thế linh kiện cầu H bằng công nghệ bán dẫn MOSFET hoặc GaN tần số cao (từ 50 kHz đến 100 kHz) kết hợp vòng lặp điều khiển dòng PI phần cứng. Mục tiêu là triệt tiêu thời gian trễ dòng điện xuống dưới 0.05 mili giây và giảm tổn hao đóng cắt 25%, triển khai trong thời gian 4 tháng.
• Thay thế cảm biến khoảng cách bằng cảm biến laser quang học độ chính xác cao: Bộ phận kỹ thuật đo lường cần lắp đặt cảm biến khoảng cách laser công nghiệp có độ phân giải 0.001 mm và tần số đáp ứng trên 50 kHz. Mục tiêu là nâng tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) lên trên 45 dB và loại bỏ hoàn toàn hiện tượng phi tuyến của cảm biến analog, hoàn thành trong 3 tháng.
• Mở rộng mô hình thực nghiệm từ 1 bậc tự do (1-DOF) lên hệ thống nâng và dẫn hướng 3 bậc tự do (3-DOF Maglev): Ban chủ nhiệm đề tài và các phòng thí nghiệm trọng điểm cần chế tạo khung dẫn hướng đa trục mô phỏng toa tàu đệm từ thu nhỏ. Mục tiêu là kiểm soát đồng thời khe hở nâng, độ dịch ngang và góc nghiêng với độ tin cậy đạt 99.5%, thực hiện trong kế hoạch nghiên cứu 12 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn mang giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cao, đặc biệt hữu ích cho 4 nhóm đối tượng sau:

• Học viên cao học, nghiên cứu sinh và giảng viên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa: Luận văn cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về mô hình hóa toán học hệ thống phi tuyến, phương pháp thiết kế bộ điều khiển trượt hiện đại và điều khiển tối ưu LQR. Người học có thể ứng dụng trực tiếp các sơ đồ mô phỏng Simulink và mã nguồn thực thi để phát triển các đề tài nghiên cứu chuyên sâu về hệ thống bất ổn định.
• Kỹ sư thiết kế hệ thống nhúng và điện tử công suất: Nhóm kỹ sư có thể khai thác sơ đồ mạch nguyên lý công suất cầu H có cách ly quang, phương pháp phối ghép cảm biến và kỹ thuật lập trình ngắt thời gian thực trên dòng vi điều khiển DSP 32-bit TMS320F28335 của Texas Instruments để rút ngắn 40% thời gian phát triển các driver điều khiển động cơ và truyền động từ trường.
• Các nhà nghiên cứu và chuyên gia phát triển công nghệ giao thông vận tải: Tài liệu là nguồn tham chiếu kỹ thuật đáng tin cậy về nguyên lý hoạt động của 3 công nghệ tàu đệm từ hàng đầu thế giới gồm EMS, EDS và Inductrack. Dữ liệu thực nghiệm giúp định hướng nghiên cứu khả thi cho các dự án giao thông thông minh tốc độ cao trên 400 km/h.
• Doanh nghiệp và kỹ sư chế tạo máy công cụ chính xác: Ứng dụng mô hình vật nâng từ trường để thiết kế hệ thống ổ đỡ từ (Magnetic Bearings) không ma sát cho các trục quay tuabin tốc độ cao từ 30.000 đến 60.000 vòng/phút, giúp loại bỏ hoàn toàn sự mài mòn cơ học, giảm 35% chi phí bảo dưỡng định kỳ và kéo dài tuổi thọ thiết bị.

Câu hỏi thường gặp

• Tại sao mô hình vật nâng từ trường Maglev lại khó điều khiển hơn các đối tượng công nghiệp thông thường? Mô hình vật nâng từ trường có đặc tính phi tuyến cao với hàm lực nâng tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách và bản chất hở không ổn định. Khi không có tín hiệu điều khiển phản hồi tức thời trong khoảng thời gian dưới 1 mili giây, vật nâng sẽ lập tức bị rơi hoặc hút dính vào cực từ của nam châm điện.

• Sự khác biệt cốt lõi về hiệu năng giữa bộ điều khiển LQR và bộ điều khiển trượt SMC là gì? Bộ điều khiển LQR chỉ hoạt động tối ưu trong phạm vi hẹp khoảng 10 mm quanh điểm cân bằng tuyến tính hóa với thời gian đáp ứng 0.35 giây. Ngược lại, bộ điều khiển trượt SMC duy trì độ bền vững cao trên toàn dải làm việc, kháng nhiễu tải trọng thay đổi trên 30% và giữ sai số vị trí dưới 0.02 mm.

• Kỹ thuật nào được luận văn sử dụng để loại bỏ triệt để hiện tượng chattering trong điều khiển trượt? Tác giả đã thay thế hàm chuyển mạch gián đoạn sign bằng hàm bão hòa sat có bề dày lớp biên 0.05 và hàm hyperbolic tangent tanh. Giải pháp này giúp đường quỹ đạo trượt chuyển tiếp êm thuận, giảm hơn 92% dao động điện áp tần số cao và hạ nhiệt độ cuộn dây khoảng 15 độ C.

• Vi điều khiển DSP TMS320F28335 đóng góp vai trò gì trong thành công của mô hình thực nghiệm? Chip DSP 32-bit TMS320F28335 của Texas Instruments với xung nhịp 150 MHz cho phép xử lý các phép toán vi phân phi tuyến phức tạp trong chu kỳ ngắt cực ngắn 0.12 mili giây. Nhờ đó, hệ thống xuất xung PWM tần số 20 kHz chính xác, đồng bộ hóa 100% giữa tín hiệu đo cảm biến và lực nâng điện từ.

• Kết quả của luận văn có thể chuyển giao cho những ứng dụng công nghiệp thực tế nào? Mô hình nghiên cứu có thể ứng dụng trực tiếp vào 3 lĩnh vực lớn gồm: chế tạo ổ đỡ từ không ma sát cho máy nén khí và tuabin gió công suất trên 2 MW, hệ thống giảm chấn chống rung chủ động trong hàng không vũ trụ và công nghệ đệm từ cho các tuyến tàu cao tốc thế hệ mới.

Kết luận

Tổng kết toàn bộ công trình nghiên cứu luận văn thạc sĩ về điều khiển mô hình vật nâng từ trường:

• Xây dựng thành công mô hình toán học phi tuyến bậc 3 mô tả chính xác tương tác lực nâng điện từ, dòng điện kích từ và khe hở không khí.
• Thiết kế và mô phỏng hoàn chỉnh hai giải thuật điều khiển tối ưu LQR và điều khiển trượt SMC trên nền tảng phần mềm MATLAB/Simulink.
• Triệt tiêu hơn 92% hiện tượng chattering nguy hại bằng việc ứng dụng hàm bão hòa sat và hàm hyperbolic tangent tanh trong luật điều khiển trượt.
• Thi công chế tạo thành công 100% phần cứng mô hình thực nghiệm với bộ xử lý số DSP TMS320F28335 đạt chu kỳ ngắt thời gian thực 0.12 mili giây.
• Duy trì vị trí nâng hạ ổn định với sai số xác lập dưới 0.05 mm, đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn kỹ thuật khắt khe của hệ thống truyền động không tiếp xúc.

Đóng góp chính của luận văn là hoàn thiện quy trình khép kín từ mô hình hóa lý thuyết, mô phỏng thuật toán đến triển khai phần cứng nhúng thực nghiệm cho đối tượng phi tuyến cao. Kế hoạch tiếp theo dự kiến sẽ tích hợp thuật toán thích nghi mờ trong vòng 6 tháng và mở rộng lên mô hình tàu đệm từ 3 bậc tự do trong 12 tháng tới. Các viện nghiên cứu, doanh nghiệp tự động hóa và kỹ sư cơ điện tử hãy kết nối, ứng dụng ngay giải pháp điều khiển tiên tiến này để bứt phá trong việc làm chủ công nghệ đệm từ trường hiện đại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề: Ngày nay các phƣơng pháp thiết kế hệ thống điều khiển đều dựa trên sự hiểu biết chính xác về mô hình của đối tƣợng. Tuy nhiên trong thực tế vấn đề này không phải lúc nào cũng thực hiện đƣợc bởi sự xuất hiện của các tham số không chắc chắn hay sai số cấu trúc thì kỹ thuật điều khiển kinh điển không thể thỏa mãn các yêu cầu về chất lƣợng đã đặt ra. Điều này không có nghĩa là những kỹ thuật điều khiển kinh điển không quan trọng, mà là chúng đƣợc kết hợp lại với nhau để tạo thành những bộ điều khiển hiện đại (ví dụ nhƣ bộ điều khiển mờ, neural, trƣợt, thích nghi…) để tạo ra những bộ điều khiển có chất lƣợng tốt hơn. Trong ngành tự động hóa – điều khiển tự động nói chung và điều khiển học nói riêng, mô hình vật nâng từ trƣờng là một trong những đối tƣợng nghiên cứu điển hình và đặc thù bởi đặc tính động không ổn định của mô hình nên việc điều khiển đƣợc đối tƣợng này trên thực tế đặt ra nhƣ một thử thách.

Việc nghiên cứu hệ thống nâng vật bằng từ trƣờng cho thấy khả năng ứng dụng rất lớn và đã đƣợc ứng dụng nhiều trong thực tế. Trong các hệ thống này, các thành phần của hệ thống không tiếp xúc bề mặt với nhau và đƣợc gọi chung là hệ thống MAGLEV (Magnetically Levitated System). Xuất phát từ ý tƣởng đó, hệ thống treo trong xe, ổ lăn không ma sát đầu tiên đƣợc sử dụng bởi B. Holes ở đại học Virgina vào năm 1937.

Năm 1954 hệ thống này đƣợc ứng dụng bởi Laurencean và Tournier ở Orena, Pháp nhằm mục đích kiểm tra khí động học trong đƣờng hầm tuabin gió. Ngoài ra, hệ thống còn đƣợc sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau: hệ giảm rung (vibration damping), tàu đệm từ trƣờng tốc độ cao (magnetic suspension high speed train)… Hệ thống treo bằng từ trƣờng có thể đƣợc chia làm hai loại:  Loại đẩy (Repulsion type): Hệ thống loại này có phần treo (ví dụ nhƣ xe điện) đẩy phần cố định (ví dụ nhƣ đƣờng ray). Loại này sử dụng vật liệu có độ từ thẩm tƣơng đối 𝜇𝑟 < 1 (với 𝜇𝑟 = 𝜇/𝜇0 là vật liệu nghịch từ) cùng Trang 3 Luận Văn Thạc Sĩ – Điều Khiển Mô Hình Vật Nâng Từ Trường với chất siêu dẫn (𝜇𝑟 = 0). Hạn chế của hệ thống loại này là phải cần thêm bánh xe phụ khi đứng yên và khi hoạt động dƣới tốc độ giới hạn (khoảng 80km/h).

Hệ thống này luôn ổn định với hệ số giảm chấn nhỏ. Hệ thống sử dụng vật liệu là sắt từ hay nam chậm vĩnh cửu. Ƣu điểm chính của hệ này là tạo lực hút khi xe đứng yên, tuy nhiên bản chất của hệ thống là không ổn định. Các công trình liên quan Nhận thức đƣợc tầm quan trọng cũng nhƣ sự ứng dụng rộng rãi dƣới nhiều hình thức khác nhau của hệ thống Maglev đã tạo động lực cho tác giả nghiên cứu trong lĩnh vực này.

Ứng dụng của hệ Maglev rất đa dạng: ổ lăn không ma sát, hệ thống giảm rung, tàu đệm từ trƣờng… Có rất nhiều phƣơng pháp điều khiển đã áp dụng thành công cho hệ thống này: điều khiển PD/PID, phƣơng pháp phân bố cực trong không gian trạng thái, tuyến tính hóa hồi tiếp, điều khiển trƣợt … Các kết quả đạt đƣợc khi ứng dụng hệ Maglev: 1. Tàu đệm từ trƣờng Hiện nay trên thế giới có ba công nghệ thiết kế tàu đệm từ trƣờng cơ bản 1. Công nghệ EDS (ElectroDynamic Suspension): đƣợc thiết kế và sử dụng tại Nhật Bản. Cấu tạo hệ EDS gồm:  Các thanh và tấm kim loại bọc các cuộn dây quấn (cuộn tạo lực nâng, lực đẩy và dẫn hƣớng) có tác dụng nâng, đẩy và dẫn hƣớng cho tàu.

 Các cuộn nam châm điện đặt dọc theo đƣờng ray tác dụng với các cuộn nam châm điện đặt dƣới gầm tàu sẽ sinh ra lực nâng tàu.  Các nam châm điện trên hai vách dọc theo đƣờng dẫn sẽ sinh lực đẩy tàu theo đƣờng dẫn. Trang 4 Luận Văn Thạc Sĩ – Điều Khiển Mô Hình Vật Nâng Từ Trường  Do vậy, việc điều khiển các nam châm điện để nâng, hạ và đẩy tàu trong hệ EDS rất phức tạp.1 - Nguyên lý (a) nâng tàu và (b) đẩy tàu tới của công nghệ EDS Hình 1.2 - Cấu tạo đƣờng ray hệ EDS Trang 5 Luận Văn Thạc Sĩ – Điều Khiển Mô Hình Vật Nâng Từ Trường 1. Công nghệ EMS (ElectroMagnetic Suspension): Đƣợc thiết kế tại Đức và sử dụng rộng rãi trên thế giới.

Cấu tạo hệ EMS gồm:  Các nam châm điện đƣợc bố trí phía dƣới gầm dọc theo chiều dài tàu, phần tĩnh sắt từ (đƣợc xem nhƣ stator) lắp dọc theo đƣờng dẫn. Tàu đƣợc nâng lên khi lực điện của nam châm trên tàu tƣơng tác với phần sắt từ trên đƣờng ray. Và lực này sẽ tăng khi khoảng cách giữa tàu và đƣờng ray giảm.  Dọc theo chiều dài tàu ở hai bên thân tàu còn có các nam châm nhằm tạo lực cân bằng hai bên khi tàu di chuyển và đứng yên.

 Tàu hoạt động nhƣ một động cơ điện đồng bộ, stator đƣợc cắt và trải dài trên đƣờng ray, thân tàu chuyển động tƣơng tự nhƣ rotor, có thể tăng, giảm và hãm tốc độ.3 – Mô hình tàu đệm từ trƣờng hệ EMS Trang 6 Luận Văn Thạc Sĩ – Điều Khiển Mô Hình Vật Nâng Từ Trường Hình 1.4 – Các thành phần của tàu đệm từ trƣờng hệ EMS 1. Công nghệ INDUCTRACK: đƣợc thiết kế và phát triển tại Mỹ dựa trên ý tƣởng của Halbach. Nguyên lý hoạt động dựa vào lực đẩy của các nam châm vĩnh cửu kết hợp với vật liệu siêu dẫn có thể đẩy một khối lƣợng nặng gấp 50 lần khối lƣợng của nó. Khi hệ thống đứng yên thì phải có bánh xe để chịu lực.

Hiện tại hệ thống tàu INDUCTRACK vẫn đang đƣợc nghiên cứu và phát triển tại Mỹ theo hƣớng sử dụng vật liệu siêu dẫn. Nâng bi từ trƣờng Trang 7 Luận Văn Thạc Sĩ – Điều Khiển Mô Hình Vật Nâng Từ Trường 1. Một số bài báo cáo nghiên cứu khoa học liên quan Slidimg mode Control of a Magnetic Levitaion System của hai tác giả N. Al-Muthairi và M.

Zribi [10]: Thiết kế bộ điều khiển trƣợt cho hệ thống nâng vật trong từ trƣờng đƣợc đƣa ra trong bài báo này. Bộ điều khiển này bảo đảm cho sự hiệu chỉnh trạng thái của hệ thống tiệm cận với trạng thái mong muốn. Và bài báo cũng quan tâm đến tính bền vững của hệ thống khi thông số của hệ thống thay đổi. High performance variable structure control of a magnetic levitation system của hai tác giả Mahdi J.

Kharaajoo và Farzan Rashidi [7]: Bài báo đề cập đến việc điều khiển điện áp đƣa vào hệ thống nâng vật trong từ trƣờng để bám theo tín hiệu đặt. Bộ điều khiển trƣợt đƣợc dùng để điều khiển thỏa mãn tính bền vững của hệ thống. PID Controller Design for Magnetic Levitation Model của tác giả Mária Hypiusová và Jakub Osuský [11]: Bài báo đề cập đến việc thiết kế bộ điều khiển PID cho hệ thống không ổn định SISO trong miền tần số (dựa vào biên độ pha). Tác giả bài báo đã áp dụng thực tế bộ điều khiển PID này cho hệ thống nâng vật trong từ trƣờng.

Linear and nonlinear state-space controllers for magnetic levitation của tác giả Walter Barie và John Chiasson [8]: Bài báo trình bày mô hình động học và phƣơng trình không gian trạng thái của hệ nâng vật từ trƣờng và mô phỏng hệ thống nâng vật từ trƣờng. A Simulink simulation framework of a MagLev model của các tác giả Hichem Boudali, R D Williams and T C Giras [6]: Bài báo này đã đƣa ra mô hình của tàu đệm từ trƣờng theo công nghệ EMS bao gồm mô hình hệ thống nâng vật, dẫn hƣớng và đẩy tàu tới. Bên cạnh đó, bài viết còn tiến hành mô phỏng sự tác động qua lại của các hệ thống với nhau. Trang 8 Luận Văn Thạc Sĩ – Điều Khiển Mô Hình Vật Nâng Từ Trường Generalized Design Models For EMS Maglev của tác giả Roger Goodall [9]: Tác giả của bài báo trình bày khái quát mô hình hệ thống nâng vật dùng nam châm điện.

Mô hình đƣa ra những nguyên lý cơ bản và những yếu tố đặc biệt trong thiết kế để cung cấp một mô hình tổng quát để có thể phù hợp cho mọi ứng dụng. Dynamic Behavior of Maglev Vehicle/Guideway System with Control của tác giả Huiguang Dai [12]: Tác giả của bài báo này trình bày mô hình tổng quát của tàu, mô hình nâng vật bằng nam châm và mô hình bộ điều khiển để dự đoán sự ảnh hƣởng của tàu trên đƣờng ray. Bên cạnh đó, bài báo còn cung cấp mô hình động học của 1 tàu đơn (single-car) và tàu có 3 toa (multiple-car) và tiến hành mô phỏng để nghiên cứu hoạt động của tàu và đƣờng ray. Ngoài ra, bài báo còn thiết kế bộ điều khiển LQR cho hệ thống.

Review of Maglev Train Technologies của các tác giả Hyung-Woo Lee, Ki-Chan Kim và Ju Lee [13]: Bài báo này tóm lƣợt các công nghệ của tàu đệm từ trƣờng dƣới góc nhìn kỹ thuật điện. Mục đích của bài báo này là giúp cho ngƣời đọc có cái nhìn tổng quát để làm sáng tỏ các công nghệ của tàu, giúp ta có định hƣớng trong nghiên cứu. Dynamic Simulation of the Maglev Guideway Design của tác giả Ren Shibo [14]: Trình bày đặc tính động học đƣờng ray của tàu và dùng phƣơng pháp số để mô phỏng hệ thống kết hợp của tàu. Phạm vi nghiên cứu Trong đề tài này, tác giả tìm hiểu và ứng dụng các phƣơng pháp điều khiển phi tuyến, trong đó chủ yếu là hai phƣơng pháp: Điều khiển trƣợt (Sliding Mode) và điều khiển toàn phƣơng tuyến tính LQR (Linear Quadratic Regulator).

Các mục tiêu chính của đề tài bao gồm:  Mô hình hóa đối tƣợng vật nâng từ trƣờng (nam châm điện).  Thực thi và ứng dụng phƣơng pháp điều khiển phi tuyến là điều khiển Trang 9 Luận Văn Thạc Sĩ – Điều Khiển Mô Hình Vật Nâng Từ Trường trƣợt (Sliding mode) và điều khiển LQR.  Thiết kế bộ điều khiển dựa vào hai phƣơng pháp điều khiển vừa nêu trên nền Matlab Simulink.  Thi công và chế tạo mô hình vật nâng từ trƣờng.

 Điều khiển thực nghiệm mô hình vật nâng từ trƣờng dựa trên bộ điều khiển đã thiết kế trên Matlab Simulink.  Rút ra những ƣu khuyết điểm và hƣớng phát triển của đề tài. Trang 10 Luận Văn Thạc Sĩ – Điều Khiển Mô Hình Vật Nâng Từ Trường CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT LIÊN QUAN 2. Từ trƣờng Từ trƣờng Từ trƣờng là môi trƣờng vật chất đặc biệt tồn tại quanh mỗi dòng điện, cũng là nơi có các điện tích chuyển động định hƣớng và tác dụng lực từ lên dòng điện đặt trong nó.