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.
