Luận Văn Thạc Sĩ Về Mô Hình Hóa và Điều Khiển Xe Đệm Từ Trường

Khám phá luận văn thạc sĩ về kỹ thuật điều khiển và tự động hóa, mô hình hóa và điều khiển xe đệm từ trường trong nghiên cứu hiện đại.

• Tác giả: Phạm Đức Lân
• Người hướng dẫn: PGS.TS Dương Hoài Nghĩa
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG - HCM
• Chuyên ngành: Tự Động Hóa
• Đề tài: Mô Hình Hóa và Điều Khiển Xe Đệm Từ Trường
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Xe Đệm Từ Trường

Xe đệm từ trường, hay còn gọi là xe đệm từ, là một công nghệ giao thông hiện đại với khả năng vận chuyển an toàn ở tốc độ cao lên đến 500 km/h. Hệ thống này hoạt động dựa trên nguyên lý lực điện từ, giúp xe luôn nâng lên khỏi mặt đường, giảm thiểu ma sát và tiêu thụ năng lượng. Mô hình hóa hệ thống xe đệm từ trường không chỉ giúp hiểu rõ hơn về nguyên lý hoạt động mà còn tạo điều kiện cho việc phát triển các ứng dụng thực tiễn trong giao thông công cộng. Theo nghiên cứu, xe đệm từ có thể giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tiếng ồn, đồng thời nâng cao hiệu quả vận chuyển. Việc áp dụng công nghệ này trong các thành phố lớn như TP. Hồ Chí Minh có thể giải quyết vấn đề ùn tắc giao thông, đồng thời tạo ra một hệ thống giao thông công cộng hiện đại và bền vững.

1.1. Các Hệ Thống Xe Đệm Từ Trường Hiện Có

Hiện nay, có nhiều hệ thống xe đệm từ trường đang được triển khai trên thế giới, bao gồm hệ thống EMS (Electro Magnetic Suspension) của Đức và EDS (Electro Dynamic Suspension) của Nhật Bản. Mỗi hệ thống có nguyên lý hoạt động riêng, với EMS sử dụng nam châm điện để duy trì khoảng cách nâng tối đa 10 mm, trong khi EDS sử dụng nam châm siêu dẫn với khoảng cách nâng từ 10 đến 15 cm. Những hệ thống này không chỉ mang lại tốc độ cao mà còn đảm bảo an toàn cho hành khách. Việc nghiên cứu và phát triển các hệ thống này có thể mở ra nhiều cơ hội cho ngành giao thông vận tải trong tương lai.

II. Mô Hình Hóa Hệ Thống Xe Đệm Từ

Mô hình hóa hệ thống xe đệm từ trường là một bước quan trọng trong việc phát triển công nghệ này. Quá trình này bao gồm việc xây dựng các mô hình toán học để mô phỏng hành vi của xe trong các điều kiện khác nhau. Các mô hình này giúp phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của xe, từ đó tối ưu hóa thiết kế và cải thiện khả năng điều khiển. Cảm biến và điều khiển là hai yếu tố quan trọng trong mô hình hóa, cho phép hệ thống phản ứng nhanh chóng với các thay đổi trong môi trường. Việc áp dụng các thuật toán điều khiển hiện đại như LQR (Linear Quadratic Regulator) và điều khiển trượt giúp nâng cao độ chính xác và ổn định của hệ thống. Mô hình hóa không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn giảm thiểu chi phí sản xuất và bảo trì.

2.1. Mô Hình Hệ Thống Nâng

Mô hình hệ thống nâng trong xe đệm từ trường sử dụng lực điện từ để nâng xe lên khỏi mặt đường. Hệ thống này bao gồm các nam châm điện được điều khiển bởi vi xử lý, cho phép điều chỉnh lực nâng một cách chính xác. Việc mô phỏng hệ thống nâng giúp xác định các thông số tối ưu như khoảng cách nâng và lực từ cần thiết để duy trì sự ổn định. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc tối ưu hóa mô hình nâng có thể giảm thiểu tiêu thụ năng lượng và tăng cường hiệu suất hoạt động của xe. Điều này không chỉ có lợi cho việc phát triển xe đệm từ mà còn mở ra hướng đi mới cho các ứng dụng trong ngành giao thông vận tải.

III. Thiết Kế Giải Thuật Điều Khiển

Thiết kế giải thuật điều khiển cho xe đệm từ trường là một phần quan trọng trong việc đảm bảo hoạt động ổn định và an toàn của hệ thống. Các giải thuật điều khiển hiện đại như LQR và điều khiển trượt được áp dụng để tối ưu hóa quá trình điều khiển. Những giải thuật này giúp hệ thống phản ứng nhanh chóng với các thay đổi trong điều kiện hoạt động, từ đó duy trì khoảng cách nâng và tốc độ di chuyển ổn định. Việc mô phỏng các giải thuật điều khiển cho thấy khả năng cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống. Hơn nữa, việc áp dụng công nghệ điều khiển tự động hóa giúp giảm thiểu sự can thiệp của con người, nâng cao tính an toàn cho hành khách.

3.1. Mô Phỏng Hệ Thống Điều Khiển

Mô phỏng hệ thống điều khiển là bước quan trọng trong quá trình phát triển xe đệm từ trường. Sử dụng phần mềm mô phỏng như MATLAB/Simulink, các nhà nghiên cứu có thể kiểm tra và đánh giá hiệu suất của các giải thuật điều khiển trong các tình huống khác nhau. Mô phỏng cho phép phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của xe, từ đó đưa ra các điều chỉnh cần thiết để tối ưu hóa thiết kế. Kết quả mô phỏng cho thấy rằng việc áp dụng các giải thuật điều khiển hiện đại có thể cải thiện đáng kể khả năng phản ứng và ổn định của hệ thống, từ đó nâng cao trải nghiệm của hành khách.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ XE ĐỆM TỪ TRƢỜNG I. XE ĐỆM TỪ [15-18] Xe Đệm Từ hay còn gọi là xe Đệm Từ Trƣờng, là phƣơng tiện giao thông mới và hiện đại. Nó có những đặc điểm nổi bật nhƣ sau: I. Tốc độ: Khả năng vận chuyển an toàn ở tốc độ cao lên đến 500 km/h (hoặc cao hơn) và xấp xỉ gấp bốn lần tốc độ tối đa cho phép ở các đƣờng cao tốc trên thế giới (trên 100 km/h).

Hệ thống xe đệm từ trƣờng rất tiện lợi cho việc giao thông vận chuyển giữa các thành phố. Mức độ an toàn: Dù di chuyển với tốc độ cao, nhƣng lại rất an toàn khi so sánh với các loại hình vận tải khác. Do khi hoạt động xe luôn nâng và giữ ổn định bằng các lực điện từ, nên ít có khả năng trật đƣờng ray. Việc nâng xe lên khỏi đƣờng ray ở một khoảng cách nhất định, đảm bảo khi di chuyển sẽ không va chạm với các chƣớng ngại vật trên đƣờng ray.

Hầu nhƣ không có việc đụng nhau do sử dụng đƣờng dẫn riêng và hành khách không phải cài dây an toàn. Hạn chế ô nhiễm cho môi trƣờng: Khi xe di chuyển nó không xả khí vào môi trƣờng nhƣ máy bay, ô tô, gần nhƣ không có tiếng ồn. Tiêu thụ năng lƣợng ít: Do không thất thoát năng lƣợng do ma sát, trọng lƣợng xe nhẹ do hạn chế các thành phần cơ khí nên tiêu thụ năng lƣợng rất ít, ngoài ra xe còn sử dụng năng lƣợng điện. … HVTH: Phạm Đức Lân - mssv 12150085 Page 15 LUẬN VĂN CAO HỌC GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA II.

CÁC HỆ THỐNG XE ĐỆM TỪ TRƢỜNG HIỆN ĐANG CÓ[10] Hình 1.1: Hệ thống xe Maglev của Đức EMS (Electro Magnetic Suspension) Hình 1.2: Hệ thống xe Maglev của Nhật EDS (Electro Dynamic Suspension) Hình 1.3: Hệ thống xe Maglev của Mỹ AMT và của Anh Mặc dù đƣợc nghiên cứu từ thế kỷ 19 nhƣng đến năm 1969 ở Đức mới thiết kế mô hình hoàn thiện về xe đệm từ trƣờng và tiếp sau đó là Nhật, Mỹ, Anh, và gần đây là Trung Quốc, Brazin, và các nƣớc khác. Hai hệ thống xe đệm từ trƣờng EDS, EMS có nguyên tắc hoạt động khác nhau: HVTH: Phạm Đức Lân - mssv 12150085 Page 16 LUẬN VĂN CAO HỌC GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA Hệ EDS hiện đang hoạt động tại nhật, sử dụng nam châm siêu dẫn có khoảng cách nâng lên từ 10 đến 15 cm khi di chuyển nhƣng vẫn sử dụng bánh xe khi vào ga hay dừng lại, loại tàu này chỉ đƣợc nâng lên khi chuyển động tới vận tốc nhất định, năng lƣợng sử dụng bao gồm cung cấp cho tàu và cung cấp cho đƣờng dẫn, lực nâng của tàu là lực đẩy cùng cực tính của các nam châm siêu dẫn[11]. Hệ EMS do Đức chế tạo, có khoảng cách nâng tối đa 10 mm và luôn duy trì khoảng nâng khi hoạt động, di chuyển. Sau đây là các mốc thời gian phát triển tại hai quốc gia hàng đầu.

Germany Transrapid 01 1969- Built by Krauss-Maffei, first practical EMS levitation vehicle Transrapid 02 1971- Operated by K-M on a .93km track with EMS, max speed 164km/h Transrapid 03 1972- Operated by K-M on .93km track, max speed 140km/h Transrapid 04 1973- Operated by K-M on a 2.4km track, EMS support HMB1 1975- First vehicle with long armature LSM and EMS by T-H HMB2 1976- First passenger-carrying vehicle by Thyssen-Henshel Transrapid 05 1979- Emsland Test Facility started; Carried passengers up to 75km/h Transrapid 06 1983/4- First 21.5 km of Emsland opened; 302km/h achieved Transrapid 07 1993- Achieves speed of 450 km/h Transrapid 08 1999- Current system; Is the only COTS system available today. Japan 1972- Experimental superconducting maglev test vehicle ML-100 succeeded in 10 cm levitation. 1977- Test run of ML-500 vehicle on inverted-T guideway 1979- Unmanned ML-500 test vehicle achieved speed record of 517 km/h (321 mph) 1980- Test run of MLU001 vehicle of U-shaped guideway 1987- Speed of 400.8 km/h (249 mph) ahieved by 2-car manned vehicle 1990- Yamanashi Maglev Test Line construction plan approved 1996- 18.4km section of YMTL completed; MLX01 (3 cars) delivered 1997- Tests of MLX01 started. Speed record of 550 km/h (342 mph) on 12/24/97 1999- New speed record of 552 km/h (343 mph) in TMTL “Nguồn tài liệu từ Internet HTTP://MAGLEV.IR” HVTH: Phạm Đức Lân - mssv 12150085 Page 17 LUẬN VĂN CAO HỌC GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA III.

NHỮNG ĐỀ XUẤT VỚI XE ĐỆM TỪ[8] Năm 2006 New Zealand và Sweden đề xuất loại Maglev taxi cho 4 ngƣời, vận tốc di chuyển là 100 km/h và tối đa là 300km/h Hình 1.4: Xe đệm từ (Taxi 2000) Năm 2009 NASA giới thiệu trên Internet loại xe (the creators of flying car) với vận tốc tƣơng đƣơng 150 mph nhƣ hình sau[8]: Hình 1.5: Xe bay NASA Thế hệ xe vận chuyển hành khách tới sân bay của Anh Hình 1.6: Maglev England HVTH: Phạm Đức Lân - mssv 12150085 Page 18 LUẬN VĂN CAO HỌC GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA Hình 1.7 Xe đệm từ của tƣơng lai do Wolkwagen, Citroen, Nisan đề xuất[9] Ngoài ra còn có một số nƣớc khác đang nghiên cứu và phát triển hệ thống xe và xe đệm từ trƣờng cho giao thông công cộng nhƣ Hà Lan, Anh, Korea… Trƣờng đại học bang Georgia Mỹ đang cho hoạt động mô hình thử nghiệm xe đệm từ AMT. M3, ở Old Dominion University in Norfolk Virginia [10], hiện đang thử nghiệm mô hình Magnemotion trong nhà với chiều dài 48 m. HVTH: Phạm Đức Lân - mssv 12150085 Page 19 LUẬN VĂN CAO HỌC GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA IV. ỨNG DỤNG CỦA ĐỀ TÀI.

TP Hồ Chí Minh chiếm 8% dân số cả nƣớc nhƣng lƣợng xe máy lại chiếm đến 15% lƣợng xe máy cả nƣớc. Trong thời điểm hiện nay, việc phát triển các loại hình vận tải chở nhiều hành khách mà vẫn bảo đảm các yếu tố về môi trƣờng, diện tích chiếm dụng nhỏ sẽ là một giải pháp hiệu quả để giải quyết vấn đề ùn tắc giao thông. Mục tiêu của hệ thống giao thông công cộng là vào giai đoạn cuối năm 2020 sẽ giúp TP Hồ Chí Minh giảm một nửa lƣợng xe gắn máy lƣu thông trên đƣờng. Viện trƣởng Viện Quy hoạch và Quản lý GTVT (Trƣờng đại học GTVT Hà Nội) TS.

Khuất Việt Hùng phân tích, metro và các tuyến xe điện đƣợc xem là 'xƣơng sống' của giao thông công cộng của TP Hồ Chí Minh trong tƣơng lai, đáp ứng nhu cầu đi lại của ngƣời dân. Các dự án này sẽ giảm đƣợc tình trạng ùn tắc giao thông kéo dài. Giá trị sử dụng đất tại khu vực chung quanh nhà ga sẽ tăng lên nhờ các dịch vụ khác phát triển. Ðiều này cũng sẽ kéo theo cơ hội tạo việc làm cho nhiều lao động.

Metro và các tuyến xe điện khi vận hành đều sử dụng điện nên hiển nhiên sẽ giảm thấp nhất tác động của khí thải, khói bụi. tới môi trƣờng sống của ngƣời dân. Việc tiếp cận các công nghệ mới về phƣơng tiện vận tải hiện đại cũng sẽ giúp ngành công nghiệp chế tạo của Việt Nam phát triển.Tại các thành phố lớn của nƣớc ta đang có nhu cầu xây dựng hệ thống giao thông công cộng để giải quyết tình trạng quá tải, do đó nhu cầu xây dựng hệ thống là có thật và lợi ích mà hệ thống đem lại là rất lớn. Nguồn từ “http://www.vn/xahoi/giao-thong/item/12772902-.html” HVTH: Phạm Đức Lân - mssv 12150085 Page 20 LUẬN VĂN CAO HỌC GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG XE ĐỆM TỪ Hình 2.1: Mô hình hệ thống xe đệm từ [13] HVTH: Phạm Đức Lân - mssv 12150085 Page 21 LUẬN VĂN CAO HỌC GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA I.

MÔ HÌNH HỆ THỐNG NÂNG: Hình 2.2: Mô hình hệ thống nâng xe [17] Hệ phƣơng trình lực nâng: Lực nâng nâng xe lên và giữ cách đƣờng ray một khỏang không gian h. đƣợc điều khiển bởi giá trị dòng điện một chiều I. Phương trình mô tả là một hàm của I theo chiều dọc khe hở h Ta có :  h (2.3) Trong đó: o Am Diện tích mặt cực của nam châm điện = ab (dài nhân rộng) o Bm= Mật độ từ thông xuyên qua khe hở không khí o µ0= Độ từ thẩm của không khí Theo Meisenholde and Wang (1972, and p37) [13] HVTH: Phạm Đức Lân - mssv 12150085 Page 22 LUẬN VĂN CAO HỌC GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA Ta có biểu thức lực nâng ( ) * ( )+ (2.4) o h : Khe hở không khí giữa nam châm và đƣờng ray o mmf : Sức từ động o µi : Hệ số từ thẩm của sắt từ o w,g,a,b : Thông số kích thƣớc của mạch từ (theo hình 2.2) Lực nâng tác động theo hƣớng đi lên, cƣờng độ từ thông đƣợc giới hạn tại giá trị lớn nhất (bão hoà từ) của vật liệu sắt từ vì vậy cũng đƣợc giới hạn.5) o N : Số vòng dây quấn trong cuộn dây nam châm o I : Dòng điện chạy trong cuộn dây hút nam châm o Khoảng không cho phép o : Dòng điện cho phép trong cuộn hút nam châm o : Khe hở không khí giữa hai cuộn dây nam châm Với : µ0=4π×10-7 henry/meter, Bsat(giá trị mật độ từ thông của sắt từ khi ở ngưỡng bão hòa), h>>(µ0/µi)(w+g+2a) Khi đó công thức (2.6) trên đã đƣợc Nagurka and Wang (1995) áp dụng với nam châm điện có các thông số nhƣ sau: µ0=4π×10-7 henry/meter, a=5 cm, b=10cm, 𝑚𝑚 = 4,67×108amp. Và có kết quả tổng hợp nhƣ (hình 2.

HVTH: Phạm Đức Lân - mssv 12150085 Page 23 LUẬN VĂN CAO HỌC GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA Hình 2.3: Mối quan hệ lực nâng nam châm điện theo khoảng cách Mỗi bộ nâng bao gồm hai phần, một phần có nhiệm vụ cung cấp lực nâng cân bằng với trọng lƣợng của xe giữ cho xe ổn định tại vị trí quy định [19], phần còn lại đƣợc điều khiển bằng điện áp có nhiệm vụ giữ cho xe không trƣợt ra ngoài điểm quy định(bộ giữ), với xe đệm từ trƣờng có từ hai bộ nâng trở lên nên việc điều khiển các bộ nâng coi nhƣ nhau. Khi hoạt động bộ nâng luôn hoạt động để giữ cho xe có đƣợc vị trí thích hợp trên đƣơng dẫn, bộ giữ chỉ hoạt động khi xe lệch khỏi vị trí quy định trên đƣờng dẫn.7) o Nm : Số nam châm cho một bộ nâng o Nc : Số vòng của nam châm cung cấp lực nâng o Nt : Số vòng của nam châm cung cấp lực giữ. HVTH: Phạm Đức Lân - mssv 12150085 Page 24 LUẬN VĂN CAO HỌC GVHD: PGS.TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA II. MÔ HÌNH HỆ THỐNG DẪN HƢỚNG Hệ thống dẫn hƣớng có thể có hay không cần còn tùy theo cách bố trí các nam châm nâng (Hình 2.4), kết cấu xe đệm từ trƣờng không dẫn hƣớng Hình 2.4: Xe đệm từ trƣờng không cần dẫn hƣớng [20] II.