Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật chuyên ngành Kỹ thuật điện tử (mã số: 9520203) của nghiên cứu sinh Phạm Thanh Hà, thực hiện tại Viện Khoa học và Công nghệ quân sự (Bộ Quốc phòng) dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Đào Mộng Lâm và PGS.TS Vũ Khánh Xuân (năm 2022), tập trung giải quyết bài toán kỹ thuật đo lường lực chính xác cao. Đề tài nghiên cứu mang tên: "Nghiên cứu giải pháp nâng cao độ chính xác cho chuẩn đo lường lực kiểu khuếch đại đòn bẩy sử dụng gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng".

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Chuẩn đo lường lực giữ vị trí quan trọng trong hệ thống chuẩn đo lường quốc gia, đóng vai trò chuẩn đầu hoặc chuẩn thứ để duy trì đơn vị lực và truyền chuẩn cho các thiết bị đo cấp dưới. Trong các hệ thống máy chuẩn lực khuếch đại đòn bẩy (Lever Amplification Force Standard Machine - LA-FSM), xu hướng hiện đại hóa chuyển dịch từ cơ cấu dao - gối cơ khí thuần túy sang sử dụng gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng (bản lề đàn hồi tích hợp cảm biến tem biến dạng).

Tại Việt Nam, chuẩn đo lường lực dung lượng lớn LA-FSM 1MN (dải đo đến 1 MN, tỷ lệ khuếch đại $10:1$) lắp đặt tại Viện Đo lường Việt Nam (Khu Công nghệ cao Hòa Lạc) có độ không đảm bảo đo đạt mức $1 \times 10^{-4}$. Khi vận hành ở dải tải trọng lớn, hệ thống chịu tác động đồng thời của các dao động ký sinh cơ học (dao động con lắc, dao động bồng bềnh) và moment uốn do cong đòn bẩy. Khoảng trống kỹ thuật đặt ra là các nghiên cứu trước đây chỉ khảo sát rời rạc từng yếu tố nhiễu hoặc xử lý trên máy chuẩn lực quả cân trực tiếp (Deadweight Force Standard Machine - DW-FSM), chưa có mô hình động học hoàn chỉnh và thuật toán xử lý tín hiệu số tích hợp trực tiếp vào vòng lặp điều khiển cân bằng đòn bẩy của hệ LA-FSM.

Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu tổng quát của luận án là đề xuất giải pháp nâng cao độ chính xác cho chuẩn đo lường lực kiểu khuếch đại đòn bẩy sử dụng gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng bằng kỹ thuật điện tử, hướng tới giảm thiểu ảnh hưởng của các nhiễu dao động và moment ký sinh.

Các mục tiêu và nhiệm vụ cụ thể được đánh số theo văn bản gồm:

  1. Nghiên cứu tổng quan về các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác, bài toán tối ưu và tình hình nghiên cứu LA-FSM trong và ngoài nước.
  2. Xác lập mô hình kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy và mô hình toán học của nhiễu dao động ký sinh kiểu con lắc và kiểu bồng bềnh trong LA-FSM.
  3. Xây dựng giải pháp xử lý nhiễu dao động ký sinh bằng thuật toán lọc số đệ quy có đáp ứng xung dài vô hạn (IIR).
  4. Đánh giá hiệu quả xử lý nhiễu và khả năng nâng cao độ chính xác cho hệ thống LA-FSM thông qua mô phỏng.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Chuẩn đo lường lực kiểu khuếch đại đòn bẩy LA-FSM sử dụng gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng.
  • Phạm vi nghiên cứu: Các giải pháp nâng cao độ chính xác thông qua xử lý tín hiệu điện tử trong kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy; đối tượng khảo sát thực nghiệm và tham số hóa là hệ thống LA-FSM 1MN tại Viện Đo lường Việt Nam (VMI).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước đây

Tác giả đã hệ thống hóa các công trình nghiên cứu quốc tế và trong nước liên quan đến hai nhóm vấn đề chính:

  1. Khảo sát dao động ký sinh và giải pháp giảm thiểu trong máy chuẩn lực:

    • Dae-Im Kang, Byoung-Duk Lim (1996): Phân tích tín hiệu từ các đầu dò lực trong hệ tổ hợp Build-up trên máy DW-FSM, phát hiện dao động chu kỳ tần số khoảng $0,23\text{ Hz}$ (chuyển động con lắc) và $0,8 \div 1,5\text{ Hz}$ (dao động bồng bềnh), từ đó đề xuất thiết lập thời gian lấy trung bình bằng chu kỳ dao động.
    • Yon-Kyu Park, Dae-Im Kang (1999): Khảo sát thuộc tính động của DW-FSM tại Viện Nghiên cứu Chuẩn và Khoa học Hàn Quốc (KRISS), xác định tần số con lắc $(0,19 \div 0,23)\text{ Hz}$ và bồng bềnh $(0,67 \div 1,42)\text{ Hz}$. Công trình đề xuất kết hợp lấy trung bình thời gian và thử nghiệm bộ lọc thông thấp IIR để triệt tiêu thành phần xoay chiều (AC).
    • Yon-Kyu Park, Dae-Im Kang (2000, 2001): Khảo sát quỹ đạo chuyển động con lắc elip trên DW-FSM 100 kN tại KRISS, chỉ ra sự phụ thuộc của tần số vào mức tải trọng và chiều cao tâm khối của dàn quả cân.
    • Yon-Kyu Park và cộng sự (2009): Đánh giá thuật toán ước lượng trạng thái động trên DW-FSM 500 kN và kiểm soát tốc độ chất tải để giảm biên độ lắc.

  2. Cải tiến cấu trúc cơ - điện tử và bù khử moment ký sinh trong LA-FSM:

    • G. Gassmann (2001): Đánh giá hệ thống LA-FSM 110 kN/1,1 MN (EIM/GTM) sử dụng bản lề đàn hồi, chứng minh khả năng kiểm soát moment uốn ký sinh tại các khớp nối với sai số xuyên chéo nhỏ hơn $2,5 \times 10^{-6}$.
    • Lim Chi Kah, Bernd Glöckner, Thomas Allgeier (2003, 2004): Phát triển hệ thống LA-FSM 55 kN/2,2 MN (SPRING Singapore) với tỷ số đòn bẩy $40:1$, dùng cánh tay đòn thép nguyên khối, tem biến dạng $5000\text{ }\Omega$ và số hóa hoàn toàn mạch điều khiển servo, duy trì độ không đảm bảo đo $1 \times 10^{-4}$.
    • S. Titus, Falk Tegtmeier và cộng sự (2012): Tối ưu hóa LA-FSM 100 kN/1 MN của GTM với bộ 26 quả tải, thiết kế quang treo 4 cột hạ thấp trọng tâm và bao kín đòn bẩy nhằm ổn định nhiệt độ.
    • Ulrich Kolwinski, Daniel Schwind (2012, 2014): Nghiên cứu tự động bù độ cong cánh tay đòn bằng hàm đa thức thực nghiệm dựa trên việc kiểm soát lực dọc trục tại gối điện tử trên máy LA-FSM 100 kN/1 MN, đưa độ không đảm bảo đo xuống mức $9 \times 10^{-5}$.
Tác giả / Năm Đối tượng khảo sát Giải pháp kỹ thuật Kết quả đạt được
Dae-Im Kang, Byoung-Duk Lim (1996) DW-FSM và hệ Build-up Lọc trung bình theo chu kỳ dao động Nhận diện dải tần dao động $0,23\text{ Hz}$ và $(0,8 \div 1,5)\text{ Hz}$
Yon-Kyu Park, Dae-Im Kang (1999) DW-FSM tại KRISS Lấy trung bình thời gian kết hợp bộ lọc số IIR Tách thành phần DC/AC; tần số $(0,19 \div 0,23)\text{ Hz}$ và $(0,67 \div 1,42)\text{ Hz}$
G. Gassmann (2001) LA-FSM 110 kN/1,1 MN Bản lề đàn hồi đo biến dạng Kiểm soát moment ký sinh; thành phần xuyên chéo $< 2,5 \times 10^{-6}$
Lim Chi Kah và cs (2003, 2004) LA-FSM 55 kN/2,2 MN Điều khiển số, tem biến dạng $5000\text{ }\Omega$ Độ không đảm bảo đo $1 \times 10^{-4}$ với tỷ số truyền $40:1$
S. Titus và cs (2012) LA-FSM 100 kN/1 MN Bộ 26 quả tải, quang treo 4 cột Giảm biến dạng khung, ổn định nhiệt và môi trường
Ulrich Kolwinski, Daniel Schwind (2012, 2014) LA-FSM 100 kN/1 MN Bù cong đòn bẩy bằng hàm đa thức Giảm độ không đảm bảo đo đòn bẩy xuống $9 \times 10^{-5}$
VMI (2013 - 2014) LA-FSM 1MN (Việt Nam) Khai thác vận hành, đo gia tốc trọng trường $g$ Thiết lập chuẩn quốc gia dải lực đến 1 MN

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Các công trình quốc tế áp dụng giải pháp lọc số IIR mới chỉ dừng lại ở hệ tạo lực quả cân trực tiếp DW-FSM đơn kênh, chưa được thiết kế cho hệ khuếch đại đòn bẩy đa kênh LA-FSM với chuỗi biến đổi phức tạp: Lực $\rightarrow$ Moment $\rightarrow$ Tín hiệu điện $\rightarrow$ Lực điều chỉnh. Luận án lựa chọn giải quyết trọn vẹn việc thiết lập mô hình toán học động học kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy và thiết kế bộ lọc số IIR tối ưu cho hệ 3 gối điện tử của LA-FSM 1MN.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

Luận án vận dụng các cơ sở lý thuyết sau:

  1. Lý thuyết tạo lực chuẩn và nguyên lý khuếch đại đòn bẩy: Lực tạo ra từ hệ tải trọng trực tiếp có tính đến lực đẩy Archimedes trong không khí: $$F_1 = m \cdot g_{dp} \left(1 - \frac{\rho_a}{\rho_m}\right)$$ Trong đó: $m$ là khối lượng tải trọng, $g_{dp}$ là gia tốc trọng trường địa phương, $\rho_a$ là khối lượng riêng không khí, $\rho_m$ là khối lượng riêng vật liệu chế tạo quả tải. Lực chuẩn đầu ra của hệ khuếch đại đòn bẩy: $$F_2 = F_1 \cdot Q_{LA} = m \cdot g_{dp} \left(1 - \frac{\rho_a}{\rho_m}\right) \frac{l_1}{l_2}$$ Với $Q_{LA} = l_1/l_2$ là tỷ số khuếch đại ($l_1$ là chiều dài cánh tay đòn dài, $l_2$ là chiều dài cánh tay đòn ngắn).
  2. Lý thuyết cân bằng moment và biến đổi tín hiệu: Hệ thống sử dụng ba bản lề đàn hồi điện tử $H_1$ (khớp nối tải trọng), $H_2$ (khớp nối truyền lực), và $H_3$ (gối tựa trung tâm). Tín hiệu điện áp $u_1, u_2, u_3$ từ các cầu điện trở vi sai phản ánh trạng thái moment uốn $M_a, M_b, M_c$.
  3. Bài toán tối ưu hóa hệ thống đo lường: Tối ưu hóa theo tiêu chuẩn độ chính xác $\Delta$ với điều kiện ràng buộc kinh phí, công nghệ và độ tin cậy: $$u^*{tu} = \arg\min{u \in U} \Delta(u) \quad \text{với } T_{th}, M = \text{const}$$
  4. Lý thuyết xử lý tín hiệu số: Bộ lọc số đệ quy có đáp ứng xung dài vô hạn (IIR) cấu trúc tầng bậc 2 nối tiếp (Direct Form II / Cascaded Biquad) nhằm đảm bảo tính ổn định và triệt tiêu dải tần số dao động ký sinh cơ học.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp giải tích toán học: Xây dựng phương trình vi phân dao động của hệ quả treo theo mô hình con lắc đơn và con lắc phi tuyến, tính toán ảnh hưởng của lực quán tính, sức cản không khí, biến thiên nhiệt độ và lực đẩy bồng bềnh.
  • Phương pháp xử lý thông tin đo: Tổng hợp dữ liệu số $U_1, U_2, U_3$ từ 3 kênh biến dạng $H_1, H_2, H_3$ thành tín hiệu tổng $U_\Sigma$, từ đó xác định tín hiệu điều khiển động cơ cân bằng $U_{dc}$.
  • Phương pháp mô phỏng số: Ứng dụng phần mềm MATLAB để mô phỏng đáp ứng tần số, đáp ứng xung, quỹ đạo pha, điểm cực - điểm không của bộ lọc IIR và khảo sát các mức tải trọng danh định.

Nguồn tư liệu và dữ liệu thực nghiệm

Toàn bộ tham số kết cấu và môi trường được trích xuất từ dữ liệu kỹ thuật thực tế của hệ thống LA-FSM 1MN lắp đặt tại VMI (Hòa Lạc):

  • Khối lượng quả tải đơn vị: $m = 1021,953121\text{ kg}$, lượng hiệu chỉnh $2530\text{ mg}$, độ không đảm bảo đo $\Delta m = 5110\text{ mg}$.
  • Gia tốc trọng trường đo đạc năm 2014 (VMI phối hợp KRISS): $g = 9,78664322\text{ m/s}^2$, sai số $\Delta g = 45 \times 10^{-8}\text{ m/s}^2$.
  • Khối lượng riêng quả cân: $\rho_m = 7950\text{ kg/m}^3$, $\Delta \rho_m = 80\text{ kg/m}^3$.
  • Khối lượng riêng không khí tính theo công thức CIPM: $\rho_a = 1,194774\text{ kg/m}^3$, $\Delta \rho_a = 0,0548\text{ kg/m}^3$.
  • Kích thước đòn bẩy danh định: $l_1 = 1260\text{ mm}$, $l_2 = 126\text{ mm}$ ($Q_{LA} = 10$).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về nghiên cứu nâng cao độ chính xác cho chuẩn đo lường lực kiểu khuếch đại đòn bẩy sử dụng gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng và hướng nghiên cứu của luận án

Chương 1 phân tích nguyên lý cấu tạo của LA-FSM từ cơ cấu dao - gối cơ khí truyền thống đến cơ cấu gối điện tử kiểm soát độ biến dạng. Tác giả đi sâu mổ xẻ các nguồn gốc gây sai số trong hệ thống:

  1. Phân tích các thành phần sai số định lượng:

    • Sai số tương đối do sai lệch khối lượng quả tải: $$\frac{\Delta F(m)}{F} = \frac{5110\text{ mg}}{1021953121\text{ mg} - 2530\text{ mg}} \approx 5 \times 10^{-6}$$
    • Sai số tương đối do gia tốc trọng trường: $$\frac{\Delta F(g)}{F} = \frac{0,00000045}{9,78664322} \approx 4,6 \times 10^{-8}$$
    • Sai số do lực đẩy không khí: $$\frac{\Delta F(\rho_a)}{F} = \frac{0,0548}{7950 - 1,194774} \approx 6,9 \times 10^{-6}$$
    • Sai số do khối lượng riêng vật liệu: $$\frac{\Delta F(\rho_m)}{F} = \frac{1,194774 \times 80}{(7950 - 1,194774) \times 7950} \approx 1,5 \times 10^{-6}$$
    • Sai số do gia công chiều dài cánh tay đòn cơ khí (nếu dùng dao - gối phẳng): sai lệch $\Delta l_1 = \pm 0,2\text{ mm}$ dẫn đến sai số $1,59 \times 10^{-4}$; sai lệch $\Delta l_2 = \pm 0,3\text{ mm}$ dẫn đến sai số lên tới $2,38 \times 10^{-3}$.
    • Sai lệch góc nghiêng mặt bàn nén ($\alpha_n \le 0,03^\circ$) gây sai số $\delta F_n = 1 - \cos(0,03^\circ) \approx 1,37 \times 10^{-7}$.
    • Sai lệch không đồng trục ngàm kéo ($\alpha_l = 0,01^\circ$) gây sai số $\delta F_l = 1 - \cos(0,01^\circ) \approx 1,52 \times 10^{-8}$.

  2. Xác lập bài toán nghiên cứu của luận án: Tác giả kết luận rằng các dao động ký sinh cơ học trong hệ treo (tần số thấp $0,19 \div 1,42\text{ Hz}$) và moment uốn do biến dạng cong đòn bẩy ở mức tải $> 500\text{ kN}$ là những nguyên nhân chính làm suy giảm độ chính xác của LA-FSM. Luận án lựa chọn giải pháp tác động vào khâu xử lý thông tin đo của kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy bằng kỹ thuật số.

Chương 2: Xác lập mô hình kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy và mô hình nhiễu dao động ký sinh trong LA-FSM

Chương 2 thiết lập mô hình vật lý và toán học của chuỗi biến đổi tín hiệu trong LA-FSM sử dụng 3 gối điện tử:

  1. Mô hình hóa kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy:

    • Hệ thống đòn bẩy được liên kết động học qua 3 bản lề đàn hồi $H_1, H_2, H_3$.
    • Khi có tải trọng $F_1$ tác dụng, xuất hiện các góc xoay đàn hồi $\alpha_a, \alpha_b, \alpha_c$ và các moment uốn $M_a, M_b, M_c$.
    • Tín hiệu điện áp vi sai ra từ cầu đo tem biến dạng tại các gối: $$u_i(t) = K_{Bi} \cdot M_i(t) + n_i(t) \quad (i = 1, 2, 3)$$
    • Các tín hiệu được khối biến đổi đo lường (BĐĐL) khuếch đại, số hóa thành các chuỗi số $U_1, U_2, U_3$, sau đó tổng hợp thành tín hiệu $U_\Sigma$ cung cấp cho thuật toán tính toán lực điều chỉnh $\Delta F_{2dc}$ điều khiển động cơ servo bàn trượt đòn bẩy (BTĐB).

  2. Mô hình hóa nhiễu dao động ký sinh kiểu con lắc và bồng bềnh:

    • Nhiễu dao động kiểu con lắc (pendulum): Hệ quả treo có chiều dài quang treo $l_a, l_b$ dao động với góc lệch ban đầu $\theta_0$. Phương trình dao động xét đến lực cản môi trường và gia tốc quán tính tạo ra thành phần lực hướng tâm $F_{hta}(t)$ biến thiên tuần hoàn với tần số góc riêng $\omega_{con_lac} \approx \sqrt{g/L}$.
    • Nhiễu dao động kiểu bồng bềnh (bounce-mode): Hình thành do sự tương tác đàn hồi của quang treo kết hợp biến động lực đẩy Archimedes và biến thiên nhiệt độ, tạo dao động dọc trục tần số góc $\omega_{bong_benh}$.
    • Mô hình tín hiệu tổng hợp trong kênh điều khiển: Tín hiệu lực tổng hợp tác động lên đòn bẩy gồm thành phần lực tĩnh danh định $F_1, F_2$, thành phần sai lệch tĩnh và các hàm nhiễu dao động tắt dần theo thời gian $\Delta F_{(N-td)l1}(t)$ và $\Delta F_{(N-td)l2}(t)$.

Chương 3: Xây dựng giải pháp xử lý nhiễu dao động ký sinh cho tín hiệu kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy của LA-FSM bằng áp dụng thuật toán lọc IIR

Chương 3 trình bày việc thiết kế, cài đặt và mô phỏng đánh giá thuật toán lọc số IIR tối ưu cho hệ thống:

  1. Thiết lập đặc tả và thiết kế bộ lọc IIR':

    • Xác định dải thông, dải chắn phù hợp với dải phổ của tín hiệu cân bằng tĩnh (thành phần DC) và dải phổ của nhiễu dao động ký sinh ($0,19\text{ Hz} \div 1,5\text{ Hz}$).
    • Tác giả so sánh 4 phương pháp thiết kế bộ lọc kinh điển: Butterworth, Chebyshev Type I, Chebyshev Type II và Elliptic.
    • Lựa chọn cấu trúc bộ lọc đệ quy IIR bậc $S$, thực hiện dưới dạng ghép nối tiếp các tầng lọc bậc 2 (biquad DCR) để hạn chế sai số lượng tử hóa hệ số và đảm bảo tính ổn định tuyệt đối (các điểm cực nằm hoàn toàn bên trong vòng tròn đơn vị trên mặt phẳng $Z$).

  2. Kết quả mô phỏng xử lý nhiễu tại các mức tải trọng: Hiệu quả lọc nhiễu dao động ký sinh và nhiễu tổng hợp được khảo sát qua mô phỏng trên MATLAB tại 5 mức tải trọng thực tế của máy LA-FSM 1MN (sử dụng từ 1 đến toàn bộ 26 quả tải):

Mức tải khảo sát (N) Số quả tải sử dụng Đặc điểm dao động ký sinh ban đầu Mức suy giảm nhiễu sau lọc IIR'
20 000 1 quả tải nhỏ nhất Biên độ dao động lớn, tần số xấp xỉ $0,23\text{ Hz}$ Giảm rõ rệt biên độ dao động, tín hiệu nhanh chóng xác lập trạng thái tĩnh
100 000 Tổ hợp quả tải Xuất hiện dao động bồng bềnh kết hợp dao động lắc Triệt tiêu các đỉnh dao động xoay chiều AC trong kênh cân bằng
200 000 Tổ hợp quả tải Tần số dao động con lắc dịch chuyển về phía dải thấp Đáp ứng tín hiệu trơn tru, loại bỏ thành phần thăng giáng ngẫu nhiên
500 000 Dàn quả tải trung bình Bắt đầu xuất hiện ảnh hưởng của moment uốn cong đòn bẩy Khôi phục chính xác mức điện áp tương ứng với vị trí cân bằng đòn bẩy
1 000 000 Toàn bộ 26 quả tải Tải toàn phần, tần số dao động thấp nhất, quán tính lớn Triệt tiêu hoàn toàn tổ hợp nhiễu cộng, giữ sai số trong giới hạn cho phép

Kết quả mô phỏng khẳng định thuật toán lọc IIR cấu trúc tầng bậc 2 giúp hệ thống xác định vị trí cân bằng đòn bẩy ổn định, giảm thiểu phương sai của tín hiệu điều khiển động cơ servo, qua đó cải thiện độ chính xác thiết lập lực chuẩn đầu ra.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt lý luận khoa học

  1. Xác lập thành công mô hình động học hoàn chỉnh cho kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy của máy chuẩn lực kiểu khuếch đại đòn bẩy sử dụng 3 gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng, biểu diễn tường minh chuỗi biến đổi vật lý: Lực $\rightarrow$ Moment $\rightarrow$ Tín hiệu điện $\rightarrow$ Lực điều chỉnh.
  2. Xây dựng mô hình toán học giải tích mô tả quá trình hình thành, biến đổi và đặc tính phổ của nhiễu dao động ký sinh kiểu con lắc và kiểu bồng bềnh trong hệ tạo lực tải trọng của LA-FSM.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn

  1. Đề xuất và thiết kế thuật toán lọc số đệ quy IIR cấu trúc tầng bậc 2 chuyên biệt cho kênh đo và điều khiển cân bằng đòn bẩy, giúp triệt tiêu các thành phần dao động ký sinh cơ học mà các phương pháp cơ khí thuần túy khó xử lý.
  2. Cung cấp luận cứ khoa học và bộ tham số kỹ thuật để nâng cấp, tối ưu hóa thuật toán điều khiển cho máy chuẩn đo lường lực LA-FSM 1MN tại Viện Đo lường Việt Nam.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Ứng dụng thuật toán lọc IIR đã thiết kế vào phần mềm điều khiển nhúng trên máy tính công nghiệp điều khiển máy LA-FSM 1MN tại Hòa Lạc.
  • Tiếp tục hiệu chỉnh các hệ số lọc linh hoạt theo từng mức tải trọng thực tế khi thay đổi số lượng quả tải được chất.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Các đánh giá hiệu quả xử lý nhiễu của bộ lọc IIR trong luận án chủ yếu được thực hiện bằng phương pháp mô phỏng số học trên công cụ MATLAB dựa trên tập tham số kỹ thuật thực tế; văn bản chưa công bố số liệu kiểm định thực tế sau khi nạp code trực tiếp vào phần cứng nhúng thời gian thực của máy LA-FSM 1MN. Ngoài ra, hàm đa thức bù cong đòn bẩy chưa được giải trình tường minh do tính chất bảo mật công nghệ gốc từ nhà sản xuất.
  • Hướng nghiên cứu tiếp: Triển khai nhúng thuật toán lọc số IIR lên bộ xử lý tín hiệu số (DSP) hoặc vi điều khiển của hệ thống điều khiển servo thực tế; thử nghiệm đánh giá độ không đảm bảo đo mở rộng của chuẩn lực LA-FSM 1MN sau khi tích hợp giải pháp.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên sâu cho:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Chuyên ngành Kỹ thuật điện tử, Kỹ thuật đo lường và Điều khiển tự động tham khảo phương pháp mô hình hóa hệ thống cơ - điện tử phức hợp và kỹ thuật thiết kế bộ lọc số đệ quy xử lý tín hiệu cảm biến.
  • Kỹ sư và cán bộ đo lường: Làm việc tại Viện Đo lường Quốc gia, các trung tâm đo lường thử nghiệm và hiệu chuẩn có thể khai thác mô hình toán học sai số và phương pháp vận hành chuẩn lực kiểu khuếch đại đòn bẩy dung lượng lớn.
  • Phần đáng tham khảo nhất: Phương pháp thiết lập phương trình moment tại 3 gối điện tử đàn hồi ở Chương 2 và cấu trúc thiết kế tầng lọc số IIR bậc 2 ở Chương 3.

Câu hỏi thường gặp

1. Chuẩn đo lường lực LA-FSM khác gì so với máy chuẩn lực DW-FSM truyền thống?

Máy DW-FSM tạo lực thuần túy bằng cách treo trực tiếp quả cân quả tải trong trọng trường ($F = m \cdot g$), do đó để tạo ra lực hàng meganewton (MN) đòi hỏi dàn quả cân khổng lồ, chi phí cơ khí rất cao. Máy LA-FSM kết hợp dàn quả cân nhỏ hơn với hệ thống đòn bẩy khuếch đại ($F_2 = F_1 \cdot Q_{LA}$), cho phép mở rộng dải đo lên hàng MN với kích thước thiết bị gọn hơn.

2. Ba gối điện tử ($H_1, H_2, H_3$) trong LA-FSM có vai trò gì?

Ba gối điện tử là các bản lề đàn hồi tích hợp cầu điện trở tem biến dạng. $H_1$ đặt tại khớp nối hệ tải trọng - cánh tay đòn, $H_2$ tại khớp nối cánh tay đòn - hệ truyền lực, và $H_3$ tại gối tựa trung tâm đòn bẩy. Chúng biến đổi các moment uốn ký sinh và độ lệch cân bằng thành tín hiệu điện áp vi sai ($u_1, u_2, u_3$) để máy tính kiểm soát trạng thái cân bằng đòn bẩy.

3. Tần số dao động ký sinh con lắc và bồng bềnh nằm trong dải nào?

Theo các khảo sát thực nghiệm được trích dẫn trong luận án, dao động kiểu con lắc của hệ quả treo có tần số thấp khoảng $(0,19 \div 0,28)\text{ Hz}$, trong khi dao động kiểu bồng bềnh dọc trục có tần số khoảng $(0,67 \div 1,42)\text{ Hz}$.

4. Vì sao tác giả chọn bộ lọc số IIR thay vì lấy trung bình thời gian đơn thuần?

Phương pháp lấy trung bình thời gian đòi hỏi độ dài cửa sổ quan sát phải thay đổi liên tục theo từng mức tải trọng do tần số dao động thay đổi theo khối lượng dàn quả cân. Bộ lọc số IIR bậc cao (cấu trúc ghép tầng bậc 2) cho phép triệt tiêu hiệu quả các thành phần dao động xoay chiều AC trong toàn bộ dải tần nhiễu ký sinh mà vẫn giữ nguyên thành phần một chiều DC của tín hiệu đo cân bằng.

5. Dữ liệu thực nghiệm của LA-FSM 1MN tại Việt Nam có những thông số cơ bản nào?

Hệ thống sử dụng tỷ số đòn bẩy $10:1$ ($l_1 = 1260\text{ mm}, l_2 = 126\text{ mm}$), bộ 26 quả tải, gia tốc trọng trường tại Hòa Lạc $g = 9,78664322\text{ m/s}^2$, khối lượng riêng không khí $\rho_a = 1,194774\text{ kg/m}^3$, khối lượng riêng vật liệu quả tải $\rho_m = 7950\text{ kg/m}^3$, đạt độ không đảm bảo đo danh định ban đầu là $1 \times 10^{-4}$.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Phạm Thanh Hà đã giải quyết bài toán nâng cao độ chính xác cho máy chuẩn đo lường lực kiểu khuếch đại đòn bẩy sử dụng gối điện tử thông qua phương pháp xử lý tín hiệu số. Bằng việc xây dựng mô hình động học kênh điều khiển cân bằng và thiết kế bộ lọc số đệ quy IIR tối ưu, công trình đã xử lý hiệu quả ảnh hưởng của nhiễu dao động ký sinh kiểu con lắc và bồng bềnh. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và giải pháp kỹ thuật trực tiếp để khai thác, nâng cao chất lượng chuẩn đo lường lực quốc gia 1 MN tại Việt Nam.