Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu kiểm định chất lượng vật liệu xây dựng tại Việt Nam ngày càng đòi hỏi độ chính xác cao theo các bộ tiêu chuẩn quốc gia như TCVN 3118:1993. Tiêu chuẩn này quy định quá trình nén mẫu bê tông phải duy trì tốc độ tăng tải ứng suất liên tục và ổn định với vận tốc không đổi cho đến khi mẫu bị phá hủy hoàn toàn. Tuy nhiên, phần lớn các thiết bị kiểm tra cơ tính phổ biến tại các phòng thí nghiệm kiểm định xây dựng (LAS-XD), tiêu biểu là dòng máy kéo nén vạn năng WE-1000B công suất 1000 kN xuất xứ từ Trung Quốc, vẫn đang sử dụng van kim cơ khí chỉnh tay. Cơ cấu này bộc lộ nhược điểm lớn khi phụ thuộc hoàn toàn vào kỹ năng của kỹ thuật viên, dẫn đến sai số vận tốc gia tải từ 15% đến 30% so với quy chuẩn, ảnh hưởng trực tiếp đến tính khách quan của số liệu giám định chất lượng công trình.

Nhằm giải quyết triệt để hạn chế trên, luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa tại Trường Đại học Cần Thơ năm 2017 đã thực hiện đề tài nghiên cứu cải tiến hệ thống điều khiển cho máy kéo nén vạn năng WE-1000B. Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là mô hình hóa toán học, nhận dạng tham số hệ thống thủy lực và thiết kế bộ điều khiển tự động ổn định vận tốc chuyển vị xilanh (hành trình 150 mm) cũng như ổn định vận tốc ứng lực nén (dải đo thử nghiệm an toàn đến 300 kN). Đề tài ứng dụng giải pháp tích hợp cụm van tỷ lệ lưu lượng EFBG-03-125 và van tỷ lệ áp suất EDG-01 kết hợp vi điều khiển ARM Cortex-M4 STM32F4. Kết quả nghiên cứu xây dựng thành công mô hình nhận dạng đạt độ tương thích trên 95% so với thực tế và thiết lập giải thuật điều khiển tối ưu, giúp nâng cao độ chính xác kiểm định, giảm thiểu sai số đo lường xuống dưới mức 3%.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng thủy lực học hiện đại kết hợp lý thuyết điều khiển tự động kinh điển. Hệ thống điều khiển máy kéo nén WE-1000B bao gồm 3 cấu trúc toán học chính:

  1. Mô hình van tỷ lệ chảy tràn áp suất: Hoạt động dựa trên sự cân bằng lực điện từ và động lực học dòng chảy, được biểu diễn qua phương trình vi phân phi tuyến bậc 2 mô tả mối quan hệ giữa điện áp điều khiển, độ dịch chuyển con trượt van chính và áp suất dầu ngõ ra.
  2. Mô hình van tỷ lệ lưu lượng EFBG-03-125: Có cuộn cảm tỷ lệ tổng trở 40 Ohm, được mô hình hóa bằng hàm truyền quán tính bậc 2 mô tả lưu lượng dòng chảy qua van tỷ lệ thuận với cường độ dòng điện điều khiển.
  3. Mô hình động lực học xilanh thủy lực một chiều: Dựa trên phương trình cân bằng lực với piston có khối lượng 800 kg, diện tích bề mặt tiếp xúc và hệ số cản nhớt dầu thủy lực chuẩn 1000 Ns/m, dẫn xuất ra hàm truyền quán tính bậc nhất giữa áp suất buồng nén và vận tốc dịch chuyển xilanh.

Bên cạnh đó, nghiên cứu tích hợp cấu trúc giải thuật điều khiển vi tích phân tỷ lệ PID với 3 thành phần độ lợi chính cùng khâu bù trễ pha (Phase-lag compensator) nhằm triệt tiêu dao động, bù trừ đặc tính trễ cơ học của van và tăng giới hạn dự trữ ổn định theo tiêu chuẩn đại số Routh-Hurwitz.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp chặt chẽ giữa phương pháp mô hình hóa lý thuyết và thực nghiệm khoa học. Dữ liệu thực nghiệm được thu thập trực tiếp từ hệ thống phần cứng máy WE-1000B kết nối bo mạch vi điều khiển STM32F407VGT6 hoạt động ở xung nhịp 168 MHz. Cỡ mẫu thực nghiệm bao gồm chuỗi 24 điểm đo vận tốc chuyển vị (tương ứng dải điện áp DAC từ 0,110 V đến 1,200 V) và 18 điểm đo lực nén (tương ứng dải điện áp từ 0,264 V đến 1,020 V cấp cho van áp suất).

Phương pháp chọn mẫu dựa trên việc quét dải điện áp tĩnh phân bố đều để ghi nhận đáp ứng trạng thái xác lập thông qua cảm biến khoảng cách quang học KEYENCE IL-300 và cảm biến áp suất SENSYS MSI56-10286X (dải đo cực đại 700 bar). Tín hiệu đo analog được số hóa bằng bộ ADC 12-bit tích hợp với tốc độ lấy mẫu 5,6 MSps, sau đó truyền về máy tính qua giao thức UART tốc độ 115.200 bps. Nhóm nghiên cứu lựa chọn công cụ System Identification Toolbox trên MATLAB để ước lượng hàm truyền theo thuật toán bình phương tối thiểu có trọng số. Lý do lựa chọn phương pháp này vì hệ thống thủy lực chứa nhiều thành phần phi tuyến và thông số nội tại khó đo đạc trực tiếp, việc nhận dạng vào-ra từ chuỗi dữ liệu thực nghiệm giúp mô hình phản ánh chân thực các yếu tố ma sát trượt và độ đàn hồi chất lỏng trong mốc thời gian nghiên cứu năm 2017.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình nhận dạng và thử nghiệm điều khiển trên hệ thống máy kéo nén WE-1000B đã mang lại các kết quả định lượng nổi bật:

  1. Độ chính xác nhận dạng mô hình toán học: Mô hình hàm truyền bậc 3 dạng P3Z đối với kênh điều khiển vận tốc đạt độ khớp 95,24%. Đối với kênh điều khiển ứng lực nén, mô hình dạng P31Z đạt độ khớp ấn tượng lên tới 98,86%, vượt trội hoàn toàn so với mô hình bậc 2 dạng P2Z (94,23%).
  2. Hiệu năng điều khiển ổn định vận tốc chuyển vị: Khi chưa có bộ điều khiển tối ưu, hệ thống có độ vọt lố lên đến 70% và thời gian xác lập kéo dài 0,8 giây. Sau khi tích hợp bộ bù trễ pha và bộ điều khiển PID với bộ thông số độ lợi tỷ lệ 6,3; độ lợi tích phân 1,3 và độ lợi vi phân 0,17, độ vọt lố giảm mạnh xuống dưới 3% (mức cải thiện hơn 95%), đồng thời thời gian xác lập rút ngắn về mức 0,2 giây.
  3. Hiệu năng điều khiển ổn định vận tốc gia lực: Hệ vòng kín ban đầu có độ vọt lố lên tới 85% và thời gian đáp ứng xác lập trên 3,0 giây. Khi áp dụng bộ điều khiển PID với bộ trọng số độ lợi tỷ lệ 12; độ lợi tích phân 11 và độ lợi vi phân 0,05, độ vọt lố được triệt tiêu xuống dưới 3%, thời gian xác lập đạt dưới 0,75 giây trong các bài thử tải thực nghiệm đến 300 kN.

Thảo luận kết quả

Sự suy giảm vượt bậc của độ vọt lố từ 85% xuống dưới 3% bắt nguồn từ việc xác định chính xác các điểm cực và điểm zero trong mô hình toán học thực tế. Trong các hệ thống truyền động thủy lực, hiện tượng trễ pha do lực ma sát gioăng phớt xilanh và quán tính của con trượt trong van thường tạo ra dao động lớn khi thay đổi áp suất đột ngột. Bằng cách thiết lập bộ bù trễ pha với hàm truyền hiệu chỉnh, hệ thống đã nới rộng biên độ dự trữ pha, cho phép khâu tích phân triệt tiêu hoàn toàn sai số xác lập mà không gây mất ổn định.

Khi biểu diễn đáp ứng hệ thống trên các đồ thị sóng hàm nấc và sóng hình sin, tín hiệu ngõ ra từ cảm biến áp suất bám sát đường cong tín hiệu đặt với độ trễ thời gian không đáng kể. So sánh với các nghiên cứu tiền nhiệm sử dụng biến tần điều khiển động cơ bơm dầu vốn chỉ áp dụng cho máy 1 xilanh đơn giản, giải pháp sử dụng van tỷ lệ trong luận văn này chứng minh tính ưu việt vượt trội khi vận hành trên cơ cấu đa xilanh (gồm 2 xilanh kẹp và 1 xilanh nén độc lập) của máy WE-1000B. Số liệu được tổng hợp chi tiết qua các bảng giá trị điện áp - lực nén và biểu đồ đáp ứng vòng kín, khẳng định giải thuật hoàn toàn đáp ứng các điều kiện biên nghiêm ngặt của tiêu chuẩn đo lường quốc gia.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu thực nghiệm thành công, luận văn đưa ra 4 nhóm đề xuất và lộ trình hành động thiết thực:

  1. Nâng cấp toàn diện cơ cấu chấp hành thủy lực: Thay thế dứt điểm van kim cơ khí bằng cụm van tỷ lệ áp suất EDG-01 và van tỷ lệ lưu lượng EFBG-03-125 cho các dòng máy nén WE-1000B hiện hữu. Mục tiêu đảm bảo tốc độ tăng lực ổn định với sai số dưới 2%, triển khai trong vòng 3 đến 6 tháng tại các phòng thí nghiệm kiểm định. Chủ thể thực hiện: Kỹ sư trạm bảo dưỡng và đơn vị kiểm định thiết bị.
  2. Số hóa mạch điều khiển và giao tiếp thu thập dữ liệu: Thay thế các mạch tương tự bằng bo mạch vi điều khiển 32-bit Cortex-M4, tích hợp khối chuyển đổi DAC 12-bit và bộ lọc tín hiệu cảm biến chuyên dụng RCV420. Mục tiêu rút ngắn chu kỳ trích mẫu xuống dưới 0,01 giây, thực hiện trong lộ trình 6 tháng. Chủ thể thực hiện: Kỹ sư tự động hóa và phát triển phần mềm nhúng.
  3. Phát triển phần mềm giám sát SCADA tích hợp thuật toán thích nghi: Xây dựng giao diện điều khiển trung tâm trên máy tính kết nối qua chuẩn truyền thông công nghiệp UART/RS485, lập trình bổ sung giải thuật Fuzzy-PID tự chỉnh định trọng số theo tải trọng mẫu từ 50 kN đến 1000 kN. Lộ trình thực hiện trong 12 tháng. Chủ thể thực hiện: Phòng kỹ thuật công nghệ thông tin và đo lường.
  4. Chuẩn hóa quy trình hiệu chuẩn định kỳ: Ban hành quy chuẩn vận hành và kiểm tra độ tuyến tính của cảm biến áp suất cùng độ nhạy van tỷ lệ theo chu kỳ 6 tháng một lần. Mục tiêu duy trì độ sẵn sàng thiết bị đạt 100% và tuân thủ nghiêm ngặt tiêu chuẩn TCVN 3118:1993. Chủ thể thực hiện: Trung tâm Kỹ thuật Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn là tài liệu tham khảo giá trị cho 4 nhóm đối tượng chuyên môn:

  1. Kỹ sư Tự động hóa và Thiết kế Hệ thống Thủy lực: Khai thác phương pháp mô hình hóa toán học các dòng van tỷ lệ, cách thiết lập mạch driver công suất và kinh nghiệm ứng dụng bộ kit STM32F4 để điều khiển các cơ cấu chấp hành công nghiệp có tải trọng xilanh trên 800 kg.
  2. Kỹ thuật viên và Cán bộ Quản lý Phòng thí nghiệm LAS-XD: Nắm bắt giải pháp nâng cấp, hiện đại hóa các dòng máy kéo nén vạn năng thế hệ cũ (WE-1000B, WE-6000) giúp tiết kiệm từ 50% đến 70% chi phí so với việc đầu tư mua mới máy điều khiển servo nhập khẩu từ Đức, Mỹ hay Nhật Bản.
  3. Học viên Cao học và Nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật Điều khiển: Sử dụng làm tài liệu tham khảo chuẩn mực về quy trình nhận dạng hệ thống thực nghiệm bằng MATLAB System Identification Toolbox với độ khớp trên 95%, kỹ thuật lập bảng Routh-Hurwitz và phương pháp tinh chỉnh bộ tham số PID.
  4. Doanh nghiệp Sản xuất và Chế tạo Máy Công cụ: Ứng dụng quy trình tích hợp cảm biến áp suất 700 bar và cảm biến dịch chuyển 300 mm vào các hệ thống máy ép thủy lực, máy thử tải đường băng và cánh tay robot công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao cần thay thế van kim cơ khí bằng van tỷ lệ trên máy kéo nén WE-1000B?
Van kim cơ khí điều khiển lưu lượng bằng tay không thể duy trì tốc độ gia tải không đổi theo tiêu chuẩn TCVN 3118:1993 khi độ cứng của mẫu vật liệu thay đổi liên tục trong quá trình nén. Van tỷ lệ áp suất EDG-01 và lưu lượng EFBG-03-125 cho phép điều khiển điện tử tự động thông qua tín hiệu DAC 12-bit, giúp triệt tiêu sai số con người và duy trì sai số ổn định lực dưới 3%.

Độ chính xác của mô hình nhận dạng toán học trong nghiên cứu đạt mức nào?
Dựa trên chuỗi số liệu thực nghiệm với 24 điểm đo vận tốc và 18 điểm đo lực nén, mô hình toán học nhận dạng bằng công cụ MATLAB đạt độ khớp 95,24% đối với hệ điều khiển vận tốc (dạng hàm truyền P3Z) và đạt 98,86% đối với hệ điều khiển ứng lực nén (dạng hàm truyền P31Z), đảm bảo độ tin cậy rất cao cho quá trình thiết kế bộ điều khiển.

Bộ điều khiển PID đã cải thiện các chỉ tiêu chất lượng hệ thống như thế nào?
Bộ điều khiển PID với bộ thông số tối ưu (độ lợi tỷ lệ 12, độ lợi tích phân 11, độ lợi vi phân 0,05 cho hệ lực) đã giảm độ vọt lố từ 85% xuống dưới 3%, đồng thời rút ngắn thời gian xác lập từ trên 3,0 giây xuống dưới 0,75 giây. Đối với hệ vận tốc, thời gian xác lập giảm từ 0,8 giây xuống 0,2 giây.

Vi điều khiển STM32F4 đóng vai trò gì trong cấu trúc phần cứng của đề tài?
Kit vi điều khiển STM32F407VGT6 hoạt động ở xung nhịp 168 MHz đảm nhận nhiệm vụ thu thập tín hiệu từ cảm biến áp suất và cảm biến vị trí với tốc độ lấy mẫu ADC 5,6 MSps, sau đó thực thi thuật toán điều khiển số và xuất điện áp qua bộ DAC 12-bit để điều khiển van tỷ lệ, đồng thời truyền dữ liệu giám sát UART 115.200 bps về máy tính.

Giới hạn an toàn tải trọng trong quá trình thực nghiệm của luận văn là bao nhiêu?
Mặc dù máy kéo nén WE-1000B có công suất danh định 1000 kN và hành trình xilanh 150 mm, nhóm nghiên cứu đã giới hạn dải thử nghiệm thực tế ở mức 300 kN (tương đương 30 tấn) và hành trình dịch chuyển 100 mm. Mức giới hạn này nhằm bảo vệ an toàn cho cơ cấu cơ khí và hệ thống gioăng phớt thủy lực trong giai đoạn thử nghiệm thuật toán.

Kết luận

  • Xây dựng thành công mô hình nhận dạng toán học cho hệ thống máy kéo nén vạn năng WE-1000B với độ chính xác đạt 95,24% cho kênh vận tốc và 98,86% cho kênh gia lực.
  • Thiết kế và tích hợp hoàn chỉnh phần cứng điều khiển dựa trên vi điều khiển STM32F4 kết hợp cụm van tỷ lệ lưu lượng EFBG-03-125 và van tỷ lệ áp suất EDG-01.
  • Tối ưu hóa thành công bộ điều khiển PID kết hợp bù trễ pha, giảm độ vọt lố từ 85% xuống dưới 3% và rút ngắn thời gian xác lập xuống phạm vi 0,2 đến 0,75 giây.
  • Kiểm chứng thực nghiệm thành công giải thuật điều khiển bám tín hiệu trên hệ thống thực ở dải tải trọng đến 300 kN, đáp ứng hoàn toàn tiêu chuẩn kiểm định xây dựng TCVN 3118:1993.
  • Định hướng phát triển trong 1 đến 2 năm tới tập trung mở rộng giải thuật điều khiển thông minh Fuzzy-PID thích nghi và triển khai thương mại hóa giải pháp cải tiến máy nén trên toàn quốc.

Quý độc giả và các đơn vị nghiên cứu có thể tham khảo toàn văn luận văn tại thư viện Trường Đại học Cần Thơ để tiếp cận chi tiết sơ đồ nguyên lý mạch, bảng thông số nhận dạng và mã nguồn giải thuật điều khiển máy kéo nén vạn năng WE-1000B.