Luận văn thạc sĩ về điều khiển máy trộn nhựa composite tại HCMUTE

• Tác giả: Nguyễn Lê Hùng Danh
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Chí Ngôn
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử
• Đề tài: Điều Khiển Máy Trộn Nhựa Composite
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu
• 1.2. Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.3. Mục đích của đề tài
• 1.4. Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn của đề tài
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu

I. Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu

Vật liệu Composite là sản phẩm được tạo ra từ sự kết hợp của hai hoặc nhiều vật liệu khác nhau, nhằm tạo ra một vật liệu mới với tính năng vượt trội hơn. Ngành khoa học về vật liệu Composite đã phát triển mạnh mẽ từ những năm 1950, đặc biệt trong công nghệ chế tạo tên lửa. Ngày nay, nhựa composite được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như y tế, giao thông, và thể thao. Tính ưu việt của nhựa composite nằm ở khả năng chế tạo các sản phẩm với yêu cầu kỹ thuật đa dạng. Tuy nhiên, chất lượng sản phẩm phụ thuộc vào quy trình trộn nhựa composite. Việc trộn không đồng đều có thể dẫn đến sản phẩm kém chất lượng, do đó, việc nghiên cứu và phát triển các loại máy trộn là rất cần thiết.

1.1. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Nghiên cứu về máy trộn nhựa composite đã được thực hiện ở nhiều quốc gia. Tại Mỹ và Pháp, máy trộn dạng xoắn được ưa chuộng nhờ vào khả năng trộn tốt. Tuy nhiên, các máy này thường có cấu tạo phức tạp và tiêu thụ điện năng cao. Ở Việt Nam, các máy trộn chủ yếu được nhập khẩu hoặc chế tạo theo mẫu có sẵn, nhưng vẫn chưa đáp ứng được nhu cầu của hộ gia đình và phòng thí nghiệm. Do đó, nghiên cứu này hướng đến việc thiết kế máy trộn nhựa composite quy mô nhỏ, giá thành hợp lý, phục vụ cho nhu cầu sửa chữa và sản xuất tại địa phương.

II. Mục đích và nhiệm vụ của đề tài

Mục đích chính của nghiên cứu này là thiết kế và chế tạo bộ điều khiển PID số cho máy trộn nhựa composite sử dụng động cơ điện DC. Bộ điều khiển này không chỉ có công suất nhỏ mà còn có chi phí thiết kế và chế tạo thấp, phù hợp với quy mô ứng dụng nhỏ tại Đồng bằng sông Cửu Long. Hệ thống điều khiển sẽ cho phép người dùng tự tính toán vận tốc và thời gian trộn phù hợp với tỷ lệ nhựa composite. Điều này giúp tối ưu hóa quy trình trộn và nâng cao chất lượng sản phẩm.

2.1. Nhiệm vụ cụ thể của đề tài

Nhiệm vụ của nghiên cứu bao gồm thiết kế và chế tạo bộ điều khiển PID số, điều khiển tốc độ quay của động cơ điện DC. Hệ thống sẽ có khả năng tiếp nhận điều khiển từ máy tính và hiển thị thông số trên màn hình LCD. Ngoài ra, bộ điều khiển sẽ được khảo sát thực tế để thu thập dữ liệu về hiệu suất trộn, từ đó đưa ra các đề xuất cải tiến cho quy trình sản xuất nhựa composite.

III. Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu bao gồm việc tìm hiểu các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển, nguyên tắc hoạt động của bộ điều khiển PID, và các phương pháp ổn định tốc độ động cơ. Việc sử dụng vi điều khiển MCU-MSP430 sẽ giúp tối ưu hóa quá trình điều khiển và nâng cao hiệu suất của máy trộn nhựa composite. Các thí nghiệm thực tế sẽ được thực hiện để đánh giá hiệu quả của hệ thống điều khiển, từ đó đưa ra các kết luận và khuyến nghị cho việc phát triển máy trộn trong tương lai.

3.1. Thiết kế hệ thống điều khiển

Hệ thống điều khiển sẽ được thiết kế dựa trên nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển PID. Các thành phần như vi xử lý, khối hiển thị LCD, và khối công suất sẽ được tích hợp để tạo thành một hệ thống hoàn chỉnh. Việc thiết kế này không chỉ đảm bảo tính chính xác trong điều khiển mà còn giúp tiết kiệm năng lượng, đáp ứng nhu cầu sử dụng trong các phòng thí nghiệm và hộ gia đình.

Tổng quan nghiên cứu

Vật liệu Composite là sự kết hợp của hai hay nhiều vật liệu khác nhau nhằm tạo ra vật liệu mới có tính năng vượt trội hơn so với vật liệu ban đầu. Theo ước tính, vật liệu Composite đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như y tế, giáo dục, giao thông, thể thao, điện tử viễn thông với vai trò quan trọng trong việc nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu quả sử dụng. Tuy nhiên, chất lượng cơ tính của sản phẩm Composite phụ thuộc rất lớn vào quá trình trộn nhựa Composite nóng chảy với các vật liệu gia cường khác. Hiện nay, các máy trộn nhựa Composite công nghiệp có dung tích lớn và giá thành cao, chưa phù hợp với quy mô nhỏ như hộ gia đình hoặc phòng thí nghiệm.

Tại Đồng bằng sông Cửu Long, nhu cầu sử dụng tàu thuyền Composite để vận chuyển hàng hóa và nông sản ngày càng tăng. Quá trình vận chuyển dễ gây rạn nứt, vỡ nhỏ trên các phương tiện này, dẫn đến nhu cầu sửa chữa bằng vật liệu Composite tại chỗ. Do đó, việc thiết kế máy trộn nhựa Composite quy mô nhỏ, giá thành thấp, dễ sử dụng là rất cần thiết. Mục tiêu nghiên cứu là thiết kế và chế tạo bộ điều khiển máy trộn nhựa Composite tự động sử dụng động cơ điện DC, có khả năng truyền thông với máy tính, tính toán thời gian và tốc độ quay phù hợp với tỷ lệ nhựa pha trộn nhằm tối ưu quy trình trộn.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào thiết kế bộ điều khiển PID số sử dụng vi điều khiển MCU MSP430, áp dụng cho máy trộn nhựa Composite quy mô nhỏ tại phòng thí nghiệm và hộ gia đình, đặc biệt phù hợp với điều kiện thực tế tại Đồng bằng sông Cửu Long. Nghiên cứu có ý nghĩa lớn trong việc nâng cao chất lượng sản phẩm Composite, giảm chi phí sản xuất và hỗ trợ người dân tự sửa chữa các sản phẩm Composite.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình điều khiển tự động, đặc biệt là bộ điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative). Bộ điều khiển PID được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp nhờ khả năng điều chỉnh chính xác, đáp ứng nhanh và ổn định hệ thống. Các thành phần chính của hệ thống điều khiển gồm: thiết bị đo lường (cảm biến), bộ điều khiển và đối tượng điều khiển (động cơ DC).

Nguyên tắc điều khiển phản hồi được áp dụng để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và chính xác. Các nguyên tắc thiết kế bộ điều khiển PID bao gồm: điều khiển bù nhiễu, san bằng sai lệch, phối hợp điều khiển, đa dạng tương xứng, bổ sung ngoài, dự trữ và phân cấp. Phương pháp thiết kế bộ điều khiển PID được thực hiện bằng phương pháp rời rạc, phù hợp với vi điều khiển số.

Ngoài ra, nghiên cứu còn ứng dụng các phương pháp ổn định tốc độ động cơ DC bằng PID, sử dụng biểu đồ Bode và phương pháp QĐNS để xác định các thông số KP, KI, KD nhằm đạt được chất lượng điều khiển tối ưu. Vi điều khiển MCU MSP430 của Texas Instruments được lựa chọn làm bộ xử lý trung tâm nhờ tính năng lấy mẫu tín hiệu, xử lý thuật toán PID và giao tiếp với máy tính.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các thí nghiệm thực tế tại phòng thí nghiệm Khoa Công nghệ, Trường Đại học Cần Thơ. Cỡ mẫu gồm 12 hỗn hợp bột đá – Composite với các tỷ lệ pha trộn khác nhau (50%-50%, 60%-40%, 70%-30%, 75%-25%) được trộn ở ba tốc độ quay động cơ DC (70, 80, 90 vòng/phút). Mỗi lần trộn sử dụng 1 kg hỗn hợp.

Phương pháp phân tích bao gồm: thiết kế phần cứng bộ điều khiển PID số sử dụng MCU MSP430, xây dựng phần mềm điều khiển trên máy tính để điều khiển động cơ và thu thập dữ liệu, khảo sát thực tế quá trình trộn hỗn hợp Composite, đo kiểm cơ tính sản phẩm theo tiêu chuẩn ISO 178:2003 bằng máy đo zwick/roell HT50P.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ năm 2014 đến 2016, bao gồm các giai đoạn: tìm hiểu lý thuyết, thiết kế phần cứng, phát triển phần mềm, thực hiện thí nghiệm và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Đáp ứng hệ thống điều khiển: Bộ điều khiển PID số sử dụng MCU MSP430 điều khiển động cơ DC ổn định với sai số rất nhỏ so với vận tốc đặt. Hệ thống đáp ứng nhanh và chính xác, phù hợp với yêu cầu trộn nhựa Composite.

2. Thời gian trộn hỗn hợp theo tỷ lệ và tốc độ quay:

   • Ở tốc độ 70 vòng/phút, thời gian trộn đều hỗn hợp dao động từ 3 phút (50%-50%) đến 4 phút 7 giây (75%-25%).
   • Ở tốc độ 80 vòng/phút, thời gian giảm xuống từ 2 phút 48 giây đến 3 phút 52 giây.
   • Ở tốc độ 90 vòng/phút, thời gian tiếp tục giảm, từ 2 phút 22 giây đến 3 phút 44 giây.
     Kết quả cho thấy tốc độ quay càng cao thì thời gian trộn đều càng ngắn, đồng thời tỷ lệ bột đá càng cao thì thời gian trộn càng dài do độ đậm đặc hỗn hợp tăng.

3. Cơ tính sản phẩm Composite:

   • Sản phẩm trộn ở tốc độ 80 vòng/phút có đặc tính chịu lực uốn, nén cao nhất, ví dụ với tỷ lệ 50%-50% đạt 50.47 MPa, tỷ lệ 60%-40% đạt 55.35 MPa.
   • Các kết quả đo cơ tính được thể hiện qua biểu đồ ứng suất – biến dạng, cho thấy sự ổn định và đồng đều của sản phẩm khi sử dụng bộ điều khiển PID.

4. Tính toán vận tốc và thời gian trộn tối ưu: Phương pháp bình phương tối thiểu được áp dụng để xây dựng công thức tính vận tốc quay và thời gian trộn phù hợp với từng tỷ lệ nhựa Composite, giúp tự động hóa quá trình điều khiển và nâng cao hiệu quả sản xuất.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc cải thiện chất lượng sản phẩm là do bộ điều khiển PID số giúp duy trì tốc độ quay động cơ ổn định, tránh hiện tượng đóng rắn hoặc tạo bọt khí trong hỗn hợp. So với các nghiên cứu trước đây sử dụng máy trộn công nghiệp có dung tích lớn và giá thành cao, nghiên cứu này đã thành công trong việc thiết kế máy trộn quy mô nhỏ, chi phí thấp, phù hợp với nhu cầu thực tế tại Đồng bằng sông Cửu Long.

Kết quả khảo sát thực tế và đo kiểm cơ tính cho thấy tốc độ quay 80 vòng/phút là tối ưu cho các tỷ lệ hỗn hợp phổ biến, cân bằng giữa thời gian trộn và chất lượng sản phẩm. Việc tích hợp giao tiếp máy tính giúp thu thập dữ liệu và điều chỉnh thông số dễ dàng, hỗ trợ nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn.

Dữ liệu có thể được trình bày qua bảng tổng hợp thời gian trộn theo tỷ lệ và tốc độ, biểu đồ cơ tính sản phẩm theo tỷ lệ hỗn hợp, giúp trực quan hóa hiệu quả điều khiển và chất lượng sản phẩm.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Phát triển bộ điều khiển PID số tích hợp giao tiếp máy tính nhằm tự động tính toán vận tốc và thời gian trộn theo tỷ lệ nhựa Composite, nâng cao hiệu quả và giảm sai số trong sản xuất. Thời gian thực hiện: 6 tháng; Chủ thể: các phòng thí nghiệm và doanh nghiệp sản xuất nhỏ.

2. Thiết kế và chế tạo máy trộn Composite quy mô nhỏ, giá thành thấp phục vụ hộ gia đình và phòng thí nghiệm, đáp ứng nhu cầu sửa chữa và sản xuất nhỏ lẻ tại Đồng bằng sông Cửu Long. Thời gian thực hiện: 1 năm; Chủ thể: các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ.

3. Đào tạo kỹ thuật viên và người dân địa phương sử dụng máy trộn và bộ điều khiển tự động để nâng cao kỹ năng sản xuất và sửa chữa vật liệu Composite, góp phần phát triển kinh tế địa phương. Thời gian thực hiện: liên tục; Chủ thể: các trung tâm đào tạo và tổ chức cộng đồng.

4. Mở rộng nghiên cứu áp dụng bộ điều khiển PID cho các loại động cơ và máy trộn khác nhằm đa dạng hóa ứng dụng trong công nghiệp và dân dụng, tăng tính linh hoạt và hiệu quả. Thời gian thực hiện: 1-2 năm; Chủ thể: các trường đại học và viện nghiên cứu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện tử, tự động hóa: Nghiên cứu cung cấp kiến thức về thiết kế bộ điều khiển PID số, ứng dụng vi điều khiển MSP430 trong điều khiển động cơ DC, phù hợp cho các đề tài liên quan.

2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu Composite quy mô nhỏ và vừa: Tham khảo để phát triển máy trộn nhựa Composite hiệu quả, tiết kiệm chi phí, nâng cao chất lượng sản phẩm.

3. Người dân và kỹ thuật viên tại vùng Đồng bằng sông Cửu Long: Hướng dẫn sử dụng máy trộn Composite quy mô nhỏ để tự sửa chữa tàu thuyền và sản phẩm Composite, tăng khả năng tự chủ trong sản xuất.

4. Các trung tâm đào tạo kỹ thuật và phòng thí nghiệm: Áp dụng bộ điều khiển và máy trộn thiết kế trong giảng dạy và thực hành, nâng cao chất lượng đào tạo và nghiên cứu ứng dụng.

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ điều khiển PID số có ưu điểm gì so với bộ điều khiển analog?
   Bộ điều khiển PID số cho phép điều chỉnh linh hoạt, dễ dàng tích hợp với vi điều khiển, có khả năng giao tiếp với máy tính để thu thập và xử lý dữ liệu, giúp nâng cao độ chính xác và ổn định hệ thống.

2. Tại sao chọn vi điều khiển MSP430 cho bộ điều khiển?
   MSP430 có ưu điểm tiêu thụ điện năng thấp, khả năng xử lý tín hiệu nhanh, tích hợp nhiều tính năng hỗ trợ điều khiển PID và giao tiếp, phù hợp cho các ứng dụng điều khiển động cơ DC trong quy mô nhỏ.

3. Làm thế nào để xác định vận tốc và thời gian trộn tối ưu cho từng tỷ lệ hỗn hợp?
   Nghiên cứu sử dụng phương pháp bình phương tối thiểu để xây dựng công thức tính toán vận tốc quay và thời gian trộn dựa trên tỷ lệ nhựa Composite, giúp tự động điều chỉnh thông số phù hợp.

4. Máy trộn thiết kế có thể áp dụng cho quy mô công nghiệp không?
   Máy trộn này được thiết kế cho quy mô nhỏ, phù hợp với hộ gia đình và phòng thí nghiệm. Đối với quy mô công nghiệp, cần máy trộn có công suất lớn hơn và thiết kế chuyên biệt.

5. Làm sao để người dùng không chuyên có thể vận hành máy trộn hiệu quả?
   Phần mềm điều khiển có giao diện thân thiện, cho phép điều khiển thủ công hoặc tự động nhập tỷ lệ hỗn hợp để tính toán vận tốc và thời gian trộn, giúp người dùng dễ dàng vận hành mà không cần kiến thức chuyên sâu.

Kết luận

• Đã thiết kế và chế tạo thành công bộ điều khiển PID số sử dụng vi điều khiển MSP430 điều khiển động cơ DC cho máy trộn nhựa Composite quy mô nhỏ.
• Bộ điều khiển cho phép điều chỉnh vận tốc quay và thời gian trộn phù hợp với tỷ lệ nhựa Composite, giúp nâng cao chất lượng sản phẩm.
• Kết quả thí nghiệm tại phòng thí nghiệm cho thấy tốc độ quay 80 vòng/phút là tối ưu cho các tỷ lệ hỗn hợp phổ biến, đạt đặc tính cơ học tốt nhất.
• Phần mềm điều khiển tích hợp giao tiếp máy tính hỗ trợ thu thập dữ liệu và tự động hóa quá trình điều khiển.
• Đề xuất mở rộng ứng dụng và đào tạo kỹ thuật để phát triển sản phẩm phục vụ nhu cầu thực tế tại Đồng bằng sông Cửu Long và các vùng lân cận.

Next steps: Triển khai sản xuất thử nghiệm máy trộn quy mô nhỏ, đào tạo người dùng và nghiên cứu mở rộng ứng dụng bộ điều khiển cho các loại máy trộn khác.

Call to action: Các doanh nghiệp và phòng thí nghiệm quan tâm có thể liên hệ để hợp tác phát triển và ứng dụng công nghệ điều khiển máy trộn nhựa Composite tự động.