Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp 4.0, nhu cầu phát triển các công nghệ mô phỏng thử nghiệm với độ chính xác cao ngày càng tăng, đặc biệt trong các ngành hàng không vũ trụ, ô tô và đóng tàu. Theo ước tính, các hệ thống mô phỏng truyền thống chỉ dựa trên mô phỏng số thường không phản ánh đầy đủ các yếu tố nhiễu và tương tác thực tế, dẫn đến rủi ro hỏng hóc khi vận hành thực tế. Công nghệ Hardware-In-the-Loop (HIL) thủy lực ra đời nhằm khắc phục hạn chế này bằng cách sử dụng phần cứng thực để mô phỏng vòng điều khiển trong thời gian thực, giúp nhà thiết kế đánh giá chính xác hơn hiệu suất và các ảnh hưởng môi trường vận hành.

Luận văn tập trung nghiên cứu phát triển hệ thống HIL thủy lực kết cấu song song 6 bậc tự do (hexapod) trong mô phỏng chuyển động, với mục tiêu chính là thiết kế và đánh giá bộ điều khiển mờ trượt thích nghi (Adaptive Fuzzy Sliding Mode Control - AFSMC) nhằm nâng cao độ chính xác và ổn định của hệ thống. Nghiên cứu cũng đề xuất ứng dụng bộ truyền động điện thủy lực (Electro-Hydrostatic Actuator - EHA) để tiết kiệm năng lượng cho hệ thống HIL. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào mô phỏng động lực học và thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống HIL hexapod thủy lực, thực hiện trong giai đoạn từ tháng 2/2021 đến tháng 12/2021 tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp giải pháp mô phỏng chuyển động với độ trung thực cao, giúp giảm thiểu chi phí thử nghiệm thực tế, đồng thời nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của các sản phẩm công nghiệp trọng điểm. Các chỉ số đánh giá như sai số vị trí dưới 1 mm và khả năng tiết kiệm năng lượng nhờ EHA được xem là các metrics quan trọng trong nghiên cứu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết động học và động lực học của hệ thống kết cấu song song 6 bậc tự do, cùng với mô hình điều khiển mờ trượt thích nghi (AFSMC).

  • Động học thuận và nghịch: Phân tích chuyển động tịnh tiến (surge, sway, heave) và chuyển động góc (roll, pitch, yaw) của hệ thống hexapod, sử dụng ma trận quay tổng hợp và phương pháp Newton-Raphson để giải bài toán động học thuận và nghịch, xác định vị trí và hướng dịch chuyển của nền tải dựa trên độ dài các xy lanh truyền động.

  • Mô hình động lực học phi tuyến bậc hai: Mô tả hệ thống HIL hexapod bằng phương trình vi phân phi tuyến, bao gồm ma trận mô men quán tính, lực Coriolis, lực hấp dẫn và mô men xoắn đầu vào, được biểu diễn dưới dạng ma trận Jacobian.

  • Thuật toán điều khiển mờ trượt thích nghi (AFSMC): Kết hợp ưu điểm của điều khiển chế độ trượt và logic mờ, AFSMC giúp điều khiển hệ thống phi tuyến như EHA mà không cần mô hình toán học chính xác, giảm hiện tượng rung lắc (chattering) và tăng độ ổn định. Thuật toán sử dụng các biến ngôn ngữ đầu vào và đầu ra với 7 mức (NB, NM, NS, Z, PS, PM, PB) và luật điều khiển mờ thích nghi để điều chỉnh tham số mờ tối ưu.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ mô hình ảo hệ thống truyền động điện thủy lực EHA xây dựng trên phần mềm Amesim, kết hợp với mô phỏng trên Matlab/Simulink. Các thông số kỹ thuật của hệ thống như tốc độ quay tối đa 1000 rpm, đường kính xy lanh 20 mm, áp suất điều chỉnh van an toàn 50 Pa được sử dụng làm cơ sở mô phỏng.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng phương pháp mô phỏng số để đánh giá hiệu suất bộ điều khiển AFSMC trên hệ thống HIL hexapod. Phân tích sai số vị trí, áp suất tại các cổng xy lanh, lực tải và tham số mờ trong quá trình vận hành. Phương pháp Newton-Raphson được áp dụng để giải bài toán động học thuận.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu bắt đầu từ tháng 2/2021 với việc khảo sát tổng quan và phân tích lý thuyết, tiếp tục thiết kế mô hình và bộ điều khiển trong các tháng tiếp theo, hoàn thành mô phỏng và đánh giá kết quả vào tháng 12/2021.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả điều khiển vị trí của AFSMC trên một xy lanh: Trong trường hợp tải 1 kN, bộ điều khiển mờ trượt thích nghi đạt độ chính xác vị trí cao sau khoảng 2 giây, sai số vị trí được giới hạn dưới 1 mm. Áp suất tại cổng 1 duy trì ổn định ở mức 31 Pa, trong khi cổng 2 gần bằng 0, đảm bảo lực tải ổn định.

  2. Phản hồi tín hiệu dạng sin với tải biến thiên: Khi tín hiệu điều khiển có biên độ 30 mm và tần số 0.1 Hz, lực tải dao động biên độ 10 kN lệch pha 90 độ so với tín hiệu, vị trí thực tế của tải bám sát giá trị tham chiếu với sai số dưới 1 mm, thể hiện khả năng thích ứng tốt của bộ điều khiển với tải động.

  3. Điều khiển hệ thống 6 xy lanh đồng bộ: Mô hình động lực học phi tuyến bậc hai được áp dụng thành công cho hệ thống hexapod, cho phép điều khiển đồng bộ 6 xy lanh với 6 bậc tự do, đảm bảo mô phỏng chuyển động linh hoạt và chính xác.

  4. Tiết kiệm năng lượng nhờ EHA: Ứng dụng bộ truyền động điện thủy lực EHA giúp giảm tổn thất áp suất do loại bỏ van điều khiển lưu lượng, đồng thời tăng hiệu suất làm việc của hệ thống, tương tự như kết quả cải thiện hiệu suất từ 60% lên 68,2% trong một nghiên cứu gần đây về mạch vòng kín EHA.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng cho thấy bộ điều khiển mờ trượt thích nghi phù hợp với hệ thống HIL thủy lực có đặc tính phi tuyến và không ổn định như EHA. Việc sử dụng logic mờ giúp giảm hiện tượng rung lắc, đồng thời không yêu cầu mô hình toán học chính xác, thuận tiện cho thiết kế và ứng dụng thực tế. So với các nghiên cứu trước đây sử dụng van servo, giải pháp EHA kết hợp AFSMC mang lại hiệu quả năng lượng và độ chính xác cao hơn.

Biểu đồ sai số vị trí theo thời gian và áp suất tại các cổng xy lanh minh họa rõ sự ổn định và đáp ứng nhanh của hệ thống. Bảng so sánh các tham số mờ trong quá trình vận hành cho thấy bộ điều khiển thích nghi hiệu quả trong việc điều chỉnh tham số để duy trì ổn định.

Những phát hiện này có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các hệ thống mô phỏng chuyển động thực tế, giúp giảm chi phí thử nghiệm và tăng độ tin cậy sản phẩm trong các ngành công nghiệp trọng điểm.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai ứng dụng bộ truyền động EHA trong các hệ thống HIL thủy lực nhằm nâng cao hiệu suất năng lượng và giảm tổn thất áp suất, với mục tiêu cải thiện hiệu suất hệ thống ít nhất 10% trong vòng 12 tháng, do các đơn vị nghiên cứu và phát triển công nghệ thực hiện.

  2. Phát triển và tối ưu hóa thuật toán điều khiển mờ trượt thích nghi (AFSMC) để áp dụng cho các hệ thống HIL đa bậc tự do phức tạp hơn, nhằm giảm sai số vị trí xuống dưới 0.5 mm trong vòng 18 tháng, do các nhóm nghiên cứu chuyên sâu về điều khiển tự động đảm nhiệm.

  3. Xây dựng mô hình mô phỏng ảo tích hợp đa dạng tải trọng và điều kiện vận hành thực tế để đánh giá toàn diện hiệu suất hệ thống HIL, giúp nâng cao độ tin cậy mô phỏng, thực hiện trong 6 tháng tiếp theo bởi các phòng thí nghiệm mô phỏng.

  4. Đào tạo và nâng cao năng lực kỹ thuật cho cán bộ vận hành và thiết kế hệ thống HIL thủy lực nhằm đảm bảo vận hành hiệu quả và bảo trì hệ thống, với các khóa đào tạo định kỳ hàng năm do các trường đại học và trung tâm đào tạo kỹ thuật tổ chức.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và kỹ sư trong lĩnh vực kỹ thuật cơ khí và điều khiển tự động: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về mô hình hóa, phân tích động học và thiết kế bộ điều khiển mờ trượt thích nghi cho hệ thống HIL thủy lực, hỗ trợ phát triển các dự án nghiên cứu và ứng dụng thực tế.

  2. Doanh nghiệp sản xuất và phát triển thiết bị mô phỏng chuyển động: Các công ty trong ngành ô tô, hàng không, đóng tàu có thể áp dụng giải pháp EHA và thuật toán AFSMC để nâng cao hiệu quả mô phỏng, giảm chi phí thử nghiệm và tăng độ chính xác sản phẩm.

  3. Các cơ sở đào tạo kỹ thuật và đại học: Giảng viên và sinh viên chuyên ngành kỹ thuật cơ khí, điều khiển tự động có thể sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo cho các khóa học và đề tài nghiên cứu liên quan đến hệ thống truyền động thủy lực và điều khiển mờ.

  4. Các tổ chức nghiên cứu phát triển công nghệ năng lượng và tự động hóa: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm về tiết kiệm năng lượng trong hệ thống truyền động thủy lực, hỗ trợ các dự án phát triển công nghệ xanh và tự động hóa tiên tiến.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hệ thống HIL thủy lực có ưu điểm gì so với mô phỏng số truyền thống?
    HIL thủy lực sử dụng phần cứng thực để mô phỏng vòng điều khiển trong thời gian thực, giúp phản ánh chính xác các yếu tố nhiễu và tương tác môi trường vận hành, từ đó giảm rủi ro hỏng hóc khi thử nghiệm thực tế. Ví dụ, hệ thống hexapod 6 bậc tự do cho phép mô phỏng linh hoạt chuyển động phức tạp.

  2. Tại sao chọn bộ truyền động điện thủy lực (EHA) thay vì van servo?
    EHA có khả năng biến đổi tốc độ động cơ điện thành lực tải lớn, đồng thời tiết kiệm năng lượng nhờ loại bỏ tổn thất áp suất do van điều khiển lưu lượng. Một nghiên cứu gần đây cho thấy hiệu suất hệ thống tăng từ 60% lên 68,2% khi sử dụng mạch vòng kín EHA.

  3. Điều khiển mờ trượt thích nghi (AFSMC) có ưu điểm gì trong hệ thống HIL?
    AFSMC kết hợp điều khiển chế độ trượt và logic mờ, giúp điều khiển hệ thống phi tuyến không ổn định mà không cần mô hình toán học chính xác, giảm hiện tượng rung lắc và tăng độ ổn định. Bộ điều khiển này đã được chứng minh giảm sai số vị trí dưới 1 mm trong mô phỏng.

  4. Phương pháp Newton-Raphson được áp dụng như thế nào trong nghiên cứu?
    Phương pháp Newton-Raphson được sử dụng để giải bài toán động học thuận, tính toán vị trí và hướng dịch chuyển của nền tải dựa trên độ dài các xy lanh truyền động, giúp mô phỏng chính xác chuyển động của hệ thống hexapod.

  5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế?
    Các doanh nghiệp và tổ chức nghiên cứu có thể triển khai bộ truyền động EHA và thuật toán AFSMC trong hệ thống HIL thủy lực để nâng cao hiệu suất mô phỏng, đồng thời đào tạo nhân lực vận hành và bảo trì để đảm bảo hiệu quả lâu dài.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã phát triển thành công hệ thống HIL thủy lực kết cấu song song 6 bậc tự do với bộ điều khiển mờ trượt thích nghi, đạt độ chính xác vị trí dưới 1 mm.
  • Ứng dụng bộ truyền động điện thủy lực EHA giúp tiết kiệm năng lượng và nâng cao hiệu suất hệ thống so với các giải pháp truyền thống.
  • Phương pháp mô phỏng kết hợp Amesim và Matlab/Simulink cho phép đánh giá toàn diện hiệu suất và điều chỉnh tham số điều khiển hiệu quả.
  • Thuật toán AFSMC giảm thiểu rung lắc và không yêu cầu mô hình toán học chính xác, phù hợp với các hệ thống phi tuyến và không ổn định.
  • Các bước tiếp theo bao gồm tối ưu hóa thuật toán điều khiển, mở rộng mô hình cho các hệ thống phức tạp hơn và triển khai ứng dụng thực tế trong các ngành công nghiệp trọng điểm.

Để tiếp tục phát triển công nghệ mô phỏng HIL thủy lực, các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp được khuyến khích áp dụng các giải pháp điều khiển thích nghi và truyền động điện thủy lực, đồng thời tăng cường hợp tác nghiên cứu để nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống.