Nghiên Cứu Hệ Thống Vận Chuyển Vật Liệu Tại Đại Học Bách Khoa Hà Nội

Hệ thống vận chuyển vật liệu (WTS) đóng vai trò then chốt trong nhiều ngành công nghiệp, từ sản xuất giấy, vải… 140 trang · Đại học Bách Khoa Hà Nội · 2021.

• Người hướng dẫn: TS. Dương Minh Đứt
• Trường học: Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
• Đề tài: Nghiên Cứu Hệ Thống Vận Chuyển Vật Liệu Tại Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN

Tóm tắt

I. Tổng Quan Hệ Thống Vận Chuyển Vật Liệu Bách Khoa Hà Nội

Hệ thống vận chuyển vật liệu (WTS) đóng vai trò then chốt trong nhiều ngành công nghiệp, từ sản xuất giấy, vải, đến các lĩnh vực công nghệ cao như pin năng lượng mặt trời và mạch in điện tử. Tại Đại học Bách khoa Hà Nội, việc nghiên cứu và phát triển các hệ thống này được đặc biệt chú trọng, nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về hiệu suất và chất lượng trong sản xuất. Các sản phẩm này không chỉ phục vụ đời sống hàng ngày mà còn đóng góp quan trọng vào sự phát triển của công nghiệp. Theo Hiệp hội về các vấn đề xử lý vật liệu dạng băng, có rất nhiều tạp chí và hội nghị công bố các nội dung nghiên cứu về lĩnh vực này. Hội nghị chuyên ngành IWEB được tổ chức 2 năm một lần là một ví dụ điển hình.

1.1. Ứng Dụng Thực Tế Của Hệ Thống Vận Chuyển Vật Liệu

Hệ thống vận chuyển vật liệu dạng băng (WTS) được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau như giấy, vải, tôn thép, phim nhựa, pin năng lượng mặt trời, mạch in điện tử. Những sản phẩm này đóng vai trò quan trọng trong đời sống thường ngày cũng như trong công nghiệp. Các ứng dụng hiện nay ngày càng yêu cầu các quá trình vận hành của hệ thống không những đảm bảo chất lượng mà còn đảm bảo công suất ngày càng cao.

1.2. Tầm Quan Trọng Nghiên Cứu Hệ Thống Vận Chuyển Vật Liệu

Việc nghiên cứu và phát triển các thuật toán điều khiển cho WTS là vô cùng quan trọng. Phân tích các phương pháp điều khiển cơ bản, tìm hiểu và lựa chọn phương pháp điều khiển phù hợp áp dụng cho đối tượng phức tạp. Các thách thức trên cũng chính là mục đích nghiên cứu của luận án. WTS là một đối tượng có cấu trúc dạng MIMO phức tạp, có tham số biến thiên, và chịu ảnh hưởng của nhiễu.

II. Thách Thức Vấn Đề Trong Vận Chuyển Vật Liệu Hiện Nay

Trong thực tế, các bộ điều khiển của WTS chủ yếu sử dụng phương pháp điều khiển tuyến tính như PI và PID. Tuy nhiên, các phương pháp này thường có đáp ứng chậm, độ ổn định thấp, và độ chính xác không cao. Điều này gây khó khăn trong việc đáp ứng yêu cầu chất lượng ngày càng khắt khe của các dây chuyền hiện đại. Do đó, việc phát triển và áp dụng các thuật toán phi tuyến để nâng cao chất lượng cho hệ thống là cần thiết. Đây là một trong những yêu cầu cấp thiết được quan tâm đặc biệt trong những năm gần đây.

2.1. Hạn Chế Của Phương Pháp Điều Khiển Tuyến Tính Truyền Thống

Các phương pháp điều khiển tuyến tính không phải lúc nào cũng đem lại chất lượng mong muốn mà thường có đáp ứng chậm, độ ổn định thấp, độ chính xác không được cao. Nên khi áp dụng các phương pháp này khó có thể đáp ứng được yêu cầu chất lượng ngày càng khắt khe của các dây chuyền hiện đại. Đây là một trong những yêu cầu cấp thiết được quan tâm đặc biệt trong những năm gần đây, việc phát triển và áp dụng các thuật toán phi tuyến để nâng cao chất lượng cho hệ thống là cần thiết.

2.2. Yêu Cầu Cải Tiến Hệ Thống Vận Chuyển Vật Liệu Hiện Đại

Các ứng dụng hiện nay ngày càng yêu cầu các quá trình vận hành của hệ thống không những đảm bảo chất lượng mà còn đảm bảo công suất ngày càng cao. WTS là một đối tượng có cấu trúc dạng MIMO phức tạp, có tham số biến thiên, và chịu ảnh hưởng của nhiễu. Thực tế hiện nay, các bộ điều khiển của WTS chủ yếu sử dụng phương pháp điều khiển tuyến tính như PI và PID.

III. Phương Pháp Điều Khiển Lực Căng Back Stepping Hiệu Quả

Luận án tập trung vào việc xây dựng thuật toán điều khiển hệ thống vận chuyển vật liệu với các trường hợp: thông số mô hình được xác định rõ và thông số mô hình biến thiên, bất định. Phương pháp back-stepping được sử dụng để điều khiển lực căng, kết hợp với bộ quan sát lực căng để giảm thiểu sự phụ thuộc vào cảm biến. Mô phỏng và thực nghiệm được tiến hành để kiểm chứng tính đúng đắn của các thuật toán được đề xuất.

3.1. Tổng Quan Về Phương Pháp Điều Khiển Back Stepping

Phương pháp back-stepping là một kỹ thuật điều khiển phi tuyến mạnh mẽ, cho phép thiết kế bộ điều khiển một cách hệ thống bằng cách chia hệ thống thành các hệ con và thiết kế bộ điều khiển cho từng hệ con một cách đệ quy. Điều này giúp đảm bảo tính ổn định và hiệu suất của hệ thống tổng thể.

3.2. Ưu Điểm Của Back Stepping Trong Điều Khiển Lực Căng

Back-stepping cho phép điều khiển lực căng một cách chính xác và ổn định, ngay cả khi có sự thay đổi trong tham số hệ thống hoặc nhiễu bên ngoài. Việc kết hợp với bộ quan sát lực căng giúp giảm chi phí và độ phức tạp của hệ thống bằng cách loại bỏ nhu cầu sử dụng cảm biến lực căng.

3.3. Kết Quả Mô Phỏng Thực Nghiệm Với Back Stepping

Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy rằng phương pháp back-stepping có thể điều khiển lực căng một cách hiệu quả, với độ chính xác cao và thời gian đáp ứng nhanh. Hệ thống cũng cho thấy khả năng chống nhiễu tốt và ổn định trong các điều kiện vận hành khác nhau.

IV. Nâng Cao Chất Lượng Điều Khiển Với Thuật Toán DSC RBF

Để nâng cao hơn nữa chất lượng điều khiển, luận án đề xuất các giải pháp bù, bao gồm bộ điều khiển bền vững tích hợp thuật toán DSC (Dynamic Surface Control) và bộ điều khiển thích nghi tích hợp RBF (Radial Basis Function). Các thuật toán này giúp hệ thống thích nghi tốt hơn với sự thay đổi của tham số và các yếu tố bất định. Các thuật toán điều khiển đều được chứng minh đảm bảo sự ổn định của hệ thống về mặt toán học.

4.1. Ứng Dụng Thuật Toán DSC Để Điều Khiển Bền Vững

Thuật toán DSC giúp đơn giản hóa quá trình thiết kế bộ điều khiển bằng cách tránh việc tính toán đạo hàm bậc cao của các biến trạng thái. Điều này giúp cải thiện tính ổn định và độ bền của hệ thống, đặc biệt trong các điều kiện vận hành khắc nghiệt.

4.2. Sử Dụng Mạng Neural RBF Để Điều Khiển Thích Nghi

Mạng neural RBF được sử dụng để bù đắp cho các yếu tố bất định và biến thiên của tham số mô hình. Khả năng học và thích nghi của mạng RBF giúp hệ thống duy trì hiệu suất cao ngay cả khi có sự thay đổi trong điều kiện vận hành.

4.3. Kết Hợp DSC RBF Để Tối Ưu Hóa Điều Khiển

Việc kết hợp DSC và RBF cho phép hệ thống đạt được hiệu suất điều khiển tối ưu, với khả năng chống nhiễu tốt, độ chính xác cao và khả năng thích nghi với sự thay đổi của tham số. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng công nghiệp đòi hỏi độ tin cậy và hiệu suất cao.

V. Ứng Dụng Thực Tế Kết Quả Nghiên Cứu Tại Bách Khoa

Các thuật toán điều khiển được đề xuất trong luận án có thể được áp dụng vào các WTS trong thực tế nhằm giảm chi phí do không cần sử dụng cảm biến lực, giảm thời gian tinh chỉnh, tính toán thông số mô hình hệ thống và tăng khả năng thích nghi với sự thay đổi thông số mô hình. Luận án đã xây dựng mô hình toán học tổng quát cho WTS có xét đến biến thiên của mô men quán tính của lô tở và lô cuộn.

5.1. Mô Hình Hóa Hệ Thống Vận Chuyển Vật Liệu Tổng Quát

Luận án đã xây dựng mô hình toán học tổng quát cho WTS có xét đến biến thiên của mô men quán tính của lô tở và lô cuộn. Mô hình này thể hiện rõ tính phi tuyến trong các phương trình động lực học lô cuộn tở cho hệ thống vận chuyển vật liệu dạng băng.

5.2. Triển Vọng Ứng Dụng Trong Công Nghiệp Hiện Đại

Các thuật toán điều khiển được đề xuất trong luận án có thể được áp dụng vào các WTS trong thực tế nhằm giảm chi phí do không cần sử dụng cảm biến lực, giảm thời gian tinh chỉnh, tính toán thông số mô hình hệ thống và tăng khả năng thích nghi với sự thay đổi thông số mô hình.

VI. Kết Luận Hướng Phát Triển Nghiên Cứu Vận Chuyển Vật Liệu

Luận án đã đề xuất cấu trúc điều khiển bền vững dựa trên nền tảng mặt trượt động DSC tích hợp quan sát lực căng và điều khiển thích nghi sử dụng cơ chế bù mô men quán tính lô cuộn tở dựa trên nền tảng mạng neural xuyên tâm RBF tích hợp bộ quan sát lực căng. Các kết quả nghiên cứu này mở ra hướng phát triển mới trong lĩnh vực điều khiển hệ thống vận chuyển vật liệu, đặc biệt là trong bối cảnh tự động hóa và logistics ngày càng phát triển.

6.1. Tóm Tắt Những Đóng Góp Mới Của Luận Án

Luận án đã đề xuất cấu trúc điều khiển bền vững dựa trên nền tảng mặt trượt động DSC tích hợp quan sát lực căng và điều khiển thích nghi sử dụng cơ chế bù mô men quán tính lô cuộn tở dựa trên nền tảng mạng neural xuyên tâm RBF tích hợp bộ quan sát lực căng.

6.2. Hướng Nghiên Cứu Tiềm Năng Trong Tương Lai

Các kết quả nghiên cứu này mở ra hướng phát triển mới trong lĩnh vực điều khiển hệ thống vận chuyển vật liệu, đặc biệt là trong bối cảnh tự động hóa và logistics ngày càng phát triển. Cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các thuật toán điều khiển tiên tiến hơn để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của ngành công nghiệp.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ "Nghiên cứu điều khiển hệ thống vận chuyển vật liệu dạng băng" do nghiên cứu sinh Tống Thị Lý thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Dương Minh Đức và PGS. Nguyễn Tùng Lâm, bảo vệ tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội năm 2021. Công trình thuộc ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa, mã số chuyên ngành 9520216.

Hệ thống vận chuyển vật liệu dạng băng (Web Transport System - WTS) giữ vai trò then chốt trong nhiều dây chuyền sản xuất công nghiệp như giấy, dệt may, cán tôn thép, màng phim nhựa, pin năng lượng mặt trời và mạch in điện tử linh hoạt. Xu thế phát triển công nghệ đòi hỏi các hệ thống WTS phải liên tục nâng cao tốc độ vận hành và năng suất, đồng thời duy trì độ chính xác cao về lực căng bề mặt để ngăn ngừa các sự cố biến dạng cơ học, nhăn, rách hoặc đứt dải vật liệu. Về mặt điều khiển học, WTS là đối tượng nhiều đầu vào - nhiều đầu ra (MIMO) có cấu trúc phi tuyến phức tạp, chịu tác động của nhiều thành phần bất định và ma sát cơ khí. Đặc biệt, trong suốt chu trình cuộn và tở, bán kính và mô men quán tính của các lô biến thiên liên tục theo thời gian. Trong thực tế công nghiệp, hệ thống phần lớn vẫn sử dụng các bộ điều khiển tuyến tính kinh điển như PI và PID. Các giải pháp này bộc lộ nhiều hạn chế khi hệ thống thay đổi điểm làm việc: tốc độ đáp ứng chậm, độ ổn định suy giảm và sai số xác lập lớn khi tham số hệ thống dao động mạnh. Do đó, việc xây dựng mô hình toán học phản ánh chính xác tính phi tuyến của mô men quán tính và thiết kế các giải pháp điều khiển phi tuyến hiện đại là một yêu cầu kỹ thuật cấp thiết.

Khoảng trống nghiên cứu được tác giả xác định tập trung vào ba vấn đề chính: sự thiếu hụt các mô hình toán học tổng quát tính toán chi tiết sự biến thiên mô men quán tính theo thời gian thực của lô cuộn và lô tở; sự phụ thuộc vào các cảm biến đo lực căng (load cell) đắt tiền, dễ bị nhiễu cơ học và khó lắp đặt trong không gian hẹp; và hiện tượng suy giảm chất lượng điều khiển do "bùng nổ số hạng vi phân" (explosion of terms) cũng như sự bất định lớn của tham số động lực học trong các thuật toán điều khiển phi tuyến truyền thống.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định gồm 3 nội dung cụ thể:

1. Xây dựng mô hình toán học tổng quát cho WTS có xét đến biến thiên của mô men quán tính của lô tở và lô cuộn.
2. Xây dựng thuật toán điều khiển hệ thống với các trường hợp: thông số mô hình được xác định rõ và thông số mô hình biến thiên, bất định.
3. Mô phỏng và thực nghiệm kiểm chứng tính đúng đắn các thuật toán được đề xuất.

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống vận chuyển vật liệu dạng băng (WTS). Phạm vi nghiên cứu của đề tài được giới hạn thông qua 6 giả thiết kỹ thuật sau:

• Luận án tập trung nghiên cứu điều khiển lực căng và tốc độ dài trong WTS.
• WTS có cấu hình lô tở và lô cuộn vận hành theo nguyên lý hướng tâm (center drive), hệ thống chuyển động theo một chiều nhất định.
• Cơ cấu chấp hành (động cơ truyền động) được xem xét ở trạng thái lý tưởng.
• Bỏ qua hiện tượng lệch băng và chuyển động ngang trục của dải vật liệu trong quá trình di chuyển.
• Bỏ qua hiện tượng trượt tương đối giữa băng vật liệu và bề mặt các lô.
• Biến dạng dọc của vật liệu tuân theo định luật đàn hồi Hooke.

Không gian nghiên cứu thực nghiệm được triển khai tại Bộ môn Tự động hóa Công nghiệp, Viện Điện, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, với mô hình kiểm chứng đặt tại phòng 407, tầng 4, tòa nhà C1B (tòa nhà Công nghệ cao). Dữ liệu tính toán và kiểm chứng gắn liền với mốc thời gian hoàn thành luận án vào tháng 11 năm 2021.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tổng quan tài liệu trong luận án được phân tích theo 3 nhóm nghiên cứu chính: mô hình hóa động lực học, thuật toán điều khiển tuyến tính công nghiệp, và các kỹ thuật điều khiển phi tuyến hiện đại.

Trong hướng nghiên cứu mô hình hóa WTS, tác giả điểm lại các công trình nền tảng của Shin (1991, 2010) về điều khiển phân tán lực căng trên hệ thống nhiều phân đoạn (multi-span) và ảnh hưởng của nhiệt độ đến hành vi lực căng trong công nghệ in cuộn; các nghiên cứu của Reid (1993, 2013) về phương trình chi phối lực căng và vận tốc dài của băng vật liệu khi xuất hiện các yếu tố không lý tưởng của lô dẫn; các khảo sát của Lee và cộng sự (2007, 2008, 2010, 2018) về mô hình hóa MIMO, phân tích ổn định tham số, kiểm soát độ lệch biên và thiết lập biên dạng lực căng cuộn để cực tiểu hóa ứng suất hướng tâm. Ngoài ra, tác giả khảo sát các công trình của Ji và cộng sự (2020), Kang và cộng sự (2003), Li (2008), De Hosson (2007) về tối ưu hóa hình dáng lô dẫn, độ mài mòn và tương tác bề mặt tiếp xúc giữa màng polymer và kim loại.

Về các phương pháp điều khiển công nghiệp truyền thống, luận án khảo sát thực tế tại Phân xưởng xeo giấy thuộc Trường Cao đẳng Nghề Công nghệ Giấy và Cơ Điện Phú Thọ, Nhà máy giấy Bãi Bằng (Phú Thọ) và Nhà máy giấy An Hòa (Tuyên Quang), kết hợp phân tích các tài liệu chuyên khảo về điều khiển truyền động điện công nghiệp của Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn (2008). Trong nhóm giải pháp kinh điển, các công trình của Furusho (2000), Gasbaoui (2010), Shahgholian và cộng sự (2016) nghiên cứu thuật toán PI/PID đa biến cho hệ truyền động nhiều động cơ và hệ hai khối lượng cộng hưởng. Nhóm tác giả Sicard và cộng sự (2012) cũng khảo sát giải pháp PI phân tán cho hệ thống cuộn nhiều động cơ.

Đối với hướng nghiên cứu điều khiển phi tuyến và kháng nhiễu, tác giả điểm lại các công trình về điều khiển kháng nhiễu tích cực (Active Disturbance Rejection Control - ADRC) của Jiang và cộng sự (2001), Huang (2009), Kong và cộng sự (2012, 2013), Bdul-Adheem (2018); kỹ thuật điều khiển trượt phi tuyến không dùng cảm biến lực căng của Askari và cộng sự (2008, 2009), Lin (2013); các giải pháp điều khiển cuốn chiếu (backstepping) của Miroslav Krstic, Kanellakopoulos (1995), Kim (2011), Glaoui và cộng sự (2011), Sicard (2013), Zong (2017); và các hướng phát triển mặt trượt động (Dynamic Surface Control - DSC) kết hợp mạng thần kinh hàm xuyên tâm (RBF) của Hedrick (2001), Lu và cộng sự (2018), Yin và cộng sự (2019), Ding và cộng sự (2018).

Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn giải quyết là:

• Đa phần các nghiên cứu trước đây thường giả định mô men quán tính của lô tở và lô cuộn là hằng số hoặc tuyến tính hóa mô hình quanh một điểm làm việc cố định, làm giảm độ chính xác khi đường kính cuộn thay đổi lớn. Luận án xây dựng phương trình mô tả toán học chính xác sự thay đổi phi tuyến liên tục của mô men quán tính và bán kính cuộn theo thời gian.
• Thay thế các cảm biến lực căng cơ học bằng bộ quan sát trạng thái phi tuyến nhằm giảm chi phí lắp đặt và nâng cao độ tin cậy trong môi trường rung động công nghiệp.
• Ứng dụng kỹ thuật mặt trượt động DSC để triệt tiêu hiện tượng bùng nổ số hạng vi phân vốn có của phương pháp backstepping, kết hợp mạng nơ-ron RBF nhằm bù trừ thích nghi các thành phần bất định tham số có biên độ lớn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án dựa trên các cơ sở lý thuyết cơ học và điều khiển học sau:

• Định luật đàn hồi Hooke: mô tả quan hệ giữa ứng suất và độ biến dạng tương đối của vật liệu dạng băng trong giới hạn đàn hồi ($\sigma = E \cdot \varepsilon$).
• Định luật bảo toàn khối lượng và phương trình liên tục cho dòng chuyển động của vật liệu băng: xác định quan hệ giữa vận tốc dài, mật độ khối lượng và lực căng trên các phân đoạn vật liệu nằm giữa hai lô liên tiếp.
• Phương trình cân bằng động lực học quay Euler-Newton: mô tả chuyển động quay của lô tở, lô dẫn và lô cuộn chịu tác động của mô men truyền động từ động cơ, mô men cản ma sát ổ trục và mô men do lực căng của dải băng gây ra.
• Lý thuyết điều khiển phi tuyến Lyapunov: sử dụng các hàm thế Lyapunov bậc hai để thiết kế luật điều khiển cuốn chiếu (Backstepping), chứng minh tính ổn định tiệm cận toàn cục (Globally Asymptotically Stable - GAS) của hệ thống kín.
• Kỹ thuật điều khiển mặt trượt động (Dynamic Surface Control - DSC): tích hợp các bộ lọc thông thấp bậc nhất tại các bề mặt trượt trung gian để thu nhận tín hiệu đạo hàm của biến điều khiển ảo mà không cần vi phân giải tích trực tiếp.
• Mạng nơ-ron hàm truyền xuyên tâm (Radial Basis Function - RBF): sử dụng cấu trúc mạng nơ-ron nhân Gauss để xấp xỉ trực tuyến các hàm phi tuyến bất định của mô men quán tính và thông số ma sát chưa biết chính xác.

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp mô phỏng số và thực nghiệm kiểm chứng:

• Phương pháp lý thuyết: thiết lập hệ phương trình vi phân phi tuyến bậc cao mô tả trạng thái của hệ WTS; phân tích các biến đầu vào, đầu ra, biến trạng thái; giải tích toán học chứng minh tính ổn định của hệ thống kín.
• Phương pháp mô phỏng số: lập trình mô hình hóa hệ thống và thuật toán điều khiển trên môi trường MATLAB/Simulink; đánh giá phản hồi của lực căng và vận tốc dài dưới các kịch bản: tham số danh định, tham số bất định mức độ nhỏ (1%), mức độ trung bình (10%), và mức độ lớn (30% cùng với mô men quán tính tăng gấp 2 lần).
• Phương pháp thực nghiệm: thiết kế mô hình cơ khí 3D trên phần mềm Autodesk Inventor 2019; thiết kế mạch in chuẩn hóa tín hiệu trên phần mềm Altium Designer; điều khiển hệ thống thời gian thực bằng card dSPACE DS1104 kết hợp phần mềm giao tiếp ControlDesk; đo lường phản hồi vận tốc góc qua encoder và kiểm chứng lực căng qua cảm biến lực thực tế.

Nguồn dữ liệu và tư liệu nghiên cứu:

• Dữ liệu thông số vật lý của màng nhựa Polyethylene terephthalate (PET) và lõi thép Inox;
• Dữ liệu khảo sát công nghệ thực tế tại các nhà máy sản xuất giấy (nhà máy giấy Bãi Bằng, nhà máy giấy An Hòa);
• Dữ liệu đo đạc thực nghiệm thu thập từ hệ thống thử nghiệm WTS tại phòng 407-C1B, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về hệ vận chuyển vật liệu dạng băng

Chương 1 trình bày tổng quan về các ứng dụng thực tế của WTS, phân loại cấu hình và phân tích các yêu cầu kỹ thuật trong bài toán điều khiển. Tác giả khảo sát các ứng dụng của WTS trong công nghiệp truyền thống (giấy, dệt, tôn cuộn) và các ngành công nghệ cao (sản xuất phim nhựa điện tử OLED, pin quang điện mặt trời OPV). Chương này phân loại WTS theo 3 nguyên lý truyền động cuộn chính:

• Nguyên lý cuộn nổi (Floating drive): áp dụng phổ biến trong nhà máy giấy, cuộn vật liệu được điều khiển gián tiếp qua ba cuộn trung gian (cuộn đè, tang trống trước và tang trống sau).
• Nguyên lý cuộn sử dụng phanh từ: thường dùng cho lô tở để tạo mô men hãm thụ động.
• Nguyên lý cuộn hướng tâm (Center drive): lô tở và lô cuộn được truyền động trực tiếp từ trục động cơ điện. Cấu hình này cho phép kiểm soát độc lập mô men và vận tốc góc, được luận án lựa chọn làm đối tượng nghiên cứu.

Yêu cầu kỹ thuật cốt lõi của WTS là duy trì vận tốc dài của băng vật liệu bám theo giá trị đặt trước đồng thời giữ lực căng trên các phân đoạn luôn ổn định tại dải giá trị công nghệ yêu cầu. Tác giả tổng hợp các ấn phẩm tại hội nghị chuyên ngành IWEB giai đoạn 1991-2019, chỉ ra xu hướng nghiên cứu đang tập trung mạnh vào các thuật toán điều khiển phi tuyến nhằm thay thế các bộ điều khiển tuyến tính PI/PID truyền thống vốn không đáp ứng được yêu cầu khi dây chuyền vận hành ở tốc độ cao.

Chương 2: Mô hình toán học cho hệ vận chuyển vật liệu dạng băng

Chương 2 tập trung xây dựng mô hình toán học giải tích cho hệ thống WTS. Dựa trên định luật bảo toàn khối lượng và định luật đàn hồi Hooke, tác giả thiết lập phương trình vi phân mô tả tốc độ thay đổi của lực căng $t_i$ trên phân đoạn thứ $i$ có chiều dài $L_i$ nằm giữa hai lô liên tiếp: $$L_i \frac{dt_i}{dt} = ES(v_i - v_{i-1}) + v_{i-1}t_{i-1} - v_i t_i$$ Trong đó $E$ là mô đun đàn hồi, $S$ là diện tích mặt cắt ngang của vật liệu, $v_{i-1}$ và $v_i$ lần lượt là vận tốc dài của vật liệu tại lô trước và lô sau.

Đối với động lực học quay của lô tở (chỉ số $u$) và lô cuộn (chỉ số $r$), phương trình cân bằng mô men được thiết lập có xét đến sự biến đổi của bán kính và mô men quán tính theo thời gian: $$J_u(t) \frac{d\omega_u}{dt} = t_1 r_u(t) - M_u - b_{fu}\omega_u - \frac{a v_u^2}{2\pi r_u^2} \left( \frac{J_u(t)}{r_u(t)} - 2\pi w \rho r_u^2(t) \right)$$ $$J_r(t) \frac{d\omega_r}{dt} = -t_n r_r(t) + M_r - b_{fr}\omega_r + \frac{a v_r^2}{2\pi r_r^2} \left( \frac{J_r(t)}{r_r(t)} - 2\pi w \rho r_r^2(t) \right)$$ Trong đó $M_u, M_r$ là mô men điều khiển; $b_{fu}, b_{fr}$ là hệ số ma sát ổ đỡ; $a$ là độ dày vật liệu; $w$ là chiều rộng dải băng; $\rho$ là khối lượng riêng.

Bán kính tức thời của lô tở $r_u(t)$ và lô cuộn $r_r(t)$ biến thiên theo phương trình: $$r_u(t) = \sqrt{R_u^2 - \frac{a}{\pi} \int_0^t v_u(\tau) d\tau}, \quad r_r(t) = \sqrt{R_r^2 + \frac{a}{\pi} \int_0^t v_r(\tau) d\tau}$$ Mô men quán tính tổng cộng của lô gồm mô men quán tính phần lõi thép Inox và phần vật liệu PET: $$J(t) = J_0 + \frac{1}{2} \pi \rho w \left[ r^4(t) - R_0^4 \right]$$

Tác giả phân tích ảnh hưởng của nhiệt độ tới mô đun đàn hồi $E$, chiều dài phân đoạn $L$, kích thước lô và hệ số cản ma sát. Trên cơ sở đó, tác giả sử dụng phần mềm Autodesk Inventor 2019 để tính toán chính xác các thông số cơ học của mô hình thực tế, thu được mô men quán tính lõi $J_{\text{loi}} = 5057\text{ kg}\cdot\text{mm}^2$, mô men quán tính vật liệu cuộn $J_{\text{web}} = 10205\text{ kg}\cdot\text{mm}^2$, và mô men quán tính ban đầu của lô tở $J_{u0} = 15263\text{ kg}\cdot\text{mm}^2$ (tương đương $0{,}015263\text{ kg}\cdot\text{m}^2$). Đồng thời, tác giả xây dựng mô hình WTS mở rộng gồm ba phân đoạn với 2 lô dẫn chủ động biểu diễn dưới dạng không gian trạng thái 7 phương trình vi phân phi tuyến (được trình bày chi tiết tại Phụ lục C).

Chương 3: Điều khiển lực căng cho hệ vận chuyển vật liệu dạng băng

Chương 3 trình bày việc thiết kế bộ điều khiển lực căng và vận tốc dài cho hệ WTS một phân đoạn cơ bản bằng kỹ thuật cuốn chiếu (Backstepping). Cấu trúc điều khiển hướng tới việc điều khiển đồng thời hai biến đầu ra: lực căng dải băng bám theo giá trị đặt $T_d$ và vận tốc dài bám theo giá trị đặt $V_d$.

Quy trình thiết kế bộ điều khiển Backstepping gồm các bước:

1. Đặt sai lệch lực căng $z_1 = t_1 - T_d$. Thiết lập hàm Lyapunov thứ nhất $V_1 = \frac{1}{2} z_1^2$, xác định biến điều khiển ảo cho vận tốc góc lô tở: $\alpha_1 = \frac{1}{c_1} (-k_1 z_1 - c_2 t_1 \omega_1 - c_3 \omega_1 + \dot{T}_d)$.
2. Đặt sai lệch vận tốc ảo $z_2 = \omega_u - \alpha_1$. Thiết lập hàm Lyapunov tổng hợp $V_2 = V_1 + \frac{1}{2} z_2^2$, từ đó rút ra luật điều khiển mô men đầu vào $M_u$ cho lô tở: $$M_u = \frac{1}{c_{12}} \left( -k_2 z_2 - c_{13} t_1 - c_{14} \omega_u - c_{15} \omega_u^2 + \dot{\alpha}_1 - c_1 z_1 \right)$$
3. Tương tự, bộ điều khiển vận tốc cho lô cuộn được thiết kế để triệt tiêu sai lệch giữa vận tốc dài $v_r$ và lượng đặt $V_d$, tổng hợp nên tín hiệu điều khiển mô men $M_r$.

Để giải quyết bài toán giảm thiểu chi phí và nâng cao độ bền của hệ thống, tác giả thiết kế bộ quan sát lực căng (tension observer) dựa trên việc đo lường tín hiệu vận tốc góc của các lô, giúp tái tạo trạng thái lực căng $\hat{t}_1$ mà không cần cảm biến lực căng phần cứng. Kết quả mô phỏng số cho thấy: khi thông số mô hình xác định chính xác, bộ điều khiển Backstepping tích hợp bộ quan sát giúp lực căng và vận tốc bám sát giá trị đặt; tuy nhiên, khi xuất hiện thành phần tham số bất định 1% và 10%, sai lệch xác lập của lực căng bắt đầu gia tăng. Thử nghiệm trên mô hình phần cứng thực nghiệm với lượng đặt lực căng $T_d = 10\text{ N}$ và vận tốc dài $V_d = 2\text{ m/s}$ cho thấy hệ thống đáp ứng ổn định, kiểm chứng tính đúng đắn của phương pháp thiết kế.

Chương 4: Nâng cao chất lượng điều khiển cho hệ vận chuyển vật liệu dạng băng

Chương 4 tập trung giải quyết hai thách thức lớn xuất hiện trong Chương 3: hiện tượng bùng nổ số hạng vi phân khi tính đạo hàm $\dot{\alpha}_1$ trong thuật toán Backstepping, và sự suy giảm chất lượng điều khiển khi tham số hệ thống bất định lớn.

Tác giả đề xuất cấu trúc điều khiển bền vững tích hợp thuật toán mặt trượt động (Dynamic Surface Control - DSC). Thay vì tính đạo hàm giải tích của tín hiệu điều khiển ảo $\alpha_1$, tín hiệu này được đưa qua một bộ lọc thông thấp bậc nhất có hằng số thời gian $\tau$: $$\tau \dot{x}_2 + x_2 = \alpha_1, \quad x_2(0) = \alpha_1(0)$$ Tín hiệu sau lọc $x_2$ được sử dụng trực tiếp để tính toán sai lệch mặt trượt động $z_2 = \omega_u - x_2$, từ đó đạo hàm $\dot{x}_2 = \frac{\alpha_1 - x_2}{\tau}$ được xác định mà không làm bùng nổ số hạng vi phân. Kết quả mô phỏng cho thấy thuật toán DSC giữ cho hệ thống hoạt động ổn định và duy trì độ chính xác bám đặt tốt ngay cả khi tham số bất định ở mức 10% và 30%.

Tiếp theo, đối với trường hợp tham số mô men quán tính biến thiên lớn do quá trình cuộn xả vật liệu hoặc do tính toán thông số cơ khí có sai số, tác giả thiết kế bộ điều khiển thích nghi thông minh tích hợp mạng nơ-ron RBF (Radial Basis Function). Mạng RBF gồm 3 lớp (lớp vào, lớp ẩn với hàm kích hoạt Gaussian, và lớp ra) được sử dụng để xấp xỉ thành phần phi tuyến chứa mô men quán tính bất định $f(X)$: $$f(X) = W^{*T} h(X) + \varepsilon$$ Luật thích nghi cập nhật véc-tơ trọng số $\hat{W}$ được tổng hợp từ đạo hàm của hàm Lyapunov mở rộng: $$\dot{\hat{W}} = \Gamma z_2 h(X) - \sigma \Gamma \hat{W}$$ Trong đó $\Gamma$ là ma trận hệ số học dương và $\sigma$ là hệ số rò rỉ. Mô phỏng kiểm chứng trong trường hợp mô men quán tính thay đổi gấp 2 lần giá trị tính toán danh định ($J_i = 2 \times J_{i-\text{tính}}$) cho thấy bộ điều khiển thích nghi DSC-RBF kết hợp bộ quan sát lực căng triệt tiêu hoàn toàn sai lệch xác lập, đảm bảo lực căng dao động quanh giá trị đặt $10\text{ N}$ với sai số nhỏ hơn đáng kể so với phương pháp Backstepping thông thường.

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án đã đạt được các kết quả khoa học và đóng góp kỹ thuật mới sau:

• Xây dựng mô hình toán học tổng quát thể hiện rõ nét tính chất phi tuyến trong phương trình động lực học của lô cuộn và lô tở trong hệ thống WTS, mô tả chính xác sự biến thiên liên tục của bán kính và mô men quán tính theo thời gian.
• Thiết kế và ứng dụng thành công cấu trúc điều khiển lực căng không dùng cảm biến phần cứng (sensorless tension control) thông qua bộ quan sát trạng thái phi tuyến, giúp giảm giá thành chế tạo và tăng độ tin cậy vận hành.
• Đề xuất cấu trúc điều khiển bền vững dựa trên mặt trượt động DSC tích hợp bộ quan sát lực căng, giải quyết triệt để vấn đề bùng nổ số hạng vi phân của kỹ thuật cuốn chiếu truyền thống.
• Phát triển thuật toán điều khiển thích nghi sử dụng mạng nơ-ron RBF kết hợp bộ quan sát lực căng để bù trừ trực tuyến sự biến thiên và bất định lớn của mô men quán tính lô cuộn tở, đảm bảo tính ổn định tiệm cận toàn cục theo tiêu chuẩn Lyapunov.
• Chế tạo và tích hợp hoàn chỉnh hệ thống thực nghiệm WTS trên nền tảng phần cứng card điều khiển thời gian thực dSPACE DS1104, driver và động cơ servo AC, kiểm chứng tính khả thi của các thuật toán đề xuất.

Bảng tổng hợp kết quả thử nghiệm và kiểm chứng qua các kịch bản của luận án:

Thuật toán điều khiển	Tình trạng cảm biến lực căng	Mức độ bất định của tham số	Lượng đặt kiểm nghiệm ($T_d, V_d$)	Đánh giá đáp ứng hệ thống
Backstepping kinh điển	Có cảm biến	Danh định ($0%$)	$10\text{ N}, 2\text{ m/s}$	Lực căng và vận tốc bám tốt, đáp ứng nhanh
Backstepping kinh điển	Bộ quan sát	Bất định $1% \div 10%$	$10\text{ N}, 2\text{ m/s}$	Xuất hiện sai lệch xác lập khi độ bất định tăng
Mặt trượt động DSC	Bộ quan sát	Bất định $10% \div 30%$	$10\text{ N}, 2\text{ m/s}$	Triệt tiêu bùng nổ vi phân, giữ vững ổn định
Thích nghi DSC kết hợp RBF	Bộ quan sát	Bất định $J_i = 2 \times J_{i-\text{tính}}$	$10\text{ N}, 2\text{ m/s}$	Bù trừ sai số quán tính, sai số lực căng triệt tiêu
Thực nghiệm phần cứng DS1104	Cảm biến và bộ quan sát	Hệ thống thực tế tại lab	$10\text{ N}, 2\text{ m/s}$	Hệ thống vận hành ổn định, thuật toán khả thi

Về mặt kiến nghị, tác giả đề xuất ứng dụng cấu trúc điều khiển DSC kết hợp mạng RBF và bộ quan sát trạng thái vào các dây chuyền gia công dải vật liệu công nghiệp nhằm loại bỏ sự cố đứt gãy băng do dao động lực căng và tiết giảm chi phí bảo trì cảm biến tải trọng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án được xác định rõ qua phạm vi và giả thiết nghiên cứu:

• Luận án mới chỉ khảo sát hệ WTS vận hành theo một chiều chuyển động với nguyên lý cuộn hướng tâm, chưa mở rộng cho các hệ thống có khả năng đảo chiều quay hoặc hệ thống kết hợp nguyên lý cuộn nổi.
• Chưa tính đến hiện tượng trượt tương đối giữa dải băng và bề mặt các lô dẫn, cũng như bỏ qua sự dịch chuyển ngang trục (lệch biên) của dải vật liệu trong quá trình vận hành.
• Chưa xét đến đặc tính động học phi tuyến và bão hòa công suất của cơ cấu chấp hành (động cơ servo và bộ biến đổi điện tử công suất).
• Phần thực nghiệm thời gian thực trên card dSPACE DS1104 mới kiểm chứng cho cấu hình WTS một phân đoạn cơ bản, chưa thực nghiệm đồng thời trên mô hình nhiều phân đoạn có nhiều lô dẫn chủ động.

Các hướng nghiên cứu tiếp theo được đề xuất:

• Mở rộng mô hình toán học và cấu trúc điều khiển cho hệ thống WTS có xét đến hiện tượng trượt cơ học, mô hình viscoelastic (nhớt đàn hồi) của vật liệu và bài toán điều khiển chỉnh biên tự động (lateral/steering control).
• Phát triển và thực nghiệm các thuật toán điều khiển phi tuyến đa biến cho hệ thống WTS nhiều phân đoạn lực căng có sự tham gia của nhiều động cơ lô dẫn chủ động.
• Tối ưu hóa thuật toán để nhúng trực tiếp vào các bộ điều khiển khả trình công nghiệp (PLC) hoặc vi xử lý số DSP/FPGA thương mại thay thế cho card dSPACE thí nghiệm.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên khảo có giá trị trong các lĩnh vực:

• Đối với nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên ngành Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử: Luận án cung cấp phương pháp luận chặt chẽ về mô hình hóa đối tượng MIMO phi tuyến có tham số biến thiên, phương pháp thiết kế bộ điều khiển Backstepping, mặt trượt động DSC và mạng nơ-ron RBF, cùng kỹ thuật chứng minh ổn định Lyapunov.
• Đối với giảng viên và nhà nghiên cứu: Công trình cung cấp tài liệu chi tiết về phương pháp tính toán tham số cơ học 3D bằng phần mềm CAD (Autodesk Inventor) để đưa vào mô hình toán học giải tích, cũng như quy trình xây dựng hệ thống điều khiển phần cứng trong vòng lặp (Hardware-in-the-loop) với dSPACE DS1104.
• Đối với kỹ sư thiết kế và vận hành trong các nhà máy sản xuất giấy, thép, bao bì màng mỏng, in ấn công nghiệp: Các phân tích về nguyên lý cuộn hướng tâm, phương pháp loại bỏ cảm biến lực căng bằng bộ quan sát trạng thái và giải pháp bù sai lệch quán tính là cơ sở kỹ thuật trực tiếp để cải tiến các bộ điều chỉnh truyền động trong dây chuyền sản xuất.

Câu hỏi thường gặp

1. Kỹ thuật mặt trượt động (Dynamic Surface Control - DSC) giải quyết vấn đề gì trong phương pháp Backstepping truyền thống?
Trong phương pháp Backstepping truyền thống, việc tính toán tín hiệu điều khiển ở các bước kế tiếp đòi hỏi phải lấy đạo hàm giải tích của biến điều khiển ảo ở bước trước. Khi bậc của hệ thống tăng lên, các biểu thức vi phân trở nên cực kỳ phức tạp, dẫn đến hiện tượng "bùng nổ số hạng" (explosion of terms) gây quá tải tính toán cho bộ xử lý. Kỹ thuật DSC giải quyết triệt để vấn đề này bằng cách đưa biến điều khiển ảo qua một bộ lọc thông thấp bậc nhất, thu được tín hiệu đạo hàm trực tiếp từ trạng thái của bộ lọc mà không cần vi phân giải tích.

2. Tại sao luận án lại tích hợp mạng nơ-ron RBF vào cấu trúc điều khiển ở Chương 4?
Trong quá trình cuộn và tở, bán kính cuộn thay đổi khiến mô men quán tính $J_u$ và $J_r$ biến thiên liên tục và có thể sai lệch lớn so với giá trị tính toán lý thuyết danh định. Bộ điều khiển Backstepping và DSC thông thường không thể tự bù trừ nếu tham số này bất định lớn (lên tới 30% hoặc gấp đôi). Mạng nơ-ron RBF với đặc tính xấp xỉ hàm phi tuyến cục bộ được tích hợp để ước lượng trực tuyến thành phần bất định của mô men quán tính và cập nhật trọng số thích nghi theo thời gian thực, đảm bảo sai số điều khiển hội tụ về 0.

3. Hệ thống thực nghiệm của luận án được cấu hình từ các phần cứng và phần mềm nào?
Hệ thống thực nghiệm được xây dựng tại phòng 407-C1B Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, bao gồm:

• Cơ khí: khung máy WTS, các lô dẫn, cuộn màng nhựa PET và lõi thép Inox được thiết kế trên Autodesk Inventor 2019.
• Cơ cấu chấp hành và cảm biến: các động cơ AC servo ($U_{\text{đm}} = 220\text{VAC}$, mô men cực đại $10\text{ N}\cdot\text{m}$), drive điều khiển 3 pha, encoder đo tốc độ góc, cảm biến đo lực căng (load cell).
• Điều khiển nhúng: card dSPACE DS1104 tích hợp vi xử lý DSP tốc độ cao, mạch chuẩn hóa tín hiệu thiết kế trên Altium Designer, và phần mềm giám sát giao diện ControlDesk chạy thời gian thực.

4. Mô men quán tính ban đầu của lô tở được xác định bằng phương pháp nào và đạt giá trị bao nhiêu?
Mô men quán tính ban đầu của lô tở được xác định thông qua mô hình thiết kế 3D chi tiết trên phần mềm Autodesk Inventor 2019 (trình bày tại Phụ lục B). Bằng cách gán đúng đặc tính vật liệu Inox cho lõi lô và nhựa PET Plastic cho màng cuộn, phần mềm tính toán được mô men quán tính của lõi lô $J_{\text{loi}} = 5057\text{ kg}\cdot\text{mm}^2$ và mô men quán tính của cuộn vật liệu $J_{\text{web}} = 10205\text{ kg}\cdot\text{mm}^2$. Tổng mô men quán tính ban đầu của lô tở là $J_{u0} = 15263\text{ kg}\cdot\text{mm}^2$ (tương đương $0{,}015263\text{ kg}\cdot\text{m}^2$).

5. Vì sao luận án đề xuất cấu trúc điều khiển không dùng cảm biến lực căng?
Trong các hệ thống công nghiệp, cảm biến lực căng (load cell) là thiết bị có chi phí cao, đòi hỏi không gian lắp đặt tiếp xúc trực tiếp dưới dải băng, dễ bị hư hỏng hoặc sai lệch tín hiệu do rung động cơ khí và bụi bẩn công nghiệp. Việc xây dựng bộ quan sát trạng thái phi tuyến để ước lượng lực căng thông qua các biến vận tốc góc của lô giúp loại bỏ cảm biến phần cứng, từ đó giảm chi phí đầu tư, đơn giản hóa kết cấu cơ khí và nâng cao độ tin cậy vận hành của hệ thống WTS.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Tống Thị Lý đã giải quyết trọn vẹn bài toán mô hình hóa và điều khiển lực căng kết hợp vận tốc dài cho hệ thống vận chuyển vật liệu dạng băng WTS có tham số biến thiên liên tục. Bằng việc kết hợp các kỹ thuật điều khiển phi tuyến bao gồm Backstepping, mặt trượt động DSC, mạng nơ-ron RBF và bộ quan sát trạng thái, công trình đã đề xuất cấu trúc điều khiển bền vững, thích nghi và không phụ thuộc vào cảm biến lực căng phần cứng. Các kết quả nghiên cứu lý thuyết được chứng minh chặt chẽ bằng tiêu chuẩn ổn định Lyapunov, đồng thời được xác thực nhất quán thông qua mô phỏng số và thực nghiệm trên nền tảng dSPACE DS1104. Công trình đóng góp cơ sở khoa học và giải pháp kỹ thuật hữu ích cho việc nâng cấp, tự động hóa các dây chuyền gia công cuộn trong công nghiệp hiện đại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Hệ vận chuyển vật liệu dạng băng (Web Transprort System -WTS) là một trong số những hệ thống có ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau như giấy, vải, tôn thép, phim nhựa, pin năng lượng mặt trời, mạch in điện tử…Những sản phẩm này đóng vai trò quan trọng trong đời sống thường ngày cũng như trong công nghiệp [1], [2]. Các ứng dụng hiện nay ngày càng yêu cầu các quá trình vận hành của hệ thống không những đảm bảo chất lượng mà còn đảm bảo công suất ngày càng cao. WTS là một đối tượng có cấu trúc dạng MIMO phức tạp, có tham số biến thiên, và chịu ảnh hưởng của nhiễu.

Thực tế hiện nay, các bộ điều khiển của WTS chủ yếu sử dụng phương pháp điều khiển tuyến tính như PI và PID, …. Tuy nhiên các phương pháp điều khiển tuyến tính không phải lúc nào cũng đem lại chất lượng mong muốn mà thường có đáp ứng chậm, độ ổn định thấp, độ chính xác không được cao. Nên khi áp dụng các phương pháp này khó có thể đáp ứng được yêu cầu chất lượng ngày càng khắt khe của các dây chuyền hiện đại. Đây là một trong những yêu cầu cấp thiết được quan tâm đặc biệt trong những năm gần đây, việc phát triển và áp dụng các thuật toán phi tuyến để nâng cao chất lượng cho hệ thống là cần thiết.

Hiện nay có rất nhiều hướng nghiên cứu cho WTS, theo Hiệp hội về các vấn đề xử lý vật liệu dạng băng [3], có rất nhiều tạp chí và hội nghị đang công bố các nội dung nghiên cứu về lĩnh vực này, trong đó có thể thống kê một cách sơ bộ thông qua hội nghị chuyên ngành, IWEB [4] được tổ chức 2 năm một lần. Hội nghị IWEB năm nay sẽ tiếp tục được tổ chức vào tháng 11 tại Texas A&M College Station, Texas USA. Tổng hợp các bài báo tại hội nghi chuyên ngành IWEB 40 35 30 25 20 15 10 5 0 1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011 2013 2015 2017 2019 Số lượng bài tham gia Các bài về điều khiển Các bài về mô hình hóa hệ thống Hình 0.1 Tổng hợp số lượng nghiên cứu tại hội nghị chuyên ngành IWEB Các lý do trên thúc đẩy việc nghiên cứu, phát triển các thuật toán điều khiển cho WTS, phân tích các phương pháp điều khiển cơ bản, tìm hiểu và lựa chọn phương pháp điều khiển phù hợp áp dụng cho đối tượng phức tạp kể trên. Các thách thức trên cũng chính là mục đích nghiên cứu của luận án.

1 luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep 2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Hệ vận chuyển vật liệu dạng băng (WTS). WTS trong thực tế liên quan đến nhiều lĩnh vực bao gồm cơ khí, vật liệu, điện, điện tử…Nghiên cứu về WTS phức tạp do tính đa ngành. Phạm vi nghiên cứu của luận án được giới hạn trong các giả thiết sau: - Luận án nghiên cứu về điều khiển lực căng và tốc độ dài trong WTS.

- WTS có lô tở và lô cuộn theo nguyên lý hướng tâm, hệ di chuyển theo một chiều. - Cơ cấu chấp hành (động cơ) được coi là lý tưởng. - Không xét đến hiện tượng lệch băng và chuyển động ngang trục của vật liệu. - Không xét đến hiện tượng trượt băng vật liệu trên lô.

- Biến dạng vật liệu tuân theo định luật Hooke. Mục tiêu nghiên cứu - Xây dựng mô hình toán học tổng quát cho WTS có xét đến biến thiên của mô men quán tính của lô tở và lô cuộn. - Xây dựng thuật toán điều khiển hệ thống với các trường hợp: thông số mô hình được xác định rõ và thông số mô hình biến thiên, bất định. - Mô phỏng và thực nghiệm kiểm chứng tính đúng đắn các thuật toán được đề xuất.

Phương pháp nghiên cứu Tìm hiểu và xây dựng mô hình đối tượng, phân tích, xem xét đánh giá các đặc trưng nổi bật của đối tượng từ đó đưa ra các thuật toán điều khiển phù hợp. Các thuật toán điều khiển đều được chứng minh đảm bảo sự ổn định của hệ thống về mặt toán học. Thêm vào đó các mô phỏng và thực nghiệm được tiến hành để kiểm chứng tính đúng đắn và chất lượng của các bộ điều khiển được đề xuất. Những đóng góp mới của luận án Luận án có những đóng góp mới như sau: - Mô hình hóa dạng tổng quát thể hiện rõ tính phi tuyến trong các phương trình động lực học lô cuộn tở cho hệ thống vận chuyển vật liệu dạng băng.

- Áp cấu trúc điều khiển lực căng không dùng cảm biến cho hệ thống vận chuyển vật liệu dạng băng. - Đề xuất cấu trúc điều khiển bền vững dựa trên nền tảng mặt trượt động DSC (Dynamic Surface Control - DSC) tích hợp quan sát lực căng và điều khiểu thích nghi sử dụng cơ chế bù mô men quán tình lô cuộn tở dựa trên nền tảng mạng neural xuyên tâm RBF (Radial Basis Function - RBF) tích hợp bộ quan sát lực căng. 2 luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Đề cập tới một đối tượng nghiên cứu đang ứng dụng trong những lĩnh vực đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển của nền kinh tế, luận án đem lại nhiều ý nghĩa cả về khoa học lẫn thực tiễn.

Ý nghĩa khoa học: Luận án đề xuất thuật toán điều khiển không sử dụng cảm biến lực căng mà sử dụng bộ quan sát lực căng cho WTS đảm bảo tính ổn định và bền vững với tham số bất định. Thêm vào đó, luận án đã đề xuất thuật toán điều khiển thích nghi sử dụng luật cập nhật tham số và mạng nơ ron RBF cho WTS đảm bảo tính ổn định và thích nghi với sự thay đổi của tham số hệ thống. Ý nghĩa thực tiễn: Các thuật toán điều khiển được đề xuất trong luận án có thể được áp dụng vào các WTS trong thực tế nhằm giảm chi phí do không cần sử dụng cảm biến lực, giảm thời gian tinh chỉnh, tính toán thông số mô hình hệ thống và tăng khả năng thích nghi với sự thay đổi thông số mô hình 7. Bố cục và nội dung của luận án Luận án gồm 4 chương và phần kết luận chung có các nội dung chính như sau: Chương 1: Trình bày tổng quan về WTS gồm tiềm năng ứng dụng, dự báo xu hướng phát triển trong tương lai gần.

Phân tích cấu tạo và lựa chọn cấu hình WTS của luận án. Phân tích đánh giá tình hình nghiên cứu, ưu nhược điểm các kết quả, qua đó lựa chọn hướng nghiên cứu của luận án. Chương 2: Tổng quát hóa các bước xây dựng mô hình toán học cho WTS, xây dựng mô hình có xét đến thành phần biến thiên của mô men quán tính lô tở và lô cuộn, phân tích đánh giá mô hình từ đó xác định các nhiệm vụ cụ thể để phục vụ cho thiết kế điều khiển. Lựa chọn và xây dựng mô hình thực nghiệm thỏa mãn các giả thiết đã đặt ra phục vụ cho kiểm nghiệm thuật toán điều khiển.

Chương 3: Lựa chọn phương pháp thiết kế cấu trúc điều khiển phù hợp với WTS, xây dựng cấu trúc điều khiển dựa trên phương pháp lựa chọn kết hợp với giải quyết vấn đề giảm lược thiết bị cảm biến bằng bộ quan sát. Sử dụng kỹ thuật back-stepping thiết kế bộ điều khiển trong trường hợp sử dụng cảm biến lực căng và sử dụng bộ quan sát lực căng. Chương 4: Xây dựng thuật toán điều khiển bền vững kết hợp mặt trượt động DSC để tăng độ bền vững và khắc phục vấn đề “explosion of term”, ứng dụng trong trường hợp các tham số mô hình đã biết hoặc bị ảnh hưởng của thành phần bất định trong khoảng nhỏ.