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.
