Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển kinh tế và công nghiệp nhanh chóng, ô nhiễm không khí trở thành một vấn đề cấp bách toàn cầu, đặc biệt là tại các khu công nghiệp và đô thị lớn. Theo ước tính, các khí độc hại như Ethanol, NH3, SOx, CO, CO2, NOx được thải ra với nồng độ cao, ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường và sức khỏe con người. Việc giám sát và đánh giá ô nhiễm không khí từ xa bằng các phương pháp truyền thống gặp nhiều hạn chế do chỉ đo trực tiếp tại điểm lấy mẫu, không thể quan trắc liên tục và trên diện rộng. Do đó, hệ thống quan trắc môi trường từ xa sử dụng quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIRS) đã được phát triển nhằm khắc phục những hạn chế này.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là thiết kế và ứng dụng bộ điều khiển PID mờ trong điều khiển vị trí hệ thống quan trắc môi trường từ xa VISRAM, nhằm nâng cao độ chính xác định vị và rút ngắn thời gian thao tác quét vùng giám sát. Nghiên cứu tập trung vào cải tiến cơ cấu quay quét truyền thống sử dụng tay quay thủ công sang sử dụng động cơ bước lai hai pha kết hợp bộ truyền động, đồng thời phát triển bộ điều khiển vòng kín để điều khiển chính xác vị trí thiết bị quang phổ kế hồng ngoại. Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong việc điều khiển hai bậc tự do (góc phương vị và góc ngẩng) của hệ thống VISRAM tại Việt Nam, với thời gian thực hiện từ năm 2014 đến 2017.

Ý nghĩa nghiên cứu được thể hiện qua việc nâng cao độ chính xác vị trí quan trắc (độ phân giải góc đạt khoảng 0,006 độ/bước tương đương 0,1 mrad), cải thiện thời gian thao tác quét toàn vùng giám sát, giảm nhân lực vận hành và tăng độ tin cậy của kết quả đo. Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển công nghệ quan trắc môi trường từ xa trong nước, đồng thời mở ra hướng ứng dụng bộ điều khiển PID mờ trong các hệ thống điều khiển động cơ bước phức tạp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết điều khiển PID truyền thống và lý thuyết điều khiển mờ (fuzzy control). Bộ điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) là phương pháp điều khiển phổ biến trong công nghiệp nhờ tính đơn giản và hiệu quả trong việc điều chỉnh các hệ thống tuyến tính. Tuy nhiên, bộ điều khiển PID truyền thống gặp khó khăn khi hệ thống có đặc tính phi tuyến hoặc tham số thay đổi theo thời gian.

Lý thuyết điều khiển mờ được áp dụng để khắc phục nhược điểm này bằng cách sử dụng các quy luật mờ để điều chỉnh tham số PID một cách linh hoạt, phù hợp với trạng thái hoạt động của hệ thống. Bộ điều khiển PID mờ kết hợp ưu điểm của PID và điều khiển mờ, giúp giảm độ quá điều chỉnh, dao động chuyển tiếp và tăng độ chính xác định vị.

Ngoài ra, mô hình toán học phi tuyến của động cơ bước lai hai pha được xây dựng dựa trên phép biến đổi Park kết hợp kỹ thuật tuyến tính hóa chính xác. Phép biến đổi Park chuyển đổi hệ thống đa đầu vào - đa đầu ra phi tuyến thành hệ thống tuyến tính đơn giản trong hệ quy chiếu dòng điện, tạo điều kiện thuận lợi cho việc thiết kế bộ điều khiển vòng kín.

Các khái niệm chính bao gồm:

  • Động cơ bước lai hai pha
  • Bộ điều khiển PID mờ
  • Phép biến đổi Park
  • Kỹ thuật tuyến tính hóa chính xác
  • Hệ thống quan trắc môi trường từ xa VISRAM

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu nghiên cứu được thu thập từ khảo sát thực tế hệ thống VISRAM tại Viện VIELINA, các thông số kỹ thuật của động cơ bước VEXTA C014S-9212K, bộ truyền động Rino Ondrives PF30-30ANM và driver M6600. Ngoài ra, các số liệu về góc lấy mẫu IFOV (0,3-0,5 mrad), trường quan sát FOV (4-6 độ) và các đặc tính vật lý của hệ thống được sử dụng để thiết kế và mô phỏng.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Mô hình hóa toán học phi tuyến của động cơ bước lai hai pha
  • Áp dụng phép biến đổi Park và kỹ thuật tuyến tính hóa để chuyển đổi mô hình phi tuyến thành mô hình tuyến tính
  • Thiết kế bộ điều khiển PID mờ dựa trên các quy luật mờ xác định tham số PID thích hợp
  • Mô phỏng hệ thống điều khiển vòng hở và vòng kín trong môi trường Simulink/Matlab để đánh giá hiệu quả bộ điều khiển PID mờ so với PID thông thường
  • Thực nghiệm lắp ráp, tích hợp phần cứng và phần mềm điều khiển cơ cấu quay quét cải tiến trên hệ thống VISRAM

Cỡ mẫu nghiên cứu là hệ thống VISRAM thực tế với hai động cơ bước điều khiển hai bậc tự do. Phương pháp chọn mẫu là khảo sát toàn bộ hệ thống và các thiết bị liên quan. Timeline nghiên cứu kéo dài từ năm 2014 đến 2017, bao gồm các giai đoạn khảo sát, thiết kế, mô phỏng, lắp ráp, kiểm thử và hoàn thiện.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Cải tiến cơ cấu quay quét bằng động cơ bước và bộ truyền động

    • Độ phân giải góc quay đạt 0,006 độ/bước (tương đương 0,1 mrad), vượt yêu cầu kỹ thuật ban đầu (góc lấy mẫu IFOV 0,3-0,5 mrad).
    • Thời gian thao tác quét toàn vùng giám sát được cải thiện đáng kể, giảm nhân lực vận hành.
    • So với cơ cấu tay quay thủ công, cơ cấu cải tiến cho phép điều khiển chính xác và ổn định hơn, giảm sai số vị trí do tác động cơ học.

  2. Mô hình toán học phi tuyến và biến đổi mô hình

    • Mô hình phi tuyến của động cơ bước lai hai pha được xây dựng chính xác, phản ánh đặc tính thực tế của hệ thống.
    • Phép biến đổi Park kết hợp kỹ thuật tuyến tính hóa cho phép chuyển đổi hệ thống phi tuyến đa đầu vào - đa đầu ra thành hệ thống tuyến tính đơn giản, thuận tiện cho thiết kế bộ điều khiển vòng kín.

  3. Thiết kế và ứng dụng bộ điều khiển PID mờ

    • Bộ điều khiển PID mờ giảm đáng kể độ quá điều chỉnh và dao động chuyển tiếp so với bộ điều khiển PID thông thường.
    • Thời gian xác lập giảm trung bình khoảng 20-30% khi điều khiển vị trí động cơ bước với tải ngoài khác nhau.
    • Mô phỏng trong Simulink/Matlab cho thấy bộ điều khiển PID mờ có độ chính xác vị trí cao hơn khoảng 15% so với PID truyền thống.

  4. Khắc phục nhược điểm điều khiển vòng hở

    • Điều khiển vòng kín với PID mờ giúp tránh mất bước động cơ khi tần số kích xung lớn, tăng độ tin cậy của hệ thống.
    • Giảm thời gian xử lý tín hiệu và nâng cao độ tin cậy kết quả đo phổ hồng ngoại trong hệ thống VISRAM.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cải thiện hiệu suất điều khiển là do việc thay thế cơ cấu tay quay thủ công bằng động cơ bước lai hai pha kết hợp bộ truyền động có tỉ số truyền 1:30 và 1:10, nâng cao độ phân giải góc quay và tính ổn định vị trí. Việc áp dụng bộ điều khiển PID mờ dựa trên lý thuyết mờ giúp điều chỉnh tham số PID linh hoạt theo trạng thái hệ thống, khắc phục nhược điểm của PID truyền thống trong môi trường có tham số biến thiên.

So sánh với các nghiên cứu tương tự trên thế giới, kết quả nghiên cứu phù hợp với xu hướng ứng dụng điều khiển mờ trong các hệ thống điều khiển phi tuyến và đa biến. Việc mô hình hóa chính xác và biến đổi hệ thống giúp đơn giản hóa thiết kế bộ điều khiển, đồng thời nâng cao hiệu quả điều khiển.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ đáp ứng bước của bộ điều khiển PID mờ và PID thông thường, biểu đồ dao động chuyển tiếp và thời gian xác lập dưới các điều kiện tải khác nhau, giúp minh họa rõ ràng sự ưu việt của bộ điều khiển PID mờ.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai áp dụng bộ điều khiển PID mờ trong các hệ thống quan trắc môi trường từ xa

    • Mục tiêu: Nâng cao độ chính xác định vị và giảm thời gian thao tác quét.
    • Thời gian: Triển khai trong vòng 12 tháng.
    • Chủ thể thực hiện: Các viện nghiên cứu, doanh nghiệp công nghệ môi trường.

  2. Phát triển phần mềm điều khiển tích hợp giao diện người dùng thân thiện

    • Mục tiêu: Tăng tính linh hoạt và dễ dàng vận hành hệ thống VISRAM.
    • Thời gian: 6-9 tháng.
    • Chủ thể thực hiện: Đội ngũ phát triển phần mềm và kỹ thuật viên điều khiển.

  3. Nâng cấp phần cứng động cơ bước và bộ truyền động với công nghệ mới

    • Mục tiêu: Giảm thiểu hiện tượng mất bước và tăng tuổi thọ thiết bị.
    • Thời gian: 12-18 tháng.
    • Chủ thể thực hiện: Nhà sản xuất thiết bị và đơn vị nghiên cứu.

  4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ cho các đơn vị vận hành hệ thống quan trắc

    • Mục tiêu: Đảm bảo vận hành hiệu quả và bảo trì hệ thống.
    • Thời gian: Liên tục theo kế hoạch vận hành.
    • Chủ thể thực hiện: Viện nghiên cứu, trung tâm đào tạo kỹ thuật.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa

    • Lợi ích: Hiểu rõ về ứng dụng bộ điều khiển PID mờ trong hệ thống điều khiển động cơ bước phi tuyến.
    • Use case: Phát triển đề tài nghiên cứu hoặc luận văn liên quan đến điều khiển tự động.

  2. Doanh nghiệp sản xuất và phát triển thiết bị quan trắc môi trường

    • Lợi ích: Áp dụng công nghệ điều khiển tiên tiến để nâng cao chất lượng sản phẩm.
    • Use case: Thiết kế hệ thống quan trắc môi trường từ xa với độ chính xác cao.

  3. Cơ quan quản lý môi trường và các trung tâm giám sát ô nhiễm

    • Lợi ích: Nâng cao hiệu quả giám sát và cảnh báo ô nhiễm không khí.
    • Use case: Triển khai hệ thống VISRAM cải tiến để giám sát vùng công nghiệp và đô thị.

  4. Các kỹ sư và kỹ thuật viên vận hành hệ thống điều khiển tự động

    • Lợi ích: Nắm bắt kiến thức về thiết kế, lắp ráp và vận hành bộ điều khiển PID mờ.
    • Use case: Bảo trì, hiệu chỉnh và tối ưu hóa hệ thống điều khiển động cơ bước trong thực tế.

Câu hỏi thường gặp

  1. Bộ điều khiển PID mờ khác gì so với PID truyền thống?
    Bộ điều khiển PID mờ sử dụng các quy luật mờ để điều chỉnh tham số PID linh hoạt theo trạng thái hệ thống, giúp giảm dao động và tăng độ chính xác so với PID truyền thống, vốn có tham số cố định.

  2. Tại sao cần thay thế cơ cấu tay quay bằng động cơ bước?
    Cơ cấu tay quay thủ công khó đạt độ chính xác cao và ổn định vị trí, trong khi động cơ bước cho phép điều khiển chính xác từng bước quay với độ phân giải cao, giảm sai số và tăng hiệu quả vận hành.

  3. Phép biến đổi Park có vai trò gì trong mô hình hóa?
    Phép biến đổi Park chuyển đổi hệ thống điều khiển phi tuyến đa đầu vào - đa đầu ra thành hệ thống tuyến tính đơn giản trong hệ quy chiếu dòng điện, giúp thiết kế bộ điều khiển vòng kín dễ dàng và hiệu quả hơn.

  4. Làm thế nào để tránh mất bước động cơ khi tần số kích xung lớn?
    Sử dụng điều khiển vòng kín với bộ điều khiển PID mờ giúp điều chỉnh chính xác dòng điện và vị trí rotor, giảm hiện tượng mất bước khi tần số kích xung tăng cao.

  5. Hệ thống VISRAM có thể ứng dụng ở đâu ngoài giám sát ô nhiễm không khí?
    Ngoài giám sát ô nhiễm, VISRAM có thể ứng dụng trong giám sát khí rò rỉ tại các khu công nghiệp, cảng hàng không, bờ biển, và hỗ trợ lực lượng phản ứng nhanh trong các tình huống khẩn cấp.

Kết luận

  • Đã thiết kế và cải tiến thành công cơ cấu quay quét sử dụng động cơ bước lai hai pha và bộ truyền động, nâng cao độ chính xác vị trí lên khoảng 0,006 độ/bước.
  • Mô hình toán học phi tuyến được chuyển đổi thành mô hình tuyến tính bằng phép biến đổi Park và kỹ thuật tuyến tính hóa chính xác, tạo điều kiện thuận lợi cho thiết kế bộ điều khiển vòng kín.
  • Bộ điều khiển PID mờ được thiết kế và mô phỏng chứng minh ưu việt hơn so với PID truyền thống về độ chính xác, giảm dao động và thời gian xác lập.
  • Hệ thống VISRAM cải tiến đáp ứng tốt yêu cầu kỹ thuật về độ chính xác và thời gian thao tác, đồng thời giảm nhân lực vận hành.
  • Đề xuất triển khai ứng dụng rộng rãi bộ điều khiển PID mờ trong các hệ thống quan trắc môi trường từ xa và các lĩnh vực điều khiển tự động khác.

Next steps: Triển khai thực nghiệm thực tế, hoàn thiện phần mềm điều khiển, đào tạo vận hành và mở rộng ứng dụng trong các hệ thống quan trắc khác.

Call to action: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp trong lĩnh vực tự động hóa và môi trường nên tiếp cận và ứng dụng công nghệ điều khiển PID mờ để nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống quan trắc môi trường từ xa.